Разработка модели бензинового двигателя

Лабораторная работа №1.

Введение

В данной лабораторной работе будет разработана модель бензинового двигателя без турбины. Первоочередной задачей является настройка количества подаваемого топлива таким образом, чтобы обеспечить корректное соотношение между воздухом и топливом.

Для увеличения мощности двигателя необходимо повысить как количество топлива, так и объем воздуха, необходимый для его полного сгорания. С этой целью предполагается внедрение системы турбонаддува, которая позволит значительно увеличить объем воздуха, поступающего в цилиндры двигателя.

После установки турбокомпрессора потребуется провести корректировку количества подаваемого топлива, чтобы добиться более высокой мощности двигателя по сравнению с первоначальной моделью.

Цель работы

  • Приобрести навыки для разработки моделей двигателей внутреннего сгорания

Задачи работы

  • Разработать модель двигателя без турбонаддува
  • Подобрать значение цикловой подачи топлива
  • Добавить турбокомпрессор
  • Увеличить цикловую подачу топлива благодаря турбокомпрессору

Задание 1. Разработка модели двигателя внутреннего сгорания без турбокомпрессора

Для создания нового проекта общетехнического шаблона необходимо выполнить следующие действия:
  1. В главном окне SimInTech выбрать пункт Файл, подпункт Новый проект
  2. В выпадающем меню выбрать пункт Схема модели общего вида (Рис. 1)


    Рис. 1. Главное окно SimInTech c выделенным меню создания нового проекта.
Откроется новое окно проекта Схема модели общего вида, в котором будет проходить построение моделей (Рис. 2).


Рис. 2. Окно проекта шаблона "Схема общего вида".
Необходимо сохранить созданный проект. Для этого:
  1. В главном окне SimInTech выбрать пункт Файл, подпункт Сохранить проект как
  2. В появившемся окне в поле Имя файла указать имя проекта "Бензиновый двигатель" и нажать на кнопку Сохранить

Добавление блоков на схему

Блок Двигатель содержит набор свойств и функций, необходимых для работы модели двигателя. Поэтому необходимо добавить на схему блок Двигатель из вкладки Двигатели внутреннего сгорания. Для этого:
  1. В главном окне SimInTech в палитре блоков выбрать вкладку Двигатели внутреннего сгорания (Рис. 3)


    Рис. 3. Палитра блоков SimInTech c выбранной вкладкой "Двигатели внутреннего сгорания".
  2. Выбрать блок Двигатель одинарным нажатием левой кнопкой мыши по его изображению в палитре блоков с подписью Двигатель
  3. Перевести курсор мыши на рабочую область окна проекта. В рабочей области окна проекта появится графическое изображение блока Двигатель, которое будет следовать за курсором мыши
  4. Выбрать место в рабочей области окна проекта для установки блока и установить блок одинарным нажатием левой кнопкой мыши (Рис. 4)


    Рис. 4. Блок "Двигатель" в рабочем поле окна проекта.

После установки блока на схему возможно его перемещение внутри рабочей области окна проекта. Для перемещения блока необходимо нажать на блок левой кнопкой мыши и, удерживая, переместить.

Блок Двигатель является субмоделью, которая содержит набор базовых свойств и функций. К ним относятся такие характеристики, как количество цилиндров для описания геометрии двигателя, тактность для определения параметров сгорания, количество используемых газов в модели, их молярная масса и другие свойства, необходимые для расчетов элементов газовоздушной системы двигателя. Поэтому модель двигателя необходимо разрабатывать внутри этой субмодели. Двойным нажатием по блоку Двигатель открыть рабочую область субмодели.

Аналогичными действиями необходимо добавить на схему субмодели блока Двигатель следующие блоки библиотеки Двигатели внутреннего сгорания и разместить их согласно рисунку (Рис. 5):
  • 2 блока Окружающая среда из подменю Газовоздушная система − первый блок будет задавать граничное условие по давлению, температуре и газовому составу в окружающей среде, из которой воздух будет попадать в двигатель. Второй блок будет моделировать окружающую среду, в которую будут попадать отработавшие газы. Данный блок необходим только для удобства составления модели
  • 2 блока Дроссель из подменю Термодинамика − будут моделировать входное отверстие впускного коллектора и выходное отверстие выпускного коллектора
  • 2 блока Простой коллектор из подменю Газовоздушная система − будут моделировать впускной и выпускной коллектор в сосредоточенных параметрах в виде точечного объема газа без учета протяженности трубок
  • 1 блок Картер из подменю Газовоздушная система − будет моделировать граничное условие по давлению, температуре и газовому составу в картере


Рис. 5. Окно проекта с установленными блоками.

Задание подписей блоков

Необходимо задать подписи к блокам. Для этого необходимо:
  1. Выделить блок Окружающая среда нажатием левой кнопки мыши. Появится пустая прямоугольная область под выделенным блоком (Рис. 6)


    Рис. 6. Выделенный блок "Окружающая среда".
  2. Активировать редактор подписи блока двойным нажатием левой кнопкой мыши по прямоугольной области под блоком Окружающая среда. Появится текстовый курсор для ввода подписи. Задать подпись "Впуск" к блоку Окружающая среда (Рис. 7)


    Рис. 7. Блок "Окружающая среда" с добавленной подписью.
Аналогичными действиями необходимо задать подпись для остальных блоков согласно рисунку (Рис. 8).


Рис. 8. Рабочая область проекта с добавленными подписями для блоков.
Подпись к блокам возможно перемещать. Для этого необходимо:
  • Выделить блок Окружающая среда нажатием левой кнопки мыши по нему. Переместить курсор мыши к верхнему красному квадрату, как указано на рисунке (Рис. 9). Курсор изменит свое состояние на "Графическое выделение"


    Рис. 9. Рабочая область проекта с выделенной подписью блока "Окружающая среда".
  • Переместить подпись выше блока, зажав левую кнопку мыши и перемещая курсор мыши вверх. Разместить подпись блока согласно рисунку (Рис. 10)


    Рис. 10. Рабочая область проекта с выделенным блоком "Окружающая среда".
Аналогичным образом изменить расположение подписей к блокам согласно рисунку (Рис. 11).


