Дизельный двигатель

Содержание:

Введение…………………………………………………..…….2-3 стр.

Основная часть:

Глава 1. Описание модели

1.1. Описание геометрии………………………………..……..4 стр.

1.2. Расчет работы совершаемой  газом при изменении объема…………………………….……………………...........4-5 стр.

1.3. Расчет количества теплоты полученного горючей смесью от окружающей среды….…………………….......................5 стр.

1.4. Расчет тепла, которое  выделяется при сгорании топлива…………………………………………….................5-6 стр.

1.5. Расчет изменения  внутренней энергии смеси. Связь  температуры горючей смеси и внутренней энергии смеси……......................................................................6 стр.

1.6. Расчет КПД двигателя……………………………………..6 стр.

Глава 2. Некоторые проведенные  исследования

График 1. Зависимость от порции подаваемого топлива…………………………………………………………..6-7 стр.

График 2. Зависимость от температуры подаваемого топлива……………………………………………………………..7 стр.

График 3. Зависимость от коэффициента сжатия……….7-8 стр.

Заключение……………..…………..…………………………….9 стр.

Список литературы…………………..…….…………………..10 стр.

Приложение………………………………………………….11-13 стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью нашей  дипломной работы является построение математической модели дизельного двигателя, позволяющей на качественном уровне понять, какие характеристики процесса сгорания наиболее сильно влияют на КПД двигателя.

Большинство людей в современности пользуются автомобилями, основная масса которых ездят на двигателях внутреннего сгорания. Это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Двигатели внутреннего сгорания, используемые в автомобилях, бывают двух видов: бензиновые и дизельные.

Имеется ряд  моментов, определяющих различия между  ними, но главным является то, что  в дизельном двигателе воспламенение  происходит за счет сжатия горючей  смеси, в противоположность искровому зажиганию бензинового двигателя. В дизельном двигателе нет никаких свечей зажигания, проводов или катушки зажигания. Для зажигания воздушно-топливной смеси в цилиндрах используется теплота, выделяемая в результате сжатия. Дизельный двигатель имеет намного более высокую степень сжатия, чем бензиновый двигатель. Дизельный двигатель сжимает воздух в цилиндре более плотно, что создает более высокую температуру, необходимую для зажигания воздушно-топливной смеси. Итак, дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения распыленного топлива от соприкосновения со сжатым разогретым воздухом. 

В моем дипломе  я рассматриваю физические характеристики именно дизельного двигателя, так как  он гораздо перспективней, чем бензиновый. Он безопаснее, из-за нелетучести дизельного топлива, экономичнее, из-за высокой степени сжатия (в бензиновом двигателе степень сжатия от 8:1 до 12:1, в дизельном же 14:1 до 25:1), мощнее, из-за высокого крутящего момента. Но основное преимуществом, которое является основополагающим в моем дипломе, это КПД. Бензинового двигатель способен преобразовывать всего лишь около 20-30% энергии топлива в полезную работу, а дизельный имеет коэффициент полезного действия 30-40%. Это происходит за счет более высокой температуры сгорания у дизельного топлива (температура кипения солярки 700-800^оC, бензина 200-300^оC).

Для достижения цели данной работы необходимо создать  математическую модель, способную описать  работу дизельного двигателя и рассчитать его КПД. После этого меняя различные параметры расчета можно посмотреть, какие из них сильнее влияют на увеличение КПД. Математическая модель была создана  при помощи, встроенного в Exсel, Visual Basic.

Наша работа состояла из четырех этапов:

На первом этапе была проработана литература посвященная работе дизельных двигателей. На основе прочитанной литературы мы выяснили, как работает дизельный двигатель, главные его характеристики, некоторые его особенности.

На втором этапе были созданы электронные модели, отображающие важнейшие процессы, проходящие в дизельном двигателе: 1. Передача тепла от горячего тела к холодному. 2. адиабатическое сжатие и расширение газа  3. Сгорание топлива 4. Превращение вращательного движения в возвратно-поступательное.

На третьем этапе была построена общая модель.

