Тепловий розрахунок двигуна

1.1 Вибір швидкісних режимів двигуна

Тепловий розрахунок двигунів пропонується виконувати для чотирьох режимів його роботи. Це необхідно для розширення уяви про вплив швидкісних режимів роботи двигунів на показники їх процесів. Для карбюраторних та дизельних двигунів такими режимами є:

1. Режим мінімальної частоти обертання колінчастого валу:

- для карбюраторного двигуна - n_min=600…1000 об/хв

- для дизельного двигуна - n_min=300…500 об/хв.

2. Режим максимального крутного моменту:

- для карбюраторних двигунів - n_M=(0,4…0,6)n _N

- для дизелів - n_M=(0,65…0,75)n_N

3. Режим максимальної (номінальної) потужності n_N, що відповідає частоті обертання колінчастого валу проектного завдання

4. Режим максимальної швидкості руху автомобіля при:

- карбюраторному двигуні n_max=(1,05…1,2)n_N

- дизельному двигуні n_max=(1,04…1,07)n_N

1.2 Вибір палива для двигуна

Для карбюраторних двигунів марка бензину вибирається в залежності від ступеню стиску, запропонованого завданням. Орієнтовно марку бензину можливо прийняти по даним таблиці 1.

Таблиця 1. Основні показники автомобільних бензинів.

Показники	А-76	АИ-93	АИ-98
Орієнтовна ступінь стиску , при якій забезпечується бездетонаційна робота двигунів.	7,0…7,5	7,5…8,5	8,5…9,0
Детонаційна стійкість: октанове число, визначене по моторному методу, не менше
Вміст тетраетилсвинцю г/кг. бензину не більше	0,41	0,82	0,82

Основним показником дизельного палива є цетанове число, яке характеризує період затримки його самозапалення.

Для виконання теплового розрахунку пропонується приймати дизельне паливо марки “З” з цетановим числом 45. Інші показники цього палива приведені в [1] табл. 2.

Елементарний масовий склад 1 кг рідкого палива записується співвідношенням:

С+Н+S+О=1, (1)

де С, Н, S і О – масові долі вуглецю, водню, сірки і кисню в 1 кг палива.

Середній елементарний склад бензину приймається [1]: С=0,855; Н=0,145, S=0, О=0. Середня молекулярна маса бензину m_T=115 кг/кмоль.

Середній елементарний склад дизельного палива:

С=0,870; Н=0,126; S=0; О=0,004.

Нижча теплота згорання палива визначається по формулі Д.І.Мендєлєєва, кДж/кг:

Н_u=33,91С+125,6Н - 10,89(О-S) – 2,51(9Н+W) кДж/кг. (2)

де W – кількість водяного пару в продуктах згорання масової чи об¢ємної одиниці палива.

Теплоту згорання палива визначають експериментально спалюванням палива в середовищі стиснутого кисню в калометричній бомбі. При експериментальному визначенні отримують так звану вищу теплоту згорання палива Н₀, що враховує виділення теплоти при охолодженні калометричної бомби до початкової температури внаслідок конденсації парів води які утворюються при згоранні водню палива. В двигунах внутрішнього згорання продукти згорання випускаються у навколишнє середовище при температурі більш високій ніж температура конденсації водяних парів, і отже теплота пароутворення не використовується.

При тепловому розрахунку двигуна користуються нижчою теплотою згорання палива. Між нижчою і вищою теплотою згорання існує зв¢язок

Н_u=H₀-600W,

де W – кількість водяних парів в процентах згорання, що одержують при згоранні 1 кг чи 1 м³ палива, в кг.

600 – наближена теплота пароутворення води, яка приймається в технічних розрахунках, в ккал/кг = 4,187 кДж/кг.

Для бензину нижча теплота згорання

Hu=33,91С+125,6Н-2,51х9Н;

Hu=33,91х0,855+125,6х0,145-2,51х9х0,145

=43,93 МДж/кг=43930 кДж/кг.

Для дизельного палива:

Hu=33,91х0,87+125,6х0,126-10,89х0,004-2,51х9х0,126=

=42,44 МДж/кг =42440 кДж/кг.

1.3 Визначення параметрів робочого тіла

Параметрами робочого тіла є: теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1 кг палива, коефіцієнт надлишку повітря a, кількість паливної суміші для карбюраторного двигуна М₁, кількістьсвіжого зарядудизеля М₁, загальна кількість продуктів згорання М₂ та його компонентів.

Теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1 кг палива визначається [1] по стехіометричному співвідношенню:

, кмоль повітря/кг палива (3)

, кг повітря/кг палива (4)

де 0,208 - об¢ємна місткість кисню в 1 кмоль повітря;

0,23 – масова місткість кисню в 1 кг повітря.

Для бензину:

;

.

Для дизельного палива:

;

.

Коефіцієнт надлишку повітря для карбюраторних і дизельних двигунів в залежності від режиму їх роботи та призначення приймається орієнтовно по даним рис. 1.

Кількість паливної суміші [1], що поступає в карбюраторний двигун, кмоль.пал.сум/кг.палива:

(5)

де α -коефіцієнт надлишку повітря;

m_T – молекулярна маса парів палива (для автобензинів m_T=110…120 кг/кмоль, для дизельного палива m_T=180…200 кг/кмоль).

Для дизельних двигунів мале і тому не враховується.

Тоді:

При повному згоранні (α≥1) загальна кількість продуктів згорання, кмоль прод.згор./кг пал:

, (6.1)

де - відповідно кількість СО₂, СО, Н₂О, Н₂ та N₂ в кмоль/кг палива в продуктах згорання.

;

;

;

.

Кількість окремих компонентів продуктів при неповному згоранні:

(6.2)

, (6.3)

, (6.4)

, (6.5)

, (6.7)

де k – постійна величина, що залежить від співвідношення водню і вуглецю Н/С в паливі (для бензину при Н/С=0,17…0,19 k=0,45…0,50 для природного газу k=0,6…0,7).

1.4 Визначення параметрів навколишнього середовища і залишкових газів

До параметрів навколишнього середовища відносяться тиск Р_к і температура Т_к – для двигунів з наддувом, та Р₀ і Т₀ – для двигунів без наддуву.

Як правило для двигунів без наддуву приймаються Р_к=Р₀=0,1 МПа, Т_к=Т₀=293 К.

Значення Р_к залежить від ступеню наддуву:

- при низькому - Р_к=1,5Р₀;

- при середньому - Р_к=(1,5…2,2)Р₀;

- при високому - Р_к=(2,2…2,5)Р₀.

При тепловому розрахунку дизеля Р_к задається, а Т_к визначається за формулою:

, (7)

де n_к – показник політропи стиску (для відцентрового нагнітача з охолоджуваним корпусом приймають n_k=1,4…2,0).

Параметри залишкових газів характеризуються їх тиском P_r і температурою T_r. Ці параметри залежать від типу двигуна, його призначення, фаз газорозподілу, конструктивних параметрів впускної та випускної систем, та режиму роботи двигуна.

Для номінального швидкісного режиму карбюраторних двигунів [1]:

P_r=1,18Р₀ (8)

Для дизелів без наддуву:

Р_r=1,05Р₀ (9)

Для дизелів з наддувом:

Р_r=0,95Р_к (10)

Температура залишкових газів Т_r приймається в межах:

- для карбюраторних двигунів Т_r=900…1100 К;

- для дизелів Т_r=600…900 К;

- для газових двигунів Т_r=750…1000 К.

Для карбюраторних двигунів і дизелів Т_r визначається в залежності від режиму роботи за графіками рис.1.

Для інших швидкісних режимів Р_r визначається по емпіричній формулі:

(11)

де ,

n – частота обертання колінчастого валу двигуна.

1.5 Визначення параметрів процесу впуску

Параметрами процесу впуску є тиск в кінці процесу - Р_а, коефіцієнт залишкових газів - g_r та коефіцієнту наповнення - h_V.

Тиск Р_а для двигунів без наддуву визначається залежністю:

Р_а=Р₀-DР, (12)

Для двигунів з наддувом:

Р_а=Р_к-DР (13)

де DР - втрати тиску в процесі впуску.

В свою чергу DР визначається наступним чином:

, (14)

де b - коефіцієнт затухання швидкості руху заряду в певному перерізі циліндра;

Рис. 1.

x_вп – коефіцієнт опору впускної системи, віднесений до найбільш вузького його перерізу;

w_вп – середня швидкість руху заряду в найменшому перерізі впускної системи, м/с.

r_к, r₀ –густина заряду в впускній системі при наддуві і без нього (при Р_к=Р₀ і r_к= r₀).

При інших показниках густина заряду визначається наступним чином:

, або ;

де R_в=R/m_в Дж/кг.град, питома газова стала повітря, R_в=287 Дж/кг.град;

R – універсальна газова стала, R=8315 Дж/кмоль. град.

Для сучасних автомобільних двигунів (дослідні дані):

і м/с.

При визначенні w_вп використовується формула [1]:

, (15)

де V_п –швидкість поршня, м/с.

