Рис 2.6. схема бескомпрессорного дизеля с предкамерой.
Рис 2.7. Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) в P - V и T - S диаграммах.
Термодинамические процессы идеального цикла ДВС сосмешанным подводом теплоты:
1-2 - адиабатное сжатие воздуха в цилиндре до ε = 14..22 для достижения надежного самовоспламенения топлива при контакте со сжатым воздухом в точке 2;
2-3 – изохорный подвод первой части теплоты 
от быстрого сгорания части топлива в предкамере или в головке цилиндра в смеси со сжатым воздухом;
3-4 – изобарный подвод второй части теплоты 
от догорания в цилиндре оставшейся части топлива;
4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре;
5-1 – изохорный отвод теплоты 
(выхлоп) с возвращением рабочего тела в исходное состояние.
( В индикаторной диаграмме процесс 5-1 совершается за два такта (хода поршня); 5-0 – выхлоп продуктов сгорания; 0-1- всасывание в цилиндр атмосферного воздуха.)
Характеристиками цикла Тринклера являются:
- степень сжатия (воздуха);
- степень повышения давления (от изохорного сгорания части топлива в предкамере);
- степень предварительного расширения рабочего тела (от изобарного догорания оставшейся части топлива в цилиндре). Величина ρ не превышает ε.
- подведенная теплота в процессе 2-3;
- подведенная теплота в процессе 3-4;
- отведенная теплота в процессе 5-1.
Термический КПД цикла Тринклера
;
Где 
- показатель адиабаты рабочего тела.
Параметры рабочего тела в узловых (характерных) точках цикла:
Точка 2
- конечный объем воздуха при его
адиабатном сжатии в цилиндре;
,
или
- конечное давление адиабатного
сжатия воздуха в цилиндре;
,
или
- конечная температура адиабатного
сжатия воздуха в цилиндре;
Точка 3
,
или
- конечный объем продуктов изохорного
сжигания части топлива в предкамере
или в головке цилиндра;
,
или
- конечное давление продуктов
изохорного сжигания части топлива;
или
- конечная температура
продуктов изохорного сжигания части топлива;
Точка 4
,
или
- конечный объем продуктов
изобарного догорания топлива в цилиндре;
,
или
- давление продуктов сгорания топлива
при его полном догорании в условиях
изобарного расширения газа в цилиндре;
,
или
- конечная температура продуктов
изобарного догорания топлива в цилиндре;
Точка 5
- объем продуктов сгорания при
завершении адиабатного расширения в цилиндре;
,
или
- конечное давление адиабатного
расширения продуктов сгорания топлива;
,
или
- конечная температура адиабатного
расширения продуктов сгорания топлива;
Подставляя найденные значения 
в формулу для термического КПД, получим
(2.21.)
Из этой обобщающей формулы следует, что 
растет с увеличением 
, и уменьшаются при увеличении .
При 
цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл Отто, у которого
,
а при 
- в цикл Дизеля, у которого
.
При одинаковых значениях максимального давления, максимальной температуры и одинаковых значениях отводимой теплоты , но различных значениях
В этом случае максимальное значение степени сжатия будет у ДВС с циклом Дизеля.
Доля теплоты, подведенной в изохорном процессе:
(2.22.)
Расчеты показывают, что, начиная с 
, дальнейшее увеличение ее значения приводит к слабому увеличению . С точностью до 2%, полагают, что при 
.
Подставляя в формулу для степени повышения давления 
значения 
и 
, получим
(2.23.),
где 
.
Из формулы (2.23.) следует, что увеличение 
приводит к сильному увеличению , а, значит к значительному повышению максимального давления в цикле
На практике 
, так как при более высоких значениях заметно ухудшаются условия работы кривошипно – шатунного механизма ДВС, увеличивается шумность двигателя и снижается его механический КПД.
Подставляя в формулу для степени предварительного расширения значения 
и 
, получим
(2.24.)
