Techická uiverzita v Liberci Fakulta strojí Katedra strojů průmyslové dopravy Výzkumé cetrum Josefa Božka Výpočtový program TLAK macro-.xls - popis programu Prof. Ig. Staislav BEROUN, CSc Ig. Josef Blažek Ig. Tomáš Hájek Ig. uhdi Salhab, Ph.D. Č. úkolu: LNB73 Č. zprávy: SM 395/ Liberec, Počet stra zprávy: 5
SOUHRN Techická zpráva podává popis výpočtového programu TLAK-macro-.xls, který je urče pro základí termodyamický výpočet pracovího oběhu dobých pístových spalovacích motorů PSM. Kalkulace jedotlivých změ, procesů a celého výpočtového oběhu je provedea s ižeýrským zjedodušeím tak, aby výsledek řešeí s postačující přesostí podával údaje o provozích a termodyamických parametrech pracovího oběhu PSM ve vyšetřovaém režimu motoru. Výpočtový program ukazuje v tabulkové podobě základí výsledek a v grafické formě průběhy ejvýzamějších veliči a dějů pracovího oběhu. Výpočet pracovího oběhu zatím eřeší průběhy stavových veliči pracovích látek v plícím a výfukovém potrubí motoru: vychází se ze zadaých údajů o středích hodotách tlaku a teploty v plicím potrubí a středím tlaku ve výfukovém potrubí. Řešeí těchto "okrajových" poměrů je zatím ve stadiu rozpracovaosti a do výpočtového programu bude doplěo v další etapě. Výpočet rověž určuje silové poměry a klikovém mechaizmu PSM a "idikovaý" průběh točivého mometu. Výpočtový program provádí i velmi zjedodušeou kalkulaci středích teplot povrchu vložky válce v její podstaté délce a středí teplotu povrchu hlavy válce: výpočet poskytuje pouze orietačí výsledek, další řešeí úlohy je ve stadiu rozpracovaosti. Program je připravová i a výpočet pracovího oběhu s částečou recirkulací výfukových plyů: v tomto směru již byly provedey ěkteré přípravé práce, dokočeí úlohy bude v další etapě. Techická zpráva obsahuje popis programu s ukázkami výsledku řešeí. Vlastí výpočtový program je ulože v archivu a řešitelském pracovišti a je zájemcům k dispozici a vyžádáí.
ÚVOD základí popis výpočtového programu Výpočet celého pracovího oběhu motoru je provede s krokem výpočtu α= KH. V každém výpočtovém kroku je provedea kalkulace ěkolika postupých změ, přičemž lze variatě pracovat s látkovými vlastostmi pracoví áplě podle použitého paliva a bohatosti spalovaé směsi. Výpočtový model je založe a ásledujících předpokladech a postupech, které ukazuje schéma základího algoritmu výpočtu a obr.: T, P, V Izochorická změa W T, P, V α Adiabatická změa W IND/ Obr. - Stavové veličiy áplě válce a začátku výpočtového kroku jsou zámé z předcházejícího výpočtového kroku. - Staoveí látkových vlastostí pro teplotu T pomocí vložeého podprogramu - Objemová změa ve výpočtovém kroku je řešea jako kombiace adiabatické a izochorické změy: - adiabatická změa objemu z počátečího objemu a kocový objem v daém výpočtovém kroku s kostatí hmotostí áplí s určeím ových stavových veliči a koci této změy, - izochorická změa, zahrující přestup tepla výměu tepla mezi áplí válce a stěami - kalkulace podle Eichelberga ebo Woschiho a přívod tepla hořeím kalkulace podle Wiebeho charakteristické rovice s přechodem áplě válce ze stavu směsi do spali a započítáím těchto kvalitativí změy do látkových vlastostí áplě válce. Objemová změa v kroku α= KH ze stavových veliči v bodě a určeí stavových veliči v bodě je kalkulováa podle eergetické bilace v daém kroku: vitří eergie áplě válce v bodě teplo v kroku α práce pístu v kroku α = vitří eergie v bodě M v c v / T T W W IND / = M v cv / T T
3 Přivedeé teplo v daém kroku: W W W W = Teplo uvolěé hořeím paliva v daém kroku rovice obecě popisuje dvoufázový přívod tepla: =,788,798 J I H S J K H S I H S J R K H S I K R H Q W Teplo odvedeé v daém kroku stěami podle Eichelberga: si cos,575 3 Y T T P V D L D N N W = π Teplo odvedeé v daém kroku stěami podle Woschiho: N T P D L D T D N K p W SPPR = si cos. 3,38,8 79,55,,78 π π Práce pístu v daém kroku: = / IND V V V p W χ χ Hmotostí změa áplě válce pro fázi výměy obsahu válce průtok vetilovými průřezy podle modelového zdvihového profilu a tlakového spádu a vetilech, kalkulovaý pro časový iterval výpočtového kroku. Výpočtový program počítá dva a sebe avazující cykly: -. cyklus je zjedodušeý, vychází z odhadutých údajů o stavu áplě v dolí úvrati a v průběhu expaze podle zadaých údajů o časováí motoru přechází do výpočtu výměy obsahu válce: látkové vlastosti se v tomto cyklu kalkulují podle Schülleho vztahu pro dvouatomové plyy. -. cyklus začíá výpočtem plěí válce a zpřesňují se údaje o stavu pracoví áplě válce pro výpočet ového cyklu s látkovými vlastostmi podle reálých složek áplě: výsledek výpočtu tohoto pracovího oběhu lze v případě většího rozdílu v hodotách stavu áplě v dolí úvrati a koci plěí válce zovu vložit do zadávaých hodot a celý výpočet obou pracovích cyklů opakovat. Celkový pohled a výsledek výpočtu průběhu tlaku a teplot áplě ve válci motoru ukazuje obr.: v grafu jsou rověž vyzačey oblasti průtoků spali výfukovým a čerstvé áplě sacím vetilem při výměě obsahu válce.
Tlak a teplota ve válci motoru 8 8 3 3 8 5 7 78 8 9 9 8 3 p [MPa], M [g] 38 vyfuk sai P T 8 8 T [K] α [ ] 3 Obr. Bod : ačátek výpočtu v dolí úvrati základí poloha - poloha klikového hřídele 8. Pro výpočet je uto vložit všechy údaje do zadávací tabulky - hodoty zadávaých veliči vychází jak z geometrických, tak provozích veliči motoru a musí respektovat obvyklé hodoty dalších parametrů, odhadovaých příp. přibližě vypočteých podle motorářských zkušeostí a zvyklostí. Poz.: údaj většeí teplosměé plochy spalovacím prostorem [m ] v tabulce "adáí" představuje přírůstek teplosměé plochy spalovacího prostoru proti rovié ploše a čele pístu a hlavě válce. Bod : ačátek výpočtu přívodu tepla ápli válce - kalkulace podle údajů vložeých do zadávací tabulky pomocí Wiebeho rovice pro průběh vyhoříváí směsi. Bod 3: ačátek výměy obsahu válce: vyzačeý průtok výfukovým vetilem ukazuje fázi volého výfuku výtok kritickou rychlostí - vyšší pozice úsečky a uceého výfuku ižší pozice úsečky. Bod : Koec plěí válce, určeý zavřeím sacího plícího vetilu: ásledující výpočet pracovího oběhu je vede se zpřesěou kalkulací látkových vlastostí áplě válce podle podle použitého paliva, bohatosti spalovaé směsi a možství zbytkových spali určeého výpočtem z předchozího cyklu.
