Общие сведения. Мощность двигателей внутреннего сгорания в одном агрегате за последние годы достигает нескольких тысяч кВт

Мощность двигателей внутреннего сгорания в одном агрегате за последние годы достигает нескольких тысяч кВт. Достижение такой агрегатной мощности было бы невозможно только за счет увеличения размеров цилиндра двигателя или его быстроходности. К тому же как следует из уравнения мощности, повышение размеров цилиндра вынуждает снижать частоту вращения вала, а это в свою очередь уменьшает мощность двигателя

где	- рабочий объем цилиндра
	- низшая теплота сгорания топлива,
	- коэффициент избытка воздуха при сгорании
	- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива,
	- число цилиндров
	- коэффициент тактности
	- коэффициент наполнения
	- индикаторный к.п.д.
	- механический к.п.д.
	- плотность воздушного заряда

При прочих равных условиях мощность пропорциональна третьей степени диаметра цилиндра (т.к. ; где ).

Размеры цилиндра всегда увязываются с частотой вращения вала. Чем быстроходнее двигатель, тем меньше допустимый диаметр цилиндра и ход поршня. Дизели с диаметром цилиндра D=600÷800 мм обычно развивают не более 120÷100 об./мин.; быстроходные с n=1 500÷2 500 об./мин. имеют D=200÷85 мм.

Увеличение диаметра цилиндра влечет за собой возрастание сил инерции и динамической нагрузки на главные подвижные детали двигателя. Это обстоятельство заставляет у быстроходных дизелей применять малые размеры цилиндра, но с целью увеличения суммарного рабочего объема число цилиндров в одном ряду в некоторых случаях доводят до 10-12. Кроме того, с той же целью употребляются сложные кинематические схемы с V – образным, W – образным, звездообразным и другими способами расположения осей цилиндров. В настоящее время имеются быстроходные дизели с числом цилиндров до 50 и более.

Даже у самых тихоходных современных двигателей максимальные диаметры цилиндра, за редким исключением, не превосходят 750-800 мм. С увеличением диаметра цилиндра кроме указанного возрастания сил инерции, ухудшаются условия охлаждения цилиндра, т.к. уменьшается величина относительной поверхности охлаждения. Это в свою очередь сказывается на теплонапряженности цилиндра.

Количество теплоты, которое проходит через стенку в единицу времени при данной разности температур, пропорционально поверхности охлаждения:

где	- коэффициент теплоотдачи от стенки охлаждающей жидкости
	- температура охлаждающей поверхности стенки
	- температура охлаждающей воды.

Абсолютная величина поверхности охлаждения возрастает с увеличением диаметра цилиндра в квадратичной зависимости. При сохранении постоянства коэффициент избытка воздуха с увеличением диаметра цилиндра соответственно возрастает расход топлива.

Если считать, что условия сгорания не изменяются, то количество теплоты выделяющейся в час можно определить следующим образом:

где - коэффициент выделения теплоты при сгорании.

или

Следовательно, изменение количества выделившейся теплоты пропорционально, при прочих равных условиях, третьей степени диаметра цилиндра. Иначе говоря, с увеличением диаметра цилиндра возрастает доля теплоты, приходящейся на единицу поверхности цилиндра, что приводит к возрастанию телонапряженности.

Таким образом, повышение мощности за счет конструктивных размеров цилиндра и частоты вращения вала весьма ограничены. Наиболее существенным резервом повышения мощности без изменения размеров и быстроходности двигателя является наддув.

Смысл и цель наддува заключается в повышении мощности при данных размерах двигателя без увеличения частоты вращения вала за счет подачи в цилиндры воздуха под повышенным давлением и соответствующего увеличения цикловой подачи топлива.

О форсировке двигателя за счет наддува принято судить по отношению среднего эффективного давления двигателя с наддувом к среднему эффективному давлению того же двигателя без наддува.

- степень наддува

Таким образом, степень наддува показывает, во сколько раз возрастает эффективная мощность двигателя вследствие применения наддува при сохранении неизменными числа цилиндров и их размеров, а также частоты вращения вала.

Повышение степени наддува достигается за счет увеличения давления воздуха на всасывании. Это позволило повысить у четырехтактных двигателей от 0,5÷0,65 мПа до 1,8÷2,5 мПа и более, у двухтактных дизелей от 0,45÷0,55 мПа до 1,2÷1,5 мПа. При этом также повышалась топливная экономичность работы двигателей. У современных двигателей с наддувом удельный эффективный расход топлива составляет 185÷210 .

Увеличение давления нагнетаемого в цилиндры воздуха повышает параметры физического состояния воздушного заряда и продуктов сгорания во всех характерных точках индикаторной диаграммы: расчет давления в конце процесса сжатия , максимальное давление цикла , давление в конце процесса расширения . Соответственно увеличивается при этом и температура рабочего тела, поскольку при сжатии воздуха в нагнетателе повышается и его температура:

где n – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

Повышение температуры надувочного воздуха отрицательно сказывается на массе воздушного заряда, т.е. снижается эффективность наддува, а главное при этом увеличивается теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы. В этой связи возникает необходимость охлаждения надувочного воздуха перед тем, как он поступит в цилиндры двигателя.

Экспериментальные исследования показывают, что снижение температуры на каждые 20º С позволяет повысить мощность дизеля примерно на 5,0-6,0%, снизить максимальную и соответственно среднюю температуру цикла, теплонапряженность двигателя, улучшить его топливную экономичность.

При наддуве повышается энергетический уровень отработавших газов, что позволяет использовать их располагаемую энергию в газовой турбине, приводящей в действие компрессор. В некоторых случаях мощность, развивается газовой турбиной, может быть больше мощности, потребляемой компрессором, и тогда избыточная мощность турбины передается на вал дизеля, т.е. суммируется с эффективной мощностью поршневого двигателя.

Применение механического наддува (рис. 2.1), когда компрессор К приводится в действие через передачу П от коленчатого вала, сопряжено с дополнительными затратами индикаторной мощности на привод навешанных механизмов 8.

Рис. 2.1

В результате снижается механический и эффективный к.п.д. двигателя, увеличивается удельный расход топлива. При этом очевидно, что, чем выше давление надувочного воздуха, тем больше затрачивается энергии на привод компрессора, тем больший будет наблюдаться удельный расход топлива. Однако наличие механической связи между компрессором и дизелем обеспечивает синхронность их работы на всех режимах работы дизеля. Благодаря этому обеспечивается качественное наполнение цилиндров двигателя воздухом не только на установившихся, но и на переходных режимах работы дизеля (запуск, выход на заданный режим и т.п.). Двигатели с механическим наддувом обладают лучшей приемистостью и пусковыми свойствами по сравнению с другими двигателями и поэтому нашли применение в тех случаях, когда отдается предпочтение выше упомянутым эксплуатационным качествам дизеля.

Наиболее эффективным способом повышения удельной мощности двигателя является газотурбинный наддув. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя и условий использования энергии газовой турбины, можно различать следующие основные схемы газотурбинного наддува.

Свободный газотурбинный наддув (рис.2.2). Газовая турбина Т и компрессор К представляют собой единый агрегат, связанный с поршневым двигателем лишь воздушными и газовыми трубопроводами. Выпускные газы поступают через систему выпуска двигателя к газовой турбине. Энергия расширения газов в турбине используется для привода компрессора, расположенного на одном валу с турбиной. Отсутствие кинематической связи между турбокомпрессором и двигателем обуславливает сохранение равенства мощности турбины и компрессора на всех режимах работы двигателя. На пути воздуха от компрессора во впускные органы двигателя устанавливается воздухоохладитель Х.

Рис. 2.2

Свободный газотурбинный наддув отличается высокой экономичностью, компактностью и простотой конструкции, что обусловило его преимущественное применение в четырехтактных двигателях. В тех случаях, когда удается обеспечить необходимый баланс энергии турбокомпрессора на всех режимах работы, свободный газотурбинный наддув применяют также у двухтактных двигателей. Вместе с тем, для двигателей со свободным газотурбинным наддувом характерны недостаточная приемистость и сравнительно неблагоприятные условия пуска.