--PAGE_BREAK--jа — фаза запаздывания закрытия впускного органа определяется исходя из типа рассчитываемого двигателя и может соответствовать фазе jа уже существующих тепловозных двигателей (см. табл.2.).
Таблица 2.
Дизель
ПД1М
K6S310DR
У1Д6
1Д12-400
1Д12Н-500
М756
Д70
Д49
Фаза jа,0пкв
35
35
48
48
50
56
46
28
фаза jа=28˚ Fп=3,14*0,2562/4=0,052
V’h=0,128((1-0,4716)+1,3/4*(1+0,0927))*0,052=0,0057 (м2)
Определяем объем сжатия:
, м3
Vc=0, 0057/ (24,6-1)=0,00024 м3
Количество свежего заряда в цилиндре в конце наполнения:
, кг (27)
где РS` — давление наддувочного воздуха в МПа.
M1ц=(0,1463*0,0057*0,809*106)/(287*370)=0,0063 (кг)
Масса рабочего тела в цилиндре в конце наполнения:
, кг
Мац=((0,0057+0,00024)*0,147/(0,128*390))*106=17,5 кг.
Давление воздуха в конце сжатия:
, МПа (28)
Pc=0,147*24,61,34=10,74 Мпа.
Температура воздуха в конце сжатия:
, К (29)
Tс=390*24,60,34=1159 K.
По условию возможности надежного самовоспламенения топлива значение температуры ТС должно быть не менее 750 К.Условие самовоспламенения выполняется.
2.3.Процесс сгорания
Целью расчета процесса сгорания является определение температуры ТZ и давления РZ рабочего тела в точке расчетной индикаторной диаграммы и степени предварительного расширения .
При расчетах рабочего цикла весовой состав дизельного топлива по химическим элементам принимается:
углерода С = 0,86, водорода Н = 0,13 и кислорода О = 0,1.
Коэффициент избытка воздуха оказывает непосредственное влияние на качество процесса сгорания топлива, а, следовательно, и на величину индикаторного КПД двигателя. Для дизелей с наддувом при определенных значениях коэффициента избытка воздуха удельный расход топлива достигает минимального значения.
Ориентировочно можно принимать, что расчетная величина коэффициента избытка воздуха находится в пределах для комбинированных двигателей
=2,2,
Определяем цикловую подачу топлива:
, кг/цикл (30)
ġц=0,0063/2,2*14,35=0,0001 кг/цикл
Цикловая подача современных тепловозных двигателей находится в пределах 0,305 — 1,46 г/цикл. Для определения температуры газов в конце «видимого» сгорания топлива точка “z” расчетной индикаторной диаграммы используют уравнение сгорания:
, (31)
где xZ — коэффициент использования теплоты в точке “z”;
mCV’ — средняя молярная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, кДж/моль.К;
mCР’ — средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении в точке “z”, кДж/моль.К;
Z — расчетный коэффициент молекулярного изменения в точке “z”;
ТZ — температура рабочего тела в точке“z”, К;
L0- количество киломолей воздуха, необходимое для сгорания I кг топлива при к = 1 (L0= 0,486).
Так как величины теплоемкостей приближенно являются линейными функциями температуры, то уравнение (31) является квадратным относительно ТZ.
Рекомендуется следующий порядок определения величин, входящих в уравнение (31).
2.3.1. Определяют коэффициент молекулярного изменения при полном сгорании:
, (32)
β=1+((8*0,13+0,1)/32*2,2*0,468)*0,980392156=1,054
2.3.2. Выбирают значение коэффициента использования теплоты в пределах:
· для дизелей средней быстроходности x = 0,75 — 0,85;
· для быстроходных дизелей x = 0,8 0,9.
2.3.3.Выбирают коэффициент выделения теплоты ХZ в конце «видимого» сгорания. Для двигателей средней быстроходности можно принятьХZ = 0,65 — 0,9; для быстроходных дизелейХZ = 0,75 — 0,85.