Možosti výpočtu z hlediska kalkulace přestupu tepla, použitého paliva a způsobu tvořeí směsi Volba kalkulace přestupu tepla se provede přeputím pomocí makra. Výběrem použitého paliva se současě aktivuje podprogram pro výpočet látkových vlastostí směsi a spali ve. pracovím oběhu: variata ozačeá Schülle představuje popis látkových vlastostí áplě válce pomocí Schülleho vztahu pro dvouatomové plyy bez rozlišeí pro směs a spaliy, pouze promělivost měrých tepelých kapacit a teplotě. Při volbě způsobu tvořeí směsi je doplňkem k vitřímu i vějšímu tvořeí směsi i variata přívodu paliva plyu do zapalovací komůrky u zážehových motorů s epřímým zážehem. přestup tepla Woschi Eichelberg palivo plyé kapalé Vodík Meta Propa-buta Schüle Nafta Bezí Schüle tvořeí směsi vitří vější zapalovací komůrkou řízeé eřízeé ao e řízeé eřízeé Ovládáí výpočtového programu makry Data motorů: Makro umožňuje vytvořit databázi geometrických parametrů motoru a při výběru motoru z abídky automaticky dosadí geometrické parametry motoru do zadávaých hodot Přestup tepla: Makro astaví v zadávaých hodotách program pro vybraý způsob výpočtu přestupu tepla. Palivo: Nejprve je potřeba přepout v makru druh paliva mezi kapalým a plyým palivem. Pomocí dalšího makra ve skupiě se potom vybere druh paliva. Toto makro dosadí 5
do zadávaých hodot správé parametry vybraého paliva a. oběh je přepočítá se skutečými měrými tepelými kapacitami vybraého paliva, směsi a spali. Pokud chceme počítat druhý cyklus stejě jako prví - tj. se vztahem pro měré tepelé kapacity podle Schülleho, přepeme v makru a výpočet podle Schülleho. Parametry paliva možství, výhřevost zůstaou v zadaých hodotách, výpočet látkových vlastostí se ale provádí podle Schülleho vztahu. Přívod paliva: Volba vitřího tvořeí směsi je řešea jako časovaý přívod paliva přímo do válce motoru, možství paliva je určeo zadaou hmotostí dávky paliva. Pro případ vějšího tvořeí směsi se vzduchem je palivo do válce přiváděo přes sací vetil a možství asávaého paliva je určeo zadaou bohatostí směsi. Vější tvořeí směsi se samostatým přívodem paliva představuje případ časovaé dodávky paliva do asávaého vzduchu a plěí válce směsí přiváděou přes sací vetil: možství paliva je zadáo hmotostí dávky paliva. Přívod paliva do zapalovací komůrky ve válci motoru u zážehových motorů s epřímým zážehem: Pro případ řízeého přívodu paliva komůrkou je možství přivedeého paliva zadáo hmotostí dávky paliva. Pro případ eřízeého přívodu paliva komůrkou je možství přivedeého paliva dáo průřezem jedocestého vetilu komůrky a jeho průtokovým součiitelem a tlakovým spádem a tomto průřezu rozdílem tlaku paliva před jedocestým vetilem a tlaku ve válci motoru tj. v komůrce. Celý výpočtový program TLAK macro.xls, výsledky výpočtu a jejich grafické zpracováí jsou celkem a listech v prostředí EXCEL: ázvy listů a jejich obsah podává ásledující přehled.. adáí - tabulka vstupích hodot a volba variat výpočtu pomocí makra.. Výsledky - tabulka souhrých výsledků z výpočtu. a. pracovího oběhu. 3. P,T,Q- - graf, průběh tlaku a teploty ve válci, schem. průtoky při výměě obsahu válce.. dm - graf, hmotostí toky přes vetily, modelový zdvih vetilů. 5. M - graf, hmotosti áplě a jejich hlavích složek ve válci v průběhu. a. pracovího oběhu.. Mvyf - graf, hmotosti áplě válce, proteklé přes vetily z válce v celé fázi výměy obsahu válce. 7. P-V - graf, úplý pracoví oběh v p-v diagramu 8. Qhoř- - graf, průběh přívodu tepla do oběhu v [J/ ]. 9. Qodv-v - graf, průběh přestupu tepla mezi áplí a stěami v [J/ ].. x, Vx, Ax- - graf, průběhy kiematických veliči a pístu.. F- - graf, průběhy sil od tlaku áplě válce a píst a setrvačé síly z pístové skupiy a klikovém mechaizmu.
