Материал: Монтаж судовых холодильных установок

.3.4 Процесс сгорания

Прежде всего, необходимо определить количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1кг топлива:

Отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр, к количеству воздуха, теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха при горении и обозначается a.

Действительное количество воздуха:

Величина a для СОД с наддувом равна 1,6¸2,2.

Принимаем a=1,5.

Мольное количество смеси воздуха и остаточных газов, находящихся в цилиндре до горения:

Количество молей продуктов сгорания:

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

4

Количество СО2=0,144¸1

,069 - ХСО2

ХСО2=0,48=48%

Количество Н2О=0,144¸1

,075 - ХН2О

ХН2О=0,52=52%

МГ=СО2+Н2О

%=48%+52%

,06=0,028+0,032

Теплоемкости смеси газов определяют по формулам:

где ri - мольная концентрация отдельных газов:

 и  - мольные теплоемкости отдельных газов при постоянных объемах и давлениях.

Температура TZ определяется из уравнения сгорания.

Уравнение сгорания для смешанного цикла имеет вид:

где x - коэффициент использования тепла;

l - степень повышения давления.

Коэффициент использования тепла x учитывает потери тепла, связанные с догоранием части топлива в процессе расширения, теплообмен со стенками камеры сгорания, диссоциацию.

Для СОД x=0,75¸0,92.

Принимаем x = 0,9.

Для судовых среднеоборотных дизелей значение степени повышения давления l = 1,35¸1,55. Принимаем l = 1,5.

Степень предварительного расширения определяется зависимостью:

Степень последующего расширения:

По опытным данным значения r и d для цикла смешанного сгорания должны находиться в пределах r = 1,4¸1,7 и d = 8¸11.

.3.5 Процесс расширения

Основными параметрами определяющими процесс расширения, являются:- температура начала расширения;

РZ - давление начала расширения;- показатель политропы расширения;- температура конца расширения;

Рb - давление конца расширения.

Давление начала расширения равно:

Давление и температура конца расширения:

У выполненных СОД при работе на номинальных режимах показатель политропы расширения n2 =1,2¸1,3. Принимаем n2=1,3.

.3.6 Процесс выпуска

В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускной клапан открывать с некоторым опережением, несколько ранее прихода поршня в НМТ, чтобы избежать большого противодавления на поршень и, кроме того, чтобы ускорить и улучшить очистку цилиндра от остаточных газов.

Ввиду того, что характер колебаний давления газов при выпуске не поддается точному теоретическому подсчету, в расчетах обычно вместо переменного давления используют среднее постоянное давление газов в период выпуска PГ.

Это давление выше давления в выпускной трубе .

По практическим данным можно принять:

Средняя температура отработавших газов для четырёхтактных ДВС - 350¸600°С.

1.3.7 Построение расчётной индикаторной диаграммы

Теоретическую диаграмму строят по параметрам расчетного цикла, поэтому ее называют также расчетной или проектной.

Построение диаграммы начинают с выбора масштабов Р и V.

По оси абсцисс откладывают объёмы (м³), а по оси ординат - давление (Мн/м²).

Обозначим

где А - объём в точке а, выраженный в мм.

Значения VС , VS и VZ, найдем как

Аналитический способ построения диаграммы:

Точка а - РА=0,0835 Мпа VA=29,35м³/кг ТА=328,8 К;

Точка с - РС=3,4 МПа VC=2,189 м³/кг ТС=895 К;

Точка z - PZ=4,97 МПа VZ=3,3 м³/кг ТZ=1991 K;

Точка z’ - PZ’=4,97МПа VZ’=2,189 м³/кг;

Точка b - Pb=0,256 Мпа Vb=29,35 м³/кг;

Точка b’ - Pb’=0,11 Мпа Vb’=29,35 м³/кг;

Точка r - Pr=0,11 Мпа Vr=2,189 м³/кг;

Точка r’ - Pr’=0,0832 Мпа Vr’=2,189 м³/кг.

Для нормальных соотношений длины высоты диаграмм следует принять величину VS/PZ (в масштабе) в пределах:

Далее проводят ось давлений, атмосферную линию и линию выпуска. Политропу сжатия можно построить аналитическим или графическим способом. Аналитический способ основан на использовании уравнения политропы сжатия:

отсюда

Если принятьVa=1, то

Р=Ра/Vn1

При построении диаграммы цикла смешанного сгорания положение точки z’ определяется координатами (VC; b; PZ).

Кривую расширения строят аналогично кривой сжатия.

