На двухтактных двигателях с принудительным зажиганием турбонаддув практически не применяется.
Из-за сравнительно узких границ детонации регулирование здесь было бы особенно сложным, так как подачу топлива нужно было бы регулировать не только в соответствии с количеством воздуха, нагнетаемым компрессором, но и в зависимости от эффективности продувки, обусловленной перепадом давления, при котором она осуществляется.
Малооборотиые дизели с частотой вращения в пределах от 80 до 250 об/мин, которые применяются главным образом на судах с прямой передачей мощности на гребной винт, почти всегда выполняются двухтактными. Преимущества двухтактного цикла здесь связаны, в первую очередь, с низкой скоростью поршня этих двигателей (величина ст редко превышает 6,5 м/с), выполняемых почти всегда крейцкопфными.
Сложности газотурбинного наддува двухтактных дизелей заключаются в том, что, с одной стороны, всегда необходимо наличие положительного перепада давления на продувку (р2 > p3)> а, с другой стороны, в том, что вследствие большого коэффициента продувки температура, а вместе с ней и энергия выпускных газов при двухтактном цикле меньше. Упрощенно, т. е. пренебрегая влиянием различных теплоемкостей воздуха и выпускного газа, из баланса мощностей турбокомпрессора можно вывести, что отношение температур на входе в турбину и в компрессор Т3/Т1 должно быть больше, чем 1/?т?к?, если р2 превышает р3.
Для наддува по схеме с постоянным давлением при коэффициенте импульсности ? = 1 и принятом к. п. д. турбокомпрессора ?т?к = 0,5 получим Т3 >2Т1 (например, 2•293 К = 586 К = = 313° С), если должен достигаться хотя бы малый перепад давления на продувку. На режимах пуска и частичных нагрузок такое состояние равновесия между мощностями турбины и компрессора не достигается. Поскольку к. п. д. ТК в диапазоне малых нагрузок, как правило, значительно меньше 0,5, то температура выпускных газов должна быть значительно выше 313° С.
Этими трудностями объясняется тот факт, что турбонаддув на двухтактных двигателях был применен намного позднее, чем на четырехтактных.
Чистый газотурбинный наддув во всем диапазоне нагрузок без привлечения дополнительных источников энергии на двухтактных двигателях возможен только при импульсной системе. Поскольку выпускные органы, как при щелевой, так и при клапанной продувке должны открываться значительно быстрее, чем у четырехтактных двигателей (для того чтобы свободный выпуск завершился в короткий промежуток времени до открытия впускных органов), здесь уже при низких нагрузках в выпускном трубопроводе возникают волны давления большой амплитуды, особенно если трубопровод имеет малое сечение. Это приводит к тому, что коэффициент импульсности ? становится высоким и во много раз превышает 1. Для получения коэффициента продувки, обеспечивающего очистку от продуктов сгорания, при низкой частоте вращения достаточно даже небольшого перепада давления в продувочном трубопроводе.
Тот факт, что двухтактный двигатель имеет только одну рабочую характеристику, не зависящую от частоты вращения, не должен привести к заблуждению, будто с помощью чистого турбонаддува можно и при низкой частоте вращения достичь высокого давления наддува, т. е. лучшего протекания кривой крутящего момента, чем у четырехтактного двигателя. При равном перепаде давлений на продувку как при высокой, так и при низкой частотах вращения через двигатель проходит равное количество воздуха. При этом, однако, его распределение на часть, остающуюся в цилиндре, и часть, затрачиваемую на продувку, в зависимости от частоты вращения будет различным. При неизменном состоянии наддувочного воздуха его количество, остающееся в цилиндре, было бы примерно пропорционально секундному рабочему объему, т. е. при вдвое меньшей частоте вращения двигателя оно составляло бы примерно половину (несколько больше, так как с увеличением коэффициента продувки улучшается продувка) от величины, соответствующей полной частоте вращения. Из-за большого количества продувочного воздуха снижается температура выпускных газов, так как в конечном счете при вдвое меньшей частоте вращения и неизменном среднем эффективном давлении количество впрыскиваемого топлива было бы вдвое меньше, чем при полной частоте вращения. Поэтому и при импульсной системе чистого турбонаддува вследствие низкой температуры выпускных газов при низкой частоте вращения нельзя достичь таких высоких давлений наддува, как при высокой частоте вращения.
Важнейшей областью применения малооборотных двухтактных дизелей является прямой привод винта на судах с одномоторными установками, где проблема изменения крутящего момента, так же как и в стационарных дизель-электрических установках, не играет решающей роли. Правда, на установках с винтами фиксированного шага для разгона требуется крутящий момент, превышающий значения, соответствующие винтовой характеристике, как и на многомоторных судовых установках в случае выхода из строя одного из двигателей.
В связи с простотой размещения трубопровода, возможностью применения газовых турбин меньших размеров и лучшим к. п. д. при высоких степенях наддува двухтактные двигатели в настоящее время часто оснащаются системой наддува с постоянным давлением газов перед турбиной. В этом случае для обеспечения запуска и работы на долевых нагрузках обязательно требуется затрата дополнительной энергии в какой-либо форме на воздухо-снабжение, что, впрочем, часто применяется для улучшения работы двигателя на этих режимах работы и при системах импульсного наддува.
В зависимости от способа передачи вспомогательной энергии и схемы включения дополнительного нагнетателя возможны различные варианты, которые вследствие их большого числа не могут быть здесь полностью рассмотрены. В последующих примерах выбраны некоторые типичные схемы наддува двухтактных малооборотных дизелей.
|