Цикл двигателя с изобарным подводом теплоты

 

Двигатели, работающие по циклу u = const, практически работают при малых значениях степени сжатия e, а, следовательно, имеют невысокие значения термического КПД h_t. Увеличение h_t в двигателях можно достичь, если создать такой процесс, при котором бы производилось раздельное сжатие воздуха и топлива. Это позволило бы двигателю работать с высокими степенями сжатия e = 14-18.

Рассмотрим принципиальную схему и цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при р = const (рис. 2.21).

В двигателе внутреннего сгорания (рис. 2.21, а) используется слабо летучее моторное топливо (керосин, соляровое масло, дизельное топливо). Цилиндр 1 двигателя опирается на станину 3, скрепленную с фундаментной плитой 4. В крышке 6 цилиндра находятся форсунки 5 для подачи распыленного топлива. Цилиндр и крышка охлаждаются водой.

Шатунно-кривошипный механизм преобразует возвратно-поступатель-ное движение поршня 8 во вращательное движение вала 9. В цилиндре имеются продувочные 7 и выпускные 2 окна, открывающиеся при движении поршня.

Поршень 8 находится в НМТ и цилиндр заполнен воздухом с атмосферным давлением, т.к. полость цилиндра сообщается через выпускные окна 2 с атмосферой (точка 5 на p - u -диаграмме (рис. 2.21, б)).

При движении поршня верх, пока открыты выпускные окна, давление будет оставаться постоянным, процесс 5-1. Далее будет происходить сжатие воздуха – процесс 1-2. Давление и температура возрастают. В конце сжатия (точка 2) температура становиться выше температуры воспламенения сжигаемого топлива.

 

б
а
Рис. 2.21. Принципиальная схема (а) и цикл ДВС с подводом теплоты при р = const в р - V -диаграмме (б): 1 – цилиндр; 2 – выпускные окна; 3 – станина; 4 – фундаментная плита; 5 – форсунка; 6 – крышка цилиндра; 7 – продувочные окна; 8 – поршень; 9 – вал

 

При нахождении поршня в ВМТ в двигатель подается мелко распыленное топливо. Топливо воспламеняется. В дальнейшем подвод топлива и его сгорание дозируется так, чтобы при движении поршня давление не изменялось – процесс 2-3.

По окончанию горения топлива (точка 3) начинается расширение продуктов сгорания – процесс 3-4, пока поршень не откроет выпускные окна. Тогда происходит выхлоп отработавших продуктов сгорания, давление в цилиндре падает до атмосферного, процесс 4-1.

При дальнейшем движении поршня вниз происходит "продувка" цилиндра через продувочные окна 8 сжатым воздухом (процесс 1-5).

При упрощении процессы: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха; 2-3 – изобарный подвод теплоты q ₁; 3-4 – адиабатное расширении продуктов сгорания; 4-1 – изохорный отвод теплоты q ₂.

При степени сжатия e = 14-18 сжатый воздух, поступивший внутрь цилиндра, в конце сжатия имеет давление 3-4 МПа и температуру, равную 500-800 ⁰С, которая обеспечивает надежное самовоспламенение и сгорание топлива. Ввод топлива осуществляется сжатым воздухом, подаваемым от компрессора под давление 5-6 МПа.

Двигатели, которые работают по рассмотренному циклу, предложенному Дизелем, называются дизелями. Этот цикл состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты (рис. 2.22).

 

Рис. 2.22. Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const в р - u -диаграмме

 

При заданном начальном состоянии (точка 1) цикл однозначно определяется двумя параметрами: степенью сжатия

 

 

и степенью предварительного расширения

 

 

Параметры рабочего вещества в узловых точках цикла, определяемые при рассмотрении отдельных процессов, находятся из общих термодинамических соотношений:

точка 2

точка 3

 

точка 4

 

Теплота q ₁, подведенная к газу в процессе 2-3, и теплота q ₂, отведенная от газа в процессе 4-1, равны:

 

 

Подставляя значения q ₁ и q ₂ в формулу для термического КПД цикла, получаем

или

(2.5)

 

Работа цикла

 

Анализ формулы (2.5) показывает, что с увеличением степени сжатия увеличивается и термический КПД цикла.

Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при u = const и р = const можно увидеть, что при одинаковых степенях сжатия > .

Сравнивая циклы с подводом теплоты при р = constи u = const при одинаковых максимальных давлениях и температурах и различных степенях сжатия e (рис. 2.23) и неизменном количестве отводимой теплоты с учетом того, что в Т - s -диаграмме площадь под линией процесса характеризует теплоту процесса можно записать

 

 

 

Так как выражение термического КПД представляет собой правильную дробь, то прибавление к числителю и знаменателю одинаковой величины (пл. С) дает увеличение КПД и > .

 

Рис. 2.23. Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const в Т - s -диаграмме

 

Так как выражение термического КПД представляет собой правильную дробь, то прибавление к числителю и знаменателю одинаковой величины (пл. С) дает увеличение КПД и > .

Таким образом, рабочий процесс двигателей с самовоспламенением от сжатия при больших значениях степени сжатия выгоднее, чем рабочий процесс в двигателях с искровым зажиганием.

Степень сжатия e должна обеспечить самовоспламенение топлива и создать необходимые температурные условия для быстрого протекания процесса горения. Этим условиям в компрессорных дизелях соответствуют значения степеней сжатия от 14 до 18.