6.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

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.

Чтобы не делать цилиндр двигателя очень длинным, а ход поршня слишком большим, расширение продуктов сгорания в ДВС осуществляют не до атмосферного давления р₁, а до более высокого давления р₄, а затем открывают выпускной клапан и выбрасывают горячие (с температурой Т₄) продукты сгорания в атмосферу. Избыточное давление р₄–р₁ при этом теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяется изобарным отводом теплоты 4-1.

Рис. 6.3. Циклы ДВС:

а - в p, v – координатах;

б – в Т, s – координатах;

в – схема цилиндра с поршнем

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя . 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 , чем другой (1–2–3–4). Большему значению  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 q₁, 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 q₂ 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.

Рис. 6.4. Изменение _t ДВС с подводом теплоты при v=const в зависимости от степени сжатия при различных значениях показателя адиабаты k

Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9 – 10. В дизелях, в которых поршень сжимает воздух, 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.