Определение параметров состояния рабочего тела

После выбора и обоснования исходных данных для процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска должны быть оп­ределены давление и температура в характерных точках индикатор­ной диаграммы.

Процесс впуска

1. Давление в конце впуска:

.

При наддуве:

где - потери давления вследствие сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре.

Потери давления приближенно определяют по уравнению Бернулли:

, MПа

где - коэффициент затухания скорости движения заряда;

- коэффициент сопротивления впускной системы;

W_вп - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (в клапанах);

ρ - плотность заряда на впуске.

По опытным данным в современных автотракторных двигателях на номинальном режиме работы:

= 2,5...3,5 (4) и W_вп = 70...130 м/с.

Чем больше быстроходность двигателя и выше средняя скорость движения поршня тем эти значения выше.

Плотность заряда на впуске определяется по уравнению состоя­ния идеального газа:

,

Здесь P₀ в МПа, T₀ в °К, R = 287 Дж /кг°К - удельная газовая постоянная воздуха.

Определив плотность заряда и задавшись значениями и W_вп находят потери давления и давление в конце впуска:

В двигателях без наддува потери давления находятся в преде­лах:

карбюраторные двигатели = (0,05...0,20) P₀;

дизели = (0,03...0,18) P₀;

для дизелей с наддувом _Δ P_a = (0,03...0,1) P_k.

2. Коэффициент остаточных газов:

Для четырехтактных двигателей находится в пределах:

дизели без наддува = 0,03...0,06;

дизели с наддувом = 0...0,02;

карбюраторные двигатели = 0,06...0,10.

3. Температура в конце впуска:

,

 

4. Коэффициент наполнения:

.

По опытным данным коэффициент наполнения при полной нагрузки двигателя составляет:

для четырехтактных карбюраторных двигателей с верхним рас­положением клапанов = 0,75...0,90;

для дизелей с неразделенными камерами сгорания = 0,76...0,94;

для дизелей с разделенными камерами сгорания = 0,75...0,85;

для дизелей с наддувом = 0,80...0,97.

Нижние значения относятся к двигателям с высокой средней скоростью поршня.

При расчете дизелей с наддувом в приведенные формулы вмес­то P ₀ и T ₀ следует подставить P _к и T _к - давление и тем­пературу на выходе из нагнетателя.

Давление p_к принимается:

при низком наддуве до 1,5 P₀;

при среднем наддуве P _к = (1,5...2,2) P₀.

Температура воздуха на выходе из нагнетателя определяется по формуле:

где n_к - показатель политропы сжатия для центробежных нагне­тателей равный 1,4...1,8.

 

Процесс сжатия

1. Давление в конце сжатия:

2. Температура в конце сжатия:

,

 

2.2.3. Процесс сгорания

1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

,

где С, Н, О - массовые доли соответственно углерода, водорода и кислорода в элементарном составе топлива;

0,21 - объемное содержание кислорода в 1 кг воздуха.

 

2. Действительное количество молей свежего заряда:

для дизелей М₁ = М кмоль/кг;

для карбюраторных двигателей;

, ;

где кмоль/кг - действительное количество воздуха, не­обходимого для сгорания 1 кг топлива;

= 110...120 кмоль/кг - молекулярная масса паров бензина.

 

3. Количество молей продуктов сгорания при > I (сгорание в дизелях)

,

при <1 (сгорание в карбюраторных двигателях)

,

4. Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

,

где - коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.

Коэффициент β находится в пределах:

для дизелей =1,03...1,05;

для карбюраторных двигателей = 1,07…1,10.

5. Температура и давление в конце видимого сгорания.

Температура в конце видимого сгорания Т_z определяется из уравнения сгорания, которое различно для дизелей и карбю­раторных двигателей.

В общем виде уравнения сгорания имеет вид:

для дизелей ( >1)

ξ ·Q_н

---------------- + (μC _vc + 8,314· λ)· cT = β· (μС_vz + 8,314) · T_z

М₁·(1+ γ_r)

для карбюраторных двигателей ( <1)

ξ · (Q_н - Δ Q_н)

------------------- + μC _vc · Т_с = β· μС_vz · T_z

М₁·(1+ γ_r)

 

где - коэффициент использования тепла;

Q_н - низшая теплота сгорания топлива в кДж/кг;

, кДж/кг - неполнота сгорания;

 

- и - средние мольные теплоемкости при постоянном объеме, соответственно, рабочей смеси и продуктов сгора­ния, кДж/кмоль°К.

Значения средних мольных теплоемкостей приближенно могут быть определены по выражениям:

для рабочей смеси:

, кДж/кмоль°К;

для продуктов сгорания в дизеле:

кДж/кмоль°К;

для продуктов сгорания в карбюраторных двигателях

кДж/кг°К.

Подставив значения теплоемкостей, уравнение сгорания долж­но быть приведено к виду:

и определена температура в конце видимого сгорания:

, K

Температура T_z может быть определена методом подбора без приведения уравнения сгорания к виду:

Давление в конце видимого сгорания:

в карбюраторных двигателях

и ,

в дизелях

,

где - степень повышения давления в процессе сгорания.

Значение степени повышения давления в дизелях принимается при выборе исходных данных.

Степень предварительного расширения в дизеле находится по выражению:

Для выполнения конструкций дизелей = 1,2...1,7

 

Процесс расширения

В процессе расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу. Давление P_в и темпера­тура T_в газов в конце расширения определяются по уравнениям политропного процесса:

в дизелях

, МПа; , °К.

где - степень последующего расширения;

в карбюраторных двигателях

, МПа; , °К.

Значения давления и температуры в характерных точках инди­каторной диаграммы для автомобильных и тракторных двигателей при работе на полной нагрузке приведены в табл.4.

Таблица 4.