КПД тепловых двигателей

[sergey zhukov]

Вопрос о том, за счет чего увеличивается КПД поршневого двигателя, если применить наддув. В частности, турбонаддув. Как я это понимаю:

Термодинамический цикл поршневого двигателя (например, цикл Тринклера) имеет тот недостаток, что горячий газ всегда недорасширяется в цилиндре: на участке 5-1 энергия газа просто исчезает (выбрасывается в атмосферу):

Так неизбежно получается, когда объем цилиндра стараются использовать максимально: если в начале сжатия заполнять цилиндр воздухом с атмосферным давлением на 100% его объема, то в конце расширения этот же цилиндр не может расширить газы до атмосферного давления (у него не хватает объема). В принципе, достаточно было бы заполнять цилиндры менее, чем на 100% объема перед сжатием, чтобы этого избежать. Но это, конечно, снижает мощность.

Считается, что турбинные агрегаты свободны от этого недостатка, т.к. сжатие у них происходит в одном агрегате (компрессоре), а расширение – в другом (турбине). Всегда можно сконструировать турбину так, чтобы газ в ней расширялся практически до атмосферного давления. Соответственно, если на выходе поршневого двигателя поставить турбину, то она просто дорасширяет газ, т.е. с нее можно получить дополнительную работу 5-5’-1.

Эту работу можно непосредственно передать на выходной вал двигателя. В этом случае КПД двигателя увеличивается только за счет дорасширения газа после его расширения в цилиндре.

Или можно использовать эту работу для дополнительного сжатия воздуха перед подачей в цилиндр (собственно, турбонаддув). Если считать, что степень сжатия в цилиндре остается неизменной, то общая степень такого последовательного сжатия возрастает, что и ведет к увеличению КПД. Кроме того, такой двухступенчатый процесс сжатия удобно сделать с промежуточным охлаждением (так и делают), т.е. приблизить адиабатное сжатие к изотермическому, что так же увеличивает КПД.

Во втором случае КПД увеличивается больше, и это достигается, во первых, за счет простого увеличения параметров цикла (температура, степень сжатия), а так же за счет того, что поршневой двигатель становится все более похож на турбину в том смысле, что сжатие и расширение происходят в разных агрегатах. Сжатие все больше происходит в предварительном компрессоре (где его проще приблизить к изотермическому), а расширение – в выходной турбине (где проще получить полное расширение). Осталось сделать последний шаг и преобразовать цилиндр просто в камеру сгорания, а поршень вообще выкинуть.

Вопрос: правильно ли я понимаю, что главные причины увеличения КПД поршневого двигателя при применении турбонадува такие:

1. Используется работа дорасширения выхлопных газов;
2. Повышается степень сжатия агрегата;
3. Используется сжатие с промежуточным охлаждением.

[zykov]

Газотурбинный двигатель

Цитата:

Турбовальные двигатели (ТВаД) установлены на советском танке Т-80 (двигатель ГТД-1000Т) и американском М1 Абрамс.

Цитата:

Однако из-за низкого КПД газотурбинных двигателей, установленных на тихоходных (в отличие от самолётов) транспортных средствах, требуется гораздо большее количество возимого топлива для сравнимого с дизельным двигателем километрового запаса хода. Именно из-за расхода топлива, невзирая на все достоинства, танки типа Т-80 поэтапно выводятся из эксплуатации.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1588513 писал(а):

Вопрос: правильно ли я понимаю, что главные причины увеличения КПД поршневого двигателя при применении турбонадува такие:

Если говорить о дизельных двигателях, то:
Основное назначение турбонаддува это форсировка двигателя. Это позволяет получать большую мощность от двигателя имеющему меньший рабочий объём. А меньший рабочий объём - это меньше потери на трение в двигателе и меньше его масса и габариты.
Наддув особенно важен для дизельных двигателей так как они работают с большим коэффициентом избытка воздуха.

sergey zhukov в сообщении #1588513 писал(а):

1. Используется работа дорасширения выхлопных газов;

Да.

sergey zhukov в сообщении #1588513 писал(а):

2. Повышается степень сжатия агрегата;

Нет. Увеличение степени сжатия лимитируется образованием оксидов азота при высоких температурах сгорания и высоких степенях сжатия. Это не позволяет в дизелях делать очень большие степени сжатия, там большой коэффициент избытка воздуха.

sergey zhukov в сообщении #1588513 писал(а):

3. Используется сжатие с промежуточным охлаждением.

Влияние охлаждения воздуха после компрессора двоякое. С одной стороны, отвод тепла снижает температуру в цилиндре в конце сжатия, а это уменьшает кпд цикла. Но с другой стороны в цилиндрах больше количество воздуха, а это позволяет сжигать больше топлива, а это форсировка двигателя. Форсировка сказывается позитивно на механическом кпд.
Конечно в целом влияние охлаждения наддувочного воздуха позитивное.

