|
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 |
7,5 |
|
0,30 |
0,29 |
0,27 |
0,26 |
|
4,90 |
5,40 |
5,93 |
6,48 |
|
|
|
||||
8 |
|
0,32 |
0,30 |
0,29 |
0,28 |
|
4,04 |
4,45 |
4,88 |
5,34 |
|
|
|
||||
8,5 |
|
0,34 |
0,32 |
0,31 |
0,30 |
|
3,37 |
3,71 |
4,07 |
4,45 |
|
|
|
||||
Из полученных значений выбираем те, что получились при Cm = 7,5 b S/D = 1.
Диаметр поршня = 0,3м, число цилиндров = 12.
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 0.3 (0.5 12) + 1,912 = 4 м |
||
Ширина двигателя |
|
|
||
В= А S |
, м |
(6) |
|
|
|
|
|
В = 6 0,23 = 1,38 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 |
|
определения Н = 5 0,23 = 1,15 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 |
385 287 1,23 4 |
−6 |
|
|||
|
4 v |
= 0,244 мПа |
||||
|
= 0.23 0.32 12 78,5 1 10 |
|
||||
где |
Ts – температура воздуха на входе в двигатель. |
|||||
|
Можно принять 370 – 400 К. |
|
|
|||
|
Rs – газовая постоянная воздуха, равная 287, Дж/кг.К |
|||||
8
ηv - коэффициент наполнения, |
выбирается для 4-х тактных ДВС в |
|||
пределах 0,9 -1,05 |
= 78,5 |
рад/с |
||
ω = |
π nд |
, рад/с |
||
30 |
||||
GΣ - суммарный расход воздуха, кг/с |
||||||
Величину расхода воздуха можно определить: |
||||||
GΣ = BT αΣ L0′ |
|
|
∑ |
= 0,039 2.2 14.35 = 1,23 |
||
Расход топлива равен: |
т = 42,500 0,39 = 0,039 кг/с |
|||||
|
|
, кг/с |
|
|||
BT = Hu eηe |
|
|||||
|
|
650 |
||||
|
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 = 1,23 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: |
= 405,78 |
||
Ta = Ts +∆1T+γ+rγr Tr , К |
= |
1+0.03 |
|
|
385+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 : |
= 0.98 |
|||||
ηv = ε −1 ξd1 |
Ps |
Ta |
1+γr |
ɳ = 1111−1 1.03 00..1110 405385,78 1+01.03 |
|||
|
ε |
Pa |
Ts |
1 |
|
|
|
Следует помнить, что чем выше Pa , тем меньше степень сжатия ε . |
|
||||||
Величина коэффициента дозарядки ξd1 |
обычно составляет 1,03 – 1,06. |
||||||
|
|
|
|
|
2.2. Процесс сжатия |
|
|
Необходимо определить цилиндре, то есть величины Pc
Давление в конце сжатия
Pc = Pa εnc ,
параметры конца процесса сжатия воздуха в и Tc .
= 0,104 111.35 = 2,65 мПа
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 |
= 405,78 111.35−1 |
= 939,24 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 = Const . vnc
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
11
Для определения |
|
Tz |
используем известное уравнение сгорания |
|||||||||||
|
ξz Hu |
= β |
z |
mc |
p |
|
T −(mc +8.314 λ) T |
|
|
|||||
|
|
|
|
|||||||||||
α L (1+γ ) |
|
|
|
|
|
z |
v |
c |
|
|
||||
42500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
0.62 r |
|
z |
|
c |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2.2 0.495 (1 + 0.03) |
|
(21,67 + 8.314 1.73) 968,3 |
||||||||||||
|
|
|
= 1.025 ( + ) − |
|||||||||||
|
|
22991,8 = 1.025 |
( + 2) −34761 |
−57653 = 0 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
→ 0.0025 2 + 28.03 |
||||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т = 1959,78 |
|
|
||
ξz - коэффициент использования теплоты в точке z; |
|
|||||||||||||
Величина ξz =ξ χ |
= 0,62 |
|
|
|
||||||||||
|
ξ = 0,8 – 0,9, а χ = 0,75 – 0,9 |
|
|
|
||||||||||
теплоёмкость свежего заряда |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= 18.576 + 0.0025 = 21,67 |
|
||||||
|
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 0.495 |
= 1,03 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 0,13+0,01 |
|
- |
теоретический |
коэффициент молекулярного изменения
α - коэффициент избытка продувочного воздуха ( см. занятие №4)
12
χ - коэффициент выделения теплоты в точке (z). Можно принять
0,85.
