Расчет рабочего цикла двигателя
Расчет рабочего цикла
Судовых ДВС
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К выполнению контрольной работы
По дисциплине
«Судовые двигатели внутреннего сгорания
и их эксплуатация»
Для студентов специальности7.100302
«Эксплуатация судовых энергетических установок»
Дневной и заочной форм обучения
Севастополь
УДК
Расчет рабочего цикла судовых ДВС. Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация» для студентов специальности 7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок» дневной и заочной форм обучения/ Сост. Г.В. Гоголев, П.П. Борисенко, В.А. Очеретяный–Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2009. – 16 с.
Цель методических указаний: оказать помощь студентам при расчете рабочего цикла СДВС и построении теоретической и индикаторной диаграммы.
Методические указания утверждены на заседании кафедры ЭМСС, протокол № 7 от 17.02.2009 г.
Рецензент: С.Н. Ефремов, канд. техн. наук, доцент кафедры ЭМСС.
Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.
Содержание
| Введение ………………………………………………….. | ||
| 1. | Расчет рабочего цикла двигателя ………………….. | |
| 2. | Расчет энергетического баланса газотурбинного наддува комбинированного дизеля ………………... | |
| 3. | Расчет эффективных показателей комбинированного двигателя ………………………………………. | |
| 4. | Расчет и построение теоретической индикаторной диаграммы …………………………………………… | |
| Библиографический список ……………………………... |
Введение
Расчет рабочего цикла базируется на классическом методе теплового расчета, разработанного профессором В.И. Гринивецким и развитым в последующем советскими учеными Мазингом Е.К., Брилингом Н.Р., Орлиным А.С. и Стечкиным Б.С.
Метод теплового расчета основан на общеизвестных положениях термодинамики и термохимии, достаточно полно охватывает сущность тепловых явлений, происходящих в рабочем цилиндре, и представляет собой инженерное аналитическое исследование. На его основе можно:
- количественно оценить эти явления как при проектировании, так и при исследовании построенного двигателя;
- дать представление об основных параметрах цикла и факторах, влияющих на процессы рабочего цикла;
- определить расчетные значения параметров состояния рабочего тела в характерных точках расчетного цикла, а также эффективные показатели, характеризующие работу двигателя в целом.
Метод обеспечивает удовлетворительную для практики точность расчетов, несмотря на то, что протекающий в двигателе цикл описывается простейшими термодинамическими процессами и вводится ряд опытных коэффициентов, оценивающих реальные условия протекания рабочих процессов в двигателе.
РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ
Расчет осуществляется в табличной форме. Рекомендации по выбору исходных данных и различных коэффициентов даны в таблице 1.1, а также могут быть взяты из литературы [1, 2].
При расчете максимальной температуры сгорания Тz (пункт 12 таблицы 1.4) следует подставить в уравнение сгорания топлива зависимости для 
и решить его методом последовательных приближений, задаваясь температурой Тz в диапазонах: 1700…1900 К для МОД;
1800…2000 К для СОД и ВОД.
Средний показатель политропы расширения n2 определяется при совместном решении уравнений в пунктах 5 и 6 таблицы 1.5 методом последовательных приближений, задаваясь значениями температуры Тв=900…1200 К. Средние значения показателя политропы лежат в диапазоне: n2 =1,2…1,3 для МОД и СОД с охлаждаемыми поршнями; n2 =1,1…1,25 для ВОД с неохлаждаемыми поршнями.
