Автомобильные двигатели: рабочие циклы, показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования

Расчет процесса сгорания состоит из двух разделов - термохимического и термодинамического.

2.2.1 Термохимические соотношения при сгорании

Количество воздуха, необходимое для сгорания топлива, можно установить из стехиометрических уравнений химических реакций.

В итоге, сгорание углеводородного топлива описывается следующими уравнениями:

С + О2 = СО2 (2.2.1)

2С + О2 = 2СО (2.2.2)

2Н2 + О2 = 2Н2О (2.2.3)

Принимая во внимание атомные и молекулярные веса элементов и выражая газообразные компоненты в молях, можно получить соответственно

12 кг С + 1 моль О2 = 1 моль СО2 (2.2.4)

24 кг С+ 1 моль О2 = 2 моль СО (2.2.5)

4 кг Н2+ 1 моль О2 = 2 моля Н2О (2.2.6)

Из уравнений (2.2.4…2.2.6) определяется количество молей воздуха Мо, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива:

, моль/кг топлива (2.2.7)

где 0,21 -- объемное содержание кислорода в воздухе;

С, Н, О -- весовая доля углерода, водорода и кислорода в элементарном составе топлива.

Элементарный состав топлива можно принять для бензина - С = 0,855 и Н = 0,145.

Действительное количество воздуха М, участвующее в сгорании, обычно не равно теоретическому Мо и составляет

M = бMo, (моль/кг топлива) (2,2,8)

где б - коэффициент избытка воздуха при сгорании.

Для карбюраторных двигателей б = 0,8-1,15 в зависимости от режима работы. При расчете рабочего процесса обычно принимается б = 0,85…0,9.

Число молей свежего заряда, поступившего в цилиндр за время впуска в двигателях с внешним смесеобразованием

, (моль/кг топлива) (2,2,9)

где мТ - молекулярный вес паров топлива (мТ = 114 кг/моль);

в двигателях с внутренним смесеобразованием

М3 = М = б М0 (моль/кг топлива) (2.2.10)

Число молей продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг топлива, также определяется из уравнений (2.2.4…2.2.6).

Если сгорание происходит при б > 1, то число молей продуктов сгорания равно

МГ = МСОг + МНг0 + МN2 + МОг (моль/кг топлива) (2.2.11)

Из уравнений (2.2.4) и (2.2.6) следует, что

Число молей азота при сгорании не изменяется, поэтому

MN2=0,79M = 0,79б M0 .

Число молей избыточного кислорода равно

МОг=0,21 (M - Мo) = O,21 Мо (a- 1).

Подставляя найденные количества компонентов продуктов сгорания в уравнение (2.2.11), получим

Мг = (2.2.12)

или, учитывая уравнение (2.2.7), получим окончательно число молей продуктов сгорания при б > 1

Мг = (моль/кг топлива) (2.2.13)

В случае сгорания с недостатком воздуха (б < 1) часть углерода и водорода окисляется не полностью и в продуктах сгорания присутствуют окись углерода и свободный водород:

МГ = МСО2 + МCO + МН20 + МН2+ МN2 (моль/кг топлива). (2.2.14)

Предполагая, что неполному окислению подвергаются доли углерода и водорода, оцениваемые коэффициентами ц и ц1 можно записать

и .

Тогда число молей продуктов полного окисления будет равно

и

Число молей азота остается равным

MN2 = 0,79бM0.

Общее количество продуктов сгорания в этом случае будет равно

(2.2.15)

или после преобразования

(моль/кг топлива) (2.2.16)

Как видно из уравнений (2.2.2) и (2.2.3), в реакциях неполного окисления углерода и частичного сгорания водорода происходит удвоение числа молей газов. Поэтому число молей продуктов сгорания в этом случае оказывается больше числа молей свежего заряда. Это увеличение тем больше, чем больше продуктов неполного окисления углерода, т.е. чем меньше коэффициент избытка воздуха б.

Отношение числа молей МГ к М3 называется коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси

(2.2.17)

Действительное изменение числа молей будет несколько меньшим из-за наличия в цилиндре остаточных газов, определяемых величиной гг.

Поэтому коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси равен

(2.2.18)

Учитывая, что получим

(2.2.19)

Увеличение числа молей, а следовательно, и объема продуктов сгорания способствует дополнительному повышению давления при выделении теплоты и увеличивает работу расширения газов. Обычно для двигателей с принудительным воспламенением в = 1,07 - 1,1.

2.2.2 Термодинамический расчет процесса сгорания

Целью термодинамического расчета процесса сгорания является определение конечных температуры и давления при заданном количестве подведенной теплоты, Эта задача решается путем применения уравнения первого закона термодинамики:

Q = ДU + AL (ккал) (2.2.20)

где Q - количество теплоты, подведенное в данном процессе;

ДU - изменение внутренней энергии в том же процессе;

А -- тепловой эквивалент работы, равный (1/|427 ккал/кГ*м);

L - совершенная газом или подведенная к нему внешняя механическая работа, (кГ*м).

Расчет процесса сгорания обычно ведется для 1 кг топлива. Из-за невозможности учета действительного закона тепловыделения принимается, что теплота в расчетном цикле подводится по изохоре в двигателях с принудительным воспламенением.

Концом теплоподвода в любом случае считается точка z. Однако действительный процесс тепловыделения, развивающийся с конечной скоростью, не заканчивается в точке z, поэтому в термодинамическом расчете учитывают незавершившееся сгорание специальным поправочным коэффициентом полезного тепловыделения о. Кроме отличия действительной скорости сгорания от закона теплоподвода, принятого в расчетном цикле, коэффициент о учитывает потерю части выделившейся теплоты вследствие теплоотдачи в стенки, утечки газа и диссоциации.

