Реферат: Расчёт рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания автотракторного типа с помощью персональной ЭВМ
Название: Расчёт рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания автотракторного типа с помощью персональной ЭВМ Раздел: Рефераты по транспорту Тип: реферат | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теория и методика решения задачи Задача сформулирована в прямой постановке, когда известны основные данные двигателя (диаметр цилиндра, ход поршня, степень сжатия, тип камеры сгорания), а также вид топлива и требуется определить показатели его эффективности и экономичности. На основе разработанной физико-математической модели (ФММ) с помощью персональной ЭВМ получают:
Решение поставленной задачи завершается общей оценкой технических качеств двигателя, а также принятием инженерного решения (или выдачей рекомендаций) о рациональном выборе конкретных конструктивных, регулировочных и других характеристик. Если последнее невозможно, то ограничиваются констатацией выявленного влияния фактора Z на конечные результаты и объяснением физических причин этого влияния. Методы решения задачиЗадача решается с помощью физико-математической модели 2-го уровня, включающей дифференциальные и конечные уравнения для определения четырёх параметров состояния рабочего тела (объёма V, массы m, температуры T и давления P). При разработке модели приняты следующие допущения:
1) процессы
газообмена
(выпуска, продувки,
впуска) не
рассчитываются,
так как они
протекают при
малых перепадах
давлений и
вносят незначительный
энергетический
вклад в сравнении
с другими процессами;
влияние этих
процессов на
показатели
двигателя
учитывают на
основе статистических
данных путём
выбора 2) теплоёмкости рабочего тела принимаются различными для свежего заряда и для продуктов сгорания, но неизменными для процесса сжатия, а также для процессов сгорания-расширения; указанные теплоёмкости выбраны средними в диапазоне температур и состава рабочего тела; 3) температуры ограничивающих стенок (поршня, крышки и цилиндра) считаются одинаковыми в течение цикла; 4) параметры рабочего тела являются неизменными по объёму в любой момент времени;
Система
дифференциальных
уравнений
дополнена
соотношениями,
описывающими
реальные процессы
сгорания и
теплообмена
со стенками.
Решается система
уравнений на
персональной
ЭВМ методом
Эйлера. Начальные
условия (параметры
рабочего тела
в цилиндре в
начале счёта-Va,
ma, Ta, Pa) задают,
пользуясь
опытными
статистическими
данными, и уточняют
с помощью уравнения
состояния.
Граничные
условия (давление
Pk и
температура
Tk на
впуске, давление
Pт и
температура
Tт на
выпуске, температура
Tw ограничивающих
стенок) оценивают
по экспериментальным
материалам.
Уравнения
выражают зависимости
параметров
рабочего (V, m, T, P)
и некоторых
других характеристик
(закономерностей
сгорания и
теплообмена)
от угла поворота
коленчатого
вала φ. Начало
отсчёта угла
φ выбирают в
начале такта
впуска при
положении
поршня в ВМТ,
поэтому рас- Физико-математическая модель рабочего циклаОсновная система уравнений включает кинематические соотношения, характеризующие изменение объёма и поверхности цилиндра, уравнения материального и энергетического баланса, а также уравнения состояния рабочего тела. Объём цилиндра изменяется в соответствии с закономерностями кривошипно-шатунного механизма (первое кинематическое уравнение): , (1) где Vc-объём камеры сжатия, м3; Fп-площадь поршня, м2; rk-радиус кривошипа, м; λk-отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Путём дифференцирования соотношения (1) получим приращение объёма: (2) которое представляет собой первое кинематическое уравнение в дифференциальной форме.
Так как процессы
газообмена
не рассматриваются,
то масса рабочего
тела в цилиндре
изменяется
только за счёт
испарения и
сгорания топлива.
