Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ характеристики тепловыделения и режимов работы судового высокооборотного дизеля 8
1.1 Процесс сгорания топлива, индикаторная диаграмма и её характеристика тепловыделения 8
1.2 Расчёт характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 14
1.3 Связь характеристики тепловыделения с экономическими и экологическими параметрами дизеля 20
1.4 Режимы работы их определения и характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 33
Цель и задача исследования 36
2 Математическое моделирование характеристики тепловыделения и режимов работы судового высоко оборотного дизеля 37
2.1 Описание процесса сгорания и характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 37
2.2 Описание мощностных и экономических параметров по показателям характеристики тепловыделения 50
2.3 Описание токсичных компонентов и характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 54
2.4 Описание относительной концентрации сажи и характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 64
2.5 Расчёт режимов работы дизеля и влияние их на характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 68
3 Управление режимами работы судового дизеля методами векторной оптимизации 82
3.1 Особенности расчета показателя политропы характеристики тепловыделения 82
3.2 Обоснование Парето-оптимальных решений при оценке векторного критерия качества 92
3.3 Математическая формулировка Парето-оптимальных функций режимов работы дизеля с учётом параметров характеристики тепловыделения 104
3.4 Расчет Парето-оптимальных функций на режимах работы дизеля
по векторному критерию качества 115
4 Экспериментальные исследования процесса тепло выделения и режимов работы судового высокооборотного дизеля 126
4.1 Описание экспериментальной установки 126
4.2 Изменение индикаторной диаграммы по винтовой характеристике дизеля 139
4.3 Изменение параметров характеристики тепловыделения по винтовой характеристике дизеля 149
4.4 Изменение экономических и экологических показателей дизеля на режимах его работы 161
4.5 Сравнение расчетных и экспериментальных исследований процесса сгорания топлива по винтовой характеристике 169
Заключение 172
Список использованной литературы
- Расчёт характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля
- Описание мощностных и экономических параметров по показателям характеристики тепловыделения
- Обоснование Парето-оптимальных решений при оценке векторного критерия качества
- Изменение параметров характеристики тепловыделения по винтовой характеристике дизеля
Введение к работе
Актуальность работы Судовые высокооборотные дизели (СВОД) представляет собой сложную, многомерную, многосвязанную, многорежимную, нестационарную динамическую систему с совокупностью показателей и параметров их работы, которые непрерывно изменяться Основным направлением развития СВОД являются улучшение топливной экономичности и снижение токсичности отработанных газов (ОГ), в соответствии с их перспективными нормами, повышение топливной экономичности, удельной мощности двигателя Величина экономических и экологических параметров двигателя определяется его рабочим процессом, который зависит от совокупности различных факторов конструкторско-технологических, режимных и эксплутационных При этом режимы работы и процессы тепловыделения в цилиндре дизеля играет очень важную роль
Изменения рабочего процесса на режимах работы двигателя оказывают влияние на параметры характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля и, как следствие, определяют экономические и экологические параметры Поэтому, выбор совокупности параметров характеристики тепловыделения и их изменение позволяют улучшить экологические и экономические параметры дизеля Показатели характеристик тепловыделения связаны с эффективной мощностью, удельным расходом топлива и экологическими характеристиками двигателя, однако их влияние недостаточно изучено
В связи с этим актуальной является задача поиска путей улучшения эффективных, экономических и экологических параметров двигателя на режимах его работы по показателям характеристики тепловыделения Для решения этой задачи необходимо выявить перечень этих показателей, определить влияние каждого из них на выходные параметры двигателя, разработать методику поиска значений этих показателей, обеспечивающих наилучшие эффективные, экономических и экологические параметры дизеля
