Тепловой и динамический расчет восьмицилиндрового двигателя типа Д49. Расчет давления наддува дизеля

1 ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОСЬМИЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ТИПА Д49

1.1 Исходные данные для расчета

Исходные данные приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Исходные данные

Параметр, размерность	Обозначение	Величина
Эффективная мощность дизеля 3А-6Д49	Nе	1470
Номинальная частота вращения коленвала, об/мин	nд	750
Тактность дизеля	t	4
Диаметр цилиндра, м	Dц	0,26
Ход поршня, м	S	0,26
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна	l	1/3,25
Максимальное давление сгорания, МПа	pz	14
Степень сжатия дизеля	e	12,5
Механический коэффициент полезного действия	hм	0,91
Коэффициент избытка воздуха	a	2,07
Коэффициент продувки	jв	1,05
Коэффициент остаточных газов	g	0,03
Коэффициент эффективного выделения теплоты	x	0,83
Средний показатель политропы сжатия	n1	1,38
Средний показатель политропы расширения	n2	1,26
Показатель адиабаты сжатия	к	1,4
Показатель адиабаты расширения отработавших газов	кг	1,34
Низшая теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг	Hu	42500
Давление атмосферного воздуха, МПа	р0	0,102
Температура окружающего воздуха, К	T0	293

1.2 Расчет давления наддува дизеля

Требуемое давление наддувочного воздуха, МПа, определяется по параметрам заменяемого дизеля

                                                                                             (1.1)

где р_s^зам – давление наддува заменяемого дизеля, МПа; р_s^зам = 0,28 МПа;

n_д ^зам – номинальная частота вращения коленвала, об/мин;

n_д^зам = 1000 об/мин;

Для достижения необходимой мощности дизеля принимается давление наддува равное p_s=0,40 МПа.

1.3 Выбор схемы воздухоснабжения дизеля

Рассчитанное давление наддува может быть обеспечено при применении одноступенчатой схемы воздухоснабжения дизеля. Сжатие воздуха производится одной ступенью в центробежном компрессоре, приводимом от газовой турбины. Так как рассчитанное давление наддува более 0,15 МПа, то целесообразно применение охлаждения наддувочного воздуха в водовоздушном охладителе.

Схема воздухоснабжения представлена на рисунке 1.1.

 

3

                                                       

			Тw

 

Рисунок 1.1 – Схема воздухоснабжения дизеля 3А-6Д49

Степень повышения давления,

                                                      (1.2)

где  – давление атмосферного воздуха, МПа;

Температура воздуха на выходе из компрессора, К

      ;                                                (1.3)

где h_к – коэффициент полезного действия центробежного компрессора;

h_к=0,75 [*];

Температура воздуха после охладителя, К

                                          Т_S = T₁ – h_x(T₁ – T_w);                                          (1.4)

где h_х – коэффициент эффективности охладителя; h_х = 0,83 [*];

Т_w – температура теплоносителя, охлаждающего наддувочный воздух, К;        

Т_w = 328 К  [*];

Т_S = 479,6 – 0,75 · (479,6 – 328) = 353,8 K.

1.4 Определение параметров рабочего процесса дизеля и построение

индикаторной диаграммы

Целью расчета является определение давлений и температур рабочего тела в цилиндре в характерных точках индикаторной диаграммы, представленной на рисунке 1.2.

b

a

ps, pТ

Vc

Vh

V

pz

p0

p

r

c

z

z¢

 

Рисунок 1.2 – Расчётная индикаторная диаграмма.

1.4.1 Расчет процесса наполнения цилиндра

Рабочий объем цилиндра, м³

                                                                                                      (1.5)

Объем камеры сжатия, м³

                                                                                                     (1.6)

Максимальный объем цилиндра, м³

(1.7)

 

Давление в начале сжатия, МПа

                                            (1.8)

Температура рабочего тела в начале сжатия, К

                                                                                    (1.9)

где DТ – суммарное повышение температуры воздуха в период наполне-ния, К; DТ = 10 К [*];

Коэффициент наполнения цилиндра,

                                                                               (1.10)

1.4.2 Расчет процесса сжатия и горения

Давление, МПа, и температура, К, в конце сжатия

р_c= p_aeⁿ¹,                                                     (1.11)

                                                  T_c =Т_аe^n1–1,                                                  (1.12)

р_c = 0,384 × 12,5^1,38 = 12,53 МПа,

Т_с = 376,5 × 12,5^1,38–1 = 983,0 К.

Химический коэффициент молекулярного изменения

                                                                           (1.13)   где L₀ – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг          топлива, кмоль/кг; L₀ = 0,5 кмоль/кг;

Н, О – массовые доли водорода и кислорода в топливе; Н = 0,135;

О = 0,005;

Действительный коэффициент молекулярного изменения

                                                    (1.14)                   

Степень повышения давления в цилиндре

                                                                                                   (1.15)

Температура рабочего тела, К, в точке z индикаторной диаграммы определяется из уравнения сгорания.

     (1.16)

где m_гС_pmz – средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания, кДж/(кмоль×К);

mC_vmc – псредняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для          воздуха, кДж/(кмоль×К);

t_z, t_c – максимальная температура сгорания и сжатия соответственно, С°.

Значения теплоемкостей определяются по следующим формулам

Для воздуха и двухатомных газов

                                  mC_vmc = 20,93 + 2,093×10^-3t_c;                                      (1.17)

Для продуктов сгорания жидкого топлива

                       (1.18)

mC_vmc = 20,93 + 2,093×10^-3 × 710 = 22,416   кДж/(кмоль×К),

Необходимо определить максимальную температуру сгорания топлива t_z. Для этого подставляются в уравнение (1.16) выражения (1.17) и (1.18). После проведения некоторых преобразований получается уравнение

Одним из корней этого уравнения является отрицательное число, что не имеет физического смысла, а второй корень равен t_z =1572,5 °С,

T_z =1572,5 + 273 = 1845,5 К.

Степень предварительного расширения

                                                                                                     (1.19)

Объем в точке zиндикаторной диаграммы , м³

                                                  V_z= rV_c,                                                   (1.20)

V_z= 1,734 × 1,2 × 10^-3 = 2,08 × 10^-3  м³.

1.4.3 Расчет процесса расширения

Давление р_b, МПа, и температура Т_b, К, в конце расширения

                                                                                              (1.21)

                                                  (1.22)

где d  – степень последующего расширения в цилиндре;

                                                     (1.23)

 

1.4.4 Определение расчетного среднего индикаторного давления

Расчетное среднее индикаторное давление, МПа

             (1.24)

Среднее индикаторное давление действительного цикла p_i МПа, меньше расчетного p_ip вследствие наличия скруглений в точках с, z¢, z индикаторной диаграммы и в конце расширения, поэтому

p_i = j_п p_ip;                                                    (1.25)

где j_п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы четырехтактного                                                                  и                        дизеля; j_п = 0,98 [*];

p_i = 0,98 × 2,385= 2,338 МПа.

Индикаторная мощность дизеля, кВт

                                                                                                      (1.26)

Индикаторный коэффициент полезного действия

                                                                                   (1.27)

Удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт×ч)

                                                                                                   (1.28)

1.4.5 Расчет эффективных показателей работы двигателя

К эффективным показателям работы двигателя относятся: эффективная мощность N_e, кВт; эффективный коэффициент полезного действия дизеля h_e; удельный эффективный расход топлива b_e, кг/(кВт×ч), которые рассчитываются по формулам:

                                                  N_e = N_i h_м,                                                   (1.29)

                                                  h_e = h_i h_м,                                                   (1.30)

                                                                                                     (1.31)

N_e = 1613,4 × 0,91 = 1468,2  кВт,

h_e =0,440 × 0,91 = 0,40,

Часовой расход топлива дизелем, кг/ч

                                                 В_ч =b_eN_e,                                                   (1.32)

В_ч = 0,212 × 1468,2 = 310,8  кг/ч.

Суммарный секундный расход воздуха дизелем, кг/с

                                                                                  (1.33)

где L¢₀ – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг          топлива, кг/кг; L¢₀  = 14,5 кг/кг;

Расход воздуха, определяющий заряд цилиндра будет ниже суммарного расхода, так как часть воздуха  расходуется на продувку цилиндров

                                                  (1.34)

Секундный расход отработавших газов, кг/с

                                          (1.35)

1.4.6 Определение мощности агрегатов наддува

Мощность, потребляемая компрессором, кВт

                                                    (1.36)

где R – универсальная газовая постоянная, кДж/(кг×К); R = 287 кДж/(кг×К);

Температура смеси Т_см, К, выпускных газов с наддувочным воздухом определятся из уравнения баланса теплоты

G_bS T_см mC_pсм = (G_bS - G_b)Т_s mC_ps + G_гT_b mC_pb.                       (1.37)

Приравняв mC_pb = mC_pсм, получим

                               (1.38)

где mC_pсм, mC_ps, mC_pb – средние  молярные  теплоемкости  смеси,  воздуха в ресивере и газов в точке “b” индикаторной  диграммы; mC_ps,mC_pb определяются по формулам (1.16) и                                        (                                                 (1.17) для t_s и t_b;

mC_рs = 20,93 + 2,093 · 10 ^–3 · 80,8 =21,10  кДж/(кмоль×К),

Температура рабочего тела перед турбиной, К, с учетом теплоты