1. Визначення основних параметрів робочого процесу двигуна

Першою задачею - є визначення тиску і температур робочого тіла в циліндрі двигу­на для характерних точок індикаторної діаграми та встановлення закономірностей зміни цих параметрів в проміжних точках. Індикаторна діаграма представляє собою графічну залеж­ність тиску р в надпорпшевому об'ємі циліндра від об'єму V та кута (р повороту колінчас­того валу двигуна. Характерними точками розрахункової індикаторної діаграми чотирьохта-ктного і двотактного двигунів (рисунок 1) будуть:

а - початок стиснення робочого тіла;

с —кінець стиснення і початок згоряння; ^

z - кінець згоряння і початок розширення;

Ь - кінець розширення робочого тіла.

У чотирьохтактному двигуні (рисунок 1, а) точки а і Ь відповідають найбільшому об'єму циліндра V_a, що визначається при положенні порщня в нижній мертвій точці (н.м.т.);

-ц двотактного двигуна (рисунок 1, б) точки а і Ь відповідають найбільшому корисному .... об'єму циліндра V_a.

Рисунок 1 – Розрахункові індикаторні діаграми двигунів в координатах p –V:

Робочий об’єм циліндра в дм³ :

. (1.1)

Геометрична ступінь стиснення ε є відношення найбільшого об’єму циліндра V_max до найменшого V_min, тобто:

. (1.2)

Дійсна ступінь стиснення є відношення об’єму циліндра, відповідного положенню поршня в момент закриття органів газорозподілу (клапанів чи щілин), до найменшого об’єму циліндра:

. (1.3)

З виразу ε визначаємо об’єм камери стиснення:

. (1.4)

У чотирьохтактного двигуна зазвичай впускний клапан теж закриваються із запізненням після н.м.т. Але при закритті впускного клапана в процесі стиснення, коли поршень рухається від н.м.т до в.м.т., прохідний переріз швидко зменшується. Тому умовно приймають, що в чотирьохтактного двигуна початок процесів стиснення співпадають з н.м.т. (точка а на рисунку 1,а).

Таким чином, тепер можливо визначити об’єми, що відповідаюьб точкам а і b:

. (1.5)

При розрахунку робочого процесу вживається багато експериментальних коефіцієнтів, тому відповідність між експериментальними і розрахунковими даними буде суттєво залежати від вибору цих коефіцієнтів.

Тиск на початку стиснення по експериментальних даних приймають:

. (1.6)

Коефіцієнтом залишкових газів γ називають відношення кількості залишкових газів М_r, до свіжого заряду, тобто γ = М_r/M₁.

. (1.7)

Температура робочого тіла на початку стиснення :

. (1.8)

Коефіцієнт наповнення для чотиритактного двигуна визначається з виразу:

. (1.9)

Тиск і температура робочого тіла в кінці стиснення (точка с) визначаємо з формул:

(1.10)

де ε_(ν) – ступінь стиснення геометрична для чотиритактного двигуна;

n₁ – середній показник політропи стиснення (n₁ = 1,37).

Параметри кінця згоряння (точка z) характеризуються тиском p_z і температурою t_z, при цьому значення p_z задано. Перед тим як визначати температуру t_z, необхідно визначити деякі необхідні величини, що відносяться до процесу згоряння.

Теоретично необхідна кількість повітря L₀ в кмолях для згоряння 1 кг палива визначена у контрольній роботі №1 і дорівнює L₀ = 0,494(кмоль/кг).

Кількість газів в кмолях, що утворюється при згорянні 1 кг палива заданого складу з теоретично необхідною кількістю повітря (α = 1),

(1.11)

де С, Н – склад вуглецю і воднію в паливі.

Кількість повітря М₁ в кмолях, що витрачається на згоряння 1 кг палива:

. (1.12)

α = 1,89 – коефіцієнт надлишку повітря для згоряння.

