Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ В ДВИГУНАХ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

Методичні вказівки

до виконання комп’ютерного практикуму

Київ

НТУУ «КПІ»

2014

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ В ДВИГУНАХ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

Методичні вказівки

до виконання комп’ютерного практикуму

з дисципліни «Технічна термодинаміка»

за напрямками підготовки

«Електротехніка та електротехнології» і «Теплоеннергетика»

Київ

НТУУ «КПІ»

2014

Математичне моделювання робочого процесу в двигунах внутрішнього згоряння: Методичні вказівки до виконання комп’ютерного практикуму з дисципліни «Технічна термодинаміка» для студентів спеціальностей «Енергетичний менеджмент» за напрямами підготовки «Електротехніка та електротехнології», «Теплоенергетика»/ Укладачі: Ринкова Т.О., Ленькин О.В., Задвернюк В.В., Білоус І.Ю. – К.: НТУУ «КПІ», 2014 – 20 с.

Рекомендовано Вченою радою ІЕЕ НТУУ «КПІ»

(Протокол №_9__ від ____________ 2014 р.)

Навчально-методичне видання

Математичне моделювання робочого процесу в двигунах внутрішнього згоряння

Методичні вказівки

до виконання комп’терного практикуму

з дисципліни «Технічна термодинаміка»

за напрямками підготовки

«Електротехніка та електротехнології»

і «Теплоенергетика»

Укладачі: Ринкова Тетяна Олексіївна, доц., к.т.н.,

Задвернюк Володимир Володимирович, асист.,

Білоус Інна Юріївна, аспірант.

Відповідальний редактор В.І. Дешко, проф., д.т.н.

Рецензент П.О. Барабаш, доц., к.т.н.

2014 р.

Зміст

Зміст 4

ВСТУП 5

1. МЕТА ТА ОСНОВНІ ЗАВДАННЯ РОБОТИ 5

2. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ 6

2.1. Класифікація ДВЗ 6

2.2. Характеристика циклів ДВЗ 8

2.3. Порівнювання ефективності роботи ДВЗ методом заміни циклу еквівалентним циклом Карно 12

3. ПОРЯДОК І РЕКОМЕНАЦІЇ ЩОДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ 15

3.1. Завдання для математичного моделювання 16

3.2. Опис програми Mathcad для виконання комп'ютерного практикуму 18

5. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 21

6. СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 22

ВСТУП

Теоретичним підґрунтям для пояснення роботи теплових двигунів холодильних установок і теплових насосів є технічна термодинаміка – наука про основні закономірності перетворення різних видів енергії. В техніці надзвичайно велике розповсюдження мають теплові двигуни, в яких теплота, що перетворюється у корисну роботу, виділяється при згорянні палива, причому, операція згоряння палива є складовою частиною робочого процесу двигуна та відбувається безпосередньо у його робочому циліндрі. Такі двигуни називаються двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ).

ДВЗ є основним джерелом енергії на автомобілях різного типу і призначення; залізничному та річному транспорті; у будівельно-дорожньому машинобудуванні та ін..

Вивчення умов роботи двигунів внутрішнього згоряння, які забезпечують максимальну ефективність та економічність роботи з найменшим показником токсичності вихлопних чадних газів є важливою та актуальною задачею.

1. Мета та основні завдання роботи

Мета роботи – за допомогою методів математичного моделювання визначити вплив параметрів циклу двигунів внутрішнього згоряння (цикла Отто) на ефективність його роботи.

Основні завдання роботи:

1) За допомогою персонального комп’ютера дослідити, як термічний коефіцієнт корисної дії ( ) ДВЗ, який працює за циклом Отто з зовнішнім сумішоутворенням, залежить від ступеня стиснення суміші палива і повітря ( ) та властивостей газової суміші ( ).

2) Зробити на персональному комп’ютері порівнювальний аналіз ефективності роботи ДВЗ (цикл Отто) методом використання еквівалентного циклу Карно.

3) Побудувати на рисунку в Ts діаграмі за даними комп’ютерних розрахунків (значення температур та ентропій, у вузлових точках цикла Карно) цикл ДВЗ. Замінити його еквівалентним циклом Карно. Крім того побудувати на томуж рисунку відповідний або узагальнений цикл Карно в тому ж інтервалі температур.

2. Основні теоретичні відомості

1. Класифікація двз

Як зазначалося раніше у ДВЗ процеси згоряння палива, отримання теплоти і перетворення теплоти у роботу є сумісними у просторі і відбуваються всередині робочого циліндру двигуна. Двигуни внутрішнього згоряння класифікуються за наступними ознаками: за характером робочого процесу; за кількістю рухів поршня (тактів) у робочому циклі ДВЗ.

За характером робочого процесу розрізняють:

• ДВЗ з зовнішнім сумішоутворенням;

• ДВЗ з внутрішнім утворенням пальної суміші;

• комбіновані двигуни внутрішнього згоряння.

У першій групі двигунів робоча пальна суміш готується у спеціальних пристроях, які називаються карбюраторами. Далі суміш стискується, що призводить до підвищення тиску і відповідно збільшення температури суміші. Пальну суміш не можна доводити до температур більше температури самозапалення суміші ( ) тому що це може призвести до передчасного спалаху та детонації. Горіти пальна суміш повинна починати тільки тоді, коли у стиснені гази вноситься іскра, яка є зовнішнім джерелом запалювання. В цих двигунах використовується газоподібне паливо і легкі фракції переробки нафти.

Робочий процес ДВЗ з зовнішнім сумішеутворенням можна прослідкувати на індикаторній діаграмі. Індикаторна діаграма показує залежність тиску газів у робочому циліндрі від об’єму, який вони у ньому займають. На рис. 1 зазначена діаграма для чотирьох тактного ДВЗ з зовнішнім сумішеутворенням.

Рис. 1. Індикаторна діаграма ДВЗ з зовнішнім сумішоутворенням: а) ДВЗ з зовнішнім сумішеуванням; б) ДВЗ з внутрішнім утворенням паливної суміші; в) безкомпресорні ДВЗ.

Як видно з рис. 1, крайні положення поршня, при яких направлення руху поршня замінюється на протилежне, називаються мертвити точками. У кришки робочого циліндра таке положення поршня відповідає верхній мертвій точці (в.м.т.), протилежне – нижній мертвій точці (н.м.т.). Відстань між верхньою і нижньою мертвими точками називається ходом поршня і позначається ( ). Об’єм, який описується поршнем за один робочий хід називається робочим об’ємом циліндра і позначається ( ). Рухи поршня, які йдуть рівномірно один за другим від однієї мертвої точки до другої називаються тактами.

Розглянемо процеси індикаторної діаграми:

(а-1) – перший такт поршня. Процес всмоктування або наповнення циліндра пальною сумішшю ( ). Маса робочого тіла у процесі всмоктування зростає ( );

(1-2) – другий такт поршня. Гіперболічна крива, яка уявляє собою підвищення тиску пальної суміші. При чому другий хід відбувається при закритих клапанах і температура підвищується. У стані 2 відбувається запалення пальної суміші. Джерело запалення зовнішнє, електричним запальником (свічка);

(2-3) – процес горіння пальної суміші, в якому відбувається різке підвищення тиску при незначному переміщенні поршня (об’єм робочого циліндра можна вважати практично сталим);

(3-4) – третій такт. Процес розширення продуктів згоряння або робочий хід поршня;

(4-а) – процес видалення відпрацьованих продуктів згоряння (четвертий такт) m≠const.

Робочий процес ДВЗ з внутрішнім сумішоутворенням має розбіжності з попереднім типом двигунів. По-перше, у процесі всмоктування (а-1) робоча камера ДВЗ заповнюється повітрям. Це дає змогу збільшити ступінь стиснення у наступному такті поршня і зробити так, що температура стисненого повітря стає більше за температуру самозапалення. Коли ця умова досягається, через форсунку паливо вприскується у робочий циліндр і відбувається його самозапалення ( ). Для транспортування палива у форсунки можна використовувати стиснене повітря спеціального компресора. В цьому разі відбувається сповільнене згоряння палива. Цей процес можна вважати ізобарним.

У комбінованих сучасних ДВЗ роль компресора виконує паливний насос, який призначений для подачі палива у робочу камеру. У безкомпресорному ДВЗ процес згоряння палива має два відрізки: відрізок 2 – 3^/, коли можна вважати об’єм робочого циліндра майже сталим і 3 – 3^/, коли йде повільне згоряння палива.

Двигуни внутрішнього згоряння відносяться до поршневих двигунів. За кількістю рухів поршня у робочій камері ДВЗ поділяються на: чотирьохтактні двигуни та двотактні. Найбільш поширені чотирьохтактні ДВЗ, в яких робочий цикл двигуна припадає на два оберти кривошипа.

Діапазон параметрів, в яких працюють ДВЗ залежить від жаростійкості та міцності матеріалів, з яких вони виготовлені. Максимальний тиск і температура, відповідно, складають: бар, ⁰С, температура видалених газів дорівнює ⁰С.

Індикаторні діаграми не треба змішувати із зразковими термодинамічними циклами двигунів внутрішнього згоряння, до розглядання яких ми перейдемо у наступному пункті.