Индикаторные показатели рабочего цикла

Теоретическое количество воздуха, необходимое

для сгорания 1 кг топлива:

, где, например и т.д.

- коэффициент избытка воздуха для различных скоростных режимов

- коэффициент избытка воздуха, для номинального режима работы двигателя, принимаем несколько больше, чем для бензина, так как учитываем, что сгорания газообразного топлива происходит более полно, т.е. . Для скоростных режимов в интервале от до , коэффициент избытка воздуха принимаем постоянным. Для скоростных режимов в интервале коэффициент избытка воздуха определяем

по формуле

Действительный расход воздуха

Действительный расход воздуха для номинального режима

Количество свежего заряда

Продукты сгорания

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа , водяного пара , оксида углерода , избыточного кислорода и азота .

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл. определяются по следующим формулам:

- для метана

- для этана

- для пропана

- для бутана

Количество каждого компонента, входящего в состав продуктов:

кмоль пр.сг/кг топл.

Общее количество продуктов сгорания неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле:

кмоль пр.сг/кг топл.

Подставив значения в уравнение для расчета получим

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании М в кмоль раб. тело/кг топл определяется по формуле:

кмоль раб. тело/кг топл

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по формуле:

Процесс впуска

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

Давление и температура окружающей среды

Принимаются значения атмосферного давления и температуры в нормальных (стандартных) условиях: =0,1МПа и =293К.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются =0,1МПа и =293К.

Так как расчет ведется для двигателя без наддува, то справедливо условие:

Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для двигателей без наддува давление остаточных газов р_r в МПа определяется по формуле:

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираем значение температуры остаточных газов из следующих пределах:

для газовых двигателей .

принимаем из условия, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.

Степень подогрева заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину Т благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.

Значение Т принимаем из следующих пределов:

- для карбюраторных двигателей.

Принимаем .

Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска р_ав МПа определяется по формуле:

где - потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе р в МПа определяется по формуле:

где - коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;

- плотность заряда на впуске, .

При средней скорости заряда величину принимаем в пределах 2,5…4.

Плотность заряда на впуске в кг/м³ определяем по формуле:

кг/м³.

где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг·град).

Подставим значения в формулу для расчета

Коэффициент и количество остаточных газов

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей внутреннего сгорания определяем по формуле:

Количество остаточных газов Мr в кмоль ост.газов/кг топл определяется по формуле:

кмоль ост.газов/кг топл.

Температура в конце впуска

Температура в конце впуска Та в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

Коэффициент наполнения

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки коэффициент наполнения определяется по формуле:

Полученные результаты заносим в таблицу 5.

Таблица 5. - Значения параметров процесса впуска

Тип двигателя	Параметры

Карбюраторный	0,09126	0,0508	336,69	0,8635
Ориентировочные значения	0,080…0,095	0,04…0,10	340…370	0,70…0,90

Процесс сжатия

Показатель политропы сжатия

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину (показатель политропы сжатия) можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия по следующей формуле:

Значение определяется в зависимости от температуры и степени сжатия по аппроксимирующей формуле:

Давление и температура конца процесса сжатия

Давление в МПа и температура в Кельвинах (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем

МПа;

К.

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия в градусах Цельсия (°С):

Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия

принимается равной теплоемкости воздуха кДж/(кмоль·град), и определяется по формуле:

кДж/(кмоль·град).

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град) определяется по следующей формуле:

кДж/(кмоль·град).

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в кДж/(кмоль·град) определяется по формуле:

кДж/(кмоль·град).

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 6.

Таблица 6. - Значения параметров процесса сжатия

Тип двигателя	Параметры

Карбюраторный	1,359	1,54	710.29
Ориентировочные значения	1,34…1,38	0,9…2,0	600…800

Процесс сгорания

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

С целью упрощения термодинамических расчетов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const).

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Изменение объема при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:

Температура конца видимого сгорания

Температура газа в конце видимого сгорания определяется с использованием решения уравнения сгорания, которое имеет вид:

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений для газового двигателя 0,8…0,95;

- потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг, при <1

кДж/кг.

- температура в конце видимого сгорания, °С;

- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме. кДж/(кмоль·град). которая определяется по формуле:

(32)

где , , , , , - средние мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 °С, которые могут быть выражены в зависимости от температуры следующими формулами:

Подставим уравнения для средних мольных теплоемкостей продуктов сгорания в уравнение для расчета и получим следующее выражение:

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида

Решим это уравнение и выразим из него в градусах Цельсия (°С)

°С.

Температура в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла для карбюраторных двигателей определяется по формуле:

Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей .

Максимальное давление сгорания

Величина максимального давления в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

МПа.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 7.

Таблица 7. - Значения параметров процесса сгорания

Тип двигателя	Параметры
			, МПа	, K
карбюраторный	3,95	1,0	6,097	2787,05
ориентировочные значения	3,2…4,2	1,0	3,5…7,5	2400…3100

Процесс расширения

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

Показатель политропы расширения

Так же как и при расчете процесса сжатия для упрощения расчетов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем .

Средний показатель политропы расширения незначительно отличается от показателя адиабаты и может быть определен по следующей формуле:

, где

Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления в МПа и температуры в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяются по формулам:

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 8.

Таблица 8. - Значения параметров процесса расширения

Тип двигателя	Параметры
		, МПа	, К
карбюраторный	1,253	0,45	1646,88
ориентировочные значения	1,23…1,30	0,35…0,60	1200…1700

Проверка точности выбора температуры остаточных газов

Расчетная температура остаточных газов в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

Ошибка между принятой величиной и рассчитанной , в процентах определяется по формуле:

Так как T_r < 10%, то расчет продолжаем с учетом прежнего значения T_r.

Индикаторные показатели рабочего цикла

Среднее индикаторное давление

Среднее теоретическое индикаторное давление - это условное среднее давление, действующее на поршень и равное теоретической работе газов за цикл, отнесенной к рабочему объему цилиндра.

Среднее теоретическое индикаторное давление в МПа определяется:

МПа.

Среднее индикаторное давление действительного цикла в МПа определяется по формуле:

где коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Индикаторный КПД определяется по формуле:

Индикаторный удельный расход топлива

Индикаторный удельный расход топлива в г/(кВт·ч) определяется:

г/(кВт·ч).

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 9.

Таблица 9. - Значения индикаторных показателей двигателя