|
S |
−1 |
π |
Cmi , м |
(4) |
|
D j i = |
|
|
|
|
||
|
ω |
|||||
D j |
|
|
Для каждого вычисленного значения диаметра цилиндра по формуле
(3) определяют число цилиндров проектируемого двигателя. Полученные значения диаметров и чисел цилиндров сводят в табл. 1.
По табл.1 выбирают число цилиндров, соответствующее рекомендациям п.1.1. Диаметр цилиндра, соответствующий выбранному числу цилиндров, округляют до ближайшего значения из ряда нормальных диаметров и уточняют среднюю скорость поршня по соотношению (2).
Таблица 1.
Диаметры и числа цилиндров ЛЭУ.
Значени |
|
Значения (S/D)j |
|
|
|
||
я (Сmi) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1.05 |
1.1 |
1.15 |
|
8.5 |
|
0,22 |
|
0,21 |
0,20 |
0,19 |
|
|
27,05 |
|
29,83 |
32,73 |
35,78 |
|
|
|
|
|
|
||||
9 |
|
0,23 |
|
0,22 |
0,21 |
0,20 |
|
|
22,79 |
|
25,13 |
27,58 |
30,14 |
|
|
|
|
|
|
||||
9.5 |
|
0,26 |
|
0,24 |
0,23 |
0,22 |
|
|
19,38 |
|
21,36 |
23,45 |
25,63 |
|
|
|
|
|
|
Из полученных значений выбираем те, что получились при Cm = 9,5 b S/D = 1.
Диаметр поршня = 0,26м, число цилиндров = 16.
1.6. По полученным геометрическим параметрам проектируемого дизеля D, S, Z определяют его габаритные размеры.
Длина ЛЭУ |
|
L =1,16 D K + C , м |
(5) |
где D - диаметр цилиндра, м;
K = 0,5Z - для V -образных двигателей;
C = 1 - 2,5 м - линейный размер, зависящий от компоновки вспомогательного оборудования и агрегатов наддува двигателя.
7
|
|
= 1.16 0.26 (0.5 16) + 1,587 = 4 м |
||
Ширина двигателя |
|
|
||
В= А S |
, м |
(6) |
|
|
|
|
|
В = 8 0,26 = 2,08 м |
- образных двигателей. |
Здесь: S - ход поршня, м; А = 5,0 - 8,0 - для V |
||||
Высота двигателя |
|
|
||
Н =а S , |
м |
(7) |
|
|
где |
5,0 |
- 7,0 - для |
V - образных двигателей; |
|
После |
|
|
габаритных размеров дизеля необходимо |
|
определенияН = 7 0,26 = 1,82 м |
|
произвести проверку его размещения в кузове тепловоза для заданного типа габарита.
2.Расчет рабочего процесса дизеля и его технико-экономических
|
|
|
|
|
|
показателей |
|
|
|
|
|
|
|
2.1. Процесс наполнения |
|||
Давление в конце процесса наполнения: |
|
|
||||||
Ра = |
(0,9 – 0,96) Рs – для 4-такного двигателя. |
|
||||||
Давление наддува Рs |
можно определить по формуле: |
|||||||
P |
= |
|
4 Ts Rs GΣ τ |
|
10−6 , |
мПа |
|
|
S D2 Z ω η |
|
|
||||||
s |
|
370 287 7,61 4 |
−6 |
|
||||
|
|
|
4 v |
= 0,382 мПа |
||||
|
|
|
= 0.26 0.262 11 120,37 1 10 |
|
где Ts – температура воздуха на входе в двигатель.
Можно принять 370 – 400 К.
