Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Поршневой двигатель с термодинамической точки зрения представляет собой устройство, в котором рабочее тело периодически взаимодействует с источником и приемником теплоты.

В результате этого взаимодействия 1 кг рабочего тела за цикл получает от источника теплоту q₁ и отдает приемнику q₂, а их разность q₁- q₂ преобразуется в полезную внешнюю работу двигателя. Источником теплоты является химическая энергия топлива, а приемником – окружающая среда, куда отводят отработавшие газы.

В циклах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в качестве рабочего тела используются воздух и продукты сгорания топлива, которые при определенных допущениях можно считать идеальными газами. В зависимости от характера процесса, в котором осуществляется подвод теплоты, циклы ДВС бывают:

цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (с изохорным подводом теплоты v=const) – реализуемые в карбюраторах ДВС;

циклы с подводом теплоты при постоянном давлении (с изобарным подводом теплоты р=const) – реализуемые в компрессорных дизелях;

циклы со смешанным подводом теплоты (v=const, p=const) – реализуемые в бескомпрессорных дизелях.

Цикл с изохорным подводом теплоты

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) рассмотрим на примере четырехтактного двигателя, теоретическая индикаторная диаграмма которого представлена

Немецкий механик Н.Отто в 1978 году создал четырехтактный газовый двигатель с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл ), который явился прообразом современных карбюраторных двигателей(к.п д.=22%).

Двигатели, работающие по циклу Отто, близки по характеру протекания процессов к циклам в двигателях с воспламенением от электрической искры. Сжатию подвергается горючая смесь (смесь воздуха и топлива), приготовленная в специальном устройстве — карбюраторе. После сжатия горючая смесь воспламеняется при помощи электрической искры и сгорает практически мгновенно. Принимается, что подвод теплоты осуществляется при неподвижном поршне, т. е. в изохорном процессе.

При движении поршня слева направо (первый такт), в цилиндр всасывается смесь воздуха и паров бензина, которая при обратном движении поршня (второй такт) адиабатно сжимается (процесс 1-2).

Так как при адиабатном сжатии температура смеси повышается, степень сжатия выбирают такой, чтобы в точке 2 она была меньше температуры самовоспламенения топлива. Сжатая смесь воздуха и паров бензина воспламеняется электрической свечёй (С), в результате чего давление рабочего тела быстро возрастает (процесс 2-3) при неизменном объеме. Третий - рабочий такт двигателя - адиабатное расширение (процесс 3-4). После этого отработавшие газы покидают двигатель, и давление в цилиндре падает (процесс 4-1). Четвертый такт двигателя - выталкивание оставшихся в цилиндре газов.