автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Оптимизация впрыскивания топлива в дизелях

1 О №

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ПОЛОВИНКА Эдуард Михайлович

ОПТИМИЗАЦИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЯХ

Специальность 03.08.05

Судовые энергетические установки и их элементы С главные и вспомогательные 3

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Одесса - 1995

Диссертация является рукописьп

Работа вьшолнена в Одесской Государственой морской академии Официальные оппоненты : доктор технических наук,профессор Барсуков С.И.

доктор технических наук,профессор Горб С. И.

доктор технических наук,профессор Шквар А.Я.

Ведущая организация - А С К " БПАСКО " С Черноморское морское пароходство , г. Одесса 3

Защита состоится " " &/1/1 1995 г. в ю часов

на заседании специализированного совета Д 068.53.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в Одесской государственной морской академии по адресу : 270029 , г. Одесса, ул. Дидрихсона , 8 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печати), просим направить ученому секретаре специализированного совета по адресу академии.

Автореферат разослан " ^ " сМЛХ^этО ^ддд г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 068.53.01

доктор технических наук КАПИТОНОВ И. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение энергетических потребностей народного хозяйства тесно связано с развитием ресурсосберегающих технологий.

Эта проблема актуальна и для двигателей внутреннего сгорания- основных потребителей жидкого топлива и их наиболее экономичной модификации - дизелей.

В условиях дальнейшего форсирования параметров этого типа энергоустановок получение максимальной экономичности при существующих ограничениях по характеристикам дизеля может быть обеспечено только при оптимальном сочетании конструктивных и регулировочных параметров, определяющих протекание топли-воподачи и рабочего процесса.

При наличии большого количества исследований в области совершенствования рабочего процесса и впрыскивания топлива в дизелях проблема их комплексной оптимизации далека от полного решения. Это определяется, в первую очередь, тем, что до последнего времени отсутствовал метод расчета рабочего процесса, имеющий прямую феноменологическую связь с впрыскиванием топлива.

Требовала постановки и методология поиска оптимума для такой сложной системы, которой является комплекс процессов, происходящих при впрыскивании, смесеобразовании и сгорании топлива.

Этим двум основным проблемам и посвящена диссертационная работа. Их решение связано с рядом частных вопросов, также представленных в выполненных исследованиях. Так, изучено влияние различных конструктивных и регулировочных факторов на характеристики впрыскивания. В результате получены средства для управ-

ч

ления параметрами впрыскивания, необходимые при оптимизации топливоподачи.

Проблема оптимальной организации топливоподачи возникает и при решении вопросов использования нетрадиционных Сальтернативных) топлив. Это направление, как и собственно разработка метода использования низкоцетановых топлив, также явились предметом исследований.

Перечисленные вопросы актуальны для той области сегодняшней энергетики, которая обеспечивается дизелями.

Цель работы - оптимизация топливоподачи и рабочего процесса в дизелях на различных топливах за счет выбора конструктивных и регулировочных характеристик двигателей, определявших их протекание. Для ее достижения ставились и решены следующие задачи:

1. Разработка метода расчета рабочего процесса дизеля, обеспечивавшего прямую феноменологическую связь с топливопода-чей. Замыкающим элементом комплексной математической системы впрыскивание-смесеобразование-сгорание является регрессионная модель процесса сгорания.

2. Отработка методологии поиска оптимума. Базовым алгоритмом служит метод штрафных функций в сочетании с процедурой, получившей наименование метода "деформируемого многогранника".

3. Создание диалоговой автоматизированной системы анализа рабочего процесса и топливоподачи, обеспечивающей получение параметров тепловыделения, смесеобразования и сгорания. В развернутом виде система представляет характеристики сгорания в форме регрессионных уравнений.

4. Проведение совместных экспериментальных исследований топливоподачи и рабочего процесса.Отработка методики регрессионного анализа процессов впрыскивания топлива и его горения.Обра-

ботка экспериментального материала и создание регрессионной модели сгорания.

5. Проверка на двигателях с различной организацией впрыскивания и сгорания топлива метода совместного расчета топливо-подачи и рабочего процесса. Отработка методологии использования регрессионнной модели сгорания.

6. Доведение разработанных методов расчета и оптимизации до инженерного уровня. Составление алгоритмов и программ для ЭЦВМ, их запуск и отладка, а затем и эксплуатация под авторским надзором.

7. Исследование влияния конструктивных и регулировочных факторов на процесс топливоподачи с целью совершенствования характеристик впрыскивания. Разработка способов управления характеристикой топливоподачи.

8. Создание способа использования низкоцетановых топлив Свключая альтернативные) в дизелях за счет применения специальной системы топливоподачи. Экспериментальная проверка эффективности метода с использованием созданных для этой цели опытных образцов системы впрыскивания.

9. Создание математических моделей систем впрыскивания с нетрадиционной компоновкой и дополнительными устройствами. Для решения уравнений граничных условий предложено использовать в явном виде уравнения объемного баланса.Реализация моделей на ЭЦВМ и расчетное исследования характеристик впрыскивания, включая поиск оптимального исполнения конструктивных элементов систем.

Методы исследования Использованы теоретические и экспериментальные методы с применением для анализа и моделирования ЭЦВМ ряда ЕС,персональных компьютеров PC XT/AT и современной регист-

рируодей аппаратуры.Проведены статистические оценки результате опытов, статистические модели построены с помощью аппарата ре] рессионного анализа.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следуюш ее результатах, которые выносятся на защиту: предложено разработано новое направление в теории дизелей :статистическ< моделирование рабочего процесса;проведены теоретические экспериментальные исследования,в результате которых создан мет< расчета рабочего процесса на базе регрессионной модели сгорани: предложена объединенная модель топливоподачи и рабоче: процесса, обеспечивающая прямое феноменологическое включение расчет конструктивных и эксплуатационных факторов, определяют впрыскивание, смесеобразование и сгорание в дизелях; орл низована диалоговая автоматизированная система для комплексно: анализа опытных данных по топливоподаче и рабочему процессу представлением конечных характеристик сгорания в форме регре( сионных уравнений; разработана методология оптимизации рабоче: процесса с фиксированной характеристикой впрыскивания и совмес ной оптимизации рабочего процесса и топливоподачи; предложены исследованы экспериментально и расчетным путем способы упра: ления характеристикой впрыскивания, в частности,путем испол: зования созданного в работе регулятора закона подачи СРЗП), и: менением конструктивных элементов топливного насоса высоко: давления; создана математическая модель системы топливоподачи РЭП; разработан способ использования в дизелях низкоцетанов: топлив;создана система топливоподачи, обеспечивающая его ре. лизацию;проведена экспериментальная проверка эффективное предложенных систем топливоподачи и способа организации рабоче: процесса, получены зависимости характеристик впрыскивания

рабочего процесса от свойств топлив,конструктивных, эксплуатационных и режимных параметров; создана математическая модель двухтопливной системы, при ее разработке предложен метод расчета граничных условий, использующий в явном виде уравнения объемного баланса.

Практическая ценность.Комплекс исследований, выполненных в в данной работе, обеспечивает повышение эффективности проектирования дизелей, сокращение затрат на доводку, создает новые возможности улучшения их технико-экономических показателей,в первую очередь, за счет использования созданного метода расчета рабочего процесса и систем различной комплектации, предусматривающих совместное моделирование топливоподачи и рабочего процесса, включая их оптимизацию; результаты исследования влияния исполнения элементов топливной аппаратуры на параметры топливоподачи позволили разработать предложения по управлению характеристикой впрыскивания,в частности,за счет применения РЭП ; математическая модель и программа расчета системы впрыскивания с РЭП создает возможности разработки такой системы с минимальным объемом доводочных работ; исследования в области использования низкоцетано-вых топлив привели к созданию двухтопливной системы впрыскивания, с помощью которой реализован предложенный способ сжигания в дизелях низкоцетановых топлив; эти данные вместе с результатами, полученными в ходе исследований параметров топливоподачи и рабочего процесса, могут быть использованы при переводе эксплуатируемых или создании новых дизелей, приспособленных для работы на альтернативных топливах; для этих же целей предназначена методика и программа, реализованная на ЭЦВМ, расчета двухтопливной системыисследования особенностей рабочих процесов дизелей на тяжелых топливах послужили основанием для широкого их исполь-

зоЕания в пало- и среднеоборотных судовых дизелях.

