Способы повышения мощности дизелей. Наддув

Увеличение скорости хода современных судов требует применения мощных энергетических установок. И если для судовых паровых турбин фактор ограничения мощности не существует, то для судовых дизелей ограниченная мощность в одном агрегате является наиболее сложной проблемой.

Дизели судов небольшой и средней грузоподъемности ввиду высокого к. п. д. и малого удельного расхода топлива успешно конкурируют с другими двигателями, а для применения их на судах большой грузоподъемности необходимо увеличивать агрегатную мощность, для чего используют следующие способы:

• увеличение рабочего объема цилиндра, т. е. его геометрических размеров: диаметра цилиндра D и хода поршня S;
• увеличение частоты вращения коленчатого вала N об/мин;
• увеличение количества цилиндров i ;
• повышение среднего эффективного давления р_е бар.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки и, главное, ограничения.

Увеличение геометрических размеров цилиндра вызывает возрастание массы подвижных деталей дизеля и, следовательно, инерционных усилий, отрицательно действующих на подшипники дизеля. Поэтому в настоящее время максимальные диаметры цилиндров судовых дизелей некоторых фирм имеют 1060 мм, а ход поршней достигает 2000 мм.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала повышает мощность двигателя, однако отрицательно действует на другие показатели и прежде всего снижает моторесурс, увеличивает удельный расход топлива, а при очень высокой частоте вращения для поддержания высоких к. п. д. гребного винта требуется применение понижающего редуктора между дизелем и винтом. Наиболее целесообразная частота вращения коленчатого вала для тихоходных дизелей с прямой передачей крутящего момента на гребной винт — до 100 об/мин, для дизелей со средними диаметром цилиндра и ходом поршня—400—500 об/мин, для высокооборотных дизелей (в дизель-электрических передачах — 750—1000 об/мин.)

Увеличение количества цилиндров дизеля приводит к увеличению его длины и длины машинного отделения, поэтому у однорядных тихоходных дизелей i = 10 ÷ 12; у быстроходных двухрядных (V-образных) и трехрядных (W-образных) число цилиндров практически ограничено, соответственно i = 24 и i = 36. При большем i усложняется конструкция дизеля и его эксплуатация.

Наиболее перспективным направлением для роста агрегатной мощности судовых дизелей является повышение его среднего эффективного давления р_е за счет применения наддува.

Наддувом называется принудительное заполнение рабочего объема цилиндра воздухом повышенного давления, что увеличивает массу заряда воздуха, позволяет повысить также массу заряда топлива с сохранением оптимального коэффициента избытка воздуха α.

Наддув дизеля может осуществляться с применением механического нагнетателя воздуха с приводом от коленчатого вала; такой наддув называется механическим. Прирост мощности при механическом наддуве достигает 30%. Однако если учесть, что примерно половина этой мощности расходуется на привод нагнетателя, а механический к. п. д. ухудшается из-за увеличения числа трущихся узлов дизеля, то такой наддув является малоэффективным и на новых дизелях не применяется.

Наиболее эффективен газотурбинный наддув. Суть его заключается в следующем: от выхлопных газов двигателя, имеющих значительную температуру и давление, приводится в действие специальная газовая турбина, на общем валу с которой находится центробежный нагнетатель воздуха (рис. 88, а). Нагнетатель забирает воздух из машинного отделения, сжимает его и направляет в ресивер дизеля. Газотурбинный наддув в чистом виде применяется только у четырехтактных дизелей и позволяет увеличить мощность дизеля до 100% при давлении наддувочного воздуха до 2 бар.

У четырехтактных дизелей при пуске, когда газовая турбина не работает, пополнение цилиндра зарядом свежего воздуха происходит за счет разности давлений при движении поршня вниз во время пуска.

Обязательным условием работы двухтактного дизеля является наличие в ресивере воздуха повышенного давления. Если учесть, что газовая турбина начинает работать только тогда, когда дизель разовьет частоту вращения до 25% номинальной, то для его пуска необходимо иметь специальное устройство. Таким устройством может быть электронагнетатель периодического действия. Электронагнетатели не получили большого распространения, так как они усложняют конструкцию дизеля, требуют установки специальных заслонок и т. д.

На двухтактных дизелях параллельно и последовательно с газотурбинными нагнетателями устанавливают различные механические устройства, которые облегчают пуск дизеля и позволяют получать более высокие давления наддувочного воздуха. Такой метод наддува называется комбинированным. В качестве дополнительных механических нагнетателей при газотурбинном наддуве могут применяться индивидуальные (для каждого цилиндра) или общие (для всех цилиндров) поршневые продувочные насосы или объемные (ротативные) нагнетатели. В последнее время многие фирмы («Бурмейстер и Вайн», МАН) используют для дополнительного сжатия воздуха и для получения продувочного воздуха при пуске дизеля подпоршневые пространства рабочих цилиндров. Двигатели некоторых фирм в дополнение к газотурбинному наддуву имеют механические нагнетатели и рабочие подпоршневые полости цилиндров. Причем как подпоршневые пространства, так и механические продувочные насосы могут работать параллельно или последовательно относительно друг друга или относительно газотурбонагнетателей. При этом, для увеличения массы заряда в единице объема и, следовательно, повышения эффекта наддува, применяют промежуточные холодильники наддувочного воздуха. Выпускные газы, выходящие из цилиндра дизеля по изолированному трубопроводу, попадают в сопловой аппарат газовой турбины, где внутреняя энергия преобразуется в кинетическую, а оттуда на лопатки газовой турбины, ротор которой находится на одном валу с центробежным нагнетателем. Воздух из машинного отделения забирается нагнетателем и направляется через промежуточный холодильник в цилиндр дизеля.

Если выхлопные газы попадают в общий сборник-коллектор, а затем в сопловой аппарат турбины, такая турбина называется турбиной постоянного давления. У многих четырехтактных и некоторых двухтактных дизелей выхлопные газы направляют по индивидуальным или общим газопроводам (группируя несколько цилиндров) и подают на лопатки газовой турбины в виде импульсов; такая турбина называется импульсной газовой турбиной, а наддув—импульсным. На рис. 88, б показана группировка газопроводов четырехтактного шестицилиндрового дизеля с порядком работы цилиндров 1-3-5-6-4-2; группы цилиндров 1, 4, 5 (А) и 2, 3, 6 (Б) не имеют одновременного выпуска газов, и, следовательно, газы попадают из отдельных цилиндров на лопатки газовой турбины в виде импульсов. При ином числе и порядке работы цилиндров требуется другая группировка цилиндров.

При наддуве у четырехтактных дизелей значительно изменяются фазы газораспределения: их подбирают таким образом, чтобы время наполнения цилиндра по углу поворота мотыля коленчатого вала значительно увеличивалось. Если, например, открытие впускного клапана у четырехтактных дизелей без наддува происходит за 15—30° до в. м. т., а закрытие — через 10—30° после н. м. т., то у дизелей с наддувом открытие происходит за 40—80° до в. м. т., а закрытие — через 20—40° н. м. т. Значительно раньше открывается, а позже закрывается (относительно мертвых точек) и выпускной клапан: из цилиндра необходимо за короткое время выпустить значительно большее количество газов, чем у дизелей без наддува. Для лучшей продувки цилиндра и охлаждения камеры сгорания увеличивают и время перекрытия клапанов.

Схема газотурбинного наддува двухтактного двигателя с прямоточно-клапанной продувкой и с электронагнетателем, который используется при пуске, а также в качестве аварийного, показана на рис. 89, а. Во время работы дизеля отработавшие газы дизеля из цилиндров по индивидуальным патрубкам попадают на лопатки импульсной газовой турбины; продувочный воздух через промежуточный холодильник попадает в подпоршневое пространство цилиндров, которое работает последовательно с газотурбонагнетателем, затем проходит для продувки и заполнения цилиндра. Такой тип наддува применяется на двигателях фирмы «Бурмейстер и Вайн». На последних моделях дизелей этой фирмы и ее лицензиатов (в том числе и БМЗ) не ставят электронагнетатели Э. Н., так как продувка цилиндров при пуске дизеля и при выходе из строя газотурбонагнетателей обеспечивается подпоршневыми полостями цилиндров.

У двигателей «Гетаверкен» с прямоточно-клапанной продувкой вместо подпоршневых пространств используются индивидуальные для каждого цилиндра продувочные насосы (см. рис. 89, б). Такие насосы имеют и некоторые дизели с контурной продувкой («Фиат»).

Фирма МАН наряду с устройством газотурбонагнетателей и использованием подпоршневых пространств цилиндров на некоторых типах дизелей устанавливает поршневые продувочные насосы, которые могут работать последовательно с подпоршневыми пространствами всех или нескольких цилиндров и параллельно с газотурбонагнетателями.

Наддув двухтактных ДВС

Всё, что обсуждалось нами в предыдущих главах, относилось как к проблемам наддува четырёхтактных, так и двухтактных двигателей. Как правило, все возможные системы наддува четырёхтактных двигателей применимы и для двухтактных. Однако в случаях двухтактных двигателей возникают некоторые особенности в части использования газотурбинного наддува.

Ранее мы уже говорили, что при наддуве двухтактных двигателей необходимо обеспечить значительно более высокие расходы воздуха через двигатель. Очевидно, что расход воздуха в единицу времени у двухтактного двигателя должен быть теоретически в два раза больше, чем у четырёхтактного двигателя той же размерности, той же быстроходности, при том же числе цилиндров и при том же коэффициенте избытка воздуха. Расход воздуха на один цилиндр на один рабочий цикл также должен быть больше. Это определяется тем, что именно таким путём достигается улучшенная очистка цилиндра, продувка его избыточным количеством воздуха и одновременно снижаются температуры стенок камеры сгорания и выпускных органов двигателя, которые у двухтактного двигателя более высоки, чем у четырёхтактного. Вынужденное использование избыточного продувочного воздуха у двухтактного двигателя приводит к тому, что температура отработавших газов понижается, что приводит к усложнениям в применении газовой турбины.

В отличие от четырёхтактного двигателя двухтактный обязательно должен иметь нагнетатель воздуха, имеющий привод от коленчатого вала, без которого нельзя запустить двигатель. На рис. 8.3. приведена типичная схема газотурбинного наддува двухтактного дизеля.

Рис. 8.3. Схема системы наддува двухтактного двигателя. Ф – фильтр воздуха, К – компрессор газотурбонагнетателя, Х – холодильник воздуха, Н – приводной нагнетатель, д – дизель, ГЕ – газовая турбина, Г – глушитель.

В данном случае нагнетатель Н, предпочтительно объёмного типа, имеет механический привод от коленчатого вала и является второй ступенью наддува. Первой ступенью служит свободный ГТН с компрессором К. Поскольку у двухтактного двигателя при полных нагрузках располагаемая энергия отработавших газов повышена, то компрессор К может иметь повышенную степень повышения давления, а следовательно целесообразно после него провести охлаждение воздуха в холодильнике Х. Благодаря промежуточному охлаждению воздуха снижается мощность, необходимая для подачи в двигатель данного количества сжатого воздуха.

Приводной нагнетатель у двухтактного двигателя необходим не только для обеспечения пуска, но и потому, что на пониженных нагрузках, когда трудно достичь высокого коэффициента наполнения, такой нагнетатель позволяет решить эту проблему. В результате также повышается приёмистость двигателя.

