Розрахунок процесу впускання

Тиск свіжого заряду в кінці процесу впускання , МПа,

, (3.1)

Де, p_о – тиск навколишнього середовища, МПа, який наведений для теплового розрахунку додаток 1. Якщо він не заданий, то для двигунів без наддування приймають p_о = 0,1 МПа. Для двигунів із наддуванням у наведеній вище залежності необхідно замість p_о підставити p_к, що лежить у межах p_к = 0,15…0,25 МПа [1,2];

ζ – коефіцієнт опору впускної системи ζ= 2,5…4,0 [1,2]. Для карбюраторних двигунів, які мають більший опір при впусканні через наявність карбюратора, значення коефіцієнта ζвибирають ближче до верхньої межі;

W_кл – середня швидкість свіжого заряду в прохідному перерізі впускного клапана; для автотракторних двигунів W_кл = 50…130 м/с [1,2]. Швидкість W_кл залежить від площі прохідного перерізу ( при її збільшенні швидкість заряду зменшується) і частоти обертання колінчастого вала n ( при збільшенні n швидкість W_кл збільшується);

ρ_п – густина повітря, кг/м³, що визначається за формулою:

ρ_п = 3.2.

де p_о – тиск навколишнього середовища МПа,

R – газова стала повітря, R = 287 Дж/ (кг К) [1];

Т_о – температура навколишнього середовища К, (завдання Д.1, Д.2) або для двигунів без надування Т_о = 288 К, для двигунів з наддуванням слід замість Т_о у залежність (2) підставити Т_к, яку визначають за формулою:

Т_к= Т_о 3.3

де n – середній показник політропи стиску в компресорі;

n = 1,45 – 1,48[1];

Звичайно для чотиритактних двигунів без наддування p_а = (0,8…0,95) p_о, МПа; з наддуванням p_а = (0,9…0,96)p_к, МПа [1,2].

Температура свіжого заряду в кінці процесу впускання, К,

Т_а= 3.4

де ∆Т – збільшення температури свіжого заряду при впусканні; К.

Для чотиритактних карбюраторних двигунів ∆Т = 0…20 К [1]; для чотиритактних дизелів без наддування ∆Т = 20…40 К [3]; для дизелів із наддуванням ∆Т = 5…20 К [1]. Слід урахувати, що при збільшенні діаметра циліндра D, частоти обертання колінчастого вала n і ступеня стиску є величина ∆Т зменшується. Якщо впускний трубопровід обладнаний системою підігрівання свіжого заряду або розташований поряд із випускним трубопроводом, величину ∆Т треба приймати ближче до верхньої межі;

Тr – температура залишкових газів; для карбюраторних двигунів приймають Тr = 900…1100 К, для дизелів – Тr = 700…900 К[1]. Збільшення коефіцієнта витрати повітря призводить до зниження Тr, а підвищення частоти обертання колінчастого вала n збільшує температуру залишкових газів.

γ_г – коефіцієнт залишкових газів,

, 3.5

де p_r тиск залишкових газів, який визначається з урахуванням конструкції випускної системи і тиску середовища, куди здійснюється випуск відпрацьованих газів. Звичайно його вважають рівним p_о, коли випуск відбувається в атмосферу, або p_r , коли випускна система має глушник чи випуск відбувається в газозбірник при газотурбінному наддуванні. Тиск залишкових газів приймають для двигунів без наддування p_r=(1,1…1,25)p_о, МПа для двигунів з газотурбінним наддуванням p_r =(0,76…0,98)p_к, МПа [3]. Рекомендується більш високі значення брати для швидкохідних двигунів.

Коефіцієнт залишкових газів для карбюраторних і газових двигунів знаходиться в межах γ_г =0,06…0,10, для дизелів γ_г =0,03…0,06[1,2].

Орієнтовно температура свіжого заряду може бути для двигунів без наддування в межах від 310 до 350 К, для двигунів з наддуванням – 320…400К.

Коефіцієнт наповнення циліндрів

3.6

У сучасних двигунах коефіцієнт наповнення знаходиться в таких межах: для карбюраторних і газових двигунів η_v=0,75…0,85, для дизелів η_v=0,8…0,9 [1,2].

Об’єм циліндра в кінці процесу впускання ( точка ^“а_” індикаторної діаграми) , л.

V_а= 3.7

де V_h-робочий об’єм циліндра, л.

V_h= 3.8

де D,S- відповідно діаметр циліндра та хід поршня, дм ( дивись завдання).

Об’єм циліндра в кінці процесу стиску (об’єм камери стиску)

V_c= 3.9

Розрахунок процесу стиску

Тиск робочої суміші в кінці процесу стиску, МПа

3.10

де n₁ – середній показник політропи стиску; для автотракторних двигунів n₁ = 1,32…1,4 [1,2]. Величина к₁ залежить від теплообміну між робочим тілом і зовнішнім середовищем. При зменшенні теплообміну величину n₁ треба приймати ближче до верхньої межі. При збільшенні частоти обертання колінчастого вала, зменшенні відносної поверхні камери згоряння й підвищенні температури охолоджуючої рідини теплообмін зменшується і n₁ треба також приймати ближче до верхньої межі.

