5.10.2. Идеальный цикл двс с подводом тепла при постоянном

давлении (цикл Дизеля)

В диаграммах состояния, этот цикл приведен на рис. 5.19.

Рабочие процессы двигателей Дизеля и Отто во многом аналогичны. После такта всасывания О – Н на рис. 5.19. начинается процесс сжатия по обратимой адиабате Н – К, но в данном случае воздуха, а не топливовоздушной смеси, как в цикле Отто. При этом не возникает ограничений степени сжатия . Напротив, в конце процесса сжатия в точке “К” температура воздуха должна быть высокой, достаточной для самовоспламенения дизельного топлива, впрыск которого начинается в точке “К”.

Сгорание капель керосина происходит одновременно с перемещением поршня от ВМТ к НМТ. В результате теплоподвода q₁ процесс расширения К – Г в идеальном цикле принимается изобарным. В точке “Г” процесс сгорания заканчивается, и температура газа T_Г является максимальной в цикле. Далее процесс расширения продолжается по обратимой адиабате Г – С. Таким образом, рабочий ход поршня К – Г – С состоит из двух процессов – изобарного и обратимого адиабатного.

Далее, как и в цикле Отто, начинается изохорный процесс С – Н отвода теплоты путём выброса выхлопного газа в атмосферу. Цикл завершается в начальной точке “Н”, но рабочий процесс ещё продолжается удалением из цилиндра продуктов сгорания ходом поршня влево от НМТ к ВМТ.

Рис. 5.19. Изображение идеального цикла ДВС с подводом тепла

при постоянном давлении в диаграммах состояния

В итоге идеальный цикл Дизеля состоит из двух обратимых адиабат Н – К и Г – С, изобары К – Г и изохоры С – Н, осуществляется за 4 такта (хода поршня), т.е. за два оборота вала кривошипно–шатунного механизма. Двигатель Дизеля может быть и двухтактным, как и двигатель Отто.

Термический КПД идеального цикла Дизеля, как и всех других циклов, определяется исходным уравнением (4.4), в котором подводимая q₁ и отводимая q₂ теплота согласно уравнениям (q_p = С_p·∆T) и (q_υ = С_υ·∆T) в соответствии с обозначениями на рис. 5.19. могут быть записаны в следующем виде:

. (5.67)

. (5.68)

Опустив простые, но громоздкие выкладки, приведём сразу конечный результат:

. (5.69)

где – степень предварительного расширения. Очевидно, что  > 1, и функция  в уравнении (5.69)

> 1. (5.70)

непрерывно возрастает с увеличением .

Из сопоставления уравнений (5.64) и (5.69) следует, что при равных степенях сжатия у двигателей Отто и Дизеля

 _Диз =  _Отто, _{t Диз} < _{t Отто} . (5.71)

Но, как отмечалось, степень сжатия у двигателя Дизеля может быть существенно выше, чем у двигателя Отто и составляет  _Диз  16…20 (по сравнению с _Отто  7...12). Поэтому при

 _Диз >  _Отто, _{t Диз} > _{t Отто} . (5.72)

Ниже мы покажем, это на численных примерах.

Степень предварительного расширения  можно найти из уравнения (5.67), записав его в виде

откуда

. (5.73)

Подводимая теплота q₁ определяется так же, как у двигателя Отто – это теплота, выделяемая при сгорании топлива, содержащегося в 1 кг топливо – воздушной смеси. Теплота сгорания (теплотворность) бензина и дизельного топлива почти одинакова. Поэтому, если впрыскиваемое топливо (керосин) сгорает с использованием всего кислорода воздуха, как в двигателе Отто, то и q₁ будет таким же q₁  2 600 кДж/кг. Но по ряду причин в двигателях Дизеля на единицу массы воздуха впрыскивается меньше керосина, иногда даже в 1,5 раза. Часть кислорода воздуха остаётся не использованной. В этом случае q₁  1830 кДж/кг.

Примем для Дизеля  = 18, T_К = 864 K. По уравнению (5.71) получим

_max = 3,176 при q_1max = 2600 кДж/кг;

_min = 2,531 при q_1min = 1830 кДж/кг.

Функции (5.70) получаются равными

f (_max) = 1,253; f (_min) = 1,191,

а термические КПД цикла Дизеля по уравнению (5.69) соответственно получаются следующими

_{t Диз min} = 0,583, _{t Диз max} = 0,603.

Ранее было приведено значение КПД цикла Отто _{t Отто} = 0,521. Полученные значения КПД цикла Дизеля подтверждают неравенства (5.72) и при минимальном и тем более при максимальном значениях _{t Диз}.

Согласно уравнению (5.69) КПД цикла Дизеля формально зависит от двух параметров цикла  и . Но степень предварительного расширения следует рассматривать скорее как величину, заданную дозировкой впрыскиваемого керосина. С увеличением  КПД цикла Дизеля непрерывно повышается, по тому же закону, что и КПД цикла Отто. Максимальные значения  у двигателей Дизеля ограничиваются не организацией процесса сгорания, а резко возрастающими нагрузками на кривошипно – шатунный механизм и вибрационными нагрузками на всю конструкцию.

Максимальная температура T_Г в цикле Дизеля получается также весьма высокой, как и в цикле Отто, но все же ниже, т.к. С_p > С_υ в процессах p = const и υ = const. Эта температура определяется уравнением (5.67)

^.

С учётом приведённых выше параметров для двух значений q_1max и q_1min получим соответственно T_{Г max}  2750 К и T_{Г min}  2200 К.

Полезная работа цикла согласно уравнениям (4.4) и (5.69) равна

. (5.74)

Выше было показано, что с увеличением q₁ степень предварительного расширения , возрастает согласно уравнению (5.71). При заданном значении  это приводит к снижению _t. Но влияние сомножителя q₁ в уравнении (5.74) сильнее, и полезная работа цикла с увеличением q₁ повышается. Приведённые выше примеры это подтверждают. Так, при q_1max = 2 600 кДж/кг, _{t Диз min} = 0,583 и L_{ц Диз max} = 1 516 кДж/кг; при q_1min = 1 830 кДж/кг, _{t Диз max} = 0,603 и L_{ц Диз min} = 1 103 кДж/кг.

Таким образом, влияние q₁ на _t и L_ц противоположно, и при выборе дозировки впрыскиваемого топлива следует искать компромиссное решение между мощностью и экономичностью двигателя. Напомним, что у двигателей Отто подобный вопрос не возникает, поскольку теплота q₁ на КПД цикла не влияет согласно уравнению (5.66).

На работающем двигателе Дизеля, как и на двигателе Отто, может быть снята индикаторная диаграмма, представляющая собой реальный цикл. Это позволяет получить большую информацию о совершенстве реальных процессов.