Методика назначения эксплутационных режимов работы главного судового дизеля

ХАРАКТЕРИСТИКИ 
РАБОТЫ  ГД. 

   
Для современных судовых двигателей 
характерен высокий уровень напряженности 
рабочего процесса. Элементы  конструкции, 
и в первую очередь детали 
цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей,
испытывают действие больших 
тепловых и механических нагрузок.
Дизелестроительные заводы и фирмы, назначая
номинальную мощность, как правило, оставляют
очень небольшие резервы на случай возможного
ее превышения в эксплуатации, или изменения
технического состояния двигателя и параметров
окружающей среды, что обуславливает наличие
незначительного разрыва между рабочими
уровнями тепловой и механической напряженности
двигателей на номинальном режиме и их
предельными значениями. Об этом свидетельствуют 
участившиеся  в последние годы случаи
выхода из строя головок поршней, втулок
и крышек рабочих цилиндров, появление
интенсивных износов цилиндров, возникновение
трещин и выкрашивания антифрикционного
сплава подшипников и пр. Поэтому большое
значение имеет правильный выбор режима
работы. Это особенно важно при назначении
режимов работы в условиях повышенного
сопротивления движению судна, обусловливающих
уменьшение числа оборотов.

  
Назначать режимы двигателя необходимо 
исходя из присущей ему ограничительной
характеристики, под
которой понимается

аналитическая
или графическая зависимость
энергетических показателей
двигателя, определяющая
верхнюю границу области
допустимых в эксплуатации
режимов, от числа его
оборотов.

  
Эта характеристика может ограждать 
двигатель от чрезмерных перегрузок,
недопустимых даже при кратковременной
работе     (заградительная характеристика
по топливному насосу), или от перегрузок,
недопустимых лишь при длительной работе
ограничительная характеристика по тепловой
и механической напряженности см. рис.1)

Рис. 1

 

   
Заградительная характеристика
по топливному насосу
соответствует работе
двигателя с максимально
допустимыми подачами
топлива, величина которых
определяется положением
рейки топливного насоса
у упора. В процессе эксплуатации двигатель
может выходить на эту характеристику
лишь в точке перегрузочного режима, которой
соответствуют N_e
= 110%,

Ne _ном
и n= 103% n_ном. Продолжительность
работы на этом режиме не должна превышать
1час.

  
Ограничительная 
характеристика по 
тепловой и механической 
напряженности соответствует 
работе двигателя с
такими нагрузками,
которые обеспечивают
сохранение его тепловой
и механической напряженности
на уровне номинального
или эксплуатационного
режима.

Необходимо 
следить за тем, чтобы режим работы
двигателя находился в пределах
этой характеристики. Все режимы, лежащие
выше ограничительной характеристики
по тепловой и механической напряженности,
являются перегрузочными, и эксплуатировать
двигатели на этих режимах
не рекомендуется.

Как
исключение, допускается 
лишь кратковременная 
работа при выполнении
судном маневров.

Ограничительная
характеристика является чисто условной
и переход двигателя за ее пределы — на
внешнюю номинальную характеристику или
заградительную характеристику по топливному
насосу — конструктивно ничем не ограничен.

  
Для всех двигателей без наддува,
исключая малооборотные, ограничительной
характеристикой может служить характеристика
М_кр = const или р_е
= const (см. линию 2 рис.1) В этом случае при
любой частоте вращения среднее эффективное
или среднее индикаторное давление рабочего
цикла не должно выходить за пределы значений,
установленных для номинального режима.

  
Об уровне тепловой и механической 
напряженности в первом приближении, 
при отсутствии индикаторного 
привода, можно судить по температурам 
выпускных газов и максимальным
давлениям сгорания p_z. Последние
также должны укладываться в пределы номинального
режима.

  Для 
современных форсированных двигателей 
с газотурбинным наддувом выбирать 
режим работы сложнее, так как 
характеристика р_е
= const, особенно при оборотах, меньших 90%

n_ном,
не гарантирует работу двигателя без перегрузок,
и поэтому при снижении скоростного режима
требуется уменьшать подачу топлива и
переходить на режимы более низких р_е
(см. линию 3 рис.1).

При назначении
режимов работы мощных малооборотных 
судовых дизелей с газотурбинным наддувом
моделей RD и RND   фирмы” Зульцер”
рекомендует пользоваться графиком ограничительной
характеристики, предоставленным на рис.2.

 Здесь 
ограничительная характеристика 
выходит  из точки номинального 
режима (точка 1) и при снижении
оборотов до 90%  n_ном 
допускается кратковременная работа
при p_e = const, а при более низких оборотах
значение p_e ограничивается линией   
2-3. Номинальный режим,  или соответствующий
ему по принятой фирмой градации режим
максимальной длительной мощности не
рекомендуется для длительной работы,
как и вся зона В, лежащая за пределами
стендовой винтовой характеристики.

