6.2 Дизель

Завдання на проектування

Провести тепловий розрахунок автомобільного дизеля з наступними технічними характеристиками:

–номінальна потужність двигуна, N_e =200 кВт;

–частота обертання колінчастого вала при N_e , n_e = 2200 хв^-1;

–ступінь стиску ε = 16,5;

–коефіцієнт надлишку повітря, α = 1,5;

–відношення радіусу кривошипа до довжини шатуна, λ_ш = 0,27.

Тип двигуна – V-подібний, чотиритактний, восьмициліндровий, дизель, з наддувом, безпосереднє впорскування, сумішоутворення об’ємне. Нагнітач відцентровий, з приводом від газової турбіни. Тиск наддуву – 0,17 МПа.

У якості прототипу вибрано двигун ЯМЗ – 238Д, технічна характеристика якого наступна:

–номінальна потужність двигуна, N_e = 243 кВт;

–частота обертання колінчастого вала при N_e , n_e = 2100 хв^-1;

–ступінь стиску ε = 16,5;

–коефіцієнт надлишку повітря, α = 1,55;

–відношення радіусу кривошипа до довжини шатуна, λ_ш = 0,267.

Тип двигуна – V-подібний, чотиритактий, восьмициліндровий, дизель з наддувом, безпосереднє впорскування, сумішоутворення об’ємне. Нагнітач відцентровий, з приводом від газової турбіни. Тиск наддуву – р_к= 0,17 МПа.

Вибір вихідних даних

Ступінь стиску двигуна, що проектується, приймаємо ε = 16,5. У відповідності з ДГСТ 305-62 для дизеля, що розраховується, приймаємо дизельне паливо (для роботи в літніх умовах - марки Л і для роботи в зимових умовах - марки З). Цетанове число палива не менше, ніж 45.

Середній елементарний склад дизельного палива С=0,857; Н=0,133; О=0,01.

Визначаємо нижчу теплоту згоряння згідно з елементарним складом палива за формулою:

кДж/кг.

Розрахунок параметрів робочого тіла

Визначаємо теоретично необхідну кількість повітря для повного згоряння одиниці палива:

– у масових одиницях:

кг.пов./кг. – палива;

у об’ємних одиницях:

кмоль пов. / кг.пал.,

де µ_п =28,96 – молярна маса повітря.

Визначаємо кількість свіжого заряду для дизеля:

M₁=·L₀ = 1,5·0,501= 0,751 кмоль зар./кг пал.

Загальна кількість продуктів згоряння:

M₂=·L₀ + Н/4 +О/32 = 0,751 + 0,133/4 + 0,01/32 = 0,785 кмоль/ кг. пал.

Кількість окремих компонентів та загальна кількість продуктів згоряння (при a=1, 5):

М_СО2= С/12 = 0,857/12 = 0,0714 кмоль/кг. палива;

М_Н2О = Н/2 = 0,133/2 = 0,0665 кмоль/кг. палива;

М_О2=0,21·(α –1)·L₀ = 0,21·(1,5–1) ·0,501=0,0579 кмоль/кг.палива;

М_N2=0,79·α·L₀ = 0,79·1,5·0,501=0,5936 кмоль/кг. палива;

Сумарна кількість продуктів згоряння:

М₂= М_СО2 + М_Н2О+ М_О2+ М_N2 = 0,0714+0,0665+0,0579+0,5936=

= 0,789 кмоль/кг. палива.

Перевірку здійснюємо за формулою:

М₂ = С/12+Н/2+ 0,79· α·L₀+0,21· (α – 1) ·L₀= 0,0714+0,0665+ 0,79·0,501·1,5 + 0,21· (1,5–1) ·0,501 = 0,784 кмоль/ кг. пал.

У наведених розрахунках значення М₂ не відрізняються більш, ніж на 0,6% (різниця значень не повинна перевищувати 3%).

Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші:

µ₀=М₂/М₁ = 0.784 / 0,751=1,044 (як правило – µ₀= 1,02…1,12).

Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші:

µ₀=М₂ / М₁ = 0,5118 / 0,474= 1,08 (як правило – µ₀= 1,02…1,12).

