В судовых установках получили применение механический, газотурбин­ный и комбинированный наддувы. Наибольшее распространение получил газотурбинный наддув, как наиболее эффективный способ повышения мощ­ности двигателя. Механический наддув четырехтактных дизелей, т. е. когда наддувочный насос Н приводится в действие самим двигателем (рис. 118), применяется при давлении наддувочного воздуха р_к не свыше 1,6—1,7 кГ/см². При более высоких давлениях р_к мощность, затрачиваемая на приведение в действие наддувочного насоса, значительно возрастает, вследствие чего повышается удельный эффективный расход топлива. На рисунке показано, что воздух по выходе из насоса поступает в холодильник X и только после охлаждения поступает в двигатель.

При газотурбинном наддуве газовая турбина Т (рис. 119), работающая на выпускных газах двигателя, и центробежный нагнетатель (наддувочный насос) Н устанавливаются на одном валу и представляют один агрегат, называемый газотурбонагнетатель (ГТН); он кинематически не связан с двигателем. Выпускные газы двигателя поступают в турбину и приводят ее во вращение, а вместе с ней и вал нагнетателя. Воздух засасывается из: окружающей атмосферы и сжимается в нагнетателе до давления р_к и нагне­тается через холодильник X в воздушный коллектор двигателя. В целях лучшей очистки (продувки) камеры сгорания от продуктов сгорания, а так­же охлаждения днища поршня, стенок цилиндра и клапанов угол перекры­тия клапанов при наддуве значительно увеличивают. Наивыгоднейшее значение угла перекрытия клапанов колеблется ?_пер = 90 ? 120° поворота коленчатого вала и в каждом случае определяется опытным путем.

Увеличивается угол перекрытия клапанов при наддуве в основном за счет увеличения опережения открытия впускного клапана и некоторого увели­чения запаздывания закрытия выпуск­ного клапана, что вполне возможно при возросшем давлении поступающего воз­духа до давления р_к. Во избежание воз­можного нарушения продувки камеры сгорания и в целях использования энер­гии выпускных импульсов выпускной трубопровод при газотурбинном надду­ве дизеля распределяется на отдельные ветви.

В выпускном тракте дизеля, вследствие пульсирующего характера вы­пуска, возникают волны давления газов (импульсы), как это показано на рис. 120. Продувку камеры сгорания, очевидно, надо производить в период малых давлений в выпускном коллекторе двигателя. Увеличения продол­жительности периода малых давлений в выпускном тракте возможно до­стичь соответствующей группировкой цилиндров по различным ветвям выпускного трубопровода. Так, например, у шестицилиндрового четырех­тактного дизеля с порядком вспышек 1—3—5—6—4—2, направляя выпуск из 1, 4 и 5-го цилиндров в одну из ветвей, а из цилиндров 2, 3 и 6-го в другую, можно увеличить период между волнами до 240° поворота коленчатого ва­ла, что вполне позволит осуществить продувку камеры сгорания.

Схема группировки цилиндров по выпуску указанного двигателя при­ведена на рис. 121, а на рис. 122 приведены схемы группировки цилиндров при газотурбинном наддуве четырехтактных двигателей с различным числом цилиндров.

Выпускной трубопровод должен быть теплоизолирован во избежание охлаждения выпускных газов и нагрева воздуха в машинном отде­лении судна.

Полная располагаемая энергия выпускных газов двигателя склады­вается из энергии —Е₁ расширения газов от давления в цилиндре р_в до дав­ления газов перед турби­ной р_т (площадь bеа, рис. 123) и энергии рас­ширения газов в турби­не Е₂ от давления р_т до давления р₀? (площадь e?f?ige?). Применяются два способа использования энергии выпускных газов двигателя: 1) ра­бота турбины на газах постоянного давления (р_т = const); 2) работа турбины на газах пере­менного давления (р_т = var). При работе тур­бины по первому спосо­бу (p_т = const) выпуск­ные газы из всех цилиндров дви^гателя поступают в один общий выпуск­ной коллектор, а оттуда идут в газовую турбину, которая обычно уста­навливается в конце выпускного коллектора. Вследствие значительной длины и объема выпускного тракта при этом, а отсюда и вследствие зна­чительного сопротивления потоку выпускных газов, большая часть кинетической энергии их Е₁ теряется. Превращение кинетической энергии га­зов, вызванное указанными причинами, в тепловую сопровождается повы­шением температуры газов перед турбиной, и потому объем их увеличивает­ся, как это показано на диаграмме, на величину ?V (от точки е до точки е?).

