Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания

метки: Расчет, Двигатель, Теплов, Динамический, Точка, Теплота, Таблица, Диаграмма

двигатель тепловой динамический газ

Карбюраторные двигатели находят широкое применение в современной жизни. Их используют в основном на транспортных средствах (из-за высокой стоимости топлива которые данные виды двигателей используют), к таким транспортным средствам относятся: мотоциклы, автомобили, а также катера, моторные лодки и т. п.

Используются карбюраторные двигатели и в современной автомобильной промышленности.

Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

Особое место в конструкции автомобиля занимает силовая установка, т. е. двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

На автомобильном транспорте применяются карбюраторные и дизельные двигатели, а также бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси.

Бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси в зависимости от организации процесса смесеобразования и их конструктивных особенностей могут сочетать в себе положительные свойства и карбюраторных двигателей и дизелей.

Актуальность исследования:, Объект исследования:, Предмет исследования:, Цель исследования:, Задачи исследования:, Методы исследования:

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

1.1 Топливо

В соответствии с заданной степенью сжатия е =8,5 можно использовать бензины марок АИ-91, Регуляр-91 [1].

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина: С =0,855; Н =0,145 и т _т =114

Низшая теплота сгорания:

Н _и =33,91С +125,60Н -10,89(О —S )-2,51(9H +W )=

=33,91·0,855+125,60·0,145-2,15·9·0,145=43930 кДж (1.1)

1.2 Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

L ₀ ==0,517 кмоль возд/кг топ.

кг возд/кг топл.

Коэффициент избытка воздуха устанавливается на основании следующих соображений. На современных двигателях устанавливают многокамерные карбюраторы, обеспечивающие получение почти идеального состава смеси по скоростной характеристике. Возможность применения для рассчитываемого двигателя двухкамерного карбюратора с обогатительной системой и системой холостого хода позволяет получить при соответствующей регулировке как мощностной, так и экономичный состав смеси. Стремление получить двигатель достаточно экономичный и с меньшей токсичностью продуктов сгорания, которая достигается при б =0,95-0,98, позволяет принять б =0,96 на основных режимах, а на режимах минимальной частоты вращения б =0,86. Далее непосредственный числовой расчет будет проводиться только для режимов максимальной мощности, а для остальных режимов окончательные значения рассчитываемых параметров приводятся в табличной форме [2].

Филипас 1. Термодинамическое исследование скважин

... пласта для определения его параметров. Эти исследования также можно применять и для изучения газовых скважин. 1. Термодинамическое исследование скважин. Известно, что колебания температуры на земной ... температуру , смешивается, обусловливая калориметрический эффект и скачкообразное изменение температуры потока смеси (рис. 6.7). Амплитуда этого скачка зависит от исходных температур смешивающихся ...

Количество горючей смеси

М ₁ =б ·L ₀ +1/m =0,96·0,517+1/114=0,5051 кмоль гор.см/кг топл. ;

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания

=0,0770 кмоль СО ₂ /кг топл.

М _СО =2··0,208·L ₀ =2··0,208·0,517=0,0057 кмоль СО/кг топл.

М _{Н О} =-2К ··0,208·L ₀ =-2·0,5··0,208·0,517=0,0696 кмольН ₂ О/кг топл.

М _Н =2К ··0,208·L ₀ =2·0,5··0,208·0,517=0,0029 кмольН ₂ /кг топл.

М _N =0,792·б·L ₀ =0,792·0,96·0,517=0,3931 кмоль N ₂ /кг топл.

Общее количество продуктов сгорания для карбюраторного двигателя:

М ₂ =М _СО +М _со +М _{Н О} +М _Н +М _N =

кмоль пр.сг

Результаты расчетов при п =1000, 3200, 5600 и 6000 мин^-1 сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Параметры рабочего тела

Параметры	Рабочее тело
n	1000	3200	5600	6000
б	0,86	0,96	0,96	0,96
M 1	0,453	0,5051	0,5051	0,5051
М СО 2	0,091	0,077	0,077	0,077
M CO	0,0201	0,0057	0,0057	0,0057
М Н 2 О	0,0625	0,0696	0,0696	0,0696
М Н 2	0,0100	0,0029	0,0029	0,0029
М N 2	0,3521	0,3931	0,3931	0,3931
M 2	0,5357	0,5483	0,5483	0,5483

1.3 Параметры окружающей среды и остаточные газы, Давление и температура окружающей среды, Температура остаточных газов., Давление остаточных газов

