1.6 Теоретические и действительные циклы

Характер рабочего процесса в двигателе бывает различный – подвод теплоты (сгорание) происходит при постоянном объеме (вблизи ВМТ -это карбюраторные двигатели) или при постоянном давлении (сгорание происходит при движении поршня от ВМТ к НМТ – это компрессорные дизельные двигатели) или смешанный цикл, при котором часть теплоты подводится при постоянном объеме, а другая часть – при постоянном давлении ( это современные безкомпрессорные дизельные двигатели).

Для изучения процессов, происходящих цилиндрах ДВС, и выяснения особенностей цикла рассматривают теоретические циклы, т.е. термодинамические круговые процессы превращения тепловой энергии в механическую работу Они служат для оценки степени совершенства процессов и показателей действительных циклов, т.к. получаемые расчетные значения показателей теоретических термодинамических циклов представляют собой некоторый наивысший предел, к которому могут лишь приближаться показатели действительных циклов.

При рассмотрении теоретических циклов делаются следующие допущения:

1. Циклы замкнутые и протекают с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого принимают идеальный газ.(химический состав постоянен).

2. Процессы сгорания и выпуска отработавших газов заменены процессами подвода и отвода теплоты.

3. Процессы сжатия и расширения происходят без теплообмена с окружающей средой, т.е. принимаются адиабатными.

4. Теплоемкость рабочего тела (газа) на протяжении всего цикла принимают постоянной, не зависящей от температуры.

В бензиновых и газовых двигателях, в которых горючая смесь , вошедшая в цилиндр при впуске, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня вблизи в.м.т., т.е. при почти неизменяемом объеме. Индикаторные диаграммы действительного и теоретического циклов приведены на рис. 8.

Рис. 8. Индикаторные диаграммы фактического и теоретического циклов с сообщением теплоты при постоянном объеме

Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном объеме характеризуют:

- степень сжатия ε , которая является важнейшей величиной, с ее возрастанием экономичность и мощность повышаются;

- степень повышения давления λ, представляющая собой отношение давления р_z в конце процесса сообщения тепла к давлению р_с в начале этого процесса: λ = р_z /р_с

- термический кпд. η_t . Экономичность любого теоретического цикла оценивается термическим кпд равным отношению тепла, превращенного в полезную работу газов, к затраченному теплу:

η_t = (Q₁ – Q₂)/Q₁ = 1 - Q₂/Q₁. или η_t = 1 – 1/ ε^k-1, где

k – показатель адиабаты.

Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном давлении.

В дизели в процессе впуска поступает не заранее приготовленная смесь, а воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия (линия ас рис. 9). Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (14 – 20) давление в конце сжатия достигает 3-4 МПа, а температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия вместе со сжатым воздухом р = 6 МПа, который мелко распыливает его. При соприкосновении с сильно нагретым воздухом топливо начинает гореть (линия cz). Ввиду постепенной подачи

Рис. 9. Индикаторные диаграммы фактического и теоретического циклов с подводом теплоты при постоянном давлении

топлива через форсунку нельзя ожидать резкого повышения давления при сгорании. Топливо горит постепенно по мере поступления его в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне и почти постоянном давлении. По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные дизели. Двигатели этого типа в качестве транспортных не используются вследствие громоздкости установки, снабженной двух – трехступенчатым компрессором.

Теоретический цикл двигателя с сообщением тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл, рис. 10)

Тракторные и автомобильные дизели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Топливо впрыскивают в конце процесса сжатия и оно сгорает частично по изохоре с-z^΄ (при постоянном объеме) и частично по изобаре z^΄- z (при постоянном давлении).Количество топлива, сгорающего при постоянных объеме и давлении. В основном определяются углом предварения(опережения) впрыска, количеством топлива и интенсивностью подачи его в начале и конце впрыска. Вследствие частичного сообщения тепла при постоянном объеме максимальные давления смешанного цикла выше, чем в цикле с сообщением тепла при постоянном давлении.

Рис. 10. Индикаторные диаграммы фактического и теоретического циклов при смешанной подаче теплоты

Термический кпд равен:

η_t = 1 – (1/ ε^k-1)(λρ^k – 1)/[λ – 1 + kλ(ρ – 1)],

где ρ – степень предварительного расширения ρ = V_z/V_с ;