F_п – площа поршня, м²_;

R і D – відповідно радіус кривошипа і діаметр поршня, м;

- відношення радіусу кривошипа до довжини шатуна,

f_вп – площа найменшого перерізу впускної системи (переріз прохідного отвору між клапаном і його гніздом), м²;

n – частота обертання колінчастого валу, об/хв;

- об’єднаний член рівняння (15).

У чотиритактних двигунах без наддуву:

- карбюраторних DР_а=(0,05...0,20)Р₀ МПа,

- дизельних DР_а=(0,03…0,18)Р_к МПа,

Для двигунів з наддувом:

DР_а=(0,03...0,10)Р₀ МПа.

Температура робочого тіла в кінці впуску визначається із рівняння балансу теплоти складеного на дільниці від точки “ r ” до точки “ а ” індикаторної діаграми. Передбачається, що на цій дільниці визначення компонентів заряду здійснюється при сталому тиску.

, (16)

де М₁, М₂ - кількість відповідно свіжого заряду і залишкових газів в молях;

- теплоємкість відповідно свіжого заряду, суміші із свіжого заряду, продуктів згорання та залишкових газів при сталому тиску, кДж/кмоль град;

Т_к – температура свіжого заряду на виході з компресора, ºК;

Т_r - температура залишкових газів ºК;

Т_а – температура суміші в кінці процесу впуску, ºК;

- кількість теплоти, що має свіжий заряд, з урахуванням підігріву заряду від деталей двигуна, кДж;

- кількість теплоти, що містять в собі залишкові гази, кДж;

- кількість теплоти, що знаходиться в робочій суміші, кДж.

Допускаючи, що і розділивши ліву і праву частину рівняння на М₁ одержимо:

, (17)

Для дизелів без наддуву:

, (18)

де - коефіцієнт залишкових газів;

DТ – величина підігріву заряду при проходженні його через впускну систему, ºК.

Величина підігріву заряду DТ залежить від розташування впускного колектора відносно випускного, типу системи охолодження двигуна, наявності наддуву та швидкісного режиму роботи двигуна. Підвищення DТ покращує процес випаровування палива і сумішоутворення в карбюраторних двигунах, але зменшує густину заряду і наповнення як в карбюраторних так і в дизелях. Підігрів заряду DТ в залежності від швидкісного режиму роботи двигуна визначається за формулою [1]

, (19)

де А_Т=DТ_N/(110-0,0125n_N),

DТ_N та n_N - відповідно температура підігріву та частота обертання колінчастого валу при номінальному режимі роботи двигуна.

В залежності від типу двигуна приймають:

- для карбюраторних двигунів DТ=0…20 °С;

- для дизелів без наддуву DТ=10…40 °С;

- для дизелів з наддувом DТ=-5..+10 °С.

Коефіцієнт залишкових газів характеризує якість очищення циліндрів від відпрацьованих газів. Зменшення збільшує кількість свіжого заряду, що заповнює циліндр в процесі впуску.

Для чотиритактних двигунів з урахуванням продувки і дозарядки циліндра:

, (20)

Без урахування продувки і дозарядки:

, (21)

де _оч – коефіцієнт очистки циліндра;

_доз – коефіцієнт дозарядки циліндра.

Для всіх швидкісних режимів роботи двигуна пропонується [1] приймати _оч=1. Коефіцієнт дозарядки приймається [1] для мінімального швидкісного режиму _доз=0,95, номінального _доз=1, для інших визначається по графіку рис. 37 [1].

В чотиритактних двигунах величина залежить від ступеня стиску, параметрів робочого тіла в кінці впуску, частоти обертання колінчастого валу. При збільшенні ступеню стиску і температури залишкових газів Т_r величина зменшується, а при збільшенні тиску Р_r залишкових газів і швидкісного режиму роботи – збільшується.

Для чотиритактних двигунів без наддуву знаходиться в межах:

- карбюраторних

- дизелів = 0,02…0,06.

Досконалість процесу впуску прийнято оцінювати коефіцієнтом наповнення , який визначається відношенням кількості свіжого заряду, що знаходиться в циліндрі до початку дійсного стиску, тобто до моменту закриття органів газообміну, до тієї кількості свіжого заряду, яка могла б заповнити робочий об’єм циліндра при умовах на впуску. Для двигунів з наддувом і при тискові і температурі заряду на виході з компресора:

, (22)

де G_g, M₁,V_g – дійсна кількість свіжого заряду, що поступив в циліндр відповідно в кг, молях, м³;

G₀, M₀, V₀ – кількість заряду, що може заповнити робочий об¢єм циліндра при Р₀ і Т₀ (або Р_к і Т_к для двигунів з наддувом), відповідно в кг, молях, м³.

