Тема. Наддув дизелей. Турбокомпрессоры дизелей

На современных мощных четырехтактных и двухтактных дизелях применяется наддув для повышения мощности и тепловой экономичности. Сущность наддува состоит в том, что воздух в цилиндры дизеля не засасывается из атмосферы, а нагнетается турбокомпрессором или нагнетателем, приводимым от вала двигателя. Благодаря наддуву в цилиндры подается на каждый рабочий цикл больше воздуха, чем при всасывании, что одновременно позволяет также подавать в цилиндры и сжигать большее количество топлива, а следовательно, получать при тех же размерах цилиндров и той же частоте вращения вала дизеля большую мощность. Установлено, что мощность дизеля возрастает примерно пропорционально давлению наддувочного воздуха. Таким образом, наддув позволяет почти при тех же размерах и массе двигателя увеличить его мощность в 2-3 раза.

При сжатии в нагнетателе воздух нагревается, его удельный объем возрастает, что в значительной степени уменьшает воздушный заряд в цилиндре. Поэтому в дизелях со средним и высоким наддувом обязательно применяют охлаждение наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры. Охлаждение воздуха на каждые 10 °С дает увеличение мощности дизеля на 3-4 % и снижение удельного расхода топлива примерно на 1,5-2 г/(кВт-ч).

Экономичность дизелей с наддувом повышается вследствие увеличения механического КПД и дополнительного использования тепла отработавших газов. Давления сжатия и сгорания в цилиндре также возрастают. Температура же горения и тепловая напряженность дизеля остаются почти неизменными.

Существуют три способа наддува дизелей: 1 - нагнетателем, имеющим привод от вала дизеля (механический наддув); 2- газотурбинный; 3 - комбинированный.

Механический наддув. Нагнетатель 5 (рис. 86) приводится во вращение через редуктор 6 от коленчатого вала. Воздух засасывается нагнетателем из атмосферы и через впускной клапан 4 нагнетается в цилиндр. Недостаток такого способа наддува состоит в том, что количество подаваемого в цилиндр воздуха зависит от частоты вращения вала дизеля, а не от нагрузки, т. е. подача воздуха в цилиндр при данной частоте вращения вала будет одинакова на холостом ходу и при полной нагрузке. Так осуществляется воздухоснабжение в дизеле 2Д100.

 

Рис. 86. Рис. 87.

Рис. 86. Схема наддува дизеля с механическим приводом воздушного нагнетателя:

1 - цилиндр дизеля; 2 - поршень; 3 - клапан выпускной; 4 - клапан впускной; 5 - нагнетатель центробежный, 6 - редуктор.

Рис. 87. Схема дизеля с газотурбинным наддувом: 1 - турбина газовая; 2 - нагнетатель центробежный 3 - клапан впускной; 4 - клапан выпускной; 5 - цилиндр; 6 – поршень.

 

Для правильной же организации рабочего процесса дизеля необходимо, чтобы под нагрузкой подавалось воздуха больше, чем на холостом ходу. Это особенно важно для тепловозных двигателей. Кроме того, на привод нагнетателя при этом способе наддува расходуется часть полезной мощности дизеля, поэтому экономичность двигателя повышается мало.

Газотурбинный наддув. В четырехтактном дизеле с газотурбинным наддувом (рис.87) отработавшие газы, пройдя выпускной клапан 4, поступают на газовое колесо турбины 1 совершив работу, выбрасываются в атмосферу. На одном валу с турбиной находится крыльчатка центробежного нагнетателя 2, который забирает воздух из атмосферы, сжимает его до давления рк и через впускной клапан 3 нагнетает в цилиндр.

При газотурбинном наддуве количество воздуха, подаваемого в цилиндры, будет тем больше, чем больше внешняя нагрузка на дизель, так как в этом случае через турбину пройдет большее количество отработавших газов, имеющих более высокую температуру; частота вращения ее увеличится, а следовательно, возрастет и подача нагнетателя. Это свойство дизеля с газотурбинным наддувом для тепловозов особенно ценно, так как этим достигается «саморегулирование» дизеля. Кроме того, при газотурбинном наддуве благодаря дополнительному использованию тепла отработавших газов повышается коэффициент полезного действия двигателя. Газотурбинный наддув применен в четырехтактных тепловозных дизелях типов Д70, Д49, ПД1М, М756, КбSЗ10DR.

Комбинированный наддув. Комбинированный (двухступенчатый) наддув (рис. 88) применяется в двухтактных дизелях в том случае, когда воздух необходимо сжать до сравнительно высокого давления (0,2-0,3) МПа. Одного нагнетателя 5, приводимого от газовой турбины, оказывается недостаточно для обеспечения дизеля воздухом требуемых параметров, особенно на пониженных нагрузках, так как температура выпускных газов перед турбиной у двухтактного дизеля ниже, чем у четырехтактного, вследствие интенсивной продувки цилиндров воздухом. Поэтому в двухтактных дизелях применяют вторую ступень сжатия воздуха в нагнетателе 7, который имеет механический привод (через редуктор 8) от вала двигателя. При сжатии в первой ступени (турбонагнетателе) воздух нагревается до высокой температуры (100-150°С), что уменьшает воздушный за ряд цилиндра и, следовательно, мощность и экономичность дизеля. Чтобы избежать этого, после нагнетателя 5 воздух направляется в охладитель 6, где он охлаждается до 50-60 °С.

При работе под нагрузкой газовая турбина 4 вращает колесо нагнетателя 5 с большой частотой (15 000-20 000 об/мин), вследствие чего нагнетатель засасывает воздух из атмосферы и под давлением (0,2-г-0,25) МПа подает его в охладитель, и далее в приводной нагнетатель. В этом нагнетателе воздух дополнительно сжимается еще на (0,034-0,05) МПа и через наддувочный коллектор и впускные окна подается в цилиндр дизеля. Во время пуска дизеля, когда газовая турбина не работает, приводной нагнетатель 7 засасывает воздух из атмосферы через нагнетатель 5 и охладитель 6 и подает его в дизель.

Рис. 88. Рис. 89.

Рис. 87. Схема дизеля с комбинированным (двухступенчатым) наддувом: 1 - поршень; 2 - цилиндр дизеля; 3 - клапаны выпускные; 4 - газовая турбина; 5 - нагнетатель первой ступени; 6 - воздухоотделитель; 7 - нагнетатель второй ступени; 8 - редуктор привода нагнетателя второй ступени; 9 - кривошип; - надувочный коллектор.

Рис. 89. Схема устройства и работы осевой газовой турбины: 1 - вал: 2 - диск колеса; 3 - лопатки рабочие; 4 - сопловой аппарат; 5 - корпус турбины.