Параметри навколишнього середовища і залишкових газів

Враховуючи наддув і достатню швидкохідність дизеля, що розраховується (п_e=2200 хв^-1.), можна прийняти підігрів свіжого заряду на T=5К (T= 0…20К).

Атмосферні умови: р₀ =0,1 МПа, T₀= 288 K.

Згідно з завданням р_k=0,17 МПа – середній наддув.

Температура поступаючого в двигун заряду (після нагріву в компресорі):

де n_{k –} показник політропи стиску в компресорі, прийнятий для відцентрового нагнітача, що охолоджується тепловипромінюванням від корпусу, n_k =1,5.

При наддуві температурний режим двигуна підвищується, але достатньо високе значення ε =16,5 знижує температуру і тиск залишкових газів. Тому, приймемо їх значення:

T_г =760K ;

р_г =0,86·р_k=0,86·0,17=0,146 МПа.

Параметри процесу впуску

Щільність заряду на впуску визначаємо за формулою:

ρ_к = р_к·10⁶/RвТ_к = 0,17·10⁶/287·343= 1,73 кг/м³ ,

де R_в=287 Дж/кг·град – питома газова стала для повітря.

Втрати тиску на впуску визначаємо з рівняння Бернулі:

, МПа,

де (β²+ξ_вп) = (2,5...4,0) – гідравлічний опір впускної системи; приймаємо для дизеля (β²+ξ_вп)= 2,7;

ω_вп – швидкість руху заряду у впускній системі; для бензинових і дизельних двигунів ω_вп = 50…130 м/с . Приймаємо для дизеля ω_вп = 70 м/с. Таким чином, втрати тиску на впуску:

Δр_а= 70²·2,7·1,73 ·10^-6/2=0,011 МПа.

Для автомобільних двигунів розрахункові значення величини Δр_а=(0.006…0.2) МПа, або Δр_а=(0.06…0.2)р₀ МПа. Отримане нами значення входить до наведеного діапазону.

Тиск у кінці процесу впуску:

р_a= р_k –p_а =0,17– 0,011= 0,159 МПа.

Коефіцієнт залишкових газів γ_г характеризує ступінь очистки циліндра від продуктів згоряння і визначається за формулою:

γ_г=(Т_к+ ΔТ)·р _г / Т_г·( ε·р_а–р_г)= (343+5)·0,146 /760·(16,5·0,159–0,146)=0,027.

Для дизельних двигунів γ_г= (0,02…0,1).

Температура заряду в кінці процесу впуску визначається за формулою:

Т_а= (Т_к+ ΔТ+ γ_г·Т_г) / (1+ γ_г) = (343+5+0,027·760) / (1+0,027) = 358 К.

Розрахункові значення повинні знаходитись у межах Т_а=320…360 К.

Коефіцієнт наповнення циліндрів двигуна η_v визначається за формулою:

Розрахункові значення величини η_v для сучасних бензинових двигунів знаходяться у межах η_v= 0,7…0,95. Отримане значення η_v у нашому випадку знаходиться в існуючих межах.

Параметри процесу стиску

Середній показник адіабати стиску при ε = 16,5 і T_a =360K визначаємо за графіком, який наведено на рисунку 3.3. k₁=1,366.

Підвищення середньої температури двигуна за рахунок наддуву зменшує значення показника політропи стиску n₁, а достатня швидкохідність дизеля може дещо підняти значення n₁. Приймаємо n₁=1,36.

Тиск в кінці процесу стиску визначаємо за формулою:

р_с = р_а· ₌ 0,159·16,5^1,36=7,19 МПа.

Температуру в кінці процесу стиску визначаємо за формулою:

Т_с=Т_а· = 358_·16,5^0,36 = 982 К.

Визначаємо середню молярну теплоємність заряду (повітря) без врахування залишкових газів [1]:

кДж/(кмоль·К).

За формулами, які наведено в таблиці 3.1, середня мольна теплоємність в кінці процесу стиску при сталому об’ємі для повітря і компонентів залишкових газів становить:

– повітря

=20,6+0,002638·t_с = 20,6+0,002638· 709= 22,47 кДж/(кмоль·К),

де t_c =(T_c-273)C = (982– 273)=709 C;

–вуглекислого газу СО₂ =27,941+0,019·t_с – 0,0000055·t²_с= =27,941+0,019·709– 0,0000055·(709)² = 38,6 кДж/(кмоль·К);

–водяної пари = 24,953+0,005359· t_с = 24,953+0,005359·709=

= 28,75 кДж/(кмоль·К);

–кисню О₂ = 20,930 +0,004641·t_с – 0,00000084·t²_с =20,930+ +0,004641·709– 0,00000084·(709)² = 23.80 кДж/(кмоль·К);

–азоту N₂ = 20,398+0,0025· t_с= 20,398+0,0025·709=

= 22.17 кДж/(кмоль·К).

Середню мольну теплоємність в кінці процесу стиску при сталому об’ємі для залишкових газів при a =1,5 і t_с =709⁰С визначаємо за формулою:

кДж/(кмоль·К).

Середню мольну теплоємність робочої суміші mc_v^’ (свіжий заряд + залишкові гази) визначаємо за формулою:

_{Після підстановки значень параметрів знаходимо:}

кДж/(кмоль·К).

За формулою, яку наведено в [1], середнє значення теплоємності у процесі стиску без врахування залишкових газів:

mc_vс = 20,16 + 1,74·10^-3·Т_с =20,16 + 1,74·10^-3·982= 21,87 кДж/(кмоль·К).

Таким чином, отримане середнє значення теплоємності робочої суміші знаходиться в існуючих межах = 20…25 кДж/(кмоль·К).

Визначаємо кількість молів залишкових газів (кмоль):

Визначаємо кількість молів газів в кінці процесу стиску до згоряння(кмоль):

М_с = М₁+М_г =0,751+0,0203= 0,771.

Параметри процесу згоряння

Для дизеля коефіцієнт молекулярної зміни свіжої суміші:

₀=M₂ / M₁=0,789 / 0,751 = 1,05.

Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші:

Теплота згоряння робочої суміші:

кДж/кмоль роб. сум.

Застосування наддувy при струйному сумішоутворенні підвищує теплостійкість двигуна і створює сприятливі умови для протікання процесу згоряння. Значення коефіцієнта використання теплоти визначається за дослідними даними з урахуванням кількості палива, що подається до циліндрів, форми камери згоряння тощо. Це дозволяє приймати коефіцієнт використання теплоти ξ _z = 0,7...0,9. Приймаємо ξ _z = 0,82.

Ступінь підвищення тиску в дизелі в основному залежить від величини циклової подачі палива та від камери згоряння.

Орієнтовно значення ступіня підвищення тиску приймають:

для дизелів з нерозділеними камерами згоряння та об’ємним сумішоутворенням =1,6…2,5;
для дизелів з нерозділеними камерами згоряння та плівочним сумішоутворенням, передкамерних та вихрекамерних дизелів =1,2…1,8. З метою зниження навантажень на деталі кривошипно-шатунного механізму необхідно слідкувати, щоб максимальний тиск згоряння не перевер –ував перевищував 12 МПа. Для дизелів середня мольна теплоємність продуктів згоряння при р=const і кДж/(кмоль·К). Отже знаходимо (кДж/(кмоль·К)):
Температура в кінці процесу згоряння для дизелів (цикл з підводом тепла при V=const і р=const) визначається за формулою: де = рz / рc - ступінь підвищення тиску. Попередньо приймаємо =1,6. Після підстановки значень параметрів отримуємо: Далі отримуємо квадратне рівняння: Розв’язуючи останнє рівняння, знаходимо: = 1974,2 К. tz = 1974,2 – 273= 1701,2 0C. Для дизеля, що проектується, визначаємо максимальний тиск в кінці звідки процесу згоряння:
	рz= ·рc= 1,6·7,19 = 11,5 МПа,

а також ступінь попереднього розширення:

Для дизелів ρ = 1,2…1,7.