Расчет рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания методом энергетического и массового баланса рабочего тела "MAEngine"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания методом энергетического и массового баланса рабочего тела «MAEngine»

Программа «MAEngine» предназначена для расчета рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания методом энергетического и массового баланса рабочего тела. Программа может использоваться при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области двигателестроения, обучения специалистов.

Программа представляет законченный продукт, который может быть реализован на компьютерах класса Pentium 2 и выше под управлением операционной системы версии не ниже MS Windows 95. Программа удобна в эксплуатации, имеет дружественный, интуитивно понятный интерфейс. В качестве языка программирования выбран язык Object Pascal. При проектировании программы были использованы технологии визуального объектно-ориентированного подхода.

Математическая модель

Основой математической модели, использованной в программе MAEngine, является метод энергетического и массового баланса рабочего тела в камере сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания. Основой метода является уравнение первого закона термодинамики в дифференциальной форме:

(1)

где

Q - энергия, подведенная или отведенная от рабочего тела;

U - внутренняя энергия рабочего тела;

L - работа совершаемая рабочим телом.

Изменение энергии, подведенной или отведенной от рабочего тела за элементарный промежуток времени определяется уравнением:

(2)

где Qt - энергия, выделившаяся при сгорании топлива;

Qw - энергия, подведенная или отведенная от рабочего тела в процессе теплообмена со стенками камеры сгорания;

Qin - энергия, подведенная с воздухом, поступившим в цилиндр через впускные клапаны;

Qout - энергия, отведенная с газами, вышедшими из цилиндра через выпускные клапаны.

Уравнение (2) не учитывает физическую теплоту топлива, теплоту, затраченную на его прогрев и испарение, а также затраченную на диссипацию молекул продуктов сгорания, ошибка расчета, при этом, обычно не превышает 1%.

Для определения внутренней энергии рабочего тела в произвольный момент времени, рабочее тело рассматривают как смесь воздуха и чистых продуктов сгорания:

(3)

где - удельная внутренняя энергия воздуха;

- удельная внутренняя энергия продуктов сгорания;

- масса воздуха в камере сгорания;

- масса чистых продуктов сгорания в камере сгорания.

Изменение массы воздуха и чистых продуктов сгорания вследствие сгорания топлива и в процессе газообмена в цилиндре может быть определено на основе системы дифференциальных уравнений массового баланса рабочего тела.

(4)

где G0 - теоретически необходимая масса воздуха для полного сгорания 1 кг топлива;

gx - масса сгоревшего топлива;

- массовая доля воздуха перед впускными клапанами;

- массовая доля продуктов сгорания перед впускными клапанами;

- массовая доля воздуха перед выпускными клапаноми;

- массовая доля продуктов сгорания перед выпускным клапаном;

Gin - масса газов, поступающая в камеру сгорания через впускные клапаны;

Gout - масса газов, выходящих из камеры сгорания через выпускные клапаны.

Давление газов в камере сгорания в произвольный момент цикла определяются из уравнения состояния газов:

(5)

Расписывая все элементы, входящие в уравнения (1…5), получаем следующую систему дифференциальных уравнений.

(6)

где - элементарное изменение температуры рабочего тела;

Нu - низшая теплота сгорания топлива;

Д - коэффициент полноты сгорания топлива;

qц - цикловая подача топлива;

- скорость (закон) тепловыделения при сгорании топлива;

- элементарная энергия, подведенная к рабочему телу (или отведенная от него) в процессе теплообмена со стенками цилиндра;

- элементарная энергия, подведенная с воздухом, поступившим в цилиндр через впускные клапаны;

- элементарная энергия, отведенная с газами, вышедшими из цилиндра через выпускные клапаны;

- элементарное изменение массы воздуха в камере сгорания;

- элементарное изменение массы продуктов сгорания в камере сгорания;

- удельная внутренняя энергия воздуха;

- удельная внутренняя энергия продуктов сгорания;

К уравнению 6:

- элементарная работа рабочего тела;

- удельная изохорная теплоемкость рабочего тела;

G - масса рабочего тела в камере сгорания;

- элементарное изменение массы воздуха, поступившего в камеру сгорания через впускные клапаны;

- элементарное изменение массы воздуха, вышедшего из камеры сгорания через выпускные клапаны;

- элементарное изменение массы продуктов сгорания, поступивших в камеру сгорания через впускные клапаны;

- элементарное изменение массы продуктов сгорания, вышедших из камеры сгорания через выпускные клапаны;

R - универсальная газовая постоянная;

- объем камеры сгорания.

Величины , , сн вычисляются на основании табличных данных приведенных к виду полиномов 2-го порядка в зависимости от температуры газов. Скорость сгорания топлива определяется по уравнению И.И. Вибе:

(7)

где tОВ - опережение воспламенения топлива;

tz - условная продолжительность сгорания топлива;

m - показатель, характеризующий развитие процесса сгорания.

Элементарное количество энергии, подведенной к рабочему телу (или отведенной от него) в процессе теплообмена со стенками цилиндра, находится из уравнения теплоотдачи:

(8)

где бТ - коэффициент теплообмена со стенками цилиндра;

F - текущая площадь теплообмена;

Tw - средняя температура стенки цилиндра.

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле Эйхельберга:

 (9)

где kw - коэффициент вихревого движения газов в камере сгорания;

сm - средняя скорость поршня;

a,b,c - коэффициенты уравнения.

Элементарный расход воздуха и газов через проходное сечение клапана находится из уравнения:

(10)

где мf - эффективное проходное сечение клапана;

Р1, Т1 - давление и температура газов перед сечением;

рf - условное давление в минимальном сечении клапана;

k - показатель адиабаты газов перед сечением.

Система уравнений 6…10 решается методами Эйлера (обеспечивает высокую скорость вычислений) или Рунге-Кутта 4-го порядка (обеспечивает высокую точность вычислений).

Организация пользовательского интерфейса

Программа имеет удобный, и интуитивно понятный графический интерфейс представленный на рис. 1. Он базируется на основных элементах общения пользователя с компьютером, наделен такими свойствами как наглядность, эстетичность, простота использования, предупредительность, исключение возникновения неблагоприятных ситуаций. Все элементы интерфейса работают как с использованием клавиатуры, так и с использованием мыши.

Интерфейс состоит из следующих элементов: основное меню, панель инструментов, рабочая область. Все команды панели инструментов продублированы в основном меню и имеют одинаковые обозначения и иконки.

Рабочая область программы имеет две вкладки: исходные данные и результаты переключение между которыми осуществляется с помощью соответствующих кнопок. Вкладка результаты видна только при наличии в текущем проекте результатов расчета, при этом доступны соответствующие кнопки и команды меню результаты.

В левой части рабочей области имеется таблица исходных данных или основных результатов расчета. Группы однотипных параметров выделены одним цветом. При вводе исходных данных осуществляется фильтрация по типу данных. При нажатии правой клавиши мыши по области таблицы появляется контекстное меню. Таблицы поддерживают стандартные команды редактирования Windows, включая отмену или возврат операций редактирования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Графический интерфейс программы MAEngine

В правой части вкладки исходные данные рабочей области программы находятся данные закона подъема впускного и выпускного клапанов представленные в виде таблицы (рис. 2) или графика (рис. 3). Переключение между графиком и таблицей осуществляется с помощью закладок внизу окна.

Рис. 2. Таблица закона подъема впускного и выпускного клапанов

Рис. 3. График закона подъема впускного и выпускного клапанов

Возможна автоматическая генерация профиля кулачка следующих типов: простой - генерируется прямоугольный закон подъема клапанов (клапан полностью открыт или полностью закрыт), трапециевидный- генерируется закон подъема клапанов в виде трапеции (первая треть - открытие клапана по линейному закону, вторая треть - клапан полностью открыт, последняя треть закрытие клапана по линейному закону).

