2. Расчет рабочего цикла, индикаторной диаграммы, индикаторных и эффективных показателей двигателя

2.1 Задачи и исходные данные расчета рабочего цикла

Значения исходных параметров в полной мере определяют возможность получения в двигателе с конкретными размерами заданных энергетических и экономических показателей. Ниже перечисленные исходные параметры необходимы для расчета рабочих процессов в цилиндре двигателя.

Для того, чтобы расчетный цикл был максимально приближенным к реальному циклу, а величины среднего эффективного давления и удельного расхода топлива - близкими к действительным значениям, необходимо исходные параметры принять такими, которые в наибольшей мере соответствуют особенностям конструкции и условиям эксплуатации данного двигателя.

Неверный выбор исходных данных приводит к необходимости повторений расчетов с корректировкой исходных величин.

При выборе и обосновании данных использованы сведения из рекомендуемой литературы. Величины некоторых исходных данных известны, они указаны в задании и в технической документации двигателя.

Данный расчет выполняем по методике В.И. Гриневецкого и Е.К. Мазинга. В основе метода лежит представление действительного рабочего цикла рядом последовательно протекающих термодинамических процессов при следующих допущениях:

- действительный процесс сжатия заменяется политропным процессом с постоянным количеством газов в цилиндре и показателем политропы. Он начинается для данного двигателя в момент закрытия продувочных окон.

- процесс сжатия заканчивается, а процесс сгорания начинается при положении поршня в ВМТ. Действительный процесс сгорания топлива с выделением и использованием теплоты заменяется процессами изохорного и изобарного подвода теплоты.

- процесс расширения заканчивается, а процессы газообмена начинаются при открытии выпускного клапана.

- действительные процессы газообмена в двухтактном двигателе происходят при движении поршня в районе НМТ при открытых продувочных окнах и выпускном

клапане - изохорный процесс в расчетной диаграмме.

Расчет рабочих процессов выполнен с использованием известных положений и уравнений технической термодинамики, а также эмпирических связей между некоторыми параметрами, показателями и коэффициентами.

2.1.1 Условия окружающей среды

Принимаются в соответствии с ГОСТ 10448-80:

- давление окружающей среды принимаем Р_о = 0,1 МПа;

- температуру окружающей среды Т_о = 300 К;

- относительная влажность окружающего воздуха j_о = 60 %;

- температура воды на входе в воздухоохладитель Т_з.в. = 300 К.

2.1.2 Давление наддувочного воздуха в ресивере Р_s

Выбираем на основании паспортных данных двигателя. Согласно паспортным данным дизеля 5ДРН 60/170 давление наддува P_s=0,34 МПа.

2.1.3 Температура наддувочного воздуха в ресивере Т_s( за воздухоохладителем)

Выбираем на основании паспортных данных двигателя. Согласно паспортным данным дизеля 5ДРН 60/170 Т_s= 320К.

2.1.4 Температура воздуха за компрессором Т_к

Определяется по уравнению Т_к=Т_о*(P_к/P_о)^(m-1)/m , где

m – показатель политропы равный 1,7…1,8 для центробежных компрессоров. Принимаем m=1,75.

Т_к =300*(0,34/0,1)^{(1,75-1)/1,75}=507 К.

2.1.5 Коэффициент тепловой эффективности воздухоохладителя

η_во=(Т_к- Т_s)/( Т_к- Т_зв)=(507-320)/(507-313)=0,96>0,7

Гидравлический коэффициент воздухоохладителя η_го=р_к/р_s=0,36/0,34=1,1>0.95. Выполнение этих условий свидетельствует об удовлетворительном выборе параметров в соответствии с требованиями стандарта.

2.1.6 Коэффициент потери давления во впускных органах k_a

Выбираем на основании известных экспериментальных данных. Коэффициент k_a находится в следующем диапазоне 0,95 – 1,02 – у двухтактных двигателей с прямоточной продувкой цилиндра. Принимаем k_a=1,0.

2.1.7 Коэффициент избытка воздуха  - это отношение действительного количества воздуха в цилиндре перед началом сгорания к теоретически необходимому. Он выбирается с учетом степени быстроходности дизеля, наличия наддува, способа смесеобразования. Предварительно принимаем  = 2 для двухтактного малооборотного дизеля со средней степенью наддува, с неразделенной камерой сгорания и прямоточно-клапанной системой газообмена.

2.1.8 Доля хода поршня, потерянная на осуществление процессов газообмена _a

Для двухтактных дизелей принимается с учетом высоты продувочных окон и может быть определена из следующего соотношения: _a = h/S, где h = 160 мм-высота продувочных окон, S= 1700 мм – ход поршня. Следовательно _a = h/S=160/1700=0,0944.

2.1.9 Действительная степень сжатия ε

В соответствии с паспортными данными ε =11,5 . При расчете используем геометрическую степень сжатия, ε_Г=(ε-_a)/ (1-_a)=(11,5-0,0944)/(1-0,0944)=12,5.

2.1.10 Коэффициент остаточных газов _г

Зависит от тактности, способа газообмена, частоты вращения двигателя, размеров цилиндра, степени сжатия и является критерием оценки качества очистки цилиндра от продуктов сгорания. Для двухтактных дизелей, в зависимости от типа продувки, _г=0.03¼0.9. Принимаем _г=0,03 для двигателя с прямоточно-клапанной системой газообмена.

2.1.11 Температуру остаточных газов Т_r

Выбираем по опытным данным и из-за отсутствия надежных расчетных способов определения оцениваем приближенно. Она лежит в пределах Т_r=700...800 К. принимаю Т_r=800К для двухтактного двигателя.

2.1.12 Показатель политропы сжатия n₁

Зависит от типа двигателя, его быстроходности, частоты вращения, условий охлаждения цилиндра. В расчетах по методу Гриневецкого В.И. -Мазинга Е.К полагают, что процесс сжатия происходит по политропе с условным средним постоянным показателем политропы n₁, который у малооборотных дизелей с охлаждаемыми поршнями находится в пределах 1,34...1,38. Поэтому выбираю n₁=1,35

2.1.13 Коэффициенты использования теплоты _z и _b в точках цикла z и b

Зависят от совершенства процессов сгорания топлива и потерь теплоты в период сгорания. Согласно опытным данным, значения коэффициентов использования теплоты у

малооборотных и среднеоборотных дизелей лежат в следующих пределах: для мало- и среднеоборотных дизелей _z=0,75-0,85, _b =0.85-0.95, для малооборотного двигателя приблизительно принимаем: _z=0,79, _b =0,89.

2.1.14 Максимальное давление цикла Р_z

Принимаем по паспортным данным двигателя Р_z=13,77 МПа.

2.1.15 Показатель политропы расширения n₂

Принимаем с учетом известных рекомендаций для двигателей различной тактности, степени быстроходности, степени наддува. У мало- и среднеоборотных дизелей n₂=1,2-1,3, поэтому для МОД со средней степенью наддува принимаем n₂=1,29.

2.1.16 Механический КПД _м

Оценивается в зависимости от типа двигателя, частоты вращения, конструктивных особенностей, степени наддува и способа его осуществления. Для двухтактных малооборотных дизелей _м=0,88...0,92.Согласно паспортным данным механический кпд при работе на номинальной мощности для дизеля 5ДРН 60/170 _м=0,9.

2.1.17 Элементарный состав и теплота сгорания топлива

С = 0,87; Н = 0,126; О = 0,004. Теплота сгорания топлива Q_н=41868 кДж/кг (данные приведены в методических указаниях).

2.1.18 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного кг топлива L_o, кмоль/кг и теоретически необходимая масса воздуха для сгорания одного кг топлива G_o, кг/кг для условного топлива среднего элементарного состава равны соответственно L_o= 0,495 кмоль/кг , G_o= 14,27 кг/кг.

При расчете процессов величину газовой постоянной воздуха принимают равной R = 0,287 кДж/кг К.

2.1.16 Степень подогрева заряда воздуха в двигателе Т_s

Зависит от конструктивных особенностей двигателя, способа газообмена, расположения полостей охлаждения и др. Для двухтактных дизелей Т_s=5...10 К, Т_s=10 К.

Исходные параметры сводим в таблицу:

Таблица 2.1

Наименование исходного параметра	Услолвное обозначение и размерность	Численное значение
Давление окружающей среды	Ро, Мпа	0,1
Температура окружающей среды	То,К	300
Доля хода поршня потерянная в начале процесса сжатия	ψ	0,0944
Степень сжатия геометрическая	ε	12,5
Температура продувочного воздуха	Тs,К	320
Давление наддувочного воздуха	PsМПА	0,34
Коэффициент остаточных газов	γ	0,03
Температура остаточных газов	Тr,К	800
Степень подогрева заряда воздуха	ΔТs,К	10
Коэффициент избытка воздуха	α	2
Показатель политропы сжатия	n1	1,35
Максимальное давление цикла	Pz, МПА	13,77

Коэффициент использования тепла z	ζz	0,79
Коэффициент использования тепла b	ζb	0,89
Показатель политропы расширения	n2	1,29
Механический КПД	ηм	0,9
Низшая теплота сгорания	Qн,кДж/кг	41868