Четырехтактный двигатель с наддувом

МО-26.02.05.ПМ.01.КП

ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НАДДУВОМ

 

 

РАЗРАБОТЧИК                                           Преподаватель колледжа Либерис Г.К.

 

РЕЦЕНЗЕНТЫ                                   

 

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ

МЕТОДИЧЕСКОЙ КОМИССИИ               

 

ВЕРСИЯ                                                                    V.1

ДАТА ВЫПУСКА                                                     30.08.2017

ДАТА ПЕЧАТИ                                                        30.08.2017

 

 

                                      

Содержание

 

Введение................................................................................................................. 3

1. Основные положения о курсовом проектировании........................................ 4

2. Основные обозначения общетехнических величин....................................... 8

3. Основные требования, предъявляемые к судовым дизелям.......................10

4. Топливо для судовых дизелей....................................................................... 11

5. Тепловой расчет рабочего цикла................................................................... 14

6. Порядок расчета рабочего цикла судового 4-х тактного двигателя с

газотурбинным наддувом..................................................................................... 22

Раздел 3. Основы динамики поршневого двигателя.........................................28

3.1. Силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме..... 28

3.2 Построение диаграммы сил инерции по методу Толле.............................. 32

3.3 Построение диаграммы движущих сил........................................................ 32

3.4 Построение диаграммы касательных усилий для одного цилиндра в

зависимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала.......................... 34

3.5 Построение суммарной диаграммы касательных усилий

многоцилиндрового двигателя …………………………………………………….... 37

Используемые источники литературы............................................................... 41

 

 

Введение

 

В соответствии с Государственным Стандартом СПО по специальности 26.02.05 "Эксплуатация судовых энергетических установок", учебным планом, разработанным в колледже, предусмотрено выполнение курсантами на и3 курсе курсового проекта по учебной дисциплине "Судовые энергетические установки и их эксплуатация". Это связано с тем, что судовые энергетические установки с двигателями внутреннего сгорания получили наибольшее распространение на рыбопромысловом флоте. Этот проект является завершающим этапом в изучении вышеупомянутой дисциплины и выполняется каждым курсантом по индивидуальным заданиям.

В пособии изложены вопросы организации выполнения курсового проекта, требования к содержанию, объему, приведены методические рекомендации для отработки отдельных разделов проекта.

Оформление составляющих частей курсового проекта осуществляется в соответствии с Инструкцией по оформлению учебной и учебно-методической документации в колледже.

 

 

Основные обозначения общетехнических величин

 

Расчет рабочего цикла

Ne – эффективная мощность двигателя (кВт)

Ni – индикаторная мощность двигателя (кВт)

Neц – эффективная цилиндровая мощность двигателя (кВт)

Р_i, Р_е – среднее индикаторное и среднее эффективное давление цикла (Па)

D – диаметр цилиндра (м)

S – ход поршня (м)

i – тактность двигателя

z – число цилиндров

Vs – рабочий объем цилиндра (м³)

Vc – объем камеры сжатия (м³)

Va – полный объем цилиндра (м³)

n – частота вращения коленчатого вала (с^-1)

c_m – средняя скорость поршня (м/с)

b_i, b_e – удельный индикаторный и эффективный расход топлива (кг/кВтчас)

Q_H – низшая теплота сгорания топлива (теплотворная способность топлива) (КДж/кг)

Т_о, Р_о – температура в ⁰К и давление окружающей среды (МПа) ГОСТ 10150-88

Т_а, Р_а – температура и давление в конце процесса наполнения

Т_с, Р_с – температура и давление в конце процесса сжатия

Т_z, Р_z – максимальная температура и максимальное давление цикла

Т_в, Р_в – температура и давление в конце процесса расширения

Т_r, Р_r – температура и давление остаточных газов

Р_т – давление газов в выпускном коллекторе

Т_к, Р_к – температура и давление после нагнетателя

n_к – показатель политропы сжатия в нагнетателе

∆Т_хол – перепад температуры воздуха на холодильнике после нагнетателя

∆Р_хол – потеря давления воздуха на холодильнике после нагнетателя

Т_s, Р_s – температура и давление свежего заряда воздуха перед органами впуска

n₁, n₂ – средний показатель политропы сжатия и расширения в цилиндре двигателя

ƞ_н – коэффициент наполнения цилиндра двигателя свежим зарядом воздуха

_r – коэффициент остаточных газов

λ – степень повышения давления

ρ – степень предварительного расширения

ε – степень сжатия

δ – степень последующего расширения

α – коэффициент избытка воздуха

L₀, L – теоретически необходимое и действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива (КМоль/кг)

