Теоретичний цикл двигунів з підведенням теплоти при постійному об'ємі

Автомобільні карбюраторні двигуни, а також двигуни газогенераторні, газобалонні і з уприскуванням легкого палива працюють по циклу, в якому горюча суміш, що увійшла до циліндра під час впуску, стискується, підпалюється іскрою і швидко згорає у момент знаходження поршня біля ВМТ, тобто при майже незмінному об'ємі.

Індикаторна діаграма теоретичного циклу показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Індикаторна діаграма теоретичного циклу з підведенням теплоти при постійному об'ємі

Теоретичний цикл з повідомленням тепла при постійному об'ємі здійснюється таким чином. При русі поршня від НМТ (крапка а діаграми теоретичного циклу) газ, що заповнює циліндр, починає стискуватися. Щоб довести втрати тепла до мінімуму, стінки циліндра мають бути абсолютно нетеплопровідними, тобто покритими ідеальною тепловою ізоляцією. В цьому випадку процес стиску (лінія ас індикаторної діаграми) буде адіабатичним, а зовнішня механічна робота, що витрачається на стиску, повністю піде на збільшення внутрішньої енергії стискуваного газу.

Тиск газу в циліндрі в кінці процесу стиску (крапка з) рівний:

,

де до – показник адіабати ідеального газу.

Температура газу в циліндрі в кінці процесу стиску (крапка з) рівна:

.

В кінці стиску, з приходом поршня у ВМТ, відбувається не процес згорання, як в дійсному циклі, а просте миттєве повідомлення теплоти Q₁ робочому тілу; результатом цього буде підвищення його температури і тиску при постійному об'ємі (ізохори сz). При положенні поршня у ВМТ (точка z діаграми) повідомлення теплоти припиняється.

Ступінь підвищення тиску газу в циліндрі в кінці процесу підведення теплоти

,

де Pz – тиск газу в циліндрі в кінці процесу підведення теплоти.

Температура газу в циліндрі в кінці процесу підведення теплоти (точка z)

.

Потім газ адіабатично розширюється, його внутрішня енергія частково перетворюється на зовнішню механічну роботу. У НМТ (точка b діаграм) процес розширення, графічно зображений адіабатою zb, закінчується.

Тиск газу в циліндрі в кінці процесу розширення

.

Температура газу в циліндрі в кінці процесу розширення

.

Для повторення циклу треба повернути газ в початковий стан, що характеризується крапкою а індикаторної діаграми. Для цього необхідно охолодити газ, ув'язнений в циліндрі, тобто відняти теплоту, що є часткою Q₂ від раніше введеної теплоти Q₁. Таким чином, навіть при здійсненні теоретичного циклу частина теплоти, що вводиться, втрачається і, отже, не може бути повного перетворення теплоти на роботу.

Ступінь перетворення теплоти в роботу будь-якого теоретичного циклу оцінюється термічним ККД, який є відношенням теплоти, перетвореної на корисну роботу газів, до підведеної теплоти Q₁.

У теоретичному циклі які-небудь додаткові теплові втрати, за винятком кількості теплоти Q₂, відсутні.

Тому на корисну роботу перетворюється різниця кількостей теплоти Q₁ – Q₂, тоді термічний ККД можна виразити формулою:

У циклі з повідомленням теплоти при постійному об'ємі кількість Q₁ теплоти і Q₂, що відводиться, що вводиться, пропорційні його ізохорній теплоємності С_ν і відповідним різницям температур:

Термічний ККД можна визначати, підставивши знайдені значення температур:

Згідно рівнянню термічного ККД, економічність циклу з підведенням теплоти при постійному об'ємі зростає при збільшенні ступеня стиску і показника адіабати ідеального газу.