Рис. 11. Рабочая область проекта с измененным положением подписей к блокам.

Добавление блоков механической системы двигателя

Необходимо добавить блоки механической системы двигателя из библиотеки Двигатели внутреннего сгорания и разместить их согласно рисунку (Рис. 12):
  • 1 блок Коленчатый вал из подменю Механическая система − будет моделировать вращение коленчатого вала
  • 1 блок Цилиндр из подменю Механическая система − является субмоделью и содержит внутри себя впускной и выпускной клапаны и камеру сгорания. Блок необходим для моделирования процессов, протекающих в одном цилиндре


Рис. 12. Рабочая область проекта с добавленными блоками.
Прим.:
рядом с блоком Цилиндр отображается номер цилиндра "№1", который задается в свойствах блока. При добавлении нового блока Цилиндр его номер автоматически будет увеличен.

Все цилиндры будут одинаковыми, поэтому, чтобы не настраивать каждый цилиндр индивидуально, в дальнейшем будет произведена настройка свойств одного цилиндра, а затем он будет скопирован с сохранением свойств. Таким образом будут получены 4 одинаковых цилиндра.

Для задания свойств всего двигателя и просмотра параметров его работы необходимо добавить следующие блоки из библиотеки Двигатели внутреннего сгорания и задать подписи к ним согласно рисунку (Рис. 13):
  • 1 блок Геометрические характеристики из подменю Характеристики двигателя − позволяет задавать геометрические характеристики цилиндров двигателя
  • 1 блок Характеристики сгорания из подменю Характеристики двигателя − позволяет задавать параметры процесса сгорания и теплообмена рабочего тела со стенками камеры сгорания
  • 1 блок Параметры двигателя из подменю Характеристики двигателя − позволяет считывать параметры работы двигателя, например, крутящий момент, расход топлива и так далее
  • 1 блок Мультиплексор и 2 блока Размножитель из вкладки Векторные −данные блоки необходимы для формирования сигналов, отображаемых на графиках
  • 1 блок Временной график и 2 блока Фазовый портрет из вкладки Вывод данных − данные блоки необходимы для построения графиков


Рис. 13. Рабочая область проекта с добавленными блоками.

Задание свойств блоков

После установки основных блоков необходимо задать корректные значения для свойств блоков.

Для блоков Окружающая среда значения по умолчанию остаются неизменными.

Для блока Дроссель с подписью "Впуск" необходимо задать свойству "Эффективная площадь проходного сечения дросселя, м²" значение "0.00055", что соответствует эффективной площади сечения входного отверстия впускного коллектора. Для этого необходимо выбрать блок Дроссель, открыть его контекстное меню нажатием правой кнопкой мыши по блоку и выбрать пункт Свойства объекта (Рис. 14).


Рис. 14. Рабочая область проекта с выделенным пунктом "Свойства объекта" в контекстным меню блока "Дроссель" с подписью "Впуск".
Откроется окно Свойства блока Дроссель с подписью "Впуск". Необходимо изменить свойство "Эффективная площадь проходного сечения дросселя, м²". Для этого необходимо нажать левой кнопкой мыши по значению "0.001" столбца "Значение" и изменить его на "0.00055" (Рис. 15). Изменения сохранятся автоматически после закрытия окна. Закрыть окно Свойства блока Дроссель с подписью "Впуск".


Рис. 15. Окно "Свойства" блока "Дроссель" с подписью "Впуск" с измененным свойством "Эффективная площадь проходного сечения дросселя, м²".
Аналогичным образом необходимо задать свойства для следующих блоков:
  1. Блок Дроссель с подписью "Выпуск"
    • "Эффективная площадь проходного сечения дросселя, м²" − "0.00055"
  2. Блок Простой коллектор с подписью "Впуск" (Рис. 16)
    • "Объем коллектора" − "0.0012" − соответствует объему впускного коллектора


      Рис. 16. Окно "Свойства" блока "Простой коллектор" с подписью "Впуск".
  3. Блок Простой коллектор с подписью "Выпуск" (Рис. 17)
    • "Объем коллектора" − "0.0012" − соответствует объему выпускного коллектора
    • "Тип изображения" − "Выпускной коллектор" − изменяет расположение портов и зеркально отображает изображение в соответствии для выпускного коллектора


      Рис. 17. Окно "Свойства" блока "Простой коллектор" с подписью "Выпуск".
  4. Блок Коленчатый вал (Рис. 18)
    • "Начальная частота вращения" − "4000" − исследование работы двигателя будет производиться на этой частоте


      Рис. 18. Окно "Свойства" блока "Коленчатый вал".

Настройка профилей открытия клапанов

Геометрические характеристики цилиндров задаются централизованно в блоке Геометрические характеристики. Для каждого цилиндра необходимо задавать только профили открытия клапанов. Набор свойств блоков Впускной клапан и Выпускной клапан, которые располагаются внутри блока Цилиндр, зависят от тактности двигателя, поэтому перед началом настройки профилей открытия клапанов необходимо удостовериться, что задана корректная тактность двигателя.

Для этого необходимо открыть окно свойств блока Характеристики сгорания. Свойство "Тактность двигателя" должно иметь значение "4" (Рис. 19).


Рис. 19. Окно "Свойства" блока "Характеристики сгорания".
После этого необходимо перейти к настройке профилей открытия клапанов. Войти в субмодель блока Цилиндр путем нажатия по нему два раза левой кнопкой мыши. Откроется его субмодель (Рис. 20).


Рис. 20. Рабочая область проекта с открытой субмоделью.
Задать свойства для блока Впускной клапан (Рис. 21):
  • "Способ задания профиля" − "Профиль от начала открытия" − откроется список свойств для задания профиля открытия клапанов
  • "Начало открытия"
    • "Угол открытия (IVO), град до ВМТ" − "30"
  • "Окончание закрытия"
    • "Угол закрытия (IVC), град после НМТ" − "40"
  • "Профиль"
    • "Массив долей фазы впуска [0, 1]" − "[0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.7, 0.8, 0.9, 1]"
    • "Массив эффективных проходных сечений, м²" − "[0, 1e-4, 4e-4, 5e-4, 5e-4, 4e-4, 1e-4, 0]"


Рис. 21. Окно "Свойства" блока "Впускной клапан".
Данные массивы задают профиль открытия впускного клапана согласно рисунку (Рис. 22). По оси вертикали установлены значения свойства "Массив эффективных проходных сечений, м²" − "[0, 1e-4, 4e-4, 5e-4, 5e-4, 4e-4, 1e-4, 0]". По горизонтали установлены значения свойства "Массив углов коленвала [-360, 360], град" − "[330 , 355 , -340 , -315 , -215 , -190 , -165 , -140]".


Рис. 22. График полного профиля открытия клапана.
Аналогично задать свойства для блока Выпускной клапан (Рис. 23):
  • "Способ задания профиля" − "Профиль от начала открытия" − откроется список свойств для задания профиля открытия клапанов
  • "Начало открытия"
    • "Угол открытия (IVO), град до НМТ" − "70"
  • "Окончание закрытия"
    • "Угол закрытия (IVC), град после ВМТ" − "30"
  • "Профиль"
    • "Массив долей фазы впуска [0, 1]" − "[0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.7, 0.8, 0.9, 1]"
    • "Массив эффективных проходных сечений, м²" − "[0, 1e-4, 4e-4, 5e-4, 5e-4, 4e-4, 1e-4, 0]"


Рис. 23. Окно "Свойства" блока "Выпускной клапан".
Профили открытия клапанов заданы, теперь необходимо создать еще 3 копии данного цилиндра. Для этого необходимо выполнить следующие действия:
  1. Выйти из субмодели блока Цилиндр, нажатием на кнопку Возврат из субмодели, которая выделена на рисунке (Рис. 24). Или нажать два раза левой кнопкой мыши по свободной области проекта


    Рис. 24. Рабочая область проекта с выделенной кнопкой "Возврат из субмодели".
  2. Выделить блок Цилиндр
  3. Скопировать блок через кнопку Копировать контекстного меню блока (Рис. 25) или через сочетание клавиш "Ctrl + C"


    Рис. 25. Рабочая область проекта с контекстным меню блока "Цилиндр" и выделенным пунктом "Копировать".
  4. Вставить 3 таких блока через кнопку Вставить контекстного меню свободной рабочей области проекта или через сочетание клавиш "Ctrl + V" (Рис. 26)


    Рис. 26. Рабочая область проекта с выделенной кнопкой "Вставить" контекстного меню свободной области проекта.
  5. Расположить скопированные блоки Цилиндр в соответствии с рисунком (Рис. 27)


    Рис. 27. Рабочая область проекта с установленными блоками "Цилиндр".
  6. Убедиться, что номера цилиндров, отображающиеся рядом с блоками Цилиндр, соответствуют номерам на рисунке (Рис. 27). В случае отличия необходимо задать номера цилиндров в свойстве "Номер цилиндра" для блоков в соответствии с рисунком (Рис. 27)

Необходимо задать геометрические размеры цилиндров и порядок работы цилиндров.

Открыть окно Свойства блока Геометрические характеристики и установить следующие значения для свойств (Рис. 28):
  • "Углы начала работы цилиндров, град" − "[0 , 540 , 180 , 360]"
  • "Степень сжатия" − "10.6"
  • "Диаметр цилиндра, м" − "0.08"
  • "Ход поршня, м" − "0.09"
  • "Длина шатуна, м" − "0.13"
  • "Надпоршневой зазор, м" − "0.008"
  • "Потери"
    • "Эффективная площадь сечения поршневых колец, м²" − "1E-6"
После установки указанных значений для свойств свойство "Рабочий объем, см³" в подгруппе "Объем двигателя" будет равно "1808", что соответствует двигателю с рабочим объемом 1.8 л (Рис. 28).


Рис. 28. Окно "Свойства" блока "Геометрические характеристики".

Необходимо задать характеристики сгорания топлива.

Открыть окно Свойства блока Характеристики сгорания и установить следующие значения для свойств (Рис. 29):
  • "Теплообмен со стенками"
    • "Температуры головки блока цилиндров, К" − "Self.Cyl_N # 480"
    • "Температуры стенок цилиндров, К" − "Self.Cyl_N # 480"
    • "Температуры поршней, К" − "Self.Cyl_N # 480"
    • "Отношение площади крышки цилиндра к площади поперечного сечения цилиндра" − "1.1"
    • "Отношение площади огневой поверхности поршня к площади поперечного сечения цилиндра" − "1.1"


Рис. 29. Окно "Свойства" блока "Характеристики сгорания".

Запись "Self.Cyl_N # 480" формирует массив из "Self.Cyl_N" элементов, каждый из которых имеет значение "480", где "Self.Cyl_N" — это обращение к свойству "Cyl_N" ("Количество цилиндров") этого же блока. Таким образом формируются массивы температур элементов двигателя для каждого цилиндра. В общем случае они могут отличаться, однако в данной работе они приняты равными между собой.

Поскольку моделируется вогнутая форма поверхности поршня и головки блока цилиндров, поэтому свойствам "Отношение площади крышки цилиндра к площади поперечного сечения цилиндра" и "Отношение площади огневой поверхности поршня к площади поперечного сечения цилиндра" задается значение "1.1", что равно площади этих поверхностей в 1.1 раза больше, чем площадь сечения цилиндра.

