Моделирование рабочего процесса в двигателе с вращающимся цилиндром-клапаном Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.437

М.Ю. Елагин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-05-01, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

М.Н. Яковлев, асп, (4872) 35-05-01, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ДВИГАТЕЛЕ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ-КЛАПАНОМ

Приведены математическая модель и ряд результатов расчётов перспективного двигателя внутреннего сгорания с вращающимся цилиндром-клапаном.

Ключевые слова: рабочий процесс, двигатель внутреннего сгорания, вращающийся цилиндр-клапан.

В рассматриваемом двигателе, в принципе, все происходит так же, как в обычном четырехтактном ДВС, но вместо тарельчатых клапанов применен Rotating Cylinder Valve, что в переводе означает «вращающийся цилиндр - клапан» - отверстие с уплотнителем в боковой поверхности цилиндра. Цилиндр вращается со скоростью, в два раза меньшей скорости вращения коленчатого вала. При этом отверстие в нужные по четырехтактному циклу работы моменты совмещается с двумя "портами": через первый подается топливовоздушная смесь, через второй удаляются продукты сгорания (рис. 1) [1].

Подобная схема дает возможность обходиться без сложного клапанного механизма, уменьшить потери на трение при работе клапанов, а также количество деталей, что удешевляет производство и позволяет использовать высокие обороты. Более широкие отверстия клапана и «портов» ускоряют газообмен. В результате двигатель становится более надёжным.

Турбулентность, возникающая при вращении цилиндра, улучшает распределение топливной смеси и делает процесс сгорания более интенсивным. В результате сокращаются потребление горючего и количество вредных выбросов, а удельная мощность возрастает до уровня 100 л.с./л, что характерно в основном для форсированных моторов. Проблема в том, что реализовать эту схему удалось пока лишь на двигателях объемом до 250 см3, предназначенных для мотороллеров и мотоциклов [1].

Решение проблемы возможно с помощью математического моделирования рабочих процессов, протекающих в двигателе.

При построении математической модели использовалась физическая теория, в рамках которой при описании процессов, протекающих в ДВС, реализован системный подход. Подобный подход в полной мере реализует тепломеханика - одна из наиболее удачных версий технической термодинамики [2], ориентированная на изучение процессов преобразова-

ния энергии, происходящих в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Её особенностью является учёт массового (материального) взаимодействия, помимо двух традиционных для классической термодинамики взаимодействий теплового и механического характера.

Рис. 1. Принцип действия двигателя с вращающимся цилиндром-клапаном

Предложенный способ положительно зарекомендовал себя при моделировании аналогичных объектов [3].

Исходная система уравнений математической модели ДВС, разработанной в рамках тепломеханики, основывается на законах:

- сохранения энергии

- сохранения массы

іП

ІТ

іт

і

к, ьог

■Ё ь +^- + -г

іт іт

к

Ё °к •

Р-

(М_

іт

Расчётная система будет состоять из трёх подсистем уравнений:

- термодинамической подсистемы для расчета изменения состояния рабочего тела в цилиндре двигателя;

- подсистемы для расчета теплообмена между рабочим телом и элементами конструкции;

- механической подсистемы для расчета перемещения поршня. Термодинамическая подсистема включает:

- уравнение скорости изменения температуры рабочего тела

1

іт су(Т )рЖ

Ё (ЬІ - и-Р— +

І=0

іт іт

+

іт

(1)

- уравнение скорости изменения плотности рабочего тела

ір

іт

к

Ё О

у І=0

р

і_Ж_

іт

(2)

- уравнение состояния

р = PRТ, (3)

где 0]- - расходы рабочего тела при газообмене; су(Т) - удельная изохорная теплоемкость; Я - газовая постоянная; И, и - соответственно удельные энтальпия и внутренняя энергия рабочего тела; т - время.

Тепловой поток, выделяющийся при сгорании топлива в двигателе SQx/dт, определяется по эмпирической моделе И.И. Вибе.

