автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Реализация заданных характеристик впрыскивания топлива путем оптимизации конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры

ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ■мгс ТТРЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТИВНО-РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

МОРОЗОВ Юрий Валентинович

УДК 621.436-43,001.24

05.04.02 - Тепловые двигатели

доктора технических наук

Харьков - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре "Автомобили, автомобильное хозяйство и ТКМ" в Украинской государственной академии водного хозяйства Министерства образования Украины. Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Розенблит Геннадий Борисович, Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, профессор.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Долганов Кинт Евгеньевич, Киевский транспортный университет, профессор;

доктор технических наук, профессор Молдавский Анатолий Авраамович, Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, заведующий кафедрой; доктор технических наук, профессор Долгих Иван Дмитриевич, Харьковский государственный политехнический университет, профессор.

Ведущая организация

Главное специализированное конструкторское бюро двигателей средней мощности (отдел топливной аппаратуры) Министерства промышленной политики, (ГСКБД), г.Харьков. ^

Защита состоится " 1998 г. в часов на

заседании специализированного ученого совета Д 02.15.02 при Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта по адресу:

310050, г. Харьков - 50, площадь Фейербаха, 7. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта по адресу: 310050, г. Харьков - 50, площадь Фейербаха, 7. Автореферат разослан " 1998 р.

у.

Ученый секретарь Л

специализированного ученого совета —Лялюк В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дизели - важнейшая составляющая часть энергетического комплекса. Топливная аппаратура (ТА) относится к наиболее ответственным агрегатам дизеля. Улучшение топливной экономичности путем разработки, проектирования новых и совершенствования существующих ТА составляет сущность важной научной проблемы.

Известно, что значительное влияние на экономичность рабочего процесса двигателя оказывают характеристики подачи и впрыскивания топлива. Расчетные алгоритмы достаточно широко используются при проектировании топливной аппаратуры, так как они позволяют значительно удешевить процесс доводки новых конструкций.

Использование результатов прямого расчета подачи топлива - от конструктивно-регулировочных и режимных параметров к определению конечных показателей - не дает значительного эффекта при проектировании ТА. Для реализации наперед заданных характеристик впрыскивания недостаточно наличия прямых методов расчета подачи топлива. Для этого необходим обратный метод расчета - от конечных показателей до определения конструктивно-регулировочных и режимных параметров. Существующие обратные методы расчета топливной аппаратуры дизеля существенно зависят от структуры топливной аппаратуры, от принятой математической модели рабочего процесса и не имеют универсальности. Их трудно использовать для создания универсального алгоритма реализации заданных характеристик впрыскивания топлива.

Для решения рассмотренной научной проблемы необходима разработка метода определения конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры дизеля с целью реализации заданных характеристик подачи и впрыскивания топлива. Такой метод должен отличаться многофакторностью, универсальностью при решении разных задач, должен быть реализован в расчетном программном комплексе для ЭВМ.

Автором разработан и доведен до практичного использования метод, который отвечает этим условиям и используется для проектирования нових и усовершенствования существующих ТА. Этот метод приведен в поданной на защиту диссертации. Он позволяет определить необходимые конструктивно-регулировочные параметры ТА по заданным характеристикам впрыскивания. Также описан программный комплекс для реализации этих теоретичних положений. Це определяет актуальность диссертационной работы, позволяет в общей характеристике ее квалифицировать как актуальную, направленную на решение значительной научно-технической проблемы, кото-

рая имеет важное прикладное значение.

Диссертация выполнена в соответствии с планами Украинской государственной академии водного хозяйства, где работает соискатель.

Цель и основные задачи исследования

Цель - разработка метода определения конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры дизеля по заданным характеристикам впрыскивания. Дня ее достижения определены такие основные задачи:

1. Разработка схемы решения многофакторной оптимизационной задачи с использованием современных методов расчета процесса подачн топлива и планирования многопараметровых экспериментов.

2. Обоснование и разработка программного комплекса для ЭВМ, который обеспечил бы оптимизацию конструктивно-регулировочных параметров ТА.

3. Проведение расчетной реализации заданных характеристик впрыскивания для конкретных конструкций ТА.

4. Разработка рекомендаций с использованием программных комплексов для разработки новых и модернизации существующих конструкщй ТА.

Научная новизна полученных результатов

1. Впервые получен метод и алгоритм решения задачи оптимизации конструктивных параметров топливной аппаратуры по заданным законам впрыскивания топлива с ограничениями на продолжительность впрыскивания, цикловую подачу, максимальное давление впрыскивания, остаточное давление, максимальные контактные напряжения и т.д.

2. Впервые предложен метод обобщения взаимосвязи между параметрами и показателями топливной аппаратуры дизеля с использованием уравнений множественной нормализованной линейной регрессии (УМНЛР) для решения задачи синтеза топливной аппаратуры.

3. Предложен и использован новш метод выбора точек для расчетного эксперимента из многомерного гиперкуба пространства параметров топливной аппаратуры с одновременным изменением уровней всех параметров без повторения.

4. Впервые разработан программный комплекс, который позволяет проводить гидродинамические расчеты процесса впрыскивания, обработку их результатов для получения уравнений регрессии и оптимизацию конструктивно-регулировочных параметров.

Практическое значение полученных результатов

Теоретическая ценность диссертационной работы определяется новыми методиками и алгоритмами расчетного исследования, которые позволяют оптимизировать конструктивные параметры топливной аппаратуры в соответст-

вии с заданным законом впрыскивания. Практическая ценность диссертационной работы определяется программами для ЭВМ, которые реализуют проведение гидродинамического (ГД) расчета по предложенному плану эксперимента, обрабатывают результаты ГД расчетов для получения уравнений множественной нормализованной линейкой регрессии (УМНЛР), оптимизируют конструктивно-регулировочные параметри ТА для получения заданных ее показателей, а также определяется результатами расчетных исследований ТА ряда дизелей.

В работе:

1. Установлено, что для описания характера взаимосвязи между показателями впрыскивания топлива и конструктивними, регулировочными и режимными параметрами возможно использование уравнений линейной нормализованной множественной корреляции. При этом снимаются ограничения на количество рассмотренных параметров.

2. Разработаны схемы решения обратной задачи - определение рациональных значений конструктивних и регулировочных параметров по задашгым интегральным и дифференциальным характеристикам процесса подачи топлива.

3. Установлена возможность объективной комплексной оценки влияния отдельных конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры на показатели впрыскивания топлива путем определения долы вклада каждого параметра в уравнение регрессии для конкретного показателя в определенных интервалах изменения значений параметров.

4. За оптимальний было принято решение, которое обеспечило минимизацию суммы модулей невязок между фактическим и заданным законами подачи.

5. Представлены результаты расчетных исследований топливной аппаратуры ряда дизелей, из которых следует, что:

5.1. Для адекватного описания многомерного пространства показателей и параметров у уравнении регрессии обобщенный коэффициент корреляции уравнения должен составлять не меньше 0,80.

5.2. Погрешность аппроксимации в уравнениях регрессии относительно входной информации (результаты гидродинамических расчетов) изменяется в зависимости от значения обобщенного коэффициента корреляции в пределах 5... 10%.

6. Приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований, которые позволили:

6.1. Обосновать возможность реализации достаточной точностью необхо-

димых характеристик впрыскивания в ТА дизелей при оптимальном профилировании кулачкового вала.

6.2. Уменьшить продолжительность впрыскивания в топливной аппаратуре тепловозного дизеля ПДГ1М с 53 до 33° поворота коленчатого вала при необходимом уровне давления впрыскивания топлива.

6.3. Установить, что при адаптации ТА дизеля ПДГ1М к режиму газодизеля возможно обеспечение постоянной подачи запальной порции топлива в объеме 5 % от номинального значения при номинальной мощности.

Уровень реализации, внедрения научных разработок

Реализация научных разработок осуществлена путем расчетных исследований топливной аппаратуры ряда дизелей:

1. Топливной аппаратуры дизеля ЧН13/14 (НИКТИД, г. Владимир) по заданию ЦНИТА.

2. Опытной топливной аппаратуры разработки ЦНИТА для тракторного дизеля.

3. Топливной аппаратуры дизеля 6ЧН-31,8/33 с целью улучшения ее основных показателей для улучшения топливной экономичности.

Результаты научных исследований были переданы ЦНИТА в 1988..Л 990 годах для использования и внедрения.

