11.4. Термодинамический анализ циклов ДВС с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном давлении

Увеличить степень сжатия в ДВС можно путем сжатия в цилиндре только воздуха с последующим впрыскиванием в него топлива. При сжатии воздуха отсутствует ограничение на температуру самовоспламенения топлива, а высокая температура воздуха в конце процесса сжатия позволяет осуществить самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндр, без электрической свечи. Такой ДВС был предложен Дизелем (Германия) поэтому в настоящее время эти двигатели называют дизелями. Схема дизельного ДВС показана на рис. 11.5.

Воздух поступает в цилиндр двигателя и сжимается до 30 – 36 бар, в конце сжатия температура воздуха достигает 600 – 800 °С. Впрыск топлива осуществляется при достижении поршнем ВМТ. Для распыления топлива используется форсунка, куда компрессором подается сжатый воздух. Топливо самовоспламеняется, а процесс его горения идет одновременно с движением поршня в сторону НМТ. Условно такой процесс подвода теплоты к рабочему телу считается изобарным. После полного сгорания топлива расширение продуктов сгорания топлива приводит к перемещению поршня в НМТ. Далее осуществляется выхлоп продуктов сгорания и перемещение поршня в ВМТ.

Условный идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении показан на рис. 11.6.

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия ε=v₁/v₂ и степень предварительного расширения ρ=v₃/v₂. Используя эти характеристики и параметры первой точки, остальные параметры цикла определяются соотношениями:

Термический КПД цикла определяется выражением

(11.7)

Выразив температуры в выражении 11.7 через Т₁ и характеристики цикла, получим выражение КПД в виде

(11.8)

Из уравнения 11.6 видно, что чем больше степень сжатия и меньше степень предварительного расширения, тем больше КПД. Снижение КПД за счет увеличения степени предварительного расширения объясняется тем, что изобара Р₂ более пологая, чем изохора v₁. При увеличении ρ точка 3 стремиться к точке 4, что приводит к большему возрастанию q₂ по отношению к q₁.

Зависимость КПД идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении от степени сжатия и степени предварительного расширения показана на рис. 11.7.

Из рис. 11.7 видно, что не смотря на большую степень сжатия дизельный двигатель имеет практически такой же термический КПД как и цикл карбюраторного двигателя. Внутренний относительный КПД этих двигателей также практически одинаков. При этом необходимо отметить, что нулевые значения КПД дизельного двигателя соответствуют степеням сжатия больше единицы, возрастающим с увеличением значения ρ.

Основным преимуществом дизельного двигателя является отсутствие карбюратора и возможность использования низкосортного жидкого топлива.

Основным недостатком дизельного двигателя является необходимость больших затрат работы на привод топливного насоса и компрессора по сравнению с карбюраторным двигателем. Это вызвано большим давлением воздуха в цилиндре, куда впрыскивается топливо, и необходимостью его распыливания через форсунку (она имеет значительное гидравлическое сопротивление. К недостатку дизельного двигателя относится и его тихоходность (малые обороты коленчатого вала), что определяет медленный процесс сгорания топлива в двигателе.