<<
>>

1.1 Методы расчета рабочего процесса поршневого бензинового ДВС

В истории развития теории двигателей внутреннего сгорания как отрасли науки методы расчета прошли ряд стадий, каждая из которых оставила свой след в сегодняшнем понимании рабочего цикла двигателя [58, 59, 63].

Первой ступенью схематизации был идеальный цикл ДВС, в котором рабочий процесс представлялся в виде последовательности классических термодинамических процессов - адиабатических, изохорических, изотермических.

Такая модель позволяла очень просто, по элементарным формулам, оценить предельные параметры цикла в различных вариантах, анализировать достоин-

ства и недостатки различных способов подвода и отвода теплоты, роль таких параметров, как степень сжатия, расширения и т.п. Эти методы, сохранив свое значение в учебных целях, на сегодня могут дать очень мало информации о работе реального двигателя, так как не учитывают такие основополагающие моменты, как переменность состава рабочего тела, теплоотвод и динамику подвода теплоты.

Следующим шагом к уточнению схемы расчетов стала методика, получившая в отечественной литературе название «метод Мазинга - Гриневецкого». В этой методике учтена не идеальность рабочего тела (зависимость теплоемко- стей от состава и температуры), а также наличие подвода и отвода теплоты, развернутое во времени. В отличие от анализа идеальных циклов, здесь можно рассматривать такие вопросы, как влияние коэффициента избытка воздуха (через теплоемкости), распределения подвода теплоты по фазам процесса (через коэффициенты ^ и и теплоотвода. Однако характеристики подвода и отвода теплоты, предусматриваемые этой схемой, мало соответствуют действительным по характеру и, главное, никак не связываются с конструктивными элементами двигателя и его систем. Поэтому данная методика удобна лишь для предварительной оценки предполагаемого уровня экономичности и нагружен- ности создаваемого двигателя - и не более [46, 50, 107].

Ближе всего к реальности подходят модели, основанные на фундаментальных принципах термодинамики - первом законе и уравнении состояния. Строго говоря, эти принципы неприменимы к реальным процессам, имеющим конечное (и достаточно малое) время протекания. Однако оценки и опыт расчетов показывают, что вносимые при этом погрешности много меньше погрешностей экспериментальных измерений, с помощью которых проверяются результаты расчетов. Таким образом, используя уравнения вида

dQ = dU + pdV и pV = MRT (U)

примененные к некоторому объему при исчезающе малом его приращении, мы можем достаточно строго описать любой процесс, происходящий с постоянной массой газа М, если известны условия подвода и отвода теплоты и изменения объема для этой массы.

Применительно к процессам в поршневых двигателях в простейших моделях (именуемых обычно нуль-мерными или моделями нулевого порядка) рассматривается полностью вся масса газов, занимающая рабочий объем цилиндра. При этом параметры газа - давление, температура, плотность, теплоемкость - считаются равномерно распределенными по объему. Нетрудно показать, что применительно к давлению такой подход более или менее оправдан, т.к. волна, распространяющаяся со скоростью звука, выравнивает давление по объему за короткий промежуток времени. Однако температура, как известно из экспериментальных исследований, сохраняет значительное расслоение, и её, строго говоря, нельзя считать равномерно распределенной. Поэтому предлагаются усовершенствованные нуль-мерные модели, где объем рабочего тела, разделен на две зоны - свежего заряда и сгоревших газов, разделенные условным, бесконечно тонким фронтом пламени [2, 3, 11, 18 и др.]. Если в первом случае подвод теплоты относится ко всей массе газа, то в двухзонной модели считают, что подведенная теплота аккумулируется в зоне продуктов сгорания, а свежий заряд испытывает лишь сжатие или расширение от изменяющегося давления. Такая модель в принципе не только хорошо описывает изменение давления в цилиндре, но и дает достаточно точные параметры для расчета состава продуктов сгорания.

Ещё более точными являются одно-, двух- или трехмерные модели, где исходные уравнения относятся к некоторым микрообъемам, определенным образом, размещаемым по рабочему цилиндру. В этих моделях параметры (давления, температуры, концентрации) переменны по всему объему, что дает возможность наиболее полно рассчитывать кинетику химических реакции в каждом элементе [21, 34, 55, 56]. Однако в отношении расчета давлений и температур эти модели не дают принципиальных уточнений. В то же время сложные многозонные модели требуют большого объема памяти и быстродействия вычислительных машин, которые не всегда имеются в распоряжении расчетчика. В этом свете наиболее разумным решением представляется двухзонная модель, сочетающая относительную простоту расчетной схемы с удовлетворительной точностью.

Необходимо отметить, что любая из упомянутых моделей требует задания в той или иной форме характеристик подвода и отвода теплоты либо глобально, как в простейшей нуль-мерной модели, либо применительно к рассматриваемому объему. При этом, точность расчета по любой из моделей - от простейших до самых сложных - определяется в первую очередь именно характеристиками тепловыделения. Они же, в свою очередь, непосредственно связаны в двигателе с процессом сгорания. Ниже рассмотрим основные представления о процессе сгорания и методах его изучения и моделирования.

<< | >>
Источник: Смоленский Виктор Владимирович. Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при добавке водорода в топливно-воздушную смесь: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02. - М.: РГБ, 2007. 2007

Еще по теме 1.1 Методы расчета рабочего процесса поршневого бензинового ДВС:

  1. ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования
  2. 1.1 Методы расчета рабочего процесса поршневого бензинового ДВС
  3. 1.3.2 Распространение пламени в КС двигателя с искровым зажиганием
  4. Список использованной литературы:
  5. Двигатели внутреннего сгорания