В двигателях второй группы энергия продуктов сгорания топлива частично используется для обеспечения протекания рабочего процесса в цилиндре, а основная ее часть передается силовой газовой турбине. Поршневой двигатель в этом случае становится генератором сжатых и нагретых газов. В качестве поршневого двигателя используются дизели, хотя известны попытки применения и газовых двигателей.

СПДК и СПГГ полностью уравновешены и могут монтироваться без тяжелых и сложных фундаментов. СПДК, строящиеся на различные давления сжатия воздуха (0,7…40 МПа), получили широкое распространение. СПГГ с газовыми силовыми турбинами ранее применялись на судах и в энергетических стационарных установках. Однако они отличаются несколько большим, чем в обычных дизелях, удельным расходом топлива и в настоящее время отечественной промышленностью не выпускаются.

Основными преимуществами СПГГ являются сравнительно небольшая масса установки, хорошая уравновешенность, что сочетается с благоприятной для транспортных средств характеристикой турбины. Двигатели этого типа могут работать на топливе разного сорта, включая тяжелые сорта, без дополнительных регулировок двигателя.

В судовых и стационарных двигателях используют группы из четырех генераторов газа на одну турбину. Мощность одной группы СПГГ может составлять 1800…5700 кВт. Для судовых установок большое значение имеет работа нескольких СПГГ на одну турбину. Отключение одного или нескольких генераторов газа во время работы силовой установки позволяет ремонтировать их на ходу.

Все СПГГ и СПДК работают по двухтактному циклу с прямоточной схемой газообмена. Открытие и закрытие выпускных окон осуществляется двумя противоположно движущимися поршнями.

Прямой или рабочий ход (от ВМТ к НМТ) поршней происходит под действием давления газов в цилиндре двигателя. Обратный ход поршней осуществляется под действием энергии сжатого воздуха в компрессорных полостях или в специальных аккумуляторах сжатого воздуха — буферных полостях.

Нормальное осуществление рабочего цикла в двигателях со свободно движущимися поршнями возможно только при симметричном перемещении поршней обоих комплектов. Для обеспечения симметричного движения поршней используются специальные синхронизирующие механизмы, которые в отличие от кривошипно-шатунных механизмов обычных двигателей воспринимают не всю силу от давления газов, а только разность сил, действующих на каждый поршень. Различие в силах, действующих на оба комплекта поршней, является следствием различия сил трения и от утечек через поршневые уплотнения. Синхронизирующие механизмы имеют сравнительно небольшую массу.

Устройство синхронизирующих механизмов показано на рис. 1. Эти механизмы выполняют по трем схемам: многозвенные шатунно-шарнирные и реечно-шестеренчатые. Первые и вторые применяют на тихоходных генераторах газа, третьи, как более компактные, на быстроходных.

Дизель-компрессоры

Дизель-компрессоры можно разделить на дизель-компрессоры низкого и высокого давления. Дизель-компрессоры низкого давления обычно выполняют одноступенчатыми с симметрично расположенными полостями сжатия. Дизель-компрессоры высокого давления имеют многоступенчатое сжатие; полости сжатия расположены с разных сторон плоскости симметрии. При многоступенчатом сжатии воздух пропускается с одной стороны компрессора на другую через охладитель.

Принципиальная схема одноступенчатого дизель-компрессора показана на рис. 1. Внешние компрессорные полости работают на потребителя, а внутренние используются в качестве продувочных насосов для продувки и зарядки цилиндра двигателя. Обратный ход поршней осуществляется под давлением воздуха, остающегося во вредных пространствах компрессорных цилиндров.

Во время рабочего хода в цилиндре двигателя происходит сгорание топлива, и под действием давления газов поршни перемещаются к НМТ. В компрессорных полостях осуществляется сжатие, а затем выталкивание сжатого воздуха в воздушный ресивер. Давление, при котором происходит выталкивание воздуха в ресивер, регулируется затяжкой пружины нагнетательного клапана. В полости продувочного насоса происходит впуск воздуха из атмосферы. В конце рабочего хода поршень, управляющий выпуском, открывает выпускные окна и происходит выпуск газов в атмосферу. Поршень, управляющий впуском, несколько позднее открывает впускные окна, соединяя продувочный ресивер с полостью цилиндра двигателя. Происходит продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом.

Во время обратного хода в полости двигателя до закрытия впускных и выпускных окон совершается продувка и наполнение цилиндра двигателя, а также сжатие свежего заряда. В конце хода производится впрыскивание топлива. Топливный насос приводится в движение от кулачка, насаженного на вал синхронизирующего механизма. Ввиду того, что синхронизирующий вал при подходе поршней к ВМТ замедляет свое движение до полной остановки, в двигателях со свободно движущимися поршнями применяют топливовпрыскивающую аппаратуру аккумулирующего типа.