р _rN =1,18·p ₀ =1,18·0,1=0,118 МПа ;

Тогда величины давлений на остальных режимах работы двигателей можно подсчитать по формулам:

р _r =р ₀ (1,035+А _р ·10^-8 ·n ² )=0,1(1,035+0,4624·10^-8 ·5600)=0,1180,

где А _р =(р _rN —p ₀ ·1,035)·10⁸ /(n _N ² p ₀ )

При n _N =5600 мин^-1 А _р =(0,118-0,1·1,035)·10⁸ /(5600² ·0,1)=0,4624

1.4 Процесс впуска, Температура подогрева свежего заряда

С целью получения хорошего наполнения двигателей на номинальных скоростных режимах принимается для карбюраторного двигателя Д T _N =8°С.

Тогда на остальных режимах значения Д T рассчитываются по формуле:

Д T =A _T (110-0,0125n ), где A _T =ДT _N /(110-0,0125·n _N )

Д T =ДT _N /(110-0,0125·n _N ) (110-0,0125n )=8 (1.4.1)

Плотность заряда на впуске

с _о =р _о ·10⁶ /(R _в Т _о )=0,1·10⁶ /(287·293)=1,189 кг/м³

где R _в =287 Дж/(кг·град)-удельная газовая постоянная для воздуха

Потери давления на впуске.

Потери давления на впуске карбюраторного двигателя при n =5600 мин^-1 ,

А _n =95/5600=0,01696,

тогда Д P _a =2,8 0,01696² ?5600² ?1,189·10^-6 /2=0,0150 МПа.

Давление в конце впуска

P _а =P ₀ -ДP _a =0,1-0,015=0,0850 МПа;

Коэффициент остаточных газов

Тогда при n _N =5600 мин^-1 :

г _r =·==0,0495(1.4.2)

Температура в конце впуска

Т _а =(Т ₀ +ДТ +г _r Т _r )/(1+г _r )=(293+8+0,0495·1060)/(1+0,0495)=337 К (1.4.3)

Коэффициент наполнения

з _v =(ц _доз ·е ·р _а —ц _оч ·р _r )=

=(1,1·8,5·0,085-1·0,118)=0,8784

Результаты расчетов при п =1000, 3200, 5600 и 6000 мин^-1 сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Параметры процесса впуска газообмена

Параметры	Процесс впуска газообмена
n	1000	3200	5600	6000
б	0,86	0,96	0,96	0,96
T r	900	1000	1060	1070
p r	0,1040	0,1082	0,1180	0,1201
Д T	19,5	14,0	8,0	7,0
Д Р a	0,0005	0,0049	0,0150	0,0172
Р a	0,0995	0,0951	0,0850	0,0828
ц доз	0,950	1,025	1,10	1,12
г r	0,0516	0,0461	0,0495	0,0504
T a	341	338	337	337
з х	0,8744	0,9167	0,8784	0,8701

1.5 Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия k ₁ при е =8,5,а также рассчитанных значениях Т _а определяется по номограмме, а средний показатель политропы сжатия n ₁ принимается несколько меньше k ₁ .

При выборе n ₁ учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а n ₁ уменьшается по сравнению с k ₁ более значительно для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1 , T _a =337 К и е =8,5 показатель адиабаты сжатия определен по номограмме k ₁ =1,3775.

Давление в конце сжатия, Температура в конце сжатия: T, Средняя мольная теплоемкость:

а) свежей смеси (воздуха):

( mc _v )=20,6+2,638 10^-3 t _c , где t _c =T _c -273°С=755-273=482;

( mc _v )=20,6+2,638 10^-3 482=21,872 кДж/(кмоль·град) (1.4.5)

б) остаточных газов ( mc» _v ) определяется методом интерполяции по табл.3.8

для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1 , б =0,96 и t _c =482°С

( mc» _v )=23,586+(23,712-23,586)·=23,611 (1.4.6)

где 23,586=ср.тепл.при б -0,95(t -400) и 23,712=ср.тепл.при б -1,00(t -400)-значения теплоемкости продуктов сгорания при 400°С соответственно при б =0,95 и б =1,00, взятые по табл.3.8;

( mc» _v )=24,014+(24,15-24,014)·=24,041

где 24,014=ср.тепл.при б -0,95(t -500) и 24,150=ср.тепл.при б -1,00(t -500)-значения теплоемкости продуктов сгорания при 500°С соответственно при б =0,95 и б =1,0, взятые по табл. 3.8.