2.3.4.Подсчитывают коэффициент использования теплоты в точке Z:
, (33)
ξz=0,8*0,9=0,72
2.3.5.Коэффициент молекулярного изменения в точке Z:
, (34)
βz=(((1,054-1)*0,9)/(1+0,02))+1=1,04764
2.3.6.Выбирают значение степени повышения давления при сгорании , от которой зависят экономичность дизеля, его динамические характеристики и весовые показатели. В существующих конструкциях дизелей колеблется в пределах 1,2 — 2,2. Для дизелей с наддувом с целью обеспечения минимальных удельных эффективных расходов топлива целесообразно на расчетном режиме вести рабочий процесс при =1,3 — 1,8. Необходимо учитывать, что получившаяся максимальная величина давления сгорания РZне должна превосходить РZ = 12 — 14 МПа, так как при более высоких значениях РZ возрастает вес дизеля и деталей кривошипно-шатунного механизма.
2.3.7.Для определения значений средних молярных теплоемкостей свежего заряда воздуха mCV’ может быть использовано приближенное соотношение:
, (35)
mC’v=18,576+0,0025*1159=21,473
2.3.8.Определение значений средней мольной теплоемкости продуктов сгорания производится с учетом теплоемкостей смеси чистого воздуха и чистых продуктов сгорания (чпс):
, (35)
mC’’v=(21,473(2,2-0,9)+25,966*0,9)/2,2=23,311
где mCVчпс — мольная теплоемкость чистых продуктов сгорания;
(-х) — доля чистого воздуха в продуктах сгорания;
х — доля чистых продуктов сгорания, численно равная коэффициенту выделения тепла:
, (37)
mCчпсv=19,487+0,0036*1800=25,966
2.3.9.Учитывая, что:
mC’’p=8,312+23,311=31,623
из выражения (36) в точке “z” получим значение mC’’РZ:
, (38)
mC’’pz=8,312+(19,487*0,9)/2,2+(18,576(2,2-0,9))/2,2+[0,0036*0,9+0,0025(2,2-0,9)]*1800/2,2=32,571
Задаваясь в первом приближении температурой в точке Z равной 1800 К, определяют теплоемкость mC’’РZ и температуру ТZпо уравнению (31). При отклонении ТZ от 1800 К более, чем на 50 К, расчет повторяют.
Tz=59922/(1,04764*326654)=59,922/34,22157966=1751 K.
ТемператураТZнаходится в пределах 1750 1950 К.
Более высокие значенияТZнежелательны во избежание существенных потерь теплоты от значительной диссоциации молекул газов.
Максимальное давление сгорания РZ и степень предварительного расширения определяют из соотношений:
, (39)
Pz=1,3*10,74=13,962 Мпа.
, (40)
ρ=(1,04764/1,3)*(1751/1159)=1,217
2.4.Процесс расширения
По углу открытия выпускных органов газораспределения jВ определяютобъемрабочеготела VВ в точке “в”:
,
Vв=0,00024+0,052*0,128((1-0,4361)+1,3/4(1+0,2581))=0,00671 (м3)
Таблица 3.
Дизель
ПД1М
K6S310DR
У1Д6
1Д12-400
1Д12Н-500
М756
Д70
Д49
Фаза jв,0пкв
70
45
48
48
60
56
49
59,5
Степень последующего расширения определяют из соотношения
, (41)
σ=0,00671/(0,00024*1,217)=22,9
Для определения температуры рабочего тела в конце расширения (точка “в” расчетной индикаторной диаграммы) используют уравнения:
, К, (42)
гдеn2 — среднее значение показателя политропы расширения, и уравнение теплового баланса процесса расширения с учетом тепловыделения от догорания топлива на линии расширения:
, (43)
где
,
A’=(8,312*1,04764*1751)/1,054=14466,48
B’=42500*((0,8-0,72)/(2,2*0,468*
(1-0,02)*1,054))+(1,04764*23,311*1751)/1,054=43768,26
Уравнения(42) и (43) решаются совместно одним из численных методов.
Обычно для тепловозных дизелей величины n2 = 1,21 -1,3, ТВ = 900 -1200 К.
n2=((14466,48-8,312*1000)/(43768,26-23,311*1000)+1=1,3
TB=(1751/22,90,3)*(1,04764/1,054)=695 K.
Давление в конце расширения определяют по формуле:
, МПа (44)
РВ=13,962/22,91,3=0,238 Мпа.
