Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы построения сар дизелей и особенности их использования 14
1.1. Требования, предъявляемые к САР частоты вращения дизелей 14
1.2. Принципы построения систем автоматического регулирования частоты вращения дизелей 16
1.3. Режимы работы дизелей различного назначения 25
1.4. Цель работы и задачи исследования 35
2. Математическое моделирование САР частоты вращения дизеля с последовательно включенными корректирующими звеньями 38
2.1. Математическая модель дизеля
как объекта регулирования по частоте вращения 38
2.2. Определение численных значений коэффициентов дифференциальных уравнений математической модели дизеля как объекта регулирования по частоте вращения 47
2.3. Математическая модель автоматического регулятора частоты вращения дизеля 74
Основные результаты и выводы по второй главе 80
3. Расчетные исследования сар частоты вращения дизельного двигателя дизель-генераторной установки 82
3.1. Расчет переходного процесса наброса нагрузки на дизель ДГУ
и методика выбора параметров регулятора частоты вращения с последовательно включенным корректирующим звеном 82
3.2. Методика оценки устойчивости САР частоты вращения дизеля ДГУ с регулятором с последовательно включенным корректирующим звеном 94
Основные результаты и выводы по третьей главе 103
4. Расчетно-экспериментальные исследования сар частоты вращения дизеля дгу с последовательно включенными корректирующими звеньями 105
4.1. Разработка регулятора частоты вращения дизеля с последовательно включенными корректирующими звеньями и его расчетные исследования 105
4.2. Экспериментальные исследований дизеля с регуляторами частоты вращения различных типов 112
4.3. Оценка токсичности отработавших газов дизелей и их топливной экономичности в переходных процессах 116
Основные результаты и выводы по четвертой главе 130
Основные выводы и заключение 132
Список литературы
- Принципы построения систем автоматического регулирования частоты вращения дизелей
- Определение численных значений коэффициентов дифференциальных уравнений математической модели дизеля как объекта регулирования по частоте вращения
- Методика оценки устойчивости САР частоты вращения дизеля ДГУ с регулятором с последовательно включенным корректирующим звеном
- Экспериментальные исследований дизеля с регуляторами частоты вращения различных типов
Введение к работе
Современный этап развития двигателестроения характеризуется не только острой необходимостью улучшения экологических показателей двигателей внутреннего сгорания, снижения токсичности их отработавших газов (ОГ), повышения топливной экономичности, но и потребностью более точного поддержания требуемых показателей дизеля, дальнейшего улучшения статической точности регулирования частоты вращения и динамических качеств двигателей силовых установок.
Одним из важнейших параметров двигателей внутреннего сгорания является частота вращения коленчатого вала, характеризующая скоростной режим работы силовых установок различного назначения. Наиболее жесткие требования к постоянству частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, предъявляются в электроагрегатах (в частности, в дизель-генераторных установках), вырабатывающих переменный электрический ток. Этим обеспечиваются требования нормативных документов (ГОСТ или ТУ) к частоте вырабатываемого дизель-генераторной установкой (ДГУ) переменного электрического тока. В транспортных двигателях также важно поддерживать требуемый скоростной режим работы двигателя. Это обеспечивает постоянную скорость движения транспортного средства и предотвращает выход двигателя на режимы с недопустимо высокой частотой вращения коленчатого вала. Поэтому очень важно точно поддерживать скоростной режим работы дизеля независимо от внешних нагрузок. Для этой цели двигатели оснащаются системой автоматического регулирования (САР) частоты вращения или комплексной системой автоматического управления (САУ). Но и наличие такой системы не всегда обеспечивает необходимые статические и динамические показатели дизеля.
Такая потребность улучшения статических и динамических качества двигателей связана также с ужесточением требований к токсичности их ОГ и необходимости улучшения показателей топливной экономичности. В частности, это обусловлено тем, что улучшение динамических показателей дизелей приводит к сокращению длительности переходных процессов, которые, как правило, отличаются худшими показателями токсичности ОГ и топливной экономичности. Поэтому сокращение продолжительности неустановившихся режимов (переходных процессов) позволяет улучшить и указанные эксплуатационные показатели дизелей.