Для чотиритактних двигунів з урахуванням продувки і дозарядки:

. (23)

Для чотиритактного двигуна без урахування продувки і дозарядки (j_оч=j_доз=1):

, (24)

Коефіцієнт наповнення залежить від типу двигуна, конструктивних особливостей її впускної і випускної систем, фаз газорозподілу та швидкісного режиму його роботи. Для різних типів двигунів коефіцієнт наповнення знаходиться в межах:

- для карбюраторних = 0,70…0,90;

- для дизелів без наддуву = 0,8…0,95;

- для дизелів з наддувом = 0,80…0,97.

1.6. Визначення параметрів процесу стиску

До показників процесу стиску відносяться середній показник політропи стиску n₁, тиску Р_с, температури Т_с, і теплоємкість робочого тіла в кінці стиску. Величина показника політропи стиску приймається по дослідним даним в залежності від частоти обертання колінчастого валу двигуна, ступеню стику, розмірів циліндра, матеріалу поршня і циліндра, теплообміну та інших факторів. Враховуючи, що процес стиску здійснюється досить швидко (0,015…0,005 с на номінальному режимі), сумарний теплообмін між робочим тілом і стінками циліндра в процесі стиску являється незначним, і величину n₁ можна прийняти по середньому показнику адіабати стиску к₁. Для визначення к₁ використовується номограма (рис. 2), побудована в результаті розв¢язування на ЕОМ двох рівнянь, що зв¢язують к₁ з Т_а, Т_с, і теплоємкістю:

, (25)

, (26)

де - середня мольна теплоємкість повітря в кінці стиску, кДж/кмоль °С.

- середня мольна теплоємкість свіжої суміші карбюраторного двигуна (повітря дизеля).

(27)

По номограмі (рис. 2) для відповідних значень і Т_а визначається величина к₁.

Величина показника політропи стиску n₁ в залежності від к₁ приймається в наступних межах:

- для карбюраторних двигунів (к₁-0,0)… (к₁-0,04);

- для дизелів (к₁+0,02)… (к₁-0,02).

Для карбюраторних двигунів n₁, як правило, менше ніж для дизелів в зв¢язку випаровуванням палива в процесі стиску і поглинанням тепла, крім цього наявність парів палива підвищує теплоємкість суміші.

При визначенні n₁ необхідно враховувати, при збільшенні частоти обертання колінчастого валу, а також зменшенні відношення поверхні охолодження до об¢єму циліндра n₁ збільшується. Підвищення середньої температури процесу стиску і збільшення інтенсивності охолодження двигуна приводить до зменшення

Рис.2.

n₁. В двигунах з повітряним охолодженням n₁ вище ніж у двигунах з рідинним охолодженням.

Тиск Р_с і температуру Т_с в кінці процесу стиску визначають із рівняння політропи з постійним показником n₁:

(28)

(29)

В автомобільних двигунах тиск і температура змінюється в межах:

- в карбюраторних двигунах Р_с=0,9..2,0 МПа, Т_с= 600…800 ºК;

- для дизелів без наддуву Р_с=3,5…5,5 МПа, Т_с=700…900º К.

- для дизелів з наддувом Р_с і Т_с підвищується в залежності від тиску наддуву.

Середня мольна теплоємкість свіжої суміші в кінці стиску приймається рівній теплоємкості повітря і визначається по таблиці 2 або за формулою із таблиці 3 в інтервалі температур 0…1500°С. Середня мольна теплоємкість залишкових газів в кінці стиску [кДж/(кмоль град] визначається безпосередньо по таблиці 5 для бензину або по таблиці 5 для дизельного палива.

Середня мольна теплоємкість робочої суміші визначається за рівнянням:

, (30)

Після розрахунку показників процесу стиску виконується орієнтовні виправлення лінії стиску індикаторної діаграми з метою врахування початку згорання. Тиск в кінці процесу Т_с орієнтовно підвищується до значень =(1,15…1,25)Р_с.

1.7. Визначення показників процесу згорання

Метою розрахунку показників процесу згорання є визначення температури і тиску в кінці згорання. Для визначення цих показників попередньо визначають коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші карбюраторних і дизельних двигунів з наддувом і без нього для відповідних режимів роботи:

(31)

та робочої суміші:

Таблиця 2.

Таблиця 3.