М – количество молей продуктов сгорания (КМоль/кг)

β₀, β – теоретический и действительный коэффициент молекулярного изменения

ζ – коэффициент использования тепла в процессе горения

С’_v – средняя мольная изохорная теплоемкость воздуха (кДж/КМоль ⁰К)

С”_vm, C”_pm – средняя мольная изохорная и изобарная теплоемкости продуктов сгорания

Ψ – потерянная доля хода поршня в процессе газообмена двухтактных двигателей

 – коэффициент полноты индикаторной диаграммы

 

Примечание: Все давления значений расчетных точек цикла даются в абсолютных величинах, а температуры в градусах Кельвина.

 

Топливо для судовых дизелей

 

    Для судовых дизелей в соответствии с ГОСТ 5.4121-75 топлива условно подразделяются по уровню вязкости при температуре 50⁰С на маловязкие, средневязкие и высоковязкие.

 

Таблица 1

Тип топлива	Вязкость кинематическая мм2/с, (сСт)		Плотность при 200С кг/м3, не более	Содержание серы, % не более	Коксуемость, % не более	Зольность, % не более
	500С	800С
Маловязкие	Менее 12	-	890	1,0	0,5	0,05
Средневязкие	От 12 до 150	От 5 до 40	970	2,5	9,0	0,20
Высоковязкие	Более 150	От 40 до 120	1015	4,3	-	0,20

 

    В зависимости от типа, наличия соответствующей системы топливоподготовки и результатов испытаний дизеля рекомендуется применять следующие виды топлив:

    - для малооборотных дизелей до 200 об/мин маловязкие сорта топлив типа дизельных дистиллятных ГОСТ 305-2013, средневязкие топлива типа ДТ и высоковязкие сорта топлив типа ДМ ГОСТ 1667-68, а так же мазуты: мазут флотский Ф5, Ф12, топочный 40, топочный 100.

    - для среднеоборотных дизелей до 500 об/мин маловязкие сорта топлив ГОСТ 305-2013, и средневязкие сорта топлив типа ДТ по ГОСТ 1667-68.

    - для двигателей повышенной оборотности при n > 750 об/мин только маловязкие сорта топлив.

    - для всех дизелей независимо от оборотности газотурбинное топливо по ГОСТ 10585-2013.

    Все вышеуказанные сорта топлив должны удовлетворять требованиям стандартов, которые приведены в Таблице 2.

 

 

Физико-химические свойства топлив,

рекомендуемых к применению в судовых дизелях

Таблица 2

Показатели	Марка топлив
	Дизельное для тепловозных и судовых ДВС (ГОСТ 305-2013)			Моторное для СОД и МОД (ГОСТ 1667-68)		Нефтяное, мазут для котельных установок (ГОСТ 10585-2013)			Газотурбинное (ГОСТ 10433-75)
	Л	З	А	ДТ высший сорт	ДТ первый сорт	ДМ	Ф5	Ф12	А	Б
Цетановое число, не менее	45	45	45	-	-	-	-	-	-	-
Вязкость кинематическая при 200С, мм2/с не более	3,0 – 6,0	1,5 – 5,0	1,5 – 4,0	-	-	-	-	-	-	-
Вязкость условная 0ВУ при 500С, не более	-	-	-	2,95	5,0	17,4	5,0	12,0	1,6	3,0
Температура застывания 0С для климатической зоны не выше: умеренной/ холодный	-10	-35/45	-55	-	-	-	-	-	-	-
Температура вспышки, 0С не ниже	-	-	-	70	65	85	80	90	65	62
Массовая доля серы % не более: Малосернистые: Сернистые:	0,2 0,5	0,2 0,5	0,2 0,4	0,5 1,5	0,5 1,5	- 2,0	- 2,0	0,6 -	1,8 -	1,0 1,0
Массовая доля механических примесей % не более	отс	отс	отс	0,05	0,05	0,1	0,1	0,12	0,02	0,03
Массовая доля воды % не более	отс	отс	отс	0,1	0,5	0,5	0,3	0,3	0,3	0,5
Кислотность, мг КОН на 100 см3 топлива не более	5	5	5	-	-	-	-	-	-	-
Зольность, % не более	0,01	0,01	0,01	0,02	0,04	0,06	0,05	0,1	0,2	0,5
Коксуемость, % не более	0,2	0,3	0,3	0,3	0,3	9,0	6,0	6,0	-	-
Плотность при 200С кг/м3 не более	860	840	830	930	930	970	955	960	-	935

 

       В состав топлив для дизелей входят: С – углерод, Н – водород, S – сера и О – кислород, а так же некоторое количество воды и золы. В расчетах наличием мелких составляющих пренебрегают, поэтому следует принимать средний состав топлива по наличию С, Н, S, О. Средний состав топлив приведен в Таблице 3.

