Исходные данные для расчета рабочего цикла дизеля

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация"

Конструктивный расчёт двигателя

Внутреннего сгорания

Методические указания

к расчетно-графической работе по курсу

«Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация»

Специальность 6.100300 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Одесса – 2006

Методические указания разработаны кандидатом технических наук Черемисиным Владимиром Ильичом – доцентом кафедры „Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация” и Олевинским Евгением Борисовичем - старшим преподавателем той же кафедры Одеського национального морского университета в соответствии с рабочей программой дисциплины „Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация”, утвержденной Советом судомеханического факультета ОНМУ

Методические указания одобрены кафедрой „ Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация ” ОНМУ 16 мая 2006 года (протокол № 16)

Рецензент: докт. техн. наук В.Г.Ивановский

ЗАДАНИЕ

Расчет рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания

с построением и обработкой индикаторной диаграммы

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Марка двигателя (тип двигателя) _____________________________

2. Выполнить расчет конструктивный, поверочный

3. Эффективная мощность двигателя N_e_______________________, кВт

4. Давление наддувочного воздуха p_s__________________________, МПа

5. Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D:

6. Максимальное давление сгорания p_z________________________, МПа

7. Частота вращения коленчатого вала n_______________________мин ^-1

8. Средняя скорость поршня c_{m_______________} м/с

9. Число цилиндров i_________

10.Расчет выполнить для стандартных внешних условий: для средних широт, для тропиков (необходимое подчеркнуть)

В домашнем задании необходимо выполнить следующие разделы:

1. Изучить конструктивные особенности заданного дизеля по [1, 2, 3, 6]

2. Другие исходные данные выбрать из рекомендуемой литературы [2, 3, 4]

3. Марку топлива выбрать из [4] и записать основные характеристики топлива из табл. 6.4 [4, С. 266-269, 276-277]

4. Низшую теплоту сгорания топлива Q_H рассчитать по формуле Менделеева, выбрав элементарный состав топлива и по эмпирической формуле из [4, С. 252]

5. Стандартные внешние условия выбрать из [5, С. 7, 188]

6. Промежуточные результаты расчета рабочего цикла проанализировать, сравнив их со значениями для реального прототипа дизеля [2, 3, 6]

7. Расчет рабочего цикла считается завершенным, если полученный в расчете удельный эффективный расход топлива g_e отличается на ±3 % от расхода топлива рассматриваемого типа дизеля [3,6]

8. Рассчитать термический КПД цикла, сравнить его с индикаторным и эффективным КПД двигателя.

9. Рассчитать данные для построения индикаторной диаграммы, построить индикаторную диаграмму на формате А-4, определить по построенной индикаторной диаграмме среднее индикаторное давление p_i.

10. Используя исходные данные и результаты расчета построить на формате А-4 в выбранном масштабе схему кривошипно-шатунного механизма (КШМ) заданного дизеля с обязательным изображением на ней:

- диафрагмы, разделяющей полость картера от подпоршневых полостей;

- длины цилиндровой втулки с расположенными в ее нижней части продувочными окнами (в масштабе).

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фомин Ю.Я., Волошин А.А. Конструкция судовых дизелей. Методические указания. Одесса, ОГМУ, 1991.

2. Самсонов В.И., Худов НИ. ДВС морских судов: Учебник для ВУЗов. - М.: Транспорт, 1990.

3. Фомин Ю.Я. и др. Судовые ДВС: Учебник. - Л.: Судостроение, 1989.

4. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок : Учебник / Камкин С.В. и др. - М.: Транспорт, 1996.

5. Камкин С.В. и др. Эксплуатация судовых дизелей: Учебник - М.: Транспорт, 1990.

6. Фомин Ю.Я., Семенов B.C. СДВС: Методические указания. Одесса, КМП ОИИМФ, 1987.

7. Правила технической эксплуатации судовых технических средств.

РД 31.21.30-83. – М.: в/о «Мортехинформреклама», 1984.

1. Выбор исходных данных

1.1 Выбор исходных данных, кроме указанных в задании, выполняется по технической документации, или литературным данным. Исходные данные рекомендуется записать в виде таблицы (табл. 1) с численными значениями.

Таблица 1.

Исходные данные для расчета рабочего цикла дизеля

Обозначения в формулах	Наименование	Единица измерения	Численные значения
ро	Давление окружающей среды	МПа
рs	Давление надувочного воздуха	МПа
рz	Максимальное давление сгорания	МПа
То	Температура окружающей среды	К
Тr	Температура остаточных газов	К
ΔТохл	Снижение температуры наддувочного воздуха в охладителе	К
ΔТ	Степень подогрева воздуха от стенок цилиндра	К
С	Доля массы углерода в 1 кг топлива	-
Н	Доля массы водорода в 1 кг топлива	-
О	Доля массы кислорода в 1 кг топлива	-
Sт	Доля массы серы в 1 кг топлива	-
Qн	Низшая теплота сгорания топлива	кДж/кг
a	Коэффициент избытка воздуха при сгорании топлива	-
gr	Коэффициент остаточных газов	-
ε	Действительная степень сжатия	-
hм	Механический КПД дизеля	-
nк	Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре	-
jскр	Коэффициент скругления индикаторной диаграммы	-
xz	Коэффициент использования тепла в точке z	-
xb	Коэффициент использования тепла в точке b	-

