Расчет параметров рабочего процесса и выбор элементов конструкции тепловозного дизеля (стр. 3 из 7)

, К (19)

где Т₁^I, Т₂^I - температура воздуха на входе (1) и выходе (2) из компрессора I-й ступени сжатия (для современных тепловозных дизелей t₂^I=100 - 140⁰С );

_К(I), _К(II) - степень повышения давления воздуха в I и II -й ступенях сжатия;

h_К(I), h_К(II) - КПД компрессора I и П ступеней сжатия.

Потери давления наддувочного воздуха оцениваются на основании соотношения (16).

2.2. Процессы наполнения и сжатия

Давление свежего заряда в конце наполнения определяется по формулам:

· для 4-х тактных двигателей без наддува:

Р_а= (0,85 - 0,90)^.Р₀ , (20)

· для 4-х тактных двигателей с наддувом:

Р_а= (0,90  0,96)^.Р_S, (21)

· для 2-х тактных двигателей о прямоточной продувкой:

Р_а= (0,85  0,90)^.Р_S, (22) .

Температура воздуха в конце наполнения:

, К (23)

где Т_S - температура воздуха на входе в двигатель;

DТ - приращение температуры воздуха в цилиндре;

Т_r - температура остаточных газов в цилиндре двигателя;

g_r - коэффициент остаточных газов.

Величина:

, К (24)

где DТ_кин - повышение температуры свежего заряда за счет преобразования кинетической энергии в тепловую (DТ_кин = 5 - 7 К);

DТ_m - повышение температуры воздушного заряда за счет подогрева от стенок цилиндра (DТ_m= 5 - 8 К).

Величины коэффициента остаточных газов и Т_r принимаются в пределах:

· 4-х тактные дизели без наддува g_r = 0,03 -0,06, Т_r= 700 - 800 К;

· 4-х тактные дизели c наддувом g_r = 0,01 0,03, Т_r= 600  700 К;

· 2-х тактные дизели с клапанно-щелевой продувкой g_r = 0,06 0,08,

Т_r= 700  800 К;

· 2-х тактные дизели c прямоточно-щелевой продувкой g_r = 0,03 0,06,

Т_r= 600  700 К.

Коэффициент наполнения h_V определяется по формуле:

, (25)

где e - степень сжатия;

G_д1 – коэффициент, учитывающий дозарядку цилиндров двигателя G_д1=1,02  1,07.

Перед определением h_V необходимо выбрать величину степени сжатия e.

При выборе e учитывают максимально-допустимое давление сгорания в двигателе [Р_Z]_maх. Выбранная величина степени сжатия не должна превышать значения:

, (26)

где  - степень повышения давления при сгорании;

n₁ - среднее значение показателя политропы сжатия.

Допустимое давление сгорания [Р_Z]_maх в современных дизелях находится в пределах 12 - 14 МПа и зависит от выбранной конструкции двигателя.

Степень повышения давления  и степень сжатия eвыбираются так, чтобы величина  находилась в пределах 1,3 - 1,8, а величина e в пределах, указанных на рис. 2.

Показатель политропы сжатия n₁ в современных двигателях зависит от конструкции системы охлаждения и потерь тепла в цилиндре при сжатии. Величина n₁ выбирается в пределах 1,34  1,36.

Определяем действительный рабочий объем цилиндра V_h^` в момент закрытия впускного органа газораспределения (фаза j_а):

, м³

где R – радиус кривошипа равен значению S/2, м;

 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна

принимается (0,2  0,25);

j_а - фаза запаздывания закрытия впускного органа определяется исходя из типа рассчитываемого двигателя и может соответствовать фазе j_а уже существующих тепловозных двигателей (см. табл.2.).

Таблица 2.

Дизель	ПД1М	K6S310DR	У1Д6	1Д12-400	1Д12Н-500	М756	Д70	Д49
Фаза jа,0пкв	35	35	48	48	50	56	46	28

Определяем объем сжатия:

, м³

Количество свежего заряда в цилиндре в конце наполнения:

, кг (27)

где Р_S^` - давление наддувочного воздуха в МПа.

Масса рабочего тела в цилиндре в конце наполнения:

, кг

Давление воздуха в конце сжатия:

, МПа (28)

Температура воздуха в конце сжатия:

, К (29)

По условию возможности надежного самовоспламенения топлива значение температуры Т_С должно быть не менее 750 К.

2.3. Процесс сгорания

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры Т_Z и давления Р_Z рабочего тела в точке расчетной индикаторной диаграммы и степени предварительного расширения .

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 x_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 x= 0,75 - 0,85;

· для быстроходных дизелей x= 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_Zне 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: