Теоретическое количество воздуха, необходимое
для сгорания 1 кг топлива:
, где, например 
и т.д.
- коэффициент избытка воздуха для различных скоростных режимов
- коэффициент избытка воздуха, для номинального режима работы двигателя, принимаем несколько больше, чем для бензина, так как учитываем, что сгорания газообразного топлива происходит более полно, т.е. 
. Для скоростных режимов в интервале от 
до 
, коэффициент избытка воздуха принимаем постоянным. Для скоростных режимов в интервале 
коэффициент избытка воздуха определяем
по формуле
2.2 Действительный расход воздуха
Действительный расход воздуха для номинального режима
Количество свежего заряда
, 
Продукты сгорания
При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа 
, водяного пара 
, оксида углерода 
, избыточного кислорода 
и азота 
.
Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл. определяются по следующим формулам:
, 
- для метана
- для этана
- для пропана
- для бутана
Количество каждого компонента, входящего в состав продуктов:
. 
кмоль пр.сг/кг топл.
, 
, 
кмоль пр.сг/кг топл.
кмоль пр.сг/кг топл.
кмоль пр.сг/кг топл.
Общее количество продуктов сгорания 
неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле:
, 
кмоль пр.сг/кг топл.
Подставив значения в уравнение для расчета 
получим
Изменение количества молей рабочего тела при сгорании ΔМ в кмоль раб. тело/кг топл определяется по формуле:
кмоль раб. тело/кг топл
Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси 
, который определяется по формуле:
Процесс впуска
За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.
Давление и температура окружающей среды
Принимаются значения атмосферного давления и температуры в нормальных (стандартных) условиях: 
=0,1МПа и 
=293К.
При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются =0,1МПа и =293К.
Так как расчет ведется для двигателя без наддува, то справедливо условие:
Давление и температура остаточных газов
В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.
Для двигателей без наддува давление остаточных газов рr в МПа определяется по формуле:
.
В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираем значение температуры 
остаточных газов из следующих пределах:
для газовых двигателей 
.
принимаем из условия, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.
Степень подогрева заряда
В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ΔТ благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.
Значение ΔТ принимаем из следующих пределов:
- для карбюраторных двигателей.
Принимаем 
.
Давление в конце впуска
Величина давления в конце впуска р а в МПа определяется по формуле:
где 
- потери давления во впускном трубопроводе, МПа.
Потери давления во впускном трубопроводе Δр в МПа определяется по формуле:
, 
.
где 
- коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;
- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;
- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;
- плотность заряда на впуске, 
.
При средней скорости заряда 
величину 
принимаем в пределах 2,5…4.
Плотность заряда на впуске 
в кг/м³ определяем по формуле:
, 
кг/м³.
где 
- удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг·град).
Подставим значения в формулу для расчета 
.
Коэффициент и количество остаточных газов
Коэффициент остаточных газов 
для четырехтактных двигателей внутреннего сгорания определяем по формуле:
Количество остаточных газов Мr в кмоль ост.газов/кг топл определяется по формуле:
кмоль ост.газов/кг топл.
Температура в конце впуска
Температура в конце впуска Та в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:
, 
K.
Коэффициент наполнения
Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки коэффициент наполнения 
определяется по формуле:
, 
.
Полученные результаты заносим в таблицу 5.
Таблица 5. - Значения параметров процесса впуска
| Тип двигателя | Параметры | |||
| 
| 
| 
| |
| Карбюраторный | 1,17616 | 0,0013 | 303,90 | 1,285 |
| Ориентировочные значения | 0,080…0,095 | 0,04…0,10 | 340…370 | 0,70…0,90 |
Процесс сжатия
Показатель политропы сжатия
Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину 
(показатель политропы сжатия) можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия 
по следующей формуле:
, 
.
Значение определяется в зависимости от температуры 
и степени сжатия ε по аппроксимирующей формуле:
.
Давление и температура конца процесса сжатия
Давление 
в МПа и температура 
в Кельвинах (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем
, 
МПа;
, 
К.
Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия
Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.
Температура конца процесса сжатия 
в градусах Цельсия (°С):
, 
.
Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия
принимается равной теплоемкости воздуха 
кДж/(кмоль·град), и определяется по формуле:
, 
кДж/(кмоль·град).
Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия 
в кДж/(кмоль·град) определяется по следующей формуле:
, 
кДж/(кмоль·град).
Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси 
в кДж/(кмоль·град) определяется по формуле:
, 
кДж/(кмоль·град).
Рассчитанные параметры заносим в таблицу 6.
Таблица 6. - Значения параметров процесса сжатия
| Тип двигателя | Параметры | ||
| 
| 
| |
| Карбюраторный | 1,372 | 2,03 | |
| Ориентировочные значения | 1,34…1,38 | 0,9…2,0 | 600…700 |
Процесс сгорания
Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.
С целью упрощения термодинамических расчетов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const).
Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
Изменение объема при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:
, 
.