На последнем  этапе были рассчитаны КПД двигателя  в случае различных значений первоначальной температуры горючей смеси, коэффициента сжатия и массы впрыскиваемой  в двигатель горючей смеси.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Описание модели

Модель насчитывает  второй и третий такт одного цикла  в установившемся рабочем режиме дизельного двигателя. Как уже говорилось, дизельный двигатель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения распыленного дизельного топлива от соприкосновения со сжатым разогретым воздухом. Во втором такте поршень сжимает горючую смесь, тем самым, он увеличивает её температуру. Когда она доходит до температуры воспламенения, начинается третий такт, процесс сгорания смеси. Продукты горение толкают поршень, совершая полезную работу. С помощью данной модели можно рассчитать КПД и посмотреть, что конкретно влияет на его изменение, что может его увеличить, а что уменьшить. Рассмотрим в пункте 1.1. из чего состоит наша модель.

1.1. Описание  геометрии

Имеется маховик, который вращается с частотой 3000об/мин. Радиус диска R= 0,1м, который прикреплен шатуном к поршню. Длина шатуна 0,5м, таким образом, свободный ход поршня равен 0,2м, а его площадь равна 0,005м³. Поршень находится в цилиндре, минимальный объем которого 0,05л и максимальный 1,5л. 

Геометрическая  модель

Порция горючей  смеси за один цикл равна 0,0000756кг, и  считаем, что вся горючая смесь  имеет одинаковую температуру по всему объему. Для нашей модели дизельного двигателя температура двигателя постоянна и равна 120^оС.

1.2. Расчет  работы совершаемой газом при  изменении объема

Все расчеты  моделирующее программы   выполняются  в цикле. Так как двигатель  делает 3000 об/мин, а это получается 50об/с, следовательно, один оборот происходит за 0,02с. В нашей программе временной шаг расчета равнялся одной тысячной этого промежутка, т.е. шаг по времени в программе равен Δt=0,00002с. За это время давление под поршнем и температура не успевает измениться. И мы можем считать их в течение этого времени постоянными. В этом случае работа, совершенная над горючей смесью, за один цикл расчета:

Давление  рассчитывается по формуле Менделеева-Клапейрона:

А объем, в  свою очередь, зависит от изменения  положения поршня. Маховик, меняя  свой угол перемещения, двигает поршень, тем самым заставляя его сжимать  смесь. Когда маховик делает полный оборот, действие повторяется. И для  того чтобы узнать ∆V, мы сначала рассчитываем тот угол на который перемещается маховик, а потом смотрим на сколько изменилось положение поршня.

1.3. Расчет  количества теплоты полученного  горючей смесью от окружающей  среды.

Рассчитаем  количество теплоты. ΔQ полученного горючей смесью за 1 цикл (за время Δt).

Скорость  передачи это количество теплоты  переданного за единицу времени (ΔQ/Δt):

Коэффициент теплопередачи (k) – это параметр, зависящий от геометрической формы и материала двигателя. В нашей модели он подбирается, исходя из общих соображений.

1.4. Расчет  тепла, которое выделяется при сгорании топлива

Горючая смесь  равномерная, потому мы считаем, что  по всему объему будет одинаковая температура. Если она нагрелась  до температуры выше критической (t сгорания = 500^оС), то происходит сгорание горючего.

Считаем, что  после сгорания смесь превращается в выхлопные газы,  с тем  же самым ν и i (степенью свободы). Таким образом, масса газа под поршнем не меняется.

Скорость  сгорания (Vt) – это величина, которая показывает на сколько изменяется за секунду массовая доля (отношение массы сгоревшего к общей массе) сгоревшего вещества. Считаем, что Vt линейно зависит от температуры горючей смеси:

Такая зависимость  так взята и для простоты расчета.

Расчет массы  сгоревших газов за время ∆t. Скорость сгорания (Vt) умножаем на ∆t = доля сгоревшего вещества:

Непосредственно расчет количества теплоты выделившейся за время ∆t:

Где q - это удельная теплота сгорания.

1.5. Расчет  изменения внутренней энергии  смеси. Связь температуры горючей  смеси и внутренней энергии смеси

По первому  закону термодинамики внутренняя энергия  топлива меняется за счет Q полученного от других дел + Q выделившееся при сгорании – A. Изменение внутренней энергии рассчитывается за ∆t, из этой ∆U находится новая и т.д. 

