Двигатель внутреннего сгорания

Внешний вид блока в REPEAT VISION

 Блок Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) представляет собой обобщенную модель двигателя внутреннего сгорания, момент вычисляется относительно величин мощности и угловой скорости в о.е. по полиному третьего порядка.

 На вход двигателя подается нормализованной сигнал дроссельной заслонки, принимающий значение от 0 до 1. На выходном порту двигается создается момент, см. рис. 1:

Рис. 1 – Иконка блока ДВС, внешние параметры

Расчет момента для ДВС с принудительным зажиганием и воспламенением от сжатия

 Так как расчеты проводятся в о.е., сначала рассчитывается относительная угловая скорость (1):

(1)\[\omega_{о.е.} = \omega_{ДВС}/\omega_{макс.мощ.}\]

где:

 \(\omega_{ДВС}\) - угловая скорость ДВС, [рад/с];

 \(\omega_{макс.мощ.}\) - угловая скорость ДВС при максимальной мощности (частота вращения при максимальной мощности, величины переводятся в [рад/с] внутри блока).

 Мощность в относительных единицах рассчитывается по формуле (2):

(2)\[P_{о.е.}(\omega_{о.е.})=s_{1} \cdot \omega_{о.е.} +s_{2} \cdot \omega_{о.е.}^2+s_{3} \cdot \omega_{о.е.}^3\]

 Тогда \(P_{о.е.}(1)\) = 1 и \(dP(1)/d\omega\) = 0.

 В именованных единицах мощность равна (3):

(3)\[P_{ДВС} = P_{макс.} \cdot P_{о.е.}(\omega_{о.е.})\]

 Мы знаем, что формула момента ДВС равна (4):

(4)\[T_{ДВС} = P_{ДВС}/\omega_{ДВС}.\]

 Тогда, с учетом относительных единиц и сигнала дроссельной заслонки формула момента приобретет вид (5):

(5)\[T_{ДВС}=\frac{P_{макс.}⋅P_{о.е.}(ω_{о.е.} )}{ω_{о.е.}⋅ω_{макс.мощ.}}\cdotупр.\]

где упр. – входной сигнал дроссельной заслонки (сигнал порта 1 на рис. 1 выше).

Характеристический коэффициент	Тип двигателя - ДВС с принудит. зажиг.	Тип двигателя - ДВС с воспламенением от сжатия
\(s_1\)	1	0.6526
\(s_2\)	1	1.6948
\(s_3\)	-1	-1.3474

Расчет момента для ДВС с расчетом коэффициентов

 Данный тип двигателя подойдет для ваших расчетов, когда вместо скорости при максимальной мощности вам известен максимальный момент двигателя \(T_{макс.}\) и его скорость при максимальном моменте \(\omega_{макс.момент.}\)

 В данном типе скорость при макс. мощности вычисляется по формуле (6):

(6)\[\omega_{макс.мощ.}=\frac{3P_{макс.}+\sqrt{P_{макс.}\cdot (9\cdot P_{макс.}-8 \cdot T_{макс.}\cdot \omega_{макс.момент.})}}{4\cdot T_{макс.}}\]

 Коэффициенты рассчитываются по формулам (7). (8), (9):

(7)\[s_1= \frac{3-4\cdot\frac{\omega_{макс.момент.}}{\omega_{макс.мощ.}}}{2\cdot(1-\frac{\omega_{макс.момент.}}{\omega_{макс.мощ.}})};\]

(8)\[s_2=-\frac{\frac{\omega_{макс.момент.}}{\omega_{макс.мощ.}}}{\frac{\omega_{макс.момент.}}{\omega_{макс.мощ.}}-1};\]

(9)\[s_3=\frac{1}{2\cdot(\frac{\omega_{макс.момент.}}{\omega_{макс.мощ.}}-1)}.\]

 Момент рассчитывается по формуле (10):

