Идеальные циклы Отто, Тринклера, Дизеля, Стирлинга. 
Вывод формул термического КПД циклов

Цикл Отто — цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. По этому циклу работают все карбюраторные и газовые двигатели, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндра, а воспламенение происходит от постороннего источника.

Цикл карбюраторного двигателя в координатных системах рг) и Т$ показан на рис. 5.10. Он совершается следующим образом: по адиабате 1—2 происходит сжатие рабочего тела; по изохоре 2—3 — подвод теплоты.

Рис. 5.10. Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме.

Количество подведенной теплоты изображается площадью а—2—З—Ь на диаграмме 7 $. По адиабате 3—4 осуществляется расширение, а по изохоре 4— 1 — отвод теплоты #₂ ^к холодному источнику. Количество отведенной теплоты на диаграмме Тэ характеризуется площадью а—1—4—Ь. На диаграмме ръ' площади 1—2—3—4 соответствует полезная работа, полученная в цикле.

Определим термический КПД цикла:

Количество подводимой q_x и отводимой #₂ теплоты в изохорных процессах 2—3 и 4— 1 составит.

Подставляя значения и ^₂ в формулу для термического КПД, получаем.

Температуры в основных точках цикла связаны между собой зависимостью

где к — показатель адиабаты; 8 — степень сжатия;

После подстановки последнего выражения в формулу для термического КПД найдем.

Из (5.14) следует, что термический КПД цикла с изохорным подводом теплоты зависит только от степени сжатия (в) и показателя адиабаты (/г), характеризующего физические свойства рабочего тела.

Рис. 5.11. Зависимость КПД цикла от степени сжатия и показателя адиабаты Как видно из графика (рис. 5.11), с увеличением степени сжатия и показателя адиабаты термический КПД цикла возрастает. Однако следует иметь в виду, что величина степени сжатия в двигателях с изохорным подводом зависит от температуры в конце сжатия Т₂. У карбюраторных двигателей степень сжатия не превышает 5—10.

Цикл Тринклера (или цикл Сабатэ) — цикл с изохорно-изобарным подводом теплоты.

По данному циклу работают дизели. В них сжатию подвергается воздух, топливо в цилиндры подается насосом в конце сжатия. Воспламеняется оно от высокой температуры, полученной при сжатии воздуха. Цикл с изохорно-изобарным подводом теплоты на диаграммах рь и 7 $ приведен на рис. 5.12.

Выведем формулу для термического КПД этого цикла. Теплота в цикле подводится по изохоре 2—3

и по изобаре 3—У

а отводится д₂ ^по изохоре 4— 1

Рис. 5.12. Циклы ДВС с комбинированным и изобарным подводом теплоты:

а, б — цикл с комбинированным подводом теплоты (цикл Тринклера); в, г — цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля) Подставляя в формулу для термического КПД значения ц" и получаем.

Обозначим:

 — степень предварительного расширения;

 — степень повышения давления.

Выразим температуры, входящие в выражение (5.15), через температуру Тр воспользовавшись для этого соотношениями между параметрами в адиабатном, изохорном и изобарном процессах:

Подставляя значения найденных температур в формулу (5.15), получаем.

Из (5.15а) следует, что термический КПД цикла возрастает с увеличением степени сжатия в и степени повышения давления X и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения р.

Цикл Дизеля. Из (5.15) можно получить цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля) — при степени повышения давления X = 1 (см. рис. 5.12, в, г)

Цикл Стирлинга. В 1816 г. в Великобритании пастору Роберту Стирлингу, занимавшему пост министра по делам церкви в Шотландии, был выдан патент на двигатель, использующий нагретый воздух в качестве рабочего тела. Изготовление таких двигателей началось в 1818 г. Они приводили в действие водяные насосы, воздуходувки и станки на мелких фабриках, где не годились громоздкие паровые машины. Изобретение Стирлинга намного опередило свое время. Стирлинг, естественно, не знал термодинамики: в то время этой науки еще не существовало. Но он интуитивно реализовал в своей машине самый экономичный цикл, названный впоследствии обобщенным циклом Карно.

Упрощенная схема двигателя Стирлинга представлена на рис. 5.13.

В цилиндре установлены один над другим два поршня: вытеснитель 2 и рабочий поршень 1. Вытеснитель 2 делит полость над рабочим поршнем на две части: «горячую» 3 и «холодную» 7. Обе полости соединяются между собой через перепускную магистраль, в которой последовательно установлены холодильник 6, регенератор 5 и нагреватель 4. Поршни в цилиндре движутся попеременно, и их мертвые точки смещены. В начале рабочего цикла вытеснитель находится в ВМТ, а рабочий поршень движется от НМТ к вытеснителю, уменьшая объем «холодной» полости. При этом теплота от сжимаемого рабочего тела отводится в холодильнике и сжатие происходит при постоянной температуре (процесс 1—2 рис. 5.14).

Рис. 5.13. Схема двигателя Стирлинга:

1 — рабочий поршень; 2 — вытеснитель; 3 — «горячая» полость; 4 — нагреватель; 5 — регенератор; 6 — холодильник; 7 — «холодная» полость.

Рис. 5.14. Цикл Стирлинга.

После того как рабочий поршень достигает своей ВМТ, вытеснитель начинает перемещаться от ВМТ к рабочему поршню. При этом рабочее тело перетекает из «холодной» полости в «горячую» при постоянном их суммарном объеме. В процессе перетекания происходит подвод теплоты к рабочему телу через нагреватель при постоянном объеме (процесс 2—3). В момент приближения вытеснителя к рабочему поршню почти все рабочее тело находится в «горячей» полости и имеет максимальную температуру. Затем рабочий поршень начинает перемещаться вниз, и дальнейшее движение поршней происходит совместно. При этом происходит изотермическое расширение (процесс 3—4). Давление расширяющихся газов с обеих сторон вытеснителя одинаково, а перепад давлений на рабочий поршень в процессе его перемещения к НМТ приводит к тому, что он передает работу расширения на вал отбора мощности. Эта работа больше, чем работа сжатия охлажденного газа. В нижней мертвой точке рабочий поршень снова останавливается, а вытеснитель изменяет направление движения и при этом вытесняет рабочее тело из «горячей» части в «холодную». В процессе вытеснения рабочее тело охлаждается, а поскольку суммарный объем «горячей» и «холодной» частей постоянен, происходит изохорный отвод теплоты (процесс 4—1). Затем цикл повторяется.

Регенератор, установленный между холодильником и нагревателем, позволяет использовать теплоту отработавшего расширившегося рабочего тела для подвода ее к рабочему телу перед нагревом.

Двигатель Стирлинга может работать на любом топливе, однако серьезным недостатком является подвод теплоты через теплообменник. Двигатель становится громоздким, тяжелым, с большим временем перехода с режима на режим. Эти двигатели имеют преимущество в тех случаях, когда нельзя или трудно организовать подвод горючего и окислителя для горения, но можно использовать солнечную энергию (поэтому они применяются в гелиоэнергетике) или энергию распада (например, в космосе или под водой).