Необходимо задать список параметров двигателя, которые будут выводиться в порты блока Параметры двигателя и затем отображаться на графике.

Открыть окно Свойства блока Параметры двигателя выбрать поле "Значение" свойства "Список параметров, выводимых в порты" и нажать на кнопку редактора списка объектов, которая выделена на рисунке (Рис. 30).


Рис. 30. Окно "Свойства" блока "Параметры двигателя" с выделенной кнопкой.
Откроется окно Выбор объектов из списка, в котором при помощи выделения объектов в списках и кнопок Добавить и Удалить, которые выделены на рисунке (Рис. 31), добавить следующие параметры в поле "Приемник":
  1. "Угол коленчатого вала (полный)"
  2. "Давления по цилиндрам"
  3. "Крутящий момент (мгновенное значение)"
  4. "Крутящий момент (среднее значение)"


Рис. 31. Окно "Выбор объектов из списка" свойства "Список параметров, выводимых в порты" блока "Параметры двигателя".

После выбора списка параметров необходимо подтвердить выбор нажатием кнопки Оk. После этого блок изменит список своих выходных портов в соответствии с выбранным списком параметров.

Задание свойств для отображения выходных параметров

Блок Фазовый портрет с подписью "Давления в цилиндрах" будет отображать зависимости давлений в цилиндрах от угла поворота коленчатого вала. Данный блок должен принимать на вход массивы одинаковых размерностей. Массив давлений по цилиндрам имеет размер 4 в соответствии с количеством цилиндров. Для соблюдения равенства размерностей необходимо сформировать массив из четырех значений угла поворота коленчатого вала. Для этого верхнему блоку Размножитель необходимо изменить коэффициент размножения, чтобы сформировать массив из четырех единиц в соответствии с количеством цилиндров.

Открыть окно Свойства блока Размножитель и задать для свойства "Коэффициенты размножения" значение "4#1" согласно рисунку (Рис. 32).


Рис. 32. Окно "Свойства" верхнего блока "Размножитель".

Блок Фазовый портрет с подписью "Крутящий момент" будет отображать значения мгновенного и среднего крутящего момента. Массив из двух значений крутящего момента будет сформирован блоком Мультиплексор. Аналогичным образом необходимо сформировать массив из двух значений угла поворота коленчатого вала: нижнему блоку Размножитель. Для этого необходимо изменить коэффициент размножения для формирования массива из двух единиц на выходе блока.

Открыть окно Свойства блока Размножитель и задать для свойства "Коэффициенты размножения" значение "2#1".

Настройка цикловой подачи топлива будет осуществляться на основе анализа коэффициента избытка воздуха в цилиндрах, поэтому необходимо выводить значения этих коэффициентов на временной график. Коэффициенты избытка воздуха не относятся к общим параметрам работы двигателя, которые отображаются в блоке Параметры двигателя. Полный список всех рассчитываемых параметров доступен в базе данных сигналов.

База данных сигналов

К каждому проекту SimInTech подключается база данных.

База сигналов проекта представляет собой структурированную файловую базу данных, содержащую в себе константы и переменные (сигналы), используемые в одном или нескольких проектах. Также может содержать информационные поля (строковые константы), которые не используются для целей моделирования.

База данных обеспечивает пользователю возможность создавать информационные структуры произвольного состава, содержащие все необходимые переменные и константы для описания модели, обмена данными в комплексных моделях, визуальное представления процесса моделирования на видеокадрах.

Более подробную информацию о базе данных сигнала возможно узнать в справочной системе SimInTech в разделе База данных

Подключение базы данных сигналов осуществляется в окне параметров проекта. Открыть окно параметров проекта возможно одним из следующих способов:
  • через окно проекта, нажатием на кнопку Параметры расчёта, которая выделена на рисунке (Рис. 33)


    Рис. 33. Окно проекта с выделенной кнопкой "Параметры расчёта".
  • через главное окно программы, нажатием на кнопку Параметры расчёта, которая выделена на рисунке (Рис. 34)


    Рис. 34. Главное окно SimInTech с выделенной кнопкой "Параметры расчёта".
  • через меню главного окна программы, путем выбора из контекстного меню Расчёт пункта Параметры расчёта, который выделен на рисунке (Рис. 35)


    Рис. 35. Главное окно программы SimInTech c открытым меню "Расчёт" и выделенным пунктом "Параметры расчёта".
В открывшемся окне Параметры проекта перейти во вкладку Настройки проекта. В секции База данных будут отображаться настойки подключенной к проекту базы данных. По умолчанию проекты шаблона Схема модели общего вида не имеют заранее подключенной базы данных, однако блок Двигатель при добавлении на схему автоматически подключает к проекту пустую шаблонную базу данных, если к проекту не подключена база данных или она не содержит ни одной категории. В данном случае поля "Модуль базы данных проекта" и "Имя файла базы данных проекта" заполнены автоматически блоком Двигатель (Рис. 36):
  • "Модуль базы данных проекта" − "$(Root)\sdb.dll" − по умолчанию файл динамической библиотеки с функционалом базы данных
  • "Имя файла базы данных проекта" − "dvs.db" − созданный автоматически файл базы данных


Рис. 36. Окно "Параметры проекта" с подключенной автоматически базой данных "dvs.db".
Закрыть окно Параметры проекта и открыть окно редактора базы данных любым из следующих способов:
  • через окно проекта, нажатием на кнопку База данных, которая выделена на рисунке (Рис. 37)


    Рис. 37. Окно проекта с выделенной кнопкой "База данных".
  • через главное окно программы, путем выбора из контекстного меню Инструменты пункта База данных, который выделен на рисунке (Рис. 38)


    Рис. 38. Главное окно программы SimInTech с открытым меню "Инструменты" и выделенным пунктом "База данных".
Откроется окно Редактор базы данных сигналов (Рис. 39). К проекту подключена шаблонная база данных, которая не содержит ни одной группы сигналов, но содержит заранее подготовленные категории для групп сигналов коллекторов, цилиндров, турбокомпрессора и двигателя.