Таким образом, условное количество активной теплоты, выделившееся в процессах cz или cz'z, считается равным

Q = оQT (ккал/кг топлива) (2.2.21)

где QT -полное количество теплоты, выделяющееся к концу реального процесса сгорания.

Обычно для двигателей с принудительным воспламенением о = 0,82 - 0,9.

Количество теплоты QT может быть определено по формуле

Qt = Qh - AQh. cr (ккал/кг топлива) (2.2.22)

Где QH - низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг;

AQн cr. -- потеря части теплоты вследствие физической и химической неполноты сгорания, ккал/кг.

Неполнота сгорания обычно учитывается только для двигателей с принудительным воспламенением при работе на обогащенной смеси и может быть подсчитана по формуле

AQh. cr = 14 700 (1 -- б) (ккал/кг) (2.2.32)

Низшая теплота сгорания топлива QH для бензина принимается в пределах: 10100--10500 ккал/кг.

Термодинамический расчет цикла двигателя с принудительным воспламенением характеризуется тем, что подвод теплоты считается изохорным и поэтому работа L при сгорании отсутствует.

В этом случае

(ккал/кг) (2.2.33)

или с учетом уравнений

(ккал/кг топлива) (2.2.34)

(ккал/кг топлива) (2.2.35)

имеем

(2.2.36)

Среднюю мольную теплоемкость продуктов сгорания при б < 1 можно определить по формуле

= (4,4 + 0,62б) + (3,7 + 3,Зб)10-4Тz (ккал\молъ-град) (2.2.37)

Решение квадратного уравнения (2.2.36) дает расчетную температуру Тг продуктов сгорания двигателя с принудительным воспламенением, которая обычно равна 2500--2700° К.

По найденной температуре Тг определяется расчетное максимальное давление цикла:

Рг = (кг/см2) (2.2.38)

(2.2.39)

где л -- степень повышения давления при сгорании.

Обычно для современных бензиновых двигателей расчетная величина pz = 40 -70 кГ/см2, что значительно превышает реальные давления газов в цилиндре.

Поэтому при построении расчетной индикаторной диаграммы найденное давление уменьшают, умножая на поправочный коэффициент 0,85. Необходимость такого корректирования результатов расчета вызвана тем, что реальный процесс сгорания протекает не по изохоре и принятая часть теплоты топлива выделяется, когда объем камеры сгорания уже существенно больше минимального объема Vc , а давление снизилось в результате расширения.

2.3 Требования, предъявляемые к математической модели

Под математической моделью понимают процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, достаточно адекватно описывающего происходящий реальный процесс [ 9, 10 ].

Математическая модель, прежде всего, должна соответствовать двум основным требованиям:

- быть вполне адекватной реальному процессу, описываемому моделью;

- быть достаточно простой для того, чтобы можно было получить конкретные количественные показатели на выходе.

В представляемой математической модели процесса тепловыделения в цикле сгорания инжекторного двигателя основной упор сделан именно на адекватность процесса и на соответствие основному требованию модели - обеспечить оптимальное тепловыделение в процессе сгорания, а значит и на максимальное использование энергии топлива, а значит - оптимального использования количества горючей смеси.

Таким образом, обеспечение оптимального состава горючей смеси при впрыскивании бензина и оптимизация тепловыделения являются основными задачами моделирования.

Математическая модель позволяет делать определенные допущения и характеризуется некоторыми ограничениями.

В этом плане, основными допущениями и ограничениями, принятыми при разработке математической модели процесса тепловыделения в цикле сгорания и оптимизации расхода топлива инжекторного двигателя являются следующие:

- рассматривается четырехтактный двигатель внутреннего сгорания;

- количество цилиндров принимаем i = 4;

- впрыск топлива осуществляется через форсунку во впускной коллектор, при этом используется схема одновременного впрыска топлива в цилиндры;

- коэффициент избытка воздуха б изменяется от 0,9 до 1,1 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала n по определенному закону - б = f (n);

- массовый часовой расход воздуха Gв принимаем постоянным для различных режимов работы двигателя;

- степень сжатия е не изменяется;

- атмосферное давление принимаем равным pа = 760 мм рт.ст. = 105 Па.;

- температура окружающего воздуха tв = 20оС = 293 К;

- давление впрыскивания через форсунку составляет pф = 0,2 МПа;

- процесс подвода теплоты Q считаем изохорным;

- время впрыскивания топлива через форсунку не превышает tвп =10 - 12 мс при частоте вращения коленчатого вала n = 5000…6000 мин-1;

- при режиме холостого хода время впрыскивания составляет tвп = 2 - 3 мс;

- объемный расход воздуха Vвц регулируется изменением положения дроссельной заслонки;

- смесь воздуха и топлива считаем гомогенной или близкой к гомогенной.

Осуществление точечного принудительного воспламенения чрезвычайно критично по отношению к составу и гомогенизации горючей смеси.

Наиболее надежное воспламенение и быстрое распространение фронта пламени может происходить только при обогащении смеси до коэффициента избытка воздуха б равного 0,85.. .0,95, а минимум удельного расхода топлива требует ее обеднения до б = 1,1...1,2. Для поддержания необходимого состава смеси во всем диапазоне нагрузок применяется количественное регулирование, при котором с уменьшением нагрузки уменьшается общее количество горючей смеси, подаваемой в цилиндры двигателя.

При использовании систем подачи эжекционного типа дозирование топлива происходит автоматически в зависимости от разрежения в диффузоре пропорционально квадрату объемного расхода воздуха, который регулируется изменением положения дроссельной заслонки.

В системах впрыскивания топлива его цикловая подача и расход воздуха непосредственно не связаны друг с другом. Отсюда требуется введение специального устройства, согласующего эти факторы и обеспечивающего требуемую программу изменения состава горючей смеси во всем поле эксплуатационных режимов.

В системах впрыскивания топлива применяют следующие два принципа управления дозированием смеси.

