Характер рабочего процесса в двигателе бывает различный – подвод теплоты (сгорание) происходит при постоянном объеме (вблизи ВМТ -это карбюраторные двигатели) или при постоянном давлении (сгорание происходит при движении поршня от ВМТ к НМТ – это компрессорные дизельные двигатели) или смешанный цикл, при котором часть теплоты подводится при постоянном объеме, а другая часть – при постоянном давлении ( это современные безкомпрессорные дизельные двигатели).
Для изучения процессов, происходящих цилиндрах ДВС, и выяснения особенностей цикла рассматривают теоретические циклы, т.е. термодинамические круговые процессы превращения тепловой энергии в механическую работу Они служат для оценки степени совершенства процессов и показателей действительных циклов, т.к. получаемые расчетные значения показателей теоретических термодинамических циклов представляют собой некоторый наивысший предел, к которому могут лишь приближаться показатели действительных циклов.
При рассмотрении теоретических циклов делаются следующие допущения:
1. Циклы замкнутые и протекают с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого принимают идеальный газ.(химический состав постоянен).
2. Процессы сгорания и выпуска отработавших газов заменены процессами подвода и отвода теплоты.
3. Процессы сжатия и расширения происходят без теплообмена с окружающей средой, т.е. принимаются адиабатными.
4. Теплоемкость рабочего тела (газа) на протяжении всего цикла принимают постоянной, не зависящей от температуры.
В бензиновых и газовых двигателях, в которых горючая смесь , вошедшая в цилиндр при впуске, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня вблизи в.м.т., т.е. при почти неизменяемом объеме. Индикаторные диаграммы действительного и теоретического циклов приведены на рис. 8.
Рис. 8. Индикаторные диаграммы фактического и теоретического циклов с сообщением теплоты при постоянном объеме
Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном объеме характеризуют:
- степень сжатияε , которая является важнейшей величиной, с ее возрастанием экономичность и мощность повышаются;
- степень повышения давления λ, представляющая собой отношение давления рz в конце процесса сообщения тепла к давлению рс в начале этого процесса: λ = рz /рс
- термический кпд. ηt. Экономичность любого теоретического цикла оценивается термическим кпд равным отношению тепла, превращенного в полезную работу газов, к затраченному теплу:
ηt = (Q1 – Q2)/Q1 = 1 - Q2/Q1.или ηt = 1 – 1/ εk-1, где
k – показатель адиабаты.
Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном давлении.
В дизели в процессе впуска поступает не заранее приготовленная смесь, а воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия (линия ас рис. 9). Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (14 – 20) давление в конце сжатия достигает 3-4 МПа, а температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия вместе со сжатым воздухом р = 6 МПа, который мелко распыливает его. При соприкосновении с сильно нагретым воздухом топливо начинает гореть (линия cz). Ввиду постепенной подачи
Рис. 9. Индикаторные диаграммы фактического и теоретического циклов с подводом теплоты при постоянном давлении
топлива через форсунку нельзя ожидать резкого повышения давления при сгорании. Топливо горит постепенно по мере поступления его в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне и почти постоянном давлении. По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные дизели. Двигатели этого типа в качестве транспортных не используются вследствие громоздкости установки, снабженной двух – трехступенчатым компрессором.
Теоретический цикл двигателя с сообщением тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл, рис. 10)
Тракторные и автомобильные дизели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Топливо впрыскивают в конце процесса сжатия и оно сгорает частично по изохоре с-z΄ (при постоянном объеме) и частично по изобаре z΄- z(при постоянном давлении).Количество топлива, сгорающего при постоянных объеме и давлении. В основном определяются углом предварения(опережения) впрыска, количеством топлива и интенсивностью подачи его в начале и конце впрыска. Вследствие частичного сообщения тепла при постоянном объеме максимальные давления смешанного цикла выше, чем в цикле с сообщением тепла при постоянном давлении.
Рис. 10. Индикаторные диаграммы фактического и теоретического циклов при смешанной подаче теплоты
Термический кпд равен:
ηt = 1 – (1/ εk-1)(λρk – 1)/[λ – 1 + kλ(ρ – 1)],
где ρ – степень предварительного расширения ρ = Vz/Vс ;