При работе турбины на газах переменного давления (р_т = vаr) выпуск­ная система разбивается на несколько ветвей по возможности малой длины и объема. Газы по этим ветвям подводятся к одной или нескольким турбинам, расположенным в непосредственной близости к цилиндрам, на газах кото­рых они работают. При такой системе выпуска удается использовать не толь­ко энергию газов постоянного давления Е₂, но и значительную часть кинетиче­ской энергии Е₁. Деление выпускной си­стемы на отдельные ветви, как это было указано ранее, кроме того, позволяет осуществлять продувку камер сгорания цилиндров. Турбины, работающие на газах переменного давления называют­ся «импульсными», так как они исполь­зуют волны давления (импульсы), воз­никающие в выпускном тракте. Для количественной оценки срабатывае­мой энергии в турбине переменного давления применяют коэффициент

Зависимость K_Е от давления р_к при использовании 50% энергии Е₁ и при температуре газов перед турбиной t_т = 350° С показана на рис. 124.

Приведенная зависимость показывает, что использование волн давлений имеет существенное значение только при малых давлениях наддува (до р_к ?= 1,5 ата).

Таким образом, можно сделать вывод, что при высоких степенях над­дува в целях упрощения системы выпуска целесообразнее применять способ работы турбины при р_т = const. При малых степенях наддува и при наличии возможности группировать выпуск по цилиндрам для каждой турбины целесообразнее применять способ работы с использованием энергии волн давления.

Для обеспечения более равномерного потока газов при интервале вы­пусков в один трубопровод меньше 240° поворота коленчатого вала четырех­тактных дизелей применяется преобразователь импульсов. Схема устрой­ства преобразователя импульсов показана на рис. 125. Выпускные газы от цилиндров 1 и 2, с углом между мотылями меньше, чем угол открытия вы­пускного клапана, по трубопроводу 3 сечением F_r подводятся в эжектирующие сопла 4 сечением F_D. В начальный период выпуска импульс газов в соплах преобразуется в кинетическую энергию потока, который будет по­ступать в смесительную трубу 5. В эту же трубу будут поступать газы из другого цилиндра к концу выпуска, т. е. с меньшей скоростью. В смеситель­ной трубе, сечение которой F_м, происходит выравнивание скоростей потоков. По выходе из смесительной трубы газы поступают в диффузор 6, где кине­тическая энергия потока газов преобразуется в потенциальную энергию давления. При этом величина давления газов будет тем более постоянной, чем большее число цилиндров подключено к преобразователю импульсов. Из диффузора газы поступают в небольшой ресивер 7, а оттуда в турбину 8. Таким образом, газотурбинный наддув в этом случае осуществляется с по­стоянным давлением газов перед турбиной и с использованием энергии ‘им­пульса выпускных газов из цилиндра дизеля.

В качестве примера на рис. 126 показаны возможные схемы преобразо­вателей импульса восьмицилиндрового четырехтактного судового дизеля фирмы «Броун — Бовери» марки 8ВАF22. Мощность дизеля 600 л. с.; число оборотов в минуту 600, среднее эффективное давление 9,25 кГ/см² и порядок работы цилиндров 1—4—7—6—8—5—2—3—1. Схема 1 — импульсный над­дув; схема 2 — наддув с импульсным преобразователем, со смесительной трубой и ресивером; схема 3 — наддув с преобразователем импульсов без смесительной трубы и схема 4 — наддув с сокращенной длиной преобра­зователя импульсов.

Осциллограммы давлений 1—2—3—4, снятые соответственно в четырех точках преобразователя импульсов (точки 4, 3, 2 и 1), приведены на рис. 127. Место расположения точек снятия осциллограмм выпуска газов 1—2—7—8 цилиндров на один преобразователь импульсов показано слева вверху.

Осциллограммы показывают, что импульс выпускных газов из цилиндра 7 (кривая 3) совпадает с продувкой камеры сгорания цилиндра 1 (кривая 4). В результате действия импульса происходит подсасывание газов из цилинд­ра 1 (кривая 2) и, следовательно, не будет нарушаться продувка камеры сгорания цилиндра 1. Аналогично этому происходит и при образовании импульса выпуска газов из цилиндра 1 (кривая 4). Среднее давление наддувочного воздуха обозначено р_L. Опытным путем было установлено, что опти­мальные значения площади смесительной трубы и эжектирующего сопла рав­ны F_м = 0,5·?·F_R и F_D = 0,46·F_R.

Для повышения показателей работы двигателя с наддувом весьма целесообразным является охлаждение наддувочного воздуха.

При охлаждении наддувочного воздуха происходит:

1)         понижение температуры в начале сжатия, а следовательно, и во всех остальных основных точках цикла (t_c, t_z, t_b) и средней температуры цикла;

2)         уменьшение теплонапряженности стенок цилиндра;

3)         уменьшение температуры донышка поршня и стенок цилиндра;

4)         повышение весового заряда воздуха, а следовательно, и эффектив­ной мощности двигателя (примерно на 2,5% на каждые 10° снижения тем­пературы);

5)         повышение среднего эффективного давления р_е примерно прямо пропорционально повышению давления наддувочного воздуха р_к.

