2.2.2.11. Наддув двс

В настоящее время наддув является основным средством увеличения мощности ДВС. Принудительная подача в цилиндры увеличенного заряда воздуха способствует улучшению процесса сгорания топлива, повышению литровой мощности и уменьшению удельной массы дизеля без существенного изменения его габаритных размеров.

Наддув является общепризнанным и наиболее рациональным направлением в развитии и создании новых дизелей с высокими технико-экономическими параметрами.

Повышение мощности при наддуве оценивается степенью наддува т. е. отношением среднего эффективного давления дизеля с наддувом к среднему эффективному давлению у такого же дизеля без наддува. Наибольшие значения у четырехтактного дизеля не превышают 4, у двухтактного 2,5.

Наддув может осуществляться механическим, газотурбинным и комбинированным способами.

М еханический наддув осуществляется центробежным или роторным компрессором (нагнетателем), приводимым в действие с помощью механической передачи от коленчатого вала дизеля. Он имеет ограниченное применение, так как отбор мощности на привод нагнетателя неизбежно приводит к уменьшению механического КПД дизеля (рис. 76)

Рис. 76 Схема наддува дизеля с механическим приводом воздушного нагнетателя:

1 — цилиндр дизеля; 2 — поршень; 3 — клапан выпускной; 4 — клапан впускной;

5 — нагнетатель центробежный, 6 — редуктор

Недостаток такого способа наддува состоит в том, что количество подаваемого в цилиндр воздуха зависит от частоты вращения вала дизеля, а не от нагрузки, т. е. подача воздуха в цилиндр при данной частоте вращения вала будет одинакова на холостом ходу и при полной нагрузке.

В практике дизелестроения получили распространение две основные системы газотурбинного наддува:

1) с неразделенным выпускным коллектором и общим подводом газа к турбине, т. е. наддув с постоянным давлением газа перед турбиной (рис. 77);

2) с разделенным выпускным коллектором и парциальным подводом газа из каждой секции коллектора в сопловой аппарат турбины (импульсный наддув), см рис. 78

Рис. 77 Схема газотурбинного наддува с неразделенным выпускным коллектором

(с постоянным давлением газов перед турбиной):

1 - воздухозаборник; 2 - рабочее колесо компрессора; 3 - рабочее колесо газовой турбины ;

4 – цилиндры двигателя; 5 - воздушный холодильник.

Рис. 78Схема газотурбинного наддува с разделенным коллектором

(с переменным давлением газов перед турбиной - импульсный наддув)

Сущность импульсного наддува (с турбинами переменного давления) состоит в том, что в нем используется не только теплота отработавших газов, но и их скоростной напор, т. е. максимальный выпускной импульс газовой струи, вытекающей из цилиндра. Резкое изменение давления в выпускном коллекторе происходит в период предварения выпуска. Для лучшего использования импульса давления в турбине выпускной трубопровод, объединяющий несколько цилиндров, должен иметь минимальные объем и длину от выпускного клапана (окна) до турбины. Для выполнения этого условия на дизель устанавливают несколько импульсных газовых турбин, расположенных вблизи рабочих цилиндров, Сопловой аппарат импульсной газовой турбины соединяют с каналами крышек цилиндров короткими патрубками от каждого цилиндра, не допускающими большой потери кинетической энергии выпускных газов.

Комбинированный наддув представляет собой сочетание газотурбинного и механического наддува, позволяющее осуществлять двухступенчатое сжатие воздуха перед подачей его в цилиндры двигателя. Обычно компрессор, приводимый от коленчатого вала, представляет собой вторую ступень сжатия и обеспечивает подачу воздуха в цилиндры в период пуска дизеля и его работу на малых частотах вращения ( Рис. 79).

Рис. 79 Схема дизеля с комбинированным (двухступенчатым) наддувом:

1— поршень; 2 — цилиндр дизеля; 3 — клапаны выпускные; 4 — газовая турбина; 5 — нагнетатель первой ступени;

6 — воздухоотделитель; 7 — нагнетатель второй ступени; 8 — редуктор привода нагнетателя второй ступени;

9 — кривошип; 10 — наддувочный коллектор.

Работа дизеля с двухступенчатым наддувом протекает следующим образом. При работе под нагрузкой газовая турбина 4 вращает колесо нагнетателя 5 с большой частотой (15 000— 20 000 об/мин), вследствие чего нагнетатель засасывает воздух из атмосферы и под давлением (0,2-0,25) МПа подает его в охладитель, и далее в приводной нагнетатель. В этом нагнетателе воздух дополнительно сжимается еще на (0,034-0,05) МПа и через наддувочный коллектор и впускные окна подается в цилиндр дизеля. Во время пуска дизеля, когда газовая турбина не работает, приводной нагнетатель 7 засасывает воздух из атмосферы через нагнетатель 5 и охладитель 6 и подает его в дизель.

