Kombinovaný spalovací motor

Kombinovaný spalovací motor ( kombinovaný spalovací motor ) - spalovací motor , který je kombinací pístového (rotačně-pístového) a lopatkového stroje ( turbína , kompresor), u kterého se na realizaci pracovního procesu podílejí oba stroje.

Schémata kombinovaných spalovacích motorů

Schémata s mechanickým spojením pístových a lopatkových strojů

• Pístový spalovací motor s lopatkovým kompresorem  je nejjednodušším a nejstarším typem kombinovaného spalovacího motoru. Lopatkový kompresor -přeplňovač je poháněn přes mechanický převod od klikového hřídele pístového spalovacího motoru. Část procesu komprese vsázky probíhá v lopatkovém stroji. Až do 60. let byl široce používán v letectví (například na letounech An-2 ), stejně jako na vysoce výkonných lodních dieselových motorech M400. Mezi výhody patří dobrá konzistence mezi výkonem dmychadla a potřebou čerstvé náplně pístového stroje jak v ustáleném stavu provozu, tak v režimu zrychlení. Hlavní nevýhodou je značný odběr užitečného výkonu z pístového motoru, proto se toto schéma u nových typů motorů používá poměrně zřídka.
• Pístový spalovací motor s přídavnou turbínou, která dodává výkon klikovému hřídeli  - v tomto schématu energie výfukových plynů pístového spalovacího motoru funguje v plynové turbíně, která prostřednictvím mechanické převodovky vstupuje do klikové hřídele pístový motor. To znamená, že část expanzního procesu probíhá v lopatkovém stroji (plynové turbíně). Mezi výhody schématu patří přeměna energie výfukových plynů na mechanickou energii, což umožňuje zvýšit účinnost jednotky. Mezi nevýhody patří obtížné sladění charakteristiky točivého momentu a otáček pístového spalovacího motoru a plynové turbíny (pro tyto účely je nutné použít měnič točivého momentu ). Nejlepších výsledků se dosahuje při provozu pístového motoru s vysokými plnicími tlaky (z hnacího kompresoru nebo turbodmychadla). V praxi se takové schéma (pod obchodním názvem Turbo Compound) používá v motorech těžkých vozidel Scania .
• Pístový motor s lopatkovým kompresorem a přídavnou turbínou, která dodává výkon na klikovou hřídel  , je kombinací dvou výše uvedených schémat.
• Spalovací motor s plynovou turbínou s pístovým kompresorem  - spalovací a expanzní procesy jsou prováděny v lopatkovém stroji (plynové turbíně), ke stlačování vsázky je použit pístový stroj poháněný plynovou turbínou. Neexistují žádné informace o praktickém provádění takového systému.

