Длина дизеля

, м (10)

где D - диаметр цилиндра, м;

12

К = Z - для рядных двигателей;

K = 0,5^.Z - для V -образных двигателей;

C = 1 - 2,5 м - линейный размер, зависящий от компоновки вспомогательного оборудования и агрегатов наддува двигателя.

Ширина дизеля

, м (11)

где: S - ход поршня, м;

А = 3,5 - 6,0 - для рядных двигателей;

А = 5,0 - 8,0 - для V - образных двигателей.

Высота дизеля

, м (12)

где а = 6,0 - 8,0 - для рядных двигателей;

а = 5,0  7,0 - для V - образных двигателей;

а = 10,0 13,0 - для 2-х тактных двигателей с противоположно движущимися поршнями.

После определения габаритных размеров дизеля произво­дят проверку его размещения в кузове тепловоза.

Проверяют наличие необходимой ширины проходов по обе стороны от дизеля. От внешнего контура дизеля до боковых стенок кузова тепловоза должно быть 0,7 м на высоте груди человека (на расстоянии от настила 1,5 м), что обеспечивает нормальное и безопасное обслуживание дизеля.

В отдельных исключительных случаях допускается местное сужение прохода до 0,5 м.

Эскиз установки дизеля на тепловозе выполняется в масштабе 1:20 и прилагается к записке.

Все расчеты 1 раздела должны быть предъявлены консультанту. После согласования результатов расчетов 1 раздела с консультантом студент приступает к выполнению расчета рабочего процесса двигателя.

13

2. Расчет рабочего процесса дизеля и его технико-экономических показателей

Целью расчета рабочего процесса дизеля является определение параметров, необходимых для реализации заданной мощности при заданной угловой скорости коленчатого вала и выбранных размерах цилиндра.

2.1. Расчет количества воздуха, необходимого для реализации заданной мощности, выбор схемы наддува и определение мощности компрессора

2.1.1. Расчет количества воздуха и давления наддува.

Количество воздуха, необходимого для работы, зависит от мощности, выбранных ранее (см. п.1) геометрических размеров цилиндров, качества газообмена и других, факторов.

Расход воздуха через двигатель определяется из соотношения:

, кг/с (13)

где В_т - расход топлива двигателем, кг/с;

_- суммарный коэффициент избытка воздуха;

L₀^` - соотношение между массами воздуха и топлива при полном сгорании топлива (= 1).

Расход топлива В_т зависит от мощности, КПД двигателя и качества топлива:

, кг/с (14)

где N_е - эффективная мощность дизеля, кВт;

Н_и - теплотворная способность топлива, кДж/кг;

_е - эффективный КПД двигателя.

14

С учетом (14) получим:

(15)

Величины _ и _е предварительно выбираются по справочным данным. Обычно для 4-х тактных тепловозных дизелей характерно _2,1 - 2,6 и _е=0,40-0,43, а для 2-х тактных соответственно – _2,5 -2,9 и _е=0,34 - 0,38.

Величины и Н_и принимаются равными 14,35 (величина безразмерная, кг воздуха/кг топлива) и 42500 кДж/кг соответственно.

Во время продувки часть воздуха теряется, поэтому в процессе сгорания будет участвовать меньшее количество воздуха:

, кг/с. (16)

где _к - коэффициент избытка продувочного воздуха, оптимальное значение которого зависит от протекания процесса продувки. При слишком малых _к велик коэффициент остаточных газов и мощность двигателя снижается из-за уменьшения массы свежего заряда; при слишком больших _к велики потери энергии сжатого наддувочного воздуха.

Для 2-х тактных двигателей при прямоточно-щелевой продувке - _к = 1,4 - 1,5; при прямоточно-клапанной - _к = 1,4 - 1,7 и при контурной (петлевой) продувке - _к = 2,1.

Для 4-х тактных двигателей принимают _к = 1,05 - 1,15 или, более точно, такое же значение, как и для двухтактных с контурной продувкой, но, относя процесс продувки к объему камеры сжатия.

Количество воздуха в цилиндрах G и давление наддува Р_S связаны соотношением:

15

, МПа (17)

где _v - коэффициент наполнения, выбирается для 4-х-тактных ДВС в пределах 0,82 -0,97, а для 2-х тактных – 0,85 - 0,95;

T_S - температура наддувочного воздуха, К.

Если считать, что в условиях тепловоза не удается охлаждать наддувочный воздух ниже 340 - 350 К, то можно принять, что температура заряда в цилиндрах находится в пределах Т_S = 370 - 400 К.

R_В - газовая постоянная воздуха, R_В= 287 Дж/кг^.К.

2.1.2. Выбор схемы наддува.

По найденной величине давления наддува следует выбрать и обосновать схему воздухоснабжения дизеля. Некоторые из существующих схем приведены на рис.3.

