Цикл двигателя с изобарным подводом теплоты
Двигатели, работающие по циклу u = const, практически работают при малых значениях степени сжатия e, а, следовательно, имеют невысокие значения термического КПД ht. Увеличение ht в двигателях можно достичь, если создать такой процесс, при котором бы производилось раздельное сжатие воздуха и топлива. Это позволило бы двигателю работать с высокими степенями сжатия e = 14-18.
Рассмотрим принципиальную схему и цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при р = const (рис. 2.21).
В двигателе внутреннего сгорания (рис. 2.21, а) используется слабо летучее моторное топливо (керосин, соляровое масло, дизельное топливо). Цилиндр 1 двигателя опирается на станину 3, скрепленную с фундаментной плитой 4. В крышке 6 цилиндра находятся форсунки 5 для подачи распыленного топлива. Цилиндр и крышка охлаждаются водой.
Шатунно-кривошипный механизм преобразует возвратно-поступатель-ное движение поршня 8 во вращательное движение вала 9. В цилиндре имеются продувочные 7 и выпускные 2 окна, открывающиеся при движении поршня.
Поршень 8 находится в НМТ и цилиндр заполнен воздухом с атмосферным давлением, т.к. полость цилиндра сообщается через выпускные окна 2 с атмосферой (точка 5 на p-u-диаграмме (рис. 2.21, б)).
При движении поршня верх, пока открыты выпускные окна, давление будет оставаться постоянным, процесс 5-1. Далее будет происходить сжатие воздуха – процесс 1-2. Давление и температура возрастают. В конце сжатия (точка 2) температура становиться выше температуры воспламенения сжигаемого топлива.
 |  |
| б | |
| а | |
| Рис. 2.21. Принципиальная схема (а) и цикл ДВС с подводом теплоты при р = const в р-V -диаграмме (б): 1 – цилиндр; 2 – выпускные окна; 3 – станина; 4 – фундаментная плита; 5 – форсунка; 6 – крышка цилиндра; 7 – продувочные окна; 8 – поршень; 9 – вал |
При нахождении поршня в ВМТ в двигатель подается мелко распыленное топливо. Топливо воспламеняется. В дальнейшем подвод топлива и его сгорание дозируется так, чтобы при движении поршня давление не изменялось – процесс 2-3.
По окончанию горения топлива (точка 3) начинается расширение продуктов сгорания – процесс 3-4, пока поршень не откроет выпускные окна. Тогда происходит выхлоп отработавших продуктов сгорания, давление в цилиндре падает до атмосферного, процесс 4-1.
При дальнейшем движении поршня вниз происходит "продувка" цилиндра через продувочные окна 8 сжатым воздухом (процесс 1-5).
При упрощении процессы: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха; 2-3 – изобарный подвод теплоты q1; 3-4 – адиабатное расширении продуктов сгорания; 4-1 – изохорный отвод теплоты q2.
При степени сжатия e = 14-18 сжатый воздух, поступивший внутрь цилиндра, в конце сжатия имеет давление 3-4 МПа и температуру, равную 500-800 0С, которая обеспечивает надежное самовоспламенение и сгорание топлива. Ввод топлива осуществляется сжатым воздухом, подаваемым от компрессора под давление 5-6 МПа.
Двигатели, которые работают по рассмотренному циклу, предложенному Дизелем, называются дизелями. Этот цикл состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты (рис. 2.22).
 |
| Рис. 2.22. Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const в р-u -диаграмме |
При заданном начальном состоянии (точка 1) цикл однозначно определяется двумя параметрами: степенью сжатия
и степенью предварительного расширения
Параметры рабочего вещества в узловых точках цикла, определяемые при рассмотрении отдельных процессов, находятся из общих термодинамических соотношений:
точка 2
точка 3
точка 4
Теплота q1, подведенная к газу в процессе 2-3, и теплота q2, отведенная от газа в процессе 4-1, равны:
Подставляя значения q1 и q2 в формулу для термического КПД цикла, получаем
или
(2.5)
Работа цикла
Анализ формулы (2.5) показывает, что с увеличением степени сжатия увеличивается и термический КПД цикла.
Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при u = const и р = const можно увидеть, что при одинаковых степенях сжатия 
> 
.
Сравнивая циклы с подводом теплоты при р = constи u = const при одинаковых максимальных давлениях и температурах и различных степенях сжатия e (рис. 2.23) и неизменном количестве отводимой теплоты с учетом того, что в Т-s-диаграмме площадь под линией процесса характеризует теплоту процесса можно записать
Так как выражение термического КПД представляет собой правильную дробь, то прибавление к числителю и знаменателю одинаковой величины (пл. С) дает увеличение КПД и > .
 |
| Рис. 2.23. Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const в Т-s -диаграмме |
Так как выражение термического КПД представляет собой правильную дробь, то прибавление к числителю и знаменателю одинаковой величины (пл. С) дает увеличение КПД и > .
Таким образом, рабочий процесс двигателей с самовоспламенением от сжатия при больших значениях степени сжатия выгоднее, чем рабочий процесс в двигателях с искровым зажиганием.
Степень сжатия e должна обеспечить самовоспламенение топлива и создать необходимые температурные условия для быстрого протекания процесса горения. Этим условиям в компрессорных дизелях соответствуют значения степеней сжатия от 14 до 18.