Schémata s plynovou přípojkou pístových a lopatkových strojů

• Pístový spalovací motor s turbodmychadlem  - výfukové plyny pístového spalovacího motoru pracují v plynové turbíně, která pohání lamelový kompresor zajišťující přetlakování pístového spalovacího motoru. Toto schéma, nazývané přeplňování turbodmychadlem , je v současné době velmi rozšířené, protože umožňuje získat vysoce litrové pístové spalovací motory bez vynaložení užitečného výkonu vyvinutého pístovým motorem na přeplňování. Z hlediska odezvy na plyn jsou však přeplňované spalovací motory horší než spalovací motory s hnacím kompresorem, což je způsobeno setrvačností rotoru turbodmychadla a setrvačností plynů v sacích a výfukových cestách. K odstranění tohoto nedostatku u automobilů a dieselových lokomotiv se používají spalovací motory vybavené několika turbodmychadly s oběžnými koly s nízkým momentem setrvačnosti a umístěnými v těsné blízkosti sacích a výfukových ventilů. Na traktorech a lodích, kde nejsou žádné speciální požadavky na odezvu plynu, se naopak používají turbodmychadla s velkorozměrovými oběžnými koly, která lépe snášejí dlouhodobý provoz v režimech blízkých maximálnímu výkonu.
• ICE s turbínou pro pohon pomocných agregátů  - pro pohon pomocných agregátů (elektrogenerátory, klimatizační systémy) lze použít plynové turbíny využívající energii výfukových plynů spalovacích motorů (včetně těch vybavených turbodmychadlem). Tento způsob našel uplatnění na říčních a námořních plavidlech pro pohon elektrických generátorů, protože pohon generátoru od klikového hřídele pomaloběžného lodního motoru je obtížný. Na říčních lodích typu Zarya (vyráběné v 80. letech) a Voskhod sloužila plynová turbína jako pohon kompresoru klimatizace.
• Přeplňovaný pístový ICE jako generátor horkých plynů s odběrem výkonu z plynové turbíny  - při vysokém plnicím tlaku spalovacího motoru odchází většina energie uvolněné při pracovním procesu s výfukovými plyny. Měrný výkon takového plynového paprsku je velmi vysoký, což umožňuje jeho použití v plynové turbíně. Uvažované schéma se rozšířilo, i když omezené, ve stacionárních elektrárnách, kde je vyžadován vysoký výkon při vysokých otáčkách výstupního hřídele - přes 6000 ot./min. Jako pístový generátor plynu s vnitřním spalováním se používají hlavně generátory plynu s volnými písty . S rozvojem stacionárních spalovacích motorů s plynovou turbínou se aplikace uvažovaného schématu omezuje.
• Spalovací motor s plynovou turbínou v roli kompresoru vzduchu přiváděného do pístového motoru  - část vzduchu (obvykle velká) stlačená ve spalovacím motoru s plynovou turbínou je odváděna do pístového stroje - pneumatického motoru nebo pístového spalovacího motoru motor v režimu startování stlačeného vzduchu. Schéma našlo uplatnění ve startovacích systémech pro velké lodní, stacionární a tankové motory. S podobnou variantou se uvažovalo i pro pohon lokomotiv (v tomto případě motor-kompresor instalovaný na lokomotivě místo kotle měl napájet válce parního stroje stlačeným vzduchem).

Historie vzhledu kombinovaných spalovacích motorů

Vznik kombinovaných spalovacích motorů je spojen s pokusy o odstranění nedostatků pístových spalovacích motorů, zjištěných v raných fázích jejich vývoje.

Jednou z podstatných nevýhod pístového spalovacího motoru je, že značné množství energie (tepelné a kinetické) získané spalováním směsi paliva se vzduchem ve válcích je odváděno s výfukovými plyny, aniž by bylo nutné pracovat v pístovém motoru. Další nevýhodou čistě pístových spalovacích motorů je nemožnost dosažení vysokých hodnot výkonu na jednotku pracovního objemu, což je spojeno s omezeným množstvím vzduchu (směsi) nasávaného do válce při procesu sání, a to vzduchu ( směsi) tlak ve válci na konci sacího zdvihu bude vždy nižší než atmosférický. Posledně jmenovaný nedostatek je zvláště akutní v letectví, kde se stoupajícím stoupáním v důsledku poklesu atmosférického tlaku se zhoršuje plnění válců a v důsledku toho klesá výkon pístových motorů.

Pro zlepšení plnění leteckých válců ICE, zejména ve velkých výškách, se ve 30. letech 20. století začalo používat předběžné stlačování vzduchu v lopatkovém kompresoru (přeplňovači) poháněném klikovým hřídelem spalovacího motoru. V takovém kombinovaném stroji byla část tepelného cyklu spalovacího motoru, konkrétně část kompresního cyklu , prováděna v lopatkovém kompresoru. Při sacím zdvihu vnikl do válce motoru pod přetlakem vzduch (hořlavá směs), což zvýšilo hmotnost náplně. To umožnilo za prvé zvýšit výkon motorů bez zvýšení pracovního objemu (a tedy i hmotnosti motoru) a bez zvýšení počtu otáček (zvýšení počtu otáček snižuje účinnost motoru). vrtule a zvyšuje mechanické ztráty v motoru). Byl také vyřešen problém poklesu výkonu ve vysokých nadmořských výškách.

Část (navíc velmi podstatná - cca 10% - 20%) výkonu motoru však byla vynaložena na pohon lopatkového kompresoru od klikové hřídele a možnost odsávání zvýšeného výkonu výfukových plynů při přeplňování nebyla použitý.

S rozvojem plynových turbín v 50. a 60. letech bylo možné pohánět lopatkový kompresor kompresoru nikoli z klikové hřídele, ale z plynové turbíny poháněné energií výfukových plynů pístového stroje. Vznikly přeplňované motory , které jsou nyní velmi rozšířené.

Jiná schémata kombinovaných spalovacích motorů se používají k řešení specifických problémů a nenašla široké uplatnění.