Теплоемкость продуктов сгорания при t _c =482°С и б =0,96

( mc» _v )=23,611+(24,041-23,611)=23,964 кДж/(кмоль·град);

в) рабочей смеси ( mc’ _v )=[(mc _v )+г _r (mc» _v )]:

( mc’ _v )=[21,872+0,0495·23,964]=21,971 кДж/(кмоль·град);

Результаты расчетов при п =1000, 3200, 5600 и 6000 мин^-1 сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Параметры процесса сжатия

Параметры	Процесс сжатия
n	1000	3200	5600	6000
k 1	1,3770	1,3778	1,3775	1,3775
n 1	1,370	1,377	1,377	1,377
Р c	1,8669	1,8113	1,6189	1,5770
T c	753	757	755	755
t c	480	484	482	482
( mc v )	21,866	21,877	21,872	21,872
( mc» v )	23,955	23,972	23,964	23,964
( mc’ v )	21,969	21,969	21,971	21,972

1.6 Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей м ₀ =М ₂ /М ₁ и рабочей смеси м =(м ₀ +г _r )/(1+г _r ) для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1 : м ₀ =0,5483/0,5051=1,0855 и м =(1,0855+0,0495)/(1+0,0495)=1,0815

количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания, и теплота сгорания рабочей смеси

Д H _и =119950(1-б)L ₀ и Н _раб.см = (1.6.1)

Для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1

Д H _и =119950(1-0,96)·0,517=2481 кДж/кг,

Н _раб.см ==78191 кДж/кмоль раб.см.;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

( mC» _v )=(1.6.2)

определяется по эмпирическим формулам, приведенным в табл.3.6 для интервала температур от 1501 до 2800°С

=22,490+0,001430

• t _Z

=39,123+0,003343

• t _Z

=19,678+0,001758

• t _Z

=26,670+0,004438

• t _Z

=23,723+0,001550

• t _Z

=21,951+0,001457

• t _Z

( mC» _v )=(1/0,5483)·[0,077·(39,123+0,003343·t _z )+0,0057·(22,490+0,001430·t _Z )+0,0696·(26,670+0,004438·t _Z )+0,0029·(19,678+0,001758·t _Z )+0,3931·(21,951+0,001457·t _Z )]=1,8238[3,012+0,00026t _Z + 0,128+0,00008t _Z +1,85623+0,00031t _Z +0,057066+0,000005t _Z +8,62894+0,00057t _Z ]=5,4933+0,0004742t _Z +0,23345+0,0001459t _Z +3,3853923+0,0005654t _Z +0,10407697+0,0000091t _Z +15,7374608+0,0001040t _Z =24,954+0,0012986t _Z кДж/(кмоль·град).

Коэффициент использования теплоты о

Температура в конце видимого процесса сгорания:

о _z Н _раб.см +(mc’ _v )·t _c =м (mC» _v )·t _Z (1.6.3)

Для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1

0,91·78191+21,971·482=1,0815·(24,954+0,0012986 t _Z )t _Z или 0,001405t _Z ² +26,993t _Z -81757=0

откуда t _Z =(-26,993+)/(2·0,001405)=2660°С;

Т _z =t _Z +273=2660+273=2933 К

Максимальное давление сгорания теоретическое

p _z =p _c ·м ·T _z /T _c =1,6189·1,0815·2933/755=6,8016 МПа;

Максимальное давление сгорания действительное

p _zд =0,85·p _z =0,85·6,8016=5,7814 МПа;

Степень повышения давления

Результаты расчетов при п =1000, 3200, 5600 и 6000 мин^-1 сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Параметры процесса сгорания

Параметры	Процесс сгорания
n	1000	3200	5600	6000
м 0	1,1826	1,0855	1,0855	1,0855
м	1,1736	1,0817	1,0815	1,0814
Д H и	8682	2481	2481	2481
Н раб.см	73992	78445	78191	78124
( mC» v )	25,291+0,0012675 t Z	24,925+0,0021065 t Z	24,954+0,0012986 t Z	24,954+0,0021065 t Z
о z	0,81	0,91	0,90	0,88
t Z єC	2129	2502	2660	2129
Т z К	2402	2775	2933	2402
p z	7,0427	7,2075	6,8016	5,4461
p zд	5,9863	6,1264	5,7814	4,6292
л	3,772	3,979	4,201	3,453

1000( mC» _v )=(1/0,5357)·[0,091·(39,123+0,003343·t _z )+0,0201·(22,490+0,001430·t _Z )+0,0625·(26,670+0,004438·t _Z )+0,0100·(19,678+0,001758·t _Z )+0,3521·(21,951+0,001457·t _Z )]=1,8667[3,560+0,00030t _Z + 0,396+0,00003t _Z +1,66688+0,00028t _Z +0,196780+0,000018t _Z +7,72895+0,00051t _Z ]=6,6455+0,0005600t _Z +0,73921+0,0000560t _Z +3,1115649+0,0005227t _Z +0,36732923+0,0000336t _Z +14,4276310+0,0000952t _Z =25,291+0,0012675t _Z кДж/(кмоль·град).

3200( mC» _v )=(1/0,5483)·[0,077·(39,123+0,003343·t _z )+0,0057·(22,490+0,001430·t _Z )+0,0696·(26,670+0,004438·t _Z )+0,0029·(19,678+0,001758·t _Z )+0,3931·(21,951+0,001457·t _Z )]=1,8238[3,012+0,00026t _Z + 0,112+0,00001t _Z +1,85623+0,00031t _Z +0,057066+0,000005t _Z +8,62894+0,00057t _Z ]=5,4933+0,0004742t _Z +0,20427+0,0000182t _Z +3,3853923+0,0005654t _Z +0,10407697+0,0000091t _Z +15,7374608+0,0010396t _Z =24,925+0,0021065t _Z кДж/(кмоль·град).

6000( mC» _v )=(1/0,5483)·[0,077·(39,123+0,003343·t _z )+0,0057·(22,490+0,001430·t _Z )+0,0696·(26,670+0,004438·t _Z )+0,0029·(19,678+0,001758·t _Z )+0,3931·(21,951+0,001457·t _Z )]=1,8238[3,012+0,00026t _Z + 0,128+0,00001t _Z +1,85623+0,00031t _Z +0,057066+0,000005t _Z +8,62894+0,00057t _Z ]=5,4933+0,0004742t _Z +0,23345+0,0000182t _Z +3,3853923+0,0005654t _Z +0,10407697+0,0000091t _Z +15,7374608+0,0010396t _Z =24,954+0,0021065t _Z кДж/(кмоль·град).

1000 о _z Н _раб.см +(mc’ _v )·t _c =м (mC» _v )·t _Z

0,81·73992+21,969·480=1,1826·(25,291+0,0012675 t _Z )t _Z

или 0,001499 t _Z ² +29,909t _Z -70479=0

откуда t _Z =(-29,909+v29,909² +4·0,001499·70479)/(2·0,001499)=2129°С

3200 о _z Н _раб.см +(mc’ _v )·t _c =м (mC» _v )·t _Z

0,91·78445+21,969·484=1,0855·(24,925+0,0021065 t _Z )t _Z

или 0,002287 t _Z ² +27,056t _Z -82018=0

откуда t _Z =(-27,056+v27,056² +4·0,002287·82018)/(2·0,002287)=2502°С

6000 о _z Н _раб.см +(mc’ _v )·t _c =м (mC» _v )·t _Z

0,88·78124+21,972·482=1,0855·(24,954+0,0021065 t _Z )t _Z

или 0,001499 t _Z ² +29,909t _Z -70479=0

откуда t _Z =(-29,909+v29,909² +4·0,001499·70479)/(2·0,001499)=2129°С

1.7 Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения k ₂ определяется по номограмме при заданном е для соответствующих значений б и T _z , а средний показатель политропы расширения п ₂ оценивается по величине среднего показателя адиабаты для карбюраторного двигателя при е =8,5, б =0,96 и T _z =2933 К k ₂ =1,25, что позволяет принять п ₂ =1,251.

Давление и температура в конце процесса расширения: p _b =p _z /е ^{п 2} и Т _b =T _z /е ^{n 2-1}

Для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1 : p _b =6,8016/8,5^1,251 =0,4676 МПа и Т _b =2933/8,5^{1,251 -1} =1714 К;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов: Т _r =;

При n _N =5600 мин^-1 : Т _r ==1088 К,

Т _r =1714/(0,4676/0,118)^0,33=1088

Д T _r =100(1088-1060)/1060=2,64 %;

где Д T _r -погрешность расчета.

На всех скоростных режимах температура остаточных газов принята в начале расчета достаточно удачно, так как ошибка не превышает 6 %.

Результаты расчетов при п =1000, 3200, 5600 и 6000 мин^-1 сведены в таблицу 5.

