автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Синтезирование нестационарных режимов комбинированных ДВС и их эффективные показатели

На правах рукописи

Чан Куок Тоан

СИНТЕЗИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННЫХ Д В С И ИХ ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 20/3

Тула - 2013

005536419

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ТулГУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Агуреев Игорь Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Поляков Евгений Павлович

кандидат технических наук Ахромешин Андрей Владимирович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Брянский государственный

технический университет»

Защита состоится 18 ноября 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.12 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, проспект Ленина, 92, ауд. 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, проспект Ленина, 92. Автореферат размещен на сайтах ВАК РФ (http://vak.ed.gov.ru) и ФГБОУ ВПО ТулГУ (www.tsu.tula.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета, тел. 8(4872)35-05-01; факс 8(4872)35-89-35.

E-mail: aiax@tsu.tula.ru

Автореферат разослан 17 октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

М. Ю. Елагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из приоритетных направлений совершенствования современных комбинированных ДВС является ужесточение требований к их экономичности, мощности и экологическим показателям, а также к надежности и устойчивости их работы. Комбинированные ДВС находят свою область применения, и являются основой коммерческого транспорта (дизели) или создают условия для повышенной энергоотдачи в определенном классе транспортных средств (бензиновые ДВС). При этом как в первом, так и во втором случае, подача топлива осуществляется с помощью форсунок (инжекторов), управляемых с помощью специальных систем автоматического управления.

Современное состояние данного вопроса заключается в создании замкнутых адаптивных и самонастраивающихся систем управления ДВС. Интенсивные исследования по созданию подобных систем ведутся примерно с начала 1990-х годов. Разработке алгоритмов управления ДВС, когда решается одновременно несколько задач управления (стабилизация скорости вращения вала, снижение токсичности и т.д.), способствует создание нелинейных математических моделей с переменными параметрами, которые более адекватно отражают процессы, протекающие в двигателе.

Очевидно, что системам управления приходится работать в условиях, когда характер переходного процесса заранее не является определенным, и тогда нет уверенности, что управление обеспечит оптимальное качество и последовательности рабочих процессов, и всему переходному режиму в целом. Это означает, что должны проводиться исследования, направленные на изучение особенностей переходных режимов произвольного характера, задаваемого так же произвольным сочетанием изменения положений регулирующих органов (топливоподача, углы опережения впрыска, зажигания, фазы газораспределения и др.), а также величин внешнего нагружающего момента.

При этом нелинейные динамические модели становятся своего рода имитатором не только работы ДВС на переходных режимах, но и практически источником априорной информации о возможных нелинейных свойствах ДВС.

Учитывая, что в основном эти важные научные направления продолжают развиваться, актуальность диссертационного исследования представляется существенной.

Объектом исследования является бензиновый четырехцилиндровый двигатель ЗМЗ-4062.10 с штатной микропроцессорной системой управления впрыском топлива и зажигания (безнаддувный вариант и образец, оснащенный турбокомпрессором).

Предметом исследования являются рабочие процессы, нестационарные режимы и эффективные показатели ДВС.

Целью работы является разработка научно обоснованной методики для повышения эффективных мощностных и энергетических показателей объекта

исследования за счет выбора управления регулирующими органами, обеспечивающего требуемые характеристики нестационарного режима.

Задачи диссертационного исследования.

1) Выполнение анализа работ по теме диссертационного исследования и направленного на выявление степени актуальности выбранного направления работ.

2) Разработка нелинейной динамической модели комбинированного ДВС, представляющей собой полную систему уравнений для ДВС и системы газотурбинного наддува (ГТН) и включающей уравнения для рабочих процессов в объемах двигателя и турбокомпрессора (ТК), а также уравнения движения для подвижных механических элементов, в том числе ротора ТК.

3) Проведение экспериментальной проверки и оценка точности разработанной математической модели.

4) Разработка компьютерной программы для выполнений необходимых вычислительных экспериментов.

5) Разработка методики теоретического формирования (синтезирования) переходных режимов произвольной формы с помощью разработанной математической модели и компьютерной программы с целью определения характеристик и эффективных показателей моделируемого ДВС на соответствующих переходных режимах.

6) Выявление закономерностей формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов на основе предварительно выявленных особенностей нелинейного динамического поведения математической модели ДВС.

Методы исследования — экспериментально-теоретические, основанные на выполнении стендовых испытаний ДВС, использовании теории рабочих процессов ДВС, положений теории нелинейных колебаний и методов теории управления поршневых и комбинированных двигателей, математического моделирования динамических систем, вычислительной математики, обработки результатов эксперимента.

Научная новизна результатов работы заключается в:

-содержании математических моделей комбинированных ДВС, относящихся к классу нелинейных динамических моделей и позволяющих выполнять математическое моделирование произвольных нестационарных режимов;

-разработке методики синтезирования произвольных переходных режимов и расчета эффективных параметров ДВС как величин, зависящих от времени и номера цикла;

-выявлении закономерностей формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов.

Практическая значимость "работы заключается в том, что:

-разработаны рекомендации для выполнения численного моделирования переходных режимов произвольной конфигурации и описывающего типовые

элементы сложных последовательностей нестационарной работы комбинированного ДВС;

— построен комплекс компьютерных подпрограмм (функций), обеспечивающих формирование переходных режимов произвольной конфигурации.

Положения, выносимые на защиту:

— содержание методики формирования (синтезирования) произвольных переходных режимов и расчета эффективных параметров ДВС как величин, зависящих от времени и номера цикла;

— результаты вычислительных и натурных экспериментов, подтверждающих адекватность построенных математических моделей, а также закономерности формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов ДВС.