Таблица 1.1 – Исходные данные
| Параметр | Обозначение | Размер-ность | Формула | Двигатель | |
| 5L90MCE (5ДКРН 90/291,6) | 12ЧН 18/20 | ||||
| 1. Эффективная мощность | Ne | кВт | Задано | ||
| 2. Частота вращения | n | 1/мин | |||
| 3. Давление окружающей среды | Р0 | МПа | 0,103 | 0,103 | |
| 4. Температура окружающей среды | Т0 | К | |||
| 5. Давление наддува | рк | МПа | рк=(0,15…0,20)ре (4-х тактн.) рк=(0,18…0,20)ре (2-х тактн.) | 0,315 | 0,17 |
| 6. Коэффициент избытка воздуха для сгорания | α | Выбрано α=1,5…2,7 (для МОД α=1,8…2,7; для СОД α=1,6…2,2) | 2,7 | 1,9 | |
| 7. Коэффициент продувки | φα | для 4-х тактных φα=1,05…1,35 для 2-х тактных φα=1,25…1,80 | 1,4 | 1,15 | |
| 8. Коэффициент остаточных газов | γr | для 4-х тактных γr=0,01…0,04 для 2-х тактных с прямоточной схемой газообмена γr=0,02…0,09 для 2-х тактных с контурными схемами газообмена γr=0,01…0,14 | 0,03 | 0,04 | |
| 9. Коэффициент использования тепла в точке z | ξz | МОД и СОД ξz=0,75…0,92 ВОД ξz=0,7…0,85 | 0,90 | 0,75 | |
| 10. Коэффициент использования тепла в точке b | ξb | МОД и СОД ξb=0,85…0,99 ВОД ξb=0,85…0,95 | 0,98 | 0,9 | |
| 11. Степень сжатия | ε | для МОД ε=11…15 для СОД ε=12…16 для ВОД ε=15…18 | |||
| 12. Степень повышения давления сгорания | λ | λ=1,1…1,5 | 1,12 | 1,5 | |
| 13. Подогрев заряда от стенок цилиндра | ΔТа | К | для 2-х тактных ΔТа=5…10 К для 4-х тактных ΔТа=5…20 К | ||
| 14. Доля хода поршня, потерянная на продувку | ψа | ψ=0,04…0,25 для прямоточно-клапанной схемы газообмена ψ=0,04…0,13 для контурных схем | 0,10 | - |
Продолжение таблицы 1.1.
| 15. Плотность топлива при 15 °С | r15 | кг/м3 | Выбираем из таблицы показатели принятого топлива [4] | ||||
| 16. Коэффициент скругления индика-торной диаграммы | ζ | ζ=0,95…0,98 | 0,95 | 0,96 | |||
| 17. Механический КПД двигателя | ηм | ηм= 0,75…0,96 | 0,94 | 0,84 | |||
| 18. Адиабатный КПД компрессора | ηк.ад | принимаем ηк.ад= 0,75…0,84 | 0,82 | 0,75 | |||
| 19. Потеря давления в воздухо-охладителе | Δрохл | МПа | для 2-х тактных 0,003…0,007 для 4-х тактных 0,001…0,003 | 0,005 | 0,004 | ||
| 20. Снижение температуры в воздухоохладителе | ΔТохл | К | д.б. ТS£310 К принимаем ΔТохл = 25…140 | ||||
| 21. Температура остаточных газов | Тr | К | Для МОД Тr=550…650 К Для СОД Тr=650…800 К Для ВОД Тr=750…900 К | ||||
| 22. Массовый состав топлива | кг/кг | принимаем в пределах C=0,84…0,88; H=0,11…0,14; S=0,001…0,045; О=0,001…0,03  =0…0,002 | C=0,877 H=0,12 S=0,002 О=0,001 | C=0,87 H=0,126 О=0,004 | |||
| 23. Низшая теплотворная способность топлива | Qн | кДж/кг |  | ||||
| 24. Показатель политропы сжатия в компрессоре | nк | nк=1,5…2,0 | 1,7 | 1,6 | |||
Таблица 1.2. – Расчет процесса наполнения
| Параметр | Обозначение | Размер-ность | Формула | Двигатель | ||
| 5L90MCE (5ДКРН 90/291,6) | 12ЧН 18/20 | |||||
| 1. Температура воздуха за компрессором | Тк | К |  | |||
| 2. Температура воздуха перед двигателем | Тs | К | Тк - ∆Тохл | |||
Продолжение таблицы 1.2.
| 3. Температура заряда к концу наполнения | Та | К |  | ||
| 4. Давление воздуха перед двигателем | рs | МПа | рк - ∆рохл | 0,31 | 0,165 |
| 5.Давление заряда к концу процесса наполнения | ра | МПа | (0,97…0,98)·рs | 0,296 | 0,160 |
| 6. Коэффициент наполнения | ηн |  (ДН)  (ЧН) | 0,844 | 0,892 |
Таблица 1.3 - Расчет процесса сжатия
| Параметр | Обозначение | Размер-ность | Формула | Двигатель | |
| 5L90MCE (5ДКРН 90/291,6) | 12ЧН 18/20 | ||||
| 1. Средняя мольная изохорная теплоемкость воздуха |  | кДж/ (моль∙К) | 19,26+0,0025Т | ||
| 2. Средняя мольная изохорная теплоемкость чистых продуктов сгорания |  | кДж/ (моль∙К) | 20,47+0,0036Т | ||
| 3. Теплоемкость смеси воздуха и остаточных газов на ходе сжатия |  | кДж/ (моль∙К) |  = =avc+bcT | 19,251+ 0,0025·Т | 19,262+ 0,002534·Т |
| 4. Средний показатель политропы сжатия | n1 |  | 1,368 | 1,369 | |
| 5. Давление в конце сжатия | рс | МПа |  | 12,04 | 5,95 |
| 6. Температура в конце сжатия | Тс | К |  |
Таблица 1.4 –Расчет процесса сгорания
| Параметр | Обозначение | Размер-ность | Формула | Двигатель | |||
| 5L90MCE (5ДКРН 90/291,6) | 12ЧН 18/20 | ||||||
| 1. Теоретически необходимое мольное количество воздуха для cго-рания 1 кг топлива | L0 |  | |||||
| 2. Действительное количество воздуха для сгорания 1 кг топлива | L | кмоль/ кг | a·L0 | 1,312 | 0,941 | ||
| 3. Химический коэффициент молекулярного изменения | β0 |  | 1,0234 | 1,0337 | |||
| 4. Действительный коэффициент молекулярного изменения | β |  | 1,0221 | 1,033 | |||
| 5. Доля топлива, сгоревшая в точке z | xz | ξz/ξb | 0,918 | 0,843 | |||
| 6. Коэффициент молекулярного изменения в точке z | βz |  | 1,0211 | 1,0274 | |||
| 7. Приращение объема продуктов сгорания | ∆М |  | |||||
| 8. Коэффициент | m |  | |||||
| 9. Изобарная теплоемкость |  |  | |||||
| 10. Средняя мольная изохорная теплоемкость рабочего тела в точке z |  | кДж/ (кмоль∙К) |  | 19,76+ 0,0029·Т | 19,82+ 0,00293∙Т | ||
| 11. Средняя мольная изохорная теплоемкость рабочего тела в точке b |  | кДж/ (кмоль∙К) |  | 19,87+ 0,003·Т | 19,94+ 0,00323∙Т | ||
Продолжение таблицы 1.4.
| 12. Максимальная температура сгорания | Tz | К |  | ||||
| 13. Максимальное давление сгорания | pz | МПа |  | 13,52 | 8,92 | ||
Таблица 1.5– Расчет процесса расширения
| Параметр | Обозначение | Размер-ность | Формула | Двигатель | ||
| 5L90MCE (5ДКРН 90/291,6) | 12ЧН 18/20 | |||||
| 1. Степень предварительного расширения | ρ |  | 1,63 | 1,36 | ||
| 2. Степень последующего расширения | δ |  | 9,16 | 10,3 | ||
| 3. Коэффициент А | А=  | |||||
| 4. Коэффициент В | В=  | |||||
| 5. Средний показатель политропы расширения | n2 | Определяется при совместном решении уравнений пунктов 5 и 6  | 1,276 | 1,232 | ||
| 6. Температура в конце процесса расширения | Tb | К |  | |||
| 7. Давление в конце процесса расширения | pb | МПа |  | 0,804 | 0,538 | |
Таблица 1.6 – Определение индикаторных показателей
| Параметр | Обозначение | Размер-ность | Формула | Двигатель | ||
| 5L90MCE (5ДКРН 90/291,6) | 12ЧН 18/20 | |||||
| 8. Теоретическое среднее индикаторное давление |  | МПа |  | 1,76 | 1,17 | |
| 9. Действительное среднее индикаторное давление |  | МПа | Для 2-х тактных  (ДН) Для 4-х тактных  (ЧН) | 1,53 | 1,12 | |
| 10. Индикаторная мощность |  |  Для 2-х тактных z=1 Для 4-х тактных z=0,5 | ||||
| 11. Индикаторный удельный расход топлива |  | кг× (кВт∙ч) |  | 0,162 | 0,192 | |
| 12. Индикаторный КПД |  |  | 0,507 | 0,444 | ||
Таблица 1.7 – Определение эффективных показателей
| Параметр | Обозначение | Размер-ность | Формула | Двигатель | ||||
| 5L90MCE (5ДКРН 90/291,6) | 12ЧН 18/20 | |||||||
| 1. Среднее эффективное давление |  | МПа |  | 1,44 | 0,96 | |||
| 2. Удельный эффективный расход топлива |  | кг/ (кВт∙ч) |  | 0,173 | 0,230 | |||
| 3. Эффективный КПД двигателя |  |  | 0,477 | 0,381 | ||||