Диссертация (Формирование характеристик дизельного двигателя при использовании системы комплексного адаптивного управления), страница 2

Результаты исследований использованы при разработке экспериментального образца системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты расчѐтного исследования по формированию статических и динамических характеристик дизельного двигателя внедрены на ООО «ППП Дизельавтоматика» для использования при проведении работ по совершенствованию систем управлениятепловозными дизельными двигателями.Личный вклад автора. Проведѐн поиск и анализ научно-технической инормативной информации по направлениям: требования, предъявляемые к современным дизельным двигателям; влияние регулирующих параметров на работу систем двигателя; современные методы математического моделирования ипрограммные комплексы для реализации процесса расчѐта; системы управления производства ведущих мировых компаний.В составе рабочей группы разработаны алгоритмы функционирования,технические и программные средства системы комплексного адаптивногоуправления дизельными двигателями.8Разработана математическая модель и компьютерная программа для расчѐтного исследования и определения первичных калибровок системы управления.Проведены расчѐтные исследования по формированию статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя и первичныхкалибровок системы управления.В составе рабочей группы проведены испытания разработанной системыкомплексного адаптивного управления.Основные положения, выносимые на защиту.

Метод формированияматематической модели дизельного двигателя для расчѐта статических и динамических характеристик при регулирующих воздействиях на топливоподачу ивоздухоснабжение двигателя.Результаты расчѐтных исследований работы перспективного дизельногодвигателя 12ЧН26,5/31 для различных областей применения (тепловозная и судовая энергетические установки).Результаты испытаний разработанной системы комплексного адаптивного управления на одноцилиндровом отсеке двигателя размерностью 26,5/31.Апробация работы. Основные положения диссертационной работы былипредставлены на: заседании кафедры поршневых двигателей МГТУ им.

Н.Э.Баумана (Москва, 2017); Всероссийской научно-технической конференции поавтоматическому управлению теплоэнергетическими установками (Москва,2014-2017 гг.); 7-х Луканинских чтениях «Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, 2015 г.); IX Международнойнаучно-производственной конференции «Перспективные направления развитияавтотранспортного комплекса» (Пенза, 2015 г.); Международной научнотехнической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2016 г.); 2-м международном форуме «Instrumental Engineering,Electronics and Telecommunications» (Ижевск, 2016 г.).Публикации.

Материалы исследований опубликованы в 8 статьях, ихних: 3 – в российских изданиях перечня рецензируемых научных журналов9ВАК РФ, 3 – в изданиях, входящих в международную базу цитирования Scopus.Общий объѐм основных работ – 2,2 печатных листа. С участием автора получено два свидетельства на программы для ЭВМ.Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырѐхглав, выводов и библиографического списка. Содержит 171 страницу машинописного текста, в том числе 83 рисунка, 15 таблиц. Библиографический списоксодержит 109 наименований, в том числе 55 на иностранном языке.10Глава 1. Анализ возможностей формирования характеристикдизельных двигателей современными системами управления1.1.

Требования, предъявляемые к современным дизельным двигателямРазработка и создание современных комбинированных двигателей внутреннего сгорания идѐт в условиях жѐстко регламентированных техническихтребований к показателям и характеристикам двигателей, что обусловлено экологической и экономической обстановкой в мире. По сфере применения можноразделить существующие двигатели на следующие крупные категории:- приводы генераторов переменного тока, работающих на сеть;- судовые и тепловозные двигатели;- автотракторные двигатели.Двигатели транспортных средств работают в широком диапазоне изменения частоты вращения вала и нагрузки как на установившихся, так и на неустановившихся режимах.

К данным двигателям применяются наиболее строгиеэкологические нормативы. Для дизельных двигателей различного назначениявведены ограничения на максимально допустимые удельные массовые выбросыпо оксидам азота NOx, монооксиду углерода СО, несгоревшим углеводородамCHx и твѐрдым частицам.В Российской Федерации, на данный момент, действуют требования федеральных законов №7-ФЗ и №96-ФЗ, ограничивающие уровень выброса вредных (загрязняющих) веществ [1,2]. Транспортные и иные передвижные средства, выбросы которых оказывают вредное воздействие на атмосферный воздух, подлежат регулярной проверке на соответствие таких выбросов техническим нормативам выбросов (п.

