Лабораторная работа № 5 1 страница

"Вычисление величин объемов и давлений газа в цикле 2-тактного двигателя внутреннего сгорания в зависимости от углового положения кривошипа коленчатого вала (для идеального термодинамического цикла ДВС)"

Постановка задачи и формулы для расчета величин взяты из методических указаний к лабораторным занятиям по информатике для курсантов судомеханического факультета (лабораторная работа № 1):

Заводовская, А.И. Построение термодинамических диаграмм и схемы кривошипно-шатунного механизма 2-тактного двигателя внутреннего сгорания [Текст]: учеб-метод. пособие для вузов / А.И. Заводовская, А.А. Мендельсон. - Изд-во ДВГМА им. Невельского, 1997. - 15 с.

Порядок выполнения работы:

Двигатель - устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Назначение любого теплового двигателя – превращение теплоты в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при сгорании жидких, твердых или газообразных топлив. Топливо может сжигаться вне тепловой машины (паровые машины и турбины) – это так называемые двигатели внешнего сгорания. Двигатели, в которых процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины, называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС). ДВС принадлежит к типу тепловых двигателей. в которых химическая энергия топлива, сгорающего непосредственно внутри рабочего цилиндра, преобразуется в механическую работу.

Одним из первых указал на возможность создания ДВС С. Карно в 1824 г. В 1877 г. немецкий инженер Отто построил бензиновый двигатель, в 1897 г. немецкий инженер Дизель разработал двигатель, работающий на керосине, который распылялся в цилиндре воздухом высокого давления от компрессора. А в 1904 г. русским инженером Тринклером был построен безкомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива. Этот двигатель получил самое широкое распространение во всем мире.

Комплекс последовательных процессов. периодически повторяющихся в каждом рабочем цилиндре и обслуживающих работу двигателя, образует рабочий цикл. Для анализа теории тепловых машин термодинамика рассматривает идеальные (обратимые) циклы. Идеальный цикл является упрощенной термодинамической схемой работы ДВС. Диаграмма идеального процесса двигателя внутреннего сгорания:

zb -	процессы расширения
ac -	процесс сжатия
cz -	процесс сгорания при постоянном объеме
zz' -	процесс выпуска при постоянном давлении
ba -	процесс выпуска при постоянном давлении
aq -	процесс выпуска при постоянном давлении
qa -	процесс впуска при постоянном давлении

Для ДВС рассматривают следующие основные циклы:

а) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const) - цикл Отто;

б) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const) - цикл Дизеля;

в) цикл со смешанным подводом теплоты, как при v =const и р =const - цикл Тринклера.

Для идеальных газов адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением Пуассона:

pV^k = const

где: p - давление газа, V — его объём, k - показатель адиабаты,

C_p и C_v - теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении p и постоянном объёме V. Для двухатомного идеального газа k = 7/5 = 1,4.

В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течение одного оборота коленвала за два основных такта. У двухтактных двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет сам пoршень, который в процессе перемещения то закрывает, то открывает впускные, выпускные и продувочные окна. К онструкция двухтактного ДВС показана на рисунке:

Весь рабочий цикл осуществляется за два такта:

Такт сжатия. Пoршень двухтактного ДВСподнимается от НМТ поршня к ВМТ поршня, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окна цилиндра ДВС. После закрытия поршнем выпускного отверстия в цилиндре начинается сжатие ранее поступившего в него топливной смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности и после того как пoршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого через впускное окно и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру двухтактного двигателя

2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, после этого температура и давление смеси резко подскакивают. Под действием теплового расширения газов поршень двухтактного двигателя опускается к НМТ, в это время расширяющиеся газы сгоревшей смеси совершают полезную работу, толкая поршень. В это же время, опускаясь, пoршень создает высокое давление в кривошипной камере двухтактного ДВС (сжимая топливо-воздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор. Когда поршень двухтактного двигателя дойдет до выпускного отверстия, оно откроется и таким образом выйдут отработавшие газы в выпускную систему, давление в цилиндре понизится. При дальнейшем перемещении пoршень открывает продувочное (впускное) окно и горючая смесь, сжатая в кривошипной камере, поступает по каналу, заполняя цилиндр и одновременно продувая его от остатков отработавших газов. Далее цикл повторяется.

Из разнообразных механизмов, применяемые в ДВС, наиболее широко используется преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, осуществляемое кривошипно-шатунным механизмом. Схема кривошипно-шатунного механизма:

1 - цилиндр;
2 - маховик;
3 - шатунный подшипник;
4 - коленчатый вал;
5 - колено;
6 - коренной подшипник;
7 - шатун.