8
Rs – газовая постоянная воздуха, равная 287, Дж/кг.К
ηv - коэффициент наполнения, выбирается для 4-х тактных ДВС в |
|
пределах 0,9 -1,05 |
= 120,37 рад/с |
ω = π30nд , рад/с |
GΣ - суммарный расход воздуха, кг/с |
||||||
Величину расхода воздуха можно определить: |
||||||
GΣ = BT αΣ L0′ |
|
|
∑ |
= 0,241 2.2 14.35 = 7,61 |
||
Расход топлива равен: |
т = 42,500 0,39 = 0,241 кг/с |
|||||
|
|
, кг/с |
|
|||
BT = Hu eηe |
|
|||||
|
|
4000 |
||||
|
N |
|
|
|
|
|
( для справки |
L0′ = 14,35 кг возд/кг топл., суммарный коэффициент |
|||||
избытка воздуха |
αΣ |
|
берётся |
для выбранного типа двигателя, а Hu = |
||
42500 кДж/кг). |
|
|
|
|
|
Часть воздуха проходит через дизель во время продувки, поэтому в
цилиндрах будет фактически находиться меньшее количество воздуха: |
|
G = ϕkΣ , кг/с, |
= 3,105 = 7,61 кг/ |
G |
|
где ϕk - коэффициент избытка продувочного воздуха для 4-тактных можно принять равным 1,0.
После определения величины Ps необходимо помнить, что предельная величина давления в одноступенчатом компрессоре не должна превышать 0,15 МПа. При большем давлении наддува целесообразно
9
применять 2-ступенчатую схему наддува с охлаждением надувочного
воздуха. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура воздуха в конце наполнения равна: |
= 391,21 |
|||||||||
Ta = Ts +∆1T+γ+rγr |
Tr , К |
= |
|
1+0.03 |
|
|||||
|
370+10+0.03 765 |
|
||||||||
где |
∆T - приращение температуры воздуха в цилиндре, равное |
|||||||||
∆T = ∆Tкин. +∆Тт = (5 −8) , К |
≈ 10 |
|
|
|
|
|||||
Tr – температура остаточных газов, обычно равная (700-800), К |
||||||||||
γr - |
коэффициент остаточных газов, принимаемый (0,02 – 0,05) |
|||||||||
ε- (11÷13) для Д49 |
|
|
|
|
|
|||||
Уточняем коэффициент наполнения |
ηv : |
391370,21 1+01.03 = 0,98 |
||||||||
ηv = ε −1 ξd1 Ps |
Ta |
1+γr |
ɳ = 1111−1 |
1.03 00..382355 |
||||||
|
ε |
|
Pa |
Ts |
1 |
|
|
|
|
|
Следует помнить, что чем выше Pa , тем меньше должна быть степень сжатия ε
Величина коэффициента дозарядки ξd1 |
обычно составляет 1,03 – 1,06. |
||
|
2.2. Процесс сжатия |
||
Необходимо определить |
параметры конца процесса сжатия воздуха в |
||
цилиндре, то есть величины Pc |
и Tc . |
|
|
Давление в конце сжатия |
|
= 9,05 мПа |
|
Pc = Pa εnc , |
= 0,355 111.35 |
где nc - среднее значение показателя политропы сжатия, равное для ЛЭУ 1,32 – 1,39 (для справки, для дизелей типа Д49 величина показателя
политропы равна 1,34 – 1,36).
10
Политропа сжатия показывает отличие реального процесса от
идеального (адиабатного с показателем адиабаты 1,41), то есть без теплообмена с реальной средой.