Внедрение. Результаты диссертационной работы получили признание и используются в практике пароходств,заводов и организаций, связанных с созданием и эксплуатацией дизелей. К ним относятся, в первую очередь, Черноморское морское пароходство, Первомайский машиностроительный завод и завод дизельной топливной аппаратуры ПО "ВОЛГОДИЗЕЛЬМАШ", ЦНИИ морского флота.

Подтвержденный экономический эфффект от реализации полученных в работе результатов на судах морского флота и в двигателе-строении в ценах 1990 г. составил 2670 тыс. руб. в год.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Одесской государственной морской академиии.

Апробация работы . Основные положения работы рассмотрены и получили положительную оценку на научно-технических семинарах и конференциях : "Рациональные способы применения альтернативных топлив и антидетонационных присадок в двигателях внутреннего сгорания "(г.Москва,1984 г..научно-технический семинар ),"Развитие дизельных двигателей,топливной аппаратуры и повышение эксплуатационной экономичности "С Всесоюзная межотраслевая научно-техническая конференция,г.Ленинград,ЦНИДИ-ЦНИТА,1985 г.),"Химмотология - теория и практика рационального использования горючих и смазочных материалов в технике" (г.Москва,1985 г.),на заседании секции "Техническая эксплуатация судовых энергетических установок '' Ленинградского бассейнового научно-технического общества водного транспорта Сг.Ленинград, 1985 г.3,Всесоюзной межотраслевой научно-технической конференции "Развитие дизельных двигателей,топливной аппаратуры и повышение эксплуатационной экономичности'Чг. Ленинград,1985) ,"Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и

двигателей новых схем и на новых топливах"(Всесоюзная научно-техническая конференция ,г.Москва,1987 г.),на научно- методических конференциях профессорско-преподавательского состава ОВИМУ С г.Одесса 1972-1989 г.г. Э.

Публикации . Основные результаты диссертационной работы изложены в одной монографии.39 статьях,2S научно-технических отчетах по НИР.

Структура и объем работа .Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения,библиографии из 443 наименований на 40 стр. и 20 приложений Скнига 2 ) на 189 стр .Общий объем работы -505 стр. .таблиц- 19 .рисунков 57 .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе проведен анализ современного состояния теории рабочего процесса дизелей и его взаимосвязи с топливопода-чей, поставлены цели и задачи исследования.

Решение задачи оптимизации топливоподачи и рабочего процесса в теоретическом плане требует создания системы, включающей в себя, в первую очередь,модели топливоподачи и рабочего процесса. И если существующие гидродинамические методы расчета процесса впрыскивания топлива достаточно развиты и могут без существенных коррективов быть использованы для указания целей,то в области моделирования рабочего процесса положение иное.

К настоящему времени в теории рабочего процесса дизелей сложились три основных направления .Один подход, являющийся в значительной части развитием работ Вибе И. И. .предусматривает аппроксимацию кривой тепловыделения (в интегральной или дифференциальной форме).Это направление, представленное в работах В. И. Одинцова, 3. С. Маца, А. С: Пунды, Е. В. Дмитриевского и Ф. îC Обоэно-ва, Г. Вошни и Ф. Анисиц, Р. Б. Кригера и Г. Л. Бормана , X. Д. Оберга, Б. М.

Гончара,В. А. Кудрявцева,В. П.Лазурко и других авторов, получившее широкое распространение, имеет, тем не менее, ограниченные возможности ввиду отсутствия прямой феноменологической связи с физическими процессами в цилиндре двигателя.

Наиболее перспективной является концепция, разрабатывавшая детальное математическое описание физических явлений, сопровождающих подготовку и сгорание топлива.Такой подход принят в работах Ю.Б.Свиридова,С.П.Гупта и П.Мехта.Ю.Г.Ицука.С.Д.Кау.Ф.Кар-телиери и Р. Р. Джонса, Н. С. Блицарда и Д. С. Кека.Л. Д. Госыана.В. Ли,А. Вильямса.А.Н.Воинова, А.С.Соколика,Д.Н.Вырубов и ряда других исследователей. Однако современное состояние фундаментальных представлений о физико-химических условиях в цилиндре дизеля в период смесеобразования и сгорания,а также прикладные работы в этой области далеки от завершения.В результате для получения работоспособных моделей приходится прибегать к корректировке результатов расчетов по опытным данным,что существенно снижает эффективность подобных методик и не оправдывает неизбежных затрат, связанных с громоздкость!) моделей.

В сложившейся ситуации наиболее эффективным является направление, сочетающее феноменологическое моделирование смесеобразования и статистические зависимости для процессов сгорания. При этом может быть использован сравнительно простой подход для моделирования смесеобразования, обеспечивающий, тем не менее, достаточно высокую точность расчета выходных параметров рабочего процесса. Одновременно возникает возможность учесть основные реальные условия, сопровождающие впрыскивание, смесеобразование и сгорание топлива. До настоящего времени такая методология, представленная работами Н. Ф. Разлейцева,0. Н. Найденко, П. С. Майера, Л.К.Челпан.Д.Шипински и O.A.Оухара, не имела строгого матема-

тического обоснования и сводилась к согласовании контрольных значений .получаемых по предлагаемым зависимостям, с опытными данными.

Автором принята последняя концепция в разработке метода расчета рабочего процесса.При этом использован аппарат регрессионного анализа для вывода зависимостей характеристик сгорания от основных факторов,определяющих внутрицилиндровые процессы.

При таком подходе для решения конечной задачи - оптимизации топливоподачи и рабочего процесса - потребовалось создать модель, обеспечивающую совместный расчет впрыскивания и сгорания топлива в дизеле. Эта задача и решена в первой главе.

В частности, отработана методика расчета тепловыделения,

реализованная на ЭЦВМ. Для определения скорости тепловыделения

предложено уравнение

к (ЗУ 1 <асзн

ах ¡ГТ р Зр + ¡ГТ +

"" К * ( " 2,9302 ] т ♦ 7В1.83]дц см

с

р см см

где к = -хтг ; с, , с"*" - теплоемкость рабочего тела;

о1-" р у

г

р,у - давление и объем газов в цилиндре; сг^ - теплота, отдаваемая стенкам камеры сгорания; о^ - теплота сгорания топлива; - цикловая подача; р - угол поворота коленчатого вала.

Зависимости х-ст и <1х/<1р=г<р> .получаемые в результате расчета тепловыделения, используются для дальнейшего анализа сгорания.

Исследование сгорания по экспериментальным данным сводится к определению величин, входящих в модель,соответствующую бимо-

пекулярному уравнению сгорания

- = кр СТ со

<1Т и а

где «ш^/ат - скорость сгорания (массовая); ст, со - концентра-

2

ция топлива и кислорода; кр -коэффициент скорости сгорания. Усредненные величины ст> со находим из соотношений:

соа = ' а - * > 0.21 мо Чц 32/ уц .

°т = чц <апи - х > / уц • где а - коэффициент избытка воздуха; мо - теоретически

необходимое количество воздуха для сгорания; уц - объем

цилиндра; сгпи- доля топлива, подготовленного к сгоранию.

Учитывая, что <10 <1*

— = — Чц 6 п / V

¿г ар н и

и может быть определена по результатам расчета тепловыделения,

задача статистического описания процесса сгорания сводится к

определению коэффициента скорости реакции по выражению ао

*р = —ч1

и установлению его взаимосвязи с параметрами,от которых зависит протекание процесса сгорания.

В качестве определяющих факторов приняты: рг , тг, ст, с (в программных идентификаторах ром, там, х, ст, сог).

г

Анализ экспериментальных данных выполнен методами регрессионного анализа.

При комплексной реализации на ЭЦВМ была создана автоматизированная диалоговая система, обеспечивающая определение характеристик тепловыделения, сгорания и представление выходных данных в форме регрессионных зависимостей.

Использована линейная регрессионная модель в форме

е ог/х^...^ > : [Зо + * ... + /зкхк .

При этом линейным уравнение является только по параметрам /3 . х1 могут быть произвольными выражениями для наблюдаемых величин.

Параметры (3 определяют по их оценкам С в матричной форме

Ь ).

Ь = С х х

где ?-(п*1) - вектор наблюдений Сзначения зависимой переменной, функции); х - (п*Р) - матрица значений независимых переменных С факторов).'

Для выявления статистических свойств регрессионной модели процесса сгорания (зависимостей для коэффициента скорости сгорания) произведены расчеты по двум методам: множественной линейной

регрессии и шаговой регрессии.

Для всех вариантов получены близкие параметры.Соответствующие уравнения регрессии адекватно описывают исследованные зависимости.

При контрольных расчетах со сниженным пороговым значением гвкл = 2,0 результаты для шаговой и множественной регрессии идентичны.

Достоверность регрессионного уравнения

1 д кр = 1,6127 - 0.201 10"3тг - 0,224 + 2,64 х +

0,554 с_ + 0,282 с т о

г

оценивается доверительным интервалом 3,55; от среднего значения !ср.

Полученные результаты позволили создать метод расчета рабочего процесса, вюшчаюошй в себя феноменологическое моделирование смесеобразования и расчет хкипесксго реагирования топлива по регрессионным зависимостям для коэффициента скорости

сгорания.

В расчете индикаторного процесса использовано преобразованное уравнение первого закона термодинамики в форме

<1р к - 1 с1х „..

— = - С — ( + < СЯМ - 2,9302 > т ♦ 761,85 ) а. - •

&р v йр " ¥ и

- ^ . Р — ) . лр к - I ар

Модель рабочего процесса реализована на ЭЦВМ ЕС и РС ХТ/АТ.

Проверка метода расчета рабочего процесса выполнена для двух двигателей - четырехтактного ЧН 25/34 и двухтактного с прямоточно-клапанной продувкой БОЛНЕС ДКРН 19/35.

Результаты моделирования для обоих дизелей представлены на рис. 1а,б. Сходимость расчетных и экспериментальных данных характеризуются следующими относительными величинами доверительных интервалов в средней части периода сгорания: для давления газов 16 | = 0,95:;, интегрального тепловыделения |б | = рг *

С0,94... 1,3)^ скорости относительного тепловыделения |б |=(9,4... 9,93«.

X

Проведена проверка трех вариантов модели, полученных по различным экспериментальным данным: 1 - дизеля ЧН 25/34, 2-комбинированный С объединенные по двигателям ЧН 25/34 и ДКРН 19/35), 3 - дизеля ДКРН 19/35.

Уравнения регрессии для коэффициента скорости сгорания имели вид:

^ - ^д(-0,201 |0~3Тр- О ,22*Рр + 2 , в 4Х + 0,3 Э

+о,2в2со^> . Свариант 1)

к = 10° ,181 10<о-224 1 0~3тг-0 ,1 82рг +2,734х - 0,087ст +

а) ЧН25М

б) ДКРН19/35

20 10 0 т 20 50 у апк.$.

з)3ульцер ВЛ76

п г) ДКРН80/160-4

МПа у'- М г- к ■ м

"п. к. о

■52

<6 3 '•о

20 0 20 АО 20 0 2а 4(} ^ ^

Рис. I . Расчётные и опытные кривые рабочего процесса дизелей

+ о,47осо^> . Свариант 2)

Кр = Юг'"в ^Qt-0,807 1 О "3tj,-0 .OSePj, + 2.13ВХ - 2,10ЯС^,+ «ла с )

°2 . (вариант ЗЭ

Модели, соответствующие типу дизеля, дают хорошую сходимость с экспериментальными значениями основных характеристик С различие "вЦ,дв ,pz составляет 0,2.. .0,650. Несколько больше расхождения для комбинированных моделей Cl ... 2,4« по двигателе ЧН 23/34, 5...85'. по ДКРН 19/35). Еще значительнее различие, если в расчете использовано регрессионное уравнение, полученное по данным двигателя с существенно отличной организацией рабочего процесса. В этих условиях для дизеля ЧН 25/34 расхождение возрастает до 5Я(вариант 3), а для ДКРН 19/35 даже до 10 ... 14îi (вариант 13.

Выполнены также расчеты рабочего процесса малооборотных двигателей Зульцер RD76 (ДКРН76/155) и БМЗ-БиВ ДКРН80/160- 4 СflB-21;K80GF).Опытные данные .использованные для сравнения с расчетными .получены в эксплуатационных условиях.В первом случае осциллографирование топливоподачи и рабочего процесса проведено автором,опытные кривые по второму дизелю записаны судовым экипажем с помощью системы Аутроника NK-5.

Результаты моделирования представлены на рис. 1 в,г.

Интервальное оценивание сходимости опытных и расчетных данных проведено для следующих условий ¡диапазон по углу поворота составил 5...40 °п.к.в. для двигателя RD76 (среднее значение 22.5 °пкв),размер выборки 18 одинаков в обоих случаях.В центре указанного участка доверительные интервалы составили:

для давления газов у ± 0.0309 МПа (<5 =± 0,62 '/, );

рг

для интегрального тепловыделения у ± 0,0245 ед. (<5х =

± 4,9 У. 3 ;

для скорости относительного тепловыделения у ± 1,47Е-3 1/ °п.к.в. С <5ы =± 4,08 У. 3.

X

Соответствующие величины по двигателю ДКРН80/160 таковы: рг у ± 0,0467 МПа Сйр = ±0,93 Л);

х у ± 0,0119 ед. С(5х = ± 1,98 У.);

ахуао у ± 2.209Е-3 1/ °п.к.в. = ± 5,52 Я 3.

Вторая глава посвящена созданию моделирующей системы, обеспечивающей совместную оптимизацию топливоподачи и рабочего процесса на базе метода расчета последнего, представленного в первой главе. Анализ исследований в этой области показал, что при всей актуальности задачи решение ее до сих пор не получено. Основной проблемой являлось отсутствие методики, позволяющей выявить влияние изменения конструктивных и эксплуатационных параметров системы впрыскивания на протекание рабочего процесса.

Задача оптимизации в указанной постановке может быть сформулирована в терминах математического программирования как отыскание оптимума нелинейной функции при наличии ограничений.

Одним из наиболее эффективных приемов оптимизации в таких условиях являются методы штрафных функций.

Формально задачу нелинейного программирования представляют следующим образом: минимизировать г <х>, хс е" при т линейных и СилиЗ нелинейных ограничениях в виде равенств (X) = 0, 1=1.....ш

и (р—по линейных и СилиЗ нелинейных ограничениях в виде неравенств

О (X) > О, 1 = т+1;

1

Переходя к задаче без ограничений и используя метод штрафных функций, получают

ш

Р(Х<к> . Р ,к> ) = Г (Х(к>) + 2 1к)Н!Ь1 (Х1к>» +

1 =1

♦ I р™с^Л ,

1 =тп

где р<х(к> , р <к 1 >- присоединенная или расширенная функция;

Р11к) - весовые коэффициенты,

Н(Ь1(Х(к)),0<д1(Х(к>) - функционалы (Ь (Х(к>) И д^х'*').

Важнейшей задачей при разработке процедуры оптимизации после формирования функции цели является организация поиска оптимума этой функции.

При выборе стратегии на этом этапе возникает необходимость комплексной оценки возможностей метода оптимизации и характеристик системы, подлежащей оптимизации.

Градиентные методы, относящиеся по классификации вычислительных приемов к процедурам первого или второго порядка Ссоответствует порядку используемых производных), требуют представления функции цели Соптимизируемого параметра) в явной связи с независимыми переменными.

Для такой сложной системы, какой является модель рабочего процесса дизеля, по каждому исследуемому варианту необходимо предварительное составление уравнений связи целевой (эквивалентной) функции и независимых параметров с последующим включением их в процедуру оптимизации, что требует большого объема подготовительной работы и может быть реализовано только для гладких зависимостей.

