3.3 Основные геометрические размеры и показатели двигателя.

Рабочий объем двигателя определяется исходя из заданных мощности двигателя N_e, оборотов коленчатого вала n и рассчитанного значения среднего эффективного давления p_e.

где τ – коэффициент тактности (для четырехтактного двигателя τ=4).

Рабочий объем одного цилиндра

где i – число цилиндров.

Диаметр цилиндра.

Ход поршня.

Рассчитанные значения D и S округляются до ближайшего целого значения.

Уточнение размеров и показателей двигателя.

Действительное значение средней скорости поршня V_Пср определяется по значению хода поршня S и заданному скоростному режиму двигателя.

Рассчитанное значение V_Пср сравнивается с ранее принятым значением. Если разница составляет более 10% необходимо задать новое значение V_Пср и повторить расчет.

Уточнение значений рабочего объема двигателя и его мощности выполняется после определения диаметра цилиндра D и хода поршня S и их округления.

Рабочий объем двигателя определяется по формуле:

Мощность по выражению:

Определение эффективного крутящего момента.

Эффективный крутящий момент определяют по уточненному значению мощности и частоте вращения:

Литровая мощность.

Литровая мощность характеризует степень совершенства двигателя, определяется по формуле:

4. Методика построения индикаторной диаграммы

Построение индикаторной диаграммы производится по данным теплового расчета в координатах р-V.

Выбор масштабов. Масштабы давления m_р, МПа/мм, и хода поршня m_s, мм/мм, следует выбирать таким образом, чтобы высота диаграммы была приблизительно в 1,5 раза больше ее основания.

Рекомендуемые масштабы параметров индикаторной диаграммы приведены в табл. 4.1.

Координатные оси и характерные линии. После нанесения координатных осей проведем линию абсолютного давления окружающей среды на расстоянии ОК от оси абсцисс (рис. 4.1 и 4.2), причем (где р=0,10 МПа).

Параллельно оси давления на расстоянии OA от начала координат проведем линию, определяющую положение поршня в ВМТ.

Таблица 4.1 Рекомендуемые масштабы параметров индикаторной диаграммы

Масштаб	pz, МПа	тр, МПа/мм	S, мм	ms, мм/мм
По оси ординат (масштаб давле­ния)	До 5	0,025	—	—
	Более 5 до 8	0,040	—	—
	Более 8	0,050	—	—
По оси абсцисс (масштаб хода поршня)	—	—	Более 80	1,0
	—	—	До 80	0,5

Рис. 4.1 Индикаторная диаграмма двигателя с искровым зажиганием

Рис. 4.2 Индикаторная диаграмма дизеля

Отрезок S_c, выраженный в миллиметрах хода поршня, косвенно характеризует объем камеры сгорания:

где S_П – площадь поршня.

Учитывая, что

где V_h – рабочий объем одного цилиндра, получим

где отрезки S_c и S измеряются в мм хода поршня.

С учетом заданного масштаба отрезок

От точки А отложим отрезок АВ, эквивалентный ходу поршня S:

Через точку В, определяющую положение поршня в НМТ, проведем параллельно оси давления вертикальную линию.

Для дизеля от точки О откладываем отрезок OA', эквивалентный объему над поршнем V_s после предварительного расширения.

Учитывая, что V_s=ρV_c, получим

Через точку А' проведем штриховую линию, параллельную оси ординат.

Характерные точки индикаторной диаграммы. По линии ВМТ (см. рис. 4.1 и 4.2) отложим точки z (или z' для дизеля), с, r, соответствующие давлениям p_z, р_с, р_r, на следующих расстояниях, мм:

По линии НМТ отложим точки а и b соответствующие давлениям p_a и р_b, на следующих расстояниях, мм:

При рассмотрении термодинамического цикла принимается, что процесс выпуска осуществляется при давлении на всем пути движения поршня от НМТ до ВМТ. ( на рис. 4.1, 4.2)

Учет потерь энергии газов, имеющих место в действительных циклах, осуществляется введением коэффициента скругления

На диаграмме дизеля давление p_z также откладывается от точки z’, соответствующей окончанию процесса предварительного расширения.

