Турбонаддув на катерном двигателе

Применение турбонаддува на двигателях внутреннего сгорания имеет широкие перспективы в производстве двигателей для катеров. Главное его преимущество — возможность существенно повысить мощность при неизменном рабочем объеме и практически без увеличения габаритов двигателя. Поэтому процесс внедрения турбонаддува на судовых две идет довольно интенсивно и, что особенно важно для малого судостроения, — осваивается выпуск дизелей с турбонаддувом средней и малой (30 л. с.) мощности.

Как известно, принцип наддува — подача дополнительного количества воздуха в цилиндры двигателя, что позволяет сжечь в них больше топлива. Эта задача решается при помощи компрессора, на выходе которого воздух имеет повышенное давление и с достаточно большой скоростью проходит во впускной тракт двигателя. Компрессор приводится во вращение небольшой газовой турбиной, утилизирующей энергию отработавших газов двигателя. Выхлопные газы покидают цилиндр со значительной скоростью, обладая высокой, до 500°С, температурой и давлением до 2,4 бара. Эти факторы обусловливают большой запас кинетической энергии, передаваемой на лопатки рабочего колеса турбины, которая может развить скорость вращения свыше 100 000 об/мин.

Проходя через турбокомпрессор, горячие газы сильно его нагревают, а так как компрессор объединен с турбиной общим кожухом, то часть тепла переходит к нагнетаемому воздуху. Кроме того происходит дополнительный нагрев воздуха вследствие его сжатия в компрессоре. В результате воздух, поступающий в камеру сгорания цилиндра, уже имеет температуру порядка 150°С. Это невыгодно, так как горячий воздух занимает при равном давлении больший объем, чем воздух холодный. Но, несмотря на это, эффект турбонаддува может быть достаточно высоким — мощность двигателя возрастает на величину от 30 до 40%.

Можно добиться лучших результатов, если охладить сжатый воздух, выходящий из компрессора. Ведь масса холодного воздуха больше, чем горячего. Следовательно, большее его количество можно подать в цилиндр, а это, в свою очередь, даст возможность сжечь в нем еще больше топлива.


В качестве холодильника используется воздушно-водяной медный радиатор. В нем через каналы с малым поперечным сечением протекает холодная вода, а температура проходящего между ними горячего воздуха из компрессора вследствие теплообмена значительно понижается — со 150 примерно до 40°С. Благодаря этому получается прирост мощности двигателя еще на 20—25%.

В оптимальном случае одноступенчатый турбокомпрессор позволяет практически удвоить мощность двигателя.

Для двигателя внутреннего сгорания, оснащенного турбонаддувом, большое значение имеет бесперебойное поступление значительной массы воздуха. Такие даигатели потребляют вдвое больше воздуха, чем не имеющие турбонаддува. У катерных установок с двигателями мощностью свыше 100 л. с. воздух поступает в камеру сгорания не из моторного отсека, а снаружи — непосредственно из атмосферы. Двигатели малой мощности обычно забирают воздух из отсека, и в случае применения турбонаддува необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию моторного отсека.

Большой объем воздуха, потребляемый двигателями с турбонаддувом, выдвигает требование непременного наличия высокоэффективных воздушных фильтров. Посторонние частицы в любом случае вредны для двигателя, но для турбины ТКР они просто губительны. Ее рабочее колесо вращается со скоростью до 100 000 об/мин (1800 об/с), а при такой скорости мельчайший дефект на поверхности лопаток турбины может вызвать резкий ее дисбаланс, что чревато весьма серьезными последствиями. Поэтому требования к качеству воздушных фильтров предъявляются очень строгие.

Небольшие дизели снабжают преимущественно воздушными фильтрами простейших типов: масляными или сухими. Конструктивно масляный фильтр может представлять собой закрепленные на специальных держателях металлические сетки, по которым разбрызгивается масло. Посторонние частицы из проходящего сквозь такой фильтр воздуха улавливаются маслом и увязают в нем. В фильтре, устроенном по принципу масляной ванны, воздух пропускается над поверхностью масла, в котором и оседают содержащиеся в воздушном потоке частицы. Фильтры сухого типа делают обычно из бумаги, и их фильтрующий элемент предназначается лишь для однократного использования.


