Розрахунок процесу розширення

 

Приймають значення показника політропи процесу розширення n ₂:

- для бензинових двигунів n ₂ = 1,23...1,30;

- для дизелів n ₂= 1,18...1,28;

- для газових n ₂= 1,25...1,35;

- для газодизелів n ₂= 1,2...1,28.

 

Тиск p_b, МПа, і температуру Т_b, К, наприкінці процесу розширення обчислюють за формулами:

- для двигунів з підведенням теплоти при V = const (бензинові і газові):

 

 

- для двигунів зі змішаним підведенням теплоти (дизельні і газодизельні):

 

де δ – ступінь наступного розширення:

 

 

Визначають дійсну температуру залишкових газів T_r, К:

 

 

Якщо отримане значення T_r відрізняється від раніше прийнятого більш ніж на 50 К, то необхідно прийняти його нове значення і розрахунок повторити.

Орієнтовні значення параметрів суміші наприкінці процесу розширення зазначені в таблиці 2.5.

Таблиця 2.5 – Параметри суміші наприкінці процесу розширення

Тип двигуна	Тиск наприкінці розширення	Температура наприкінці розширення
Бензинові	рb = 0,35...0,6 МПа	Тb = 1200...1700 К
Дизельні	рb = 0,2...0,5 МПа	Тb = 1000...1200 К
Газові	рb = 0,4...0,6 МПа	Тb = 1300...1700 К
Газодизелі	рb = 0,2...0,4 МПа	Тb = 970...1250 К

Визначення індикаторних і ефективних показників ДВЗ

 

Обчислюють теоретичний середній індикаторний тиск p_i’, МПа:

- для бензинових і газових двигунів:

 

 

- для дизельних двигунів:

 

 

Приймають чисельне значення коефіцієнта повноти діаграми j_і:

- для бензинових двигунів j_і = 0,95...0,98;

- для дизелів j_і = 0,92...0,95.

 

Середній індикаторний тиск p_i, МПа, розраховують за формулою:

 

p_i = j_і × p_i`.

 

Індикаторний ККД η_i обчислюють за формулою:

- для бензинових і дизельних двигунів:

 

 

- для газових двигунів:

 

 

- для газодизелів:

 

 

Для бензинових і дизельних двигунів обчислюють індикаторну питому витрату палива g_i, г/(кВт·год):

 

Для газових двигунів визначають індикаторну питому витрату палива v_i, м³/(кВт·год), і питома витрата теплоти q_i, МДж/(кВт·год):

 

 

 

Для газодизелів визначають індикаторну питому витрату газового палива v_i, м³/(кВт·год), індикаторну питому витрату рідкого палива g_i^Д, г/(кВт·год), і загальну індикаторну питому витрату теплоти q_i, МДж/(кВт·год):

 

 

 

 

Значення індикаторних показників двигунів зазначені в таблиці 2.6.

 

 

Таблиця 2.6 – Індикаторні показники двигуна

Тип двигуна	Середній індикаторний тиск	Індикаторний ККД	Індикаторна питома витрата палива (теплоти)
Бензинові -без наддуву -з наддувом	pi = 1,1...1,6 МПа pi ≤ 2,2 МПа	ηi = 0,35...0,48	gi = 180...230 г/(кВт·год)
Дизельні: -без наддуву -з наддувом	pi = 0,7...1,1 МПа pi ≤ 2,2 МПа	ηi = 0,4...0,52	gi = 165...210 г/(кВт·год)
Газодизельні: -без наддуву -з наддувом	pi = 0,75...1,1 МПа pi ≤ 2,2 МПа	ηi = 0,4...0,5	qi = 7...9 МДж/(кВт·год) qi = 6,8...8,5 МДж/(кВт·год)
Газові	pi = 0,6...0,9 МПа	ηi = 0,28...0,35	qi = 10,5...13,5 МДж/(кВт·год)

 

 

Задаються середньою швидкістю поршня V_{п.сер .}, м/c.

