Наивысшим КПД и эффективностью будут обладать термодинамические разомкнутые циклы, в которых работа сжатия эквивалентна половине подводимой теплоты

По данному критерию наивыгодная величина степени сжатия термодинамических разомкнутых циклов равна: ε≈74 с h_t ≈75.34%.

Третьим критерием, позволяющим определить величину наивыгодной степени сжатия действительного цикла, является величина тепловых потерь двигателя на сжатии, расширении и с удаляемыми газами.

Расчет по этому критерию показывает, что верхний предел величины степени сжатия циклов составляет примерно ε≈60 при h_t ≈73.57%. Расчеты циклов при степени сжатия выше ε>60 будут противоречить законам термодинамики, как имеющие целью преобразовать в работу объективно неизбежные потери теплоты.

Расчет термического КПД теоретических разомкнутых циклов должен осуществляться по следующим правилам:

1. Для полного учета потерь теплоты компенсации процесс сжатия термодинамических разомкнутых циклов необходимо признать политропным. Базовая формула расчета КПД термодинамических разомкнутых циклов должна иметь вид: h_{t раз} = 1- 1/e ^k-1 – Та/Тz. Поскольку в расчетах термодинамических циклов отсутствует понятие Тz, формула должна иметь вид: h_{t раз} = 1- 1/e ^n1-1, в которой показатель политропы сжатия n₁ учитывает тепловые потери цикла от соотношения Та/Тz.

Но при этом следует учесть следующие особенности: 1. Если считать, что такт сжатия осуществляется от -180⁰ до 0⁰ (от НМТ до ВМТ), то адиабатная часть участка равна примерно 160⁰ ПКВ, а политропная- завершающая часть, на которой осуществляется отвод теплоты, только 20⁰. Поэтому при расчете давления и температуры конца сжатия необходимо пользоваться показателем адиабаты k =1.38-1.40. Если считать, что такт расширения осуществляется от 0⁰ до 180⁰ (от ВМТ до НМТ), то политропная часть участка, на которой происходят потери теплоты, равна только 25⁰ ПКВ, а адиабатная часть равна 155⁰. Поэтому при расчете давления и температуры конца расширения также необходимо пользоваться показателем адиабаты k =1.37-1.39. Это означает, что в системе уравнения h_t=1- Q₂/Q =1- (λρ^k –1)/ ε ^{n1 -1}(∆λ ∙1/γ + kλ∆ρ) в выражении числителя λρ^k –1, определяющем все тепловые потери цикла в момент завершения расширения и в выражении знаменателя kλ∆ρ показатель адиабаты должен иметь значения равные k =1.37-1.39. В выражении ε ^{n1 -1}, определяющем количество теплоты разомкнутого цикла показатель политропы должен исчисляться соотношением Та/Тz.

2. При расчете термического КПД теоретического цикла следует исходить из того, что увеличение потерь теплоты в стенки происходит не только из-за увеличения площади стенок цилиндра, но и из-за увеличения давления и температуры. Поэтому формула расчета термического КПД любого теоретического цикла должна содержать показатели, характеризующие изменение двух величин состояния рабочего тела. Например, в изобарном цикле изменяются температура и объем. В изохорном процессе изменяются давление и температура.

3. Средняя температура зоны ВМТ (0-25⁰ПКВ) Tс→Тср←Тz для каждого цикла есть идеальная величина температуры, при которой отвод теплоты в стенки цилиндра при данных условиях имел бы минимальное значение. Поэтому показатель степени повышения температуры γ должен выводиться соотношением средней температуры зоны ВМТ к максимальной температуре цикла.

4. При достижении равенства Тс= Тz и Рс= Рz все показатели характеризующие изменение состояния рабочего тела приобретают значение равное 1 и формула расчета термического КПД такого цикла приобретает вид h_{t раз} = 1- 1/e ^n1-1.