В этих условиях предпочтительнее использовать один из способов перебора вариантов, не требующих заранее выявления функциональных связей в исследуемой системе и не накладывающих существенных ограничений на характер этих зависимостей.

Нами в качестве базовой принята процедура, предложенная Нельдером и Мидом и получившаая название способа деформируемого многогранника. В настоящей работе выполнено уточнение исходной методики на этапе поиска и анализа отраженных вершин.

Указанная процедура положена в основу системы, оптимизирующей рабочий процесс дизеля. В качестве математической модели объекта использована комплексная модель рабочего процесса, разработанная автором.

Особенностью первого Супрощенного) варианта поиска является фиксированная характеристика впрыскивания. Она задана в форме зависимости давления топлива от угла поворота коленчатого (распределительного) вала. Предусмотрена возможность смещения процесса топливоотдачи заданием угла начала впрыскивания рн .

Такая структура обеспечивает использование при оптимизации в качестве независимых переменных любого набора параметров, включенных в качестве исходных данных в модель рабочего процесса.

Алгоритм и программа поиска оптимума составлены путем объединения методов деформируемого многогранника и штрафных функций в форме рассмотренной выше.

В методике не оговорен состав ограничений,и его задание осуществляется путем корректировки модуля программы, в котором оп-

f 1с )

ределяется Pcx , р > .

В случае необходимости можно предусмотреть расширенный перечень ограничений, а использование их в конкретном случае за-

давать путем включения в исходную информацию единичных функций.

В качестве функции цели в большинстве случаев используется эффективный расход топлива ge< х > . Именно эта величина принята нами как оптимизируемый параметр.

Алгоритм и программа объединяют, как отмечено выше, процедуру поиска оптимума с расчетом рабочего процесса.

Поиск оптимальной организации рабочего процесса Сс фиксированной характеристикой впрыскивания) выполнен для двигателя ЧН 25/34,прошедшего экспериментальную доводку,на режиме n 69кВт

вц

с исходным экспериментальным значением дд = 0,223 кг/ кВт-ч. В качестве ограничения принято Рг0Гр = 8,0 МПа.

Проведены расчеты для следующих вариантов Спо наборам факторов) :

два фактора: угол начала впрыскивания ра , угол начала сжатия «з- ;

' а

три фактора: ра , р а , степень сжатия с ;

четыре фактора: <он , ©а . с , давление наддувочного воздуха ps .

Наиболее коротким был поиск при двух оптимизирующих факторах С ,<ра ). В начальной вершине многогранника при рк = -15°, fa = - 155° получено ов = 0,2252кг/кВт-ч.

Процедура закончена за четыре шага. Между вторым и третьим шагом осуществлена редукция. Конечный результат: ge = 0,2218 кг/кВт-ч, с„ = -15,4°, ®а = -150,6°.

' H ' а

Увеличение количества оптимизирующих факторов повышает эффективность поиска. Так, при трех факторах итоговая величина де = 0,2145 кг/кВт-ч, а для четырех ge = 0,2120кг/ кВт-ч.

Существенное влияние на ход оптимизации оказывает размер конечного многогранника, задаваемый величиной difo. При зада-

нии difo = 0,0005 вместо 0,00083 продолжительность поиска возросла с шести до 12 шагов.

Для организации оптимального протекания рабочего процесса и топливоподачи создана объединенная модель этой системы, работающая под управлением процедуры поиска оптимума.

В качестве базового для моделирования процесса впрыскивания

принят метод, основанный на решении телеграфного уравнения

движения вязкой сжимаемой жидкости да u 1. <3* и g _ о

дха " Г Л2 dl

где t - время, х - координата длины трубопровода; и - скорость топлива;д - скорость распространения волны давления; к фактор гидравлического сопротивления.

Расчет процесса впрыскивания состоит в решении уравнения движения топлива в трубопроводе совместно с уравнениями граничных условий в насосе и форсунке. Телеграфное уравнение решаем разностным методом с использованием прямоугольной сетки вдоль характеристик dt/d* . 1/а .

Граничные условия у насоса и форсунки описываются уравнениями сплошности для отдельных объемов и движения рабочих органов этих устройств. Полученные системы уравнений также решаются разностным методом, а связь между ниш осуществляется через давления и скорости в крайних сечениях трубопроводов.

Программа, реализующая полную С с включением расчета топ-гсивоподачи 3оптимизирующую систему, составлена из 22 модулей. Ее укрупненная блок-схема представлена на рис.2 .

В качестве целевой функции по-прежнему использован удельный аффективный расход топлива ge . Его значение корректирова-тось с учетом двух ограничений типа неравенств:

(начало)

12

г10. * . БиВ!*. г11- У зивя.

ИМЕС смых

(Конец )

/ i

Рис. 2 -Блок-схема программы оптимизации впрыскивания и рабочего процесса 0Р1МСМ

Р2 ~ Р20гр ' РНплх ~ РН.огр ' Кроме того, введено одно ограничение в форме равенства: яц=

чЦо . Значение определяется в первой (базовой) вершине

начального многогранника.

Целевая функция с учетом штрафа имеет вид

о„„, = о + А д_

где

а у . . Д РНта* А

(

ш i ргОГр рн.ОГр чЦо *

В результате поиска для двигателя ЧН 25/34 с использованием семи факторов: угла начала впрыскивания р .угла начала сжатия Ра , степени сжатия с , диаметра плунжера ап , числа сопловых отверстий распылителя 1с , их диаметра , угла отсечки

ротс за семь шагов получены их оптимальные значения, приведенные в табл. I.

Снижение дв составило 7,3 г/кВт-ч или 3.8Я. Наличие штрафа на конечном этапе связано с повышением экономичности и, как следствие, отличием чц от , поэтому оценку эффективности поиска следует вести по значение дв.

Существенными для оценки методики является особенности изменения конструктивных параметров системы впрыскивания и характеристик топливоподачи. Повышение экономичности получено при меньших с!п и рн, что не совпадает с характерными тенденциями для топливоподачи и рабочего процесса. В данном случае результат обеспечен за счет устранения подвпрыскивания.

Полученные данные выявили чувствительность метода к качественным изменениям в процессе впрыскивания. Это свидетельствует также об устойчивости методики к разрывам в функциональных связях для оптимизируемой системы, так как устранение под-

Таблица 1

Параметры топливоподр.ч:* и рабочего процесса при оптимизации.

: Исходный : Конечный Факторы : многогранник : многогранник

: С вершина 1 ) : (вершина 2-оптиму).

: Коди-: Нату- Коди- Нату-

Номер Обозна-: Размер- : рован-: раль- рован- раль-

чение : ность : ные : ные ные ные

1 °п. к. в. 1 ° 1 -10,0 -0,0626 -10,31

2 "а °п. к. в. 1 ° 1 -155,0 0,442 -148,0

3 с 1 0 | 12,25 0,442 13,02

4 dn мы 1 ° 1 18,0 -0,177 17,28

5 'е 1 ° 1 8 0,1826 8

6 dc им 1 ° 1 0,35 0,059 0,356

7 ротс °п. к. в. 1 ° 1 26,5 0,126 26,81

Функ- кг/кВт-ч I | 0,1938 0,1920

ция кг/кВт-ч ! 1 0,1938 0,1865

Допол- pz МПа 1 1 8,5 8,96

нитель- >н МПа 1 1 82,8 72,1

ные па- *>вп °п. к. в. ! 1 38,53 * 30,3

раметры ?пв °п.к.в. 1 1 2,38

чц г 1 1 1,424 1,372

Н-Ц кВт 1 1 110,2 110,33

"Начало подвпрыскивания через 5,8° после окончания' основ-

ного впрыскивания.

впрыскивания происходит, как правило, при незначительном изме-

нении конструктивных и режимных параметров. Одновременно получено подтверждение целесообразности проведения поиска на феноменологической модели, а не на статистической зависимости целевой функции от определяющих факторов.

В третьей главе представлены разработка и исследования методов управления топливоподачей в дизелях.

Основные материалы посвящены созданию системы, в которой целенаправленное воздействие на процесс впрыскивания обеспечивается за счет подключения аккумулятора. При этом происходит перераспределение подачи ТНВД между форсункой и дополнительным устройством, подключаемым к системе и названным регулятором за-сона подачи РЗП. Схема системы впрыскивания с РЗП дана на рис.3. Топливо из насоса высокого давления 1 по топливопроводам 2,3 юступает к РЭП и форсунке 4. РЗП состоит из клапанного узла 0 и искумулятора 7. Регулятор подключается к системе топливоподачи 5ез изменения конструкции базовой топливной аппаратуры. По :аналу 6 клапанного узла топливо идет в аккумулятор регулируе-гаго объема Св эксперименте для изменения объема аккумулятора спользованы вытеснители). Настройка РЗП и его отключение могут ыть осуществлены изменением усилия го затяжки пружины лапана.

Для управления конечной фазой впрыскивания разработаны и сследованы различные варианты нагнетательного клапана, а также беспечено регулирование площади отсечного окна.

Экспериментальное исследование системы впрыскивания судо-эго среднеоборотного дизеля ЧН 25/34 с РЗП выявило широкие воз-эжности управления параметрами топливоподачи за счет места его эдключения, размеров аккумулятора, настройки клапана. При этом

I I

Ра.рУа.р

Рис. 3 . Схема системы впрыскивания с РЗП

60 °П.р.Б.

Ра.р

а)

J~

-50

.30 -20 ■IG

0

"К

,МПа

р<р ,МПа

-40 -30 ■Ра.р ,МПа

-20 .40

-ю 0 .30 -20

-10 0 го СГч

60 п.р.в.

_р„ .НПа

50 но

■30 рф |МПа

^50

Рис. 4 . Осциллограммы процесса топливоподачи

установлены качественные изменения, улучшающие характеристики впрыскивания и снижающие нагрузки на детали топливной аппаратуры.

Так, на осциллограммах рис. 4, снятых при частоте вращения распредвала пр = 250 мин"1, цикловой подаче яц = 1,6 г/цикл и работе системы дизеля ЧН 25//34 в базовой комплектации С с отключенным РЭП, рис. 46), а также в опытном варианте с РЭП у форсунки Собьем аккумулятора Уа р = 54 см1, давление открытия клапана р0 р = 34,3 МПа, рис. 4 а) зафиксированы существенные отличия в протекании кривых давления топлива у насоса р'н и форсунки рф. Действительно, значение р^ является максимальным в период подъема иглы, а затем происходит его снижение. Характер Рф свидетельствует о возможности с помощью РЭП организовать ступенчатое впрыскивание. Кроме того,~7СК топлива впрыскивается при небольшом изменении давления, что улучшает характеристику распиливания.

Исследование влияния регулятора на процесс впрыскивания было выполнено при различных значениях ро р и Уа рС54 10"°, 88 10"° и 136 10"® м3 ), а также с подключением РЭП у насоса и форсунки. Испытания,проведенные на режиме пр = 250 мин"1 при выходе рейки насоса т = 28 мм,показали,что применение РЗП позволяет в широких пределах изменять характеристику впрыскивания с постоянной комплектацией регулятора. При этом можно выполнять настройку системы на работающем дизеле и оптимизировать процесс впрыскивания для различных эксплуатационных условий.

Включение РЗП в систему впрыскивания у форсунки снизило давления р'Нтах на 21% и Рф вах на 25% по сравнению с системой без РЗП, что уменьшило нагрузки на детали системы.

При работе топливной аппаратуры с РЭП, установленным у

форсунки Суа р =88 Ю^м3, р0 р = 34,3 МПа), по нагрузочной характеристике С рис.5) с использованием топлив дизельного и моторного ДМ СГОСТ 1667-68) в широком диапазоне режимов максимальное давление в форсунке остается практичеки неизменным Св основном, благодаря постоянству остаточных давлений топлива рт), что улучшает процесс впрыскивания на частичных режимах. Продолжительности впрыскивания <с>вп и цикловые подачи для систем с РЗП и без него совпали в диапазоне т = 14 - 28мм. Применение в опытной системе топлива ДМ привело к увеличению остаточного давления в аккумуляторе рт а и давления р'Нтах- Величины Рфпах отличаются незначительно. При использовании тяжелого топлива в системе с РЗП влияние вязкости топлива на процесс впрыскивания такое же, как и в обычных системах.

Исследование различных нагнетательных клапанов ТНВД показало, что путем модернизации нагнетательного клапана можно существенно изменять параметры процесса впрыскивания и устранить подвпрыскивание.

В опытах подтверждена возможность управления процессом впрыскивания с помощью изменения формы и размеров отсечного отверстия плунжерной пары ТНВД.

Для совместного исследования топливоподачи и рабочего процесса на дизеле 1425/34 с применением РЗП использовано оптимальное планирование эксперимента Сиспытания проведены по ротота-бельному центральному композиционному плану второго порядка), а результаты представлены в форме регрессионных уравнений. Данные испытаний показали, что применение РЗП позволяет управлять рабочим процессом дизеля. В частности, для снижения динамических показателей рабочего процесса необходимо уменьшать давление ро р. При этом сокращается доля топлива, впрыскиваемого в ци-

Рй.ртах

, ■ п * 40

| _ Да/--1 ^ Ра.ртах,

л— V МПа

20 ■ МПа

-А

Рдзтах.

МПа

50

/Ог | I 9:___^ддр—д-ш-ил- -и---

__I т

' - " л I Г\

40

Ритах,

а___ д 'Я

^__—

9

& г/цикл

5 10 15 20 25 30 т ,мм

Рис. 5 . Параметры топливоподачи :--о--система впрысхива»

ния без РЗП ;--д--система с РЗП,дизельное

топливо ;-Е- система с РЗП,топливо ДМ

линдр за период задержки воспламенения. На дизеле 14 25/34 бых

получено Спо сравнению с режимом при отключенном РЭГО снижен!

Др/Дv , dp/d<o и pz соответственно на 14 , 38и 9Ji Спри Ne

29,4кВт). Одновременно уменьшается давление на 19/

Аналогичные результаты имели место при использовании системы

РЗП на дизеле 8ЧН 25/34 как при работе на дизельном топливе, те

и на топливе ДМ.

С ростом ро р продолжительность впрыскивания при постоя!

ном давлении увеличивается и достигает 7,5° п.к.в. при ро р

37,7 МПа Сдля н =29,4 кВт). У системы с отключенным PS в

впрыскивание при постоянном давлении отсутствует. Экономичное дизеля улучшается при увеличении ро р. Для сравнения удельно] эффективного расхода топлива ge двигателем с работающим PI (ро = 37,7 МПа) и отключенным был применен метод оцеш значимости расхождения средних значений измеренных величин, noj твердивший с надежностью 0,95, что экономия топлива в случ; применения РЭП не является результатом воздействия случайн! факторов.

Доверительный интервал для величины 6 - снижения удел: кого эффективного расхода топлива дизелем в результате р; боты РЗП определялся по выражению

— /п + п — /п, + п d-tS /-!-— < 6 < 6 + t s /-i-,

_

где 6 - разность средних значений ge для дизеля с работаю® РЭП и отключенным; nj, пг - число замеров расхода топли: дизелем соответственно с работающим РЗП и отключенным; t критерий Стьюдента; - величина , зависящая от nf , пг средней квадратической ошибки определения ge

Для мощности дизеля 8051 от номинальной величина 6 н

ходится в пределах 6 г/СкВт-ч)< <5 <11г/(кВт-ч), а <5 = 8,3 г/ (кВт-ч), что соответствует повышение экономичности на 2,8%.

В исследовании установлено, что применение в серийной топливной аппаратуре сверленого нагнетательного клапана с отверстием диаметром 0,5 мм позволяет управлять топливоподачей и рабочим процессом дизеля 14 25/34 в случае варьирования давления топлива во всасывавшей полости ТНВД рв .

Составлена математическая модель процесса впрыскивания системой с РЗП,соответствующая расчетной схеме, представленной на рис. 3. Линия высокого давления условно поделена на три участка:

топливопровод I - от ТНВД до узла "Д";

топливопровод П - от узла "Д" до форсунки;

топливопровод Ш - от узла "Д" до аккумулятора.

Расчет движения топлива в трубопроводах выполнен с помощьв телеграфного уравнения, рассмотренного выше.

Процессы в узлах системы, связанных с РЗП, описаны следующим образом:

граничные условия в месте разветвления Сузел Д) представлены уравнением сплошности

/1Г

-д — = гт. и1.и - ГТ2 иг.о - Чр / — *

I Рд - Ре I ' • С 1 3

где р - плотность топлива; рд , рр - давления топлива в месте

разветвления и в камере "Е" корпуса клапана;уд - объем камеры в месте разветвления;гТ1 = гТг - площадь проходного сечения топливопроводов высокого давления I и П ;и1 и ,и - скорость топлива на выходе из топливопровода I и на входе в топливопровод р гщ р- эффективное проходное сечение в седле иглы

клапана;

I при р > р ; д е

- I при рд < р0

Граничные условия в клапане регулятора описаны уравнения:

оплошностями потока топлива в камере "Е" и движения иглы клала йре Лхр

♦ Ц Чр / -/1 Рд - ре I ' • С2

ми.р -= Ч.р ре + ги.р рд " си.р С 2р + 2р0 3 • С 3

<н2

где Ув - объем камеры "Е"; ги р - площадь поперечного сечен иглы клапана; г^р - дифференциальная площадь иглы клапан г" = гт, г' ; и - скорость топлива на входе

И. р И. р И. р 3,0

топливопровод Ш; р " масса иглы клапана регулятора и движ щихся с ней деталей; си р и 2ро - жесткость и предварительн сжатие пружины клапана РЗП; гТз- площадь проходного сечен топливопровода Ш; гр - подъем иглы клапана;

| . 1 при 0 < гр < т.

ртах'

£и.р

I 0 "РИ гр = гртах ИЛИ 2Р =

Процессы в аккумуляторе описаны уравнением сплошности ара.р

^а.р— = 'тзиз.ьз • С4;>

где Уа р - объем аккумулятора; Ра р ~ давление топлива в а кумуляторе; "з 1з - скорость топлива на входе в аккуъ лятор Сна выходе из топливопровода 111).

Дифференциальные уравнения CI) -С4) решены методом конечных разностей, а полученная система расчетных уравнений -методом итераций . По разработанной методике на алгоритмическом языке Фортран была составлена программа расчета процесса впрыскивания системой с РЗП, реализованная на ЭВМ типа ЕС. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных параметров топливоподачи не превысило Q'",. Расчетным путем получены зависимости параметров впрыскивания от объема аккумулятора. Показана возможность определения оптимальной комплектации системы Сдля V. _ = 54 10"®м3 продолжительность впрыскивания с постоянным

а* р

давлением максимальна, а нагрузки на детали привода ТНВД имеют наименьшее значение). Установлена необходимость . настройки системы по величине va р для различных режимов работы.

Четвертая глава посвящена исследованиям по использованию низкоцетановых топлив в дизелях и оптимальной организации их впрыскивания и сгорания. К такого рода топливам относятся как тяжелые остаточные нефтепродукты Свысоковязкие мазуты), так и легкие фракции переработки нефти Сбензины). Это свойство характерно также для альтернативных топлив С сланцевых, спиртов). Актуальность задачи их использования в дизелях определяется соображениями экономического характера и необходимостью в обозримом будущем перехода на нетрадиционные топлива.

Несмотря на активные разработки в этой области, не было создано достаточно простого и эффективного способа организации рабочего процесса и топливоподачи, обеспечивающего использование низкоцетановых топлив с минимальной модернизацией двигателей. Из различных подходов к использованию низкоцетановых топлив в дизелях нами отдано предпочтение направлению, предусматривающему

применение запального тсплиг.?.. Однако,в отличие от разработанных к настоящему времени систем, включающих в себя два комплекта топливной аппаратуры, предложено использовать традиционную систему впрыскивания, обеспечивая ввод в нее между рабочими циклами необходимой порции запального топлива. Схема созданной двухтопливной системы впрыскивания представлена на рис. 6.

Базовая система топливоподачи, состоящая из ТНВД 1 и форсунки 2, дополнена общей для всего двигателя аккумуляторной системой. В последнюю входят ТНВД 5 и аккумулятор 4. Давление в аккумуляторе регулируется редукционным клапаном, а подвод топлива из аккумулятора в форсунку осуществляется через невозвратный клапан 3, размещаемый у форсунки. На схеме показаны также места установки датчиков для записи давления топлива (рн, Рф, р^, р3 т, р3 к), а также перемещения иглы форсунки ПИ и нагнетательного клапана ПК.

Предложенный метод организации рабочего процесса дизеля на низкоцетановых топливах и созданная для его реализации двухтопливная система впрыскивания всесторонне исследованы экспериментально и расчетным путем. Опыты проведены на образцах систем топливоподачи, включающих в себя базовые комплекты топливной аппаратуры двигателей ЧН 26/34 и ЧН 25/34 Первомайского ыашзавода, а совместное исследование топливоподачи и рабочего процесса выполнено на дизелях 14 25/34 и 1ЧН25/34 . Использованы различные топлива, имеющие низкое цетановое число С ЦЧ): мазут 100, сланцевое топливо (масло сланцевое топливное ), бензины, этанол. В качестве запального применялось дизельное топливо.

Характерными являются результаты безмоторных испытаний системы двигателя ЧН 26/34, на режиме пр = 375 мин"1 = Const. Эксперимент проведен по ротатабельному центральному композицион-

Основное топливо

Запальное топливо

Рис. 6 . Двухтопливная система впрыскивания дизеля

ному плану второго порядка. Получены регрессионные зависимости величины суммарной цикловой подачи ч^. и доли в ней запального топлива ч3 т от давления в аккумуляторе С Х( кодированная величина ) и выхода рейки ТНВД ( ха ).

В случае применения в качестве основного сланцевого топлива ч2 = 1,614 + 0,006Х1 + 1,001ха + 0,124 х* ; ч„ = 0,170 + 0,ОБЬ - 0,045х + 0,017хг + 0,020хг .

«Д • 1 1 2 1 2

Значения и ч3 т даны в г. Доверительный интервал для т составляет 0,6'л от его значения в средней части диапазона изменения р^, а на границах возрастает до 7,6 и 3,5%. Из уравнения следует, что определяющим фактором является выход рейки, а влияние давления в аккумуляторе значительно (более, чем на два порядка) меньше. Влияние их на ч3 т примерно одинаково. Диапазон изменения значений факторов, соответствующий интервалу +1-1, составлял для давления запального топлива в аккумуляторе Рак = 18,4 ... 13,0 МПа, выхода рейки п = 51 ... 23.

В опытах на дизеле исследована возможность сжигания перечисленных выше топлив. Оценивались также их пусковые качества. Установлено, что среднеоборотный дизель устойчиво работает на всех испытанных топливах за исключением этанола. Однако на бензине АИ-93 запуск оказался невозможным. Наиболее существенно моторные свойства топлив влияют на характеристику динамичности рабочего процесса. Так, при значениях ЦЧ = 20 ... 25 (сланцевое топливо, (5ензин Б-70, мазут 1003 период задержки самовоспламенения т и скорость нарастания давления ар/ар увеличиваются по сравнению с дизельным топливом на 20-405;, а на бензине АИ-93 (ЦЧ - 15) вдвое. На величину максимального давления сгорания р2 оказывает влияние количество топлива, поданного в цилиндр за период т1 , и момент самовоспламенения. В опытах решающим

оказался последний фактор: для топлив с ЦЧ = 20 ... 25 при начале сгорания до ВМТ рг возросло по сравнению с дизельным топливом на 0.2 ... 0.4 МПа, а на бензине АИ-93 Ссгорание начинается за В(Ш рг меньше на 0,3 ... 0,4 МПа.

Использование двухтопливной системы на двигателе позволило управлять рабочим процессом за счет подачи различного количества запального (дизельного) топлива. Его максимальная доля в цикловой подаче составляла 20 ... 50Я в зависимости от вязкости основного топлива. Применение запального топлива позволило приблизить параметры рабочего процесса на низкоцетановых топливах к его базовым показателям.

