Повышение мощности дизеля

§ 9. Повышение мощности дизеля

Ранее были рассмотрены некоторые пути повышения мощности тепловозных дизелей. В данной публикации расскажем о последнем, шестом способе, а также о дизельном топливе и вариантах наддува цилиндров.

Повышение среднего эффективного давления Р_е. Это очень распространенный в двигателестроении и достаточно эффективный способ повышения агрегатной мощности транспортных дизелей, который часто называют форсировкой двигателей. Форсировка дизеля, наряду с повышением его быстроходности, позволяет «заставить» дизель производить большую механическую работу в единицу времени практически без изменения (увеличения) его массы и габаритов, т.е. диаметр цилиндров, ход поршня, число цилиндров и тактность в этом случае являются постоянными величинами. В условиях, когда габаритные размеры большинства транспортных средств (автомобили, локомотивы, самолеты и т.п.) имеют ограничения, именно форсировка двигателя позволяет повысить их тяговые и иные возможности.

Ранее мы установили, что под средним эффективным давлением Р_е понимают такое условное постоянное давление, которое меньше среднего индикаторного давления Р_i, на величину потерь давления газов на преодоление сил механического трения внутри дизеля, оцениваемых механическим кпд  условно приведенное к валу дизеля.

Каким же образом можно повысить величину Р_е? В соответствии с объединенным «газовым» законом увеличение силы давления газов Р за время такта расширения в ограниченном объеме V цилиндра дизеля возможно только за счет повышения температуры газов Т, которая, в свою очередь, зависит, прежде всего, от количества топлива g_е, сгоревшего за один такт в цилиндре.

В качестве примера на рис. 22 приведены индикаторные диаграммы четырехтактного дизеля при двух различных цикловых (за такт) подачах топлива g_е1 и g_е2 в цилиндры дизеля. Примем, что g_е2 > g_е1- Площадь индикаторной диаграммы при увеличенной цикловой подаче топлива g_е2 заметно больше площади Р-V-диаграммы при g_е1 (разница площадей Р-V-диаграмм заштрихована). Соответственные различия — и в величинах средних индикаторных давлений Р_i2 (при g_е2) и Р_i1 (при g_е1), показанных в верхней части рис. 22. Сделаем первый вывод: для повышения среднего эффективного давления Р_е и, соответственно, эффективной мощности дизеля нужно увеличить цикловую подачу топлива g_е в его цилиндры.

При сравнении четырех- и двухтактных дизелей (см. § 7) было также установлено, что количество топлива, которое можно реально сжечь в цилиндре за один такт, пропорционально количеству воздуха, подаваемого в этот же цилиндр. Теоретически для полного сгорания 1 кг дизельного топлива в цилиндр дизеля необходимо подать примерно 14,5 кг воздуха.

Рис. 22. Индикаторные диаграммы четырехтактного дизеля при изменении цикловой подачи топлива g_е

Рекомендуемые материалы

При меньшей массе воздуха часть топлива будет сгорать не в цилиндре, а, например, в выхлопном коллекторе дизеля, не производя полезной работы по перемещению поршней в его цилиндрах. Из данного утверждения можно сделать второй вывод: увеличение цикловой подачи топлива может дать нужный эффект (повышение Р_е и N_е) лишь при увеличении массы (заряда) воздуха, подаваемого в цилиндры дизеля.

Увеличение массы воздушного заряда путем наполнения объема цилиндра предварительно сжатым воздухом, имеющим давление выше атмосферного, называется наддувом.

Наддув дизелей осуществляется специальными устройствами (нагнетателями) и характеризуется давлением наддува Р_к. Например, для увеличения мощности дизеля в два раза по сравнению с тем же дизелем, но без наддува, необходимо повысить давление поступающего воздуха в 2,5 раза (без предварительного охлаждения воздуха), т.е. обеспечить давление наддувочного воздуха Р_к = 0, 25 МПа.

Рис. 23. Состав сырой нефти

Сжатие и подачу наддувочного воздуха в цилиндры тепловозного дизеля можно осуществить двумя принципиально различными способами: либо с помощью приводных (от коленчатого вала дизеля) нагнетателей, либо газотурбинными установками (нагнетателями). Рассмотрим эти системы наддува более подробно. Но сначала остановимся на некоторых свойствах дизельного топлива, для более полного сжигания которого в цилиндрах дизеля, собственно говоря, и осуществляется наддув.

