автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методика параметрической идентификации модели процессов газообмена двухтактных ДВС

МИХАЙЛОВ Владимир Сергеевич

МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА ДВУХТАКТНЫХ ДВС

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 3 о ЕВ 2011

Уфа - 2010

4853702

Работа выполнена на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Еникеев Рустзм Далилович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Неговора Андрей Владимирович,

каф. тракторы и автомобили, Башкирский государственный аграрный университет

доктор технических наук, профессор Гимранов Эрнст Гайсович, каф. прикладной гидромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет

Ведущая организация: ГСКБ «Трансдизель (г. Челябинск)

Защита диссертации состоится «25» февраля 2011 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ, зал заседаний ученого совета (1 корпус)

e-mail: admin@ugatu.ac.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Телефон (347) 273-77-92, факс (347) 272-29-18,

Автореферат разослан « января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

Ф.Г. Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из главных направлений развития мирового двигателестроения является увеличение удельных мощностных показателей, топливной экономичности, надежности и экологичности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС). Выполнение этих требований предполагает учет большого числа разнонаправлено действующих факторов. Так, для повышения удельных показателей применяют форсирование по частоте, однако при этом в 2-тактных ПДВС сокращается время продувки, наполнения и выпуска отработавших газов. Это приводит к ухудшению протекания процессов в газовоздушном тракте (ГВТ) и, как следствие, снижению экономичности, повышению теплонапряженности деталей и токсичности отработавших газов.

Применение вычислительной техники позволяет проводить большое количество вычислительных экспериментов с различными вариантами исполнения ГВТ. Для решения задачи сквозного расчета процессов в ГВТ наиболее применимы модели, описывающие течение рабочего тела в одномерном приближении; применение таких моделей характеризуется незначительными затратами времени и средств. Принципиально возможно и численное моделирование рабочего процесса двигателя с исчерпывающей физической полнотой и пространственно-временной детализацией, при этом рабочий процесс может быть просчитан по модели, описывающей все известные взаимодействия без упрощений. Однако для практических расчетов модели такого, класса неприменимы, прежде всего из-за сложности учитываемых явлений и вытекающих из этого непомерных требований к вычислительным ресурсам; задачи, решаемые по моделям такого уровня трудно параметризовать (геометрические очертания ГВТ и т. п.). Как следствие, многопараметрическая оптимизация по детальным моделям неосуществима. Поэтому развитие методик применения одномерных моделей для описания протекающих в ГВТ процессов представляется важным и актуальным.

В настоящем исследовании предложена и реализована методика параметрической идентификации одномерной рациональной модели течения рабочего тела в ГВТ 2-тактных ПДВС. Определен количественный уровень и качественный характер отклонений моделирования показателей этого процесса.

Актуальность настоящего исследования определяется тем, что методика параметрической идентификации, а затем и синтеза параметров ГВТ, способна расширить применение одномерных моделей газообмена и сделает возможным получение точных и надежных прогнозных оценок показателей 2-тактных ПДВС на этапах доводки экспериментальных образцов.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка методики параметрической идентификации модели газообмена в ГВТ 2-тактных ПДВС, включающей этапы идентификации и верификации идентифицированной модели.

В соответствии с целью формулировались задачи исследования:

1. Разработать и обосновать методику параметрической идентификации^ одномерной модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС, использующую данные

об интегральных показателях и индикаторные диаграммы базовых образцов исследуемых двигателей.

2. Исследовать и доказать возможность параметрической идентификации модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС по предложенной методике, используя для этого экспериментально определенные величины интегральных показателей и индикаторные диаграммы базовых образцов исследуемых двигателей.

3. Верифицировать модель, полученную идентификацией параметров по методике, определив величины отклонений расчетных значений интегральных показателей от измеренных для ПДВС с выпускными системами, существенно отличающимися от базовых.

Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:

- методы математического моделирования процессов в сложных технических системах, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений;

- экспериментальные исследования на полноразмерных ПДВС;

- методы решения задач многопараметрической оптимизации.

Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Методика

параметрической идентификации одномерной модели процессов газообмена в ГВТ 2-тактных ПДВС проверялась на достоверность сравнением прогнозируемых расчетных показателей с экспериментальными данными. Экспериментальные данные получены измерениями на полноразмерных ПДВС.

Научная новизна

1. Впервые разработана методика параметрической идентификации рациональной одномерной модели процессов в ГВТ ПДВС, в которой в качестве варьируемых параметров выступают параметры замыкающих соотношений вида уравнений в обобщенных переменных.

2. Теоретически обоснована правомерность использования интегральной характеристики продувки-наполнения рабочей камеры для параметрической идентификации модели газообмена в ГВТ 2-тактного ПДВС.

3. На классе 2-тактных ПДВС с волновыми эффектами в ГВТ доказано, что методика позволяет в несколько раз повысить точность расчетных интегральных показателей двигателей как для базового варианта ГВТ, так и для варианта с существенно отличными конструктивными размерами.

Практическая ценность

Разработанная методика, а также результаты расчетных исследований внедрены в промышленности - ОАО УМПО (г. Уфа) и в учебный процесс УГАТУ (г. Уфа).

Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:

1. Повысить точность прогнозирования показателей двигателя при сквозном моделировании по одномерной модели процессов в ГВТ.

2. Использовать предложенную методику в рамках расчетных работ, направленных на параметрический синтез ГВТ.

3. Улучшать характеристики 2-тактных ПДВС при проектировании и доводке для удовлетворения требованиям к их форсированности и экономичности.

На защиту выносится:

1. Методика параметрической идентификации модели процессов в ГВТ ПДВС, в которой в качестве варьируемых выступают параметры зависимостей в обобщенных переменных, привлекаемых для замыкания уравнений рациональной одномерной модели процессов в ГВТ.

2. Использование параметров продувочной характеристики, замыкающей двухзонную модель течения в рабочей камере в период продувки, в качестве варьируемых параметров для параметрической идентификации модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

- применении признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, современного математического аппарата;

- корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа, теории рабочих процессов ДВС и рациональных одномерных моделей газообмена;

- сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальных ПДВС в стендовых условиях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на пятой всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010), на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2009, 2010), на межрегиональной научно-технической конференции на тему «Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения (г. Челябинск, 2010), на XXXVI международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2010), на Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель - 2010» (г. Москва, 2010), на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» (г. Санкт-Петербург, 2010).

Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2005 по 2010 годы.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах, в том числе в 3 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 146 страниц машинописного текста, включающего 123 рисунка, 8 таблиц и библиографический список из 83 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанной с разработкой методики параметрической идентификации модели газообмена в ГВТ 2-тактных ПДВС, направленной на повышение точности одномерных моделей газообмена, формулируется цель работы, основные направления исследований, приводятся выносимые на защиту положения и краткое содержание работы.

В первой главе проведен анализ работ, связанных с темой научного исследования. Рассмотрены и проанализированы научные труды, посвященные проблемам моделирования рабочих процессов и процессов газообмена 2-такт-ных ПДВС таких ученых, как A.C. Орлин, М.Г. Круглов, Б.П. Рудой, Ю.А. Гришин, Н.В. Лобов, A.A. Черноусов, а также ряда зарубежных исследователей, таких, как G.P. Blair, Т. Petrie, H.S. Ricardo, C.F. Caunter, C.F. Taylor, H. List, M. Kadenacy и др. Проведен обзор и анализ моделей, а также способов моделирования рабочих процессов и процессов газообмена в ГВТ ПДВС.

На основе проведенного анализа установлено, что в практику инженерных расчетов показателей ПДВС широко внедрилось численное моделирование течения рабочего тела в сквозной постановке. Протекание процессов при этом может описываться как сложными трехмерными моделями, так и более простыми - одномерными. Применяемые для расчетов модели построены на основе законов сохранения для нестационарного потока реагирующей смеси.

