Розрахунок процесу впускання
Тиск свіжого заряду в кінці процесу впускання , МПа,
, (3.1)
Де, pо – тиск навколишнього середовища, МПа, який наведений для теплового розрахунку додаток 1. Якщо він не заданий, то для двигунів без наддування приймають pо = 0,1 МПа. Для двигунів із наддуванням у наведеній вище залежності необхідно замість pо підставити pк, що лежить у межах pк = 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;
Wкл – середня швидкість свіжого заряду в прохідному перерізі впускного клапана; для автотракторних двигунів Wкл = 50…130 м/с [1,2]. Швидкість Wкл залежить від площі прохідного перерізу ( при її збільшенні швидкість заряду зменшується) і частоти обертання колінчастого вала n ( при збільшенні n швидкість Wкл збільшується);
ρп – густина повітря, кг/м3, що визначається за формулою:
ρп = 
3.2.
де pо – тиск навколишнього середовища МПа,
R – газова стала повітря, R = 287 Дж/ (кг К) [1];
То – температура навколишнього середовища К, (завдання Д.1, Д.2) або для двигунів без надування То = 288 К, для двигунів з наддуванням слід замість То у залежність (2) підставити Тк, яку визначають за формулою:
Тк= То 
3.3
де n – середній показник політропи стиску в компресорі;
n = 1,45 – 1,48[1];
Звичайно для чотиритактних двигунів без наддування pа = (0,8…0,95) pо, МПа; з наддуванням pа = (0,9…0,96)pк, МПа [1,2].
Температура свіжого заряду в кінці процесу впускання, К,
Та= 
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.
γг – коефіцієнт залишкових газів,
, 3.5
де pr тиск залишкових газів, який визначається з урахуванням конструкції випускної системи і тиску середовища, куди здійснюється випуск відпрацьованих газів. Звичайно його вважають рівним pо, коли випуск відбувається в атмосферу, або pr , коли випускна система має глушник чи випуск відбувається в газозбірник при газотурбінному наддуванні. Тиск залишкових газів приймають для двигунів без наддування pr=(1,1…1,25)pо, МПа для двигунів з газотурбінним наддуванням pr =(0,76…0,98)pк, МПа [3]. Рекомендується більш високі значення брати для швидкохідних двигунів.
Коефіцієнт залишкових газів для карбюраторних і газових двигунів знаходиться в межах γг =0,06…0,10, для дизелів γг =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 ηv=0,75…0,85, для дизелів ηv=0,8…0,9 [1,2].
Об’єм циліндра в кінці процесу впускання ( точка “а” індикаторної діаграми) , л.
Vа= 
3.7
де Vh-робочий об’єм циліндра, л.
Vh= 
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)
Vc= 
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 pс=1,5…2,0МПа, для дизелів pс= 3,5…6,0 МПа[1 ,2].
.
Температура робочої суміші в кінці процесу стиску, К
Тс=Та∙ 
3.10
Звичайно для карбюраторних і газових двигунів Тс=550…750 К, для дизелів Тс=700…900 К [1,2].
Середня мольна ізохорна теплоємність суміші визначається як теплоємність повітря, кДж/(кмоль К).
µc v,с= 20,6 + 222∙10-5tс, 3.11
де tс = Тс – 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:
Lо = 
, 4.1
Lо′= 
, 4.2
газове паливо
Lо= 
4.3
де Lо – у молярних одиницях, кмоль/кг;
Lо′ - у масових одиницях, кг/кг;
С, Н, О – елементарний склад палива (табл. 4.1, 4.2).
Кількість свіжого заряду:
М1= αLо + 
, , 4.4
для дизелів
М1=αLо, , 4.5
для газових двигунів
М1=αLо +1, , 4.6
де α –коефіцієнт витрати повітря ( дивись завдання).
μт – 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: МСО= 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 μо=1,03…1,06, для дизельних - μо=1,02…1,04
Дійсний коефіцієнт молярної зміни робочого тіла 
. 4.18
Середня мольна ізохорна теплоємність продуктів згоряння,
кДж/кмоль К.
4.19