3.2. Определение внешней теплоты и работы цикла

Процесс, соответствующий кривой 1—2 на индикаторной диаграмме (см. рис. 2), является адиабатным. Поэтому для него q = 0.

В изохорном процессе (прямая 2—3) подводится теплота q₁ ве­личина которой определяется по формуле

.

Из формул (2.6) и (2.5) определим значения Т₃ и Т₂, получим

или

. (2.8)

Процесс, соответствующий кривой 3—4, также адиабатный и для него также q = 0.

В изохорном процессе (прямая 4—1) теплота отводится, количе­ство отводимой теплоты определяется по формуле

или на основании формулы (2.7)

,

тогда

. (2.9)

Работа цикла определяется из выражения

.

Без учета коэффициента пропорциональности А, подставляя значения q₁ и q₂, получим

или

. (2.10)

3.3. Термический кпд цикла

Согласно определению

.

Подставляя вместо q₂ и q₁ выражения (2.9) и (2.8), получим

или

. (2.11)

Уравнение (2.10) показывает, что работа цикла тем больше, чем больше степень сжатия s и степень повышения давления λ.

Увеличение степени сжатия на одном и том же двигателе можно достигнуть, уменьшая объем камеры сгорания V₂. Увеличение степе­ни повышения давления можно осуществить путем увеличения ко­личества подводимой теплоты q₁.

Уравнение (2.11) показывает, что термический КПД цикла зави­сит только от степени сжатия и растет с его увеличением.

Однако увеличение степени сжатия ограничивается свойствами горючей смеси, состоящей из топлива и воздуха, которая способна воспламеняться без специального поджигания. Для этого достаточ­но, чтобы температура горючей смеси была равна температуре ее са­мовоспламенения.

В конце такта сжатия Т₂ = Т₁ε^k-1, т. е. Т₂ растет с увеличением ε. Поэтому, увеличивая ε, можно получить температуру вспышки ра­ньше, чем поршень придет в ВМТ, что приведет к ненормальной работе двигателя и даже его поломке. Результатом такого ограниче­ния является то, что у существующих бензиновых двигателей сте­пень сжатия доходит лишь до 7—12 единиц.

Кроме того, анализ показывает, что при дальнейшем наращива­нии степени сжатия рост термического КПД замедляется.

Увеличение степени повышения давления λ влечет за собой уве­личение максимального давления в цикле (так как в этом случае подводится большее количество теплоты q₁). Это приводит к увели­чению значений сил, действующих в кривошипно-шатунном меха­низме, что вызывает потребность в изготовлении более прочного двигателя, а значит и более тяжелого. Кроме того, возрастает макси­мальная температура цикла, а это приводит к росту термической на­пряженности двигателя.

Таким образом, термический КПД и работа двигателей, работа­ющих по циклу Отто, ограничены значениями λ и ε. Поэтому двига­тели, появившиеся в 80-х годах, нуждались в усовершенствовании. Однако карбюраторные двигатели, работающие по циклу Отто, по­лучили широкое распространение. Они применяются на легковых и грузовых автомобилях.

4. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении

Степень сжатия ε в цикле может быть существенно повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем в конце про­цесса сжатия ввести в цилиндр горючее вещество.

Именно на этом основан цикл Дизеля (названный по имени не­мецкого инженера Р. Дизеля, построившего в 1887 г. двигатель, ра­ботавший по этому принципу). Степень сжатия в двигателях с цик­лом Дизеля обычно достигает 15—20 единиц.

В цилиндр двигателя засасывается чистый воздух, затем сжима­ется до тех пор, пока его температура не станет выше температуры самовоспламенения топлива. Такой температуры воздух должен до­стичь в конце хода поршня. Тогда в цилиндр через специальную форсунку подается распыленное жидкое топливо. У Дизеля это топ­ливо подавалось к форсунке сжатым воздухом, который в свою оче­редь нагнетался компрессором под давлением 5—6 МПа. Распыля­ясь через форсунку, топливо воспламенялось в цилиндре и сгорало примерно при постоянном давлении, так как поршень в этот мо­мент перемещался, объем увеличивался.

После прекращения подачи топлива продукты сгорания расши­ряются до тех пор, пока поршень не достигнет крайнего положения.

На рис. 3 показана индикаторная диаграмма поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении. Кривая 1—2 соот­ветствует процессу адиабатного сжатия, прямая 2—3 — процессу подвода теплоты при постоянном давлении, кривая 3—4 — процессу адиабатного расширения, а прямая 4— 1 — процессу отвода теплоты при постоянном объеме.

Рис. 3. Цикл поршневого ДВС с подводом теплоты при посто­янном давлении

Характеристиками цикла явля­ются степень сжатия ε и степень предварительного расширения ρ:

,

где v₃ — объем рабочего тела в конце подвода теплоты; v₂ — объем рабоче­го тела в начале подвода теплоты.

Двигатели, работающие по данному циклу, имеют ε от 12 до 20, а ρ от 1,5 до 2,5.

Используя метод, применяемый при определении КПД и удель­ной работы в цикле Отто, в данном случае получим формулы для определения работы цикла:

(2.12)

и термического КПД:

(2.13)

Из формул (2.12) и (2.13) видно, что работа цикла увеличивается вместе с увеличением степени сжатия и количества подведенной теплоты, которая характеризуется степенью предварительного рас­ширения ρ, а термический КПД цикла увеличивается с увеличением степени сжатия ε. В то же время с увеличением ρ (кривая 3—4, рис. 4) адиабата расширения будет уменьшаться, а значение температу­ры, при которой от газа отводится теплота, приблизится к Т3. Поэтому при увеличении ρ уменьшается η_t цикла.

Рис. 2.4. Диаграммы циклов с изобарным подводом тепла, имеющие различные степени предварительного расширения

Значение ρ так же, как и λ не мо­жет меняться в таких широких преде­лах как значение ε, так как максимальная величина ρ вполне определена количеством воздуха в камере сгорания. необходимого для сгорания соответствующего количества топлива.

Рост степени сжатия выше 15—18 единиц в цикле Дизеля ограничивается увеличением расхода работы на преодоление сил трения в двигателе.

Известным недостатком двигателя Дизеля по сравнению с дви­гателем Отто является необходимость затраты работы на привод компрессора, большие габаритные размеры компрессорной установ­ки и тихоходность, обусловленная медленным сгоранием топлива.