Motor de combustión combinado
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Motor de combustión interna combinado ( motor de combustión interna combinado ) - un motor de combustión interna , que es una combinación de un pistón (pistón rotativo) y una máquina de palas ( turbina , compresor), en la que ambas máquinas participan en la implementación del proceso de trabajo.
Esquemas de motores de combustión interna combinados
Esquemas con conexión mecánica de máquinas de pistones y palas
- Un motor de combustión interna tipo pistón con un sobrealimentador de paletas es el tipo más simple y antiguo de motor de combustión interna combinado. El compresor de paletas -sobrealimentador es impulsado a través de una transmisión mecánica desde el cigüeñal del motor alternativo de combustión interna. Parte del proceso de compresión de la carga tiene lugar en la máquina de álabes. Fue muy utilizado hasta los años 60 en la aviación (por ejemplo, en los aviones An-2 ), así como en los motores diesel marinos M400 de alta potencia. Las ventajas incluyen una buena consistencia entre el rendimiento del sobrealimentador y la necesidad de una nueva carga de la máquina de pistones tanto en el estado de funcionamiento constante como en el modo de aceleración. La principal desventaja es un despegue significativo de potencia útil de un motor de pistón, razón por la cual este esquema se usa relativamente raramente en nuevos tipos de motores.
- Motor alternativo de combustión interna con una turbina adicional que entrega potencia al cigüeñal - en este esquema, la energía de los gases de escape de un motor de combustión interna de pistón realiza trabajo en una turbina de gas, la cual, a través de una transmisión mecánica, ingresa al cigüeñal de un motor de pistones. Es decir, parte del proceso de expansión tiene lugar en la máquina de álabes (turbina de gas). Las ventajas del esquema incluyen la conversión de la energía de los gases de escape en energía mecánica, lo que permite aumentar la eficiencia de la unidad. Las desventajas incluyen la dificultad de igualar las características par-velocidad de un motor alternativo de combustión interna y una turbina de gas (para estos fines, se debe utilizar un convertidor de par ). Los mejores resultados se logran cuando se opera un motor de pistón a altas presiones de sobrealimentación (desde un compresor de accionamiento o un turbocargador). En la práctica, dicho esquema (bajo la marca Turbo Compound) se usa en los motores de los vehículos pesados Scania .
- Un motor de pistón con un sobrealimentador de paletas y una turbina adicional que entrega potencia al cigüeñal es una combinación de los dos esquemas anteriores.
- Motor de combustión interna de turbina de gas con compresor alternativo : los procesos de combustión y expansión se llevan a cabo en una máquina de paletas (turbina de gas), y se utiliza una máquina de pistón impulsada por una turbina de gas para comprimir la carga. No hay información sobre la implementación práctica de tal esquema.
Esquemas con conexión de gas de máquinas alternativas y de palas
- Motor alternativo de combustión interna con turbocompresor : los gases de escape de un motor alternativo de combustión interna funcionan en una turbina de gas, que impulsa un compresor de paletas que proporciona presurización al motor alternativo de combustión interna. Este esquema, llamado turbocompresor , está muy extendido actualmente, ya que permite obtener motores de combustión interna de pistón de alta potencia de litro sin gastar la potencia útil desarrollada por el motor de pistón en sobrealimentación. Sin embargo, en términos de respuesta del acelerador, los motores de combustión interna con turbocompresor son inferiores a los motores de combustión interna con compresor de accionamiento, lo que se debe a la inercia del rotor del turbocompresor y la inercia de los gases en los conductos de admisión y escape. Para eliminar este inconveniente en automóviles y locomotoras diesel, se utilizan motores de combustión interna, equipados con varios turbocompresores que tienen impulsores con un bajo momento de inercia y ubicados en las proximidades de las válvulas de admisión y escape. En tractores y barcos, donde no existen requisitos especiales para la respuesta del acelerador, por el contrario, se utilizan turbocompresores con impulsores de gran tamaño, que soportan mejor el funcionamiento a largo plazo en modos cercanos a la máxima potencia.
- ICE con turbina para accionamiento de unidades auxiliares : para el accionamiento de unidades auxiliares (generadores eléctricos, sistemas de aire acondicionado), se pueden utilizar turbinas de gas que utilizan la energía de los gases de escape de los motores de combustión interna (incluidos los equipados con turbocompresor). Este método ha encontrado aplicación en embarcaciones fluviales y marítimas para accionar generadores eléctricos, ya que es difícil accionar el generador desde el cigüeñal de un motor marino de baja velocidad. En los barcos fluviales del tipo Zarya (producido en la década de 1980) y Voskhod, la turbina de gas servía como accionamiento para el compresor de aire acondicionado.
