3.Наддув

При наддуве воздух подается в цилиндры под повышенным давлением специальным нагнетателем. Среднее эффективное давление при наддуве возрастает, так как при повышенном давлении в прежнем объеме цилиндра увеличивается количество воздуха и может сгореть соответственно увеличенное количество топлива при сохранении оптимального соотношения между количеством топлива и воздуха, при котором достигаются наилучшие условия сгорания.

Увеличение удельной мощности двигателя за счет иаддува можно оценивать по так называемой степени наддува являющейся отношением среднего эффективного давления при работе с наддувом к среднему эффективному давлению при работе без наддува.

Наддув условно делят на умеренный и высокий. При умеренном наддуве абсолютное давление р_к водуха, подаваемого из нагнетателя, составляет 0,13—0,15 МПа, что соответствует степени наддува (увеличение мощности на 20-60%. При высоком наддуве давление составляет 0,16- и более, а степень наддува возрастает до величины. и более. В перспективе.можно ожидать повышения величины до 0,35—0,4 МПа.

Наддув может осуществляться по-разному в зависимости от типа двигателя, тактности и способа привода нагнетателя. По способу привода нагнетателя, различают механический, газотурбинный и комбинированный наддув.

При механическом наддуве нагнетатель поршневого, ротативного или центробежного типа имеет привод от вала двигателя (непосредственный или через передачу). Давление, создаваемое нагнетателем при механическом наддуве, не превышает 0,16 — 0,17 МПа, так как при больших давлениях мощность, затрачиваемая на привод нагнетателя, сильно возрастает и это приводит к заметному увеличению удельного расхода топлива. Механический наддув в чистом виде в судовых дизелях не применяют. Однако его иепользуют в двигателях с комбинированным наддувом, когда для повышения, давления воздуха, используют как энергию отработавших газов, так и работу самого двигателя.

Схема четырехтактного двигателя с газотурбинным наддувом показана на рис. 34. Отработавшие газы из цилиндра выходят по трубе 1 и попадают в корпус газовой турбины 5. Здесь газы расширяются в насадках 2, в результате чего приобретают значительную скорость, которая используется на лопатках 6 рабочего диска 3 турбины и приводит его во вращение. Диск турбины насажен на вал 4, на другом конце которого находится рабочее колесо 8 центробежного нагнетателя. Выйдя с лопаток рабочего колеса, воздух попадает в расширяющиеся каналы 9, где скорость его уменьшается, а давление возрастает. После этого из улиткообразного корпуса 7 насоса воздух по трубе поступает в цилиндр двигателя.

Для улучшения очистки цилиндра от продуктов сгорания при работе с надду­вом впускные и выпускные клапаны в четырехтактных двигателях остаются некото­рое время открытыми одновременно (перекрытие). Дав­ление воздуха в системе наддува с газовой турбиной составляет 0,15—0,25 МПа. Температура газов, поступающих с сопла турбины, не превышает 873 К; частота вращения турбины достигает 15 тыс. об/мин. Газотурбин­ный наддув в четырехтактном двигателе обеспечивает сте­пень наддува Я,_н= 1,54-2,5. При газотурбинном наддуве несколько снижается эффектив­ный удельный расход топлива, что объясняется улучшением процесса сгорания и дополни­тельным использованием энергии газов в газовой тур­бине. Так как при сжатии в нагнетателе температура воздуха воз­растает, что отрицательно сказывается на массе заряда, то при наддуве целесообразно охлаждать воздух по выходе его из нагнетателя. При охлаждении воздуха на каждые 10° масса заряда, а следовательно, и мощность двигателя повышаются в среднем на 2,5%.

Рис. 35. Схема четырехтактного двигателя с газотурбинным наддувом

Кроме того, охлаж­дение воздуха снижает среднюю температуру газов в цилиндре, что уменьшает тепловую на­пряженность двигателя.

Вначале наддув применяли лишь в четырехтактных двигателях. Между тем можно всякий двухтактный двигатель в известной степени рассматривать как двигатель с

Рис. 35. Диаграмма совмещенных рабочих процессов двигателя, нагне­тателя и газовой турбины

наддувом, так как при продувке заряд свежего воздуха подается в ци­линдр под давлением выше ат­мосферного. В настоящее время все новейшие модели судовых двухтактных дизелей с наддувом работают с абсолютным давлением воздуха, поступающего в цилиндры, 0,15—0,25 МПа, а иногда и более, что обеспечивает существенное повышение удельной мощности двигателей.

Осуществление наддува двухтактных двигателей связано с некоторыми трудностями. Температура отработавших газов у двухтактных двигателей ниже, чем у четырехтактных, что уменьшает мощность газовой турбины. В то же время потребность в воздухе у двухтактных двигателей больше, чем у четырехтактных, что связано с потерей части воздуха во время продувки. Поэтому обеспечить мощность, необходимую для привода нагнетателя, работой лишь газовой турбины возможно не всегда.

