Автореферат (1026343), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Новое семействодизелей типоразмерного ряда Д500 мощностью до 10000 л.с. предполагает многоцелевое применение дизелей для ОАО «РЖД», Военно-Морского флота, атомнойэнергетики и других отраслей.Для проведения расчётного исследования по формированию алгоритмов функционирования системы комплексногоадаптивногоуправления была составленаматематическая модель дизельного двигателя с турбонаддувом.
Структура математической модели дизельногодвигателя приведена на Рисунке 4.Работа модели основанана совместном решении пятидифференциальных уравнений: поршневой части (ПЧ),двух турбокомпрессоров (ТК1и ТК2), впускного и выпускного трубопроводов (ВпТ иВыпТ). В результате решенияуравнений определяются: частоты вращения вала дизеляnд и роторов турбокомпрессоРисунок 4. Структура математической моделиров nт1 и nт2, давления воздухаpк и отработавших газов pг.Правые части уравнений содержат моменты инерции валов (Iд, Iт), крутящие мо8менты (Mi, Mп, Mс, Mк, Mт), объёмы трубопроводов (Vвп, Vвып), температуры (Tв,Тг), газовые постоянные (Rв, Rг) расходы газов (Gд, Gт, Gк) и расход топлива(Gтопл).В качестве исходной информации для построения математической моделииспользованы экспериментальные данные работы дизеля на режимах тепловознойхарактеристики. Для получения характеристик дизеля во всём рабочем диапазонечастот вращения и нагрузок были проведены расчёты в программе Дизель-РК пометоду реконструкции исходных данных.Для построения функциональных зависимостей, входящих в правые частидифференциальных уравнений математической модели, наряду со степенными полиномами, применялись новые подходы, основанные на использовании рядаФурье, логарифмических преобразований аргументов, рациональных дробей, чтоповысило точность определения режимных параметров поршневой части двигателя и турбокомпрессора.Примеры полученных зависимостей проиллюстрированы на Рисунке 5 в виде поверхностей с нанесёнными экспериментальными точками, полученными поданным ОАО «Коломенский завод».
Сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными показало хорошее совпадение, что обосновало использованиеразработанной математической модели для расчётного исследования характеристик рассматриваемого двигателя.Индикаторный КПДРасход через компрессорРисунок 5. Примеры поверхностей, используемых в моделиПрограмма, реализующая математическую модель, создана в комплексеMatlab/Simulink. Для удобства оперативного задания режимов работы двигателя исистемы управления и наблюдения за результатами расчётов создан интерфейсвзаимодействия оператора с разработанной компьютерной программой.Целью проведения статических расчётов является формирование скоростных характеристик двигателя при различных вариантах работы системы турбонаддува: с нерегулируемыми турбокомпрессорами, регистровом наддуве, с турбинами изменяемой геометрии.
Для всех рассмотренных вариантов учитывалосьограничение топливоподачи по величине коэффициента избытка воздуха = 1,6(пневмокоррекция).На Рисунке 6 приведены внешние скоростные характеристики дизеля длярассмотренных вариантов работы системы турбонаддува. Линия 1 проведена по9точкам, соответствующим работе двигателя с двумя нерегулируемыми турбокомпрессорами.
Следует отметить характерную особенность работы двигателя с нерегулируемыми турбокомпрессорами: на частотах вращения до 650-700 об/миннаблюдается нехватка воздуха. Такое явление вызвано недостаточной раскруткойроторов турбокомпрессоров. Во многом для решения именно этой проблемы используются различные методы регулирования системы воздухоснабжения.Линия 2 соединяет точкирасчётов с использованиемдвух регулируемых турбокомпрессоров. Регулирование производится за счёт измененияпроходного сечения направляющего аппарата турбин.
Посравнению с работой двигателябез регулирования турбокомпрессоров наблюдается значительное повышение крутящегомомента на частотах вращенияот 400 до 700 об/мин. За счётизменения положения направляющего аппарата увеличивается давление на входе в турбинах, поток газа направляетсяна периферию лопаток, чтоРисунок 6. Результаты расчёта статических ха- увеличивает плечо действиярактеристик дизельного двигателя Д500силы давления. Это приводит к(12ЧН26,5/31) при различных вариантах управ- увеличению крутящего моменления турбокомпрессорамита на роторах турбокомпрессоров.
Более активная раскрутка турбокомпрессоров позволяет направить большевоздуха в цилиндры, что приводит к увеличению коэффициента избытка воздухапри фиксированной подаче топлива. С учётом алгоритма пневмокоррекции увеличивается доступная величина топливоподачи и крутящий момент двигателя.Линия 3 на Рисунке 6 проходит через точки расчётов, проведённых с использованием одного нерегулируемого турбокомпрессора. Доступный крутящиймомент при частотах вращения от 500 до 700 об/мин больше, чем в двух предыдущих вариантах. При малых нагрузках образуется недостаточное для двух турбин количество отработавших газов. В случае использования одного турбокомпрессора весь расход отработавших газов направляется на него, при этом турбинасоздаёт достаточный для раскрутки ротора крутящий момент. При большей частоте вращения двигателя воздуха от одного турбокомпрессора для двигателя не хватает и доступный крутящий момент значительно снижается.