Значення знаходяться в наступних межах:

- бензинові двигуни легкових автомобілів 12...20 м/c;

- бензинові двигуни вантажних автомобілів 9...16 м/c;

- газові двигуни 7...14 м/c;

- дизелі легкових автомобілів 10...14 м/c;

- дизелі вантажних автомобілів 7...13 м/c;

- тракторні дизелі 6...11 м/c.

 

Обчислюють середній умовний тиск механічних втрат p_m, МПа, з урахуванням числа циліндрів двигуна, задаючись відношенням ходу поршня до діаметра циліндра S / D (Додаток Г):

 

p_m = Х + Y×V_п.сер.,

 

а для дизелів з газотурбінним наддувом:

 

 

де X, Y – коефіцієнти (див. таблиця 2.7).

 

Таблиця 2.7 – Значення коефіцієнтів X і Y

Двигун	X	Y
Бензиновий, газовий: S / D > 1, i ≤ 6	0,049	0,0152
S / D ≤ 1, i ≤ 6	0,034	0,0113
S / D < 1, i = 8	0,039	0,0132
Двигуни із впорскуванням і електронним керуванням	0,024	0,0053
Дизель, газодизель	0,089	0,0118

 

 

Середній ефективний тиск p_e, МПа:

 

p_e = p_i - p_m.

 

Механічний ККД η_m:

 

Ефективний ККД η_е:

 

Для бензинових і дизельних двигунів визначають ефективну питому витрату палива g_eN, г/(кВт·год):

 

Для газових двигунів визначають ефективну питому витрату палива v_еN, м³/(кВт·год), і ефективну питому витрату теплоти q_eN, МДж/(кВт·год):

 

 

 

Для газодизелів визначають ефективну питому витрату газового палива v_еN, м³/(кВт·год), ефективну питому витрату рідкого палива g_еN^Д, г/(кВт·год), і загальну ефективну питому витрату теплоти q_eN, МДж/(кВт·год):

 

 

 

Орієнтовні значення ефективних показників зазначені в таблиці 2.8.

 

Таблиця 2.8 – Ефективні показники двигуна

Тип двигуна	Середній ефективний тиск	Механічний ККД	Ефективний ККД	Ефективна питома витрата палива (теплоти)
Бензинові - без наддуву - з наддувом	pe = 1,0...1,3 МПа pe ≤ 2,0 МПа	ηm = 0,8...0,92	ηе = 0,25...0,38	geN = 200...290 г/(кВт·год)
Дизельні: - без наддуву   - з наддувом	pe =0,65...0,85 МПа pe ≤ 2,0 МПа	ηm = 0,7...0,82 ηm = 0,8...0,9	ηе = 0,35...0,42 ηе = 0,23...0,42	geN = 200...235 г/(кВт·год)
Газодизелі: - без наддуву   - з наддувом	pe = 0,65...0,85 МПа pe ≤ 2,0 МПа	ηm = 0,7...0,82 ηm = 0,8...0,9	ηе = 0,35...0,42 ηе =0,23...0,42	qeN = 9...11 МДж/(кВт·год) qeN = 8,5...10,5 МДж/(кВт·год)
Газові	pe = 0,5...0,75 МПа	ηm =0,75...0,82	ηе = 0,23...0,3	qeN = 12...17 МДж/(кВт·год)

 

 

2.7 Визначення параметрів циліндра і двигуна

 

Для двигунів без наддуву та з турбонаддувом визначають орієнтовний робочий об'єм двигуна V_ор, л:

 

де τ – тактність двигуна.

 

Для двигунів з механічним наддувом залежність для визначення орієнтовного робочого об'єму двигуна V_ор, л має наступний вигляд:

 

,

 

де N_K – потужність, що витрачається на привод компресора, визначається залежністю:

 

де Δ p – перепад тиску на компрессорі, Па;

Q_П – об’ємна витрата повітря двигуна, м³/с;

η_К – загальний ККД компресора.

Перепад тиску на компресорі Δ p, Па, визначає залежність:

 

 

Для визначення потужності N_K необхідно побудувати графік залежності загального ККД компресора η_К від об’ємної витрати повітря Q_П згідно з наведеним рівнянням:

,

 

де φ_{a 1}– коєфіціент продувки; у розрахунку приймається φ_{a 1}=1.