В поле Параметры расчета (рис. 4) осуществляется настройка решателя программы. По умолчанию (поле Метод Эйлера/Рунге-Кутта не отмечено) расчет проводится методом Рунге-Кутта 4-го порядка, если поле отмечено, расчет проводится методом Эйлера. Точность расчета определяется по относительной погрешности определения давления начала сжатия двух последовательных итераций. При достижении заданного значения точности расчет останавливается. Максимальное число итераций ограничивает время расчета, в случае если расчет не сходится.

Рис. 4. Настройка решателя программы

В правой части вкладки результаты рабочей области программы находятся результаты расчета рабочего цикла, а именно, параметры рабочего тела в зависимости от угла ПКВ представленные в виде таблицы или графика (рис. 1). Переключение между графиком и таблицей осуществляется с помощью закладок внизу окна.

В таблице параметров рабочего тела заголовки колонок представлены условными обозначениями, при наведении курсора мыши на колонку появляется подсказка. При нажатии правой клавиши мыши по области таблицы появляется контекстное меню. По умолчанию график результатов расчета имеет вид как на рис. 1. Масштаб осей выбирается автоматически. Можно выбрать другие параметры, соответствующие оси абсцисс и ординат из выпадающих списков.

Для отображения на графике расчетных точек нужно поставить отметку в поле Метки. Для построения графика параметра в полярной системе координатах в зависимости от угла поворота коленчатого вала (рис. 5) нужно поставить отметку в поле Полярный.

Рис. 5. График результатов расчета в полярной системе координат

Графический интерфейс программы позволяет масштабировать и перемещать графики (в том числе графика закона подъема впускного и выпускного клапанов). При нажатии правой клавиши мыши по области графика появляется контекстное меню. Ниже графика находится поле, где отображаются расчетные значения параметров ранее выбранных в качестве начальных приближений. При нажатии кнопки Обновить значения новых начальных приближений вносятся в таблицу исходных данных, что может позволить ускорить процесс последующих вычислений.

Команды для работы с файлами (Открыть…, Сохранить как…) открывают стандартные диалоговые окна Windows. Программа сохраняет проект в виде файла с расширением по умолчанию - .ma.

Программа имеет встроенные средства экспорта таблиц и графиков в различных форматах, в том числе в MS Word и MS Excel (наличие самих программ на компьютере не требуется), а также печати исходных данных и результатов расчета непосредственно из программы MAEngine.

Справочная система

В программе использована справочная система в виде: а) контекстной справки для всех элементов интерфейса, б) контекстной справки для полей таблицы с параметрами расчета, в) справочного файла в формате PDF, включающего описание теоретических основ математической модели программы и руководства пользователя.

Условия передачи программной документации

Дистрибутив программы включает: а) Исполняемый файл программы MAEngine.exe, б) Файл справки MAEngine.pdf, в) Файл с текстом лицензионного соглашения license.txt, г) Файл примера проекта D-180.ma. Программа устанавливается методом копирования файлов входящих в дистрибутив на любой носитель: жесткий диск, дискету и т.д.

MAEngine является бесплатным программным продуктом и распространяется на условиях "как есть". Пользователь может использовать программный продукт без всяких ограничений, в том числе для коммерческих целей, при условии его регистрации. Регистрация осуществляется путем размещения в каталоге программы файла лицензии предоставляемого разработчиком. Без регистрации программа работает в демонстрационном режиме и имеет следующие ограничения: а) Проект нельзя сохранить, б) Проект нельзя экспортировать в формате MS Excel.

Программа распространяться свободно и на любых носителях при соблюдении следующих условий: а) Дистрибутив должен включать только оригинальный архив, предоставленный разработчиком. Пользователь не имеет права изменять, удалять или добавлять файлы в оригинальный дистрибутив, б) пользователь не имеет права брать плату за программу, за исключением разумной суммы за носитель данных, каналы связи и т.п.

энергия топливо цилиндр клапан

Размещено на Allbest.ru