§ 8-6. Наддув двигателя
Наиболее эффективным способом увеличения литровой мощности, получившим широкое распространение, является повышение среднего индикаторного давления с помощью наддува.
Наддувом называется процесс принудительного нагнетания воздуха в цилиндр двигателя с некоторым избыточным давлением с целью увеличения плотности воздуха, заполняющего цилиндр. Это позволяет повысить количество топлива, сжигаемого в цилиндре за один цикл, вследствие чего увеличиваются среднее индикаторное давление и мощность двигателя.
Например, при давлении наддувочного воздуха (1,4-1,6) 105 Н/м2 мощность двигателя при том же рабочем объеме цилиндров и частоте вращения коленчатого вала возрастает в 1,4—1,5 раза. Дальнейшее повышение мощности двигателя достигается повышением давления наддувочного воздуха и уменьшением его температуры.
Нагнетание осуществляется воздуходувкой, установленной на двигателе. Для привода воздуходувки используется энергия выпускных газов, поступающих в газовую турбину, соединенную с воздуходувкой.
Воздуходувка может иметь привод от вала двигателя. В первом случае наддув называется газотурбинным, во втором — с механическим приводом.
Схема газотурбинного наддува показана на рис. 8-11. Выпускные газы по трубам 1 поступают на лопатки газовой турбины 2, укрепленной на одном валу с воздуходувкой 3. При вращении колеса турбины в воздуходувке происходит всасывание воздуха и его сжатие до давления, несколько превышающего атмосферное. Сжатый воздух по трубе 4 через впускные клапаны 5 поступает в цилиндр двигателя.
Газотурбинный наддув является саморегулирующимся, так как производительность воздуходувки, соединенной с газовой турбиной, определяется мощностью турбины.
Мощность же турбины зависит от температуры и давления выпускных газов.
При увеличении внешней нагрузки на двигатель необходимо повышение его мощности; для этого в цилиндр впрыскивается увеличенная доза топлива, сжигание которого требует увеличения количества воздуха. Возрастающие при этом температура и давление выпускных газов повышают частоту вращения колеса турбины, что автоматически увеличивает производительность воздуходувки. Саморегулируемость газотурбинного наддува является весьма важным положительным качеством.
Рис. 8-11. Схема устройства газотурбинного наддува
Рис. 8-12. Изменение удельного расхода топлива в зависимости от мощности, развиваемой двигателем
В случае газотурбинного наддува давление отработанных газов в цилиндре в такте выпуска составляет около 1,2 · 10+5 Н/м2 против (1,07—1,1) 105 Н/м2 у двигателей без наддува. Поэтому увеличение потерь из-за присоединенной турбины по сравнению с возросшей мощностью двигателя является пренебрежимо малой величиной. Присоединение деталей наддува не повышает и удельную массу двигателя. Например, у двигателей мощностью 300—700 кВт при 740—830 об/мин турбокомпрессор, трубопроводы и др. увеличивают массу двигателя примерно на 3%, но благодаря возрастающей мощности двигателя его масса, приходящаяся на единицу мощности, снижается примерно на 15—20%.
Потери на трение при увеличении мощности двигателя повышаются на очень малую величину, поэтому механический к. п. д. двигателя увеличивается, а удельный расход топлива уменьшается (рис. 8-12).
Для двухтактного двигателя применение газотурбинного наддува затрудняется из-за условий пуска. В начале пуска выпускные газы имеют низкую температуру и не обладают достаточным количеством тепловой энергии для получения мощности турбины, необходимой для работы воздуходувки. Поэтому в двухтактном двигателе осуществляется наддув с приводом от коленчатого вала двигателя.
На рис. 8-13, а изображена схема наддува с механическим приводом воздуходувки 1 от вала двигателя 2 через редуктор 3. Вследствие потерь энергии на трение в механизме привода воздуходувки механический к. п. д. двигателя в этом случае меньше примерно на 5%, чем у двигателя с газотурбинным наддувом.
Нагнетание воздуха при давлении, не превышающем 1,5 · 106 Н/м2, называется наддувом низкого давления.
Рис. 8-13. Схема наддува с механическим приводом
Для получения наддува повышенного давления до (3-3,6) 105 Н/м2 турбина соединяется с воздуходувкой, сжимающей газ в нескольких ступенях, или же применяется комбинированный наддув с частичным использованием энергии выпускных газов по схеме, показанной на рис. 8-13, б.
В этом случае начальное сжатие воздуха осуществляется в газотурбовоздуходувке 1, вторичное — в воздуходувке 2, вал которой соединен через зубчатки 3 с коленчатым валом 4 двигателя. Воздух до поступления в цилиндр охлаждается в теплообменнике 5, установленном непосредственно перед цилиндром или между газотурбовоздуходувкой 1 и приводным нагнетателем 2.
Отечественные дизели имеют абсолютное давление наддува (1,32-3,63) 106 Н/м2.
Влияние наддува на индикаторный процесс двигателя рассматривается в § 8-24.
§ 8-8. Тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания
Количество энергии, вносимой в цилиндр двигателя, определяется теплотой сгорания используемого топлива. Однако только часть теплоты, выделяющейся при сгорании, преобразовывается в полезную механическую работу. Значительная доля ее отводится от двигателя в виде потерь.
Наибольшее количество теплоты теряется в воду, охлаждающую двигатель, и уносится с отработавшими газами. Часть тепловой энергии теряется вследствие химической неполноты сгорания топлива и радиации в окружающую среду.
Отдельные потери определяются расчетным путем или на основании экспериментальных данных, полученных при испытании двигателя: q1 — теплота, полезно используемая; q2 — теплота, уносимая охлаждающей водой; q3 — теплота, уносимая отработавшими газами;
Рис 8-15. Тепловой баланс двигателя высокого сжатия
потери от химической неполноты сгорания; q5 — остаточный член теплового баланса (радиация, часть потерь на трение).
Сумма теплоты, полезно использованной, и всех потерь равна теплоте сожженного топлива q, поэтому уравнение теплового баланса двигателя записывается в следующем виде:
q = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 кДж/кг.
Ниже приводятся величины основных составляющих теплового баланса (в %):
Тепло, полезно использованное . .32—40
Потери с охлаждающей водой . . .33—30
Потери с отработавшими газами . .30—23
Потери от химической неполноты сгорания и прочие потери 5—7
Итого . . 100
Приведенные цифры относятся к номинальной мощности двигателя, рис. 8-15 показано изменение абсолютной и относительной величин составляющих теплового баланса в зависимости от мощности, развиваемой двигателем.
Устройство газотурбинного наддува является средством частичного использования теплоты отработавших газов. Учитывая значительные потери теплоты с охлаждающей водой и отработавшими газами, принимаются меры к использованию ее в нагревательных устройствах. На тепловозе теплом охлаждающей воды в зимнее время обогревается кабина машиниста.
Крупные стационарные двигатели снабжаются котлами-утилизаторами, в которых используется теплота отработавших газов для получения горячей воды или пара для бытовых и технологических нужд.