В дизельном
двигателе
топливо поступает
в цилиндр в
жидком виде,
и в таком состоянии
оно Следовательно, приращение массы рабочего тела можно представить в виде: dm=∆mтцЧdx, (3) где ∆mтц - цикловая массовая подача топлива; х-доля топлива, сгоревшего в цилиндре к данному моменту времени. При отсутствии сгорания dx=0 и dm=0, то есть масса рабочего тела остаётся неизменной. Это наблюдается в процессах сжатия и расширения. Соотношение (3) является уравнением материального баланса в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Уравнение энергетического баланса в цилиндре составлено на основе первого начала термодинамики для закрытой нетеплоизолированной системы: , (4) где Cv - теплоёмкость рабочего тела при постоянном объёме; dQc - элементарное количество теплоты, подведенное при сгорании; dQw - элементарное количество теплоты, подведенное от стенок (отведенное в стенки); К - показатель адиабат рабочего тела. Система основных уравнений замыкается с помощью уравнения состояния рабочего тела, которое может быть использовано в дифференциальной форме: , (5) или в конечной: pV=RmT, (6) где R - газовая постоянная рабочего тела. Система уравнений (1)-(6) позволяет рассчитать цикл ДВС, получить необходимые функции:V(φ), m(φ), T(φ), P(φ) и построить индикаторную диаграмму. Для этого дополняют соотношениями, описывающими закономерности сгорания и теплообмена. Элементарное количество теплоты, подведенное к рабочему телу при сгорании: dQc=HuЧ∆mтцЧdx, (7) где Hu - действительная теплота сгорания топлива, зависящая от рода топлива и состава смеси (соотношения между количеством топлива и воздуха в смеси). Величина Hu в свою очередь равна: при α ≥ 1 Hu=Huт при α < 1 Hu=Huт-120Ч106(1-α)Lo, (8) где α - коэффициент избытка воздуха; Huт - теоретическая теплота сгорания (при полном сгорании топлива); Lo - теоретически необходимое мольное количество воздуха для сгорания 1 кг топлива. Закономерность тепловыделения при сгорании описывается эмпирической формулой Вибе, полученной путем обработки многочисленных опытных индикаторных диаграмм многих двигателей: (9) где m1 - эмпирический показатель сгорания, зависящий от типа двигателя (способа смесеобразования); φс,φz - углы поворота вала двигателя, соответствующие началу и концу сгорания. Коэффициент 6,908 в уравнении (9) получен при условии, что к концу сгорания доля сгоревшего топлива составляет 0,999. Расчёт функции х ведут в диапазо не φc ≤ φ ≤ φz, в других случаях, когда φ < φс или φ > φz, принимают dx=0, что соответсвует отсутствию сгорания. Элементарное количество теплоты, подведенное к рабочему телу за счёт теплообмена со стенками, выражается с помощью формулы Ньютона-Рихмана: (10) где αw - коэффициент теплоотдачи; Fw - поверхность теплоотдачи; Tw - температура стенок; ώ - угловая скорость вращения вала. В течение рабочего цикла ДВС возможны соотношения Tw >< Т. Если Tw>Т, то dQw>0, это означает, что тепловой поток направлен от стенок к рабочему телу. Если Tw < Т, то dQw < 0, и тепловой поток направлен от рабочего тела в стенки. В формуле (10) величина Tw представляет собой осреднённую температуру поверхностей. В случаях, когда температуры основных деталей (поршня, крышки, цилиндра, клапанов) сильно отличаются, учитывают локальные условия теплообмена и формулу записывают в виде: (11) где i - количество различных поверхностей теплообмена. Площади поверхностей поршня и крышки зависят от их размеров и конфигурации и для данного двигателя постоянны, а площадь поверхности цилиндра является функцией угла поворота вала, что выражается вторым кинематическим уравнением: , (12) где