Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)
В двигателях с подводом теплоты при 
производится раздельное сжатие воздуха и жидкого топлива (горючего), что исключает самовоспламенение и позволяет получить высокие степени сжатия. Давление в конце сжатия порядка 3-4 МПа. Степень сжатия 
=14¸18.
На рис. 7.9 приведен термодинамический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме в vP- и sT-диаграммах для 1 кг рабочего тела.
Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – подвод теплоты при постоянном давлении; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.
Рисунок 7.9 - Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания
с подводом теплоты при постоянном давлении:
а - в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме
Параметрами, характеризующими данный цикл, являются:
- степень адиабатного сжатия; 
- степень предварительного расширения; 
- степень адиабатного расширения.
Термический КПД цикла определяется по формуле:
.
Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в процессе 2-3:
. (7.18)
Количество теплоты, отводимое в изохорном процессе 4-1:
. (7.19)
Количество подведенной теплоты 
и отведенной 
можно определить через параметры цикла. Для этого температуры 
и 
выражаются через температуру 
и параметры цикла и 
.
Таблица 7.2 - Определение температуры в характерных точках цикла с изобарным подводом теплоты
| Процесс | Формулы |
| 1-2 - адиабатный |  |
| 2-3 – изобарный |  |
| 3-4- адиабатный |  Т.к.  или  . Тогда  или   |
После преобразований:
; 
; (7.20)
. (7.21)
Из выражения (7.21) видно, что термический КПД данного цикла зависит от степени сжатия , степени предварительного расширения и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. С увеличением степени сжатия термический КПД увеличивается. При возрастании степени предварительного расширения он уменьшается. Интенсивность роста термического КПД с возрастанием степени сжатия постепенно уменьшается. Величина степени сжатия в двигателе с подводом теплоты при должна обеспечить самовоспламенение топлива и создать температурные условия для быстрого протекания процесса сгорания.
Из рис. 7.9 видно, что при равенстве площадей отведенной теплоты 
= пл.6145 термический КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия , так как площадь его полезной работы будет больше, чем у двигателя с меньшей степенью сжатия (пл. 1784 > пл. 1234).
 |  |
Рисунок 7.9 - Влияние степени сжатия  на  цикла ДВС с подводом теплоты при  и  | Рисунок 7.10 - Влияние количества подведенной теплоты  на величину работы цикла ДВС с подводом теплоты при |
Работа цикла:
. (7.22)
При 
и при увеличении теплоты увеличивается объем 
(рис. 7.10), т.е. возрастает степень предварительного расширения 
. При этом увеличивается работа цикла и уменьшается термический КПД.
Среднее индикаторное давление в этом цикле определяется выражением:
. (7.23)
Отсюда видно, что среднее индикаторное давление увеличивается при возрастании и .
7.2.3 Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)
Двигатель со вмешанным подводом теплоты в отличие от двигателя с подводом теплоты при 
не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Распыление жидкого топлива производится при помощи механических форсунок. Жидкое топливо подается в предкамеру через форсунку 5 (рис. 7.11). В процессе сжатия давление в цилиндре 1 растет быстрее, чем в предкамере 4. За счет разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра 1 в предкамеру 4, который используется для распыления жидкого топлива, впрыскиваемого в предкамеру. При этом образуется однородная смесь, сгорающая в предкамере при постоянном объеме. Давление в предкамере возрастает и направление потока изменяется: смесь продуктов сгорания и несгоревших паров топлива, имеющих температуру 1500…1800°С, устремляется из предкамеры в цилиндр, где происходит их перемешивание и догорание. В результате поршень перемещается слева направо при постоянном давлении. После сгорания топлива происходит адиабатное расширение продуктов сгорания, которые затем удаляются из цилиндра.
Рисунок 7.11 Схема ДВС со смешанным подводом теплоты
1-цилиндр; 2-поршень; 3-выпускной клапан; 4-предкамера; 5-свеча;
6-впускной клапан; 7-узкий канал
Рисунок 7.12 - Термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты:
а - в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме
Термодинамический цикл со смешанным подводом теплоты (рис. 7.12) состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 - изобарный подвод теплоты; 4-5 - адиабатное расширение рабочего тела; 5-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.
Подвод теплоты в цикле со смешанным сгоранием осуществляется вначале по изохоре 2-3, а затем по изобаре 3-4.
Параметрами, характеризующими цикл со смешанным подводом теплоты, являются:
- степень адиабатного сжатия; 
- степень повышения давления;
- степень предварительного расширения.
Термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты:
.
Теплота, отводимая по изохоре 5-1, определяется соотношением:
,
тогда как теплота складывается из теплоты, подводимой в изохорном процессе 2-3, и теплоты, подводимой в изобарном процессе 3-4:
= 
, (7.24)
тогда:
. (7.25)
Выразив температуры 
и 
через температуру и параметры цикла через 
, получим формулы для определения температуры в характерных точках цикла (табл. 7.3).
Таблица 7.3 - Определение температуры в характерных точках цикла со смешанным подводом теплоты
| Процесс | Формулы |
| 1-2 - адиабатный | |
| 2-3 - изохорный |  |
| 3-4 - изобарный |  |
| 4-5 - адиабатный |  |
Поставив полученные значения температур в выражения для определения подведенной и отведенной теплоты, получим:
и 
, (7.26)
и далее, подставив полученные выражения в формулу для определения термического КПД:
(7.27)
Из выражения (7.27) следует, что термический КПД смешанного цикла, как и термический КПД циклов с изобарным и изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением 
и 
. С увеличением термический КПД уменьшается.
Сравнение циклов ДВС
7.2.4.1 Сравнение циклов поршневых ДВС с подводом теплоты при 
и
На рис. 7.13 а изображены рассматриваемые циклы при одинаковых степенях сжатия 
и одинаковых количествах отведенной теплоты 
пл.7146. Из рисунка видно, что количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-3-4 ( 
пл.7236), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-5-4 ( 
= пл. 7256). Поэтому, согласно формуле (7.13), цикл 1-2-3-4 с подводом теплоты при имеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при , т.е. 
> 
.
На рис. 7.13 б представлены оба цикла при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты (пл.7238 = пл.7259). Из рисунка видно, что количество отведенной теплоты в цикле 1-2-5-6 ( 
= пл.7169) больше, чем количество отведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 ( 
= пл.7148). Следовательно, цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты при имеет больший КПД, т.е. 
> .
 |  |
Рисунок 7.13 - Сравнение циклов с подводом теплоты при 
и 
при одинаковой степени сжатия
На рис. 7.14 а приведены оба цикла при одинаковых максимальных давлениях и температурах 
и различных степенях сжатия . При 
(пл. а14b) количество подведенной теплоты в цикле 1-5-3-4 ( 
= пл.а53b) больше, чем количество подведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 ( пл. а23b). Поэтому цикл 1-5-3-4 с подводом теплоты при постоянном давлении имеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при постоянном объеме, то есть > .
 |  |
Рисунок 7.14 - Сравнение циклов с подводом теплоты при и
с различной степенью сжатия
На рис. 7.14 б представлены оба цикла при одинаковых количествах подведенной теплоты 
( = пл.а78с= 
пл .а23b) и при различных степенях сжатия . Как видно, количество теплоты, отведенной в цикле 1-2-3-4 (пл. .а14b), больше, чем количество теплоты, отведенной в цикле 1-7-8-5 (пл. а15с). Следовательно, цикл 1-7-8-5 с подводом теплоты при имеет больший термический КПД, то есть > .
7.2.4.2 Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты при , и со смешанным подводом теплоты
На рис. 7.15 видно, что при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты (пл. а23b = пл. а265с = пл. а28d) максимальный термический КПД имеет цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты при , а минимальный – цикл 1-2-8-9 с подводом теплоты при . Термический КПД цикла 1-2-5-6-7 со смешанным подводом теплоты имеет промежуточное значение.
 |  |
| а | б |
Рисунок 7.15 - Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты
при , и со смешанным подводом теплоты
Из рис. 7.15 б видно, что при одинаковых конечных давлениях и температурах ( ) во всех трех циклах и одинаковом количестве отведенной теплоты 
= пл. а14b = 
, > 
> .
Действительно, пл. а73b > а56b> а23b, то есть > 
> 
. Поэтому > > . При этих условиях наибольшая степень сжатия будет у двигателей с подводом теплоты при .
7.3 Циклы газотурбинных установок (ГТУ)