Дизельное топливо — это продукт перегонки органического топлива (сырой нефти). При его нагревании постепенно испаряются различные фракции. При температурах 35 — 50 °С из нефти сначала отделяется самая легкая фракция — бензин, который служит топливом для карбюраторных ДВС (двигателей Отто). Бензин составляет примерно 12 — 18 % исходной массы нефти (рис. 23). Затем при температурах 120 — 150 °С испаряется керосин и при температуре 180 — 360 °С — дизельное топливо. Доля дизельного топлива в исходной нефти составляет 17 — 20 %. Оставшаяся часть нефти (45 — 55 %) — мазут.

Дизельное топливо представляет собой смесь различных углеводородов сложного состава. Элементарный состав 1 кг дизельного топлива на 86,5 % состоит из углерода (С), 12,6 % — водорода (Н), 0,5 % — серы (5) и 0,4 % — кислорода (О). Необходимо отметить, что в условиях эксплуатации тепловозов повышенное содержание серы оказывает отрицательное воздействие на работу дизелей, вызывая увеличение интенсивности износа и коррозии деталей, а также загрязнение систем двигателя. Однако очистка топлива от серы является сложной и дорогостоящей операцией, поэтому даже в высококачественном дизельном топливе допускается содержание серы до 0,2 %.

Температурой самовоспламенения топлива называется наинизшая температура, при которой топливо самовоспламеняется без воздействия постороннего источника воспламенения. По опытным данным, температура самовоспламенения топлива в цилиндре в среде сжатого воздуха при давлении 3 МПа составляет около 200 °С. Но необходимо учитывать то обстоятельство, что рабочий процесс в тепловозных дизелях протекает очень быстро. Так, при частоте вращения вала дизеля Д49 (тепловоз 2ТЭ116) n_е = 1000 об/мин в каждом цилиндре поршень за одну секунду совершает около 33 ходов, т.е. на один ход поршня приходится всего 0,03 с. Для надежного самовоспламенения и полного сгорания дизельного топлива в цилиндрах обычно создается температура воздуха в конце такта сжатия 500 — 700 °С. Такая температура достигается уменьшением объема воздуха в цилиндре за время такта сжатия в 10 — 15 и даже до 20 раз.

При полном сгорании один килограмм стандартного дизельного топлива выделяет примерно 42700 кДж тепловой энергии. Это количество тепла называется низшей теплотой сгорания топлива Q_н.

Наддув тепловозных дизелей, как уже отмечалось выше, может осуществляться либо приводными, либо газотурбинными нагнетателями.

Приводные нагнетатели, как правило, имеют непосредственный привод от коленчатого вала дизеля. Они могут быть двух типов: роторные (объемные) и центробежные компрессоры. Роторные нагнетатели (рис. 24), которые устанавливают на двухтактных дизелях типа 2Д100 (тепловозы ТЭЗ) и 14Д40 (тепловозы М62 и 2М62), представляют собой корпус 2, в котором относительно параллельных осей синхронно вращаются два пустотелых алюминиевых

ротора 1. Синхронизация вращения обеспечивается шестернями 3. Роторы 1 имеют спиральные лопасти, обеспечивающие равномерную подачу воздуха в дизель и бесшумную работу. Подвод и отвод воздуха происходят в направлении, перпендикулярном оси вращения роторов.

Рис. 24. Схема роторного нагнетателя воздуха:

1 — роторы; 2 — корпус нагнетателя; 3 — синхронизирующие шестерни

Объем поступившего воздуха, заключенный между лопастью ротора 1 и корпусом нагнетателя 2, переносится без сжатия к нагнетательному патрубку. Сжатие воздуха и повышение его давления до величины Р_к происходят при сообщении этого объема с нагнетательной полостью. Далее наддувочный воздух поступает к продувочным окнам (рис. 25) двухтактного дизеля. Необходимо отметить, что производительность нагнетателя и давление наддувочного воздуха прямо пропорциональны частоте вращения n_к роторов 1 (см. рис. 24). В этой связи между коленчатым валом дизеля и роторами устанавливают повышающий редуктор 2 (см. рис. 25). Такой привод роторных нагнетателей называют механическим.

Центробежный приводной нагнетатель (схема системы наддува с ним показана на рис. 25) состоит из центробежного рабочего колеса 1, вращающегося в корпусе 3. Нагнетатель такого типа применялся на дизелях типа М753 (тепловозы ТГМЗА). Он так же, как и роторный нагнетатель, имеет механический привод от коленчатого вала дизеля через повышающий редуктор 2.

Следует отметить, что приводные нагнетатели имеют довольно простую конструкцию и, следовательно, высокую эксплуатационную надежность. Такие системы наддува облегчают пуск дизеля и обеспечивают стабильную работу силовой установки при малых нагрузках дизеля.