Таблица 5

Параметры процесса расширения и выпуска

Параметры	Процесс расширения и выпуска
n	1000	3200	5600	6000
k 2	1,2625	1,2525	1,25	1,2582
n 2	1,262	1,252	1,251	1,258
p b	0,4729	0,4832	0,4676	0,3689
T b	1371	1618	1714	1383
T r	867	1016	1088	949
Д T r , %	-3,67	1,60	2,64	-10,47

1.8 Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление:

р = (1.8.1)

для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1

р ==1,4835 МПа

р =(1,6189/8,5-1)[4,201/1,251-1(1-8,5^{1- 1,251} )-1/1,377-1(1-8,5^{1- 1,377} )]=1,4835

Среднее индикаторное давление: р _i =ц _доз р

карбюраторного двигателя p _i =0,95·1,4835=1,4093 МПа.

Индикаторный КПД: з _i = ;

Индикаторный удельный расход топлива: g _i = ;

карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1

з _i = 1,4093·14,957·0,96/43930·10^-3 ·1,189·0,8784=0,4410;

g _i = 3600/0,441·43930·10^-3 =186 г/(кВт·ч);

1.9 Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S /D ?1: р _м =0,034+0,0113v _п.ср .

Для карбюраторного двигателя, предварительно приняв ход поршня S равным 78 мм, получим значение средней скорости поршня при n _N =5600 мин^-1

v _п.ср =S·n /(10⁴ ·3)=78·5600/(10⁴ ·3)=14,56 м/с

Тогда р _м =0,034+0,0113·14,56=0,1985 МПа

Среднее эффективное давление: р _е =р _i —р _м =1,4093-0,1985=1,2108 МПа

Механический КПД: з _м =р _е /р _i

карбюраторного двигателя: з _м =1,2108/1,4093=0,8591

Эффективный КПД: з _е =з _м ·з _i

Эффективный удельный расход топлива: g _e =

карбюраторного двигателя: з _e =0,8591·0,441=0,3789 и g _e =3600/43,93·0,379=311 г/(кВтч);

Результаты расчетов при п =1000, 3200, 5600 и 6000 мин^-1 сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Индикаторные и эффективные параметры двигателей

Параметры	Индикаторные и эффективные параметры двигателей
n	1000	3200	5600	6000
	1,4883	1,4835	1,4835	1,4835
р i	1,4139	1,4093	1,4093	1,4093
з i	0,4425	0,4410	0,4410	0,4410
g i	185,2	185,8	185,8	185,8
v п.ср	2,60	8,32	14,56	15,60
р м	0,0634	0,1280	0,1985	0,2103
р е	1,3505	1,2813	1,2108	1,199
з м	0,9552	0,9092	0,8591	0,8508
з e	0,4227	0,401	0,3789	0,3752
g e	346	329	311	307

1.10 Основные параметры цилиндра и двигателя

Литраж карбюраторного двигателя: V _л = , (1.10.1)

где ф -тактность (ф =4)

V _л = 30·47,1·4/1,2108·5600=0,83357 л;

Рабочий объем

V _h = 0,83357/4=0,20839 л;

Диаметр цилиндра

Окончательно принимается для карбюраторного двигателя D =65 мм и S =65 мм.

Основные параметры и показатели двигателей определяются по окончательно принятым значениям D и S :

• площадь поршня: F
• литраж двигателя: V
• мощность двигателя: N
• литровая мощность двигателя: N
• крутящий момент: М
• часовой расход топлива: G

Результаты расчетов при п =1000, 3200, 5600 и 6000 мин^-1 сведены в таблицу 7.

Таблица 7

Основные параметры и показатели двигателя

Параметры	Основные параметры и показатели двигателя
n , мин	1000	3200	5600	6000
F п	33,17
V л	0,86
N л	54,767
N e	8,68	27,77	48,59	52,06
М е	82,93	82,91	82,9	82,9
G T	3,00	9,14	15,11	15,98

1.11 Построение индикаторных диаграмм

Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя построена для номинального режима работы двигателя, т. е. при N _e =47,1 кВт и n =5600 мин^-1 , аналитическим методом.

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня M _s =l мм в мм;

Масштаб давлений М _р =0,05 МПа в мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ=S/M _s =65/1,0=65 мм; ОА =АВ /(е -1)=65/(8,5-1)=8,67 мм.

Максимальная высота диаграммы (точка z ): P _z /M _p =6,8016/0,05=136,0 мм.

