Материал: Разработка двигателя на базе дизеля 6ЧНР 36/45 (Г70) с лучшими удельными показателями

Индикаторный удельный расход топлива:

1.7 Механические потери в двигателе

Некоторая часть индикаторной мощности, развиваемой в цилиндрах двигателя, расходуется в самом двигателе на собственные нужды и не может быть использована потребителем. Эту мощность называют мощностью механических потерь N_M, кВт. Данная мощность расходуется на преодоление трения, привод всех вспомогательных механизмов, обеспечивающих нормальную работу двигателя, и на осуществление процессов газообмена.

Среднее давление механических потерь.

Механический КПД задаем равным 0,92.

1.8 Эффективные показатели двигателя

К эффективным показателям двигателя относятся среднее эффективное давление p_e, эффективная мощность N_e, эффективный КПД ɳ_е и удельный эффективный расход топлива g_e. Как и индикаторные показатели, первые два связаны с работой цикла и мощностью двигателя, вторые касаются их экономичности. Эффективные показатели являются внешними показателями двигателя, учитывают как тепловые, так и механические потери. Они характеризуют тепловое, конструктивное и технологическое совершенство двигателя.

Среднее эффективное давление:

Эффективная мощность:

Эффективный КПД:

Эффективный удельный расход топлива:

Часовой расход топлива.

1.9 Проверка основных размеров двигателя

Литраж (рабочий объем) проектируемого двигателя:

Рабочий объем одного цилиндра:

Диаметр цилиндра:

Ход поршня:

Полученные значения S и D полностью соответствуют размерам прототипа.

. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строят по данным теплового расчета рабочего цикла. В дальнейшем эта диаграмма является исходным материалом для динамического и прочностного расчетов двигателя.

Выбор масштабных коэффициентов:

Масштаб давлений ,

Масштаб хода

Масштаб объема

При построении политроп сжатия и расширения аналитическим способом вычисляется ряд точек для промежуточных объёмов между V_a и V_c и между (V_b и V_Z по уравнению политропы).

Для политропы сжатия

где Р_x и V_x - давление и объём в искомой точке диаграммы.

Для политропы расширения .

Расчет точек для построения индикаторной диаграммы.

Таблица 1.

Определяем поправку Брикса:мм , где мм -постоянная КШМ.

F_iд = 3393 мм²- площадь, скругленной индикаторной диаграммы.

Среднее индикаторное давление по диаграмме:

Расхождение  с аналитическим значением

Можно считать расхождение удовлетворительным.

2.1 Параметры рабочего тела и агрегатов системы наддува

Большинство современных судовых дизелей оборудуются системой газотурбинного наддува. Наддув позволяет значительно увеличить удельную мощность, улучшить экономичность и массогабаритные показатели двигателя.

У двигателя с газотурбинным наддувом процесс расширения газов происходит в двух ступенях: первая - цилиндр поршневого двигателя и вторая - газовая турбина. Полезная работа от первой ступени через КШМ передается потребителю, а от второй ступени используется для привода центробежного надувочного компрессора, конструктивно объединенного с турбиной в одном агрегате - турбокомпрессоре.

Параметры центробежного компрессора.

Секундный расход воздуха через компрессор:

где _в=28,95 кг/кмоль - молярная масса воздуха.

Удельная адиабатическая работа сжатия воздуха в компрессоре:

 кДж/кг;

Мощность, потребляемая компрессором:

Относительная мощность компрессора:

Параметры рабочего тела в выпускном ресивере.

Рабочее тело в выпускном ресивере рассматриваем как газовоздушную смесь отработавших газов из цилиндра и продувочного воздуха, поступившего в ресивер в период перекрытия клапанов в фазе продувки камеры сгорания.

Давление газов в ресивере перед турбиной:

;

Температура отработавших газов в выпускном ресивере после истечения из цилиндра (до смешения с продувочным воздухом):

;

где m - показатель политропы расширения. Принимаем m=1,25.

