1.1. Определение параметров рабочего процесса дизеля
Определим рабочий объем цилиндра в м3.
где D и S подставляются в м
Геометрическая степень сжатия e есть отношение наибольшего объёма цилиндра Vmах к наименьшему объёму Vmin, т.е.
Из выражения для e определяем объём камеры сжатия в м3 (объём цилиндра, соответствующий точке с)
где e - геометрическая степень сжатия задана в исходных данных.
Действительная степень сжатия есть отношение объёма цилиндра, соответствующего положению поршня в момент закрытия органов газораспределения (клапанов или окон), к наименьшему объёму цилиндра
где y - доля потерянного хода поршня.
Для двухтактного двигателя доля потерянного хода y на процессы газообмена определяется из соотношения, связывающего геометрическую e и действительную ev степени сжатия:
где ev - задано в исходных данных.
Определим теперь объёмы цилиндра, соответствующие точке а:
Vа = Vв = Vc + (1 - y)*Vh =0,000847+(1-0,149)*0,0124=0,0114
При выполнении расчётов за номинальные условия окружающей среды принимать Ро = 0,1013 МПа, То = 293 К. Давление рабочего тела в конце наполнения определяется по соотношениям:
для двухтактного двигателя Ра = К3*Рк Мпа
Здесь Ро - давление окружающей среды, МПа; Рк - давление на выходе из компрессора (во впускном патрубке дизеля); К3 = 0,95 … I,05 - экспериментальные коэффициенты, полученные по опытным данным для эксплуатируемых дизелей.
Примем К3 =1
Ра=1,05*0,219=0,23МПа
Температура рабочего тела в конце наполнения
где Тк - температура воздуха во впускном патрубке дизеля, К (допускается принимать Тк = ЗЗО К);
DТ- величина дополнительного подогрева воздуха от нагретых продуктов сгорания, К;
γ - коэффициент остаточных газов, равный отношению количества остаточных газов Gост к свежему заряду воздуха. Gcв ;
Тz - температура остаточных газов, К.
По опытным данным для эксплуатируемых тепловозных дизелей можно принять
DТ = 10…15 К, Тz = 700…800 К - для двухтактных дизелей.
Определяют коэффициент наполнения. Коэффициентом наполнения ηv называют отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр к началу сжатия, к тому количеству, которое могло бы поместиться в полезном объёме (I - ψ)Vh при параметрах воздуха перед впускными органами - давлении Рк и температуре Тк
Коэффициент наполнения для двухтактного двигателя, отнесенный к рабочему объёму цилиндра,
=0,924*(1-0,149)=0,786
Давление и температуру рабочего тела в конце сжатия (точка С) определяют по формулам:
;
где ε(v) - действительная степень сжатия
nc - среднее значение показателя политропы сжатия.
По опытным данным nc = 1,36…1,38. Величина nc зависит от интенсивности охлаждения цилиндра и его газоплотности: меньшее значение nc принимается при интенсивном охлаждении и меньшей газоплотности.
Теоретически необходимое количество воздуха в киломолях для сгорания I кг жидкого топлива определяется с учётом его элементарного состава по стехиометрическим соотношениям.
кмоль возд./кг. топл. или в массовых единицах
кмоль возд./кг. топл.
кг.возд./кг.топл,
где mв = 28,95 кг/кмоль - молекулярная масса воздуха.
кг.возд./кг.топл
Химический коэффициент молекулярного изменения μо, характеризующий относительное увеличение числа молей продуктов сгорания по сравнению с числом молей воздуха, участвующего в горении, определяют по формуле:
,
где H,O - массовые доли элементов топлива (по заданию);
α - коэффициент избытка воздуха для сгорания
Действительный коэффициент молекулярного изменения μ характеризует относительное увеличение числа молей рабочего тела в цилиндре при сгорании топлива
,
где g - коэффициент остаточных газов
Степень повышения давления при сгорании
.
Температура рабочего тела в конце сгорания tz = TZ - 273,8 °С определяется из уравнения сгорания:
,
где x - коэффициент эффективного выделения тепла до точки z; - низшая теплота сгорания топлива (по заданию); - средняя молярная теплоёмкость при постоянной давлении продуктов сгорания жидкого топлива, определяемая при температуре tz;
- средняя молярная теплоёмкость при постоянном объёме для воздуха, определяемая при темпере, tс.
Средние молярные теплоёмкости в кДж/(Кмоль• град) определяют по формулам:
- воздух и двухатомные газы:
=20,93+2,093/1000*709,32=22,41 кДж/(Кмоль• град)
- продукты сгорания жидкого топлива при α > I:
После вычисления TZ = tZ +273=1567,4+273=1823,4 К определяем степень предварительного расширения
Так как по определению степень предварительного расширения
, то
Заданное значение PZ = Pmax и расчётные значения ТZ и VZ полностью определяют параметры и положение точки Z в координатах P-V.
Давление PB и температура TB рабочего тела в конце расширения определяются из соотношений:
;
где действительная степень последующего расширения продуктов сгорания.
np - среднее значение показателя политропы расширения.
По опытным данным np = 1,26 …1,28. Величина np зависит от интенсивности охлаждения цилиндра и его газоплотности.
, МПа
К
После определения параметров характерных точек индикаторной диаграммы вычисляются показатели рабочего процесса.
Расчётное среднее индикаторное давление в МПa определяют по формуле ,
где εV действительная степени сжатия, δV - действительная δV степени последующего расширения
Среднее индикаторное давление действительного цикла Pi меньше расчётного Pip вследствие наличия скруглений в точках индикаторной диаграммы и в конце расширения.
Поэтому
где φп - коэффициент полноты диаграммы
Для двухтактного двигателя среднее индикаторное давление, вычисленное для полезного рабочего объёма цилиндра следует отнести ко всему рабочему объёму Vh т.е. .
Индикаторная мощность двигателя в кВт
Индикаторным КПД ηi (в цилиндре) называют отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу, к затраченному количеству теплоты. Этот КПД четырехтактного двигателя определим по формуле:
Удельный индикаторный расход топлива в кг/(кВт•ч):
Среднее эффективное давление в МПа, эффективные мощность Ne в кВт, КПД ηе и удельный расход топлива в кг/(кВт•ч) определяют из выражений:
где ηм - механический - КПД дизеля.
Часовой расход топлива дизелем в кг/ч:
.
Расход воздуха дизелем в кг/ч:
,
где ψ - коэффициент продувки
Количество отработавших газов в кг/ч: