Раздел 12. Тепловой расчёт дизеля 6чнр 30/38

Цель теплового расчета - определение рабочих параметров цикла дизеля, экономических показателей и основных размеров двигателя s/d. Расчет производится для режима работы дизеля, соответствующего номинальной мощности и оборотам neн. Тепловой расчет произведен в порядке осуществления рабочих процессов в двигателе: наполнение цилиндра воздухом, его сжатия и горения топлива, расширение продуктов сгорания и выпуска отработавших газов. Произведен расчет экономических показателей работы двигателя: индикаторного и эффективного давлений, индикаторного и эффективного КПД, удельных индикаторных и эффективных расходов топлива, а также часового расхода.

Исходные данные

Номинальная мощность двигателя Pe=640 (кВт)

Номинальное количество оборотов ne=375 (1/мин)

Количество цилиндров z=6 (шт)

Нормальные условия:

Pa=0,1 МПа

Ta=300 К

Состав дизельного топлива:

C=0,87

H=0,126

O=0,004

Тепловой расчет

Такт впуска

1)Теоретически необходимое количество воздуха L0 для сгорания 1 кг топлива:

кмоль/кг

2) Выбор коэффициента избытка воздуха 1. Это отношение массы воздуха, содержащегося в цилиндре перед сгоранием, к массе воздуха, теоретически необходимого для сгорания впрыснутого топлива. Выбор коэффициента зависит от смесеобразования:

1=1,3…1,6 предкамерное смесеобразование

1=1,5…1,9 вихрекамерное смесеобразование

1=1,7…2,0 объемно-пленочное смесеобразование

1=1,9…2,2 объемное смесеобразование

Выбираю объемное смесеобразование

Принимаю 1=2

3) Количество свежего заряда на 1 кг топлива:

кмоль/кг

4) Выбор степени повышения давления πk и К.П.Д компрессора ηк.ад. Обычно степень повышения давления в компрессоре лежит в пределах 1,9…3,5. Коэффициент полезного действия 0,65…0,85.

Принимаю πk=2 и ηк.ад. =0,8

5) Давление наддува Pint:

Pint= πk* Pa=2*0,1=0,2 МПа

6) Tk

К

7) Выбор средней температуры охлаждающего агента Таг, в данном случае забортная вода, и коэффициента σox. Температура охлаждающего агента находится в пределах 10…80 °С, и зависит от системы охлаждения . Коэффициент σox=0,5…0,7

Принимаю Таг=335К и σox=0,6

8) Температура ΔTox

ΔTox= σox*( Tk- Таг)=0,6*(394-330)=28,3К

9) Температура надувочного воздуха Tint

Tint= Tk- ΔTox=394-38,4=353 К

10) Выбор температуры подогрева свежего заряда ΔT. Предварительный выбор коэффициента остаточных газов γr. Выбор температуры остаточных газов Tr.

Температура подогрева свежего заряда оказывает заметное влияние на коэффициент наполнения Фс. Значение ΔT в основном определяется нагрузкой, частотой вращения коленчатого вала, размерами цилиндра и условиями его охлаждения. ΔT лежит в пределах 5…15 К.

Принимаю ΔT=10К

Коэффициент остаточных газов γr лежит в пределах 0…0,06

Принимаю γr=0,02

Температура остаточных газов Tr находится в пределах 700…900 К

Принимаю Tr=800К

11) Температура в конце такта впуска, в точке t Tt

К

Найденное значение Tt должно лежать в пределах 320…400 К. Если полученное значение не входит в данный предел, то снова задаться γr, Tr, ΔT, пересчитать Tint, путем перебора выше указанных величин в формуле для Tint.

