1.8. Способы повышения мощности дизелей.

ТУРБОНАДДУВ

Из формулы для определения эффективной мощности дизеля:

, [кВт]

можно определить способы повышения мощности. Таковыми являются:

1. Увеличение диаметра цилиндра, целесообразно до определенного предела. С увеличением диаметра цилиндра увеличиваются инерционные силы, действующие на подвижные части дизеля, возрастают массогабаритные показатели двигателя. В настоящее время диаметр цилиндров наиболее мощных МОД достигает 105…106см;

2. Увеличение хода поршня (расширение области применения длинноходовых дизелей). Ход поршня дизельного двигателя тесно связан с диаметром цилиндра соотношением. Для различных классов дизелей существуют рекомендованные значения соотношения. Поэтому этот способ увеличения мощности непосредственно связан с предыдущим.

3. Увеличение числа цилиндров– для этого способа увеличения мощности дизеля так же существует разумный предел. Увеличение числа цилиндров двигателя значительно усложняет его конструкцию, снижает показатели надежности. В современных дизелях число цилиндров достигает: в МОД – до 12, в СОД – до 18, в ВОД – до 50;

4. Расширениеобласти применениядвухтактных дизелей(), имеющих большие возможности по дальнейшему снижению удельных массогабаритных показателей, чем четырехтактные дизели;

5. Увеличение числа оборотов(форсирование дизеля) – приводит к значительному снижению ресурсных показателей двигателя, особенно у ВОД;

6. Повышениесреднего эффективногодавленияза счет увеличения плотности воздуха, вводимого в цилиндр.

Последний способ является наиболее эффективным и получил наименование «наддува дизеля». Использование наддува дает возможность в несколько раз (4 ÷ 5) увеличить удельную мощность двигателя без изменения его основных размеров только за счет повышения давления наддувочного воздуха –, и надлежащего его охлаждения.

Наддув дизеля может осуществляться следующими способами: механическим,газотурбиннымикомбинированным.

При механическом наддуве нагнетатель поршневого, ротативного или центробежного типа приводится в действие от коленчатого вала двигателя. Применение механического наддува влечет за собой потерю мощности двигателя на привод компрессора, которая может достигать 7 ÷ 10 % от эффективной мощности двигателя. В чистом виде механический наддув в современных дизелях, как правило, не применяется.

В настоящее время в двух- и четырехтактных дизелях применяют газотурбинный наддув. Он может осуществляться следующими способами:

• турбонаддув с изобарной турбиной: при этом способе наддува выхлопные газы собираются в выхлопном коллекторе. В коллекторе происходит выравнивание давления газов и поля скоростей. Из выхлопного коллектора при постоянном давлении газы подаются на рабочие лопатки газовой турбины, приводящей во вращение компрессор;

• турбонаддув с импульсной турбиной: при таком способе наддува используется кинетическая энергия газов в виде импульсов в периоды свободного выпуска. Соединительные трубы между выпускными окнами или клапанами и газовыми турбинами делаются как можно короче с целью уменьшения дросселирования газов в выхлопном патрубке и максимального сохранения их кинетической и тепловой энергии.

Рабочий цикл дизельного двигателя без наддува состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 27):

– адиабатное сжатие воздуха в рабочем цилиндре двигателя;

– изохорный подвод теплотыпри сжигании части топлива в конце такта сжатия;

– изобарный подвод теплотыпри сжигании части топлива в начале такта расширения;

– адиабатное расширение газов в рабочем цилиндре;

Рис. 27. Термодинамический цикл дизеля

без турбонаддува

– изохорный отвод теплотык холодному источнику (выброс газов в окружающую среду).

Рабочий цикл дизеля с изобарным наддувом состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 28):

Рис. 28. Термодинамический цикл дизельного двигателя с изобарным

наддувом.

– адиабатное сжатие воздуха в рабочем цилиндре двигателя;

– изохорный подвод теплав цилиндре при сжигании части

топлива в конце такта сжатия;

– изобарный подвод теплапри сжигании части топлива в начале такта расширения;

– адиабатное расширение газов в цилиндре двигателя;

– изохорный отвод теплав газовыхлопной коллектор;

– изобарный подвод теплотык рабочему телу (выравнивание давлений газов в коллекторе перед подачей их в изобарную турбину);

– адиабатное расширение газов в газовой турбине;

– изобарный отвод теплотык холодному источнику (выброс выхлопных газов в атмосферу;

– адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре;

– изобарный отвод теплотыв охладителе надувочного воздуха

Площадь фигуры на диаграмме численно равна работе, совершаемой при расширении газов в газовой турбине. Площадь фигурычисленно равна работе, затраченной на сжатие воздуха в компрессоре. Площадь, ограниченная фигуройчисленно равна полезной работе, полученной при использовании турбокомпрессора (приращение полезной работы цикла с изобарной турбиной).

Термодинамический цикл дизеля с импульсным наддувом, в отличие от изобарного, имеет следующие особенности (рис. 29):

Рис. 29. Термодинамический цикл дизельного двигателя с импульсным

наддувом.

– продукты сгорания, совершив работу расширения в цилиндре двигателя, без потерь поступают в газовую турбину, где продолжается их дальнейшее расширение;

– изобарный отвод теплотыот продуктов сгорания к холодному источнику (выброс газов в атмосферу);

– адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре;

– изобарный отвод теплотыот сжатого воздуха в воздухоохладителе.

Площадь диаграммы численно равна работе, совершаемой газами в газовой турбине; площадь диаграммы– работе сжатия компрессора. Площадь фигуры численно равна полезной работе турбокомпрессора с импульсной турбиной (приращение полезной работы цикла с импульсной турбиной).

Применение газотурбинного наддува дизельного двигателя позволяет:

• наиболее полно использовать тепловую и кинетическую энергию продуктов сгорания, покидающих цилиндры двигателя (т.е уменьшить потери с уходящими газами – самую большую составляющую тепловых потерь дизельного двигателя);

• без дополнительных затрат энергии осуществить сжатие воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, что в свою очередь повышает среднее эффективное давление и, соответственно, мощность дизеля;

• за счет использования перечисленных мероприятий повысить общий КПД дизельной энергетической установки.