Курсовая работа (т): Расчет дизеля, работающего по циклу Миллера
Расчет дизеля, работающего по циклу Миллера
ВВЕДЕНИЕ
Тепловоз - автономный локомотив, первичным двигателем которого является дизель.
Появившийся в 1924 году в СССР тепловоз стал как экономически выгодной заменой устаревшим низкоэффективным паровозам, так и дополнением, появившимся в то же время электровозам, требующим существенных дополнительных затрат на электрификацию пути.
За прошедший век в конструкции тепловоза было опробовано и внедрено множество усовершенствований: возросла мощность дизеля с нескольких сотен лошадиных сил до шести тысяч (ТЭП80) и выше, на разных типах тепловозов используются различные способы передачи энергии двигателя на колёсные пары, значительно возросло удобство управления и обслуживания тепловоза, снизились выбросы в атмосферу. Тепловозы строятся и используются во всем мире.
Цикл Миллера - термодинамический цикл <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D1%86%D0%B8%D0%BA%D0%BB%D1%8B>, используемый в четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%B2%D0%BD%D1%83%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D0%B3%D0%BE_%D1%81%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F>.
Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D0%BA%D0%BB_%D0%90%D1%82%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BE%D0%BD%D0%B0> с более простым поршневым механизмом двигателя Отто <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D0%BA%D0%BB_%D0%9E%D1%82%D1%82%D0%BE>. Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).
Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у двигателистов носит условное название «укороченного впуска», а второй - «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается - как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).
Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся вместе с размерами двигателя механические потери (трение, вибрации и т. д.).
Компьютерное управление клапанами позволяет менять степень наполнения цилиндра в процессе работы. Это даёт возможность выжать из мотора максимальную мощность, при ухудшении экономических показателей, или добиться лучшей экономичности при уменьшении мощности.
В данной курсовой работе произведен
расчет дизеля, работающего по циклу Миллера. А именно: расчет требуемой
эффективной мощности и давления наддува, определение параметров рабочего
процесса дизеля, построение индикаторной диаграммы и определение сил,
действующих в КШМ дизеля.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исходные данный для термодинамического расчета:
кН - расчетное
значение силы тяги тепловоза;
км/ч - скорость
тепловоза на расчетном подъеме;
- тактность
двигателя;
м, 
м
- диаметр цилиндра и ход поршня;
- отношение
радиуса кривошипа к длине шатуна;
- степень сжатия
двигателя;
кг, 
кг
- масса поршня и шатуна;
- угол между осями
цилиндров для V-образного дизеля.
1. РАСЧЕТ ТРЕБУЕМОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОЩНОСТИ И ДАВЛЕНИЯ НАДДУВА ДИЗЕЛЯ
.1 Выбор давления наддува и схемы
воздухоснабжения дизеля
По заданию цикл Миллера, давление наддува не
менее 0,6 Мпа и двухступенчатый наддув. Схема воздухоснабжения дизеля
представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема двухступенчатого наддува
четырехтактного дизеля с циклом Миллера: 1 - фильтр; 2 - компрессор НД; 3, 5 -
охладитель надувочного воздуха; 4 - компрессор ВД; 6 - воздушный ресивер; 7 -
поршневая часть дизеля; 8 - выпускной коллектор; 9 - турбина ВД; 10 - турбина
НД; 11 - глушитель
Все расчеты рабочего процесса ведутся при
нормальных атмосферных условиях: температуре окружающего воздуха 
К
и барометрическом давлении 
МПа.
Температура воздуха 
на
выходе из компрессора одной ступени наддува определяется из выражения
(1)
где 
-
показатель адиабаты. Для воздуха 
.
Общая степень повышения давления при
двухступенчатой схеме наддува
(2)
где 
,
-
соответственно степень повышения давления в первой и второй ступенях.
В свою очередь
(3)
Подставив численные значения в формулу (3) получаем
Определим степень повышения давления в первой и
второй ступенях, приняв что они равны
Подставив численные значения, получим
Рассчитаем температуру на выходе из компрессора первой ступени по формуле (1)
К
Температура 
,
на выходе из охладителя определяется из выражения
(4)
где 
-
коэффициент эффективности охладителя;
- температура
теплоносителя, охлаждающего надувочный воздух.
Для водовоздушных охладителей можно принять 
,
К.
Рассчитаем температуру на выходе из охладителя первой ступени, подставив численные значения в формулу (4)
К
Рассчитаем температуру на выходе из компрессора второй ступени
К
Рассчитаем температуру на выходе из охладителя второй ступени
К
Давление в начале сжатия с учетом потери
давления на гидравлическом сопротивлении органов газораспределения определяется
по формуле
(5)
Подставив численные значения, получим
МПа
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ И ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ
.1 Процесс наполнения цилиндра
Рабочий объем цилиндра 
определяется
из выражения
(6)
Подставив численные значения, получаем
м3
Объем камеры сжатия
(7)
Подставив численные значения получим
м3
Максимальный объем цилиндра
(8)
Подставив численные значения получим
м3
Цикл Миллера
Путь, пройденный поршнем до закрытия впускных
клапанов, определим из выражения
(9)
где 
-
угол поворота коленчатого вала, отсчитываемый от ВМТ, град;
- отношение
радиуса кривошипа к длине шатуна.
Подставив численные значения, получим
м
Объем цилиндра при закрытии впускных клапанов
(10)
Подставив численные значения, получим
м3
Степень сжатия 
найдем
по формуле
(11)
Подставив численные значения, получим
Температура рабочего тела при закрытии впускных
клапанов найдем по формуле
(12)
где 
-
суммарное повышении температуры воздуха в период наполнения (принимаем 
К);
- коэффициент
избыточных газов. Для четырехтактного дизеля с наддувом 
;
- температура
выпускных газов, для четырехтактного дизеля 
К.
Подставив численные значения, получим
К
Параметры воздушного заряда в начале сжатия (в
НМТ) рассчитываем по формулам
(13)
(14)
где 
-
показатель политропы расширения заряда от момента закрытия впускных клапанов до
НМТ, принимаем 1,38 … 1,39;
- степень
расширения воздушного заряда после закрытия впускных клапанов и до НМТ,
(15)
Подставив численные значения, получим
Подставив значения в формулы 13, 14 произведем вычисления
МПа
К
2.2 Процесс сжатия
Будем считать, что сжатие в цикле Миллера
происходит по двум политропным процессам:
и 
(см.
рисунок 2).
Рисунок 2 - Индикаторная диаграмма цикла Миллера
Объем камеры сгорания в точке 
найдем
по формуле
(16)
где 
-
показатель политропы процесса 
, принимаем
1,41…1,42.
Давление отработавших газов при открытых
выпускных клапанах 
находим из условия
продувки дизеля 
и величины потери
давления на гидравлическом сопротивлении органов газораспределения 
.
Выразив 
получаем
(17)
Подставив 
,
получим
МПа
Подставив численные значения в формулу 16, получим
м3
Давление и температура в точке
(18)
Подставив численные значения, получим
К
Давление и температура в конце сжатия для цикла
Миллера определяется из выражений:
(19)
(20)
где 
-
средний показатель политропы сжатия. По опытным данным для тепловозных дизелей 
.
Подставив значения в формулы (19), (20) произведем вычисления
МПа
К
Коэффициент наполнения для двигателя с циклом
Миллера
(21)