 

Таблица 3

Средний состав жидких топлив

Состав в %	Дизельные топлива	Моторные топлива	Нефтяные, мазут
С	87,0	86,6	86,4
Н	12,4	11,3	11,1
О	0,4	0,5	0,5
S	0,2	1,6	2,0

 

    Теплотворную способность топлива по химическому составу можно определить по формуле Д.И.Менделеева:

Q_н = 33900хС + 103000хН – 10900х(О – S) кДж/кг топлива  

где: С, Н, О и S – соответственно содержание углерода, водорода, кислорода и серы в массовых долях (например, если углерода С = 85%, то в формулу нужно подставлять С = 0,85). Эти данные приведены в Таблице 4.

 

Таблица 4

Вид топлива	Низшая теплота сгорания Qn МДж/кг	Плотность ρ при 200С кг/м3
Дизельное	42,4 – 43,2	830 – 880
Соляровое масло	42,0 – 42,4	860 – 920
Моторное	41,0 – 42,0	870 – 940
Мазут	40,4 – 41,5	До 1015

 

Механический к.п.д. двигателя ƞ_мех   

 

Где: ƞ_мех – мощность механических потерь на трение, насосные хода поршня и привода навешанных механизмов.

ƞ_мех можно определить по данным стендовых заводских испытаний. Эти данные приведены в Таблице 5.

 

Таблица 5

Четырехтактные ДВС		Двухтактные ДВС
без надува	с надувом	без надува	с надувом
0,75 – 0,85	0,85 – 0,95	0,8 – 0,85	0,85 – 0,92

 

Параметры процесса сжатия.

    Выбор степени сжатия ε и среднего показателя политропы сжатия n₁ зависит от многих факторов, таких как:

     - тип двигателя

    - конструктивные особенности

    - материал поршня

    - быстроходность

    - способ смесеобразования

    - наличие или отсутствие наддува и многие другие.

 

    Степень сжатия различных типов двигателей находится в пределах:

- тихоходные без наддува ε = 12 – 14

- тихоходные с наддувом ε = 11 – 12,5

- средней быстроходности ε = 14 – 15

- быстроходные ε = 15 – 18                  

 

    По опытным данным средний показатель политропы сжатия n₁ имеет следующие значения:

- тихоходные дизели большой и средней мощности с охлаждаемыми чугунными поршнями n₁ = 1,32 – 1,29

- быстроходные дизели с неохлаждаемыми поршнями n₁ = 1,38 – 1,42

- дизели с алюминиевыми поршнями n₁ = 1,33 – 1,38          

    Показатель политропы n₁ уточняется методом последовательных приближений по уравнению:

              

n₁ =       

 

    Выбираем первоначальное значение показателя политропы n₁ и подставляем в формулу. Высчитываем новое значение n₁ и сравниваем его с первоначальным. Если разница будет меньше 0,002 прекращаем вычисления. Если это условие не выполняется то подставляем вычисленное значение n₁ в формулу пока не выполнится условие n_1(выч) – n_{1 (пред)} < 0,002.

 

    5.3 Параметры процесса сгорания

    При расчете рабочего цикла важно оценить величину коэффициента избытка воздуха α. По опытным данным в зависимости от качества смесеобразования средние величины α находятся в следующих пределах и приведены в Таблице 7.

