Индикаторные показатели рабочего цикла

Теоретическое количество воздуха, необходимое

для сгорания 1 кг топлива:

, где, например и т.д.

- коэффициент избытка воздуха для различных скоростных режимов

- коэффициент избытка воздуха, для номинального режима работы двигателя, принимаем несколько больше, чем для бензина, так как учитываем, что сгорания газообразного топлива происходит более полно, т.е. . Для скоростных режимов в интервале от до , коэффициент избытка воздуха принимаем постоянным. Для скоростных режимов в интервале коэффициент избытка воздуха определяем

по формуле

Действительный расход воздуха

Действительный расход воздуха для номинального режима

Количество свежего заряда

,

Продукты сгорания

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа , водяного пара , оксида углерода , избыточного кислорода и азота .

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл. определяются по следующим формулам:

,

- для метана

- для этана

- для пропана

- для бутана

Количество каждого компонента, входящего в состав продуктов:

.

кмоль пр.сг/кг топл.

,

,

кмоль пр.сг/кг топл.

кмоль пр.сг/кг топл.

кмоль пр.сг/кг топл.

Общее количество продуктов сгорания неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле:

,

кмоль пр.сг/кг топл.

Подставив значения в уравнение для расчета получим

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании ΔМ в кмоль раб. тело/кг топл определяется по формуле:

кмоль раб. тело/кг топл

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по формуле:

Процесс впуска

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

Давление и температура окружающей среды

Принимаются значения атмосферного давления и температуры в нормальных (стандартных) условиях: =0,1МПа и =293К.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются =0,1МПа и =293К.

Так как расчет ведется для двигателя без наддува, то справедливо условие:

Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для двигателей без наддува давление остаточных газов р_r в МПа определяется по формуле:

.

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираем значение температуры остаточных газов из следующих пределах:

для газовых двигателей .

принимаем из условия, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.

Степень подогрева заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ΔТ благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.

Значение ΔТ принимаем из следующих пределов:

- для карбюраторных двигателей.

Принимаем .

Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска р_а в МПа определяется по формуле:

где - потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе Δр в МПа определяется по формуле:

,

.

где - коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;

- плотность заряда на впуске, .

При средней скорости заряда величину принимаем в пределах 2,5…4.

Плотность заряда на впуске в кг/м³ определяем по формуле:

,

кг/м³.

где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг·град).

Подставим значения в формулу для расчета

.

Коэффициент и количество остаточных газов

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей внутреннего сгорания определяем по формуле:

Количество остаточных газов Мr в кмоль ост.газов/кг топл определяется по формуле:

кмоль ост.газов/кг топл.

Температура в конце впуска

Температура в конце впуска Та в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

,

K.

Коэффициент наполнения

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки коэффициент наполнения определяется по формуле:

,

.

Полученные результаты заносим в таблицу 5.

Таблица 5. - Значения параметров процесса впуска

Тип двигателя	Параметры
Карбюраторный	0,09126	0,0508	336,69	0,8635
Ориентировочные значения	0,080…0,095	0,04…0,10	340…370	0,70…0,90

Процесс сжатия

Показатель политропы сжатия

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину (показатель политропы сжатия) можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия по следующей формуле:

,

.

Значение определяется в зависимости от температуры и степени сжатия ε по аппроксимирующей формуле:

.

Давление и температура конца процесса сжатия

Давление в МПа и температура в Кельвинах (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем

,

МПа;

,

К.

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия в градусах Цельсия (°С):

,

.

Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия

принимается равной теплоемкости воздуха кДж/(кмоль·град), и определяется по формуле:

,

кДж/(кмоль·град).

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град) определяется по следующей формуле:

,

кДж/(кмоль·град).

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в кДж/(кмоль·град) определяется по формуле:

,

кДж/(кмоль·град).

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 6.

Таблица 6. - Значения параметров процесса сжатия

Тип двигателя	Параметры
Карбюраторный	1,359	1,54	710.29
Ориентировочные значения	1,34…1,38	0,9…2,0	600…800

Процесс сгорания

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

С целью упрощения термодинамических расчетов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const).

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Изменение объема при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:

,

.

Температура конца видимого сгорания

Температура газа в конце видимого сгорания определяется с использованием решения уравнения сгорания, которое имеет вид:

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений для газового двигателя 0,8…0,95;

- потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг, при α<1

,

кДж/кг.

- температура в конце видимого сгорания, °С;

- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме. кДж/(кмоль·град). которая определяется по формуле:

(32)

где , , , , , - средние мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 °С, которые могут быть выражены в зависимости от температуры следующими формулами:

Подставим уравнения для средних мольных теплоемкостей продуктов сгорания в уравнение для расчета и получим следующее выражение:

.

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида

.

Решим это уравнение и выразим из него в градусах Цельсия (°С)

°С.

Температура в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

K.

Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла λ для карбюраторных двигателей определяется по формуле:

.

Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей .

Максимальное давление сгорания

Величина максимального давления в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

МПа.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 7.

Таблица 7. - Значения параметров процесса сгорания

Тип двигателя	Параметры
	λ	ρ	, МПа	, K
карбюраторный	3,95	1,0	6,097	2787,05
ориентировочные значения	3,2…4,2	1,0	3,5…7,5	2400…3100

Процесс расширения

В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу.

Показатель политропы расширения

Так же как и при расчете процесса сжатия для упрощения расчетов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем .

Средний показатель политропы расширения незначительно отличается от показателя адиабаты и может быть определен по следующей формуле:

, где

,

Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления в МПа и температуры в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяются по формулам:

.

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 8.

Таблица 8. - Значения параметров процесса расширения

Тип двигателя	Параметры
		, МПа	, К
карбюраторный	1,253	0,45	1646,88
ориентировочные значения	1,23…1,30	0,35…0,60	1200…1700

Проверка точности выбора температуры остаточных газов

Расчетная температура остаточных газов в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

,

.

Ошибка между принятой величиной и рассчитанной , в процентах определяется по формуле:

,

.

Так как ΔT_r < 10%, то расчет продолжаем с учетом прежнего значения T_r.

Индикаторные показатели рабочего цикла

Среднее индикаторное давление

Среднее теоретическое индикаторное давление - это условное среднее давление, действующее на поршень и равное теоретической работе газов за цикл, отнесенной к рабочему объему цилиндра.

Среднее теоретическое индикаторное давление в МПа определяется:

,

МПа.

Среднее индикаторное давление действительного цикла в МПа определяется по формуле:

.

где коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Индикаторный КПД определяется по формуле:

,

.

Индикаторный удельный расход топлива

Индикаторный удельный расход топлива в г/(кВт·ч) определяется:

,

г/(кВт·ч).

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 9.

Таблица 9. - Значения индикаторных показателей двигателя