Тепловой расчёт двигателя внутреннего сгорания марки 8ЧНСП 3А 22/28-2 и построение индикаторной диаграммы

  • Вид работы:
    Дипломная (ВКР)
  • Предмет:
    Другое
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    482,28 kb
  • Опубликовано:
    2011-07-10
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Тепловой расчёт двигателя внутреннего сгорания марки 8ЧНСП 3А 22/28-2 и построение индикаторной диаграммы

Содержание

Введение    3

Задание на курсовую работу 4

Назначение двигателя  6

Классификация двигателя     7

Схема комбинированного двигателя       11

Маркировка двигателя 12

Выбор топлива для двигателя        13

Выбор камеры сгорания и способа смесеобразования      14

Выбор фаз газораспределения       15

Выбор форсунки и вращательного числа свежего заряда в цилиндре двигателя    16

Классификация степени автоматизации  17

Основные направления развития судовых дизелей   19

Расчёт рабочих процессов двигателя      20

Процесс впуска   20

Процесс сжатия  20

Процесс смесеобразования и сгорания   21

Процесс расширения   21

Процесс выпуска         21

Анализ развёрнутого уравнения эффективной мощности  23

Выбор основных параметров для расчёта рабочего цикла по развёрнутой формуле эффективной мощности        24

Расчет процесса наполнения 26

Расчет процесса сжатия        27

Расчет процесса смесеобразования и сгораниия       27

Расчет процесса расширения и процесса выпуска    28

Расчёт показателей рабочего цикла двигателя 29

Расчет индикаторных показателей 29

Расчет механических потерь в двигателе          30

Расчет эффективных показателей двигателя     30

Расчет термодинамических показателей двигателя   30

Определение основных размеров цилиндра     30

Вывод по расчёту рабочего цикла 32

Исследовательская часть работы   33

Вывод по исследовательской части        35

Расчет внешней скоростной характеристики   36

Расчетные формулы для нахождения параметров внешней скоростной характеристики 37

Параметры внешней скоростной характеристики      38

Построение свернутой и развернутой индикаторной диаграммы         40

Список литературы      45

Введение

Поршневые дизели относятся к роду тепловых двигателей, в которых химическая энергия топлива преобразуется в тепловую непосредственно внутри рабочего цилиндра. Поступающие в цилиндр воздух и впрыскиваемое топливо образуют горючую смесь, которая самовоспламеняется благодаря высокой температуре в конце сжатия, а также химической реакцией топлива с кислородом воздуха. В результате процесса сгорания образуются газообразные продукты с высоким давлением и температурой. Эффективность процесса сгорания характеризуется количеством теплоты, выделенной в объёме рабочего цилиндра.

Преобразование полученной тепловой энергии в механическую происходит посредством передачи работы расширения продуктов сгорания на поршень, поступательно-возвратное движение которого, в свою очередь, преобразуется через кривошипно-шатунный механизм во вращательное движение на коленчатом валу двигателя. Создаваемый на валу крутящий момент совершает полезную работу, преодолевая сопротивление внешней нагрузки, например гребного винта судна.

Газораспределительный механизм периодически открывает и закрывает выпускные и впускные органы, что обеспечивает своевременную очистку цилиндра от газов и заполнение его свежим зарядом воздуха. Топливная система осуществляет своевременную подачу топлива в цилиндр.

Комплекс последовательных процессов, периодически повторяющихся и обуславливающих работу двигателя, называется рабочим циклом. В настоящее время коэффициент полезного действия у современных двигателей достигает значения в 50-52%.

Задание на курсовую работу


Произвести тепловой расчёт двигателя внутреннего сгорания, определить его индикаторные, эффективные, термические, механические показатели и геометрические размеры цилиндра. А так же на основе полученных данных построить индикаторную диаграмму.

Двигатель марки 8ЧНСП 3А 22/28-2.

Исходные данные двигателя:

номинальная мощность        Ne = 1250 кВт;

номинальная частота вращения                       n = 1050 мин-1;

удельный расход топлива                      qе = 192 г / кВт ч.

Для расчёта двигателя необходимо принять дополнительные данные. Все рекомендации по выбору предварительно оцениваемых параметров для расчёта рабочего процесса относятся к судовым дизелям, работающим на жидком углеводородном топливе.

Абсолютное атмосферное давление равновесного рабочего тела Ро при нормальных условиях для поршневых двигателей внутреннего сгорания соответствует 100000 Па (0.1 МПа) ГОСТ 10150-88.

Абсолютная температура равновесного рабочего тела То при нормальных условиях для поршневых двигателей внутреннего сгорания равна 298 К. ГОСТ 10150-88.

Коэффициент избытка воздуха (α) равен отношению действительного количества воздуха, обеспечивающее полное сгорание 1 кг топлива к теоретически необходимому количеству воздуха для полного сгорания 1 кг топлива. Принимаем α =1.7 , руководствуясь тем, что при данном значении коэффициента избытка воздуха меньшему количеству воздуха, не участвующему в процессе горения, передаётся теплота сгорания. Но необходимо считаться с тем, что при малых коэффициентах избытка воздуха возрастает тепловая напряженность цилиндра.

