7.4. Циклы двигателей с турбонаддувом

Одним из эффективных путей улучшения мощностных и экономических показателей ДВС является повышение наполнения цилиндра свежим зарядом. С этой целью, как отмечалось выше, применяется наддув. Различают четыре способа наддува:

1) инерционный, то есть за счёт инерции воздуха, входящего в цилиндр при некотором запаздывании закрытия впускного клапана после НМТ;

2) с помощью компрессора, имеющего привод от коленчатого вала двигателя;

3) с помощью турбокомпрессора;

4) комбинированный, то есть с использованием двух и более из указанных способов.

Диаграммы циклов при первом и втором способах наддува не отличаются от рассмотренных ранее. Эти диаграммы только будут подняты на величину давления наддува p_к. В случае использования турбонаддува имеет место комбинированный двигатель, то есть поршневой и газотурбинный с газовой связью, где последний приводит в действие компрессор.

Наиболее часто в комбинированных двигателях самоходных машин применяется объёмный турбонаддув. В турбокомпрессорах таких моторов используется в основном пьезометрический напор газов, выходящих из цилиндра p_r / 2_r , где p_r и _r - давление и плотность отработавших газов.

На рис. 8.4 изображены диаграммы смешанного цикла ДВС с объёмным турбонаддувом, где цикл a-f-g-l-a совершается в турбокомпрессоре.

Теплота Q_т, отводимая от поршневой части двигателя, подводится при постоянном давлении к турбине (процесс a-f ). Там происходит адиабатное расширение рабочего тела (процесс f-g) до давления среды p₀ . Затем происходит изобарный отвод теплоты (процесс g-l ). В компрессоре осуществляется процесс l-a адиабатного предварительного сжатия рабочего тела до давления p_a = p_к. Далее в поршневой части следует цикл Сабате.

Термический КПД данного комбинированного цикла определяется также, как и ранее _T ^Ко = (Q₁’ + Q₁ – Q₂) / (Q₁’ + Q₁), где отводимая в среду теплота Q₂ = c_mv m k (T_g – T_l). Температуры в узловых точках цикла турбокомпрессора определяют по следующим выражениям: T_f = T_a _т , где _т = V_f / V_a - степень предварительного расширения рабочего тела в турбине; T_g = T_f _к^{(1- k)/k} = T_a _т _к^{(1- k)/k} , где _к = p_к / p₀ - степень повышения давления наддува; T_l = T_a / _к^{( k-1)/k} = T_a _к^{(1- k)/k}. В результате имеем

. (8.17)

Анализ данной зависимости показывает, что при уменьшении степени предварительного расширения турбины _т и увеличении степени повышения давления наддува _к тепловой КПД комбинированного цикла с объёмным турбонаддувом растёт. Для минимизации _т необходимо уменьшать объём полости турбины (улитки) и укорачивать трубопровод, соединяющий цилиндр с этой полостью.

Среднее давление данного цикла определится суммой - для p_T ^Д (8.12) и среднего давления цикла газотурбинного двигателя (объёмного турбокомпрессора) p_T ^Ко = p_T ^Д + p_T ^о, где последнее слагаемое вычисляется как

. (8.18)

Работу в каждом элементарном процессе можно вычислить по выражениям

L_af = p_a (V_f – V_a) = p_a V_a (_т – 1); (8.19)

L_fg = ; (8.20)

L_gl = p_a _к^-1(V_l – V_g) = p_a V_a _к^(1-k)/k(1 – _т); (8.21)

. (8.22)

Подставляя зависимости (8.19) ... (8.22) в (8.18) и учитывая, что максимальный объём рассматриваемого ДВС V_g = V_a _т (1 + _к^1/k), имеем

.(8.23)

Итоговая зависимость для среднего давления цикла Сабате с объёмным турбонаддувом имеет вид

. (8.24)

Нетрудно заметить, что также, как и тепловой КПД _T ^Ко, среднее давление смешанного цикла с объёмным турбонаддувом p_T ^Ко увеличивается при возрастании _к и уменьшении _т. В пределе, то есть при _т = 1, получаем цикл с импульсным наддувом, в котором, кроме пьезометрического напора, используется скоростной напор газов, выходящих из цилиндра v_r² / 2g, где v_r - скорость отработавших в цилиндре газов; g - ускорение свободного падения.

Диаграммы комбинированного цикла с импульсным турбонаддувом представлены на рис. 8.5, где площадь abgla соответствует работе в турбокомпрессоре. Причём на участке b-g продолжается адиабатное расширение. В процессе g-l осуществляется отвод теплоты Q₂. А на линии l-a производится предварительное адиабатное сжатие рабочего тела, которое затем продолжается в цилиндре на линии a-c.

Термический КПД для данного цикла оценивается по выражению

. (8.25)

Среднее давление цикла Сабате с импульсным турбонаддувом определяется по аналогии с предыдущим случаем p_T ^Ки = p_T ^Д + p_T ^и, где p_T ^и - среднее давление в импульсном турбокомпрессоре, которое пропорционально площади a-b-g-l-a на Vp-диаграмме

. (8.26)

Сопоставляя зависимость (8.23) с (8.26), нетрудно заметить, что импульсный наддув даёт существенные преимущества. Например, при _т = 2, k = 1,4 и _к = 2 имеем для объёмного турбокомпрессора увеличение среднего давления цикла на величину p_T ^о = 0,99 p_a. А для импульсного турбокомпрессора при тех же параметрах, кроме _т = 1, имеем p_T ^и = 3,05 p_a.