3.10. Наддув дизелей

Наддувом называется способ повышения мощности двигателя при помощи подачи в рабочий цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного для увеличения цикловой подачи топлива (цикловая подача топлива – это подача топлива за один цикл). Добавочная подача топлива является источником дополнительного подвода теплоты к рабочему телу в цилиндре, обеспечивающим повышение удельной эффективной работы цикла.

По сравнению со средним эффективным давлением р_е у дизелей без наддува, его значения при наддуве повышаются у четырехтактных двигателей в 2–4 раза, у двухтактных – в 1,5–2,7 раза. Так как р_е входит в формулу мощности, увеличение мощности при использовании наддува составит эти значения.

Наддув в зависимости от типа двигателя может осуществляться по разному – в зависимости от привода компрессора различают механический, газотурбинный и комбинированный наддув.

При механическом наддуве поршневой, ротативный или центробежный нагнетатель приводится в действие непосредственно от вала двигателя. Этот вид наддува в судовых ДВС в чистом виде не применяют, однако используют в комбинированном наддуве, когда для повышения давления воздуха используют энергию отработавших газов (газотурбинный наддув) и работу самого двигателя.

При газотурбинном наддуве сжатый воздух подается к цилиндрам двигателя специальным дополнительным механизмом – турбокомпрессором.

Турбокомпрессор представляет собой соединенные в одном корпусе центробежный компрессор и газовую турбину. Компрессор связан с двигателем только трубопроводом подачи воздуха к ресиверу, а турбина – трубопроводом подачи выхлопных газов от двигателя к сопловому аппарату (см. главу 4).

На рис. 29 приведена схема газотурбинного наддува четырехтакт-ного двигателя.

Воздух из окружающей среды всасывается компрессором4 через приемный патрубок 3, сжимается и подается через охладитель наддуво-чного воздуха 5 в ресивер 6, откуда поступает в цилиндр через впускной клапан 7 (как было отмечено ранее, охлаждение воздуха применяют с целью снижения теплонапряженности и дополнительного повышения мощности дизеля).

Рабочее колесо компрессора, насаженное на общий вал с ротором газовой турбины, приводится в движение газовой турбиной 1. Газовая турбина приводится во вращение отработавшими в цилиндрах газами, которые поступают к ней от выпускных клапанов двигателя 8 через выпускные патрубки и трубопровод 9 и отводятся через патрубок 2.

Мощность, развиваемая газовыми турбинами турбокомпрессоров судо-вых дизелей, составляет до 20% мощ-ности двигателя, поэтому дизеля с газотурбинным наддувом называют комбинированными турбопоршневыми двигателями. В газовой турбине утилизируется значительная часть остаточной энергии отработавших в ци-линдре газов, которая у двигателей без наддува уносится с газами в атмосферу.

При наддуве двухтактных дизелей, как правило, применяется комбинированный наддув с двухступенчатым сжатием воздуха. Обычно в качестве первой ступени сжатия используют турбокомпрессор, а в качестве второй ступени – подпоршневые полости цилиндров или приводной поршневой компрессор. Пример вариантов комбинированного наддува показан на рис. 30.

Из рисунка видно, что продукты сгорания через выхлопной клапан поступают в газовую турбину турбокомпрессора ТК. Газовая турбина имеет общий вал с компрессором, рабочее колесо которого всасывает воздух из машинно-котельного отделения. Далее лопатки компрессора разгоняют воздух, поступающий далее в расширяющийся канал улиткообразной формы, где за счет уменьшения скорости возрастает давление воздуха (на рисунке а видна именно компрессорная часть турбокомпрессора). Так как после сжатия температура воздуха повысилась, для увеличения плотности воздуха его охлаждают в холодильнике ОНВ.

Далее охлажденный воздух попадает в воздушный ресивер ВР, который через продувочные окна сообщается с цилиндром двигателя. При ходе поршня к НМТ его донышко выполняет роль поршневого насоса, сжимая воздух, находящийся в подпоршневой полости и воздушном ресивере. Наддув и продувка цилиндра начинается после того, как верхняя кромка поршня откроет продувочные окна.

Следует подчеркнуть, что необходимость в применении комбинированного наддува в двухтактных дизелях возникает по двум причинам. Во-первых, так как отработавшие продукты сгорания из цилиндра выталкивает не поршень (как в четырехтактных двигателях), а воздух, его расход по сравнению с четырехтактным двигателем будет повышенным. Во-вторых, так как отходящие продукты сгорания разбавлены воздухом, мощность газовой турбины оказывается недостаточной для подачи в цилиндры необходимой массы воздуха при необходимом давлении.

В заключение следует отметить, что в зависимости от способа подвода газов к турбине и принципа использования энергии газов системы наддува судовых дизелей делятся на изобарные и импульсные.

Первые применяют преимущественно в двухтактных и среднеоборотных четырехтактных дизелях. В этом случае газы подводятся к газовой турбине из выхлопного коллектора большого объема, где давление незначительно меняется относительно среднего давления.

В импульсных системах наддува подвод газов к турбине осуществляется через короткие выпускные патрубки небольшого сечения, что позволяет дополнительно использовать энергию импульса давления выхлопных газов. Эти системы наддува применяют преимущественно в четырехтактных и некоторых двухтактных дизелях.