Коэффициент продувки (φa). Для четырёхтактных ДВС с наддувом коэффициент продувки лежит в пределах (1,05.. 1,2). Большие значения коэффициента продувки принимаются при контурной продувке, меньшие значения при промежуточной. Для нашего двигателя принимаем φa =1,15.

Коэффициент остаточных газов (γr) равен отношению количества молей остаточных газов к количеству молей свежего заряда. Для четырёхтактных среднеоборотных двигателей с наддувом коэффициент остаточных газов находиться в пределах (0,01..0,04), принимаем γr = 0,04.

В большинстве четырёхтактных двигателей с наддувом применяется газотурбинный наддув. Прототип нашего двигателя также выполнен с газотурбинным наддувом, поэтому выберем его. В нагнетателе применим центробежный компрессор, в силу его компактности, простоты и более высокого КПД, по сравнению с осевым. Для центробежного компрессора показатель политропы (m) изменяется в пределах (1,3..1,4). Принимаем m=1,4.

Потери в ХНВ (∆Pохл) находятся в пределах (0,001..0,005)МПа . Большие значения потерь для высокооборотных двигателей. Так как наш двигатель высокооборотный, то подогрев заряда о стенки цилиндра (∆Ta) находится в пределах (5..10)К для двигателей с наддувом. Принимаем ∆Ta = 10 К.

Температура остаточных газов (Tr) изменяется в пределах (600..900)К.

Принимаем Tr =800К.

Степень повышения давления (λ) лежит в пределах (1,4..1,6)

Принимаем λ = 1,5.

Коэффициент использования теплоты (ξz)- Сгорание топлива сопровождается неизбежными потерями теплоты на диссоциацию продуктов сгорания, неполноту сгорания и на охлаждаемость стенок цилиндра. Данный коэффициент учитывает все потери при сгорании. Коэффициент использования теплоты изменяется в пределах (0,7..0,95) для высокооборотных дизелей. Принимаем ξz =0,85.

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы (φ) равен отношению площади действительной индикаторной диаграммы к площади теоретической индикаторной диаграммы. По источнику коэффициент полноты индикаторной диаграммы лежит в пределах (0,95..0,97). Допустим, что площадь действительной индикаторной диаграммы достаточно приближена к площади теоретической индикаторной диаграммы, тогда примем φ = 0,96.

Назначение двигателя

двигатель внутреннее сгорание тепловой расчет

Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми. Тепловая энергия получается при сжигании какого-либо топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутреннего сгорания.

В данной работе, двигатель предназначен для привода гребного винта судна.

 

Классификация двигателя


Двигатели, устанавливаемые на судах различного типа, можно подразделять по следующим основным характерным признакам:

- способу осуществления рабочего цикла:

Четырёхтактные (Ч), у которых рабочий цикл совершается за четыре последовательных хода поршня и два оборота коленчатого вала;

Двухтактные (Д), у которых рабочий цикл совершается за два последовательных хода поршня и один оборот коленчатого вала;

-способу действия:

Простого действия (Ч и Д), у которых рабочий цикл осуществляется только в верхней полости цилиндра (имеют преимущественное распространение на судах);

Двойного действия (ДД), у которых рабочий цикл осуществляется в двух полостях цилиндра, верхней (над поршнем) и нижней (под поршнем), такие судовые дизели в настоящее время вытеснены более простыми и совершенными: двухтактными крейцкопфными простого действия с газотурбинным наддувом;

С противоположно движущимися поршнями (ПДП), являющимися по существу двумя двухтактными дизелями простого действия, с общей камерой сгорания;

-по числу цилиндров: одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые ;

-по расположению цилиндров: однорядные с вертикальным расположением цилиндров в одной плоскости; двухрядные с параллельным расположением рядов (сдвоенные) или с расположением рядов цилиндров под углом (V-образные); многорядные с расположением цилиндров под разными углами (Х-, W- и А-образные);

-по способу охлаждения: на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;

-по степени сжатия: в зависимости от степени сжатия

различают двигатели высокого (=12... 18) и низкого {(=4... 9) сжатия;

-роду применяемого топлива:

Лёгкое жидкое топливо (бензин, лигроин, керосин, бензол и др.), которое вводится в цилиндр в парообразном состоянии в смеси с воздухом;

Тяжёлое жидкое топливо (дизельное, моторное, соляровое масло, газойль, мазут и др.), впрыскиваемое в цилиндр под давлением;

Газообразное топливо (газы - естественный, генераторный, сжиженный и др.), газ и воздух вводят раздельно или в смеси, зажигание производят электрической искрой;

Газожидкостные: основное топливо - газ, запальное топливо (около 10-15 %) - жидкое;

Многотопливные, приспособленные для работы на широком ассортименте жидких топлив - от лёгких до тяжёлых;

-способу наполнения рабочего цилиндра:

Без наддува, у которых наполнение воздухом или рабочей смесью обеспечивается перемещением поршня из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ) или за счёт продувочного воздуха;

С наддувом, у которых воздух или рабочая смесь подаётся в цилиндр под повышенным давлением наддува из особого надувочного агрегата (наддувом принято считать принудительную подачу воздуха под давлением в цилиндр);

-способу смесеобразования:

С внутренним смесеобразованием, у которых рабочая смесь образуется внутри цилиндра в результате распыливания топлива (все дизели, а также двигатели работающие на лёгком топливе с непосредственным впрыском в цилиндр), основными способами внутреннего смесеобразования дизелей является объёмное, объёмно-плёночное и плёночное, последнее находит применение у маломощных дизелей с диаметром цилиндра до 150 мм;

С внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь, состоящая из паров лёгкого жидкого топлива с воздухом (или газа с воздухом), образуется вне рабочего цилиндра (двигатели карбюраторные, а также газообразного топлива с искровым зажиганием),

Смесеобразованием принято считать процесс организованного смешения распыленного топлива с воздухом с целью подготовки рабочей смеси для зажигания. Под рабочей смесью подразумевают смесь, состоящюю из свежего заряда воздуха, распыленного топлива и газов, оставшихся в цилиндре в конце рабочего цикла;

-конфигурации камер сгорания (КС):

С неразделёнными однополосными КС (в основном дизели средней и большой мощности);

С полуразделёнными КС (дизеля с КС в поршне);

С разделёнными двумя или более полостями КС (предкамерные,

вихрекамерные, воздушнокамерные);

-способу воспламенения топлива:

С самовоспламенением впрыскиваемого в КС топлива благодаря высокой температуре, достигаемой в конце процесса сжатия; С принудительным зажиганием, горючая смесь воспламеняется от постоянного источника - электрической искры (карбюраторные и газовые ДВС); С комбинированным воспламенением, у газовых дизелей, в которых основная горючая газовая смесь поджигается за счёт самовоспламенения небольшого количества (10-15 %) жидкого распылённого запального топлива, впрыскиваемого в цилиндр;

- по конструктивному выполнению (КШМ):

Тронковые, у которых направляющей является тронковая часть поршня; Крейцкопфные, у которых направляющей поршня служит ползун, перемещающийся на параллелях;

-расположению рабочих цилиндров:

вертикальные (большая часть дизелей), горизонтальные, однорядные, V-образные, двухрядные, многорядные, звёздообразные, с противоположно движущимися поршнями и другие;

-возможности изменения направления вращения коленчатого вала:

Нереверсивные, имеющие одно постоянное направление вращения (в основном вспомогательные судовые дизели);

Реверсивные, у которых изменение направления вращения осуществляется особым реверсивным механизмом, изменяющим фазы газораспределения (главные судовые дизели);

-частоте вращения коленчатого вала:

Малооборотные n<240 об/мин.;

Среднеоборотные 240<n<750 об/мин.;

Повышенной оборотности 750<n<1500 об/мин.;

Высокооборотные n>1500 об/мин.;

-средней скорости поршня:

Тихоходные 4,5-7 м/с.;

Средней быстроходности 7-10 м/с.;

Быстроходные 10-15 м/с.;

-назначению:

Главные реверсивные с непосредственной передачей мощности на винт или при посредстве какой-либо передачи;

Главные нереверсивные, имеющие какие-либо реверсивные устройства или работающие на электрогенераторы;

Вспомогательные судовые нереверсивные, приводящие в действие вспомогательные механизмы машинной установки (дизель-компрессоры);

 

Схема комбинированного двигателя


Рис.1

- цилиндр;

-выпускной сдвоенный трубопровод;

-газовая турбина;

-компрессор;

-охладитель рабочего тела;

-впускной трубопровод;

Маркировка двигателя


Марки дают представление об основных размерах и конструктивных особенностях судовых дизелей. Стандартную маркировку отечественных дизелей производят по ГОСТ 4393 - 82. Цифра в марке перед буквами обозначает число цилиндров, буквы - характеристику двигателя, дробь после буквы - диаметр цилиндра (числитель) и ход поршня (знаменатель) в сантиметрах. После дроби стоит цифра, указывающая номер модификации данного типа (1, 2 и т. д.) двигателя.

Буквы в марке двигателя обозначают: Ч - четырехтактный, Д - двухтактный, Г - главный, Р - реверсивный, С - судовой с реверсивной муфтой, П - с редукторной передачей,

К - крейцкопфный (при отсутствии буквы К - тронковый), Н - с наддувом (при отсутствии буквы Н - без наддува).

8ЧНСП 3А 22/28-2

8 - количество цилиндров двигателя;

Ч - четырёхтактный;

Н - с наддувом;

С - с реверсивной муфтой;

П - с редукторной передачей;

А - степень автоматизации по ГОСТ 14228-80;

- диаметр цилиндра в сантиметрах;

- ход поршня в сантиметрах;

- модификация ПДВС.

 

Выбор топлива для двигателя


Для двигателя- 8ЧНСП3А22/28-2, используемого на судне, будем применять дизельное топливо с цетановым числом ЦЧ=45, содержанием:

С=0.86,

Н=0.13,

О=0.01,

с низшей теплотой сгорания Qн = 42648 кДж/кг;

 

Выбор камеры сгорания и способа смесеобразования


В связи с тем, что при сгорании необходимо обеспечить тонкость распыливания топлива, и распределить его мелкие капели равномерно по пространству камеры сгорания, выбираем неразделенную камеру сгорания с объёмным способом смесеобразования.