Ординаты характерных точек: р _a /M _p =0,085/0,05=1,7 мм;

p _c /M _p =1,6189/0,05=32,4 мм

р _b /M _p =0,4676/0,05=9,4 мм;

p _r /M _p =0,118/0,05=2,4 мм

р ₀ /M _p =0,1/0,05=2 мм

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия p _x =p _a (V _a /V _x )n

Отсюда р _x /M _p =(p _а /M _p )(OB /OX )^{n 1} =1,7(73,7/OX )^1,377 мм;

где OB=OA +AB =8,67+65=73,7 мм;

б) политропа расширения р _х =р _b (V _b /V _x )^{n 2}

Отсюда р _x /M _p =(p _b /M _p )(OB /OX )^{n 2} =9,4(73,7/OX )^1,251 мм;

• Результаты расчета точек политроп приведены в таблице 8.

Таблица 8

Координаты точек политроп

№ точек	OX, мм	OB/OX	Политропа сжатия	Политропа расширения
			(OB/OX) 1,377	р x /M p , мм	р х , МПа	(OB/OX) 1, 251	р x /M p , мм	р х , МПа
1	10,4	7,09	14,84	25,2	1,26 (точка с )	11,59	108,9	5,45 (точка z )
2	11,0	6,7	13,72	23,3	1,17	10,80	101,5	5,08
3	12,6	5,8	11,25	19,1	0,96	9,02	84,8	4,24
4	17,7	4,2	7,21	12,3	0,62	6,02	56,6	2,83
5	22,1	3,3	5,18	8,8	0,44	4,45	41,8	2,09
6	29,5	2,5	3,53	6,0	0,3	3,15	29,6	1,48
7	44,2	1,7	2,08	3,5	0,18	1,94	18,2	0,91
8	58,9	1,3	1,44	2,4	0,12	1,39	13,1	0,66
9	88,4	0,8	0,74	1,3	0,07 (точка а )	0,76	7,1 (точка b )	0,36

Теоретическое среднее индикаторное давление:

p _i ‘=F ₁ M _p /AB =1929·0,05/65=1,484 МПа,

где F ₁ =1929 мм² -площадь диаграммы aczba

Величина p _i ‘=1,484 МПа, полученная планиметрированием индикаторной диаграммы, очень близка к величине p _i ‘=1,4835 МПа, полученной в тепловом расчете.

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходный ( n =5600 мин^-1 ), то фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r’ ) устанавливается за 18° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка а’ ) — через 60° после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b’ ) принимается за 55° до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка а’ )-через 25° после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания в принимается равным 35°, а продолжительность периода задержки воспламенения Дц ₁ =5°.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r’ , а’ , а» , с’ , f и b’ по формуле для перемещения поршня: АХ= [(1-cos ц )+(1-cos 2ц )], где л -отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Выбор величины л производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается л =0,285.

Расчеты ординат точек r’ , a’ , а» , с’ , и b’ сведены в таблице 9.

Таблица 9

Координаты точек политроп

Обозначение точек	Положение точек	ц є	(1-cos ц )+(1-cos 2ц )	Расстояние точек от в.м.т. (АХ), мм
r’	18є до в.м.т.	18	0,0655	2,1
a’	25є после в.м.т.	25	0,1223	4,0
а»	60є после в.м.т.	120	1,6069	19,7
с’	35є до в.м.т.	35	0,2313	7,5
f	30є до в.м.т.	30	0,1697	5,5
b’	55є до в.м.т.	125	1,6667	21,7

Положение точки с» определяется из выражения

р _с» =(1,15ч1,25) р _с =1,25·1,6189=2,024 МПа;

р» _с =2,024/0,05=40,5 мм.

Действительное давление сгорания: p _{z д} =0,85p _z =0,85·6,8016=5,7814 МПа;

p _{z д} /М _р =5,7814/0,05=116 мм.

Нарастание давления от точки с» до z _д составляет 5,7814-2,024=3,757 МПа или 3,757/12=0,34 МПа/град п.к.в., где 12° положение точки z _д по горизонтали (для упрощения дальнейших расчетов можно принять, что действительное максимальное давление сгорания p _{z д} достигается через-10° после в.м.т., т. е. при повороте коленчатого вала на 370°).

Соединяя плавными кривыми точки r , с , а’ , с’ , с , с» и далее с z _д и кривой расширения b’ с b» (точка b» располагается обычно между точками b и а ) и линией выпуска b»r’r , получим скругленную действительную индикаторную диаграмму ra’ac’fc»z _д b’b»r .

