Смешанный цикл Тринклера

В обычных дизельных двигателях был необходим компрессор для сжатия воздуха. Сжатый воздух использовался для распыливания жидкого топлива через форсунки.

Упростить конструкцию дизельного двигателя, путём устранения компрессора, впервые удалось Густову Васильевичу Тринклеру. В 1904 г. им был получен соответствующий патент на двигатель, в котором использовалась механическая форсунка безвоздушного распыления жидкого топлива (сырой нефти).

Тринклер предложил разделить камеру сгорания на две части - основную и предварительную (вспомогательную). Топливо поступало в предварительную камеру, составляющую примерно 1/3 общего объёма камеры сгорания.

Туда же в такте сжатия перетекала часть воздуха из подпоршневого пространства. Проходя через соединительный канал небольшого сечения поток воздуха ускорялся и турбулизировался. Тем самым достигалось лучшее смесеобразование и сокращение периода задержки воспламенения. По мере сжатия давление и температура воздуха в предкамере возрастают. Когда температура воздуха достигает определённого уровня происходит самовозгорание топлива в предкамере.

В предкамере сгорали наиболее лёгкие фракции нефти, которая использовалась в качестве топлива, раньше готовые к самовоспламенению. Давление в предкамере возрастало, из-за чего оставшаяся часть топлива вместе с продуктами сгорания интенсивно вытеснялась из предкамеры в основную камеру, где перемешивалась с воздухом и постепенно догорала. Таким образом процесс выделения химической энергии топлива проходил в два этапа: быстрый процесс сгорания лёгких фракций во вспомогательной камере и достаточно медленное догорание оставшейся части топлива в основной камере.

Схематично ДВС с предкамерой и его индикаторная диаграмма приведены на рис. 7.

Рис. 7. ДВС с предкамерой и его индикаторная диаграмма

Описание работы такого ДВС по индикаторной диаграмме совпадает с описанием работы обычного дизельного двигателя (см. предыдущий раздел 1.3) за исключением участка 2-3. В точке 2 начинается быстрый процесс сгорания лёгких фракций топлива в предкамере. Из-за быстроты сгорания линия 2-3 носит вертикальный характер (поршень за это время не успевает заметно переместиться).

На участке 3-4 оставшаяся часть топлива относительно медленно догорает в основной камере. Поршень за это время успевает заметно переместиться. Поэтому давление заметно вырасти не успевает, и линия 3-4 носит горизонтальный характер.

Чтобы иметь возможность применить для анализа эффективности ДВС метод круговых процессов индикаторную диаграмму требуется преобразовать и упростить с помощью ряда допущений.

О преобразовании индикаторной диаграммы см. раздел 1.3.

Об упрощении вида индикаторной диаграммы см. раздел 1.3 за исключением второго допущения, в котором текст меняется на следующий: «В силу вертикального характера на рис. 7 процесса 2-3 будем приближённо считать, что процесс передачи части подводимой к рабочему телу теплоты происходит в изохорном процессе (это соответствует выделению химической энергии при сгорании части топлива в предкамере).

В силу горизонтального характера участка 3-4 будем приближённо считать, что процесс передачи рабочему телу оставшейся части теплоты происходит в изобарном процессе (это соответствует выделению химической энергии при сгорании оставшейся части топлива в основной камере сгорания)».

Сказанное выше позволяет на рис. 8 в рυ -координатах схематично изобразить термодинамическую модель реальной (полученной экспериментально) индикаторной диаграммы (рис. 7). Такую модель можно считать термодинамической моделью, описывающей работу реального двигателя. Модель представляет собой круговой процесс, состоящий из двух адиабат, двух изохор и одной изобары. Такой круговой процесс называется циклом Тринклера.

Рис. 8. Цикл Тринклера (смешанный цикл ДВС): 1-2 и 4-5 – адиабаты; 2-3 и 5-1 – изохоры; 3-4 – изобара

В цикле Тринклера теплота к рабочему телу подводится в изохорном процессе 2-3 и изобарном процессе 3-4, а отводится в изохорном процессе 5-1:

q _под = q _2-3 + q _3-4 = с_υ (Т ₃ – Т ₂) + с_р (Т ₄ – Т ₃), (27)

| q _отв| = | q _5-1| = с_υ (Т ₅ – Т ₁). (28)

Исходя из определения, а также с учётом (27) и (28), термический КПД цикла Дизеля вычисляется следующим образом:

. (29)

Так как процесс 1-2 адиабатный, то из свойств адиабатного процесса известно:

, (30)

где ε – степень сжатия рабочего тела в цилиндре ДВС.

Так как процесс 2-3 изохорный, то из свойств изохорного процесса известно:

, (31)

где λ – величина, которая называется степенью повышения давления, .

Так как процесс 3-4 изобарный, то из свойств изобарного процесса известно:

, (32)

где ρ – величина, которая называется степенью предварительного расширения, .

Из (31) и (32) следует, что:

. (33)

Так как процесс 5-1 изохорный, то из свойств изохорного процесса известно:

. (34)

Так как процессы 1-2 и 4-5 адиабатные, то по свойствам адиабатных процессов можем записать:

,

. (35)

Разделив в (35) левые и правые части равенств друг на друга получаем:

, откуда

. (36)

Сопоставляя (34) и (36) получаем:

. (37)

Подставляем (30), (31), (33) и (37) в (29) получаем:

. (38)