Рис.2

Конструктивная схема неразделенной камеры сгорания.

Углубление в поршне воспроизводит форму факелов распыливания, что повышает равномерность распределения частиц топлива.

Выбираем объёмный способом смесеобразования.

 

Выбор фаз газораспределения


Для осуществления действительного цикла необходимо удалить из цилиндра продукты сгорания, образовавшиеся в предыдущем цикле, и наполнить его воздухом для обеспечения сгорания топлива в очередном цикле. Чем больше поступит в цилиндр воздуха, тем большее количество топлива сможет сгореть в нем и тем большую мощность может развить дизель при равных прочих условиях. Процессы, происходящие в цилиндре во время очистки его от продуктов сгорания и наполнения воздухом, называют процессами газообмена, а весь период, в течение которого протекают эти процессы - периодом газообмена.

Фазы газообмена. Период газообмена условно подразделяют на отдельные фазы, продолжительность которых измеряют в градусах поворота кривошипа. У четырехтактного дизеля период газообмена превышает один оборот коленчатого вала. Этот период состоит из следующих фаз газообмена: свободного выпуска, выпуска, наполнения и дозарядки. В период перекрытия клапанов, когда одновременно открыты впускной и выпускной клапаны, на фазы выпуска и наполнения накладывается фаза продувки.

Для обеспечения более совершенной очистки цилиндра от продуктов сгорания, охлаждения стенок поршня, крышки и выпускных клапанов и максимальной дозарядки выбираем следующие фазы газораспределения:

-выпуск: откр. за 50° до НМТ;

закр. через 20° после ВМТ;

-впуск: откр. за 25° до ВМТ;

закр. через 60° после НМТ;

 

Выбор форсунки и вращательного числа свежего заряда в цилиндре двигателя


Форсунку выбираем многодырчатую ( 10 отверстий). Диаметр сопловых отверстий оказывает наибольшее влияние на тонкость распыливания, и выбираем диаметр = 0,038 миллиметра.

Выбор вращательного числа свежего заряда в цилиндре двигателя (вокруг и вдоль продольной оси цилиндра).

Выбираем вращательное число = 10 - интенсивность течения воздуха в камере сгорания.

 

Классификация степени автоматизации


Существуют четыре степени автоматизации: А1, А2, А3, А4

Двигатель 8ЧНСП 3А 22/28-1 выполнен по третьей степени.

Первая степень (А1): должен выполнятся следующий минимум операций:

·        автоматическое регулирование частоты вращения вала дизеля, напряжения и температуры в системах охлаждения и (или) смазки;

·              местное и (или) дистанционное управление пуском, остановом, предпусковыми и послеостановочными операциями, а также частотой вращения (нагружением) реверсированием;

·              автоматическая подзарядка АКБ, обеспечивающих пуск и (или) питание средств автоматизации (при электростартерном пуске);

·              автоматическая аварийно-предупредительная сигнализация и защита;

·              индикация значений контролируемых параметров на местном (дизельном) щитке и (или) дистанционном пульте.

Вторая степень(А2): дополнительно к 1-ой степени должны выполняться:

·        дистанционное автоматизированное и (или) автоматическое управление пуском, остановом, предпусковыми и послеостановочными операциями, частотой вращения (нагружением) и реверсированием при его наличии;

·              автоматический прием нагрузки при автономной работе или выдача сигнала о готовности к приему нагрузки;

·              автоматизация совместной работы двигателей, в том числе автоматический прием нагрузки в ходе синхронизации при параллельной работе ДГ между собой или с внешней сетью;

·              автоматическое поддержание двигателя в готовности к быстрому приему нагрузки;

·              автоматическое регулирование вязкости тяжелого топлива и автоматизированное управление переходом с одного вида топлива на другой;

·              автоматизированный экстренный пуск и (или) останов;

·              исполнительная сигнализация.

Третья степень (А3): дополнительно ко 2-ой степени должны выполняться:

·        автоматическое пополнение расходных емкостей: топлива, масла, охлаждающей жидкости и сжатого воздуха;

·              автоматизированное и (или) автоматическое управление вспомогательными агрегатами и (или) отдельными операциями обслуживания двигателя.

Четвертая степень (А4): дополнительно к остальным степеням должны выполняться:

·        централизованное управление двигателем с помощью управляющих машин;

·              централизованный автоматический контроль;

·              автоматизированное и (или) автоматическое техническое диагностирование состояния двигателя в целом или его отдельных частей.

 

Основные направления развития судовых дизелей


Наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Исходя из этих недостатков , необходимо определить ряд перспективных направлений дальнейшего развития СДВС.

-Увеличение агрегатной мощности, по сравнению с паровыми и газовыми турбинами.

Борьба с большим уровнем шума.

Уменьшение токсичности выхлопных газов.