Ещё позитивное влияние турбонаддува это возможность продувки камеры сгорания от отработавших газов. Давление после компрессора выше давления на входе в турбину. Продувка увеличивает наполнение цилиндров воздухом и, следовательно, мощность двигателя.

[sergey zhukov]

zykov
Да, турбины - не рекордсмены по КПД, конечно. Скорее, они рекордсмены по мощности на килограмм.

Я, зачарованный всеми теми ухищрениями, которые конструкторы применяют для охлаждения лопаток турбин, совсем проглядел один простой факт: максимальная температура в цилиндре карбюраторного ДВС после сгорания бензина чуть ли не вдвое выше, чем температура на выходе из камеры сгорания ГТУ. Конечно, так получается потому, что в карбюраторном двигателе сгорает практически стехиометрическая смесь (дающая максимально возможную температуру при сгорании), а в турбине газы после сгорания разбавляются большим количеством воздуха специально для того, чтобы снизить их температуру.

Я раньше полагал безусловным достоинством турбины то, что газы в ее проточном тракте на всем его протяжении находятся с деталями турбины в тепловом равновесии, т.е. потери на паразитный теплообмен отсутствуют. Совсем не то, что в поршневых двигателях, где в одном и том же цилиндре газ в разные моменты времени имеет существенно разную температуру.

Но это не всегда хорошо: средняя температура деталей поршневого двигателя значительно ниже максимальной температуры в цикле, а вот для деталей турбины все гораздо тяжелее. Может быть, поэтому имеет смысл заменить самую горячую центральную часть турбины поршневым двигателем, вставив его между турбинным компрессором и турбинным детандером.

rascas в сообщении #1588586 писал(а):

Это не позволяет в дизелях делать очень большие степени сжатия

Да, степень сжатия и без турбонаддува повысить не проблема, если бы не было других ограничений. Конечно, наддув - это в первую очеред увеличение мощности.

rascas в сообщении #1588586 писал(а):

Влияние охлаждения воздуха после компрессора двоякое

Тут еще можно заметить, что нагрев при помощи адиабатного процесса - слишком "дорогой", поскольку использует для нагрева дорогую механическую энергию. Экономичнее разделить задачи повышения давления и нагрева воздуха и провести их последовательно: для этого часть тепловой энергии топлива нужно преобразовать в механическую энергию и сжать воздух по изотерме, а оставшееся топливо просто сжечь в сжатом воздухе (по изобаре).

В цикле Карно адиабаты используются для "безударного" доведения рабочего тела с температуры холодильника к температуре нагревателя и наоборот. В реальных же тепловых двигателях по адиабате идет сжатие до и расширение после сгорания. Но на самом-то деле именно эти процессы и должны быть изотермами, а адиабатами должны быть процессы горения и охлаждения (в атмосфере). Поэтому приближением к циклу Карно является изотермическое (а не адиабатное) сжатие, начало процесса сжигания топлива и последующее изотермическое (а не адиабатное) расширение (сопровождающееся непрерывным сжиганием топлива).

[sergey zhukov]

rascas
Интересно. Мощность дизеля с наддувом увеличивается не потому, что повышаются параметры цикла (они как раз не меняются), а фактически потому, что эффективный "объем цилиндра" становится больше. Или, если точнее, эффективная "длина" цилиндра увеличивается. Фактически наддув равноценен просто удлиннению цилиндра и увеличению хода поршня без изменения степени сжатия (плюс промежуточное охлаждение и использование дорасширения, конечно).

[rascas]

Да. Наверное, огрублёно, не учитывая некоторые детали, можно сказать и так.

[sergey zhukov]

rascas
Еще интересно, что при помощи наддува можно поднимать мощность двигателя только до определенного предела.

Допустим, ограничение дизеля заключается в том, что мы не можем превышать максимальное давление и температуру газов в цилиндре. Обычно эти параметры имеют максимум в начале цикла расширения, и по ходу расширения падают. С точки зрения мощности это не эффективно: нам желательно, чтобы эти параметры на протяжении всего расширения были максимально возможными, чтобы цилиндр совершал максимально возможную работу на протяжении всего хода. Этого нетрудно добиться, сжигая изобарно топливо в цилиндре вплоть до самого конца цикла расширения. В атмосферном двигателе так делать слишком расточительно, т.к. в конце расширения придется выпустить целый цилиндр, заполнененный газом с максимальным давлением и температурой, просто в атмосферу, потеряв много энергии. В двигателе с турбонаддувом так делать можно, т.к. эта энергия не теряется, а фактически возвращается обратно в цикл в виде предварительно сжатого воздуха.

