Математическое моделирование тепловых процессов в двигателях внутреннего сгорания: Курс лекций (Эволюция учения о теплообмене в ДВС от Нуссельта до наших дней. Основные показатели эффективности циклов тепловых двигателей), страница 11

Рис. 4.5. Т-Sдиаграмма двигателя с подводом теплоты при V=const.

Рассматриваемый цикл в Т-S диаграмме показан на рис. 4.5. Подводимое тепло q₁ на диаграмме изображается площадью а-2-3-b–a , отводимое тепло q₂ - площадью a-1-4-b–a, а тепло, превращаемое в работу, - площадью 1-2-3-4-1.

4.2.2. Цикл Дизеля (P=const)

Для повышения степени сжатия целесообразно сжимать в цилиндре только воздух, а потом впрыскивать в него топливо. На этом принципе основан цикл Дизеля. Индикаторная диаграмма такого двигателя показана на рис. 4.6. В процессе а-1 в цилиндр всасывается чистый воздух, в процессе 1-2 осуществляется его сжатие. В начале обратного хода поршня в цилиндр впрыскивается топливо и за счет высокой температуры сжатого воздуха (степень сжатия в этих двигателях достигает 15-24) происходит его воспламенение. Так как сгорание происходит в процессе расширения, процесс протекает при постоянном давлении (процесс 2-3).

После сгорания топлива процесс расширения протекает адиабатным, в точке 4 открывается клапан выхлопа и давление снижается по изохоре 4-5. Далее газ выбрасывается из цилиндра в атмосферу и цикл повторяется.

Также как и в предыдущем случае, индикаторную диаграмму цикла Дизеля заменим идеализированным циклом, термодинамически эквивалентным индикаторному (рис. 4.7). Этот цикл состоит из двух адиабат 1-2 и 3-4, изобары 2-3, по которой осуществляется подвод тепла q₁  и изохоры 4-1, по которой осуществляется отвод тепла  q₂.

Рис. 4.6. Индикаторная диаграмма цикла Дизеля.

Рис. 4.7. Идеализированный цикл Дизеля.

Определим термический КПД цикла Дизеля. Из общего выражения для КПД

                                                    (4.10)

Теплота  q₁ в изобарном процессе

 ,                                               (4.11)

где C_P – теплоемкость газа в процессе при P=const.

Теплота q₂  в изохорном процессе

                                                  (4.12)

С учетом этого термический КПД

,               (4.13)

где k=C_P/C_V – показатель адиабаты.

В изобарном процессе идеального газа

.                                    (4.14)

Здесь r – степень предварительного расширения воздуха. Запишем уравнения адиабат 1-2 и 3-4

;                                         (4.15)

после почленного деления, учитывая что и  получаем    

 или                                            (4.16)

Заменим отношение давлений из уравнения состояния идеального газа              

.                          (4.17)

С учетом (4.17) и (4.6) выражения для определения термического КПД цикла Дизеля имеет вид

 .                                        (4.18)

Из (4.18) следует, что термический КПД цикла Дизеля тем больше, чем больше степень сжатия  e и чем меньше степень предварительного расширения r. Так при степени сжатия  e=15 уменьшение r от 2.5 до 1.6 увеличивает КПД с 0.53 до 0.57, при степени сжатия e=20 уменьшение r от 2.5 до 1.6 увеличивает КПД с 0.63 до 0.73.

В Т-S диаграмме цикл Дизеля показан на рис. 4.8. Подводимая теплота q₁, изображается площадью а-1-2-3-b–a, отводимая теплота q₂, площадью a-1-4-b–a, работа цикла равна площади 1-2-3-4-1.

Рис. 4.8. Цикл Дизеля в Т-S координатах.

Для сравнения на Т-S диаграмме изображен цикл Отто при сравнимых условиях, т.е. одинаковых параметрах P₁ и T₁, температуре Т₃ и степени сжатия e. Здесь 2-3 это изобара рабочего хода цикла Дизеля, а 2-3 изохора рабочего хода цикла Отто. Так как для идеальных газов C_P>C_V, следовательно,

                                          (4.19)

т.е. изохора проходит круче, чем изобара, проведенная через ту же точку. Следовательно, работа цикла Дизеля больше, чем цикла Отто и соответственно выше термической КПД.