Результаты исследований в виде программных комплексов для персонального компьютера приняты в 1995 году к использованию и внедрению в научно-техническом предприятии "Конструкторское бюро среднеоборотных двигателей" при ГП "Завод им. В. А. Малышева". Они используются также в учебном процессе для студентов специальности "Автомобили и автомобильное хозяйство" при чтении курса "Автомобильные двигатели" в Украинской государственной академии водного хозяйства. Внедрение теоретических и практических разработок подтверждено актами внедрения.

Личный вклад соискателя

При выполнении диссертационной работы лично соискателем получены новые теоретические и практические результаты, которые и выносятся на защиту.

1. Разработаны основные положения по использованию нормализованной множественной корреляции для установления комплексной взаимосвязи между показателями впрыскивания и конструктивно-регулировочными параметрами топливной аппаратуры, с использованием УМНЛР, которые описывают показатели впрыскивания топлива.

2. Предложены схемы реализации заданных характеристик впрыскивания топлива: путем решения системы линейных уравнений относительно показа-

телей; с оптимизацией параметров градиентно-статистическим методом, в том числе с выбором профиля кулачкового вала.

3. Разработаны алгоритмы и программы для программных комплексов, которые позволяют проводить гидродинамические расчеты процесса впры-

тппттп п п.гчпчл л^илйлт(«1 ^ОИГПГ ПГТЯ гтлтптшчш 1т1ППД_

1\ ( 1Г1/1 1иШтои и и^рииылу} ИЛ > ^ „ 11 > 1 111 I, ' I > ДЛЛ 11У1.1 1.11/1/. / I /1; ^

ний регрессии и оптимизацию конструктивно-регулировочных параметров.

4. Приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований с помощью программных комплексов на ЭВМ, которые позволили:

4.1. Обосновать возможность реализации с достаточной точностью дифференциальных характеристик впрыскивания ТА дизелей при оптимальном профилировании кулачкового вала.

4.2. Уменьшить продолжительность впрыскивания в топливной аппаратуре тепловозного дизеля ПДГ1М с 53 до 33° поворота коленчатого вала при заданном уровне давления впрыскивания топлива.

4.3. Установить, что при адаптации ТА дизеля ПДГ1М к режиму газодизеля возможно обеспечение стабильной подачи запальной порции топлива в объеме 5 % от номинального значения при номинальной мощности.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на таких конференциях и семинарах: третья тематическая научная конференция по вопросам конструирования и эксплуатации топливоподающих систем автотракторных дизелей (Саратов, СИМСХ, 1977 г.); ежегодные научно-исследовательские конференции МАДИ (1988, 1990 гг.); научно-технические конференции УИИВХ (1986, 1989, 1992, 1995); научно-технический семинар "Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей" (Ленинград-Пушкин: 1986, 1987, 1990 и 1996 гг.); второй республиканский семинар по вопросам улучшения показателей тепловых двигателей ТГАА (г.Мелитополь, 1996 г.).

Публикации

По результатам исследований, которые вошли в диссертацию, опубликовано 16 работ, в т.ч. 1 монография (один автор), 7 статей в научных журналах, 7 статей в сборниках научных трудов, 1 тезисы конференции.

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит титульный лист, содержание, перечень условных обозначения, вступление, шесть разделов, выводы, список использованных источников и 3 приложения. Полный объем диссертации 289 стр. текста, в т.ч. 40 таблиц, 49 рисунков, 129 наименований списка использованных источников и 5 стр. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована тема диссертационной работы, дана общая ее характеристика, сформулирована цель и задачи исследования, приведены положения, которые выносятся на защиту.

Первая раздел посвящен анализу современного состояния проблемы определения параметров топливоподающей аппаратуры по заданным ее конечным показателям.

Транспортные дизели должны осуществлять экономичную работу в широком диапазоне изменения частоты вращения и мощности. При разработке перспективных дизелей к ТА предъявляется ряд требований. Это - необходимость увеличения ее производительности, улучшения качества распиливания топлива, увеличения надежности топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, выбора оптимальных характеристик впрыскивания топлива (ВТ) и т.п.

Метод расчета показателей ВТ в дизеле известен как "прямой" метод расчета. В нем по известным значениям конструктивно-регулировочных параметров определяются значения показателей ВТ. Для подбора ТА по заданным параметрам тогшивоподачи (ТП) существуют "обратные" методы расчета. Идея обратного метода расчета была предложена И.В.Астаховым и В.С.Любинецким. По заданной характеристике ВТ, задавшись предварительно конструктивными особенностями форсунки на каждом этапе расчета, последовательно определяется давление распиливания, путь и скорость движения иглы, давление и волны давления у форсунки, скорость топлива в выходном сечении трубопровода. "Обратный" метод дозволяет по заданным показателям ТП определить необходимые параметры ТА.

Имеющиеся алгоритмы расчета ТА имеют ограниченную применимость для решения обратной задачи поиска конструктивных соотношений по заданным характеристикам ВТ. Уточнение систем дифференциальных уравнений, описывающих процесс ТП, вызвало необходимость замены методов их решения ы необходимость применения ЭВМ при расчетах. Поэтому стало неэффективным и нецелесообразным обратное преобразование дифференциальных уравнений по методу конечных разностей в явном виде относительно параметров ТА для решения "обратной" задачи топливоподачи.

За объект исследования принята ТА раздельного типа с блочным ТПВД и бесштифтовой форсункой. Для такого типа аппаратуры в диссертации приведены численные примеры. Численное обозначение примера - это номер раздела диссертации, точка и номер примера в разделе.

Использованная для описания принятого объекта математическая модель

должна давать результаты, которые легко сопоставить с результатами экспериментальных исследований рассмотренных объектов. Приемлимыми являются математические модели, которые базируются на гидродинамическом (ГД) методе расчета.

Необходим метод конструирования ТА, который позволяет сделать обоснованный выбор ее основных конструктивно-регулировочных параметров, отличается универсальностью при решении разных задач, реализуется в программно-расчетном комплексе (ПРК) для использования в системах автоматизированного проектирования.

Проблема определения параметров топливоподающей аппаратуры по заданным ее конечным показателям может быть названа как "задача синтеза". Эта задача более широкая, чем "обратная" задача гидродинамического расчета. Постановка задачи синтеза содержит в себе: выбор объекта проектирования, обоснование показателей объекта, который проектируется, выбор целевой функции, обоснование использованной математической модели, выбор независимых параметров, обоснование переменных и фиксированных параметров, выбор метода оптимизации.

Во втором разделе приведен анализ существующих способов определения показателей, характеризующих работу топливоподающей аппаратуры.

К показателям ТП отнесены цикловая подача топлива д1}, продолжительность ВТ А<рвпр, давление топлива под конусом иглы форсунки Рф и т.д.

Дифференциальный закон ВТ рассмотрен в виде совокупности девяти ординат, расположенных на правых границах участков, полученных делением общей продолжительности ВТ на десять частей.

К параметрам ТА отнесены скорость вращения кулачкового валика, площадь плунжера, объем полости плунжера и т.д. Имеется около 40 конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры.

Основное содержание "прямой" задачи ТА - определение значений показателей ТП по заданным, исходным значениям параметров. Переход от входных конструктивных, регулировочных и режимных параметров к выходным показателям ТА может быть осуществлен путем проведения экспериментальных исследований, организации расчетных экспериментов.

Расчетные исследования могут базироваться на различных методах: критериальных, статических, гидродинамических. На теории неустановившегося движения идеальной упругой жидкости основан метод И.В.Астахова, пригодный для расчета ТА, работающих на маловязких топливах. Более точными является решения, предложенные Т.Ф.Кузнецовым, в которых вязкость топ-

лива учитывается амплитудным множителем. Большой вклад в совершенствование этих методов внесен ЮЛ.Фоминым. В диссертационной работе для расчетных экспериментов применены два варианта ГД метода расчета - алгоритмы МАДИ и ЦНИТА.

Экспериментальное исследование ТА дизелей затруднено из-за высокой стоимости разработки технологии, изготовления, доводки и последующих испытаний опытных образцов. Большая часть работ по изучению влияния входных параметров на конечные показатели ВТ основана на результатах расчетных исследований. Представляет интерес учет комплексного влияния параметров на показатели ВТ, который можно обобщить и использовать для других ТА.

В ряде работ рассматриваются зависимости показателей ВТ от значений комплексов параметров, называемых критериями подобия. Количественные зависимости между критериями обычно устанавливают на основании обработки опытных данных, в виде степенных зависимостей. Подобные зависимости позволяют распространять полученные данные на целый класс ТА.

