Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 6
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 10
ГЛАВА 1. СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВОПРОСЫ МА
ТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В
СОВРЕМЕННЫХ ПДВС 18
Предварительные замечания 18
Условия работы ПДВС и требования, предъявляемые к ним 20
Конструктивные особенности ПДВС и тенденции их развития 27
Системные свойства ПДВС и категория "сложности" в теории и практике двигателестроения 31
Двигатель внутреннего сгорания как сложная система 31
Системные свойства ПДВС 34
1.5. Основные методы математического моделирования ПДВС 42
1.5.1. ПДВС как объект математического моделирования 42
L5.2. Развитие теории ПДВС 45
Техническая термодинамика и цикловые модели тепловых двигателей: статический подход 47
Предпосылки динамического подхода в теории и проектировании ПДВС 49
1.6. ПДВС как синергетическая система , 51
Синергетические явления в ПДВС и синергетический подход в теории ПДВС 51
Анализ критических явлений в ПДВС 67
1.7. Выводы 68
ГЛАВА 2. ЭЛЕМЕНТЫ НЕРАВНОВЕСНОЙ ТЕОРИИ ТЕРМОМЕ
ХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 70
2.1. Предварительные замечания 70
«
Термомеханическая система и термомеханические процессы 71
Внутренняя энергия и параметры равновесных состояний ТМС .... 73
Внешнее равновесие ТМС 76
Неравновесность ТМС и принцип локального равновесия 77
Диссипация энергии и диссипативные процессы в ТМС. Энтропия ТМС и второе начало термодинамики для ТМС 79
Уравнения баланса в неравновесной термодинамике 81
Уравнения баланса в локальной форме 81
Уравнения баланса в материальной форме 84
Уравнения баланса для различных материальных сред 86
2-7.4. Динамические уравнения баланса для открытых ТМС 88
2.8. Термодинамика открытых систем 94
Тепломеханика М. А. Мамонтова 94
Обобщенные уравнения термодинамики открытых систем 99
Дифференциальные уравнения квазиравновесных многокомпонентных открытых ТМС с химическими реакциями 100
2.9. Техническая синергетика и теория тепловых двигателей 102
Основные положения статистической теории открытых систем ... 103
Принципы технической синергетики тепловых двигателей 105
2.10. Выводы ПО
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГА
ТЕЛЕЙ И ИХ ПОДСИСТЕМ 112
Предварительные замечания 112
Уравнения движения механизмов тепловых двигателей 113
3.2.1 Кинематика механизмов преобразования возвратно-поступательного
движения во вращательное 113
Уравнение движения КШМ 116
Обобщенные силы в КШМ 118
Варианты уравнения движения КШМ 120
Уравнение движения многоцилиндрового ПДВС 122
Модель одноцилиндрового 4-тактного ПДВС с принудительным воспламенением 123
Модели многоцилиндровых ПДВС 131
Построение иерархии упрощенных
динамических моделей ПДВС 135
3.6. Модель внешнего смесеобразования в ПДВС 145
3.7. Выводы 151
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИ
СТИК ПДВС 153
Предварительные замечания 153
Система фазовых портретов ПДВС 154
Исследование скоростных и многопараметровых характеристик ПДВС 165
Исследование переходных процессов в ПДВС 175
Анализ межцикловой неидентичности и исследование стохастических колебаний в ПДВС 187
Анализ бифуркаций потери устойчивости предельных циклов и построение бифуркационных диаграмм для ПДВС 193
Подход к построению критериев самоорганизации (упорядоченности) ПДВС 196
Решение задачи диагностирования неисправностей в ПДВС 198
4.9. Выводы 201
ГЛАВА 5. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕК
ТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ ХА
РАКТЕРИСТИК МНОГОЦИЛИНДРОВЫХ
ПДВС 203
Предварительные замечания 203
Методики анализа и синтеза динамических характеристик многоцилиндровых ПДВС 203
5
^ 5.3. Описание элементов программного обеспечения для моделирования
переходных процессов многоцилиндровых ПДВС 207
5.4. Выводы 214
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 215
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 217
ПРИЛОЖЕНИЯ 253
Приложение 1.Формулы сгорания И. И. Вибе 253
П.1.1. Первая формулаИ. И, Вибе 253
П.1.2. Вторая формула И. И. Вибе 256
Приложение 2.3ависимости для стационарного течения рабочего тела в
полостях ПДВС 257
Приложение 3.Дифференциальные уравнения для массовых долей свежего
заряда и продуктов сгорания 261
Приложение 4.Формулы для расчета коэффициента конвективного
теплообмена 264
Приложение 5.Расчет термодинамических свойств рабочего тела 265
Приложение б.Закон перемещения клапана 266
Приложение 7.Дифференциальные уравнения баланса неравновесной тер
модинамики , , 267
Приложение 8.Интегральные уравнения баланса неравновесной термоди
намики для открытых систем 269
Приложение 9. Программы моделирования переходных процессов много
цилиндровых ПДВС 270
Основные сокращения
ВМТ - верхняя мертвая точка;
ВСХ - внешняя скоростная характеристика;
ГТД - газотурбинный двигатель;
KB - коленчатый вал;
КС - камера сгорания;
КШМ - кривошипно-шатунный механизм;
МСС - механика сплошной среды;
МЦС - мгновенный центр скоростей;
МЦН - межцикловая неидентичность;
НМТ - нижняя мертвая точка;
ПДВС — поршневой двигатель внутреннего сгорания;
ПКВ - поворот коленчатого вала;
РТ - рабочее тело;
САПР - система автоматизированного проектирования;
САР - система автоматического регулирования;
САУ - система автоматического управления;
СТОС - статистическая теория открытых систем;
СТС - сложная техническая система;
ТВС - топливо-воздушная смесь;
ТМП - термомеханический процесс;
ТМС - термомеханическая система;
ФГР - фазы газораспределения;
ЦМ - центр масс
Основные условные обозначения
ст - средняя скорость поршня;
gi - массовая доля компонента РТ (термомеханического звена); g^ - цикловая подача топлива;
h - удельная энтальпия РТ;
}%в — удельная энтальпия свежего заряда» поступающего в цилиндр
ПДВС;
jp - ускорение ЦМ поршня;
к - показатель адиабаты РТ;
/0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива;
т — масса РТ в цилиндре двигателя;
тр - масса поршня (деталей поршневой группы);
тг - масса шатуна;
т ~ показатель процесса сгорания;
р - давление РТ;
р0 - давление газов под поршнем;
Рмп ~ давление механических потерь;
s - удельная энтропия РТ;
t — время;
/г - время (продолжительность) сгорания топлива;
и - удельная внутренняя энергия РТ; v - удельный объем РТ; v - скорость ЦМ поршня;
vr - скорость ЦМ шатуна; д: - доля сгоревшего топлива;
8 F - площадь днища поршня;
Fw — площадь поверхности конвективного теплообмена;
GBj - массовый расход при течении свежего заряда по z'-му каналу;
G — массовый расход при течении РТ по j-му каналу;
G\o — массовый расход при втекании свежего заряда в цилиндр;
Goi - массовый расход при истечении (выбросе) свежего заряда из цилиндра во впускную систему;
G2q - массовый расход при забросе продуктов сгорания (РТ) в цилиндр;
С?02 - массовый расход при истечении продуктов сгорания (РТ) в выпускную систему;
Нv — низшая теплота сгорания топлива;
Jr — момент инерции шатуна относительно ЦМ;
Jk - момент инерции кривошипа;
Lr — длина шатуна;
Мп — момент потребителя, приложенный к KB;
Мк — количество молей А-го компонента;
R - радиус кривошипа;
S - энтропия РТ;
Т - температура РТ;
Tw - температура поверхности теплообмена (огневой поверхности
КС);
V - полный объем ТМС;
а - коэффициент избытка воздуха;
aw - коэффициент конвективного теплообмена;
/3 - угол отклонения шатуна от оси цилиндра;
є - угловое ускорение KB;
и - коэффициент расхода клапана;
/лі - химический потенциал -го компонента;
]й - молярная масса вещества;
р — плотность РТ;
X - коэффициент выделения теплоты;
q> - угол поворота KB относительно ВМТ - угловая координата;
<рг - продолжительность (в градусах угла ПКВ) процесса горения;
о) — угловая скорость KB;
сог - мгновенная угловая скорость шатуна.
Введение к работе
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) являются основным типом энергетических установок на транспорте. Это обусловлено многими причинами, прежде всего, относительной простотой их конструкции, удобством эксплуатации, традициями технологии, невысокой стоимостью по сравнению с другими типами тепловых двигателей. В то же время, если пользоваться терминологией системного анализа, ПДВС является сложной системой, в которой осуществляется большое число переходных процессов и эффектов, связанных с нелинейной природой ПДВС. Постоянно возрастающие требования к топливной экономичности и экологическим характеристикам двигателей приводят к необходимости создания микропроцессорных систем управления и регулирования, которые в настоящее время представляют собой сложные устройства. Особой проблемой, когда необходим учет нелинейных свойств двигателей, является определение граничных условий для расчета теплонапряженного состояния деталей ПДВС на нестационарных режимах. Наконец, для более глубокой и точной диагностики двигателей необходимо использование представлений о способностях нелинейных систем переходить в качественно различные состояния и иметь количественные характеристики для прогнозирования таких переходов, что позволило бы сокращать сроки и стоимость ремонтных работ.
Анализ требований, предъявляемых к ПДВС, с учетом частоты цитирования в литературе, позволяет расположить их в следующем порядке: 1) мощностные, экономические и экологические свойства; 2) надежность и хорошие пусковые качества; 3) конструкторско-технологические качества ПДВС и возможности совершенствования их
конструкции; 4) способность ГТДВС к быстрой приспособляемости при работе на переменных режимах.
Для удовлетворения перечисленным требованиям в современных конструкциях поршневых двигателей автомобильного типа применяют разнообразные технические решения: 1) непосредственный впрыск в камеры сгорания бензиновых двигателей; 2) регулируемые системы подачи воздуха; 3) системы газораспределения с переменными фазами; 4) системы управления смесеобразованием и расслоением заряда; 5) системы управления степенью сжатия и др. Это приводит к тому, что в системах ГТДВС происходят все более сложные, как правило, существенно неравновесные процессы, осуществляемые с большими скоростями и требующие управления ими на всех эксплуатационных режимах ПДВС.
Для оценки качества конструкции и для определения эксплуатационных показателей и технического состояния ГТДВС традиционно используются различные типы динамических и стационарных характеристик - скоростные, нагрузочные, регулировочные, токсичности и др. Основным способом их построения является натурный эксперимент.
Таким образом, можно сформулировать следующую проблему, решение которой является актуальным для совершенствования энергоустановок на основе ПДВС: не существует до настоящего времени систематически объединенных методик для численно-экспериментального построения и анализа динамических характеристик поршневых двигателей, в составе которых имелись бы возможности для учета неравновесных процессов, критических явлений, качественно различных состояний в ПДВС, что позволило бы удовлетворять основным тенденциям развития конструкции двигателей в соответствие с предъявляемыми к ним требованиями.
Изучение научно-технической литературы показало, что общая теоретическая база для решения указанной проблемы пока не
12 сформирована. Это обусловлено тем, что имеется отставание в использовании методов неравновесной термодинамики, теории нелинейных колебаний и других смежных дисциплин при решении многих задач двигателестроения по сравнению с такими отраслями науки и технологии, как радиофизика [30], экономика [99, 237], химия [129], биология.
Практическое решение сформулированной проблемы заключается в создании иерархии связанных моделей ПДВС как систем с конечным числом степеней свободы, а также алгоритмов и описаний их использования для построения и анализа динамических характеристик.
Таким образом, актуальность настоящей диссертации состоит в теоретическом и практическом решении проблемы создания методических основ для синтеза и анализа динамических характеристик ПДВС, построения различных нелинейных моделей ПДВС и их исследования методами теории нелинейных колебаний, синергетики и др,, а также разработки программного обеспечения, в котором эти методы находят свое применение.
Цель работы состоит в решении научно-технической проблемы, состоящей в разработке и применении методик анализа и синтеза характеристик стационарных и нестационарных режимов работы ПДВС с помощью нелинейных математических моделей ПДВС, учитывающих неравновесность рабочих процессов.
Объекты исследования: четырехтактные одно-, двух- и многоцилиндровые бензиновые и дизельные ПДВС (прототипы объектов исследований - двигатели ВАЗ-1111, ЗиЛ-508, ТМЗ-450Д, КамАЗ-740).
Предметы исследования: характеристики установившихся процессов, динамические характеристики многоцилиндровых ПДВС и рабочие процессы, протекающие в цилиндрах, в механизме преобразования движения (кривошипно-шагунном механизме - КШМ), с учетом нелинейных явлений.
Метод исследования - теоретико-экспериментальный, построенный на использовании методов механики сплошной среды, термодинамики неравновесных систем, статистической теории открытых систем, теории рабочих процессов ПДВС, теории нелинейных колебаний, математического моделирования динамических систем, вычислительной математики.
Положения, выносимые на защиту:
методические основы математического моделирования характеристик ПДВС, заключающиеся в: а) получении уравнений баланса неравновесной термодинамики в интегральной форме для рабочих тел и соответствующих эволюционных уравнений из дифференциальных уравнений баланса; б) получении уравнений движения механизмов ПДВС в наиболее точном и полном виде с учетов зависимости момента инерции от кинематических параметров; в) в постановке связанной задачи термомеханики для ПДВС как системы с конечным числом степеней свободы и формулировке соответствующей задачи Коши;
методики анализа и синтеза скоростных, нагрузочных и комбинированных характеристик для стационарных режимов, а также динамических характеристик многоцилиндровых ПДВС;
методика определения основных индикаторных и эффективных показателей многоцилиндровых ПДВС на произвольных стационарных и переходных режимах;
методика анализа устойчивости рабочих процессов на основе анализа предельных циклов методами фазовых портретов и точечных отображений;
семейство математических моделей многоцилиндровых бензиновых и дизельных ПДВС с произвольным числом и расположением цилиндров, а также субмоделей процессов, таких как динамическая модель внешнего смесеобразования и модель сгорания, основанная на обобщении ряда известных уравнений для динамики активных центров.
14 Научная новизна работы заключается:
в разработке методических основ математического моделирования характеристик ПДВС, заключающихся в получении уравнений баланса массы, энергии, импульса и энтропии из основных законов термодинамики неравновесных процессов;
в разработке методик анализа и синтеза скоростных, нагрузочных, комбинированных характеристик для стационарных режимов работы ПДВС, а также динамических характеристик;
в построении иерархии динамических моделей и субмоделей процессов в ПДВС, позволяющих выполнять анализ устойчивости предельных циклов и стационарных состояний в фазовом пространстве модельных систем методами фазовых портретов и точечных отображений;
в разработке системы фазовых портретов математической модели ПДВС, обобщающих понятие «индикаторная диаграмма» двигателя, с целью более точного описания происходящих в ПДВС процессов и их диагностики;
в разработке алгоритмов и программ для построения характеристик установившихся и переходных процессов ПДВС, анализа устойчивости стационарных состояний и предельных циклов, а также построения точечных отображений при решении системы уравнений модели двигателя;
в предложении рассматривать проблему межцикловой неидентичности (МЦН) как особое проявление диссипативных свойств ПДВС, при которых возникают возможности реализации динамического хаоса и предпосылки для управления МЦН;
в предложении ввести в рассмотрение «управление диссипативными структурами в ПДВС» как фактор, обобщающий такие понятия как «управление степенью турбулизации смеси», «управление расслоением заряда» и т.п;
в формулировке принципов технической синергетики для ПДВС.
15 Практическая ценность работы заключается:
1) в возможности выполнения различных вычислительных
экспериментов, связанных с моделированием работы ПДВС в условиях
эксплуатации, в том числе:
а) определять характеристики установившихся и переходных
процессов двигателей с внешним и внутренним смесеобразованием, с
любым числом и расположением цилиндров;
б) исследовать различные виды индикаторных диаграмм ПДВС и их
обобщений в форме фазовых портретов, позволяющих выполнять более
глубокий анализ эффективности рабочих процессов и диагностику
критических явлений и неисправностей в ПДВС;
в) исследовать устойчивость и условия изменения качественного
состояния функционирования ПДВС (бифуркаций) различных режимов
при изменении конструктивных и эксплуатационных параметров
двигателей;
г) строить скоростные, нагрузочные и многопараметровые
характеристики ПДВС с целью моделирования совместной работы
двигателя с потребителями мощности.
в возможности выполнения расчетов ПДВС с применением разработанных моделей на стадиях эскизного и конструкторского проектов с целью поиска оптимальных конструктивных схем двигателя, а также с целью определения температур и механических нагрузок при решении задач теплонапряженного состояния деталей на динамических режимах;
в возможности использования разработанных моделей для программирования микропроцессорных устройств в системах автоматического управления и регулирования ПДВС.
Реализация результатов работы. Материалы исследований изложены в отчетных документах проекта «Разработка фрагментов математического и программного обеспечения синергетического подхода к описанию и проектированию ДВС», поддержанного грантом конкурсного
Центра грантов по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук при Московском государственном индустриальном университете.
Разработанные математические модели и программное обеспечение использовались при проведении исследовательских расчетов в рамках совместной работы с конструкторским отделом ДВС акционерной компании «Туламашзавод».
Материалы исследований используются в учебном процессе в курсах «Рабочие процессы и экологическая безопасность транспортных двигателей», «Основы САПР ДВС» и дипломном проектировании, при подготовке магистров, аспирантов и соискателей, а также при проведении научно-исследовательских работ на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Тульского государственного университета.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:
Научно-практическом семинаре "Пути совершенствования технической эксплуатации и ремонта машин АТК" во ВлГТУ (г, Владимир, 1995 г.);
Международной научно-технической конференции «100 лет Российскому автомобилю» в МАМИ (г. Москва, 1996 г.);
VII Международном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (г. Владимир, 1999 г.);
Х-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" в СамГТУ (г. Самара, 2000 г.)
XXXI Международном научно-техническом симпозиуме, посвященном 135-летию МАМИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров" (г. Москва, 2000 г.);
Международной научно-практической конференции "Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития" в МАДЩТУ) (г. Москва, 2000 г.);
VIII Международном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (г. Владимир, 2001 г.);
1-м научно-практическом семинаре по вопросам конструкций и эксплуатации ДВС в Рязанском военном инженерном автомобильном институте (г. Рязань, 2001 г.);
ХІІ-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" в СамГТУ (г. Самара, 2002 г.)
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (1996-2003 гг.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано: 1 монография, 18 статей, 9 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство, 1 патент.
Структура и объем работы.
Диссертация содержит 305 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 15 таблиц, 53 страницы приложений и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 313 русских и 34 иностранных источников.