Личный вклад автора. Автор выполнил построение математической модели турбокомпрессора, написание соответствующих функций для программы расчета нестационарных режимов ДВС, сделал построение аппроксимаций характеристик турбокомпрессора. Автор принимал участие в выполнении экспериментальных работ, связанных с построением временных рядов давления в цилиндре объекта исследования и обработкой результатов. Автором проведен анализ публикаций по теме диссертационного исследования, как российских, так и зарубежных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях аспирантов и магистрантов, профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», на международных выставках и конкурсах, в том числе на городском конкурсе профессионального мастерства «Тульские мастера», на 9-м Международном конкурсе-выставке «Expo-Science Europe 2012», а также в материалах международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные науки сегодня», проходившей в г Москве 25-26 июля 2013 г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 4 печатные работы, из них 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 116 страниц машинописного текста, 23 рисунка, 5 таблиц и состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 81 отечественных и иностранных источников, и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, изложены цель и задачи работы, представлена ее краткая аннотация, в том числе научная новизна и практическая ценность.

В первой главе представлены результаты выполненного анализа публикаций, касающихся решения следующих проблем: 1) исследование методов повышения характеристик ДВС; 2) исследование современных проблем

5

развития конструкций ДВС с ГТН и их применение на транспорте; 3) исследование задач математического моделирования рабочих процессов ДВС с турбонадцувом; 4) применение методов нелинейной динамики в исследованиях рабочих процессов ДВС и системы надцува. Основополагающие работы в области создания ДВС с гозотурбинным наддувом были выполнены А. Бюхи, Г. Даймлером, Р. Дизелем. Большой вклад в развитие как практики конструирования, так и расчетов турбокомпрессоров внес К. Циннер. Основоположником направления регулирования ДВС является выдающийся советский ученый Г. Г. Калиш. Среди советских и российских ученых в области теории и практики управления комбинированными ДВС и исследования работы на переходных (нестационарных) режимов следует указать имена В. И. Крутова, В. И. Шатрова, Ф. М. Данилова, П. К. Кузьмика, И. В. Леонова, О. Б. Леонова, Н. Н. Патрахальцева, В. Г. Павлюкова, О. А. Тарханова, В. Л. Галеева и др.

Классический подход математического моделирования ДВС с турбонадцувом с целью применения в системах автоматического регулирования (САР) заключается в построении системы линейных или нелинейных дифференциальных уравнений, записываемых для окрестности выбранной точки переходного режима. Коэффициенты такой системы определяются обычно экспериментально. Другой подход заключается в формировании и исследовании системы нелинейных дифференциальных уравнений, которые относятся к классу динамических моделей и в зарубежной литературе именуются как «mean value models», «cylinder-by-cylinder modeis».

Одним из вопросов диссертационного исследования является обоснование границ применимости выбранного класса математических моделей ДВС для решения поставленных задач. Краткая классификация математических моделей рабочих процессов ДВС сводится к описанию таких признаков как: 1) размерность применяемых задач (0-мерные, 1-, 2-, 3-мерные постановки); 2) связанность задач, т.е. определенное сочетание систем уравнений, описывающих различные физические среды или процессы; 3) степень упрощения соответствующих систем уравнений.

В диссертационном исследовании применяется 0-мерный вариант нелинейной системы уравнений модели ДВС, объединяющий динамику рабочего тела в цилиндрах ДВС, уравнения движения коленчатого вала ДВС, ротора турбокомпрессора, рабочих тел в полостях (впускная и выпускная системы, полости турбокомпрессора). Такая постановка задачи может быть охарактеризована как связанная задача термомеханики, где под термином «термомеханика» понимается традиционное значение как раздела механики сплошной среды, изучающей совместные термодинамические и механические процессы. В зарубежной литературе существует значительное количество публикаций, относящихся к применению такого типа моделей для решения следующих важных задач теории и практики ДВС: 1) разработка вычислительных алгоритмов управления ДВС, применяемых в составе бортовых ЭВМ; 2) выполнение расчетов переходных режимов; 3) определение динамических характеристик поведения механизмов ДВС на различных скоростных режимах и др. В качестве примеров таких работ можно указать

б

статьи и книги L. Guzella, М. Као, J. J. Moskwa и др. При существующем развитии вычислительной техники для указанных задач 0-мерные модели являются практически единственным инструментом. Многомерные модели для решения подобных задач малопригодны, так как требуются исключительно большие вычислительные мощности.

Во второй главе представлены результаты рассмотрения динамических моделей ДВС с турбонадцувом, построенных на основе 0-мерной термомеханики. Эти соотношения дополняются уравнениями динамики (движения) механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

В настоящей работе нелинейная динамическая модель комбинированного ДВС может быть представлена системой вида

х = F(X,M)

или

х = F(x, t, /.i),

где xsMc 5R"1, е i, с iH*, fe/c91. Здесь под х понимаем вектор фазовых переменных, конкретное содержание которого зависит от постановки задачи. В состав фазового пространства включаются переменные, которые отвечают за динамику выходного вала двигателя, турбокомпрессора (ТК) и за термодинамику рабочих тел в цилиндре и в полостях ТК:

Х = {-^тгсЛ ' Хtherm I •

Таким образом, как объект исследования ДВС в этом случае представляется 0-мерной термомеханической системой, в которой осуществляются связанные термодинамические и механические взаимодействия. Полная система уравнений математической модели комбинированного двигателя внутреннего сгорания состоит из дифференциальных уравнений для фазовых координат и дополнительных алгебраических уравнений, определяющих описание подсистем. В результате, ДВС представляется как нелинейная динамическая система с переменной структурой правых частей, зависящей от вида описываемого процесса. Рассмотрим формулировку модели более подробно.