Рабочий процесс теплового двигателя (и, в частности, ПДВС) возможно численно смоделировать с исчерпывающей физической полнотой и пространственно-временной детализацией. Для этого нужно проинтегрировать в пространственно-временной расчетной области связанные уравнения сохранения массы компонентов, количества движения и энергии с реалистичным представлением в них явлений химической кинетики, молекулярного переноса и излучения. Однако на практике детальные модели применяются редко, а используются такие, в которых вводится дополнительное допущение, усредняющее распределение характеристик потока. Неполная адекватность гипотез при решении конкретных задач приводит к заметным отклонениям. В силу сказанного использование моделей указанного класса не гарантирует получение точного решения, а также затрудняет проведение глобальной параметрической оптимизации в оперативном режиме.

Для решения задачи параметрической оптимизации в сквозной постановке расчетного эксперимента удобнее использовать рациональную одномерную модель. Представление рабочих процессов моделями такого класса вызвано их нетребовательностью к ресурсам ЭВМ (быстросчетностью) и возможностью применения их в качестве средства оперативного анализа процессов и автоматизированного параметрического синтеза оптимальных конструкций ГВТ ПДВС при сквозном моделировании.

Под рациональной следует понимать ту из одномерных моделей, уравнения которой вытекают из законов сохранения, полученных на основе гипотез

об одномерных пространственных распределениях, при замыкании уравнений без дополнительных существенных допущений.

Выше изложенное позволяет выдвинуть гипотезу, что для 2-тактного двигателя решение задачи синтеза оптимального ГВТ, обеспечивающего желаемое массовое наполнение, можно рационализировать, опираясь все же на быстрос-четнуго одномерную модель процессов в ГВТ и применяя методику параметрической идентификации используемой модели по набору параметров, выбранному таким образом, чтобы идентифицированную модель можно было бы (с «равномерно» уменьшенной ошибкой моделирования) применять к объекту, с большим успехом предлагая удачные конструктивные мероприятия для достижения требуемых показателей изделия. Основой для этой гипотезы служат данные о том, что соответствующие вспомогательные модели нестационарного течения по длинному каналу и квазистационарного течения через местное сопротивление весьма адекватны описываемым явлениям.

Во второй главе рассмотрены пространственные модели течения в ГВТ ПДВС, в основе которых лежат законы сохранения и сделаны два необходимых допущения, позволяющих описывать реагирующую газовую смесь как сплошную среду, все точки которой находятся в состоянии локального термодинамического равновесия. Справедливость принятых гипотез в условиях, наблюдаемых в рабочем процессе теплового двигателя, определяет адекватность получаемых на их основе детальной модели течения реагирующей смеси.

Условием сохранения массы компонента к в произвольном объеме является уравнение (для к = 1,..., К):

| о „^ + [¡у^У.

С учетом массовых сил закон сохранения количества движения для смеси можно записать в виде:

~ + [Эп 1ГЯУ = 1±(рк ак) С1У,

си к-1

где /)/у Л - операция дивергенции тензора, ак = ак (г, 0 - ускорение массовой

силы для к-го компонента.

Уравнение сохранения энергии движущейся смеси в интегральной форме имеет вид:

— [ рЫУ ■■ Л

ру

Г | |1\

М

/г + — 2

ч

+ я;

П(1Р +

к. I

где вектор Ц может задаваться феноменологическим законом теплопроводности Фурье:

ц = -к gl"adГ или qj =

ВТ

дXj '

где к = к(р,Т,К,,...,коэффициент теплопроводности смеси.

Течение рабочего тела в тепловом двигателе происходит, как правило, в турбулентном режиме. Сквозной расчет течения в ГВТ теплового двигателя на ЭВМ непосредственно по законам сохранения, дополненным общепринятыми моделями кинетики и молекулярного переноса, в принципе возможен. Такой подход к численному расчету турбулентного течения называется прямым численным моделированием {Direct Numerical Simulation, DNS). Однако такой подход неприменим для практических расчетов рабочих процессов тепловых двигателей, так как требует вычислительных ресурсов, превышающих возможности современных супер-ЭВМ.

Первыми моделями, позволившими рассчитывать турбулентные течения при решении инженерных задач, стали модели на основе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу {Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS). Этот подход предполагает замыкание уравнений с привлечением модельных гипотез и полуэмпирических моделей, необходимых для описания соотношений, характерных для осредненного поля турбулентного течения. Недостаток таких моделей в том, что в них использовано допущение о градиентном характере переноса. Главным недостатком подхода RANS является его направленность на получение осредненной картины течения по всем масштабам пульсаций. Недостатки этого подхода и моделей замыкания ограничивают их универсальность при решении задач, связанных с тепловыми двигателями.

Описаны модели, выведенные из законов сохранения, справедливых в одномерном приближении, описывающие рабочие процессы и процессы газообмена ПДВС. Условия сохранения масс К компонентов смеси и внутренней энергии смеси в переменном объеме выражаются уравнениями:

^ = ±{GYk)J+VWta>tZ ,* = 1,(1)

где U = m = И p = m/V.

В приведенной системе законов сохранения учтены: объемное тепловыделение от внешних источников энергии dQtMm/dt на т кг смеси, в форме теплоты по механизму теплообмена со стенкой с температурой Tw(t), и обмен с внешней средой энергией в форме работы сжатия - расширения объема V(t).

Уравнения (1) и (2) образуют систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которые используются для описания процессов в элементах ГВТ ДВС, таких как рабочая камера, кривошипная камера, ресивер.

Представленные модели пониженной пространственной размерности, которые были разработаны на кафедре ДВС УГАТУ, позволяют описывать протекающие в рабочей камере процессы с учетом смены заряда и переработки исходных компонентов рабочего тела в продукты сгорания. В работе используется представление рабочего тела в виде смеси двух компонентов - свежего заряда и продуктов сгорания.

Для выполнения прямого расчета интегральных показателей двигателя используется одномерная рациональная модель ГВТ. При этом в модели ис-

пользуется методика замыкания для местных и путевых потерь и интегральных показателей продувки рабочей камеры. Для замыкания модели процессов в рабочей камере проводилась идентификация параметров закона выгорания. Проведенные по одномерной модели расчеты показывают, что получаемая величина отклонения моделирования показателей двигателя, работающего по внешней скоростной характеристике (ВСХ) и учитывающей колебания параметров в проточной части, оказывается неприемлемой для инженерных расчетов.

Задаваясь целью снижения отклонений моделирования, применительно к задаче расчета показателей газообмена и интегральных параметров 2-тактных двигателей, работающих по ВСХ, предлагается использовать методику параметрической идентификации модели газообмена. После чего идентифицированная модель позволит более достоверно воспроизводить показатели ПДВС «настроенного», например, на другой диапазон оборотов.

Предлагаемую методику удобно представить в виде нескольких этапов, где первоначально оценивается работоспособность модели в исходном состоянии. На этом этапе выполняется прямой расчет по исходным данным с применением характеристик разветвлений в нестационарном потоке, характеристик граничных сечений газовоздушного тракта, закона выгорания и продувочной характеристики рабочей камеры. Эти характеристики определяются натурным или численным экспериментом по специальным методикам.

На втором этапе методики производится параметрическая идентификация модели газообмена по условию соответствия выбранному набору данных об объекте. Осуществляется обоснованный выбор варьируемых параметров идентификации. В силу рациональности применяемой модели варьируемыми параметрами могут быть только те, что определяют протекание эмпирических зависимостей, служащих замыкающими модельными соотношениями для элементов ГВТ ПДВС. Использование в качестве варьируемых параметров характеристик моделей граничных сечений недопустимо. Модель выгорания сама может быть «откалибрована» путем параметрической идентификации, и если далее процесс газообмена смоделировать в точности, итоговая модель процессов в ГВТ, предположительно, будет выдавать весьма близкую к измеренной индикаторную мощность. Показано, что в случае 2-тактного двигателя для использования в качестве варьируемых остаются параметры модели продувки, а именно - продувочной характеристики, замыкающей двухзонную модель и позволяющей с более высокой точностью рассчитывать как массовое наполнение, так и потери свежей смеси при продувке рабочей камеры. Именно данная зависимость была выбрана для решения обратной задачи подбора варьируемых параметров. В качестве таковых, были приняты семь параметров продувочной характеристики (рис. 1): х0- точка отрыва кривой (предельный относительный объем зоны свежей смеси, при котором из выпускных окон истекает газовая смесь только из зоны продуктов сгорания), и координаты трех промежуточных точек кривой для интерполяции продувочной характеристики многочленом четвертой степени. Предполагается, что такое сочетание параметров продувочной характеристики обеспечит необходимое для параметрической идентификации разнообразие вариантов ее протекания.

8

Рисунок 1 - Выбор варьируемых параметров продувочной характеристики для идентификации модели

Оптимальное протекание продувочной характеристики определяется путем идентификации по результатам измерений на двигателе в условиях стенда.

В качестве целевой функции берется сумма квадратов относительных разностей расчетных и экспериментальных значений и в точках ВСХ:

/ = I

К,

\2

Решение задачи отыскивается посредством многопараметрической оптимизации (рис. 2), позволяющей найти такое сочетание значений параметров идентификации, которое доставляет глобальный экстремум целевой функции.

Подготовка исходны» данных

Выполнение расчета

Обработка результатов

Рисунок 2 - Схема расчета по одномерной модели с использованием методики параметрической идентификации

Таким образом, в работе решается задача идентификации модели рабочего процесса в ГВТ двигателя, выполняемая для повышения точности и надежности предсказываемых моделированием параметров ДВС.

Проверка полученной идентифицированной модели осуществляется верификацией - сопоставлением расчетных показателей с показателями двигателя с другой выпускной системой (в частности, «настроенной» на иной диапазон оборотов). Решение этой задачи представляет собой определение степени достоверности результатов, даваемых идентифицированной моделью.

Предлагаемая методика параметрической идентификации проверена на двух 2-тактных двигателях с выраженными волновыми явлениями на выпуске: АПД-800 - двигатель с принудительным воспламенением и внешним смесеобразованием разработки Уфимского моторостроительного производственного объединения, и ЯАЗ-М204А - двигатель с воспламенением от сжатия и внутренним смесеобразованием, производства Ярославского моторного завода.

В третьей главе представлены результаты стендовых испытаний двигателя АПД-800, оборудованного выпускными системами, настроенными на различные диапазоны оборотов. Следовало подтвердить, что использование предложенной методики параметрической идентификации модели газообмена, повышает точность расчета показателей моделируемого 2-тактного ПДВС. С этой целью измерены показатели расхода воздуха Св(п) и индикаторной мощности N¡(11) при работе по ВСХ, выполнено индицирование двигателя.

Для проведения экспериментов использована исследовательская установка (рис. 3, а) в составе двигателя АПД-800 с настроенной выпускной системой, электромеханической динамометрической тормозной машины АРА 100 фирмы АУЬ и специализированного оборудования фирмы АУЬ для выполнения инди-цирования рабочей камеры. Все измерения соответствуют требованиям ГОСТ 14846-81. Измерения проведены на двигателе с настроенной выпускной системой базового варианта конструкции (рис. 3, б), используемой для идентификации модели, и с выпускной системой, используемой для верификационных расчетов (рис. 3, в).

а б в

Рисунок 3 - а) двигатель АПД-800 в составе исследовательской установки; б) выпускная система для идентификации; б) выпускная система для верификации

В результате проведенных испытаний получен набор данных, по которым построены кривые изменения давления в рабочей камере двигателя при работе по ВСХ для вариантов с выпускной системой базовой конструкции и в комплектации с выпускной системой, используемой для верификации.

Для построения зависимости индикаторной мощности от оборотов N¡(n) выполнялась обработка результатов измерений с помощью специально разработанной программы indie. Эта программа позволяет обрабатывать результаты измерения индикаторного давления в рабочей камере в каждой точке ВСХ и получать характеристику индикаторной мощности двигателя. Значения индикаторной работы циклов L¡ определялись для каждой точки зависимости М,(п), причем каждая зависимость индикаторного давления в рабочей камере от угла поворота коленчатого вала (ПКВ) представлена как средняя по пятидесяти циклам. Численное интегрирование велось с шагом в один градус ПКВ методом прямоугольников второго порядка с учетом номинальной кинематики кривошипно-шатунного механизма исследуемого двигателя. Значение давления рРК(ф) определялось линейной интерполяцией без какого-либо сглаживания сигнала. За начало цикла принимался момент нахождения поршня в нижней мертвой точке, получаемый автоматически с помощью датчика положения коленчатого вала A VL 365C-SET-MULTIPLIER.

На первом этапе расчетных работ проводился ряд подготовительных мероприятий, в ходе которых рассчитаны характеристики граничных сечений газовоздушного тракта с использованием средств вычислительной гидрогазодинамики (пакетFIRE, фирмы AVL GmbH), также вычислительным экспериментом получена продувочная характеристика. Для двигателя АПД-800 рассчитана нестационарная газодинамическая характеристика тройника, имеющегося в выпускной системе.

Структурные схемы модели ГВТ создавались в графической среде системы имитационного моделирования (СИМ) Horsepower Lab ID с учетом их основных особенностей, и задавались исходные данные, включая характеристики элементов ГВТ. Данная СИМ была использована для всех численных расчетов процессов в ГВТ.

Проведен расчет по одномерной модели, идентифицированиой по закону выгорания, но без идентификации по продувочной характеристике. Полученные из расчета показатели исследуемого двигателя (рис. 4, а) сравниваются с характеристиками, полученными на двигателе в условиях стенда. Из представленных результатов видно, что величина отклонения расчетных показателей в некотором диапазоне оборотов имеет неприемлемое значение, а именно, отклонение расчетной характеристики от измеренной достигает для расхода воздуха 60%, а для индикаторной мощности 40%. Такая величина отклонения при выполнении мероприятий по доводке двигателя недопустима.

На следующем этапе выполнялся расчет с применением методики идентификации модели ГВТ выбранного объекта исследования, при этом использованы результаты измерений двигателя, установленного на стенд в варианте, когда он был укомплектован выпускной системой, используемой для идентификации модели. Полученные зависимости представлены на рис. 4, б.

а б

Рисунок 4 - Расчетные и экспериментальные значения интегральных показателей: а) расчет без идентификации модели; б) расчет с идентификацией модели

Для верификации модели ГВТ проведены расчеты по идентифицированной модели газообмена для двигателя, работающего по ВСХ. Для оценки величины отклонения моделирования, показатели ДВС, полученные в результате этих расчетов сравниваются с показателями, измеренными на двигателе с другой выпускной системой (рис. 5).

Рисунок 5 - Расчетные и экспериментальные значения интегральных показателей на этапе верификации модели: а) индикаторная мощность; 6) расход воздуха

Анализ полученных результатов показывает, что применение методики параметрической идентификации повышает точность моделирования параметров ПДВС. Погрешность расчета индикаторной мощности двигателя АПД-800 снижена в четыре раза, а характеристики расхода воздуха - в шесть раз (рис. 4). Расчеты с выпускной системой, настроенной на другой диапазон оборотов (верификационный расчет), показывают, что величина отклонения моделируемых

интегральных показателей от измеренных в условиях стенда не превышает 10% (рис. 5).

