Выбор и обоснование исходных параметров для расчета рабочего цикла

Тепловой и динамический расчеты главного двигателя

Выбор и обоснование исходных параметров для расчета рабочего цикла

3.2.1.Давление и температура окружающей среды принимаются в соответствии со стандартом Р_о=0,1МПа; Т_о =300K.

3.2.2.Так как процесс сжатия четырехтактных дизелей условно начинается в НМТ, то доля хода поршня, потерянная в начале процесса сжатия, yа=0 [5, стр.42].

3.2.3. В судовых дизелях степень сжатия e зависит от типа двигателя, его быстроходности, способа смесеобразования, наличия наддува, конструктивных особенностей и других факторов. Для четырехтактных дизелей средней оборотности степень сжатия находится в пределах от 13 до 14,5 [3,стр.56]. В соответствии с технической документацией дизеля 8ЧРН32/48, e=13,25.

3.2.4. Показатель политропы сжатия в компрессоре n_к выбирается в зависимости от типа нагнетателя и находится в пределах от 1,5 до 2,0. Высокие значения показателя политропы объясняются подводом тепла от горячих стенок нагнетателя к рабочему телу. Верхний предел относится к центробежным нагнетателям, приводимым в движение турбинами выхлопных газов. Для поршневых нагнетателей n_К находится в пределах от 1,5 до 1,6, а для ротативных от 1,7 до 1,8 [3, стр.45]. Так как двигатель 8ЧРН32/48 имеет центробежный нагнетатель, то выбираем nк = 1,75

3.2.5. Давление наддува является одним из основных параметров дизеля, определяющим степень форсирования рабочего процесса. Для увеличения массы заряда свежего воздуха в цилиндре двигателя необходимо увеличить давление наддува. В соответствии с паспортными данными дизель 8ЧРН32/48 имеет импульсный газотурбинный наддув с одним турбокомпрессором, создающим давление наддува P_S=0,13МПа.

3.2.6. Коэффициент остаточных газов зависит от тактности двигателя, типа системы газообмена, частоты вращения двигателя, размеров цилиндра, степени сжатия и других факторов. Значение g_Г выбираем из опытных данных. Для четырехтактных СОД с наддувом g_Г находится в пределах от 0,02 до 0,04 [4, стр.139]. Принимаем g_Г=0,02.

3.2.7. Температуру остаточных газов выбираем по опытным данным и оцениваем приближенно. Она находится в пределах от 750 до 900 К. С ее повышением уменьшается плотность, количество, а, следовательно, и _г остаточных газов [3, стр.44]; принимаем Т_г = 750 К. Давление остаточных газов Рг зависит от сопротивления в выпускном тракте. С повышением Р_г увеличивается плотность газов и gг повышается. В предварительных расчетах для СОД принимается Р_г от 0,102 до 0,106 МПа [3, стр.49].

3.2.8. Степень подогрева заряда воздуха в двигателе Тs зависит от конструктивных особенностей двигателя, схемы газообмена в цилиндре, и других факторов. Для двухтактных дизелей DТs находится в пределах от 5 до 10К; для четырехтактных от 10 до 20 К [3, стр.44]. Для дизеля 8ЧРН 32/48 принимаем DТs = 10 К.

3.2.9. Степень охлаждения воздуха в воздухоохладителе Тв.о. выбираем из условия: DT_в.о. = Т_к -T_S³310К, где T_S-температура воздуха в ресивере в соответствии с паспортными данными дизеля равна 322K. T_к-температура воздуха за компрессором должна быть несколько больше 310K, так как в противном случае в системе двигателя нецелесообразно предусматривать холодильник воздуха из-за малого температурного напора и увеличенных поверхностей охлаждения. Вычисляем T_к по формуле:

Т_к= Т_о(P_к/P_o)^(nК-1)/nК,

где P_к-давление воздуха за компрессором, равное сумме давления наддувочного воздуха Р_S и сопротивления холодильника воздуха DP=0,004МПа [3,стр.45]. T_к=300(0,133/0,1)^0,75/1,75=335К.

Отсюда DТв.о.=335-322=13К.

3.2.10. Коэффициент избытка воздуха a это отношение действительного количества воздуха в цилиндре перед началом сгорания к теоретически необходимому для сгорания цикловой подачи топлива. Он выбирается с учетом степени быстроходности дизеля, наличия наддува, способа смесеобразования, конструкции камеры сгорания. Согласно опытным данным у среднеоборотных двигателей (СОД) на номинальном режиме работы a находится в пределах от 1,6 до 2 [2, стр.37]. Выбираем a =1,8.

3.2.11.Показатель политропы сжатия n₁ зависит от типа двигателя, его быстроходности, частоты вращения, условий охлаждения. С увеличением частоты вращения двигателя, показатель политропы сжатия n₁ растет, так как уменьшается продолжительность теплообмена, а при снижении частоты вращения, n₁ падает. С увеличением нагрузки средняя температура стенки повышается, и, следовательно, к заряду за первый период процесса сжатия подводится больше теплоты. Во второй период сжатия теплоотдача в стенки сокращается, в результате за весь цикл n₁ повышается. Значительное влияние на снижение n₁ оказывают конструктивные мероприятия, например: повышение скорости циркуляции охлаждающей цилиндр воды, введение охлаждения поршня. Значения среднего показателя политропы сжатия составляют для СОД от 1,34 до 1,42 [2, стр.35]. Выбираем n₁ = 1,37.

3.2.12 Максимальное давление цикла Р_Z принимаем по паспортным данным двигателя Р_z = 6,7 МПа.

3.2.13.Значения коэффициентов использования теплоты при максимальном давлении и температуре газов в цилиндре-x_Z и в конце расширения -x_b зависят от совершенства процесса сгорания топлива, а так же потерь теплоты в период сгорания. Согласно опытным данным для малооборотных двигателей (МОД) и СОД значения этих коэффициентов лежат в пределах: x_Z от 0,75 до 0,90; x_b от 0,86 до 0,98. Принимаем x_z=0,8 и x_b=0,9 [4; стр.154].

3.2.14. Показатель политропы расширения n₂ принимаем по опытным данным. С увеличением частоты вращения он уменьшается. Для СОД с охлаждаемыми поршнями значения n₂ лежит в пределах от 1,2 до 1,3 [3, стр.65]. Принимаем n₂ = 1,2.

3.2.15 Механический КПД дизеля h_м оценивается в зависимости от типа, частоты вращения, конструктивных особенностей дизеля, способа осуществления наддува. Для CОД с наддувом h_м находится в пределах от 0,89 до 0,91. Принимаем h_м = 0,9 [5, стр.71].

3.2.16.В расчетах рабочих процессов дизеля принимаем низшую теплоту сгорания топлива Q_н, так как при относительно высокой температуре отработавших газов пары воды, образующиеся при сгорании водорода, не конденсируются, и скрытая теплота парообразования в рабочем процессе не используется. В соответствии со стандартом принимаем Q_н =41868 кДж/кг.

Выбранные данные сводим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Исходные данные для расчета рабочих процессов

Наименование исходного параметра	Обозначение, размерность	Численное значение
Давление окружающей среды	PO, МПа	0,1
Температура окружающей среды	TO,МПа
Доля потерянного хода поршня	Yа
Степень сжатия	e	13,25
Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре	nK	1,75
Коэффициент остаточных газов	gГ	0,02
Температура остаточных газов	TГ , K
Давление остаточных газов	PГ,MПа	0,104
Степень подогрева заряда воздуха в цилиндре	DTS, K
Коэффициент избытка воздуха	a	1,8
Показатель политропы сжатия	n1	1,37
Показатель политропы расширения	n2	1,2
Максимальное давление цикла	PZ,МПа	6,7
Механический КПД	hм	0,9
Коэффициент использования теплоты: -при максимальном давлении	xZ	0,8
-в конце расширения	xb	0,9
Давление наддувочного воздуха	PS	0,13

3.3 Расчет рабочих процессов в цилиндре

3.3.1 Процесс наполнения

3.3.1.1 Давление в конце процесса наполнения вычисляем по формуле: Р_а=x_а×P_S, где коэффициент снижения давления во впускных каналах x_а для четырехтактных дизелей с наддувом находится в пределах от 0,9 до 0,96. Принимаем x_а=0,96 [5, стр.44].