Средняя молярная изобарная теплоемкость отработавших газов в ресивере:

кДж/(кмоль∙К);

Средняя молярная изобарная теплоемкость продувочного воздуха в ресивере:

кДж/(кмоль∙К)

Средняя молярная изобарная  и изохорная  теплоемкость газовоздушной смеси в выпускном ресивере:

=

Температура рабочего тела перед турбиной:

Параметры газовой турбины.

Секундный расход газов через турбину:

Показатель адиабаты расширения в турбине:

Удельная работа адиабатического расширения в турбине:

Допуская, что молярная масса газов и воздуха примерно равны  выразим удельную работу турбины:

Мощность турбины:

Относительная мощность турбины

=0.11

Степень повышения давления в компрессоре:

2.2 Внешний тепловой баланс двигателя

Целью расчета внешнего теплового баланса является получение исходных данных для расчета систем охлаждения, смазки, определения возможности утилизации тепловых потерь.

Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива:

Количество полезной теплоты:

Относительная доля полезной теплоты:

Количество теплоты, теряемой в систему охлаждения:

По опытным данным, относительная доля потерь теплоты в систему охлаждения в процессе сгорания расширения составляет , тогда:

Молярная теплоемкость при политропном процессе сжатия:

Где: К = 1.4 показатель адиабаты для воздуха.

Количество рабочего тела в рабочем объеме при p_k и T_k:

Количество рабочей смеси сжимаемой за час:

Потеря теплоты в процесс сжатия:

Теплоемкость воздуха:

Часовое количество свежего заряда, участвующего в процессе наполнения:

Теплота, сообщаемая свежему заряду от стенок цилиндра:

Потери теплоты в процессе выпуска в систему охлаждения, составляет тогда абсолютная доля теплоты составит:

Так как турбокомпрессор имеет охлаждаемый корпус, принимаем , тогда абсолютная доля теплоты составит:

Работа механических потерь:

Потеря теплоты в паре поршень-цилиндр:

Где: a = 0.6 доля работы трения в паре поршень-цилиндр.

Потеря теплоты в систему охлаждения, эквивалентная работе водяных насосов:

Потеря теплоты с отработавшими газами:

Молярный расход воздуха через компрессор:

Молярный расход газов из турбины:

Относительный перепад температур в турбине:

Температура газа за турбиной:

Теплоемкость газа за турбиной:

Теплоемкость воздуха при :

Потеря теплоты с выпускными газами:

Остаточный член теплового баланса:

Остаточный член теплового баланса входит в заданные пределы, расчетные статьи теплового баланса могут быть использованы для проектирования вспомогательных систем и агрегатов двигателя.

3. Динамический расчёт двигателя

Динамический расчёт КШМ заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции. По этим силам рассчитываются основные детали на износ и прочность, а также неравномерность хода. Во время работы двигателя на детали КШМ действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно - поступательно движущихся масс, центробежные силы и силы тяжести (обычно не учитываются). Все действующие на двигатель силы воспринимаются сопротивлениями на валу, силами трения и опорами двигателя. В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в КШМ, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для определения характера изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала и их величины определяют для отдельных положений коленчатого вала.

3.1 Определение сил и моментов в КШМ

По характеру движения массы деталей КШМ делятся на движущиеся возвратно - поступательно (поршневая группа и верхняя головка шатуна) и движущихся вращательно (колено вала и нижняя головка шатуна). А также сложное плоско - параллельное движение (стержень шатуна). Для упрощения расчёта действительный КШМ заменяют динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс.

Из данных прототипа:

Масса поршневого комплекта (сосредоточенная на оси поршневого пальца)

Масса шатуна

·   Масса шатуна, приведённая к оси поршневого пальца

·   Масса шатуна, приведённая к оси шатунной шейки

·   Приведённая масса поступательно движущихся частей КШМ