В четвертой главе представлены результаты стендовых испытаний двигателя ЯАЗ-М204А, также оборудованного двумя (идентификационной и верификационной) выпускными системами. Исследование проводилось с целью подтверждения эффективности методики параметрической идентификации для расчетов 2-тактных ПДВС с внутренним смесеобразованием, для чего выполнялись измерения показателей работы двигателя по ВСХ (расхода воздуха С„(и) и индикаторной мощности Ы^п)) и индицирование рабочей камеры.

Для проведения экспериментов была собрана исследовательская установка (рис. 6, а) в составе двигателя ЯАЗ-М204А и электромеханической динамометрической тормозной установки 11)5 541 N фирмы УБЕТШ. В рабочем состоянии была оставлена ближняя к валу отбора мощности секция двигателя, прочие секции двигателя выключены из работы. Выпускные каналы сообщены с тупиковым коллектором, выпускные клапаны извлечены, а каналы в направляющих втулках заглушены, насос-форсунки отсоединены от подающей и сливной топливных магистралей и от топливной рейки, и зафиксированы в закрытом положении. Все измерения соответствуют требованиям ГОСТ 14846-81. Единственная рабочая секция ЯАЗ-М204А снабжалась специально спроектированными трубопроводами (рис. 6, б и в), используемыми для идентификации и верификации соответственно.

а б в

Рисунок б - а) двигатель ЯАЗ-М204А в составе исследовательской установки; б) выпускная система для идентификации; в) выпускная система для верификации

В результате проведенных измерений получены данные, по которым построены характеристики изменения давления в рабочей камере двигателя при работе по ВСХ для вариантов с выпускной системой, используемой для идентификации, и в комплектации с выпускной системой, используемой для верификации.

Построение зависимостей индикаторных мощностей от оборотов N¡(п) для двигателя ЯАЗ-М204А выполнялось так же, как и для двигателя АПД-800, с помощью программы тсИс.

В ходе проведения подготовительного этапа моделирования произведен расчет характеристик граничных сечений ГВТ в пакете FIRE, а также интегральной характеристики газообмена в рабочей камере. После этого создавалась структурная схема модели ГВТ двигателя ЯАЗ-М204А в СИМ Horsepower Lab ID, задавались исходные данные и проводился расчет.

Первоначально проводилось выполнение прямого расчета по одномерной модели, где для замыкания процессов в рабочей камере выполнялась идентификация закона выгорания. Полученные расчетом показатели (рис. 7, а) сравниваются с характеристиками, измеренными на двигателе в стендовых условиях. Из полученных результатов видно, что величина отклонения расчетных показателей в рабочем диапазоне оборотов имеет неприемлемое значение, а именно, отклонение расчетной характеристики расхода воздуха от измеренной достигает 20%, а характеристики индикаторной мощности - 30%. Присутствие такой величины отклонения моделируемых показателей недопустимо при выполнении мероприятий по доводке двигателя.

На следующем этапе проводился расчет с применением методики параметрической идентификации, где использовались результаты измерений на двигателе в условиях стенда, когда он был укомплектован выпускной системой используемой для идентификации модели. Полученные зависимости представлены на рис. 7, б.

а б

Рисунок 7 - Расчетные и экспериментальные значения интегральных показателей: а) расчет без идентификации модели; б) расчет с идентификацией модели.

Для верификации модели ГВТ проведены расчеты по идентифицированной модели газообмена для двигателя, работающего по ВСХ. Для оценки величины отклонения моделирования показатели ДВС, полученные в результате этих расчетов, сравниваются с измеренными на двигателе с другой выпускной системой (рис. 8).

NuxBm

40

35

Ж

25 20 -----*—«

15

10 5 i ""' расч. —о— эксп. *

а

Gé,кг/ч

450

400

360 . *

Х- - ——•

300 Л"'

250 200 rJK'

150 расч. - о- -

too эксп. ■

50

0

500 605 710 «1S 620 1025 ИЗО 1235 1340 14451550 л; Л1ШГ

б

НЮ №5 710 «15 920 1025 ИЗО 1235 1340 14451550 л, MUK'

а

Рисунок 8 - Расчетные и экспериментальные значения интегральных показателей на этапе верификации модели: а) индикаторная мощность; б) расход воздуха.

В результате проведенного расчетно-экспериментального исследования показано, что применение методики параметрической идентификации для 2-тактных двигателей с внутренним смесеобразованием позволяет повысить точность расчета параметров ПДВС. Для двигателя ЯАЗ-М204А величина почетности расчета индикаторной мощности снижена в шесть раз, а расхода воздуха (в рабочем диапазоне оборотов) - в два раза (рис. 7). При этом величина отклонения моделируемых интегральных показателей в рабочем диапазоне оборотов (при изменении условий однозначности, в частности, с другой выпускной системой) относительно измеренных в условиях стенда, не превышает 10% (рис. 8).

В заключении подведены итоги выполненного исследования и проведена оценка полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Обоснована, сформулирована и реализована методика моделирования процессов в ГВТ двухтактных ДВС с волновыми явлениями в выпускной системе, направленная на повышение точности результатов расчетов. В основу методики положена параметрическая идентификация модели течения при продувке рабочей камеры ДВС по известным (измеренным) значениям интегральных показателей и индикаторных диаграмм базового образца ДВС.

2. Проведена параметрическая идентификация моделей процессов в ГВТ двухтактных ПДВС по предложенной методике. Выполнены измерения соответствующих показателей двух полноразмерных ПДВС указанного класса, различающихся способом смесеобразования и продувки. Установлено, что отклонения интегральных параметров расхода воздуха и индикаторной мощности от измеренных не превысили 10% на участке ВСХ, подвергнутом идентификации, тогда как базовая модель давала в несколько раз большие отклонения. Таким образом, в обоих случаях применение методики идентификации модели позволило получить достаточно достоверные (для двухтактных ДВС с настроенным ГВТ) результаты.

3. Проведена верификация моделей, полученных идентификацией параметров продувочных характеристик двигателей. Выполнены расчеты показателей двигателей в комплектации с другими выпускными системами, как настроенными на другой диапазон оборотов, так и ненастроенными. Показано, что модель сохраняет способность предсказывать величины тех же интегральных показателей ПДВС с отклонением, не превышающим 10%, для тех же участков внешних скоростных характеристик. Таким образом, предложенная методика идентификация модели прошла проверку практикой, включая верификацию, на реальных двигателях выбранного класса.

Таким образом, в работе сформулирована, реализована и проверена методика параметрической идентификации одномерной модели процессов в ГВТ двухтактных ПДВС с волновыми явлениями в выпускной системе. Методика предназначена для повышения точности результатов моделирования с использованием интегральных показателей и индикаторных диаграмм прототипа двигателя. Проведено тестирование (проверка) методики на полноразмерных двигателях, которое подтвердило высокую точность расчетных значений их показателей. Данную методику можно рекомендовать для применения в процессах проектирования и доводки двухтактных двигателей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Рособрнадзора:

1. Михайлов B.C. Газообмен и эффективные показатели ДВС с двухкон-турной системой впуска / Р.Д. Еникеев, B.C. Михайлов // Вестник УГАТУ. 2007. Т 9, № 6 (24). С. 82-97.

2. Михайлов B.C. Методика параметрического синтеза ГВТ ДВС по рациональным быстросчетным моделям процессов газообмена/ B.C. Михайлов // Вестник Академии Военных Наук, № 1 (30) (спецвыпуск), Москва, 2010. С. 126-132.

3. Михайлов B.C. Расчетно-экспериментальное совершенствование процессов газообмена двигателя АЦД-800/ Р.Д. Еникеев, В.Ю. Иванов, B.C. Михайлов, В.Ф. Нурмухаметов, С.П. Павлинич, A.A. Черноусов // Вестник УГАТУ. 2010. Т. 14, № 2 (37). С. 13-20.

