Прототипный двигатель марки 8ЧН 25/34-4

 

Задание: Рассчитать рабочий цикл дизель-генератора четырехтактного типа.

Эффективная мощность N_e = 725 э.л.с. (533 Квт) при частоте вращения n = 500 об/мин (8,33 об/сек), число цилиндров i = 8.

Топливо дизельное, ГОСТ 305-82. Средний весовой состав топлива: С = 0,87; Н = 0,126; О = 0,004.

Низшая теплота сгорания топлива может быть найдена по формуле Д.Н. Менделеева.

Q_н = 8100·С+30000·Н–2600·(О-S)–600·(9·Н–W) =

= 8100·0,87+30000·0,126–2600·0,004–600·9·0,126 =

= 7047+3780–10,4–680,4 = 10136,2 Ккал/кг.

В системе единиц измерений СИ.

Q_н = 33,9·С+103·Н–10,9·(О-S)–2,5·W = 33,9·0,87+103·0,126–10,9·0,004 =

= 29,493+12,978–0,0436 = 42,427 Мдж/к г.

 

Исходные данные расчета.

Максимальное давление цикла……………P_z = 80 бар (8 Мн/м²)

Степень сжатия……………………………..ε = 12,5

Давление окружающей среды…………….P₀ = 1бар (0,098 Мн/м²)

Температура окружающей среды………..Т₀ = 290⁰ К

Коэффициент избытка воздуха……………α = 1,8

Температура остальных газов…………….Т_г = 800⁰ К

Давление после нагнетателя………………..Р_к = 1,55 бар (0,155 Мн/м²)

Коэффициент использования тепла

в конце горения……………………………..ξ_z = 0,8

Коэффициент использования тепла

в конце расширения…………………………ξ_в = 0,86

Механический КПД двигателя………………ή_м = 0,883

Расчет

Определяем теоретически необходимое количество молей воздуха для сгорания 1 кг топлива (вес); в системе единиц СИ для 1 к г массы топлива

Действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива,

L = α·L₀ = 1,8·0,495 = 0,891 кмоль/кг;

L = 0,891 кмоль/к г.

Параметры наполнения рабочего цилиндра

Определяем температуру воздуха после центробежного нагнетателя (корпус нагнетателя охлаждаемый).

Принимаем средний показатель сжатия n_н = 1,8

Tk =

Tk =

С целью понижения средней температуры цикла и увеличения наполнения цилиндра при Т_к = 352⁰ К целесообразно установить охладитель воздуха за нагнетателем.

Определим температуру надувочного воздуха, приняв ∆Т_охл = 40⁰

Т_s = Т_к – ∆Т_охл = 352 – 40 = 312⁰ К

Температура воздуха, поступающего в цилиндр, нагретого стенками цилиндра (степень подогрева примем ∆Т = 5⁰)

Т`_s = Т_s + ∆Т = 312 + 5 = 317⁰ К

Давление начала сжатия примем

P_а = 0,95·Р_s = 0,95·1,51 = 1,43 бар = 0,143 Мн/м²

Где давление надувочного воздуха после охлаждения

Р_s = Р_к – ∆Р = 1,55 – 0,04 = 1,51 бар = 0,151 Мн/м²

здесь сопротивление воздуха в охладителе принято ∆Р =0,04 бар.

Давление остаточных газов принимаем

Р_г = 0,85·Р_s = 0,85·1,51 = 1,28 бар = 0,128 Мн/м²

Коэффициент остаточных газов

γ_г =

Тоже получим в системе СИ.

Температура смеси свежего заряда с остаточными газами в начале сжатия:

Т_а=

Коэффициент наполнения рабочего цилиндра воздухом:

.

 

Параметры процесса сжатия

Методом последовательных приближений определим средний показатель политропы сжатия, приняв первое приближение n₁ = 1,374

n_{1 =} +1 = +1 = 1,374;

1,374 = 1,374

окончательно принимаем n₁ = 1,374.

Давление в конце сжатия

= 45,97 бар = 4,597 Мн/м².

Температура в конце сжатия

= 851⁰ К,

что вполне достаточно для надежного самовоспламенения топлива при всех режимах работы двигателя.

 

Параметры процесса сгорания.

Количество молей продуктов сгорания 1 кг (1 кг) топлива.

=

= 0,0725 +0,063 + 0,787 = 0,922 кмоль/кг.

М = 0,922 кмоль/кг.

Определим теоретический (химический) коэффициент молекулярного изменения:

= 1,035.

Действительный (расчетный) коэффициент молекулярного измерения:

= 1,034.

