3.7 Расчет рабочего цикла, индикаторных и эффективных показателей главного двигателя

3.7.1 Задачи и исходные данные расчета рабочего цикла

Рабочие циклы четырехтактных дизелей включают в себя процессы газообмена (процессы выпуска газов и наполнения цилиндра зарядом воздуха), сжатия смеси воздуха и остаточных газов, подготовки к самовоспламенению поступающего в цилиндр топлива, сгорания топлива и расширения смеси продуктов сгорания с воздухом.

Правильная организация процессов в цилиндрах с достижением определенных значений параметров газа в характерных точках цикла является обязятельным условием экономичной и надежной работы дизелей. Расчет процессов выполняют с целью определения условий, которые обеспечивают осуществление цикла с параметрами газа в характерных точках, находящимися в заданных диапазонах. Так, например, температура смеси воздуха и остаточного газа в конце процесса сжатия должна быть достаточно высокой для обеспечения эффективных подготовки к самовоспламенению и сгорания подаваемого в цилиндр топлива, но умеренно высокой для исключения чрезмерной тепловой напряженности двигателя. Поэтому одной из задач расчета является определение условий сжатия (степени сжатия, температуры рабочего цикла в начале сжатия и др.), обеспечивающих надежное самовоспламенение и эффективное сгорание топлива.

Результаты расчета и индикаторные диаграммы рабочего цикла позволяют определить особенности процессов, происходящих в цилиндрах, экономичность и энергетические показатели дизеля. Их используют для расчета и анализа процессов в наддувочном агрегате, оценки механической и тепловой напряженности деталей, решения других задач.

Расчет рабочих процессов в цилиндре производится по методу В.И.Гриневского – Е.К.Мазинга. Задача расчета заключается в том, чтобы пользуясь аналитическими зависимостями и экспериментальными величинами, доказать возможность получения в проектируемом двигателе заданного значения среднего эффективного давления, определить начальные и конечные параметры отдельных процессов, построить диаграмму расчетного цикла и оценить значения удельных индикаторного и эффективного расходов топлива, индикаторный и эффективный КПД двигателя. К достоинствам метода В.И.Гриневского – Е.К.Мазинга относятся простота расчетных уравнений, наглядность связей основных параметров рабочего тела с показателями цикла и некоторыми конструктивными факторами.

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 _о = 60 %;

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

Давление наддувочного воздуха в ресивере Р_s

Выбираем на основании паспортных данных двигателя. Согласно паспортным данным дизеля давление наддува P_s= МПа.

Температура наддувочного воздуха в ресивере Т_s

Выбираем на основании паспортных данных двигателя. Согласно паспортным данным дизеля Т_s= 314К.

Параметры воздуха за компрессором Т_к и P_к

Температура 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.

P_к - давление воздуха за компрессором. P_к= P_s+P_во=.

Т_к =

Коэффициент избытка воздуха α - это отношение действительного количества воздуха в цилиндре перед началом сгорания к теоретически необходимому. Он выбирается с учетом степени быстроходности дизеля, наличия наддува, способа смесеобразования. Исходя из опытных данных, для МОД с наддувом значение =1,8…2,2; для СОД =1,6…2,0; для ВОД =1,4…1,8. Для дизеля принимаем α =.

Коэффициент потери давления во впускных органах k_a. По экспериментальным данным для четырехтактных ДВС с наддувом k_a = 0,9…0,96. Принимаем

Доля хода поршня, потерянная на осуществление процессов газообмена к_a

Для четырехтактных дизелей к_a=0, так как за время запаздывания закрытия впускных клапанов давление в цилиндре изменяется незначительно.

Действительная степень сжатия 

В судовых ДВС зависит от типа двигателя, его быстроходности, способа смесеобразования, наличия наддува, конструктивных особенностей и других факторов. В малооборотных дизелях степень сжатия равна =11...13, в среднеоборотных дизелях =13...14, у высокооборотных дизелей ε = 15...18. Большие значения ε относятся к быстроходным дизелям и дизелям без наддува, меньшие - к тихоходным дизелям. Для дизеля согласно паспортным данным принимаем ε =.