В настоящее время наибольшее распространение получили регуляторы частоты вращения, работающие по принципу Ползунова-Уатта (по отклонению регулируемого параметра от его заданного значения) и называемые пропорциональными регуляторами. Но во многих случаях применение традиционных пропорциональных регуляторов не позволяет достичь требуемого качества процесса регулирования. Более того, считавшиеся наиболее совершенными пропорционально-интегральные (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы не всегда могут обеспечить требуемые показатели качества переходных процессов. Поэтому необходимы новые подходы к созданию систем автоматического регулирования и управления. В первую очередь, это относится к САР дизель-генераторных установок, в которых необходимо обеспечить повышенные требования к качеству процесса регулирования (удовлетворяющих первому классу точности). Одним из таких подходов к созданию САР является включение в их структуру корректирующих звеньев.
Диссертационная работа посвящена проблемам улучшения эксплуатационных показателей дизелей дизель-генераторных установок (ДГУ) путем использования регулятора частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями. В диссертации разработан регулятор частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями для дизельного двигателя дизель-генераторной установки. Разработана математическая модель САР частоты вращения ди 9 зельного двигателя дизель-генераторной установки, оснащенной регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями. Проведено моделирование наиболее характерных для дизельных двигателей дизель-генераторных установок переходных процессов наброса нагрузки. Разработана методика выбора параметров регулятора частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями, обеспечивающая достижение наилучших показателей качества процесса регулирования. Разработана методика оценки устойчивости САР частоты вращения дизельного двигателя дизель-генераторной установки, оснащенной регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями. Разработана методика оценки токсичности ОГ дизелей и их топливной экономичности в переходных процессах. Проведены экспериментальные исследования дизельного двигателя дизель-генераторной установки, оснащенной регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями.
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью обеспечения требуемых динамических, топливно-экономических и экологических показателей дизелей, используемых в дизель-генераторных установках. Достижение требуемых показателей таких дизелей возможно путем использования регулятора частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями.
Особый интерес представляет оценка показателей дизеля, оснащенного таким регулятором, именно на неустановившихся режимах. Проведение экспериментальных исследований, направленных на определение показателей качества процесса регулирования, не всегда целесообразно из-за сложности их измерения в переходном процессе и необходимости обеспечения повторяемости переходных процессов. Следует отметить и большую трудоемкость проведения таких исследований, а также необходимость использования дорогостоящей измерительной аппаратуры. В связи с этим, при совершенствовании САР частоты вращения дизеля целесообразно использовать расчетно-экспериментальные методы исследования, позволяющие на базе экспериментальных данных, полученных на установившихся режимах, определять необходимые показатели дизеля на неустановившихся режимах его работы и в наиболее характерных переходных процессах. Такое совершенствование САР частоты вращения дизеля целесообразно проводить с использованием методов математического моделирования, позволяющих сократить временные и материальные затраты при проведении исследовательских работ. С помощью предлагаемых в диссертационной работе расчетных методов можно провести всесторонний анализ параметров дизеля, оснащенного регулятором частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями, выдать рекомендации по выбору параметров САР частоты вращения дизеля с таким регулятором. Результаты этих исследований могут быть использованы при разработке систем регулирования, обеспечивающих повышенные требования к показателям качества процесса регулирования.
Цель работы; Разработка регулятора частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями для дизельного двигателя дизель-генераторной установки, его теоретические и экспериментальные исследования.
Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помощью теоретических методов были определены параметры САР частоты вращения с регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями, а также показатели дизельного двигателя дизель-генераторной в переходных процессах наброса и сброса нагрузки. Экспериментальная часть работы заключалась в определении показателей дизеля типа Д-246 дизель-генераторной установки, оснащенного разработанным регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями. Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель САР частоты вращения дизельного двигателя дизель-генераторной установки, оснащенной регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями;
- разработана методика выбора параметров регулятора частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями, обеспечивающая достижение наилучших показателей качества процесса регулирования;
- разработана методика оценки устойчивости САР частоты вращения дизельного двигателя дизель-генераторной установки, оснащенной регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями.