Рис. 39. Окно "Редактор базы данных сигналов".
Список сигналов каждой категории доступен при двойном нажатии на имя категории (Рис. 40).


Рис. 40. Окно "Редактор категории" категории "Коллекторы".
Для настройки цикловой подачи топлива необходимо анализировать коэффициент избытка воздуха, который расположен в категории "Цилиндры". Необходимо создать 4 группы данной категории для 4 цилиндров. Для этого необходимо выбрать категорию "Цилиндры" в таблице "Категории" и в таблице "Группы сигналов" нажать на кнопку Добавить несколько групп сигналов, которая обозначена на рисунке (Рис. 41).


Рис. 41. Окно "Редактор базы данных сигналов" с выделенной кнопкой "Добавить несколько групп сигналов" в таблице "Группы сигналов".
Откроется окно Создание новых групп, в котором необходимо записать имена групп: "Cylinder1", "Cylinder2", "Cylinder3", "Cylinder4" согласно рисунку (Рис. 42). Нажать на кнопку Ok для подтверждения изменений и закрытия окна.


Рис. 42. Окно "Создание новых групп" с добавленными наименованиями групп для категории "Цилиндры".
В таблице "Группы сигналов" отобразятся созданные группы. После этого необходимо задать данные имена групп в блоках Цилиндр, чтобы данные блоки записывали значения параметров работы цилиндров в созданные группы. Для этого в свойствах блоков Цилиндр следует задать свойство "Имя группы в базе данных" в соответствии с именами созданных групп и номерами цилиндров, отображаемых рядом с блоками. Например, у блока Цилиндр с номером "№1" следует задать для свойства "Имя группы в базе данных" имя группы "Cylinder1" (Рис. 43). Аналогично задать:
  • для блока Цилиндр с номером "№2" свойство "Имя группы в базе данных" − "Cylinder2"
  • для блока Цилиндр с номером "№3" свойство "Имя группы в базе данных" − "Cylinder3"
  • для блока Цилиндр с номером "№4" свойство "Имя группы в базе данных" − "Cylinder4"


Рис. 43. Окно "Свойства" блока "Цилиндр" с номером "№1".
Для анализа коэффициентов избытка воздуха следует считывать их значения из базы данных и выводить на временной график. Для считывания сигналов из базы данных следует добавить на схему (Рис. 44) 1 блок Чтение из списка сигналов из вкладки Сигналы.


Рис. 44. Рабочая область проекта с установленным блоком "Чтение из списка сигналов".
В добавленном блоке необходимо задать имена считываемых сигналов. Поскольку будет считываться 4 сигнала с одним именем из разных групп (цилиндров), целесообразно решить эту задачу при помощи запроса к базе данных сигналов. Для этого необходимо открыть окно свойств блока Чтение из списка сигналов, выделить поле "Формула" свойства "Имена сигналов" и нажать на появившуюся кнопку, которая обозначена на рисунке (Рис. 45).


Рис. 45. Окно "Свойства" блока "Чтение из списка сигналов" с выделенной кнопкой.
Откроется окно текстового редактора, в котором следует сформировать запрос к базе данных. Сформировать запрос необходимо по всем группам категории "Цилиндры" и сигналам с именем "Alpha", поскольку сигналы с этим именем содержат значение коэффициента избытка воздуха. Следует задать текст запроса в соответствии с рисунком (Рис. 46). Нажать кнопку Применить и закрыть, которая выделена на рисунке (Рис. 46) для подтверждения изменений и закрытия окна.


Рис. 46. Окно с сформированным запросом к базе данных сигнала.

После этого значение свойства "Имена сигналов" автоматически заполнится именами всех сигналов, удовлетворяющих условиям запроса.

Соединение блоков на схеме

Для подключения блоков линиями связи необходимо навести курсор мыши к выходному порту блока Окружающая среда. Курсор мыши изменит свое состояние на "Специальное выделение" (Рис. 47).


Рис. 47. Рабочая область проекта с наведенным курсором мыши к выходному порту блока "Окружающая среда".
Нажать левой кнопкой мыши на выходной порт блока Окружающая среда отобразится линия связи, которая будет следовать за курсором. Сделать точку на углу пересечения с блоком Дроссель нажатием левой кнопкой мыши по рабочей области проекта. После провести курсор мыши в сторону блока Дроссель и нажать левой кнопкой мыши по входному порту блока Дроссель. Отобразится линия связи согласно рисунку (Рис. 48).


Рис. 48. Рабочая область проекта с соединенными блоками "Окружающая среда" и "Дроссель".
Аналогичным способом соединить линиями связи все блоки согласно рисунку (Рис. 49).


Рис. 49. Рабочая область проекта с соединенными блоками.

Настройка параметров расчета

Необходимо настроить Параметры расчёта проекта. Для этого необходимо открыть окно Параметры проекта, где производилась настройка подключения базы данных сигналов, путем нажатия на кнопку Параметры расчёта в окне рабочего проекта. В открывшемся окне установить следующие параметры (Рис. 50):
  • "Минимальный шаг" − "1E-7"
  • "Максимальный шаг" − "0.001"
  • "Метод интегрирования" − "ARK21(Адаптивный 1)"
  • "Конечное время расчёта" − "0.2"


Рис. 50. Окно "Параметры проекта" с измененными параметрами.

Запуск моделирования и построение графиков

После настройки параметров расчета необходимо запустить проект на моделирование. Для этого необходимо в окне проекта нажать на кнопку Пуск, которая выделена на рисунке (Рис. 51).


Рис. 51. Рабочая область проекта с выделенной кнопкой "Пуск".
Аналогичная кнопка установлена на главном окне программы (Рис. 52).


