Проект топливной системы тепловозного дизеля Д49 с электронным управлением топливоподачи

 

 

При разработке конструкции также  была выполнена задача связанная   с требования по минимальному отклонению  геометрических размеров деталей, от вариантов производителя, что непосредственно упрощает процесс их изготовления  для ТНВД.

 

     

  2.2 Тепловой расчет

      

       Целью теплового расчета является определение основных индикаторных и эффективных показателей прототипа. Расчет сводится к определению параметров состояния рабочего тела в расчетных точках цикла. За расчетный цикл принят круговой процесс, представленный на рисунке 13. По результатам расчета термодинамических параметров рабочего тела определяются показатели эффективности  рабочего процесса.

                           

Рисунок-13 Расчетный цикл дизеля

 

1-2-политропное сжатие с показателем  политропы n₁;  2-3-участок быстрого горения (подвод теплоты по изохоре); 3-4-участок основного горения (подвод теплоты по изобаре); 4-5-горение и расширение (политропное расширение с показателем политропы  n₂); 5-1-отвод теплоты по изохоре (выпуск отработавших газов и впуск свежего воздуха).

      Средний элементарный состав 1 кг дизельного топлива принимаем:

 C= 0,87; Н = 0,126; S = 0; О = 0,004.

 

2.2.1 Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1кг топлива L_о, кмоль/кг

 

                                            ;

                                                                                                                            (4) 

.

 

   2.2.2 Действительное количество воздуха М₁, кмоль/кг

 

                                 кмоль/кг,                                                  (5)

 

где α₁ = 1,9 - воздушно-топливное отношение при сгорании, или коэффициент избытка воздуха.

 

 кмоль/кг .

 

 

 

   2.2.3 Суммарное количество продуктов сгорания М₂, кмоль/кг

 

                                            ;                            (6)

 

 

 

 

2.2.4 Изменение количества рабочего тела  при сгорании ∆М, кмоль/кг

 

                     

                                (7)

 

 

 

 

    2.2.5 Коэффициент молекулярного изменения

 

                                                                                              (8)

 

   2.3 Расчёт процесса наполнения

 

2.3.1 Принимаем давление окружающей среды Р₀ = 0,1 МПа, температуру окружающей среды Т₀=290 К

 

2.3.2 Коэффициент  остаточных газов принимаем для  4-тактного двигателя с наддувом γ_r = 0,02

 

2.3.3 Давление в  конце наполнения равно Р₁, МПа

 

                                                 Р₁ = 0,96·Р_В                                           

                                                                                                                         (9)

Р₁=0,96·0,22 = 0,211 МПа

 

2.3.4 Температура  в конце наполнения определяется  из выражения Т₁, К

 

                                                                                       (10)

где  ΔТ=5 - подогрев свежего заряда от стенок цилиндра и поршня, К;

 

Т_r = 700 - температура остаточных газов, К;

 

Т_в = 310 - температура надувочного воздуха, К.

 

 

   2.3.5 Рассчитываем коэффициент наполнения Ф_с

 

                                                                             (11)

 

где  ε_V = 12,6 - действительная степень сжатия;

 

 

     

   2.4  Расчет процесса сжатия

   2.4.1 Принимаем показатель политропы сжатия n₁ = 1,38

   2.4.2 Определяем давление в конце сжатия P₂, МПа

                                            

                                                                          (12)

   2.4.3 Определяем температуру в конце сжатия Т₂, К

                                                                                (13)

   2.5 Расчет  процесса сгорания.

2.5.1 Выбираем коэффициент эффективного выделения теплоты в точке 4, ξ₄ = 0,84

 

2.5.2 Рассчитываем действительный коэффициент молекулярного изменения                                  

                                 

                                                                                            (14)

    2.5.3 Определяем максимальное давление  сгорания р_max, МПа

 

                                          Р_max=Р₃=Р₄= λ·Р₂  ,                                                      (15)               

 

                                          Р_max= 1,9·6,929=13,24 МПа

 

    2.5.4 Решаем уравнение сгорания

 

           (16)

 

   где  Н_u = 42700 - низшая теплота сгорания, кДж/кг;

      = 24,711 - средняя мольная теплоёмкость воздуха при постоянном    давлении при температуре t₂ = 633 ºС, ;

 

          λ = 1,9- степень повышения давления;

 

     - средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении, ;         

t_max = (Т_max – 273) = 1500÷1800 ºС - температура точки 4 на индикаторной диаграмме, то есть в конце подвода теплоты в теоретическом цикле 4-тактного двигателя, находится из уравнения сгорания.

        Теплоёмкость является функцией температуры t_max, поэтому уравнение сгорания является квадратным уравнением относительно величины t_max.

         Решение уравнения сгорания сводится к определению величины t_max.

       

      Определяем, что равенство левой и правой части в уравнении сгорания выполняется при:

 

= 26,234 ,при t_max=1800 ⁰С.