Впускной коллектор. Изменение массы воздуха во впускном коллекторе определяется из уравнения состояния путем дифференцирования:

dm<„ = /j\ dt R ■ Т.т dt где т.т — масса воздуха во впускном коллекторе.

Уравнение для давления во впускном коллекторе:

——+——i—p,„=»it--,

dt 120-Vm v^

где тjv - коэффициент наполнения; Vd — рабочий объем цилиндра; V: - объем

впускного коллектора; Тш — температура во впускном коллекторе.

Давление воздуха после компрессора:

Ри=Р„,+ЬР (3)

где Ар — потери давления.

Рис. I. СхемаДВСстурбонаддувом

Компрессор. Одним из основных компонентом в системе наддува ДВС является компрессор. Крутящий момент на привод компрессора определяется следующим образом:

я

М„=-

>п„ ■с„ - Т.

7* -а*

Р*Г )

-1

(4)

где ср - теплоемкость воздуха; % - КПД компрессора; рк - давление воздуха после компрессора; Тк — температура воздуха после компрессора; к — показатель адиабаты воздуха; ал - угловая скорость турбокомпрессора.

Массовый расход воздуха через компрессор в любой момент времени определяется с помощью интерполяционного метода по заданной характеристике компрессора:

(5)

Коэффициент полезного действия компрессора также определяется по заданной характеристике компрессора:

Р„

'Р-г,

Цилиндр ДВС. Динамический процесс в ДВС выражается системой обыкновенных дифференциальных уравнений для фазовых координат. В частности, давление рабочего тела в цилиндре (для процесса сгорания):

—тг=• <2ип' + а») —V

а! V V

где Ры ~ давление рабочего тела в цилиндре; т/г,„,„ - массовый расход сгорания топлива; <2Ш1,- - низшая теплота сгорания топлива; V — объем цилиндра; к — показатель адиабаты рабочего тела.

Зависимость для изменения объема имеет вид:

(б)

(7)

¿У ¿1 '

• г ■ вт <р

1 + -

Г ■ СОБ <р

-гг$тг <р )

(8)

где <р — угол поворота коленчатого вала относительно ВМТ — угловая координата; / - длина шатуна; г - радиус кривошипа; Оы - диаметр цилиндра.

Величина теплового потока в цилиндре ДВС в любой момент времени определяется из уравнения:

где площадь поверхности теплообмена равна

Л--А.

- + ЯГ-С

¡/ + /-(1-соз<р)-^I' -г2 Бтр],

(9) (10)

а коэффициент конвективного теплообмена:

к(ы - 7,67 ■ 10"

60

Ры 1000

(П)

Здесь п — частота вращения коленчатого вала двигателя; £ — ход поршня.

Зная давление в цилиндре, можем найти индикаторный момент двигателя

М1 = 1000р„,

с1<р

Уравнение движения коленчатого вала ДВС используем в виде:

J(<p)--+--— аг

& 2 а<р

(12)

(13)

где J{tp) — приведенный момент инерции кривошипно-шатунного механизма. Тогда индикаторная мощность двигателя:

Р = 2тс-М,-п. (14)

Выпускной коллектор. Динамика рабочего тела в выпускном коллекторе может быть описана на основе известной модели для полости постоянного объема. Давление в выпускном коллекторе р,т определяется массовым расходом отработанных газов в выпускном коллекторе т„, температурой в выпускном коллекторе Тт и объемом выпускного коллектора У. Тогда:

г.-к.

-о с„

(15)

где Г„, - температура газа в выпускном коллекторе; Ут — объем выпускного коллектора; т, - массовый расход отработанных газов через турбину; т„ -массовый расход отработанных газов в выпускном коллекторе; Т„ - температура отработанных газов.

Величина теплового потока в выпускном коллекторе:

<2 = Ы-А-(Т„„-Тми). . (16)

Коэффициент теплообмена равен:

к-Ыи,

где число Нуссельта: а число Рейнольдса:

Яе, =

4 ■ т„„

(19)

Здесь о,т - диаметр выпускного коллектора; ц - коэффициент вязкости

Температура в выпускном коллекторе:

Т =

. - Д.

(20)

Турбина моделируется аналогично модели компрессора. Крутящий момент турбины, создаваемый турбиной, определяется выражением:

Г 1-*.

V, -с„-Г„

КПД турбины 77, рассчитывается по формуле:

1-

1, =■

1-я-,

(21)

(22)

где л= —- , 7г(1 = —; массовый расход отработавших газов через турбину т,:

/я, =от4(1 + -

(23)

а ■!„■?„

а - коэффициент избытка воздуха; <эя - коэффициент продувки; /0 -теоретическое необходимое количество воздуха.

Отработанные газы двигателя, проходя через турбину, создают крутящий момент М, на валу турбины. Нагрузка компрессора выражается моментом Мк. Таким образом, динамическое уравнение турбокомпрессора определяется по второму закону Ньютона для систем с вращательным движением:

Л Л

Ш,-Мк)

или

1, -с„ -г„

Р,

/• 1-1 / \

Р4-

-I

(24)

.(25)

гДе Л - момент инерции турбокомпрессора; с^ - теплоемкость отработавших газов; к, - показатель адиабаты отработавших газов; 77, - КПД турбины.

