Початковим завданням є визначення тисків і температур робочого тіла в циліндрі в характерних точках індикаторної діаграми і встановлення закономірностей зміни цих параметрів у проміжних точках. Індикаторна діаграма - залежність тисків у циліндрі Р від об'єму V або кута оберту кривошипа.

Характерними точками розрахункової індикаторної діаграми чотиритактного двигуна (рисунок 4.1) є:

а - початок стиснення робочого тіла;

с - кінець стиснення і початок згоряння;

z - кінець згорання і початок розширення;

b - кінець розширення робочого тіла,

Рисунок 4.1 - Розрахункова індикаторна діаграма чотирьохтактного двигуна у координатах P-V.

У чотирьохтактного двигуна точки а і b відповідають найбільшому об'єму циліндра, який визначається положенням поршня в нижній мертвій точці (НМТ); точка с завжди відповідає найменшому об'єму циліндра і визначається положенням поршня у верхній мертвій точці для двигуна з поршнями, що зустрічно рухаються, (ЗРП) точка с відповідає об'ємній мертвій точці положення поршнів (в. о. м. т.).

Визначимо об'єми циліндра, що відповідають точкам а, b, з індикаторної діаграми.

Геометричний ступінь стиску є відношенням найбільшого об`єму циліндра до найменшого, тобто:

(4.1)

.

З виразу для визначаємо об'єм камери стиску V_c, м^3,V_c = (4.2)

V_c м³

Визначення геометричного та дійсного ступенів стиску справедливі як для чотирьохтактного, так і для двотактного двигунів. У чотирьохтактного двигуна звичайно впускний клапан також закривається із запізнюванням після НМТ. Про те при закритті впускного клапана в процесі стиснення, коли поршень рухається від НМТ до ВМТ, прохідний перетин швидко зменшується. Тому умовно приймають, що у чотирьохтактного двигуна початок процесу стиснення збігається з НМТ. Визначимо тепер об'єми циліндра, відповідні точкам а і b, м³:

V_а = V_b = V_c+ V_h (4.3)

V_а = 0.0137+0.0011 =0,0148 м³.

При розрахунку робочого процесу використовують багато дослідних коефіцієнтів. Тому відповідність між дослідними і розрахунковими даними буде істотно залежати від вибору цих коефіцієнтів.

Тиск на початку стиснення Р_а, МПа Р_а = 0,171

Обрано за двигуном прототипом.

Коефіцієнт залишкових газів ?

? (4.4)

Температура робочого тіла на початку стиснення Т_а, К,

(4.5)

де Т_к - температура повітря перед впускними органами дизеля, К (Т_к=t_k+273).

= К.

За дослідними даними можна визначили Дt = 10 К

Коефіцієнтом наповнення називають відношення дійсної кількості повітря, що надходить у циліндр до початку стиснення, до тієї кількості, що могла б уміститися у робочому об'ємі V_h, (для чотирьохтактного двигуна), при параметрах повітря перед впускними органами - тиску Р_к і температурі Т_к. Коефіцієнт наповнення для чотиритактного двигуна визначається як:

, (4.6)

де _v - дійсний ступінь стиску 12,5.

Тиск робочого тіла наприкінці стиснення:

(4.7)

де n₁ - середнє значення показника політропи стиску приймається:

n₁ =1,38.

МПа

Температура наприкінці стиснення:

(4.8)

К

За дослідними даними величина n₁ залежить від інтенсивності охолодження циліндра і його щільності: менше значення n₁ приймається при інтенсивному охолодженні і меншій щільності.

Параметри кінця згорання (точка z) характеризується тиском Р_z, і температурою Т_z, при цьому значенні Р_z приймається за двигуном - прототипом. Перед тим як визначити температуру Т _z, необхідно обчислити деякі характерні величини, що відносяться до процесу згорання.

Коефіцієнт молекулярної зміни при згорянні палива

₀ = (+) (4.9), 1,03

Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни

(4.10)

Ступінь підвищення тиску при згорянні

(4.11)

МПа

Температура робочого тіла в кінці згоряння визначається із рівняння згоряння:

, (4.12)

де - коефіцієнт ефективного виділення теплоти при згорянні пального до точки z =0,82;

с_pmz - середня молярна теплоємкість при постійному тиску

продуктів згоряння для температури T_z;

с_vmc - середня молярна теплоємкість повітря при постійному об'ємі визначена для температури Т_с.

