Увеличение скорости хода современных судов требует применения мощных энергетических установок. И если для судовых паровых турбин фактор ограничения мощности не существует, то для судовых дизелей ограниченная мощность в одном агрегате является наиболее сложной проблемой.
Дизели судов небольшой и средней грузоподъемности ввиду высокого к. п. д. и малого удельного расхода топлива успешно конкурируют с другими двигателями, а для применения их на судах большой грузоподъемности необходимо увеличивать агрегатную мощность, для чего используют следующие способы:
- увеличение рабочего объема цилиндра, т. е. его геометрических размеров: диаметра цилиндра D и хода поршня S;
- увеличение частоты вращения коленчатого вала N об/мин;
- увеличение количества цилиндров i ;
- повышение среднего эффективного давления ре бар.
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки и, главное, ограничения.
Увеличение геометрических размеров цилиндра вызывает возрастание массы подвижных деталей дизеля и, следовательно, инерционных усилий, отрицательно действующих на подшипники дизеля. Поэтому в настоящее время максимальные диаметры цилиндров судовых дизелей некоторых фирм имеют 1060 мм, а ход поршней достигает 2000 мм.
Увеличение частоты вращения коленчатого вала повышает мощность двигателя, однако отрицательно действует на другие показатели и прежде всего снижает моторесурс, увеличивает удельный расход топлива, а при очень высокой частоте вращения для поддержания высоких к. п. д. гребного винта требуется применение понижающего редуктора между дизелем и винтом. Наиболее целесообразная частота вращения коленчатого вала для тихоходных дизелей с прямой передачей крутящего момента на гребной винт — до 100 об/мин, для дизелей со средними диаметром цилиндра и ходом поршня—400—500 об/мин, для высокооборотных дизелей (в дизель-электрических передачах - 750—1000 об/мин.)
Увеличение количества цилиндров дизеля приводит к увеличению его длины и длины машинного отделения, поэтому у однорядных тихоходных дизелей i = 10 ÷ 12; у быстроходных двухрядных (V-образных) и трехрядных (W-образных) число цилиндров практически ограничено, соответственно i = 24 и i = 36. При большем i усложняется конструкция дизеля и его эксплуатация.
Наиболее перспективным направлением для роста агрегатной мощности судовых дизелей является повышение его среднего эффективного давления ре за счет применения наддува.
Наддувом называется принудительное заполнение рабочего объема цилиндра воздухом повышенного давления, что увеличивает массу заряда воздуха, позволяет повысить также массу заряда топлива с сохранением оптимального коэффициента избытка воздуха α.
Наддув дизеля может осуществляться с применением механического нагнетателя воздуха с приводом от коленчатого вала; такой наддув называется механическим. Прирост мощности при механическом наддуве достигает 30%. Однако если учесть, что примерно половина этой мощности расходуется на привод нагнетателя, а механический к. п. д. ухудшается из-за увеличения числа трущихся узлов дизеля, то такой наддув является малоэффективным и на новых дизелях не применяется.
Наиболее эффективен газотурбинный наддув. Суть его заключается в следующем: от выхлопных газов двигателя, имеющих значительную температуру и давление, приводится в действие специальная газовая турбина, на общем валу с которой находится центробежный нагнетатель воздуха (рис. 88, а). Нагнетатель забирает воздух из машинного отделения, сжимает его и направляет в ресивер дизеля. Газотурбинный наддув в чистом виде применяется только у четырехтактных дизелей и позволяет увеличить мощность дизеля до 100% при давлении наддувочного воздуха до 2 бар.
У четырехтактных дизелей при пуске, когда газовая турбина не работает, пополнение цилиндра зарядом свежего воздуха происходит за счет разности давлений при движении поршня вниз во время пуска.
Обязательным условием работы двухтактного дизеля является наличие в ресивере воздуха повышенного давления. Если учесть, что газовая турбина начинает работать только тогда, когда дизель разовьет частоту вращения до 25% номинальной, то для его пуска необходимо иметь специальное устройство. Таким устройством может быть электронагнетатель периодического действия. Электронагнетатели не получили большого распространения, так как они усложняют конструкцию дизеля, требуют установки специальных заслонок и т. д.
На двухтактных дизелях параллельно и последовательно с газотурбинными нагнетателями устанавливают различные механические устройства, которые облегчают пуск дизеля и позволяют получать более высокие давления наддувочного воздуха. Такой метод наддува называется комбинированным. В качестве дополнительных механических нагнетателей при газотурбинном наддуве могут применяться индивидуальные (для каждого цилиндра) или общие (для всех цилиндров) поршневые продувочные насосы или объемные (ротативные) нагнетатели. В последнее время многие фирмы («Бурмейстер и Вайн», МАН) используют для дополнительного сжатия воздуха и для получения продувочного воздуха при пуске дизеля подпоршневые пространства рабочих цилиндров. Двигатели некоторых фирм в дополнение к газотурбинному наддуву имеют механические нагнетатели и рабочие подпоршневые полости цилиндров. Причем как подпоршневые пространства, так и механические продувочные насосы могут работать параллельно или последовательно относительно друг друга или относительно газотурбонагнетателей. При этом, для увеличения массы заряда в единице объема и, следовательно, повышения эффекта наддува, применяют промежуточные холодильники наддувочного воздуха. Выпускные газы, выходящие из цилиндра дизеля по изолированному трубопроводу, попадают в сопловой аппарат газовой турбины, где внутреняя энергия преобразуется в кинетическую, а оттуда на лопатки газовой турбины, ротор которой находится на одном валу с центробежным нагнетателем. Воздух из машинного отделения забирается нагнетателем и направляется через промежуточный холодильник в цилиндр дизеля.
Если выхлопные газы попадают в общий сборник-коллектор, а затем в сопловой аппарат турбины, такая турбина называется турбиной постоянного давления. У многих четырехтактных и некоторых двухтактных дизелей выхлопные газы направляют по индивидуальным или общим газопроводам (группируя несколько цилиндров) и подают на лопатки газовой турбины в виде импульсов; такая турбина называется импульсной газовой турбиной, а наддув—импульсным. На рис. 88, б показана группировка газопроводов четырехтактного шестицилиндрового дизеля с порядком работы цилиндров 1-3-5-6-4-2; группы цилиндров 1, 4, 5 (А) и 2, 3, 6 (Б) не имеют одновременного выпуска газов, и, следовательно, газы попадают из отдельных цилиндров на лопатки газовой турбины в виде импульсов. При ином числе и порядке работы цилиндров требуется другая группировка цилиндров.
При наддуве у четырехтактных дизелей значительно изменяются фазы газораспределения: их подбирают таким образом, чтобы время наполнения цилиндра по углу поворота мотыля коленчатого вала значительно увеличивалось. Если, например, открытие впускного клапана у четырехтактных дизелей без наддува происходит за 15—30° до в. м. т., а закрытие — через 10—30° после н. м. т., то у дизелей с наддувом открытие происходит за 40—80° до в. м. т., а закрытие — через 20—40° н. м. т. Значительно раньше открывается, а позже закрывается (относительно мертвых точек) и выпускной клапан: из цилиндра необходимо за короткое время выпустить значительно большее количество газов, чем у дизелей без наддува. Для лучшей продувки цилиндра и охлаждения камеры сгорания увеличивают и время перекрытия клапанов.
Схема газотурбинного наддува двухтактного двигателя с прямоточно-клапанной продувкой и с электронагнетателем, который используется при пуске, а также в качестве аварийного, показана на рис. 89, а. Во время работы дизеля отработавшие газы дизеля из цилиндров по индивидуальным патрубкам попадают на лопатки импульсной газовой турбины; продувочный воздух через промежуточный холодильник попадает в подпоршневое пространство цилиндров, которое работает последовательно с газотурбонагнетателем, затем проходит для продувки и заполнения цилиндра. Такой тип наддува применяется на двигателях фирмы «Бурмейстер и Вайн». На последних моделях дизелей этой фирмы и ее лицензиатов (в том числе и БМЗ) не ставят электронагнетатели Э. Н., так как продувка цилиндров при пуске дизеля и при выходе из строя газотурбонагнетателей обеспечивается подпоршневыми полостями цилиндров.
У двигателей «Гетаверкен» с прямоточно-клапанной продувкой вместо подпоршневых пространств используются индивидуальные для каждого цилиндра продувочные насосы (см. рис. 89, б). Такие насосы имеют и некоторые дизели с контурной продувкой («Фиат»).
Фирма МАН наряду с устройством газотурбонагнетателей и использованием подпоршневых пространств цилиндров на некоторых типах дизелей устанавливает поршневые продувочные насосы, которые могут работать последовательно с подпоршневыми пространствами всех или нескольких цилиндров и параллельно с газотурбонагнетателями.
