Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для решения практических задач необходимы быстродействующие компьютерные программы, позволяющие надежно моделировать происходящие в двигателях сложные процессы, влияющие на эмиссию вредных веществ и позволяющие проводить значительную часть исследовательских работ- 10 -по оптимизации рабочих процессов ДВС на ЭВМ.
Создание адекватных математических моделей сдерживается сложностью процессов, протекающих впоршневых двигателях, и прежде всего, в камерах сгорания дизелей.Цель диссертационной работы состоит в развитии научных основ расчетапоршневых двигателей, разработке на их основе универсальных математических моделей и прикладных программ для термодинамического расчета двухтактных и четырехтактных ДВС с уточненным рассмотрением процессов смесеобразования, сгорания и образования вредных веществ.Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:1. 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.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, системой- 11 -контекстной справки, средствами для автоматизированного задания данных,облегчающими идентификацию математических моделей.6.
Применить разработанный комплекс программ для решения актуальных задач совершенствования дизелей.Методическую основу исследования составили: математическое моделирование теплофизических и термодинамических процессов, а также расчетныеисследования поршневых двигателей.Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются: использованием общих уравнений гидродинамики, теплофизики и термодинамики; совпадением расчетных результатов с экспериментальными данными; согласованием полученных частных результатов с известными.Научная новизна работы заключается в выявлении особенностей протекающих в ДВС процессов, создании методов их описания и оптимизации, атакже в результатах.Практическая значимость работы состоит в разработке математическихмоделей сгорания в дизеле; в разработке программы визуализации развития топливных струй в КС дизеля, в разработке программного комплекса ДИЗЕЛЬРК, и внедрении этого программного комплекса в Интернет, в учебный процесси в промышленность; в проведении расчетных исследований рабочих процессов выпускающихся и перспективных дизелей в интересах промышленности.На защиту выносятся: математические модели расчета параметров в открытой термодинамической системе, совместного расчета двухступенчатогоагрегата наддува и поршневого двигателя, расчета дальнобойности топливнойструи, расчета периода задержки самовоспламенения; методика оптимизациирабочих процессов ДВС, результаты расчетного исследования внутрицилиндровых процессов среднеоборотных дизелей.Реализация результатов работы имела место на МПО "Мотор" (г.
Уфа);ОАО "Коломенский завод" (г. Коломна); ОАО "Горьковский Автозавод" (г. Н.Новгород); ОАО "КамАЗ" (г. Набережные Челны); ОАО "ЗИЛ" (г. Москва);ОАО "Заволжский моторный завод" (г. Заволжье); ОАО "Владимирский завод"(г. Владимир); ОАО "Алтайский завод прецизионных изделий" (г. Барнаул);- 12 -ОАО "РУМО" (г. Н.Новгород); Istituto Motori-CNR (г. Неаполь, Италия); AumetOY (г. Хельсинки, Финляндия); FT Engineering AB (г. Вастерлянда, Швеция);ОАО "Пензадизельмаш" (г.Пенза); АО "Люлька-Сатурн" (г.Москва); PTL Powertrain Technology Ltd (г. Шорам-Бай-Си, Великобритания); Loremo AG (г.Мюнхен, Германия); Roos Diesel Analysis (г. Виспел, Нидерланды); WDL Ltd (г.Брайтон, Великобритания); Tandofer Inf.
Kft (г. Кескемет, Венгрия), Heinzmann(Шенау, Германия), ОАО "Звезда" (г. С-Петербург); Centre for Energy ResearchNewcastle University (Ньюкасл, Великобритания). В МГТУ им.Н.Э.Баумана с1999 г. программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК используется в учебном процессе.Апробация работыОсновные положения диссертации докладывались на ежегодных научнотехнических конференциях МГТУ и МАДИ; на юбилейной научно-техническойконференции "165 лет МГТУ им. Н.Э.Баумана" (Москва, 1995); международномнаучно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, ВГУ, 1997); научнотехнической конференции "Двигатели внутреннего сгорания ХХI века" (СПетербург, 2000); международной научно-технической конференции "Автомобильный транспорт в XXI веке" (Н.Новгород, 2003); международном симпозиуме "Образование через науку" (Москва, МГТУ, 2006); международных научно-технических конференциях: "Двигатель-97" (Москва, МГТУ, 1997), "Двигатель-2007" (Москва, МГТУ, 2007), "Двигатель-2010" (Москва, МГТУ, 2010).Публикации: По теме диссертации опубликованы 53 печатных работы в научных журналах и сборниках, в том числе 9 в изданиях, рекомендованных ВАКРФ.Работа выполнена на кафедре Поршневые двигатели МГТУ им.
Н.Э. Баумана.- 13 -1. ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯРАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС1.1. Анализ актуальных задач стоящих перед двигателестроением ипрограммного обеспечения, необходимого для их решенияВ настоящее время во всем мире проектирование и доводка ДВС не мыслится без проведения математического моделирования и компьютерной оптимизации. Актуальность проведения таких работ все более возрастает с ужесточением нормативов, ограничивающих выбросы вредных веществ, требованийэкономичности и высокой удельной мощности двигателей. Предварительнаярасчетная проработка вопросов, связанных с совершенствованием рабочихпроцессов ДВС, топливной аппаратуры и систем воздухоснабжения, позволяетсущественно сократить объем дорогостоящих экспериментальных работ.
Приэтом программное обеспечение, применяемое для этих целей, должно позволять моделировать соответствующие процессы с достаточной точностью. Чемполнее математическая модель охватывает рассматриваемые физические процессы и корректнее их описывает, тем точнее и надежней может быть полученрезультат. Еще одним, очень важным, свойством должно обладать программное обеспечение - возможностью решать сложные оптимизационные задачи.Недостаточно получить в расчете хорошее совпадение с экспериментом; длярешения практических задач необходимо найти эффективные пути совершенствования конструкции, отыскать оптимальные значения многих конструктивных факторов, по-разному влияющих на рабочий процесс, и, порой, приводящих к конфликтным ситуациям.
Например, необходимо найти такое сочетаниеформы камеры сгорания, конструкции топливной аппаратуры и характеристики впрыскивания, которое обеспечит одновременное снижение и расхода топлива и эмиссии NOx. Оптимизация одного, или даже двух параметров методомперебора зачастую не позволяет получить хорошего результата для задачи сбольшим числом влияющих факторов. Для повышения эффективности решения оптимизационных задач рационально использовать формальные поиско-- 14 -вые процедуры нелинейного программирования, которые позволяют вести оптимальный поиск в автоматическом режиме.
Для реализации такой возможности ядро программы, реализующее математическую модель исследуемого процесса, должно обладать, помимо необходимой точности, еще и высоким быстродействием, т.к. при поиске оптимума приходится проводить расчеты многихсотен вариантов конструкции.Математическое моделирование рабочих процессов ДВС может бытьприменено для следующего перечня задач:1. Прогнозирование и совершенствованиехарактеристик двигателей:скоростных, нагрузочных, винтовых, тепловозных, высотных, характеристик сизменением глубины погружения и т.д.2. Совершенствование системы турбонаддува, в том числе:а) Подбор компрессоров и турбин к поршневой части ДВС.б) Оптимизация параметров привода компрессоров и отбора мощностисиловых турбин, параметров дополнительной камеры сгорания перед силовойтурбиной.в) Оптимизация распределения работы сжатия между ступенями примногоступенчатом наддуве.г) Оптимизация алгоритмов управления перепускными устройствами иустройствами электрического привода ТК.3.
Оптимизация смесеобразования и сгорания для обеспечения заданныхнорм токсичности и минимального расхода топлива: оптимизация величиныстепени сжатия, оптимизация опережения впрыскивания, оптимизация характеристики впрыскивания (включая стратегию многоразового впрыскивания),оптимизация формы камеры сгорания и параметров топливной аппаратуры.4. Совершенствование системы газообмена. Оптимизация фаз газораспределения, оптимальное проектирование впускных и выпускных каналов иокон, оптимальное проектирование трубопроводов (коллекторов).5. Совершенствование работы ДВС на неустановившихся режимах и оптимизация алгоритмов системы управления.- 15 -Для решения столь широкого круга задач методами математического моделирования в настоящее время используется программное обеспечение, реализующее математические модели двух основных классов:1. Термодинамические модели ДВС, рассматривающие двигатель как совокупность термодинамических систем.
(Эти программы имеют наибольшеераспространение).2. Модели на основе решения задач пространственной гидродинамики (ванглоязычной среде называемые как Computational Fluid Dynamic или CFD).Элементы двигателя разбиваются на большое число (сотни тысяч) трехмерныхячеек, для каждой из которых в трехмерной постановке решается системауравнений сохранения энергии, массы, импульса и состояния, (активно развивающееся направление.)Модели и программы каждого из классов предназначены для решениясвоих специфических задач.1.1.1.Термодинамические модели ДВСРасчетные схемы типичных термодинамических моделей ДВС представлены на рисунках 1.1 и 1.2.В цилиндре, в силу его компактности, пренебрегают разницей давленийпо объему, т.е. используют 0-мерную постановку задачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