Как ранее уже отмечалось, применение газотурбинного наддува повышает мощность и момент двигателя на номинальном режиме, но со снижением частоты вращения степень повышения мощности или момента снижается из – за снижения энергии отработавших газов и нарушения оптимальности скоростей на входе в турбину, если она не регулируемая. Регулирование турбины с помощью соплового аппарата и прочими средствами, конечно существенно снижает отрицательное влияние этого явления. Вообще, применение наддува, при условии одинаковой номинальной мощности, снижает приспособляемость и приёмистости двигателя, что и показано на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Сравнение протекания характеристик крутящего момента дизеля без наддува (1) и с наддувом (2).

Видно, что коэффициент приспособляемости по моменту снижается с 1,18 до 1,09, а по частоте – возрастает с 0,75 до 0,85 при переходе от двигателя без наддува к двигателю с наддувом.

Рассмотрим теперь различные как широко применяемые, в том числе ранее рассмотренные, так и особенные системы наддува, которые обеспечивают то или иное изменение протекания кривой крутящего момента двигателей.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Схемы наддува двухтактных двигателей

Схемы систем наддува

Наддув четырехтактных двигателей. Меньшие (по сравнению с двухтактным двигателем) удельные расходы воздуха, более высокая температура выпускных газов и наличие насосных ходов поршня в четырехтактном двигателе облегчают решение задачи балансирования мощностей турбин и приводимых ими наддувочных агрегатов. Этим объясняется, что газотурбинный наддув сначала внедрялся в 4-тактных двигателях и лишь по прошествии нескольких лет начал внедряться в 2-тактных. Сегодня в главных среднеоборотных двигателях предпочтение отдается наддуву при постоянном давлении газов перед турбиной, так как эта схема наддува конструктивно проще, а следовательно, и дешевле. Кроме того, достигается более высокий КПД газотурбокомпрессора. В двигателях, работающих в условиях быстроменяющихся нагрузок (дизель-генераторы), предпочтение в силу лучшей приемистости отдается импульсной схеме наддува. В некоторых четырехтактных двигателях последних моделей, имеющих импульсную систему наддува, в выпускном тракте устанавливают преобразователи импульсов (рис. 5.5), способствующие эффективному преобразованию кинетической энергии газов (импульсной составляющей) в энергию постоянного потока. В результате такого преобразования давление перед газовой турбиной выравнивается и последняя практически работает в режиме р_т = const , что способствует повышению ее КПД, а использование энергии импульса увеличивает ее мощность и, что особенно важно, позволяет обеспечить баланс мощностей турбины и компрессора на малых нагрузках, начиная с 20%-ной нагрузки до номинальной.

На рис. 5.6 а, б приведены принципиальная схема преобразователя импульсов и кривые изменения давления газов до преобразователя и за ним. Выпускные газы по патрубкам подводятся к соплам 2, причем в один трубопровод объединены выпуски из цилиндров, фазы которых не накладываются одна на другую. В определенный момент времени импульс давления в одном из трубопроводов достигает максимума. Достигает максимума также и скорость газа в сопле 2 данного трубопровода, что приводит к разрежению в другом трубопроводе 1 и облегчает продувку присоединенного к нему цилиндра. Процесс истечения газов из сопел 2 повторяется с относительно высокой частотой, поэтому в камере 3 образуется равномерный поток, обладающий большим запасом кинетической энергии. В диффузоре 4 эта энергия преобразуется в энергию постоянного давления. Из ресивера 5 газы поступают в турбину при почти постоянном давлении.

Основные преимущества использования преобразователей импульсов заключаются в возможности избежать необходимости установки в многоцилиндровом двигателе нескольких ГТК. Упрощается конструкция газовыпускной системы, ее монтаж и снижается стоимость двигателя. Благодаря поступлению газов в турбину под примерно постоянным давлением снижается уровень вибрации лопаток турбины и повышается надежность их работы. Преобразователи импульсов позволяют уменьшить проходное сечение сопел турбины, повысить давление перед ней и ее КПД. При этом увеличиваются мощность турбины и производительность компрессора.