Первый состоит в программном управлении цикловой подачей топлива, при котором в памяти электронного блока управления содержится определенная программа, связывающая выходной сигнал, управляющий подачей топлива форсунками, с входными параметрами, называемыми командными. Каждому сочетанию командных параметров соответствует определенное значение параметра, управляющего цикловой подачей топлива. Причем состав горючей смеси, задаваемый электронным блоком управления, приближается к оптимальному во всем поле эксплуатационных режимов.

Во втором случае используется программно-адаптивное управление с использованием принципа обратной связи. В адаптивном варианте система самонастраивается на поддержание постоянного (или предельно допустимого) значения одного командного параметра. Этот параметр подлежит прямому или косвенному измерению и его отклонение используется для корректирования выходной величины.

Адаптивные системы используются для управления топливоподачей, обеспечивающего поддержание состава горючей смеси, близкой с стехиометрической (при коэффициенте избытка воздуха б, равном 0,98... 0,99, что требуется для эффективной работы трехкомпонентных нейтрализаторов отработавших газов.

Обычно адаптивное управление сочетается с программным, причем для каждого из них выделяется определенная область эксплуатационных режимов.

Коэффициент избытка воздуха (б), характеризующий состав горючей смеси, может исчисляться в зависимости от массовых часового (GВ, кг/ч) или циклового (GВЦ , кг/цикл) расходов воздуха, т.е.

или = (2.3.1)

где GТ - часовой расход топлива, кг/ч; gЦ - цикловая подача топлива, кг/цикл; l0 - количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного килограмма топлива.

Если программой управления топливоподачей заданы значения б, то часовой расход и цикловая подача топлива соответственно будут равны

GТ = б lo GВ (2.3.2)

g Ц = б lo GВЦ (2.3.3)

По выражению (2.3.2) строится управление в системах непрерывного впрыскивания. При импульсном впрыскивании цикловая подача должна определяться по массовому цикловому расходу воздуха (2.3.3). Следует отметить, что во втором случае можно добиться большей точности дозирования, так как диапазон изменения цикловых подач топлива в 4...5 раз меньше вариации его часового расхода, зависящего как от нагрузки (дросселирования), так и от частоты вращения коленчатого вала.

Таким образом, для формирования импульсов, управляющих работой форсунок, необходима информация о массовом цикловом расходе топлива. Однако непосредственное его измерение практически невозможно, поэтому в системах управления используется измерение расхода воздуха (GВЦ, кг/с) с последующим пересчетом его на цикловую подачу

GВЦ = (кг/цикл) (2.3.4)

где i - число цилиндров;

п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1.

Таким образом, основной величиной, в соответствии с которой должна определяться и реализовываться цикловая подача или часовой расход топлива, является массовый расход воздуха.

Массовый цикловой расход воздуха физически определяется рабочим объемом двигателя (Vh), плотностью воздуха на впуске в двигатель (св) и коэффициентом наполнения (зv), т.е.

GВЦ =( кг ) (2.3.5)

Учитывая, что плотность воздуха на впуске определяется выражением

( кг/м3 ) (2.3.6)

а коэффициент наполнения

(2.3.7)

где е - степень сжатия;

р0, Та- давление и температура на впуске в двигатель, (Па, К);

ра, Та - давление и температура заряда в конце наполнения, (Па, К);

R - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*град);

зvг - коэффициент остаточных газов, можно считать

GВЦ = ( кг ) (2.3.8)

Учитывая постоянство е, Vh, R и незначительные значения гг, основной величиной, которая определяет цикловой расход воздуха, является давление в конце наполнения ( pa ). Оно в свою очередь определяется уравнением

pa = po -Дpтр -Дpкл ( Па ) (2.3.9)

где Дpтр ,Дpкл - соответственно потери давления вследствие гидравлического сопротивления впускной системы (с учетом падения давления на дроссельной заслонке) и клапана, Па.

Разность (ро - Дpтр) представляет собой абсолютное давление во впускном трубопроводе (ртр), а потери давления в клапане равны

Дpкл = ( Па ) (2.3.10)

где окл - коэффициент гидравлических потерь в клапанной щели;

Скл - скорость смеси в клапане, м/с.

Температура заряда в конце наполнения составляет

Та =( К) (2.3.11)

где ДТ - подогрев заряда на впуске от нагретых деталей двигателя, К;

Тг - температура отработавших газов, К.

Подставляя выражения (2.3.10) и (2.3.11) в уравнение (2.3.8) можно записать

GВЦ = (2.3.12)

Таким образом, в качестве параметра, который может приниматься для косвенного определения циклового расхода воздуха допустимо использовать усредненное по времени абсолютное давление во впускном трубопроводе (ртр ). Однако в связи со сложностью измерения абсолютного давления в начальный период развития систем управления впрыскиванием, в том числе и механических, командным являлось разрежение во впускном трубопроводе (Дртр) [ 8 ].

Следует отметить, что и в первом и во втором вариантах требуется корректирование информации о ртр или Дртр в зависимости от атмосферного давления (р0) и температуры (То), скорости смеси в клапанной щели (Скл), значения коэффициента остаточных газов (гг) и т.п. При использовании в качестве основного параметра регулирования ртр отпадает необходимость корректирования по р0, что позволяет таким системам адаптироваться к изменению атмосферного давления. Управление цикловой подачей топлива по абсолютному давлению, равному (ро - Дpтр), используется в вариантах одноточечного впрыскивания.

Развитие систем управления топливоподачей, обусловленное необходимостью повышения точности дозирования, ведет к использованию в качестве основного параметра объемного расхода воздуха, равного

Vвц = Vh зv = Gвц/св ( м3/с ) (2.3.13)

Для измерения объемного расхода воздуха используются устройства, основанные на преобразовании скоростного напора потока в механическое перемещение подпружиненных элементов, находящихся в набегающем потоке. Один из наиболее распространенных датчиков объемного расхода воздуха, который используется в системе Bosch L-Jetronic (рис. 2.3.1).