При больших значениях наддува величины Pc достигают значений
9,5 – 10,5 мПа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура воздушного заряда в конце сжатия |
|
|
||||||
Tc =Ta εnc −1 , К |
|
= 391,21 111.35−1 |
= 905,53 К |
|
||||
Следует помнить, что по условиям надёжного самовоспламенения |
||||||||
величина |
Tc ≥ 750K . |
|
|
|
|
|
|
|
Промежуточные |
значения |
давления |
процесса |
сжатия |
нужно |
|||
определить по политропному уравнению |
P V = const , |
|
|
|||||
где |
nc – истинный показатель политропы сжатия, |
изменяющийся по |
||||||
ходу сжатия, что зависит от реального процесса теплообмена в цилиндре. |
||||||||
Следовательно, для подсчётов принимается ранее принятое значение. |
||||||||
Тогда величина |
P = Constn . |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
v c |
|
|
|
|
|
Значения (не более 5-7 значений) V |
берутся на участке сжатия. |
|
||||||
Далее на миллиметровой бумаге вычерчивается индикаторная |
||||||||
диаграмма в координатах P(V ) и |
P(ϕ) . |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
2.3. Процесс сгорания |
|
|
||
Весовой элементарный состав дизельного топлива принимаем равным: |
||||||||
С = 0,86, Н = 0,13 |
и О = 0,01 |
|
|
|
|
|||
Для определения |
Tz |
используем известное уравнение сгорания |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
ξz Hu |
= β |
z |
mc |
p |
|
T |
−(mc +8.314 λ) |
T |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
α L (1+γ ) |
|
|
|
|
|
|
z |
v |
c |
|
|
||||
42500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
0.66 r |
|
|
z |
|
|
c |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2.2 0.486 (1 + 0.03) |
|
(21,58 + 8.314 1.55) 905,5 |
|||||||||||||
|
|
|
= 1.025 ( + ) − |
||||||||||||
|
|
24132,5 = 1.025 ( + 2) −36275 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
→ |
|
|
0.0025 2 + 28.03 −60407,5 = 0 |
||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т = 1936 |
|
|
||
ξz - коэффициент использования теплоты в точке z; |
|
||||||||||||||
Величина ξz =ξ χ |
|
= 0,66 |
|
|
|
||||||||||
|
ξ = 0,8 – 0,9, а χ = 0,75 – 0,9 |
|
|
|
|||||||||||
теплоёмкость свежего заряда |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= 18.576 + 0.0025 = 21,58 |
|
|||||||
|
βz - коэффициент молекулярного изменения в точке z, равный |
||||||||||||||
|
|
βz =1+ 1β+0 −γr1 χz , |
|
|
= 1 + 1+01.03.−031 |
0.85 = 1.025 |
|||||||||
где |
β0 =1 |
+ |
8H +O |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
32 α L0 |
|
= 1 + 32 2,2 0.486 |
= 1,03 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 0,13+0,01 |
|
- |
теоретический |
коэффициент молекулярного изменения
α - коэффициент избытка продувочного воздуха ( см. занятие №4)
χ - коэффициент выделения теплоты в точке (z). Можно принять 0,85. Из курса теплотехники известно, что средняя молярная теплоёмкость равна
12
mcpz = a +b Tz =28.03+0.0025*1936 = 33,7
где коэффициенты определяются по известным формулам:
|
|
|
χ |
+ α |
−χ |
|
|
19, 26 +8.314 = |
20.46 0.85+(22.2.2−0.85) 19.5 |
+ 8.314 = 28.03 |
|||||||||
a = 20, 46 |
|
(α |
|
|
) |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
b = 3,6 |
χ +(α −χ) 2,5 |
= |
3.6 0.85+(2.2−0.85) 2.5 |
= 0.0029 |
|
||||||||||||||
1000 α |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 2.2 |
|
|
||||||
Тогда величину Tz |
|
найдём по уравнению сгорания: |
|
|
|||||||||||||||
A T 2 + B T −C = 0 |
|
|
|
|
Т = 1936 |
|
|
|
|
|
|||||||||
z |
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Необходимо иметь в виду, что для эффективного сгорания величина |
|||||||||||||||||||
должна удовлетворять условию: |
Tz ≤ 2200K |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Далее определяются максимальное давление сгорания ( pz ) и степень |
|||||||||||||||||||
предварительного расширения (ρ ): |
9051936,5 = 1.41 |
|
|
||||||||||||||||
ρ = λz |