   
Чтобы иметь достаточный запас 
мощности и этим  обеспечить 
работу двигателя в реальных 
условиях эксплуатации без тепловых 
и механических перегрузок, большинство
фирм предлагают проектировать гребные
винты таким образом, чтобы при полной 
осадке и номинальном числе оборотов двигатель
загружался на 85 — 90 % от номинальной мощности.
Тогда эксплуатационный режим  полного
хода, в зависимости от состояния корпуса
( степень его обрастания), погодных условий
и загрузки судна, будет автоматически
укладываться в зону А. 

  
Если назначаемую фирмой “ 
Бурмейстер и Вайн “ максимальную 
длительную мощность (рис.3)  принять 
за номинальную, то при чистом
корпусе и полной осадке, при номинальном
числе оборотов двигатель должен загружаться
ориентировочно на 93% N_е
ном ( точка Б ). При этом рекомендуемая
область эксплуатационных режимов полного
хода располагается ниже стендовой винтовой
характеристики и характеристики р_е
ном = const.

  
В случае чрезмерного обрастания 
корпуса, повреждения гребного 
винта, при работе во льдах, 
снятия с мели, следует уменьшить 
число оборотов, поддерживая среднее 
индикаторное или среднее эффективное 
давление на уровне, соответствующем
режиму эксплуатационной длительной мощности. 

  
Поскольку ограничительная характеристика 
по тепловой и механической 
напряженности является чисто 
условной и выход двигателя 
за ее пределы ничем не ограничен, 
то при работе двигателя на 
режимах полного хода необходимо периодически
проверять значения р _i , (р_е),
а также вести контроль за максимальными
давлениями сжатия и сгорания р_с
и р_z, давлением и температурой 
продувочного воздуха, температурой выпускных
газов t_z и их окраской, температурами
охлаждающей воды и масла на входе и выходе
и пр. Неравномерность распределения мощности
и других параметров по отдельным цилиндрам
должна соответствовать ПТЭ.

  
Согласно ПТЭ необходимо осуществлять 
непрерывное наблюдение за работой 
механизмов силовой установки. 
 
 

ОБЩИЕ
ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

1. Режим работы
   дизеля определяется крутящим моментом,
   который он развивает, частотой вращения
   вала и условиями эксплуатации. Возможность 
   работы дизеля на том или ином режиме
   зависит от его характеристик 
   и характеристики потребителя мощности
   — гребного винта.
2. Область 
   режимов совместной работы главного судового
   дизеля и винта фиксированного шага иллюстрируется
   на рис.1

 

     
2

М_д                                                                                     
1

      4

 
 

                                                                   
3

                                                                    
N

Рис. 1 
 

1. Характеристики 
   дизеля на рис.1 представлены линиями:

   
линия 1-2 — частичная
внешняя характеристика —
определяет крутящий момент М_д,,
который дизель может развивать при постоянном
положении топливо регулирующего органа,
(индекс ТНВД), в зависимости от частоты
вращения вала ;

 
  _{линия 1-3 — регуляторная
характеристика — определяет изменение
крутящего момента в зависимости от частоты
вращения, когда в действие вступает регулятор,
воздействующий на рейки топливных насосов.
Наклон этой характеристики зависит от
свойства регулятора;}

  
линия 1- 4 —скоростная
ограничительная характеристика —
определяет верхнюю границу допустимых
в эксплуатации режимов работы дизеля.
Необходимо иметь в виду, что ограничительная
характеристика не присуща органически
самому дизелю, а является лишь инструментом
для контроля нагрузки. В случае выхода
нагрузки за пределы ограничительной
характеристики следует предпринимать
действия, направленные на изменение цикловой
подачи топлива или характеристики потребителя
энергии, чтобы ввести в область допустимых
режимов работы.

2. Характеристика
   гребного винта, под которой в данной статье 
   понимается зависимость потребляемого
   винтом крутящего момента М_в от
   частоты вращения, определяется конструктивными
   элементами винта и эксплуатационными
   факторами: осадкой судна, глубиной под
   килем, степенью обрастания судна и винта,
   метеорологическими условиями и др. На
   рис.1 показан возможный диапазон изменения
   характеристики винта в эксплуатации:
   левая кривая соответствует нулевой скорости
   судна (на швартовых), правая кривая — плавание
   судна в балласте с чистым корпусом и при
   попутном ветре.
3. Область режимов
   работы дизеля в эксплуатации очерчивается
   характеристиками дизеля и диапазоном
   изменения характеристик гребного винта.
   С учетом налагаемых ограничений на нагрузку
   дизеля область допустимых режимов работы
   соответствует заштрихованной на рис.1
3. Современные
   форсированные дизели с наддувом имеют
   то свойство, что работа на пониженной
   частоте вращения частичной внешней характеристики
   сопровождается уменьшением давления
   наддува. Это приводит к снижению весового
   заряда воздуха в цилиндре, уменьшению
   коэффициента избытка  воздуха  для
   сгорания и, следовательно, к увеличению
   средней температуры  газов во время
   рабочего хода  и свободного выпуска.
   В результате увеличивается тепловая
   нагрузка на газо-выпускные органы, а в
   некоторых случаях наблюдается повышение
   температуры поршня.