Температура конца видимого сгорания
Температура газа 
в конце видимого сгорания определяется с использованием решения уравнения сгорания, которое имеет вид:
где 
- коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений для газового двигателя 0,8…0,95;
- потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг, при α<1
, 
кДж/кг.
- температура в конце видимого сгорания, °С;
- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме. кДж/(кмоль·град). которая определяется по формуле:
(32)
где 
, 
, 
, 
, 
, 
- средние мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 °С, которые могут быть выражены в зависимости от температуры следующими формулами:
Подставим уравнения для средних мольных теплоемкостей продуктов сгорания в уравнение для расчета и получим следующее выражение:
После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида
.
Решим это уравнение и выразим из него 
в градусах Цельсия (°С)
°С.
Температура в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:
K.
Степень повышения давления цикла
Степень повышения давления цикла λ для карбюраторных двигателей определяется по формуле:
.
Степень предварительного расширения
Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей 
.
Максимальное давление сгорания
Величина максимального давления 
в МПа в конце сгорания определяется по формуле:
МПа.
Рассчитанные параметры заносим в таблицу 7.
Таблица 7. - Значения параметров процесса сгорания
| Тип двигателя | Параметры | |||
| λ | ρ |  , МПа
|  , K
| |
| карбюраторный | 1,98 | 1,0 | 4,019 | 1580,32 |
| ориентировочные значения | 1,2…4,2 | 1,0 | 3,5…7,5 | 1500….3100 |
Процесс расширения
В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу.
Показатель политропы расширения
Так же как и при расчете процесса сжатия для упрощения расчетов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем 
.
Средний показатель политропы расширения незначительно отличается от показателя адиабаты 
и может быть определен по следующей формуле:
, где
, 
Давление и температура конца процесса расширения
Значения давления 
в МПа и температуры 
в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяются по формулам:
.
.
Рассчитанные параметры заносим в таблицу 8.
Таблица 8. - Значения параметров процесса расширения
| Тип двигателя | Параметры | ||
|  , МПа
|  , К
| |
| карбюраторный | 1,285 | 0,27 | 873,70 |
| ориентировочные значения | 1,23…1,30 | 0,35…0,60 | 1200…1700 |
Проверка точности выбора температуры остаточных газов
Расчетная температура остаточных газов 
в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:
, 
.
Ошибка между принятой величиной 
и рассчитанной , в процентах определяется по формуле:
, 
.
Так как ΔT r < 10%, то расчет продолжаем с учетом прежнего значения T r.
Индикаторные показатели рабочего цикла
Среднее индикаторное давление
Среднее теоретическое индикаторное давление - это условное среднее давление, действующее на поршень и равное теоретической работе газов за цикл, отнесенной к рабочему объему цилиндра.
Среднее теоретическое индикаторное давление 
в МПа определяется:
, 
МПа.
Среднее индикаторное давление действительного цикла 
в МПа определяется по формуле:
.
где 
коэффициент полноты индикаторной диаграммы.
Индикаторный КПД
Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.
Индикаторный КПД 
определяется по формуле:
, 
.
Индикаторный удельный расход топлива
Индикаторный удельный расход топлива 
в г/(кВт·ч) определяется:
, 
г/(кВт·ч).
Рассчитанные параметры заносим в таблицу 9.
Таблица 9. - Значения индикаторных показателей двигателя
| Тип двигателя | Показатели | ||
 , МПа
| 
|  , г/(кВт·ч)
| |
| газовый | 1,017 | 0,42 | 255,11 |
| ориентировочные значения | 0,6…1,4 | 0,3…0,4 | 210…275 |
8 Эффективные показатели двигателя
Эффективные показатели характеризуют работу двигателя и отличаются от индикаторных показателей на величину механических потерь.
Давление механических потерь
К механическим потерям относятся все потери на преодоление различных сопротивлений, таких как трение, привод вспомогательных механизмов, газообмен, привод компрессора. Давление механических потерь - это условное давление, равное отношению работы механических потерь к рабочему объему цилиндра двигателя. Величину давления механических потерь 
в МПа оценивают по средней скорости поршня по формуле:
Мпа.
где 
и 
- экспериментальные коэффициенты, величины которых зависят от числа цилиндров и от отношения хода поршня к диаметру цилиндра.
=10 - средняя скорость поршня в м/с, которая зависит от типа двигателя.
Среднее эффективное давление
Среднее эффективное давление ре в МПа определяется по формуле:
Механический КПД
Механический КПД 
определяется по формуле:
.
Эффективный КПД
Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесенной в двигатель с топливом, называется эффективным КПД 
, который определяется по формуле:
.
Эффективный удельный расход топлива
Эффективный удельный расход топлива 
в г/(кВт·ч) определяется по формуле:
г/(кВт·ч).
Рассчитанные параметры заносим в таблицу 10.
Таблица 10. - Значения эффективных показателей двигателя
| Тип двигателя | Показатели | |||
| 
| 
| 
| |
| газовый | 0,87 | 0,36 | 0,855 | 298,6 |
| ориентировочные значения | 0,6…1,1 | 0,23…0,38 | 0,75…0,92 | 210…310 |