- разработана методика оценки токсичности ОГ дизелей и их топливной экономичности в переходных процессах.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
- использованием фундаментальных законов механики и термодинамики, теории автоматического регулирования и управления, современных численных и аналитических методов реализации математических моделей;
- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований и применением при оценке адекватности математических моделей достоверных опытных данных.
Практическая ценность состоит в том, что:
- разработан регулятор частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями для дизельного двигателя дизель-генераторной установки, использование которого обеспечивает требования к САР первого класса точности;
- предложена математическая модель САР частоты вращения дизеля ДГУ, оснащенной регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями, позволяющие с достаточной для практики точностью решать задачи проектирования систем регулирования частоты вращения для существующих и перспективных дизелей;
- разработана методика выбора параметров регулятора частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями, обеспечивающая достижение наилучших показателей качества процесса регулирования;
- предложена методика оценки устойчивости САР частоты вращения дизельного двигателя дизель-генераторной установки, оснащенной регулятором с последовательно включенными корректирующими звеньями;
- разработана методика оценки токсичности ОГ дизелей и их топливной экономичности в переходных процессах.
Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ лаборатории «Автоматика» НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана и кафедры «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты исследований внедрены в МГАУ им. В.П. Горяч-кина и ЗАО «Дизель-КАР» (г. Москва).
Апробация работы;
Диссертационная работа заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Поршневые двигатели» и «Теплофизика» в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 г.
По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:
- на международной научно-технической конференции «3-й Луканин ские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном
комплексе», 30-31 января 2007 г., Москва, ГТУ «МАЛИ»;
- на международной научно-технической конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, 19-21 сентября 2007 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана;
- на Всероссийском научно техническом семинаре (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнерге 13 тических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2000-2001, 2005-2009 г.г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи (из них — 2 по списку, рекомендованному ВАК РФ) и 7 материалов конференций [60-62,78-82,96,122].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 150 страниц, включая 148 страниц основного текста, содержащего 55 рисунков, 15 таблиц. Список литературы включает 138 наименований на 14 страницах. Приложение на 2 страницах включает документы о внедрении результатов работы.
Принципы построения систем автоматического регулирования частоты вращения дизелей
Важным требованием, предъявляемым к дизелям, является обеспечение требуемых статических и динамических характеристик, реализуемых системами управления и регулирования. В дизелях имеется целый ряд регулируемых параметров - угол опережения впрыскивания топлива, температуры охлаждающей жидкости и смазывающего масла, давление и температура наддувочного воздуха и др. [17,46,72,84,126]. Но основным регулируемым параметром дизеля является частота вращения коленчатого вала [25,40,107].
Наиболее жесткие требования к постоянству частоты вращения дизеля, предъявляются в электроагрегатах, вырабатывающих переменный электрический ток [29]. Этим обеспечиваются требования нормативных документов (ГОСТ или ТУ) к частоте переменного тока, поэтому необходимо поддерживать скоростной режим работы дизеля с высокой точностью независимо от изменения нагрузки ДГУ. Для этой цели двигатели оснащаются системой автоматического регулирования (САР) частоты вращения. Но и наличие такой системы не всегда обеспечивает необходимые показатели двигателя.
Наиболее значимыми показателями динамических качеств дизеля являются время переходного процесса tn и заброс параметра (частоты вращения) в переходном процессе а [17,68,121,124]. Время переходного процесса tn определяется быстродействием САР. Заброс параметра в переходном процессе характеризуется перерегулированием о, вычисляемым в виде отношения разницы максимального отклонения (заброса) регулируемого параметра Утах и ег0 установившегося значения у0 к величине у0.
В общих технических требованиях, предъявляемых к дизелям автотракторного и промышленного назначения, показатели динамических качеств обычно не регламентируются. Но существует ГОСТ на САР частоты вращения дизелей (ГОСТ 10511-83 и его последующие редакции), который предусматривает ограничение по времени переходного процесса и перерегулирования в зависимости от класса точности САР (табл. 1) [16]. Характерными переходными процессами дизелей, используемых в ДГУ (САР первого класса точности) и транспортных средствах (САР четвертого класса точности) являются сбросы и набросы нагрузки. При полном сбросе нагрузки (от полной до холостого хода) наибольшее допустимое время регулирования двигателя ДГУ составляет tn=2 с при перерегулировании не более а=5%.
