Ідеальні термодинамічні цикли поршневих двигунів (Цикли Карно, Отто, Дизеля і Сабате-Трінклера) описують процеси, що відбуваються в циліндрах двигуна з умов максимального використання теплової енергії. Ці цикли розрізняються, в основному, способом підведення тепла - при постійній температурі робочого тіла, при постійному обсязі, при постійному тиску і змішаним чином.

Щоб наочніше зрозуміти суть процесів, що складають ці цикли, спробуємо відкинути стереотипи, часто заважають реально осмислити причини, що приводять у рух поршень теплового двигуна і, в кінцевому підсумку, змушують двигун виконувати певну роботу.
Для цих цілей відмовимося від подачі паливо-повітряної суміші в циліндри, приберемо клапана, систему запалювання, і уявімо собі найпростішу систему (поршневий двигун), що складається з циліндра, поршня і укладеного між ними будь-якого газу, наприклад, звичайного повітря.
Верхнє денце циліндра «зробимо» з тонкого (але міцного) і прозорого матеріалу, здатного пропускати теплові промені.

А тепер уявімо, як протікають процеси підведення теплоти в різних термодинамічних циклах, розглядаючи описану вище найпростішу модель поршневого двигуна. Отже, ніякого палива у нас немає - тільки циліндр, поршень, і повітря між ними.

Розмістимо над прозорим денцем циліндра малопотужну лампу розжарювання, яка здатна повільно передавати тепло повітрю, розміщеному між циліндром і поршнем (див. Рис. 2). Оскільки підігрів здійснюється повільно, підвищення тиску повітря супроводжується одночасним збільшенням його обсягу (поршень переміщається вниз), при цьому температура повітря в циліндрі залишається майже незмінною. Процес підведення теплоти здійснюється по изотерме, як в циклі, описаному С. Карно .
Приблизно в середній частині ходу поршня лампу вимикаємо, і наш поршень продовжує переміщатися вниз вже за рахунок внутрішньої енергії молекул повітря, накопиченої під час підведення теплоти.

Досягнувши нижньої мертвої точки, наш поршень повинен зупинитися - адже для того, щоб він почав рухатися в зворотному напрямку, повітря в циліндрі необхідно охолоджувати. Саме в цьому місці циклу Саді Карно увів свій знаменитий холодильник - пристрій, здатний забирати тепло у системи, т. Е. У нашого повітря в циліндрі.
Отже, замість лампи підігріву ми повинні обкласти циліндр з усіх боків льодом або снігом - тільки в цьому випадку охолоджуваний повітря почне зменшуватися в обсязі, і поршень поповзе вгору. У циклі Карно цей процес називається ізотермічним відведенням теплоти - т. Е. Температура повітря залишається незмінною, а відведення теплоти супроводжується зменшенням об'єму повітря (негативна робота циклу).
Приблизно в середній частині ходу поршня видаляємо лід, і далі поршень переміщається до верхньої точки за рахунок внутрішньої енергії, здійснюючи все також негативну роботу.
Цикл замкнувся (див. Графічне відображення циклу карно на рис. 1).

***

А тепер давайте цю модель можна застосовувати для циклу Отто (Або, як його ще називають - циклу Бо де Роша).
Як і в попередньому випадку, поршень вгорі, між поршнем і циліндром повітря. Замість лампочки розжарювання на короткий час включаємо потужний лазер, здатний досить швидко розігріти повітря в циліндрі. Моментально зростає тиск в циліндрі, при цьому поршень (в силу своєї інертності і розташування кривошипно-шатунного ланки) не встигає піти з мертвої точки, т. Е. Процес підведення теплоти протікає при постійному обсязі (ізохорно).

Далі - робочий хід (виконання поршнем корисної роботи), який супроводжується збільшенням обсягу і поступовим зменшенням тиску.
Температура повітря теж дещо знижується.
В ідеальній системі для продовження циклу необхідно відвести тепло за допомогою холодильника (обкласти циліндр льодом), тоді діаграма циклу на цій ділянці буде мало відрізнятися від діаграми циклу Карно. У реальному двигуні відведення теплоти здійснюється випуском гарячого робочого тіла і заміна його холодним робочим тілом (випуск газів і впуск свіжого заряду), з цієї причини цикл не є замкнутим і розривається в зоні відводу тепла (див. Рис. 1).
Отже, для реалізації циклу Отто ми використовували дуже швидке підведення теплоти за допомогою лазерного променя.

для моделювання циклу Дизеля замість лазера розмістимо над скляним денцем циліндра знову ж лампу розжарювання, тільки значно потужніше, ніж у першому випадку. Тоді повітря в циліндрі буде інтенсивно розігріватися (але значно повільніше, ніж від розігріву лазером), при цьому поршень буде встигати піти від верхньої точки таким чином, що збільшення обсягу повітря не супроводжується зміною тиску.
В результаті ми отримаємо процес підведення теплоти за допомогою потужної лампи, що протікає при изобарном процесі (при постійному тиску і змінних обсязі і температурі), т. Е. Аналогічний процесу підведення теплоти в циклі Дизеля.
Робочий хід, відведення тепла і стиснення повітря в циклі Дизеля протікають по таким же процесам, як і в циклі Отто (див. Графік на рис. 1).

Ну а цикл Сабате-Трінклера , Як ви вже здогадалися, буде полягати для нашого «двигуна» короткочасним підведенням тепла за допомогою лазера, а потім підміною лазера на потужну лампочку розжарювання. Тоді повітря отримає потужну порцію тепла від лазера, в циліндрі різко збільшиться тиск при постійному обсязі, після чого поршень відносно повільно переміститься вниз, отримуючи тепло від лампи при постійному тиску в циліндрі (див. Рис. 1).

На підставі аналізу наведених вище віртуальних моделей термодинамічних циклів стає очевидним, що суть процесів, що відбуваються в двигуні, в загальному випадку, не залежить від того, яке паливо спалюється в циліндрі (можна обійтися взагалі без палива), а лише від способу підведення теплоти до робочого тілу.
В реальності все виглядає трохи інакше і, звичайно ж, складніше.

***

Реальні цикли двигунів внутрішнього згоряння

Завантажити теоретичні питання до екзаменаційних білетів
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки"
(В форматі Word, розмір файлу 68 кБ)

Завантажити робочу програму
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):

Завантажити календарно-тематичний план
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):