Построение индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.

При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2÷1,7 ее основания.

При построении на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, (рис 8) соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе M_s. Масштаб M_s обычно принимается 1:1, 1,5:1 или 2:1.

Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания, определяется из уравнения

ОА = АВ/(ε – 1) (2.28)

Отрезок z′z для дизелей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 9)

z′z = ОА(ρ – 1) (2.29)

При построении диаграммы рекомендуется выбирать масштабы давлений М_р = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07; 0,08; 0,09; 0,10 МПа в мм.

За тем по данным расчета параметров действительного цикла на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: a, c, z, z, b, r.

Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между V_c и V_a и между V_z и V_b, по уравнению политропы .

Рис. 8. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя

Рис. 9. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

Для политропы сжатия , откуда

, (2.30)

где p_x и V_x – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.

Отношение V_a/V_x изменяется в пределах 1÷ ε.

Аналогично для политропы расширения

(2.31)

Для бензиновых двигателей отношение V_b/V_x изменяется в интервале 1÷ε , для дизелей – 1÷ δ.

Определение ординат расчетных точек политроп сжатия и расширения удобно производить в табличной форме.

Построение индикаторной диаграммы производят, соединяя точки а и с, z и b плавными кривыми, а точки b и a, c и z – прямыми линиями.

Процессы впуска и выпуска принимают протекающими при р = const и V = const

Для проверки правильности построения диаграммы определяют

р_i = M_p/AB

где F – площадь диаграммы ac′c″z_дb′b″a.

Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС

Индикаторные показатели

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется средним индикаторным давлением, индикаторной мощностью, индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива.

Теоретическое среднее индикаторное давление – это отношение теоретической расчетной работы газов за один цикл к ходу поршня.

Для бензиновых двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, теоретическое среднее индикаторное давление

. (3.1)

Для дизеля, работающего по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const

. (3.2)

Среднее индикаторное давление p_i действительного цикла отличается от значения на величину, пропорциональную уменьшению расчетной диаграммы за счет скругления в точках с, z, b.

Уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цикла оценивается коэффициентом полноты диаграммы φ_и и величиной среднего давления насосных потерь Δp_i.

Коэффициент полноты диаграммы φ_и принимается равным:

для карбюраторных двигателей …………………….…. 0,94÷0,97

для двигателей с электронным впрыском топлива…… 0,95÷0,98

для дизелей………………………………………………. 0,92÷0,95

Среднее давление насосных потерь (МПа) при процессах впуска и выпуска

Δp_i = p_r – p_a. (3.3)

Для четырехтактных двигателей без наддува величина Δp_i положительна. В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя при p_a > p_r величина Δp_i отрицательна. При газотурбинном наддуве значение p_a может быть как больше, так и меньше p_r, т.е. величина Δp_i может быть как отрицательной, так и положительной.

При проведении расчетов потери на газообмен учитываются в работе, затрачиваемой на механические потери. В связи с этим принимают, что среднее индикаторное давление p_i отличается от только на коэффициент полноты диаграммы

p_i = φ_и . (3.4)

При работе на полной нагрузке величина p_i (МПа) достигает:

для четырехтактных бензиновых двигателей…………………… 0,6÷1,4

для четырехтактных форсированных бензиновых двигателей… до 1,6

для четырехтактных дизелей без наддува………………………. 0,7÷1,1

для четырехтактных дизелей с наддувом……………………….. до 2,2

Индикаторная мощность N_i – работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт) равна

N_i = p_iV_hin/(30τ), (3.5)

где p_i – среднее индикаторное давление, МПа;

V_h – рабочий объем одного цилиндра, л (дм³);

i – число цилиндров;

n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1;

τ – тактность двигателя. Для четырехтактного двигателя τ=4.

Индикаторная мощность одного цилиндра

N_i = p_iV_hn/(30τ), (3.6)

Индикаторный КПД η_i характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.