Двухтопливная система обеспечивает запуск двигателя на дизельном топливе с последующим переходом на топливо заданного состава. Так проведены испытания на бензине АИ-93 и этаноле.

Оптимальное количество запального топлива для основного с ЦЧ 20 ... 25 составляло ЮН. На этаноле с использованием 8 ... 21'/. запального топлива двигатель работал устойчиво (без запального топлива воспламенения этанола в цилиндре невозможно). При этом соотношение его параметров с базовыми было следующим: больше на 130. ..50 Я, йр/лр меньше на 10 ... 40%, р^ и температура отработавших газов близки.

Математическая модель двухтопливной системы впрыскивания разработана на базе телеграфного уравнения движения топлива, приведенного выше. При этом предложен новый метод определения граничных условий. В элементах, имеющих сосредоточенный объем V,основные параметры связаны следующим уравнением:

¿р <1 V

а V — = о - - ,

<31 <п

где а - баланс расходов топлива.

Для полости распылителя граничные условия представлены уравнением

dp$ dr dVOCB ÍY

a v$-= fTi Vl - £и ги -+ - - frY — *

* dt ' " " dt dt 1 p

* ^ |Рф ~ Pal " fT* Ua.o ,

где u, L 0 ~ скорость топлива на выходе из трубопровод;

Ф «'

основного топлива и на входеПсанал запального топлива , с и ? -единичные функции, зависящие от величины z , а также соотношения Рф и Ра-

Для аккумулятора уравнение идентично приведенному выше пр: описании системы с РЗП.

Вычисления для граничных условий в форсунке выполнены ni методике J0. Я. Фомина. В остальных узлах системы определение па раметров сводится к расчету составлявших объемного баланса. Дав

ление в конце расчетного интервала oAt Av

1 av av

Поскольку два последних слагаемых оказывают одинаково влияние на величину р,то их целесообразно объединить, представи выражение в виде

До

р = Р. + - •

av

В итоге модель системы составлена из следующих основных мо дулей: расчета движения топлива в трубопроводе, давления в узла системы и перемещения подвижных элементов.Расчет процесса впрыс кивания выполнен методом итераций.

Разработанная методика реализована в программе на Фортран для ЕС ЭВМ. Различие опытных и расчетных параметров топливопода чи не превышает 6%. Наибольшее расхождение относится к величина максимальных давлений топлива. Другие характеристики (q£¡,q3 ^

фазы топливоподачи) совпадают в пределах точности эксперимента.

На базе математической модели двухтопливной системы проведен расчетный эксперимент для определения влияния конструктивных параметров на величину ч3 . В качестве аргументов использованы следующие характеристики: С ) диаметр клапана подвода запального топлива в форсунку, ккан С хг 3 - радиус канала запального топлива в форсунке; ькан - длина этого канала. Расчеты выполнены по Б - оптимальному насыщенному пятиуровневому плану. В результате получено регрессионное уравнение (значение ч3 т представлено в У. от суммарной цикловой подачи) чз т = 26,6 + 10,2хг+ 0,9*^- 1,6х1хз - 3.1х2ха -

- 1,6^ - 6.1«* ~ 2,3 х*

Анализ полученных зависимостей выявил определяющие влияние на величину ч3 т гидравлических сопротивлений на участке клапан-полость распылителя. Поэтому для увеличения ч3 т целесообразно размещать клапан ближе к форсунке, а также увеличивать диаметр канала подвода запального топлива.

Заключение

В ходе выполнения исследований по диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработан метод расчета рабочего процесса, обеспечивающий феноменологическое моделирование впрыскивания топлива и смесеобразования в сочетании со статистическими зависимостями для сгорания.

2. Создана диалоговая автоматизированная система для комплексного анализа опытных данных по топливоподаче и рабочему процессу с представлением конечных характеристик сгорания в форме

регрессионных уравнений.

3. Разработана методология оптимизации рабочего процесса с фиксированной характеристикой впрыскивания и совместной оптимизации рабочего процесса и топливоподачи. Целевой функцией являются характеристки рабочего процесса. В конкретных приложениях получено повышение экономичности на А'/, для дизеля, прошедшего экспериментальную доводку.

4. Разработаны и всесторонне исследованы ряд способов управления процессом впрыскивания. Наиболее эффективно использование РЗП, обеспечивающего снижение нагрузок на детали топливной аппаратуры, а также улучшение характеристик распыливания и закона подачи топлива. В результате было обеспечено снижение динамической напряженности рабочего процесса на 9-145; и снижение удельного эффективного расхода топлива на 3... 8'/.. Установлена возможность совершенствования конечной фазы топливоподачи за счет модернизации нагнетательного клапана ТНВД .изменения формы и площади отсечного окна.

5. Создана математическая модель системы впрыскивания с РЗП, обеспечивающая достаточную сходимость Сразличие на более 851) с опытными параметрами.

6. Выполнен комплекс исследований по использованию в дизелях низкоцетановых топлив. Устойчивое протекание рабочего процесса на топливах, самостоятельное воспламенение которых в дизеле невозможно, обеспечено за счет впрыскивания запального топлива. Этим же способом существенно улучшено протекание рабочего процесса на топливах, применение которых приводит к росту динамической напряженности рабочего процесса. Предложенный способ применения низкоцетановых топлив реализован с помощью двухтопливной системы впрыскивания, созданной на базе традиционного

варианта топливной аппаратуры и обеспечивающей перевод дизелей на низкоцетановые топлива с минимальной модернизацией существующих систем тогогавоподачи.

7. Разработан метод расчета двухтопливных систем. Предложен новый подход к расчету граничных условий. Точность расчетов: величины максимальных давлений топлива в эксперименте и модели отличаются не более 6'/., остальные характеристики практически совпадают.

Все расчетные методики реализованы на ЭВМ, прошли отладку и опытную эксплуатацию, а также проверку по опытным данным.

Предложения по управлению процессом впрыскивания и применению низкоцетановых топлив реализованы в опытных- образцах топливной аппаратуры. Экспериментальные системы тогогавоподачи прошли доводку на безмоторных стендах и на дизелях.

Выполненные разработки внедрены и переданы для использования на предприятия и в организации, занятые производством и эксплуатацией дизелей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих • основных работах: - в книге:

1. Использование тяжелых топлив в дизелях. - М.: Транспорт, 1971. - 192с. Св соавт. ).

- в статьях:

2. Применение газотурбинного топлива на среднеоборотных дизелях //Речной флот. - 1971. - N6. - С.39 Св соавт. ).

3. Работа судового малооборотного дизеля с прямоточной продувкой на высоковязких топливах //Техническая эксплуатация морского флота / Труды ЦНИИМФ. - Л.: Транспорт, 1970. Вып. 125. -С. 39-46 С в соавт.).

чг

4. Работа чет!трехтактного судового дизеля на высоковя: ких топливах //Техническая эксплуатация морского флота / Тру; ЦНИИМФ. - Л. : Транспорт, 1970. - Вып. 12S.-С. 46-58 С в соавт.).

5. Исследование работы двигателя "Русский дизелъ"ДР 30/£ на мазуте // Судостроение. - 1970. N10. - С. 23-26 (в соавт.).

6. Применение газотурбинного топлива в судовых малообс ротных дизелях //Техническая эксплуатация флота /ЦБНТИ ММФ. 1971,- N11 С241) - С.3-16 Св соавт.).

7. Исследование работы двухтактного судового среднеобо ротного дизеля на тяжелых топливах//Техническая эксплуатаци морского флота / Труды ЦНИИМФ. - Л.: Транспорт, 1970. - Выл 122. - С. 30-45 С в соавт.).

8. Тепловое состояние деталей камеры сгорания среднеобо ротного дизеля при работе на топливе повышенной вязкости //Тех ническая эксплуатация морского флота / Труды ЦНИИМФ. - Л. : Транспорт, 1971. - Вып. 142. - С. 30-37 Св соавт.).

9. Влияние сорта топлива на температуру деталей ЦПГ четы рехтактного дизеля //Судостроение и морские сооружения. - 1971, - Вып. 16. - С. 85-91 Св соавт.).