- ICE de pistón sobrealimentado como generador de gas caliente con toma de fuerza de una turbina de gas : con una alta presión de sobrealimentación de un motor de combustión interna, la mayor parte de la energía liberada durante el proceso de trabajo sale con los gases de escape. La potencia específica de un chorro de gas de este tipo es muy alta, lo que hace posible su uso en una turbina de gas. El esquema bajo consideración se ha generalizado, aunque limitado, en plantas de energía estacionarias, donde se requiere alta potencia a una alta velocidad del eje de salida, más de 6000 rpm. Como generador de gas de motor de combustión interna de pistón, se utilizan principalmente generadores de gas de pistón libre . Con el desarrollo de los motores de combustión interna de turbina de gas estacionaria, se reduce la aplicación del esquema considerado.
- Motor de combustión interna de turbina de gas en el papel de un compresor de aire suministrado a un motor de pistón : parte del aire (generalmente grande) comprimido en un motor de combustión interna de turbina de gas se descarga en una máquina de pistón: un motor neumático o una combustión interna de pistón motor en modo de arranque de aire comprimido. El esquema ha encontrado aplicación en sistemas de puesta en marcha para motores de barcos grandes, estacionarios y de tanques. También se consideró una opción similar para conducir locomotoras (en este caso, se suponía que el motor-compresor instalado en la locomotora en lugar de la caldera alimentaría los cilindros de la máquina de vapor con aire comprimido).
La historia de la aparición de motores de combustión interna combinados
La creación de motores de combustión interna combinados está asociada con los intentos de eliminar las deficiencias inherentes a los motores de combustión interna alternativos, identificados en las primeras etapas de su desarrollo.
Una de las desventajas significativas de un motor de combustión interna de pistón es que una cantidad significativa de energía (térmica y cinética) obtenida al quemar la mezcla de combustible y aire en los cilindros se lleva con los gases de escape sin realizar trabajo en el motor de pistón. Otra desventaja de los motores de combustión interna puramente alternativos es la imposibilidad de obtener altos valores de potencia por unidad de volumen de trabajo, lo que está asociado con una cantidad limitada de aire (mezcla) aspirado en el cilindro durante el proceso de admisión, es decir, el aire ( mezcla) la presión en el cilindro al final de la carrera de admisión siempre será menor que la atmosférica. Este último inconveniente es especialmente agudo en la aviación, donde a medida que aumenta el ascenso por disminución de la presión atmosférica, empeora el llenado de los cilindros y, en consecuencia, disminuye la potencia de los motores de pistón.
Para mejorar el llenado de los cilindros de HIELO de los aviones, especialmente a gran altura, en los años 30 del siglo XX se empezó a utilizar la precompresión de aire en un compresor de palas (sobrealimentador) accionado por el cigüeñal de un motor de combustión interna. En una máquina combinada de este tipo, parte del ciclo térmico del motor de combustión interna, es decir, parte del ciclo de compresión , se realizaba en un compresor de álabes. En la carrera de admisión, el aire (mezcla combustible) ingresó al cilindro del motor en exceso de presión, lo que aumentó la masa de la carga. Esto permitió, en primer lugar, aumentar la potencia de los motores sin aumentar el volumen de trabajo (y, en consecuencia, la masa del motor) y sin aumentar el número de revoluciones (un aumento en el número de revoluciones reduce la eficiencia del motor). hélice y aumenta las pérdidas mecánicas en el motor). También se resolvió el problema de la caída de potencia a gran altura.
Sin embargo, una parte (además, muy significativa, alrededor del 10% - 20%) de la potencia del motor se gastó en la transmisión del compresor de paletas desde el cigüeñal, y la posibilidad de extraer la mayor potencia de los gases de escape durante la sobrealimentación no fue usó.
Con el desarrollo de las turbinas de gas en las décadas de 1950 y 1960, se hizo posible accionar el compresor de paletas del sobrealimentador no desde el cigüeñal, sino desde una turbina de gas impulsada por la energía de los gases de escape de una máquina alternativa. Surgieron los motores turboalimentados , que ahora están muy extendidos.
Otros esquemas de motores de combustión interna combinados se utilizan para resolver problemas específicos y no han encontrado una amplia aplicación.