Классификация, общая характеристика способов наддува

Для того чтобы в объеме цилиндра сжечь больше топлива и получить в результате большую полезную мощность, необходимо пропорционально увеличить количество воздуха из условия α ≈ const. Эта задача нашла свое решение в наддуве. Наддувом называется увеличение заряда воздуха, подаваемого в цилиндр, за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия до давления Pk>Po, и соответственно увеличение количества сжигаемого топлива. Степень форсировки дизелей наддувом оценивается “степенью наддува” λн:

λн = Рен / Ре, (№1)

где Ре и Рен — среднее эффективное давление двигателя без наддува и с наддувом.

Принципиально количество воздуха в цилиндре можно увеличить не только за счет его предварительного сжатия, но и за счет понижения температуры (удельный вес воздуха пропорционален Рк и обратно пропорцилнален Тк: γк / γо = Рк То / Ро Тк), а также повышением коэффициента наполнения цилиндра ηн путем лучшей очистки цилиндра. Эти факторы используются при наддуве в комплексе. Так, после предварительного сжатия воздух охлаждается до температуры 30÷45оС, после чего подается в цилиндр. Лучшая очистка цилиндра обеспечивается тщательной отработкой системы газообмена, использованием продувки камеры сгорания в 4-тактных ДВС.

Газотурбонагнетатель судового дизельного двигателя

Применение наддува позволило увеличить цилиндровую мощность дизелей в 4÷5 раз по сравнению с двигателями без наддува, однако потребовало решения ряда серьезных технических проблем, связанных с повышением механической и тепловой напряженности, ухудшением условий смазки, повышенными износами цилиндро-поршневой группы, согласованием характеристик агрегатов наддува и дизеля и т.д. Эти проблемы постоянно встают перед дизелестроителями при дальнейшей форсировке двигателей.

Различают следующие способы наддува:

  • Инерционный;
  • Механический;
  • Газотурбинный и комбинированный.

Попытки использования инерционного наддува имели место в начальный период форсировки 4-тактных ДВС. При этом каждый цилиндр снабжался специально подобранной длинной впускной трубой. Повышение давления воздуха в конце впуска достигалось благодаря кинетической энергии столба воздуха во впускной трубе и соответствующей организации в ней резонансных колебаний. Инерционный наддув позволял повысить мощность на 15÷25%.

Инерционный наддув судового двигателя

При механическом наддуве нагнетатель воздуха приводится в движение от коленчатого вала двигателя. В качестве нагнетателей применяются поршневые, ротационные или центробежные компрессоры, приводимые от коленчатого вала непосредственно или через передачу (зубчатую, цепную, электрическую).

Наиболее широкое распространение в ДВС получили газотурбинный и комбинированный способы наддува. При газотурбинном наддуве для привода нагнетателя используется энергия выпускных газов. Газовая турбина и сидящий с ней на одном валу центробежный компрессор представляют собой единый агрегат — газотурбонагнетатель (ГТН). Газы из рабочих цилиндров, отдавая часть энергии газовой турбине, направляются далее в утилизационный котел и в атмосферу. Воздух, засасываемый из атмосферы, сжимается в компрессоре до давления Рк, подается в холодильник воздуха и затем — в продувочный ресивер и в рабочие цилиндры. При незначительном сжатии в компрессоре, когда температура не поднимается выше 45÷50оС, холодильник может отсутствовать.

Под комбинированным наддувом подразумевается система, использующая одновоременно газотурбинный и механический наддув. К ней прибегают в случаях, когда мощность газовых турбин недостаточна для привода нагнетателя. Частным случаем механического нагнетателя является использование подпоршневых полостей рабочих цилиндров крейц-копфных двигателей совместно с газотурбонагнетателем.

Механический наддув судового дизельного двигателя

Оценка степени совершенства той или иной системы наддува может быть дана на основе качественного анализа механического КПД двигателя. Для двигателя без наддува можно написать зависимость;

ηмех = Ne/ Ni = (Ni — Nмex) / Ni = 1 — Nмex / Ni:

ηмех  =  1 — Nмех / Ni

При инерционном наддуве при прочих равных условиях мощность механических потерь двигателя Nмех не изменится, а индикаторная мощность возрастет без каких- либо дополнительных энергетических затрат на привод нагнетателя воздуха. Следовательно, механический КПД двигателя увеличится. Тем не менее, инерционный наддув не нашел применения в судовых дизелях из-за грамоздкости впускной системы и сравнительно невысокого уровня форсировки.

В двигателе с механическим наддувом мощность механических потерь возрастает на величину NB затрат на привод нагнетателя воздуха; механический КПД равен:

ηмнмех =  1 — ((Nмех +Nв) / (Ni + ΔNi)), (№2)

где Ni + ΔNi = N — индикаторная мощность двигателя с наддувом.

Очевидно, что всякое увеличение мощности дизеля требует повышения давления наддува Рк. При этом возрастает и мощность Nв на привод воздушного нагнетателя. Если индикаторная мощность возрастает более интенсивно, чем мощность механических потерь, то механический КПД растет. В таком случае при возрастании Рк растет и среднее эффективное давление Рен: Рен = Piн ηмн мех.

При достижении определенного уровня форсировки затраты на привод механического воздушного нагнетателя начинают расти более интенсивно, чем приращение индикаторной мощности; механический КПД снижается. Несмотря на увеличение Рк, среднее эффективное давление при этом может даже уменьшится (если степень снижени ηмех превосходит степень приращения Pi). В предельном случае механического наддува можно создать двигатель, у которого вся индикаторная работа будет поглощаться компрессором, механический и эффективный КПД будут равны нулю.

По опытным данным, граница обоснованного увеличения Ан при чисто механическом наддуве находится в пределах:

λн = 1,2÷1,3.

При этом Рк = 1,3÷1,5 или ηмнмех = 0,70÷0,85.

При дальнейшей форсировке двигателей на привод нагнетателя требуется слишком большая мощность, что снижает ηмех и ηе. По этой причине в современных двигателях чисто механический наддув не применяется. Его можно встретить в двигателях старой конструкции (ЗД-100, 37Д, ДР 30/50, ДР 43/61 и др.).

Смотрите также:

б) Классификация, общая характеристика способов наддува

Август, 09, 2016 896 0
Читайте также