7.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении

Данный цикл был предложен и реализован немецким инженером Р.Дизелем.

В данном цикле после адиабатного сжатия (процесс a-c) при достижении поршнем ВМТ к рабочему телу начинает подводиться теплота Q₁. Причём, в отличие от цикла Бо-Де-Роша, теплота подводится не мгновенно, а за определённый период времени, соответствующий степени предварительного расширения

 = V_z / V_c. (8.9)

Кроме того, подвод теплоты Q₁ (процесс c-z) осуществляется при постоянном давлении. В реальных условиях процесс, близкий к этому, осуществляется в так называемом компрессорном дизеле, когда в цилиндр поступает топливо вместе с дополнительной порцией воздуха из специального компрессора и ресивера высокого давления. На самоходных машинах такие моторы не получили распространение, в частности из-за того, что они чрезмерно тяжелы и громоздки.

После процесса подвода теплоты осуществляется адиабатное расширение рабочего тела (процесс z-b), а затем отвод теплоты Q₂ (процесс b-a).

С учётом соотношений Q₁ = c_mp m (T_z – T_c); Q₂ = c_mv m (T_b – T_a), где c_mp - удельная массовая изобарная теплоёмкость, причём c_mp = k c_mv , имеем зависимость для термического КПД цикла Дизеля

. (8.10)

Если выразить температуры характерных точек, через T_a , то получим (T_c = T_a ^k-1; T_z = T_c  = T_a ^k-1 ; T_b = T_z ( / )^k-1 = T_a ^k). В результате имеем ещё одно выражение для КПД

. (8.11)

Анализ последней зависимости показывает, что при увеличении степени сжатия и показателя адиабаты, но при уменьшении степени предварительного расширения, тепловой КПД цикла Дизеля растёт. Следует отметить, что при прочих равных условиях _T цикла Дизеля ниже цикла Бо-Де-Роша. Это связано с тем, что при увеличении  растёт Q₂, а максимального значения тепловой КПД цикла Дизеля достигает при  = 1. Причём _T^Д зависит от нагрузки, то есть от подачи топлива или, что то же самое, от степени предварительного расширения.

Для оценки среднего давления цикла Дизеля справедливы соотношения

.(8.12)

7.3. Цикл с подводом теплоты при V = const и p = const

Данный цикл был предложен французским учёным Сабате, а впервые реализован в четырёхтактном дизеле российских изобретателей Тринклера и Мамина. Отсюда часто встречающееся в научной литературе название “Цикл Сабате-Тринклера”. Так как этот цикл является комбинацией первых двух, рассмотренных ранее, то иногда его называют смешанным циклом. Он характеризуется следующими процессами. После адиабатного сжатия рабочего тела (процесс a-c) при достижении поршнем ВМТ производится мгновенный подвод теплоты Q₁’ (процесс c-z’ ). Затем в период предварительного расширения рабочего тела подводится теплота Q₁ (процесс z’-z). Далее следует адиабатное расширение (процесс z-b). И в конце, также как и ранее, изохорный отвод теплоты Q₂.

Термический КПД данного цикла определяется по аналогичной методике _T^C = (Q₁’ + Q₁ – Q₂) / (Q₁’ + Q₁). Причём справедливы зависимости: Q₁’ = c_mv m (T_z’ – T_c); Q₁ = c_mp m (T_z – T_z’) ; Q₂ = c_mv m (T_b – T_a). Температуры в указанных точках диаграммы определяют: T_c = T_a ^k-1; T_z’ = T_c  = T_a ^k-1 ; T_z = T_z’  = T_a ^k-1  ; T_b = T_z ( / )^k-1 = T_a ^k . В результате имеем

. (8.13)

Среднее давление цикла Сабате определяется по аналогии с предыдущими циклами, то есть p_T^С = (L_z’z + L_zb - L_ac) / V_h, где зависимости для каждой из работ можно вычислить по выражениям:

L_z’z = p_z (V_z – V_c) = p_z V_c ( – 1); (8.14)

L_zb = ; (8.15)

. (8.16)

Учитывая, что V_h = V_a – V_c , с помощью (8.14) ... (8.16) получим зависимость, совпадающую с (8.12), для цикла Дизеля. Однако при равенстве теплоты, подводимой к рабочему телу в цикле Дизеля Q₁^Д и в цикле Сабате Q₁’ + Q₁, в последнем случае имеем максимальное давление цикла p_z существенно выше (на величину ). Поэтому и среднее давление этого цикла будет выше, то есть p_T ^С > p_T ^Д.

Зависимости (8.12) и (8.13) являются общими для всех рассмотренных циклов. Если принять  = 1, то соответственно получим выражения для _T ^Б и p_T ^Б. Если же принять  = 1, то имеем _T ^Д и p_T ^Д.

Для _T^С справедливы выводы, сделанные ранее для циклов Бо-Де-Роша и Дизеля. То есть для увеличения теплового КПД обобщённого цикла необходимо увеличивать ,  и k, но уменьшать . Однако эти зависимости нелинейны, а возможности изменения указанных параметров ограничены. Например, применяемое в настоящее время для ДВС самоходных машин топливо (бензин, дизельное топливо, природный газ и т.п.) и окислитель (атмосферный кислород) обеспечивают показатели адиабаты, соответствующие k = 1,3 ... 1,4, то есть 2-х ... 3-х атомных газов. Повышение степени сжатия выше 15 ... 16 не приводит к существенному увеличению КПД, а только увеличивает насосные потери. Приблизить  к единице на всех режимах работы двигателя также не удаётся, что связано с периодом догорания топлива после ВМТ. Увеличение  связано как с теплотворной способностью топлива, так и с улучшением наполнения цилиндра свежим зарядом, что в конечном счёте лимитируется прочностными и температурными характеристиками материалов, образующих контрольную поверхность.

Цикл Сабате близок к циклам реальных безнаддувных поршневых двигателей самоходных машин. Причём, это касается как ДВС с принудительным воспламенением, так и дизелей. У первых отличие от цикла Бо-Де-Роша связано с наличием фазы догорания топлива при рабочем ходе, то есть налицо  > 1. У вторых отличие от цикла Дизеля связано с началом подачи топлива и горения задолго до ВМТ, а значит, имеем  > 1.