Параметры процесса наполнения

Давление воздуха на входе в компрессор p₀´ = p₀ - ∆p_ф

где p₀ – барометрическое давление (Па); ∆p_ф – перепад давления на воздушных фильтрах турбокомпрессора. Перепад давления  ∆p_ф обычно находится в пределах 346 - 490 Па.

Давление воздуха после компрессора p_к = p_s - ∆p_х

где p_s – давление воздуха в ресивере (принимается по данным типового двигателя); ∆p_х – перепад давления в воздухоохладителях. Для воздухоохладителях современных судовых дизелей ∆p_х = 931 – 2943 Па.

Степень повышения давления в компрессоре π_к = р_к/p_a

Давление в конце процесса наполнения p_a Можно принимать в двигателях:

четырёхтактных (с наддувом) – (0,9-0,96) p_s;

четырёхтактных (без наддува) – (0,85-0,9) p_s;

двухтактные с прямоточно-клапанной продувкой и с контурной петлевой продувкой фирмы «Зульцер» – (0,96-1,05) p_s;

двухтактных с контурной петлевой продувкой фирмы «МАН» – (0,96-1,12) p_s (большие значения относятся к импульсному подводу газа к турбине);

Температура врздуха после компрессора Т_к = Т₀ * π_к^(nk-1)  

Где Т₀ =273+ t₀ – температура воздуха на входе в компрессор, n^к – показатель политропы сжатия в компрессоре (для центробежных компрессоров с охлаждающим корпусом n^к = 1,6 – 1,8; для поршневых компрессоров n^к = 1,4 – 1,6).

Температура воздуха в ресивере (в °К) зависит от температуры забортной воды t_зв, величины поверхностей теплообмена воздухоохладителя, количества прокачиваемой воды и технического состояния охладителя: T_s=273+ t_зв +(15-20°С). Где t_зв в °С. При этом степень охлаждения воздуха находиться в пределах Е_х = (Т_к-Т_s)/Т_к-Т₀).

Температура воздуха в рабочем цилиндре с учётом подогрева (∆t) от стенок камеры сгорания (в °K) T_s^´= T_s+∆t, где ∆t = 5-10 °С.

Температура смеси воздуха и остаточных газов в конце процесса наполнения (в °K) Та=(T_s^´+ ϒ_r T_r)/ (1 + ϒ_r), где ϒ_r – коэффициент остаточных газов; T_r – температура остаточных газов.

При расчёте рабочего цикла значением коэффициента остаточных газов задаются, используя опытные данные для двигателей:

четырёхтактные с наддувом                  ϒ_r = 0,01-0,04;

                      без наддува                     ϒ_r = 0,04-0,06;

двухтактные с прямоточной продувкой ϒ_r = 0,04-0,08;

                с петлевой продувкой         ϒ_r = 0,08-0,09;

фирмы «МАН» с петлевой продувкой    ϒ_r = 0,09-0,12;

фирмы «ЗУЛЬЦЕР» с поперечной продувкой  ϒ_r = 0,12-0,14;

Температура остаточных газов T_r зависит от степени сжатия ε, нагрузки и частоты вращения вала двигателя. С уменьшением ε (уменьшается степень расширение газа), увеличением нагрузки и частоты вращения (увеличивается нагрев ЦПГ) значение T_r возрастает. Температура T_r близка к температуре газов за выпускными органами цилиндра и лежит в пределах 600-900 °K (меньшие значения относятся к двухтактным двигателям.

Коэффициент наполнения, отнесённый к полезному ходу поршня (действительный коэффициент наполнения), Ƞ_н =  

В этом выражении P_a,P_s,T_s,T_a и ϒ_r уже известны. Значение действительной степени сжатия ε необходимо взять из технической документации на двигатель или выбрать. Выбор ε зависит от типа двигателя, способа смесеобразования, наличия наддува, конструктивных особенностей и т.д.

Нижний предел ε выбирают из условий получения минимально необходимой температуры T_c^min в конце процесса сжатия, обеспечивающей надёжное самовоспламенение топлива при пуске холодного двигателя (при температуре воздуха в машинном отделении до 8 °С и более). Для этого температура T_c^min должна превышать температуру самовоспламенения топлива T_cв  на 100-200 °С. Температура распыленного дизельного топлива при p = 3Мпа равна приблизительно 473 °К

Верхний предел ε ограничивается значениями p _z и p _с, которые определяют механическую нагрузку на детали ЦПГ, кривошипно-шатунного механизма, остова и влияют на значение механического КПД двигателя. Значения степени сжатия лежат в пределах у судовых дизелей: малооборотных – 10-13; среднеоборотных – 13-15; высокооборотных – 15-18.

