13.1. Цикл двс с изохорным подводом теплоты

Данный цикл называют также циклом быстрого сгорания или циклом Отто (по имени его автора, немецкого инженера). В реальных условиях такой цикл совершается в бензиновых карбюраторных двигателях, а также в газовых двигателях (в которых топливом служит газ). Изобразим такой цикл в координатах - p,  и T, s (рис. 13.3). Этот цикл состоит из следующих процессов: а-с - адиабатное сжатие рабочего тела; c-z - изохорный подвод теплоты q₁ к рабочему телу; z-в - адиабатное расширение рабочего тела; в-а - изохорный отвод теплоты от рабочего тела.

Цикл с изохорным подводом теплоты определяется заданием начального состояния в точке а (р_а и Т_а) и параметров цикла:

- степень сжатия; - степень повышения давления.

Найдем термический к.п.д. цикла. Для этого определим температуры в характерных точках цикла через заданную начальную температуру Т_а в точке а. Для определения температур воспользуемся формулами для связи параметров в термодинамических процессах.

В адиабатном процессе а - с

и .

В изохорном процессе c - z

и .

В адиабатном процессе z - в

и .

Определим значения q₁ и q₂.

q₁ = c_(T_z - T_c) = c_(T_a^к-1 - Т_а^к-1) = c_vT_a^к-1( - 1).

q₂ = c_(T_в - T_а) = c_(T_a - Т_а) = c_T_a( - 1).

Тогда

. (13.1)

Из формулы (13.1) видно, что _t цикла с изохорным подводом теплоты увеличивается с повышением степени сжатия . В ДВС с подводом теплоты при  = const максимальное значение  ограничено следующими факторами.

1. Во-первых, т.к. в цилиндрах двигателей данного типа происходит сжатие горючей смеси, то конечная температура сжатия Т_с не должна превышать температуру самовоспламенения смеси с тем, чтобы не произошло самопроизвольной преждевременной вспышки горючей смеси, что может привести к поломке двигателя.

2. Во-вторых, степень сжатия ограничена явлением детонации горючей смеси, т.е. взрывным ее горением. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. Интенсивная детонация может привести к разрушению двигателя.

По указанным причинам степень сжатия таких двигателей обычно лежит в пределах 8 - 10. Поэтому и термический к.п.д. таких двигателей относительно небольшой.

13.2 Цикл двс с изобарным подводом теплоты

Степень сжатия  может быть значительно повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (назван по имени немецкого инженера Р. Дизеля) - это позволяет работать двигателю с высокой степенью сжатия ( = 14-20). При таких степенях сжатия воздух, поступивший внутрь цилиндра, в конце сжатия имеет давление 30-40 Па и температуру от 500 до 800 ^оС, которая обеспечивает надежное самовоспламенение и сгорание топлива. Жидкое топливо подается в камеру сгорания в мелко распыленном виде через форсунки в конце процесса сжатия. Ввод топлива осуществляется сжатым воздухом, подаваемым от компрессора под давлением 50-60 бар. Подача топлива организована таким образом, что сгорание происходит при постоянном давлении. Изобразим такой цикл как чисто термодинамический с указанными ранее допущениями (рис. 13.4).

В этом цикле : а-с - адиабатное сжатие рабочего тела; c-z - подвод теплоты при p = const; z-в - адиабатное расширение; в-а - отвод теплоты при  = const.

Заданы параметры точки а(р_а, Т_а), а также параметры цикла:

- степень сжатия; - степень предварительного расширения; - степень последующего расширения (иногда говорят степень адиабатного расширения). Величины ,  и  связаны между собой следующим соотношением:

.

Найдем термический к.п.д. цикла. Для этого предварительно выразим температуры в характерных точках цикла через начальную температуру Т_а.

Из адиабаты а - с имеем

, откуда .

Из изобары c - z

, тогда .

Из адиабаты z - в

,

откуда .

Определим значения q₁ и q₂.

q₁ = c_p(T_z - T_c) = c_p(T_a^к-1 - Т_а^к-1) = c_pT_a^к-1( - 1).

q₂ = c_v(T_в - T_а) = c_(T_a^к - Т_а) = c_T_a(^к - 1).

Тогда .

Окончательно перепишем

. (13.2)

Следовательно, _t цикла с подводом тепла при p = const зависит от  и . Анализ выражения (13.2) показывает, что _t увеличивается с ростом  и уменьшением .

Верхний предел  у этих двигателей устанавливается тем обстоятельством, что при увеличении  происходит увеличение _t и одновременно уменьшение механического к.п.д. _м. При этом при высоких степенях сжатия выгода от увеличения _t может поглотиться возрастающим расходом работы на преодоление трения. Оптимальной является , при которой произведение _t  _м принимает максимальное значение. Нижний предел значения  в этих двигателях определяется температурой воспламенение топлива. Двигатели, работающие по такому циклу, называют компрессорными дизелями.