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 =0.070.12. Для четырехтактных дизелей - _г =0,01...0.04. Для дизеля принимаем _г=.

Температуру остаточных газов Т_г

Выбираем по опытным данным и из-за отсутствия надежных расчетных способов определения оцениваем приближенно. Она лежит в пределах Т_г=700...800 К. Для дизеля принимаем Т_г= К.

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, для среднеоборотных - 1,36...1,39, а для высокооборотных - 1,38...1,40, так как дизель является среднеоборотным с охлаждаемыми поршнями, выбираем n₁=1,36.

Коэффициенты использования теплоты ξ_z и ξ_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:

Таблица 3.6 – Коэффициенты использования тепла в точках z и b

	МОД и СОД	ВОД
z	0,75…0,85	0,7…0,8
b	0,85…0,95	0,85…0,9

Принимаем для дизеля ξ_z=0,85 и ξ_b=0,95.

Максимальное давление цикла Р_z

Принимаем по паспортным данным двигателя Р_z = МПа.

Показатель политропы расширения n₂

Принимаем равным среднему показателю политропы n₂ , значение которого определяем из условия равенства работы расчетного процесса расширения со средним показателем n₂ работы действительного процесса расширения. Для малооборотных и среднеоборотных дизелей n₂ = 1,2...1,3.

Для дизеля принимаем n₂=1,21.

Механический КПД η_м

Оценивается в зависимости от типа двигателя, частоты вращения, конструктивных особенностей, степени наддува и способа его осуществления. Для двухтактных малооборотных дизелей η_м=0,88...0,93; для четырехтактных среднеоборотных дизелей η_м = 0,89...0,91, для четырехтактных высокооборотных дизелей η_м=0,8...0,85.

Для дизеля 6ЧРН52,5/72 принимаем η_м =

Низшая теплота сгорания Q_н

Для стандартного условного топлива среднего состава в соответствии с ГОСТ 10448-80 Q_н = 41868 кДж/кг.

Степень подогрева заряда воздуха в двигателе ΔТ_s

Зависит от конструктивных особенностей двигателя, способа газообмена, расположения полостей охлаждения и др. Для двухтактных дизелей

ΔТ_s=5...10 К, для четырехтактных дизелей ΔТ_s=10...20 К. Для дизеля принимаем ΔТ_s=10 К.

Степень охлаждения воздуха в холодильнике ΔТ_во

Выбираем из условия: Т_s=Т_к – ΔТ_во= К (согласно паспортным данным), где Т_к - температура воздуха за компрессором, равная Т_к = К. Принимаем ΔТ_во= К, что обеспечивается установкой холодильника воздуха.

Таблица 3.7 – Исходные данные для расчета рабочего цикла

№		Наименование исходного параметра	Условное обозначение, размерность	Численное значение
1		Давление окружающей среды	Ро, МПа
2		Температура окружающей среды	То, К
3		Доля хода поршня, потерянная в начале процесса сжатия	ка
4		Степень сжатия	ε
5		Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре	m
6		Коэффициент потери давления во впускных органах	ka
7		Коэффициент остаточных газов	γГ
8		Температура остаточных газов	Тг, К
9		Степень подогрева заряда воздуха в цилиндре	ΔТs, К
10		Коэффициент избытка воздуха	α
11		Показатель политропы сжатия	n1
12		Показатель политропы расширения	n2
13		Максимальное давление цикла	Рz, МПа
14		Механический КПД	ηм
15		Коэффициенты использования теплоты	ξz, ξb
16	Низшая теплота сгорания		Qн, кДж/кг
17	Степень подогрева заряда воздуха в двигателе		ΔТs,К
18	Степень охлаждения воздуха в холодильнике		ΔТво, К