2.3.Цикл двс со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Недостатки цикла Дизеля:

- наличие компрессора, усложняющего конструкцию ДВС;

- на обеспечение работы компрессора требуется 6..10% от общей мощности компрессорного дизеля.

Бескомпрессорный дизель, разработанный русским инженером Густавом Васильевичем Тринклером в 1904 году, объединяет положительные свойства циклов Отто и Дизеля. Цикл Тринклера используется в большинстве современных быстроходных дизелей.

Вместо компрессора Тринклер применил механическое сжатие топлива до высоких давлений (30..170МПа) с помощью топливного насоса. Сжатое насосом топливо впрыскивается в специальную предкамеру или через форсунку в головку цилиндра, где оно самовоспламеняется и частично быстро сгорает при , а затем догорает при .

Принципиальная схема бескомпрессорного дизеля с предкамерой представлена на рис. 2.6.

Идеальный термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты представлен на рис. 2.7.

Рис 2.6. схема бескомпрессорного дизеля с предкамерой.

Рис 2.7. Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) в P-V и T-S диаграммах.

Термодинамические процессы идеального цикла ДВС со смешанным подводом теплоты:

1 -2 - адиабатное сжатие воздуха в цилиндре до ε = 14..22 для достижения надежного самовоспламенения топлива при контакте со сжатым воздухом в точке 2;

2-3 – изохорный подвод первой части теплоты от быстрого сгорания части топлива в предкамере или в головке цилиндра в смеси со сжатым воздухом;

3 -4 – изобарный подвод второй части теплоты от догорания в цилиндре оставшейся части топлива;

4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре;

5 -1 – изохорный отвод теплоты (выхлоп) с возвращением рабочего тела в исходное состояние.

( В индикаторной диаграмме процесс 5-1 совершается за два такта (хода поршня); 5-0 – выхлоп продуктов сгорания; 0-1- всасывание в цилиндр атмосферного воздуха.)

Характеристиками цикла Тринклера являются:

- степень сжатия (воздуха);

- степень повышения давления (от изохорного сгорания части топлива в предкамере);

- степень предварительного расширения рабочего тела (от изобарного догорания оставшейся части топлива в цилиндре). Величина ρ не превышает ε.

- подведенная теплота в процессе 2-3;

- подведенная теплота в процессе 3-4;

- отведенная теплота в процессе 5-1.

Термический КПД цикла Тринклера

;

Где - показатель адиабаты рабочего тела.

Параметры рабочего тела в узловых (характерных) точках цикла:

Точка 2

- конечный объем воздуха при его

адиабатном сжатии в цилиндре;

,

или

- конечное давление адиабатного

сжатия воздуха в цилиндре;

,

или

- конечная температура адиабатного

сжатия воздуха в цилиндре;

Точка 3

,

или

- конечный объем продуктов изохорного

сжигания части топлива в предкамере

или в головке цилиндра;

,

или

- конечное давление продуктов

изохорного сжигания части топлива;

или

- конечная температура

продуктов изохорного сжигания части топлива;

Точка 4

,

или

- конечный объем продуктов

изобарного догорания топлива в цилиндре;

,

или

- давление продуктов сгорания топлива

при его полном догорании в условиях

изобарного расширения газа в цилиндре;

,

или

- конечная температура продуктов

изобарного догорания топлива в цилиндре;

Точка 5

- объем продуктов сгорания при

завершении адиабатного расширения в цилиндре;

,

или

- конечное давление адиабатного

расширения продуктов сгорания топлива;

,

или

- конечная температура адиабатного

расширения продуктов сгорания топлива;

Подставляя найденные значения в формулу для термического КПД, получим

(2.21.)

Из этой обобщающей формулы следует, что растет с увеличением , и уменьшаются при увеличении .

При цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл Отто, у которого

,

а при - в цикл Дизеля, у которого

.

При одинаковых значениях максимального давления, максимальной температуры и одинаковых значениях отводимой теплоты , но различных значениях

В этом случае максимальное значение степени сжатия будет у ДВС с циклом Дизеля.

Доля теплоты, подведенной в изохорном процессе:

(2.22.)

Расчеты показывают, что, начиная с , дальнейшее увеличение ее значения приводит к слабому увеличению . С точностью до 2%, полагают, что при

.

Подставляя в формулу для степени повышения давления значения и , получим

(2.23.),

где .

Из формулы (2.23.) следует, что увеличение приводит к сильному увеличению , а, значит к значительному повышению максимального давления в цикле

На практике , так как при более высоких значениях заметно ухудшаются условия работы кривошипно – шатунного механизма ДВС, увеличивается шумность двигателя и снижается его механический КПД.

Подставляя в формулу для степени предварительного расширения значения и , получим

(2.24.)

Зависимости (2.23.) и (2.24.) позволяют задать характеристики двигателя и при известных значениях и .

Важным показателем цикла в целом служит среднее давление цикла (2.25.)

Здесь ( ) – рабочий объем цилиндра, то есть объем описываемый поршнем .

Из (2.25.) - это работа, полученная с единицы рабочего объема цилиндра (удельная работа).

Так как

,

То ,

или

(2.26.)

Здесь

- тепловая нагрузка единицы объема камеры сгорания, Дж/м .

Подставляя в формулу (2.26.) значения , и , получим

(2.27.)

В формуле (2.26.)

(2.28.)

и

(2.29.)

Для повышения за счет увеличения в дизелях применяют наддув.

Полагая , получим по формуле (2.27.) для цикла Отто

(2.30.)

При из формулы (2.27.) получим среднее давление в цикле Дизеля

(2.31.),

где степень предварительного расширения из (2.24.) при

(2.32.)

Таким образом зависит от , т.е. от тепловой нагрузки.

Так как входит в формулы для и ,то термический КПД и среднее давление цикла Дизеля, в отличие от цикла Отто, зависят от тепловой нагрузки . С увеличением тепловой нагрузки снижается, а увеличивается.