     
При низкой степени наддува 
работа дизеля на пониженной 
частоте вращения частичной внешней 
характеристики сопровождается 
ростом максимального давления 
газов в цилиндре вследствие 
увеличения  времени для подготовки 
топлива и его сгорания на участке до верхней
мертвой точки. Это приводит к увеличению
механических нагрузок на детали дизеля.
Поэтому, хотя дизель и способен воспринять
нагрузку, соответствующую любой точке
внешней характеристики, скоростные ограничительные
характеристики устанавливаются всегда
ниже внешней характеристики.

4. При построении
   скоростных характеристик в качестве
   параметра нагрузки используются мощность
   дизеля или развиваемый им крутящий момент.
   Для практического применения скоростных
   характеристик  удобнее использовать
   и другие параметры, связанные с мощностью
   или крутящим моментом определенными
   соотношениями и в то же время контролируемые
   в процессе эксплуатации.

  
Для судовых дизелей в качестве 
параметра нагрузки могут применяться:

1. Среднее
   индикаторное давление,
   которое прямо пропорционально внутреннему
   крутящему моменту, развиваемому двигателем.
   Оно в наибольшей  степени характеризует
   механические и тепловые нагрузки в правильно
   отрегулированном  дизеле, так как непосредственно
   связано с рабочим процессом в цилиндрах.
   Однако процедура определения р.  трудоемка
   и не всегда обеспечена аппаратурными
   средствами.
2. Цикловая подача топлива
   b_ц или пропорциональное ей отношение
   расхода топлива к частоте вращения 
   дизеля G/ n.    Cвязь этих параметров
   со средним индикаторным давлением определяется
   соотношением:

             
b_ц  = c x G/ n = c₁
p_ig_i / Q_н 

где с,
с₁   —  постоянные коэффициенты;

         
g_i    — удельный индикаторный
расход топлива;

         
Q_н   — теплота сгорания топлива.

 Следовательно, 
если имеется скоростная ограничительная
характеристика в координатах p_i
— n, то для перехода к ограничительной
характеристике в координатах b_ц
— n достаточно учесть изменение g_i
по результатам стендовых испытаний,
а также возможное в условиях эксплуатации
изменение теплоты сгорания топлива. Обычно
при перестроении характеристики в указанные
координаты изменением g_i пренебрегают.

2.3. Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна

Для
выделения области допустимых режимов
работы главного двигателя и пропульсивного
комплекса в целом на паспортную диаграмму
наносится ограничительные (заградительные)
характеристики по крутящему моменту
главного двигателя М_е
и
частоте вращения гребного винта (главного
двигателя)
п_с.

2.3.1.
Прочность вала (в том числе KB
ГД и валопровода) определяется исходя
из допускаемых касательных напряжений
[τ] величина которых определяется по
формуле:

при
диаметре вала d,
м.

Отсюда
следует, чтобы выполнить условие
прочности вала, нельзя превышать
расчетный крутящий момент М_е.

Для
двигателей и валопроводов такой момент
соответствует номинальному
режиму работы двигателя при N_ен
=
2πп_снМ_ен,
откуда:

Двигатель
считается перегруженным, если он работает
на режиме, превышающем
номинальную эффективную мощность N_eн,
когда
крутящий момент
М_е
или
частота вращения вала п_с
превышают номинальные величины (с
индексом «н»).

2.3.2.
Для нанесения на паспортную диаграмму
ограничительной характеристики
для N_e
при
М_ен
= const
исходя
из линейной зависимости изменения
мощности N_e
=
М_ен
2πп_сн,
нужно определить две точки на диаграмме.
Одна
точка соответствует номинальному режиму
N_eн
и п_сн,
а вторая точка может
быть определена для любой частоты
вращения п_с1
по формуле:

Проводя
через эти две точки прямую линию, получаем
границу изменения величины эффективной
мощности N_e
при
М_ен
= const.

2.3.3.
Для нанесения ограничительной
характеристики по М_ен
на
графике
изменения полезной тяги Р_е
при
М_ен
=
const
следует
полученные расчетные точки ограничительной
характеристики для мощности N_e
и
частоты вращения
п_с
соответственно
перенести по вертикали на кривые
изменения Р_е.
Это
точки пересечения прямой N_e
при
М_ен
=
const
с
линиями п_сн
= const
и
п_с1
= const.

Проводя
прямую через эти точки на графике
изменения Р_е
= f₂(.v,
n_с),
получаем
границу предельной располагаемой тяги,
достижимой при данных гребного винта
и ГД, для соответствующей скорости
движения судна.

Если
на диаграмму Р_е
= f₂(.v,
n_с)
нанести
кривую сопротивления судна R
=
f₁
(υ),
то можно определить частоту вращения
гребного винта и соответствующую ей
скорость хода судна. При пересечении
графика R
=
f₁
(υ)
с границей
предельной тяги определяется скорость
полного хода и соответствующая
ей частота вращения гребного винта.

Перенеся
полученные точки пересечения кривых
сопротивления и тяги при различных
частотах вращения гребного винта на
диаграмму зависимости
N_e
=
=
f₃(v,
n_с),
получаем значения требуемой мощности
главного двигателя для достижения
соответствующей скорости судна и
полезной тяги.

Зная
границу предельной тяги, и кривую
сопротивления судна, можно определить
буксировочные возможности судна. Тяга
на гаке, которая может быть использована
для буксировки объектов, равняется
разности между максимальной
полезной тягой и величиной сопротивления
судна при данной скорости
судна. Предельная тяга, равная сумме
сопротивления судна и буксируемых
объектов, позволяет определить достижимую
скорость буксировки и соответствующие
им мощность и частоту вращения вала ГД.

Назначать
режим работы главного двигателя выше
ограничительной характеристики по М_ен
=
const
не
допускается.

4. В
   случае работы двигателя с так называемым
   легким винтом, например,
   при ходе судна в балласте, двигатель
   обычно не развивает номинальной
   мощности, и режим его работы находится
   в области ниже ограничительной
   характеристики по М_е.
   В
   этом случае режим нагрузки двигателя
   ограничивается
   величиной частоты вращения вала, которая
   не должна выходить
   за пределы номинального значения п_сн.

4. Заводы-изготовители
   двигателей обычно предусматривают
   возможность кратковременного режима
   работы, двигателей на максимальной
   мощности,
   превышающей на 10% номинальную мощность
   N_emаx
   =
   1,1
   N_eн
   [5].
   На режиме максимальной мощности, как
   правило, разрешается непрерывно
   работать не более одного — двух часов.
   Исходя из кубической зависимости
   изменения эффективной мощности двигателя
   N_e
   от
   частоты вращения вала
   при работе по винтовой характеристике,
   т.е. N_е
   = сп³
   можно
   определить
   предельную частоту вращения вала п_{с
   тах}
   при
   максимальной мощности дизеля
   (перегрузочный режим работы ГД).

При
этом перегрузочном режиме работы
двигателя максимальный крутящий
момент равен:

Эти
значения величин N_e
maх
и
п_с
тгх
можно
нанести на паспортную диаграмму
в качестве предельных ограничительных
характеристик. Методика расчета и
построения этих линий на диаграмме N_e
= f₃(v,n_с)
и
Р_е
= f₂(.v,
n_с)
аналогична
ранее приведенной для номинального
крутящего момента M_eн
= const
и
номинальной частоты вращения п_сн
=
const.

При
назначении данного режима работы всегда
следует помнить, что Правила
технической эксплуатации судовых
дизелей [9] требуют следующее:
«Работа дизеля с перегрузкой допускается
в исключительных случаях, связанных
с угрозой человеческой жизни или
безопасности судна, только по распоряжению
капитана».

При
работе дизеля с перегрузкой должны быть
соблюдены все указания заводской
инструкции по эксплуатации в части
допускаемых величин превышения
мощности и частоты вращения, а также в
части продолжительности работы дизеля
в этом режиме.

Блок цилиндров: материалы, функции, типы, схемы, проблемы

Содержание

• 1 Блок цилиндров автомобильного двигателя
  • 1.1 Материал блоков цилиндров:
  • 1.2 Функции блоков цилиндров
  • 1.3 Основные части блока цилиндров 08 900 1.4 Типы блока цилиндров
    • 1.4.1 Подпишитесь на нашу рассылку
  • 1.5 Распространенные проблемы с блоком цилиндров
    • 1.5.1 Пожалуйста, поделитесь!

Блок цилиндров широко известен как блок двигателя. Он считается сердцем двигателя и одним из центральных компонентов двигателя. он изготовлен из высококачественного материала для достижения намеченной цели его компонентов.

Блоки цилиндров играют очень важную роль в смазывании двигателя, контроле температуры и стабильности двигателя. По этой причине она должна быть сделана качественно, чтобы не было брака.

Блок двигателя рассчитан на работу при различных температурах и нагрузках, что обеспечивает стабильность и смазку двигателя. В блоках цилиндров есть несколько масляных каналов, которые способствуют циркуляции масла внутри двигателя. Водяные галереи также используются для охлаждения двигателя, что обеспечивает оптимальную рабочую температуру.

Блок цилиндров конструируется в зависимости от типа и спецификации модели двигателя. Это будет включать стенки цилиндров, гильзы цилиндров и каналы охлаждающей жидкости.

Наконец, блок цилиндров — это конструкция, содержащая цилиндры и другие детали двигателя внутреннего сгорания.

Читать: Компоненты автомобильного двигателя

Материал блоков цилиндров:

Производители блоков цилиндров часто используют для его производства серый чугун. Никель и хром иногда добавляют для улучшения их свойств. Чтобы получить меньший вес компонента и улучшить характеристики, используется алюминий. но в алюминиевых блоках на цилиндрах используются чугунные или стальные гильзы.

Стенки цилиндров большинства двигателей изготавливаются из чугуна, так как он менее износостойкий. Хотя некоторые небольшие двигатели используют хром для покрытия стенок цилиндров, чтобы уменьшить износ и увеличить срок их службы.

Кроме того, на алюминиевых блоках поддерживает большую однородность температуры благодаря их теплопроводности. Картер блока, головка часто изготавливаются из алюминиевого сплава, иногда используется серый чугун.

Чугун используется для тяжелого оборудования, такого как коммерческие двигатели, судовые двигатели и железнодорожные двигатели. Но алюминиевые сплавы обычно совсем другие.

Функции блоков цилиндров

Блок цилиндров является одним из основных компонентов автомобильного двигателя. Он служит множеству целей, которые будут перечислены ниже:

• Одной из важнейших функций блока цилиндров является то, что он заключает в себе поршень, шатун и коленчатый вал. Их работа происходит внутри блока.
• Блок поддерживает компоненты двигателя, включая вспомогательные устройства. Такие устройства, как компрессор кондиционера, генератор переменного тока, впускной и выпускной коллектор и т. д.
• Включает в себя детали контура смазки, такие как масляный поддон, масляный насос, масляный фильтр и т. д.
• Также играет жизненно важную роль в контуре охлаждения.

Основные детали блока цилиндров

Ниже приведены основные части блока цилиндров и их функции:

• Крышки головки цилиндров: головка цилиндра крепится к блоку цилиндров длинными болтами. Между блоком цилиндров и головкой блока цилиндров находится прокладка. Деталь помогает герметизировать камеру сгорания и контуры охлаждения.
• Головка блока цилиндров
• Блок цилиндров: блок цилиндров может быть цельным или разделенным на два, верхний и нижний блоки. Он охватывает поршень, шатун и т. Д., Поскольку они работают в нем.
• Масляный поддон

Некоторые другие детали цилиндра, которые можно увидеть, включают:

• Крепежная опора коленчатого вала.
• Проход контура охлаждающей жидкости.
• Цилиндр
• Каналы контура смазки
• Опора вспомогательного оборудования.
• Резьбовое отверстие для болтов ГБЦ

Ниже приведена полная схема блока цилиндров:

Типы блока цилиндров

Блоки цилиндров классифицируются в зависимости от конфигурации двигателя. Ниже приведены типы блоков цилиндров:

V-образный двигатель: V-образный двигатель — популярный тип цилиндров, доступных сегодня на большинстве автомобилей. Начиная с Cadillac v16 и заканчивая классическими двигателями v8, вплоть до крошечных двигателей v4, используемых на мотоциклах, с этим блоком цилиндров.

Блок доступен уже десять лет, известен своей надежностью. V-образный двигатель также воздействует на природу, поскольку в нем используется пара рядов цилиндров, расположенных параллельно друг другу.

Двигатели v-16 похожи на рядную восьмерку по длине, но немного шире. Недостатком V-образного двигателя является отсутствие швов, что довольно плохо, поскольку поршни установлены под нечетными углами относительно осевой линии двигателей

Рядный двигатель: в этих типах блоков цилиндров ряд цилиндров, которые работают в одной линии . Он идет от задней части двигателя к передней. Автомобили с этим блоком двигателя работают плавно, поэтому он применим там, где требуются высокие обороты. Вот почему эта конфигурация идеально подходит для малолитражного двигателя, используемого в большинстве легковых автомобилей.

