1
Doładowanie silników spalinowych
Zadaniem silnika spalinowego jest przemiana energii zawartej w paliwie na pracę
mechaniczną. Im większa jest masa paliwa doprowadzonego do silnika, tym większą pracę
może on wykonać. Ilość paliwa, jaka może być spalona w silniku ograniczona jest masą
powietrza (G
p
), jaką można pomieścić w przestrzeni roboczej cylindra:
Zwiększenie tej masy można uzyskać poprzez zwiększenie gęstości powietrza (
ρ
p
)
doprowadzonego do cylindra, na skutek uprzedniego jego sprężenia w specjalnych
sprężarkach i obniżenia jego temperatury (T
p
).
Proces ten nazywany jest doładowaniem silnika. W silniku doładowanym można uzyskać
większą moc z objętości cylindra niż w silniku wolnossącym. Przyrost ten określa stopień
doładowania (
λ
d
):
p
ed
-
średnie ciśnienie użyteczne silnika doładowanego,
p
e
- średnie ciśnienie użyteczne silnika wolnossącego.
Rodzaje doładowania
Klasyfikację systemów doładowania można przeprowadzić ze względu na:
• wartość ciśnienia (p
d
) powietrza w zasobniku,
• stopień doładowania (λ
d
),
• rodzaj napędu sprężarki.
Ze względu na wartość ciśnienia (p
d
) oraz stopień doładowania (
λ
d
) wyróżnia się systemy:
1. Niskoprężne, system doładowania który pozwala na uzyskiwanie ciśnienia w
zasobniku o wartości p
d
< 0,15 MPa, co stwarza możliwość uzyskania średniego
ciśnienia użytecznego p
e
< 1,0 MPa. Jest to przedział, w którym silnik niedoładowany
może w zasadzie pracować jako doładowany, bez zmiany jego konstrukcji. W tych
silnikach nie jest również wymagane chłodzenie powietrza sprężonego za sprężarką.
2
2. Średnioprężne, system doładowania który umożliwia podniesienie ciśnienia
doładowania do wartości p
d
= 0,15
÷0,25 MPa i średniego ciśnienia użytecznego p
e
=
1,0
÷1,8 MPa. Silniki wyposażone w taki system mają większe średnice czopów wału
korbowego, średnice tłoczków pomp paliwowych oraz zmiany w układzie faz rozrządu
(większe przekrycia zaworów), przy czym powietrze sprężane musi być chłodzone. W
tego typu silnikach mogą występować większe naprężenia mechaniczne i cieplne.i
wysokoprężne.
3. Wysokoprężny system doładowania który pozwala na uzyskiwanie ciśnienia powietrza
w zasobniku p
d
> 0,25 MPa oraz średniego ciśnienia użytecznego p
e
> 1,8 MPa.
Powietrze sprężane musi być jednak intensywnie chłodzone. W silnikach pracujących z
wysokimi ciśnieniami (p
e
) zachodzi konieczność ograniczenia wartości maksymalnej
temperatury spalin do T < 2400 - 2500 K.
Ze względu na rodzaj napędu można wyróżnić sprężarki:
• Z napędem mechanicznym, które stosuje się w sprężarkach wyporowych oraz
rotodynamicznych. Napęd może być pobierany bezpośrednio z wału korbowego lub
za pomocą przekładni zwiększającej (sprężarki rotacyjne). Wraz ze wzrostem
ciśnienia doładowania (p
d
) rośnie moc pobierana z wału na napęd sprężarek, a
sprawność mechaniczna silnika maleje zgodnie z wyrażeniem:
gdzie:
N
sp
- moc tracona na napęd sprężarki.
Zastosowanie mechanicznego napędu sprężarek ogranicza się do niskociśnieniowych
systemów doładowania.
• Napędzane turbiną spalinową, który znalazł powszechne zastosowanie w systemach
doładowania. W turbinie spalinowej wykorzystuje się znaczną część energii gazów
wylotowych, traconej w silnikach wolnossących. W tego typu systemach wraz ze
wzrostem ciśnienia (p
d
), moc tracona na pokonanie oporów mechanicznych (N
m
) nie
zmienia się, natomiast rośnie moc indykowana (N
i
). W efekcie jednostkowe zużycie
paliwa (g
e
) maleje, a sprawność mechaniczna silnika rośnie.