Т.е. смысл наддува двигателя заключается в том, чтобы сделать максимальные параметры цикла равными средним параметрам. Как только это достигнуто, наступает предел возможностей наддува. Фактически же он наступает, вероятно, еще раньше, т.к. повышение средней температуры цикла ведет к повышению средней температуры деталей, на которую тоже наложено ограничение.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1588751 писал(а):

сжигая изобарно топливо в цилиндре вплоть до самого конца цикла расширения

Для дизеля температура в конце предварительного расширения $T_z=2300K$. Максимальные температуры для турбины 900°C. Совершенно разные весовые категории. Пока не будут созданы турбины, позволяющие на вход принимать газ с температурой 2300К говорить о работе дизеля без процесса адиабатического расширение бессмысленно.

На мой взгляд газотурбинным двигателям никогда и близко не приблизился к КПД ДВС.

И ещё кое-что по наддув:
Наддув в ДВС бывает импульсный и при постоянном давлении. Если Вы не знакомы с различиями типов наддува и, если Вас интересует наддув в ДВС постарайтесь разобраться в работе этих видов наддува. В том числе как эти различия отображаются на pV-диаграмме.

[sergey zhukov]

rascas
Если взять импульсную турбину, то $PV$ диаграмма двигателя с таким наддувом (без промежуточного теплообменника) нарисована выше. По сути, это почти цикл газовой турбины (цикл Брайтона).

Вот как можно понять смысл наддува двигателя. Возьмем некоторый цилиндр (1) с определенным ходом поршня (синий) и камерой сгорания (красная):


Как нам увеличить мощность такого двигателя, никак не меняя параметры цикла? Можно увеличить площадь поршня, не увеличивая его ход (2). А можно, не меняя площади цилиндра, увеличить его ход и пропорционально увеличить камеру сгорания (3).

В последнем случае можно значительно сократить ход поршня (заставить его работать только в заштрихованной области), если остальную область хода поршня (часть расширения и часть сжатия) возьмет на себя наружный турбокомпрессор. Все равно часть мощности в цикле - реактивная, в том смысле, что работа в одной части цикла (расширение) получается лишь для того, чтобы быть потраченной в другой части цикла (сжатие). Эту реактивную мощность можно вообще не передавать на вал двигателя, а заставить ее крутиться в турбокомпрессоре.

Таким образом, можно получить более мощный двигатель (3) по размеру не больше, чем (1), увеличив камеру сгорания за счет уменьшения хода поршня и навесив снаружи турбокомпрессор. Мощность возрастает за счет бОльшего количества смеси, участвующей в каждом цикле. Параметры цикла остаются неизменными. Однако средняя температура в камере сгорания, конечно, повышается, что ведет к более сильному нагреву деталей камеры.

[sergey zhukov]

Если не учитывать использование дорасширения выхлопных газов в турбине и промежуточное охлаждение на всасе, то термодинамический цикл работы турбированного двигателя остается таким же, как у исходного атмосферного двигателя. Увеличение мощности происходит только из-за увеличения количества рабочего тела в цикле. Основной смысл турбирования как раз и заключается в увеличении количества рабочего тела в цикле. Для этого камера сгорания в двигателе должна быть увеличена (то, что называется уменьшением степени сжатия), а турбина и компрессор являются просто внешним продолжением цилиндра. В принципе, расхожее представление (запихнул больше воздуха в цилиндр - получил большую мощность) оказывается верным.

Турбированный двигатель той же мощности компактнее атмосферного фактически за счет того, что турбина берет на себя ту часть хода поршня, где давление в цилиндре мало (гипотетический удлинненый цилиндр и поршень из примера в предыдущем сообщении). В этой области медленная работа массивного поршня неэффективна из-за его малой скорости. Поршень с его относительно малыми скоростями и высокой прочностью должен работать только в области высоких давлений в цилиндре. В области малых давлений лучше работать быстрой и легкой турбиной, которая за счет высокой скорости получается малой и успевает сжимать рабочее тело для всех цилиндров сразу. Т.е. можно сказать, что турбированный двигатель имеет высокие обороты на малом давлении и низкие обороты на высоком давлении в цилиндре.

Скажем, если нужно сжимать воздух поршневым компрессором с высоким давлением и расходом, то имеет смысл поставить последовательно два компрессора. Первый должен быть легким и (поэтому) высокооборотным и маленьким. Он будет осуществлять предварительное сжатие с небольшой степенью сжатия. Второй будет низкооборотным, но прочным и массивным. Он будет дожимать воздух до высокого давления на относительно небольших оборотах. Если использовать только массивный компрессор для этой задачи, его габариты будут заметно больше, чем у этой пары, и это будет неэффективным его использованием.

[amon]

sergey zhukov в сообщении #1592324 писал(а):

Основной смысл турбирования как раз и заключается в увеличении количества рабочего тела в цикле.

Не столько рабочего тела, сколько топлива. В цилиндр турбинированного двигателя можно запихнуть больше топлива, и оно успеет сгореть за рабочий цикл (для дизеля), либо сохранить стехиометрию (для бензина).

[sergey zhukov]

amon
Это конечно. Если параметры цикла остаются неизменными, то увеличение количества рабочего тела в цикле автоматически влечет за собой увеличение подачи топлива.