Планируемый эксперимент является расчетным. Его особенностью в является наличие значительного количества исходных параметров, характеризующих ТА. Количество такта факторов может достигать 40. Это исключает полный факторный эксперимент, т.е. перебор всех возможных значений параметров.

Взаимосвязь между параметрами и показателями предполагается в виде уравнений множественной нормализованной линейной регрессии (УМНЛР). В уравнение регрессии входят не конкретные параметры и показатели, а их нормализованные аналоги. Это исключает способ учета эффектов взаимовлияния между параметрами с помощью классического дробного факторного эксперимента. Метод обработки результатов расчетного эксперимента с использованием интегрального преобразования накладывает на. способ выбора значений исходных параметров существенное требование их случайности. Для ряда экспериментальных исследований такой случайный характер выбора параметров может обеспечиваться автоматически. При организации расчетного эксперимента его необходимо специально предусмотреть.

При разработке плана эксперимента предложено интервал изменения каждого параметра разделить на определенное количество уровней (равное количеству расчетов в эксперименте). Для увеличения эффекта случайности при выборе исходных параметров ТА весь объем расчетного эксперимента разделен на несколько серий. При переходе от серии к серии следует изменять случайным образом последовательность параметров. Распределение значений

параметра по уровням может быть равномерным или неравномерным.

В третьем разделе рассмотрен многофакторный корреляционный анализ как способ описания пространства параметров и показателей топливоподачи.

Для учета нелинейных корреляционных связей между исходными переменными и показателем используют уравнения множественной регрессии линейного вида

У = а0 + а,иХО + а2/2(Х1)+...+а)/1(Х1) (1)

Характер функций Х]) зависит от еидэ взаимосвязи между параметрами и показателями. Субъективный подбор этих функций затрудняет алгоритмизацию при использовании уравнений регрессии для задач оптимизации.

В работе Алексеева Г. А. изложены основы линейной множественной нормализованной корреляции, которые позволяют оценивать вклад каждого рассматриваемого параметра Х1,Х2,...X. в УМНЛР между нормализованными переменными и¡(Х^).

иа(Х0) = Ай1их(Х0 + А02и2(Х2)+...+Ати}(Х1) (2)

Нормализованные переменные представляют собой монотонные функции от исходных переменных II / — II-(X■), / = 0, 1, 2,...,/ . (/ - число параметров).

Чем больше отличаются кривые связи = II] (X 1) от прямых линий,

тем больше эффект выравнивания попарных корреляционных связей (, Хк) в результате нормализации переменных. Для определения функций (кривых) распределения вероятностей исходные данные наблюдений или экспериментов должны при интегральном преобразовании представлять случайную выборку.

Предложенный Г.А.Алексеевым метод выравнивания и нормализации многофакторных корреляционных связей применен в диссертационной работе для получения УМНЛР. Он основывается на двух функциональных преобразованиях конкретных значений I исходных параметров Хг, Х-,,..., Х1 и рассматриваемого показателях Х0 = У. Первое преобразование состоит в замене N конкретных значений каждого /-ого параметра или рассматриваемого показателя при 7=0 Х/я,] = 0, 1, 2,...,/) эмпирическими вероятностями непревышения ,/^,/=0, 1,2,...,/ .

Рр = [т(Х11) - 0,257 / + 0,5;. (з)

Здесь т(Х^) - порядковые номера значений у - ого параметра поа

расположения их в возрастающем порядке.

Дальше (второе преобразование) производится замена эмпирических в роятностей непревышения Р^ соответствующими им значениями обратнс функции (квантилями) нормального нормированного интегрального распре деления IIр = 1'(Рр) {и}1,ии^ , } =0, 1,2,...,/).

Оба преобразования графически представлены на рис.1 в виде двух кр| вых: эмпирической кривой распределения Р/ = Pj(Xj) исходной пер*

менной X; и нормальной кривой распределения Р, = Ф(11.) нормализ<

ванной переменной II -, с общей вертикальной ординатой вероятности н<

р, р* р, р* превышения Р. 1,0 г о -------------- -------

0,5 - 0,5

у " 1,и ' .........

ха 0 и*=р(рл> параметров он

Рис. 1 Схема преобразования параметра или показателя представляют собо Х: в ранговую Р) и нормализованную II ■ переменные. исходную информг

цию для обработк

принятыми методами. Объем исходной информации оценивается суммарны] числом параметров и показателей X и числом проведенных ГД расчетов N Обработка информации идет последовательно для каждого показател) После получения коэффициентов УМНЛР показатель заменяется другим, процесс циклически повторяется.

Для каждой пары исходных параметров определяется коэффициент нор мализованной корреляции. Вычисленные коэффициенты нормализование парной корреляции Г1к определяют симметричную матрицу коэффициенте корреляции. Этой матрице из коэффициентов нормализованной парной кор реляции соответствует система линейных нормальных уравнений.

Для каждого Г, расчета, проведение го согласно план эксперимента, пол; чены значения пок; зателей ВТ. В совс купности со знач( ниями начальны

Решая систему относительно (X/ определяем неизвестные коэффициенты регрессии, входящие в УМНЛР. Полученное УМНЛР выражено относительно нормализованных переменных II 1.

Для УМНЛР определяется полный коэффициент корреляции:

Л2 = (4)

Он оценивает адекватность УМНЛР. Чем ближе к единице его значение, тем ближе к функциональной приближается корреляционная взаимосвязь между параметрами и показателями. УМНЛР можно использовать для качественной оценки показателей при >0,6 и для качественной - при Л0>0,8.

При анализе УМНЛР требуются доли вклада каждого параметра в конкретное уравнение. Чем выше значимость параметра, тем выше должна быть его доля вклада в УМНЛР. Предельным эффективным значением доли вклада является удвоенная относительная средняя квадратичная ошибка квадрата полного коэффициента корреляции.

Условием эффективности параметра является превышение его доли вклада над удвоенной относительной средней квадратичной ошибкой.

УМНЛР в левой части содержит нормализованный аналог показателя V1, в правой части - нормализованные аналоги параметров 1/1. В конкретных УМНЛР для нормализованных переменных применены обозначения, аналогичные обозначениям конкретных переменных, с добавлением сверху знака "тильда".

Х1л = ахХх + а212+..,+аД/+..+аы1ы, (5)

Подобные линейные по форме уравнения, выраженные через нормализованные аналоги, могут быть использованы в различных целях: для выделения в явном виде параметров, входящих в правую часть; для составления и решения системы линейных уравнений, для решения задач линейного программирования, в т.ч. для проведения оптимизации градиентными методами. При практическом использовании УМНЛР необходимо осуществлять переход от вероятностных нормализованных аналогов к конкретным переменным и наоборот. Проще всего осуществить это графически по линии связи между конкретным параметром (или показателем) и его аналогом. Однако точность графического перехода не всегда достаточна. Реализован алгоритм перехода между конкретными и аналоговыми переменными в виде подпрограммы для ЭВМ.

На качество аппроксимации УМНЛР влияют два фактора.

1. Случайный характер выбора точек из рассматриваемого многомерного пространства параметров.

2. Монотонность взаимосвязей между исходными параметрами и показателями, которая характерна для большинства практических задач.

Четвертый раздел посвящен применению уравнений регрессии для определения показателей топливоподачи по заданным параметрам.

С помощью методов теории подобия можно получить устойчивые зависимости между исходными параметрами и конечными показателями ТА. Характерно является наличие большого количества критериев подобия. Критериальные зависимости обычно представляют в степенном виде. Поэтому большое количество критериев подобия усложняет вид зависимостей.

Одним из направлений развития критериальных методов является уменьшение их количества в степенных зависимостях путем укрупнения. Исследовалась возможность объективного уменьшения количества критериев подобия путем замены двух исходных критериев произведением их степеней. Такая постановка вопроса возможна и в некоторых случаях эффективна.

Уменьшение количества критериев указанным способом приводит к усложнению формы самих критериев. При практическом использовании зависимостей может возникнуть дополнительная задача - при заданных значениях безразмерных комплексов реализовать их в исходных параметрах. Использование критериев подобия усложняет использование УМНЛР. Целесообразно вместо критериев подобия в уравнениях регрессии непосредственно рассматривать показатели впрыскивания топливной аппаратуры и ее конструктивно-регулировочные параметры.

Поэтому в диссертационной работе использование критериев подобия ограничено первым числовым примером четвертого раздела. В дальнейших материалах исследований критерии подобия не используются.

В таблице 1 приведены эффективные переменные параметры и показатель числового примера 4.1, а также интервалы их возможного изменения.

