ДИЗЕЛЬ Д100

Техника / РЖД - техника / Тепловозы - техника ржд / Дизель -техника тепловозы
Administrator
15 647
29-03-2017, 22:32
0

Дизельные двигатели внутреннего сгорания типа Д100 представлены в нескольких исполнениях, из которых мне известны следующие:

дизель марки 2Д100 мощностью 1470 кВт (2000 л.с), использовался на тепловозах ТЭ3. Первый дизель был создан в 1952 году;
дизель марки 2Д100М, обладающий повышенной мощностью - 2200 л.с., в сравнении с его предшественником 2Д100. Двигатель 2Д100М ставился на все тепловозы ТЭ3, которые проходили модернизацию. Данный двигатель имел множество унифицированных деталей взаимозаменяемых с дизелями 10Д100;
дизеля 3Д100, 3Д100м и 13Д100 использовались на водном транспорте;
дизеля 4Д100, 7Д100, 11Д100 и 12Д100 работали в сочетании с генераторами в качестве стационарных электростанций;
дизель 6Д100 работал на тепловозах ТЭ3Л. К его особенностям можно отнести уменьшенное количество цилиндров, сведенное до восьми, но при этом он не уступал по мощности дизелю 2д100, имеющий 10 цилиндров;
дизель 9Д100, эта модель имела двенадцать цилиндров, но по не неведанных мне причинам, серийное производство 9Д100 не началось;
дизель марки 10д100 является очередным звеном в "эволюционной цепочке", первая модель была построена в 1960 на Харьковском заводе им. Малышева. Способен развивать мощность 2208 кВт, что эквивалентно трем тысячам лошадиных сил. Применяется на односекционных тепловозах ТЭ10, а также на локомотивах ТЭ10, состоящих из нескольких секций (2тэ10м, 2тэ10л, 2тэ10в,3тэ10м и прочих модификациях). В настоящее время большинство тепловозов ТЭ10, прошедшие модернизацию, оборудуются дизельными двигателями типа Д49 Коломенского тепловозостроительного завода;
14Д100 - служил в составе с генератором на больших морских ЖД паромах.

Принцип работы, недостатки и преимущества

Двигатель типа Д100 (кроме 6Д100) представляет собой двухтактный дизель с двумя коленчатыми валами, на каждом из которых установлено по десять поршней, имеющих вертикальное расположение. В блоке дизеля установлено пять гильз, в каждой из которых перемещаются по два поршня. При максимальном сближении двух поршни образуется камера сгорания, куда и подается топливо двумя топливными форсунками через отверстия в цилиндровых втулках. Очистка от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом воздуха осуществляется поршнями, которые в определенные моменты, согласно фазам газораспределения, открывают или закрывают продувочные и выпускные окна, выполненные в гильзе. Дизеля 2Д100 и 10Д100 владеют кардинально разными системами воздухоснабжения, которые будут упомянуты ниже в статье.
Оба коленчатых вала дизеля соединены между собой вертикальной передачей, установленной в одном из отсеков блока дизеля. Нижний коленчатый вал передает вращающий момент на тяговый генератор и прочее оборудование. Верхний коленчатый вал приводит во вращение два кулачковых вала ТНВД, а также воздуходувку (на дизеле 2Д100) или нагнетатель второй ступени (на дизеле 10Д100).
Из-за особенностей конструкции дизеля положение поршней в крайних мертвых точках принято называть следующим образом:

нахождение верхнего или нижнего поршня ближе к коленчатому валу положено называть, как наружная мертвая точка (н.м.т);
пребывание поршней вблизи топливных форсунок - внутренняя мертвая точка (в.м.т).

Положительные черты двигателей Д100:

отсутствие цилиндровых крышек, которые в дизелях привычной конструкции, воспринимают усилия от давления расширяющихся газов во время сгорания топлива. В дизелях д100 продукты сгорания воздействуют лишь на поршни, которые совершают полезную работу;
отменная уравновешенная работа двигателя. Такое качество присвоено дизелю благодаря специфике его конструкции, а именно вследствие вращения коленчатых валов в разные стороны и наличия антивибратора обеспечивается спокойная работа двигателя.

Недостатки:

из-за постоянного контакта выпускных окон с нижними поршнями возникает повышение тепловой напряженности с последними;
применение 2-х коленвалов усложняет конструкцию двигателя.

Далее в данной статье я постараюсь максимально описать конструкционные особенности и отличия дизелей 2Д100 и 10Д100.
Ниже приведены технические характеристики дизелей 2Д100, 2Д100м и 10Д100.

Устройство дизелей 10Д100 и 2Д100

Блок дизелей 10Д100 и 2Д100 образован из листовой стали, сваренной между собой, благодаря чему обеспечивается нужная прочность всей конструкции при относительном небольшом весе. Внутри остова располагается множество перегородок с гнездами, где размещаются следующие узлы:

цилиндровые втулки;
передача, соединяющая верхний коленчатый вал с нижним коленчатым валом;
топливная аппаратура;
прочие детали дизельного двигателя.

