Принцип действия многих тепловых двигателей состоит в том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем при сжатии холодного газа.
Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение – вот четыре основных процесса, необходимых для функционирования теплового двигателя.
Каждый из вышеперечисленных процессов возможно проводить различными путями.
Охлаждение и нагрев газа могут протекать в замкнутой полости при постоянном объеме (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие и расширение газа могут происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Конструируя замкнутые циклы из различных комбинаций этих процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели.
Комбинация из двух адиабат и двух изохор образует теоретический цикл бензинового двигателя (двигатель Отто). Заменяя в этой комбинации изохору, по которой идет нагревание газа на изобару, получим цикл дизельного двигателя (двигатель Дизеля). Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины.
Среди всех возможных циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике. По такому циклу – циклу Карно – должен работать двигатель, имеющий самый высокий КПД для данного интервала температур. Двигатели, работающие по другим циклам, гораздо менее экономичны. И все-таки до настоящего времени никому не удалось по-строить двигатель, реализующий цикл Карно. Почему? Об этом мы поговорим позже.
Трудно предположить, чтобы в тепловых машинах внешнего сгорания были заложены какие-либо возможности, позволяющие конкурировать с двигателями внутреннего сгорания хотя бы по экономичности. В двигателях внешнего сгорания топливо сжигается вне рабочего цилиндра и тепло подводится к рабочему телу через стенку цилиндра. Наивысшая температура цикла ограничена определенными значениями. Казалось бы, ожидать какого-либо выигрыша и в размерах такого двигателя не следует. Циклы, по которым работают cтирлинги, как уже упоминалось выше, состоят из двух изотерм и двух изобар. Достаточно построить диаграммы этих двигателей, чтобы убедится, что при работе на атмосферном воздухе их размеры получаются огромными.
Строго говоря, двигатель Стирлинга может работать и без регенератора. Это объясняется тем, что при нагреве газа на изохоре требуется тепла меньше, чем при нагреве газа по изобаре. Включение регенератора в рабочий цикл двигателя внешнего сгорания придает последнему уникальные свойства.