Таблица I.

Параметры и показатель, которые использованы в уравнении регрессии, границы изменения параметров и доли их вклада.

№ Границы Доли вклада

п/п Изменяемый параметр изменения в уравнение

параметра регрессии

1 площадь плунжера /п , см2. 0,436... 30,5%

0,836

2 угол геометрического конца подачи (ргки, рад 0,51...0,65 30,5%

3 угловая скорость кулачкового вала О), рад/с 47,2... 172,2 17,6%

4 жесткость пружины нагнетательного клапана 8К, рад/с 0,14...1,54 4,7%

5 радиальный зазор в распылителе Аи, мкм 0,5...3,5 5,8%

6 масса нагнетательного клапана Мк, г 0,35 ...12,35 4,6%

7 площадь канала в нагнетательном топливопроводе fт, см2 0,0138... 0,0538 3,0 %

8 длина топливопровода 1т, см 32...92 3,3%

9 цикловая подача (¡ц, мм3/цикл 10,5.-280 -

В численном примере 4.1 рассмотрено комплексное влияние 26 параметров на цикловую подачу (}ц, характеризующую процесс ТП в целом. Для упрощения не исследовалось влияние скорости плунжера в характерных точках по углу поворота кулачкового вала и принят характер движения плунжера ТНВД дизеля 64-13/14.

После обработки результатов расчетов получено УМНЛР для показателя . Анализ долей вклада показал, что из 26 переменных эффективны лишь

8. В УМНЛР входят нормализованные аналоги параметров и показателей, обозначаемые знаком "тильда" (~).

цп = 0,458/л + §М5<ргкп + 0,2365 + 0,125^ + ОД 10ДЯ -- ОД 06 Мк - 0,075/г + 0,050Тт, (б)

где (¡ц, /п, сргкп, <у, Зк, А и, Мк, /т и Тт - нормализованные переменные,

введенные вместо конкретных переменных таблицы 1.

Переход от параметров и показателя ТА к нормализованным переменным и наоборот проводится с помощью графиков рис.2.

Доля вклада параметра в уравнение регрессии зависит от набора рассматриваемых параметров, интервалов их изменения и конкретного показателя.

В численном примере 4.2 исходная информация была получена путем расчетов процессов ВТ на ЭВМ по методике МАДИ. Число рассматриваемых параметров составило 34. Проведено 154 расчета в пяти сериях. Исходная информация носит случайный характер и достаточна для описания рассматриваемого многофакторного пространства. Методика обработки расчетных

2,0 1,6 1,2 ОМ 0.4 О -0,4 -0,8 -12 -1.6

<?№ ?№ Ф«я.' Д» Д»-/т> I

Чи^.

Тп, а 5» 5*. К' Г* %■

0 0.436 50 0.5/й 100 150 200 0,676 250 0,756 300 0.83

47 72 97 122 ¡47 172

0,5/0 0,538 0,566 0,594 0,622 0.650

1,4 4,2 7.0 9,8 12,6 16.4

0,00005 0,000} 1 0,00017 0,00023 0.00029 0.00035

0,00033 0,00275 0.00515 0,00755^ 0.00995 0.01235

0,0138 0,0218 0,0298 0,0378 0.0458 0,0538

32 1— 44 -ь- 56 -- 68 -1- 80 - 98 -1

р,Кс„ А. к

I, К

Рис.2. Графики перехода от нормализованных переменных к критериям подобия.

1м.

к А-

И; Ч1И„ Н Д<рС„

результатов предусматривает составление УМНЛР, выраженных через аналоги показателей и параметров, построение графических зависимостей между этими аналогами и конкретными переменными.

Получены коэффициенты УМНЛР для цикловой подачи дц, продолжительности ВТ А (р, остаточного давления Рост и максимального

давления ВТ Рф тах. При анализе УМНЛР можно исключить параметры, доли вклада которых значительно меньше предельного эффективного значения, равного

удвоенной средней квадратичной ошибке каждого параметра. Окончательное сокращенное УМНЛР для Цц приобретает следующий вид

^ =0,04\пкв +0,405/„ + 0,017 Гяо + 0,249йЯгаах + 0,049 Рк0 + 0,040/г + 0,0481Т + 0,502р1Ш 4-0,035Рвс -0,066Со*/?-0,154Дл -0,054/^-0,206/^ --0,053МК +0Д96/Я. (7)

ч>«

Аа. К

+

0,Шс1ог +

К слабо влияющим на цикловую подачу параметрам можно отнести Ун, утах, (ф /к > /я >Д я ■ в отношении других показателей -

Рост,А(р, Рфтш получаются другие сочетания малоэффективных параметров. Анализ влияния параметров на конкретный показатель сводится к сортировке параметров по значению доли вклада параметра. Часть полученного списка можно исключить из дальнейшего рассмотрения. Последующая обработка оставшейся части информации приводит к получению нового набора долей вклада и коэффициентов УМНЛР. Возможна оценка показателей ВТ по

Р,„ МПи Л,- МПа

Рис.3. Номограмма для вычисления остаточного давления РОСТ в трубопроводе топливной системы.

упрощенным УМНЛР при использовании номографических методов. На рис. 3 приведена номограмма для упрощенного УМНЛР, позволяющая определить остаточное давление в топливопроводе.

За основу номограммы принято уравнение регрессии для остаточного давления Р0ст из численного примера 4.2, подобное к ( 7 ). Тут использованы функциональные шкалы соответственно рассмотренным параметрам и немые шкалы без обозначений, которые изображают алгебраические суммы составных уравнений регрессии. На рис.3 приведена последовательность выполнения номографического расчета.

В пятом разделе рассмотрено применение уравнений регрессии для оценки и выбора параметров топливоподающих систем. Предложены три возможные градиентные схемы оптимизации в дизелях; достижение максимума цикловой подачи qц при наличии линейных двухсторонних ограничений ординат дифференциального закона подачи; достижение минимума целевой функции в виде суммы модулей отклонений ординат дифференциального закона подачи при наличии жесткого ограничения цикловой подачи; поиск области допустимых решений.

В численном примере 5.1 для девяти ординат закона подачи, общей цикловой подачи и продолжительности ВТ составлена система из одиннадцати уравнений. Для того, чтобы простейшим образом решить "обратную" задачу, необходимо преобразовать эту систему линейных алгебраических уравнений относительно одиннадцати достаточно эффективных параметров со значительными коэффициентами регрессии. На основании анализа отнесены к эффективным параметрам следующие:

ПКВ > /л > ^Птах> Ьг> -^ФО» ФгКП > М/кИ > СОЬ'/З, Ац /ц ■

Численные значения этих параметров подлежат определению. Остальные из параметров должны быть предварительно заданы. Для обеспечения требуемых значений показателей дц,А(р, Q^>Q2>■•■,0<> необходимо решить систему линейных уравнений относительно неизвестных

ПКВ' /л ' ^П тах^ФО > ФгЮ! ' И/кП ' Со.?/?, Ап,Нр,/и.

Составлены одиннадцать УМНЛР, подобные выражению (8 ).

Яц-Сд=0-па+ 0,507 • 7Я + 0,287 •ЛПяиа + + 0 ■ 7И + 0 • Рт + 0,415 • ргкп + 0,096 • ¡¡/ш + + 0,080 • Сохр - ОД48 • 4, - 0,218 • А, + 0,090 • /я. (8)

При решении задачи синтеза в данной постановке переменные, находящиеся в левой части уравнений, могут быть легко определены. При заданных показателях , Л<£>, , ,..., 09 по графическим зависимостям определяются их вероятностные аналоги. Величины , С, С, и т.д. представляют

собой алгебраические суммы произведений аналогов предварительно заданных параметров на соответствующие коэффициенты регрессии.

В результате решения системы уравнений типа ( 8 ) будут получены вероятностные аналоги искомых параметров ТА:

ПКВ ' /п > ^П гг.ах > ' ^ФО » ФпШ ' (¿1КП '

По графическим зависимостям определены соответствующие значения вероятностных аналогов. Подставим значения С, и вероятностных аналогов

заданных показателей д[ц, А(р, 0] и т.д. в систему и решим ее. Решение системы пкв= - 0,115; /я = - 0,207; /77тах= - 0,046; Ти = - 0,302; Рф0 -0,092; фрки =0,138; ¡}/Ю1 =0,501; Со.?/?=0,527; Дя =0,207; ^>=0,326; /а =0,608 соответствует конкретным значениям искомых параметров ТА: 840 об/мин; /я = 0,571см2; йЯтах = 0,946 см; tll = 28,4 С0; Рф0 = 15МПа; <р/кя = 33,34°; (л/т = 0,0277 см2; Соя/? = 0,833; Ая = 0,00094 см; ¡1Р = 0,3396 см; /и = 0,3637 см2.