В компрессорной полости во время обратного хода происходит расширение остаточного воздуха, а затем впуск нового заряда воздуха. В полости продувочного насоса сначала осуществляется сжатие, а затем выталкивание воздуха в полость продувочного ресивера, расположенного вокруг цилиндра двигателя. В результате сгорания топлива давление в цилиндре возрастает, движение поршней замедляется до полной остановки и начинается новый рабочий ход поршней двигателя.

Клапаны СПДК выполняются автоматическими, с максимальной площадью проходного сечения для уменьшения потерь при впуске и выталкивании воздуха.

Скорость движения поршней, а следовательно, частота циклов зависят от массы комплектов поршней и энергии, получаемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. Чем больше масса комплектов поршней и связанных с ними механизмов, тем меньше ускорения, получаемые поршнями при одинаковых действующих силах, и меньше частота рабочих циклов. Максимальная быстроходность дизель-компрессоров на малых машинах составляет до 2500 циклов в минуту.

Давление воздуха, выдаваемого потребителю, у дизель-компрессоров одноступенчатого сжатия достигает 0,7 МПа, у дизель-компрессоров многоступенчатого сжатия — 40 МПа.

Дизель-генераторы газа

Наиболее распространенной схемой СПГГ является классическая, по которой выполнены отечественный дизель-генератор газа ОР-95, дизель-генератор газа GS-34 французской фирмы Сигма и др.

Схема дизель-генератора газа GS-34 показана на рис. 3. Свободно-поршневой генератор газа работает аналогично симметричному дизель-компрессору.

При прямом ходе поршней в цилиндре двигателя происходит расширение и выпуск газов из цилиндра, а также начинается его продувка и наполнение. В компрессорной полости продувочного насоса в это время происходит расширение оставшегося во вредном пространстве воздуха, а затем впуск свежего заряда. В буферной полости, представляющей собой пневматический аккумулятор энергии, осуществляется сжатие воздуха.

При обратном ходе поршней под действием давления в буферной полости в цилиндре двигателя вначале происходит продувка и наполнение цилиндра, а затем сжатие воздуха, впрыскивание топлива и сгорание. Система впрыскивания топлива аналогична соответствующей системе СПДК.

Пуск СПГГ осуществляется сжатым воздухом, вводимым через специальный клапан в буферную полость. При пуске поршни СПГГ специальным механизмом разводятся в положение НМТ.

Параметры работы СПГГ регулируются специальным регулятором давления — стабилизатором, регулятором подачи топлива и ограничителем хода поршня. Стабилизатор приводит в соответствие давление в буферных полостях с давлением в ресиверной полости. Изменение первоначального давления в буферной полости дает возможность изменять ход поршней в зависимости от нагрузки СПГГ, которая характеризуется отчасти давлением в ресивере и отчасти величиной подачи топлива. Уменьшение первоначального давления в буферных полостях обусловливает при том же давлении в ресиверной полости увеличение хода поршней.

Регулятор подачи топлива приводит в соответствие подачу топлива с давлением перед турбиной, а следовательно, в ресивере СПГГ. При повышении давления перед турбиной автоматически возрастает подача топлива.

Ограничитель хода поршней предотвращает возможные удары поршней о крышку буферного цилиндра. При чрезмерном увеличении хода поршня этот регулятор уменьшает подачу топлива до полного ее прекращения.

Часовой расход газа, в основном определяющий работоспособность СПГГ, зависит от величины хода поршней и частоты циклов в единицу времени. Оба эти параметра зависят от цикловой подачи, первоначального давления в буферной полости и давления перед турбиной. При снижении подачи топлива уменьшается ход поршней. СПГГ может остановиться, если при уменьшении хода не откроются впускные и выпускные окна цилиндров. Для расширения диапазона работы СПГГ приходится увеличивать высоту окон, что приводит к уменьшению литровой мощности. Обычно окна удлиняют по высоте до 45…50 % хода поршней. Но даже при этом минимальная нагрузка работы СПГГ без перепуска газов в атмосферу составляет 17 % максимальной.

Работа СПГГ на режиме холостого хода и малых нагрузках неэкономична, вследствие чего целесообразно делать установки с несколькими СПГГ, работающими на одну турбину. В результате для уменьшения минимальной нагрузки можно останавливать часть СПГГ и работать на малых нагрузках на одном или двух цилиндрах.

Смазывание СПГГ осуществляется при помощи лубрикаторного насоса, подающего масло малыми дозами к отдельным точкам механизмов.

Охлаждение цилиндров осуществляется жидкостью, подаваемой насосом, приводимым в движение от вала синхронизирующего механизма.