Мертвыми точками называются такие положения кривошипно-шатунного механизма, при которых совпадают по направлению продольные оси кривошипа и шатуна. В мертвых точках поршень меняет направление своего движения. Положение поршня, при котором он максимально удален от оси коленчатого вала, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Положение поршня, при котором он минимально удален от оси коленчатого вала, называется нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние вдоль оси цилиндра между верхней и нижней мертвыми точками (путь поршня) называется ходом поршня S = 2R. Расстояние от оси шатунной шейки коленчатого вала до оси коренной шейки называется радиусом кривошипа R. Объем, освобождаемый поршнем при движении его от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом цилиндра V_s.

Объем над поршнем при его положении в ВМТ называется объемом камеры сгорания V _с. Объем, образованный над поршнем при его положении в НМТ, называется полным объемом цилиндра V_a: V_a = V _c + V_s. Отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V _с называется степенью сжатия ε:

Cтепенью предварительного расширения называется отношение объема в конце подвода тепла к объему в конце сжатия.

Часть высоты цилиндра занята продувочными и выпускными окнами. Отношение высоты этих окон к полному ходу поршня называется долей потерянного хода поршня

Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом представлена на рисунке:

Задание 1

"Расчет неизменяемых величин "

1. Запустить Мiсrоsоft Ехсеl 2007.

2. Листу новой рабочей книги присвоить название "Расчет ДВС".

3. Вставить в таблицу с заданными (конструктивными и термодинамическими) параметрами двигателя заголовки столбцов и строк.

4. Для вставки символов на ленте выбрать вкладку "Вставка", диалоговое окно "Текст", кнопку "Символ", шрифт - Symbol.

5. Для вставки в текст верхних и нижних индексов необходимо выделить нужный символ и правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню, затем диалоговое окно "Формат ячеек" (вкладка "Шрифт", видоизменение - подстрочный или надстрочный).

6. Для объединения ячеек необходимо выделить ячейки, вызвать контекстное меню правой кнопкой мыши (команда "Формат ячеек"), выбрать вкладку "Выравнивание" и включить отображение "Объединение ячеек".

7. Заполнить таблицу значениями № с помощью автозаполнения: арифметическая прогрессия с начальным значением 1, шаг = 1 (на ленте вкладка "Главная", диалоговое окно "Редактирование", кнопка "Заполнить", опция "Прогрессия", шаг 1, прогрессия "Арифметическая", заполнение по столбцам). Порядок действий автозаполнения подробно описан в предыдущих лабораторных работах № 1-4.

8. Заполнить таблицу "Заданные параметры двигателя", введя величины и единицы измерения параметров двигателя с клавиатуры. Результаты работы:

Заданные параметры двигателя
Конструктивные
№	Параметр	Значение	единицы
	Ход поршня, S		см
	Диаметр цилиндра, D		см
	Длина шатуна, L		см
	Доля хода поршня, занятая выпускными окнами, ys	0,14
	Число оборотов в минуту, n		об/мин
Термодинамические
№	Параметр	Значение	единицы
	Максимальное давление сжатия, Pz		кГ/см2
	Начальное давление сжатия, Pa	1,3	кГ/см2
	Максимальная степень сжатия, e
	Степень предварительного расширения, r0	1,6
	Показатель адиабаты, k	1,4

9. Рассчитать величины, значения которых в цикле ДВС не меняются, по приведенным ниже формулам:

№	Название	Расчет
	Рабочий объем цилиндра, Vs
	Объем, соответствующий полезному ходу поршня, V's
	Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, l

Заполнить рабочую таблицу полученными значениями. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

- Вставить в таблицу "Величины, не изменяемые в цикле ДВС" заголовки столбцов и строк. Процедуры объединения ячеек, вставки символов, верхних и нижних индексов подробно описаны п. 4-6.

- Активировать пустую ячейку со значением параметра "Рабочий объем цилиндра V_s".

- Установить курсор в строку формул и набрать с клавиатуры знак "=".

- Из раскрывающегося списка функций слева в верхней части рабочего окна выбрать математическую функцию ПИ (или на ленте вкладка "Формулы", диалоговое окно "Библиотека функций", кнопка "Математические", функция "ПИ"). Если в раскрывающемся списке функции ПИ нет, то нужно выбрать "Другие функции", в мастере функций категорию "Математические", функция "ПИ".

- Далее в строке формул, щелкая на соответствующие ячейки в таблице "Заданные параметры двигателя", ввести формулу для расчета V_s.