Таким образом, нелинейная математическая модель ДВС с турбонаддувом состоит из обыкновенных уравнений (1), (2), (7), (13), (15), (23), (25), которая

дополняется необходимыми алгебраическими зависимостями для расчета процессов в ДВС и характеристиками турбокомпрессора. Эта модель может комбинироваться с разными моделями сгорания, газообмена, положения регулирующих органов топливоподачи, определяющих величины местных сопротивлений в модели впускной системы. Модель реализована в виде компьютерной программы, в которой автором спрограммированы функции, моделирующие агрегаты турбонаддува.

В третьей главе представлены результаты исследований, направленных на разработку и применение методики синтезирования переходных режимов комбинированных ДВС с помощью разработанных во второй главе нелинейных динамических моделей. В первой части исследований выполняется анализ свойств динамических моделей, которые формируют основные характеристики рассматриваемых ДВС.

Во второй части главы выполняется анализ точности полученных моделей. Точность оценивалась по степени соответствия рассчитанных кривых давления экспериментально наблюдаемым. Эксперимент производился на стенде с установленным на нем ДВС типа ЗМЗ-4062.10, оснащенным агрегатом наддува ГШРЗ производства фирмы 1Н1. Сравнение выполнялось для соответствующих режимов работы ДВС, воспроизведенных на программном обеспечении. Относительные погрешности расчета давлений не превышали в среднем 6 %. Таким образом, для решения поставленных задач точность математической модели можно считать достаточной. При этом было обнаружено, что большинство режимов работы ДВС сопровождается явлением межцикловой неидентичности (МЦН). На рис.2 показан вариант кривой давления в цилиндре, полученный экспериментально. Адекватность модели оценивалась на основании сравнения давлений, полученных для одного «среднего» цикла, полученного путем анализа гистограммы распределения максимумов давления. Такой цикл и выбирался для сравнения с расчетным.

Рис. 2 Кривая давления во втором цилиндре ДВС ЗМЗ-4062.10. Режим работы -холостой ход. Частота вращения вала - 3200минг-Ь

Здесь же был решен вопрос об аппроксимации характеристик турбокомпрессора, необходимых для моделирования переходных режимов.

Для определения массовых расходов и КПД по характеристике компрессора используется метод интерполяции по 3 точкам. Алгоритм расчета следующий:

1) построение треугольников, образованных тройками точек на характеристике компрессора;

2) определение значений аппроксимируемых функций на вершинах треугольника:

Ло/ . я и, Пк1 ) = А0 о,- Оо/. У о,- > /оо,- ) или Аш (mki, тты, ) = Аш (x0f ,y0l-, fm ) ; А,о, (тк,, 7ГШ, Пк, ) = Ао, , У и. /ю, ) или Am (mkl, nkl, aiki ) = Am (xu, yu, f10i ) ; AQu(^ki'^k,,rjki) = AQU(x2i,y2i,f0u) или AQU{mki,7rk,,a)lki) = Aoli(x2i,y2i,fQU), где i - номер треугольника;

3) построение матрицы со столбцами: массовый расход, отношение давлений и КПД;

4) построение матрицы со столбцами: массовый расход, отношение давлений и скорость компрессора;

5) построение алгоритма и программы для расчета произвольных значений в рабочей области характеристики компрессора;

6) построение характеристики компрессора на основе вычисленных значений с целью сравнения исходной рассчитанной характеристики и определения точности аппроксимации.

Алгоритм для определения коэффициента полезного действия выглядит следующим образом:

1) программа читает матрицу, которая построена вышеописанным способом, со столбцами: массовый расход, отношение давлений и КПД;

2) выполняется определение произвольных значений КПД в соответствии со следующей формулой:

/(Х,У) = /оо/ jj^-(fooi ~fwi)-^—~(fooi - fou)' где x0i - значение массового расхода в точке А00 треугольника номер i ; Уоы ~ значение отношения давления в точке А00 треугольника номер /' ; /оо, ~ значение частота вращения компрессора в точке А00 треугольника номер i, частота вращения компрессора является функцией зависимости от массового расхода и отношения давлений; H - шаг изменения * : H = хи- х01 ; L — шаг изменения у: L = y2i - yQj ;

хи - значение массового расхода точки А01 треугольника номер /'; y2i — значение отношения давления точки А01 треугольника номер i ; у - произвольное значение отношения давления в рабочей области характеристики;

л- - произвольное значение массового расхода через компрессор в рабочей области характеристики.

Таким образом, соответствие каждой пары заданных значений (х,у) программа проверяет по условиям: 1) у находится в рабочей области характеристики и у0, < у < у2,; 2) х находится в рабочей области характеристики и |дг0/| < х< |х1(|. Если пара значений (х,у) удовлетворяет заданным условиям, то проводится вычисление. Если нет, то осуществляется переход к другому треугольнику;

3) запись значений.

Третья часть исследований была направлена на формирование основных типов переходных режимов, воспроизводимых с помощью математических моделей. К таким режимам мы относим следующие: 1) наброс нагрузки; 2) сброс нагрузки; 3) открытие дроссельной заслонки; 4) прикрытие дроссельной заслонки; 5) имитация включения сцепления на автомобильном двигателе; 6) имитация выключения сцепления.

Математическое моделирование каждого режима сопровождалось расчетом индикаторных и эффективных показателей комбинированного ДВС. Таким образом, множество режимов типа 1) — б), воспроизводимых при различных начальных и конечных положениях дроссельной заслонки и величинах момента потребителя, позволяет выполнить синтезирование любой элементарной последовательности изменения регулирующих органов с целью поиска наиболее экономичных характеристик при требуемых условиях движения транспортного средства. Представленная на рис.3 серия расчетов составляет

а

б

Рис. 3 Результаты моделирования переходных режимов: а — наброс нагрузки; б — сброс нагрузки.

В качестве примеров приведены полученные зависимости для случаев наброса и сброса нагрузки. На графиках совмещены зависимости для угла положения дроссельной заслонки (рад) и кривые эффективного крутящего момента (Нм). На рис. 4 приведены некоторые параметры переходного режима, имитирующего изменение положения дроссельной заслонки, в том числе и некоторые эффективные показатели, ют г/кВт-час-

Время I, сек

Рис. 4 Результаты моделирования переходных режимов: эффективные

и оценочные показатели В заключении описаны основные результаты работы и выводы диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

Результаты проведенных исследований позволяют сделать выводы:

1. Построенная динамическая модель комбинированного ДВС (объект исследования ЗМЗ-4062.10) проверялась на адекватность с точки зрения точности расчета давления в цилиндре ДВС, которая составила не более 6% на всем временном отрезке.

2. Построенная методом 3-точечной интерполяции характеристика турбокомпрессора обеспечивает приемлемую точность описания паспортной характеристики агрегатов турбонаддува, не более 2,5%.

3. Разработана методика формирования произвольных типовых переходных режимов комбинированного ДВС, которые позволяют составить произвольный сложный режим работы комбинированного ДВС. Методика заключается в выполнении серии расчетов переходных процессов в нелинейной динамической модели ДВС таким образом, чтобы обеспечить различные сочетания начальных и конечных положений регулирующих органов топливоподачи с различными начальными и конечными значениями момента нагрузки. Каждый расчет сопровождается определением текущих (зависящих от номера цикла) значений эффективных показателей ДВС, которые могут служить критериями для выбора наиболее рационального способа управления ДВС

4. Найденные закономерности формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов на основе предварительно выявленных особенностей нелинейного динамического поведения математической модели ДВС выражаются в виде графических функций основных параметров ДВС (угловая скорость коленчатого вала, эффективный крутящий момент, положение регулирующего органа топливоподачи и т.д.), зависящих от времени.

5. Результаты настоящей работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Математическое моделирование рабочих процессов ДВС».

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

В изданиях, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов», рекомендованных ВАК:

1. Чан Куок Тоан. Обзор методов математического моделирования дизельных ДВС с турбонаддувом // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. №2. С. 474-483.

2. Агуреев И. Е., Чан Куок Тоан. Нелинейная модель 1урбонадцувного двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. № б. 4.2. С. 146-151.

3. Агуреев И. Е., Чан Куок Тоан. Исследование нелинейных моделей комбинированных двигателей внутреннего сгорания и теоретическое формирование переходных режимов // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. №7. 4.2. С.

В прочих изданиях:

4. Агуреев И. Е., Чан Куок Тоан. Нелинейная модель системы наддува двигателей внутреннего сгорания // Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные науки сегодня», г

' Москва. 25-26 июля 2013 г. CreateSpace. 4900 LaCross Road North Charleston, SC, USA 29406. C. 153-155.

Изд. лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 15.10.13 Формат бумаги 60x84 '/,6. Бумага офсетная Усл. печ. л. 1,4. Уч. - из. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ № 049

Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

На правах рукописи

04201364965

ЧАН КУОК ТОАН

СИНТЕЗИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВС И ИХ ЭФФЕКТИВНЫЕ ОКАЗАТЕЛИ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент И.Е. Агуреев

Тула - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ....................................................................... 3

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................ 4

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ..................................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 10

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И МОДЕЛИРОВАНИЮ ДВС С ТУРБО-НАДДУВОМ................................................................................................................................................17

1.1. Исследования в области повышения характеристик ПДВС с ГТН. 17

1.2. Математические моделирования исследований ДВС с ГТН....... 28

1.3. Экспериментальные методы исследований ДВС с ГТН.......... 36

1.4. Выводы....................................................................... 42

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОРШНЕВОГО ДВС С ТУРБО-НАДДУВОМ ............................................................................................................................43

2.1. Предварительные замечания......................................................................................43

2.2. Обзор известных моделей ДВС с турбонаддувом.................... 44

2.3. Обзор известных динамических моделей ДВС........................ 50

2.4. Описание динамической модели ДВС с турбонаддувом............ 53

2.5 Выводы..................................................................... 67

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВС 69 3.1 Предварительные замечания.............................................. 69

3.2. Цели исследований................................................................................................................70

3.3. Описание экспериментального оборудования............................ 70

3.4. Методика проведения экспериментальных работ......................... 82

3.5. Результаты экспериментальных работ, их обработка и интерпретация 83

3.6. Результаты расчётов......................................................... 88

3.7. Выводы........................................................................... 98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................99

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................................................101

Основные условные обозначения

Обозначение Объяснение Единица

м Крутящий момент вала двигателя Нм

Мк Крутящий момент компрессора Нм

м, Крутящий момент турбины Нм

Массовый расход воздуха через фильтр кг/с

'"ас Массовый расход воздуха через двигатель кг/с

'»к Массовый расход воздуха через компрессор кг/с

т, Массовый расход газа через турбину кг/с

п Частота вращения вала двигателя об/мин

Ро/ Давление воздуха после фильтра МПа

Ро Давление воздуха окружающей среды МПа

Рк Давление воздуха после компрессора МПа

Ре Давление в выпускном коллекторе МПа

Р, Давление отработанного газа после турбины МПа

Т0 Температура воздуха окружающей среды К

Тк Температура воздуха после турбины К

Те Температура в выпускном коллекторе К

Т, Температура отработанного газа после турбины К

ук Объём воздуха в компрессоре м"*

V рабочий объём цилиндра м'

К Объём воздуха в выпускном коллекторе м"*

чк КПД компрессора

V, КПД турбины

V, Коэффициент наполнения

0) Угловая скорость коленчатого вала рад/с

Угловая скорость вала турбокомпрессора рад/с

Момент инерций турбокомпрессора рад/с

С , С Р' Ре Теплоемкость воздуха и отработанных газов при постоянном давлении кЖ/кг.К

к, ке Показатель политропы сжатия воздуха и отработанных газов в компрессоре и турбине

ни Низшая теплота сгорания топлива кЖ/кг

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. И.Е. Агуреев, Нелинейные динамические модели поршневых двигателей внутреннего сгорания. Тула 2001.

2. P.M. Петриченко, Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС. М: Машиностроение, 1990.

3. А.И. Колчин, В.П. Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 2002.

4. C.B. Смирнов, Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей путём совершенствования параметров системы наддува. Diss.rsl.ru.

5. A.A. Самарский, А.П. Михайлов, Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. М.: Наука-Физматлит, 1997.

6. P.JI. Стратонович, Нелинейная неравновесная термодинамика. М.: Наука, 1985.

7. A.C. Орлин, М.Г. Круглов, Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. М: Машиностроение, 1984.

8. A.C. Орлин и М.Г. Круглов, Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. М: Машиностроение, 1985.

9. В.Н. Луканин, Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов. М: Высшая школа, 1985.

10. В.Н. Луканин, Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование. М: Высшая школа, 1985.

11. Ю.Н. Васильев, Новое в конструкции судовых дизелей. Л.: «Судостроение», 1972.

12. М.М Мордухович, Усовершенствование рабочих процессов для форсированных тракторных дизелей. М: НАТИ, 1973.

13. А.К. Болотов, В.А. Лиханов, В.М. Попов, A.M. Сайкин, Опыт снижения токсич-

носта отработавших газов дизелей за счёт подачи воды // Двигателестроение. 1982. №7. С. 48-50.

14. A.B. Николаенко, Теория конструкция и расчёт автотракторных двигателей. М.: «Колос», 1985. 335 с.

15. К. Циннер, Наддув двигателей внутреннего сгорания. JL: «Машиностроение», 1978.

16. В А. Кочетов, Турбонаддув высокооборотных дизелей. М.: «Машиностроение»,

1976. 288 с.

17.Н.Н Иванченко, О.Г. Красовский, С.С. Соколов, Высокий наддув дизелей. Д.: Машиностроение. Ленингр. от-ние, 1983.198 с.

18. В.А. Ваншейд, Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение,

1977.

19. А.Б. Канхе, Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1980.

20. А.Э. Симеон, Газотурбинный наддув дизелей. М.: Машиностроение, 1964.

21. В.И. Балакин, H.H. Иванченко, МГ. Круглов, Форсированные дизели. М.: Машиностроение, 1978.

22. В.Н. Луканин, Двигатели внутреннего сгорания: Теория рабочих процессов. М.: Высшая школа, 1995.

23. В.И. Кругов, АГ. Рыбальченко, Регулирование турбонаддува ДВС. Учебн. пособие для вузов. М.: Высшая, школа, 1978. 213 с.

24. Хачиян A.C., Морозов КА., Трусов В .И и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1978. 280 с.

25. Симеон А.Э., Каминский В.Н., Моргулис Ю.Б. и др. Турбонаддув высокооборотных дизелей. М.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983.198 с.

26. Моргулис Ю.Б. Тенденции развития тракторных дизелей с турбонадцувом. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1975.

27. Стрелков В. Развитие двигателей с высоким средним эффективным давлением. М. : НИИинформтяжмаш, 1974.

28. Костин A.K. и др. Теплонапряжённость двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие / А.К. Костин, В.В. Ларионов, Л.И. Михайлов. Л.: Машиностроение. Ленингр. от-ние, 1979. 222 с.

29. Дьяченко Н.Х. Автотракторные двигатели с наддувом. М.:Машгиз, 1953.

30. Новиков ЛА., Вольская H.A. Проблемы и перспективы создания малотоксичных дизелей//Двигателестроение. 1993. №1-2. С. 49-53.

31. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981. 160 с.

32. Влияние температуры воздуха на впуске на тепловыделение, тепловую напряжённость и токсичность дизеля / И.Г. Багдасаров, Е.А. Лазарев, А.Г. Ставров, A.C. Ха-чиян, Н.М. Есауленко//Автомобильнаяпромышленность. 1979. №7. С. 4-7.

33. Лебедев О.Н. Методы улучшения смесеобразования в судовых четырёхтактных дизелях. Новосибирск: Наука, 1973.

34. Коропов СИ. О совершенствовании тепловозных и судовых дизелей // Вестник машиностроения. 1966. №4. С. 14-16.

35. Селезнёв К Л, Подобуев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчёт турбокомпрессоров. Л: Машиностроение, 1968.408 с.

36. Костин А.К., Пугачёв В.П., Кочинев IO.IO. "Работа дизелей в условиях эксплуатации. Справочник. Л: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.284 с.

37. Орлин A.C. Повышение мощности и улучшение экономичности ДВС. М.: Машгиз, 1959.

38. Райков, ИЛ Испытания двигателей внутреннего сгорания / ИЛ. Райков. М.: Высшая школа, 1975. 320 с.

39. Ханин НС., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. и др. Автомобильные двигатели с турбо-надцувом. М.: Машиностроение, 1991.336 с.

40. Бальян СВ. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Л: Машиностроение, 1973.

41. Власов Н.С. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники. М.:

Колос, 1979.

42. Комплексная система технического обслуживания и ремонта машин в сельском хозяйстве. М.: ГОСНИТИ, 1985.

43. Поповиченко P.M., Ордабаев Е.К. Направления и перспективы развития автомобильных двигателей. Караганда, 1987.

44. Разлейцев Н.Ф. Влияние температуры наддувочного воздуха на основные показатели турбопоршневого двигателя // Изв. высш. учеб. заведений. Машиностроение, 1964, №9. С. 115-124.

45. Юренев В.Н. Теплотехнический справочник. М.: Энергия, 1975.

46. Конкин ЮЛ. Экономика ремонта сельскохозяйственной техники. М.: Агропром-издат, 1990.

47.1Ипилько А.В. Экономическая эффективность механизации сельскохозяйственного производства. Москва, РАСХН, 2001,346 с.

48. Minghui Као, John J. Moskwa. Turbocharged Diesel Engine modeling for nonlinear engine control and state estimation. Transactions of the ASME, 1985.

49. Cylinder-by-Cylinder Diesel Engine. Modelling - A Torque-based Approach. Master's thesis, performed in Vehicular Systems by Magnus Ramstedt. Reg nr: LiTH-ISY-EX-3480-2004. 18th June 2004.

50. Mean Value Modelling of a Diesel Engine With Turbo Compoud. Oscar Flardh and Manne Gustafson. Dept. of Electrical Engineering, 2003. http://www.ep.liu.se/exiobb/isv/2003/3443..

51. Mean - Value modeling and robust control of the Airparth of a Turbocharged Diesel Engine. Merten Jung. Univesity of Cambridge, 2003.

52. Introduction to modeling and control of Internal Combustion Engine Systems. Lino Guzzella and Christopher H. Onder. Springer, 2010.

53. Optimal Control Consideration of Diesel Engines Discrete Models. Flower J.O. and Gupta R.K. Int.J. Control. Vol. 19. No 6, 1974.

54. Model Based Design and Control of Diesel Engines. Gissinger G.L; Renard. R and Hassenforder. M. SAE. No 890868, 1989.

55. Discrete Modeling of Spark-Ignition Engines for Control Purposes. Hazell. P.A. and Flower .J.O. Int.J. Control. Vol.13. No4.1971.

56. Sampled Data Theory Applied to the Modeling and Control Analysis of Compression-Ignition Engines. Hazell. P.A. and Flower J.O. Int.J. Control. Vol.13. No3.1971.

57. Internal Combustion Engine Fundamentals. Heywood. J.B. McGraw-Hill. 1988.

58. The Thermodynamics and Gas Dynamics of Internal-Combustion Engines. Hor-lock. J.H, and Winterbone. D.E. Vol.2. Clarendon Press, 1986.

59. Mean Value Modeling of a Small Turbocharged Diesel Engine. Jensen J.P; Kris-tensen A.F; Serenson S.C; HoubakN. SAE. No 1991.

60. Application of Reduced Order Model to Automotive Engine Control System. Kamei E; Namba H; Osaki K. ASME. Vol.109. 1987.

61. Computer Simulation of Turbocharged Diesel Engine Operation under Transient Load Conditions. Ledger J.D. and Walmslay S. SAE. No 1971.

62. A Cycle Simulation Program for the Dynamic Operation of a Single Cylinder Direct Injection Diesel. Lei, Ning. Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin Madison, 1988.

63. A Dynamic Model of a Locomotive Diesel Engine and Electro-hydraulic Governor. Rackmil.C.I and Blumberg.P.N. ASME Vol.110, 1988.

64. Turbocharging the Internal Combustion Engine. Waston. N. and Janota. M.S. Wiley, New York 1982.

65. Dynamic Turbocharged Diesel Engine Simulator for Electronic Control System Development. Waston. N. ASME . Vol.106. March, 1984.

66. Computer Modeling on Exhaust System Heat Transfer. Zhang Y. and Phaneuf K. SEA. No 920262, 1992.

67. A Wholly Dynamic Model of Turbocharged Diesel Engine for Transfer Function Evaluation. Winterbone D.E. SAE. No 770124, 1977.

68. Simulation of a Turbo Charged Spark Ignited Engine. LiTH-ISY-EX-3010. Fred-rik Pettersson. Reg nr: LiTH-ISY-EX-3010.

69.THE DYNAMIC BEHAVIOR OF A DIESEL ENGINE. S.A. Miedema. http://www.dredgingengineering.com

70. Simulation of turbocharged Sl-engines - with focus on the turbine. Fredrik Westin. TRITA - MMK 2005:05. ISSN 1400-1179, ISRN/KTH/MMK/R-05/05-SE.

71. Kao M., Moskwa J. J. Nonlinear Diesel Engine Control and Cylinder Pressure Observation // Trans, of the ASME. J. of Dyn. Syst., Measur. and Control. 1995. V.117. №6. P.183-192.

72.Kao M., Moskwa J. J. Engine load and equivalence ratio estimation for control and diagnostics via nonlinear sliding observers // Int. J. of Vehicle Design. 1994. V. 15. №3/4/5. P.358-368.

73. Frost V. Problems of turbulent combustion simulation // Advanced Computation and Analysis of Combustion / Ed. by G. D. Roy, S. M. Frolov, P. Givi. Moscow: ENAS Publishers, 1997. P.404-434.