Tc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 11.025.55 |
|
|
|||||
β |
Tz |
|
|
|
|
|
= |
= 1. 9,05 = 14,03 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.4. Процесс расширения |
|
|
|||||||
Необходимо найти параметры Pb и |
Tb в конце расширения, и затем |
||||||||||||||||||
построить политропу расширения. |
|
|
|
|
|
|
= 111.41 = 7,77 |
||||||||||||
Степень последующего расширения равна: δ = |
ε |
|
|||||||||||||||||
ρ |
|||||||||||||||||||
Величина |
Tb |
= δn2z−1 |
βz |
, К (1) |
= 9.8119361.27−1 |
01..875029 = 946 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
β |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где n2 - среднее значение показателя политропы расширения
13
В уравнении (1) два неизвестных Tb и n2 , поэтому для его решения
используем дополнительно уравнение теплового баланса на линии расширения:
n2 |
= |
A1 −8,314 Tb |
+ |
1 |
= |
16034−8,314 900 |
+ 1 = 1,27 |
|
||||||||||||||||||
|
B1 −mcv′′ Tb |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
42422−22,58 900 |
|
||||||||
Где |
|
|
|
A1 =8.314 ββz Tz |
|
|
|
1 |
= 8.314 01,.875029 1997 = 16034 |
|||||||||||||||||
β =1+ |
|
8H +O |
|
|
|
1 |
|
|
-коэффициент |
молекулярного изменения при |
||||||||||||||||
|
32 α L |
1+γ |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
полном сгорании = 1 + 8 0,13 + 0,01 |
1 |
|
= 1.029 |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β32= |
χ |
|
0.495 |
1 + 0.03 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β2,2 |
|
|
||||||||||
Lo = 0,495, |
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
z |
= 1.029*0.85 = 0.875 |
|
||||||||||||||
|
|
H (ξ −ξz ) |
|
|
|
|
|
β |
|
|
|
|
42500 (0.8−0.66) |
0.875 |
||||||||||||
B1 = |
u |
+ |
|
βz mcv′′ Tz |
|
|||||||||||||||||||||
α Lo (1+γr ) β |
|
|||||||||||||||||||||||||
1997 = 42422 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 2.2 0.486 (1+0.03) 1.09 |
+ 1.029 22.73 |
||||||||||
|
|
|
|
|
′′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Величину |
|
|
|
mcv |
- |
|
|
среднюю |
теплоёмкость |
продуктов сгорания |
||||||||||||||||
приравниваем теплоёмкости свежего заряда (mc′), |
равной |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чпс |
|
= 19,32 + 0,0025 1936 = 24,2 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
′ |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
( −х) |
|
|
|
чпс |
|
= 21,58 (2.2 −0.85) + 24,2 0.85 |
|||||||||||||||
" = |
|
+ |
|
х |
||||||||||||||||||||||
|
′ |
|
|
′ |
|
= 22,58 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.2 |
|||||||
mcv |
= a |
+b Tср. = |
22,58 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
где |
Тср. = |
|
Та +Тср. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
Коэффициенты а′ и |
b определяются по формулам: |
|||||
а′ = 4,74 + 0,39α |
= 4.74 02.39.2 = 4.91 и b = |
105 |
α = 1.22*10-3 |
|||
|
|
|
102 + |
44 |
|
|
Далее решаем уравнения (1) и (2) методом итераций: |
||||||
1). Задаёмся значением Tb в диапазоне 900 – 1200 К |
||||||
2). Находим n2 из уравнения (1). |
|
|
|
|||
3). Подставляем n2 |
в уравнение (2) и определяем Tb . |
|||||
4). Если (Tb |
−Tb) /Tb |
получается более 0,01, то расчёт рекомендуется |
||||
|
|
|
|
|
|
|
повторить. |
|
|
|
|
|
Для тепловозных ЛЭУ обычно |
n2 = 1,21 – 1,28, а |
Tb = 900-1200К |
|
||
Определяем давление в конце процесса расширения: |
|
||||
Pb = δn2 = 911.81,124.27 |
= 0,618 (для справки обычно Pb |
= 0,5 – 1,0). |
|
||
|
Pz |
|
|
|
|
Промежуточные значения давлений газов в цилиндре ЛЭУ в процессе |
|||||
расширения можно найти по уравнению политропы расширения P V n2 |
=Const |
||||
Задавшись |
несколькими |
значениями |
объёма V , |
найдём |
соответствующие величины P = Const .
V n2
Далее на миллиметровой бумаге дополнительно к итогам по заданию №4 вычерчивается индикаторная диаграмма в координатах P(ϕ) и P(V ) для процессов сгорания и расширения.
15