Оппозитные двигатели: оппозитный двигатель можно легко понять, когда V-образный двигатель сплющен. Это приводит к тому, что головки цилиндров находятся прямо напротив друг друга. Этот двигатель используется на Porsche и Subaru, а также на некоторых других высокопроизводительных двигателях.

Присоединяйтесь к нашему информационному бюллетеню

Поршни в этом типе блока цилиндров служат противовесом для другой стороны. Вот почему коленчатый вал сам по себе не требует противовеса. По этой причине коленчатый вал короче, легче, выше обороты и делает двигатель более мощным.

Читать: Конфигурация цилиндров двигателя автомобиля

Распространенные проблемы с блоком цилиндров

Ниже приведены распространенные неисправности блока цилиндров:

Утечка внешней охлаждающей жидкости двигателя t: утечка может быть вызвана водяным насосом, радиатором, сердцевиной отопителя, или свободный шланг. Иногда это может быть вызвано самим блоком двигателя, когда он трескается. Заглушка может потеряться или заржаветь, но ее можно легко заменить.

Изношенный/треснувший цилиндр: после нескольких обработок цилиндров может возникнуть износ гладких обработанных стенок. Это может привести к тому, что поршневое кольцо не будет плотно прилегать к стенке. На стенке цилиндра может образоваться трещина, которая потребует срочного вмешательства. Более крупные отверстия могут быть просверлены изношенным цилиндром.

Пористый блок цилиндров: выход из строя блока цилиндров может быть вызван загрязнением металла. Часто это происходит в процессе производства. Дефекты литья часто не вызывают эту проблему в течение короткого периода времени, но в конечном итоге начинают просачиваться и протекать. Ничего нельзя сделать с этой проблемой, потому что она возникла вместе с ней.

Вот именно для этой статьи, которая содержит определение, типы, материал, проблемы блока цилиндров. Надеюсь, вам понравилось чтение, если да, пожалуйста, прокомментируйте, поделитесь и порекомендуйте этот сайт другим студентам технических специальностей. Спасибо!

Машиностроение.: Процесс изготовления блока цилиндров

Процесс изготовления блока цилиндров

Введение

Блок цилиндров, также называемый блоком цилиндров, является основной конструкцией двигателя, которая обеспечивает пространство для цилиндров, а также он дает проходы для охлаждающей жидкости, выхлопных газов и входных газов, которые проходят над двигателем и содержат картер и кулачковые валы. Блок двигателя является основным корпусом сотен деталей, используемых в современных двигателях. И это самая большая часть двигателя, и она также составляет от 20% до 25% от общего веса двигателя. Первый успешный двигатель внутреннего сгорания, который можно было использовать в автомобиле, был построен Зигфридом Маркусом примерно в 1864 году. Это был вертикальный одноцилиндровый двухтактный бензиновый двигатель.

  Сегодняшние двигатели достигли своего максимального развития и продолжают разрабатываться и для следующих лет. Эти разработки привели к увеличению мощности, долговечности, износостойкости и экономичности двигателя. Материал, используемый для изготовления блока цилиндров, придает двигателю более высокую прочность при малом весе, что более важно для мощности двигателя. На протяжении многих лет блок цилиндров изготавливается с использованием чугунных сплавов, что обусловлено его прочностью и дешевизной, а также износостойкостью. Но по мере усложнения двигателя инженеры находили новые материалы для снижения его веса, а также повышения прочности и износостойкости. Распространенным сплавом, который широко используется, является алюминиевый сплав, он более популярен из-за своего небольшого веса, но в основном в бензиновых двигателях.

Рис. Эти требования включают износостойкость, долговечность, техническое обслуживание и устойчивость к давлению, создаваемому при сгорании. Он также должен выдерживать высокие температуры, вибрацию при работающем двигателе. Для многих требований главной особенностью является используемый материал.

Материал, используемый для литья блока цилиндров

Для того, чтобы соответствовать вышеуказанным функциональным требованиям, материал, используемый для изготовления продукта, должен обладать многими свойствами. Они заключаются в том, что материал должен обладать высокой прочностью, модулем упругости, износостойкостью, способностью выдерживать вибрации, коррозионной стойкостью. Высокая прочность в основном касается дизельных двигателей из-за их высокой степени сжатия по сравнению с бензиновыми двигателями. В дизельном двигателе его степень сжатия обычно составляет 17:1 или выше, а в бензиновом двигателе она составляет почти 10:1. Материал также должен иметь низкую плотность, чтобы уменьшить его вес, но с более высокой прочностью. Он также должен иметь низкое тепловое расширение при высоких рабочих температурах, а также хорошую теплопроводность, чтобы отдавать тепло за минимальное время. Когда дело доходит до производственного процесса, материал должен обладать хорошей обрабатываемостью и литьем, чтобы сократить время и затраты. Поскольку материал слишком твердый, время и стоимость изготовления увеличиваются. Когда двигатель находится в рабочем состоянии, он создает более высокую вибрацию из-за движений внутренних частей, таких как коленчатый вал и поршни, поэтому материал должен быть способен поглощать энергию вибрации без разрушения.

