Щоб зрозуміти, як двигун внутрішнього згоряння перетворює тепло від палива на механічну роботу, інженери використовують ідеалізовані моделі, які називаються термодинамічними циклами. Це спрощені версії реальних процесів, що дозволяють нам проаналізувати ефективність та виявити ключові фактори, які на неї впливають. Два найважливіші цикли — це цикл Отто для бензинових двигунів та цикл Дизеля для дизельних.

Ці моделі ігнорують такі складнощі, як тертя, теплові втрати через стінки циліндра та час, необхідний для згоряння палива. Замість цього вони розглядають робоче тіло (зазвичай повітря) як ідеальний газ, що проходить через чотири послідовні процеси, повертаючись у початковий стан.

Цикл Отто є моделлю для роботи бензинового двигуна. Його ключова особливість — підведення тепла відбувається при постійному об'ємі. Цей процес називається ізохорним підведенням теплоти і моделює дуже швидке згоряння паливно-повітряної суміші від іскри свічки запалювання. Оскільки згоряння відбувається майже миттєво, поршень не встигає суттєво змінити своє положення, тому об'єм залишається практично незмінним.

Цикл складається з чотирьох процесів:

1. Адіабатне стиснення (1→2): Поршень рухається вгору, стискаючи паливно-повітряну суміш. Робота виконується над газом, його температура і тиск зростають. Теплообміну з навколишнім середовищем немає.
2. Ізохорне підведення тепла (2→3): При верхній мертвій точці відбувається запалювання. Тиск і температура різко зростають при постійному об'ємі.
3. Адіабатне розширення (3→4): Гарячі гази під високим тиском штовхають поршень вниз. Це робочий хід, під час якого газ виконує роботу. Тиск і температура падають.
4. Ізохорне відведення тепла (4→1): У нижній мертвій точці відкривається випускний клапан, і відпрацьовані гази виходять, що призводить до різкого падіння тиску при постійному об'ємі.

Цикл Дизеля описує роботу дизельного двигуна. Головна відмінність від циклу Отто полягає в способі підведення тепла. У дизельному двигуні повітря стискається настільки сильно, що його температура стає вищою за температуру самозапалювання палива. Потім паливо впорскується в гаряче повітря і згорає в міру впорскування. Цей процес відбувається, поки поршень починає рухатися вниз, тому тиск залишається приблизно постійним. Це називається ізобарним підведенням теплоти.

Процеси в циклі Дизеля такі:

1. Адіабатне стиснення (1→2): Стискається чисте повітря до дуже високого тиску і температури.
2. Ізобарне підведення тепла (2→3): Впорскується паливо, яке самозаймається. Тепло підводиться при постійному тиску, оскільки поршень вже починає рухатися вниз.
3. Адіабатне розширення (3→4): Гази продовжують розширюватися і штовхати поршень, виконуючи роботу.
4. Ізохорне відведення тепла (4→1): Вихлопні гази виходять, тиск різко падає при постійному об'ємі.

Термічний коефіцієнт корисної дії (ККД) — це головний показник ефективності двигуна. Він показує, яка частка теплової енергії, що виділилася при згорянні палива, перетворилася на корисну механічну роботу. Формула для термічного ККД ідеального циклу Отто виглядає так:

Однак ступінь стиснення в бензинових двигунах обмежений явищем, що називається детонацією . Якщо суміш стиснути занадто сильно, вона може самозайнятися не від іскри, а від високого тиску і температури. Це призводить до ударних хвиль у циліндрі, що може пошкодити двигун.

Формула для ККД циклу Дизеля є складнішою, але з неї також випливає, що вищий ступінь стиснення підвищує ефективність. Оскільки дизельні двигуни стискають лише повітря, вони можуть працювати при значно вищих ступенях стиснення без ризику детонації, що і робить їх в середньому на 20-30% економічнішими за бензинові аналоги.

Тепер, коли ми розібралися з теорією, перевірмо, як ви засвоїли матеріал.

Розуміння цих ідеалізованих циклів є фундаментом для аналізу реальних двигунів та шляхів підвищення їхньої ефективності.