. Mk- - graf, průběhy točivého mometu od jedotlivých válců, výsledý průběh točivého mometu a středí hodota točivého mometu. 3. Tstě - graf, průběh teploty stěy vložky válce a teploty stěy hlavy válce.. SRp-T - graf, porováí výsledků výpočtu průběhů tlaku a teploty áplě válce pro růzé variaty seřízeí, druh paliva, popis látkových vlastostí: porováí lze provést pomocí makra Kotrola z listu zadáí. 5. VYF - hodoty z podprogramu pro modelovou zdvihovou fukci výfukového vetilu.. SAC - hodoty z podprogramu pro modelovou zdvihovou fukci sacího plícího vetilu. 7. Tkap - hodoty z podprogramu pro výpočet měrých tepelých kapacit. 8. Tzat - hodoty z podprogramu pro výpočet středích teplot stě. 9. CYKL - hodoty z programu pro výpočet sledovaých veliči v jedotlivých krocích obou pracovích cyklů a pro výpočet kiematických veliči a pístu a silových poměrů a klikovém mechaizmu.. MK - hodoty ze sešitu CYKL pro výpočet průběhu kroutícího mometu a jedotlivých válcích, výsledého průběhu a středí hodoty kroutícího mometu motoru.. MOT - geometrické parametry motorů. Ukázky ze zadáí vstupích údajů pro výpočet, tabulka výsledků výpočtu pracovího oběhu a grafického zpracováí výsledků jsou obsažey a ásledujících strákách této techické zprávy. 7
List č. - "adáí": vyplí se vstupí hodoty do programu podle kometáře a jedotek zadávaých veliči. 8
List č. - "Výsledky": Celkové výsledky P max 375 KH,7 [MPa] T max 38 KH 3 [K] W i-vt. oběh 8-5 KH [J] W i-nt. oběh 5-7 KH -3 [J] W i-vt. oběh 9 - KH 39 [J] W i-nt. oběh 7-9 & - KH -9 [J] P i 9 - KH, [MPa] Q hoř 8-5 KH 58 [J] Q přest 8-5 KH 89 [J] Q hoř. oběh 7 - KH 5759 [J] Q přest. oběh 7 - KH 995 [J] M 9 KH 3,93 [g] M SP 9 KH, [g] M V 9 KH,8 [g] M P 9 KH,3 [g] M KH 3,3 [g] M SP KH, [g] M V KH,88 [g] M P KH,37 [g] M SP / V KH,8 [g] M V / V KH, [g] M P / V KH,5 [g] M P / SV sáím,33 [g] M P / K komůrkou, [g] M P / V bez komůrky, [g] Σ M P,33 [g] λ,39 - List č. 3 - "P.T.Q-": 7 5 Tlak a teplota ve válci motoru lambda =,39 vyfuk sai kom P T 8 p [MPa] 3 8 T [K] 8 3 3 8 5 7 78 8 9 9 8 3 38 α [ ] Otevřeý výfukový vetil: kritické prouděí ýfukovým vetilem Otevřeý výfukový vetil: podkritické prouděí výfukovým vetilem Otevřeý sací vetil 9
List č. - "dm": kromě hmotostích toků přes vetily obsahuje graf i modelový zdvih vetilů v jedotkovém zakresleí.,9,8 Hmotostí toky vetily zdvih V zdvih S dm VV dm SV,3,5,7, dvih vetilů [-],,5,,3,,,5,,5 dm [g/ KH] -,5 8 5 7 78 8 9 9 α [ ] List č. 5 - "M": 3,5 3,5 Hmotostí toky a hmotosti áplě ve válci motoru M M V M SP M P M [g],5,5 8 5 7 78 8 9 9 8 3 38 α [ ] Otevřeý výfukový vetil: výtok spali z válce do výfukového potrubí Otevřeý sací vetil: přívod čerstvé áplě do válce M hmotost celkové áplě válce M V hmotost vzduchu Hořeí směsi - přeměa paliva a příslušé části vzduchu a spaliy M SP hmotost spali M P hmotost paliva Výtok spali