- Решение проблемы возвратно-поступательного движение поршня, ограничивающего частоту вращения и являющегося причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них.

- Увеличение эффективной мощности за счет улучшения процесса смесеобразования и подачи топлива максимально близко к ВМТ.

Создание двигателя, работающего на любом виде топлива.

Перспективным направлением развития поршневых двигателей внутреннего сгорания является более полное использование энергии выпускных газов в турбине,

обеспечивающей мощность компрессора, нужную для достижения заданного давления наддува. Избыточная мощность в этом случае передается на коленчатый вал дизеля. Реализация такой схемы наиболее возможна для четырехтактных двигателей.

Создание СДВС, обеспечивающих большой жизненный цикл.

 

Расчёт рабочих процессов двигателя


Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из пяти процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, которые совершаются за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

Графическое представление о давлении газов при изменении объема в цилиндре двигателя в процессе осуществления каждого из четырех циклов дает индикаторная диаграмма. Она может быть построена по данным теплового расчета или снята при работе двигателя с помощью специального прибора - индикатора.

Процесс впуска

Впуск воздуха осуществляется после выпуска из цилиндров отработавших газов от предыдущего цикла. Впускной клапан открывается с некоторым опережением до ВМТ, чтобы получить к моменту прихода поршня к ВМТ большее проходное сечение у клапана. Впуск воздуха осуществляется за два периода. В первый период смесь поступает при перемещении поршня от ВМТ к НМТ вследствие разряжения, создающегося в цилиндре. Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ в течение некоторого времени, соответствующего 40 - 70 поворота коленчатого вала за счет разности давлений, и скоростного напора смеси. Впуск воздуха заканчивается закрытием впускного клапана. Воздух, поступивший в цилиндр, смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла. Давление воздуха в цилиндре в течение процесса впуска составляет 70 - 90 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура воздуха в конце процесса впуска повышается до 315 - 340 К вследствие соприкосновения его с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными газами, имеющими температуру 600 - 900 К.

Процесс сжатия

Сжатие воздуха, находящегося в цилиндре двигателя, происходит при закрытых клапанах и перемещении поршня в ВМТ. Процесс сжатия протекает при наличии теплообмена между рабочей смесью и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале сжатия температура воздуха ниже температуры стенок, поэтому теплота передается смеси от стенок. По мере дальнейшего сжатия температура смеси повышается и становится выше температуры стенок, поэтому теплота от смеси передается стенкам. Таким образом, процесс сжатия осуществляется по политропе, средний показатель которой n=1.33...1.38. Процесс сжатия заканчивается в момент воспламенения рабочей смеси. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. Давление воздуха в цилиндре в конце сжатия 3.5-10 МПа, а температура 820 -980 К.

Процесс смесеобразования и сгорания

Сгорание топлива начинается с момента начала подачи топлива в цилиндр, т.е. за 20 - 40 градусов до прихода поршня в ВМТ. В этот момент температура сжатого воздуха на 150 -200 С выше температуры самовоспламенения, топливо, поступившее в мелко-распыленном состоянии в цилиндр, воспламеняется не мгновенно, а с задержкой в течение некоторого времени (0.001 -0.003 с), называемого периодом задержки воспламенения. В этот период топливо прогревается, перемешивается с воздухом и испаряется, т.е. образуется рабочая смесь. Подготовленное топливо воспламеняется и сгорает. В конце сгорания давление газов достигает 5.5 - 11 МПа, а температура 1800 - 2400 К.

Процесс расширения

Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре двигателя, происходит после окончания процесса сгорания при перемещении поршня к НМТ. Газы, расширяясь, совершают полезную работу. Процесс теплового расширения протекает при интенсивном теплообмене между газами и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале расширения происходит догорание рабочей смеси, вследствие чего образующиеся газы получают теплоту.

Газы в течение всего процесса теплового расширения отдают теплоту стенкам.

Температура газов в процессе расширения уменьшается, следовательно, изменяется перепад температуры между газами и стенками. Процесс теплового расширения, заканчивающийся в момент открытия выпускного клапана. Процесс теплового расширения происходит по политропе, средний показатель которой =1.23... 1.31. Давление газов в цилиндре к конце расширения 0.25 -0.9 МПа, а температура 900 - 1200 К.

Процесс выпуска

Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана, т.е. за 40 - 60 до прихода поршня в НМТ и заканчивается в момент закрытия выпускного отверстия, т.е. через 10-20 после прихода поршня в ВМТ. Весь процесс выпуска можно разбить на предварение выпуска и основной выпуск. Во время предварения выпуска,примерно в 4 раза более короткого, чем основной, газы выходят из цилиндра с критическими скоростями.В этот период из цилиндра удаляется около 60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с. Во второй период выпуск газов происходит при перемещении поршня от НМТ до точки закрытия выпускного клапана за счет выталкивающего действия поршня и инерции движущихся газов. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 700 - 900 К.

 

Анализ развёрнутого уравнения эффективной мощности



Рассчитаем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива и его низшую теплоту сгорания, в соответствии с выбранным хим. составом топлива:


Рабочий объем цилиндра:

 

Часовой расход топлива:

 

Минутный расход топлива:

 

Цикловой расход топлива:

 

 

Выбор основных параметров для расчёта рабочего цикла по развёрнутой формуле эффективной мощности


Прототип двигателя.

ЧНСП 3А 22/28-2;

Цилиндровая мощность.цил =156,25 кВт - задано;

Частота вращения.

n=1050 об/мин - задано;

Число цилиндров.

i=8 - задано;

Коэффициент тактности.

m=0.5 - задано;

Давление наддува.

 Па;

Назначение двигателя.

Для привода гребного винта судна;

Атмосферное давление.0 =0.1 МПа - задано;

Температура атмосферного воздуха.0 =298 К - задано;

Состав топлива:

С=0.86 кг/кг топлива;

Н=0.13 кг/кг топлива;

О=0.01 кг/кг топлива;

Принято: дизельное топливо среднего состава;

Теплота сгорания.

кДж/кг;

Степень сжатия.

ε=13 - принято;

Коэффициент избытка воздуха при сгорании.

α=1.7 - принято;

Коэффициент продувки.

φa =1.15 - принято;

Коэффициент остаточных газов.

γ r =0.04 - принято;

Схема наддува.

Принято: ГТН с центробежным компрессором.

Показатели политропы сжатия в компрессоре.

n=1.4 - принято;

Давление при наполнении цилиндра.

Па;

Потеря давления в ХВН.

∆Pохл =0.003 МПа - принято;

Подогрев заряда в цилиндре.

∆Ta =10 К - принято;

Температура остаточных газов.r =800 К- принято;

Степень повышения давления при сгорании.

λ=1.5 - принято;

Коэффициент использования тепла.

ξz =0.85 - принято;

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

φ=0.96 - принято;

Механический КПД.

ηm =Ne/Ni=0.8;

Давление перед турбиной.

Па;

Расчет процесса наполнения

Давление после нагнетателя.

Па;

Степень повышения давления в нагнетателе.

;

Температура после нагнетателя.

К;

Понижение давления в ХВН.

 К - принято;

Температура после ХВН.

К;

Температура воздуха в результате подогрева от стенок цилиндра.

К;

Температура в начале сжатия.

К;

Давление в начале сжатия.

Па;

Коэффициент наполнения.

;

Коэффициент избытка продувочного воздуха.

;

Суммарный коэффициент избытка воздуха.

;

 

Расчет процесса сжатия


Средний показатель политропы сжатия.

; =1.37;

Решаем уравнение графо-аналитическим методом или методом последовательных приближений:

Давление в конце сжатия.

Па;

Температура в конце сжатия.

К;

Расчет процесса смесеобразования и сгораниия

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания.

кмоль/кг;

Действительное количество воздуха для сгорания.

кмоль/кг;

Химический коэффициент молекулярного изменения.

;

Действительный коэффициент молекулярного изменения.

 ;

Средняя мольная изохорная теплоёмкость заряда в точке С.

;

A=19,26 ;   В=0,00251;

=21.399 кДж/кмоль*К;

Уравнение средней мольной изобарной теплоемкости продуктов сгорания в точке Z.

;

кДж/кмоль*К;

 кДж/кмоль*К;

=34.28 кДж/кмоль*К;

Термодинамическое уравнение сгорания.

;

;

Приведенное квадратное уравнение:

;

Определение максимальной температуры цикла.

=1971.441 К- определяем из квадратного уравнения;

Максимальное давление цикла.

Па;

Расчет процесса расширения и процесса выпуска

Степень предварительного расширения.

 ;

Степень последующего расширения.

 ;

Средний показатель политропы расширения.

; =1.2;

Решаем уравнение графо-аналитическим методом или методом последовательных приближений:

=1.28;

Давление в конце расширения.

 Па;

Температура в конце расширения.

 К;

Расчёт показателей рабочего цикла двигателя

Расчет индикаторных показателей

Среднее индикаторное давление теоретического цикла.

=МПа;

Среднее индикаторное давление действительного цикла.

Па;

Удельный индикаторный расход топлива.

кг/кВт*ч;

Индикаторный КПД.

;


=МПа;

Мощность механических потерь.

кВт;

Механический КПД.

=0,86

 

Расчет эффективных показателей двигателя


Среднее эффективное давление (предварительное значение).

Па;

Удельный эффективный расход топлива.

кг/кВт*ч;

Эффективный КПД.

;

Эффективная мощность двигателя.

= кВт;

Определение основных размеров цилиндра


Рабочий объём цилиндра (предварительное значение).

;

Отношение S/D (предварительное значение).

;

Диаметр цилиндра (предварительное значение).

м;

Диаметр цилиндра (принятый).

D=22 см;

Ход поршня (предварительное значение).

м;

Ход поршня (принятый).

S=28 см;

Отношение S/D (уточненное значение).

= S/D=1.27;

Средняя скорость поршня.

м/с;

Объём цилиндра (уточнённое значение).

;

Среднее эффективное давление (уточнённое значение).

Па; =1250 кВт - мощность двигателя.

Прототип двигателя - (8ЧНСП 3А 22/28-2).

Вывод по расчёту рабочего цикла


Результаты в ходе расчета термодинамического цикла двигателя полностью совпадают с исходными данными прототипа .

 

Исследовательская часть работы

TC = f (ϕопвп)

Рис.3

Рис.4





Таблица полученных значений

α град

DM, mm

Va`, mm3

ɛ

Tc, oK

0

0,000

10638320

13,000

852,329

2

0,065

10635838

12,997

852,255

4

0,261

10628393

12,988

852,034

6

0,588

10615985

12,973

851,666

8

1,045

10598618

12,951

851,150

10

1,633

10576293

12,924

850,487

12

2,350

10549015

12,891

849,674

14

3,199

10516790

12,851

848,713

16

4,177

10479623

12,806

847,602

18

5,285

10437522

12,755

846,341

20

6,523

10390495

12,697

844,928

22

7,890

10338554

12,634

843,362

24

9,386

10281711

12,564

841,644

26

11,011

10219980

12,489

839,771

28

12,764

10153378

12,407

837,742

30

14,644

10081924

12,320

835,555

32

16,652

10005638

12,227

833,210

34

18,786

9924546

12,128

830,706

36

21,047

9838676

12,023

828,039

38

23,432

9748058

11,912

825,209

40

25,941

9652726

11,796

822,214

42

28,573

9552721

11,673

819,051

44

31,327

9448086

11,546

815,720

46

34,202

9338867

11,412

812,219

48

37,195

9225119

11,273

808,544

50

40,372

9106898

11,129

804,695

C = f (ϕопвп)

Рис.5

 

Вывод по исследовательской части

Процесс сжатия характеризуется температурой в конце процесса сжатия и степенью сжатия. Температура в конце процесса сжатия зависит от температуры в начале процесса сжатия.

 

Расчет внешней скоростной характеристики


Расчет внешней скоростной характеристики двигателя представляет собой установление зависимости параметров, определяющих внешнюю характеристику дизеля, от частоты вращения коленчатого вала. На основании теплового расчета, проведенного для режима номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые для расчета и построения внешней скоростной характеристики дизеля:

Эффективная мощность Ne=1250 кВт;

Номинальная частота вращения коленчатого вала nN=1050 мин

Ход поршня S=280 мм;

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

L0= 14,33 кг.возд./кг.топл.;

Плотность заряда на впуске ρк=2,80 кг/м3;

Коэффициент избытка воздуха αN=1,7

Удельный эффективный расход топлива geN= 192 г/(кВт·ч);

 

Расчетные формулы для нахождения параметров внешней скоростной характеристики


Эффективная мощность в расчетных точках

 кВт;

Эффективный крутящий момент

 Нм;

Среднее эффективное давление

 МПа;

Удельный эффективный расход топлива для дизелей

 г/(кВт·ч);

Часовой расход топлива

 кг/ч;

Коэффициент избытка воздуха


Зависимость α от n ─ линейна

Коэффициент наполнения

;

Параметры внешней скоростной характеристики

n, минgCO2ŋe










250

322,130

12304,47

237,627

76,547

1,258

0,68845

1,211

760,464

0,35463

350

473,148

12909,23

219,733

103,966

1,313

0,66789

1,271

703,199

0,38351

450

627,114

13307,76

205,322

128,761

1,369

0,64336

1,310

657,081

0,41043

550

777,548

13500,07

194,395

151,151

1,424

0,61792

1,329

622,109

0,43350

650

917,973

13486,15

186,950

171,615

1,479

0,59364

1,328

598,284

0,45076

750

1041,910

13266,00

182,988

190,657

1,534

0,57157

1,306

585,605

0,46052

850

1142,879

12839,63

182,509

208,585

1,590

0,55176

1,264

584,072

0,46173

950

1214,402

12207,03

185,513

225,287

1,645

0,53321

1,202

593,686

0,45425

1050

1250,000

11368,21

192,000

240,000

1,700

0,51393

1,119

614,446

0,43890

Анализ таблицы показывает, что при экономичной работе двигателя ge=182,509  имеем:

-     мощность Ne=1142,879 кВт;

-        крутящий момент Mкр=12839,63 Н;

         часовой расход топлива GT=208,585 кг/ч;

         коэффициент избытка воздуха α=1,59;

         коэффициент наполнения ηH=0,55176;

         среднее эффективное давление Pe=1,264 МПа;

-        диоксид углерода CO2=584,072 .

По расчетным данным, приведенным в таблице , строим внешнюю скоростную характеристику дизеля с наддувом.