Продолжение табл. 1

xа	Коэффициент, учитывающий снижение давления воздушного заряда в точке а	-
Ne	Эффективная мощность двигателя	кВт
d=S/ D	Отношение хода поршня к диаметру цилиндра	-
C1	Коэффициент равный 13,1 для двухтактных и 6,55 для четырехтактных дизелей	-
Ys	Потеря рабочего хода поршня в долях	-
сm	Средняя скорость поршня	м/с
i	Число цилиндров	-
А*	Длина расчетной индикаторной диаграммы (рекомендуется А*=250)	мм
Тz*	Ориентировочная максимальная температура цикла (точка z)	К
Тb*	Ориентировочная температура газов в конце расширения (точка b)	К
(n1-1)*	Ориентировочное значение (n1-1) показателя политропы сжатия	-

Примечание:

· Величину y_s необходимо выбирать в пределах от 0,07 до 0,1 для дизелей с прямоточно-клапанной продувкой или определять из чертежа.

2. Расчетные уравнения

2.1. Действительное количество воздуха, участвующее в сгорании 1 кг топлива, кмоль / (кг _{топлива})

,

где a – коэффициент избытка воздуха при сгорании;

L₀ – количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива, кмоль /кг_{топлива} ;

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

2.2. Давление начала сжатия, МПа

р_a=р_s×x_a ,

где р_s – давление наддувочного воздуха, МПа,

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

2.3. Температура воздуха в продувочном ресивере, К

где р_о и Т_о – давление и температура воздуха в МКО, К, (П.1);

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

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

=( 310 – 315) К и =Т_р+(3÷4 К),

где Т_р - температура точки росы для условий в МКО, К, рассчитывается по формуле, приведенной в ПТЭ судовых дизелей [7],

Т_р=0,9·t_мко+0,3·j+10·р_к–22+273

где t_мко - температура воздуха в машинном отделении, ⁰С (П. 1);

j - относительная влажность воздуха в машинном отделении, % (П. 1);

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

2.4. Температура воздушного заряда цилиндра (смеси воздуха с остаточными газами) в момент начала сжатия, К

,

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

γ_r - коэффициент остаточных газов;

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

2.5. Коэффициент наполнения, отнесенный к полезному ходу поршня

,

где ε - действительная степень сжатия.

2.6. Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня

,

где y_s - потеря рабочего хода в долях от хода поршня.

2.7. Средний показатель политропы сжатия

Уравнение решается методом последовательных приближений. В качестве первого приближения принимаем (n₁-1)^*= 0,37. Решение найдено, если , где Dn=0,0001 – погрешность вычисления показателя n₁.

2.8. Температура воздушного заряда в конце сжатия, К

Должно быть Т_с ³ ( Т_св + (100¸200 К)) = 700 – 800 К,

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

2.9. Давление воздушного заряда в конце сжатия, МПа

2.10. Теплоемкость чистого воздуха в конце сжатия, кДж/(кмоль·К)

=19,26+0,0025·Т_с

2.11. Теоретический коэффициент молекулярного изменения

2.12. Доля топлива сгоревшего в точке z цикла

где - коэффициент использования тепла в точке z;

- коэффициент использования тепла в точке b цикла (в конце расширения газов).

2.13. Действительный коэффициент молекулярного изменения в точке z

2.14. Действительный коэффициент молекулярного изменения в конце сгорания

2.15. Коэффициенты уравнений теплоемкости

в конце видимого сгорания ;

в конце расширения

2.16. Степень повышения давления при сгорании

где p_z - максимальное давление при сгорании, МПа.

2.17. Уравнение сгорания

где

где Q_н - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; необходимо рассчитать Q_н по формуле после обоснования выбора сорта (марки) топлива (прил. 2).

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

,

где - погрешность вычисления температуры.

2.18. Степень предварительного расширения

2.19. Степень последующего расширения

2.20. Уравнения процесса догорания и расширения

(1.1)

, (1.2)

где n₂ - показатель политропы расширения;

T_b - температура газов в конце расширения, К;

a_νz=a_pz - 8,314

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

2.21. Давление в конце расширения, МПа

.

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

.

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

где φ_скр - коэффициент скругления индикаторной диаграммы.

2.24. Среднее эффективное давление, МПа

р_е=р_i∙·η_м ,

где η_м - механический КПД двигателя.

2.25. Удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт·ч)

2.26. Удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт·ч)

g_е=g_i /η_м

2.27. Индикаторный КПД

2.28 Эффективный КПД

2.29. Размеры цилиндра

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

.

Ход поршня, м

S = d·D.

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

2.30. Частота вращения коленчатого вала, мин^-1

2.31. Уточненное значение эффективной мощности двигателя, кВт

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

3. Расчет и построение индикаторной диаграммы.

Расчет рабочего цикла завершается построением диаграммы расчётного цикла. Однако диаграмма строится только для базового варианта расчёта, при котором решено, что полученные параметры двигателя удовлетворительно согласуются с данными прототипа.

Полагаем, что объём V_s, описанный ходом поршня S, в некотором масштабе изображается отрезком А* = 250 мм. Тогда

,мм;

, мм;

, мм;

, мм.

Давление газов в период политропного сжатия, МПа

,

в период политропного расширения, МПа

,

где - текущеезначение степени сжатия в рабочем цилиндре (табл. 2).

Таблица 2