В других изданиях, включая труды Всероссийских и международных НТК:

4. Михайлов B.C. Опыт применения расчетных продувочных характеристик при моделировании газообмена двухтактных двигателей/ A.A. Черноусов,

B.C. Михайлов // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей: Межвузовский научный сборник. Уфа. Выпуск 22, УГАТУ, 2008.

C. 237-253.

5. Михайлов B.C. Расчетное исследование путей совершенствования процессов газообмена двухтактного двигателя АПД-800/ B.C. Михайлов // Мав-лютовские чтения: Материалы конференции. Уфа, УГАТУ. 2009. Т.1. С. 123-124.

6. Михайлов B.C. Методика параметрического синтеза газовоздушных трактов ДВС по одномерной модели процессов газообмена/ B.C. Михайлов // Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов пятой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых учёных. Уфа, УГАТУ. 2010. Том 2. С. 262-266.

7. Михайлов B.C. Методика параметрического синтеза газовоздушных трактов двухтактных ДВС по одномерной модели процессов газообмена/

B.C. Михайлов // XXXVI Гагаринские чтения: Международная молодежная научная конференция. Москва, МАТИ. 2010. Т.2. С. 178-180.

8. Михайлов B.C. Методика параметрической идентификации газовоздушных трактов двухтактных ДВС по одномерной модели процессов газообмена/ B.C. Михайлов // Мавлютовские чтения: Материалы конференции. Уфа, УГАТУ. 2010. Т.1 - с. 81 - 82.

9. Михайлов B.C. Параметрическая идентификация одномерной модели газообмена в газовоздушном тракте двухтактных двигателей/ B.C. Михайлов // Двигатель - 2010: Сборник научных трудов международной конференции, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва. МГТУ. 2010.

C. 239-243.

10. Михайлов B.C. Методика параметрической идентификации модели процессов газообмена в ГВТ двухтактных ДВС/ B.C. Михайлов // Актуальные проблемы развития поршневых ДВС: Материалы межотраслевой научно-технической конференции. Санкт-Петербург. СПбГМТУ. 2010. С. 68-69.

Диссертант

B.C. Михайлов

МИХАЙЛОВ Владимир Сергеевич

МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА ДВУХТАКТНЫХ ДВС

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 27.12.2010. Формат 60 х 84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр. - отг. 1,0. Уч. - изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 537.

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа - центр, ул. К.Маркса, 12

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

Основные сокращения.

Обозначения физических величин.

0. ВВЕДЕНИЕ.

0.1 Актуальность исследования.

0.2 Цель и задачи исследования.

0.3 Методы исследования.

0.4 Научная новизна.

0.5 Практическая ценность и достоверность научных положений.

0.6 Апробация работы, публикации.

0.7 Содержание работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Введение.

1.2 Обзор современного состояния проблемы моделирования процессов газообмена двухтактных двигателей.

1.3 Анализ современных способов моделирования процессов газообмена двухтактных ДВС.

1.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ.

2.1 Введение.

2.2 Модели пространственного течения рабочего тела.

2.3 Модели течения пониженной пространственной размерности.

2.4 Методика параметрической идентификации модели газообмена.

2.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ АПД-800, ИЗМЕРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СТЕНДА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.

3.1 Описание экспериментального двигателя.

3.2 Измерение характеристик двигателя в условиях стенда.

3.2.1 Измерительная аппаратура.

3.2.2 Методика эксперимента на двигателе в условиях стенда.

3.2.3 Результаты выполненных измерений на двигателе.

3.3 Получение характеристик двигателя вычислительным экспериментом

3.3.1 Методика проведения вычислительного эксперимента.

3.3.2 Получение характеристик элементов ГВТ двигателя АПД-800.

3.3.3 Получение продувочной характеристики рабочей камеры двигателя. АПД-800.

3.3.4 Результаты вычислительного эксперимента.

3.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЯАЗ-204, ИЗМЕРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СТЕНДА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.

4.1 Описание экспериментального двигателя.

4.2 Измерение характеристик двигателя в условиях стенда.

4.2.1 Измерительная аппаратура.

4.2.2 Методика эксперимента на двигателе в условиях стенда.

4.2.3 Результаты выполненных измерений на двигателе.

4.3 Получение характеристик двигателя вычислительным экспериментом!

4.3.1 Методика проведения вычислительного эксперимента.

4.3.2 Получение характеристик элементов ГВТ двигателя ЯАЗ-М204А.

4.3.3 Получение продувочной характеристики рабочей камеры двигателя ЯАЗ-М204А.

4.3.4 Результаты вычислительного эксперимента.

4.4 Выводы по главе.

0.1 Актуальность исследования

Анализируя развитие мирового* двигателестроения, можно сказать, что одним из главных направлений является увеличение удельных мощностных показателей, топливной экономичности и долговечности. Вопрос экономичности встает особенно остро в связи с ограниченными объемами' запасов нефти и газа, так как одним из основных потребителей топлив на основе ископаемого сырья являются поршневые ДВС (ПДВС).

Общая мощность ПДВС составляет 80 - 85% установленной мощности всех энергоустановок мировой энергетики, что примерно в 5 раз больше мощности всех стационарных электростанций, поэтому экономичность данного типа энергоустановок играет ведущую-роль в топливном балансе, как нашей страны, так и мира в целом [3].

Для повышения удельных показателей современных двигателей применяют различные подходы. Форсирование двигателей по скоростному режиму и литровой мощности является1 одним из таких подходов, однако при этом, в частности у 2-тактных ПДВС, сокращается время продувки, наполнения и выпуска отработавших газов. Это приводит к ухудшению протекания процессов в ГВТ, снижению экономичности, увеличению потерь в органах газообмена, повышению теплонапряженности и токсичности выпускных газов ПДВС.

При проведении работ по повышению эффективности процессов продувки, наполнения и выпуска отработавших газов 2-тактных ПДВС нужно учитывать воздействие различного рода факторов, таких как конфигурация основных образующих органы газообмена элементов, их относительное расположение, профиль, величина шероховатости и т.п. [6, 7, 17].

В настоящее время применяются различные методы ускоренной проработки органов газообмена, так как их использование позволяет достаточно быстро и с небольшими материальными затратами получить оптимальное сочетание параметров ГВТ ПДВС. Поэтому все реже для оптимизации процессов в ГВТ используются модели [31] из гипса, быстротвердеющих пластмасс или смол, а также прозрачных материалов для визуализации потока [13], так как они требуют больших временных затрат.

Влияние большого количества факторов на процессы, протекающие в ГВТ 2-тактных ПДВС, приводит к тому, что задача определения?оптимальных размеров и формы органов газообмена пока не может быть решена только с помощью расчетно-теоретических методов. Поэтому экспериментальные исследования' и доводка необходимы! при- проведении работ по совершенствованию параметров ГВТ [12, 32, 51].

Вопросам совершенствования процесса газообмена посвящено немалое количество работ [17, 24, 30, 39; 40], однако на сегодняшний день не создано методики,математического моделирования, которая при полном и всестороннем описании процессов физических явлений, протекающих в ГВТ, позволяет существенно ускорить и облегчить процесс проработки органов газообмена 2-тактных ПДВС. Поэтому разработка и формулирование методики, способной существенно повысить точность и надежность прогнозных оценок показателей 2-тактных ПДВС, считается актуальной.

В. настоящем исследовании предложена и реализована методика параметрической идентификации модели процессов газообмена по одномерным рациональным моделям течения? рабочего тела в газовоздушном тракте 2-тактных ПДВС. Определен количественный уровень и качественный характер отклонений прогнозирования показателей этого процесса. В качестве варьируемых переменных могут быть использованы параметры рационально выбранных замыкающих соотношений. При этом варьируемые параметры должны оказывать существенное влияние на характер протекания задаваемых ими характеристик. В этом случае сохраняется возможность применения идентифицированной модели при масштабировании или других изменениях условий однозначности.

Численное' моделирование рабочего процесса теплового двигателя с исчерпывающей физической, полнотой-и-пространственно-временной детализацией возможно. Однако, применение методики параметрической идентификации по детальной трехмерной модели, (даже с использованием ресурсов-многопроцессорных ЭВМ) представляется трудно выполнимой задачей* в1 силу сложности параметризации объекта исследования. Поэтому применение одномерных моделей для описания процессов, протекающих в ГВТ, представляется важным:

Актуальность настоящего исследования определяется тем, что методи-капараметрической идентификации, а затем и. синтеза параметров ГВТ, расширит применение одномерных моделей газообмена и-сделает возможным, получение точных и надежных прогнозных оценок показателей 2-тактных ПДВС на этапе доводки экспериментального образца.

0^2 Цель и задачи исследования

Целью исследования является разработка методики параметрической идентификации модели газообмена в ГВТ 2-тактных ПДВО, включающей этапы, идентификации и верификации идентифицированной модели.

В соответствии с целью формулировались задачи исследования:

1. Разработать и обосновать методику параметрической идентификации одномерной модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС, использующую данные об интегральных показателях и индикаторные диаграммы базовых образцов'исследуемых двигателей.

2. Исследовать и доказать возможность параметрической идентификации модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС по предложенной методике, используя для этого экспериментально определенные величины интегральных показателей и индикаторные диаграммы базовых образцов исследуемых двигателей.

3. Верифицировать модель, полученную идентификацией параметров по методике, определив величины отклонений расчетных значений интегральных показателей от измеренных для ПДВС с выпускными системами, существенно отличающимися от базовых.

0.3 Методы исследования

При выполнении работы использованы следующие методы исследования:

- методы математического моделирования процессов в сложных технических системах, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных алгебраических уравнений;

- экспериментальные исследования на полноразмерных ПДВС;

- методы решения задач многопараметрической оптимизации.

Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Методика параметрической идентификации одномерной модели процессов газообмена в ГВТ 2-тактных ПДВС проверялась на достоверность сравнением прогнозируемых расчетных показателей с экспериментальными данными. Экспериментальные данные получены измерениями на полноразмерных ПДВС.

0.4 Научная новизна

1. Впервые разработана методика параметрической идентификации рациональной одномерной модели процессов в ГВТ ПДВС, в которой в качестве варьируемых параметров выступают параметры замыкающих соотношений вида уравнений в обобщенных переменных.

2. Теоретически обоснована правомерность использования интегральной характеристики продувки-наполнения рабочей камеры для параметрической идентификации модели газообмена в ГВТ 2-тактного ПДВС.

3. На классе 2-тактных ПДВС с волновыми эффектами в ГВТ доказано, что методика позволяет в несколько раз повысить точность расчетных интегральных показателей двигателей как для базового варианта ГВТ, так и для варианта с существенно отличными конструктивными размерами.

0.5 Практическая ценность и достоверность научных положений

Разработанная методика, а также результаты расчетных исследований внедрены в промышленности - ОАО УМПО (г. Уфа) и в учебный процесс УГАТУ (г. Уфа).

Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:

1. Повысить точность прогнозирования показателей двигателя при-сквозном моделировании по одномерной модели процессов в ГВТ.

2. Использовать предложенную методику в рамках расчетных работ, направленных на параметрический синтез ГВТ.

3. Улучшать характеристики 2-тактных ПДВС при проектировании и доводке для удовлетворения требованиям к их форсированности и экономичности.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Методика параметрической идентификации модели процессов в ГВТ ПДВС, в которой в качестве варьируемых выступают параметры зависимостей в обобщенных переменных, привлекаемых для замыкания уравнений рациональной одномерной модели процессов в ГВТ.

2. Использование параметров продувочной характеристики, замыкающей двухзонную модель течения в рабочей камере в период продувки, в качестве варьируемых параметров для параметрической идентификации модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

- применении признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, современного математического аппарата;

- корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа, теории рабочих процессов ДВС и рациональных одномерных моделей газообмена;

- сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов1 на реальном'ПДВС в стендовых условиях.

0.6 Апробация работы, публикации

Результаты работы докладывались и обсуждались на пятой всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы, науки и техники» (г. Уфа, 2010), на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2009, 2010), на межрегиональной научно-технической конференции на тему «Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения (г. Челябинск, 2010), на XXXVI международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2010), на Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель - 2010» (г. Москва, 2010), на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» (г. Санкт-Петербург, 2010).

Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2005 по 2010 годы.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах, в том числе в 3 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содер

ВЫВОДЫ

Результаты выполненного исследованияшозволяют сделать следующие выводы:; ■ '

1. Обоснована, сформулирована и реализовала методика, моделирования процессов в ГВТ двухтактных ДВС с волновыми явлениями в выпускной системе, направленная на повышение точности; результатов; расчетов. В основу методики; положена параметрическая* идентификация!; модели течения при продувке; рабочей; камеры. ДВС по известным (измеренным)!, значениям; интегральных показателей и индикаторных диаграмм базового образца ДВС.

2: Проведена параметрическая» идентификация- моделей процессов в ГВТ двухтактных ПДВС по предложенной методике. Выполнены измерения соответствующих показателей двух' полноразмерных ПДВС указанного класса, различающихся способом смесеобразования и продувки. Установлено, . что отклонения интегральных параметров расхода воздуха и индикаторной мощности от измеренных не превысили 10% на участке ВСХ, подвергнутом идентификации, тогда как базовая модель давала в несколько раз большие отклонения. Таким образом, в обоих случаях применение методики идентификации модели позволило получить, достаточно достоверные (для, двухтактных ДВС с настроенным ГВТ) результаты.

3. Проведена верификация моделей;, полученных идентификацией параметров шродувочных характеристик двигателей; Выполнены расчеты показателей двигателей в. комплектации с другими выпускными системами, как настроенными, на другой диапазон оборотов, так и ненастроенными. Показано, что модель сохраняет способность предсказывать величины тех же интегральных показателей ПДВС с отклонением, не превышающим 10%, для тех же участков внешних скоростных характеристик. Таким образом, предложенная методика идентификация модели прошла проверку практикой, включая верификацию, на реальных двигателях выбранного класса.

Таким образом, .в работе сформулирована, реализована и проверена методика параметрической идентификации одномерной модели процессов вГВТ двухтактных ПДВС с волновыми явлениями в выпускной системе. Методика предназначена для повышения точности результатов моделирования с использованием интегральных показателей и индикаторных диаграмм прототипа двигателя. Проведено тестирование (проверка) методики на полноразмерных двигателях, которое подтвердило высокую точность расчетных значений их показателей. Данную методику можно рекомендовать для применения в процессах проектирования и доводки двухтактных двигателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного исследования; была.разработана и реализована методика . параметрической идентификации одномерной' модели процессов в ГВ'Г 2-тактных ПДВС. Методика предназначена, для<: повышения? точности расчетов по одномерной модели, путем идентификации по данным об интегральных показателях и индикаторным диаграммам базовых образцов ПДВС.