 

Таблица 7

Тип двигателя	Коэффициент избытка воздуха α
Без наддува:
Тихоходные	1,8 – 2,1
Быстроходные	1,3 – 1,7
С наддувом:
Тихоходные	2,0 – 2,3
Быстроходные	1,5 – 1,9
С 2-х камерным смесеобразованием	1,4 – 1,7

 

    Коэффициент использования тепла ζ зависит от совершенства процесса сгорания топлива, потерь теплоты в период сгорания топлива, наличия или отсутствия догорания на линии расширения и диссоциации продуктов сгорания и при прочих равных условиях зависит от быстроходности двигателя. При расчете максимальной температуры рабочего цикла для выбора ζ можно руководствоваться следующими данными:

    Для двигателей внутреннего сгорания:

- тихоходных ζ = 0,8 – 0,92

- быстроходных с нераздельными камерами сгорания ζ = 0,8 – 0,85

- быстроходных с раздельными камерами сгорания ζ = 0,65 – 0,75   

    Чем высокооборотней двигатель, тем больше возрастает догорание, тем меньше коэффициент использования тепла. В двигателях с раздельными камерами сгорания ζ снижается из-за потерь на вихреобразование.

    Эмпирические формулы для определения мольных теплоемкостей воздуха и продуктов сгорания, а так же методика определения максимальной температуры цикла Т_z при решении уравнения сгорания приведены в расчетах рабочего цикла ДВС. При решении вопроса о значении величин Р_z, T_z, λ и ρ необходимо исходить из условия ограничения механической и тепловой напряженности деталей двигателя. Чем выше λ и меньше ρ, тем экономичнее будет двигатель, в то же время тем больше будет максимальное давление цикла Р_z и тем жестче будет работать двигатель. Необходимо изучить важнейшие эксплуатационные показатели двигателей – прототипов, рекомендуемых в задании на курсовое проектирование и сопоставить расчетные параметры с действительными для данного типа дизелей. Величины параметров процесса сгорания приведены в Таблице 8.

 

Таблица 8

Тип двигателя	Рz (МРа)	Тz К	λ	ρ
Малооборотный	6 – 10	1700 – 1900	1,3 – 1,6	1,6 – 1,4
Среднеоборотный	6 - 13	1800 - 2000	1,4 – 1,8	1,7 – 1,3

 

Следует отметить, что в современных двигателях повышенной оборотности фирмы MANB&W дизеля марки 6L 32/40 максимальное давление цикла Р_z = 24 МРа, а давление сжатия Р_с = 18 МРа. Действительный коэффициент молекулярного изменения β находится в пределах β = 1,025 – 1,05            

 

МО-26.02.05.ПМ.01.КП

ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НАДДУВОМ

 

 

РАЗРАБОТЧИК                                           Преподаватель колледжа Либерис Г.К.

 

РЕЦЕНЗЕНТЫ                                   

 

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ

МЕТОДИЧЕСКОЙ КОМИССИИ               

 

ВЕРСИЯ                                                                    V.1

ДАТА ВЫПУСКА                                                     30.08.2017

ДАТА ПЕЧАТИ                                                        30.08.2017

 

 

                                      

Содержание

 

Введение................................................................................................................. 3

1. Основные положения о курсовом проектировании........................................ 4

2. Основные обозначения общетехнических величин....................................... 8

3. Основные требования, предъявляемые к судовым дизелям.......................10

4. Топливо для судовых дизелей....................................................................... 11

5. Тепловой расчет рабочего цикла................................................................... 14

6. Порядок расчета рабочего цикла судового 4-х тактного двигателя с

газотурбинным наддувом..................................................................................... 22

Раздел 3. Основы динамики поршневого двигателя.........................................28

3.1. Силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме..... 28

3.2 Построение диаграммы сил инерции по методу Толле.............................. 32

3.3 Построение диаграммы движущих сил........................................................ 32

3.4 Построение диаграммы касательных усилий для одного цилиндра в

зависимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала.......................... 34

3.5 Построение суммарной диаграммы касательных усилий

многоцилиндрового двигателя …………………………………………………….... 37

Используемые источники литературы............................................................... 41

 

 

Введение

 

В соответствии с Государственным Стандартом СПО по специальности 26.02.05 "Эксплуатация судовых энергетических установок", учебным планом, разработанным в колледже, предусмотрено выполнение курсантами на и3 курсе курсового проекта по учебной дисциплине "Судовые энергетические установки и их эксплуатация". Это связано с тем, что судовые энергетические установки с двигателями внутреннего сгорания получили наибольшее распространение на рыбопромысловом флоте. Этот проект является завершающим этапом в изучении вышеупомянутой дисциплины и выполняется каждым курсантом по индивидуальным заданиям.

В пособии изложены вопросы организации выполнения курсового проекта, требования к содержанию, объему, приведены методические рекомендации для отработки отдельных разделов проекта.

Оформление составляющих частей курсового проекта осуществляется в соответствии с Инструкцией по оформлению учебной и учебно-методической документации в колледже.