1. 1.1. Процессы впуска и выпуска

а). Задаются значениями: Т_о; р_о ; Т_r ; р_r; Т; р_а.

Температура Т_о и давление р_о окружающей среды принимаются в соответствии со стандартными атмосферными условиями: Т_о=273+25=298К; р_о=0,1 МПа.

Температура Т_r и давление р_r остаточных газов зависят от частоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способа наддува.

Для двигателей со свободным впуском:

р_r=(1,05…1,20)р_o,

для двигателей с высокой частотой вращения принимаются большие значения р_r.

Для двигателей с газотурбинным наддувом:

р_r=(0,75…0,95)р_к,,

давление наддувочного воздуха р_к для существующих двигателей:

р_к=(1,5…2,2)р_о.

Температура остаточных газов зависит в основном от коэффициента избытка воздуха , степени сжатия , частоты вращения коленчатого вала, нагрузки.

В существующих двигателях значения Т_r соответствуют:

для бензиновых и газовых двигателей-----900…1100 К;

для дизелей------600…900 К.

Большие значения Т_r выбираются для высокооборотных двигателей и двигателей с низкой степенью сжатия.

Т-степень подогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения, наличия наддува и принимается в следующих пределах:

для бензиновых и газовых двигателей --------10…30;

для дизелей без наддува ------------------------ 10…20;

для двигателей с наддувом ---------------------- 0…10.

Давление в конце впуска р_а принимается из следующих соотношений:

р_а= р_к - р_а ; для двигателей без наддува - р_а = р_о - р_а.

У двигателей потери давления р_а за счет сопротивления впускного тракта находятся в пределах (большие значения принимаются для высокооборотных двигателей):

для бензиновых и газовых двигателей - (0,05…0,2)р_о;

для дизелей без наддува - (0,03…0,18)р_о;

для дизелей с наддувом - (0,03…0,1)р_к.

б). Определяют величины: _r (коэффициент остаточных газов), Т_a (температура конца наполнения) и _v (коэффициент наполнения) по следующим формулам:

. (1)



(3)

Для двигателей без наддува в уравнениях (1), (2), (3) Т_к = Т_о; р_к = р_о.

Температура воздуха за компрессором:

, (4)

где n_к - показатель политропы сжатия в компрессоре, принимается в пределах 1,4…2.

Для достоверности результатов расчета процесса впуска необходимо ориентироваться на следующие рекомендации.

Коэффициент остаточных газов  _r находится в следующих пределах:

для бензиновых и газовых двигателей - 0,06…0,12;

для дизелей без наддува и с наддувом - 0,03…0,06.

Значения Т_а для современных двигателей находятся в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей – 320…380 К;

для дизелей без наддува – 310…350 К;

для дизелей с наддувом – 320…400 К.

Значения _v находятся в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей – 0,75…0,85;

для дизелей без наддува – 0,8…0,9;

для дизелей с наддувом – 0,8…0,95.

в). В зависимости от принятого значения коэффициента избытка воздуха  определяют массу свежего заряда, введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):

М₁ =  l_о / 29, кмоль,

где l_o = 14,5 кг. воздуха / кг. топлива – для дизеля;

l_o = 15 кг. воздуха/ кг. топлива – для бензинового двигателя.

Масса воздуха в кмолях: L_o =l_o/29. (29 –масса 1 кмоль воздуха).

Для принятия значения  необходимо учесть способ смесеобразования в соответствии с рекомендациями табл. 1.

Таблица 1

Расчетные значения  в зависимости от способа смесеобразования

Коэффиц. избытка воздуха	Дизели					Бензиновые и газовые двигатели
	Способ смесеобразования
	Объемн	Объемно-пленочн	Пленочн	С разделен. камерой сгорания	С наддувом (для всех способов смесеобра зования)	Карбюра-торные (газовые)	Инжекто-рные
	1,4…1,6	1,3…1,4	1,15…1,2	1,2…1,25	1,7…2,0	0,9..0,95 (1,1..1,3)	1,05

2. Процесс сжатия

Определяют параметры процесса сжатия: n₁; р_с; Т_с; М_с.

а). Показатель политропы сжатия п₁ определяется из соотношения:

n₁ = 1,41 – 100/n_н, (5)

где n_н – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.

б). Давление конца сжатия:

. (6)

в). Температура конца сжатия:

  (7)

г). Масса рабочей смеси в конце сжатия:

, кмоль. (8)

д). Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия:

С_v.c=20,16+1,7410 ^-3Т_с , кДж/(кмоль.град). (9)

2. Процесс сгорания

а). Определяют массу продуктов сгорания в цилиндрах двигателя.

1,0; , (10)

 1, , (11)

где С = 0,855; 0,87; Н = 0,145; 0,125 – соответственно элементарный состав топлива для бензина и дизтоплива (ориентировочно).

б). Определяют температуру газов в цилиндре в конце процесса сгорания из уравнений:

для бензинового двигателя , (12)

для дизеля (13)

где С_{v z} – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме:

С_vz =(18,4+2,6) + (15,5 + 13,8)10 ^{– 4} Т_z , (14)

С_z – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

С_z =(20,2 + 0,92/) + (15,5 + 13,8/) 10 ^–4 Т_z + 8,314 , (15)

 -коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в ходе сгорания =, (значения  находятся в пределах 1,01…1,1)

 - коэффициент использования теплоты в ходе сгорания,

для бензиновых двигателей - =0,85… 0,95;

для дизелей - =0,7…0,9.