Р_а=0,96 ×P_S =0,96×0,13=0,125 МПа

3.3.1.2 Температуру в конце процесса наполнения вычисляем по формуле:

Та=(Тs + DTs +g_г Тг)/(1 + gг),где

Тs=Tк-DТв.о.=335-13=322К - температура воздуха перед цилиндром.

3.3.1.3 Коэффициент наполнения равен

h_н=(e×Р_а×Тs)/[(e-1)×Ps×Та(1+gг)]=

3.3.2 Процесс сжатия

3.3.2.1 Давление газов в конце сжатия вычислим по формуле

Рс = Ра×eⁿ¹ =0,1248×13,25 ^1,379 = 4,4МПа.

3.3.2.2 Температура газов в конце сжатия определяем по формуле

Тс = Та e^{n1 - 1} =340,2×13,25 ^0,379= 906 К

3.3.3 Процесс сгорания

3.3.3.1 Степень повышения давления определим по формуле

l= Рz / Рс =6,7/4,4=1,52

3.3.3.2 Рассчитаем максимальную температуру сгорания Т_Z, предварительно определив:

-среднюю мольную теплоемкость сухого воздуха:

C_v^’= 19,26 + 0,0025Тс =19,26+0,0025×906=21,525кДж /к моль К;

-среднюю мольную теплоемкость продуктов сгорания:

С_v^’’ = 20,47 +0,0036Тс = 20,47+0,0036×906=23,732кДж /к моль К;

-долю топлива сгоревшего при максимальном давлении газов в цилиндре:

x_z= x_z / x_b =0,8/0,9= 0,889;

-теоретический коэффициент молекулярного изменения:

b_o = 1+0,0639 / a =1 +0,0639/1,8= 1,0355;

-действительный коэффициент молекулярного изменения:

b_z = 1+(b_o+1)/(1+gг)x_Г = 1+(0,0355/1,02) 0,889=1,0348;

Уравнение приводим к виду:

Т_z=a/C_P^’’где

a=[xZ×Qн/a×L_o+(C_v^’+R×l)×T_c+gгT_c(C_v^’’+R×l)]1/b_z(1+g_Г)=

=[0,8×41868/ 1,8×0,495+(21,525+8,314×1,52)×906+

+0,02×872,3×(23,732+8,314×1,52)]×1/1,0348×1,02=65563,45,где

L_o=0,495кмоль/кг- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания1кг топлива [1, стр.148];R=8,314кДж/(кмоль К)-универсальная газовая постоянная; С_p^’’=28,22+0,00307T_z-cредняя мольная изобарная теплоемкость продуктов сгорания.

Отсюда: Т_z = 65563,45/(28,22+0,00307 T_Z)_.

Решая квадратное уравнение, получим T_Z =1922 К

3.3.3.3 Степень предварительного расширения определяем по формуле:

r= b_z×Т_z / (T_c×l) =

3.3.4 Процесс расширения.

3.3.4.1 Степень последующего расширения определяем по формуле:

d = e/b = 13,25/1,44=9,2

3.3.4.2 Давление газов в цилиндре в конце расширения определяем по формуле:

P_b = Рz / dⁿ² =6,7 /9,2 ^1,.22 =0,447МПа

3.3.4.3 Температура газов в конце расширения определим по формуле:

T_b=T_z/d^n2-1=1922/9,2 ^0.22 =1179,56 К

Результаты расчетов рабочих процессов записываем в таблицу 3.2

Таблица 3.2 – Резу льтаты расчетов рабочих процессов в цилиндре

Наименование расчетных параметров	Условное обозначение, размерность	Числовое значение
Давление смеси воздуха и остаточных газов в начале сжатия	Pа, МПа	0,125
Температура смеси в начале сжатия	Та , К	340,2
Коэффициент наполнения	hн	0,953
Давление в конце сжатия	РС, МПа	4,4
Температура в конце сжатия	ТС , К
Степень предварительного расширения	r	1,44
Степень последующего расширения	d	9,2
Степень повышения давления	l	1,52
Температура в точке цикла, соответствующая окончанию видимого сгорания топлива	ТZ, K
Давление газов в конце расширения	Pb , МПа	0,447
Температура газов в конце расширения	Тb , K	1179,56