Пример из строки формул для расчета V_s: =ПИ()*C5^2*C4/4

- Аналогично рассчитать в таблице значения V'_s и l.

Пример из строки формул для расчета V'_s: =(1-C7)*C19

Пример из строки формул для расчета l: =C4/(2*C6)

- Проверить результаты работы:

№	Название	Расчет	единицы
	Рабочий объем цилиндра, Vs	36191,147	см3
	Объем, соответствующий полезному ходу поршня, V's	31124,387	см3
	Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, l	0,250

10.Рассчитать величины объемов и давлений в характерных точках цикла по приведенным ниже формулам:

Объемы и давления в характерных точках цикла
Точки	объем	давление
точка с	Vc		Pc
точка z	Vz		Pz	Pz (задано)
точка z'	V'z		P'z	P'z = Pz
точка b	Vb		Pb
точка a	Va		Pa	Pa (задано)

Заполнить рабочую таблицу "Объемы и давления в характерных точках цикла" числовыми значениями. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

- Активировать пустую ячейку для расчета числового значения параметра объема в точке с - V_c.

- Установить курсор в строку формул и набрать с клавиатуры знак "=".

- Далее в строке формул, щелкая на соответствующие ячейки в полученных ранее рабочих таблицах, ввести формулу для расчета V_с. Целесообразно использование абсолютной адресации для адресов ячеек (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4).

Пример из строки формул для расчета V_с: =$C$20/($C$13-1)

- Аналогично рассчитать в таблице значения объемов V'_z V_b и давлений P_c P_b:

Пример из строки формул для расчета V'_z: =$D$24*$C$14

Пример из строки формул для расчета V_b: =$D$24*$C$13

Пример из строки формул для расчета P_с: =$C$12*($C$13^$C$15)

Пример из строки формул для расчета P_b:

=$F$26*(($D$26/$D$24)^$C$15)

- Для получения числовых величин, не рассчитываемых по формулам, а равным уже имеющимся, необходимо активировать нужную ячейку, ввести с клавиатуры в строке формул знак "=" и щелкнуть на нужную ячейку с полученной ранее величиной параметра (целесообразно использование абсолютной адресации для адресов ячеек):

Пример из строки формул для V_z: = $D$24

Пример из строки формул для V_a: = $D$27

Пример из строки формул для P_z: =$C$11

Пример из строки формул для P_a: =$C$12

- Проверить и сохранить результаты работы:

	Объемы и давления в характерных точках цикла
	точки	объем	давление
	точка с	Vc	2593,699	Pc	47,148
	точка z	Vz	2593,699	Pz	66,000
	точка z'	V'z	4149,918	P'z	66,000
	точка b	Vb	33718,086	Pb	127,442
	точка a	Va	33718,086	Pa	1,300

11.В зависимости от условий решенной задачи вывести автоматическое сообщение:

	Моделируется цикл Тринклера (цикл со смешанным подводом теплоты)	если Pc<Pz и 1<r<e
	Моделируется цикл Отто (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме)	если Pc<Pz и r=1
	Моделируется цикл Дизеля (цикл с подводом теплоты при постоянном давлении)	если Pc≥Pz и 1<r<e
	Идеального цикла с такими параметрами не существует	если ни одно из условий не выполняется

Для этого необходимо выполнить следующие действия:

- На любом пустом месте листа ввести с клавиатуры информацию:

	Моделируется цикл Тринклера
	Моделируется цикл Отто
	Моделируется цикл Дизеля
	Идеального цикла с такими параметрами не существует

- Активировать любую пустую ячейку листа.

- Установить курсор в строку формул и набрать с клавиатуры знак "=".

- Из раскрывающегося списка функций слева в верхней части окна выбрать логическую функцию ЕСЛИ (на ленте вкладка "Формулы", диалоговое окно "Библиотека функций", кнопка "Логические функции", функция "ЕСЛИ").

- Если в раскрывшемся списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция ЕСЛИ.

- В окне функции ЕСЛИ указать аргумент: в "Значение_если_истина" набрать с клавиатуры - 1.

- Переустановить курсор в строку аргумента "Лог_выражение".

- В раскрывающемся списке выбрать функцию И. Если в списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция И.

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение1", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (P_c<P_z) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4).

- Переустановить курсор в строку аргумента "Логическое_значение2".

- В раскрывающемся списке снова выбрать функцию И. Если в списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция И.

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение1", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (r>1) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4).

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение2", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (r<e) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4).