(4.13)

mc_vmc = 20,38+209,510^-5Тс = 23,41 кДж/кг^. град (4.14)

mc_vmz = 21,45 + 1,885/б + (213,7 + 92,8/б_z) 10^-5 Т_с = 27,04 кДж/кг^. град (4.15)

Визначаємо величину D, що дорівнює

D = (4.16)

D =

Приймаємо перше наближення T_z1 = 1694 К

Тоді T_z = (4.17)

= 1692 K

¦ДT¦= ¦T_z - T_z1¦=15?25 К

Збіжність забезпечується, тому приймаємо T_z = 1695 К

Ступінь попереднього розширення

(4.18)

Тиск та температура робочого тіла в процесі розширення визначають з рівнянь:

Р_b = P_z/дⁿ² (4.20) Р_b = 12,5/11,36^1,26 = 0,58 МПа

T_b = T_z/д^n2-1 (4.19)

T_b = 1695/11,36^0.26 = 901 К

де n₂=1,26 - середній показник політропи розширення.

Розрахунковий середній індикаторний тиск визначимо, МПа

, (4.22)

Дійсний середній індикаторний тиск P_i

P_i = ₍4.23)

P_i =0,9

- коефіцієнт повноти діаграм.

Індикаторна потужність двигуна кВт

(4.24)

кВт

Індикаторний ККД чотиритактного двигуна:

(4.2)

Питома індикаторна витрата палива:

(4.26)

кг/кВтгод

Ефективна потужність:

(4.27) кВт

Питома ефективна витрата палива:

(4.28)

кг/кВтгод

Ефективний ККД:

(4.29)

5. Побудова індикаторної діаграми робочого процесу леу

Індикаторну діаграму побудуємо в координатах тиск P - об'єм V (див. Рисунок 5.1). За віссю абсцис відкладаємо обчислені раніше об'єми відповідно до положення характерних точок індикаторної діаграми. Об'єми відкладаємо в масштабі 10 мм - 1^.10^-3 м³. За віссю ординат відкладаємо обчислені раніше тиски, що відповідають характерним точкам індикаторної діаграми (точки a,c,z,b). Тиск відкладаємо в масштабі 10 мм - 1,0 Мпа. На осях абсцис і ординат відповідно до обраних масштабів нанесемо числові шкали об'ємів і тисків. За значеннями об'ємів і тисків знаходимо положення характерних точок індикаторної діаграми.

Для двотактного двигуна процес газообміну зображують лінією b-r-a, при цьому умовно приймають, що P_r=P_a. Далі необхідно визначити координати проміжних точок політроп стиску a-c і розширення z-b. Для цього визначимо значення тисків P точок цих політроп при заданому поточному об'ємі V:

політропа стиску:

(5.1)

політропа розширення:

(5.2)

де V_a,V_z - об'єми, що відповідають точкам a та z;

n₁,n_{2 -} середні показники політроп стиску і розширення.

Задавши значення поточного об'єму V, визначимо із приведених співвідношень тиск Р.

При заданому куті повороту колінчастого вала поточний об'єм у м³, для двигуна з одним поршнем у циліндрі визначиться як,

(5.3)

де V_{c -} об'єм камери стиску, м³;

F_{п -} площа поперечного перетину циліндра, м²

(5.4)

D - діаметр циліндра, м;

S - переміщення поршня від в. м. т., м.

(5.5)

де R = S/2 - радіус кривошипа колінчастого вала, м.

За індикаторною діаграмою визначаємо середній індикаторний тиск P_i. З цією метою необхідно спочатку визначити площу F_i індикаторної діаграми, замкнуту між лініями розширення і стиску, тобто в контурі (a-c-z'-z-b-a). Площа F_i в масштабі пропорційна роботі газів за цикл L_i.

Для обчислення площі F_i ми заносимо нашу діаграму до програми "Компас V14", та за допомогою команд розрахунку площі, визначаємо площу нашої індикаторної діаграми.

F_i = 3335,656022 мм²

Якщо на індикаторній діаграмі масштаб тисків відповідає розміру , то середній індикаторний тиск у Мпа,

(5.6)

1,59

Обчислене з індикаторної діаграми значення P_i близько до розрахункового, визначеного за формулою (4.23), що вказує на правильність побудови індикаторної діаграми.

6. Динамічний розрахунок шатунно-кривошипного механізму