Датчик выполнен в виде легкой заслонки 2, вращающейся вместе со своей осью в специально спрофилированной камере впускного трубопровода и снабженной спиральной пружиной, стремящейся удержать заслонку в закрытом положении.

При открывании дроссельной заслонки или увеличения частоты вращения коленчатого вала потребление воздуха двигателем увеличивается и его поток отклоняет заслонку 2 датчика до такого положения, когда сила аэродинамического давления уравновесится моментом пружины заслонки. При этом за счет подбора конструктивных параметров обеспечивается прямая пропорциональная зависимость между объемным расходом воздуха и углом поворота заслонки от ее исходного положения.

Рис. 2.3.1 Схема расходомера воздуха пневмомеханического типа

1 - обводной канал; 2 - измерительная заслонка; 3 - демпферная камера; 4 - пластина демпфера; 5 - потенциометр; 6 - винт регулирования качества смеси; 7 - датчик температуры

Для регистрации этого угла, являющегося косвенным показателем расхода воздуха, с внешней стороны корпуса датчика размещен и соединен с осью заслонки потенциометр 5, изменяющий омическое сопротивление пропорционально углу поворота заслонки. Потенциометр подключен к входу блока управления.

С учетом специально спрофилированной воздушной камеры расходомер, описанного типа обеспечивает требуемую зависимость угла поворота подвижной заслонки, нагруженной спиральной пружиной, от проходного сечения, определяемого расход воздуха.

Однако использование информации подобного типа пневмоэлектромеханических датчиков, во-первых, не обеспечивает пропорциональность регистрируемого электрического сигнала массовому расходу воздуха, и, во-вторых, в системе имеют место недостаточно надежные механические элементы, а также потенциометр, имеющий ограниченный ресурс.

В связи с этим в последних вариантах систем управления применяют расходомеры термоанемометрического типа, не имеющие механических подвижных элементов и контактных пар потенциометрического датчика.

Принцип действия такого расходомера основан на существовании зависимости тепловой мощности, рассеиваемой нагретой электрическим током тонкой проволокой, обдуваемой потоком воздуха, от его массового расхода. При этом для более точного измерения температура проволоки, обтекаемой воздухом, поддерживается постоянной.

С целью исключения искажения результатов в схему вводится компенсационный резистор. Рассеиваемый тепловой поток, по значению которого судят о массовом расходе воздуха, измеряют по падению напряжения на эталонном резисторе, включенном последовательно с нагреваемой нитью.

На выходе термоанемометрического расходомера, включающего в себя электронную схему преобразования тока, проходящего через измерительный элемент, возникает напряжение, которое изменяется от нуля при отсутствии расхода воздуха до 4... 5 В при его максимальном значении (рис. 2.3.2). При этом, как видно из рис. 2.3.2, в значительном диапазоне расходов воздуха напряжение практически линейно зависит от его массового значения, что является важным достоинством такого прибора.

Рис. 2.3 Характеристики выходного сигнала расходомера

Однако расход воздуха, в том числе и массовый, являясь главным командным параметром, не обеспечивает оптимального управления на всех режимах и при изменяющихся условиях работы двигателей. В основном диапазоне средних нагрузок двигателей без нейтрализаторов (средних расходов воздуха) необходимо получение смеси, обеспечивающей наилучшую топливную экономичность. С этой целью коэффициент избытка воздуха б должен обедняться с ростом нагрузки от 1,0 до 1,2. Однако при работе на холостом ходу и для достижения максимальной мощности горючая смесь должна обогащаться до б = 0,90 -. 0,95. Обогащению подлежит смесь при пуске и прогреве двигателя, в случае резкого открывания дроссельной заслонки. С учетом этих корректировок главный командный параметр - расход воздуха должен дополняться другими параметрами, которые корректируют базовую программу.

Система управления топливоподачей в наиболее полном варианте представлена рис. 1.2.1, a.

На схеме видно, что сигналы датчика массового расхода воздуха дополняются информацией о частоте вращения коленчатого вала (n), положении дроссельной заслонки (цдр) и ее ускорении (dцдр/dф), температуре охлаждающей жидкости (Тож). Если в качестве главного командного параметра принят объемный расход воздуха Vвц или абсолютное давление во впускном трубопроводе ртр, то в число дополнительных параметров должна входить и температура воздуха на впуске в двигатель.

ГЛАВА 3. Разработка математической и компьютерных моделей

3.1 Математическая модель процесса тепловыделения в цикле сгорания

Математическая модель процесса тепловыделения в цикле сгорания строится на основе оптимального потребления топлива в каждом цикле подачи топлива.

Математическая модель использует следующий алгоритм расчета:

Программа расчета оптимальной подачи топлива в цилиндры инжекторного двигателя и определения теплоотдачи при сгорании топлива включает в себя несколько блоков (подпрограмм) расчета.

Данные блоки содержат:

1) подпрограмму предварительного расчета основных параметров работы двигателя;

2) подпрограмму расчета параметров впуска;

3) подпрограмму расчета параметров процесса впуска;

4) подпрограмму расчета процесса сжатия;

5) подпрограмму расчета параметров процесса сгорания;

6) подпрограмму определения основных параметров управления оптимальной подачей топлива и параметров теплоотдачи

3.1.1 Блок (подпрограмма) предварительного расчета основных параметров работы двигателя

1. Объявляются переменные:

Ne - мощность двигателя (в л.с. или кВт, например, 76,2)

z - коэффициент тактности (для четырехтактных двигателей z = 2)

pe - среднее эффективное давление (pe = 8,5-9,5)

D - диаметр поршня, мм (перевести в м - умножить на 10-3, например,)

S - ход поршня, мм (перевести в м - умножить на 10-3)

