Диссертация (Формирование характеристик дизельного двигателя при использовании системы комплексного адаптивного управления), страница 3

Влияние УОВТ на показатели работы двигателяСовременные системы топливоподачи с клапанным управлением предоставляют возможность осуществления многофазного впрыска с формированиемвида характеристики подачи топлива. Используются ступенчатая форма основной фазы впрыска и многофазная характеристика с предварительными и последующими за основной фазой подачи топлива импульсами впрысков. Предварительные впрыски влияют на образование токсичных компонентов отработавших газов и уровень шума дизеля, а «пост-впрыски» на такте выпуска используются для повышения эффективности восстановления оксидов азота в нейтра-16лизаторе.

На Рисунке 1.3 показан один из предлагаемых вариантов формирования характеристики многофазного впрыска топлива на различных режимах работы двигателя, полученный путѐм оптимизации по показателям эмиссии оксидов азота и сажи.Применение в современных топливных системах клапанов, задающих характеристику топливоподачи на каждом цилиндре, облегчает реализацию такого способа управления двигателем, как отключение цилиндров и циклов на режимах малых нагрузок. Однако здесь следует учитывать, что эффективностьэтого метода зависит не только от отключения топливоподачи в цилиндрах, нои от работы системы газораспределения.

Причѐм, влияние системы газораспределения на показатели экономичности и токсичности двигателя гораздо шире –так, может ставиться задача подбора оптимизированных значений фаз газораспределения для различных режимов работы двигателя. Управляющее воздействие на настройку системы газораспределения возможно при наличии соответствующих исполнительных устройств.Рисунок 1.3. Оптимизированные характеристики впрыска в поле режимов работы быстроходного дизеля17Наряду с топливоподачей, характеристики и параметры комбинированного двигателя, во многом, определяются системой воздухоснабжения.

В зависимости от настройки турбокомпрессора характеристики двигателей одной размерности и числа цилиндров могут существенно различаться. Определѐннойнастройкой турбокомпрессора можно путѐм формирования характеристик подстраивать двигатель под конкретного потребителя энергии и обеспечивать требуемые нормы по показателям токсичности отработавших газов.Эффективность влияния на давление наддува зависит от способа регулирования турбокомпрессора. Сравнительно просты по конструкторской реализации способы перепуска с помощью клапанов воздуха на выходе компрессора игазов на входе в турбину, однако наибольшие возможности по формированиюхарактеристик турбокомпрессора предоставляет использование турбины изменяемой геометрии с заданием положения лопаток направляющего сопловогоаппарата турбины.

На Рисунке 1.4 приведены результаты оптимизации значений давления наддува для различных режимов работы автомобильного дизеляпо частоте вращения и нагрузке при использовании турбины переменной геометрии для одного из возможных критериев оптимальности, включающего показатели экономичности и токсичности отработавших газов [21].Рисунок 1.4. Оптимизированная характеристика давления наддува18Направленное воздействие на давление наддува для турбокомпрессоров сзаметной инерционностью ротора необходимо не только на установившихся, нои на неустановившихся режимах.

В процессах резкого увеличения нагрузки надвигатель из-за инерционности турбокомпрессора подача воздуха отстаѐт отподачи топлива, что приводит к ухудшению сгорания и снижению всех показателей комбинированного двигателя. Применяют два способа согласования подач воздуха и топлива. При экстенсивном (пневмокоррекция) способе согласования топливоподача растѐт в процессах набросов нагрузки постепенно в соответствии с реальным давлением наддува.

При интенсивном способе в переходном процессе временно увеличивается подача воздуха либо путѐм подвода дополнительного воздуха от постороннего источника, либо подводом дополнительной энергии к турбокомпрессору для раскрутки его ротора. Одним из перспективных, но конструктивно более сложных вариантов является подкруткаротора электрической машиной, которая работает в режиме электродвигателяпри разгоне ротора и в режиме генератора при превышении частотой вращенияротора допустимых значений.При использовании двух впускных клапанов на цилиндр около одного изних устанавливают заслонку, положение которой определяет степень участияклапана в процессе наполнения цилиндра и завихрения потока воздуха. Положение заслонки на различных режимах подбирается из условия достижения заданных норм на токсичность отработавших газов, что иллюстрируется Рисунком 1.5 [22].

Так, например, на режимах малых нагрузок заслонка полностьюзакрыта, весь поток воздуха проходит через один клапан и обеспечивает максимальную степень завихрения потока.Одним из способов обеспечения норм на выбросы токсичных компонентов является рециркуляция отработавших газов [23]. Результаты исследований[24], приведѐнные на Рисунках 1.6 и 1.7, показывают, что выигрыш от использования системы рециркуляции сильно зависит от нагрузки на двигатель.