 

На рисунку Д1 (Додаток Д) приведено приклад побудови графіка. Аргументом залежності є величина Q_П. Розрахунок функції η_К виконується згідно з приведеним равнянням для як найменш п’яти значень Q_П. Згідно з результатами розрахунку заповнюється таблиця 2.9. Діапазон значень Q_П потрібно обирати таким, щоб розрахована величина η_К знаходилась у інтервалі від 0 до 1. Бажано прийняти початкове значення Q_П = 0,1 м³/с, а останнє 0,3 м³/с.

 

Таблиця 2.9 – Результати розрахунку ККД нагнітача

QП

 

Далі, опираючись на обрану, згідно з початковими даними, діаграму характеристик нагнітачів (рекомендується Додаток Д, рисунок Д2…Д4), відповідно до прийнятого ступеня підвищення тиску у компресорі π_К, необхідно підібрати таке значення Q_П, при якому величина η_К, що розрахована за наведеним рівнянням, буде задовільнювати відповідному значенню на діаграмі.

Якщо функція η_К після виконання розрахунків буде знаходитись поза межами відведеного інтервалу, або її значення не будуть відповідати ККД універсальної характеристики обраного компресора, треба змінити розрахунковий діапазон агрумента Q_П.

При визначенних параметрах Q_П та η_К розраховується потужність N_K та орієнтовний робочий об'єм двигуна V_ор.

У тому випадку, якщо величина Q_П є занадно великою, що призводить до малого значення ККД компресора і, відповідно, відносно великої потужності N_K (більше, ніж 35% від N_e), рекомендується прийняти до розрахункової конструкції замість одного два нагнітача. У цьому випадку треба повторити розрахунок η_К зі зменшеною вдвічі номінальною потужністю двигуна N_e, а отриману потужність N_К вдвічі збільшити. Розглянуте рішення більш характерне для багатоциліндрових ДВЗ з середнім та високим наддувом.

 

Для двигунів з механічним наддувом розраховується передавальне число привода нагнітача U_пн:

де – частота обертання ротора компресора, хв^-1, визначається при відомих значеннях величин Q_П та згідно з універсальною характеристикою обраного компресора (Додаток Д).

 

Визначають об'єм циліндра двигуна V_h, л:

 

 

Знаходять діаметр циліндра D, мм:

 

 

Хід поршня S, мм:

 

Діаметр циліндра і хід поршня після визначення необхідно округлити до цілих чи до десятих (у залежності від технічного завдання за узгодженням з керівником) в БІЛЬШИЙ бік.

Обчислюють дійсну середню швидкість поршня V_{п.сер .}, м/c, і порівнюють її з попередньо прийнятою:

 

 

Якщо дійсна і попередньо прийнята середні швидкості поршня відрізняються більш ніж на 1 м/с, необхідно скоригувати її значення і повторити розрахунок механічних втрат та ефективних параметрів двигуна, а також розмірів циліндра.

 

Фактичний робочий об'єм двигуна V, л:

 

 

Фактичний робочий об'єм циліндра V_h, л:

 

 

Індикаторну потужність двигуна N_і, кВт, визначають за формулою:

 

 

Фактичну потужність двигуна N_e, кВт, визначають за формулою:

 

 

Літрову потужність двигуна N_л, кВт/л, визначають за формулою:

 

 

Питому поршневу потужність двигуна N_П, кВт/дм², обчислюють за формулою:

 

 

Визначають годинну витрату палива на номінальному режимі:

- для бензинових і дизельних – годинну масову витрату G_ПN, кг/год:

 

 

- для газових – годинну об'ємну витрату V_ГN, м³/год:

 

 

- для газодизельних – годинну об'ємну витрату газового палива V_ГN, м³/год, і годинну масову витрату рідкого палива G_ПN, кг/год:

 

 

 

Обчислюють крутний момент двигуна на номінальному режимі М_КN, Н·м: