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.