С обеих сторон дизеля присутствуют смотровые окна, которые закрываются крышками. Окна предназначены для осмотра узлов и деталей.
Для каждого из коленчатых валов предусмотрены опоры и крышки, где размещаются коренные подшипники. Опоры закреплены к основной конструкции с помощью сварки. Опоры вместе с крышками образуют отверстия диаметром 242 мм. На каждый коленвал приходится по двадцать четыре вкладыша (12 подшипников), из которых один подшипник является опорно-упорным. В верхней части остова размещаются гнезда под подшипники валов, воздействующих на ТНВД.
Ввиду конструкционных различий дизелей 10Д100 и 2Д100, они не взаимозаменяемы.

Коленчатый вал дизеля Д100

Материалом для изготовления нижнего и верхнего коленчатых валов выступает специальный чугун. Способ изготовления - литье. Чугун, используемый для отливки валов, может содержать в себе магний или молибден, эти "добавки" повышают качество изделия.
Диаметр шатунной шейки составляет 171,88 мм, а коренной - 203,88 мм.
Коленчатые валы дизелей бывают новой и старой конструкции. Основным отличием их является изменение подвода смазки к шатунным подшипникам. Верхний и нижний коленчатые валы между собой не взаимозаменяемые так, как концы обоих валов имеют разные конструкции для привода во вращение разных механизмов дизеля.
Верхний коленчатый вал приводит во вращение:

кулачковые валы топливных насосов высокого давления;
воздуходувку на двигателе 2Д100 или нагнетатель второй ступени на двигателе 10Д100.

Нижний коленчатый вал передает вращающий момент на такие основные механизмы:

тяговый генератор;
регулятор числа оборотов на двигателе 2Д100 или объединённый регулятор числа оборотов и мощности на 10Д100;
основной масляный насос и дополнительный для центробежного фильтра. Этот дополнительный насос присутствовал только на дизеле 2Д100;
один водяной насос на дизеле 2Д100 или два водяных насоса на 10Д100.

Во время вращения коленчатых валов дизеля Д100 (и на других дизелях тоже), возникают крутильные колебания. Так вот частота этих колебаний имеет зависимость от таких факторов: вес коленчатого вала и вес всех смонтированных на нем узлов; упругость коленчатого вала и сопряженных с ним деталей. На протяжении работы двигателя существуют такие моменты, когда колебания от расширяющихся газов идентичны крутильным колебаниям и возникает высокая вероятность поломки коленвала. Дабы избежать этой поломки, особенно это касается чугунных коленвалов, устанавливают маятниковый антивибратор, который снижает амплитуду колебаний. На дизелях типа Д100 устанавливается по одному маятниковому антивибратору и только на нижний коленчатый вал, так как согласно расчетам было установлено, что крутильные колебания почти полностью отсутствуют на верхнем коленвалу.

Шатуны и поршни дизелей Д100

Шатуны дизелей Д100 производят из стали 40XФA. Из особенностей устройства дизелей шатуны верхнего коленчатого вала нельзя менять с шатунами нижнего коленчатого вала, из-за того, что верхний шатун в длину короче нижнего. Но ход обоих шатунов одинаковый и составляет по 254 мм. В меньшей головке шатуна запрессовуется составная втулка, состоящая из двух втулок. Наружная втулка стальная, а внутренняя - бронзовая, последняя доводится до температуры в 100^o и «садится» в стальную втулку. После процедуры запрессовки составная втулка подвергается окончательной обработке с последующей запрессовкой в головку шатуна. Шатун также имеет съемную крышку, которая вместе с шатуном образует постель для шатунных подшипников.
Шатуны бывают двух типов:

с одним вертикальным каналом для подвода масла к малой (внутренней) головке - старая конструкция;
с двумя наклонными масляными каналами - новая конструкция.

У шатунов старой конструкции предусмотрено два штифта для предохранения вкладышей от вероятного смещения. Также для таких шатунов было предусмотрено использование только вкладышей со сплошными канавками. Вкладыши с канавками взаимозаменяемые. На практике было установлено, что вкладыши с канавками подвергались серьёзным износам. Такие вкладыши работали совместно с шатунами старой конструкции на дизелях 2Д100.
Дизеля 10Д100 оборудовались шатунами модернизованной конструкции в сочетании с безканавочными вкладышами. Если быть точнее, то вкладыш установленный в крышке шатуна имел канавку, а вкладыш, размещенный в шатуне был без канавок, но имел два канала для масла.
Теперь о совместимости:

"старые" шатуны со "старыми" вкладышами будут работать на коленвалах новой и старой конструкции;
"новые" шатуны с "новыми" вкладышами можно ставить только на "новые" коленвалы.

Поршни

Поршень двигателя д100 во время работы подвергается серьёзным нагрузкам в результате сгорания топливовоздушной смеси и давлению расширяющихся газов. Особенно "достается" нижнему поршню, который постоянно пересекается с выпускными окнами. Вследствие этого начиная с момента появления "на свет" дизеля «семейства» Д100 велись работы по усовершенствования поршней.
Мне известны такие модификации поршней:

поршень варианта "14В", изначально был разработан для дизеля 2Д100;
вариант "3" для дизеля 10Д100;
вариант "3а" для дизеля 10Д100;
вариант "5", был разработан, как компромиссное решение для применения, как на дизелях 2Д100, так и на 10Д100.