Внутренняя  энергия связана с температурой смеси:

1.6. Расчет  КПД двигателя

Как уже было сказано, наша программа работает циклически, рассчитываются изменения различных параметров системы за время Δt. В каждом цикле считается работа за время Δt, потом она суммируется за все время. Затем рассчитываем теплоту равному полному сгоранию топлива. КПД двигателя равен отношению работы к количеству теплоты на 100%:

 

Глава 2. Влияние  на КПД дизельного двигателя начальной  температуры горючей смеси, коэффициента сжатия горючей смеси и массы подаваемого топлива

График 1. Зависимость  КПД двигателя от массы подаваемой горючей смеси

На графике 1 показана зависимость  КПД двигателя от массы подаваемой горючей смеси. Как видно на графике, сначала, с увеличением порции топлива, КПД дизельного двигателя возрастает, но когда увеличиваем массу горючего до 0,000085кг, то значение КПД начинает скакать вокруг постоянного значения. Из этого следует, что нет оптимальной порции горючего, которую бы следовало подавать в цилиндр дизельного двигателя. Необходимо подавать его больше определенной величины.

График 2. Зависимость  КПД от температуры подаваемого  топлива

На графике 2 показана зависимость  КПД двигателя  от начальной температуры подаваемой горючей смеси. Из графика видно, что КПД сначала возрастает с увеличение температуры, пока она не достигает 220^оС. При дальнейшем повышении температуры функция начинает убывать. Можно сделать вывод, небольшой предварительный подогрев горючей смеси может привести к существенному увеличению КПД двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График 3. Зависимость  от КПД от коэффициента сжатия топлива.

 

Увеличенный масштаб  графика 3

Из графика 3 видно, что с увеличением коэффициента сжатия КПД дизельного двигателя  возрастает. Следовательно, для достижения максимального КПД нужно как можно сильней увеличить коэффициент сжатия, основные ограничения в этом случае накладывает механическая прочность самого мотора, который может не выдержать очень большого давления. Увеличенная же часть графика доказывает, что повысить КПД с помощью изменения коэффициента сжатия реально, так как с помощью современных технологий можно достичь роста коэффициента хотя бы в 1,5-2 раза.

 

 

Заключение

Итоги работы:

1. Была создана  математическая модель, способная  описать работу дизельного двигателя  и рассчитать КПД. На основании этой модели была написана программа на языке Visual Basic for Applications.

2. Выяснено:

а. При уменьшении количества подаваемой горючей смеси меньше определенной величины, КПД двигателя начинает существенно убывать.

б. Максимальный КПД двигателя достигается при предварительном разогреве горючей смеси на 150-200^оС.

в. Чем выше степень сжатия горючей смеси, тем выше КПД двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1) Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов, Ю.А. Степанов, В.И. Трусов, М.С. Ховах. Учебник для вузов. М., «Машиностроение», 1967, 496 с.;

2) http://www.vrnnova.ru/diesel-engine-works.html;

3) http://e-sud.narod.ru/ustroistvo_forsunki.htm;

4) http://vsedvigateli.narod.ru/1/tep_dvig/dvig_vnyt_sg/dizel/dizel.htm;

5) http://www.mskjapan.ru/articles/systema_vpriskivania_topliva_diselinogo_dvigatela;

6) http://analogi.ru/varbad;

7) http://top-diesel.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=13&Itemid=36.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение:

Масса	КПД
0,00003	0
0,000035	30,43271
0,00004	37,05437
0,000045	39,26677
0,00005	40,43688
0,000055	42,53635
0,00006	43,9455
0,000065	43,66125
0,00007	44,137
0,0000756	46,17686
0,00008	46,80801
0,000085	45,30324
0,00009	47,52924
0,000095	47,37959
0,0001	46,96794
0,00011	47,66853
0,000115	48,87241
0,00012	47,80423
0,000125	48,77063
0,00013	47,50239
0,000135	48,28818
0,00014	49,01612
0,000145	49,69226
0,00015	48,1314
0,000155	48,69282