Проектирование и моделирование двигателя внутреннего сгорания

    Проектирование и моделирование двигателя внутреннего сгорания

 

 1.   Моделирование как метод научного познания

 

Моделирование в научных  исследованиях стало применяться  еще в глубокой древности и  постепенно захватывало все новые  области научных знаний: техническое  конструирование, строительство и  архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. Большие успехи и признание практически  во всех отраслях современной науки  принес методу моделирования ХХ в. Однако методология моделирования долгое время развивалась независимо отдельными науками. Отсутствовала единая система понятий, единая терминология. Лишь постепенно стала осознаваться роль моделирования как универсального метода научного познания.

 

Термин "модель" широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет  множество смысловых значений. Рассмотрим только такие "модели", которые  являются инструментами получения  знаний.

 

Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал так, что его  непосредственное изучение дает новые  знания об объекте-оригинале. Под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей. Оно тесно  связано с такими категориями, как  абстракция, аналогия, гипотеза и др. Процесс моделирования обязательно  включает и построение абстракций, и умозаключения по аналогии, и  конструирование научных гипотез.

 

Главная особенность моделирования  в том, что это метод опосредованного  познания с помощью объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь  ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает  интересующий его объект. Именно эта  особенность метода моделирования  определяет специфические формы  использования абстракций, аналогий, гипотез, других категорий и методов  познания.

 

Необходимость использования  метода моделирования определяется тем, что многие объекты (или проблемы, относящиеся к этим объектам) непосредственно  исследовать или вовсе невозможно, или же это исследование требует  много времени и средств.

 

Процесс моделирования включает три элемента:

 

1) субъект (исследователь),

 

2) объект исследования,

 

3) модель, опосредствующую  отношения познающего субъекта  и познаваемого объекта.

 

Пусть имеется или необходимо создать некоторый объект А. Мы конструируем (материально или мысленно) или находим в реальном мире другой объект В - модель объекта А. Этап построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обуславливаются тем, что модель отражает какие-либо существенные черты объекта-оригинала. Вопрос о необходимости и достаточной мере сходства оригинала и модели требует конкретного анализа. Очевидно, модель утрачивает свой смысл как в случае тождества с оригиналом (тогда она перестает быть оригиналом), так и в случае чрезмерного во всех существенных отношениях отличия от оригинала.

 

Таким образом, изучение одних  сторон моделируемого объекта осуществляется ценой отказа от отражения других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для  одного объекта может быть построено  несколько "специализированных" моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.

 

На втором этапе процесса моделирования модель выступает  как самостоятельный объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение "модельных" экспериментов, при которых сознательно  изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о ее "поведении". Конечным результатом  этого этапа является множество  знаний о модели.

 

На третьем этапе осуществляется перенос знаний с модели на оригинал формирование множества знаний об объекте. Этот процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о  модели должны быть скорректированы  с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или  были изменены при построении модели. Мы можем с достаточным основанием переносить какой-либо результат с  модели на оригинал, если этот результат  необходимо связан с признаками сходства оригинала и модели. Если же определенный результат модельного исследования связан с отличием модели от оригинала, то этот результат переносить неправомерно.

 

Четвертый этап практическая проверка получаемых с помощью моделей  знаний и их использование для  построения обобщающей теории объекта, его преобразования или управления им.

 

Для понимания сущности моделирования  важно не упускать из виду, что моделирование - не единственный источник знаний об объекте. Процесс моделирования "погружен" в более общий процесс познания. Это обстоятельство учитывается  не только на этапе построения модели, но и на завершающей стадии, когда  происходит объединение и обобщение  результатов исследования, получаемых на основе многообразных средств  познания.

 

Моделирование - циклический  процесс. Это означает, что за первым четырехэтапным циклом может последовать  второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются  и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла  моделирования, обусловленные малым  знанием объекта и ошибками в  построении модели, можно исправить  в последующих циклах. В методологии  моделирования, таким образом, заложены большие возможности саморазвития.

 

 

2. Постановка задачи

 

Первым этапом моделирования  работы ДВС на основе влияния размеров и формы камер сгорания является постановка задачи, т.е. составить план проведения работы, какие необходимо совершить операции для усовершенствования камер сгорания уже существующих двигателей. Для начала необходимо ознакомиться с уже существующими  формами и показателями двигателей и проследить зависимости показателей  двигателей, а так же проследить современные новшества в конструировании  двигателей. С этой целью рассмотрим один из процессов, протекающих в  двигателе, например смесеобразование, т.к. для быстрого, полного и эффективного сгорания топлива необходимо его  испарение и смешение в определенных пропорциях с воздухом. Развитие и  совершенство смесеобразования определяются характеристиками впрыскивания и распыливания, скоростями движения заряда в камере сгорания, свойствами топлива и заряда, формой, размерами и температурами  поверхностей камеры сгорания, взаимным расположением распылителя и  камеры сгорания, а также взаимным направлением движения топливных струй  и заряда. Степень влияния отдельных  факторов зависит от типа камеры сгорания.

 

Затем, имея конкретные данные о существующих формах камер сгорания определить какие показатели работы двигателя можно изменить, путем увеличения или уменьшения объемов камер сгорания. Анализ этих данных (расход топлива, мощность, КПД) позволяет сделать вывод о том, выгодно ли изменять размер камеры сгорания и не будут ли изменяться в худшую сторону показатели, при улучшении одного из них.