Исходя из вышеперечисленных особенностей, наиболее широко используемым материалом для изготовления блока цилиндров являются чугун и алюминиевые сплавы. Сплавы чугуна используются, потому что они обладают хорошими механическими свойствами, низкой стоимостью и доступностью по сравнению с другими металлами. Но некоторые алюминиевые сплавы обладают большинством характеристик чугуна, но имеют малый вес. Кроме того, литой блок двигателя из алюминиевого сплава обеспечивает хорошее качество поверхности и высокую обрабатываемость по сравнению с чугунными сплавами. По мере совершенствования технологии инженеры нашли новые материалы, такие как графитовый чугун, который легче и прочнее упомянутого выше серого чугуна.

Сплавы из серого чугуна

Серый чугун является первым и наиболее часто используемым материалом для изготовления блоков двигателей. Хотя алюминиевый сплав также имеет много общего с небольшим весом, он по-прежнему используется в производстве блоков дизельных двигателей, поскольку их внутренние напряжения выше. Серый чугун содержит 2,5-4 % углерода, 1-3 % кремния, 0,2-1 % марганца, 0,02-0,25 % серы, 0,02-1 % фосфора. Он обладает отличными демпфирующими свойствами, хорошей износостойкостью и термической стойкостью, легко поддается обработке и дешевле благодаря своей доступности.

Алюминиевые сплавы

Основной особенностью алюминиевых сплавов является их малый вес, что снижает вес двигателя и автомобиля. Но главный недостаток – их стоимость по сравнению с серым чугуном. Алюминиевый сплав обладает хорошей обрабатываемостью по сравнению с серым чугуном. Есть два алюминиевых сплава, которые в основном используются в производстве блоков цилиндров, это 319 и А356.

319 алюминиевый сплав содержит 85,8 — 91,5 % алюминия, 5,5–6,5 % кремния, 3–4 % меди, 0,35 % никеля, 0,25 % титана, 0,5 % марганца, 1 % железа, 0,1 % магния, 1 % цинка. Этот сплав обладает хорошими литейными характеристиками, коррозионной стойкостью и хорошей теплопроводностью. При термообработке процесса T5 он обеспечивает высокую прочность и жесткость блока цилиндров.

Алюминиевый сплав А356 содержит 91,1–93,3 % алюминия, 6,5–7,5 % кремния, 0,25–0,45 % магния, 0,2 % меди, 0,2 % титана, 0,2 % железа и 0,1 % цинка. Хотя механические свойства аналогичны 319, когда он находится в процессе термообработки Т6, он приобретает более высокую прочность, чем 319. Но он имеет более низкий модуль упругости (72,4 ГПа), чем 319 с модулем упругости 74 ГПа.

Чугун с уплотненным графитом

Чугун с уплотненным графитом имеет более высокую прочность на растяжение и модуль упругости по сравнению с серым чугуном. Это связано с компактным графитом, обнаруженным в микроструктуре CGI. Подобно серому чугуну, он обладает хорошим демпфированием и теплопроводностью, но его низкая обрабатываемость ограничивает его широкое применение.

Инструменты, необходимые для литья блока цилиндров

Основным инструментом, необходимым для литья в песчаные формы, является форма, форма создается из смеси песка, глины и воды. Шаблон является основным инструментом, необходимым для формирования формы, он обычно изготавливается из дерева или алюминия, которые легко поддаются механической обработке. Узор держат на деревянном или металлическом каркасе и насыпают на него песчаную смесь, затем производят вибрацию, чтобы смесь освободилась от пузырьков воздуха. После того, как форма затвердеет, ее можно использовать для процесса литья.

После того, как процесс литья завершен, отлитый блок двигателя проходит через несколько станков, чтобы получить шероховатость поверхности и правильные размеры. При этом используются компьютеризированные фрезерные станки и расточные станки.

 

Процесс производства блока цилиндров

Производство блоков цилиндров в основном осуществляется с помощью литья в песчаные формы, хотя также используется литье под давлением. расплавленный металл. Затем литой блок двигателя подвергается механической обработке, чтобы получить чистовую отделку поверхности и каналы для охлаждающей жидкости.

В процессорах для литья в песчаные формы при литье блоков двигателей широко используется литье в сырые песчаные формы. Термин зеленый обозначает наличие влаги в песчаной форме. Смесь кварцевого песка, глины и воды заливается в одну половину алюминиевого блока с деревянным или металлическим каркасом. Затем форму уплотняют, применяя давление или вибрируя на металлическом каркасе. Этот процесс повторяется для другой половины формы. Затем обе половинки формы снимаются с выкройки.