Цель работы. Улучшение экономических и экологических параметров судового высокооборотного дизеля на режимах его работы за счет параметров характеристики тепловыделения
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи исследования
Дать анализ процессов сгорания топлива и режимов работы судового высокооборотного дизеля,
Определить математическую модель характеристики тепловыделения позволяющую рассчитать основные параметры индикаторной диаграммы,
Дать определение режима работы судового высокооборотного дизеля,
Обосновать методику векторной оптимизации по совокупности параметров характеристики тепловыделения,
Провести проверку правильности выбранных решений подтверждающих улучшение эффективных и экологических параметров отсека дизеля
ІЧНІ 8/20 за счет параметров характеристики тепловыделения
Реализация результатов работы. Основные положения и результаты работы могут быть использованы в дизелях 12 ЧН 18/20 и в других судовых высокооборотных дизелях
Апробация работы Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки» Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (СПб ГМТУ) в мае 2007, основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на IV Международной научной технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» ВоГТУ, октябрь 2004, на научной технической конференции «Посвящается 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации профессора Н X Дьяченко (Двигашіестроение сборник» СПб ГПУ, ноябрь 2004, на IV Международной научной технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах (ИНФОТЕХ-2004)» Череповец ГОУ ВПО ЧТУ, декабрь 2004, на Межотраслевой научно-технической конференции «посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок (Современные проблемы развития поршневых ДВС)» СПб ГМТУ, октябрь 2005, на V Международной научной технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах (ИНФОТЕХ-2005)» Череповец ГОУ ВПО ЧТУ, декабрь 2005, на Международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования)» ВоГТУ, декабрь 2005, на IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука региону» ВоГТУ, февраль 2006, на Международной научно-технической конференции «Посвященной 100-летию Н С Ждановского (Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей) кафедры «Двигатели и теплотехника»» СПб ГАУ, март 2006
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения Общий объем работы 227 страницы, включая 173 страниц основного текста, содержащего 107 рисунков, 23 таблиц, список литературы состоит из 126 наименований и 6 приложения
Расчёт характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля
Процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя играет определяющую роль в формировании экономических и экологических характеристик двигателя. Поэтому организация протекания процесса сгорания и повышение его эффективности является актуальной проблемой дизелестроения. В основе методов определения характеристик тепловыделения использован первый закон термодинамики [11,12,13].
В настоящее время определение характеристик тепловыделения осуществляется несколькими способами. Так еще в 30-е годы профессор К. Нейман [14] предложил два эмпирических уравнения скорости сгорания топлива в дизелях: где х - доля сгоревшего топлива, tz - продолжительность сгорания, t -текущее время.
Сравнение характеристик тепловыделения показывает, что уравнением (1.1) можно пользоваться в первом приближении для описания процесса сгорания в дизелях. Дальнейшие исследования привели К. Неймана к расчету процесса сгорания в дизелях на основе протекания бимолекулярной реакции. Согласно этому предположению химическое превращение наступит лишь в том случае, если исходные реагирующие молекулы топлива и кислорода при столкновении будут обладать достаточной энергией. Конечное уравнение имеет вид: где х,, х2 - доли сгоревшего топлива в начале и в конце рассматриваемо го участка поворота коленчатого вала ( р2 -# ,).
Следует признать, что из всех методов исследования и расчета характеристики тепловыделения метод, предложенный К. Нейманом, является наиболее значительной попыткой раскрыть физику процесса сгорания, однако в основе приведенного метода лежит неправильное представление о процессе сгорания как бимолекулярной реакции.