К основным недостаткам нагнетателей с приводом от коленчатого вала дизеля нужно отнести значительные затраты эффективной мощности дизеля на привод самого компрессора и большие габаритные размеры роторных нагнетателей. Например, на привод нагнетателя роторного типа дизеля 2Д100 тепловозов ТЭЗ мощностью 1470 кВт затрачивается примерно 150 кВт (более 10 %) на номинальном режиме его работы. При этом достигается давление наддувочного воздуха не более 0,13 МПа и подача воздуха (производительность) в цилиндры дизеля 1,8 кг/с при частоте вращения роторов нагнетателя 2875 об/мин.

Рис. 25. Схема системы наддува двухтактного дизеля с помощью приводного компрессора:

1 - центробежное колесо компрессора; 2 - повышающий редуктор привода компрессора; 3 - корпус компрессора

Если попытаться увеличить мощность N_е дизеля 2Д100 с приводным нагнетателем за счет повышения давления наддувочного воздуха и, соответственно, величины Р_е, то необходимо увеличить затраты эффективной мощности на привод роторного компрессора. В результате весомую часть ожидаемой прибавки величины N_е может «съесть» сам нагнетатель, т.е. к числу недостатков систем наддува тепловозных дизелей с помощью только приводных нагнетателей также следует отнести существенные ограничения величины давления наддувочного воздуха Р_к.

Газотурбинный наддув. Нагнетателем такой системы служит турбокомпрессор, который в отличие от приводной системы наддува, рассмотренной выше, не имеет механической связи с коленчатым валом дизеля. Турбокомпрессор (рис. 26)состоит из двух основных агрегатов: осевой газовой турбины 1 и центробежного компрессора 2, объединенных общим корпусом 3 и работающих на один вал.

Идея, заключенная в основу газотурбинной системы наддува дизеля, достаточно проста. Выхлопные газы после совершения механической работы по перемещению поршня в цилиндре обладают значительным количеством тепловой энергии. Так, температура газов при выходе из цилиндра через выпускные клапаны (или окна) может составлять 500 — 550 °С, а давление — до 0,2 МПа. В дизелях, не оборудованных системами наддува, выхлопные газы через глушитель выбрасываются в атмосферу.

Рис. 26. Схема газотурбинной системы наддува цилиндра четырехтактного дизеля:

1 — газовая турбина; 2 — центробежное колесо компрессора; 3 — корпус турбокомпрессора

При газотурбинном наддуве эта тепловая энергия направляется к газовой турбине 1 (см. рис. 26), где, расширяясь на лопастях, выхлопные газы обеспечивают вращение лопастного колеса турбины. То есть тепловая энергия выхлопных газов на лопатках газовой турбины преобразуется в механическую энергию вращения ротора и, соответственно, общего вала турбокомпрессора. Центробежный компрессор 2, имеющий привод от общего вала турбокомпрессора, засасывает воздух из атмосферы, сжимает его, увеличивая массу, и под избыточным давлением (давлением наддува Р_к) направляет его к впускным клапанам (или продувочным окнам) цилиндра дизеля (см. рис. 26).

В отличие от системы наддува с помощью приводного нагнетателя, в которой выхлопные газы удаляются в атмосферу, при газотурбинном наддуве энергия выхлопных газов используется для заметного увеличения эффективной мощности дизеля. Например, при данном способе наддува достигается повышение эффективной мощности дизеля тепловоза в 1,3 — 2,5 раза по сравнению с двигателями, не оборудованными системами наддува.

Газотурбинный наддув нашел применение, в основном, в четырехтактных тепловозных дизелях, например, типа Д49, Д70, ПД1М и др. В двухтактных дизелях применение такой системы в «чистом» виде ограничено, так как на единицу мощности (1 кВт) этого типа дизелей требуется большее количестве воздуха (с учетом продувки), чем в четырехтактных двигателях. К недостаткам газотурбинного наддува также следует отнести сложность запуска двухтактного дизеля (при отсутствии выхлопных газов турбокомпрессор, естественно, не работает) и усложнение его работы на холостом ходу, а также при малых нагрузках, так как энергии газов может не хватить для устойчивой работы турбокомпрессора.

Как видим, несомненные преимущества одной системы наддува перед другой дополняются существенными недостатками, ограничивающими их применение для повышения мощности двухтактных тепловозных дизелей. Чтобы как-то сгладить противоречия приводных и газотурбинных систем наддува, для двухтактных дизелей ряда серий тепловозов (2М62У, ТЭП60, типа 2ТЭ10) стали применять так называемый двухступенчатый комбинированный наддув. При такой системе наддува дизель оборудуется одновременно приводным компрессором и одним или двумя турбокомпрессорами.