Применение этой- методики предполагает выполнение нескольких. этапов. На первом производится подготовка исходных данных и создается* модель .исследуемого объекта. Для; адекватного описания процессов в органах газообмена применяемая модель требуют замыкающих, соотношений, ко торые получаются натурным или вычислительным экспериментом. При задании начальных и граничных условий; используются; результаты стендовых испытаний^ с целью повышения точности- прогнозируемых показателей. На данном этапе проводится» «прямой»-расчет по-исходной одномерной: модели. Анализ полученных на данном этапе результатов1 показывает наличие, существенных отклонений моделирования: Предположительно, это возникает из-за неадекватного представления; реальной картины продувки - наполнения рабочей камеры, которая описывается в модели интегральной характеристикойгазообмена - продувочной характеристикой:

На следующем этапе осуществляется'обоснованный выбор параметров идентификации модели. Автоматизация процедуры параметрической идентификации модели позволяет сократить временные затраты и повысить достоверность расчетных показателей ПДВС. Полученные результаты показывают снижение величины отклонения моделирования в несколько раз,, однако, это не более чем свидетельство надлежащего формирования продувочной характеристики. После этого по идентифицированной таким образом модели, выполняется верификационный (проверочный) расчет при изменении условий однозначности (используется выпускная система настроенная на другой диапазон оборотов). Полученные результаты характеризуются величиной отклонения того же уровня, что и идентифицированная модель. Это подтверждает точность и устойчивость идентифицированной модели для моделируемых параметров исследуемого объекта.

Предлагаемая методика рекомендуется для выполнения синтеза разнообразных конструктивных схем ГВТ, в том числе с элементами, изменяемыми в зависимости от скоростного режима. Результаты работы помогут количественно оценить возможный при этом уровень отклонения моделируемых показателей.

1. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика: учебн. руководство. В 2 ч. Ч. 1. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1991. - 600 с.

2. Артюхов A.B. Методика расчета двухмерного нестационарного течения газа в выпускной системе ДВС /A.B. Артюхов, В.В. Бравин, Ю.Н. Исаков.//Двигателестроение,-1985.-№ 11.-е. 55-57.

3. Балакин В.И. Повышение экономичности дизелей одно из важнейших направлений совершенствования топливно-энергетического комплекса страны /В.И. Балакин //Двигателестроение.- 1981.-№ 5.-С.3-4.

4. Большая советская энциклопедия: в 30 т.— 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969. Т. 16: Мезия-Моршанск, 1974. - 615 с.

5. Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателя. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя. М.: Машгиз, 1962. - 269 с.

6. Вихерт М.М. Оценочные показатели систем впуска быстроходных дизелей /М.М. Вихерт, М.А. Литинский //Автомобильная промышленность. 1975.-№ 9.-С. 8-11.

7. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания /Н.М. Глаголев М.: Машгиз, 1965.- 480 с.

8. Годунов С.К. Численное решение многомерных задач газовой дина-мики/С.К. Годунов, А.В.Забродин, М.Я.Иванов, и др. М.:Наука, 1976, 400с.

9. Горбачев, В.Г Система имитационного моделирования «Альбея» (ядро). Руководство пользователя. Руководство программиста: учеб. пособие / В.Г. Горбачев и др.; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 1995.-112 с.

10. Гришин Ю.А. Аналитический расчет истечения через выпускной клапан /Ю.А. Гришин //Межвузовский сб. науч. тр. М.:МГТУ «МАМИ».- Вып. XVII. -2001.-№3-с. 135-139.

11. Гришин Ю.А. Аналитический расчет через выпускное окно //Известия ТулГУ, Сер. Автомобильный транспорт. Вып.9.-Тула. ТулГУ, 2005.-С.166-172

12. Гришин Ю.А. Исследование отрывного течения за выпускным клапаном ДВС //Ю.А. Гришин, A.A. Манджгаладзе //Перспективы развития комбинированных ДВС новых схем и топлив: тезисы докл. Все-союзн. конф.- М., 1980.- С.31-32.

13. Еникеев Р.Д. Газообмен и эффективные показатели ДВС с двухкон-турной системой впуска / Р.Д. Еникеев, В:С. Михайлов // Вестник УГАТУ. 2007. Т 9; № 6 (24). С. 82-97.

14. Еникеев1 Р.Д. Расчетно-экспериментальное совершенствование процессов газообмена двигателя- АПД-800/ РД. Еникеев, В.Ю. Иванов, B.C. Михайлов; В.Ф. Нурмухаметов, С.И. Павлинич; A.A. Черноусов // Вестник УГАТУ 2010. Т.14, № 2 (37). С. 13-20.

15. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерения /А.Н. Зайдель. -Л.: Наука, 1968.-95 с.

16. Зацерклянный Н.М. Квазистационарный метод расчета параметров рабочего процесса« ДВС /НгМ. Зацерклянный, С.Г. Нестеренко; Харьковский ин-т. инж. жел: дор. трансп. - Харьков; 1987. - 40 с.

17. Ивин В.И. Профилирование* впускных каналов дизеля /В.И. Ивин, Л.В! Грехов^//Вопросы- совершенствования работы дизелей на .неустановившихся режимах и при высокой форсировке.- Хабаровск, 1978.-С. 64-72.

18. Ивин В.И. Результаты экспериментального исследования нестационарного течения* газа в выпускных каналах ДВС /В.И: Ивин, Л.В. Грехов.//Двигателестроение,-1985.-№111. — с. 57-61.

19. Испытания двигателей внутреннего сгорания/ Б.С. Стефановский и др. М: Машиностроение, 1972 - 367 с.

20. Круглов М.Г. Квазистационарный метод определения параметров газа в цилиндре и выпускной системе двигателя внутреннего сгорания /М.Г. Круглов, В.К. Чистяков //Развитие комбинированных двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машиностроение, 1974.- С. 26-40.

21. Круглов М.Г. Коэффициент расхода выпускных клапанов двигателя при подкритическом режиме истечения /М.Г. Круглов, Я.А. Егоров, И.В. Переездчиков //Известия, вузов. Машиностроение.- 1971.-№ 2.-С.95-99.

22. Круглов М.Г. Метод «распад разрыва» в применении к расчету газовоздушного тракта ДВС /М.Г. Круглов, И.К. Якушев,

23. A.B. Гусев.//Двигателестроение, 1980. - № 8. - с. 19-21.

24. Круглов М.Г. (Усовершенствовании выпускных органов двигателей /М.Г. Круглов, Г.М. Савельев, В.Н. Зайченко //Автомобильная промышленность.- 1974,- № 12.- С. 4-5.

25. Круглов М.Г. Термодинамика и газодинамика двухтактных двигателей внутреннего сгорания (процессы газообмена) /М.Г. Круглов. М: Машгиз, 1963. - 272 с.

26. Лазурко A.A. Измерения и моделирование при проектировании* газовыпускных систем ДВС /A.A. Лазурко, С.С. Соколов-//Двигателестроение.- 1985.- № 1.- С. 23-28.

27. Лазурко A.A. К вопросу о выборе эффективных проходных сечений впускных и выпускных клапанов четырехтактных дизелей /A.A. Лазурко //Совершенствование конструкций тракторов, автомобилей и двигателей*- Челябинск, 1972.- Вып. 54.- С. 44-49.

28. Лобов Н.В. Моделирование рабочего процесса в двухтактном одноцилиндровом двигателе внутреннего сгорания /Н.В. Лобов; Пермский гос. техн. ун-т.- Пермь, 2003.- 81 с.

29. Лобов Н.В. Улучшение характеристик двухтактных двигателей внутреннего сгорания оптимизацией газовоздушного тракта: автореф. дис. . докт. техн. наук /Н.В. Лобов. М., 2005. - 32 с.

30. Михайлов, B.C. Методика параметрического синтеза ГВТ ДВС по рациональным быстросчетным моделям процессов газообмена /

31. B.C. Михайлов // Вестник академии военных наук, № 1 (30) (спецвыпуск) Москва, 2010 с. 126 - 132.

32. Мунштуков Д.А. Модель газодинамического процесса в двигателях внутреннего сгорания /Д. А. Мунштуков, Н.М. /Зацеркляный //Двигатели внутреннего сгорания.- Харьков, 1978.- Вып. 28.- С. 14-21.