10. Исследование топливоподачи и рабочего процесса четырехтактного дизеля на газотурбинном топливе //Судостроение ] морские сооружения. - 1972. - Вып. 18. - С. 70-80 Св соавт.).

11. Разработка и испытания охлаждаемых форсунок двигател; типа ЧН 25/34 для работы на тяжелых топливах.//Техническа; эксплуатация флота / Экспр. - инф. ЦБНТИ ММФ. - 1980. - № С487). С. 21-27 Св соавт.).

12. Работа форсунок двигателя 6ЧН 25/34 на моторном топливе //Судостроение.-1980.-Вып. 29.- С. 84-88 С в соавт.).

13. Влияние конструкции нагнетательного клапана на харак-

ристики топливоподачи судового среднеоборотного дизеля 'Двигатели внутреннего сгорания. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1983. -0. - С. 12-16 (в соавт.).

14. Эксплуатационные испытания вспомогательных двигателей Н25/34 теплохода "Северодонецк" при работе на тяжелых топливах Морской транспорт. Сер. Техническая эксплуатация флота. - М.: 0 "Мортехинформреклама", 1985. - Вып. 4. - С. 1-6 Св соавт.).

15. Изменение параметров топливоподачи судового среднеобо-тного дизеля путем перестановки нагнетательного клапана в сис-ме впрыска //Двигатели внутреннего сгорания. - М.: ЦНИИТЭИ жмаш, 1985. - N4. - 6 с. Св соавт.).

16. Процессы топливоподачи при изменении формы и размеров сечного окна насоса высокого давления //Двигатели внутреннего орания. - М.: ЦНИИГЭИ тяжмаш, 1985. - N6. - 5 с.Св соавт.).

17. Влияние конструкции нагнетательного клапана топливного coca высокого давления на характеристики топливоподачи и рабо-го процесса судового среднеоборотного дизеля //Вопросы теории эксплуатации судовых дизельных установок / Сб. науч. тр. ИМУ. - М. , 1985. - С. 48-53 Св соавт.).

18. Управление процессом впрыскивания топлива в судовых зелях //Использование топливно - энергетических ресурсов на зеком флоте /Тр. ЦНИИМФ. - Д., 1986. - С. 51-55 Св соавт.).

19. Гидродинамический расчет топливной системы с регуля-зом закона подачи/Одес. высш. инж. мор. уч-ще. - Одесса, 1986. 21 с.: ил. - Библиогр. 10 назв. - Деп. в В/О "Мортехин-эмреклама", 13.10.86, N548- мф 66 Деп. Св соавт.).

20. Исследование системы впрыска судового дизеля для para на альтернативных топливах //Вопросы теории и эксплуатации девых дизельных установок /Тр. ЛВИМУ. - М.: В/О "Мортех-

информреклама", 1985. - С. 31-40 Св соавт.3.

21. Применение легких низкоцетановых топлив в судовых ди зелях /Одес. высш. инк. мор. уч-ще. - Одесса, 1986. - 16 е.:ил. Библиогр. 15 назв. - Деп. В/О "Мортехинформреклама", 16.05.86 N556 - мф 86 Деп. Св соавт. 3.

22. Характеристики впрыска и рабочего процесса судовоп дизеля при использовании сланцевого топлива //Использование топ ливно-энергетических ресурсов на морском флоте /Груды ЦНИИМФ. • Л.:Транспорт, 1986. - С. 46-51 Св соавт.).

23. Система впрыскивания судового дизеля для работы н; низкоцетановых топливах //Судостроение: Респ. межвед. научн. • техн. сб. - 1987. Вып. 36. - С. 86-92 Св соавт.).

24. Гидродинамический расчет двухтопливной системы впрыскивания дизеля /Одес. высш. инж. мор. уч-ще - Одесса, 1987. - 2' с.: ил. - Библиогр. 9 назв. - Деп. в В/О "Мортехинформреклама", 10.12.87, N785. - мф 87 Деп. Св соавт.) .

25. Характеристики рабочего процесса среднеоборотногс дизеля ЧН 25/34 при использовании бензина АИ-93 и этиловогс спирта //Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах: Тез. докл. Всес. науч. - техн. конф. - Под ред. и с предисл. М.Г. Круглова. -М.: 1987.-160 с. Св соавт.).

26. Метод расчета рабочего процесса дизеля. Одес. выс. инж. мор. уч-ще. - Одесса, 1990. - 13 с.: ил. - Библиогр. 1С назв. - Деп. в В/О "Мортехинформреклама" 9.02.90 г., №067-МФ.

27. Регрессионная модель процесса сгорания в дизеле. Одес. высш. инж. мор. уч-ще. - Одесса, 1990. - 22 с. - Библиогр. 1С назв. - Деп. в В/0 "Мортехинформреклама" 14.5.90г., N1101-МФ.

28. Оптимизация рабочего процесса дизеля. Одес. выс. инж.

мор. уч-ще. - Одесса, 1990. -30с.: ил. - Библиогр. И наз. - Деп. в В/О "Мортехинформреклама" 2.7.90г., Ш.119-МФ.

29. Оптимизация процесса впрыскивания топлива в дизеле. Одес. высш. инж. мор. уч-ще. - Одесса, 1990. - 30с.: ил. - Биб-лиогр. 17 назв. - Деп. в В/О "Мортехинформреклама" 27.7.90г., шгз-МФ.

30. Расчетная оптимизация рабочего процесса и топливопо-дачи в дизеле//Судовое энергомашиностроение:Сб.научн.тр."Николаев , НКИ, 1991. -С. 67-79.

31. Расчет рабочего процеса дизеля на базе регрессионной модели сгорания //Теплоэнергетика и хладотехника:Сб. научн. тр.-Николаев:НКИ,1992. -С. 18-26.

Аннотация

Половинка Э. М. Оптимизация впрыскивания топлива в дизелях

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы С главные и вспомогательные),Одесская государственная морская академия,Одесса,1994.

Защищается диссертация,оформленная в виде рукописи и по теме которой у автора имеется 66 научных работ,а основное содержание опубликовано в одной монографии и 39 статьях.В работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований в области топливоподачи и рабочего процесса дизелей.Предложено и разработано новое направление в теории двигателей внутреннего сгорания -статистическое моделирование рабочего процесса. Созданный метод расчета обеспечивает прямое феноменологическое моделирование впрыскивания топлива и смесеобразования в сочетании с регрессионными зависимостями для

процесса сгорания. На базе созданного метода расчета отработа методология оптимизации топливоподачи по выходным характ ристикам рабочего процесса.Разработаны и исследованы новые сп собы управления характеристикой впрыскивания,применения низкой тановых Свключая альтернативные ) топлив.Осуществлено внедрен в народное хозяйство выполненных разработок по применен тяжелых топлив,методик моделирования и оптимизации рабоче процесса и топливоподачи в судовых дизелях,приводятся данные эффективности внедренных разработок.

Ключов! слова : диз ел1,паливоподача,робоч i й процес,опт1м1зац1я

Polovinka A.M. The diesel fuel injection optimization.

Dissertation for doctor of technical sciences degt accordingly with 05.08.05 speciality - ship energy plants < their elements С main and auxiliary ) .Odessa State Marit: Academy,Odessa,1994.

The dissertation in form of thesis is being defended. The ; thor has 66 scientific works on dissertation item and ik content of it is represented in one monography and 39 prinl articles.In work the results of experimental and theoretical ; vestigations in diesel fuel injection and working process i represented. New direction in diesel working process theory proposed and worked out - statistic modelling of working pi cess. Created method of calculation permits to perform din fenomenological modelling of fuel injection and working mix formation with using of regresive equation for combustion. On base of created method the methodology of fuel inject

optimization by external characteristics of working process is worked out.New ways for fuel injection regulation,low cetain fuels C including alternative ) using are eloborated and researched. The results of work are applied at national economy ,espe--cially using of heavy fuels and fuel injection process optimization. The effectivness of their employment are shown too.

3aK,W2if, rap. WO yen. ne^. jihct 2/ yn. topHxcoHa ,

, nozui. k ne^ ¿1.0115 OTMA Oaecca

8