Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания бывают трех видов:
— цикл с подводом тепла при постоянном объеме (карбюраторные и газовые двигатели);
— цикл с подводом тепла при постоянном давлении (компрессорные дизели);
— цикл со смешанным подводом тепла (бескомпрессорные дизели).
В двигателях внутреннего сгорания работа совершается в процессе расширения рабочего тела. Чтобы двигатель работал постоянно, надо многократно возобновлять процесс расширения. Для этого рабочее тело после его расширения в цилиндре нужно сжать и снова подвести к нему тепло, т.е. возвратить рабочее тело в первоначальное (исходное) состояние. Таким образом происходит замкнутый круговой процесс, или цикл.
Цикл с подводом тепла при постоянном объеме. Цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме рассмотрим на примере рис. 1. Объем газа в цилиндре-двигателя с подвижным поршнем равен V. При передвижении-поршня влево будет происходить адиабатное сжатие газа (линия 1-2). После сжатия к газу подводится тепло q при постоянном: объеме (изохорный процесс по линии 2-3). Поршень в это время находится в левом крайнем положении. Теоретически объем газа в течение подвода тепла q не изменяется. От действия -большого давления газов поршень переместится в правое крайнее положение. Процесс расширения в теоретическом цикле происходит по адиабате (линия 3-4). Во время расширения совершается внешняя работа.
Из данной формулы видно, что к. п. д. термодинамического цикла зависит от степени сжатия е и показателя адиабаты к. Чем выше степень сжатия, тем больше термический к. п. д. двигателя. Практически такие двигатели имеют степень сжатия до 8-9, так (как более высокая степень сжатия рабочей смеси приводит к преждевременному ее воспламенению и снижению мощности.
Полезная работа цикла будет увеличиваться при повышении разности температур (Г3 — Т2) и уменьшении разности температур (Г4 — Ti), а также при повышении степени сжатия е.
Рис. 1. Цикл со смешанным подводом тепла
—
Рабочий цикл поршневого ДВС состоит из ряда термодинамических процессов, во время которых к рабочему телу, находящемуся в цилиндре, последовательно подводится и отводится теплота. Изменение температуры и объема рабочего тела является причиной преобразования тепловой энергии в механическую работу. В качестве рабочего тела при изучении общих законов, характеризующих эффективность использования теплоты применительно к процессам, происходящим в ДВС, рассматривается идеальный газ. Под ним понимают газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного сцепления, а молекулы не имеют геометрических размеров.
В технической термодинамике рассматриваются теоретические циклы ДВС, которые отличаются по способу подвода и отвода теплоты.
Различают два основных теоретических цикла:
1. С подводом теплоты при постоянном объеме рабочего тела, соответствующего рабочему процессу карбюраторного и газового двигателей.
2. Со смешанным подводом теплоты, т. е. с подводом части теплоты при постоянном объеме и части — при постоянном давлении, что соответствует рабочему процессу дизельного двигателя со смешанным циклом смесеобразования.
Теплота от рабочего тела в обоих циклах отводится при постоянном объеме. Теоретические циклы графически изображаются в виде PV-диаграмм. При рассмотрении теоретических циклов делаются следующие допущения:
1. В цилиндре условного двигателя находится постоянное количество рабочего тела, совершающего замкнутый цикл.
2. Процессы подвода теплоты от внешнего источника и отвода ее на сторону происходят мгновенно.
3. Теплоемкость рабочего тела, находящегося в цилиндре, постоянна в течение всего цикла и не зависит от температуры.
4. Процессы сжатия и расширения рабочего тела происходят без теплообмена с окружающей средой, т. е. стенки цилиндра считаются нетеплопроводными.
В начале цикла поршень находится в н.м.т., что соответствует точке а диаграммы. При перемещении поршня и сжатии газа, находящегося в цилиндре, повышаются его температура и давление, что находит отражение на диаграмме в виде адиабаты а—с. Точка с соответствует положению поршня в в.м.т. В конце сжатия к газу подводится мгновенно теплота Qi от внешнего источника, что приводит к резкому повышению давления при постоянном объеме газа (изохора с—г). Под действием возросшего давления газ, расширяясь, перемещает поршень вниз к н.м.т., совершая при этом механическую работу (адиабата z—b). Объем газа при этом плавно увеличивается, а давление и температура соответственно уменьшаются. Расширение газа заканчивается в н.м.т. (точка b), где от газа мгновенно отводится теплота холодильному источнику. Уменьшение температуры газа приводит к снижению давления до первоначального р0 (изохора b—а).