12) Выбор коэффициента скорости в клапане φкл=0,6…0,7. Предварительный выбор средней скорости воздушного потока во впускном клапане ωср, зависит от оборотности двигателя:

ωср=40..50 м/с малооборотный двигатель

ωср=50..80 м/с среднеоборотный и высокооборотный двигатель

Принимаю ωср=45 м/с и φкл=0,65

13) Давление в конце такта впуска Pt, в точке t

МПа

Rair=287 Дж/(кг*К)

14) Выбор степени сжатия εс. Предварительный выбор коэффициента наполнения Фс. Выбор коэффициента продувки Фпр.

Наименьшее значение εс дизеля должно выбираться из условия достижения минимально необходимой температуры конца такта сжатия Tc, обеспечивающей надежное самовоспламенение впрыскиваемого топлива (750-800 К). Наиболее неблагоприятным является пусковой режим. Таким образом основным критерием выбора минимальной εс является надежный пуск. Для обеспечения надежного пуска в высокооборотных двигателях εс должна быть не меньше 16…18

При увеличении εс в сторону больше или равно 20, это ведет к незначительному повышению экономичности дизеля, а механические нагрузки на детали ДВС существенно возрастают, так же возрастает токсичность продуктов сгорания.

При увеличении давления наддува для снижения максимального давления сгорания εс уменьшают. При пуске агрегаты наддува, особенно свободные турбокомпрессоры, не обеспечивают достаточного давления подаваемого воздуха и поэтому условия пуска дизелей с наддувом и без него примерно одинаковы. Поэтому не рекомендуется у дизелей со свободным турбокомпрессором выбирать εс меньше 10…11

Так же на εс оказывает влияние тип смесеобразования и быстроходность дизеля. Наименьшее значение выбирают для малооборотных, а наибольшее для высокооборотных дизелей.

Коэффициент наполнения (отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр и оставшегося в нем после продувки, к массе воздуха, занимающего весь рабочий объем цилиндра имеющего то же давление и температуру, что и воздух перед впускным клапаном). Фс=0,8…1,0

Коэффициент продувки лежит в пределах Фпр=1,05…1,1

Принимаю εс=12 Фс=1 Фпр=1,05

15) Коэффициент Фк

Фк=Фс*Фпр=1*1,05=1,05

16) Коэффициент очистки ξоч

Полученное значение ξоч должно лежать в пределах 0…0,7

17) Пересчет ωср

м/с

Полученное значение ωср будем использовать в дальнейших расчетах. Это значение не должно расходиться с предварительно выбранным более 5%.

18) Выбор коэффициента учитывающего увеличение теплоемкости остаточных газов по сравнению с теплоемкостью воздуха ξ=1,09…1,13. Выбор коэффициента учитывающий дозарядку φ=1,02…1,06

Принимаю ξ=1,1 и φ=1,02

19) Давление Pr,

Pr=(0,75…0,95)*Pint=0,85*0,2=0,17 МПа

20) Пересчет γr

Полученное значение коэффициента остаточных газов будем использовать в дальнейших расчетах. Полученное значение не должно отличаться от предварительно выбранного на 5%.

21) Пересчет коэффициента Фс

Полученное значение коэффициента Фс будем использовать в дальнейших расчетах. Полученное значение не должно отличаться от предварительно выбранного на 5%.

22) Количество рабочей смеси М

М=L*(1+ γr)=0,98*(1+0,018)=0,999 кмоль/кг

Такт сжатия

1) Количество «чистых» продуктов сгорания 1 кг топлива М0

кмоль/кг

2) Количество продуктов сгорания М

кмоль/кг

3) Молярная доля «чистых» продуктов сгорания в составе рабочего тела ʋ0

Молярная доля воздуха в составе рабочего тела υair

υair=1-υ0=1-0,009=0,991

Молярная доля СО2 в составе рабочего тела υс

Молярная доля водяных паров в составе рабочего тела υн

Молярная доля азота в составе рабочего тела υN

Коэффициенты ac и bc

4) Предварительный выбор показателя политропы сжатия n1=1,35…1,37

Принимаю n1=1,35

5) Предварительное давление в конце такта сжатия Рс, в точке с

МПа

Найденное значение должно находиться в пределах 5,5…10,0 МПа

6) Предварительная температура в конце такта сжатия Тс, в точке с

К

Найденное значение должно находиться в пределах 750…1100 К

7) Пересчет показателя политропы сжатия n1

=8,314 кДж/(кмоль*К) универсальная газовая постоянная

Показатель политропы сжатия должен находиться в пределах 1,35…1,37. Если полученное значение не входит в заданный предел, то пересчитывается Tt. В дальнейших расчетах используем полученное значение.