Такимобразом, для полезной рециркуляции необходимо задавать определѐнную величину перепускаемых газов на разных режимах работы дизеля.19Рисунок 1.5. Влияние положения впускной заслонки на образованиетоксичных компонентовРисунок 1.6. Влияние степени рециркуляции на токсичность отработавших газов в зависимости от нагрузки на двигатель20Система охлаждения комбинированного двигателя является комплексной:охлаждение самого двигателя (блока цилиндров, поршней), охлаждениенадувочного воздуха в системе воздухоснабжения, охлаждение отработавшихгазов в системе рециркуляции. Результаты исследований показателей работыдвигателей при различной температуре охлаждающей жидкости свидетельствуют о целесообразности еѐ изменения в зависимости от режима работы дизеля, прежде всего – от нагрузки [25].Рисунок 1.7. Влияние степени рециркуляции на токсичность отработавших газов в зависимости от нагрузки на двигательКаждая из рассмотренных систем комбинированного двигателя оказываетвлияние на показатели экономичности и токсичности.

При этом все системыдвигателя связаны между собой единым рабочим процессом и влияют друг на21друга. Поэтому при определении требуемых настроек отдельных систем двигателя следует учитывать их взаимное функционирование и взаимодействие.Наибольший эффект даѐт комплексное согласованное использование мероприятий по обеспечению требуемых характеристик и параметров комбинированного двигателя. В качестве иллюстрации на Рисунке 1.8 приведены результатысравнительного анализа эффективности влияния некоторых вариантов комплексных мер по снижению эмиссии токсичных компонентов отработавших газов дизеля [26].Рисунок 1.8. Сравнительная диаграмма эффективности различных мероприятийпо снижению токсичности отработавших газов22Как видно из диаграммы на Рисунке 1.8, комплексное использованиенастройки УОВТ, рециркуляции и нейтрализации даѐт наилучший результат поснижению эмиссии основных газовых токсичных компонентов, но увеличиваетобразование твѐрдых частиц по сравнению с методом уменьшения УОВТ.Анализ влияния параметров рабочего процесса на характеристики двигателей показывает, что выполнить предъявляемые к современным двигателямтребования по показателям экономичности и экологии можно только комплексным воздействием на основные системы двигателя и настройкой параметров этих систем в зависимости от режима работы двигателя.

Для реализациивоздействий на системы двигателя необходима комплексная адаптивная система управления, формирующая регулирующие воздействия на основные системы двигателя с адаптацией к различным режимам работы.1.3. Современные методы построения математических моделейдля расчѐта переходных процессовРазработка математической модели дизельного двигателя является важным этапом в проведении различных расчѐтных исследований [27-29]. Различные виды математических моделей применяются как для проектирования конструктивных элементов, так и для настройки систем управления [30-31]. В рамках диссертационной работы была поставлена задача: разработать математическую модель для расчѐта переходных процессов двигателя [32].

Современныйуровень развития программного обеспечения характеризуется большим разнообразием используемых математических моделей различного назначения.Глобально, по методу построения, модели можно разделить на теоретические, эмпирические и смешанные [33].Теоретические модели основываются на фундаментальном описании физико-химических процессов, протекающих в объекте исследования. Обычно такие модели базируются на законах сохранения (массы, энергии и др.) в дифференциальной форме.23Эмпирические модели формируются на базе экспериментальных данных,полученных при исследовании реального объекта. На основе статистическихданных создаются перспективные модели, использующие такие методы, какнечѐткая логика и нейронные сети [34-36].Математические модели смешанного типа объединяют подходы, использующиеся в теоретических и эмпирических моделях.

Обычно основой моделивыступают фундаментальные дифференциальные модели, а для расчѐта коэффициентов и различных показателей используются экспериментальные данные.Подобные модели часто используются при полунатурном моделировании ипозволяют ускорить настройку новых систем управления для перспективныхдвигателей [37-40].Для реализации любой модели потребуется компьютерная программа.Для создания модели двигателя возможно использование программныхкомплексов для исследования динамики механических систем, таких как ADAMS [41], Dynamic Designer Motion [42], Euler [43]. Использование подобныхкомплексов оправдано при изменении кинематики двигателя или при анализеиных механических параметров, но для настройки систем управления малоприменимо.Иная область применения у программных комплексов для расчѐта механики твѐрдого тела (Nastran [44], SpaceClaim [45]).

Такие программы в основномпредназначеныдляопределениятепловогоинапряжѐнно-деформированного состояния элементов двигателя. Вместе с ними следует рассмотреть программы расчѐта гидро- и газовой динамики KIVA [46], AVL FIRE[47], STAR-CD [48], Fluent [49] и др. Особо следует отметить программныйкомплекс ANSYS [50], позволяющий проводить расчѐты совместно жидкости,газа и твѐрдых тел.