Примечание: - при 8 2%, нагрузке от 20 до 100%, одинаковых классах точности САР; - по согласованию между изготовителем и потребителем (заказчиком) пределы изменения 8 могут быть расширены до 8=0-6%; - по согласованию между изготовителем и потребителем пределы изменения 8 могут быть расширены до 8=0-12%.
Важнейшим параметром САР частоты вращения дизелей является статическая ошибка регулирования хст. Этот параметр САР определяется ее статическими характеристиками, в первую очередь - наклоном регуляторной характеристики, оцениваемым ее общей степенью неравномерности 8. Наклон предельной регуляторной характеристики вычисляется в виде отношения разницы максимальной частоты вращения холостого хода двигателя юд хх и ее номинального значения сод ном к величине сод ном. В соответствии с требованиями ГОСТ 10511-83 к САР первого класса точности наклон регуляторной характеристики должен составлять 8=2-4 %.
Следует также отметить, что существуют системы автоматического регулирования частоты вращения дизелей, к динамическим и статическим качествам которых предъявляются еще более жесткие требования. Это, в первую очередь, ДГУ специального назначения, в которых недопустимо перерегулирование, а время переходного процесса должно быть существенно ниже, чем в САР первого класса точности.
Указанные выше требования к динамическим качествам дизеля предопределяют и принципы построения соответствующих САР.
Современные механические и гидромеханические регуляторы частоты вращения дизелей представляют собой достаточно отработанные и надежно работающие регулирующие устройства. Но функциональные возможности таких регуляторов ограничены, поэтому совершенствование САР и САУ дизелей идет по пути использования электронных регуляторов на микропроцессорной базе [2,33,47,69,93,127]. С применением электронных регуляторов САР и САУ дизелями выходят на новый, качественно более высокий уровень, позволяющий реализовать более сложные алгоритмы управления и обеспечить недостижимые ранее показатели качества процесса регулирова ния [53,74,83,94,118,138]. Необходимым условием для такого улучшения качества процесса регулирования является оптимизация как структуры регулятора частоты вращения дизеля, так и параметров электронного регулятора.
Определение численных значений коэффициентов дифференциальных уравнений математической модели дизеля как объекта регулирования по частоте вращения
Для расчетных исследований переходных процессов в САР частоты вращения с использованием разработанной математической модели объекта регулирования - комбинированного двигателя с газотурбинным наддувом необходимо определить численные значения коэффициентов дифференциальных уравнений его основных элементов. Значения коэффициентов дифференциальных уравнений (2.1)...(2.4) определяются по статическим характеристикам элементов комбинированного двигателя. Поскольку по исследуемому дизелю Д-246 (4 ЧН 11/12,5) необходимые характеристики отсутствуют, а проведение обширных экспериментальных исследований этого двигателя не представлялось возможным, в качестве объекта исследования выбран дизель 6 ЧН 15/18 с турбонаддувом, достаточно подробные экспериментальные данные по которому приведены в работах [63,119]. Этот дизель также имеет систему газотурбинного наддува со свободным турбокомпрессором и используется в качестве двигателя ДГУ.
Численные значения коэффициентов дифференциальных уравнений (2.1)...(2.4) математической модели САР определялись на основании экспериментальных и расчетных статических характеристик дизеля 6 ЧН 15/18, соответствующих номинальному режиму работы (точке А на рис. 2.3) при числе оборотов коленчатого вала двигателя и=1500 мин"1. Значения параметров дизеля на этом установившемся режиме работы представлены в табл. 3.
Для определения численных значений коэффициентов дифференциальных уравнений элементов комбинированного двигателя внутреннего сгорания необходимо предварительно определить величины частных производных, входящих в выражения для этих коэффициентов. Для их нахождения использовались экспериментальные результаты, имеющиеся в работах [63,119]. При расчетных исследованиях использован квазистационарный метод, при котором экспериментальные данные, полученные на установившихся режимах дизельного двигателя, используются для определения констант дифференциальных уравнений элементов комбинированного двигателя, входящих в математическую модель САР.
При расчете коэффициент усиления кд3 в качестве параметра, характеризующего настройку потребителя N, принят наклон характеристик момента сопротивления Мс=Дсод) при номинальной частоте вращения двигателя & д0=157 с"1 (при 77=1500 мин"1), т.е. значение прозводной дМс/дсод. Для кривой 6 на рис. 2.3 этот параметр оказался равен N=N0=d MJд соД=\0,0 Н-м-с, а для кривой 7 на рис. 2.3 - N=dMc/dcoa=4,0 Н-м-с. Величина частной производной dMJdN принята равной отношению конечных приращений AMC/A7V= ДМС/Д(Э MJ д соД), которое при частоте вращения СУДО=157-С"1 оказалось равным АМС/АЛ =108 Н-м/(Н-м-с). Расчет коэффициента усиления кд3 представлен в табл. 4. Следует отметить, что в уравнении (2.1) последнее слагаемое правой части кд3ад отрицательно, что свидетельствует об обратнопропорцио-нальной зависимости воздействия ад и регулируемой величины ср (настройки потребителя N и частоты вращения сод). В то же время в уравнении (2.15) и в структурной схеме дизеля на рис. 2.2,а знаки отдельных составляющих срК, (f и pa регулируемой величины р одинаковы (положительны). Поэтому отрицательность слагаемого кд3ад правой части уравнения (2.1) далее будет учитываться отрицательностью коэффициента усиления кд3 (см. табл. 4).
Постоянная времени турбокомпрессора Тт, входящая в уравнение (2.2) и характеризующая инерционность турбокомпрессора, определяется отношением [17] Тт=1Г С2-47) где /д=0,004 Н-м-с2 - момент инерции ротора турбокомпрессора двигателя 6 ЧН 15/18. Фактор устойчивости FT турбокомпрессора, входящий в выражение (2.47) определяется из выражения: г, дМк дМт FT= - зі. (2.48) да т дсот
Частные производные дМк/дшт и dMJda , входящие в выражение (2.48), и фактор устойчивости FT определяются взаимным наклоном характеристик Мтг бОт) и Мт=ґ(Юг) в точке исследуемого статического режима.
Момент сопротивления компрессора Мк зависит от частоты вращения турбокомпрессора со (числа его оборотов пт) и давления наддувочного воздуха рк, т.е. справедливо равенство MK=j(pK, со ) [17]. Поэтому частная производная дМк/да)г определена с использованием зависимостей Мк=Дп), nT=fin) и Рк Лп) представленных на рис. 2.7. Задавая постоянные значения давления рк, которое на установившихся режимах однозначно определяется числом оборотов коленчатого вала п и положение дозирующей рейки hp, по найденным на графиках (рис. 2.7) значениям п и hp при /?K=const определены соответствующие им значения Мк и пт. Полученные таким образом зависимости Мг!/(й г) приведены на рис. 2.8. Величина частной производной dMJdcdr принята равной отношению конечных приращений AMJAOJ , которое в точке А на рис. 2.8 при давлении наддува /?к=0,1226МПа оказалось равным ДМК/Д 2V=0,00476 Н-м/с"1.
Методика оценки устойчивости САР частоты вращения дизеля ДГУ с регулятором с последовательно включенным корректирующим звеном
Проведенные выше расчетные исследования показали, что существуют оптимальные с точки зрения выбранных показателей качества параметры П-регулятора с последовательно включенным корректирующим форсирующим звеном. При этом коэффициент усиления базового П-регулятора кп может изменяться в достаточно широких пределах (в проведенных исследованиях -от 1 до 800). Более того, отмечено, что принципиально возможен выбор и больших значений коэффициент усиления кп. Поэтому определенный интерес представляет разработка методики расчета возможного с точки зрения устойчивости САР диапазона изменения параметров кп и Гф регулятора с последовательно включенным корректирующим форсирующим звеном.