Рис. 52. Главное окно программы SimInTech с выделенной кнопкой "Пуск".
Также запустить моделирование проекта возможно через меню Расчёт главное окна SimInTech, выбрав пункт Пуск (Рис. 53).


Рис. 53. Главное окно программы SimInTech с выделенным пунктом "Пуск" меню "Расчёт".
По завершению процесса моделирование отобразиться окно сообщений с информацией "Конечное время достигнуто (time=0.2)". Необходимо открыть график блока Фазовый портрет с подписью "Давления в цилиндрах" путем нажатия два раза левой кнопкой мыши по нему. Откроется новое окно Фазовый портрет (Рис. 54).


Рис. 54. График блока "Фазовый портрет" с подписью "Давления в цилиндрах".
Необходимо настроить внешний вид графика. Для этого необходимо нажать правой кнопкой мыши по области графика (Рис. 55) для открытия контекстного меню графика. И выбрать пункт Свойства для открытия свойств графика.


Рис. 55. График блока "Фазовый портрет" с подписью "Давления в цилиндрах" с выделенным пунктом "Свойства" контекстного меню.
Откроется окно Свойства графика с открытой вкладкой Графики и оси. Настроить имена графиков во вкладке Графики и оси. В области "Графики" выбрать левой кнопкой мыши строку График и изменить в поле "Название графика" значение по умолчанию на значение "Цилиндр №1" (Рис. 56). Справа от поля "Название графика" отображается квадрат с красным цветом − это цвет отображаемого графика. Оставить это свойство по умолчанию.


Рис. 56. Окно "Свойства графика" блока "Фазовый портрет" с подписью "Давления в цилиндрах" с выделенным свойством "Название графика".
Аналогичным образом изменить значения поля "Название графика" для остальных графиков из списка на следующие имена:
  • "Цилиндр №2"
  • "Цилиндр №3"
  • "Цилиндр №4"
Настроить оси графика. В колонке "Ось X" и "Ось Y" вкладки Графики и оси окна Свойства графика установить следующие значения (Рис. 57):
  • Колонка "Ось X"
    • "Шаг сетки" − "720"
    • "Название оси" − "Угол поворота коленчатого вала, град"
  • Колонка "Ось Y"
    • "Название оси" − "Давление, бар"


Рис. 57. Окно "Свойства графика" графика блока "Фазовый портрет" с подписью "Давления в цилиндрах" с выделенными свойствами области "Ось X" и "Ось Y".
Слева от поля "Название оси" располагается кнопка "Шрифт подписи", которая позволяет открыть редактор шрифта, в котором возможно установить:
  • шрифт
  • размер шрифта
  • кодировку
  • цвет шрифта
  • форматирование: жирный, курсив, подчеркнутый, зачеркнутый
  • шаг шрифта
  • ориентацию по градусам
На вкладке Общие окна Свойства графика блока Фазовый портрет с подписью "Давления в цилиндрах" ввести в поле "Заголовок" название графика "Давления в цилиндрах" (Рис. 58). Для подтверждения изменений и закрытия окна необходимо нажать на кнопку Ok.


Рис. 58. Окно "Свойства графика" блока "Фазовый портрет" с подписью "Давления в цилиндрах" с измененным свойством "Заголовок".
Окно графика блока Фазовый портрет с подписью "Давления в цилиндрах" после изменений должно выглядеть следующим образом (Рис. 59).


Рис. 59. График блока "Фазовый портрет" с подписью "Давления в цилиндрах" с измененным внешним видом.
Аналогичным образом необходимо настроить график блока Фазовый портрет с подписью "Крутящий момент":
  • Вкладка Графики и оси
    • Колонка "Графики"
      • "Название графика" − "Мгновенный"
      • "Название графика" − "Средний"
    • Колонка "Ось X"
      • "Шаг сетки" − "720"
      • "Название оси" − "Угол поворота коленчатого вала, град"
    • Колонка "Ось Y"
      • "Название оси" − "Крутящий момент, Нм"
  • Вкладка Общие
    • "Заголовок" − "Крутящий момент"
После настроек график должен выглядеть следующим образом (Рис. 60). Значение среднего крутящего момента рассчитывается в момент начала нового цикла, поэтому график имеет ступенчатый характер.


Рис. 60. График блока "Фазовый портрет" с подписью "Крутящий момент" с измененным внешним видом.
Аналогичным образом необходимо настроить график блока Временной график с подписью "Коэффициент избытка воздуха":
  • Вкладка Графики и оси
    • Колонка "Графики"
      • "Название графика" − "Цилиндр №1"
      • "Название графика" − "Цилиндр №2"
      • "Название графика" − "Цилиндр №3"
      • "Название графика" − "Цилиндр №3"
  • Вкладка Общие
    • "Заголовок" − "Коэффициент избытка воздуха"
После настроек график должен выглядеть следующим образом (Рис. 61). Значения коэффициентов избытка воздуха обновляются в момент начала цикла в каждом цилиндре, поэтому график имеет ступенчатый характер.


Рис. 61. График блока "Временной график" с подписью "Коэффициент избытка воздуха" с измененным внешним видом.

Графики имеют небольшой спад, который вызван тем, что во впускном коллекторе в качестве начального давления задано атмосферное давление, а в ходе моделирования давление снижается, появляется разрежение и в цилиндры поступает меньшее количество воздуха.

Исследование цикловой подачи топлива

В установившемся режиме коэффициент избытка воздуха имеет значение 0.85 (Рис. 61) при установленном по умолчанию значении цикловой подачи топлива для каждого цилиндра 3.15E-5 кг (блок Характеристики сгорания свойство "Цикловая подача топлива по цилиндрам, кг" − "[3.15E-5 , 3.15E-5 , 3.15E-5 , 3.15E-5]"). Необходимо снизить цикловую подачу топлива, чтобы достичь значения 1.1. Тогда новое значение цикловой подачи будет рассчитано следующим образом: 3.15E-5 ˑ 0.85/1.1 = 2.43E-5 кг.