5. Принятая в технической термодинамике формула расчета термического КПД теоретического цикла с подводом теплоты по изохоре (цикл Бо Де Роша) h_t = 1- 1/e^k-1фактически является формулой идеального замкнутого цикла. Для полного учета количества отводимой теплоты с учетом изменения параметров рабочего тела в период тепловыделения формула теоретического разомкнутого цикла Бо Де Роша для расчета термического КПД бензиновых двигателей со степенью сжатия до 5 должна содержать показатель политропы периода завершения сжатия, показатель степени повышения температуры γ в период протекания основной фазы тепловыделения и показатель подвода теплоты при постоянной температуре VТz/ Vрz=ρ_t и должна иметь вид:

h_t= 1- (λρ_t ^k –1)/ ε ^{n1 -1}(∆λ∙1/γ + kλ∆ ρ_t).

6. В формуле расчета термического КПД теоретического разомкнутого цикла (цикл Дизеля) с подводом теплоты по изобаре показатель ρ лишь частично характеризует изменение состояния рабочего тела. Чтобы формула соответствовала действительности, она должна содержать и показатель политропы периода сжатия, показатель степени повышения температуры γ и показатель подвода теплоты при постоянной температуре ρ_t. Принятая теорией формула цикла Дизеля: h_t = 1- (ρ^k -1) / [e^k-1 k(ρ -1)] должна иметь вид:

h_t = 1- (ρ_t ρ^k -1) / e ^n1-1(∆ρ_t ∙1/γ +∆ρ_t kρ )

7. В формуле расчета термического КПД теоретического разомкнутого цикла со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера) показатель ρ учитывает дополнительные потери теплоты в период тепловыделения на изобарном участке. Но показатель λ не учитывает увеличения потерь теплоты из-за увеличения давления и температуры. Помимо этого базовая часть формулы 1- 1/e ^k-1 не учитывает потерь теплоты компенсации периода сжатия. В бензиновых двигателях степенью сжатия от 5 до 14 процессы протекают по циклу Сабатэ-Тринклера. Поэтому формула теоретического цикла бензинового двигателя со степенью сжатия 6-14 и дизельного двигателя со смешанным подводом теплоты должна иметь вид:

h_t= 1- (λρ^k –1)/ ε ^{n1 -1}(∆λ ∙1/γ + kλ∆ρ).

Циклы ДВС.

При увеличении степени сжатия до высоких и сверхвысоких величин между ДВС останется одно принципиальное отличие- способ подготовки смеси к горению. Предварительная подготовка (внешнее смесеобразование) или непосредственная подготовка (внутреннее смесеобразование). Для двигателей со сверхвысокой степенью сжатия (до 60) с внутренним смесеобразованием способ зажигания не будет иметь значения. В двигателях со сверхвысокими степенями сжатия необходимо применить многостадийный, непосредственный впрыск.

В двигателях с внешним смесеобразованием с момента подачи искры возможности влияния на протекание процесса сгорания исключаются. По этой причине степень сжатия в них может быть высокой (до 30), но не сверхвысокой. Работать такой двигатель будет по правилам, изложенным в статье «Бензиновый двигатель со сверхвысокой степенью сжатия» со следующим уточнением: На малых оборотах с дросселированием при расходе, примерно, до 35 % горючей смеси - по циклу Бо Де Роша. На малых и больших оборотах при расходе, примерно, от 35% до 100% горючей смеси с дросселированием (при ограничении наполнения за 100% расхода принимается максимально допустимое количество смеси для данных оборотов) и при работе на внешней скоростной характеристике (без дросселирования)- по циклу Ибадуллаева.

Бензиновый двигатель с внутренним смесеобразованием со сверхвысокой степенью сжатия (до 60) на малых и больших оборотах с дросселированием воздуха будет работать по циклам Бо Де Роша и Ибадуллаева. На средних и больших оборотах на внешней скоростной характеристике без дросселирования воздуха по циклу Имама.

Любой из предлагаемых рассмотрению циклов может быть представлен в виде термодинамического, теоретического и расчетного циклов.

Цикл Ибадуллаева.

Основанный на термодинамических процессах идеального газа разомкнутый цикл с подводом теплоты рабочему телу сначала по изобаре (при постоянном давлении Р=const), а затем по изохоре (при постоянном объеме V=const), с отводом теплоты на политропном сжатии, с адиабатным расширением и обновлением рабочего тела по изохоре.