Теоретичний цикл двигунів з підведенням теплоти при постійному тиску

По цьому циклу працюють стаціонарні і суднові компресорні двигуни із займанням від стиску або компресорні дизелі.

У дизелі в процесі впуску поступає повітря, тиск і температура якого підвищуються в процесі стиску. Унаслідок застосування в дизелях високих ступенів стиску (від 14 до 20) тиск кінця стиску наближається до 3–4 Мпа і відповідна температура значно перевищує температуру самозаймання палива. Паливо уприсується в кінці стиску через форсунку, дрібно розпилюється і приходивши в зіткнення з сильно нагрітим повітрям, починає горіти.

У цих двигунах для забезпечення хорошого розпилювання палива використовують стисле повітря з тиском близько 6 Мпа, що отримується в спеціальних компресорах, включених в конструктивну схему двигуна. Насос подає паливо у форсунку, в яку з компресора підводиться стисле повітря, і в потрібний момент внутрішня порожнина форсунки сполучається з циліндром, куди поступає суміш розпилюючого повітря і палива.

Зважаючи на поступову подачу палива через форсунку не можна отримати різкого підвищення тиску при згоранні, як в циклі з повідомленням теплоти при V = const, де все паливо перед згоранням знаходиться в циліндрі. У двигунах, що працюють по циклу з підведенням теплоти при P = const, паливо горить поступово у міру його надходження в циліндр, внаслідок чого процес згорання відбувається при поршні, що переміщається, при майже постійному тиску.

Діаграма теоретичного циклу з підведенням тепла при постійному тиску показана на рис. 2.2.

При русі поршня від НМТ (крапка а діаграми теоретичного циклу) газ, що заповнює циліндр, починає стискуватися. В цьому випадку процес стиску (лінія ас індикаторної діаграми) буде адіабатичним. Тиск і температура в кінці цього процесу визначається так само, як і при термодинамічному циклі з підведенням теплоти при постійному тиску.

В кінці стиску, з приходом поршня у ВМТ, відбувається, як в раніше розглянутому теоретичному циклі, миттєве повідомлення теплоти Q₁ робочому тілу; результатом цього буде підвищення його температури при постійному тиску (ізобара сz).

Рис. 2.2. Індикаторна діаграма теоретичного циклу з підведенням теплоти при постійному тиску

При положенні поршня, коли об'єм надпоршневого простору рівний V_Z (точка z діаграми), повідомлення теплоти припиняється.

Ступінь попереднього розширення газу в циліндрі в кінці процесу підведення теплоти:

.

Тоді температура газу в циліндрі в кінці процесу підведення теплоти (точка z)

.

Потім газ адіабатично розширюється (лінія zb діаграми).

Тиск газу в циліндрі в кінці процесу розширення

.

Температура газу в циліндрі в кінці процесу розширення

.

Для повторення циклу необхідно охолодити газ, ув'язнений в циліндрі, тобто відняти теплоту Q₂ від введеної теплоти Q1 при постійному об'ємі Va.

Термічний ККД виражається формулою:

.

У циклі з повідомленням теплоти при постійному об'ємі кількість Q₁ теплоти, що вводиться, пропорційно його ізобарній теплоємності Сp, а Q₂, що відводиться, пропорційно його ізохорній теплоємності С_ν і відповідним різницям температур:

Термічний ККД можна визначати, підставивши значення температур з урахуванням того, що:

Двигуни цього типу як транспортні не використовувалися унаслідок громіздкості установки, забезпеченої компресором, що мав дві або три ступені тиску. Тому даний цикл надалі розглядатися не буде.

2.1.3. Теоретичний цикл двигунів з підведенням тепла при постійному об'ємі і постійному тиску (змішаний цикл)

Тракторні і автомобільні двигуни працюють по змішаному циклу на дизельному паливі. Для самозаймання уприскуваного палива ступінь стиску має бути не нижче 14.

Індикаторна діаграма теоретичного циклу представлена на рис. 2.3.

У теоретичному циклі крива ас діаграми зображає адіабатичне стиску робочого тіла, ув'язненого в циліндрі, сz і zz' – повідомлення теплоти, z'b – адіабатичне розширення і ba – віддачу частини повідомленої теплоти холодному джерелу відповідно до другого закону термодинаміки.

Рис. 2.3. Індикаторна діаграма змішаного теоретичного циклу

Значення температури і тиску в кінці процесу стиску аналогічні попереднім формулам:

; .

Максимальний тиск змішаного циклу:

.

Температура у ВМТ рівна:

.

Температура в кінці процесу підведення теплоти рівна:

.

Тиск в кінці адіабатного розширення рівний:

.

Температура в кінці адіабатного розширення визначається формулою:

Термічний ККД теоретичного циклу можна визначити по різниці кількості теплоти: Q1' + Q1'', введених відповідно при V = const (по ізохорі сz) і при р = const (по ізобарі zz') і Q2, відданого холодному джерелу при V = const (по ізохорі ba):

.

Теплота, що повідомляється відповідно по ізохорі і ізобарі, і теплота, що відводиться, рівні

Підставляючи Q₁', Q₁'' і Q₂ в рівняння, що визначає термічний ККД змішаного циклу, замінюючи всі температури через температуру початку стиску Tа, аналогічно попереднім виводам і враховуючи, що

,

отримуємо

Це рівняння дозволяє стверджувати, що використання тепла в змішаному циклі залежить від ступеня стиску, попереднього розширення і підвищення тиску, а також показника адіабати.

У змішаному циклі підвищення ступеня стиску покращує економічні і потужностні показники. Проте у міру збільшення ступеня стиску приріст використання теплоти поступово сповільнюється і після значень ступеня стиску 10–12 стає маловідчутним. У дизельних двигунах значенні ступеня стиску більше 15 пояснюються бажанням полегшити пуск холодних двигунів. При підвищенні ступеня стиску росте температура кінця стиску, що забезпечує самозаймання палива навіть при низьких температурах стінок циліндра і засмоктуваного повітря.

Дійсні цикли ДВЗ

Дійсний (робочий) цикл, здійснюваний в реальному двигуні внутрішнього згорання, є розімкненим циклом. Для вивчення дійсного (робочого) циклу потрібно розглянути весь комплекс складних процесів, пов'язаних з перетворенням термохімічної енергії палива на механічну роботу в реальному двигуні. Початковими для вивчення дійсного (робочого) циклу є матеріали, отримані в основному шляхом лабораторних випробувань двигунів внутрішнього згорання.