В настоящее время проблема оценки устойчивости САР частоты вращения дизеля с П-регулятором и последовательно включенными корректирующими звеньями остается недостаточно изученной. Поэтому необходима разработка методики оценки устойчивости такой САР. Ниже предложена методика оценки устойчивости САР дизеля с использованием метода D-разбиения, позволяющего определить диапазон изменения одного или двух неизвестных параметров регулятора, обеспечивающий устойчивую работу САР [4,12,32,56,59,89].
При проведении такого исследования использована математическая модель САР частоты вращения дизеля ДГУ, разработанная во втором разделе. Полученное выше уравнение (2.28) дизеля с турбонаддувом с учетом вы ражения (2.29) для собственного оператора дизеля, выражения (2.30) для оператора воздействия со стороны дозирующего органа топливоподачи и выражения (2.31) для оператора воздействия со стороны потребителя (изменение настройки электрогенератора ДГУ) принимает вид Тдн Р1 + Гвдн P + V P = К (Ts р + 1)к + ки(Ти р + 1)ад. (3.2)
Если в уравнениях (2.1) и (2.5) собственно двигателя принять настройку потребителя неизменной (а =0), то второе слагаемое правой части уравнения (3.2) становится равным нулю и это уравнение принимает вид (7д2н Р2 +Tmnp + \ур = ks{Ts р + ї)к. (3.3) В соответствии с выражением (3.3) передаточная функция объекта регулирования (дизеля с наддувом) по регулирующему воздействию к приобретает вид Wm{P)= 2kf P + l) . (3.4) ТднР +ТкддР + 1
Если пренебречь инерционностью датчика частоты вращения и исполнительного механизма рассматриваемого регулятора частоты вращения, то после объединения передаточных функций (2.65) базового П-регулятора и (2.66) последовательно включенного корректирующего форсирующего звена получим передаточную функцию такого регулятора в виде Жр(р) = кп(ТфР+1). (3.5) Эта передаточная функция может быть преобразована в уравнение регулятора, записанное в операторной форме rj= кп(Тфр+1) р, (3.6) 77=Az/z0 — относительное перемещение z выходного штока регулятора. С учетом равенства rj=-K, (3.7) отражающего наличие главной отрицательной обратной связи, уравнения (3.3) объекта регулирования и (3.5) автоматического регулятора позволяют получить уравнение свободного движения исследуемой САР в виде (А +А + Ао О, (3.8) где С учетом представленной математической модели исследуемой САР с базовым П-регулятором и последовательно включенным корректирующим форсирующим звеном структурная схема САР на рис. 2.24 преобразуется в структурную схему на рис. 3.8.
При расчете значений коэффициентов (3.14)...(3.21) предварительно были определены численные значения коэффициентов Гдн2, Гкдн, ks, Ts уравнения (3.3) объекта регулирования. Значения этих коэффициентов рассчитанные по выражениям (2.32)...(2.34), (2.36) с использованием данных табл. 4-7, оказались равными Гдн2=0,700 с2, Гвдн=1,720 с, ,=0,625, 7/=0,802 с.
Для оценки устойчивости САР с базовым П-регулятором без корректирующего форсирующего звена постоянная времени этого звена 7ф была принята равной нулю. При Гф=0 выражение (3.13) получают вид Ща)= -0 9а2-1 . F(fi)) = -0.561O3-0.918Q 0,402СГ + 0,625 0,402Q2 + 0,625 Дальнейшие расчеты кривой D-разбиения проведены при значениях постоянной времени корректирующего форсирующего звена Гф=0,05 с (оптимальное значение этого параметра для исследуемой САР, определенное в разделе 3.1) и Гф=0,15 с (максимальное значение этого параметра для исследуемой САР, исследованное в разделе 3.1), а также для значений 7ф=0,90; 1,00 и 10,0 с. Для значения Гф=0,05 с выражения (3.13) принимают вид
Экспериментальные исследований дизеля с регуляторами частоты вращения различных типов
Представленные выше результаты расчетных и экспериментальных исследований свидетельствуют о значительном влиянии структуры САР и ее характеристик на показатели качества переходных процессов. Вместе с тем, вопрос о влиянии качества переходных процессов на показатели токсичности ОГ и топливной экономичности дизеля является недостаточно изученным. Актуальность этой проблемы обусловлена постоянно ужесточающимися требованиями к токсичности ОГ и необходимости экономии нефтяных топлив в связи с высокими ценами на нефть и истощением нефтяных месторождений [17,128,129]. При этом улучшение показателей токсичности ОГ и топливной экономичности дизелей в переходных процессах является существенным резервом улучшения эксплуатационных показателей дизелей, значительную часть времени работающих на неустановившихся режимах.
Следует отметить, что показатели токсичности ОГ и топливной экономичности в переходных процессах аналитически определить достаточно сложно из-за сложности процессов, происходящих в системе автоматического регулирования. Это обусловлено тем, что процессы, протекающие в регуляторе, топливоподающей системе и самом двигателе (в частности, изменения коэффициента избытка воздуха а, теплового состояния деталей КС и др.), являются нестационарными и с трудом поддаются точному математическому описанию. Ниже предлагается эмпирическая методика оценки изменений показателей токсичности ОГ дизелей и их топливной экономичности в переходных процессах, позволяющая получать результаты с точностью, вполне пригодной для практических целей.
При разработке указанной методики учитывалось, что показатели токсичности ОГ и топливной экономичности дизелей зависят от множества факторов, но важнейшим из них является коэффициент избытка воздуха а, определяющий полноту сгорания топлива, температуры сгорания и, в конечном счете - эффективность процесса сгорания. Коэффициент избытка воздуха а характеризует состав смеси в КС и определяется соотношением расходов воздуха GB и топлива G через двигатель: a=GB I (/0 GT), (4.1) где /0=14,3 кг/кг - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг дизельного топлива.
Коэффициент избытка воздуха а является одним из наиболее важных параметров, характеризующих качество рабочего процесса и, следовательно, индикаторные и эффективные показатели дизеля, а также показатели токсичности его ОГ (рис. 4.10) [26,27,28,64]. Зависимость удельного эффективного расхода топлива ge от а имеет выраженный минимум при а= 1,7-2,5 (на рис. 4.10 этот минимум соответствует ос=2,0). При меньших а отмечается ухудшение топливной экономичности, а при коэффициентах избытка воздуха, меньших предела дымления адьм=1,2-1,3, наблюдается резкое ухудшение качества рабочего процесса.
Коэффициент избытка воздуха оказывает определяющее влияние и на токсичность ОГ дизеля. Содержание в ОГ оксидов азота NOx монотонно уменьшается с увеличением а (рис. 4.10), что обусловлено снижением температур сгорания при уменьшении подачи топлива. Содержание в ОГ продуктов неполного сгорания (монооксида углерода СО, углеводородов СНХ, сажи С) обуславливается полнотой сгорания и, следовательно, зависят от а. При увеличении а концентрации СО и СНХ в ОГ снижаются и при а=4-6 достигают минимальных значений. При а 4-6 ИХ содержание в ОГ вновь увеличивается из-за ухудшения качества процесса смесеобразования при малых подачах топлива.
Таким образом, эффективным средством улучшения показателей токсичности ОГ и топливной экономичности дизелей в широком диапазоне эксплуатационных режимов является обеспечение оптимальных значений а. Поэтому особую значимость приобретает дальнейшее совершенствование САР частоты вращения, которая при регулировании частоты вращения не должна допускать значительных забросов и провалов регулируемого параметра в переходном процессе.
В соответствии с предлагаемой методикой проведена оценка влияния качества процесса регулирования на показатели токсичности ОГ дизелей и их топливной экономичности в переходном процессе наброса полной нагрузки, в котором отмечаются наименьшие значения коэффициента избытка воздуха а. При этом исследовался рассмотренный, во второй и третьей главах двигатель типа б ЧН 15/18. Переходный процесс наброса полной нагрузки в САР моделировался с использованием представленной на рис. 2.2 структурной схемы дизеля с газотурбинным наддувом. При исследованиях использовались значения коэффициентов передаточных функций элементов двигателя (собственно двигателя, турбокомпрессора, впускного и выпускного трубопроводов), представленные в табл. 4-7. Исследуемый дизель был оборудован системой автоматического регулирования с ПИД-регулятором и электрогидравлическим ИМ. Этот регулятор моделировался с использованием структурной схемы, показанной на рис. 2.23,6.