Схематическое изображение поршней дизеля Д100:

Поршня дизелей 10д100 варианта "3" состоят из стакана и вставки. Стакан изготавливается из чугуна с добавлением легирующих компонентов. Наружная поверхность стакана, а также ее цилиндрический участок до 1-го компрессионного кольца покрыта хромом некоторой толщины для защиты от газовой коррозии, которая приводит к негативным последствиям, связанных с потерей качеств в чугуне. Для предотвращения задиров на поршнях, достижения хорошей приработки между поршнем и гильзой и для снижения истирания гильзы и поршня наружную цилиндрическую поверхность стакана покрывали оловом.
На цилиндрической поверхности поршня выполнено 7 ручьев для колец, из них:

четыре верхних - компрессионные;
три нижних маслосъемные.

Поршневая вставка и стакан отливается из чугуна. Для ее крепления к стакану в варианте "3" применено четыре шпильки, а варианте "5" - стопорное кольцо. Для соединения вставки с шатуном используется поршневой палец плавающего типа. А что касается поршней варианта "14В", то в нем поршневой палец во вставке зажимается неподвижно.
Отличительные "черты" конструкции поршней:

поршень каждого варианта исполнения обладает собственной формой днища;
поршни, находящиеся в одном цилиндре невзаимозаменимы между собой, так как каждый из них имеет определенную форму днища и юбки;
поршни дизелей 2Д100 варианта "14В" охлаждали масло при помощи циркуляционного способа, а вот отвод тепла от поршней двигателей 10Д100 происходит двумя путями: циркуляция масла и его взбалтывание во время перемещения поршней;
в ручьях стакана нет штифтов, которые бы предотвращали перемещения поршневых колец по оси поршня. Из-за такой особенности иногда встречаются поломки колец вследствие постоянного контакта с кромками газораспределительных окон.

Втулка цилиндра

Гильзы дизелей Д100 изготавливаются из чугуна с "добавками" методом отливки. Зеркало гильзы при изготовлении подвергаются абразивной обработке и процессу фосфатирования для улучшенной притирки компрессионных и маслосъемных колец. На каждой цилиндровой втулке в нижней и верхней ее части размещены выпускные и продувочные окна соответственно. Продувочные окна выполнены равномерно по всей окружности втулки. Благодаря особому профилю продувочных окон достигается качественная очистка полости гильзы от продуктов сгорания, хорошее смешивание с топливом и последующая зарядка свежим воздухом, давление которого превышает атмосферное. На дизелях Д100 применена прямоточно-щелевая продувка, которая считается наиболее эффективной схемой газораспределения в двухтактных двигателях.
Средняя часть гильзы во время работы дизеля постоянно подвергается тепловому воздействию, поэтому для поддержания оптимальной температуры втулки цилиндра применено охлаждение водой в ее средней части. Циркуляция охлаждающей жидкости происходит между гильзой и стальной рубашкой, которая "посажена" поверх гильзы. Для уплотнения пространства с водой используется по два резиновых кольца в верхней и нижней части цилиндровой втулки. На цилиндрических поверхностях гильзы и рубашки выполнено два отверстия для двух топливных форсунок и одно отверстие для индикаторного крана.

Система воздухоснабжения

Как известно мощность дизеля 10Д100 (масса дизеля 19,5 т) равна 3000 л.с., а дизеля 2Д100 (масса 19,4 т) - лишь 2000л.с. Достичь такого прироста мощности на 10Д100 разработчикам дизелей удалось благодаря существенной модернизации системы воздухоснабжения. В дизелях тепловозов ТЭ3 для очистки цилиндров от продуктов сгорания и их наполнения воздухом использовалось лишь одно устройство - это объемный нагнетатель, он же воздуходувка. Воздуходувка давала возможность приблизится к отметке 1,3 атм давления наддувочного воздуха.
Двигатель 10Д100 оборудуется несколько иными узлами наддува, обеспечивающими давление 2,2 атм. К этим узлам относятся:

два турбокомпрессора ТК-34 1-й ступени;
центробежный компрессор 2-й ступени;
два интеркулера (водовоздушные теплообменники).

Принцип работы системы воздухоснабжения 10Д100

Продукты сгорания, выходящие из цилиндров, направляются в турбокомпрессора ТК-34. После сжатия в устройствах первой ступени, наддувочный воздух устремляется к нагнетателю второй ступени, где происходит окончательное сжатие воздуха. Затем совершается охлаждение сжатого воздуха, который после этого поступает во впускные коллектора и распределяется по цилиндрам дизеля.
Фазы газораспределения дизелей 2Д100 и 10Д100 также подверглись незначительным изменениям, которые выражены лишь в изменении игла подачи топлива.