Построение политроп сжатия и расширения. При построении теоретической индикаторной диаграммы рабочего цикла ординаты промежуточных точек при перемещении поршня от ВМТ на расстояние х для процессов сжатия и расширения в двигателях с искровым зажиганием определяются по следующим формулам, МПа:

• для процесса сжатия

• для процесса расширения

где S_a=S_c+S - ход поршня, эквивалентный полному объему цилиндра; х - ход поршня, эквивалентный текущему значению объема надпоршневого пространства, отсчитываемый от ВМТ.

С учетом масштабов эти формулы будут иметь следующий вид, мм:

Расчет следует производить по девяти точкам для процессов сжатия и расширения.

При этом отрезок АВ для двигателей с искровым зажиганием разбивается примерно на 10 равных частей.

Для дизелей при расчете процесса расширения такому разбиению подвергается отрезок , соответствующий процессу последующего расширения. Также при построении диаграммы для дизелей в состав расчетных точек необходимо включить точку, соответствующую концу предварительного расширения, т.е. . При этом расчетная формула для процесса расширения действительна только при .

Результаты расчета политроп сжатия и расширения целесообразно представить в виде табл. 4.2 для бензиновых двигателей и табл. 4.3 для дизелей.

Полученные расчетные точки политроп сжатия и расширения последовательно соединяем между собой. Точки a и b также z и с (z' и с для дизелей) соединяют прямыми линиями. Для дизелей прямой линией также соединяют точки z и z’.

При этом процессы газообмена условно считают изобарными, поэтому через точки а и r проводят прямую, параллельную оси абцисс.

Таблица 4.2 Результаты расчета для бензиновых двигателей

Номер расчетной точки	x, мм (ход поршня)	, мм (диаграмма)		Для процесса сжатия			Для процесса расширения
					рх, МПа	рх, мм		рх, МПа	, мм
1	0	0	ε		pс			pz
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
10	S		1	1	pa	pa	1	pb

Таблица 4.2 Результаты расчета для дизелей

Номер расчетной точки	x, мм (ход поршня)	, мм (диаграмма)		Для процесса сжатия			Для процесса расширения
					рх, МПа	рх, мм		рх, МПа	, мм
1	0	0	ε		pс			pz
2			δ		-	-		pz
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
10	S		1	1	pa	pa	1	pb

Особенности построения действительной индикаторной диаграммы. Отличия действительной индикаторной диаграммы, т.е. диаграммы, соответствующей реальному рабочему циклу двигателя, от теоретической диаграммы определяются следующими факторами:

• повышенным давлением в конце процесса сжатия (в точке с' на рис. 4.1 и 4.2) по сравнению с давлением в процессе сжатия без воспламенения (в точке с) вследствие начала развития процесса сгорания рабочего тела до ВМТ;

• отклонением процесса резкого нарастания давления от давления процесса сжатия при V=const вследствие конечности скорости выделения теплоты, вызванным движением поршня и изменением объема надпоршневого пространства. При этом момент достижения максимального давления смещается относительно ВМТ (см. точку z_д на рис. 4.1).

По этим же причинам предварительное расширение в дизелях не является строго изобарным процессом, и начало последующего расширения не совпадает с точкой z (см. рис. 4.2).

Сглаживание индикаторной диаграммы вблизи ВМТ в конце процесса сжатия и в начале процесса расширения. Решение этой задачи заключается в определении ординаты точки с', соответствующей действительному значению давления в цилиндре в момент достижения ВМТ, а также положения точек е и z_д относительно ВМТ (см. рис. 4.1 и 4.2).

Точка е соответствует началу основной фазы сгорания топлива, что выражается в превышении давления в этой точке по сравнению с давлением при сжатии без воспламенения (зажигания).

Точка z_д определяет момент достижения действительного максимального давления после прохождения поршнем ВМТ.

Практика доводки современных быстроходных автомобильных двигателей с искровым зажиганием со степенями сжатия ε = 8... 10 показала, что максимальная работа рабочего цикла, а следовательно, и максимальная мощность двигателя имеют место в случае если начало второй фазы горения (точка отрыва линии давления при сгорании смеси от такой же линии давления, но без зажигания) происходит приблизительно при 15...20 °ПКВ до ВМТ, что соответствует положению точки е.

При этом .

Откладывать точку z_д на линии политропы расширения, при указанной величине .

У дизелей положение точки е соответствует углам в пределах 15... 25° ПКВ до ВМТ с учетом периода задержки воспламенения, а положение точки z_д - углам 10... 15° ПКВ после ВМТ. При этом меньшие значения углов ПКВ соответствуют дизелям с неразделенными КС и объемным смесеобразованием, а большие - дизелям с разделенными КС.

Точка f на рис. 4.1 и 4.2 соответствует моменту искрового разряда в двигателях с искровым зажиганием и моменту начала впрыскивания топлива в дизелях. Положение этой точки определяется соответственно углом опережения зажигания (УОЗ) и углом опережения впрыскивания (УОВ).

Значение УОЗ (φ_о.з.) в двигателях с искровым зажиганием на номинальном режиме работы находится в пределах 40...70°. При этом меньшие значения φ_о.з. соответствуют тихоходным двигателям, работающим на более богатых смесях.

Значение УОВ (φ_о.вп.) в дизелях находится в пределах 25 ...40°, причем большие его значения характерны для быстроходных дизелей.

С учетом повышения давления вследствие начала процесса сгорания топлива до ВМТ давление в конце процесса сжатия р'_с (в точке с') составляет:

• в бензиновых двигателях ;

• в дизелях .

Положения точек f, е, z_д на индикаторной диаграмме определяются графически по методу Брикса. Для этого из центра О₁ расположенного на середине отрезка AB, проведем полуокружность радиусом .

Затем от точки О₁, в сторону НМТ отложим отрезок (поправка Брикса), гае R - радиус кривошипа; λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; m_s - масштаб, и получим новый центр окружности O₂.

Значение λ выбирается по прототипу рассчитываемого двигателя:

• для бензиновых двигателей λ = 0,24... 0,28;

• для дизелей λ = 0,26... 0,31.

С учетом масштаба m_s получим

Из нового центра O₂ проведем лучи под углами φ_f и φ_e (φ_e≈ φ_{z д}) до их пересечения с полуокружностью. Из этих точек пересечения опустим прямые, параллельные оси ординат, до пересечения с соответствующими линиями теоретической индикаторной диаграммы или с горизонталью p_z=p_zд (для точки z_д), после чего точки е, с' и z_д соединим плавными линиями.

Сглаживание индикаторной диаграммы вблизи НМТ в конце процесса расширения и в начале процесса сжатия. Выбор фаз газораспределения. Характер индикаторной диаграммы, соответствующей реальному рабочему циклу, на указанных участках зависит от фаз газораспределения, которые изображаются в виде круговых диаграмм (см. рис. 4.1 и 4.2).

На круговых диаграммах введены следующие обозначения:

• - угол начала открытия впускного клапана до ВМТ;

• - угол запаздывания закрытия впускного клапана после НМТ;

• - угол опережения открытия выпускного клапана до НМТ;

• — угол запаздывания закрытия выпускного клапана после ВМТ.

Сумма углов называется перекрытием клапанов. В современных двигателях без наддува значения этих углов составляют:

• ;

• 

• 

• 

Выбор фаз газораспределения осуществляется по имеющимся данным для двигателей прототипов проектируемого ДВС, т.е. для двигателей с таким же числом цилиндров, а также примерно с такой же средней скоростью поршня.

Положения точек а', а" и b’, b", определяющих моменты открытия и закрытия соответственно впускных и выпускных клапанов, также найдем по методу Брикса. Для этого из центра О₂ под углами и относительно горизонтали проведем лучи в полуплоскости, обращенной к ВМТ, а под углами и проведем лучи в полуплоскости, обращенной к НМТ (см. рис. 4.1 и 4.2).

Из точек пересечения этих лучей с полуокружностью, проведенной ранее из центра О₁ опустим вертикали до пересечения с соответствующими линиями на индикаторной диаграмме. При этом точка а' будет расположена на линии выпуска, точка а" - на линии сжатия; точка b' - на линии расширения, а точка b" - на линии впуска. В точке b' (начала открытия выпускного клапана) начинается отрыв линии реального процесса расширения от политропы zb.

Положение точки, соответствующей давлению отработавших газов в НМТ, определяется посредством деления вертикального отрезка a₁b пополам. От этой средней точки проводим плавную вогнутую кривую, переходящую в линию, близкую к горизонтали, соответствующей р_r Из точки r на линии ВМТ также проводим плавную вогнутую кривую, переходящую в линию, близкую к горизонтали, соответствующей р_а.