Внешняя скоростная характеристика

Построение свернутой и развернутой индикаторной диаграммы

Теоретическая индикаторная диаграмма - это по существу соединение протекания цикла сначала свежего заряда, а затем продуктов сгорания топлива. Построение индикаторной диаграммы ведется в прямоугольной системе координат Р-V, при этом по оси ординат откладываются давления газов в МПа, а по оси абсцисс - объём в м3. В расчёте рабочего процесса ДВС были определены следующие величины, необходимые для построения индикаторной диаграммы:

Pa = 0.255 - давление впуска (конца наполнения и начала сжатия), [МПа];

Pc = 8,118 - давление конца сжатия, [МПа];

Pz = 12,177 - давление (максимальное) сгорания топлива, [МПа];

PB = 0,825 - давление конца расширения, [МПа];

Pr = 0,223 - давление выпуска (давление перед газовой турбиной ), [МПа];

Vs = 10638 - рабочий объём цилиндра, [cм3];

e = 13 - степень сжатия;

r = 1,588 - степень предварительного расширения

d = 8,186 - степень последующего расширения

n1 = 1,37 - средний показатель политропы сжатия;

n2 =1,28 - средний показатель политропы расширения;

P0 =0,1 - атмосферное давление, [МПа].

Определяем значения объемов:

Камеры сгорания

см3

Предварительного расширения

 см3

Полного расширения

Va = Vs + Vc = 11524,5 см3

С учётом выбранного масштаба давлений и объёмов по определённым значениям давлений: Ра, Рz, Рz, РB, Рr и объёмов Vа =VB, Vс =Vz' и Vz наносятся на диаграмму точки а, с, z', z., b, b. Построение политроп сжатия и расширения рекомендуется производить аналитическим методом, согласно которому любая точка на линии сжатия и расширения определяются из Рх = Ра*(Vа/Vх)n1 Рх = Рz/(Vх/Vz)n2 .

Определение точек политроп сжатия и расширения приведены в таблицах 2 и 3 соответственно.

 

Таблица 2. Определение точек политропы сжатия.

Номера точек





1

1

0,00

0,00

1,00

0,25500

2

0,17609

0,24125

1,743

0,44441

3

2

0,30103

0,41241

2,585

0,65910

4

2,5

0,39794

0,54518

3,509

0,89478

5

3

0,47712

0,65366

4,505

1,14867

6

3,5

0,54407

0,74537

5,564

1,41877

7

4

0,60206

0,82482

6,681

1,70358

8

4,5

0,65321

0,89490

7,851

2,00190

9

5

0,69897

0,95759

9,070

2,31275

10

5,5

0,74036

1,01430

10,335

2,63534

11

6

0,77815

1,06607

11,643

2,96898

12

6,5

0,81291

1,11369

12,992

3,31308

13

7

0,84510

1,15778

14,381

3,66711

14

7,5

0,87506

1,19883

15,806

4,03064

15

8

0,90309

1,23723

17,268

4,40325

16

8,5

0,92942

1,27330

18,763

4,78458

17

9

0,95424

1,30731

20,291

5,17431

18

9,5

0,97772

1,33948

21,852

5,57213

19

10

1,00

1,37000

23,442

5,97778

20

11

1,04139

1,42671

26,712

6,81158

 

Таблица 3. Определение точек политропы расширения.

Номера точек





1

1,00

0,00000

0,00000

1,00000

12,17700

2

1,30

0,11394

1,38749

1,39910

8,70348

3

1,60

0,20412

2,48557

1,82505

6,67216

4

1,90

0,27875

3,39438

2,27407

5,35471

5

2,20

0,34242

4,16968

2,74348

4,43853

6

2,50

0,39794

4,84572

3,23120

3,76857

7

2,80

0,44716

5,44504

3,73562

3,25970

8

3,10

0,49136

5,98331

4,25543

2,86152

9

3,40

0,53148

6,47182

4,78953

2,54242

10

3,70

0,56820

6,91899

5,33701

2,28161

11

4,00

0,60206

7,33128

5,89708

2,06492

12

4,30

0,63347

7,71375

6,46904

1,88235

13

4,60

0,66276

8,07040

7,05229

1,72667

14

4,90

0,69020

8,40452

7,64629

1,59254

15

5,20

0,71600

8,71877

8,25058

1,47590

16

5,60

0,74819

9,11069

9,07153

1,34233

17

6,00

0,77815

9,47555

9,90909

1,22887

18

6,40

0,80618

9,81685

10,76243

1,13144

19

6,80

0,83251

10,13746

11,63085

1,04696

20

7,40

0,86923

10,58463

12,96035

0,93956

По расчетным данным строим свернутую и развернутую диаграммы.

Рис.7

Рис.8

Список литературы


1. Расчет рабочего процесса судового дизеля: Методические Указания по курсовому проектированию судовых ПДВС: Сост.: В.Л. Химич, В.А. Звонцов и др. Н.Новгород , 1991.

. Общие требования к оформлению чертежей и пояснительных записок курсовых и дипломных проектов. НГТУ: Сост. Ю.Н. Ручкин. Н.Новгород, 2001.

. Судовые двигатели внутреннего сгорания : В.И. Самсонов, 1990.

4. Методы определения внешней скоростной характеристики, ее построение и исследование для поршневых комбинированных дизельных двигателей. Сост.: Л.А. Захаров, А.К. Лимонов, И.Л. Захаров, А.В. Сеземин, Е.Е. Мозолина

5. Конспект лекций по теории ПДВС: Л.А. Захаров.

Похожие работы на - Тепловой расчёт двигателя внутреннего сгорания марки 8ЧНСП 3А 22/28-2 и построение индикаторной диаграммы

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!