1.2 Цикл Дизеля

Двигатели, в основу работы которых положен термодинамический цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, имеют ряд преиму­ществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теп­лоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях, работающих по циклу Дизеля, осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия.

Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо – нефть, мазут, смолы и проч.

В двигателях, работающих по циклу Дизеля, воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Такая организация процесса сгорания позволяет применять существенно более высокие степени сжатия по сравнению с циклом Отто и исключить преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разрабо­тана немецким инженером Дизелем. [2]

Термодинамический цикл Дизеля показан на рисунке 5 и осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело (воздух) с начальными параметрами p_a, υ_a, T_a сжимается по адиабате ас, при этом происходит увеличение температуры и давления рабочего тела. В конце сжатия (точка с, ВМТ) через форсунку в цилиндр впрыскивается порция топлива в мелкораспыленном состоянии. Мелкие частицы топлива, соприкасаясь с нагретым сжатым воздухом, самовоспламеняются и процесс сгорания происходит при постоянном давлении. В изобарном процессе сz к рабочему телу подводится количество теплоты q₁. Под большим давлением расширяющихся газов поршень перемещается к НМТ и передает воспринимаемое им усилие через шатун на коленчатый вал, заставляя его вращаться. Процесс zb – это изоэнтропное (адиабатное) расширение рабочего тела до первоначального объема. В точке b открывается выпускной клапан, под действием избыточного давления отработанные газы выходят из цилиндра. В изохорном процессе ba рабочее тело при постоянном объеме возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты в количестве q₂. Полезная работа термодинамического цикла пропорциональна площади, ограниченной на диаграмме aczb. Рабо­чее тело совершает положительную работу l_zb часть которой в дальнейшем (при повторении цикла) затрачивается на осуществление процесса ас.

Ts-диаграмма используется для наглядного анализа количества подведенного q₁ (площадь s_aaczbs_b) и отведённого q₂ (площадь s_aabs_b) тепла и полезно использованного количества теплоты в цикле l_Ц = q₁ - q₂ (площадь aczb).

Рисунок 5 – Цикл Дизеля на pυ и Ts-диаграммах.

Цикл с подводом теплоты при р=const (термодинамический цикл Дизеля, с постепенным сгоранием) используется в двигателях высокого сжатия, например, на керосине. В этом цикле λ = = 1. Кроме ε = , параметрами этого цикла являются: ρ = – степень предварительного расширения; δ = – степень последующего расширения.

Параметры цикла связаны соотношением ε = ρδ.

Выразим объем, давление и температуру в характерных точках цикла (точки c, z и b) через характеристики цикла и его начальные па­раметры Т_а, υ_a, p_a.

Точка с.

Удельный объём в точке с можно определить, используя определение степени сжатия:

,

(26)

Процесс ac – адиабатный, тогда для него, используя уравнение адиабатного процесса, можно записать соотношение между параметрами:

,

отсюда определяем давление в точке с:

,

(27)

Аналогично, из уравнения адиабатного процесса ac:

,

выразим температуру в точке с:

,

(28)

Точка z.

Зная степень предварительного расширения, можем определить удельный объем в точке z:

,

(29)

Процесс cz – изобарный, значит

,

(30)

а отношение объемов равно отношению температур:

,

тогда, зная выражение температуры в предыдущей точке (28), получим температуру в точке z:

,

(31)

Точка b.

Процесс ba – изохорный, значит

υb = υa .,

(32)

Зная, что процесс zb – адиабатный и выражение (29), можно записать

,

отсюда, используя (31) находим температуру в точке b:

.

(33)

Так как процесс ba – изохорный, то отношение давлений равно отношению температур, т.е. получаем что:

,

тогда давление в точке b равняется:

,

(34)

Таблица 2 – Расчет параметров рабочего тела в характерных точках цикла Дизеля.

Параметры	Характерные точки цикла
	a	c	z	b
v	va
p	pa
T	Ta

Используя полученные выражения температур в точках c (28), z (31), b (33), количество подведенной и отведенной теплоты можно выразить следующим образом:

,

.

(35)

Подставляя эти результаты в η_t = , получаем

(36)

Тогда работу цикла используя выражение (36) можно определить как:

.

(37)

Подставляя (37) в выражение для определения среднего давления (6) в случае термодинамического цикла Дизеля, получим:

,

(38)

Используя уравнение Майера для идеального газа

,

и выражение для показателя адиабаты k

,

выразим удельную теплоемкость при постоянном давлении :

, , , cp = .

(39)

Подставляя выражение (39) в (38) среднее теоретическое давление в цикле Дизеля приводится к виду:

,

(40)

Таким образом, как и в случае цикла Отто, η_t и р_t цикла Дизеля зависят от природы рабочего тела и степени сжатия, возрастая при повышении ε и показателя адиабаты k, уменьшаясь при росте ρ.

Величина ε в термодинамическом цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивать условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в дизельных двигателях соответствует ε =14-20. [2]

Сравнение КПД циклов ДВС с подводом теплоты при p=const и υ=const при одинаковых максимальных давлениях или температурах, но при различных ε показывают, что КПД цикла Дизеля больше, чем у цикла Отто: η_tр^Дизель > η_tυ^Отто. [2]

В отличие от цикла Отто, в данном случае термический КПД за­висит от тепловой нагрузки цикла, т.е. количества подведенной теп­лоты. С увеличением количества подведенной теплоты КДП η_t, снижается. По условию организации отвода теплоты по изохоре ba величина ρ не может превышать значения ε. Несмотря на снижение термического КПД η_t увеличение количества подведенной теп­лоты приводит к росту среднего давления цикла.

Традиционно цикл с подводом теплоты при р=const считается термодинамическим циклом тихоходного дизеля, но могут использовать более тяжелое топливо, например, солярку. Однако при подбо­ре подходящих значений р_а и ε этот цикл может рассматриваться как модель цикла двигателя с искровым зажиганием при его работе на особо малых нагрузках и холостом ходу [4].