Классификация и общая характеристика способов наддува

Если представить случай, что мощность на привод механического нагнетателя NB частично покрывается за счет газовой турбины (в двигателях с комбинированной системой наддува), то механический КПД выразиться зависимостью:

$\eta {{}_{мех}}^{мн+ГТ} = 1–\left(N_{мех}+\left(N_{в}+N_{гТ}\right)\right)/N_{iн}, Форм. 1$

где:

• N_гТ — мощность газовой турбины.

При одинаковом уровне форсировки двигателей (одинаковой индикаторной мощности) механические потери при комбинированной системе наддува будут меньше, чем при чисто механическом наддувеХарактеристики систем механического наддува, на величину N_гТ. Очевидно, что в комбинированной системе η_мех будет выше.

Представим крайний случай — газотурбонагнетатель полностью заменил механическую воздуходувку (т. е. обеспечен чистый газотурбинный наддув). Механический КПД еще более возрастет (так как N_в–N_гТ = 0) И определится зависимостью:

${{\eta }_{мех}}^{ГТ} = 1–N_{мех}/N_{iн} Форм. 2$

Таким образом, при примерно одинаковых степенях наддува можно записать:

${{\eta }_{мех}}^{ГТ} > {{\eta }_{мех}}^{мн+ГТ}>{{\eta }_{мех}}^{мн} Форм. 3$

Такие соотношения КПД имеют место у реально выполненных конструкций как 4-тактных, так и 2-тактных двигателей. Максимальные значения η_мех при газотурбинном наддуве достигают η_мех^гТ≈ 0,95 (по сравнению с 0,70÷0,85 у двигателей без наддува).

Можно сказать, что использование энергии газов в газовой турбине представляет собой утилизацию тепла газов, отработавших в цилиндре дизеля. Для того чтобы использовать эту энергию непосредственно в цилиндре, потребовалось бы значительно увеличить ход поршня. Прирост индикаторной работы был бы сведен на нет дополнительными механическими потерями. Вот почему утилизация тепла с целью получения дополнительной работы задерживалась практически до тех пор, пока не появилась газовая турбина, способная с достаточной эффективностью использовать рабочее тело с большим удельным объемом при малых перепадах давления.

Утилизация тепла отработавших газов в газотурбонагнетателях была возможна в свое время только в 4 – тактных ДВС, у которых температура газа достигала 400÷450 °С (по сравнению с 260÷290 °С у 2 – тактных ДВС). При этом без какой-либо перестройки системы газообмена удавалось получить степень наддува λ_н = 1,2÷1,3 при P_к = 1,25÷1,30 ата. В настоящее время такие степени наддува – пройденный этап. В современных двигателях достигнуто λ_н — 2,5÷4,0 (2 – тактные дизели) и λ_н = 3,0÷5,0 (4-тактные дизели). В опытных конструкциях достигнуты еще более высокие показатели.

Форсировка двигателей наддувом происходит уже не за счет утилизации тепла отработавших газов, а за счет перераспределения энергии между цилиндром и газовой турбиной путем более раннего открытия выпускных органов. Такой путь ведет к снижению экономичности индикаторного процесса собственно дизеля, у которого при более раннем открытии выпускных органов уменьшается индикаторная работа. Снижение термического и индикаторного КПД цикла учитывается соответствующим уменьшением степени последующего расширения газов в цилиндре δ = V_в/V_z при сдвиге точки b на индикаторной диаграмме влево.

Читайте также: Параллельный комбинированный наддув

В то же время, дальнейшая форсировка двигателей наддувом приводит к увеличению цикловых подачи топлива и вынесению сгорания на линию расширения. Это также уменьшает δ за счет роста степени предварительного расширения ρ; при этом индикаторный КПД снижается.

Величина максимального давления в цилиндре P_z при условии ε – const растет менее интенсивно, чем давление наддувочного воздуха P_к и среднее индикаторное давлениеОпределение среднего индикаторного давления P_i. Тем не менее, у современных ДВС максимальное давление в цилиндре достигло величины З_z = 120÷140 кг/см². Желание снизить или оставить на прежнем уровне P_z и повысить надежность подшипников коленчатого вала требует снижения степени сжатия ε. Такое решение широко используется в практике дизелестроения. Однако оно ведет к дальнейшему уменьшению термического и индикаторного КПД.

Будет интересно: Последовательный комбинированный наддув

Несмотря на снижение индикаторного КПД собственно дизеля, эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива у высокофорсированных двигателей с газотурбинным наддувом сохраняются на прежнем уровне или даже изменяются в лучшую сторону за счет:

1. Увеличения механического КПД;
2. Уменьшения доли тепла, передаваемого в охлаждающую воду;
3. Более рационального использования тепла в газотурбонагнетателе (повышением КПД турбины и компрессора), что позволяет уменьшить долю потерянного хода поршня для обеспечения баланса энергии газотурбонагнетателя.