Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС, страница 6

Разработать быстродействующие и универсальные алгоритмы расчетавнутрицилиндровых процессов, процессов газообмена в двухтактных и четырехтактных ДВС, математические модели совместного расчета поршневыхДВС и агрегатов наддува.2. Разработать феноменологическую модель сгорания в ДВС с воспламенением от сжатия, позволяющую учитывать развитие топливных струй, взаимодействие их с воздушным вихрем, со стенками и между собой, учитыватьпроизвольную форму камеры сгорания и движение поршня, многоразовоевпрыскивание и рециркуляцию отработавших газов. Модель должна быть универсальной, т.е.

учитывать как традиционные методы организации рабочихпроцессов ДВС, так и современные, направленные на радикальное снижениевыбросов вредных веществ.3. Проверить корректность математических моделей путем сравнениярасчетных данных с результатами экспериментов. Разрабатываемые моделидолжны описывать разные режимы работы ДВС без перенастройки эмпирических коэффициентов.- 36 -4.

Разработать методы многомерной оптимизации рабочих процессовДВС и критерии одновременной оптимизации расхода топлива, выбросов твердых частиц и оксидов азота.5. Разработать комплекс программ для моделирования и оптимизации рабочих процессов ДВС с удобным пользовательским интерфейсом, системойконтекстной справки, средствами для автоматизированного задания данных,облегчающими идентификацию математических моделей.6. Применить разработанный комплекс программ для решения актуальных задач совершенствования дизелей.- 37 -2.

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВСОсновной задачей математического моделирования ДВС является нетолько попытка расчета соответствующих процессов, но и создание инструмента для поиска путей усовершенствования исследуемого объекта методами численных экспериментов. Необходимость решения сложных, многопараметрических оптимизационных задач обусловливает жесткие требования к быстродействиюиспользуемых математических моделей. Именно это обстоятельствообусловили выбор расчетных методик для математического моделированияпроцессов в ДВС.В общем случае элементы КДВС могут быть представлены как незамкнутые газодинамические системы, обменивающиеся массой и энергией.

Параметры газа в этих системах описываются дифференциальными уравнениямисохранения массы, энергии, импульса и уравнением состояния. В зависимостиот детализации рассмотрения процессов, задача может быть поставлена как3-мерная, 2-, 1-, или 0-мерная. Выбор математической модели обусловленприоритетом поставленных задач. Разделим, условно, эти задачи на несколькоосновных классов.1.

Для изучения движения топливных струй в завихренном потоке в камере сгорания сложной формы необходима трехмерная постановка задачи течения двухфазных сред.2. Для доводки элементов газовоздушного тракта с целью снижения потерь необходима двумерная постановка задачи, или трехмерная, если характертечения в узле носит сугубо пространственный характер, например, течение вклапанном канале. Задача профилирования коллекторов для выравнивания условий работы каждого из цилиндров с одновременным снижением потерь может быть с успехом решена и в двумерной постановке.3. Для исследования эффекта динамического наддува,или адаптациидвигателя к неравномерному наполнению и очистке путем установки индиви-- 38 -дуальных фаз газораспределения по цилиндрам в условиях длинных и разветвленных коллекторов достаточно одномерной математической модели газообмена.4.

Если рассматриваются задачи:- доводки рабочего процесса комбинированного ДВС, как единого целого, с учетом влияния агрегатов наддува (с той или иной детализацией);- выбора концепции схемы газообмена, оценки влияния основных размеров впускных и выпускных органов (особенно актуально для двухтактныхКДВС), а также фаз газораспределения; для прогнозирования различных эксплуатационных режимов и характеристик с учетом изменения условий протекания рабочих процессов;- подбора топливоподающей аппаратуры и выбора законов управления;то достаточно 0-мерных и отчасти 1-мерных математических моделей.Если приоритет отдается задачам 1, 2 и, отчасти, 3 класса, когда основноевнимание сосредоточено на отдельном элементе КДВС, то учет других элементов может быть упрощенным: либо с помощью математической модели меньшей размерности, либо еще проще - эмпирической зависимостью. Замкнутыйпространственный расчет комбинированного ДВС в настоящее время не является технически целесообразным для практических целей (иное дело - для рекламы, или для решения методических вопросов), поскольку требует оченьвысоких вычислительных мощностей, а самое главное, большого объема входных данных и времени.