Степень повышения давления:

= 1,74.

Средняя изохорная мольная теплоемкость сухого воздуха в конце сжатия:

С`v = 4,6+0,0006·Тс = = 4,6+0,0006·851 = = 5,11 Ккал/Кмоль^0К.

С`v = 19,3+0,0025·Тс = 19,3+0,0025·851 = = 21,42 Кдж/Кмоль^0К = 0,02121 Мдж/Кмоль^0К.

 

Выразим среднюю мольную изохорную и изобарную теплоемкость продуктов сгорания при максимальной температуре сгорания:

 

Для остаточных газов в конце сжатия средняя мольная изохорная и изобарная теплоемкость выразятся формулами:

 

= 4,76+0,00074·Тс = = 4,76+ 0,00074·851 = 5,39 Ккал/Кмоль^0К; = +1,986 = 4,76+0,00074·Тz+1,986 = = 6,746+0,00074·Тz Ккал/Кмоль^0К.

= 19,91+0,00312·Тс = =19,91+0,00312·851= 22,57 Кдж/Кмоль^0К; = +8,32 = 19,91+0,00312·Тz+8,32 = = 28,33+0,00312·Тz Ккал/Кмоль^0К.

Определяем максимальную температуру цикла по упрощенному уравнению сгорания, так как γ_г <5%.

 

8835,89+7289,36 = 6,95 +0,000765 ^2 0,000765 ^2+6,95 –16125,25 = 0.

36984,298+30548,176 = 0,00323 ^2; 0,00323 ^2+29,189 –67532,474 = 0.

 

Решая полученное квадратное уравнение, найдем Т_z:

 

Параметры процесса расширения

Степень предварительного расширения

Принимаем ρ = 1,33.

Степень последующего расширения

δ = = 9,398.

Методом последовательных приближений определяем средний показатель расширения, приняв первое приближение n₂ = 1,25.

33,28 = 3,2739+19,91+9,362;

33,28 ≠ 32,546.

 

Принимаем второе приближение n₂ = 1,256.

32,5 = 32,44.

Разница получилась в 0,06.

Окончательно принимаем n₂= 1,256.

 

Температура газов в конце расширения

Давление в конце расширения

 

Основные индикаторные и эффективные показатели цикла и его

Экономичность

Теоретическое среднее индикаторное давление цикла:

Принимаем коэффициент полноты диаграммы φ = 0,96.

Определяем среднее индикаторное давление с учетом округления:

Р_i = φ·Р_i^' = 0,96·11,61 = 11,14 бар = 1,114 Мн/м².

 

Среднее эффективное давление

Р_е = η_м·Р_i = 0,883·11,14 = 9,8366 бар = 9,84 бар = 0,984 Мн/м².

Определяем ожидаемые экономические показатели работы дизеля.

Индикаторный весовой удельный расход топлива:

Индикаторный массовый удельный расход топлива:

 

Эффективный весовой удельный расход топлива:

Эффективный массовый удельный расход топлива:

 

Индикаторный к.п.д. цикла:

Эффективный к.п.д. двигателя

η_е = η_i·η_м = 0,416·0,883 = 0,367.

Полученные в расчете индикаторные и эффективные экономические показатели Р_i; Р_е; q_i; q_е; η_i; η_е находятся на одном уровне прототипного двигателя.

Основные размеры рабочего цилиндра.

Определяем величину хода поршня, приняв двигатель тихоходный, со средней скоростью движения поршня С_m = 5,67 м/сек

Находим диаметр рабочего цилиндра:

Д = 1,07 = =1,07 = 0,249 м

Д = 1,596 = =1,596 = 0,248 м

 

Принимаем Д = 250 мм = 0,25 м.

Проверяем отклонение величины мощности от заданной.

Рассчитанная мощность

э.л.с.,

где Д в см; S – в м.

Проверяем погрешность расчета. Заданная мощность N_e =725 э.л.с.

Что вполне допустимо, так как отклонение расчетной мощности от заданной не превосходит 1%.

Проверяем отношение величины хода поршня и диаметра цилиндра:

Для двигателей с оборотами 200-500 об/ мин. Рекомендуется S/D = 1,2-1,7.

Для оценки форсировки (напряженности) двигателя определяем поршневую удельную мощность:

э.л.с/дм².

Полученная форсировка соответствует среднеоборотным четырехтактным двигателям [ N_n] = 13÷40 э.л.с/дм².

Т.О., полученные основные размеры и важнейшие параметры цикла, соответствуют двигателю марки 84 Н 25/34-4.