                                                            Сердечник окрашен для герметизации газа, образующегося в процессе литья внутри сердечника. И розовые концы не окрашены, чтобы газ мог выходить наружу. Алюминиевые арматурные стержни используются для придания большей прочности сердечнику. Эти стержни расплавляются из-за расплавленного металла, заливаемого во время литья.

                    Fig03: core shown above provides the space for water jackets around the cylinders                             

 

Затем водяные рубашки и цилиндрические формы располагаются в основной форме единым кубом. Затем форма затягивается с помощью зажимов, чтобы противостоять давлению силы тяжести при заливке расплавленного металла.

                                                    Fig04: основная форма в виде одного куба        

Теперь форма готова к отливке. Расплавленный металл заливается в форму через меньшее переднее центральное отверстие, которое заполняет форму снизу вверх через стояки, которые можно увидеть как 8 больших отверстий. Когда отливка остывает, расплавленный металл в стояке втягивается обратно в отливку. Райзеры играют основную роль в процессе литья, обеспечивая подачу необходимого расплавленного металла во время усадки.

                                           Рис.05: Только что извлеченная отливка из формы

Грубая отливка алюминиевого блока показана выше после удаления песчаной формы. песок удаляют, применяя вибрацию к отливке. Литье должно быть обработано, чтобы получить правильные размеры и гладкие поверхности блока цилиндров.

                     Рис. 06: Финлей обработан для получения правильных размеров и гладких поверхностей

Блок цилиндров из чернового алюминия подвергается плоской шлифовке для получения гладких поверхностей на поверхности прокладки головки блока цилиндров и на поверхностях, на которых устанавливаются другие компоненты. Затем блок готов к линейной расточке отверстий коренных подшипников. Крышки подшипников устанавливаются временно для линейного растачивания отверстий коренных подшипников. Затем в линию расточки кривошипа и корпусов подшипников распредвала. Расточная оправка содержит несколько инструментов, поэтому все операции растачивания выполняются за одну операцию. Поэтому расточная оправка тщательно позиционируется в пресс-форме. После завершения расточки коленчатый и кулачковый валы временно подогнаны для проверки зазоров в подшипниках. Теперь блок двигателя готов к дальнейшей установке кривошипа, кулачка, цилиндров, шатунов и клапанов.

Теория литья

Литье — это процесс затвердевания, который означает, что явления затвердевания контролируют большую часть свойств литья. И большая часть дефектов литья возникает при затвердевании. Затвердевание происходит в два этапа: зарождение и рост кристаллов. На стадии зародышеобразования в жидкости образуются твердые частицы, и эти твердые частицы имеют более низкую внутреннюю энергию, чем окружающая жидкость. Там они опускаются ниже температуры замерзания из-за дополнительной энергии. Затем он снова нагревается, образуя кристаллические структуры.

Учет качества при производстве

Качество используемого песка сильно влияет на чистоту поверхности блока цилиндров. Песок должен содержать эти особенности, чтобы получить требуемую отделку.

• Прочность песка должна быть высокой, чтобы поддерживать жесткую форму.

• Проницаемость – это размер песчинок. Более высокая проницаемость может уменьшить пористость формы, но более низкая проницаемость позволит получить хорошее качество поверхности.

• Термостойкость формы должна быть высокой, чтобы противостоять таким повреждениям, как растрескивание из-за расплавленного металла.

• Способность песка к сжатию при затвердевании должна быть высокой, если только отливка не сможет свободно сжиматься в форме, что может привести к растрескиванию.

• Песок должен быть многоразовым для изготовления следующих песчаных форм, поскольку одну песчаную форму можно использовать только один раз.

• Песчаная смесь должна быть хорошо утрамбована вокруг модели, чтобы получить более высокую прочность, если она не треснет во время литья или при установке форм друг на друга.

• Подступенки должны быть хорошо отшлифованы, чтобы гарантировать, что они не затвердеют до тех пор, пока не затвердеет весь блок.

• Содержание расплавленного сплава должно соответствовать стандарту, чтобы устранить дефекты.

• Зазор в отверстиях цилиндров, в подшипниках кривошипа и вала должен соответствовать стандартным размерам.

• Скорость охлаждения должна соответствовать стандарту. Скорость охлаждения в основном определяется расплавленным металлом и окружающей температурой, поэтому отливку следует проводить в определенных тепловых условиях.

 

Возможные дефекты при производстве

Любой дефект снижает прочность блока цилиндров, так как блок цилиндров работает при более высоких температурах.