Зависимости (2.23.) и (2.24.) позволяют задать характеристики двигателя и при известных значениях 
и .
Важным показателем цикла в целом служит среднее давление цикла 
(2.25.)
Здесь ( 
) – рабочий объем цилиндра, то есть объем описываемый поршнем 
.
Из (2.25.) 
- это работа, полученная с единицы рабочего объема цилиндра (удельная работа).
Так как
,
То 
,
или
(2.26.)
Здесь
- тепловая нагрузка единицы объема камеры сгорания, Дж/м 
.
Подставляя в формулу (2.26.) значения 
, 
и 
, получим
(2.27.)
В формуле (2.26.)
(2.28.)
и
(2.29.)
Для повышения за счет увеличения 
в дизелях применяют наддув.
Полагая , получим по формуле (2.27.) для цикла Отто
(2.30.)
При 
из формулы (2.27.) получим среднее давление в цикле Дизеля
(2.31.),
где степень предварительного расширения из (2.24.) при 
(2.32.)
Таким образом зависит от , т.е. от тепловой нагрузки.
Так как входит в формулы для 
и 
,то термический КПД и среднее давление цикла Дизеля, в отличие от цикла Отто, зависят от тепловой нагрузки . С увеличением тепловой нагрузки снижается, а увеличивается.
3. Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
ГТУ относятся к двигателям внутреннего сгорания. В ГТУ газообразные продукты сгорания топлива направляются в турбину, где расширяются в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины, вращая колесо турбины. В поршневых ДВС все процессы проходят в цилиндре, последовательно чередуясь, а в ГТУ - одновременно в разных элементах ГТУ при непрерывном или пульсирующем потоке через них рабочего тела. В случае непрерывного потока рабочего тела подвод теплоты идет при постоянном давлении, а при пульсирующем - при постоянном объеме.
Преимущества ГТУ по сравнению с поршневым ДВС:
1.Возможность полного расширения рабочего тела в турбине до атмосферного давления, это увеличивает термический КПД двигателя;
2.Отсутствие деталей, совершающих возвратно – поступательные движения;
3. Меньшие габариты и масса (за счет большой частоты вращения), простота конструкции, использование дешевого топлива(керосин);
4.Возможность достижения больших мощностей в одном агрегате.
Допущения, принятые для идеальных термодинамических циклов ГТУ:
- рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью ( 
);
- циклы обратимы;
- подвод теплоты не изменяет химический состав рабочего тела;
- отвод теплоты – обратимый процесс;
- тепловые и гидравлические потери отсутствуют;
- отвод теплоты в случае полного расширения до атмосферного давления происходит при 
.
Виды идеальных циклов ГТУ:
1. Циклы с подводом теплоты при постоянном давлении;
2. Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме;
3. Циклы с регенерацией теплоты.
3.1.Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
На рис.3.1. представлена схема простейшей (одновальной) ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении.
Рис 3.1.Принципиальная схема одновальной ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении:1 – топливный бак; 2 – топливный насос; 3 – форсунка; 4 – компрессор; 5 – камера сгорания; 6 – сопловой аппарат; 7 – рабочие лопатки; 8 – газовая турбина ; 9 – выпускной патрубок;9 – электрогенератор.
Жидкое топливо из бака 1 топливным насосом 2, с приводом от газовой турбины 8, непрерывно подается из форсунки 3 и впрыскивается через них в камеру сгорания 5. В камеру сгорания компрессором 4, приводимым в движение газовой турбиной 8, подается сжатый воздух. В начальной момент запуска ГТУ воспламенение топливной смеси производится от электрической свечи, а затем от факела пламени (при включенной свече). При пуске ГТУ вал турбокомпрессора (газовая турбина плюс компрессор) раскручивается стартером до пусковой частоты вращения и только затем топливо подается в камеру сгорания. Температура продуктов сгорания топлива составляет примерно 2000°С, поэтому для сохранения лопаток турбины 7 в поток продуктов сгорания за зоной горения подмешивается избыточный воздух, снижающий температуру газов до 800 - 1200°С для транспортных ГТУ, а для авиационных – до 1300 - 1400°С. В камеру сгорания воздуха подается в 3,5 – 4,5 раза больше теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Из камеры сгорания газ направляется в сопловой аппарат 6 газовой турбины 8, где в процессе расширения совершает механическую работу по вращению рабочего колеса турбины. Часть этой работы идет на привод компрессора. Отработавшие газы через выпускной патрубок 9 выбрасываются в атмосферу.
На рис. 3.2. представлен идеальный цикл рассматриваемой ГТУ.
Рис.3.2. Термодинамический идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при P = Const на P - V , T - S и I - S диаграммах.
Рабочим телом в компрессоре является воздух, а в камере сгорания и турбине – продукты сгорания топлива.
Процессы цикла:
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре с повышением давления от до и температуры от 
до 
;
2-3 – изобарное ( 
) расширение рабочего тела в камере сгорания с подводом теплоты 
от сгорания топливной смеси с повышением температуры от до 
;
3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой турбины до начального давления воздуха с понижением температуры от до 
;
4-1 – условный изобарный ( 
) отвод теплоты при возвращении системы к начальному состоянию с параметрами 
.(В действительности – это два реальных процесса: выброс из турбины всех продуктов сгорания в атмосферу и всасывание в компрессор новой порции атмосферного воздуха.)
Характеристики цикла:
- степень повышения давления воздуха в компрессоре (процесс 1-2);
- степень предварительного расширения рабочего тела в камере сгорания (процесс 2-3);
Удельная подведенная теплота
;
Удельная отведенная теплота
;
Термический КПД цикла
Определим параметры рабочего тела в узловых (характерных) точках цикла.
Точка 2
- конечное давление адиабатного
сжатия воздуха в компрессоре;
или
- конечная температура адиабатного
сжатия воздуха в компрессоре;
или
- удельный объем воздуха в конце
адиабатного сжатия в компрессоре.
Точка 3
- давление рабочего тела в конце изобарного
расширения с подводом теплоты в камере
сгорания (давление на входе в турбину);
или
- конечная температура рабочего тела
при его изобарном расширении с подводом
теплоты (температура на входе в газовую турбину);
или
- удельный объем продуктов
сгорания на входе в турбину;
Точка 4
или
- конечная температура адиабатного
расширения продуктов сгорания топлива в газовой турбине.
или
- конечный удельный объем рабочего тела
после его расширения в турбине.
Подставляя значения 
в формулу для термического КПД, получим
Или окончательно
(3.1.)
Из этой формулы следует, что термический КПД ГТУ при данном κ рабочего тела зависит только от степени повышения давления воздуха в компрессоре 
и увеличивается с ростом .
Удельная работа цикла 
равна разности между полезной работой расширения в турбине (площадь с-3-4-d-c на P-V диаграмме рис. 3.2.) и полезной работой сжатия в компрессоре (площадь с-2-1-d-c)
(3.2.)
Получим еще одну формулу для ,преобразуя (3.2.)
, где
Тогда
(3.3.)
Обозначим
– степень повышения температуры в цикле
Или
(3.4.)
Подставляя значение 
по (3.4.) в формулу (3.3.) получим еще одну формулу для работы цикла
(3.5.)
Исследование функции (3.3.) на максимум дает оптимальную величину степени повышения давления воздуха в компрессоре
(3.6.)
Таким образом, каждому значению степени повышения температуры в цикле соответствует свое оптимальное значение степени повышения давления воздуха в компрессоре . График зависимости 
от представлен на рис 3.3.
Для существующих транспортных ГТУ значение
находится в пределах 
, а в авиационных – до 
.
Рис3.3. График зависимости 