Именно это и не позволяет применять замкнутый пространственный расчет в сочетании с методами формальной оптимизации, которые позволяют довольно быстро находить эффективные решения по доводкеКДВС.При решении задач 3 и 4 классов, когда применяются 1- и 0-мерные модели, при рациональном их сочетании для разных узлов КДВС можно добитьсявесьма точных результатов при малых вычислительных мощностях и временина подготовку данных. Скорость реализации таких моделей на ЭВМ достаточно- 39 -высока, что позволяет применять в сочетании с ними методы математическогопрограммирования для решения оптимизационных задач. Скоростные достоинства 0- и 1-мерных моделей столь высоки, что становится оправданным их значительное логическое усложнение по сравнению с многомерными методами,т.к.

в них с помощью различных остроумных, часто эмпирических приемовописываются сложные, порой пространственные, эффекты в рамках 0- или1-мерных представлений.Целесообразным представляется использование пространственных расчетов только для тех задач, где это действительно необходимо, а в остальныхслучаях необходимо использовать математические модели пониженной размерности.В результате многолетней работы в области разработки математическихмоделей и программ для оптимизации рабочих процессов двигателей был разработан программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК, в котором были реализованыописанные ниже алгоритмы и математические модели. Программный комплекспрошел проверку во время многочисленных расчетных исследований выполненных для промышленности, что доказало правильность постановки задачипри его разработке и обоснованность выбора расчетных моделей.2.1. Математическая модель открытой термодинамической системыСреди методов расчета рабочего процесса ДВС в настоящее время наиболее широкое распространение получили методы, основанные на представлении цилиндра и коллекторов двигателя в виде незамкнутых термодинамических систем, обменивающихся массой и энергией.

Параметры газа в этихсистемах описываются дифференциальными уравнениями сохранения массы иэнергии и уравнением состояния. Решаются эти системы уравнений методомЭйлера или методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Первый требует применениямалых расчетных шагов, а второй - четырехкратного решения уравнений насравнительно крупном расчетном шаге. И то и другое приводит к значительным- 40 -затратам машинного времени. Для сокращения времени счета и сохранения высокой точности в данной работе реализован метод повышенного быстродействия, основанный на пошаговом определении параметров газа в открытой термодинамической системе путем решения системы нелинейных алгебраическихуравнений, полученных преобразованием разностных уравнений баланса массыи энергии и уравнения состояния, записанных для произвольного термодинамического процесса [28].

При записи исходной системы разностных уравненийсделаны общепринятые в таких случаях допущения: об однородности термодинамической системы, о справедливости уравнения состояния МенделееваКлайперона, о зависимости свойств рабочего тела от состава и температуры.Исходная система уравнений имеет вид:V2U 2 − U 1 = − ∫ p ⋅ dV + ∑ I *j + Q x − Qw ;(2.1)G 2 − G1 = ∑ ∆G j ;(2.2)p ⋅V = G ⋅ R ⋅ T ,(2.3)V1где:V2∫ p ⋅ dV- механическая работа, совершаемая рабочим телом; I*j - энтальпияV1рабочего тела, подведенная к системе в результате добавления массы ∆Gj от j-гоисточника массы; Qx - количество теплоты, подведенной к рабочему телу от постороннего источника (вследствие сгорания топлива); Qw - количество теплоты,отведенной в стенки; p, T, G, V, U, R - давление, температура, масса, объем,внутренняя энергия и газовая постоянная рабочего тела.

Индексы 1 и 2 относятся соответственно к началу и концу рассматриваемого термодинамическогопроцесса.Способ расчета величины внутренней энергии, входящей в уравнениеэнергетического баланса, зависит от располагаемых данных о физических свойствах рабочего тела. В настоящее время получили широкое распространениетаблицы средних массовых изохорных теплоемкостей газов в функции от температуры CV = f (t ) в интервале температур от to = 0oC до t.

Рабочее тело удобно- 41 -рассматривать как смесь двух газов. Обозначим концентрацию одного из них продуктов сгорания в этой смеси - через r. Итак, для дизеля полагаем эти двагаза: чистый воздух (r = 0) и продукты полного и совершенного сгорания (сгорания при α = 1), (r = 1 ). Для искрового ДВС это: свежий заряд, состоящий изчистого воздуха и паров бензина (газа) в пропорции, задаваемой коэффициентом избытка воздуха α (r = 0), и продукты сгорания при текущем α (r = 1).