1.    

2.    
Расчёт цикла судового дизеля

В качестве топлива для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо следующего элементарного состава:

      углерода         C – 86 %;

      водорода        H – 13%;

      кислорода       O – 1%.

      Низшая теплотворная способность топлива принимается равной:

 ккал/кг  кДж/кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива принятого состава, определяется по формуле:

 моль/кг.

      Коэффициент избытка воздуха при горении для двигателя с неразделенной камерой сгорания принимается равным .

Действительное количество воздуха в цилиндре на 1 кг топлива:

 моль/кг.

Количество продуктов сгорания 1 кг топлива:

 моль/кг.

Теоретический коэффициент молекулярного изменения:

.

Для более правильного выбора средней скорости поршня, величину которой необходимо знать для дальнейшего расчета цикла, производим предварительное определение основных размеров двигателя.

Диаметр цилиндра определяется по формуле:

 м,

где л.с. – номинальная эффективная мощность двигателя;

 – среднее эффективное давление:

 кгс/см²  МПа;

 об/мин – номинальная частота вращения коленчатого вала;

 – коэффициент, учитывающий тактность двигателя;

 – число цилиндров;

      .

      Ход поршня будет равен:

 м.

Средняя скорость поршня:

 м/сек.

Для дальнейших расчётов принимаю:

давление и температура наружного воздуха –  кгс/см²  МПа;  К;

среднее значение показателя политропы сжатия – ;

среднее значение показателя политропы расширения – ;

отношение площади сечения цилиндра к площади проходного сечения впускного клапана – ;

cтепень сжатия – .

Средняя скорость протекания воздуха в проходном сечении впускного клапана равна:

 м/сек.

Температуру наддувочного воздуха определяют по формуле:

 К,

где – адиабатный КПД компрессора.

      Для снижения температуры наддувочного воздуха устанавливаем холодильник. Принимаем:

 К.

Давление в начале сжатия при работе двигателя с наддувом,определяется по формуле:

 кгс/см²  МПа,

где – коэффициент, учитывающий вредные сопротивления во впускном тракте.

Температура воздуха в начале сжатия:

 К,

где К – величина подогрева воздуха от стенок рабочего цилиндра;

 К – температура остаточных газов;

 – коэффициент остаточных газов.

Давление и температура в конце сжатия определяются по формулам:

 кгс/см²  МПа;    K.

Коэффициент наполнения цилиндра определяется по формуле:

.

Эффективный КПД двигателя определяется по формуле:

.

Удельный эффективный расход топлива равен:

 кг/э.л.с..ч  кг/кВт.ч.

Действительный коэффициент молекулярного изменения будет равен:

.

Количество молей смеси свежего заряда воздуха с остаточными газами до горения равно:

 моль/кг.

Количество молей продуктов сгорания 1кг топлива:

водяных паров

 моль/кг;

углекислого газа

 моль/кг;

кислорода

 моль/кг;

азота

 моль/кг.

Сумма:

 моль/кг.

Средняя мольная изохорная теплоёмкость воздуха в интервале температур от 0 до  будет равна:

 ккал/моль.град.

Средняя мольная изобарная теплоёмкость смеси продуктов сгорания 1кг топлива определяется по формуле:



где моль.

Температура в конце сгорания  определяется из уравнения:

.

В целях упрощения расчета для двигателей с небольшим коэффициентом остаточных газов  можно принять, что теплоёмкость остаточных газов, обозначенная в уравнении сгорания , равна теплоёмкости воздуха, и приняв , уравнение сгорания примет упрощённый вид:

.

Степень повышения давления при сгорании , входящая в уравнение сгорания, определяется в зависимости от принимаемой величины максимального давления цикла .

Принимаем:  кг/см²  МПа.

.

Также принимаю: ;   .

Т.о. получается квадратное уравнение относительно :

 К.

Степень предварительного расширения:

.

Температура и давление в конце расширения определяются с учётом  по формулам:

 K;

 кгс/см²  МПа.

Среднее индикаторное давление расчётного цикла определяю по формуле:



Учитывая неполноту индикаторной диаграммы, среднее индикаторное давление будет равно:

 кгс/см²  МПа,

где – коэффициент полноты диаграммы.

Принимаем:  – механический КПД.

Определяем среднее эффективное давление:

 кгс/см²  МПа.

Удельный индикаторный расход топлива определяется по формуле:

 кг/и.л.с..ч  кг/кВт.ч.

Удельный эффективный расход топлива:

 кг/э.л.с..ч  кг/кВт.ч.

Соответственно индикаторный и эффективный КПД будут равны:

;

,

где 632 – тепловой эквивалент работы 1 л.с. в течение часа.

Окончательное значение диаметра цилиндра двигателя определяется по формуле:

 м.

Окончательно принимаем:  мм.

Тогда длина хода поршня:

 м  мм.

Следовательно:

.

Среднее значение тепловой нагрузки цилиндра можно определить по формуле:



где – коэффициент, показывающий, какая часть выделенного в цилиндре тепла передаётся охлаждающей жидкости.

      При газотурбинном наддуве двигателя, когда турбонаддувочный агрегат кинематически не связан с валом двигателя, мощность газовой турбины, работающей на отработавших газах двигателя, равна мощности наддувочного компрессора.

      Расход воздуха двигателем:

 кг/сек,

где – коэффициент избытка продувочного воздуха.

      Работа адиабатного сжатия 1 кг воздуха в наддувочном компрессоре от давления  до давления :

 кгс.м/кг.

      Действительная работа сжатия в наддувочном компрессоре:

 кгс.м/кг,

где – КПД компрессора.

      Мощность, затрачиваемая на приведение в действие наддувочного компрессора:

 л.с.  кВт.

      Расход газов через турбину:

 кг/сек.

Работа адиабатного расширения 1 кг газов от давления перед турбиной  до давления за турбиной  равна:

 ккал/кг,

где ккал/кг.град – средняя весовая теплоемкость газов;

 кгс/см²  МПа – давление газов перед турбиной;

 кгс/см²  МПа – давление газов за турбиной;

 – показатель адиабатного расширения газов в турбине;

 – температура смеси газов в выпускном коллекторе, которая определяется по формуле:

 К,

где ккал/кг.град – средняя мольная теплоёмкость воздуха при температуре  К;

 ккал/кг.град – средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при температуре газов в выпускном коллекторе  К;

 ккал/кг.град – средняя мольная теплоёмкость смеси газов с воздухом.

      Мощность газовой турбины:

 л.с.  кВт,

где – эффективный КПД газовой турбины.

      Таким образом:

.

По данным расчёта рабочего цикла двигателя производим построение индикаторной диаграммы.

Для её построения по оси абсцисс откладываем относительные величины объёмов, а по оси ординат – давления в цилиндре. При этом полный объём цилиндра в масштабе диаграммы будет равен:

,

где – объём камеры сжатия цилиндра двигателя;

 – рабочий объём цилиндра.

Величину A принимаем равной 150 мм. Масштаб давлений: 1 кгс/см²  мм.

Так как у двигателя степень сжатия известна , то в масштабе диаграммы будем иметь:

 мм;    мм.

      Зная параметры точек a и c наносим их на диаграмму. Параметры промежуточных точек процесса сжатия а-с определяем как точки политропного процесса с показателем . Величина известна из расчёта цикла: .

;   .

      Величине  придаём значения от 1 до . Результаты расчёта представлены в таблице.

Таблица 1.1

Расчёт процесса сжатия

Откладывая в масштабе давлений величину , находим точку z
¢ при значении абсциссы . Точки с и z¢ соединяем прямой линией.

Абсциссу точки z определяем так:

 мм,

где – степень предварительного расширения.

Точки z и z¢ также соединяем прямой линией. Параметры точки b в масштабе диаграммы равны:

 мм;    мм.

Построение линии расширения производим аналогично построению линии сжатия. Давление любой точки политропы расширения определяем так:

,

где – среднее значение показателя политропы расширения.

      Отношению  придаём значения от 1 до . Результаты расчёта представлены в таблице.

Таблица 1.2

Расчёт процесса расширения

Процессы наполнения и выпуска наношу на диаграмму прямыми линиями, параллельными оси абсцисс, на расстоянии от неё:

 мм;    мм.

      Так как дизель с наддувом, то линия 1 кгс/см² (атмосферная линия) располагается ниже линий впуска и выпуска.