Долгое время распространение катерных двигателей с турбонаддувом сдерживалось незначительным объемом выпуска дополнительного оборудования — ТКР, холодильников воздуха и т. п. и, вследствие этого, их высокой стоимостью. В настоящее время за рубежом появляются все новые и новые модели турбокомпрессоров для судовых дизелей средней и малой мощности. И можно считать, что именно турбонаддув стал основным средством решения старой задачи: как создать малогабаритный двигатель большой мощности.

Кстати, турбокомпрессор занимает сравнительно мало места на двигателе и практически не увеличивает его габариты. О весовых же характеристиках можно судить по следующим примерам.

Четырехцилиндровый дизель фирмы «Янмар» (рабочий объем 1,644 л, максимальная мощность 29,5 кВт) при отсутствии турбонаддува имеет массу 226 кг. При установке турбокомпрессора и холодильника его мощность повышается до 44,2 кВт, а масса — до 246 кг. По сравнению с обычным вариантом этого двигателя, масса увеличивается всего на 20 кг, а прирост мощности составляет 14,7 кВт, т. е. более чем на 50%. Удельная масса такого двигателя составляет всего 5,6 кг/кВт.

Еще один пример: трехцилиндровый дизель из серии «Вольво-2000». Его рабочий объем 1,28 л, мощность 20,5 кВт, а масса 159 кг. Оборудование этого двигателя турбонаддувом позволяет снимать с него мощность 32 кВт при собственной массе 182 кг. Масса возрастает на 23 кг, а прирост мощности — 11,5 кВт, что опять же более чем на 50% превышает мощность без турбонаддува! Удельная масса и в этом случае равна 5,6 кг/кВт.

Мы намеренно приводим в качестве примера двигатели малой мощности, так как для них турбонаддув еще сравнительно в новинку. Приведенные цифры дают ясное представление о том, какие возможности предоставляет этот технический принцип.


Обратимся теперь к рассмотрению эффекта применения турбонаддува в двигателях средней мощности. В качестве примера приведем данные по модели дизеля «Вольво» MD-31. Рабочий объем четырех цилиндров этого дизеля составляет 2,4 п, он выпускается в трех исполнениях: атмосферном (MD-31A), с турбокомпрессором (TMD-31A) и с турбокомпрессором вместе с холодильником (TAMD-31A). На графике приведены кривые максимальной мощности N_e и удельного расхода топлива g_e в зависимости от частоты вращения и для различных исполнений этого двигателя. Атмосферный вариант развивает наибольшую мощность 46 кВт при 3500 об/ мин, двигатель с турбонаддувом — 74 кВт при 3800 об/мин, а оборудованный еще и холодильником — 96 кВт при тех же 3800 об/мин.

Особый интерес представляют кривые удельного расхода топлива. Заметим, что при частоте вращения менее 2250 об/мин оба варианта с турбонаддувом на каждый киловатт развиваемой мощности потребляют топлива значительно больше, чем в обычном двигателе. Но при более высокой скорости вращения картина меняется: удельный расход топлива в вариантах «Турбо» резко падает и преимущества турбонаддува становятся неоспоримыми. При 3000 об/мин двигатель с турбокомпрессором и холодильником имеет минимальный расход 240 г/кВт·ч (176,5 г/л.с.·ч). Минимальный расход топлива у «атмосферного» двигателя составляет 245 г/кВт·ч.

Приведенные здесь цифры справедливы только в том случае, когда двигатель работает с полной нагрузкой, т. е. развивает всю возможную при данной частоте вращения мощность. Для судового двигателя необходимым условием этого является подбор такого гребного винта, который при максимальных оборотах двигателя воспринимал бы его полную мощность. При любой другой частоте вращения двигатель оказывается существенно недогруженным.

Графически это условие представлено точками пересечения внешних характеристик с винтовыми характеристиками — зависимостью мощности, потребляемой оптимальным гребным винтом, от частоты вращения. Для рассматриваемых моделей двигателей эти точки соответствуют частоте вращения 3800 и 3500 об/мин.

При 3000 об/мин удельный расход топлива скорее всего будет существенно превышать приведенные выше цифры, так как двигатель будет не полностью загружен. Например, при 22S0 об/мин гребной винт сможет снять с двигателя TAMD-31А всего 20 кВт, в то время как дизель способен развить при этой частоте вращения 60 кВт.

Таким образом, турбонаддув обеспечивает экономию топлива при условии, что двигатель работает в режиме, близком к максимальной мощности. Особенно целесообразно применение двигателей с турбонаддувом на быстроходных глиссирующих катерах, где важно уменьшение удельной нагрузки из расчета на каждый киловатт мощности.