Из курса теплотехники известно, что средняя молярная теплоёмкость
равна
mcpz = a +b Tz =28.03+0.0025*1959,78 = 33,8
|
где коэффициенты определяются по известным формулам: |
+ 8.314 = |
|||||||||||||
|
a = |
20, 46 |
|
χ |
|
(α |
) |
19, 26 |
+8.314 |
= 20.46 0.85+(22.2.2−0.85) 19.5 |
|||||
|
|
|
|
|
|
+ |
α −χ |
|
|
|
|
|
|
|
|
28.03 |
b = 3,6 |
χ +(α −χ) 2,5 |
= |
1000 2.2 |
|
|
= 0.0029 |
|
|||||||
|
1000 |
α |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
3.6 0.85+(2.2−0.85) 2.5 |
|
|
|||||||||
Тогда величину Tz найдём по уравнению сгорания:
A T 2 + B T −C = 0 |
Т = 1959,78 |
||
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 ): |
9681997,3 = 1.236 |
||
ρ = λz Tc |
= 11.025.73 |
||
β |
Tz |
|
|
= = 1.73 2,65 = 4,59
13
|
|
|
2.4. Процесс расширения |
|
||||
Необходимо найти параметры |
Pb и Tb в конце расширения, и затем |
|||||||
построить политропу расширения. |
|
|
|
|
= 1.11236 = 8,89 |
|||
Степень последующего расширения равна: |
δ = |
ε |
|
|||||
ρ |
||||||||
Величина Tb = δn2z−1 βz , К (1) |
= 8,8919591.22−1 |
01..875029 = 1030 |
||||||
|
T |
|
β |
|
|
|
|
|
где n2 - среднее значение показателя политропы расширения |
||||||||
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 |
= |
16224−8,314 1030 |
|
|
|
|||||||||||
|
B1 −mcv′′ Tb |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
44364−22,65 1030 + 1 = 1,22 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
= 8.314 01,.875029 1959,78 = 16224 |
||||||||||
A1 =8.314 ββz Tz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
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 |
|
22.65 |
|||||||
|
H (ξ −ξz ) |
|
|
|
|
|
β |
|
|
|
42500 (0.8−0.68) |
0.875 |
|||||||
B1 = |
u |
|
+ |
βz mcv′′ Tz |
|||||||||||||||
α Lo (1+γr ) β |
|
||||||||||||||||||
1959,78 = 44364 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 2.2 0.495 (1+0.03) 1.09 |
+ 1.029 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Величину |
mcv′′- |
среднюю |
теплоёмкость |
продуктов сгорания |
|||||||||||
приравниваем теплоёмкости свежего заряда (mc′), |
равной |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= 19,32 + 0,0025 1959,78 = 24,21 |
||||||||
" |
|
|
|
чпс |
|
|
|
х |
|
21,74 (2.2 −0.85) + 24,21 0.85 |
|||||
|
( −х) + |
|
|
||||||||||||
= |
|
|
′ |
= 22,65 |
чпс |
|
= |
|
|
2.2 |
|||||
′ |
′ |
|
|
|
|
|
|||||||||
mcv |
= a |
+b Tср. = |
22,65 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где |
|
|
Тср. |
= |
Та +Тср. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 T |
в диапазоне 900 – 1200 К |
|||
|
|
|
b |
|
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 |
|
15
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.
16