D - диаметр поршня, м; So - минимальное расстояние между поршнем и крышкой при положении поршня в ВМТ, м; во многих случаях величиной So можно пренебречь ввиду её малости. Коэффициент теплоотдачи αw зависит от условий теплообмена на границе газ-стенки, то есть от многих факторов. Его определяют по эмпирическим зависимостям. В данной методике использована эмпирическая формула Пфлаума: , (13) где αw - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2ЧК); Pк - давление наддува; Pо - атмосферное давление. При отсутствии наддува считают Pк = Ро. Конечной целью расчёта является определение мощностных и экономических показателей двигателя. К мощностным показателям относятся: индикаторная работа цикла Li = ∫pЧdV, (14) среднее индикаторное давление Pi = Li / Vh, (15) где Vh - рабочий объём цилиндра, м3; индикаторная мощность Ni = LiЧn / τ, (16) где n - частота вращения вала; τ - коэффициент тактности (для четырёхтактных ДВС τ=2). По формуле (16) определяется мощность в одном цилиндре. В качестве экономических показателей служат: индикаторный КПД , (17) удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВтЧч) , (18) Эффективные показатели двигателя определяют, используя механический КПД ηm, который оценивают по статистическим данным: Pe = PiЧ ηm, Ne = NiЧ ηm, ηe = ηiЧηm, ge = gi / ηm. Систему уравнений, приведенную в данном разделе, решают численными методами с помощью ЭВМ. Для этого составляют алгоритм и программу расчётов.
Список литературы
1. Методические
указания к
курсовой работе
“Расчёт рабочего
цикла двигателя
внутреннего
сгорания
автотракторного
типа с помощью
персональной
ЭВМ”
2. Колчин А.И.,
Демидов В.П.
Расчёт автомобильных
и тракторных
двигателей.− 3. Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. В.Н. Луканина.−М.: Высш. шк., 1985.−311с.
4. Двигатели
внутреннего
сгорания:
Теория поршневых
и комбинированных
дви- Рисунок
2 – Индикаторные
диаграммы
рабочего цикла
двигателя МЕМЗ
-245 в
Рисунок 1.2 –
Индикаторные
диаграммы
рабочего цикла
двигателя
КамАЗ-740
в
Рисунок 1.3 –
График зависимости
индикаторной
работы цикла
Li от степени
Рисунок 1.4 –
График зависимости
среднего
индикаторного
давления pi
от сте -
Рисунок 5 – График зависимости индикаторного КПД ηi от частоты вращения вала Рисунок 6 – График зависимости удельного индикаторного расхода топлива gi от частоты вращения вала
Рисунок 7 – График зависимости максимального давления цикла Рmax от частоты вращения вала
Рисунок
8 – График
зависимости
максимальной
температуры
цикла Tmax
от
Таблица 1. Исходные данные для расчёта рабочего цикла двигателя ЗИЛ-130 к программе
Студент гр.Т-110 В.Р.Абдеев Преподаватель Я.А.Егоров
Таблица 2. Исходные
данные для
исследования
рабочего цикла
двигателя
КамАЗ-740 к про-
Студент гр.Т-110 С.В.Копицын Преподаватель Я.А.Егоров
Таблица 3. Исходные
данные для
исследования
рабочего цикла
двигателя
КамАЗ-740 к про-
Студент гр.Т-110 С.В.Копицын Преподаватель Я.А.Егоров
Таблица 4. Исходные
данные для
исследования
рабочего цикла
двигателя
КамАЗ-740 к про-
Студент гр.Т-110 С.В.Копицын Преподаватель Я.А.Егоров
Таблица 5. Исходные
данные для
исследования
рабочего цикла
двигателя
КамАЗ-740 к про-
Студент гр.Т-110 С.В.Копицын Преподаватель Я.А.Егоров Министерство образования и науки Украины Запорожский национальный технический университет Кафедра “Теплотехника и гидравлика” Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине “Основы теории двигателей внутреннего сгорания” на
тему: “Расчёт
рабочего цикла
двигателя
внутреннего
сго - Выполнил: студент группы Т-110 В.Р. Абдеев Проверил: профессор Я.А. Егоров Запорожье 2003 |