8) Пересчет давления Рс и температуры Тс

МПа

К

Полученные значения давления и температуры используем в дальнейших расчетах. Так же полученные значения должны лежать в пределах Рс=5,5…10,0 МПа, Тс=750…1100 К, и не отличаться от предварительных значений на 5%

Такт расширения

1) Выбор числа х (отношение массы сгоревшего топлива к массе цикловой подачи), в расчетах принимаем х=0,95

2) Молярная доля «чистых» продуктов сгорания в составе рабочего тела υох

3) Молярная доля воздуха в составе рабочего тела

υair=1-υox=1-0,04=0,96

4) Коэффициент ab и bb

5) Выбор коэффициента использования теплоты ξz. Выбор степени повышения давления в цилиндре λ. Низшая теплота сгорания Qн.

Коэффициент использования теплоты в точке z расчетного цикла ( с ростом ξz температура в точке z повышается):

ξz=0,75…0,85 для малооборотных

ξz=0,70…0,80 для средне и высоко оборотных двигателей

Степень повышения давления в цилиндре зависит от оборотности двигателя:

λ=1,2…1,4 для малооборотных дизелей

λ=1,4…2,2 для среднеоборотных и высокооборотных дизелей

Принимаю ξz =0,8 и λ=1,4

Низшая теплота сгорания находиться по формуле Д.И.Менделеева , для дизельного топлива можно принять

равным 42700 кДж/кг

6) Параметр Z

7) Химический коэффициент молекулярного изменения μ0

8) Действительный коэффициент молекулярного изменения μ

9) Предварительный выбор температуры в точке z Tz=1800…2200 К

Принимаю Tz=2000К

10) Пересчет температуры Tz

Найденное значение температуры должно находиться в пределах 1800…2200 К, и его будем использовать в дальнейших расчетах. Если полученное значение не входит в данный предел снова задаться температурой в точке z.

11) Давление в точке z Pz

МПа

12) Предварительный выбор показателя политропы расширения n2:

n2=1,20…1,30 для малооборотных и среднеоборотных

n2=1,15…1,25 для высокоборотных

Выбор коэффициента использования теплоты ξb при достижении объема Vb:

ξb=0,86…0,92 для малооборотных и среднеоборотных двигателей

ξb=0,80…0,90 для высокооборотных

Принимаю n2=1,25 и ξb=0,88

13) Степень предварительного расширения ρ

Полученное значение ρ должно находиться в пределах 1,2…1,6. Если не в этих пределах то снова задаться λ.

14) Степень последующего расширения δ

15) Пересчет показателя политропы расширения n2

Полученное значение показателя политропы должно находиться в следующих пределах:

n2=1,20…1,30 для малооборотных и среднеоборотных

n2=1,15…1,25 для высокоборотных

Если не в этих пределах снова задаться разными параметрами и пересчитать n2.

16) Температура в точке у Ty

К

17) Давление в точке у Py

МПа

18) Давление в конце такта расширения, в точке b Pb

МПа

Полученное значение давления должно находиться в пределах 0,25…0,8 МПа

19) Температура в конце такта расширения, в точке b Tb

К

Полученное значение температуры должно находиться в пределах 900…1200 К

Среднее индикаторные показатели и главные геометрические показатели двигателя

1) Среднее индикаторное давление расчетного цикла (условное, постоянное по значению давление,которое действует на поршень, аз один его ход совершает работу, равную работе газов за цикл) Pmi

_{Скругленного цикла}

кПа

Где коэффициент ξскр для неразделенных камер сгорания 0,9…0,95, для разделенных 0,92…0,97.