Таблиця 4

(32)

Температура Т_z на дільниці згорання сz визначається на основі першого закону термодинаміки, відповідно якого для автомобільних двигунів:

- згорання при a³1 (33)

- згорання при a<1 (34)

де - нижча теплота згорання палива, кДж;

- втрати теплоти внаслідок тепловіддачі, догорання палива на дільниці розширення і дисоціації, кДж;

- внутрішня енергія газів в кінці видимого згорання, кДж;

- внутрішня енергія робочої суміші в кінці стиску, кДж;

- теплота, що витрачається на роботу розширення газів від точки с до точки z (для карбюраторних двигунів L_cz=0), кДж.

В короткій формі тепловий баланс на цій дільниці:

; (35)

, (36)

де - коефіцієнт, який враховує яка частка нижчої теплоти згорання палива використовується на дільниці згорання cz на підвищення внутрішньої енергії газу і на здійснення роботи .

Величина коефіцієнту розраховується за формулою:

;

або приймається на підставі експериментальних даних з урахуванням особливостей сумішоутворення, конструкції систем охолодження, режиму роботи двигуна, коефіцієнту надлишку повітря.

По дослідним даним при роботі двигунів з повним навантаженням змінюється в межах:

- для карбюраторних двигунів (0,80…0,95);

- для швидкохідних дизелів з нерозділеними камерами згорання (0,70…0,88);

- для дизелів з розділеними камерами згорання (0,65…0,80);

- для газових двигунів (0,80…0,85);

Перетворюючи рівняння (35) і (36) одержуємо розрахункові рівняння.

Для карбюраторних двигунів рівняння згорання має вигляд:

, (37)

де - теплота згорання робочої суміші (при a ³1) , ( при a<1) ;

- середня мольна теплоємкість робочої суміші в кінці процесу стиску, визначається за (30);

- середня мольна теплоємкість продуктів згорання, визначається по таблиці 5.

Для дизелів рівняння згорання має вигляд:

, (38)

де ступінь підвищення тиску;

2270=8,315х273.

Для дизелів з безпосереднім сумішоутворенням =1,6…2,5, з розділеними камерами =1,2…1,8.

В рівняннях (37) і (38) маємо дві невідомі величини і теплоємкість продуктів згорання при сталому об¢ємі або сталому тиску при температурі . При використанні для визначення або наближених формул (таблиця 3) рівняння згорання після підстановки чисельних даних відповідних параметрів і подальших перетворень приймає вигляд:

, (39)

де А, В і С – числові значення.

Звідки:

, °С

°К.

Величина тиску в кінці згорання для карбюраторних двигунів визначається за формулою:

, (40)

- ступінь підвищення тиску:

, (41)

Для дизелів:

(42)

- ступінь попереднього розширення:

(43)

При виконанні курсового проекту температура кінця згорання Т_z може бути визначена [2] наочним графічним методом. Суть цього методу полягає в наступному. Температура робочого тіла кінця процесу згорання T_z визначається як функція внутрішньої енергії або ентальпії, значення яких знаходяться за рівнянням згорання, МДж/кмоль:

- для бензинових двигунів:

, (44)

- для дизелів:

(45)

де - коефіцієнт використання теплоти на дільниці згорання (для бензинових двигунів – 0,85…0,9, для дизелів – 0,7…0,8);

- активна теплота згорання палива, в якій враховується втрати внаслідок неповноти згорання через нестачу кисню(визначається для a<1), МДж/кмоль (при a³1 );

- нижча теплота згорання палива, МДж/кмоль;

- коефіцієнт молекулярної зміни з урахуванням наявності в заряді залишкових газів;

- внутрішня енергія в кінці стиску, МДж/кмоль;

- внутрішня енергія в кінці процесу згорання, МДж/кмоль;

- ступінь підвищення стиску при згоранні (вибирається тільки для дизелів і залежить від типу камери згорання, для нерозділеної – 1,6…2,5, для вихрової – 1,6…1,8, для предкамери – 1,4…1,6);

- ентальпія в кінці згорання при робочого тіла, МДж/кмоль.

На рис. 3 показана залежність внутрішньої енергії від температури повітря (для дизеля) і суміші повітря з бензином при різних значеннях a. За отриманою температурою на осі абсцис знаходимо, наприклад для дизеля, точку А, з якої проводимо перпендикуляр до перетину з відповідною лінією графіка. З отриманої точки В проводимо горизонталь до перетину з ординатою. Точка С на осі ординат визначає внутрішню енергію заряду . На рис. 4 показані залежності внутрішньої енергії і ентальпії від температури.

