2.6. Плотность воздуха.
Итак, с целью повышения массового наполнения цилиндра воздухом, необходимо повышать плотность наддувочного воздуха (к). Значит, надо не только повышать его давление, но и снижать температуру. Выходные показатели двигателя (среднее эффективное давление – Рm e) связано с ростом плотности воздуха. Принципиальная зависимость этих параметров показана на рис. 2.17.
Причём, очевидно, что имеется какой – то разброс достижимых значений среднего давления при том же уровне достигнутой плотности воздушного заряда. Видно, что удачно спроектированная система наддува и её сочетание с дизелем обеспечивают увеличение среднего эффективного давления в 2,2 раза при повышении плотности воздуха в 1,6 - 1,9 раза. Определённый разброс в достижимых результатах связан с изменением параметров качества рабочего процесса (i ), изменением наполнения (v), механического к. п. д. (м).
Рис . 2.17. Зависимости изменения мощности двигателя при повышении давления наддува
2.7. Частота вращения.
Достоинством форсирования двигателя наддувом является то, что повышения мощности можно достигнуть без увеличения частоты вращения вала. Следовательно, практически сохраняются основные размеры и конструкция деталей двигателя, не меняются инерционные нагрузки, а механические нагрузки (давление газов) хотя и возрастают, но снижение динамики их приложения к поршню, подшипникам вала и т. д. смягчают остроту этой проблемы. Важно, что сохраняя неизменной частоту вращения, мы не повышаем механические потери, не снижается механический к. п. д. А благодаря наддуву при Рк/Рr 1 даже увеличиваем механический к. п. д.
Одним из недостатков, которые присущи дизелю, является наличие резких крутильных колебаний на коленчатом валу, наличие высоких скоростей приложения газовых нагрузок к валу, подшипникам и т. д. Особенно это относится к двигателю без наддува. Эта особенность дизеля заставляет создателей потребителей энергии ДВС принимать адекватные меры для защиты своих агрегатов от чрезмерных динамических нагрузок. Достоинством наддува является отмеченное выше снижение динамики приложения нагрузок, более “мягкое” протекание процессов приложения механических нагрузок к деталям двигателя. Конечно, так же как и при форсировании дизеля по частоте вращения, при наддуве необходимо повышать эффективность системы смазки цилиндро – поршневой группы (ЦПГ), подшипников коленчатого вала, шатунов и т. д. Конечно, модернизация существующего безнаддувного дизеля наддувом часто требует установки новой системы топливоподачи, повышенной производительности масляного насоса. Но всё же основная масса деталей и узлов сохраняется без изменения, что удобно для эксплуатационников, так как позволяет не увеличивать номенклатуру хранимых запасных частей, обеспечивает взаимозаменяемость многих деталей и узлов, а значит снижает стоимость эксплуатации дизелей.
2.8. Сравнение дизелей одной и той же модели с наддувом и без наддува.
В настоящее время существует множество примеров выполнения модернизаций двигателей без наддува путём установки системы наддува. Далее приведён анализ одного из таких примеров. Например, 4х- тактный двигатель Pegaso имеет рабочий объём 12 л. в шести цилиндрах, мощность 162 кВт при частоте вращения вала 2200 мин-1 и обеспечивает крутящий момент 840 Нм при 1300 об/мин, а удельный эффективный расход топлива при максимальной мощности – 250 г/кВт.ч.
Двигатель был исследован фирмой на предмет возможности повышения прежде всего экономичности (при некоторой форсировке по мощности) за счёт его наддува. На двигатель был установлен немецкий турбокомпрессор марки ККК серии 3LD сравнительно низкого уровня повышения давления. Установка компрессора сопровождалась заменой выпускного коллектора и потребовала определённых изменений в системе впуска. Были произведены некоторые изменения в системах охлаждения и масляной. Изменён угол опережения впрыскивания топлива. Никаких изменений с головкой поршня для изменения степени сжатия не проводилось. В результате двигатель был форсирован до 200 кВт, т. е. на 24 %. Соответствующим образом возрос крутящий момент (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Внешние скоростные характеристики дизеля Pegaso с наддувом и без наддува
Так, максимальный момент достиг 975 Нм по сравнению с 840 Нм у дизеля без наддува, т. е. прирост момента составил 16 %, а его максимум сместился в область более высокой частоты вращения, по сравнению с вариантом без наддува. Наибольшим же достижением явилось уменьшение удельного расхода топлива. Так, его минимум достиг уровня 212 г/кВт.ч, т. е. снизился на примерно 15 % по сравнению с вариантом без наддува. Следует отметить, что коэффициент приспособляемости, как отношение максимального крутящего момента к номинальному, уменьшился с 1,4 у дизеля без наддува до 1,3 у дизеля с наддувом, что несколько ухудшает его динамические качества.
Ещё в восьмидесятые годы стоимость турбокомпрессора была достаточно высока, так что стоимость дизеля с наддувом превышала стоимость дизеля той же мощности, но без наддува. В настоящее время производство турбокомпрессоров стало специализированным, крупносерийным, себестоимость их существенно снизилась. А если учесть выигрыши, которые даёт турбонаддув, например, повышение эксплуатационной топливной экономичности, снижение дымности и токсичности выбросов, уменьшение шумности, выигрыш в габаритах силовой установки и снижение удельной массы (т. е. отнесённой к единице мощности), значительное снижение других эксплуатационных затрат, то несмотря на необходимость определённых конструктивных изменений в дизеле, турбонаддув становится всё более привлекательным средством повышения эксплуатационных качеств силовых установок.