Современные двигатели характеризуются высокими показателями эффективности рабочего процесса: эффективный КПД двигателя достигает 45…54 %, среднее эффективное давление превышает 2 МПа. Такие высокие показатели стали возможны благодаря современной организации рабочего процесса. Возможности улучшения рабочего процесса не исчерпаны. В частности, в настоящее время уделяется большое внимание правильной организации рабочего процесса на частичных режимах работы двигателя, созданию высокоэкономичных и малотоксичных двигателей, в том числе, двигателей, работающих на альтернативных видах топлива, а также созданию двигателей с управляемым рабочим процессом и т.д.
Студенты, обучающиеся по направлению подготовки: 190600.62 – «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», выполняют курсовой проект по тепловому и динамическому расчёту двигателя автомобиля.
Тепловой расчёт позволяет аналитическим путём с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя. На первом этапе выполнения теплового расчёта, следуя рекомендациям литературных источников, разрабатывается комплекс мероприятий, направленных на обеспечение заданного значения эффективной мощности двигателя при снижении удельного эффективного расхода топлива по сравнению с прототипом.
Полученные результаты теплового расчёта сравниваются с заданием. При несовпадении мощности предложенный комплекс мероприятий корректируется, и расчёт повторяется до получения удовлетворительных результатов.
Поскольку тепловой и динамический расчёт двигателя является трудоёмким процессом, его необходимо проводить на ЭВМ.
Использование ЭВМ даёт возможность выполнять большое количество вариантов теплового расчета, с тем, чтобы выбрать оптимальное сочетание параметров, обеспечивающих увеличение мощности при одновременном снижении расхода топлива. Для этого используется стандартная программа MS EXCEL для персональной ЭВМ, реализующая алгоритм теплового расчёта дизельного (бензинового) двигателя.
Структура файла исходных данных:
Исходные данные для теплового расчета ДВС
|
Номер варианта |
Фамилия Имя Отчество, студента |
Прототип двигателя (марка автомобиля) |
Эффективная мощность, Ne, кВт |
Частота вращения nн, мин–1 |
Число цилиндров L |
Степень сжатия ε |
Отношение S/D |
Коэффициент избытка воздуха ε |
Давление окружающей среды Ро, МПа |
|
1 |
2,5 (ГАЗ 3110) |
105 |
5200 |
4 |
9 |
0,95 |
0,98 |
ОД |
|
|
2 |
ЯМЗ 236 (МАЗ) |
100 |
2300 |
6 |
16 |
0,95 |
1,58 |
ОД |
|
|
3 |
1,9 TD (VW Passat) |
55 |
4200 |
4 |
22 |
0,95 |
1,65 |
од |
|
|
4 |
2,0 (Fond Mondeo) |
100 |
6000 |
4 |
10 |
0,95 |
0,97 |
од |
Методика теплового расчёта требует задать, в качестве исходных данных для теплового расчета двигателя, химический состав и низшую теплотворную способность топлива, Qн кДж/кг; степень сжатия, ε; коэффициент избытка воздуха, давление окружающей среды, Po, МПа; температура окружающей среды, To, К; степень подогрева заряда на входе в цилиндр и др.
Для получения численных значений функции отклика используется имитационная модель работы двигателя. Студенту необходимо набрать рассматриваемую ниже форму самостоятельно в Microsoft Excel (рис. 1).
а
б
Рис. 1. Тепловой расчет дизельного (а) и бензинового (б) двигателя
Расчёт рабочего цикла выполняется с целью определения индикаторных (рис. 2), эффективных показателей работы двигателя (рис. 3), определения основных размеров двигателя, построения характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя.
Индикаторную диаграмму поршневого двигателя строят по результатам теплового расчёта для номинального режима его работы аналитическим методом. При этом используют расчётные значения давлений в характерных точках диаграммы: давления в начале сжатия Ра, в конце сжатия Рс, в конце сгорания Рz, в конце выпуска газов Рb, показатели политроп сжатия n1 и расширения n2, степени сжатия ε, степени предварительного ρ и последующего δ расширений.
а
б
Рис. 2. Построение индикаторной диаграммы: а – дизельный; б – бензиновый
Рис. 3. Эффективные показатели двигателя
Максимальный крутящий момент, в зависимости от величины номинальной частоты вращения и текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, определяется внешней скоростной характеристикой, которая аппроксимируется формулой Лейдермана. За момент, принимаемый за 100 %-ную нагрузку, выбрано минимальное значение крутящего момента по внешней скоростной характеристикой для того, чтобы был соблюден принцип совместимости факторов влияющих на работу двигателя.
Значение удельного эффективного расхода топлива по аппроксимирующим зависимостям вычисляется с учётом ряда корректирующих коэффициентов по внесённым в них расчётным формулам.
Известно, что удельный эффективный расход топлива по результатам эксперимента определяется в зависимости от: Dv – объёма топлива (см3), израсходованного двигателем за время замера t3, с; Ме – крутящего момента, развиваемого двигателем, Н∙м; rтоп – плотности топлива, кг/м3 и n, мин–1 – частоты вращения коленчатого вала (рис. 4).
Средняя относительная погрешность определения удельного расхода обычно составляет не более ±2,5 %. Эта величина введена в имитационную модель для учёта разброса в показаниях приборов в виде случайной функции-сомножителя, которая случайным образом (по закону нормального распределения) меняется от 0,975 (–2,5 %) до 1,025 (+2,5 %) при каждой смене данных.
После того, как получены результаты имитационного расчета, скорректированы показатели теплового и динамического расчета двигателя, студент заносит все результаты в тетрадь-отчёт по выполнению курсовой работы.
Данный подход даёт возможность проводить многовариантный поиск наилучшего конструктивного решения, оперативно проверять и количественно оценивать влияние различных факторов на параметры рабочего процесса двигателя.
Использование ЭВМ с многовариантным поиском позволяет студентам получить знания о факторах, формирующих энергетические, экономические, экологические, эксплуатационные и другие показатели двигателей, а также изучить характеристики двигателей, которые позволяют определить техническое состояние энергетической установки и их влияние на эксплуатационные качества автомобиля.