Термодинамические циклы в двигателе с турбонаддувом

Цикл в поршневом двигателе, осуществляемый в цилиндре, состоит из необратимых процессов но, несмотря на смену рабочего тела, можно считать замкнутым. Это предоставляет возможность сравнивать экспериментальную индикаторную диаграмму изменения давления рабочего тела в цилиндре за цикл с теоретической диаграммой, построенной по результатам расчета, и оценивать адекватность математических моделей, используемых для описания процессов в цилиндре двигателя.

В турбокомпрессоре индикаторную диаграмму цикла экспериментально зафиксировать нельзя, так как процессы расширения и сжатия происходят в различных устройствах: турбине и компрессоре. Поэтому идеальный цикл предоставляет значительно меньшие возможности для определения путей совершенствования турбокомпрессора.

При теоретическом исследовании процессов в турбопоршневом двигателе их можно разделить на два отдельных цикла (в поршневой и газотурбинной частях).

На рис.5.2-а приведена диаграмма идеального цикла в цилиндре двигателя с наддувом со смешанным подводом теплоты к рабочему телу (q ′₁ по изохоре c - z и q ′ ′₁ по изобаре z - z ′) и отводом теплоты q ₂ по изохоре b - a.

Термический КПД этого цикла определяется по уравнению, совпадающему с уравнением (3.1)

,                   (5.1)

где  – степень повышения давления при подводе теплоты по изохоре;

   – степень предварительного расширения рабочего тела при

подводе теплоты по изобаре;

 – показатель адиабаты;

 – степень сжатия рабочего тела в цилиндре;

 – степень повышения давления в компрессоре.

Следует отметить, что уравнение (5.1) отличается от соответствующего уравнения для термического КПД цикла без наддува присутствием сомножителя  в знаменателе.

В идеальных циклах турбокомпрессора (рис. 5.2, б,в,г) к рабочему телу подводится теплота q ₃ (меньше или равная теплоте q _2, отводимой в поршневой части) и отводится теплота q ₄ по изобаре d - o. Более близким к реальным процессам при переменном давлении выпускных газов перед турбиной является смешанный подвод теплоты q ₃ по изохоре a - n и изобаре n - m (рис. 5.2, в). Для описания импульсного характера изменения давления газа перед турбиной используется цикл с подводом теплоты q ₃ по изохоре a - b (рис. 5.2, г). Наддуву при постоянном давлении газов перед турбиной соответствует цикл с подводом теплоты q ₃ по изобаре a - m (рис. 5.2, б).

Разным способам подвода теплоты q ₃ к рабочему телу в идеальных циклах соответствуют разные значения степени повышения давления при наддуве:

Рис. 5.2. Схемы идеальных циклов дизеля и турбокомпрессора

• при смешанном подводе ;

• при подводе по изохоре (, ) ;

• при подводе по изобаре ()    ,

где  – термический КПД идеального цикла турбокомпрессора;

 – степень повышения давления при подводе теплоты к рабочему телу перед турбиной по изохоре (рис. 5.2, в);

 – степень увеличения удельного объема рабочего тела при подводе теплоты по изобаре;

 – степень понижения давления при отводе теплоты q ₂ в идеальном цикле поршневого двигателя по изохоре b - a. Между параметрами ,  и  существует соотношение .

Из (5.1) следует, что с повышением π _k, при прочих равных условиях, термический КПД увеличивается. Степень повышения давления π _k зависит от , условий (λ _T и ρ _T) и количества подведенной к турбине от поршневого двигателя теплоты . Значения π _k увеличиваются при повышении η _{t ТК} и при приближении подвода теплоты q ₃ к изобарному. Это подтверждается статистическими данными [4], согласно которым на практике высокая степень наддува  достигается при постоянном давлении газов перед турбиной. Импульсному наддуву соответствуют значения , так как в этом случае в процессе расширения газов в турбине давление и КПД изменяются и средние их значения оказываются заметно ниже, чем при изобарном наддуве.

Следует иметь в виду, что идеальные циклы могут быть использованы, в основном, для сравнительной оценки эффективности турбонаддува.