Открыть окно Свойства блока Характеристики сгорания и задать для свойства "Цикловая подача топлива по цилиндрам, кг" значение "Self.Cyl_N # 2.43E-5".

Запустить проект на моделирование нажатием на кнопку Пуск. Дождаться окончания расчета и открыть график блока Временной график с подписью "Коэффициент избытка воздуха". Установившееся значение должно быть 1.1, что отображено на графике (Рис. 62), значит цикловая подача настроена верно.


Рис. 62. График блока "Временной график" с подписью "Коэффициент избытка воздуха" с установленным значением 1.1.
Теперь необходимо определить средний крутящий момент двигателя на данной частоте вращения. Для этого необходимо открыть окно свойств блока Параметры двигателя и перейти на вкладку Параметры. В параметре "Средний момент" будет отображен средний за цикл крутящий момент двигателя. Его значение должно составлять примерно 130 Нм (Рис. 63).


Рис. 63. Окно "Свойства" блока "Параметры двигателя" с открытой вкладкой "Параметры".

Сохранить все изменения в проекте. Для этого необходимо в главном окне SimInTech выбрать пункт Файл, подпункт Сохранить проект.

Задание 2. Разработка модели двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором

Для построении модели двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором понадобится уже разработанный проект "Бензиновый двигатель.prt". Необходимо создать копию данного проекта и переименовать его на "Двигатель с турбокомпрессором". Для этого необходимо при открытом проекте "Бензиновый двигатель.prt":
  1. В главном окне SimInTech выбрать пункт Файл, подпункт Сохранить проект как
  2. В появившемся окне в поле Имя файла указать имя проекта "Двигатель с турбокомпрессором" и нажать на кнопку Сохранить

Добавление турбокомпрессора

Необходимо увеличить крутящий момент двигателя при той же частоте вращения. Для этого необходимо изменить газовоздушную систему двигателя и добавить турбокомпрессор. Для этого следует выполнить следующие действия:
  1. Удалить 2 блока Дроссель
  2. Добавить на схему блоки библиотеки Двигатели внутреннего сгорания
    • 1 блок Компрессор из подменю Турбокомпрессор
    • 1 блок Турбина из подменю Турбокомпрессор
    • 1 блок Вал ТК из подменю Турбокомпрессор
    • 1 блок Перепускной клапан из подменю Турбокомпрессор
Для удаления блоков из рабочей области проекта необходимо нажать правой кнопкой мыши по блоку Дроссель для открытия контекстного меню и выбрать пункт Удалить (Рис. 64). Для удаления сразу двух блоков Дроссель необходимо зажать клавишу "Shift" и выбрать нажатием левой кнопкой мыши блоки Дроссель, аналогично открыть контекстное меню и выбрать пункт Удалить (Рис. 64). Также удалить блоки возможно нажатием на клавишу "Delete".


Рис. 64. Рабочая область проекта с выделенными блоками "Дроссель" и открытым контекстным меню.
Установить на схему блоки Компрессор, Турбина, Вал ТК и Перепускной клапан из подменю Турбокомпрессор и соединить их линиями связи следующим образом (Рис. 65).


Рис. 65. Рабочая область проекта с добавленными и соединенными блоками.

Задание свойств блоков

Необходимо задать характеристику компрессора. Характеристика задается в виде семейства кривых (изотах) зависимостей массового расхода воздуха и КПД от степени повышения давления на определенной частоте вращения. Компрессор имеет следующие изотахи:
  1. При корректированной частоте вращения 10000 об/мин
    Табл. 1.
    Степень повышения давления 1.035 1.025 1.015 1.0
    Массовый расход воздуха, кг/с 0 0.02 0.04 0.06
    КПД 0.2 0.53 0.64 0.53
  2. При корректированной частоте вращения 50000 об/мин
    Табл. 2.
    Степень повышения давления 1.525 1505 1.415 1.0
    Массовый расход воздуха, кг/с 0 0.03 0.07 0.11
    КПД 0.18 0.65 0.73 0.13
  3. При корректированной частоте вращения 100000 об/мин
    Табл. 3.
    Степень повышения давления 3.11 3.085 3.05 1.0
    Массовый расход воздуха, кг/с 0 0.05 0.1 0.15
    КПД 0.05 0.3 0.7 0.05
На основании данной характеристики следует сформировать массивы и матрицы значений свойств блока Компрессор. Открыть окно Свойства блока Компрессор и установить следующие значения (Рис. 66):
  • "Корректированная частота вращения (массив), об/мин" − "[10000, 50000, 100000]"
  • "Степень повышения давления (матрица)" − "[[1.035, 1.025, 1.015, 1];[1.525, 1.505, 1.415, 1];[3.11, 3.085, 3.05, 1]]"
  • "Корректированный массовый расход (матрица), кг/с" − "[[0, 0.02, 0.04, 0.06];[0, 0.03, 0.07, 0.11];[0, 0.05, 0.1, 0.15]]"
  • "КПД компрессора (матрица)" − "[[0.2, 0.53, 0.64, 0.53];[0.18, 0.65, 0.73, 0.13];[0.05, 0.3, 0.7, 0.05]]"
  • "Эффективное проходное сечение входного отверстия, м²" − "0.00055"


Рис. 66. Окно "Свойства" блока "Компрессор".

Поскольку характеристика компрессора содержит три изотахи, поэтому свойству "Корректированная частота вращения (массив), об/мин" задается массив из трех значений частот вращения.