• Kombinowany system doładowania obejmuje sprężarkę wyporową z napędem
pochodzącym od silnika spalinowego oraz sprężarkę rotodynamiczną napędzaną
turbiną spalinową. Pracują one w układzie szeregowym, równoległym lub szeregowo-
3
równoległym. Sprawność mechaniczna kombinowanego systemu doładowania jest
większa niż przy napędzie mechanicznym, ale mniejsza niż napędu za pomocą turbiny
spalinowej. Kombinowany system doładowania stosowano tam, gdzie energia gazów
wylotowych była niewystarczająca do uzyskania odpowiedniej mocy turbiny gazowej.
Kombinowane systemy doładowania:
a) silnik Suizer RD,
b) silnik Gotaverken: (1- turbina, 2- sprężarka rotodynamiczna, 3- zawory zwrotne
powietrza, 4- chłodnica powietrza, 5- tłok, 6 - tłokowa pompa powietrzna, 7- zawór
obrotowy spalin,
Wykorzystanie energii gazów wylotowych
Analizując wykres obiegu teoretycznego silnika można stwierdzić, że zwiększenie pracy
użytecznej można uzyskać poprzez wydłużenie procesu rozprężania czynnika roboczego w
cylindrze. W rzeczywistych silnikach proces ten może być zrealizowany w turbinie
napędzanej gazami spalinowymi. Energię gazów wylotowych (E) można wyznaczyć z
zależności:
E = E
1
+ E
2
gdzie:
E
1
- energia rozprężania gazów wylotowych od ciśnienia pulsacyjnego (p
tp
) do
ciśnienia w kolektorze przed turbiną (p
t
),
E
1
- energia rozprężania gazów od ciśnienia (p
t
) do ciśnienia gazów za turbiną (p
to
).
Składowa (E
1
) charakteryzuje zmiany ciśnienia, temperatury i prędkości gazów
zachodzące w kanale wylotowym za cylindrem, w okresie swobodnego ich wylotu.
Zmiany te mają charakter pulsacyjny. Znaczna część tej energii wykorzystywana jest do
pokonania oporów przepływu w kanałach wylotowych, natomiast pewna jej część
zamienia się w ciepło powodujące wzrost temperatury gazów i ich objętości.
4
Składowa (E
2
) odpowiada energii gazów przy stałym ciśnieniu (p
t
=const). Określa ona
zmiany temperatury i ciśnienia gazów przed turbiną pomiędzy impulsami lub w całym
okresie wylotu.
W turbinie gazowej można wykorzystać obie składowe energii gazów wylotowych.
Stopień wykorzystania składowej (E
1
) zależy od sposobu doprowadzenia gazów do
turbiny.
Systemy pulsacyjne
W systemie pulsacyjnym doładowanie odbywa się przy zmiennym ciśnieniu gazów przed
turbiną. Aby w maksymalnym stopniu wykorzystać składową (E
1
) stosuje się:
• zwiększanie wyprzedzenie otwarcia zaworów wylotowych, co pozwala na
doprowadzenie gazu do turbiny przy wyższych temperaturach,
• doprowadzanie gazów do turbiny krótkimi odcinkami o małym przekroju, w celu
uniknięcia rozprężania gazów w kanale wylotowym,
• maksymalnie zwiększanie odstępu między zapłonami poprzez dołączenie do każdej
turbiny nie więcej niż trzech cylindrów, odpowiednio do kolejności zapłonów; pozwala
to na uniknięcie nakładania się impulsów z poszczególnych cylindrów na siebie i nie
powoduje zakłóceń w przepłukaniu sąsiednich cylindrów. Dlatego też trakt wylotowy
silnika dzieli się na kilka odrębnych odcinków doprowadzających gaz do
poszczególnych turbin.