Тиск в кінці тиску звичайно складає для карбюраторних та газових двигунів p_с=1,5…2,0МПа, для дизелів p_с= 3,5…6,0 МПа[1 ,2].

.

Температура робочої суміші в кінці процесу стиску, К

Т_с=Т_а∙ 3.10

Звичайно для карбюраторних і газових двигунів Т_с=550…750 К, для дизелів Т_с=700…900 К [1,2].

Середня мольна ізохорна теплоємність суміші визначається як теплоємність повітря, кДж/(кмоль К).

µc _v,с= 20,6 + 222∙10^-5t_с, 3.11

де t_с = Т_с – 273,^оС.

4. Розрахунок складу продуктів згоряння палива

Метою роботи є придбання навичок по розрахунку стехіометричного складу продуктів згоряння. Робота складається з розрахунку теоретично необхідної кількістю повітря на згоряння, визначення складу та кількість продуктів згоряння, їх теплоємності.

Теоретична необхідна кількість повітря для повного згоряння 1 кг палива:

рідинне паливо:

L_о = , 4.1

L_о^′= , 4.2

газове паливо

L_о= 4.3

де L_о – у молярних одиницях, кмоль/кг;

L_о^′ - у масових одиницях, кг/кг;

С, Н, О – елементарний склад палива (табл. 4.1, 4.2).

Кількість свіжого заряду:

М₁= αL_о + , , 4.4

для дизелів

М₁=αL_о, , 4.5

для газових двигунів

М₁=αL_о +1, , 4.6

де α –коефіцієнт витрати повітря ( дивись завдання).

μ_т – середня молярна маса палива ( табл. 4.1, 4.2).

Параметри рідинного палива

Таблиця 4.1.

Параметр	Бензин	Дизпаливо
1. Елементарний склад палива (щодо маси) С – вуглець Н – водень О – кисень	0,855 0,145 -	0,87 0,126 0,004
2. Середня молярна маса, μт, кг/кмоль	110…120	180…200
3. Нижча теплота згоряння, Qрн кДж/кг
4. Відношення водню до оксиду вуглецю, К =	0,45…0,5	0,45…0,5
5. Теплота згоряння паливно-повітряної суміші Qсум при α = 1 кДж/кмоль кДж/кг
6. Теоретично необхідна кількість повітря для повного згоряння 1 кг палива Lо, кмоль/кг Lо΄, кг/кг	0,512 14,96	0,49 14,45

Параметри газового палива

Таблиця 4.2

Показники	Компоненти скрапленого газу	Компоненти стисненого газу
Етан С2Н6	Пропан С3Н8	Бутан С4Н10	Метан СН4	Азот N2	Вугле- кислий СО2
Октанове число					-	-
Відношення густини газу до густини повітря Густина: в рідкому стані, кг/л3 в газовому стані, кг/м3	1,038   0,446 1,342	1,523   0,509 1,967	2,007   0,582 2,593	0,554   - 0,717	0,967   - 1,25	1,529     1,977
Нижча теплота згоряння, Q кДж/м3 кДж/кг					- -	- -
Теплота згоряння газоповітряної суміші, кДж/м3					-	-
Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1 м3 палива, м3/м3	16,66	23,91	30,95	9,52	-	-

Для карбюраторних двигунів характерно неповно згоряння так, як <1. До рівновісного складу продуктів згоряння входять оксид вуглецю (СО), двооксид вуглецю (СО₂), водень (Н₂), пари води (Н₂О) та азот (N₂).

Кількість оксиду вуглецю: М_СО= 0,42 , 4.7

де К – відношення кількості водню до оксиду вуглецю (табл.4.1);

Кількість двооксиду вуглецю ; 4.8

Кількість водню, що не прореагував із киснем: 4.9

Кількість водяної пари: ; 4.10

Кількість азоту повітря: . 4.11

Для дизелів ( до рівновісного складу входять СО₂, Н₂О, N₂, О₂.

Кількість двооксиду вуглецю ; 4.12

Кількість водяної пари - обчислюється за формулою. (4.10)

Кількість вільного кисню повітря 4.13

Кількість азоту повітря - визначається за формулою (4.11).

Для газових двигунів склад продуктів згоряння визначається:

Кількість двооксиду вуглецю 4.14

Кількість водяної пари 4.15

Кількість вільного кисню повітря визначається за формулою (4.13),а азот повітря - за формулою (4.11).

Сумарна кількість продуктів згоряння, кмоль, 4.16

Теоретичний коефіцієнт молярної зміни робочого тіла: 4.17

Для карбюраторних двигунів μ_о=1,03…1,06, для дизельних - μ_о=1,02…1,04

Дійсний коефіцієнт молярної зміни робочого тіла . 4.18

Середня мольна ізохорна теплоємність продуктів згоряння,

кДж/кмоль К.

4.19