Работа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивается периодическим сгоранием топлива в каждом цилиндре. Поэтому ДВС должны иметь устройства для подачи в цилиндры воздуха, необходимого для сгорания топлива, и для удаления отработавших газов. Простейшей системой воздухоснабжения является система четырехтактного двигателя, в цилиндры которого воздух поступает под действием атмосферного давления. Простейшая система газовыпуска представляет собой газовыпускной коллектор, в который из цилиндров поступают отработавшие газы и далее отводятся в атмосферу. В таком варианте системы воздухоснабжения и газовыпуска не связаны между собой.
Чем больше воздуха подается в цилиндр двигателя, тем больше сгорает топлива и тем выше может быть получена мощность. Поэтому в современные четырехтактные ДВС воздух, как правило, подается после предварительного сжатия в компрессоре (наддув двигателя). В двухтактных ДВС ограниченное время для очистки цилиндров также требует принудительной подачи воздуха под давлением. Таким образом, системы воздухоснабжения и газовыпуска современных двигателей представляют собой сложный комплекс технических средств, предназначенных для подачи воздуха к цилиндрам по определённому закону на всех режимах работы, а также для эффективного удаления отработавших газов с помощью глушителей и искрогасителей.
Состав систем воздухоснабжения
Системы воздухоснабжения состоят из четырех основных частей:
- Компрессоры, в которых происходит сжатие воздуха.
- Приводы компрессоров.
- Устройства для охлаждения воздуха.
- Воздушный ресивер, предназначенный для уменьшения колебаний и пульсации давления воздуха.
Для предварительного сжатия воздуха применяют компрессоры различных типов:
- Лопаточные компрессоры (центробежные и осевые), где используется динамическое воздействие лопаток на воздух.
- Объемные компрессоры (поршневые, ротационные и винтовые), в которых перенос воздуха осуществляется за счет статического напора.
Впервые поршневой воздушный компрессор для наддува ДВС был применен в России в 1909 г. Принципиальные схемы компрессоров показаны на рис. 25.
Основные составные элементы центробежного компрессора включают:
- Входное устройство – через него воздух поступает к вращающемуся колесу.
- Рабочее колесо – сжимает воздух под действием центробежных сил и перемещает его к периферии.
- Диффузор – уменьшает скорость воздуха и увеличивает давление.
- Сборная улитка – выходные патрубки, через которые воздух направляется в цилиндры.
Центробежные компрессоры могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми. Осевой компрессор состоит из вращающегося ротора и неподвижного статора, где ротор оснащён несколькими рядами лопаток, а статор – из входной части, неподвижных лопаток и выходной части. Осевые компрессоры обеспечивают высокое давление при небольших диаметрах и устанавливаются, например, в двигателях фирм «Непйр» (Англия) и МАН (ФРГ).
Другие типы компрессоров
- Поршневые компрессоры – просты в изготовлении и надёжны в эксплуатации. В современных двигателях для предварительного сжатия воздуха перед поступлением в центробежный компрессор используется принцип поршневого компрессора с подпоршневой полостью (например, двигатель фирмы «Зульцер»).
- Ротационные компрессоры (или роторно-лопастные) – состоят из двух фасонных роторов, насаженных на параллельные валы, вращающиеся в разные стороны, соединённых шестернями. Роторы могут иметь две или три лопатки. Эти компрессоры применяются в отечественных двигателях марки ДН 23/30, Д 39/40. Достоинство – компактность и простота конструкции, однако они отличаются шумностью, невысоким КПД и неравномерной подачей воздуха.
- Винтовые компрессоры – состоят из корпуса, роторов (обычно двух) и подшипников. Процессы всасывания, сжатия и выталкивания воздуха происходят в полостях, образуемых профилем винтов. Винтовой компрессор отличается внутренним сжатием газа.
Приводы и системы охлаждения наддувочного воздуха
Приводы компрессоров могут быть:
- Механическими, где наддувочный агрегат приводится в действие от коленчатого вала через зубчатую передачу.
- Газотурбинными, когда компрессор приводится в действие газовой турбиной, работающей от выпускных газов двигателя.
- Комбинированными.
Единый агрегат из газовой турбины и компрессора называется турбокомпрессором. Турбины бывают осевыми и радиальными, а также подразделяются на турбины постоянного и переменного (импульсного) давления.
При сжатии воздуха в компрессоре растёт его температура, что снижает плотность заряда и повышает тепловую напряжённость. Поэтому в современных ДВС применяется охлаждение наддувочного воздуха. Системы охлаждения могут быть:
- Рекуперативные – используются теплообменные аппараты с раздельными полостями для охлаждаемого воздуха и охлаждающей воды; воздух перемещается внутри трубок, охлаждаемых забортной водой. Достоинство – простота и низкие энергетические затраты; недостаток – ограниченные возможности охлаждения и подверженность загрязнению теплообменников.
2. Испарительные – вода подается в распыленном виде во всасывающий трубопровод компрессора; по мере сжатия жидкость испаряется, снижая температуру смеси (см. рис. 26).
3.Турбодетандерные – впервые применены на двигателях фирмы «Купер–Бессемер» (США) в тропических условиях. Основной элемент – турбодетандер (см. рис. 27), в котором воздух, расширяясь, охлаждается, а полученная мощность используется для дополнительного сжатия наддувочного воздуха. Эта система обеспечивает глубокое охлаждение, но усложняет конструкцию ДВС и увеличивает его массу и стоимость.
Существуют и другие системы охлаждения (например, с использованием холодильных машин или термоэлектрических модулей), но в судовых ДВС они пока не применяются из-за сложности конструкции. Воздушный ресивер – емкость литой или сварной конструкции, предназначенная для уменьшения колебаний и пульсаций давления воздуха.
Система газовыпуска
Система газовыпуска включает:
- Выпускной коллектор,
- Глушитель (см. рис. 28), уменьшающий шум за счет поглощения кинетической энергии газов,
- Газопроводы,
- Компенсаторы тепловых расширений,
- Искрогасители – устройства для снижения температуры раскалённых частиц в отходящих газах с целью противопожарной безопасности. Искрогасители бывают лабиринтными, эжекционными и водяными (при впрыске воды в поток газов).
На современных судах в систему газоотвода часто включают утилизационный котёл, который работает за счёт теплоты отработавших газов. Такой котёл может быть водогрейным или паровым и использоваться для отопления судна и подогрева воды, а в двигателях большой мощности – и для работы паровых механизмов.
Дополнительные сведения:
Современные технологии судовых ДВС предусматривают интеграцию систем воздухоснабжения и газовыпуска, когда отработавшие газы используются для приведения в действие компрессоров, например, через газовую турбину (турбонаддув). Это позволяет повысить эффективность работы двигателя и снизить расход топлива.
Для получения подробной информации о судовых двигателях и морской технике посетите Seamen.es.
Если вы цените комфорт и мечтаете о передышке на воде после долгих рейсов, ознакомьтесь с предложениями по аренде катеров – дополнительная информация доступна на Freewind.es.