ВВЕДЕНИЕ 5
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 6
1.1 Обзор методов математического моделирования и расчетов физических процессов 6
1.1.1 Метод конечных элементов 6
1.1.2 Динамическое моделирование 9
1.1.3 Расчет линейными уравнениями 11
1.1.4 Обоснование выбора метода математического моделирования и расчетов физических
процессов 13
1.2 Основные понятия и определения законов термодинамики 13
1.2.1 Состояние системы 14
1.2.2 Работа, тепло, энергия: 1 закон термодинамики 15
1.2.3 Работа и состояние системы 16
1.2.4 Дифференциальные уравнения в термодинамике 18
1.2.5 Энтальпия 20
1.2.6 Энтропия 20
1.2.7 Показатель адиабаты 21
1.2.8 Термодинамические циклы в ДВС 21
1.2.9 Общая характеристика топлив 23
1.2.10 Чистые вещества и смеси 24
1.3 Основные понятия и определения устройства ДВС 24
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВС ... 27
2.1 Подход к построению упрощенной математической модели 27
2.2 Теплопередача в ДВС 30
2.2.1 Тепловые процессы в замкнутой системе 30
2.2.2 Тепловые процессы в открытой системе 33
2.3 Равновесная модель сгорания 35
2.4 Адиабатическая температура горения 39
2.5 Четырехтактная математическая модель цикла Отто 40
3 РАЗРАБОТКА ПРИЛОЖЕНИЯ 42
3.1 Выбор инструментария 42
3.1.1 Язык программирования 42
3.1.2 Библиотеки 43
3.1.3 Среда разработки 45
3.2 Расчет топливной смеси, ее основные характеристики 46
3.3 Расчет остаточных компонентов в смеси 47
3.4 Вычисление мольных долей и термодинамических свойств для равновесного сгорания топливно-воздушной смеси 48
3.5 Расчет адиабатической температуры 52
3.6 Разработанное приложение 53
3.6.1 Тепловые процессы в замкнутой системе 53
3.6.2 Тепловые процессы в открытой системе 57
3.6.3 Температура адиабатического горения 60
3.6.4 Расчет параметров состояния в двигателе искрового зажигания 61
4 ТЕСТИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО ПРИЛОЖЕНИЯ 64
4.1 Сравнение результатов разработанного приложения c аналитическим табличным решением 64
4.2 Анализ результатов 68
4.3 Сравнение результатов разработанного приложения с программным инструментарием Cantera. 68
4.4 Сравнение разработанной упрощенной математической модели тепловых процессов в ДВС с
одномерной моделью 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ
В виду разнообразия областей применения двигателей внутреннего сгорания и соответственно многочисленности конструкций и типов двигателей, различающихся как по условиям работы, так и по видам применяемого топлива, не представляется возможным дать единые нормы моделирования и испытаний для всех двигателей внутреннего сгорания. Так как во время эксплуатации такого двигателя выделяются значимое количество теплоты, то важность понимания и учета теплопередачи и термодинамических процессов велика. Из этого следует, что для стабильной работы транспортного средства необходим расчет влияния энергии тепла, характеристик топлива на рабочий цикл двигателя в нормальных условиях. Однако, на ранних стадиях технологического процесса проектирования ДВС, его термодинамики, теплопередачи в детальном инженерном дизайне на такой стадии, например, на стадии НИОКР затруднителено, так как он должен включать в себя 3D- проектирование, 3D-моделирование, где преобладает значимое количество параметров, которые должны быть использованы для исследования настолько велико, что в разумные сроки уложиться с таким детальным анализом практически невозможно. Поэтому существует необходимость в создании приложения для решения основных задач термодинамики, которые относительно быстро выдают решения с приблизительной точностью.
Цель работы: создать приложение по моделированию тепловых
процессов в двигателях внутреннего сгорания
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• выполнить теоретические исследования на тему моделирования тепловых процессов в ДВС;
• изучить подходы моделирования тепловых процессов;
• создать упрощенную математическую тепловую модель процессов в ДВС и ее методы расчета на основе одномерной модели процессов в двигателе;
• реализовать построенную модель в виде приложения;
• провести тестирование разработанного приложения.
В ходе работы была успешно разработана упрощенная математическая модель тепловых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Упрощенную математическую модель тепловых процессов открытой системы сравнили с одномерной моделью, где в эксперименте были использованы реальные параметры двигателя внутреннего сгорания. Результат показал, что созданная упрощенная модель не уступает по качеству и точности одномерной термодинамической модели для первоначального этапа проектирования тепловых процессов в ДВС.
Также был успешно разработан алгоритм вычисления мольных долей и термодинамических свойств для равновесного сгорания топливно-воздушной смеси, где используются комбинированные численные методики решения нежестких систем дифференциальных уравнений: метод Ньютона-Рафсона, метод исключения линейных переменных по методу Гаусса, что улучшает точность вычислений. Также для него были созданы воспомогательные функции для расчета топливных смесей, которые упрощают работу в данной области.
Разработанный алгоритм сравнили с работой онлайн-сервиса на базе инструментария химической кинетики, термодинамики и транспортных процессов Cantera. Расчет адибатической температуры горения в цилиндре двигателя показал адекватность и точность разработанного алгоритма равновесного сгорания. Также сравнение решения с аналитическим табличным и интегральным методом показал, что результаты действительно точны в вычислениях.