ш - отношение хода поршня к диаметру цилиндра (безразмерная величина, для бензиновых двигателей - ш = 0,70 - 1,0)

е - степень сжатия (отношение объема цилиндра камеры сгорания в нижней мертной точке к объему в верхней мертвой точке)

б - коэффициент избытка воздуха (б = 1,0 - для стехиометрической смеси, для расчета выбираем из диапазона (б = 0,9 - 1,1) - коэффициент бk = f(nj) - закон изменения определяем сами)

i - количество цилиндров (для нашего расчета принимаем четырехцилиндровый двигатель, т.е. i = 4)

j - количество итераций (циклов) при расчете числа оборотов двигателя с шагом 200 мин-1 (от 400 до 6000 мин-1)

k - количество итераций (циклов) при расчете коэффициента б

nj - число оборотов коленчатого вала для j-ой итерации(мин-1)

Vh - рабочий объем двигателя (в л или м3)

Vц - рабочий объем одного цилиндра (в л или м3)

L0 - теоретически необходимое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива

М1 - массовое количество горючей смеси, кг

М2 - общее количество продуктов сгорания

2. Присваиваем переменным значения (ввод исходных данных для расчетов по формулам)

Ne = 150 л.с.

i = 4

D = 100 мм

ш = 0,95

е = 9,1

nj = 400 мин-1 (+ 100 для каждого следующего j)

pe = 9

бк = 0,9

3. Даем количество итераций (циклов расчета)

j = j +100

k = k + 0,1

4. Производим расчеты по формулам

- определяем Vh =

- определяем Vц = Vh/i

- определяем S = шD

4. Тепловой расчет

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

где в = 28,96 кг/моль - молекулярная масса воздуха при нормальных атмосферных условиях.

Количество горючей смеси

Количество отдельных компонентов продуктов



Общее количество продуктов сгорания:

М2 = МСО+ = 0,0072 + 0,064 + 0,0036 + 0,0689 + 0,389 = 0,533 кмоль пр.сг/кг топлива

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

0 = М2/М1 = 0,533/0,499 = 1,07

5. Вывод полученных результатов на экран или в таблицу

- рабочий объем двигателя Vh

- рабочий объем цилиндра Vц

- ход поршня S

3.1.2 Блок (подпрограмма) расчета параметров процесса впуска

1. Объявляются переменные

ДТ сз - температура подогрева свежего заряда, К

с0 - плотность заряда на впуске, кг/м3

р0, Т0 - параметры окружающей среды (давление и температура)

Дpa - потери давления на впуске

(2 + вп) - коэффициент сопротивления при впуске

wкл - средняя скорость заряда в клапане, м/с

ра - давление в конце впуска;

гг - коэффициент остаточных газов

оч - коэффициент очистки;

доз - коэффициент дозарядки

Ta - температура в конце впуска

зv - коэффициент наполнения.

nц - количество циклов

2. Присваиваем переменным значения (ввод исходных данных для расчетов по формулам)

ДТ сз = 4.

р0 = 0,1 МПа

Т0 = 288 К

RB = 287 - удельная газовая постоянная для воздуха.

2 + вп = 2,3

wк = 100

оч = 1

доз = 1,1

3. Производим расчеты по формулам

Плотность заряда на впуске

с0 =

Потери давления на впуске в двигателе за счет сопротивления впускного канала

Давление в конце впуска:

ра = р0-Дра

Коэффициент остаточных газов (характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания)

Температура в конце впуска:

Та = (Т0+ДТ+гr*Тr)/(1+гr)=(288+4+0,041*1000)/(1+0,041) = 320 К.

Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе впуска, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды на впуске. Величина зv может быть определена по формуле

4. Вывод полученных результатов на экран или в таблицу

гг - коэффициент остаточных газов

зv - коэффициент наполнения

Та - температура в конце впуска

ра - давление в конце впуска

М1 - количество горючей смеси

М2 -общее количество продуктов сгорания

3.1.3 Блок (подпрограмма) расчета параметров процесса сжатия

1. Объявляются переменные

k1 - показатель адиабаты сжатия

n1 - показатель политропы

pc - давление в конце сжатия

Та - температура в конце сжатия

2. Присваиваем переменным значения (ввод исходных данных для расчетов по формулам)

k1 = 1,379 (по номограмме - ввод данных с экрана в зависимости от коэффициента сжатия =9,1 и Та)

Присваиваем значение показателю политропы

n1 = k1 - 0,02 = 1,379 - 0,02 =1,359

3. Производим расчеты по формулам

Давление в конце сжатия

МПа

Температура в конце сжатия:

tc=Тс-2730С = 709 -273 = 436С

4. Вывод полученных результатов на экран или в таблицу

pc - давление в конце сжатия

Та - температура в конце сжатия

3.1.4 Блок (подпрограмма) расчета параметров процесса сгорания

1. Объявляются переменные

м - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

мо - коэффициент

ДНu - потери теплоты из-за химического недогорания

U'c - внутренняя энергия рабочей смеси при температуре Тс

U''c - дополнительная внутренняя энергия рабочей смеси при температуре Тс

Uc - внутренняя энергия рабочей смеси при температуре Т = 20 оС

U"z - внутренняя энергия рабочей смеси при температуре Тz

Ас, Вс - поправочные коэффициенты при температуре Тс

Аz, Вz - поправочные коэффициенты при температуре Тz

Tz - температура газов после сгорания

рz - максимальное давление после сгорания

Qz -количество выделившегося тепла в процессе сгорания

лг - степень повышения давления

ж - коэффициент сопротивления

2. Присваиваем переменным значения (ввод исходных данных для расчетов по формулам)

Ас = 26,54

Вс = - 1011,38

Аz = 33,514

Вz = - 9380

мо = 1,07

ж = 0,9

3. Производим расчеты по формулам

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Потери теплоты из-за химического недогорания

Нu = 119950 * (1-k) * L0 = 119950 * (1-0,95) * 0,517 = 3100 кДж/(кг топлива)

Внутренняя энергия рабочей смеси при температуре Tc

Где Uc = (20,6+2,638*10-3*tc)*tc = (20,6+2,638*10-3*436)*436 = 9483 кДж/кмоль

Ас, Вс - по табл. 3 [2].

Левая часть уравнения сгорания

Температура газов после сгорания

Из уравнения Q = U"z = Az*tz+Bz получим

Тz = tz + 273 = 2532 + 273 = 2805K

Максимальное давление сгорания



Степень повышения давления

г = рz/pc = 8,02 / 1,9 = 4,23

4. Вывод полученных результатов на экран или в таблицу

pc - давление в конце сгорания

Та - температура в конце сгорания

3.1.5 Блок (подпрограмма) определения основных параметров управления оптимальной подачей топлива и параметров теплоотдачи

1. Объявляются переменные

Gвц - цикловой расход воздуха, кг/цикл

R - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*град)

pтр - абсолютное давление во впускном трубопроводе

Дртр - потери давления вследствие гидравлического сопротивления впускной системы (с учетом падения давления на дроссельной заслонке) и клапана, Па.

Скл - скорость смеси в клапанной щели, м/с.

2. Присваиваем значения (ввод исходных данных для расчетов по формулам)

бJ = f (ni)

R = 8314 Дж/(кг*град)

3. Производим расчеты по формулам

pтр = pо - Дртр.

Дртр = l

Gвц =

Vвц = Gвц / св

gц = бj lo Gвц

Gт = gц nц

4. Вывод полученных результатов на экран или в таблицу

Компьютерная модель процесса оптимизации подачей топлива и тепловыделения реализована на языке VBA.

Заключение

1. В первом разделе дипломной работы рассмотрены вопросы, касающиеся анализа существующих систем впрыскивания топлива двигателей с принудительным воспламенением и особенностей их конструкции Отмечено, что наиболее предпочтительным с точки зрения управления процессами впрыскивания и сгорания с использованием программных методов предпочтительным является использование системы впрыскивания топлива во впускной трубопровод. Рассмотрен характер оптимального управления в поле эксплуатационных режимов. Данное управление может быть как программным (заданным), так и адекватным.

2. Во втором разделе дипломной работы рассмотрены особенности построения математической модели процесса тепловыделения в цикле сгорания инжекторного двигателя.

Оценен характер процессов смесеобразования и сгорания в двигателе с принудительным воспламенением, а также рассмотрены особенности смесеобразования и сгорания топлива, исследованы методы расчета основных параметров процесса сгорания (термохимические методы и термодинамический расчет), представлены требования к математической модели.

3. В третьем разделе представлен алгоритм расчета параметров по математической модели, а также результаты расчетов и предложения по совершенствованию процесса управления впрыскиванием топлива.

На основании полученных данных сделан вывод о том, что программное управление подачей топлива является одним из перспективных направлений обеспечения оптимальной теплоотдачи и расхода топлива с учетом возросших требований к снижению токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания автомобильной техники.

4. В Приложении даны блок-схема и коды описанной математической модели.

Список использованной литературы

1. Автомобильные двигатели: Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования / В.Р. Бурячко, А.В. Гук. Текст - СПб.: НПИКЦ, 2005. - 292 с.

2. Как увеличить мощность двигателя. Методы увеличения мощности двигателя. Практическое руководство. / Под ред. С. Афонина Текст- Батайск Ростовской обл., «ПОНЧиК», 2004. - 130 с.

3. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов Текст: учебник для вузов / Под редакцией В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 479 с.

4. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.2. Динамика и конструирование Текст: учебник для вузов / Под редакцией В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 450 с.

5. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей Текст: уч. пособие для вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов. - 3 изд.; перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2003. - 496 с.

6. Двигатели армейских машин. В 2 кн. Кн. 1. Теория Текст: учебник / под ред. П.М. Белова. - М.: Воениздат, 1971. - 512 с.

7. Двигатели армейских машин. В 2 кн. Кн. 2. Конструкция и расчет Текст: учебник / Под ред П.М.Белова. - М.: Воениздат, 1972. - 568 с.

8. Электронное управление автомобильными двигателями / Под ред. Г.П. Покровского. Текст - М.: Машиностроение,1994. - 336 с.

9. Мышкис А.Д. Элементы теории математических моделей. Текст - М.: КомКнига, 2007. - 192 с.

10. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: учеб. для вузов - М.: Высш. шк., 2001. -343 с.

11. Карасев В. А. Исследование процесса сгорания и образования токсичных веществ в двигателе с двухстадийным сгоранием: диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.02 - Кострома: 1984. - 244 c.

12. Смоленский В.В. Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при добавке водорода в топливно-воздушную смесь: диссертация кандидата технических наук : 05.04.02 -Тольятти, 2007. - 185 с.

13. Бунов В.М. Повышение эффективности процесса сгорания в тракторных дизелях совершенствованим элементов систем впуска и управления топливоподачей : диссертация ... доктора технических наук : 05.04.02 -Челябинск, 1999. - 308 с.

14. Халед Фахед Салим Овейс Улучшение экологических качеств дизеля с разделенной камерой сгорания воздействием на кинетические параметры процесса сгорания топлива в его рабочих полостях: диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.02 - М.:, 1996. - 160 с.

15. Орехов С.Н. Математическая модель рабочего процесса ДВС и ее идентификация. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 23 с.

16. Иващенко Н. А., Ивин В. И. Термодинамическая оптимизация двигателя внутреннего сгорания в курсовых и дипломных работах и проектах. - М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. - 32 с.

17. Ильина М.А. и др. Моделирование процессов горения и теплообмена в ДВС с искровым зажиганием с учетом формы камеры сгорания - М.: Инвест, 2009ю - 211 с.