Приклад. При згоранні дизельного палива при a=1,4 ентальпія робочого тіла, визначена по формулі (45), =81 МДж/кмоль. (точка D на осі абсцис). З точки D проводимо перпендикуляр до перетину з лінією графіка “Дизельне паливо a=1,4 ” і отримуємо точку Е, з якої проводимо горизонталь до осі ординат і на ній отримуємо точку F, що відповідає 2475. Таким чином температура кінця згорання для дизеля =2475 К.

Для сучасних автомобільних двигунів показники процесу згорання знаходяться в межах наведених в таблиці 6.

Таблиця 6. Показники процесу згорання різних типів двигунів:

1.8. Визначення параметрів процесу розширення

Процес розширення характеризується тиском Р_в, температурою Т_в, та показником політропи розширення n₂. Для попередніх розрахунків величину n₂ визначають по величині показника адіабати розширення теоретичного циклу к₂ для відповідних значень (або ), a і Т_z. Показник адіабати розширення в цьому випадку визначається розв¢язуванням двох рівнянь:

Рис.3.

Рис. 4.

- для карбюраторних двигунів:

(46)

, (47)

- для дизелів:

де ступінь наступного розширення ; .

(49)

Розв’язуються ці рівняння методом підбирання величин к₂ і Т_в, але це складно і результати мають різну ступінь точності. Для спрощення розрахунків к₂ на основі рівнянь (46)-(48) і формул табл. 4 побудовані номограми рис.5 та рис. 6. Визначення к₂ по номограмам здійснюється наступним чином: на підставі значень (або для дизелів) і Т_z визначають точку, якій відповідає к₂ при a=1. Для находження величини к₂ при заданому a необхідно отриману точку перенести по горизонталі на вертикаль, що відповідає заданому a. На рис. 5 і рис. 6 показано визначення к₂ для карбюраторних з e=8,5 і дизельного з d=14,28 двигунів.

Середнє значення n₂ одержане із аналізу індикаторних діаграм автомобільних двигунів знаходиться в межах:

- для карбюраторних двигунів 1,23…1,30;

- для дизелів 1,18…1,28;

- для газових двигунів 1,25…1,35

Величина тиску Р_в і температури Т_в в кінці процесу розширення визначається по формулам політропічного процесу.

Для карбюраторних двигунів:

, (50)

(51)

Для дизелів:

, (52)

, (53)

Рис. 5

Рис. 6.

Для сучасних автомобільних двигунів:

- карбюраторних:

Р_в=0,35…0,6 МПа, Т_в=1200…1300 °К,

- дизелів:

Р_в=0,2…0,5 МПа, Т_в=1000…1200 °К, для дизелів.

1.9. Визначення параметрів процесу випуску

До параметрів, що характеризують процес випуску, відносяться тиск Р_r, температура Т_r, і коефіцієнт залишкових газів . На початку розрахунку процесу впуску задаються параметрами процесу. Тому розрахунки цього розділу обмежуються визначенням точності попереднього вибору величин Р_r і та Т_r з використанням формули:

, (54)

де Т_r1 – температура процесу випуску прийнята при розрахунку процесу впуску, °К;

Т_r2 – температура процесу, визначена по формулі (54);

Похибка , %.

1.10. Побудова індикаторної діаграми

Визначив параметри цих точок, досить легко побудувати теоретичну індикаторну діаграму.

Індикаторна діаграма представляє собою графічну залежність тиску в циліндрі двигуна від його об’єму, переміщення поршня або кута повороту колінчастого валу. Для її побудови використовуються дані теплового розрахунку двигуна. Масштаб переміщення поршня АВ приймається 1:1, 1,5:1, 2:1. Початок координат діаграми точка О відповідає нульовому об’єму циліндра. Об’єм камери згорання, якому відповідає відрізок ОА:

ОА= , мм.

Масштаб тиску вибирається таким, щоб висота діаграми становила 1,6…1,8 її основи. На відстані 0,1 МПа від осі абсцис проводиться горизонталь, що відповідає атмосферному тиску Р₀. За результатами теплового розрахунку наносяться значення тиску в характерних точках: а, с, z, , в, r. Побудова політроп стиску і розширення здійснюється аналітичним або графічним методом.

При аналітичному методі для побудови цих політроп визначаються ряд значень тиску для об’єму, що розташовані відповідно між V_a і V_c та V_z і V_в по рівнянню політроп .

Для політропи стиску:

,

Для політропи розширення:

,

де Р_х, V_х – тиск та об’єм в прийнятій точці процесів стиску чи розширення;

n₁, n₂ – показники відповідних політроп стиску та розширення.

