2. Расчет рабочего цикла двигателя

Расчет рабочего цикла дизельного двигателя предусматривает определение параметров процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.

В процессе впуска температура свежего заряда увеличивается за счет подогрева от нагретых деталей двигателя. Величина подогрева зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, быстроходности двигателя, наличия устройства подогрева. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, отрицательно влияя на наполнение двигателя. Величина подогрева свежего заряда в дизелях с наддувом лежит в интервале от 10 до 60^оС.

Плотность заряда на впуске:

(11)

где R_в – удельная газовая постоянная воздуха, R_в =287 Дж/кг град.

Потери давления на впуске:

.

(12)

Давление в конце впуска:

.

(13)

Коэффициент остаточных газов:

(14)

Обычно для дизелей γ_г = 0,02…0,05. Коэффициент остаточных газов принимается.

Температура в конце впуска:

(15)

Для современных дизелей Т_a изменяется в пределах (310…400) К. температура в конце впуска принимается.

Коэффициент наполнения η_v, являющийся наиболее важной величиной, характеризующей процесс впуска, представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместится в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд

(16)

Для дизелей: с наддувом η_v = 0,8… 0,94; η_v принимается.

При расчете процесса сжатия определяются средний показатель политропы сжатия n₁, параметры конца сжатия (р_с и Т_с) и теплоемкость рабочего тела в конце сжатия (mC΄_v)_t0^tc.

При работе дизеля на номинальном режиме показатель политропы сжатия n₁ устанавливается в зависимости от показателя адиабаты К₁, в следующих пределах

n₁ = (К₁ + 0,02) =1,37 (17)

Определение К₁ производится по номограмме в зависимости от ε и Т_а.

Давление р_с и температура Т_с в конце процесса сжатия:

(18)

Для дизелей с наддувом принимается р_с = 3,5…5,5 МПа; Т_с = до 1150К. Средняя мольная теплоемкость воздуха в конце сжатия:

(19)

где t_с = Т_с – 273⁰ С.

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов дизельного топлива в конце сжатия определяется методом интерполяции по таблице (mC"v)^tc_to в зависимости от t_c и α. Принимаю (mC"v)^tc_to=24,03 кдж / (кмоль*^O).

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия

(20)

Процесс сгорания является основным процессом рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы. Целью расчета процесса сгорания является определение температуры Т_z и давления р_z в конце видимого процесса сгорания, для чего необходимо определить следующие показатели.

Коэффициент молекулярного изменения свежей μ₀ и рабочей μ смеси:

μ₀ = М₂/М₁

μ₀ = 0,8806/0,8490=1,0372; (21)

(22)

Теплота сгорания рабочей смеси:

(23)

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме:

(24)

M_i(СО₂) = 0,0725 (mс"_viСО2)^tz_to=2,864

M_i(Н₂О) = 0,0630 (mс"_viН2О)^tz_to=1,6802

M_i(О₂) = 0,0727 (mс"_viО2)^tz_to=1,7247

M_i(N₂)=0,6724 (mс"_viN2)^tz_to=14,75

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с турбо наддувом изменяется в пределах = 0,7…0,88. Степень повышения давления λ в дизеле, в основном, зависит от количества топлива, подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11 – 12МПа. В связи с этим для дизелей с турбо наддувом λ = 1,2…1,8.

Температуру в конце видимого процесса сгорания находим, решая квадратное уравнение:
xz * Hраб.см. + [(mC' v)tcto + 8,315 * l] * tc + 2270 * (l - m) = m * (mC"p)tzto * tz
xz	Hраб.см.	(mC'v)tcto	λ	tc, OC	m	(mC"p)tzto
0,86	48449	22,47	1,50	693	1,0360	32,1637	0,001834
Коэффициенты квадратного уравнения		при tz2				при tz	свободн.
0,00190 * tz * tz + 33,3216 * tz - 67898 = 0		0,001900				33,3216	- 67898
Температура в конце сгорания		tz =	1820	OC	Tz =	2093	OK

(25)

Максимальное давление сгорания:

(26)

Степень предварительного расширения:

(27)

Для дизелей ρ =1,2…1,7; Т_z = 1800…2300 К; р_z = 5…12 МПа.

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

Рассчитаем степень последующего расширения:

δ =  / 

δ = 14,5/1,5 = 9,76 (28)

Рассчитаем показатель политропы:

n₂= 1.27/1.01=1.2646 (29)

Давление и температура в конце процесса расширения:

(30)

Среднее значение показатели политропы расширения n₂ для дизелей на номинальном режиме принимается несколько меньше показателя адиабаты расширения К₂, выбираемой по диаграмме в зависимости от δ, Т_z и заданного значения . Обычно, средняя величина n₂ , полученная при анализе индикаторных диаграмм, изменяется в пределах 1,18…1,28. Примерные значения р_в и Т_в, для современных дизелей с наддувом на номинальном режиме, лежат в пределах: р_в = 0,2…0,5МПа, Т_в = 1000…1200 К.

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов производится по формуле

(31)

Отклонение = 100(768-800)/768 = 4,2%

Ошибка в определении Т_z не должна превышать 5%. Расчёты на данном этапе проведены верно.