18. Шароглазов Б. А., Фарафонтов М. Ф., Клементьев В. В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов: Учебник по курсу «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания». - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004. - 344 с.

19. Найманова А.Ж. Математическое моделирование турбулентного горения в сложном канале. - Алма-Ата: Математический журнал, 2009. - Том 9, № 1. сс. 55 - 64.

20. Математическое моделирование рабочих процессов ДВС: Учебное пособие / А.В. Васильев, Е.А.Григорьев; Волгоград. гос. техн. ун-т . - Волгоград, 2002. - 67 с.

21. Автомобильные двигатели: Курсовое проектирование: учеб. пособие / М.Г.Шатров, И.В.Алексеев, С.Н.Бощанов и др. ; под ред. М.Г.Шатрова -- М.: Издательский центр «Академия», 2011. -- 256 с.

ПриложениЕ

инжекторный топливо двигатель тепловыделение

«Открытый программный код»

Option Explicit

Private Sub UserForm_Click()

'Объявляем переменные

Dim Ne As Double 'эффективная мощность двигателя

Dim Z As Integer 'коэффициент тактности

Dim Ре As Double 'среднее эффективное давление - для бензиновых двигателей Ре = 8,0 - 9,5

Dim D As Double 'диаметр цилиндра

Dim S As Double 'площадь поршня

Dim Fi As Double 'отношение хода поршня к диаметру цилиндра Fi = 0.70 - 1.0

Dim Epsilon As Double 'степень сжатия - отношение объема цилиндра камеры сгорания в НМТ к объему в ВМТ

Dim Alpha As Double 'коэффициент избытка воздуха (принимаем, что изменяется для инжекторного двигателя в пределах от 0.9 до 1.1)

Dim i As Integer 'количество цилиндров ДВС (принимаем i = 4)

Dim j 1 As Double 'количество итераций при расчете числа оборотов двигателя, шаг - 100 мин-1

Dim Kl As Double 'количество итераций (циклов)при расчете коэффициента Alpha, шаг 0.1

Dim n() As Double 'число оборотов коленчатого вала для для j-ой итерации

Dim nnom As Double 'число оборотов коленчатого вала при номинальой мощности

Dim Vh As Double 'рабочий объем двигателя

Dim Vc As Double 'рабочий объем одного цилиндра

Dim Lo As Double 'теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг то ива

Dim Ml As Double 'массовое количество горючей смеси

Dim M2 As Double 'общее количество продуктов сгорания

Dim Mco As Double 'количество СО

Dim Mco2 As Double 'количество С02

Dim Mh2 As Double 'количество Н2

Dim Mh2o As Double 'количество Н20

Dim Mn2 As Double 'количество N2

Dim mt As Double 'расход топлива

Dim Ka As Double 'коэффициент Ка = 0.5

Dim My As Double 'коэффициент молекулярного изменения смеси

' Присваиваем значения переменным

Ne = 150

Z = 2

i = 4

D = 0.1

Fi = 0.95

Epsilon =9.1

Ре = 9.2

nnom = 2600

Alpha =0.9

mt = 120

Ka = 0.5

'Блок 1 - Расчет первоначальных параметров

Vh = (450 * Ne * Z) / (Ре * nnom) Vc = Vh / i S = Fi * D

Do

Kl = 1

Alpha(Kl) =0.9

1 Вывод результатов расчета

' Рабочий объем двигателя

Label1.Caption = "Рабочий объем двигателя" + Str(Vh) + "л"

' Рабочий объем цилиндра

Label2.Caption = "Рабочий объем цилиндра" + Str(Vc) + "л"

' Площадь поршня

Label3.Caption = "Площадь поршня" + Str(S) + "мм"

'Блок 2 - Тепловой расчет

Lo =14.98 '(кг воздуха на кг топлива) Ml = Alpha * Lo + (1 / mt)

Мсо =0.416* (1- Alpha) * Lo / (1 + Ka)

Mco2 = (0.855 / 12) - Мсо

Mh2 = Ka * Мсо

Mh2o = (0.145) / 2 - Mh2

Mn2 = 0.7 92 * Alpha * Lo

M2 = Мсо + Мсо2 + Mh2 + Mh2o + Mn2 My = M2 / Ml

'Блок З - Расчет параметров процесса впуска ' Объявление переменных

Dim DTcz As Double 'температура подогрева свежего заряда

Dim Roo As Double 'плотность заряда на впуске

Dim Po As Double 'параметры окружающей среды (давление)

Dim Teo As Double 'параметры окружающей среды (температура)

Dim DPa As Double 'потери давления на впуске

Dim Rv As Double 'удельная газовая постоянная для воздуха - 287 Дж/(кг * град)

Dim Ksv As Double 'коэффициент сопротивления на впуске

Dim Wkl As Double 'средняя скорость заряда на клапане

Dim GammaG As Double 'коэффициент остаточных газов

Dim Fioch As Double 'коэффициент очистки

Dim Fidoz As Double 'коэффициент дозарядки

Dim Та As Double 'температура в конце впуска

Dim Nuv As Double 'коэффициент наполнения

Dim Nc As Double 'количество циклов

Dim Da As Double 'давление в конце впуска

Dim Pg As Double 'давление в точке г

Dim Tg As Double 'температура в точке г\

Dim Pa As Double 'давление в конце впуска (точка а)

Продолжение приложения 1

' Присваиваем значения переменным

DTcz = 4

Roo = 0.1 * 10 Л 5

Po = 10 л 5

Тео = 293

Rv = 287

Ksv =2.3

Wkl = 100

Fioch = 1

Fidoz =1.1

Pg = 0.106

Tg = 1000

Da = 9.1

Pg = 0.106

' Расчет параметров

Roo = Po / (Rv * Teo)