74. Kaminsky V.A., Rabinovich A.B., Fedorov A. Ya., Frost V.A. Models of micro-mixting in turbulent combustion // Advanced Computation and Analysis of Combustion / Ed. by G. D. Roy, S. M. Frolov, P. Givi. Moscow: ENASPublish-ers,1997. P.360-370.

75. Dobner D.J. Dynamic Engine Models For Control Development. Nonlinear and Linear Formulation // Int. J. of Vehicle Design, Technological Advances in Vehicle Design, SP4, Application of Control Theory in the Automotive Industry, 1982.

76. Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, 1988, ISBN 0-07-100499-8.

77. Muller, M., Hendricks, E., Sorenson, S.C.,Mean Value Modeling of Turbocharged Spark Ignition Engines, Society of Automotive Engineers, Inc., 1998, SP-1330.

78. Nyberg, M., Model Based Fault Diagnosis - Methods, Theory, and Automotive En-gine Applications, Linus & Linnea AB, 1999, ISBN 91-7219-521-5.

79. Johan Bergstrom & Jan Brugard, Modeling of a Turbo Charged Spark Ignited Engine LiTH-ISY-EX-2081, Linkoping, 1999.

80.Le Viet Luang. Ly thuylt dong ca Diezen. NXBGD, 2001.

81. Nguyln Van Binh, Nguyen Tit Tien. Nguyen Ly dpng Ca dot trong. NXB Dai hoc va trung hoc chuyen nghi?p, 1977.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

Одним из приоритетных направлений совершенствования современных комбинированных ДВС является ужесточение требований к их экономичности, мощности и экологическим показателям, а также к надежности и устойчивости их работы. Комбинированные ДВС находят свою область применения и являются основой коммерческого транспорта (дизели) или создают условия для повышенной энергоотдачи в определенном классе транспортных средств (бензиновые ДВС). При этом как в первом, так и во втором случае, подача топлива осуществляется с помощью форсунок (инжекторов), управляемых специальными системами автоматического управления.

Современное состояние данного вопроса заключается в создании замкнутых адаптивных и самонастраивающихся систем управления ДВС. Интенсивные исследования по созданию подобных систем ведутся примерно с начала 1990-х годов. Разработанные алгоритмы управления ДВС решают одновременно несколько задач управления (стабилизация скорости вращения вала, снижение токсичности и т.д.), способствуют созданию нелинейных математических моделей с переменными параметрами, которые более адекватно отражают процессы, протекающие в двигателе.

Очевидно, что системам управления приходится работать в условиях, когда характер переходного процесса заранее не является определенным, и тогда нет уверенности, что управление обеспечит оптимальное качество и последовательности рабочих процессов, и всему переходному режиму в целом. Это означает, что должны проводиться исследования, направленные на изучение особенностей переходных режимов произвольного характера, задаваемого так же произвольным сочетанием изменения положений регулирующих органов (топ-ливоподача, углы опережения впрыска, зажигания, фазы газораспределения и др.), а также величин внешнего нагружающего момента.

При этом нелинейные динамические модели становятся своего рода имитатором не только работы ДВС на переходных режимах, но и практически источником априорной информации возможных нелинейных свойств ДВС.

Учитывая, что в основном эти важные научные направления продолжают развиваться, актуальность диссертационного исследования представляется существенной.

Объектом исследования является бензиновый четырехцилиндровый двигатель ЗМЗ—4062.10 с штатной микропроцессорной системой управления впрыском топлива и зажигания (безнаддувный вариант и образец, оснащенный турбокомпрессором).

Предметом исследования являются рабочие процессы, нестационарные режимы и эффективные показатели ДВС.

Целью работы является разработка научно обоснованной методики для повышения эффективных мощностных и энергетических показателей объекта исследования за счет выбора управления регулирующими органами, обеспечивающего требуемые характеристики нестационарного режима.

Задачи диссертационного исследования.

1) Выполнение анализа работ по теме диссертационного исследования и направленного на выявление степени актуальности выбранного направления работ.

2) Разработка нелинейной динамической модели комбинированного ДВС, представляющей собой полную систему уравнений для ДВС и системы газотурбинного наддува (ГТН) и включающей уравнения для рабочих процессов в объемах двигателя и турбокомпрессора (ТК), а также уравнения движения для подвижных механических элементов, в том числе ротора ТК.

3) Проведение экспериментальной проверки и оценка точности разработанной математической модели.

4) Разработка компьютерной программы для выполнений необходимых вычислительных экспериментов.

5) Разработка методики теоретического формирования (синтезирования) переходных режимов произвольной формы с помощью разработанной математической модели и компьютерной программы с целью определения характеристик и эффективных показателей моделируемого ДВС на соответствующих переходных режимах.

6) Выявление закономерностей формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов на основе предварительно выявленных особенностей нелинейного динамического поведения математической модели ДВС.

Методы исследования - экспериментально-теоретические, основанные на выполнении стендовых испытаний ДВС, использовании теории рабочих процессов ДВС, положений теории нелинейных колебаний и методов теории управления поршневых и комбинированных двигателей, математического моделирования динамических систем, вычислительной математики, обработки результатов эксперимента.

Научная новизна результатов работы заключается в: -содержании математических моделей комбинированных ДВС, относящихся к классу нелинейных динамических моделей и позволяющих выполнять математическое моделирование произвольных нестационарных режимов;

-разработке методики синтезирования произвольных переходных режимов и расчета эффективных параметров ДВС как величин, зависящих от времени и номера цикла;

- выявлении закономерностей формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- разработаны рекомендации для выполнения численного моделирования переходных режимов произвольной конфигурации и описывающего ти