г Ох

-7х = Йс-5-¥-ар-т ,

ат ат

т

іх 6,908( т +1 )ф

— = ю------!----------е

Фт+1

- 6,908

ґ \т+1

уФ2 J

где йс - цикловая масса топлива; Qр - низшая теплота сгорания топлива;

т - показатель сгорания; ф2 - условная длительность сгорания; £, - коэффициент использования теплоты в двигателе (учитывает потери теплоты на диссоциацию и принимается равным 0,8...0,9); у - коэффициент полноты сгорания топлива, у = 1 - 57780000 (1 _а) • а - коэффициент избытка

ар

воздуха.

Подсистема уравнений теплообмена включает: - уравнения тепловых потоков

SQъ

іт

= а ь (Т - Тс %

5(2ь

іт

= а ь (тс - Т0 )%И >

(4)

(5)

- уравнение скорости изменения температуры стенки двигателя

іТс

іт

ст

50ь - 50ъ_

іт іт

(6)

где с, т - удельная теплоемкость и масса стенки двигателя; Бъ, Би - площади теплоотдающих поверхностей.

1

Для расчета коэффициента теплоотдачи ав между рабочим телом и стенками двигателя используется формула Эйхельберга.

где р, Т - текущие давление и температура в цилиндре двигателя; ст - средняя скорость поршня.

Механическая подсистема

В составе энергетической установки двигатель и непосредственно связанный с ним потребитель мощности - трансмиссия (нагрузка) - образуют механическую вращательную жесткую систему с одной степенью свободы, а следовательно, с одной обобщенной координатой - углом поворота вала ф [4].

Таким образом, механическая подсистема будет включать:

- упрощенное уравнение динамического равновесия вращающихся масс системы двигатель - нагрузка

- кинематическое соотношение

аФ= ш . (8)

ат

Уравнения механической подсистемы дополняются уравнениями: пути х и скорости поршня V, объёма полости цилиндра Ж и скорости его изменения аЖШт, момента инерции движущихся масс JС, движущего момента Мс, площади теплоотдачи Бъ.

Система уравнений 1-8является замкнутой системой, на основе которой были созданы алгоритм и программа, позволившие рассчитать рабочий процесс ЯСУ-двигателя. При этом, так как в систему уравнений вошли все основные конструктивные и эксплуатационные параметры, то разработанные математическое описание, алгоритм и программа будут полезны при проведении модернизации существующих двигателей и их проектировании.

В целях проверки адекватности математического описания были проведены расчёты работы ЯСУ-двигателя объёмом 125 см в зависимости от частоты вращения вала, которые сравнивались с экспериментальными результатами, приведёнными в [1] (рис. 2). Расхождение результатов составило не более 5 %, что позволило достаточно оптимистично оценить полученные результаты.

(7)

об/мин

Рис. 2. Сравнение экспериментальной и расчётной кривых мощности четырёхтактного ЯСУ-двигателя объёмом 125 см3:

-♦— экспериментальные данные; -■—расчётные данные

На рис. 3, 4 представлены результаты расчёта давления и температуры рабочего тела в цилиндре двигателя при «=6000 об/мин.

Время, с

Рис. 3. Изменение давления в цилиндре двигателя

Время, с

Рис. 4. Изменение температуры в цилиндре

Результаты расчётов, представленные на рис. 2 - 4, характеризуют возможности математической модели и алгоритма. Из анализа полученных результатов также следует, что данный тип двигателя имеет сравнительно высокий механический КПД и высокий коэффициент наполнения, что можно объяснить отсутствием в двигателе традиционного механизма газораспределения и клапанов.

Список литературы

1. URL.:http://www.vostokcooter.ru/index.php

2. Мамонтов М.А. Основы термодинамики тела переменной массы. Тула: Приок. кн. изд-во, 1970. 87с.

3. Елагин М.Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов в открытых термодинамических системах. Тула: ТулГУ, 1999. 112 с.

4 Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / А.С. Орлин [и др.]. М.: Машиностроение, 1983. 372 с.

M. Elagin, M. Yakovlev

Modeling of the process engine with rotating cylinders-valve

A mathematical model and some results of calculations forward-combustion engine with rotating cylinder-valve are described.

Keywords: workflow, internal combustion engine, rotating schiysya cylinder-valve.

Получено 12.01.10.