2.3. Газотурбинный наддув при постоянном давлении.

На рис. 2.12. приведена схема цикла двигателя с газотурбинным наддувом постоянного давления. В этом случае выпускные газы (отвод тепла Q₂) поступают на лопатки ГТ (подвод тепла Q₂’ к газовой турбине на участке a’ – b₁ – b”) не мгновенно при открытии выпускных клапанов, а лишь после перетекания в выпускной коллектор сравнительно большого объёма. В коллекторе сохраняется постоянное давление (Р_a’).

Рис. 2.12. Цикл комбинированного двигателя с газовой турбиной постоянного давления.

По линии b” – b”’ происходит расширение газов в турбине, а затем выпуск газов (отвод тепла Q”₂). По сравнению с циклом, в котором используется импульсный наддув, в данном случае произошла потеря части работы продолженного расширения (эквивалентной площади a’ – b’ – b₁ – a’). Однако, некоторая часть этой потерянной работы возвратилась, благодаря торможению газа в выпускном коллекторе. Это увеличило работу продолженного расширения на величину, эквивалентную площади b₁ – b” – b”’ – b – b₁. В целом, к. п. д. такого цикла при прочих равных условиях, а также полезная работа и среднее давление цикла будут ниже, чем цикла с импульсной ГТ.

Очевидно, что и в этом случае, хотя и с меньшей эффективностью, можно реализовать цикл турбокомпаундного двигателя и установки с СПГГ.

Стремление повысить массовую зарядку цилиндра воздухом, т. е. повысить степень наддува, привело к созданию двигателей с наддувом и промежуточным охлаждением воздуха (в литературе иногда пишут “промохлаждение”, на капотах зарубежных автомобилей в этом случае пишут не просто “turbo”, а ещё “intercooler”). Задача здесь заключается в том, чтобы охладить сжатый компрессором воздух и тем самым увеличить его плотность, а значит и массовое наполнение цилиндра.

2.4. Наддув с промежуточным охлаждением воздуха.

Схема цикла комбинированного двигателя с промежуточным охлаждением воздуха показана на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Цикл комбинированного двигателя с промежуточным охлаждением воздуха.

Он включает в себя процессы в поршневой части двигателя, а именно, сжатие (участок a” – с), подвод тепла при V = Const и при P = Const (c – z и z – z’), расширение в поршневой части (z’ – b’) и отвод тепла (b’ – a”). Отводимое от поршневой части тепло в количестве Q₂ подводится к газовой турбине, совершающей цикл b’ – b – a – 1 – 3 – b’. В газовой турбине происходит расширение газов на участке b’ - b и отвод тепла в количестве Q’₂  Q₂, т. к. произведена работа. Работа газовой турбины передаётся компрессору, осуществляющему цикл a – 1 – 2 – a” - a’ – a. В компрессоре воздух сжимается по линии a – a’ и нагнетается в поршневую часть через холодильник. Нагнетание происходит при постоянном давлении, а благодаря снижению температуры происходит уменьшение объёма подаваемого заряда от V_a’ до V_a”. На участке a” – c происходит сжатие заряда в цилиндре поршневой части двигателя. При этом сжатие в поршневой части происходит со степенью сжатия предусмотренной в двигателе величины, равной V_a’/V_c’ = V_a”/V_c. Т. е. конструктивно двигатель сохранил свою степень сжатия, а термодинамически произошло уменьшение объёма сжатия от V_c’ до V_c, следовательно, в соответствии с отмеченными ранее принципами воздействия на к. п. д. цикла, произошло его повышение.

Если сохранить постоянной величину рабочего объёма поршневой части двигателя, то физически происходит увеличение массового наполнения цилиндра воздухом, и появляется возможность сжигания большего количества топлива, т. е. увеличения производимой работы. Как видно из схемы цикла, при промежуточном охлаждении происходит уменьшение рабочего объёма цилиндра (V_h  V_h’). Следовательно даже при неизменной работе цикла происходит повышение среднего давления P_t. Таким образом, применением промежуточного охлаждения наддувочного воздуха удаётся достигнуть повышения работы цикла, увеличения его к. п. д. и повышения среднего давления цикла.

Очевидно, что принцип промежуточного охлаждения можно применить не только при импульсном наддуве, но и при наддуве с турбиной постоянного давления. Отмеченные выше возможности создания двигателя с силовой газовой турбиной сохраняются и в данном случае. Т. е. конечно наиболее целесообразно создавать турбокомпаундный двигатель, используя принципы промежуточного охлаждения воздуха.

Наибольшие возможности повышения мощности силовой газовой турбины могут быть достигнуты в “адиабатном двигателе”, не имеющем потерь тепла на теплообмен с окружающей средой. Известно (рис. 2.14), что в двигателе с теплообменом порядка 30 % подведённого тепла (Q) отводится в окружающую среду (Q_w), примерно столько же тратится на изменение внутренней энергии газов (U) и примерно 40 % используется полезно (Q_e) (рис. 2.14.А.).

Рис. 2.14. Сравнение баланса тепла для двигателей с обычным теплообменом с окружающей средой (А) и “адиабатного” (Б), т. е. без теплообмена с окружающей средой.

Идея “адиабатного” двигателя заключается в том, что если исключить потери тепла в окружающую среду, то можно увеличить полезно используемое тепло (Q_e) и поднять внутреннюю энергию отработавших газов (U), которую использовать в газовой турбине (рис. 2.14.Б). Предполагается, что такой двигатель при высокой экономичности будет обладать ещё более высокими показателями удельной работы, удельной мощности.