2.3. Термодинамические циклы двс с наддувом

Наполнение цилиндра ДВС без наддува зависит от гидравлического сопротивления, создаваемого воздушным фильтром 1, впускным коллектором 2, впускным патрубком 3 и впускным клапаном 4 цилиндра 5 (рис. 2.10а).

Рис. 2.10. Схемы ДВС:

а – ДВС без наддува; б – ДВС с наддувом

У ДВС с наддувом для повышения давления р_к в цилиндре 5 необходим компрессор 6 той или иной конструкции (рис. 2.10б). Увеличивая давление р_к и плотность ρ_в заряда в цилиндре 5, компрессор 6 создает условия для увеличения наполнения цилиндра 5 воздухом и, соответственно, для сжигания большего количества топлива. Таким образом, в ДВС с наддувом можно получить большую энергию при том же iV_h.

Кроме того, компрессор создает условия для улучшения очистки объема сжатия (камеры сгорания) V_c от остаточных газов предыдущего цикла, что способствует снижению содержания вредных веществ в отработавших газах.

Последнее направление предполагает принудительную подачу заряда в цилиндр и переход к комбинированному двигателю, в котором путем наддува можно наиболее эффективно увеличить мощность поршневой части ДВС без изменения ее рабочего объема iV_h. В настоящее время достигнуты уровни = 6,0 и более, что позволяет почти в пять раз повысить мощность при практически тех же габаритах и весе ДВС (рис. 2.11).

2.3.1. Циклы двс с наддувом и турбиной постоянного давления

Первое успешное применение ДВС и газовой турбины было при использовании системы с постоянным давлением выпускных газов в выпускном коллекторе ДВС. В настоящее время ДВС с газовой турбиной постоянного давления используются, в основном, на крупных судовых и стационарных ДВС (рис. 2.12.).

Рис. 2.11. Сравнение габаритов дизелей с одинаковой N_e:

1 – восьмицилиндровый ДВС без наддува;

2 – пятицилиндровый ДВС с наддувом

Рис. 2.12. Схема комбинированного ДВС с

турбиной постоянного давления

При работе отработавшие газы из поршневого двигателя 1 поступают через выпускной коллектор 2 на газовую турбину 3, на лопатках которой происходит их расширение при совершении работы. Работа турбины 3 используется для привода компрессора 4, в котором происходит сжатие поступающего из атмосферы воздуха, направляемого через впускной коллектор 5 в цилиндры поршневого двигателя 1.

В комбинированных ДВС для осуществления наддува обычно используют турбокомпрессоры, в которых газовая турбина 3 сблокирована с компрессором 4 через общий вал 6.

На рис. 2.13 показан цикл дизеля с газотурбинным наддувом, в котором турбина работает при постоянном давлении р_т отработавших газов поршневой части ДВС.

Рис. 2.13. Цикл дизеля с постоянным давлением выпускных газов перед турбиной

Состояние газов на входе в турбину характеризуется точкой f, лежащей правее адиабаты , поскольку переход кинетической энергии газов в тепловую энергию происходит при увеличении их объема.

Процесс расширения газов в турбине происходит по адиабате f – g, а сжатие воздуха в компрессоре по адиабате , поэтому за термодинамический цикл комбинированного ДВС с постоянным давлением перед турбиной принимают цикл, состоящий из цикла , происходящего в поршневой части двигателя с подводом теплоты q₁ при V = const. (участок c – ) и (или) при р = const. (участок ), а отвод теплоты q₂ происходит при V = const. .

Цикл происходит в лопаточных машинах (турбине и компрессоре) с подводом теплоты при р = const. и отводом теплоты (выпуск газов в окружающую среду) при р = const. . Количество теплоты, подведенной в цикле лопаточных машин, равно количеству теплоты, отведенной в цикле поршневой части двигателя за вычетом потерь. Таким образом, в цикле лопаточных машин реализуется работа, соответствующая площади .

Общий КПД цикла комбинированного ДВС с постоянным давлением перед турбиной определяют по формуле:

, (2.38)

где - общая степень сжатия в цилиндре и компрессоре;

- степень сжатия в поршневой части ДВС, а - степень сжатия в компрессоре.

Среднее давление комбинированного цикла с постоянным давлением перед турбиной определяют по формуле:

. (2.39)

Характеристики потока газа в турбине с постоянным давлением отработавших газов определяются в основном конструкцией выпускного коллектора, имеющего достаточно большой объем, в котором импульсы давления р_р и температуры Т_р потока отработавших газов в выпускных патрубках цилиндров сглаживаются до значений р_т и Т_т перед турбиной.

К выпускному коллектору ДВС с постоянным давлением перед турбиной подсоединяют выпускные патрубки всех цилиндров или одного ряда цилиндров, поэтому выпускная система ДВС проста по устройству и изготовлению. В ДВС с турбиной постоянного давления потери работоспособности отработавших газов при перетекании их из цилиндра в турбину составляют большую часть их возможной работоспособности.