Коэффициент наполнения, отнесённый к полному ходу поршня (условный коэффициент наполнения), Ƞ´_н = Ƞ_н (1-ψ_s), где ψ_s = h_s/s – относительный потерянный ход поршня.

При расчёте рабочего цикла можно принимать для двухтактных двигателей:

с контурной петлевой продувкой, фирмы МАН ψ_s = 0,20-0,226;

с контурной петлевой продувкой, фирмы Зульцер ψ_s = 0,21-0,22;

с контурной поперечной продувкой ψ_s = 0,25-0,27;

с прямоточно-клапанной продувкой ψ_s = 0,08-0,12;

Для четырёхтактных двигателей ψ_s = 0 и Ƞ´_н = Ƞ_н

Полезный объём цилиндра (в м³) V_s =

Плотность надувочного воздуха (в кг/м³) _s =  ; где R =287Дж/кг град – газовая постоянная.

Заряд воздуха, отнесённый к полезному рабочему объёму цилиндра (кг/цикл).

G´_в = V´_s Ƞ´_{н s}

Где d – влагосодержание воздуха, определяемое в зависимости от от температуры t₀ и относительной влажности ₀

t0	в = 70%	в = 80%	в = 90%	в = 100%
10	0.005	0.006	0.007	0.008
20	0.010	0.012	0.013	0.015
30	0.019	0.022	0.025	0.028
40	0.034	0.039	0.045	0.050

Параметры процесса сжатия.

Давление в конце процесса сжатия определяются уравнением политропы сжатия – p_c= p_a εⁿ¹ (Па), где n1 – средний показатель политропы сжатия в цилиндре (по опытным данным данным имеет следующие значения: для мало и среднеоборотных двигателей – 1,34-1,38; высокооборотных – 1,38-1,4).

Температура в конце процесса сжатия (в °К) Т_с = T_a ε^n-1

Параметры процесса сгорания

 

Максимальное давление цикла (Па) P_z = λP_c, где λ – степень повышения давления λ= P_с, которая находится в пределах: у малооборотных двигателей λ= 1,2-1,35, среднеоборотных - λ= 1,35-1,55. Чем выше λ, тем экономичнее работа двигателя, но вместе с этим возрастают механические напряжения на детали двигателя (двигатель работает жёстко).   

Максимальная температура цикла T_z определяется из уравнения сгорания      + (C_v´ + 8.315 λT_c)=β_z C_p´´ T_z

где ξz – коэффициент использования теплоты к моменту начала расширения (в точке z). При смещении процесса сгорания топлива на линию расширения значение коэффициента использования теплоты уменьшается и для судовых дизелей лежит в пределах: малооборотных – 0,80 – 0,86, среднеоборотных – 0,70 – 0,80;

Q_н – низшая теплота сгорания (низшая теплотворная способность), определяется по таб. 11.

L₀ – количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива (кмоль/кг)

L₀ = ;

где: С,H,S,O – элементарный состав топлива. Определяется по таб. 11.

  α – коэффициент избытка воздуха при сгорании топлива. Значение α – зависит от типа двигателя, способа смесеобразования, режима работы.

Для малооборотных двигателей α колеблется в пределах 1,8-2,2, среднеоборотных 1,5-2, высокооборотных 1,3-1,5.

C_v´ – средняя молярная теплоёмкость сухого воздуха, равная:

C_v´ = 19,27+0,0025T_с. кДж/(кмоль*К)

C_p´´ – средняя молярная изобарная теплоёмкость смеси «чистых» продуктов сгорания с оставшимися в цилиндре после сгорания избыточным воздухом и остаточных газов в точке z.

C_p´´ =  +  T_z + 8.315;

βz – действительный коэффициент молекулярного изменения.

βz = (β₀ + ϒ_r)/(1+ ϒ_r),

где β₀ – теоретический коэффициент молекулярного изменения, равный 1+0,064/ α. Коэффициент молекулярного изменения лежит в пределах 1,03 – 1,04.

β₀ = 1+(8H+O)/(32*α*L₀)

Численные значения, принятые и подсчитанные, подставляют в уравнение сгорания, которое приводят к виду:

АT_z²+BT_z – C =0

Решая квадратное уравнение, получим:

T_z =