Н.В. Иноземцев [3] развил методику К. Неймана и использовал для исследования процесса сгорания быстроходные дизели. В последнее время принято считать, что сгорание углеводородов происходит по цепной реакции. Поэтому Н.С. Акулов в основу своей теории самоускоренных цепных процессов (теория автогенезиса) положил представление об автогенезисе и автокатализе. Автогенезис представляет собой медленную стадию подготовки реакции, в течение которой накапливаются в очень малых количествах новые вещества. Автокатализ представляет собой последующую стадию, когда в итоге накапливания активных веществ наступает резкое увеличение скорости реакции, имеющей взрывной характер развития. Переход от стадии автогенезиса в стадию автокатализа совершается мгновенно. Автор предлагает уравнение характеристики тепловыделения в следующем виде:
Дальнейшее развитие уравнения (1.2) приведено в работах З.М. Мин t кина и Е.П. Самсонова. Поскольку отвлеченное время сгорания тт =JSSL меняется в дизелях в довольно широких пределах, уравнение (1.2) не обладает свойством общности. И.И. Вибе [6], основываясь на статических закономерностях, связал характер выгорания топлива с текущим временем и некоторыми константами, предложив уравнение вида: / Г+1 (1.8) -0,908 у х = \-е U где /- текущий угол поворота коленчатого вала, /тах- условная продолжительность сгорания, выраженная в градусах ПКВ.
Заслугой И.И. Вибе является сравнительно простая зависимость, позволяющая в первом приближении вскрыть особенности процесса сгорания.
В этой связи особое значение приобретает аппроксимация характеристики тепловыделения в дизелях, предложенная в работах Н.Х. Дьяченко, Л.Е. Магидовича, Б.П. Пугачева [16,17,18,19]. В этих работах считается, что процесс сгорания состоит условно из двух фаз, принципиально отличающихся друг от друга и взаимосвязанных. В первой фазе сгорает топливо, полностью подготовленное за период задержки воспламенения. Во второй фазе сгорает остальное топливо и топливо, поступающее в цилиндр в процессе расширения. Разной природе горения в первой и во второй фазах соответствует разный характер изменения скорости тепловыделения с двумя максимумами. На основании такой схемы процесса горения топлива в цилиндре дизеля предлагается уравнение:
Приведенное уравнение характеристики тепловыделения только в некоторой степени отражает фазы протекания процесса сгорания, но затрудняет анализ процессов горения, т.к. объединяет турбулентное и диффузионное сгорание. Многочисленные экспериментальные исследования подтверждают такой характер выделения тепла в цилиндре дизелей.
При многовариантном термодинамическом исследовании показателей рабочего цикла дизелей допустимо использовать для описания характера тепловыделения, просуммированного по всем элементам объема, выражение в виде: dx A dx. І ч А dx,, \ . dxi (Л — = —-(п, х = У I—L[t)dt, где —L[t) - составлявшие скорости тепловы деления, m - число оставляющих (m 2).
Описание мощностных и экономических параметров по показателям характеристики тепловыделения
В процессе сгорания топлива в цилиндре двигателя образуются продукты его сгорания: СОг, Н20, СО, Н2, CnHm. Динамика изменения количества этих продуктов в объеме камеры сгорания характеризует действительную скорость химических реакций. В зоне пламени, охватывающего жидкое топливо, сгорает полностью менее 60% паров топлива [70,71], остальная же масса горючего не успевает прореагировать до конца и в виде продуктов неполного сгорания СО, Н2, CnHm диффундируют в рабочий объем цилиндра и сравнительно медленно догорают. Поэтому доля прореагировавшего топлива, а также изменение теплоемкости и молекулярного состава смеси не пропорционально доле выделившейся теплоты сгорания топлива.
Доля прореагировавшего топлива Хр оценивается по доле углерода в цикловой подаче топлива, окислившегося до СО и С02. Доля располагаемой теплоты X, выделившаяся при сгорании топлива, меньше Хр, т.к. часть прореагировавшего топлива окисляется не полностью с образованием СО, Н2. По этой причине скорость тепловыделения после первого максимума характеристики тепловыделения меньше, чем скорость реагирования топлива. При уменьшении скорости реагирования топлива уменьшается доля продуктов неполного сгорания топлива и увеличивается роль тепловыделения при их догорании. Таким образом, между X, Хр, dX/d(p, dXp/d(p - существует зако номерная связь, зависящая от состава и термодинамического состояния заряда цилиндра. Для выявления этой закономерности используются уравнения теплового баланса и химической кинетики в неоднородной газовой среде, окружающей локальные очаги пламени [1,3,10,14,50,51,72,73,74,75]. Общее количество продуктов сгорания равно
Результаты расчетов показывают, что концентрация оксида углерода существенно зависит от первого максимума характеристики тепловыделения, а именно, от максимальной скорости тепловыделения на первом участке и частоты вращения коленчатого вала, причем наибольшее влияние оказывается при частоте вращения коленчатого вала выше 1200 об/мин, (рис. 2.6).
Параметры характеристики тепловыделения и концентрация оксида углерода дизеля ЧН 18/20 на режимах его работы Анализ расчетных исследований по газовому анализу приведены на рис. 2.7, из которого видно, что скорость изменения оксида углерода по углу ПКВ определяется первым максимумом характеристики тепловыделения и амплитудное значение зависит от максимальной скорости тепловыделения на первом участке. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными при обработке индикаторных диаграмм по параметрам характеристики
Соответствие расчетных данных по газовому анализу в цилиндре двигателя и экспериментальных данных по индикаторной диаграмме на режиме работы отсека дизеля ЧН 18/20 при п = 1600 об/мин В условиях высоких температур в процессе горения топлива азот становится реакционно-способным и соединяясь с кислородом образует оксид азота N0. При этом процесс образования происходит при следующих условиях, которые широко освещены в литературе [27]: 1. Образование NO протекает за фронтом пламени; 2. Окисление азота происходит по цепнТаким образом, фактор безразмерного выхода азота определяется двумя независимыми параметрами температурой пламени Тп и ее продолжительностью At. На основании предложенного уравнения на температуру пламени оказывает формирующее влияние угол ПКВ, соответствующий началу сгорания, доля теплоты, выделившейся на первом участке характеристики тепловыделения; и частота вращения коленчатого вала. Данные зависимости приведены на рис. 2.8. Выполненные расчетные исследования показывают, что с уменьшением угла начала сгорания уменьшается количество оксида азота, так уменьшение угла начало сгорания на четыре градуса ПКВ приводит к снижению относительного значения оксида азота до 0,88; при этом увеличивается относительное значение сажи до 1,1 и расход топлива также увеличивается на 1,03. На основании обработки экспериментальных данных можно также утверждать, что увеличение цикловой подачи топлива оказывает существенное влияние на концентрацию сажи и оксида азота, так изменение цикловой подачи 1,25 раза приводит к возрастанию концентрации сажи с 0,5 до 0,8 r/м и увеличению оксида азота с 1,5 до ,75 г/м3 (рис. 2.8).
Обоснование Парето-оптимальных решений при оценке векторного критерия качества
Применение данного метода становится малоэффективным для решения большинства практических задач, т.к. оптимизация по первому, наиболее важному из критериев уже приводит к единственному оптимальному решению и все сводится к оптимизации первого критерия [111]. В большинстве реальных случаев, где различные критерии предъявляют противоречивые требования к значениям переменных, влияющих на тот или иной процесс, невозможно подобрать одну оптимальную точку в пространстве управлений, которая составило бы наилучшее значение всем используемым критериям. Однако обычно существует множество точек, характерных тем, что каждая точка из этого множества, уступая остальным точкам из этого же множества по нескольким критериям, превосходит их хотя бы по одному из критериев. Такое множество точек, по предложению американского математика Лофти Заде, названо множеством называемых неулучшаемых решений [113]. В 1966 году профессор Шелдон Чанг в своей общей теории оптимальных процессов нашел необходимые условия существования так неулучшаемых решений в динамических задачах многокритериальной оптимизации. Особенность этой теории заключается в следующем: точка Xй є X называется неулучшаемой в области X относительно функции J(x), если среди всего Х еХ не существует такой точки х, которая не удовлетворяла бы неравенству J0(x) Ja{x), x = l,...,k. Поскольку принятие решений должно быть осуществлено на основе сравнения множества альтернатив, т.е. выбора точки из множества неулучшаемых точек, то во многих практических ситуациях целесообразно применение человеко-машинных процедур. Такая идея привлечения человека к процессу принятия решения основывается на получении информации от человека на некотором уровне процесса решения и использовании этой информации на более высоком уровне. Процесс предъявления промежуточной информации лицу, принимающему решение, и учет машинной полученной от лица информации повторяются циклически до принятия окончательного решения. Метод неулучшаемых точек в теории игр получил название метода Парето-оптимальных решений [115]. Существует связь между методом оптимизации иерархической последовательности критериев и методом определения неулучшаемых точек. Имеются случаи, когда решение Х еХ, оптимизирующее иерархическую последовательность критериев, является неулучшаемои точкой относительно тех же критериев [114]. Исторически первая постановка и решение задачи оптимизации при нескольких противоречивых критериях принадлежит итальянскому экономисту Парето [114]. В качестве необходимого условия для определения множества оптимальных решений в задачах без ограничений, где число критериев равно числу управляющих переменных (n = т), Парето предложил использовать равенство нулю Якобиана оптимизируемой вектор-функцией, т.е.
Метод определения решения, основанного на том или ином виде компромисса, в последнее время все более часто применяется для решения широкого класса задач векторной оптимизации [114]. Рассмотрим более подробно метод, основанный на том или ином виде компромисса. Область компромиссов Гх называется подмножеством допустимого множества решений Dx, обладающим тем свойством, что все, принадлежащие ему решения не могут быть улучшены одновременно по всем локальным критериям - компонентам вектора эффективности. Следовательно, для любых двух решений, принадлежащих этому подмножеству (X , Х"є Гх), обязательно имеет место противоречие, хотя бы с одним из локальных критериев. Это автоматически приводит к необходимости проводить выбор решения в Гх на основе некоторой схемы компромисса, что и послужило причиной для названия этого подмножества областью компромиссов [116,117]. Таким образом, область компромиссов - есть область потенциально оптимальных решений. В нее также входят и локальные оптимальные решения, т.е. решения оптимальные по одному из локальных критериев. Следовательно, при выборе решения по векторному критерию эффективности, можно ограничить поиск оптимального решения областью компромиссов Гх, которая, как правило, значительно уже всей области возможных решений Dx. Приведенному определению области компромиссов Гх соответствует модель выбора: Гх = {х/хеПх,[х,/у(х ) у(х)]ГЮх=ф}, (3.13) Однако для вычисления в некоторых случаях пользуются скалярной параметрической моделью оптимизации
Реализация модели (3.14) для выпуклого допустимого множества требует нахождения глобальной линейной формы Yjaj- j (Рис- 3.13 а). В случае невы 3 пуклых задач помимо глобального оптимума необходимы определения всех локальных оптимумов, а также их проверка на условия доминирования (рис.3.13 б). Условия выпуклости задач векторной оптимизации определяются выпуклостью области D в пространстве критериев.
Изменение параметров характеристики тепловыделения по винтовой характеристике дизеля
Подпрограмма SAJA производит расчет относительной концентрации сажи, оксида азота, оксида углерода, углеводородов по углу ПКВ в зависимости от параметров характеристики параметров тепловыделения, процесса топли-воподачи, давления и температуры газов в цилиндре двигателя.