Комбинированный наддув наиболее широко применяют в двухтактных дизелях большой мощности, в которых получить баланс мощности, необходимой для качественной продувки и достаточного наполнения цилиндров дизеля воздухом только за счет свободного турбокомпрессора, не всегда удается. На практике применяют несколько схем комбинированного наддува, обеспечивающих высокую экономичность и надежность работы дизелей во всем диапазоне нагрузок, в том числе и при минимально устойчивой частоте вращения .

Охлаждение наддувочного воздуха производится с целью обеспечения нормальных условий эксплуатации турбокомпрессора и увеличения массового заряда воздуха в цилиндрах.

Одним из вредных явлений возникающих при работе газотурбокомпрессора является помпаж – это вибрации воздушного потока в компрессоре, сопровождающиеся периодическим выбросом воздуха обратно во всасывающие патрубки дизеля и всасывающего тракта.

Помпаж проявляется в виде пульсаций воздушного потока, сопровождающихся периодическим выбросом воздуха обратно во всасывающие патрубки дизеля и всасывающего тракта. Иногда помпаж сопровождается характерными громкими хлопками. Помпаж является следствием уменьшения подачи центробежного компрессора (уменьшения расхода воздуха в единицу времени) ниже определенного критического значения. В результате происходит срыв потока воздуха с лопаток воздушного колеса или лопастного диффузора компрессора, нарушается устойчивая работа последнего. Эксплуатировать дизель, у которого турбокомпрессор работает неустойчиво, нельзя, так как длительный помпаж может вызвать разрушение воздушного колеса компрессора и деталей всасывающего тракта.

Для предупреждения помпажа и устранения его в случае возникновения рекомендуется соблюдать следующие меры: устанавливать заслонки в трубопроводах между турбокомпрессорами и нагнетателем второй ступени в полностью открытом положении; систематически очищать от нагара выпускные и продувочные окна и защитные решетки на входе газов в турбокомпрессоры и следить за исправностью возду-хозаборного устройства, не допуская увеличения его сопротивления; следить, чтобы охладители наддувочного воздуха не были загрязнены и не создавали большого сопротивления при проходе воздуха; проверять температуру отработавших газов по цилиндрам, которая при отрегулированном дизеле, очищенных окнах и исправной топливной аппаратуре должна быть не более 380 - 400°С при стандартных атмосферных условиях и не более 400 - 420°С при температуре окружающего воздуха +40 °С; следить за температурой воздуха в ресивере, которая должна быть не более 65 - 70°С при стандартных атмосферных условиях и не более 90°С при температуре окружающего воздуха +40°С.

Также для борьбы с помпажем есть несколько приспособлений:

1. Blowoff valve (BOV) - Это клапан, который при превышении давления между компрессором и дросселем свыше определенного предела выпускает часть воздуха в атмосферу

2. Bypass valve - Аналогично BOV, только воздух выпускается не в атмосферу, а возвращается на вход компрессора

3. Ported Shroud - В компрессоре имеется канал, через который часть воздуха уходит на рециркуляцию во впуск.

Если помпаж не прекращается, необходимо снять турбокомпрессор с дизеля и проверить состояние лопаток турбины и суммарное сечение соплового аппарата. Сечение сопл определяют с помощью шаблонов. При обнаружении отклонений от требуемого сечения подгибают кромки лопаток по специальному шаблону.

В последнее время в некоторых дизелях с газотурбинным наддувом применяют систему "Гипербар", достаточно перспективную для дальнейшего повышения мощности без увеличения механических и тепловых нагрузок, что имеет большое значение для повышения долговечности двигателей.

Рис. 80 Схема дизеля с системой "Гипербар"

1- электростартер; 2,4 –каналы; 3- воздушный холодильник; 5- регулятор перепуска; 6- топливный насос;

7- выпускной коллектор; 8- камера сгорания; 9- регулятор интенсивности пламени; 10- газовая турбина.

Принцип работы дизеля с системой "Гипербар" (рис. 80) заключается в том, что наддувочный воздух после турбокомпрессора 11 может направляться не только в двигатель по каналу 2, как это обычно происходит в дизелях с газотурбинным наддувом, но и перепускаться по каналу 4 в выпускной коллектор 7, в котором установлена камера сгорания 8 с воспламенителем и регулятором 9 интенсивности пламени. После сгорания топлива, поступающего в камеру сгорания 8 с помощью топливного насоса 6, отработавшие газы направляются к газовой турбине 10.

Оптимальное давление отработавших газов в коллекторе, необходимое для обеспечения пуска дизеля и его работы, получают путем регулирования подачи топлива в камеру сгорания 8 с помощью регулятора перепуска 5. Такое регулирование позволяет получить на режимах частичных нагрузок повышенный крутящий момент на валу дизеля и обеспечить работу турбокомпрессора в режиме, близком к оптимальному.

Перепуск воздуха и наличие дополнительной камеры сгорания позволяют производить пуск дизеля при низком значении степени сжатия и обеспечивать работу дизеля при высоком среднем эффективном давлении (более 3 МПа) без существенного повышения температуры отработавших газов. В системе предусмотрен воздушный холодильник 3. Турбокомпрессор приводится в действие электростартером 1, что обеспечивает давление и температуру воздуха; достаточные для пуска дизеля.