Совмещенные рабочие процессы двигателя, нагнетателя и газовой турбины в координатах объем - давление показаны на рис. 35.. Работа нагнетателя изображается площадью фигуры 1—2—3—4. При этом линия всасывания 1—2 лежит ниже линии атмосферного давления. Линия нагнетания 3—4 расположена выше линии давления газов в цилиндре двигателя в связи с наличием гидравлических сопротивлений. Работа двигателя выражается площадью фигуры 5—6—7—8—9. За выпускными органами двигателя газы расширяются по политропе 9—10, соответствующей противодавлению перед газовой турбиной. Процесс расширения газов в цилиндре во время свободного выпуска показан условно линией 9—11. Площадь фигуры 5—9—11 увели­чивает площадь индикаторной диаграммы двигателя за счет расширения продуктов сгорания в цилиндре во время свободного выпуска. Кинетическая энергия газов в процессе расширения в выпускном коллекторе, изображаемая площадью 11—9—10, частично превращается в теплоту и повышает температуру рабочего тела перед турбиной. Поэтому состояние рабочего тела перед турбиной определяется точкой 12, лежащей правее точки 10. Работа газовой турбины выражается площадью фигуры 13—12—14—15. Выпуск газов из турбины производится при давлении выше атмосферного.

Рис.36. Схема комбинированного наддува

Очевидно, что наддув может быть обеспечен лишь в том случае, если работа газовой турбины L_T, изображаемая площадью 13—12—14—15, будет равна или больше работы нагнетания L_н, изображаемой площадью—2—3—4. Если L_н>L_T, то привод нагнетателя только от газовой турбины невозможен. В этом случае необходим дополнительный источник, чтобы покрыть разность L_H—L_T и обеспечить двигатель необходимым количеством воздуха требуемого давления.

В настоящее время многие дизелестроительные заводы применяют комбинированный наддув двухтактных двигателей.

В первом варианте (рис. 36, а) отработавшие газы двигателя направляются в газовую турбину 1, приводящую в действие центробежный нагнетатель 2. Воздух из нагнетателя поступает в холодильник 3, а затем в дополнительный продувочный насосе, являющийся второй ступенью сжатия воздуха. Этот насос приводится в действие от вала двигателя. Такая схема носит название последовательного наддува.

Во втором варианте (рис. 36, б) газовая турбина 1 приводит в действие центробежный нагнетатель 2. Из нагнетателя воздух идет в холодильник 3 и далее в продувочный ресивер двигателя. Параллельно с нагнетателем работает продувочный насос 4 с приводом от двигателя. Воздух в насос засасывается из атмосферы и сжимается до такого же давления, что и в нагнетателе 2. После этого он также поступает в продувочный ресивер. Данная схема носит название параллельного наддува.

Из комбинированных схем часто используют последовательный наддув. Второй ступенью сжатия часто служат подпоршневые полости цилиндров (рис. 37). В этом случае нижняя полость цилиндра закрыта диафрагмой 1. Для всасывания и выпуска воздуха служат всасывающие 5 и нагнетательные 2 клапаны. Воздух после сжатия направляется в ресивер и далее к продувочным окнам цилиндров. Шток поршня проходит через разъемные уплотнения 3 и 4. Канал а служит для слива масла.

Комбинированный наддув сравнительно сложен. Для обеспечения непосредственного газотурбинного наддува необходимо повысить мощность газовой турбины. При использовании турбин постоянного давления работа, выраженная площадью 7—9—10 (см. рис. 35), используется в очень незначительной степени из-за дросселирования газа

Рис. 37. Подпоршневая полость рабочего цилиндра для сжатия воздуха

перед турбиной. Если использовать хотя бы часть кинетической энергии во время свободного выпуска, то мощность газовой турбины может быть достаточной для привода нагнетателя.

В схеме непосредственного газотурбинного наддува (рис. 38) применен импульсный подвод отработавших газов к турбине. К каждой турбине подводится газ от двух или трех, иногда четырех цилиндров. Благодаря коротким соединительным трубам между выпускными окнами или клапанами и газовыми турбинами уменьшается дросселирование газов и в турбине используется кинетическая энергия газов в виде импульсов во время свободного выпуска. Турбина приводит в действие нагнетатель 2. Воздух из нагнетателя через холодильник 3 поступает в продувочный ресивер двигателя.

Непосредственный газотурбинный наддув впервые был применен фирмой «Бурмейстер и Вайн». Его используют в отечественных малооборотных судовых дизелях большой мощности.

Рис. 39 Схема непосредственного

газотурбинного наддува

Устройство турбонагнетателя показано на рис. 39. Центробежный нагнетатель и газовая турбина представляют собой

Рис..39. Турбонагнетатель

один агрегат. Одноступенчатая газовая турбина 1 находится на одном валу с рабочим колесом 3 центробежного нагнетателя. Лопатки 5 турбины приварены к ее диску. Направляющий аппарат 6 турбины собран из литых сегментов. Корпус компрессора - чугунный, с улиточным воздухосборником 4,

Вал турбонагнетателя опирается на подшипники 2, Температура газов при входе в турбину 633-723 К, а при выходе 563- 623 К. Газы после турбины в энергетической установке направляются для дальнейшего использования их теплоты в утилизационный котел.