Цикл Дизеля: процессы, работа, КПД

Рудольф Дизель (1858-1913) – знаменитый немецкий конструктор – изобретатель, прославившийся изобретением силового агрегата, а именно дизельного двигателя внутреннего сгорания. В честь него был назван цикл Дизеля. Это один из наиболее известных термодинамических циклов наряду с циклом Карно, который применяется в дизельных двигателях внутреннего сгорания. Благодаря этому ученому, повсеместно используются дизельные двигатели внутреннего сгорания в выработке тепловой и электроэнергии, автомобильной промышленности и прочих производствах.

Из каких процессов состоит цикл Дизеля

В состав идеального термодинамического цикла Дизеля входят четыре термодинамических процесса:

• изобарный – протекающий при постоянном давлении,
• два адиабатных – протекающие без теплообмена с окружающей средой,
• изохорный – протекающий при постоянном объеме.

Данный цикл является прямым газовым изобарным циклом неполного расширения и изображается на диаграмме цикла Дизеля в координатах p-V иT-s.

Цикл Дизеля в p-V координатах

На графике ниже изображены следующие процессы в p-V координатах:

1. A-B адиабата сжатия. Этот процесс протекает без потерь энергии и тепла в окружающую среду. В результате сжатия повышается температура T рабочего тела – воздуха. То есть вся работа сжатия расходуется на повышение внутренней энергии рабочего тела.
2. B-C изобарный подвод тела. Подвод тепла, при котором давление p остается неизменным, но при этом увеличиваются удельный объем V и температура T.
3. C-D адиабата расширения. В результате этого процесса совершается полезная работа цикла Дизеля. Без теплообмена с окружающей средой и потерь энергии происходит расширение рабочего тела.
4. D-A изохорный отвод тепла. Отвод тепла в окружающую среду, протекающий при постоянном удельном объёме V. В этом процессе снижается температура T рабочего тела и давление p до параметров равным параметрам окружающей среды. Данный процесс нужен для замыкания цикла Дизеля и в реальных дизельных двигателях фактически отсутствует.

Цикл Дизеля в T-s координатах

Дизельный цикл в координатах температура T и энтропия s изображен ниже. Процессы те же что и в координатах давление p удельный объём V. Адиабатное сжатие A-B и расширение C-D протекают без изменения энтропии.

Такты дизельного двигателя       

Цикл Дизеля основывается, на следующем принципе. Степень сжатия ε и КПД в цикле можно увеличить, если сжимать чистый воздух, а после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючую смесь.

          Работа дизельного двигателя состоит из четырех тактов:

1. всасывающего,
2. сжатия,
3. рабочего,
4. выпускного.

Подробное описание тактов дизельного двигателя представлено ниже

• Процесс 0-1, воздух всасывается в цилиндр двигателя внутреннего сгорания;
• В процессе 1-2 происходит сжатие воздуха внутри цилиндра. Процесс протекает с высокой скоростью и минимальными потерями тепла;
• 2-3 через форсунку подается топливо в распыленном виде. Из-за высокой температуры воздуха происходит детонация и воспламенение топлива с последующим сгоранием. В следствии данного процесса выделяется теплота Q₁;
• 3-4 продукт сгорания расширяется. Образовавшиеся в результате сгорания топлива газы расширяются и действуют на поршень. Совершается полезная работа.
• В точке 4, происходит открытие выпускного клапана. Выхлопные газы отводятся в окружающую среду.
• 4-1 продукты сгорания изохорно охлаждаются в окружающей среде и выделяют теплоту Q_2. После чего продукты сгорания выходят в атмосферу 1-0, и запускается новый цикл.

Коэффициент полезного действия цикла Дизеля      

Коэффициент полезного действия двигателя является одним из наиболее важных показателей его работы. Он определяется как отношение полезной работы, которую совершает двигатель, к энергии, которая затрачивается на его работу. КПД измеряется в процентах и является показателем того, насколько эффективно двигатель использует входную энергию.

Коэффициент полезного действия двигателя, работающего по циклу Дизеля, зависит от степени сжатия, свойства топлива, скорости работы, максимальной и минимальной температуры цикла.

Формула расчета КПД цикла Дизеля:

где ε = V_A/V_B – степень сжатия воздуха в процессе A-B, т.е во сколько раз удельный объем в точке A больше, чем в точке B.

ρ = V_C/V_D – степень предварительного расширения, т.е. отношение удельного объема в точке C к удельному объёму в точке D.

k — показатель адиабаты рабочего тела.

Рассмотрев теорему Карно для двигателей, работающих по принципу цикла Дизеля, можно понять, что КПД цикла Дизеля достигает 40%. Этот показатель значительно выше, чем у других типов двигателей, для сравнения бензиновые двигатели, работающие по принципу цикла Отто, достигают 25-30%.

Плюсы цикла Дизеля

• Эффективность. Одним из главных преимуществ цикла Дизеля является его высокая экономия топлива. Благодаря особенностям работы двигателя, он потребляет меньшее количество топлива, чем другие типы двигателей, что делает его более экономичным и выгодным для использования, особенно в крупногабаритном транспорте.
• Надежность. Двигатель, принцип работы которого основан на цикле Дизеля, имеют высокий ресурс. Эти типы двигателей менее подвержены износу и что обеспечивает им высокую надежность.
• Мощность. Тип двигателей, работа которых основывается на процессах цикла Дизеля, имеют высокий крутящий момент и высокую мощность. Это свойство делает их более подходящими для использования в крупногабаритной технике. Более высокий крутящий момент облегчает тяжелую работу двигателя, что также делает его более надежным и долговечным.

Минусы цикла Дизеля

• Шумность. Один из главных недостатков дизелей — это высокий уровень шума, который производят эти двигатели. Это особенно заметно в ночное время или на небольших расстояниях. Кроме того, данный двигатель имеет низкие обороты в минуту, что также может ухудшить звуковые свойства двигателя.
• Высокая стоимость обслуживания. Другим недостатком является высокая стоимость обслуживания. В сравнении с другими типами двигателей, которые могут быть проще и дешевле в обслуживании, дизельные двигатели могут требовать больших затрат на ремонт и замену деталей.
• Значительное количество выбросов. Одним из главных проблем с дизелей является высокий уровень выбросов. Это связано со спецификой работы двигателя и качеством топлива, которое он использует. Высокий уровень выбросов может привести к ухудшению качества воздуха и повышенному загрязнению окружающей среды.

Цикл Дизеля в современной промышленности

Одним из ключевых элементов двигателей, работающих по циклу Дизеля является турбонаддув. Это решение увеличивает давление воздуха, поступающего в цилиндры, что позволяет более эффективно сжигать топливо. Также используется система очистки выхлопных газов, которая уменьшает количество выбросов и повышает экологическую безопасность.

Яркий пример применения цикла Дизеля являются морские суда. Они используют дизельные двигатели для генерации электроэнергии, которая распределяется по судну и используется для привода главного двигателя, света и других устройств на борту судна. Это позволяет значительно сократить расходы на топливо и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.

Кроме того, цикл Дизеля является ключевым элементом современных автомобильных двигателей. Он используется в большинстве грузовиков, автобусов, поездов и другой большой механики.

Инновации в области повышения эффективности двигателей продолжают развиваться. Новые двигатели становятся более экологичными, уменьшают расходы на топливо и повышают эффективность. Одним из наиболее перспективных направлений является использование устройств воздушного охлаждения, которые позволят улучшить теплообменный процесс и уменьшить расход моторного масла.

Цикл Дизеля в современной энергетике

Цикл Дизеля является одним из самых важных циклов, применяемых в теплоэнергетике. Он используется для преобразования тепловой энергии, которая выделяется в результате сгорания топлива, в механическую энергию. Эта механическая энергия затем применяется для генерации электрической энергии.

Цикл Дизеля применяется в различных видах электростанций, как малых, так и больших мощностей. Он может работать на различных видах топлива, включая дизельное топливо, биодизель, природный газ и даже попутный нефтяной газ.

Существует множество преимуществ использования цикла Дизеля в теплоэнергетике.

• Во-первых, он обладает высокой эффективностью преобразования топлива в электрическую энергию.
• Во-вторых, он обладает высокой надежностью и долговечностью, что позволяет использовать его в тяжелых условиях эксплуатации. Кроме того, он обладает более низкой стоимостью ввода в эксплуатацию и эксплуатационных расходов, чем другие типы генераторов.

Заключение

В заключение, изобретение цикла Дизеля позволило создать надежный, мощный и экономичный тип двигателя, который широко используется во многих сферах деятельности. Однако, он имеет и свои недостатки, включая высокий уровень шума, высокую стоимость обслуживания и значительное количество выбросов. Поэтому, при выборе двигателя, его преимущества и недостатки должны быть рассмотрены в зависимости от ваших потребностей и условий эксплуатации.

Автор статьи: Баранов Максим Валерьевич.