(10)\[T_{ДВС}(\omega_{о.е.}) =\frac{2\cdot T_{макс.}}{3-\frac{\omega_{макс.момент.}}{\omega_{макс.мощ.}}}(s_{1} +s_{2} \cdot \omega_{о.е.}+s_{3} \cdot \omega_{о.е.}^2) \cdot упр\]

Холостой ход

 В двигателе внедрена система управления холостым ходом (х.х.), которая автоматически управляет дроссельной заслонкой для поддержания заданной угловой частоты, сигнал управления формируется согласно производной (11):

(11)\[\frac{d(упр_{x.x.})}{dt} =\frac{0.5 \cdot (1 - \tanh 4 \frac{\omega_{ДВС}-\omega_{уст.х.х}}{\omega_{порог х.х.}} )}{\tau_{х.х.}}, \]

где:

 \(\omega_{уст.х.х}\) – уставка по скорости х.х.;

 \(\omega_{порог х.х.}\) – нижний порог частоты вращения х.х.;

 \(\tau_{х.х.}\) – постоянная времени регулятора скорости х.х..

 Стоит отметить, что при наличии входного сигнала управления выбирается сигнал с наибольшим значением (12):

(12)\[упр(упр_{х.х.},упр_{вх.})=MAX(упр_{х.х.},упр_{вх.})\]

Ограничения в модели

 Стоит отметить пару важных ограничений при моделировании с данным блоком:

• Блок ограничивает частоту вращения двигателя диапазоном выше минимальной скорости \(0< \omega_{мин.} < \omega_{ДВС}. \) Однако это не означает, что работа ДВС выше скорости максимальной мощности допустима – после достижения максимальной мощности функция \(P_{о.е.}(\omega_{о.е.}) \) будет убывать и момент может стать отрицательным. При достижении отрицательного момента ДВС автоматически глушится: момент и сигнал управления становятся нулевыми;

• Мощность двигателя на минимальной частоте \(P_{ДВС} (ω_{мин.} )\) должна быть положительной;

• Мощность двигателя на максимальной скорости \(P_{ДВС} (ω_{макс.мощн.} )\) должна быть положительной.

Важные моменты при моделировании с ДВС

• При снижении угловой частоты ниже \(\omega_{мин.} \) ДВС резко глушится, см. рис. 2 ниже, (вырабатываемый момент и сигнал управления равны 0);

• ДВС, как в реальной жизни, сам по себе не запустится, для старта двигателя необходимо приложить угловую скорость выше \(\omega_{мин.}, \) например, в моменте инерции, подключаемого к двигателю, указать начальную скорость.

Рис. 2 Диаграмма мощности/момента ДВС

1.  Свойства

Свойство	Значение по умолчанию	Описание	Единицы измерения
Частота вращения при максимальной мощности	6858.0	-	об/мин
Максимальная мощность	230.0	-	кВт
Минимальная частота вращения вала	200.0	-	об/мин
Постоянная времени двигателя	0.1	-	с
Уставка частоты вращения системы управления холостым ходом	1000.0	-	об/мин
Нижний порог частоты вращения системы управления холостым ходом	300.0	-	об/мин
Постоянная времени регулятора	0.1	-	с
Коэффициент расхода топлива	0.001	-	л/с/Вт
Тип двигателя: Поршневой ДВС с принудительным зажиганием; Поршневой ДВС с воспламенением от сжатия; ДВС с расчетом характеристических коэффициентов	Поршневой ДВС с принудительным зажиганием	-	-
Максимальный момент, доступно при выборе Тип двигателя - ДВС с расчетом характеристических коэффициентов	360.0	-	Н\(\cdot\)м
Скорость при максимальном моменте, доступно при выборе Тип двигателя - ДВС с расчетом характеристических коэффициентов	4300.0	-	об/мин
Пороговая частота вращения вала	10	-	об/мин

2.  Входы и выходы

Параметры	Вход/Выход	Описание	Единицы измерения	Тип порта
Сигнал управления	Вход	-	-	Автоматика
Момент	Выход	-	Н\(\cdot\)м	Вращательное движение

Для того, чтобы посмотреть возможности подключения блока необходимо перейти на страницу Описание портов блоков