Для улучшения очистки цилиндра от продуктов сгорания в четырехтактном двигателе применяют продувку камеры сгорания путем одновременного открытия на протяжении 90-150° п.к.в. впускных и выпускных клапанов. Для увеличения эффективности процессов продувки камеры сгорания и наддува двигателя при импульсном наддуве применяют разделение выпускного трубопровода на отдельные ветви, чтобы избежать нарушения продувки отдельных цилиндров и эффективнее использовать энергию выпускных импульсов. Выпуски из цилиндров группируют таким образом, чтобы получить в отдельных ветвях выпускного коллектора наибольший сдвиг по времени между волнами давления, возникающими от выпусков объединяемых цилиндров. Например, в шестицилиндровом 4-тактном двигателе в одну из ветвей коллектора направляют выпуск из 1-го, 2-го и 3-го цилиндров, а в другую — из 4-го, 5-го и 6-го цилиндров; порядок вспышек при этом 1-5-3-6-2-4. При угле заклинивания колен Δ ϕ = 120° сдвиг фаз между волнами давлений будет равен 240°, что полностью обеспечивает эффективную продувку за это время. Естественно, что при другом числе цилиндров, ином порядке вспышек и расположения колен требуется другая группировка цилиндров и иное число выпускных коллекторов.

Наддув двухтактных двигателей. Проблема снабжения двухтактного двигателя воздухом в необходимом количестве и с заданным давлением наддува решается значительно сложнее. В силу затруднений в обеспечении баланса мощности (равенства N _Т и N_k на валу компрессора) в двигателях ранних моделей с контурными схемами газообмена («МАН», «Зульцер», «Фиат») нельзя было осуществить наддув только благодаря применению ГТК и приходилось прибегать к комбинированным системам наддува с использованием подпоршневых полостей. Причины этого следующие:

► из-за отсутствия хода выталкивания для обеспечения качественной продувки и удовлетворительного наполнения цилиндров воздухом среднее давление газа перед турбиной при контурных схемах газообмена должно быть меньше давления воздуха в ресивере р_т = (0,80-0,88) p_s ;

► температура выпускных газов существенно ниже;

► для обеспечения качественного газообмена необходим большой расход воздуха на продувку, поэтому наддувочный агрегат (компрессор) должен иметь большую подачу.

Исключение составляет дизель с прямоточно-клапанной схемой газообмена, в котором наличие клапана позволяет осуществлять более ранний выпуск и вследствие этого направлять в турбину газы с большим давлением и температурой.

Совершенствование газообмена, уменьшение расхода воздуха на продувку и, главным образом, переход на наддув с постоянным давлением и повышение КПД турбокомпрессоров до 70% обеспечили возможность снабжения двигателя воздухом только от турбокомпрессоров в диапазоне нагрузок от 100 до 40%.

При меньших нагрузках и пусках подключается дополнительный компрессор с электроприводом, работающий параллельно либо последовательно с ГТК.

Отказ от подпоршневых полостей привел к упрощению и удешевлению конструкции двигателя.

В последней модификации двигателя «Зульцер» RTA (рис. 5.8) с более совершенной прямоточной схемой газообмена включение дополнительного электрокомпрессора необходимо лишь при нагрузках менее 25% и при пуске. В выпускном коллекторе 2 благодаря его большому объему устанавливается постоянное давление газов. Пластинчатые невозвратные клапаны 7 предотвращают перетекание воздуха из второй секции ресивера 5 в первую и тем самым обеспечивают возможность работы электроприводного компрессора 6 последовательно с турбокомпрессором 3(1- цилиндр; 4 — воздухоохладитель).

1.Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 382 с. Стр.120-123

2. Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2008.- 470 с. Стр.163-167

3. Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев – М.:Транспорт, 1990. — 360 с. Стр. 252-254