При этом целесообразно включение в работу второго турбокомпрессора, что соответствует регистровому наддуву. Работа с системой регистрового наддува позволяет повысить мощность на малых и средних нагрузках.Наряду с ограничением топливоподачи по коэффициенту избытка воздуха,необходимо также учитывать ограничение по максимальному давлению в цилин10дре. Оранжевой линией (линия 4) показано ограничение внешней скоростной характеристики для двигателя с двумя регулируемыми турбокомпрессорами с учётом максимального давления в цилиндре pz ≤ 20 МПа. Именно эта характеристикабыла принята за основу для расчёта ограничения по топливоподаче в модели регулятора.Сравнение эффективности использования рассмотренных вариантов турбонаддува по увеличению доступного крутящего момента дизеля проведено с использованием следующего выражения:−∗ 100%,где– момент при нерегулируемом турбонаддуве, – момент для рассмотренного варианта турбонаддува. Полученные значения приведены в Таблице.Таблица.Сравнение вариантов турбонаддува.Один ТКДва регулируемых ТКд , об/мин3007,7 %7,7 %40018,5 %25,9 %50065,5 %37,9 %600233,3 %80,0 %700109,1 %54,5 %80041,1 %10,7 %900-70,3 %0,8 %1000-86,7%0%Работа с двумя турбокомпрессорами с регулируемым направляющим аппаратом турбины позволяет повысить мощность и приёмистость двигателя и является наиболее перспективным способом регулирования системы турбонаддува израссмотренных вариантов.
Увеличение крутящего момента достигает 80%.В результате расчётного исследования получена матрица значений удельного эффективного расхода топливарассматриваемого дизеля на режимах его работы при различных положениях направляющего аппарата турбины (Рисунок 7).Увеличениесоответствует переходу от зелёного цвета точек к красному. В полученной матрице синим цветом показана линия минимальных значенийдляразличных режимов работы двигателя и положения направляющего аппарата турбины.При проведении расчётного исследования получена матрица положенийнаправляющего аппарата турбины для различных режимов работы двигателя( цикл , д ), которая используется в разработанном алгоритме управления турбокомпрессором (Рисунок 8).Расчёт переходных процессов двигателя был проведён для двух основныхвариантов применения рассматриваемого дизеля: в составе энергетических установок судна и тепловоза.
Пример расчёта переходного процесса двигателя приведён на Рисунке 9.11Нарисункепоказан результатрасчётапроцессаразгона двигателяпри работе на винт.На Рисунке 9 показаныследующиеграфики: требуемоезначение (зелёнаялиния) и реальноезначение д (красная линия) частотывращения двигателя; частоты вращения турбокомпрессоров 1 и 2 т , тРисунок 7. Построение экономической характеристики ди- (зелёнаялиния);зельного двигателя с учётом регулирования турбокомпрес- давлениепослесоровкомпрессорак;давление перед турбиной г ; цикловаяподача топлива ц(красная линия) сограничениями повнешней скоростной характеристикеВСХ (зелёная линия)и коэффициенту избытка воздуха(синяя линия); коэффициент избыткавоздуха ; параметры управления турбокомпрессорами:сигнал выхода наРисунок 8.
Матрица положений направляющегопомпаж(гоаппарата турбинылубая линия), положение направляющего аппарата (красная линия); крутящий момент д (краснаялиния) и момент сопротивления с (зелёная линия).Разгон проходит с постоянным темпом набора частоты вращения, время работы компрессоров на помпаже незначительно. Этот эффект достигается за счётуправления турбокомпрессорами в соответствии с разработанным алгоритмом.При проведении расчётного исследования получены значения коэффициентов законов регулирования в контурах воздействия системы управления: для кана-12ла воздействия на топливоподачу п = 0,05; и = 0,05; для канала воздействия натурбокомпрессор п = 20; и = 5.Расчёт статических и динамических характеристик дизеля отражает возможности созданной компьютерной программы для прогнозирования работы двигателя на возможных установившихся и неустановившихся режимах работы инастройки перспективой системы комплексного адаптивного управления.Рисунок 9.
Результат расчёта динамики разгона дизельного двигателяЧетвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям системыкомплексного адаптивного управления, которые были проведены с использованием испытательных стендов ОАО «Коломенский завод».Проверка функционирования и первичная отладка основного канала СКАУД– регулирующего воздействия на топливоподачу проводилась на безмоторном13стенде для испытаний топливной аппаратуры. В результате испытаний достигнутодавление впрыска 1700 бар, точность задания угла опережения впрыска топливасоставляет 0,1 градуса поворота коленчатого вала.Дальнейшие испытания системы управления проводились наодноцилиндровом отсеке дизеляД500. При проведении испытанийфиксировалисьосциллограммыуправляющего сигнала, подаваемого на электромагнитный клапантопливоподачи (Рисунок 10).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