Воздухоохладители обычно «встраиваются» в нагнетательный трубо­провод наддувочного воздуха. Скорость воздуха в воздухоохладителях колеблется от 20 до 100 м/сек, а потери давления при этом составляют 0,015— 0,05 кГ/см² в каждой секции охладителя. При малых степенях наддува ограничиваются одноступенчатым охлаждением воздуха (снижением тем­пературы на 20—60°), а при высоких степенях наддува применяют двухсту­пенчатое охлаждение.

На рис. 128 показано изменение удельного эффективного расхода топ­лива g_e, температуры выпускных газов и максимального давления цикла р_z в зависимости от температуры наддувочного воздуха 90° (без охлаждения воздуха), 60 и 30°. Испытания проводились на одноцилиндровом опытном двигателе при п = 1 250 об/мин; р_к = 1,66 кГ/см² и при работе на тяжелом дизельном топливе с удельным весом 0,9145 при 15° С. Точка а соответ­ствует работе двигателя на пределе дымления. Приведенные результаты испытаний показывают, что с понижением температуры наддувочного воз­духа удельный эффективный расход топлива уменьшается, при неизменном среднем эффективном давлении, за счет повышения коэффициента избытка воздуха ?, т. е. за счет сокращения периода процесса сгорания и (как это видно из рис. 128) снижения температуры отработавших газов. Данные рас­сматриваемых результатов испытаний также показывают, что при снижении температуры наддувочного воздуха за счет повышения Бесового заряда воз­духа, сохраняя ? неизменным, можно значительно повысить среднее эф­фективное давление, т. е. эффективную мощность двигателя.

Примером двигателя с высоким газотурбинным наддувом является че­тырехтактный дизель фирмы МАН марки К6 V30/45 мощностью 1 700 э. л. с. при 400 об/мин. Указанный двигатель при р_к = 2,95 кГ/см² и t_к = 46° С имеет среднее эффективное давление, равное 20 кГ/см², и удельный инди­каторный и эффективный расходы топлива q_i = 129, 5 г/и. л. с. ч. и q_e = 141 г/э. л. с. ч; соответственно ?_i = 0,49; ?_е = 0,45 и ?_г = 0,92.

Высокая экономичность двигателя К6 V30/45 объясняется следующим: наиболее благоприятными условиями для протекания процесса сгорания топлива (высокое давление и температура в конце сжатия и высокое зна­чение коэффициента избытка воздуха), уменьшением относительного зна­чения механических потерь, уменьшением относительных потерь в охлаж­дающую воду и высоким к. п. д. газотурбонагнетателя.

На рис. 129 приведена винтовая характеристика (N_е = сn³) двигателя завода «Шкода» марки 6S275L (6ЧРН 27.5/36). Двигатель — четырехтактный дизель с газотурбинным наддувом, с давлением наддувочного воздуха р_к = 1,3 кГ/см². На этом же рисунке показано изменение удельного и часо­вого эффективного расхода топлива g_e и G_r и температуры выпускных газов двигателя.

На рис. 130 приведены результаты испытаний грузового теплохода «Ярославль» после повышения мощности его главных двигателей завода «Шкода» марки 6S275L путем газотурбинного наддува. Двигатели при п = 480 об/мин развивают каждый N_е = 525 л. с. (на рис. 130 показана суммарная мощность двух двигателей ?N_e так как рассматриваемое судно имеет двухвальную силовую установку). Без наддува двигатель марки 6S275L имеет номинальную мощность N_е = 400 л. с. при п = 550 об/мин. Теплоход «Ярославль», как это видно из рис. 130, при суммарной мощности двигателей 1 050 л. с. и с осадкой в грузу 2,76 м развивал скорость ? = 18,4 км/ч, тогда как однотипные теплоходы с этими же двигателями без наддува при номинальном режиме их работы имеют скорость 16,8 км/ч. На рис. 130 показано изменение: скорости судна ?, суммарной мощности двигателей при наддуве ?N_e, суммарного часового расхода топлива ?G_T и температуры отработавших газов t_г, в зависимости от числа оборотов двига­теля п об/мин.

По данным испытаний теплохода «Ярославль» произведем расчет цикла двигателя 6S275L с наддувом (6ЧРН 27.5/36) и основных показателей его ра­боты.

Таким образом, произведенный расчет параметров цикла позволил опре­делить среднее индикаторное давление, среднее эффективное давление, меха­нический, эффективный и индикаторный к. п . д. двигателя 6S275L с газо­турбинным наддувом при степени наддува ?_н = 1,36.