Для вызова заданной подпрограммы из комплекса подпрограмм су ществует подпрограмма VAR1, которая фиксирует граничные условия при расчете комплекса подпрограмм и переправляет в подпрограмму VAR2, в которой методом покоординатного спуска определяется максимумом или минимумом одного из показателей характеризующего режим работы дизеля при переборе показателей поверхности отклика, с учетом граничных условий устанавливаемых режимом работы систем двигателя, т.е. ищется идеальная точка в пространстве критериев. Шаг варьирования находится в массиве XS (7). Блок-схема подпрограммы VAR2 в упрощенном виде представлена на рис. 3.19. Рассмотрим работу подпрограммы VAR2. Поскольку максимум функции F(x) соответствует минимум функции - F(x), то сменив знак у F(x) программами спуска максимума можно пользоваться и для поиска минимума функций. Учитывается, что на изменения х (если это особо не оговорено) накладываются ограничения в виде неравенства а х в. В пределах отрезка [а,в] функцию будем считать унимодальной. Простейшим методом поиска является метод равномерного поиска, основанный на том, что переменной х присваивается значение х+Ах шагом Ax=const и вычисляются значения х+Ах. Если F(Xn+i+l) F(Xn), переменной х дается новое приращение. Как только F(Xn+l) станет меньше F(Xn) поиск останавливается. Этот метод при малой заданной погрешности неэкономичен по затратам машинного времени [123].
Разновидностью метода равномерного поиска является метод поразрядного приближения, реализующегося следующим алгоритмом: 1. Задается начальное приближение Х=Хо слева от максимума F(x) и вычисляется F(xo). Задается D=h; 2. Полагается G=F(xn), где вначале F(xn)=F(x0), задается X=X+D и вычисляется F(Xn+])=F(x); 3. Проверяется условие F(Xn+i) G, если оно выполняется, идем к пункту 3, если нет к пункту 4; 4. Полагается D= -D/3. Проверяется условие (D E/3, где Е - заданная погрешность вычисления Хт в точке максимума. Если оно выполняется, идем к пункту 2, т.е. обеспечивается поиск максимума в другом направлении с шагом в 3 раза меньше прежнего. Если данное условие выполняется, заканчиваем счет.
Еще двумя "родственными" методами поиска является метод дихотомии, метод золотого сечения [123]. Первый сводится к вычислению экстремума через деление интервала поиска (а) пополам, вычислению и сравнению значений функции двух симметричных точек, а второй основан на делении отрезка [а;в] по правилу золотого сечения. Он позволяет сужать отрезок [а;в], каждый раз вычисляя лишь одно значение F (X), а не два, как в методе дихотомии [124]
Следующим методом поиска является метод, квадратичной интерполяции-экстраполяции, заключающийся в замене F(x) в промежутке Xi±h, где Х\ - начальное приближение квадратической параболой, экстремум которой вычисляется аналитически. После приближенного нахождения экстремума xi (максимума или минимума) можно задать Xi = Хт и повторить поиск. Таким образом, с помощью итерационной процедуры значение Хт уточняется до поручения его с заданной погрешностью є. Этот метод обеспечивает поиск как максимума, так и минимума F(x), в том числе и для случая F(x) =0, причем точка Хт может лежать в интервале Xj±h (интерполяции) и быть вне его (экстраполяция) [125]. Сравнение методов оптимизации показывает, что для простой функции F(x), характеризующей режим работы двигателя, эти методы обеспечивают приблизительно одинаковое время поиска [126]. Метод координатного спуска, заключается в поочередном поиске минимума координате Хь затем Хг, и так далее. После нахождения точки минимума по координате Х\ переходим к нахождению точки минимума по координате Х2 и так далее. Поиск ведется с одинаковым шагом, который уменьшается после нахождения всех значений Xjm,
Метод спирального координатного спуска отличается от рассмотренного выше лишь тем, что шаг меняется каждый раз при переходе от поиска минимума по другой переменной [123]. Метод координатного спуска с квадратичной интерполяцией-экстраполяцией основан на последовательном поиске минимума каждой переменной с применением для этого метода квадратичной интерполяции-экстраполяции [123]. Таким образом, применение метода координатного спуска при многомерной оптимизации позволяет найти оптимум функции нескольких переменных при сравнительно небольших затратах машинного времени. Время поиска при данном методе координатного спуска зависит от шага вычислений и величины начального приближения. Проанализируем графическое изображение поиска, приведенной на рис. 3.20, кривые построенные с шагом 0,1.
Похожие диссертации на Режимы работы и характеристики тепловыделения в цилиндре судового высокооборотного дизеля
