Цикл Тринклера: описание процесса, его функции и значение

Цикл Тринклера - уникальный гибрид двух популярных циклов двигателей внутреннего сгорания, который сочетает в себе их преимущества. Давайте разберемся, как он устроен, чем отличается от аналогов и почему так важен в современном мире.

История создания цикла Тринклера

Цикл Тринклера, или цикл Сабатэ, был предложен в начале XX века немецким инженером Густавом Тринклером на основе идей французского изобретателя Эмиля Сабатэ. Он объединил в себе достоинства двух популярных циклов двигателей внутреннего сгорания – цикла Отто с принудительным воспламенением топливной смеси и цикла Дизеля с самовоспламенением от сжатия.

Целью Тринклера было создать более эффективный и мощный двигатель, сочетающий высокий коэффициент полезного действия цикла Дизеля и простоту конструкции карбюраторного двигателя по циклу Отто. Результатом его работы стал двигатель со смешанным рабочим процессом и бескомпрессорной подачей топлива.

Описание процессов в цикле Тринклера

Рабочий цикл двигателя Тринклера состоит из следующих процессов:

1. Адиабатное (без теплообмена) сжатие воздуха в основном цилиндре;
2. Дальнейшее сжатие воздуха в форкамере;
3. Впрыск и частичное сгорание топлива в форкамере по изохоре;
4. Продолжение процесса сгорания уже в основном цилиндре при приблизительно постоянном давлении (изобаре);
5. Расширение продуктов сгорания с совершением работы;
6. Выталкивание отработавших газов в атмосферу.

Как видно из описания, в цикле Тринклера присутствуют два типа подвода теплоты:

• Быстрое изохорное сгорание части топлива в форкамере;
• Относительно медленное догорание остатков топлива в основном цилиндре по изобаре.

Это коренным образом отличает его от базовых циклов Отто и Дизеля:

Благодаря комбинированному подводу тепла цикл Тринклера позволяет обойтись без топливного насоса высокого давления, как в дизеле. При этом сохраняются высокие экономичность и КПД за счет наличия изобарного процесса горения.

Термодинамический анализ эффективности

Для точной оценки эффективности термодинамических циклов используют их сравнение на диаграммах T-S (температура-энтропия) и расчет коэффициентов полезного действия (КПД).

На диаграмме T-S при одинаковых максимальных температурах цикла Тринклера соответствует наибольшей замкнутой площади по сравнению с циклами Отто и Дизеля. Это означает возможность преобразования бо́льшего количества теплоты в механическую работу.

КПД цикла Тринклера можно рассчитать по формуле:

ηT = 1 - (1/r)(γ-1)/γ ∙ (1/λ)(γ-1)/γ

где r и λ ‒ степени сжатия в цилиндре и форкамере соответственно, a γ – показатель адиабаты для рабочего тела.

Подставляя различные значения коэффициентов, можно показать, что на практике КПД цикла Тринклера выше, чем у цикла Отто на 5-10%.

Области применения двигателей Тринклера

Благодаря высоким технико-экономическим показателям, двигатели по циклу Тринклера нашли широкое применение в различных областях, включая:

• Судовые энергетические установки;
• Тепловозы (в частности, тепловоз 2ТЭ116);
• Дизель-генераторы;
• Тяжелая сельскохозяйственная и дорожно-строительная техника.

Помимо стационарного использования, двигатели Тринклера ставят на грузовики, автобусы и другой транспорт.

Общий объем производства двигателей по циклу Тринклера в мире в 2020 году оценивается почти в 3 млн штук.

Сохраняющийся спрос обусловлен их универсальностью, надежностью и экономичностью по сравнению с традиционными бензиновыми и дизельными аналогами.

Достоинства и недостатки цикла Тринклера

К достоинствам цикла Тринклера по сравнению с традиционными циклами можно отнести:

• Более высокий КПД (на 5-10%);
• Возможность работы на разных видах топлива;
• Простота и надежность конструкции без ТНВД;
• Хорошие экологические показатели.

К недостаткам относят:

• Более высокую стоимость по сравнению с карбюраторными моторами;
• Несколько больший расход топлива по сравнению с классическим дизелем;
• Неравномерность крутящего момента.

Рекомендации по расчетам параметров цикла Тринклера

Для корректного инженерного расчета параметров цикла Тринклера рекомендуется:

1. Определить степени сжатия в цилиндре и форкамере;
2. Задать режимы смесеобразования и сгорания;
3. Рассчитать объемные и массовые расходы рабочих тел;
4. Получить значение КПД по формуле η_T;
5. Сравнить с альтернативными циклами.

Например, при стандартных условиях для дизельного двигателя со степенью сжатия 17 КПД цикла Тринклера составит 0,43. Это на 7% выше типового значения для цикла Отто.

Тенденции развития цикла Тринклера

Основные тенденции совершенствования цикла Тринклера связаны с:

• Повышением степеней сжатия;
• Оптимизацией процессов сгорания топлива;
• Применением новых экологичных видов топлива (природный газ, водород).

Перспективным направлением является создание гибридных установок на базе двигателей Тринклера в паре с электрическими мотор-генераторами. Это позволяет получить лучшие эксплуатационные показатели и КПД за счет рекуперации энергии.

Альтернативные решения

В качестве конкурирующих альтернатив циклу Тринклера можно рассмотреть:

• Классический дизель по циклу Дизеля с ТНВД;
• Бензиновый двигатель с искровым зажиганием по циклу Отто;
• Газотурбинные и газопоршневые установки;
• Перспективные водородные топливные элементы.

Каждое из этих решений имеет свои плюсы и минусы. Выбор конкретной силовой установки зависит от технического задания и особенностей применения.

Сравнение экономичности цикла Тринклера с аналогами

Несмотря на более высокий расход топлива по сравнению с классическим дизелем, цикл Тринклера остается более экономичным в сравнении с карбюраторным двигателем.

Проведенные тесты показали преимущество на 15-20% по удельному расходу топлива в пользу мотора Тринклера мощностью 136 л.с. при сравнении с бензиновым аналогом той же мощности.

Экологические показатели двигателей Тринклера

Благодаря более полному сгоранию топлива выбросы сажи и оксидов азота у двигателей Тринклера ниже, чем у типичного карбюраторного или дизельного двигателя того же рабочего объема.

При этом содержание оксидов углерода и углеводородов также остается в пределах норм, соответствующих экологическим стандартам Евро-4 и Евро-5 без применения дополнительных систем нейтрализации отработавших газов.

Дальнейшее повышение КПД

Существуют резервы для дальнейшего повышения КПД цикла Тринклера за счет:

• Увеличения степеней сжатия;
• Применения наддува;
• Использования альтернативных видов топлива (газ, водород);
• Гибридизации с электродвигателями.

По экспертным прогнозам, реализация этих мер может обеспечить прирост КПД цикла Тринклера на уровне 15-20%.

Перспективы развития двигателей Тринклера

Несмотря на 100-летнюю историю, потенциал цикла Тринклера до конца не раскрыт. Он остается актуальной энергоэффективной альтернативой традиционным поршневым ДВС.

Основные перспективы связаны с созданием гибридных силовых установок для транспорта и стационарных энергообъектов нового поколения.