Учитывая, что давление рабочего тела внутри двигателя порядка 3-10 Мпа, а температуры рабочего тела превышают критическую, рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ.
По существу ДВС не работают по круговым процессам, потому что газообразные продукты горения, расширившись и отдав работу на коленвал, удаляются из двигателя, а на их место поступает свежая порция горючей смеси, в результате последующего процесса сгорания коренным образом изменяющая свой состав. Изменение хим. состава рабочего тела совершается только в одном направлении, а именно, горючая смесь переходит в продукты сгорания; возвращение же продуктов сгорания в первоначальное состояние горючей смеси практически не осуществимо. Тем не менее можно условно говорить о круговом процессе ДВС, если не принимать в расчет хим. изменений (газовые постоянные горючей смеси и продуктов горения незначительно отличаются друг от друга).
С теоретической точки зрения в ДВС, как и во всяком тепловом двигателе, желательно осуществление цикла Карно, в действительности же он оказывается непрактичным по следующим причинам. Вследствие незначительной разницы в наклоне изотерм и адиабат для газов при большой разнице температур Т1 () и Т2 (), осуществляемой в ДВС, диаграмма цикла в p,v-диаграмме получается сильно растянутой и в вертикальном и в горизонтальном направлениях, т.е. цикл связан с большими давлениями и объемами, в чем можно убедиться следующим образом (рис. 21.1).
Работа цикла Карно 1-2-3-4 равна
, (21.1)
где - степень изотермического расширения, а т.к. для адиабаты 2-3
и , (21.2)
то , (21.3) , (21.4)
Рис. 21.1 Из последнего уравнения следует, что работа положительна только в том случае, если логарифмируемое выражение в квадратных скобках больше единицы, т.е. если : , (21.5)
Для практических, используемых в современных двигателях значений и и МПа при получаем МПа из 21.5, что для реального двигателя нереально, т.к. максимальное значение в ДВС не превышает 10 МПа.
С другой стороны, мы имеем и
и следовательно, при МПа .
Т.е в условиях нашего примера рабочее тело расширяется в двигателе в 400 раз; в действительных же двигателях общая степень расширения обычно не превышает 16-20. Степени расширения порядка 400 связаны с очень громоздкими цилиндрами, не соответствующими мощности двигателя, удорожающими его и заметно понижающими вследствие больших потерь на трение действительное использование теплоты.
Поэтому для снижений максимальных давлений и получения меньшей степени расширения, подвод теплоты от нагревателя к рабочему телу и отдача теплоты холодильнику происходят не в изотермических процессах, как в цикле Карно, а в процессах изохорном, изобарном и смешаном из изохорного и изобарного.
В соответствии с этим циклы поршневых ДВС по характеру подвода теплоты к рабочему телу можно разделить на следующие
Рис. 21.2 три группы:
1. Циклы с подводом теплоты по изохоре. Цикл Отто (Германия, 1876 г).
2. Цикл с подводом теплоты по изобаре. Цикл Дизеля (Германия, 1895 г).
3. Цикл со смешанным подводом теплоты. Цикл Тринклера (Россия, 1904 г).
Отдача теплоты холодному источнику во всех этих циклах осуществляется только в изохорном процессе.
21.3. Устройство и принцип действия ДВС
Принципиальная схема ДВС представлена на рис. 21.2. основным элементом ДВС является цилиндр 4 с поршнем 5, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр (или блок цилиндров) монтируется на верхней части картера 1, а сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания 8 (в карбюраторном и газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость.
В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем 5, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре.
Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива (топливные насосы, смесительные устройства, фильтры, топливные баки, регулятор), смазки (масляные насосы, фильтры, масляные баки, масленки), охлаждения (водяные насосы, водяные баки, радиаторы) и другие устройства, необходимые для его обслуживания. Вспомогательные механизмы приводятся в движение от коленчатого вала.
Крайние положения поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход поршня от ВМТ до НМТ называют тактом. Объем, описываемый поршнем за один ход, является рабочим объемом цилиндра, (где - диаметр цилиндра, м; - ход поршня, м).
Сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя в литрах называют литражом двигателя. Объем между поршнем, находящимся в ВМТ и крышкой цилиндра наз. Вредным пространством или объемом камеры сгорания и обозначается . Полный объем одного цилиндра . , (21.6)
Отношение , (21.7)
называется степенью сжатия.
Анализ рабочего цикла ДВС обычно производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изображена зависимость давления в цилиндре от объема, занятого газом, или положения поршня.