Кількість продуктів згоряння М₂ в кмолях, що утворюється при згорянні 1 кг палива з заданим коефіцієнтом надлишку повітря,

. (1.13)

Об’ємні частки газів r₀ і надлишкового повітря r_а в продуктах згоряння:

(1.14)

Коефіцієнт молекулярної зміни при згорянні палива:

. (1.15)

Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни:

. (1.16)

Ступінь підвищення тиску при згорянні:

. (1.17)

де р_z – тиск згоряння (р_z = 11.5)

Температура робочого тіла в кінці процесу згоряння t_z визначається з рівняння згоряння палива:

. (1.18)

де R_μ = 8.314 – універсальна газова постійна, кДж/(кг*К);

c_νmс – середня молярна теплоємність при постійному об’ємі для продуктів згоряння в точці z, кДж/(кг*°С);

ξ_z – коефіцієнт ефективного виділення тепла до точки z;

H_u – нижча теплота згоряння палива;

c_νmz – середня молярна теплоємність при постійному об’ємі для повітря і залишкових газів в точці с, кДж/(кг*°С);

t_c, T_c – температура робочого тіла в точці с, °С, К.

Для визначення теплоємностей робочого тіла c_νm використовують їх залежності від температури t:

—повітря:

(1.19)

—„чисті” продукти згоряння (α = 1):

(1.20)

Теплоємності с_νmc і c_νmz визначають із співвідношень (відповідно t = t_c і t = t_z):

(1.21)

Ураховуючи, що c_νmz залежить від температури t_z, рівняння згоряння палива вираховують методом послідовних наближень зі збіжністю .

Позначимо праву частину рівняння згоряння палива через „D”, тоді:

(1.22)

Приймаємо перше наближення t_z1 = 1700°С:

Виконуємо розрахунки для t = t_z1:

Тоді:

(1.23)

Перевіряємо збіжність: , тобто збіжність результатів забезпечується.

Після визначення температури: T_z = 1689+273 = 1962 K – обчислюємо ступінь попереднього розширення:

. (1.24)

Ураховуючи, що згідно з визначенням , тоді об’єм:

. (1.25)

Тиск p_b і температура T_b тіла в кінці процесу розширення (точка b) визначаються із співвідношень:

(1.26)

де ε_(v) – геометрична ε або дійсна ε_(v) ступінь стиснення, яка приймається в залежності від тактності двигуна (ε – при τ = 4, ε_(v) – при τ = 2);

δ_(v) – ступінь послідуючого розширення (δ_(v) = δ – при τ = 4, δ_(v) = δ_v – при τ = 2);

n₂ – середній показник політропи розширення газів в циліндрі (n₂ = 1,26...1,28).

Розрахунковий середній індикаторний тиск (Мпа) визначається формулою:

(1.27)

Середній індикаторний тиск дійсного циклу р_і менше розрахункового р_ір в наслідок заокруглень в точках с, z^’, z індикаторної діаграми в кінці розширення , тому:

(1.28)

де φ_n – коефіцієнт повноти діаграми (φ_n = 0,97).

Індикаторна потужність двигуна в кіловатах:

(1.29)

де V_h – робочий об’єм циліндра, м³.

Індикаторним ККД η_і (в циліндрі) називають відношення кількості теплоти, перетвореної в механічну роботу, до витраченої кількості теплоти.

(1.30)

Питома індикаторна витрата палива в кг/(кВт*год):

(1.31)

Ефективну потужність N_e (кВт), ефективний коефіцієнт корисної дії η_е і ефективну витрату палива b_е (кг/(кВт*год)) визначаємо з виразів:

(1.32)

де η_м – заданий в таблиці 1.

Годинна витрата палива дизелем, (кг/год.):

. (1.33)

Витрата повітря дизелем, (кг/год.):

(1.34)

де φ – коефіцієнт продувки(таблиця 1).

Кількість відпрацьованих газів, (кг/год.):

(1.35)