МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект имеет своей целью закрепление теоретических сведе­ний, полученных студентами при изучении курса Судовых ДВС. При выпол­нении курсового проекта студент должен научиться самостоятельно оцени­вать различные параметры, характеризующие работу дизеля, и усвоить кон­кретные пути проектирования двигателя.

Выполнение проекта дизеля невозможно без четкого и ясного пони­мания материала теоретического курса и конструкции дизеля.

Курсовой проект, состоящий из расчетно-пояснительной записки и графической части, выполняется в следующем объеме:

1. Расчет рабочего цикла дизеля (конструктивный или поверочный); построение индикаторной диаграммы;

2. Динамический расчет с построением диаграмм нормальных, касательных и радиальных уси­лий;

3. Расчет газообмена дизеля;

4. Расчет на прочность коленчатого вала дизеля;

5. Основные правила техники безопасности при конструировании и обслуживании дизеля.

Графическая часть состоит из одного листа попереч­ного разреза дизеля на формате А1. Чертеж выполняется в соответствия с ГОСТ и в заданном масштабе. Записка должна содержать обоснования и необходимые расчеты по проектируемому дизелю. Изложение записки должно быть технически грамотным, четким и сжатым. Выбор ис­ходных данных для расчета параметров должен быть обоснован ссылками на источники. Записку по расчёту следует оформлять в той же последователь­ности, в какой изложена методика. Указываются порядковый номер пункта и его наименование, после чего приводится расчётная формула с последующей записью цифровых значений параметров, входящих в неё. Записка выполня­ется на листах формата А4, причем текст пишется на одной стороне. Записка обязательно бро­шюруется.

Исходными данными в задании на курсовой проект в зависимости от вида расчета рабочего цикла являются:

1. Прототип двигателя;

2. Диаметр цилиндра и ход поршня;

3. Частота вращения коленчатого вала;

4. Сорт топлива;

5. Максимальное давление сгорания;

6. Давление наддувочного воздуха;

7. Температура окружающей среды;

8. Число цилиндров;

9. Средняя скорость поршня;

10. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра.

В списке литературы, приведенном в конце указаний, даны как учеб­ники по курсу судовых двигателей внутреннего сгорания и их эксплуатации, так и книги, содержащие описание конструкций и характеристик дизелей, необходимых для расчетов.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ

 

Цель расчета рабочего цикла – определение основных параметров рабочего процесса дизеля.

Расчетный цикл базируется на относительно простом, но достаточно точном методе теплового расчета В.И.Гриневецкого – Е.К.Мазинга, разработанном в 1907 году в МВТУ им. Баумана, который позволяет определить расчетные значения параметров рабочего тела в характерных точках цикла, энергетические и экономические показатели работы двигателя.

Расчетный цикл представляет собой совокупность пяти последовательно протекающих процессов: наполнение, сжатие, сгорание топлива, сгорание-расширение и выпуск. Основные расчетные формулы для каждого из перечисленных процессов получаются совместным решением уравнения состояния идеального газа, уравнений баланса энергии и массы. Процесс выпуска и его влияние на процесс наполнения в рамках данного метода расчета не рассматриваются.

Расчет рабочего цикла заканчивается определением индикаторных показателей двигателя кроме мощности. Эффективные и геометрические характеристики двигателя от расчетного цикла не зависят. В этом заключается один из главных качественных недостатков метода В.И.Гриневецкого – Е.К.Мазинга, а именно, отсутствие зависимости между параметрами рабочего цикла и скоростью поршня.

Графическое изображение расчетного цикла в рабочих координатах (рис. 1.1) называется диаграммой расчетного цикла. На этой диаграмме не отображаются процессы газообмена (на диаграмме четырехтактного двигателя отсутствуют такты газообмена, а на диаграмме двухтактного двигателя - «хвостовая» часть).

Рис. 1.1. Диаграмма расчетного цикла

Обозначения на рисунке

- рабочий объем цилиндра;

- объем камеры сгорания (камеры сжатия);

- объем цилиндра в конце видимого сгорания;

- объем цилиндра в начале сжатия (в конце расширения);

- давление в цилиндре в начале сжатия;

- давление в цилиндре в конце сжатия;

- максимальное давление в цилиндре (давление сгорания);

- давление в цилиндре в конце расширения.

 

Для двухтактных дизелей введены следующие понятия

- потерянная доля хода поршня на процессы газообмена из-за наличия продувочных (выпускных) окон;

- потерянная часть хода поршня на процессы газообмена.

Эти же понятия можно рассматривать применительно к объему

 

Исходные данные

Выбор исходных данных кроме указанных в задании на курсовой проект, выполняется по технической документации и литературным источникам. Исходные данные рекомендуется записать в виде таблицы (таблица 1.1) с цифровыми значениями.

Таблиця 1.1 – Исходные данные для расчета рабочего процесса дизеля

Обозначение	Наименование	Ед. изм.	Числ. знач.
	Давление окружающей среды	МПа
	Давление наддувочного воздуха	МПа
	Максимальное давление сгорания	МПа
	Температура окружающей среды	К
	Температура остаточних газов	К
	Снижение температуры наддувочного воздуха в ОНВ	К
	Подогрев воздуха от стенок цилиндра	К
	Доля массы углерода в 1 кг топлива	-
	Доля массы водорода в 1 кг топлива	-
	Доля массы кислорода в 1 кг топлива	-
	Доля массы серы в 1 кг топлива	-
	Низшая теплота сгорания топлива	кДж/кг

Продолжение таблицы 1.1

	Коэффициент избытка воздуха при сгорании топлива	-
	Коэффициент остаточних газов	-
	Действительная степень сжатия	-
	Механический КПД дизеля	-
	Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре ГТН	-
	Коеффициент скругления индикаторной диаграммы	-
	Коеффициент использования тепла в точке „z”	-
	Коеффициент использования тепла в точке „b”	-
	Коеффициент, учитывающий снижение давления в точке „a”	-
	Диаметр цилиндра	м
	Ход поршня	м
	Коеффициент в формуле мощности, равный 13,1 для двухтактных дизелей и 6,55 – для четырехтактных	-
	Потеря рабочего хода поршня в долях	-
	Частота вращения колінчатого вала	мин-1
	Количество цилиндров	-
	Ориентировочная максимальная температура цикла в точке „z”	К
	Ориентировочная температура газов в конце расширения в точке „b”	К
	Ориентировочное значение показателя политропы сжатия воздушного заряда в цилиндре	-
	Основание расчетной индикаторной диаграммы (рекомендуется 250 мм)	мм
	Эффективная мощность	кВт
	Отношение хода поршня к диаметру цилиндра	-
	Средняя скорость поршня	м/с

Примечание: Расчет цикла двигателя предусматривает два варианта: поверочный и конструктивный. Поверочный расчет проводится для конкретного дизеля, т. е . , и известны (заданы в таблице 1.1). Поэтому после определения сразу рассчитывается эффективная мощность двигателя . Выбор исходных данных в таблице 1.1 заканчиваются на выборе длины индикаторной диаграммы . При конструктивном расчете при заданной эффективной мощности , средней скорости поршня и отношению определяют диаметр цилиндра , ход поршня и частоту вращения вала . Поэтому в таблице исходных данных условно следует принять , , .

 

Расчетные уравнения

Процесс наполнения

1.2.1. Давление начала сжатия, МПа

,

где: – давление наддувочного воздуха, МПа,

– коэффициент, учитывающий снижение давления воздушного заряда в цилиндре двигателя в начале сжатия из-за сопротивления во впускных органах (продувочных окнах).

1.2.2. Температура воздуха в продувочном ресивере, К

где: и – давление и температура воздуха в МКО, К;

– показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре ГТН, принимается от 1,45 до 1,6 – для поршневых компрессоров и от 1,7 до 1,8 – для центробежных компрессоров;

– снижение температуры наддувочного воздуха в охладителе наддувочного воздуха (ОНВ) после компрессора, выбирается так, чтобы

К и К,

где - температура точки росы для условий в МКО, К, рассчитывается по формуле, приведенной в ПТЭ судовых дизелей [11],

где - температура воздуха в машинном отделении, ⁰С;

- относительная влажность воздуха в машинном отделении, % ;

- избыточное давление наддувочного воздуха перед ОНВ, кгс/см².

1.2.3. Температура воздушного заряда цилиндра к началу сжатия, К

,

где: - степень подогрева воздушного заряда от стенок цилиндра, К;

- коэффициент остаточных газов;

- температура остаточных газов, К, принимается от 650 до 700 К;

1.2.4. Коэффициент наполнения, отнесенный к полезному ходу поршня

,

где - действительная степень сжатия.

 

1.2.5. Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня

,

где - потеря рабочего хода в долях от хода поршня.

 

Процесс сжатия

1.2.6. Средний показатель кажущейся адиабаты сжатия

Уравнение решается методом последовательных приближений. В качестве первого приближения принимаем . Решение найдено, если , где – погрешность вычисления показателя .

1.2.7. Температура воздушного заряда в конце сжатия, К

Должно быть ,

где – температура самовоспламенения топлива, указывается в сертификате на топливо, К.

1.2.8. Давление в конце сжатия, МПа

1.2.9. Теплоемкость воздуха в конце сжатия, кДж/(кмоль∙ К)

 

Процесс сгорания

 

1.2.10. Действительное количество воздуха, участвующее при сгорании 1 кг топлива, кмоль/кг _{топлива}

,

где : – коэффициент избытка воздуха при сгорании;

– количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива, кмоль /кг_{топлива} ;

, , и – доли углерода, водорода, серы и кислорода в 1 кг топлива (принимаются для выбранного сорта топлива).

 

1.2.11. Теоретический коэффициент молекулярного изменения

1.2.12. Доля топлива, сгоревшего в т. z

1.2.13. Действительный коэффициент молекулярного изменения в т. z

1.2.14. Действительный коэффициент молекулярного изменения в конце сгорания с учетом догорания

1.2.15. Коэффициенты уравнений теплоемкости продуктов сгорания

в конце видимого сгорания ;

, кДж/(кмоль∙ К)

, кДж/кмоль

в конце расширения

, кДж/(кмоль∙ К)

, кДж/кмоль

1.2.16. Степень повышения давления при сгорании

1.2.17. Решение уравнения сгорания

где где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; необходимо рассчитать по формуле /12/ после обоснования выбора сорта (марки) топлива.

Уравнение решается методом последовательных приближений, причем в качестве первого приближения принимаем = 2000 К. Решение найдено, если

,

где - погрешность вычисления температуры.

 

 

1.2.18. Степень предварительного расширения

 

 

Процесс расширения

 

1.2.19. Степень последующего расширения

1.2.20. Решение уравнений процесса догорания и расширения

(1.1)

, (1.2)

где - показатель политропы расширения;

- температура газов в конце расширения, К;

Систему уравнений (1.1) и (1.2) решаем методом последовательных приближений. В качестве первого приближения принимаем = 1000 К, которое подставляется в правую часть уравнения (1.1). В результате, получаем (n₂ - 1), которое подставляем в уравнение (1.2).

Система уравнений решена, если

1.2.21. Давление в конце расширения, МПа

.

 

Индикаторные и эффективные показатели цикла

1.2.22. Среднее индикаторное давление расчётного цикла, отнесенное к полезному ходу поршня, МПа

1.2.23. Среднее индикаторное давление, отнесенное к полному ходу поршня, МПа

где - коэффициент скругления индикаторной диаграммы.

1.2.24. Среднее эффективное давление, МПа

,

 

1.2.25. Удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт∙ час)

1.2.26. Удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт∙ час)

1.2.27. Индикаторный КПД дизеля

1.2.28. Эффективный КПД дизеля

 

Конструктивные характеристики двигателя

1.2.29. Диаметр цилиндра, м

,

где N_e - эффективная мощность двигателя, кВт;

C₁ = 13,1 - для 2-х тактных и C₁ = 6,55 - для 4-х тактных двигателей;

S - ход поршня, м;

n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1;

i - число цилиндров.

Так как средняя скорость поршня , то

.

1.2.30. Ход поршня, м

S = d·D.

После определения D и S их необходимо округлить до значений в миллиметрах, оканчивающихся на цифры «0» или «5».

1.2.31. Частота вращения коленчатого вала, мин^-1

1.2.32. Эффективная мощность дизеля, кВт

Если расчетные параметры рабочего процесса двигателя по сравнению с данными прототипа признаны не удовлетворительными, то необходимо откорректировать исходные данные и повторить расчет.