На первой ступени работает приводной центробежный компрессор, который имеет привод от коленчатого вала дизеля. Этот приводной нагнетатель засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и подает в компрессор турбокомпрессора второй ступени, имеющий привод от газовой турбины. В компрессоре второй ступени воздух еще раз сжимается и уже под давлением наддува Р_к подается к цилиндрам дизеля.

Применение комбинированной системы наддува приводит к увеличению подачи воздуха до Р_к = 0,22 МПа, что, с одной стороны, позволяет повысить эффективную мощность дизеля, с другой — решить проблемы пуска двухтактных дизелей и очистки их цилиндров от выхлопных газов на холостом ходу и малых нагрузках. Так, применение комбинированного наддува в тепловозных дизелях типа Д100 позволило увеличить их эффективную мощность с 1470 кВт (тепловозы ТЭЗ) до 2200 кВт (тепловозы 2ТЭ10В), т.е. на 50 %, без особого изменения массогабаритных показателей двигателя.

В заключение нужно отметить, что оборудование тепловозного дизеля любой системой наддува при­водит к дополнительным затратам эффективной мощности дизеля на привод вспомогательных машин и механизмов.

Подведем некоторые итоги. Для повышения эффективной мощности четырехтактных тепловозных дизелей в настоящее время преимущественное распространение получили газотурбинные системы наддува, а для двухтактных — комбинированный наддув, наиболее полно обеспечивающие заданные режимы работы магистральных тепловозов.

Охлаждение наддувочного воздуха — это дополнительный способ повышения эффективного давления и, соответственно, агрегатной мощности тепловозного дизеля при любой системе наддува. Из школьного курса физики известно, что при охлаждении газов их плотность и масса единицы объема увеличиваются. Следовательно, охлаждая наддувочный воздух, в цилиндры дизеля можно подать больший заряд свежего воздуха, что позволит обеспечить полное сгорание большего количества топлива, подаваемого за цикл.

Помимо дополнительного эффекта увеличения агрегатной мощности дизеля, охлаждение наддувочного воздуха позволяет несколько снизить температуру деталей шатунно-поршневой группы. Дело в том, что увеличение объема топлива, подаваемого в цилиндр за цикл и сгораемого там, неизбежно приводит к повышению температуры выхлопных газов и ухудшает тепловую напряженность деталей двигателя.

Рекомендация для Вас - 40 Механизм гидратации.

По оценке специалистов, применение на тепловозе систем охлаждения наддувочного воздуха позволяет повысить эффективную мощность тепловозного дизеля примерно на 3 % на каждые 10°С понижения температуры воздуха. Для охлаждения наддувочного воздуха в мощных дизелях типа 10Д100, 11Д45, Д49 и др. применяют специальные водовоздушные теплообменники (воздухоохладители), в которых по трубкам протекает вода из системы охлаждения дизеля, а пространство между ними омывается наддувочным воздухом.

На отечественных магистральных тепловозах мощностью 2200 кВт и более применяют самые различные конструкции воздухоохладителей. Например, воздухоохладитель дизеля 10Д 100 имеет прямоугольный трубный пучок с шахматным расположением трубок в трубных решетках. Наддувочный воздух отдает часть теплоты охлаждающей воде, которая, в свою очередь, охлаждается в одном из контуров водяной системы дизеля (это устройство, наряду с другими вспомогательными системами, будет рассмотрено в следующем параграфе).

В заключение необходимо подчеркнуть, что применение на тепловозе любых систем охлаждения наддувочного воздуха (так же, как и систем наддува) приводит к дополнительным затратам мощности дизеля, например, на привод водяных насосов и воздушных вентиляторов, обеспечивающих работу систем охлаждения.

Отечественный и зарубежный опыт развития автономных видов тяги показывает, что несмотря на эти дополнительные затраты величины N_е этот путь повышения эффективной мощности достаточно перспективен. Практически все конструкции современных магистральных тепловозов оборудуются системами наддува и охлаждения наддувочного воздуха.

Условное обозначение дизелей. Согласно стандарту каждый дизель характеризуется условным обозначением, которое представляет собой сочетание чисел и заглавных букв русского алфавита, расположенных в следующем порядке: первая цифра — число цилиндров, далее идут заглавные буквы, характеризующие тип дизеля (Ч — четырехтактный, Д — двухтактный, Н — с наддувом); затем численные значения диаметра цилиндра и хода поршня (в сантиметрах в виде дроби).

Заводы-изготовители, кроме того, присваивают дизелям свои условные заводские обозначения, например, тепловозный дизель 2А-5Д49 Коломенского завода. По стандарту он имеет условное обозначение 16ЧН26/26 — 16-цилиндровый, четырехтактный дизель с наддувом, диаметр каждого цилиндра 26 см, ход поршня 26 см.