Для карбюраторних двигунів відношення змінюється в інтервалі 1-e, а для дизелів 1-d.

При аналітичному методі побудови діаграми визначення ординат розрахункових точок політроп стиску і розширення зручно виконувати використовуючи табличну форму.

1.11. Індикаторні показники робочого циклу

Робочий цикл характеризується такими індикаторними показниками: середнім індикаторним тиском Р_і, індикаторною потужністю N_і, індикаторним коефіцієнтом корисної дії і індикаторною питомою витратою палива .

Середній індикаторний тиск визначається за формулою:

, (55)

де j - коефіцієнт повноти індикаторної діаграми (для карбюраторних двигунів j=0,94…0,97, для дизелів j=0,92…0,95);

- теоретичний середній індикаторний тиск, МПа.

Теоретичний середній індикаторний тиск, що визначається як відношення площі розрахункової індикаторної діаграми еквівалентної роботи газів за один цикл до ходу поршня, визначається за формулою:

- для карбюраторних двигунів:

, (56)

де - ступінь підвищення тиску,

e - ступінь стиску;

n₁, n₂ – показники політропи, відповідно процесу.

- для дизелів:

(57)

де - ступінь попереднього розширення.

При роботі на повному навантаженні середній індикаторний тиск Р_і (МПа) чотиритактних двигунів сягає меж:

- карбюраторні двигуни 0,6…1,6 МПа;

- дизелів без наддуву 0,7…1,1 МПа;

- дизелів з наддувом до 2,2 МПа.

Індикаторна потужність для чотиритактних двигунів:

(58)

де V_h – робочий об’м циліндра, дм³;

і – число циліндрів;

n – частота обертання колінчастого валу, об/хв;

τ - тактність двигуна;

Індикаторний коефіцієнт корисної дії двигунів залежить ві д роду палива і визначається за формулою

, (рідке паливо) (59)

, (газове) (60)

де - теоретична необхідна кількість повітря в кг для згорання 1 кг палива, кг повітря/кг палива;

a - коефіцієнт надлишкового повітря;

Н_u – нижча теплота згорання, МДж/кг палива;

- густина заряду, кг/м³;

- кількість свіжого заряду, що поступає в циліндр, МДж/кмоль.

- коефіцієнт наповнення;

Т_к і Р_к – температура і тиск заряду на виході з компресора.

В сучасних автомобільних двигунах індикаторний ККД становить:

- для карбюраторних двигунів 0,26…0,35;

- для дизелів 0,38…50,00;

- для газових двигунів 0,28…0,34.

Індикаторна питома витрата палива визначається за формулами(г/кВт год):

, або (61)

Для двигунів, що працюють на газовому паливі [м³/кВт год]:

або (62)

На номінальному режимі питома витрата палива:

- карбюраторних двигунів g_i=235…320 г кВт год

- дизелями g_i=170…230 г/кВт год

- газовими двигунами g_i=10,5…13,5 МДж/кВт год.

1.11.1. Ефективні показники

Ефективні показники включають: середній ефективний тиск, механічний ККД, ефективну потужність, ефективний ККД, ефективну питому витрату палива.

Ефективні показники відрізняються від індикаторних на величину затрат на подолання різних механічних опорів (тертя в кривошипно-шатунному механізмі, приведення в дію допоміжних механізмів) і на виконання процесів впуску і випуску.

Середній ефективний тиск р_е.

Величина р_е визначається за формулою:

(63)

де Р_М – середній тиск механічних втрат.

Величина Р_М визначається по емпіричним формулам:

- для карбюраторних чотиритактних двигунів з числом циліндрів до 6

р_М=0,049+0,015V_п.ср, при S/D>1 (64)

р_М=0,034+0,0113V_п.ср, при S/D£1 (65)

- для карбюраторних восьмициліндрових двигунів і S/D<1:

Р_М=0,039+0,0132V_п.ср (66)

- для чотиритактних дизелів з нерозділеними камерами згорання:

Р_М=0,089+0,0118V_п.ср (67)

- для предкамерних:

Р_М=0,103+0,0153V_п.ср (68)

- для вихрекамерних:

Р_М=0,089+0,0135V_п.ср (69)

Середній ефективний тиск Р_е (МПа) на номінальному режимі роботи двигунів знаходиться в межах:

- для чотиритактних двигунів:

карбюраторних 0,6…1,3;

дизелів без наддуву 0,55…0,85;

дизелів з наддувом до 2,0;

- для двохтактних швидкохідних дизелів 0,4…0,75;

- для газових двигунів 0,5…0,75.

