Motor cu ardere combinată

Motor cu combustie internă combinată ( motor cu ardere internă combinată ) - un motor cu ardere internă , care este o combinație de piston (piston rotativ) și mașină cu lame ( turbină , compresor), în care ambele mașini participă la implementarea procesului de lucru.

Scheme de motoare cu ardere internă combinată

Scheme cu racordare mecanică a mașinilor cu piston și lame

• Un motor cu combustie internă de tip piston cu un compresor cu palete  este cel mai simplu și mai vechi tip de motor cu ardere internă combinată. Compresorul cu palete - compresorul este antrenat printr-o transmisie mecanică de la arborele cotit al motorului cu combustie internă alternativă. O parte a procesului de compresie a încărcăturii are loc în mașina cu lame. A fost utilizat pe scară largă până în anii 60 în aviație (de exemplu, pe aeronava An-2 ), precum și pe motoarele diesel maritime M400 de mare putere. Avantajele includ o bună consistență între performanța supraalimentatorului și necesitatea unei încărcări proaspete a mașinii cu piston atât în ​​starea de funcționare constantă, cât și în modul de accelerare. Principalul dezavantaj este o preluare semnificativă a puterii utile de la un motor cu piston, motiv pentru care această schemă este utilizată relativ rar în noile tipuri de motoare.
• Motor cu combustie internă alternativă cu o turbină suplimentară care furnizează putere arborelui cotit  - în această schemă, energia gazelor de eșapament ale unui motor cu ardere internă cu piston funcționează într-o turbină cu gaz, care, printr-o transmisie mecanică, intră în arborele cotit al unui motor cu piston. Adică, o parte a procesului de expansiune are loc în mașina cu lame (turbină cu gaz). Avantajele schemei includ conversia energiei gazelor de eșapament în energie mecanică, ceea ce face posibilă creșterea eficienței unității. Dezavantajele includ dificultatea de a potrivi caracteristicile cuplu-viteză ale unui motor cu combustie internă alternativă și ale unei turbine cu gaz (în aceste scopuri, trebuie utilizat un convertor de cuplu ). Cele mai bune rezultate sunt obținute atunci când funcționează un motor cu piston la presiuni mari de supraalimentare (de la un compresor de antrenare sau un turbocompresor). În practică, o astfel de schemă (sub numele de marcă Turbo Compound) este utilizată în motoarele vehiculelor grele Scania .
• Un motor cu piston cu un compresor cu palete și o turbină suplimentară care furnizează putere arborelui cotit  este o combinație a celor două scheme de mai sus.
• Motor cu combustie internă cu turbină cu gaz cu compresor alternativ  - procesele de combustie și expansiune sunt efectuate într-o mașină cu lame (turbină cu gaz), iar o mașină cu piston acționată de o turbină cu gaz este utilizată pentru a comprima încărcătura. Nu există informații despre implementarea practică a unei astfel de scheme.

Scheme cu racordare la gaz a mașinilor cu piston și lame

• Motor cu combustie internă alternativă cu un turbocompresor  - gazele de eșapament ale unui motor cu combustie internă alternativă funcționează într-o turbină cu gaz, care antrenează un compresor cu palete care asigură presurizarea motorului cu combustie internă alternativă. Această schemă, numită turboalimentare , este în prezent foarte răspândită, deoarece vă permite să obțineți motoare cu combustie internă cu piston cu putere mare, fără a cheltui puterea utilă dezvoltată de motorul cu piston pe supraalimentare. Cu toate acestea, în ceea ce privește răspunsul clapetei de accelerație, motoarele cu combustie internă turbo sunt inferioare motoarele cu ardere internă cu un compresor de antrenare, ceea ce se datorează inerției rotorului turbocompresorului și inerției gazelor din căile de admisie și evacuare. Pentru a elimina acest dezavantaj la mașini și locomotive diesel, se folosesc motoare cu ardere internă, echipate cu mai multe turbocompresoare având rotoare cu un moment de inerție redus și situate în imediata apropiere a supapelor de admisie și evacuare. Pe tractoare și nave, unde nu există cerințe speciale pentru răspunsul accelerației, dimpotrivă, se folosesc turbocompresoare cu rotoare de dimensiuni mari, care suportă mai bine funcționarea pe termen lung în moduri apropiate de puterea maximă.
• ICE cu turbină pentru acționarea unităților auxiliare  - pentru acționarea unităților auxiliare (generatoare electrice, sisteme de aer condiționat), pot fi utilizate turbine cu gaz care folosesc energia gazelor de eșapament ale motoarelor cu ardere internă (inclusiv cele echipate cu turboalimentare). Această metodă și-a găsit aplicație pe navele fluviale și maritime pentru acționarea generatoarelor electrice, deoarece antrenarea generatorului de la arborele cotit al unui motor marin cu viteză mică este dificilă. Pe ambarcațiunile fluviale de tip Zarya (produse în anii 1980) și Voskhod, turbina cu gaz a servit drept motor pentru compresorul de aer condiționat.
• Piston supraalimentat ICE ca generator de gaz fierbinte cu priză de putere dintr-o turbină cu gaz  - cu o presiune mare de supraalimentare a unui motor cu ardere internă, cea mai mare parte a energiei eliberate în timpul procesului de lucru pleacă cu gazele de eșapament. Puterea specifică a unui astfel de jet de gaz este foarte mare, ceea ce face posibilă utilizarea acestuia într-o turbină cu gaz. Schema luată în considerare a devenit larg răspândită, deși limitată, în centralele electrice staționare, unde este necesară o putere mare la o viteză mare a arborelui de ieșire - peste 6000 rpm. Ca generator de gaz pentru motorul cu ardere internă cu piston, se folosesc în principal generatoarele de gaz cu piston liber . Odată cu dezvoltarea motoarelor cu combustie internă cu turbine cu gaz staționare, aplicarea schemei luate în considerare este redusă.
• Motor cu ardere internă cu turbină cu gaz în rolul unui compresor de aer furnizat unui motor cu piston  - o parte a aerului (de obicei mare) comprimat într-o turbină cu gaz motor cu ardere internă este descărcată într-o mașină cu piston - un motor pneumatic sau un motor cu combustie internă cu piston motor în modul de pornire cu aer comprimat. Schema și-a găsit aplicație în sistemele de pornire pentru motoare mari de nave, staționare și tancuri. O opțiune similară a fost luată în considerare și pentru conducerea locomotivelor (în acest caz, motorul-compresor instalat pe locomotivă în locul cazanului trebuia să alimenteze cilindrii motorului cu abur cu aer comprimat).

Istoria apariției motoarelor cu ardere internă combinată

Crearea motoarelor cu ardere internă combinată este asociată cu încercările de a elimina deficiențele inerente motoarelor cu combustie internă cu piston, identificate în stadiile incipiente ale dezvoltării lor.

Unul dintre dezavantajele semnificative ale unui motor cu ardere internă cu piston este că o cantitate semnificativă de energie (termică și cinetică) obținută prin arderea amestecului combustibil-aer din cilindri este dusă cu gazele de eșapament fără a lucra în motorul cu piston. Un alt dezavantaj al motoarelor cu combustie internă pur alternativă este imposibilitatea de a obține valori mari de putere pe unitatea de volum de lucru, care este asociată cu o cantitate limitată de aer (amestec) aspirat în cilindru în timpul procesului de admisie, și anume aerul ( amestec) presiunea în cilindru la sfârșitul cursei de admisie va fi întotdeauna mai mică decât cea atmosferică. Ultimul dezavantaj este deosebit de acut în aviație, unde pe măsură ce urcușul crește din cauza scăderii presiunii atmosferice, umplerea cilindrilor se înrăutățește și, în consecință, puterea motoarelor cu piston scade.

Pentru a îmbunătăți umplerea cilindrilor de gheață a aeronavelor, în special la altitudini mari, în anii 30 ai secolului XX, au început să folosească precomprimarea aerului într-un compresor cu pale (superalimentator) antrenat de arborele cotit al unui motor cu ardere internă. Într-o astfel de mașină combinată, o parte a ciclului termic al motorului cu ardere internă, și anume, o parte a ciclului de compresie , a fost efectuată într-un compresor cu pale. În cursa de admisie, aerul (amestec combustibil) a intrat în cilindrul motorului sub presiune excesivă, ceea ce a crescut masa încărcăturii. Acest lucru a făcut posibilă, în primul rând, creșterea puterii motoarelor fără creșterea volumului de lucru (și, în consecință, a masei motorului) și fără creșterea numărului de rotații (o creștere a numărului de rotații reduce eficiența motorului). elice și crește pierderile mecanice în motor). S-a rezolvat și problema căderii de putere la altitudini mari.

Cu toate acestea, o parte (în plus, una foarte semnificativă - aproximativ 10% - 20%) din puterea motorului a fost cheltuită pentru antrenarea compresorului cu lame de la arborele cotit, iar posibilitatea de a extrage puterea crescută a gazelor de eșapament în timpul supraalimentării nu a fost. folosit.

Odată cu dezvoltarea turbinelor cu gaz în anii 50 și 60, a devenit posibilă acționarea compresorului cu lame al supraalimentatorului nu de la arborele cotit, ci de la o turbină cu gaz condusă de energia gazelor de eșapament ale unei mașini cu piston. Au apărut motoarele cu turbocompresor , care sunt acum foarte răspândite.

Alte scheme ale motoarelor cu ardere internă combinate sunt folosite pentru a rezolva probleme specifice și nu au găsit o aplicație largă.