Характеристики компрессора на каждой частоте вращения определены четырьмя точками, поэтому свойства "Степень повышения давления (матрица)", "Корректированный массовый расход (матрица), кг/с" и "КПД компрессора (матрица)" будут матрицами, содержащими 3 строки по количеству частот вращения и 4 столбца по количеству точек в изотахах. Каждая строка матрицы будет содержать значения соответствующей величины на одной изотахе. Свойству "Эффективное проходное сечение входного отверстия, м²" задается значение аналогичное свойству "Эффективная площадь проходного сечения дросселя, м²" удаленных блоков Дроссель.

Аналогичным образом необходимо задать характеристику турбины. Открыть окно Свойства блока Турбина и установить следующие значения (Рис. 67):
  • "Приведенная частота вращения (массив), об/мин" − "[400, 2000, 4000]"
  • "Степень расширения (матрица)" − "[[1, 1.1, 1.3, 2.4];[1, 1.2, 1.5, 2.8];[1, 1.4, 1.9, 3.5]]"
  • "Приведенный массовый расход (матрица), кг/с" − "[[0, 0.0034, 0.0068, 0.01];[0, 0.0031, 0.0062, 0.01];[0, 0.003, 0.006, 0.01]]"
  • "КПД турбины (матрица)" − "[[0.05, 0.05, 0.1, 0.2];[0.05, 0.1, 0.61, 0.59];[0.05, 0.05, 0.55, 0.67]]"
  • "Эффективное проходное сечение выходного отверстия, м²" − "0.00055"


Рис. 67. Окно "Свойства" блока "Турбина".
Открыть окно Свойства блока Вал ТК и установить следующие значения (Рис. 68):
  • "Момент инерции, кгˑм²" − "5E-5"
  • "Масса, кг" − "0.25"


Рис. 68. Окно "Свойства" блока "Вал ТК".
Для обеспечения давление наддува 1 бар необходимо открыть окно Свойства блока Перепускной клапан и установить следующие значения (Рис. 69):
  • "Давление начала открытия, Па" − "180000"
  • "Давление максимального открытия, Па" − "220000"
  • "Максимальная эффективная площадь сечения клапана, м²"− "0.0004"


Рис. 69. Окно "Свойства" блока "Перепускной клапан".

Настройка параметров расчета

В связи с добавлением турбокомпрессора двигателю потребуется больше времени, чтобы достичь стационарного режима работы. Также в момент начала вращения вала турбокомпрессора будет наблюдаться быстрое изменение характеристик турбины и компрессора, поэтому необходимо снизить значение минимального шага интегрирования в параметрах расчета проекта. Открыть окно Параметры проекта и изменить следующие данные:
  • "Минимальный шаг" − "1E-12"
  • "Конечное время расчета" − "0.7"
Перед запуском моделирования проекта необходимо создать окно временного графика для просмотра частоты вращения вала турбокомпрессора. Для этого необходимо открыть окно Свойства блока Вал ТК и перейти на вкладку Параметры. Выбрать параметр "Частота вращения, об/мин" и нажать на кнопку Создать график, которая выделена на рисунке (Рис. 70).


Рис. 70. Окно "Свойства" блока "Вал ТК" с открытой вкладкой "Параметры" и выделенной кнопкой "Создать график".
Откроется окно с графиком "Частота вращения, об/мин (RPM) в объекте ICE_Engine_1.ICE_TCShaft_1". В свойствах необходимо изменить следующие свойства:
  • Вкладка Графики и оси
    • Колонка "Графики"
      • "Название графика" − "Частота вращения, об/мин"
  • Вкладка Общие
    • "Заголовок" − "Частота вращения, об/мин"
Для простоты восприятия графика крутящего момент следует отключить отображение мгновенного крутящего момента. Для этого необходимо открыть окно Свойства графика блока Временной график с подписью "Коэффициент избытка воздуха". Выбрать график "Мгновенный" и отключить его как указано на рисунке (Рис. 71).


Рис. 71. Окно "Свойства" графика блока "Временной график" с подписью "Коэффициент избытка воздуха"

Запуск моделирования и построение графиков

Необходимо запустить модель, дождаться стационарного режима работы двигателя, при котором частота вращения турбины и средний крутящий момент не будут изменяться. В результате должны получится следующие графики:
  1. График крутящегося момента блока Фазовый портрет (Рис. 72).


    Рис. 72. График блока "Фазовый портрет" с подписью "Крутящий момент".
  2. График параметра "Частота вращения, об/мин" блока Вал ТК (Рис. 73).


    Рис. 73. График параметра "Частота вращения, об/мин" блока "Вал ТК".
  3. График коэффициента избытка воздуха блока Временной график (Рис. 74).


    Рис. 74. График блока "Временной график" с подписью "Коэффициент избытка воздуха".

Из-за повышения давления во впускном коллекторе увеличился коэффициент избытка воздуха. Необходимо изменить значение цикловой подачи. Открыть окно Свойства блока Характеристики сгорания задать для свойства "Цикловая подача топлива по цилиндрам, кг" значение "Self.Cyl_N # 3.9E-5".

Снова запустить процесс моделирования, дождаться окончания моделирования и открыть график блока Временной график с подписью "Коэффициент избытка воздуха" (Рис. 75). В установившемся режиме коэффициент избытка воздуха превышает значение 1.1, заданное значение цикловой подачи выбрано верно.


Рис. 75. График блока "Временной график" с подписью "Коэффициент избытка воздуха" при значении цикловой подачи 3.9E-5.
Открыть график блока Фазовый портрет с подписью "Крутящий момент" (Рис. 76). Благодаря добавлению турбокомпрессора удалось увеличить средний крутящий момент примерно с 130 Нм примерно до 210 Нм.


Рис. 76. График блока "Фазовый портрет" с подписью "Крутящий момент" при значении цикловой подачи 3.9E-5.

Заключение

В данной лабораторной работе были разработаны модели бензиновых двигателей с турбокомпрессором и без него, осуществлен вывод параметров работы двигателя в базу данных сигналов, построены графики параметров работы двигателя и произведена настройка цикловой подачи топлива.