Волжский государственный университет водного транспорта. Тепловой расчет судовых двигателей внутреннего сгорания.  

Исходные данные к тепловому расчету двигателя:

Эффективная мощность

Частота вращения коленчатого вала

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра

Давление наддува

Расчет.

Процесс наполнения.

Параметры окружающей среды:

- температура окружающей среды

К;

- давление окружающей среды

кПа.

1. Температура воздуха на выходе из компрессора:

- показатель политропы для центробежного компрессора.

2. Температура воздуха на входе в цилиндр

где

- снижение температуры воздуха в охладителе наддувочного воздуха (ОНВ), К.

Выберем

тогда

3. Температуру конца наполнения, К, с удовлетворительной точностью можно найти, воспользовавшись выражением

где

- примерная величина подогрева заряда от стенок цилиндра;

- температура остаточных газов;

- примерный коэффициент остаточных газов для судовых четырехтактных дизелей.

4. Давление конца наполнения

где

- рекомендованное значение потери

давления воздуха на впуске.

тогда

5. Коэффициент наполнения для четырехтактных дизелей без учета изменения количества рабочего тела вследствие дозарядки:

где

- рекомендованная геометрическая степень сжатия. Данное значение

должно обеспечивать получение абсолютной температуры заряда в конце сжатия Tc ≥ (750 … 800) K для надежного воспламенения впрыснутого топлива.

Процесс сжатия

1. Давление в конце сжатия

где

- показатель политропы сжатия.

Его величину рекомендуется выбрать по графику рис. 2 в зависимости от температуры конца наполнения Ta и геометрической степени сжатия εo или вычислить, решая уравнение

Решая данное уравнение, получим

тогда

2. Температура конца сжатия

Что соответствует значению температуры для дизелей с наддувом.

Процесс сгорания

1. Количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1кг топлива, кмоль/кг

(для дизельного топлива)

2. Ввиду несовершенства смесеобразования для обеспечения полного сгорания топлива количество воздуха, подаваемого в цилиндр, приходится увеличивать. Действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг, определяется выражением

где

- коэффициент избытка воздуха при сгорании. Ориентировочные значения коэффициента для номинального режима работы дизелей приведены в табл. 3.

Примем

для номинального режима работы дизелей.

3. Максимальное давление цикла

где

- степень повышения давления при сгорании.

При выборе значения λ (или pz) следует учитывать динамику выделения теплоты в начале сгорания. Если в первые мгновения после воспламенения сгорает больше топлива, то это увеличивает подвод теплоты в фазе быстрого сгорания, что сопровождается ростом λ (и pz).

4. Температура конца сгорания.

здесь

- низшая теплота сгорания топлива;

- коэффициент использования теплоты в точке “z”, учитывающий потери теплоты при сгорании, которые вы-званы теплообменом между рабочим телом и стенками камеры сгорания, диссоциацией продуктов сгорания, утечками рабочего тела и т. д. Более высокие значения этого коэффициента соответствуют дизелям с наддувом.

- коэффициент использования теплоты в точке “b”, учи-тывающий интенсивность подвода теплоты при дого-рании топлива в конце расширения:

Процесс расширения

1. Степень предварительного расширения

2. Степень последующего расширения

3. Давление конца расширения

где

- значение политропы, берем из таблицы для высокооборотного дизеля.

4. Температура конца расширения

Результаты расчета цикла.

Механические потери.

Механический КПД рекомендуется рассчитывать по формуле

где

- средняя скорость поргня, м/с.

Значение механического КПД для номинального режима работы дизеля выберем по таблице (четырехтактный, высокооборотистый)

Индикаторные показатели.

1. Среднее индикаторное давление

Для приближения расчетного цикла к действительному производят скругление расчетной индикаторной диаграммы. Среднее индикаторное давление «скругленного» расчетного цикла, кПа,

где

-коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

2. Удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт*ч)

3. Индикаторный КПД:

Эффективные показатели

1. Среднее эффективное давление

2. Удельный эффективный расход топлива

3. Эффективный КПД

Удельный эффективный расход топлива и эффективный к.п.д. являются одними из главных показателей, характеризующих экономичность дизеля.

Определение размеров цилиндра

1. Диаметр цилиндра

где

- коэффициент тактности;

- число цилиндров

2. Ход поршня

Полученные размеры округляюся:

- диаметр цилиндра

- ход поршня

Уточнение величины эффективной мощности дизеля

По округленным значениям размеров цилиндра уточняется эффективная мощность дизеля Peр, кВт:

где

- рабочий объем цилиндра.

Рассчитывается отклонение расчтеной эффективной мощности ΔРе от заданной величины

Расчет выполнен правильно, т.к. отклонение не превышает 5%.

Построение расчетной индикаторной диаграммы

Теоретическую (расчетную) индикаторную диаграмму строят в координатах p – V, начиная с определения координат характерных точек: «a», «c», «z'», «z», «b», «r». Давления pa, pc, pz, pb определя-ются по результатам расчета рабочего процесса, давление в процессе выпуска pr выбирается из соотношения po < pr < pa.

Найти объемы в точках «a», «c» и «z» диаграммы можно используя соотношения

После определения координат характерных точек расчетного цикла на диаграмме проводятся линии, соответствующие процессам наполнения, свободного горения и выпуска.

Для построения политропы сжатия «ac» следует пользоваться уравнением

а для построения политропы расширения "zb" - уравнением

Для учета особенностей протекания действительного цикла в построенной расчетной диаграмме производят скругление углов в районе точек «c», «z’», «z», «b» и «r».

Рис. Построение индикаторной диаграммы