4 ст. 17 Закона N 96-ФЗ). Нормативы и технические регламенты по допустимым выбросам в атмосферу регулярно обновляются. С 2015 года Россия перешла на новое законодательство, в связи с вступлением в Евразийский экономический союз. Основные моменты в нормативах повторяют законодательство Российской Федерации.11Предельно допустимые значения технических нормативов выбросов подвигателям не автомобильного назначения приведены в ГОСТ Р 52408-2005 [3].Нормируемые параметры приведены в Таблице 1:Таблица 1.Нормируемые параметры по ГОСТ Р 52408-2005.Наименование нормируемогопараметраОбозначениеТехнический нормативудельных средневзвешенныхНазначениевыбросов двигателейдизеляпостановленных постановленныхна производство на производстводо 2000 г.с 2000 г.18,012,016,010,0Судовой17,0(17,0-9,8)*Удельный средневзвешенный выбросоксида углерода (СО),г/(кВт·ч)Любое6,03,0Удельный средневзвешенный выбросуглеводородов (СН),приведенный к CH1,85,г/(кВт·ч)Любое2,41,0Удельный средневзвешенный выбросоксидов азота (NOX),приведѐнный к NOX,г/(кВт·ч)ТепловозныйПромышленныйПри проведении испытаний на месте установки двигателя измерения выбросов вредных веществ и дымности отработавших газов проводят на установившихся режимах по циклам испытаний по ГОСТ 30574-98 [4].

В основе испытательных циклов для различных типов двигателей заложен универсальный12цикл. Последовательность режимов для универсального цикла испытаний приведена в Таблице 2.Таблица 2.Универсальный испытательный цикл.Номер режимаЧастота вращенияуниверсального цикла1Крутящий момент,%Номинальная1002753504255106Промежуточная100775850925101011Минимальная холостого хода0При проведении испытаний различных двигателей используются специальные циклы с весовыми коэффициентами для требуемых режимов. Так,например, для тепловозных дизельных двигателей испытания проводятся наследующих режимах: 1 (коэффициент 0,25), 8 (коэффициент 0,15), 11 (коэффициент 0,60).Кроме уже привычных нормативов по токсичным выбросам в настоящеевремя появилось активное движение на снижение выбросов углекислого газа(CO2).

Пристальное внимание к выбросам углекислого газа связано с парниковым эффектом. В 2013 году издан указ Президента РФ №752 «О сокращениивыбросов парниковых газов» [5], согласно которому необходимо к 2020 годусократить выброс парниковых газов до уровня не более 75% объѐма указанныхвыбросов в 1990 году.13Борьба за снижение общего объѐма загрязнения атмосферы привела к появлению новых норм.

В автомобильном транспорте утверждена формула длярасчѐта предельных значений выбросов CO2 [6,7]:(где)– снаряжѐнная масса автомобиля, кг.Подобное снижение выбросов возможно при условии снижении общегоколичества потребляемого топлива или при переходе на альтернативные видыэнергоресурсов. Рассматривая привычный дизельный двигатель необходимоотметить возможности по форсированию двигателей за счѐт согласованногоуправления всеми подсистемами. Использование системы комплексного адаптивного управления позволяет оптимизировать режим работы двигателя и снизить потери на привод вспомогательных агрегатов.На Рисунке 1.1 представлена диаграмма, характеризующая методы снижения выбросов CO2 по данным организации IEA (Международное энергетическое агентство) [8]. Несмотря на значительное влияние прогрессивных технологий по использованию электроэнергии и альтернативных топлив основная частьметодов направлена на повышение топливной экономичности двигателей, работающих на обычных видах топлива: дизельном и бензине.Рисунок 1.1.

Структура методов снижения выбросов CO214Одним из основных направлений обеспечения высоких требований поэкологии, экономичности и динамическим показателям двигателей транспортных установок является совершенствование систем автоматического управления (САУ) [9-11]. Использование математического моделирования позволяетповысить эффективность исследований по снижению токсичности отработавших газов двигателей [12-13].1.2. Влияние регулируемых параметров на характеристики двигателяЭлектронные блоки современных систем автоматического управления(САУ) могут реализовать множество функций, главное – их сформулировать иобосновать.

Создание систем управления дизелями должно проводиться, исходя из обеспечения необходимых характеристик современных комбинированныхдвигателей, а требования, предъявляемые к САУ, должны формироваться, исходя из требований к двигателям и возможностей воздействия системы управления на параметры рабочего процесса через системы самого двигателя [14-16].Проблемы реализации необходимых функций САУ возникают не со стороны программы микропроцессорного контроллера, а со стороны датчиков и,особенно, исполнительных устройств и самих агрегатов двигателя - топливнойаппаратуры, турбокомпрессоров, нейтрализаторов, управляющих клапанов и ихприводов [17-19].Рассмотрим характерные примеры влияния на показатели экономичностии экологии дизелей параметров рабочего процесса, на которые может оказыватьрегулирующие воздействия современная САУ.Прежде всего, система управления должна сформировать требуемую характеристику впрыска топлива.

Количество топлива определяется либо задаваемой мощностью, либо задаваемой частотой вращения вала двигателя (скоростью транспортного средства). Для обеспечения требуемых показателей приувеличении мощности двигателя желательно повышать давление впрыска по15определѐнному закону, что реализуемо в аккумуляторных системах топливоподачи.Как видно из Рисунка 1.2, угол опережения впрыска топлива (УОВТ) оказывает значительное влияние на показатели токсичности отработавших газов иэкономичность дизеля [20]. Причѐм, значения УОВТ должны быть различны наразных режимах работы дизеля.Рисунок 1.2.