 

  2.5.5 Вычисляем степень предварительного расширения

 

                                                                                        (17)

 

2.6 Расчет процесса расширения

 

2.6.1 Предварительно выбираем показатель политропы расширения n₂=1,26

 

2.6.2 Определяем степень последующего расширения

 

                                                                                                 (18)

 

 

 

  2.6.3 Температура конца расширения Т₅, К

 

                               

                                               (19)

 

 

  2.6.4 Решаем уравнение процесса расширения

 

                           (20)

                                            

где  ξ₅ = 0,87 доля теплоты, которая затрачена на изменение внутренней энергии и совершение работы расширения от окончания подвода теплоты до конца расширения;

 

  = 21,704 - средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении при температуре t₅=811 ºС, ;

 

  =26,487-средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении при температуре t_max = 1727 ºС, ;

 

 

 

 

 

   2.6.5 Определяем давление в конце расширения P₅, МПа

                                                                            (21)

 

2.7 Расчет индикаторных показателей двигателя

 

2.7.1 Рассчитываем среднее индикаторное давление теоретического цикла

P_miT, МПа

 

   (22)

 

2.7.2 Вычисляем среднее индикаторное давление действительного цикла P_mi, МПа

 

 

                                                                                 (23)

 

            где  - коэффициент полноты диаграммы, принимаем = 0,99

 

    

 

 

  2.7.3 Рабочий объем цилиндра V_s, м³

 

                                          

                                              (24)

 

       

   2.7.4 Обьем камеры сгорания V_с, м³

 

                                 

                                           (25)

       

    2.7.5 Полный обьем цилиндра V_а, м³

 

                                                                                                                      (26)  

              

     2.7.6 Определяем обьем в конце процесса сгорания V₄, м³

 

                                                    

                                                                                                           (27)

                                      

 

 

 

     2.7.7 Определяем индикаторный КПД η_i, %

 

                                                                                  (28)

 

 

 

  

   2.7.8 Определяем удельный индикаторный расход топлива b_i, кг/(кВтч)

 

                                                                                                       (29)

             

 

      2.8 Расчет эффективных показателей двигателя

 

      2.8.1 Среднее эффективное давление P_me, МПа

 

                                                   ,                                                (30)

 

где η_м = 0,9 - механический КПД

 

МПа

 

 

 

     2.8.2 Эффективный КПД двигателя η_е, %

 

                                                                                                           (31)

                                                       

     2.8.3 Удельный эффективный расход топлива b_e, кг/кВтч

 

                                                                     (32)

   

               

, кг/кВтч

   

      2.9 Построение индикаторной диаграммы

          

       Тепловой расчет прототипа завершается построением индикаторной диаграммы рабочего процесса в координатах осях P- V. Индикаторная диаграмма, изображенная в этих осях, представляет собой зависимость давления газов цилиндре от его объема.

         Расчетная индикаторная диаграмма  строится по значениям давлений  и объемов в характерных точках расчетного цикла и значениями показателей политроп сжатия и расширения.

 

         При помощи программы MS Excel, согласно расчетным данным была построена и скруглена индикаторная диаграмма представленная на рисунке 14.

 

 

 

 

Рисунок 14- Индикаторная диаграмма

 

 

 

   2.10 Результаты расчета

 

    В ходе расчета были оценены возможности повышения показателей работы двигателя таких как:  индикаторный коэффициент полезного действия (КПД), эффективный КПД, удельный эффективный и индикаторный расход топлива, среднее эффективное и индикаторное давление. Действительно, результат несколько превосходит  аналоги. Однозначно можно сделать вывод, что совершенствование прототипа допустимо без изменений его геометрической составляющей такой как: диаметр и ход поршня, количества цилиндров и т.д.

 

     В таблице 2.10 приведены технические характеристики прототипа Д49, и его аналогов.

 

 

   Таблица 2.10- Основные показатели дизеля прототипа и аналогов    

 

Параметры	Типы дизелей и значение параметров
	Расчетный         21-26ДГ-01	7FDL	1Д49	2А-5Д49	1А-5Д49	2-2Д49	2Д70
1	2	3	4	5	6	7	8
Размерность, D/S, см	26/26	22,9/26,7	26/26	26/26	26/26	26/26	25/27
Число цилиндров	12V	16V	20V	16V	16V	12V	16V
Степень сжатия, Е	12,6	12,7	12,5	13,4	13,4	12,5	11,5
Рабочий объем,Vs,	0,166	0,176	0,277	0,221	0,221	0,166	0,212
Эффективная мощность,Ne, кВт	2427	1050	4400	2940	2200	1470	2200
Индикаторная мощность, Ni, кВт	2697	1166	4663	3259	2486	1632	2444
Среднее индикаторное давление, Pmi, мПа	1,94	2,13	2,02	1,77	1,35	1,18	1,5