 

На следующем этапе  можно сделать вывод о изложенном выше и подвести итог.

 

Итак, поставим перед собой  следующие задачи:

 

1.Рассмотреть существующие  формы камер сгорания.

 

2. Проследить влияние  формы камеры сгорания на примере  смесеобразования.

 

2. Усовершенствование конструкции  камер сгорания ДВС.

 

 

3. Основные характеристики  ДВС

 

 

Каждый двигатель имеет  собственные постоянные величины, которые  в процессе его работы не изменяются. Основными из них являются:

 

Расстояние, проходимое поршнем  от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.

 

Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ  называется камерой сгорания; ее объем  обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа:

 

 

Vа=Vс+Vh.

 

 

Рабочий объем цилиндра (его  измеряют в кубических сантиметрах  или метрах):

 

 

 

где D - диаметр цилиндра.

 

 

Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия:

 

Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего  сгорания, т.к. сильно влияет на его  экономичность и мощность.

 

Все перечисленные характеристики двигателя прорционально зависят от размера и объема камеры сгорания.

 

4. Показатели, характеризующие  работу двигателя

 

 

Под средним индикаторным давлением Pi понимают такое условное постоянное давление, которое действуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл.

 

Согласно определению, среднее  индикаторное давление - отношение  индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема цилиндра Vh, т.е.

 

 

Pi=Li/Vh.

 

Индикаторной мощностью  Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени. Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл Li=Pi·Vh.

 

Так как число рабочих  циклов, совершаемых двигателем в  секунду, равно 2n/T, то индикаторная мощность (кВт) одного цилиндра

 

 

Ni=(2/T) ·Pi·Vh·n·10-3,

 

 

где n - частота вращения коленчатого  вала, 1/с,

 

T - тактность двигателя - число тактов за цикл,

 

Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы.

 

Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь Nm, т.е. Ne=Ni-Nm.

 

Механические потери в  двигателе оцениваются механическим КПД Nm, которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е.

 

 

Nm=Ne/Ni=(Ni-Nm) /Ni=1-Nm/Ni.

 

 

Для современных двигателей механический КПД составляет 0.72 - 0.9.

 

Зная величину механического  КПД можно определить эффективную  мощность

 

 

Ne= Nm·Ni.

 

 

Разность между средним  индикаторным давлением Pi и средним давлением механических потерь Pm называют средним эффективным давлением Pe, т.е.

 

 

Pe=Pi-Pm.

 

 

Эффективная мощность двигателя  Ne=(2/T)·Pe·Vh·n·i·10-3, откуда среднее эффективное давление Pe=103·Ne·T/(2Vh·ni) .

 

Относительное уменьшение индикаторной мощности Рi за счёт мощности механических потерь Рм оценивается механическое КПД, причём:

 

 

.

 

Эффективная топливная экономичность  двигателя оценивается эффективным  КПД ηе или удельным эффективным расходом топлива ge.

 

Эффективным КПД называется отношение количества теплоты Qе, преобразованной в эффективную работу We, ко всей подведённой теплоте Qo, т.е.

 

 

.

 

 

После преобразований полученного  выражения окончательно:

 

 

 

Выразив эффективную мощность, получим связь между всеми  КПД двигателя:

 

 

,

 

 

где ηt, ηо, ηм – соответственно термодинамический, относительный и механический КПД двигателя.

 

 

 

Для оценки эффективности  использования рабочего объёма цилиндра применяют литровую мощность Рл (в кВт/л), представляющую собой отношение эффективной мощности Ре к рабочему объёму Vл (в л.).

 

Это уравнение показывает, что литровая мощность, определяющая степень форсирования двигателя, может  быть увеличения при повышении среднего эффективного давления Ре, частоты  вращения коленчатого вала.

 

5.                Анализ форм камер сгорания

 

 

Цилиндр большого диаметра позволяет осуществить размещение клапанов с небольшими проходимыми  сечениями, что способствует снижению гидравлических потерь и повышению  коэффициента наполнения. Получившее в настоящее время широкое  распространение короткоходные двигатели (двигатели, в которых отношение хода поршня к диаметру цилиндра меньше единицы) имеют сравнительно большой диаметр цилиндра. Это позволяет размещать в головках цилиндров клапаны большого диаметра при их верхнем расположении. Верхнее расположение клапанов и аэродинамическая форма впускных клапанов дают возможность снизить гидравлическое сопротивление, а следовательно, и увеличить коэффициент наполнения. Расположение поршневых колец определяет высоту головки поршня. Чем ближе верхнее кольцо к донышку поршня, тем меньше будет высота его головки, но зато условия работы кольца будут более тяжелые. Чем ближе кольцо к донышку поршня, тем выше его температура, а, следовательно, тем больше будет склонность к загоранию.

 

При конструировании форм камер сгорания обычно стремятся  выбрать такую его схему, которая  обеспечила бы наибольшую компактность камеры сгорания и возможность расположить  свечу вблизи от центра (полусферическая). В то же время, иногда менее компактные камеры при обеспечении большей  турбулизации заряда (плоскоовальная, клиновая и полуклиновая) обладают более высокими антидетонационными свойствами.