Для 1 кг топлива

η_i = L_i/Н_и, (3.7)

где L_i – теплота, эквивалентная индикаторной работе, МДж/кг;

Н_и – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для автомобильных и тракторных двигателей, работающих на жидком топливе

η_i = p_i·l₀·α /(Н_и·ρ_k·η_V), (3.8)

где p_i выражено в МПа; l₀ – в кг/кг топл.; Н_и – в МДж/кг топл.; ρ_k – в кг/м³.

В автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, величина индикаторного КПД составляет:

для двигателей с электронным впрыском топлива……… 0,35÷0,45

для карбюраторных двигателей…………………………… 0,30÷0,40

для дизелей…………………………………………………. 0,40÷0,50

Удельный индикаторный расход топлива g_i [/(кВт·ч)] характеризует экономичность действительного цикла

g_i = 3600/(η_iН_и) или g_i = 3600 ρ₀ η_V/(p_i·l₀·α). (3.10)

Удельный расход топлива на номинальном режиме:

для двигателей с электронным впрыском топлива …g_i = 180÷230 г(кВт·ч)

для карбюраторных двигателей………………………g_i = 210÷275 г(кВт·ч)

для дизелей……………………………………….……g_i = 170÷210 г(кВт·ч)

Эффективные показатели

Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. К числу эффективных показателей относятся: эффективная мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление, удельный эффективный расход, эффективный КПД.

Эффективная мощность. Полезная работа, получаемая на валу двигателя в единицу времени называется эффективной мощностью N_e.

N_e=N_i - N_мп (3.9)

где N_мп мощность механических потерь.

Эффективная мощность дана студенту в исходных данных для проектирования ДВС (см. задание на выполнение курсового проекта).

Под механическими потерями понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.), вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод компрессора.

Механические потери оценивают средним давлением механических потерь p_мп, которое характеризует удельную работу механических потерь (приходящуюся на единицу рабочего объема) при осуществлении рабочего цикла.

При аналитическом определении N_e (кВт) она рассчитывается по формуле:

N_e = p_eV_hin/(30τ) (3.10)

где p_e=L_e/V_h - среднее эффективное давление (МПа), т. е. полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема;

V_h – рабочий объем цилиндра, л;

n – число оборотов коленчатого вала, мин^-1

Эффективный крутящий момент М_е (Н∙м)

М_е = (3∙10⁴/π)(N_e/n) (3.11)

При расчете ДВС среднее эффективное давление (МПа) определяют как

p_e= p_i- p_мп (3.12)

Среднее давление механических потерь p_мп (МПа) для двигателей различного типа определяется по определяется по эмпирическим формулам:

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D>1

p_мп =0,049 + 0,0152V_п.ср;

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1

p_мп =0,034 + 0,0113V_п.ср

для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами

p_мп =0,089 + 0,0118V_п.ср

для предкамерных дизелей

p_мп =0,103 + 0,0153V_п.ср

для дизелей с вихревыми камерами

p_мп =0,089 + 0,0135V_п.ср

В современных автомобильных и тракторных двигателях скорость V_п.ср (м/с) поршня изменяется в пределах:

бензиновые двигатели легковых автомобилей………12-20

бензиновые двигатели грузовых автомобилей……….9-16

дизельные двигатели автомобилей…………………....7-14

дизельные двигатели тракторов………………………..6-11

Отношение среднего эффективного давления к среднему индикаторному давлению называется механическим КПД двигателя:

η_м = p_e/p_i или η_м = 1- p_мп/p_i (3.14)

Эффективный КПД двигателя η_е определяется отношением количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесенной в двигатель с топливом и может быть рассчитан по формуле:

η_е = η_м∙η_i (3.15)

Удельный эффективный расход [г/(кВт∙ч)] жидкого топлива

g_еN = 3600/(η_eН_и) или g_eN = 3600 ρ₀ η_V/(p_e·l₀·α). (3.16)

Часовой расход топлива G_т (кг∙ч)

G_т = g_е∙N_e (3.17)