Для возможности непрерывного преобразования тепловой энергии в механическую необходимо осуществление в тепловом двигателе кругового процесса — цикла.

Если предположить, что цикл осуществляется в идеаль­ной машине, т. е. в машине с наивысшим теплоиспользованием, то такой цикл называется идеальным. Идеальный цикл имеет минимальные тепловые потери — неизбежная отдача тепла холодному источнику.

Таким образом, идеальный цикл является наиболее совершенным и изу­чение его в первую очередь необходимо для улучшения теплоиспользования в рабочих циклах двигателей. Термодинамическое рассмотрение идеальных циклов позволяет наиболее просто выявить степень влияния основных фак­торов на теплоиспользование. В связи с этим при рассмотрении идеальных циклов двигателей принимаются следующие допущения.

Рабочее тело (идеальный газ) в цикле остается неизменным и постоян­ного количества, теплоемкость его не зависит от температуры. Процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена, т. е. адиабатно. Процессы сгорания топлива и выпуска условно заменяются процессами подвода и от­вода тепла.

На рис. 15 в координатах р—V изображен обобщенный идеальный цикл двигателей внутреннего сгорания.

Цикл состоит из следующих процессов: процесс адиабатного сжатия ас, смешанного подвода тепла частью по изохоре сz’, частью по изобаре zz'; адиабатного расширения zb и смешанного отвода тепла частью по изохоре bj и частью по изобаре fа.

Обозначим Т, р, V—абсолютная температура, абсолютное давление и объем газа в той или иной точке цикла. Например, Т_а, р_а, V_а — температура, давление и объем газа в точке а рассматриваемого цикла. V_с — объем про­странства (камеры) сжатия k — показатель адиабаты.

В обобщенном цикле (рис. 16) количество подведенного и отведен­ного тепла равно

и потому термический к. п. д. обобщенного цикла будет равен

Выразим температуры характерных точек цикла через температуру в начале сжатия Т_а:

Подставляя найденные значения температур в выражение ?_t, получим формулу термического к. п. д. идеального обобщенного цикла двигателей внутреннего сгорания:

Из полученного выражения (1) можно получить значение термического к. п. д. и для частных случаев обобщенного цикла. В случае выпуска отра­ботавших газов в атмосферу можно принять, что отвод тепла происходит по изохоре bа (см. рис. 16), а потому

Отсюда находим значение ? для рассматриваемого частного цикла:

После подстановки значения ? в формулу (1) получим выражение тер­мического к. п. д. цикла со смешанным подводом тепла и отводом тепла при постоянном объеме (см. рис. 16):

Для цикла только с изохорным подводом тепла (рис. 17) ? = 1, а пото­му термический к. п. д. будет равен

Термический к. п. д. цикла с изобарным подводом тепла (рис. 18) полу­чим, подставляя в формулу (2) значение ? = 1:

Рассмотрение полученных формул термического к. п. д. различных цик­лов позволяет сделать следующие заключения. Термический к. п. д. каж­дого цикла зависит от степени сжатия и показателя адиабаты. Чем больше степень сжатия и показатель адиабаты, тем больше термический к. п. д.

На рис. 19 приведены кривые, показывающие зависимость ?_t от ? и k для цикла с изохорным подводом тепла. Как видно из приведенного рисунка, ?_t значительно возрастает при увеличении степени сжатия в пределах до 10.

Термический к. п. д. цикла с изобарным подводом тепла зависит еще и от степени предварительного расширения ?. При увеличении ? дробь

будет расти, а значение ?_t уменьшаться. Таким образом, при увеличении ?, а это значит, при увеличении подводимого тепла (в реальном двигателе при увеличении нагрузки), в цикле с изобарным подводом тепла термический к. п. д. падает.

Значение термического к. п. д. цикла со смешанным подводом тепла зависит от рас­пределения способов подвода тепла. При увеличении изохорного подвода тепла, а следо­вательно, при уменьшении изобарного под­вода ? будет увеличиваться, а ? уменьшаться и термический к. п. д. цикла со смешанным подводом будет возрастать. При уменьшении изохорного подвода тепла ?_t будет умень­шаться. Указанные выводы справедливы при q₁ = q_1? + q_1p = const, и неизменной степе­ни сжатия.

В современных судовых дизелях с наддувом отработавшие газы по вы­ходе из цилиндра поступают в газовую турбину, продолжая там расширять­ся. Причем в одном случае давление газов постепенно падает (переменное давление газов перед турбиной), а в другом случае давление газов снижается до давления в выпускном коллекторе и остается постоянным перед тур­биной.

В первом случае отработавшие газы из цилиндра поступают непо­средственно в турбину и при этом используется их кинетическая энергия. Во втором случае газы прежде поступают в общий выпускной коллектор ди­зеля, а потом в турбину, и, следовательно, кинетическая энергия газов не­посредственно не используется, она превращается в теплоту, вследствие чего температура отработавших газов перед турбиной становится выше.

Идеальный цикл с продолженным расширением и переменным давле­нием газов перед турбиной приведен на рис. 20. Цикл состоит из следующих процессов:

оа — адиабатное сжатие воздуха в наддувочном насосе, ас — адиабат­ное сжатие в цилиндре дизеля; cz'z — смешанный подвод тепла; zb — адиа­батное расширение в цилиндре дизеля; bf — продолженное расширение в цилиндре дизеля, в выпускном тракте и в турбине; fo — отвод тепла при р = const.

Подставляя в формулу (1) значение ? = 1, когда давление в конце рас­ширения равно давлению в начале сжатия, получим выражение термиче­ского к. п. д. цикла со смешанным подводом тепла и с продолженным рас­ширением и переменным давлением перед турбиной:

то же, но при изохорном подводе тепла,

то же, но при изобарном подводе тепла,

Если обозначим термический к. п. д. цикла асz'z b ?_t, то количество отводимого тепла в этом цикле и подведенного в цикле оаrf будет равно

Здесь ? = V_a / V_c степень сжатия в цилиндре двигателя.

Термический к. п. д. цикла oarf, как было установлено ранее, опре­деляется так:

где ?_k = V₀ / V_a степень сжатия в наддувочном насосе.

Количество тепла, отводимого в цикле оаrf равно количеству тепла, отводимого во всем цикле:

Термический к. п. д. всего цикла продолженным расширением и по­стоянным давлением газа перед турбиной будет равен