Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Для того чтобы исключить потери за счет неравновесного теплообмена с горячим источником теплоты, целесообразно использовать в качестве рабочего тела газы

Для того чтобы исключить потери за счет неравновесного теплообмена с горячим источником теплоты, целесообразно использовать в качестве рабочего тела газы, получающиеся при сгорании топлива. Это удается осуществить в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), сжигая топливо непосредственно в его цилиндрах.

Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатного сжатия 1-2 рабочего тела в цилиндре, изохорного 2-3 или изобарного 2-7 подвода теплоты, адиабатного расширения 3-4 или 7-4 и изохорного отвода теплоты 4-1 (рис. 6.3). В реальных двигателях подвод теплоты осуществляется путем сжигания топлива. Если пары бензина перемешаны с необходимым для горения воздухом до попадания в цилиндр, смесь сгорает в цилиндре практически мгновенно, подвод теплоты оказывается близким к изохорному. Если же в цилиндре сжимается только воздух и уже затем впрыскивается топливо, то его подачу можно отрегулировать таким образом, чтобы давление в процессе сгорания оставалось приблизительно постоянным, и условно можно говорить об изобарном подводе теплоты.

Для того чтобы не делать цилиндр двигателя очень длинным, а ход поршня слишком большим, расширение продуктов сгорания в ДВС осуществляют не до атмосферного давления р ₁, а до более высокого давления р ₄, а затем открывают выпускной клапан и выбрасывают горячие (с температурой Т ₄) продукты сгорания в атмосферу. Избыточное давление р ₄– р ₁ при этом теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяется изобарным отводом теплоты 4-1.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя e. Применительно к идеальному циклу (рис. 6.4)

. (6.3)

Степень сжатия является основным параметром, определяющим термический КПД цикла. Рассмотрим два цикла с одинаковыми точками 1 и 4, один из которых (1¢–2¢–3¢–4) имеет большую степень сжатия e, чем другой (1–2–3–4). Большему значению e соответствует более высокая температура в конце сжатия 1-2. Следовательно, изохора 2¢–3¢ расположена в T, s - диаграмме выше, чем изохора 2–3. Из рис. 6.3, б видно, что количество теплоты q ₁, подведенной в цикле 1–2¢–3¢–4 (площадь 2¢–3¢–5–6), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1–2–3–4 (площадь 2–3–5–6). Количество отведенной теплоты q ₂ в обоих циклах одинаково (площадь 4–5–6–1). Следовательно, термический КПД больше в цикле 1¢–2¢–3¢–4.

В качестве примера получим формулу для КПД цикла со сгоранием при v = const. Для простоты будем считать теплоемкость с _v постоянной. Тогда

.

При одинаковых показателях адиабаты k процессов сжатия и расширения в соответствии с (4.14)

; .

Тогда для рассматриваемого цикла

. (6.4)

На рис. 6.4 приведены кривые зависимости термического КПД цикла со сгоранием при v = const от степени сжатия при различных показателях адиабаты.

Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9 … 10. В дизелях, в которых поршень сжимает воздух, e»18, что позволяет существенно повысить КПД цикла. Однако при одинаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты при р = const, реализуемый в дизелях, имеет меньший КПД, чем цикл с подводом теплоты при v =const, поскольку при одинаковом количестве отданной холодному источнику теплоты количество подведенной при v = const (по линии 2–3 на рис. 6.3) теплоты больше, чем при р = const (линия 2–7).

Используя в качестве рабочего тела неразбавленный продукты сгорания, ДВС имеют самый высокий из всех тепловых машин КПД. Однако инерционные силы, связанные с возвратно-поступательным движением поршня, возрастают с увеличением как размеров цилиндра, так и частоты вращения вала, что затрудняет создание ДВС очень большой мощности. Большим их недостатком являются и высокие требования к качеству потребляемого топлива (жидкого или газа).

ДВС оказываются незаменимыми на транспортных установках (прежде всего автомобили, тепловозы и небольшие самолеты) и применяются в качестве стационарных двигателей.