Процессы в цилиндре и трубопроводах при турбонаддуве одноцилиндрового двигателя

    Для оценки возможностей, которые представляет использование идеальных циклов при совершенствовании турбонаддува, рассмотрим соответствующие процессы, происходящие в цилиндре и трубопроводах.  На рис. 5.3 приведена схема одноцилиндрового турбопоршневого двигателя.. Агрегат наддува состоит из центробежного компрессора (ЦК) и радиально-осевой турбины (РОТ).

Рис. 5.3. Схема одноцилиндрового двигателя с турбонаддувом

       В процессе работы двигателя продукты сгорания из цилиндра 1 через выпускной клапан 2 поступают в трубопровод (ресивер) 3, а затем в турбину 4, где передают часть своей энергии лопаткам рабочего колеса. Через жесткую связь (совместный вал 5) вращение от турбины передается рабочему колесу компрессора 6. Сжатый воздух из компрессора с давлением p_k, через впускной трубопровод 7 и клапан 8 направляется в цилиндр.

       Для анализа процессов, происходящих в рассматриваемой энергетической установке, используем диаграммы изменения давления рабочего тела за цикл в цилиндре и трубопроводах (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Изменение давления в системе газообмена дизеля с турбонаддувом

       После открытия выпускного клапана (точка b) в трубопроводе начинает формироваться импульс давления газа  перед турбиной. В продолжение предварения выпуска истечение газа из цилиндра происходит с местной скоростью звука, т.к. отношение давлений . Вследствие этого давление в трубопроводе перед турбиной быстро возрастает и у ВМТ кривая изменения давления р_т приближается к кривой изменения давления   в цилиндре. На диаграмме идеального цикла (рис. 5.2, в)этот участок условно соответствует подводу теплоты к турбине по изохоре а - n. В продолжение от 190 до 340˚ п.к.в. кривые давления газа в цилиндре и трубопроводе, при незначительном изменении абсолютного значения p_т, протекают практически с постоянной разностью , которая поддерживается выталкивающим воздействием поршня. На диаграмме идеального цикла (рис. 5.2, в) этому процессу соответствует изобара n-m. Затем вследствие уменьшения проходного сечения клапана и количества газа в цилиндре давление перед турбиной быстро снижается, практически до атмосферного, что в идеальном цикле изображается адиабатой m-d. После окончания поступления газа в турбину до начала следующего цикла в поршневом двигателе давление в трубопроводе может незначительно колебаться относительно давления за турбиной, вследствие периодической работы центростремительной (радиальной) турбины в компрессорном режиме.

    Анализ процессов в одноцилиндровом турбопоршневом двигателе показывает, что расходы выпускных газов и их давление перед турбиной имеют импульсный характер. Не смотря на импульсный характер изменения давления газов в выпускном трубопроводе, частоту вращения ротора турбокомпрессора в продолжение цикла можно принять постоянной. Это обусловлено значительной его инерционностью, которая зависит от массы и частоты вращения ротора n_тк. Хотя строго говоря при малом числе цилиндров имеют место незначительные колебания n_тк, амплитуда которых тем большие, чем меньше количество цилиндров в двигателе с турбонаддувом.

   Во впускном трубопроводе с момента открытия клапана (после точки “u”) давление  начинает снижаться. Скорость снижения заметно увеличивается при малом объеме трубопровода, так как расход воздуха через клапан больше чем через компрессор. В результате давление в трубопроводе приближается к атмосферному давлению. Это приводит к уменьшению наполнения цилиндра свежим зарядом. После закрытия клапана (точка “a”) компрессор нагнетает воздух в замкнутый объем, давление в трубопроводе после компрессора повышается и при очень малом объеме может достигнуть значения сравнимого с предельным напором компрессора на данном режиме его работы. Расход воздуха через компрессор резко снижается, а в предельном случае может стать отрицательным (обратный ток воздуха). Компрессор входит в режим неустойчивой работы, то есть помпажа. Самым эффективным способом борьбы с этим явлением может быть увеличение объема впускного трубопровода (ресивера после компрессора). По этой же причине объем впускного трубопровода даже при числе подсоединенных к нему цилиндров более трех принимают равным . Таким образом, способ турбонаддува и его эффективность зависят не только от числа цилиндров, подающих газы в турбину и конструкции выпускного трубопровода, но и существенно от впускной системы турбопоршневого двигателя.

Приведенный анализ показывает, что использование идеальных циклов представляет несомненную ценность для лучшего изучения процессов, протекающих в турбопоршневом двигателе.