Пример из строки формул: =ЕСЛИ(И($F$24<$F$25;И($C$14>1;$C$14<$C$13));1;)

- Установить курсор в строку формул для добавления следующего условия.

- Из раскрывающегося списка функций слева в верхней части окна выбрать логическую функцию ЕСЛИ (на ленте вкладка "Формулы", диалоговое окно "Библиотека функций", кнопка "Логические функции", функция "ЕСЛИ").

- Если в раскрывшемся списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция ЕСЛИ.

- В окне функции ЕСЛИ указать аргумент: в "Значение_если_истина" набрать с клавиатуры - 2.

- Переустановить курсор в строку аргумента "Лог_выражение".

- В раскрывающемся списке выбрать функцию И. Если в списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция И.

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение1", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (P_c<P_z) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4).

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение2", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (r=1) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4). Формула приобретет следующий вид:

Пример из строки формул:

=ЕСЛИ(И($F$24<$F$25;И($C$14>1;$C$14<$C$13));1;ЕСЛИ(И($F$24<$F$25;$C$14=1);2;))

- Установить курсор в строку формул для добавления следующего условия.

- Из раскрывающегося списка функций слева в верхней части окна выбрать логическую функцию ЕСЛИ (на ленте вкладка "Формулы", диалоговое окно "Библиотека функций", кнопка "Логические функции", функция "ЕСЛИ").

- Если в раскрывшемся списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция ЕСЛИ.

- В окне функции ЕСЛИ указать аргумент: в "Значение_если_истина" набрать с клавиатуры - 3.

- В окне функции ЕСЛИ указать аргумент: в "Значение_если_ложь" набрать с клавиатуры - 4.

- Переустановить курсор в строку аргумента "Лог_выражение".

- В раскрывающемся списке выбрать функцию И. Если в списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция И.

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение1", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (P_c≥P_z) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4).

- Переустановить курсор в строку аргумента "Логическое_значение2".

- В раскрывающемся списке снова выбрать функцию И. Если в списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория "Логические", функция И.

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение1", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (r>1) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4).

- В окне функции И указать аргумент: в строке "Логическое_значение2", щелкая на соответствующие ячейки ввести логическое выражение (r<e) с использованием абсолютнойадресации (вставка знака $ с клавиатуры или с помощью нажатия клавиши F4). Итоговая формула имеет вид:

Пример из строки формул:

=ЕСЛИ(И($F$24<$F$25;И($C$14>1;$C$14<$C$13));1;

ЕСЛИ(И($F$24<$F$25;$C$14=1);2;

ЕСЛИ(И($F$24>=$F$25;И($C$14>1;$C$14<$C$13));3;4)))

- Активировать соседнюю (пустую) ячейку рядом с получившимся результатом (цифра 1) и в строке формул ввести знак "=".

- Из раскрывающегося списка функций слева в верхней части окна выбрать функцию ВПР (на ленте вкладка "Формулы", диалоговое окно "Библиотека функций", кнопка "Ссылки и массивы", функция "ВПР").

- Если в раскрывшемся списке ее нет, то нужно выбрать "Другие функции", категория " Ссылки и массивы", функция ВПР.

- В диалоговом окне функции ввести аргументы:

o Искомое_значение: щелкнуть на ячейку с полученным ранее числом -результатом решения условий;

o Таблица: выделить всю таблицу с информацией;

o Номер столбца: ввести - 2.

Пример из строки формул: =ВПР(A30;$P$2:$Q$5;2)

12.Выполнить форматирование таблицы, просмотреть и сохранить результаты работы.

Задание 2

"Расчет величин, значения которых изменяются в цикле ДВС, и построение PV-диаграммы "

1. Вставить в таблицу значения величин, изменяемых в цикле ДВС заголовки столбцов и строк.

2. Для вставки символов на ленте выбрать вкладку "Вставка", диалоговое окно "Текст", кнопку "Символ", шрифт - Symbol.

3. Для объединения ячеек необходимо выделить ячейки, вызвать контекстное меню правой кнопкой мыши (команда "Формат ячеек"), выбрать вкладку "Выравнивание" и включить отображение "Объединение ячеек".

4. Заполнить таблицу значениями j (в градусах) с помощью автозаполнения: для процесса сжатия арифметическая прогрессия с начальным значением 180, шаг = 10 (на ленте вкладка "Главная", диалоговое окно "Редактирование", кнопка "Заполнить", опция "Прогрессия", шаг 10, прогрессия "Арифметическая", заполнение по столбцам). Проверьте результаты заполнения: