Авторы: Волков Николай Андреевич, Зенкин Владимир Александрович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №23 (103) декабрь-1 2015 г.

Дата публикации: 02.12.2015

Статья просмотрена: 64 раза

Библиографическое описание:

Волков Н. А., Зенкин В. А. Моделирование насосных ходов в картере одноцилиндрового поршневого двигателя // Молодой ученый. — 2015. — №23. — С. 121-125.

 

С помощью разработанной термодинамической расчетной модели определяется работа насосных ходов в картере поршневого двигателя и выявляется влияние на нее мертвого объема картера и проходного сечения сапуна.

Ключевые слова: поршневой двигатель, работа насосных ходов, термодинамическая модель.

 

Картер двигателя можно представить как замкнутую полость, объем которой меняется в связи с движением поршня в цилиндре. Для многоцилиндровых двигателей объем картера меняется незначительно, поэтому этим фактором можно пренебречь, однако у одноцилиндровых двигателей, широко применяемых в области малой энергетики и сельском хозяйстве, движение поршня приводит к колебаниям объема картера, изменению давления и, как следствие, возникновению насосных ходов.

Для выравнивания давлений внутри картера с атмосферным при нагреве и остывании двигателя в картере установлено специально устройство, называемое сапуном или суфлером (рис. 1).

L:\ботва 26.02.15\Курсач\исследовательская часть\таблица габаритные размеры Сапуны.JPG

Рис. 1. Эскиз сапуна [1]

 

Для описания указанного процесса картер двигателя можно представить как открытую термодинамическую систему, непрерывно соединенную с атмосферой отверстием с эффективной площадью проходного сечения μF (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная схема

 

Воздух внутри картера может быть описан с помощью первого закона термодинамики для открытой термодинамической системы:

где:

 — внутренняя энергия, Дж;

 — поток энтальпии втекающего газа, Дж;

 — подводимая теплота, Вт;

 — коэффициент теплоотдачи [2], Вт/м2К;

 — давление в картере, Па.

При этом расход газа через проходное сечение сапуна можно определить как:

 — расход газа через сапун, кг/с;

где М число маха.

Данное уравнение дополняется законом сохранения массы

.

В таком случае работа насосных ходов в картере от исходного момента времени до текущего момента t может быть определена как

.

Данная математическая модель была реализована на языке Java [3] с помощью фреймворка MMPS 0.1, разработанного на кафедре Э2 МГТУ им. Н. Э. Баумана и обеспечивающего интегрирование методом Рунге-Кутты 4 порядка и вывод графиков.

В качестве примера был рассмотрен одноцилиндровый дизель 1Ч8,8/7,6 [4]. Штатный объем картера был оценен величиной 6,78 л, а эффективное проходное сечение сапуна — величиной 0,851 см2.

Результаты моделирования приведены ниже на рисунках 3–5.

Как видно из графиков, на своей начальной стадии процесс апериодичен во времени из-за теплообмена стенок картера с газом. При продолжительности расчета свыше 5 секунд процесс приобретает периодический характер.

Рис.3. Изменение давления воздуха в картере от времени

 

Рис. 4. Изменение температуры воздуха в картере от времени

 

График работы насосных ходов после выхода процесса на периодичность представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Абсолютная работа насосных ходов в картере от начала процесса

 

Таким образом, мощность насосных ходов в картере составила 10 Вт, что составляет для данного двигателя 0,13 % от эффективной мощности.

Аналогично была найдена доля мощности при вариации размеров картера и размеров проходного сечения сапуна. Графики зависимости мощности насосных ходов от этих параметров приведены на рис.6 и 7. Из графиков видно, что мощность насосных ходов достигает значения в 1 % от мощности двигателя только в случае уменьшения объема картера в 10 и более раз. При увеличении площади проходного сечения сапуна мощность насосных ходов достигает максимума в 35 Вт, что составляет 0,46 % от мощности двигателя и затем снова падает.

Рис.6. Зависимость мощности насосных ходов от объема картера

 

Рис. 7. Зависимость мощности насосных ходов от площади проходного сечения сапуна

 

Таким образом, в результате проделанной работы было выявлено, что мощность насосных ходов при штатных значениях объема картера и проходного сечения сапуна является пренебрежимо малой в сравнении с мощностью двигателя и составляет 0,13 %. При этом уменьшение объема картера приводит к росту работы насосных ходов и при его достижении 1,45Vh начинает превышать 1 % эффективной мощности и влиять на показатели двигателя. При изменении μF работа насосных ходов достигает максимума при величине μF=0,05Sп и составляет 0,46 % эффективной мощности.

 

Литература:

 

1.                  Фильтр воздушный Сапун 20 [Электронный ресурс]. (http://contragent.kh.ua/index.php/ustrojstva-izmereniya-i-avtomatizatsii/71-filtr-vozdushnyj-sapun-20). Проверено 14.11.2015.

2.                  Иващенко Н. А., Маластовский Н. С. Теплообмен в двигателях // Двигатели внутреннего сгорания. Т. IV-14 / Л. В. Грехов, Н. А. Иващенко, В. А. Марков и др.; Под общ. ред. А. А. Александрова и Н. А. Иващенко.— М.: Машиностроение, 2013.— С. 75–82.— (Машиностроение. Энциклопедия. Ред совет: К. В. Фролов (пред.) и др.)

3.                  Eclipse Java [Электронный ресурс]. (https://eclipse.org/). Проверено 14.11.2015.

4.                  Hatz Diesel [Электронный ресурс]. (http://www.hatz-diesel.com/startseite/). Проверено 14.11.2015.

Основные термины (генерируются автоматически): насосных ходов, объема картера, работа насосных ходов, мощность насосных ходов, мощности насосных ходов, объема картера и проходного, картера и проходного сечения, насосных ходов в картере, Моделирование насосных ходов, возникновению насосных ходов, работы насосных ходов, мертвого объема картера, к колебаниям объема картера, сечения сапуна, уменьшения объема картера, уменьшение объема картера, значениях объема картера, двигателей объем картера, теплообмена стенок картера, поршневого двигателя.

Ключевые слова

поршневой двигатель, работа насосных ходов, термодинамическая модель

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос