147998 (Расчет параметров рабочего процесса и выбор элементов конструкции тепловозного дизеля), страница 3

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  = 1,8  2,2, для двигателей без наддува -  = 1,7 - 2,0.

Определяем цикловую подачу топлива:

, кг/цикл (30)

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 _Z - коэффициент использования теплоты в точке “z”;

mC_V^’ - средняя молярная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, кДж/моль^.К;

mC_Р^’ - средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении в точке “z”, кДж/моль^.К;

_Z - расчетный коэффициент молекулярного изменения в точке “z”;

Т_Z - 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 Т_Z.

Рекомендуется следующий порядок определения величин, входящих в уравнение (31).

2.3.1. Определяют коэффициент молекулярного изменения при полном сгорании:

, (32)

2.3.2. Выбирают значение коэффициента использования теп­лоты в пределах:

• для дизелей средней быстроходности = 0,75 - 0,85;

• для быстроходных дизелей = 0,8  0,9.

2.3.3. Выбирают коэффициент выделения теплоты Х_Z в конце "видимого" сгорания

Для двигателей средней быстроходности можно принять Х_Z = 0,65 - 0,9; для быстроходных дизелей Х_Z = 0,75 - 0,85.

2.3.4. Подсчитывают коэффициент использования теплоты в точке Z:

, (33)

2.3.5. Коэффициент молекулярного изменения в точке Z:

, (34)

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 Р_Z не должна превосходить Р_Z = 12 - 14 МПа, так как при более высоких значениях Р_Z возрастает вес дизеля и деталей кривошипно-шатунного механизма.

2.3.7. Для определения значений средних молярных теплоемкостей свежего заряда воздуха mC_V^’

может быть использовано приближенное соотношение:

, (35)

2.3.8. Определение значений средней мольной теплоемкости продуктов сгорания

производится с учетом теплоемкостей смеси чистого воздуха и чистых продуктов сгорания (чпс):

, (35)

где mC_V^чпс - мольная теплоемкость чистых продуктов сгорания;

(-х) - доля чистого воздуха в продуктах сгорания;

х - доля чистых продуктов сгорания, численно равная коэффициенту выделения тепла:

, (37)

2.3.9. Учитывая, что:

, из выражения (36) в точке “z” получим значение mC^’’_РZ:

, (38)

Задаваясь в первом приближении температурой в точке Z равной 1800 К, определяют теплоемкость mC^’’_РZ и температуру Т_Z по уравнению (31). При отклонении Т_Z от 1800 К более, чем на 50 К, расчет повторяют.

Температура Т_Z находится в пределах 1750  1950 К.

Более высокие значения Т_Z нежелательны во избежание существенных потерь теплоты от значительной диссоциации моле­кул газов.

Максимальное давление сгорания Р_Z и степень предварительного расширения  определяют из соотношений:

, (39)

, (40)

2.4. Процесс расширения

По углу открытия выпускных органов газораспределения _В определяют объем рабочего тела V_В в точке “в”:

,

Таблица 3.

Степень последующего расширения определяют из соотношения

, (41)

Для определения температуры рабочего тела в конце расши­рения (точка “в” расчетной индикаторной диаграммы) используют уравнения:

, К, (42)

где n₂ - среднее значение показателя политропы расширения, и уравнение теплового баланса процесса расширения с учетом тепловыделения от догорания топлива на линии расширения:

, (43)

где

,

Уравнения (42) и (43) решаются совместно одним из числен­ных методов.

Обычно для тепловозных дизелей величины n₂ = 1,21 -1,3, Т_В = 900 -1200 К.

Давление в конце расширения определяют по формуле:

, МПа (44)

У современных тепловозных дизелей давление в конце расширения достигает величины Р_В = 0,5 - 1,0 МПа.

Температура Т_В не 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 газов из цилиндров 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)

где G; G - суммарный и теоретический расход воздуха;

Т_СМ, Т_S; Т_В - температуры смеси, воздуха в ресивере и газов в точке “в”:

mC_РСМ; mC_РS и mC_РВ - молярные теплоемкости смеси, воздуха в ресивере и газов в точке “в” (берутся из курса теплотехники).

Принимая mC_РВ = mС_РСМ , получим

, (46)

Температуру смеси рабочего тела перед турбиной определя­ют с учетом потерь теплоты на охлаждение:

, (47)

где _r - коэффициент, учитывающий теплоотвод в выпускной системе;

Т’_W - температура теплоносителя, охлаждающего коллектор.

В тепловозных дизелях величина _r 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’_W принимается в пределах 320 - 360 К. Для неохлаждаемого коллектора значение Т’_W принимается равной температуре воздуха в кузове тепловоза.

2.5.2. Мощность турбины

зависит от расхода смеси G_Z, температуры смеси Т_СМ на входе в турбину, перепада давлений в турбине _Т и КПД _Т. Для обеспечения продувки двигателя перепад давлений по двигателю для 4-тактных дизелей не должен быть ниже , а для 2-тактных дизелей (где Р_Т - давле­ние газов перед турбиной).

Тогда:

, (48)

где _r - коэффициент потерь давления в выпускной системе _r = 0,9 - 0,95.

Мощность турбины:

, (49)

где К_Г - показатель адиабаты выпускных газов К_Г = 1,32  1,35;

Из баланса мощностей компрессора и турбины получим требу­емый КПД турбины:

, (50)

где N_К подсчитана по формуле (13).

Полученные величины требуемого КПД не должны быть вы­ше значений, реально достигаемых в настоящее время _Т 0,8  0,85.

Если требуемый КПД турбины будет выше, это значит, что выбранная схема воздухоснабжения и температура рабочего тела на выходе из дизеля Т_В не обеспечивают получения заданного давления наддува. Необходимо снизить величину за счет увеличения проходных сечений при газообмене или увеличить степень предварительного расширения за счет снижения . Последнее нежелательно, так как приведет к снижению максимального давления сгорания, к повышению температуры в точке “в” и к снижению эффективного коэффициента полезного действия двигателя.

2.6. Технико-экономические показатели проектируемого дизеля

Величина среднего индикаторного давления:

,Па (51)

Для 4-х тактных дизелей = 0, и коэффициент полноты диаграммы принимают _П = 0,94 0,96. Для 2-х тактных дизелей при прямоточно-щелевой продувке = 1,0, а при прямоточно-клапанной – 0,97 0,99.

Принимая по опытным данным значение механического КПД _М в пределах:

• для 4-х тактных дизелей: без наддува 0,75  0,80;

с наддувом 0,80  0,92;

• для 2-х тактных дизелей: без наддува 0,7 - 0,75;

с наддувом 0,75  0,85,

определяют среднее эффективное давление:

, Па (52)

Эффективная мощность дизеля определяется по формуле:

, кВт (53)

В случае, если полученная мощность окажется меньше заданной, следует изменить рабочий объем двигателя или давление наддува и произвести повторный расчет.

Индикаторный КПД определяется из соотношения:

, (54)