Расчет требуемой эффективной мощности и давления наддува дизеля. Выбор схемы воздухоснабжения дизеля. Процесс наполнения цилиндра

1Расчет требуемой эффективной мощности и давления

наддува дизеля

По заданным значениям расчетной силы тяги и скорости тепловоза на  расчетном подъеме определяем величину касательной мощности тепловоза, кВт,

N_к = F_крV_р/3,6,                                                     (1)

где F_кр – расчетное значение силы тяги тепловоза, кН;

V_р – скорость тепловоза на расчетном подъеме, км/ч.

N_к = 245·12/3,6 = 816,66 кВт.

Требуемую эффективную мощность дизеля определим по формуле

N_e = N_к / (η_перη_всп),                                              (2)

где η_пер – КПД передачи тепловоза,η_пер = 0,83 [1];

η_всп – коэффициент, учитывающий затраты мощности на вспомогательные нужды тепловоза, η_всп = 0,94 [1];

N_e = 816,66/(0,83·0,94) = 1046 кВт.

Требуемое давление наддувочного воздуха p_s, МПа, определим по  параметрам  дизеля – образца из пропорции

                                                     (3)

где  – эффективная мощность дизеля – образца, = 880 кВт [2];

– давление наддува дизеля – образца, = 0,162 МПа [2];

 МПа.

1.1 Выбор схемы воздухоснабжения дизеля

По найденной величине давления наддувочного воздуха выбираем схему  воздухоснабжения дизеля. Принимаем одноступенчатый наддув с охлаждением воздуха.

Степень повышения давления определим по формуле

p_к= p_s/p_о,                                                          (4)

где p_о – давление атмосферного воздуха, p_о = 0,102 МПа [1];

p_К = 0,193/0,102 = 1,89.

Температура воздуха Т₁ на выходе из турбокомпрессора определяем из выражения

,                                            (5)

где – КПД турбокомпрессора, h_к = 0,76 [1];

к – показатель адиабаты сжатия, к = 1,4 [1];

Температура воздуха Т_s на входе в дизель после охлаждения

Т_s = Т₁-h_х(Т₁-Т_w),                                                (6)

где h_х  – коэффициент эффективности охладителя, h_х = 0,71[1];

Т_w – температура теплоносителя, Т_w = 330 К [1];

Т_s = 371 – 0,71(371 – 330) = 337 К.

Схема воздухоснабжения дизеля представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Оноступенчатая схема воздухоснабжения дизеля

1 – фильтр; 2 – компрессор; 3 – охладитель наддувочного воздуха; 4 – воздушный ресивер; 5 – поршневая часть дизеля; 6 – выпускной коллектор;

7 – турбина; 8 – глушитель.

2 Определение основных параметров рабочего процесса

 дизеля и построение индикаторной диаграммы

2.1 Процесс наполнения цилиндра

Рабочий объем цилиндра V_h определяем из выражения

V_h = pD_ц²S/4,                                                     (7)

где D_ц – диаметр цилиндра, D_ц = 0,318 м [3];

S – ход поршня, S = 0,33 м [3];

V_h = 3,14·0,318²·0,26 /4 = 0,0262 м³.

Объем камеры сжатия V_c находим из выражения

V_c = V_h/(e – 1),                                                     (8)

где e – степень сжатия двигателя, e = 11,5;

V_c = 0,0262 /(11,5 – 1) = 0,0025 м³.

Максимальный объем цилиндра V_а составляет

V_а = V_в = V_с+V_h;                                                 (9)

V_а = V_в = 0,0025 + 0,0262 = 0,029 м³.

Давление в начале сжатия определим по формуле

р_а = (0,9…0,96)р_s;                                             (10)

р_а =0,93 р_s =0,96·0,193 = 0,18 МПа.

Температуру рабочего тела в начале сжатия вычислим по формуле

Т_а = (Т_s+DТ+gТ_r)/(1+g),                                        (11)

где g – коэффициент остаточных газов, g = 0,02 [2];

Т_r – температура выпускных газов, Т_r = 850 К [1];

DТ – суммарное повышение температуры воздуха в период наполнения, на основе опытных данных DТ = 10 К [1];

Т_а = (337+10+0,02·850)/(1+0,02) = 357 К.

Коэффициент наполнения определяем из выражения

                                             (12)

2.2 Процессы сжатия и горения

Давление и температуру в конце сжатия определим из выражений

                                             (13)

где n₁ – средний показатель политропы сжатия, n₁ = 1,36 [1];

р_с = 0,18·11,5^1,36 = 5,12 МПа;

Т_с = 357·11,5^1,36-1 = 861 К,

t_c = 861 – 273 = 588 ⁰С .

Параметры конца сгорания (точка z) характеризуются давлением p_z и  температурой Т_z. Для определения Т_z находим некоторые характерные величины, относящиеся к процессу сгорания.

Химический коэффициент молекулярного изменения определяется по зависимости

m_о = 1+(1/aL_o)(Н/4+О/32),                                       (14)

где Н, О – массовые доли водорода и кислорода в топливе. Для дизельного топлива принимаем следующий состав в долях массы: углерода С = 0,86; водорода Н = 0,135; кислорода О = 0,005 [1];

L_о – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива. L_о = L_o/28,95 = 0,5 кмоль/кг [1];

L_o ^–  теоретически необходимое (стехиометрическое) количество воздуха  для сгорония 1 кг топлива. L_o^´  = 14,5 кг/кг [1].

m_о = 1+(1/2,2·0,5)(0,135/4+0,005/32) = 1,03.

Действительный коэффициент молекулярного изменения определяем из  соотношения:

m = (m_о+g)/(1+g);                                                   (15)

m = (1,03+0,02)/(1+0,02) = 1,029.

Степень повышения давления в цилиндре определим по формуле

l_z = p_z/p_c;                                                       (16)

l_z = 6,8/5,12= 1,33.

Температуру рабочего тела в точке Z индикаторной диаграммы определим из    уравнения сгорания. При решении данного уравнения, для удобства, значения температур t_{с ,} t_z представляем в градусах Цельсия.

              (17)

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

mC_vmc – средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кмоль·К);

Н_u – низшая теплота сгорания топлива, Н_u = 42500 кДж/кг [2];

x – коэффициент эффективного выделения теплоты до точки