Определение параметров состояния рабочего тела.

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

 

2.2.1. Процесс впуска (точка а)

1. Давление в конце впуска

р_а = р₀ - Δр_а

р₀ – давление окружающего воздуха: р₀ = 0,1 МПа при температуре

Т₀ = 288…293 К

при наддуве

р_а = р_к - Δр_а

Δр_а – потери давления вследствие сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре.

Потери давления приближенно определяют по уравнению Бернулли.

МПа

β – коэффициент затухания скорости движения заряда;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы;

υ _вп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (в клапанах);

– плотность заряда на впуске.

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

υ _вп = 50…130 м/с.

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

Плотность заряда на впуске определяют по уравнению состояния идеального газа.

кг/м³

где р₀ в МПа, Т₀ в К;

R = 287 Дж/кг∙К – удельная газовая постоянная воздуха.

Для дизелей с наддувом плотность заряда на впуске:

 кг/м³

Определив плотность заряда, и, задавшись значениями и υ _вп находят потери давления Δр_а и давление в конце впуска р_а.

В двигателях без наддува потери давления находятся в пределах:

· бензиновые двигатели   Δр_а = (0,05…0,20) р₀;

· дизели Δр_а = (0,03…0,18) р₀;

· дизели с наддувом Δр_а = (0,03…0,1) р_к;

2. Коэффициент остаточных газов

Δ t – температура подогрева свежего заряда Δ t = 15 ⁰С;

Т _r – температура остаточных газов;

р _r – давление остаточных газов, р _r = 0,115 МПа;

ε – степень сжатия.

Для четырехтактных двигателей γ _r находятся в пределах:

· дизели без наддува γ _r = 0,03…0,06;

· дизели с наддувом γ _r = 0…0,02;

· бензиновые двигатели γ _r = 0,06…0,10;

3. Температура в конце впуска

, К

4. Коэффициент наполнения

По опытным данным коэффициент наполнения при полной нагрузке двигателя составляет:

· для четырехтактных бензиновых двигателей с верхним расположением клапанов                                                                                            η _v =0,75…0,90;

· для дизелей с неразделенными камерами сгорания η _v =0,78…0,94;

· для дизелей с разделенными камерами сгорания η _v =0,75…0,85;

· для дизелей с наддувом                                          η _v =0,8…0,97.

Меньшие значения относятся к двигателям с высокой средней скоростью поршня.

 

Процесс сжатия (точка с)

1. Давление в конце сжатия

МПа

2. Температура в конце сжатия

К

n ₁ - показатель политропы сжатия

Процесс сгорания (точка z)

1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива 

 кмоль/кг (киломоль воздуха/кг топлива)

или

 кг/кг (кг воздуха/кг топлива)

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

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

2. Количество молей свежего заряда (горючей смеси):

· для дизелей М₁ = М,  кмоль/кг;

· для бензиновых двигателей М₁ = М + 1/μ кмоль/кг

где М = α ∙ L ₀ , кг/кмоль – действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива;

μ = 110…120 кг/кмоль – молекулярная масса паров бензина.

3. Количество молей продуктов сгорания при α > 1 (сгорание в дизелях)

 кмоль/кг

при α < 1 (сгорание в бензиновых двигателях)

 кмоль/кг

4. Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

где β₀ = М₂ /М₁ – коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.

Коэффициент β находится в пределах:

· для дизелей β = 1,03…1,05;

· для бензиновых двигателей β = 1,07…1,1.

5. Температура и давление в конце видимого сгорания.

Температура в конце видимого сгорания Т _z определяется из уравнения сгорания, которое различно для дизелей и бензиновых двигателей.

В общем виде уравнения сгорания имеют вид:

· для дизелей

· для бензиновых двигателей

где ξ – коэффициент использования тепла;

Q _н – теплота сгорания топлива низшая в кДж/кг;

 кДж/кг неполнота сгорания;

μС _vc и μС _vz – средние мольные теплоемкости при постоянном объеме соответственно рабочей смеси и продуктов сгорания.

Значения средних мольных теплоемкостей приближенно могут быть определены по выражениям:

для рабочей смеси

 кДж/(кмоль·К)

для продуктов сгорания в дизеле, при α ≥ 1

кДж/(кмоль·К)

для продуктов сгорания в бензиновом двигателе, при α < 1

 кДж/(кмоль·К)

Подставив значения теплоемкостей, температуры в конце сжатия и соответствующих коэффициентов, уравнение сгорания должно быть приведено к виду квадратного уравнения: a Т _z ² + b Т _z – c = 0,

откуда                    

Давление в конце видимого сгорания:

· в бензиновых двигателях

МПа

Проверка:   степень повышения давления    

- в бензиновых двигателях λ = 3,5…4,5.

· в дизелях р _z рассчитывают, задаваясь степенью повышения давления из того же соотношения р _z = λ ∙ р_с

Степень повышения давления λ составляет:

· для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ =1,16…2,0;

· для дизелей с камерами в поршне и объемно-пленочным и пленочным смесеобразованием λ =1,5…1,8;

· для дизелей с разделенными камерами сгорания λ =1,4…1,7.

2.2.4. Процесс расширения (точка в)

Степень предварительного расширения находится только для дизелей  по выражению:

Для выполненных конструкций дизелей ρ = 1,2…1,7.

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

Давление р_в и температура Т_в газов в конце расширения определяется по уравнениям политропного процесса:

· в дизелях

,  МПа;                        , К

где  - степень последующего расширения

· в бензиновых 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. 3.

 

Таблица 3.

Значения давления и температуры в современных двигателях

Тип двигателя	Давление, МПа				Температура, К
	ра	рс	р z	рв	Та	Тс	Т z	Тв
Дизель без наддува	(0,95…0,9) р0	3,5…5	5…10	0,2… 0,4	310… 350	700… 900	1800… 2300	1200… 1400
Бензиновые двигатели	(0,75…0,85) р0	1…1,5	3,5…5	0,3…0,5	320… 360	600… 800	2500… 2800	1400… 1800