курсач. готовый диплом 2. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования морской государственный университет

• Название: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования морской государственный университет
• Анкор: курсач
• Дата: 23.11.2022
• Размер: 3.93 Mb.
• Имя файла: готовый диплом 2.docx
• Тип: Диплом; #807170
• страница: 2 из 9

3 Расчет параметров главного двигателя

3.1 Методы математического моделирования

Метод теплового расчета ДВС, разработанный В.И. Гриневецким в 1906 г. и усовершенствованный Е.К. Мазингом, сыграл большую роль в изучении действительных циклов ДВС и до настоящего времени сохранил свое значение в инженерной практике и в учебном процессе как упрощенный метод расчетов основных показателей рабочих процессов двигателя [5].

Однако для глубоких исследований рабочих процессов дизеля, этот метод оказался недостаточно современным вследствие допущений принятых при его разработке.

Современный судовой ДВС - это преимущественно дизель с газотурбинным наддувом. Рабочие процессы в цилиндре дизеля и в турбокомпрессоре взаимосвязаны и взаимозависимы, что не учитывается методом Гриневецкого-Мазинга. Этим методом невозможно определить характер изменения основных параметров рабочего процесса по углу поворота кривошипа в зависимости от динамики тепловыделения, теплообмена со стенками цилиндра и регулировочных параметров. Все это потребовало разработки математических моделей рабочих процессов, позволяющих учесть данные факторы и оценить их влияние на характер протекания рабочих процессов, на экономичность и надежность дизеля.

Под математической моделью понимают замкнутую систему дифференциальных уравнений, которые при заданных начальных и граничных условиях для любого момента цикла описывает с достаточной для практических целей адекватностью количественную связь между характером изменения параметров рабочего процесса и изменением энергообмена, массообмена и конструктивных параметров дизеля.

Наиболее широко на практике применяется два метода математического моделирования рабочих процессов ДВС, метод объемного баланса, и метод энергетического баланса, разработанный Б.М. Гончаром.

Далее излагается математическая модель рабочих процессов дизеля, построенная на базе системы дифференциальных уравнений энергетического баланса, массового баланса и состояния рабочего тело по методу Гончара.

3.1.1 Энергетический баланс и расчет рабочего процесса

Для математического описания энергетического баланса рабочего тела в цилиндре дизеля используют уравнение первого закона термодинамики, представленного в дифференциальной форме, кДж:

, (3.1)

где Q- количество теплоты, подведенное к рабочему телу, кДж;

U- внутренняя энергия рабочего тела, кДж;

L-работа совершаемая рабочим телом, кДж;

Изменение количества теплоты подведенной к рабочему телу, за элементарный промежуток времени:

, (3.2)

где Q_т - количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива;

Q_w - количество теплоты, подведенное в процессе теплообмена с стенками цилиндра;

Q_п - количество теплоты, подведенное с воздухом, поступившим в цилиндр через впускные органы;

Q_м - количество теплоты, отведенное с газами, вышедшими из цилиндра через выпускные органы.

Элементарное количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива:

, кДж (3.3)

где -теплота сгорания топлива, кДж/кг;

-масса сгоревшего топлива, кг;

Элементарное количество теплоты, подведенное с поступившим в цилиндр воздухом:

, кДж; (3.4)

где - удельная внутренняя энергия воздуха перед впускными органами, кДж/кг;

-масса воздуха, поступившего в цилиндр через впускные органы, кг;

Элементарное количество теплоты, отведенное вместе с уходящими газами

, кДж; (3.5)

где - удельная внутренняя энергия газов в цилиндре, кДж/кг;

- масса газов, прошедших через выпускные органы, кг;

В итоге получим уравнение:

. (3.6)

Это уравнение учитывает подвод теплоты к рабочему телу в результате сгорания топлива, теплообмена со стенками цилиндра, поступление в цилиндр воздуха, а также потерю теплоты с выходящими из цилиндра газами. Оно не учитывает физическую теплоту топлива, теплоту, затраченную на его подогрев и испарение, а также затраченную на диссоциацию молекул продуктов сгорания. Этим фактором обычно пренебрегают. Ошибка от этого не превышает 1%.

Для определения внутренней энергии рабочего тела в цилиндре в произвольный момент цикла рабочее тело рассматривают как смесь воздуха и чистых продуктов сгорания. Внутренняя энергия может быть выражена в виде суммы внутренних энергий воздуха и продуктов сгорания.

, (3.7)

где - удельная энергия воздуха и чистых продуктов сгорания, кДж/кг;

-масса воздуха и чистых продуктов сгорания в цилиндре, кг;

Элементарное изменение внутренней энергии тела определяют в результате дифференцирования уравнения предыдущего.

. (3.8)

Согласно термодинамическим свойствам газов

,

где , -истинные удельные изохорические теплоемкости воздуха и чистых продуктов сгорания, кДж/(кгК) ;

В итоге получим:

. (3.9)

Это уравнение учитывает основные факторы, влияющие на изменение внутренней энергии рабочего тела в цилиндре: изменение температуры, поступление воздуха и удаление продуктов сгорания. Работа газов в цилиндре, кДж, складывается из всех составляющих:

, (3.10)

где - работа перемещения поршня;

- работа перемещения воздуха, поступающего в цилиндр через выпускные органы;

- работа перемещения газов, выходящих из цилиндра через выпускные органы.

Таким образом, основные уравнения индикаторного процесса и процесса газообмена имеют одинаковую структуру и 5 общих членов, которые образуют следующие системы уравнений.

(3.11)

Полученные уравнения имеют ясный физический смысл и представляют собой уравнение первого закона термодинамики (закон сохранения энергии), два уравнения сохранения массы, уравнение состояния рабочего тела. Система уравнений справедлива как для четырех, так и для двухтактных дизелей. Она не устанавливает явной зависимости между давлением, температурой газов в цилиндре и углом поворота коленчатого вала, однако позволяет определить изменения этих параметров при повороте колен вала на угол . Уравнения учитывают возможные обратные течения газов из выпускного коллектора в цилиндр и из цилиндра в выпускной коллектор или ресивер продувочного воздуха.

Математическое описание рабочего процесса как единой совокупности его отдельных фаз, протекающих в цилиндре дизеля, реализованного в виде алгоритма, позволяет провести численное моделирование на ЭВМ и, при надлежащем выборе граничных начальных условий, получить достаточно полную его характеристику, определить мощностные и экономические показатели дизеля.

При моделировании индикаторного процесса в системе уравнений равны нулю члены, содержащие и , а процесса газообмена - .

В процессе газообмена от момента открытия и до закрытия впускных органов состав и температура газов на выпуске определяются по выражениям:

(3.12)

где - доля «чистых» продуктов сгорания и температура газов в цилиндре при условии их полного перемешивания;

- доля чистых продуктов сгорания в цилиндре в момент открытия впускных органов;

- условный коэффициент, характеризующий скорость перехода от вытеснения газов из цилиндра к их перемешиванию;

- температура газов в цилиндре в период открытия впускных органов.

- относительная величина угла открытия впускных органов;

- текущий уровень открытия впускных органов;

- полный угол открытия впускных органов;

- углы начала открытия и конца закрытия впускных органов.

Численное моделирование, как непрерывное одновременное распределение на ЭВМ многих параметров рабочего процесса, в ряде следующих друг за другом циклов работы двигателя, позволяет решать исследовательские задачи, которые невозможно выполнить путем расчета в ручную или специального эксперимента и в ряде случаев отказаться от натуральных экспериментов при оценке влияния конструктивных размеров рабочих и регулировочных параметров, внешних условий и др. на рабочий процесс дизеля.

Методом численного моделирования, был осуществлен расчет рабочего процесса и газообмена выбранного в качестве главного двигателя дизеля «MAN Diesel & Turbo» марки 6G60ME-C. Исходные данные для расчета представлены в таблице 3.1, результаты расчета сведены в таблице 3.2 и представлены на рисунках 3.1 и 3.2. Полученные результаты показывают, что исходные данные выбрали верно, так как расчетные характеристики соответствуют паспортным значениям. Эти результаты необходимы для расчета и комплектации систем СЭУ.

Таблица 3.1 − Исходные для расчета рабочего процесса дизеля

	Наименование параметров	Ед. измерения	Значение
1	Диаметр цилиндра	м	0,6
2	Ход поршня	м	2,79
3	Геометрическая степень сжатия	-	21
4	Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна	-	0,45
5	Частота вращения коленчатого вала	мин-1	87
6	Давление наддува	МПа	0,37
7	Температура наддувочного воздуха	К	313
8	Давление газов в выхлопном коллекторе	МПа	0,34
9	Средняя условная температура стенки цилиндра	К	563
1	Тактность дизеля (=1 для 2х; =2 для 4х тактных)	-	1
1	Массовая доля углерода, отн. ед.	-	0,867
1	Массовая доля водорода, отн. ед.	-	0,11
1	Массовая доля серы, отн. ед.	-	0,03
1	Массовая доля кислорода	-	0,002
1	Низшая теплота сгорания топлива	кДж/кг	41000
1	Цикловая подача топлива	кг	0,065
1	Продолжительность впрыска топлива	град.п.к.в.	20
1	Угол опережения впрыска топлива до ВМТ	град.п.к.в.	0,5
1	Коэффициент тепловыделения	-	1,2
2	Шаг расчета	град.п.к.в.	1
2	Количество клапанов	-	1
2	Диаметр клапана	м	0,53
2	Ход выпускного клапана	м	0,09