ТемператураТВне должна превышать 1200 К во избежание значительного перегрева выпускных клапанов, головок поршней и пригорания поршневых колец.
2.5.Определение температуры газов, на входе в турбину и баланса мощностей компрессора и турбины
2.5.1.Схематически можно принять, что в процессе выпуска последовательно происходят изоэнтальпийное истечение газовизцилиндров в выпускной коллектор, их перемешивание с продувочным воздухом и перенос отработавших газов к турбине с некоторой потерей теплоты в стенки коллектора.
При перемешивании газов с наддувочным воздухом из уравнения баланса теплоты находится температура смеси.
Уравнение баланса теплоты может быть представлено в виде:
, (45)
гдеGS; G — суммарный и теоретический расход воздуха;
ТСМ, ТS; ТВ — температуры смеси, воздуха в ресивере и газов в точке “в”:
mCРСМ; mCРS и mCРВ — молярные теплоемкости смеси, воздуха в ресивере и газов в точке “в” (берутся из курса теплотехники).
Принимая mCРВ = mСРСМ, получим
, (46)
Tсм=((1,371-1,246)*317*1+1,246*695))/1,371=660 K.
Температуру смеси рабочего тела перед турбиной определяют с учетом потерь теплоты на охлаждение:
, (47)
Tт=660-0,11(660-350)=626 K.
где yr — коэффициент, учитывающий теплоотвод в выпускной системе;
Т’W — температура теплоносителя, охлаждающего коллектор.
В тепловозных дизелях величина yr находится в пределах:
· для коллектора, охлаждаемого водой — 0,1 — 0,15;
· для неохлаждаемого коллектора — 0,01 — 0,03.
В случае охлаждения коллектора водой значение Т’Wпринимается в пределах 320 — 360 К. Для неохлаждаемого коллектора значение Т’Wпринимается равной температуре воздуха в кузове тепловоза.
2.5.2.Мощность турбины зависит от расхода смеси GZ, температуры смесиТСМ на входе в турбину, перепада давлений в турбине Т и КПД hТ. Для обеспечения продувки двигателя перепад давлений по двигателю для 4-тактных дизелей не должен быть ниже , а для 2-тактных дизелей (где РТ — давление газов перед турбиной).
Тогда:
, (48)
где xr — коэффициент потерь давления в выпускной системе xr = 0,92
πт=1,222*0,92/1,05=1,070
Мощность турбины:
, (49)
Nт=(1,371*1,33*268*626*0,016)/0,33=1484 кВт
где КГ — показатель адиабаты выпускных газов КГ = 1,32 1,35;
Из баланса мощностей компрессора и турбины получим требуемый КПД турбины:
, (50)
ηт=1000/1484=0,67
где NК подсчитана по формуле (13).
Полученные величины требуемого КПД не должны быть выше значений, реально достигаемых в настоящее время hТ 0,8 0,85.
2.6.Технико-экономические показатели проектируемого дизеля
Величина среднего индикаторного давления:
, Па (51)
Pi=0,96*0,455(0,2821+3,162-1,943)=0,65 Па.
Для 4-х тактных дизелейy= 0, и коэффициент полноты диаграммы принимают jП = 0,94 0,96. Принимая по опытным данным значение механического КПД hМв пределах:
· для 4-х тактных дизелей: без наддува@0,75 0,80;
с наддувом @ 0,80 0,92;
определяют среднее эффективное давление:
, Па (52)
Pе=0,655*0,92=0,602 Мпа.
Эффективная мощность дизеля определяется по формуле:
, кВт (53)
Ne=((0,602*0,20096*8*115,13)/12,56))*103=8871 кВт.
В случае, если полученная мощность окажется меньше заданной, следует изменить рабочий объем двигателя или давление наддува и произвести повторный расчет.
Индикаторный КПД определяетсяиз соотношения:
, (54)
ηi=(287*2,2*14,35*0,65*370)/(42500*0,80*0,154)=0,4161
где RВ = 0,287 кДж/кг.К; НИ = 42500 кДж/кг; L’0= 14,35.
Эффективный КПД дизеля:
,
ηe=0,4161*0,92=0,3828
Индикаторный КПД тепловозных дизелей изменяется в пределах hi = 0,41 — 0,51, а эффективный — hе = 0,38 -0,44.
Удельный индикаторный расход топлива:
, кг/кВт.ч (55)
ġi=3600/(42500*0,4161)=0,203 кг/кВт.ч
Удельный эффективный расход топлива:
, кг/кВт.ч (56)
ġe=0,203/0,92=0,220 кг/кВт.ч
Достигнутые значения gе для тепловозных дизелей: 4-х тактные–0,2 — 0,225 кг/кВт.ч, Литровая мощность двигателя:
, кВт/л (57)
Nл=8871/(0,20096*8*1000)=5,5 кВт/л.
Для тепловозных дизелей соответственно: 4-х тактные NЛ15, После окончания расчета рабочего процесса и технико-экономических показателей все основные результаты следует свести в таблицу 4.
Таблица 4.
Результаты расчетов.
№
№
Наименование показателя
Обозначение
Размерность
Значение
1.
Эффективная мощность.
Nе
кВт
8871
2.
Угловая скорость коленчатого вала.
w
рад/с
115,13
3.
Размерность двигателя.
S/D
—
1,0
4.
Суммарный коэффициент избытка воздуха.
S
—
2,2
5.
Расход воздуха.
GS
кг/с
1,371
6.
Давление наддува.
РS
МПа
0,154
7.
Мощность, потребляемая компрессором.
NК
кВт
1000
8.
Температура воздуха на выходе из компрессора.
Т2
К
334
9.
То же, на входе в дизель.
ТS
К
370
10.
Потери давления воздуха.
Р’S
МПа
0,1463
11.
Давление воздуха в начале сжатия.
Ра
МПа
0,147
12.
Температура воздуха в конце наполнения.
Та
К
390
13.
Масса рабочего тела в конце наполнения.
Мац
кг
17,5
14.
Коэффициент наполнения.
hV
—
0,809
15.
Степень сжатия.
e
—
24,6
16.
Показатель политропы сжатия.
nc
—
1,34
17.
Давление воздуха в точке “С”.
РС
МПа
10,74
18.
Температура воздуха в точке “С”.
ТС
К
1159
19.
Давление газов в точке “z”.
РZ
МПа
13,962
20.
Температура газов в точке “z”.
ТZ
К
1751
21.
Давление газов в точке (В).
РВ
МПа
0,238
22.
Температура газов в точке (В).
ТВ
К
695
23.
Показатель политропы расширения.
np
—
1,300
24.
Температура газов перед турбиной.
Тт
К
626
25.
Мощность турбины.
NТ
кВт
1484
26.
КПД турбины.
hТ
—
0,67
27.
Среднее индикаторное давление.
Рi
МПа
0,65
28.
Среднее эффективное давление.
Ре
МПа
0,602
29.
Индикаторный КПД.
hi
—
0,4161
30.
Эффективный КПД.
hе
—
0,3828
31.
Цикловая подача топлива.
gц
кг/цикл
0,0005
32.
Удельный индикаторный расход топлива.
gi
кг/цикл
0,203
33.
Эффективный расход топлива.
gе
кг/кВт.ч
0,220
34.
Литровая мощность.
Nл
кВт/л
5,5
Таблица 5.
Исходные данные для расчета индикаторной диаграммы.
№№
Наименование
Размерность
Обозначение
Величина
математическое
программное
1.
Газовая постоянная рабочего тела.
Дж/кг.К
RГ
286,5
2.
Температура воздуха в конце наполнения.
К
Та
390
3.
Масса рабочего тела в конце наполнения.
кг
Ма
17,5
4.
Объем камеры сгорания.
м3
Vс
0,00024
5.
Степень повышения давления.
—
1,3
6.
Степень предварительного расширения.
—
1,217
7.
Фаза закрытия впускного клапана.
град. (рад.)
jа=j4
28˚
8.
Фаза открытия выпускного клапана.
град. (рад.)
jв=j1
59,5˚
9.
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
—
0,04
10.
Площадь днища поршня.
м2
Fп
0,052
11.
Радиус кривошипа.
м
R
0,128
12.
Шаг интегрирования.
град. (рад.)
Dj
10
продолжение
--PAGE_BREAK--
продолжение
--PAGE_BREAK--