Pulsacyjne systemy doładowania mają następujące zalety:
• pełniej wykorzystują energię gazów wylotowych,
• dają korzystniejsze warunki zasilania silnika powietrzem podczas rozruchu, na
obciążeniach częściowych i małych prędkościach obrotowych; w silnikach
dwusuwowych z przepłukaniem wzdłużnym pozwala to na pracę silnika bez potrzeby
stosowania dodatkowych dmuchaw w zakresie bardzo małych obciążeń,
• szybciej reaguje turbosprężarka na zmianę obciążenia, co zwiększa elastyczność pracy
silnika,
• lepsze przepłukanie, poprzez niższe ciśnienie w kanałach wylotowych.
Pulsacyjne systemy mają również swoje wady, do których należy zaliczyć:
• złożona budowa traktu wylotowego spalin,
• konieczność instalowania kilku turbin na większych silnikach ustawionych jak
najbliżej zasilających je cylindrów,
5
• niższy współczynnik sprawności turbiny w porównaniu do zasilania
stałociśnieniowego, na skutek zmienności ciśnienia zasilania, jego prędkości i
większych strat na wentylację.
Doładowanie pulsacyjne:
a) schemat układu,
b) wykres ciśnienia,
1- cylinder, 2- turbina, 3- sprężarka, 4- kolektor dolotowy powietrza, 5- chłodnica
powietrza.
Systemy stałociśnieniowe
Stałociśnieniowy system doładowania pracuje przy stałym ciśnieniu gazów znajdujących
się przed turbiną (p
t
= const). Gazy wylotowe ze wszystkich cylindrów kierowane są do
wspólnego kolektora wylotowego, w którym utrzymuje się stałe ciśnienie (p
t
). Sprzyja
temu duża objętość kolektora pozwalająca na wyrównywanie cyklicznych zmian. Z
kolektora gazy wylotowe kierowane są do jednej lub dwóch turbin.
Doładowanie stałociśnieniowe:
a) schemat układu,
b) wykres ciśnienia.
1 - cylinder, 2 - turbina, 3 - sprężarka, 4 - kolektor dolotowy powietrza, 5 - kolektor
wylotowy spalin.
6
W tym systemie energia (E
1
) nie jest całkowicie wykorzystywana, gdyż część jej tracona
jest na dławienie w kanałach wylotowych, a część zamieniana zostaje na energię
potencjalną ciśnienia zwiększając ją o wartość
∆E
2
W systemie stałociśnieniowym energia użyteczna gazów wylotowych wynosi więc:
E = E
2
+
∆E
2
Stałe ciśnienie i prędkość strumienia gazów na dopływie do turbiny umożliwiają uzyskanie
wysokiej sprawności turbosprężarki (
η
sp
= 0,66
÷72 %). Czynnik ten przyczynił się do
powszechnego wykorzystania tego systemu we współczesnych, wysokodoładowanych
silnikach okrętowych.
Systemy doładowania
Doładowanie silników czterosuwowych
W silnikach czterosuwowych stosuje się zarówno doładowanie pulsacyjne jak i
stałociśnieniowe. W silnikach napędu głównego wielkich mocy wykorzystywane są na
ogół systemy stałociśnieniowe, natomiast w mniejszych silnikach pracujących przy
obciążeniach zmiennych, na przykład silnikach generatorów prądotwórczych - systemy
pulsacyjne.W silnikach czterosuwowych z doładowaniem pulsacyjnym zazwyczaj instaluje
się po jednej sprężarce na każdy rząd cylindrów, co oznacza konieczność instalowania
kilku kolektorów łączących kilka cylindrów. Obowiązuje przy tym zasada, aby proces
wylotu gazu do wspólnego kolektora od każdego cylindra przebiegał bez nakładania się na
taki sam proces odbywający się w drugich cylindrach podłączonych do tego kolektora.
Proces wylotu do wspólnego kolektora z każdego cylindra powinien przebiegać przy
zamkniętych zaworach wylotowych pozostałych cylindrów. Liczba cylindrów
podłączonych do wspólnego kolektora wynosi od l do 4.
Schematy systemów pulsacyjnego zasilania turbiny silników czterosuwowych.
7
Niekiedy w systemach zasilania turbin silników czterosuwowych instaluje się
przemienniki impulsów, w których energia kinetyczna impulsów przekształcana jest w
energię potencjalną ciśnienia stałego strumienia gazów.Spaliny z dwóch (lub więcej)
cylindrów przepływają do dysz, a następnie przez wspólny przewód do dyfuzora
umieszczonego na drugim końcu przewodu. Pomiędzy dyfuzorem i turbiną znajduje się
zbiornik wyrównawczy spalin.
Przemiennik impulsów
Spaliny z cylindra przepływając przez dyszę zostają przy spiętrzone, co powoduje wzrost
prędkości wypływu spalin w drugiej fazie wylotu z tego samego cylindra lub z drugiego
cylindra, o ile odstęp zapłonów pomiędzy tymi cylindrami jest mniejszy od kąta otwarcia
zaworów wydechowych. W przewodzie wspólnym następuje wyrównanie prędkości, zaś w
dyfuzorze spiętrzenie spalin. Im większa liczba cylindrów będzie współpracowała z danym
przemiennikiem, tym bardziej będzie ustalone ciśnienie za dyfuzorem, a tym samym
proces będzie zbliżał się do zasilania turbiny przy stałym ciśnieniu, co zwiększa sprawność
turbiny; wykorzystanie energii impulsów pozwala na podniesienie jej mocy i, co również
ważne, wyrównanie mocy turbiny oraz sprężarki w pełnym przedziale obciążeń
eksploatacyjnych silnika, począwszy od 20
÷100%. Szczególnie ważne są w tym
przypadku obciążenia najmniejsze.
Doładowanie silników dwusuwowych
Zasilanie powietrzem silnika dwusuwowego jest bardziej złożone niż czterosuwowego. Ze
względu na trudności z wyrównaniem bilansu mocy turbiny i sprężarki, szczególnie przy
małych obciążeniach, doładowanie tych silników wyłącznie przy pomocy turbosprężarki
było do niedawna praktycznie niemożliwe. Dlatego też stosowano systemy kombinowane
z wykorzystaniem przestrzeni podtłokowych jako sprężarek wyporowych. Wynika to z :
• braku suwu wydechu, umożliwiającego dobre przepłukanie i odpowiednie napełnienie
cylindra powietrzem; średnie ciśnienie gazu przed turbiną powinno być mniejsze niż
ciśnienie doładowania,
• niższej temperatury gazów wylotowych w tych silnikach,
• znacznego zapotrzebowania powietrza na przepłukanie cylindra; sprężarka powinna
mieć zatem dużą moc.
Wyjątek stanowi silnik z przepłukaniem wzdłużnym z zaworem wydechowym, w którym
rozrząd zaworowy umożliwia wcześniejsze otwarcie zaworu wylotowego (wyższe
ciśnienie gazów) i większą moc turbiny.
8
Doskonalenie systemu wymiany ładunku, zmniejszenie zużycia powietrza na przepłukanie
oraz przejście na doładowanie stałociśnieniowe, stworzyły możliwość zasilania silnika
powietrzem z turbosprężarki w zakresie obciążeń od 40
÷100% N
e
. Przy mniejszych
obciążeniach włącza się dodatkowa sprężarka napędzana silnikiem elektrycznym, która
pracuje szeregowo lub równolegle z turbosprężarką. W silniku Sulzer RTA włączanie
turbosprężarki odbywa się dopiero przy obciążeniu poniżej 25% N
e
.
Schemat systemu doładowania silnika Suizer RTA
1- cylinder, 2- kolektor wylotowy, 3- turbina, 4- sprężarka, 5- chłodnica powietrza, 6-
zasobnik powietrza, 7- sprężarka elektryczna, 7- zawory zwrotne.