Координаты точек действительной индикаторной диаграммы сведены в Таблицу 10. Построена индикаторная диаграмма по данным точкам (в соответствии с рисунком рис. 1).

Таблица 10

Координаты точек действительной индикаторной диаграммы

e x	p r	p a	p сж	p z	p рас
1	0,118	0,085	1,619	1,619
1	0,118	0,085	1,619	6,801
1,063	0,118	0,085	1,488	5,781	5,781
1,189	0,118	0,085	1,276		5,781
1,700	0,118	0,085	0,780		3,696
2,833	0,118	0,085	0,386		1,951
4,25	0,118	0,085	0,221		1,175
8,500	0,118	0,085	0,085		0,494

Рисунок 1. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя.

2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

В реальном двигателе потери тепла возрастают из-за трения, теплообмена, неполноты сгорания и других причин. В связи с этим эффективный КПД з _e цикла имеет меньшее значение по сравнению с величиной з _t

Распределение тепловой энергии топлива, сгорающего в двигателе, наглядно иллюстрируется составляющими внешнего теплового баланса, которые определяются при установившемся тепловом состоянии двигателя в процессе его испытаний. Приближенно составляющие теплового баланса можно найти аналитически по данным теплового расчета двигателя.

Тепловой баланс позволяет определить тепло, превращенное в полезную эффективную работу, т. е. установить степень достигнутого совершенства теплоиспользования и наметить пути уменьшения имевшихся потерь. Знание отдельных составляющих теплового баланса позволяет судить о теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать схему охлаждения, выяснить возможность использования теплоты отработавших газов и т. д.

В общем виде внешний тепловой баланс двигателя может быть представлен в виде следующих составляющих:

Q _о =Q _e +Q _r +Q _в +Q _н.с +Q _ост =Н _и G _т /3,6 (2.1.1)

где Q ₀ -общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом;

теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1 с: Q _e =1000N _е ;

теплота, потерянная с отработавшими газами:

Q _r = (G _Т /3,6)·{M ₂ [(mc» _V )+8,315]·t _r —M ₁ [(mc _V )+8,315]·t _o } (2.1.2)

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

Q _в =c·i··n ^m · (H _u -ДH _u )/(б·H _u ) (2.1.3)

где с =0,45-0,53-коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей. В расчетах принято с =0,5; i -число цилиндров; D -диаметр цилиндра, см; n -частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1 ; m =0,5-0,7-показатель степени для четырехтактных двигателей. В расчетах принято для карбюраторного двигателя при n =1000 мин^-1 m =1,6, а на всех остальных скоростных режимах m =0,65.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

Q _н.с. =ДН _и ·G _Т / 3,6; (2.1.4)

неучтенные потери теплоты: Q _ост. =Q _о -(Q _е +Q _r +Q _в +Q _н.с. )

Знание абсолютных значений составляющих теплового баланса позволяет осуществить количественную оценку распределения теплоты в двигателе. Если же необходимо сравнить распределение теплоты в различных двигателях или оценить степень теплоиспользования конкретного двигателя, то составляющие теплового баланса удобнее представлять в относительных величинах, например, в процентах по отношению ко всей теплоте, подведенной с топливом: q _о =q _e +q _r +q _в +q _н.с +q _ост =100%

Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в процессе его работы в зависимости от нагрузки, быстроходности и других факторов.

Характер распределения теплоты, подводимой в цилиндр с топливом, в процессе превращения в полезную эффективную работу наглядно может быть представлен в виде кривых теплового баланса. Графические зависимости строятся на основании определения каждой составляющей в зависимости от частоты вращения, нагрузки, качества смеси и т. д. Необходимые для построения указанных кривых теплового баланса данные получают при проведении специальных испытаний двигателя либо путем использования результатов ранее выполненных экспериментов. Тепловой баланс может быть также построен по данным теплового расчета двигателя с использованием формул.

