CC BY
60
УДК 621.432
РАСЧЕТ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В СРЕДЕ КДАМ
© 2011 Б. Б. Косенок
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
Приведено описание среды КДАМ, созданной на основе метода векторных модульных моделей, сделано обоснование необходимости моделирования индикаторной диаграммы, проведен анализ возможного построения векторной модели, описывающей индикаторную диаграмму, выбраны два варианта построения подобных векторных моделей. Данное исследование обосновывает методику моделирования индикаторной диаграммы на основе метода математического моделирования векторных замкнутых контуров и показывает некоторые преимущества подобного моделирования.
Вектор, контур, модель, модули, индикаторная диаграмма, двигатель внутреннего сгорания.
Для исследования кинематики и динамики рычажных механизмов, в том числе и двигателей внутреннего сгорания (ДВС), на кафедре основ конструирования машин (ОКМ) в течение нескольких лет разрабатывается специализированный инженерный пакет кинематического и динамического анализа механизма (КДАМ). В его основе лежит метод векторных модульных моделей, который за счет своей, успешно используется для эскизного проектирования различных механизмов.
Метод математического моделирования векторных замкнутых контуров достаточно успешно применяется для моделиро -вания механизмов применительно к задачам анализа и синтеза, а в более широком смысле - и к задачам композиции механизмов (синтеза структурной или кинематической схемы механизмов, обеспечивающих требуемую передаточную функцию).
Основу метода составляют векторные замкнутые контуры, состоящие из отдельных векторов, характеризуемые двумя параметрами на плоскости и тремя - в пространстве (рис. 1).
Подобные векторные замкнутые контуры можно привести к виду элементарных векторных замкнутых контуров - модулей -с заранее известными и подробно описанными решениями, что позволяет строить систему векторных контуров достаточно простым методом подбора требуемых модулей, тем более что для плоских моделей таких модулей всего 4, а для пространственных 20 [1].
Рис. 1. Параметры плоского (а) и пространственного (б) векторов
Построенная на основе модулей основная векторная модель позволяет получить решение определенных функций с известными для каждого момента времени аргументами модели и связями между отдельными векторами и контурами. В то же время инвариантность метода позволяет решать как задачи анализа и синтеза механизмов, так и различные сопутствующие задачи.
Помимо основной кинематической мо -дели механизма ДВС (рис. 2), дополненной массовыми характеристиками, для динамического расчета ДВС очень важно рассчитать механическую характеристику ДВС (индикаторную диаграмму) и желательно этот расчет автоматизировать для получения возможности просчета различных вариантов динамики двигателя в кратчайший промежуток времени.
Рис. 2. Структурная схема (а) и векторная модель(б) кривошипно-ползунного основного механизма ДВС и
график кинематических параметров поршня(в)
Поэтому в программном пакете КДАМ был создан блок «Ввод параметров рабочих камер ДВС» для расчета индикаторной диаграммы двухтактного двигателя с расчетом индикаторной диаграммы для двух- и четырёхтактных ДВС на основе векторной
модели самого двигателя. На рис. 3 приведен внешний вид панели интерфейса блока «Ввод параметров рабочих камер ДВС» для расчета индикаторной диаграммы двухтактного двигателя, а на рис. 4 - полученная индикаторная диаграмма.
Параметры рабочих камер ДВС
Создать/Открыть Файл Открыт Файл: .¿уэ Число диаграмм 2 1-я диаграмма
Т ип двигателя:
(* 2-хтактный Г 4-хтактный
Записать в Файл
Рабочий объем, куб. см
12 10
уголдоНМТ Ю угол после НМТ 10 уголдоНМТ 10 угол после НМТ 10
Фаза опережения зажигания, -| о
град
Фаза впрыска, град 30
Степень сжатия: Фаза впуска, град
Фаза выпуска, град
Мощность двигателя, кВт Р= 10 Частота вращения, об/мин п= 6000 Номер силы 1
Номер вектора ■ кривошипа 1
Номер вектора - поршня 3
Диаметр поршня, м 0,08
Коэффициент прироста давления 7
Начальное давление раб.среды, Па 101000
2
( по умолчанию =101000 Па(Н/м ) или 1 атм] Коэффициент адиабаты повыш. 1,4 Коэффициент адиабаты пониж. 1,33
Распечатать Выполнить переброску данных в модель КДАМ-а Закрыть
Внимание!!! Перед выполнением переброски данных, необходимо построить кинематическую модель
Рис. 3. Внешний вид панели интерфейса блока «Ввод параметров рабочих камер ДВС» для расчета индикаторной диаграммы двухтактного двигателя
Рис. 4. Полученная индикаторная диаграмма для двухтактного двигателя
На рис. 5 приведен внешний вид панели интерфейса блока «Ввод параметров рабочих камер ДВС» для расчета индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя, а на рис. 6 - полученная индикаторная диаграмма.
Рис. 5. Внешний вид панели интерфейса блока «Ввод параметров рабочих камер ДВС для расчета индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя
■ [Силы модели]
Файл Окна ввода-вывода Показ работы модели Внешние расчетные модули Конфигурация Окна Справка
О
Создать
В
Открыть
Coxpai
Ввод
fr
Аргументы
Время
Кин. модель
viacc. х-ки
к.
Силы
Моменты
Режимы
©
покадрово
за период
Exil Выход
Число сил |2
<—| Сила №1 —> Направление силы по вектору [з
под углом А= 3,000 град В=|0,000
Вектор приложения силы [3 Т очка приложения силы
Lr= 10,000 м Аг= 10^000 град Вг= 10,000 град
N* положения Значение, Н
27 918,372
28 1087,753
29 1325,918
30 1604,420
31 2147,591
32 2828,833
33 3744,247
34 4834,117
35 5821,254
3G 24513,338
37 23344,943
38 19567,188
39 15350,527
40 11761,265
41 9052,763
42 7106,029
43 5725,550
44 4743,850
Обновить Сохранить Отменить
ЕЕ®
_ 3 X
Вывод
Кинематика
'¿V
ланы пол.
Зав. парам.
I
Сум. парам.
t
Разн. углов
I
Парам.1,2 пр,
Прив.нагр.
Г одографы
Дин, парам. Все данные
&
Печать
Открыта модель:
Рис. 6. Внешний вид программы КДАМ с индикаторной диаграммой для четырехтактного двигателя
Для предварительной оценки характеристик ДВС приняты следующие допущения: механизм состоит из идеальных звеньев с идеальными связями, трение не учиты-
вается, индикаторная диаграмма не зависит от оборотов выходного вала. Давление газов на поршень рассчитывается в любой момент времени с учетом: диаметра поршня, степени
сжатия, коэффициента прироста давления, фаз газораспределения, угла опережения зажигания.
На рис. 7 показан образец графиков
15 000
10 000
динамических характеристик для различных оборотов двигателя, полученных, с использованием блока расчета индикаторной диаграммы.
5 000
£
X
-5 000
-10 000
-15 000
п=60 об/мин ■— п=2000 об/мин *— п=4000 об/мин г«— п=6000 об/мин ж— п=8000 об/мин *— п=10000 об/мин
Угол кривошипа, град
Рис. 7. Совмещенный график уравновешивающего момента за рабочий цикл при различных оборотах двигателя
Блок расчета индикаторной диаграммы позволяет рассчитывать до четырёх индикаторных диаграмм одновременно. Алгоритм расчета включает в себя блок привязки к векторной модели, заложенной в КДАМе, двумя вариантами: 1-й - вполне подходящий для классических схем кривошипно-ползунного механизма ДВС с классической индикаторной диаграммой; 2-й вариант
позволяет рассчитывать индикаторную диаграмму на основании расчета объема рабочей камеры и поэтому пригоден для расчета как различных существующих, так и перспективных двигателей внутреннего сгорания.
Первый вариант формирования индикаторной диаграммы:
1. Производится привязка к
характерным векторам, описывающим движение криво-шипа и поршня основного механизма ДВС;
2. Находится положение кривошипа для ми-нимальной и максимальной длины вектора описывающего ход поршня;
3. Вычисляется ход поршня для характер-ных точек фаз газообмена;
4. Для расчета процессов сжатия и расшире-ния используются классические уравнения расчета политроп.
Второй вариант формирования индикаторной диаграммы:
1. Создается модель основного механизма;
2. Создается модель для «промежуточных аргументов»;
3. Производится привязка к характерным векторам модели с «промежуточными аргументами», описывающим изменение профиля рабочей камеры основного механизма ДВС;
4. Находится значение координат векторов профиля рабочей камеры;
5. Вычисляется площадь и объем рабочей камеры в конкретном положении основного механизма;
6. Для расчета процессов сжатия и расши-рения используются классические уравнения расчета политроп.
Особенностью блока расчета является то, что он не привязывается к определенной схеме ДВС, а используя поведение характерных векторов, моделирующих кривошип, поршень и рабочий объем, анализирует их и позволяет в автоматическом режиме получать нужные параметры для расчета индикаторной диаграммы. Пользователем формируются необходимые для расчета кинематические параметры модели в виде векторной модели в КДАМе и далее самой программой передаются для дальнейшего расчета в блок расчета индикаторной диаграммы, после расчета которого полученная индикаторная диаграмма передается обратно в КДАМ в
виде силовой нагрузки, привязанной к определенному вектору.
Подобное взаимодействие КДАМа и внешнего блока расчета индикаторной диаграммы, позволяет использовать данный алгоритм и для формирования других внешних законов движения, силовых нагрузок и т.д. Отлажен алгоритм формирования на базе КДАМа специализированных программных комплексов, предназначенных для решения конкретных узких задач, как предваряющих расчеты в самом КДАМе, так и использующих возможности векторного моделирования в КДАМе, для получения исходных данных и проведения своих расчетов.
Библиографический список
1. Семенов, Б.П. Методы и средства динамического синтеза механизмов авиационных энергоустановок [Текст] / Б.П. Семенов, Б.Б. Косенок. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2010. - 281 с.
CALCULATION OF INDICATOR DIAGRAM DYNAMIC TEST AT INTERNAL-COMBUSTION ENGINE IN KDAM ENVIRONMENT
© 2011 В. В. Kosenok
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)
The description of the environment KDAM created on the basis of the vector unit models, made substantiation of necessity modeling the indicator diagram, the analysis of the possible construction of the vector model, which describes the indicator diagram, selected two options for constructing such vector models. This study substantiates the method of modeling the indicator diagram based on the method of mathematical modeling of vector closed contours and shows some of the advantages of this model.
Vector, contour model, modules, indicator diagram, the internal-combustion engine.
Информация об авторах
Косенок Борис Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры основ конструирования машин, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail.:
[email protected]. Область научных интересов: методы исследования и композиция механизмов.
Kosenok Boris Borisovich, Candidate of Technical Sciences, the senior lecturer of faculty of the Basis of machines designing, Samara state aerospace university named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: methods of research and composition of mechanisms.