Współpraca silnika, sprężarki i turbiny
W silnikach doładowanych turbosprężarką, w celu zapewnienia niezbędnej ilości
powietrza do przepłukania cylindra, doładowania i spalania paliwa, konieczne jest aby moc
rozwijana przez turbinę (N
t
) odpowiadała mocy zapotrzebowanej przez sprężarkę (N
k
), a
masowe natężenie przepływu gazów przez turbinę (G
t
) było równe sumie natężenia
przepływu powietrza przez sprężarkę (G
k
) i paliwa doprowadzonego do silnika (G
p
). Dla
takiego układu musi być spełniony warunek równości obrotów turbiny (n
t
) i sprężarki (n
k
)
(wspólny wał):
Efektywna moc turbiny pracującej przy stałym ciśnieniu wynosi:
9
Moc potrzebna do napędu sprężarki równa jest:
Z równania bilansu N
t
= N
k
po odpowiednich przekształceniach, można wyznaczyć
ciśnienie przed turbiną (p
t
).W stanach ustalonych możliwości współpracy turbosprężarki i
silnika określają następujące warunki:
• bilans masy czynnika przepływającego przez sprężarkę (G
k
) silnik (G
s
) i turbinę (G
t
):
Współczynnik (
β
1
) uwzględniający zwiększenie wydatku czynnika przez turbinę w
związku z zużyciem paliwa:
• bilans mocy turbiny i sprężarki:
• równość stopni przyrostu ciśnienia w sprężarce (Π
k
) i spadku ciśnienia w turbinie (
Π
t
):
Współczynnik (
ξ
o
)jest ogólnym współczynnikiem strat ciśnienia w filtrach sprężarki,
chłodnicy powietrza, cylindrach podczas przepłukania, trakcie wylotowym przed i za
turbiną i wynosi:
gdzie:
p
ok
- straty ciśnienia na wlocie do sprężarki,
p
ot
- straty ciśnienia za turbiną.
W silnikach dwusuwowych współczynnik strat ciśnienia wynosi
ξ
o
= 0,85
÷0,92, a w
czterosuwowych
ξ
o
=
0,9
÷0,95. Warunek G
k
=G
s
bezpośrednio określa związki
charakterystyki przełykowej silnika (p(G
s
)) z charakterystyką wydatku turbosprężarki
(p(G
k
)).
10
Dla danej prędkości obrotowej wirnika sprężarki istnieje funkcyjna zależność
Π
k
=f(G
k
).
Graficzny obraz tej zależności nazywany jest charakterystyką wydajnościową sprężarki z
której wynika, że stopień sprężania i ciśnienie sprężania rosną wraz z prędkością obrotową
wirnika sprężarki. W obszarze małych wydajności (obszar A), niewielkim przyrostom
wydajności odpowiadają duże przyrosty ciśnienia sprężania. Na prawo od punktu M
(obszar B) wzrostowi wydajności towarzyszy spadek ciśnienia. Wydajność sprężarki w
punkcie M wynosi 25
÷45% wydajności nominalnej. Praca sprężarki w obszarze A jest
niestabilna, ponieważ małym zmianom wydajności towarzyszą duże zmiany ciśnienia p
k
.
Krzywa (l) łącząca punkty M i oddzielająca obszar pracy niestabilnej A od obszaru pracy
stabilnej B nazywa się krzywą pompowania.
Charakterystyka wydajnościowa sprężarki rotodynamicznej promieniowej
Silnik i turbosprężarka stanowią układ sprzęgnięty pneumatycznie (hydraulicznie), który
cechuje zdolność do samoregulacji termodynamicznej. Oznacza to, że wydajność
turbosprężarki będzie się samoczynnie zmieniać stosownie do zapotrzebowania przez
silnik powietrza ładującego. Przebieg tego procesu zależy od takich czynników, jak:
• doboru wydajności turbosprężarki zapewniającego poprawny przebieg procesu
roboczego w całym zakresie obciążenia silnika,
• dostosowania charakterystyki wydajności sprężarki do przepustowości silnika,
zapewniającego w całym zakresie obciążenia silnika stabilną pracę turbosprężarki,
• pracy turbosprężarki z optymalną sprawnością.
Przepustowość silnika jest to objętościowe natężenie powietrza ładującego przez silnik.