Общее количество теплоты, введенной в двигатели при номинальном скоростном режиме (все данные взяты из теплового расчета) карбюраторного двигателя: Q _o =43930·15,11/3,6=184384 Дж/с;

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с карбюраторного двигателя: Q _e =1000·48,59=48590 Дж/с;

Теплота, передаваемая охлаждающей среде карбюраторным двигателем:

Q _B =0,5·4·6,5^{1+2· 0,65} ·5600^0,65 ·(43930-2083,9)/(0,96·43930)=79348 Дж/с;

Теплота, унесенная с отработавшими газами карбюраторного двигателя:

Q _r =(15,11/3,6){0,5483[25,25+8,315]·815-0,5051[20,775+8,315]20}=50979 Дж/с;

где ( mc» _V )=25,250 кДж/(кмоль·град)-теплоемкость отработавших газов при б =0,96 и t _r =T _r -273=1088-273=815°С);

( mc _V )=20,775 кДж/(кмоль·град)-теплоемкость свежего заряда;

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива карбюраторного двигателя: Q _н.с. =2481·15,11/3,6=10413 Дж/с;

Неучтенные потери теплоты карбюраторного двигателя:

Q _ост =184384-(48590+50979+79348+10413)=-4946 Дж/с; (2.1.5)

Составляющие тепловых балансов карбюраторного двигателя представлены в таблице 11.

Таблица 11

Составляющие теплового баланса

Составляющие теплового баланса	Частота вращения двигателя, мин -1
	1000	3200	5600	6000
	Q , Дж/с	q , %	Q , Дж/с	q , %	Q , Дж/с	q , %	Q , Дж/с	q , %
Теплота, эквивалентная эффективной работе	8680	23,7	27770	24,9	48590	26,4	52060	26,7
Теплота, передаваемая охлаждающей среде	25895	70,7	55152	49,4	79348	43,0	82987	42,6
Теплота, унесенная с отработавшими газами	48101	131,4	48128	43,2	50979	27,6	48115	24,7
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива	2068	5,6	6299	5,6	10413	5,6	11013	5,6
Неучтенные потери теплоты	-48136	-131,5	-25816	-23,1	-4946	-2,7	825	0,4
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом	36608	100	111533	100	184384	100	195000	100

Из приведенных таблиц и рисунков видно, что основная часть теплоты топлива расходуется на эффективную работу, нагрев охлаждающей среды и потери с отработавшими газами. На величину теплоты, отводимой охлаждающей средой, оказывают влияние многие эксплуатационные и конструктивные факторы. С увеличением частоты вращения двигателя и температуры охладителя, а также коэффициента избытка воздуха величина Q _в уменьшается, а с увеличением размеров охлаждающей поверхности и отношения хода поршня к диаметру цилиндра двигателя возрастает. Из всего количества теплоты, отдаваемой охладителю, наибольшая часть (до 60-65%) воспринимается стенками цилиндра и камеры сгорания во время процессов сгорания и расширения, остальная часть — в течение выпуска.

Уменьшение доли теплоты, отводимой с охладителем, повышает долю теплоты, отводимой с выпускными газами. В двигателях с газотурбинным наддувом такое перераспределение теплоты приводит к повышению располагаемой энергии выпускных газов и, следовательно, к увеличению работы в газовой турбине. Этот принцип реализуется в комбинированных двигателях с уменьшенным теплоотводом от рабочего тела («адиабатный дизель») за счет тепловой изоляции деталей камеры сгорания и выпускного трубопровода керамическими материалами.

3. РАСЧЕТ ВНЕШНИХ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

На основании тепловых расчетов, проведенных для четырех скоростных режимов работы бензиновых двигателей, получены и сведены в таблицу 12 необходимые величины параметров.

Таблица 12

Параметры внешней скоростной характеристики

Частота вращения коленчатого вала, мин -1	Параметры внешней скоростной характеристики
	N e , кВт	g e г/(кВтч)	М е , Н м	G T , кг/ч	з х	б
1000	8,68	346	82,93	3,00	0,8744	0,86
3200	27,77	329	82,91	9,14	0,9167	0,96
5600	48,59	311	82,9	15,11	0,8784	0,96
6000	52,06	307	82,9	15,98	0,8701	0,96

Коэффициент приспособляемости по скоростным характеристикам карбюраторного двигателя: К =М _{е max} /М _eN =82,93/82,91=1;

— Для сравнения различных методов построения скоростных характеристик и проверки правильности выполнения теплового расчета для нескольких скоростных режимов двигателя дополнительно приведен расчет изменения мощности и удельного расхода топлива на основе процентных соотношений между параметрами относительной скоростной характеристики карбюраторного двигателя. Результаты расчета сведены в таблице 13. Внешние скоростные характеристики (в соответствии с рисунком. 2, 3, 4).

Таблица 13

Параметры внешней скоростной характеристики

Частота вращения коленчатого вала, п х	Мощность, N e