33. Овсянников Ю.Р. Исследование аэродинамического качества выпускных органов дизелей /Ю.Р. Овсянников, Г.Д. Драгунов //Автомобили, тракторы и двигатели.- Челябинск, 1976.- Вып. 174.-С.122-126.

34. Оран, Э: Численное моделирование реагирующих потоков / Э. Оран, Дж. Борис; пер. с англ. -М.: Мир, 1990. 660 с.

35. Орлин A.C. Двухтактные легкие двигатели /A.C. Орлин. М.: Маш-гиз, 1950.-320 с.

36. Орлин A.C. Комбинированные двухтактные двигатели /A.C. Орлин, М?Г. Круглов. М.: Машиностроение, 1968. - 576 с.

37. Орлин A.C. Методика расчетов.процессов газообмена ДВС с короткими», каналами /A.C. Орлин, Д:К. Шмаков //Известия вузов. Машиностроение 1977.-№ ю. с. 103-107.

38. Пешехонов И.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах /И.Ф. Пешехонов. М.: Оборонгиз, 1962. - 273 с.

39. Райков И .Я. Испытание двигателей внутреннего сгорания/И.Я. Райков. М.: Высшая школа, 1975. - 314 с.

40. Рождественский, Б.Л. Системы квазилинейных уравнений и их приложения к газовой динамике / Б.Л. Рождественский, H.H. Яненко. -М.: Наука, 1978. 687 с.

41. Рудой Б. П. Влияние на газообмен неустановившихся газодинамических процессов в газовоздушных трактах двигателей. // Дисс. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. М.: МВТУ, 1981. - 318 с.

42. Рудой, Б.П. Определение продувочных характеристик рабочих камер двигателей внутреннего сгорания вычислительным экспериментом / Б.П. Рудой, A.A. Черноусов // Тр. межд. научно-техн. конф., 23-25 апреля 2003 г. Челябинск: ЮУрГУ, 2003. - с. 133 - 140.

43. Рудой Б.П. О профилировании впускных и выпускных каналов четырехтактных ДВС / Б.П. Рудой //Вопросы теории и расчета рабочих^ процессов тепловых двигателей: межвуз. науч. -тех. сб.- Уфа, 1980.-вып. 4.- с.140-145.

44. Рудой, Б.П. Прикладная нестационарная гидрогазодинамика: учеб. Пособие / Б.П. Рудой; Уфимск. авиац. ин-т. Уфа: УАИ, 1998. - 184*с.

45. Рудой, Б.П. Основы газообмена ДВС: учеб. пособие. Уфа: УАИ, 1977.-102 с.

46. Свид. об офиц. per. программы для ЭВМ № 201063235. Программа для ЭВМ Horsepower Lab ID для численного моделирования газообмена и рабочего процесса ДВС / A.A. Черноусов. М. : Роспатент, 2010. Зарег. 17.05.2010 г.

47. Седач B.C. Газовая динамика выпускных систем поршневых машин /B.C. Седач.- Харьков: Высшая школа, 1974.- 171* с.

48. Тарасов A.M. Коэффициент расхода впускных систем двигателя /A.M. Тарасов. П.П. Мищенко //Энергомашиностроение. 1960. -№2.-с. 2531.

49. Черноусов A.A. Определение гидравлических характеристик местных-сопротивлений в газовоздушных трактах ДВС вычислительным экспериментом. // Дисс. . канд. техн. наук. Уфа, УГАТУ, 1998. 164 с.

50. Черноусов, A.A. Основы теории и моделирования горения в ДВС: учеб. пособие / A.A. Черноусов; Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2007. -224 с.

51. Черноусов, А.А. Основы численного моделирования рабочих процессов тепловых двигателей: учеб. пособие / А.А. Черноусов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2008. - 264 с.

52. Черноусов А.А. Экспериментальная проверка модели взаимодействия волн конечной амплитуды с разветвлением канала. // Ползуновский Вестник, Барнаул, АлтГТУ, 2006 г., №4. с. 182 -186.

53. Шамовский Б.Н. Определение коэффициентов расхода отверстий при истечении газа /Б.Н. Шамовский //Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей: межвуз. научн. сборник. Уфа, 1980. -№ 4. -С. 47-54.

54. Bannister F.K., «Pressure Waves> in Gases in Pipes», Ackroyd Stuart Memorial Lectures, University of Nottingham, Vol 4, p. 98-121, 1958.

55. Benson R.S., R.D. Garg, D. Woollatt, «А Numerical Solution of Unsteady Flow Problems», Int.J.Mech.Sci., Vol. 6, p. 117-144, 1964.

56. Benson R.S., «The Thermodynamics and Gas Dynamics of Internal Combustion Engines», (ed. J.H. Horlock, D.E. Winterbone), Vols. 1 & 2, p. 6579, and p. 111-119, Clarendon Press, Oxford, ISBN 0-19-856210-1 and 019-856212-8, 1982 and 1986, respectively.

57. Blair G.P., «Design and Simulation of Four Stroke Engines» — SAE International, 1999. —815p.

58. Blair G.P., «Design and Simulation of Two Stroke Engines» — SAE International, 1996. 647p.

59. Caunter C.F., «Motor Cycles, a Technical History», Science Museum, London, HMSO, 1970 314p.

60. Cummins C.L., «Internal Fire», Society of Automotive Engineers, Warren-dale, ISBN 0-89-883-765-0, PA, 23lp. 1989.

61. Earnshaw S., «On the Mathematical Theory of Sound», Phil. Trans. Roy. Soc., Vol. 150, p. 133, 1860.

62. De Haller P., «The Application of a Graphic Method to some Dynamic Problems in Gases», Sulzer Tech. Review, Vol. 1, p. 6, 1945.

63. Hartree D.R., «Some Practical Methods of Using Characteristics in the Calculation of Non-Steady Compressible Flow», US Atomic Energy Commission Report, AECU-2713, 1953. p. 148.

64. KadenacyM., British Patents 431856, 431857, ., 484465, 511366.

65. ListH., «Die Verbrennungskaftmaschine», Springer, Berlin 1939, p. 247.

66. List H., G. Reyl, «Der Ladungswechsel der Verbrennungskaftmas chine», Springer-Verlag, Wien, p. 111-129, 1949:

67. Mucklow G.F., «Exhaust Pipe Effects in a Single-Cylinder Four-Stroke Engine», Proc.I.Mech. E., p. 143 109, 1940.

68. Obert E.F., «Internal Combustion Engines», International- Textbook Company, First Edition 1944 — 347p.

69. Petrie T, «Modern Practice in Heat Engines», Longmans, London, 1922 — 217p.

70. Petrie T., «The Elements of Internal Combustion Engineering», Longmans, London, 1925 358p.

71. Ricardo H.S., «The Pattern of My Life», Constable, London, 1968 — 379p.

72. Rudinger G., «Wave Diagrams for Non-Steady Flow in Ducts», Van Nostrand, New York, 1955 184p.

73. Schweitzer P.H., «Scavenging of Two-Stroke Cycle Diesel Engines», Mac-Millan, New York, 1949-164p.

74. Seifert H., «20 Jahre erfolgreiche Entwicklung des Programmsystemes PROMO», MTZ 51, 199 p. 142.

75. Taylor C.F., E.S. Taylor, «The Internal Combustion Engine», International Textbook Company, Scranton, PA., Filmst Edition 1938, p. 112 —126.

76. Wallace F.J., M.H. Nassif «Air Flow in a Naturally Aspirated Two-Stroke Engine», Proc.I. Mech.E., Vol. IB, p. 343, 1953.

77. G. Woschni, «Universally applicable equation for the instaneous heat transfer coefficient in the internal combustion engine» — SAE Paper 67093, 1967. p. 174-180.