DPa = Ksv * Wkl л 2 * Roo / 2

Da = Po - DPa

GammaG = (Teo + DTcz) * Fidoz * Pg / Та * (Epsilon * Fidoz * Po) - (Fioch * Pg)

Та = (Teo + DTcz + GammaG * Tg) / (1 + GammaG)

'Коэффициент наполнения

Tuv = (Teo * (Fidoz * Epsilon * Pa - Fioch * Pg)) / (Teo + DTsz) * (Epsilon - 1) * Po

' Вывод результатов расчета

'Температура в конце впуска

Label4.Caption = "Температура в конце такта впуска" + Str(Ta) + "К"

'Давление в конце такта впуска

Label5.Caption = "Давление в конце такта впуска" + Str(Da) + "Па"

'Коэффициент наполнения

Label6.Caption = "Коэффициент наполнения " + Str(Tuv)

Блок 4 - Расчет параметров процесса сжатия

' Объявление переменных

Dim Kl As Double 'показатель адиабаты сжатия

Dim Nul As Double 'показатель политропы

Dim Pc As Double 'давление в конце процесса сжатия

Dim Tc As Double 'температура в конце процесса сжати

' Присваиваем значения переменным

К1 = 1.379

Nul = Kl - 0.02

' Расчет параметров

' Давление в конце сжатия

Pc = Fidoz * Ра * Epsilon * Nul

' Температура в конце такта сжатия

Тс = Та * Epsilon * (Nul - 1)

' Вывод результатов расчета

' Температура в конце такта сжатия

Label7.Caption = "Температура в конце такта сжатия" + Str(Tc) + "К"

'Давление в конце сжатия

Label8.Caption = "Давление в конце такта сжатия" + Str(Pc) + "Па"

Блок 5 - Расчет параметров процесса сгорания

'Объявление переменных

Dim mu As Double 'коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Dim muo As Double 'коэффициент молекулярного изменения в начальный период

Dim DHu As Double 'потери теплоты из-за химического недогорания

Dim Uc As Double 'внутренняя энергия рабочего тела

Dim Ulc As Double 'внутренняя энергия рабочей смеси при температуре Тс

Dim U2z As Double 'внутренняя энергия при температуре Tz

Dim Ac, Be As Double 'поправочные коэффициенты Ас и Be при температуре Тс

Dim Az, Bz As Double 'поправочные коэффициенты Az и Bz при температуре Tz

Dim Tz As Double 'температура газов после процесса сгорания

Dim Pz As Double 'давление газов после процесса сгорания

Dim Qz As Double 'количество выделившегося тепла после процесса сгорания

Dim LambdaG As Double 'степень повышения давления

Dim Ksi As Double 'коэффициент сопротивления

Dim Q As Double 'теплота

' Присваиваем значения переменным

Ac = 2 6.54

Be = -1011.38

Az = 33.514

Bz = -9380

muo = 1.0

Ksi =0.9

Uc = 9483

' Расчет параметров

' Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

mu = (muo + GammaG) / (1 + GammaG)

' Потери теплоты из-за химического недогорания

DHu = 119950 * (1 - Alpha(Kl)) * Lo

Продолжение приложения 1

' Внутренняя энергия рабочей смеси при температуре Тс

U2c = Ас * Тс + Be

Ulc = 1 * (Uc + GammaG + U2c) / (1 + GammaG)

' Температура газов после сгорания

Tz = (Q - Bz) / Az

' Максимальное давление сгорания

Pz = Pc * mu * Tz / Tc 1

' Степень повышения давления

LambdaG = Pz / Pc

' Вывод результатов расчета

' Температура в конце процесса сгорания

Label8.Caption = "Температура в конце процесса сгорания" + Str(Tz) + "К"

' Давление в конце сжатия

Label9.Caption = "Давление в конце такта сжатия" + Str(Pz) + "Па"

'Блок б - Определение основных параметров управления оптимальной подачей топлива и пара метров теплоотдачи

' Объявление переменных

Dim Gbc As Double 'цикловой расход воздуха, кг/цикл

Dim Gt As Double 'часовой расход топлива, кг/ч

Dim R As Double 'газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*град)

Dim Ptr As Double 'абсолютное давление во впускном трубопроводе

Dim DPtr As Double 'потери давления вследствие гидравлического сопротивления впускной системы (с учетом падения давления на

дроссельной заслонке и клапана)

Dim Ckl As DoubJe 'скорость смеси в клапанной щели

' Присваиваем значения переменным

DPtr = 0.3 * Ро

' Расчет параметров

Dojl = 1

Продолжение приложения 1

Nc(jl) = 500

' Абсолютное давление во впускном трубопроводе

Ptr = Ро - DPtr

' Массовый цикловой расход воздуха

Gbc = (Epsilon / Epsilon - 1) * (Vh / R) * (Ptr - Kvs * Wkl л 2 / 2) * (1 / (Tc + DT + GammaG * Tg))

' Объемный цикловой расход воздуха

Vbc = Gbc / Ро

' Цикловой расход топлива

Gbc = Alpha(Kl) * Lo * Gbc

' Часовой расход топлива

Gt = Gbc * Nc

Nc(jl) = 500 + 100

Loop While n = 4000

Alpha(Kl) = Alpha(Kl) +0.1

Loop While Alpha(Kl) =1.1

' Вывод результатов расчета

' Коэффициент избытка воздуха

Label10.Caption = " Коэффициент избытка воздуха Alpha = " + Str(Alpha(K1))

' Число оборотов коленчатого вала

Label11.Caption = " Число оборотов коленчатого вала п = " + Str(Alpha(Nc(j 1 )) + "мин -1")

' Часовой расход топлива

Label12.Caption = " Часовой расход топлива Gt = " + Str(Gt) + "кг/ч" ' Количество выделенного тепла при сгорании

Label13.Caption = " Количество выделенного тепла при сгорании Q = " + Str(Q ) + "Дж"

End Sub

Размещено на Allbest.ru