Dla silnika doładowanego, przepustowość silnika odniesiona do warunków otoczenia (p
o
,
T
o
) istniejących na dolocie do silnika, można przedstawić w postaci funkcji:
gdzie:
Vs - objętość skokowa cylindra,
λ
p
- współczynnik przepłukania silnika,
11
η
v
- współczynnik napełnienia cylindra,
ρ
p
- gęstość powietrza,
n - prędkość obrotowa silnika,
i - ilość cylindrów,
z - ilość obrotów na jeden cykl roboczy.
Uwzględniając zależności termodynamiczne pomiędzy ciśnieniem, temperaturą i gęstością
czynnika, można napisać:
Wykres przepustowości silnika nazywa się charakterystyką przepustowości albo
charakterystyką przełykową silnika. Położenie charakterystyki przepustowości na
charakterystyce turbosprężarki zależy od stanu obciążenia i prędkości obrotowej silnika.
Przepustowość silnika może się zmieniać w czasie eksploatacji silnika. Zmiany te
spowodowane są przede wszystkim zmianą oporów przepływu czynnika w układzie
wymiany ładunku, wynikającą z zanieczyszczeń kanałów przepływowych oraz wadliwej
regulacji rozrządu czynnika roboczego. Współpraca silnika z turbosprężarką możliwa jest
tylko w punktach przecięcia charakterystyki turbosprężarki z krzywą przełykową silnika
Charakterystyka sprężarki stanowi pole izoparametrycznych linii (p=f(G
k
)) dla
odpowiadających im prędkości obrotowych turbosprężarki (n
k
). Obecnie stosowane
turbosprężarki charakteryzują się tym, że w miarę zwiększania oporów przepływu, krzywe
tłoczenia (p=f(G
k
)) przechodzą na odcinki płaskie i tłoczenie odbywa się przy ciśnieniu
p
≈const. Charakterystyka przełykowa silnika (B), zwana również charakterystyką
hydrauliczną traktu gazowego lub charakterystyką przepustowości silnika, powinna leżeć
w strefie stabilnej pracy układu, to znaczy na prawo od linii pompowania sprężarki (A).
Charakterystyka turbosprężarki:
A-granica pompowania, B- charakterystyka
przełykowa silnika.
12
Efektywność pracy sprężarki w systemie doładowania zależy od dopasowania jej
charakterystyki do charakterystyki przełykowej silnika (p(G
s
)). Dopasowanie tych
charakterystyk polega na doborze takiej sprężarki, której stany robocze dla długotrwałych
obciążeń eksploatacyjnych znajdują się w strefie wysokich sprawności sprężarki i
oddalone są dostatecznie daleko od granicy pompowania (A). Zapas bezpiecznej pracy
sprężarki do granicy pompowania, przyjmuje się w przedziale od 10 do 15% całkowitego
masowego natężenia przepływu.
Zjawisko pompowania występuje w strefie niestabilnej pracy sprężarki. Zakłócenia pracy
sprężarki mają charakter eksploatacyjny. Jeżeli punkt pracy sprężarki leży na lewo od
krzywej pompowania, to nieznacznym zmianom wydajności towarzyszą znaczne zmiany
ciśnienia (p
k
). Nieznaczny spadek (G
s
) wydajności powoduje znaczny spadek ciśnienia (p
k
)
poniżej ciśnienia w kolektorze (p
d
). W tej sytuacji następuje gwałtowny, zwrotny przepływ
powietrza ładującego do otoczenia. Zjawisko to powtarzające się cyklicznie nazywa się
pompowaniem, któremu towarzyszą efekty dźwiękowe. W zależności od gwałtowności i
częstotliwości zjawiska, słyszalne jest rzężenie, wycie, a nawet huki.
W strefie stabilnej pracy sprężarki zjawisko to nie występuje. Przypadkowe zakłócenia
wydajności powodują jednoczesne zmiany ciśnienia powietrza w kolektorze wlotowym i
samoregulację układu. W zależności od liczby turbosprężarek zainstalowanych na silniku i
konfiguracji układu wymiany ładunku, analizę procesu doładowania przeprowadza się dla
całego silnika lub dla grupy cylindrów. Trudności dopasowania charakterystyk
turbosprężarki i silnika polegają na tym, że dopasowaniu podlega pole charakterystyk
przełykowych silnika zależnych od obciążenia i stanu technicznego układu.
Zjawisko samoregulacji i pompowania sprężarki:
a) wykres, b) schemat ideowy
A - charakterystyka pompowania, B1 i B2 - charakterystyki przepustowości silnika, 1 -
sprężarka, 2 - kolektor wlotowy, 3 - silnik.
13
Doładowanie silników czterosuwowych
Charakterystyka układu doładowania czterosuwowego silnika MAŃ
Stabilną pracę układu wyznaczają warunki:
W obszarze pełnych obciążeń sprężarka pracuje z dużą sprawnością, natomiast w obszarze
małych obciążeń jej sprawność maleje. Dla układu doładowania, którego praca
dopasowana jest do znamionowej mocy silnika (N = 100%), sprawność sprężarki i
ciśnienie doładowania przy małych obciążeniach silnika będą znacząco maleć. Dotyczy to
zwłaszcza przypadku, gdy silnik pracuje na śrubę nastawną przy n=n
n
=const.
W takiej sytuacji, w celu poprawy warunków pracy układu, stosuje się modyfikację
charakterystyki poprzez zmniejszenie przekroju aparatu wlotowego turbiny lub przejście
na obciążenia częściowe według charakterystyki stałej nastawy pompy paliwowej.
Zmiany położenia charakterystyki przełykowej na charakterystyce sprężarki zależnie od
obciążenia silnika i jego prędkości obrotowej
14
Zmiany prędkości obrotowej i obciążenia powodują zmiany położenia charakterystyki
przełykowej silnika na charakterystyce sprężarki. Zmniejszenie prędkości obrotowej
silnika wpływa na przesunięcie charakterystyki przełykowej w lewo, w kierunku krzywej
pompowania. Zmniejszenie obciążenia silnika zmniejsza jego przepustowość oraz energię
spalin zasilających turbinę, a tym samym zmniejsza prędkość obrotową sprężarki i zmienia
położenie krzywej przełykowej na charakterystyce sprężarki.
Doładowanie silników dwusuwowych
Doładowanie silników dwusuwowych jest bardziej złożone z uwagi na brak suwów
napełniania i wydechu, jakie występują w silnikach czterosuwowych, nadmiaru płuczącego
powietrza, mniejszej temperatury gazów wylotowych oraz zwiększonego spadku ciśnienia
na przepłukanie cylindrów. Jak już wspomniano, w silnikach dwusuwowych stosuje się
systemy, w których doładowanie w całym zakresie obciążeń odbywa się wyłącznie za
pomocą turbosprężarek oraz systemy kombinowane wykorzystujące dodatkowe sprężarki z
napędem mechanicznym lub elektrycznym. Doładowanie za pomocą turbosprężarki może
być w pełni realizowane tylko w systemach pulsacyjnych. Systemy te pozwalają na
zasilanie silnika powietrzem w całym zakresie obciążeń, z rozruchem włącznie. Na silniku
zazwyczaj ustawia się kilka sprężarek zasilanych przez grupy liczące od 2 do 4 cylindrów,
przy czym optymalne warunki uzyskuje sią przy trzech cylindrach. Turbosprężarki pracują
równolegle na wspólny kolektor (zasobnik) powietrza. Warunki do wyznaczenia
charakterystyki współpracy są takie same jak przy silnikach czterosuwowych. Różnica
polega na tym, że pole współpracy silnika i turbosprężarki obejmuje węższy przedział niż
w silnikach czterosuwowych. Podczas pracy silnika na charakterystyce zewnętrznej (stała
nastawa pompy paliwowej), charakterystyka przełykowa silnika jest zbliżona do
charakterystyki pompowania (linia A). Jak wiadomo, przejście na taką charakterystykę jest
spowodowane zwiększeniem oporów ruchu statku. Podczas takiej zmiany obciążenia
silnika, wydatek sprężarki zmniejsza się, jednocześnie zmniejszając margines
bezpieczeństwa do linii pompowania.
Takie czynniki eksploatacyjne, jak nierównomierny rozdział mocy na poszczególne
cylindry, osady w oknach wlotowych i wylotowych, turbosprężarkach, kotle
utylizacyjnym, mogą spowodować przesunięcie w lewo charakterystyki przełykowej (B)
silnika i w sytuacji zwiększonych oporów ruchu statku przejście na charakterystykę
pompowania (A). Podczas ruchu statku pod balastem, charakterystyka przełykowa silnika
(B) przesuwa się w prawo. Przy ustawieniu na silniku kilku sprężarek pracujących na
wspólnym kolektorze, charakterystyka układu doładowania stanowi sumę wydatków
wszystkich turbosprężarek. Podczas budowy takiej charakterystyki należy wziąć pod
uwagę, że warunki pracy i wydatki poszczególnych turbosprężarek nie są jednakowe.
Różnice te spowodowane są nierównomiernymi obciążeniami cylindrów oraz nie-
identycznością kanałów płucząco-wylotowych. Największe różnice występują wówczas,
gdy zachodzi konieczność wyłączenia z pracy jednego z cylindrów; zmniejsza się
wówczas wydatek powietrza przez sprężarkę pracującą z niepełną liczbą cylindrów, a
krzywa stanów roboczych silnika przesuwa się w strefę pompowania.
15
W silnikach okrętowych spotyka się często kombinowane systemy doładowania za
pomocą turbosprężarki, która stanowi główne zasilanie silnika powietrzem oraz sprężarki
dodatkowej z napędem mechanicznym lub elektrycznym. Jako sprężarki dodatkowe
wykorzystuje się przestrzenie podtłokowe cylindrów (silniki MAN KZ i KSZ; SuLzer RD,
RND, RLA) lub sprężarki wirnikowe z napędem elektrycznym.W silnikach z
doładowaniem umiarkowanym sprężarki dodatkowe pracują w całym zakresie obciążeń.
W nowych systemach doładowania stałociśnieniowego (silniki MAŃ - B&W MC; Suizer
RTA), jako dodatkowe stosuje się sprężarki z napędem elektrycznym, które pracują tylko
w zakresie małych obciążeń silnika. W miarę wzrostu obciążenia silnika, sprężarki
dodatkowe wyłączają się, a zasilanie powietrzem silnika przejmuj ą turbosprężarki.
Wyporowe sprężarki dodatkowe (przestrzenie podtłokowe lub sprężarki zawieszone na
silniku) pracują w systemie szeregowym, jako drugi stopień doładowania. Powietrze
sprężane w turbosprężarce do ciśnienia (p
k1
), przepływa przez chłodnicę i w sprężarce
dodatkowej sprężane jest do ciśnienia roboczego (p
s
). W systemie szeregowym
doładowania, obowiązuje, więc zależność:
gdzie:
P
k2
- wzrost ciśnienia powietrza w drugim stopniu doładowania,
Π
og
- ogólny stopień sprężania powietrza,
Π
k1
,
Π
k2
- sprężania w pierwszym i drugim stopniu sprężania.
Szeregowe systemy doładowania charakteryzują się stabilną pracą i rzadko występuj ą w
nich problemy z pompowaniem sprężarek. W silnikach MAN starszego typu stosowane są
również równoległe systemy doładowania, w których na wspólny kolektor pracują
turbosprężarki i pompy płuczące. Jako pompy płuczące wykorzystuje się przestrzenie
podtłokowe 1/3 do 1/2 ogólnej liczby pracujących cylindrów. W tym celu przestrzenie
podtłokowe cylindrów pracujących jako pompy płuczące wyposażone są w przesłony z
zaworami zwrotnymi.
W równoległym systemie doładowania obowiązują zależności:
gdzie:
G
p
- wydatek pompy płuczącej,
P
p
- ciśnienie powietrza za pompą płuczącą.
Należy podkreślić, że warunki te muszą być spełnione w całym zakresie obciążeń silnika.