List č. - "Mvyf": průběhy ukazují výtok spali výfukovým vetilem M SP/VV, průtok spali z válce do sacího potrubí a jejich zpětý ávrat do válcem SP/SV, vytlačeí áplě válce do sacího potrubí a začátku komprese M V/SV, M SP/SV, M P/SV a křivky modelového zdvihu vetilů. M SP/VV [g] 3,,8,,,,8, M SP/VV výfukový vetil sací vetil M V/SV M SP/SV M P/SV Hmotosti áplě uiklé z válce 8 5 7 78 8 9 9 α [ ],,,,,8, M SP/SV, M P/SV, MV/SV [g] Otevřeý výfukový vetil: výtok spali do výfukového potrubí Při současém otevřeí sacího a výfukového vetilu možý průtok spali do sacího potrubí Otevřeým sacím vetilem za dolí úvratí dochází k vytlačeí áplě válce zpět do sáí List č. 7. "P-V": 7, P - V diagram, 5, Tlak [MPa], 3,,,,,,5,,5,,5 Objem [dm 3 ]
List č. 8 - "Qhoř-": Teplo uvolěé hořeím 5 Q [J/ ] 5 5 9 9 9 9 98 8 8 α [ ] List č. 9 - "Qodv-": Teplo odvedeé stěami 8 7 5 Q [J/ ] 3 7 75 8 855 9 95 99 35 8 5 7 5 35 35 395 - α [ ] [ ]
List č. - "x, Vx, Ax": x [m], vx [m/s] x., ax [m/s ] x. Kiematické veličiy klikového ústojí,5 x Vx, Ax,5,,5, 8 8 3 3 3 3 38 8 5 5 5 -,5 -, -,5 α [ ] x Vx Ax dráha pístu rychlost pístu zrychleí pístu List č. - "F-": π D F = p m r π cosα cosα L ávislosti velikosti sil klikového mechaizmu a úhlu atočeí klikového hřídele F [N] 8 F Fo 7 F Ft Fr 5 3 8 8 3 3 3 3 38 8 5 5 5 - - α [ ] Ft x v x a x p F Fo F β Fr α Fo 3
List č. - "Mk-": 3 5 5 Průběh kroutícího mometu ve spalovacím motoru Válec Válec Válec 3 Válec Válec 5 Válec Mk celk. Mk prům. Mk [Nm] 5-5 8 8 3 3 8 5 5 8 - Mk celk. součet kroutících mometů všech válců Mk prům. průměrá hodota ze součtu kroutících mometů všech válců α [ ] List č. 3 - "Tstě": λ=,39 Teplota [K],57, 8,9 37 38 39 3,,,3,,5,,7,8,9 poloha pístu [m] Teplota hlavy válce [K] 5 5 35 3 5 5 5,,,57,,3,
List č. - "SR p-t": v grafech se porovávají průběhy tlaku a teploty áplě válce pro dvě variaty výpočtu typy motorů a jejich seřízeí, druh paliva, popis látkových vlastostí: porováí lze provést pomocí makra Kotrola z listu zadáí ásledujícím postupem. - Nastavíme vstupí parametry. - Stiskutím tlačítka Kotrola v listě adáí aktivujeme makro, které připraví data pro srováí a vrátí ás zpět a list adáí. - měíme vstupí parametry. - Stiskutím tlačítka Kotrola v listě adáí aktivujeme opět makro, které připraví data pro srováí druhé variaty. - Na listu SR p-t je provedeo porováí obou variat. p [MPa] 7,5 7,5 5,5 5,5 3,5 3,5 8,5,5 9 8 7 3 5 5 3 7 crak agle [ ] T [K],9,7,5,3, 5,9 5,7 5,5 3 35 37 375 38 385 39 395 Variata : ozačeí: typ motoru - ML palivo - LPG = pi =,8 MPa λ = přestup tepla dle Eichelberga 8 Variata : ozačeí: typ motoru - ML palivo - Shülle = pi =, MPa λ = přestup tepla dle Eichelberga,39,39 5