Принимаю ξскр=0,92

2) Степень предварительного расширения после охладителя надувочного воздуха ρint

3) Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива L`0

кг/кг

4) Индикаторный К.П.Д ηi двигателя (отношение индикаторной работы, к теплоте затраченной на ее получение) и эффективный К.П.Д ηe

Где ηм механический К.П.Д (отношение эффективной мощности к индикаторной). Он учитывает в целом все механические потери в дизеле. Согласно опытным данным его значение находиться в интервалах:

Принимаю ηм=0,86

С наддуовм		Без наддува
Двухтактный малооборотный	0,88…0,95	Двухтактный	0,70…0,80
Четырехтактный среднеоборотный	0,85…0,92	четырехтактный	0,75…0,80
Высокооборотный	0,80…0,85

5) Удельный индикаторный bi и эффективный расходы топлива be

кг/(кВт*ч)

кг/(кВт*ч)

be должен лежать в пределах 0,25…0,18

6) Среднее эффективное давление Pme

кПа

7) Выбор числа К и отношения S/d

Число К характерезует тактность двигателя:

К=1 для двухтактных

К=2 для четырехтактных

Принимаю К=2

Отношение S/d выбирается по быстроходности двигателя:

S/d=1,2…1,7

S/d=1,0…1 у современных быстроходных двигателей

Принимаю S/d=1,267

8) Диаметр цилиндра d

м

Номинальное количество оборотов ne

9) Ход поршня S

м

10) Средняя скорость поршня ʋm

м/с

Определение основных размеров топливного насоса и форсунки

1) Цилиндровая мощность двигателя

кВт

2) Цикловая подача топлива b`e

3) Плотность топлива при нормальных условиях ρt=0,00086 г/см^3 (для дизельного топлива)

4) Цикловая подача топлива на номинальном режиме bц

см^3

5) Цикловая подача топлива на режиме максимальной мощности bцmax

см^3

6) Выбор отношения α`объема вытесняемого плунжером, к объему, подаваемому форсункой, и отношение хода плунжера к диаметру ρн

α`=2…3,5

ρн=0,5…1,2

Принимаю α`=2,5 и ρн=1

7) Диаметр плунжера dн и ход плунжера hн

см

см

8) Выбор коэффициентов Pf=(40…60)*10^6 Н/(м^2), ξс=0,8…0,9

Принимаю Pf=50 и ξс=0,9

9) Максимальная скорость истечения топлива из сопловых отверстий форсунки W`c

м/с

Полученное значение должно лежать в пределах 250…350 м/с

10) Выбор коэффициентов ʋmax=1,5…2,0 м/с, φс=0,6…0,75

Принимаю ʋmax=1,6 и , φс=0,68

11) Площадь плунжера fп

м^2

12) Суммарное сечение сопловых отверстий форсунки fc

13) Диаметр сопловых отверстий dc

см

Где ic=1 для вихрекамерных СДВС, ic=5…10 неразделенные камеры сгорания

Принимаю , ic=5

Параметры к построению индикаторной диаграммы

1) Рабочий объем цилиндра Vt

м^3

2) Объем камеры сжатия Vc

м^3

3) Полный объем цилиндра Va

Va=Vt+Vc=0,033+0,003=0,036 м^3

4) Объем в точке z Vz

Vz=Vc*ρ=0,003*1,53=0,0046 м^3

5) Индикаторная мощность дизеля Pi

кВт

6) Расход топлива B

B=bi*Pi=743*0,210=155,7 кг/ч

Задаваясь значениями объемов Vx в диапазоне от Va до Vc, находят значения давлений в этих точках и строят кривые сжатия и расширения по следующим формулам:

для сжатия

для расширения