Підвищення Р_е покращує використання робочого об’єму циліндра, що сприяє створенню легких і компактних двигунів.

Механічний ККД двигуна визначається за формулою:

(70)

Величина збільшується при зменшенні втрат на тертя і на привод допоміжних механізмів, а також при збільшенні навантаження. При зменшенні навантаження збільшується Р_М через збільшення втрат на газообмін. На холостому ході Р_і=Р_М і =0.

На номінальному режимі роботи двигунів механічний ККД для різних двигунів становить:

- для карбюраторних двигунів 0,70…0,90;

- для чотиритактних дизелів без наддуву 0,70…0,82;

- для чотиритактних дизелів з наддувом 0,80…0,90;

- для двохтактних швидкохідних дизелів 0,70…0,85;

- для газових двигунів 0,75…0,85.

Ефективна потужність N_e (кВт) двигуна визначається за формулою:

, (71)

Зв’язок між N_e і основними параметрами двигуна:

, (72)

де - нижча теплота згорання палива, МДж/кг;

- густина заряду, кг/м³;

a - коефіцієнт надлишкового повітря;

- теоретично необхідна кількість повітря в кг для згорання 1 кг палива, кг повітря/кг палива;

- коефіцієнт наповнення.

Аналіз формули (72) дає можливість визначати шляхи підвищення ефективної потужності двигуна.

Ефективний ККД характеризує, наскільки раціонально використовується теплота палива в двигуні з урахуванням всіх втрат (теплових і механічних) і визначається за формулою:

, (73)

На номінальному режимі ефективний ККД знаходиться в межах:

- для карбюраторних двигунів 0,25…0,33;

- для дизелів 0,35…0,40;

- для газових двигунів 0,23…0,30.

Вищі значення дизелів обумовлені більшим ступенем стиску і термічного коефіцієнту корисної дії.

Ефективна питома витрата палива, (г/кВт год) визначається за формулою:

, (74)

- для газових двигунів:

, (75)

де - ефективна питома витрата газового палива, м³/кВт год;

- нижча теплота згорання газоподібного палива, МДж/м³;

- кількість газової паливної суміші (моль пал. сум/моль палива або м³ пал. сум/м³ палива).

1.12. Основні розміри двигуна.

При заданій ефективній потужності і прийнятому співвідношенні S/D основні конструктивні параметри двигуна (діаметр циліндра і хід поршня) визначаються наступним чином.

Діаметр циліндра (мм):

, (76)

Хід поршня (мм):

, (77)

Отримані значення S і D округлюють до цілих чисел. Розміри циліндра – діаметр і хід поршня – є основними конструктивними параметрами двигуна. Діаметр циліндра D (мм) сучасних автомобільних двигунів залежить в основному від типу двигуна і його призначення і становить:

- для карбюраторних двигунів легкових автомобілів 60…100;

- для карбюраторних двигунів вантажних автомобілів 70…110;

- для дизелів 70…150.

Хід поршня характеризується величиною S/D, безпосередньо пов’язаної з швидкістю поршня. В залежності від S/D розрізняють короткоходові двигуни (S/D<1) і довгоходові (S/D>1). Короткоходові двигуни дозволяють знизити висоту двигуна і його масу, збільшують коефіцієнт наповнення, індикаторний ККД, зменшуючи швидкість поршня і зношення деталей двигуна. Для карбюраторних двигунів S/D=0,7…1,0, для дизелів S/D= 0,9…1,3.

Швидкість поршня впливає на довговічність його деталей, збільшення якої забезпечується застосуванням високоякісних мастил. В залежності від величини V_п.ср. двигуни підрозділяють на тихохідні (V_п.ср.<6,5 м/с) і швидкохідні (V_п.ср.>6,5 м/с). Автомобільні двигуни мають V_п.ср.>6,5 м/с і цей параметр для різних типів двигунів знаходиться в межах:

- для карбюраторних легкових автомобілів 9…12;

- для карбюраторних вантажних автомобілів 12…15;

- для автомобільних дизелів 6,5…12;

- для автомобільних газових 7…11;

- для тракторних двигунів 5,5…10,5.

Отримані значення Д і S округлюють до цілих чисел. Після остаточного прийняття значень Д і S визначають основні параметри і показники двигуна:

Літраж двигуна (л):

; (78)

Ефективна потужність (кВт):

, (79)

Ефективний крутний момент (Нм):

, (80)

Погодинна витрата палива (кг/год):

, (81)

Середня швидкість поршня (м/с):

, (82)