Для четырехтактных тепловозных дизелей, как правило, применяют одну ступень сжатия воздуха в центробежном компрессоре, приводимом в работу от газовой турбины. Предельная величина давления в таком компрессоре составляет 0,35 МПа. Если по расчетам требуется более высокое давление наддува, целесообразно изменить размерность двигателя и снизить требуемую величину давления. Выбранная схема воздухоснабжения дизеля согласовывается с консультантом.

При проектировании двухтактного дизеля в зависимости от требуемой величины наддува применяют одно- или двухступенчатый наддув. При давлении Р_S  0,15 МПа применяют одноступенчатый наддув с механическим приводом компрессора. В качестве компрессора применяют объемный нагнетатель или центробежный компрессор. В этом случае охлаждение наддувочного воздуха не производят.

16

Некоторые из существующих схем наддува тепловозных дизелей
Одноступенчатый наддув от приводного нагнетателя	Одноступенчатый газотурбинный наддув
Двухступенчатый комбинированный наддув с промежуточным охлаждением надувочного воздуха	Двухступенчатый газотурбинный наддув с двумя промежуточными охладителями надувочного воздуха
Рис.3.

Коэффициент полезного действия объемного нагнетателя принимают в расчетах равным 0,65 - 0,7, при этом потребляемая им мощность N_ПН180 кВт.

17

При давлении Р_S 0,15 МПа применяют двухступенчатый наддув с охлаждением наддувочного воздуха, причем предпочтительна схема, в которой первая ступень сжатия осуществляется в турбокомпрессоре. Схема воздухоснабжения зависит от конкретных данных и выбирается студентом.

Следует учесть, что общая степень повышения давления в компрессорах:

, (18)

Выбор степеней повышения давления воздуха в ступени сжатия зависит от схемы воздухоснабжения. Как правило, степень повышения давления воздуха в компрессоре, приводимом от вала дизеля, не превышает 1,25 - 1,35 и выбирается из условий обеспечения работы двигателя на холостом ходу при минимальной угловой скорости коленчатого вала. Оптимальная по выигрышу в работе сжатия разбивка степеней повышения давления по ступеням сжатия выражается формулой:

Ее следует применять для двухступенчатого наддува четырехтактных двигателей.

Мощность, потребляемая компрессором каждой ступени, определяется по формуле:

_{, Вт (19)}

где Т₁ - температура воздуха на входе в компрессор, К;

- степень повышения давления в компрессоре (для компрессора низкого давления 1,9,

18

- среднего давления – 1,9 - 2,5 и высокого давления – 2,5 - 4,0);

Р₀ - давление воздуха на входе в компрессор; для компрессора 1-й ступени ;

₀ - потери в воздухозаборных устройствам и фильтрах ₀ = 0,95 - 0,97;

_К - коэффициент полезного действия компрессора (принимается равным 0,75 - 0.81);

k - показатель адиабаты (k = 1,4). В случае, когда компрессор приводится от коленчатого вала дизеля, потребляемую им мощность следует вычесть из эффективной мощности дизеля.

2.1.3. Расчет параметров рабочего тела на входе в цилиндры.

Температура воздуха на выходе из компрессора:

, К (20)

Если в выбранной схеме предусмотрен охладитель, то температура после охладителя на входе в дизель (или на входе в компрессор 2-й ступени) определяется соотношением:

, К

, К

где _х - коэффициент эффективности охладителя;

Т_W - температура теплоносителя, охлаждающего наддувочный воздух.

Для водовоздушных охладителей _х находится в пределах 0,70 - 0,75, для воздуховоздушных охладителей величина может быть принята в пределах _х = 0,35 - 0,5.

19

Температура воды, охлаждающей на тепловозе наддувочный воздух, может приниматься равной 330 К при нормальных наружных условиях (нормальные атмосферные условия: р₀=0,103 МПа, Т₀=293 К).

В случае применения воздуховоздушного охладителя температура Т_W принимается равной Т₀=293 К.

Потери давления воздуха по тракту и в воздухоохладителе оцениваются приближенно:

, (21)

где _S - коэффициент потерь; выбирается в пределах 0,92 - 0,95.

На сжатие охлажденного воздуха затрачивается меньше работы, что дает некоторый выигрыш, однако он может быть снижен и даже сведен к нулю аэродинамическими потерями в охлаждающем устройстве. Другой фактор, учитываемый при выборе схемы наддува – масса свежего заряда в цилиндре, пропорциональная плотности воздуха, и, следовательно, возрастающая с понижением его температуры. Таким образом, охлаждение наддувочного воздуха перед входом в дизель равносильно повышению давления наддувочного воздуха. Ограничением на этом пути является условие самовоспламенения топлива.

Схема наддува тепловозного дизеля вычерчивается с использованием условных обозначений по ГОСТ 2.704-76 «Правила выполнения гидравлических и пневматических схем», на ней указываются расчетные параметры рабочего тела (температуры и давления). Схема включается в пояснительную записку.

20