Отклонение полученных показателей от заранее заданных составляет соответственно: 7,01 7,9; 2,0; 1,0; 4,2; 1,5; 0,9; 10,5; 3,9; 0,9; 1,4 %. Погрешности реализации заданных показателей при постановке задачи в числовом примере 5.1 находятся в пределах погрешностей использованных УМНЛР.

В численном примере 5.2 по заданным начальным параметрам и требуемым ординатам закона подачи можно определить значения параметров ТА, наиболее близко обеспечивающие эти ординаты дифференциального закона при стабильной цикловой подаче. Линейное относительно параметров уравнение для целевой функции может быть минимизировано известными методами. Статистическая информация для УМНЛР получена на основании ГД расчетов процессов ТП по алгоритму, разработанному в ЦНИТА. Всего произведено 4 серии расчетов по 32 расчета в каждой.

В каждом ГД расчете со стабильной подачей Qц = 100 мм3 /цикл рассмотрению подлежали ординаты закона подачи (2Х, <22,..., 09 и продолжи-

тельность ВТ Д<рВщ, в град. Целевая функция определялась как сумма модулей разностей расчетных значений ординат и заданных их значений

Вариант № 5

1=1

Осуществлялся подбор пяти вариантов ТА. Значения исходных параметров приняты одинаковыми, близкими к центрам соответствующих интервалов изменения. Для каждого из 128-ми расчетов определено значение целевой функции Л£2шт и продолжительность А(рвпр . Для этих двух показателей получены два УМШ1Р относительно нормализованных аналогов рассматриваемых уравнений по каждому варианту.

Методика оптимизации предполагает минимизацию вероятностного аналога целевой функции и сохранение неизменным значения вероятностного аналога второго показателя - продолжительности ВТ. В результате проведения оптимизации определяется 32 значения исходных параметров в вероятностной форме для каждого из пяти вариантов. Производится переход от вероятностной к конкретной форме параметров. После определения значений параметров в конкретной форме произведены проверочные ГД расчеты с полученными значениями.

Средняя по пяти проведенным в качестве численного примера вариантам расчетов погрешность подбора ординат закона подачи составляет 16,21 %.

Поскольку распределение значений параметров по уровням принято неравномерным в плане эксперимента численного примера 5.2 и последующих, то чем ближе к центру интервалов заданы значения параметров и показателей, тем выше точность подбора значений целевой функции. Поэтому целесообразно использовать 40...50% в центральной части интервалов изменения

а а а а а а а

у,- ординаты закона подачи Рис. 4. Заданная и полученная характеристики ВТ в виде последовательности ординат закона подачи для варианта №г 5.

параметров и показателей.

Кроме градиентного метода для определения параметров ТА рассмотрены методы линейного программирования. Реализован так называемый "интуитивный" подход к задаче линейного программирования.

Предположим, что в качестве изменяемых величин принято 32 параметра ТА. А для каждого из десяти показателей ВТ составлено уравнение регрессии. Тогда i = 32 и j = 10. Если число уравнений равно числу переменных параметров (г = j), то можно просто решить такую систему линейных уравнений, например, методом Гаусса. Полученное решение должно обеспечить заданных j значений показателей ВТ.

Равенство i = j не гарантирует успешной реализации произвольно заданного набора значений показателей ВТ (например, совокупность девяти ординат характеристики ВТ и остаточное давление в топливопроводе). Это возможно лишь при условии ограничения значений полученных аналогов параметров. Для информации из 128 расчетов это значение составляет 2,5.

Если Jj^-J > 2,5, то невозможно осуществить точный переход от полученных аналогов к конкретным параметрам. Возможны при этом упрощения. Например, если jxj > 2,5, то принимаем 2,5. Если влияние конкретного параметра невелико, то замена допустима и не вносит значительных погрешностей.

Уменьшение модулей получаемых аналогов параметров обеспечивается при приближении заданных значений показателей к центрам их интервалов изменения. Вокруг комплекса значений показателей, определяющих центры интервалов их изменения существует зона гарантированной реализации произвольных наборов значений показателей.

Случай равенства i = / является частным. В общем случае i > j, и простое решение линейной системы уравнений неприемлимо. Необходимо исключить га рассмотрения i — j параметров (например, задать их значения постоянными). В конкретной реализованной программе проводился анализ значимости параметров, их доли вклада в УМНЛР. Сильно влияющие параметры имеет смысл включать в систему линейных уравнений для решения. Кроме того, некоторые параметры ТА должны принимать фиксированные значения (например, диаметр плунжера dn ).

В результате анализа все параметры разделяются на три группы: фиксированные параметры, сильно влияющие изменяемые параметры и слабо

влияющие изменяемые параметры. Во вторую группу в простейшем случае включаем j- 1 сильно влияющих параметров. Если число фиксированных

параметров к, то количество слабо влияющих параметров будет / — к — У + 1. Система линейных уравнений включает все сильно влияющие параметры и один из слабо влияющих. Решаем систему уравнений и анализируем полученное решение на предмет ограничения по модулю. По значениям параметров определяем значение первой функции.

Второй вариант системы линейных уравнений будет получен путем замены первого слабо влияющего параметра на второй. После решения системы получено новое значение целевой функции. При переборе одного слабо влияющего параметра в итоге будет получено / — к — у + 1 значений целевой функции. То решение, которое удовлетворяет условию минимальности или максимальности будет искомым.

В шестом разделе описаны результаты разработки программного обеспечения для комплексного решения задач оптимизации топливоподачи в дизелях.

Процесс уточнения алгоритмов ГД расчета привел к резкому увеличению продолжительности ГД расчетов. Один цикл ГД расчета по методике ЦНИТА на ЭВМ ЕС-1036 имел продолжительность около 5 мин. Если осуществлять подбор остаточного давления и угла геометрического конца подачи, то продолжительность расчета может составить в среднем 2...2,5 часа: На продолжительность расчета существенно влияет методика и алгоритм задачи. Если сравнить расчет аналогичного объекта по двум программам (ЦНИТА и МАДИ), то продолжительность счета окажется во втором случае в два раза меньше.

ГД расчет является наиболее продолжительной частью всех видов расчетов при оптимизации параметров ТА. Обработка результатов расчетов и непосредственно оптимизация занимают несравнимо меньше времени по сравнению с ГД расчетом.

Решение задач расчета ТА дизелей включает в себя ГД расчет по определенному плану, обработку результатов расчетов с целью получения уравнений регрессии и непосредственно решение "обратной" задачи. Структура ПРК вполне соответствует последовательности этих этапов и включает в себя соответствующие части программы - подпрограммы.

Программа ГД расчета принята в качестве составной части разрабатываемого ПРК. Для решения задач оптимизации в ПРК принят к реализации градиентно-статистический метод. Для его осуществления предполагается

--эксперимент - расчет

Л

п

(

V

V

р,

Ша

120 100 ВО 60 40 20 О

наличие регрессионных линейных зависимостей между показателями (целевой функцией) и параметрами систем ТП. В состав разрабатываемой программы должна входить подпрограмма обработки результатов ГД расчетов с получением регрессионных зависимостей. Непосредственно оптимизация и получение параметров ТА осуществляется в оптимизационной программе.

ПРК выполнен как законченное программное изделие и может использоваться для оптимизации показателей ТП как автономно, так и в составе других программных комплексов. Внедрение подобных комплексов предполагается обеспечить путем применения на предприятиях, осуществляющих проектирование, разработку и производство ТА.

Проведено сравнение результатов расчетного подбора параметров опытного образца топливной системы и результатов его стендовых испытаний. В качестве объекта исследований принята ТА, состоящая из ТНВД рядного секционного типа и бесштифтовой форсунки. Эта аппаратура предназначена для установки на одноцилиндровом двигателе НИКТИД (г. Владимир) размерности ЧН-13/14.

Осцилографирова-ние давления ВТ проводилось по методике

Л

МПа

120 100 80 60 40 20 О

--эксперимент -в--расчет

Д

А

И

[

О 6 12 18 Ф.

град

Рис.5. Осциллограмма давления впрыскивания Рфопри \1,/с= = 0,185 мм!и дуЮОмм'/цикл Р«. та

120 100 80 60 40 20 0

—— - эксперимент -о--расчет

/

1

\

0 6 12 18 'Р.

.'рад

Рис.6. Осциллограмма давления впрыскивания РФ0при "ОДЗОмкГи <}ц~100 мм'/цикл

МПа

120 100 80 60 40 20 0

_ эксперимент -о— - расчет

•

1 \

0 6 12 18 Ч>.

град

Рис.7. Осциллограмма давления впрыскивания Р т при = 0,185ммги ^„=150мм7дикл

О 6 12 18

■рпп

Рис.8. Осциллограмма давления впрыскизан ия Рфопри ^¡/^ - 0,230 мм' и ¡7а=150 мм'/цикл

НПО "ЦНИТА" на безмоторном стенде "Моторпал". Применена типовая измерительная и регистрирующая аппаратура. В результате испытаний получены осциллограммы давления ВТ. На рис. 5...8 приведены осциллограммы вариантов, выбранных для сравнения с расчетным методом оптимизации. Г1о ним определены ординаты экспериментальных законов подачи.

На основании результатов экспериментальных исследований произведен выбор рациональной комплектации системы.

Принятые параметры экспериментальной ТА: dn = 11 мм; /лс/с = 0.23 мм2; Рф0 =25МПа; dr =2 мм; пкв = 1000 мин"1.

Полученные в результате стендовых испытаний показатели:

1. qu= 100мм3; Рф0 = 69МПа; А(рв =7,60

2. дц= 150 мм3; Рф0= 104 МПа; А(рв =9,8°.

Для проведения численной оптимизации параметров рассматриваемой ТА выбраны изменяемые параметры ТА и назначены интервалы их изменен™. (Численный пример 6.1).

Статистическая информация для УМНЛР в данном случае получена на основании ГД расчетов процессов ВТ по алгоритму, разработанному в ЦНИТА. Всего произведено 8 серий расчетов по 18 расчетов в каждой. В первых четырех сериях расчетов осуществлен подбор цикловой подачи qL¡ 100 mmj,

во вторых - подбор = 150 мм". В каждом ГД расчете со стабильной подачей С]ц = 100 или 150 мм7цикл рассмотрению подлежали ординаты закона

подачи Q\,Q2,---,Q9 и продолжительность ВТ А(рВПР в град.

Целевая функция - сумма модулей разностей полученных расчетом значе-

9

ний ординат и заданных их значений AQsum = ^ |Q — Q¡3 j •

ш-1

Для сравнения с выводами по стендовым испытаниям осуществлялся подбор двух вариантов ТА для цикловой подачи 100 mmj и двух вариантов

для д^ = 150 мм3. Значения исходных параметров приняты одинаковыми,

близкими к центрам соответствующих интервалов изменения. Из осциллограмм, приведенных на рис. 5... 8, получены ординаты графиков давления ВТ. Ординаты давления пересчитаны в ординаты закона подачи. Для каждого из 72-ми расчетов определено значение целевой функции AQmm и продолжи-

тельность ВТ А(рВПР . Для этих двух показателей получены два УМНЛР относительно нормализованных аналогов рассматриваемых уравнений по каждому варианту. В результате проведения оптимизации определено 18 значений параметров для четырех вариантов. Полученные значения параметров рассматриваемого типа ТА в основном соответствуют интервалам изменения, принятым для стендовых испытаний. Произведены ГД расчеты с полученными значениями. Среднее отклонение расчетных значений ординат от экспериментальных значений по четырем вариантам составляет около 15 %.

Предложено осуществлять подбор оптимального профиля кулачкового вала на этапе подготовки исходной информации для УМНЛР и совместить этот процесс о ГД расчетом ТА. Тогда предложенные ранее УМНЛР будут составлены для уже оптимизированных профилей кулачковых валов.

В ряде работ Грунауэра А А. отмечается необходимость учета зависимости силы давления топлива от закона движения плунжера. Если такой учет отсутствует, то получаемый закон движения плунжера не будет оптимальным. Поэтому оптимизацию закона движения плунжера следует осуществлять при фиксированных параметрах ТА. Оптимальный закон движения находится методом последовательных приближений при уточнении силы давления топлива. Такая методика представляет собой ГД расчет процесса ТП, дополненный функциональной оптимизацией профиля кулачкового вала ТНВД. Предложено его применить в общей схеме параметрической оптимизации ТА дизеля на этапе подготовки исходной информации для УМНЛР. Тогда УМНЛР показателей ТП будут составлены для уже оптимизированных профилей кулачковых валов.

Составлен ПРК для реализации численных примеров оптимизации параметров ТП с учетом программных разработок Григорьева А. Л. Имея начальные значения параметров и заданные значения ординат закона подачи требуется определить значения параметров ТА, наиболее близко обеспечивающие значения ординат дифференциального закона при стабильной цикловой подаче в интервале Оц = 50...70 мм3/цикл с шагом 2,5 мм7цикл.

Информация для УМНЛР в численном примере 6.2 получена путем проведения ГД расчетов процессов ТП с оптимизацией профиля кулачкового валика. В каждом ГД расчете со стабильной подачей ()ц рассмотрению подлежали ординаты закона подачи 02, ... , 09 и продолжительность ВТ А<рВ11Р в град. Целевая функция определялась как сумма модулей разностей полученных расчетом значений ординат и заданных их значений. Для каждо-

го из 72-х расчетов определено значение целевой функции А()шт и продолжительность ВТ А(ршр . Для этих двух показателей получены два УМНЛР относительно нормализованных аналогов рассматриваемых уравнений по каждому варианту. УМНЛР выражены через нормализованные параметры и показатели.

Следует отметить высокую адекватность полученных УМНЛР. Более высокие значения Л0 по сравнению с представленными ранее численными примерами определяются включением в ГД расчет этапа оптимизации профиля кулачкового валика, а также автоматического подбора угла геометрического начала подачи. Производится минимизация вероятностного аналога целевой функция и сохранение неизменным значения вероятностного аналога второго показателя - продолжительности ВТ.

После определения значений параметров в конкретной форме производятся проверочные ГД расчеты с полученными значениями. Точность подбора параметров ТА по заданным ординатам закона подачи в значительной степени зависит от требуемых значений показателей Qi и от начальных значений параметров ТА. Средняя по девяти проведенным в качестве численного примера вариантам расчетов погрешность подбора координат закона подачи составляет 15.87 %.

К ТА дизелей предъявляется требование обеспечения высокой топливной экономичности. Необходимо обеспечить наилучшую топливную экономичность конкретного двигателя с определенными конструктивно-регулировочными и режимными параметрами. При этом имеют место ограничения на максимальную величину давления сгорания и скорость его нарастания. Учет топливной экономичности при оптимизации параметров ТА осуществлен путем прямого введения удельного эффективного расхода топлива в число рассматриваемых показателей. Для этого ГД расчет с подбором профиля кулачка проводится вместе расчетом процессов испарения и тепловыделения в цилиндре дизеля по методике Н.Ф. Разлейцева, а также расчетом рабочего процесса дизеля и определением его показателей по методике Н.М.Глаголева.

В ряде работ рассмотрена возможность построения индикаторной диаграммы при известном характере скорости тепловыделения.

Построение индикаторной диаграммы выполняется путем численного ин-

йР

тегрирования известного выражения для с определением в конце каж-

й(р

дого шага интегрирования величины давления в цилиндре.

Здесь применена относительная характеристика тепловыделения. Для аналитических расчетов предложено несколько полуэмпирических зависимостей характеристик тепловыделения: уравнения К.И.Вибе, Б.П.Пугачева, Б.М. Гончара, методика З.З.Маца и др. Для расчета процессов испарения топлива, сгорания и тепловыделения применена методика определения характеристики тепловыделения, предложенная в работах Н.Ф.Разлейцева. Последовательно проводится расчет констант испарения, в зависимости от угла поворота расчет доли испарившегося топлива, тепловыделения на участке начальной вспышки топлива, на участке горения и догорания.

Рассмотренный алгоритм использован вместе с ГД расчетом процесса ВТ при функциональной оптимизации профиля кулачкового вала ТНВД. Расчет применен в общей схеме параметрической оптимизации ТА дизеля на этапе подготовки исходной информации для УМНЛР вместо использованных ранее методик. УМНЛР составлены для оптимизированных профилей кулачковых валов по показателям ТП и показателю экономичности двигателя в целом. Подготовлен ПРК для реализации численных примеров оптимизации параметров ТП.

Дифференциальный закон топпивоподачи задан девятью ординатами на границах десяти частей интервала ВТ. Эти значимые ординаты обозначены В численном примере 6.3 для рассмотрения приняты комплексы исходных параметров, которые обеспечивают цикловые подачи <2ц =

50...70 мм"7щпсл при стабильном от цикла к циклу остаточном давлении.

По начальным значениям параметров и заданным ординатам закона подачи необходимо определить значения параметров ТА, обеспечивающие требуемые ординаты дифференциального закона при стабильной цикловой подаче с минимальным удельным эффективным расходом топлива.

Информация для УМНЛР получена путем проведения ГД расчетов процессов ТП, дополненных оптимизацией профиля кулачкового валика и расчетом рабочих процессов и показателей работы дизеля. В каждом ГД расчете со стабильной подачей Qц рассмотрению подлежали ординаты закона подачи

0),02,---,(29 и эффективный удельный расход топлива £гс в г/'кВт-ч. Целевая функция на первом этапе оптимизации определялась как сумма модулей разностей полученных расчетом значений ординат и заданных их значений. Неизменяемая функция - ge■ На втором этапе оптимизации минимизируемой

целевой функцией становился удельный расход , а неизменяемой функцией - АОтт. В численном примере осуществлялся подбор девяти вариантов ТА для Qц = 50...70 мм2/цикл с шагом 2,5 мм2/цикл. Для каждого из 72-х расчетов определено значение целевой функции и удельный эффек-

тивный расход топлива ge. Для этих двух показателей на обоих этапах оптимизации получено по два УМНЛР относительно нормализованных аналогов рассматриваемых уравнений по каждому варианту. УМНЛР выражены через нормализованные параметры и показатели.

Применяемая методика оптимизации предполагает вначале минимизацию вероятностного аналога целевой функции и сохранение неизменным значения удельного эффективного расхода топлива. На втором этапе оптимизации минимизируется , а Л(2теш остается постоянным. В результате проведения двух этапов оптимизации определяется 18 значений исходных параметров для каждого из девяти вариантов. Далее проведены проверочные ГД расчеты с полученными значениями. Средняя погрешность подбора ординат закона подачи составляет 16,04 %.

С целью проверки расчетных методик, уточнения влияния отдельных параметров на показатели работы ТА проведены расчетные исследования ГА тепловозного дизеля 6ЧН31.8/33 (ПДГ1М) (Численный пример 6.4). Первый этап исследований включал рассмотрение серийной базовой ТА, которая подлегала модернизации. Второй этап расчетных исследовании - анализ влияния параметров ТА на показатели ее ТП. Рассмотрены два варианта оптимизации параметров ТА. Уменьшение продолжительности ВТ вызывалось

увеличением с1п, кш и /с, уменьшением Ун и Уно. Определены параметры, которые достаточно сильно влияют на продолжительность ВТ и на давление топлива у форсунки, показана возможность уменьшения продолжительности ВТ путем оптимизации параметров ТА.

На третьем этапе проводились расчетные исследования влияния профилей кулачкового вала на продолжительность ВТ. Предложено контролировать дополнительно к максимальному подъему плунжера его максимальную скорость. Введена коррекция максимальной скорости в зависимости от значения максимального подъема плунжера кпм. Путем параметрической оптимизации нескольких параметров (максимальный ход и скорость плунжера, объем надплунжерной полости, угол геометрического конца подачи, условный коэффициент сопротивления во впускном тракте форсунки) получена продол-

жительность ВТ А(рНПР = 18,72е при максимальном давлении у форсунки РФМ = 67,9 МПа. Эти результаты в целом сопоставимы с результатами экспериментальных исследований.

Целью четвертого этапа расчетных исследований явилось достижение адекватных результатов по окончательному расчету и эксперименту. Проведена расчетная реализация профиля кулачкового вала. Заданы и реализованы средняя скорость на горизонтальном участке трапеции и ускорение на спадающем участке графика скорости. Выполнен ГД расчет ТА с этим профилем. Получена аналогичная эксперименту продолжительность ВТ А <ртр~ 16.65°. Уровень максимального давления в трубопроводе 72... 76 МПа также соответствует экспериментальным данным.

В результате проведенных четырех этапов расчетных исследований получены параметры топливной аппаратуры для тепловозного дизеля ЧН-31.8/33 (ПДГ1М), обеспечивающие требуемую продолжительность впрыскивания и необходимый уровень давления в топливопроводе. Значения параметров и показателей этой аппаратуры адекватны результатам экспериментальных исследований.

Использование газового топлива в дизелях имеет свои особенности по сравнению с двигателями искрового зажигания. Простейший вариант адаптации дизеля к газовому топливу включает в себя применение базовой ТА для подачи запальных порций топлива. Для анализа влияния площади сопловых отверстий /с и доли цикловой подачи % с] на работу ТА при подаче

запальных порций проведены серии ГД расчетов процессов ТП. Установлена стабильность на подачах больше 5 % от номинального значения. Поэтому приемлимым вариантом для адаптации ТА к режиму газодизеля является уменьшение площади сопловых отверстий распылителя в три раза и регулировка на 5 % - ную подачу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе поставлена и решена научно-техническая проблема разработки метода определения конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры дизеля по заданным характеристикам впрыскивания.

1. Разработанная впервые методика определения конструктивно-регулировочных параметров модернизируемой и вновь создаваемой топливной аппаратуры, в основу которой положено применение в оптимизационных

методах уравнений множественной нормализованной линейной корреляци позволяет с достаточной для практики точностью получить необходимые до проектирования конструктивно-регулировочные параметры. Это дает во можность существенно сократить время и средства на проведение экспер; ментальных доводочных работ.

2. В диссертационной работе установлено и подтверждено численные примерами, что взаимосвязи между показателями и параметрами тошшвне аппаратуры дизеля могут быть выражены уравнениями множественной но; мализованной линейной регрессии. Для учета нелинейности этих взаимосв зей, для их выравнивания и нормализации осуществляется замена переме] ных (параметров и показателей) на их вероятностные аналоги. Это два прео! разования исходных переменных: конкретные значения каждой переменной в их эмпирические вероятности непревышения и эмпирические вероятное! непревышения - в соответствующие им квантили нормального распредели ния. Применение нормализованных переменных в линейных уравнениях ре рессии позволяет значительно увеличить точность описания многомерно! пространства показателей и параметров топливоподачи.

3. Примененный в диссертации метод обработки исходной информаци при получении уравнений регрессии включает в себя определение доли вкл; да каждого параметра в уравнение множественной нормализованной лине! ной регрессии. В работе показана возможность и приведены примеры объе! тивного анализа влияния конкретного параметра, обоснованного исключен« из рассмотрения слабо влияющих параметров и упрощения уравнений ре] рессии.

4. Примененная в диссертационной работе линейная модель для описани многомерного пространства показателей и параметров топливной аппаратур] приемлема для проведения оптимизации ее параметров. Для оптимизации тс пливной аппаратуры дизелей обосновано применение градиентного метода различных вариантах, а также использование методов линейного программ! рования.

5. В работе приведен численный пример решения задачи синтеза топлие ной аппаратуры дизеля путем решения системы линейных уравнений ре фес сии относительно параметров топливной аппаратуры при заданных показате лях. Отклонение полученных расчетом показателей топливоподачи от зара нее заданных составляет несколько процентов и определяется достоверно стью уравнений регрессии.

6. В диссертации предложены и реализованы на ЭВМ алгоритмы тре градиентных схем оптимизации топливоподачи в дизелях: максимизаци

цикловой подачи ql{ при наличии линейных двухсторонних ограничений ординат дифференциального закона подачи; минимизация целевой функции в виде суммы модулей отклонений ординат дифференциального закона подачи при наличии жесткого ограничения одного и? показателей; поиск области допустимых решений.

7. Для реализации заданных характеристик впрыскивания путем оптимизации конструкторско-регулировочных параметров разработан программный комплекс. Его структура включает в себя такие части: подпрограмма гидродинамического расчета, подпрограмма обработки результатов гидродинамических расчетов с получением регрессионных зависимостей, подпрограмма оптимизации. Программный комплекс - это законченное программное изделие. Он может использоваться для оптимизации показателей топли-воподачи как автономно, так и в составе других комплексов.

8. Для учета конструктивных и технологических требований к кулачковому валу топливного насоса высокого давления в работе предложено осуществлять подбор оптимального профиля кулачкового вала ira этапе подготовки исходной информации для уравнений множественной нормализованной линейной регрессии и совмещать этот процесс с гидродинамическим расчетом топливной аппаратуры. Это реализовано на уровне алгоритма и программы в численном примере. Уравнения регрессии в этом случае составлены для уже оптимизированных профилей кулачковых валов. Средняя погрешность ординат закона подачи по девяти вариантам расчетов составляет 15,9 %.

9. Проведенные расчетные исследования топливной аппаратуры тепловозного дизеля 6ЧН 31.8/33 (ПДПМ) позволили сделать вывод, что наиболее значительное сокращение продолжительности впрыскивания топлива при сохранении требуемого уровня давления топлива достигается путем увеличения хода плунжера и его скорости в период активного хода, а также уменьшением гидравлического сопротивления фильтра и подводящих каналов форсунки.

10. В результате проведения гидродинамических расчетов процессов топ-ливоподачи для анализа влияния fc и доли Цц на работу топливной аппаратуры газодизеля при подаче запальных порций установлено, что при номинальной площади сопловых отверстий и 5...15 % - ной подаче уровень давлений топлива у насоса и форсунки недостаточен для качественного распыли-вания и смесеобразования. При уменьшении этой площади стабильность подачи и уровень давления достаточно возрастают. Поэтому, приемлимым вариантом для адаптации топливной аппаратуры к режиму газодизеля является

уменьшение площади сопловых отверстий в три раза и регулировка на 5 % -

11. Сравнение результатов расчетных исследований с опытными данными испытаний одноцилиндрового двигателя НИКТИД (г. Владимир) ЧН-13/14, состоящее в реализации четырех вариантов аппаратуры, аналогичных рассмотренным экспериментально, показало их удовлетворительную сходимость для решения практических задач.

Адекватность опытным данным численных экспериментов по тепловозному дизелю ПДГ1М подтверждена окончательным гидродинамическим расчетом по полученным из оптимизационной схемы параметрам и по принятому трехрадиусному с вогнутым участком профилю кулачкового вала топливного насоса высокого давления. Продолжительность впрыскивания по окончательному расчету составляет 16,65° поворота кулачкового валика. А для экспериментальной модернизированной аппаратуры при аналогичной подаче она составляет 16,50° поворота. Максимальное давление у насоса составляет соответственно 72,1 и 75,2 МПа. Скорость плунжера в период активного хода - 182,5 и 184,0 см/с. Т.о., расчетным путем получена аналогичная эксперименту продолжительность впрыскивания. Уровень максимального давления в трубопроводе также соответствует экспериментальным данным.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии

1. Морозов Ю.В. Метод ращонального вибору 1 розрахунку конструктивна параметр1в паливноТ апаратури дизелш. -Р1вне: Видавництво УкрашськоУ державно! академ1'1 водного господарства, 1997. -197 с.

Научные статьи

2. Петинов И.,А., Морозов Ю.В., Гуркевич Ю.А. Про використання ме-тод1в под1бносп для розрахунку та керування роботою паливоподаючих апа-ратур дизельних двигушв буд^велыю-мелюративних машин. - "Актуалып проблеми мелюративного 1 водогосподарського буд!вництва". Видавниче об'еднання "Вшца школа", Лыпв, 1973,-С. 178-180.

3. Морозов Ю.В. Комплексное влияние параметров топливной системы дизеля на величину цикловой подачи. -Известия высших учебных заведений. -Машиностроение.-!977, № 9, С.82-86.

4. Морозов Ю.В. О комплексном влиянии параметров топливной системы дизеля на некоторые показатели ее работы -Исследование конструкции, эксплуатации и надежности топливоподающих систем автотракторных дизелей: Сб. науч. работ. -Саратов ССХИ, 1978, -вып.116. -С. 178-183.

5. Морозов Ю.В., Шушко С.С. Об определении дифференциальной характеристики впрыска топлива в дизелях. /Гид-ромелиор. и гидротех.стр-во", Респ. межвед. науч.-техн. сб. -Львов, "Вища школа", изд-во при Львов, ун-те,

«ч/то ггпттяхп/ —^ —---• >—^

1980. вып. 8.,-С. 109-112.

6. Морозов Ю.В, Гришкевич А.П. Планирование удельных норм расхода электроэнергии для насосных станций мелиоративных систем. /Гидромелиор. и гидротех.стр-во", Респ. межвед. науч.-техн. сб. -Львов, "Вища школа", юд-во при Львов, ун-те, 1981. вып. 9., -С. 65-67.

7. Морозов Ю.В. Метод определения исходных параметров топливной аппаратуры по ее конечным показателям. -Двигателестроение.-1982, № 9, -С. 55-58.

8. Морозов Ю.В., Морозова С.А. Номографирование уравнений регрессии со многими переменными. /Гидромелиор. и гидротех.стр-во", Респ. межвед. науч.-техн. сб. -Львов, "Вища школа", изд-во при Львов, ун-те, 1982. вып. 10, -С. 105-109.

9. Морозов Ю.В. Метод определения исходных параметров топливной аппаратуры дизеля по ее заданным конечным показателям. -Двигателестроение. -1986, № 11, -С. 29-31,33.

10. Морозов Ю.В. Линейные уравнения регрессии показателей впрыскивания топлива в дизелях. -Двигателестроение. -1988, № 2, с. 16...21.

11. Файнлейб Б.Н., Морозов Ю.В. Метод оптимизации параметров топливной аппаратуры дизелей. -Двигателестроение. -1990, № 7, с.21.,.24.

12. Морозов Ю.В. Портняннл експериментального i розрахункового дослщжень паливноТ апаратури дизеля 6ЧН-31,8/33 (ПДГ1М) - 36ipmiK статей. -PiBHe, УДАВГ, 1997. -Част.4. -С. 25-29.

13. Морозов Ю.В. Врахування показшшв дизеля при опгимЬацп його па-ливноТ апаратури /Актуальш проблеми водного господарства. - Зб1рник иау-кових статей. -PiBHe, УДАВГ, 1997. -Т.2. С. 121-125.

14. Морозов Ю.В. Автоматизащя проектування палнвноУ апаратури дизеля. -Експрес-новпни: наука, технпса, впровадження. -К., -1998, № 3-4, С.3-5.

15. Морозов Ю.В. Використання двофакторноУ onniMi3anii при проекту-ванш паливши апаратури дизеля. -Експрес-новини: наука, техжка, впровад-ження. -К., -1998, № 3-4, С.5-7.

Тезисы докладов

16. Морозов Ю.В. Алгоритм оптимального профшовання кулачюв палив-ного насосу дизеля. -Тези доп. наук.-техн. конф. У11ВГ /Ртне, березень 1992 р./, -PiBHe, 1992, С.22 .

Morozov Yu.V. Realization of the predetermined characterizations of the fuel injection by the means optimization of design-regulative parameters of fuel equipment.

The dissertation as a manuscript for presenting doctor's degree of technical sciences on specialty 05.04.02, heat engines. Kharkov state academy of railway transport. Kharkov, 1998.

Calculative definition methods of optimizing values of design-regulative parameters of fuel equipment and results of numeral examples presented in 16 scientific papers, are submitted for defence. Precision of indices realization was equal about 15 %. Methods were realized as programming complexes for ECM and personal computers.

Морозов Ю.В. Реализация заданных характеристик впрыскивания топлива путем оптимизации конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры.

Диссертация как рукопись на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели. Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта. Харьков, 1998.

На защиту вынесены методы расчетного определения оптимальных значений конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры по заданным ее показателям и результаты их реализаций в численных примерах, голоженных в 16 научных работах. Точность реализации показателей составляет около 15 %. Методы реализованы в виде программных комплексов для ЭВМ.

Морозов Ю.В. Реатзащя заданих характеристик впорскування палива шляхом оптишзацп конструктивно-регулювальних парам етр!в паливноТ апа-ратури.

Дисертащя як рукопис на здобуття вченого ступени доктора техшчних наук з фаху 05.04.02 - теплов! двигуни. Хармвська державна акадедпя зал1зничного транспорту. Харив, 1998.

На захист винесеш методи розрахункового визначення оптималышх зна-чень конструктивно-регулювальних параметр1в паливно'1 апаратури по задании ïï показникам i результате ix решпзацш в числових прикладах, викладе-них в 16 наукових працях. 'Гочшсть реал1зацп показшшв складае близько 15 %. Методи реагпзоваш у вигляд1 програмних комплексов для ЕОМ.

KjHOHOBi слова: множинна нормализована регреая, гра;пснтно-статистичний, оптим1завдя, ординати закону подачь