(для инжекторных двигателей и дизелей с разделенной камерой сгорания принимаются большие значения ).

Н_u- низшая теплотворная способность топлива:

для бензина -44; для дизтоплива -;

 H_u - потери теплоты вследствие неполноты сго­рания при  < 1:

. (16)

Для инжекторных двигателей Н_u = 0.

Уравнения (10) и (11) после подстановки соответствующих значений решаются как квадратные уравнения:

А Т_z² + В Т_z + C =0,

T_z =.

в). Определяют максимальное давление газов в цилиндре по формулам:

для дизелей - р_z =   р_c , (17)

степень повышения давления принимается:

для дизелей с неразделенной камерой сгорания - 1,8…2,2;

для дизелей с разделенной камерой сгорания - 1,4…1,6;

для дизелей с пленочным смесеобразованием - 1,5…1,8;

(для дизелей с наддувом принимаются меньшие значения );

для бензиновых двигателей - . (18)

Степень повышения давления для бензиновых и газовых двигателей:

 = р_z / р_с. (19)

2. Процесс расширения

Определяют параметры процесса расширения: n₂; р_b; Т_b.

а). Показатель политропы расширения n₂ определяется из соотношения:

n₂ = 1,22 + 130 / n_н. (20)

б). Давление и температура конца расширения:

для бензиновых двигателей - ; (21)

; (22)

для дизелей - ; (23)

 (24)

где - степень последующего расширения,

- степень предварительного расширения.

Полученные расчетные значения термодинамических параметров процессов цикла необходимо сопоставить с данными табл. 2.

Таблица 2

Предельные значения параметров процессов цикла

Тип двигателя	pc , МПа	pz,, МПа	Тс, К	Тz,К	Тb, К
Дизели с неразделенной камерой сгорания	3…6	8…12	700…900	1800..2300	1000…1400
Дизели с пленочным смесеобразованием	2,8…5	6,5…8,5	700…850	1750…2100	900…1100
Дизели с разделенной камерой сгорания	3…5,5	6…7	600…900	1700..2000	950…1100
Бензиновые и газовые двигатели	0,9…2,2	3…5,5	600…800	2400…2900	1400…1700
Двигатели с наддувом	6…8	10…15	1000	1900…2800	1100…1200

5. Индикаторные показатели цикла

а). Определяют среднее индикаторное давление (теоретическое) газов:

для дизеля -  (25)

для бензинового и газового двигателей -

. (26)

б). Определяют среднее индикаторное давление (действительное) газов:

p_i = _п р₁¹,

где _п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результат наличия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива или зажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения _п принимаются для дизелей 0,9…0,96, для бензиновых и газовых двигателей 0,94…0,97.

в). Определяют индикаторный КПД цикла:

, (27)

для двигателей с наддувом: Т_о = Т_к, р_о = р_к.

г). Определяют индикаторный удельный расход топлива:

. (28)

5. Эффективные показатели двигателя

а). Определяют среднее давление механических потерь:

, (29)

где - средняя скорость поршня, принимается по двигателю-прототипу (у существующих двигателейс_п= 8…15 ),

и - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Значения коэффициентов и

Тип двигателя
Дизели с неразделенной камерой сгорания	0,105	0,012
Дизели с разделенной камерой сгорания	0,105	0,0138
Бензиновые и газовые двигатели,	0,05	0,0155
Бензиновые и газовые двигатели,	0,04	0,0135

б). Определяют среднее эффективное давление газов:

. (30)

в). Определяют механический КПД двигателя:

. (31)

г). Определяют эффективный КПД двигателя:

. (32)

д). Определяют удельный эффективный расход топлива:

. (33)

Полученные расчетные значения индикаторных и эффективных показателей необходимо сопоставить с данными табл.4.

Таблица 4

Предельные значения индикаторных и эффективных показателей современных поршневых двигателей

Тип двигателя	pi, МПа	i	bi, г/кВт.ч	pe, МПа	e	be, г/кВт.ч
Бенз. и газов. двигатели	0,9…1,2	0,3…0,4	270…205	0,75…0,85	0,25…0,35	320…230
Дизели без наддува	0,75…1,05	0,42…0,5	200…170	0,65…0,8	0,36…0,42	220…200
Дизели с наддувом	0,8…2	0,42…0,5	200…170	0,7…1,8	0,38…0,45	210…175

5. Определение основных размеров двигателя

а). Определяют рабочий объем одного цилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значению среднего эффективного давления газов (р_е):

, л , (34)

где - число цилиндров двигателя (принимается с учетом литража двигателя и установившейся тенденции в двигателестроении),- тактность двигателя (=2,4).

б). Выбирают отношение хода (S) поршня к диаметру (D) по прототипу двигателя или задаются :

для дизелей – 0,9…1,4; для бензиновых двигателей – 0,7…1,0; (для быстроходных двигателей принимаются меньшие значения), и определяют:

, мм; S = (S/D)  D. (35)

Результаты теплового расчета необходимо свести в табл. 5 и выполнить краткий анализ с точки зрения соответствия показателей рассчитываемого двигателя показателям двигателей, приведенных в приложении.

Таблица 5

Характеристика двигателей

Параметры двигателя	Ре, кВт	nн,		D, мм	S, мм		Vл, Л	Рл,	bе,
Прототип
Проектир.