Несколько более эффективным представляется применение турбодетандерного охлаждения на газовых двигателях, так как у них мощность, как правило, ограничивается не коэффициентом избытка воздуха, а детонацией. Граница детонации в значительно большей мере зависит от температуры при начале сгорания (тем­пература сжатия) и, следовательно, от температуры наддувоч­ного воздуха, чем от коэффициента избытка воздуха.

Предварительные расчеты повышения мощности, которое мо­жет быть достигнуто за счет турбодетандерного охлаждения, возможны лишь в том случае, если известна зависимость границы детонации от важнейших параметров, подвергающихся влиянию турбодетандерного охлаждения. Такими параметрами являются, например, температура и давление в начале сгорания и коэффи­циент избытка воздуха.

Подробно рассмотрены возможности и результаты пред­варительных расчетов повышения мощности газовых двигателей за счет применения турбодетандера. Так как граница детонации помимо эксплуатационных параметров двигателя зависит и от конструктивных, таких как базовые размеры цилиндра, форма камеры сгорания, темпе­ратура стенок, располо­жение запальной свечи и др., а также от применяе­мого топлива, то диаграм­мы границ детонации стро­ились для двух двигате­лей с различными базо­выми размерами и различ­ными рабочими циклами (с воспламенением свечой зажигания и с воспламене­нием от горящего факела впрыскиваемого жидкого топлива). В качестве топ­лива применялся природ­ный газ, основной состав­ляющей которого является метан и который в большин­стве случаев используется в стационарных газовых дви­гателях с наддувом.

В ка­честве примера на рис. 9.8 показана диаграмма гра­ницы детонации для газо­дизелей (при эксплуатации на природном газе). На этой диаграмме давление начала сгорания р_н.с пред­ставлено в зависимости от температуры начала сго­рания Т_{н. с} для мощности, соответствующей началу детонации, при различных значениях коэффициента избытка воздуха. Эти величины были определены из измерений на обоих двигателях при варьировании температуры наддувочного воздуха и его давления с помощью расчетов реаль­ных рабочих циклов.

Для расчета процесса турбодетандера помимо баланса мощ­ностей турбокомпрессора и баланса мощностей турбодетандера подводимое к двигателю количество газа и соответственно его мощность должны быть подобраны такими, чтобы определяемые из расчета рабочего цикла параметры p_{н. с}, Т_{н. с} и ? лежали на границе детонации, показанной на диаграмме. Поскольку процесс турбодетандерного охлаждения и соответствующий процесс с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха рассчи­тывались по одной и той же программе и при одних и тех же гра­ничных условиях, погрешности в допущениях в обоих случаях оказывают одинаковое влияние.

Результаты этих расчетов показали, что процентное повыше­ние мощности за счет турбодетандерного охлаждения у обоих двигателей различных размеров цилиндров и различных способов воспламенения различается не намного (см. рис. 9.9 и 9.10). В связи с этим полученные результаты позволяют сделать опре­деленные обобщения. Достижимое увеличение мощности состав­ляет приблизительно 26—28%, что значительно выше, чем у ди­зелей. Правда, это сопровождается повышением температуры выпускных газов и термической напряженности, характеризуе­мой количеством теплоты, отводимой стенками. Если бы мощность вместо детонации была ограничена термической напряженностью (постоянная теплота, отводимая стенками), то в этом случае выигрыш в мощности за счет турбодетандерного охлаждения был бы несколько меньше.

В одном из патентов фирмы «Даймлер Бенц» (патент ФРГ № 1212778 от 26.4.1962) предложен вариант турбодетандерного охлаждения по схеме рис. 9.11. Согласно этой схеме требуется только один компрессор К, который приводится как от газовой турбины Т, так и от охлаждающей турбины Т_тд. В компрессоре сжимается большее количество воздуха, чем требуется для над­дува двигателя, избыточный воздух после охлаждения в Х₁ поступает в охлаждающую турбину, в которой он расширяется до атмосферного давления, а затем охлаждает во втором тепло­обменнике Х₂ наддувочный воздух перед его впуском в двига­тель. При этом способе достигается практически тот же эффект, что и при использовании отдельного турбодетандера (при наличии достаточно больших теплообмен­ников). Преимуществом способа, изображенного на рис. 9.11, является то, что при нем можно обойтись одноступенчатым над­дувом, а недостатком — то, что требуется особая конструкция турбомашины с одним компрессором и двумя турбинными колесами, значительно различающихся размером, размещенными на одном валу (что чрезвычайно осложнило бы оптимальное кон­струирование).

Турбодетандерное охлаждение нашло практическое примене­ние на отдельных газовых двигателях.