Из уравнения политропы расширения получают:

=Va=1 ; P=Pb/Vn2

Вычислив ряд значений Рi, строим кривую политропы расширения. Далее, выбрав Рr, откладываем его в масштабе и проводим линию выпуска.

Спланиметрировав участок acz’zba диаграммы, получим ее площадь F=8525 мм², по которой найдем среднее теоретическое индикаторное давление:

Аналитически определим среднее теоретическое индикаторное давление для цикла смешанного сгорания:

Сопоставляем значения , вычисленные по формулам, приведенным ранее.

Расхождение не должно превышать 4%.

Среднее индикаторное давление с учётом поправки на полноту диаграммы:

где j=0,95¸0,98. Принимаем j=0,98.

.3.8 Параметры, характеризующие рабочий цикл

К параметрам, характеризующим действительный рабочий цикл двигателя, относятся давление в конце сжатия, давление в конце горения, среднее индикаторное давление, среднее эффективное давление РС эффективный расход топлива gе, эффективный КПД hе, а также приводятся диаметр цилиндра D и ход поршня.

Среднее эффективное давление РС найдём так:

Согласно опытным данным, механический КПД hМ при работе на

номинальной мощности для судовых четырехтактных ДВС равен 0,89¸0,91. Принимаем hМ=0,9.

Удельный индикаторный расход топлива определим следующим образом:

=0,251 кг/кВт ч

Удельный эффективный расход топлива:

Индикаторный КПД:

Эффективный КПД:

.3.9 Динамический расчет двигателя

Удельные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) и отнесенные к единице площади поршня Р (Н/м²), можно подразделить на четыре группы:

удельные силы, образующиеся от давления газов на поршень PГ,

удельные силы тяжести движущихся частей РВ,

удельные силы инерции поступательно движущихся частей In,

удельные силы трения в механизме двигателя РT.

Давление газов на поршень РГ - величина переменная и при любом положении мотыля может быть определена по развернутой индикаторной диаграмме.

Силу тяжести РВ можем определить по формуле:

где т - масса поступательно движущихся частей (определяется по опытным данным);- площадь поршня.

Удельные силы инерции поступательно движущихся масс определяют как произведение удельной массы поступательно движущихся частей, отнесенной к единице пощади поршня mn (кг/м²) на их ускорение а (м/с²).

Удельные значения массы поступательно движущихся частей для предварительных расчетов mn = (800¸1000), принимаем mn=900 кг/см². [3]

При построении диаграммы движущих усилий в качестве оси абсцисс принимают атмосферную линию и строят развернутую индикаторную диаграмму.

Вниз от атмосферной линии откладывают удельную силу тяжести движущихся частей и проводят пунктирную линию.

Вычислив по формуле ряд значений In, откладывают их от пунктирной линии с сохранением направления, то есть при направлении силы удельной инерции вверх, ординату In также откладывают вверх, и наоборот. Соединив концы ординат, получим кривую сил инерции.

С достаточной степенью точности кривую удельных сил инерции можно построить по способу Толле, для чего следует отложить расстояние АВ в масштабе абсцисс развернутой индикаторной диаграммы, а затем из точки А в масштабе ординат развернутой диаграммы отложить удельную силу инерции в ВМТ (верхней мертвой точке) Ino равную:

где: R - радиус мотыля;

Величина l находится в пределах 1/3,5¸1/5,5. Принимаем l=1/4.

Средняя угловая скорость вращения коленчатого вала w равна:

где n - число оборотов в минуту, 1000 об/мин.

В том же масштабе из точки В вниз откладывают удельную силу инерции в НМТ:

Точки С и D соединяют прямой. Из точки пересечения CD с АВ откладывают вниз в принятом масштабе ординат величину EF, равную ВD.

Точку F соединяют прямыми с точками С и D. Линии CF и FD делят на одинаковое число равных частей и соединяют точки одного и того же номера прямыми. Через точки С и D по касательным и прямым, соединяющим одинаковые номера, проводят главную огибающую линию, которая и будет кривой удельных сил инерции.

.3.10 Диаграмма касательных усилий

Удельная сила, действующая на 1 м² площади поршня, будет равна соответствующей ординате из диаграммы движущих сил, умноженной на масштаб ординат.

Удельную силу Р раскладывают на две составляющие - нормальную РН и по оси шатуна РШ:

Удельную силу, действующую по оси шатуна, так же раскладывают на две составляющие: радиальную РР и касательную РК:

Объединив эти формулы получим:

Значение величины  для различных углов поворота мотыля a и отношений R/L=l представлены в таблице 1.

Таблица 1