Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ возможностей формирования характеристик дизельных двигателей современными системами управления 10
1.1. Требования, предъявляемые к современным дизельным двигателям 10
1.2. Влияние регулируемых параметров на характеристики двигателя 14
1.3. Современные методы построения математических моделей для расчта переходных процессов 22
1.4. Современные системы управления дизельными двигателями 26
1.5. Цель работы и постановка задач исследования 44
Выводы по главе 1 45
Глава 2. Система комплексного адаптивного управления дизельными двигателями 46
2.1. Концепция построения системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями 46
2.2. Структура системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями 51
2.2.1. Контур воздействия на подачу топлива 56
2.2.2. Контур регулирования воздухоснабжения дизеля 62
2.2.3. Контур регулирования системы охлаждения 65
2.2.4. Контур регулирования системы нейтрализации отработавших газов 66
2.2.5. Контур регулирования системы рециркуляции отработавших газов 67
2.3. Технические и программные средства системы комплексного адаптивного управления дизелями 68
Выводы по главе 2 79
Глава 3. Расчтное исследование дизеля с системой комплексного адаптивного управления 80
3.1. Объект исследования 80
3.2. Математическая модель для расчта статических и динамических характеристик дизельного двигателя 82
3.3. Компьютерная программа, реализующая математическую модель дизельного двигателя 98
3.4. Формирование статических характеристик дизеля 12 ЧН 26,5/31 103
3.5. Исследование переходных процессов дизельного двигателя 110
Выводы по главе 3 135
Глава 4. Экспериментальное исследование системы управления 136
4.1. Безмоторные испытания 136
4.2. Испытания на одноцилиндровом двигателе ОД500 141
Выводы по главе 4 158
Основные выводы и заключение 159
Список литературы 161
- Влияние регулируемых параметров на характеристики двигателя
- Технические и программные средства системы комплексного адаптивного управления дизелями
- Формирование статических характеристик дизеля 12 ЧН 26,5/31
- Испытания на одноцилиндровом двигателе ОД500
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время к двигателям внутреннего сгорания предъявляются всё более строгие требования по экологическим и экономическим показателям. Одним из важнейших путей обеспечения требований к двигателям является использование комплексной системы управления, координирующей работу всех узлов двигателя. Обладая регулирующими воздействиями на системы топливоподачи, воздухоснабжения, охлаждения, рециркуляции и нейтрализации современная система управления позволяет формировать требуемые статические и динамические характеристики двигателя. Создание комплексной системы управления двигателем сопряжено с решением ряда научных и практических задач, включающих разработку математических моделей и компьютерных программ для моделирования установившихся и неустановившихся режимов работы двигателя, определение структуры и алгоритмов функционирования отдельных контуров регулирования, разработку технических и программных средств системы управления. Достаточно остро данная проблема стоит в сфере среднеоборотных дизельных двигателей. Такие двигатели используются в составе судовых, тепловозных и других энергетических установок. При наличии комплексных систем управления у зарубежных производителей отечественные двигателестроительные заводы вынуждены закупать у них интеллектуальные компоненты таких систем. Создание отечественной комплексной системы управления позволит обеспечить импорто-замещение для целого ряда стратегических направлений использования дизельных двигателей.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время многие компании, такие как Bosch, Delphi, Woodward, Heinzmann, занимаются разработкой и внедрением интеллектуальных систем управления, позволяющих формировать необходимые характеристики двигателей и обеспечивать выполнение заданных требований. В России ведутся научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы в данной области в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», МАДИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЯГТУ, ООО «ППП Дизельавтоматика», ООО «АБИТ». Следует отметить, что основная часть работ проводится для высокооборотных двигателей автомобильного назначения.
Цель работы. Разработать комплексную систему управления дизельными двигателями и провести исследование возможностей формирования необходимых статических и динамических характеристик перспективного среднеоборотного дизельного двигателя.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести поиск и анализ информации в области требований, предъявляемых к современным дизельным двигателям, методов моделирования двигателей, конструктивных и программных решений различных производителей систем управления;
разработать структуру и технические средства системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями;
сформировать функции и алгоритмы системы комплексного адаптивного управления и разработать программное обеспечение электронного блока управления;
разработать математическую модель и компьютерную программу для расчёта статических и динамических характеристик дизельного двигателя с возможностью проведения расчётов в реальном масштабе времени;
провести расчётные исследования по определению статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя;
определить первичные калибровки системы управления;
провести экспериментальные исследования разработанной системы управления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана математическая модель дизельного двигателя и системы управления, в которой, наряду с воздействием на топливоподачу, введено регулирующее воздействие на систему воздухоснабжения двигателя при различных вариантах управления работой агрегатов турбонаддува;
получены результаты расчётного исследования статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя Д500 (12ЧН 26,5/31), отличающиеся учётом комплексного воздействия системы управления на топливоподачу и воздухоснабжение двигателя для предложенных алгоритмов управления работой турбокомпрессоров;
получены новые результаты экспериментального исследования статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя Д500 с разработанной системой управления;
предложен новый алгоритм управления турбокомпрессором с турбиной изменяемой геометрии, позволяющий избежать режимов работы компрессора на помпа-же.
Методы исследования. В рамках диссертационной работы использованы следующие методы исследования:
метод анализа информационных источников по направлению исследования;
метод анализа характеристик двигателя на основе теории рабочих процессов комбинированных двигателей;
метод расчётного исследования и моделирования статических и динамических характеристик дизельного двигателя;
метод экспериментального исследования характеристик дизельного двигателя.
Достоверность и обоснованность научных положений. Научные положения диссертации обоснованы использованием математической модели дизельного двигателя, составленной на основе известных физических уравнений и положений теории рабочих процессов комбинированных двигателей. Достоверность научных положений обоснована сопоставлением результатов, полученных при расчётном исследовании, с данными экспериментального исследования. Экспериментальное исследование проведено на оборудовании и стендах ОАО «Коломенский завод», где они проходят регулярные метрологические поверки. Точность использованного оборудования соответствует поставленным задачам.
Теоретическая значимость работы состоит в создании математической модели дизельного двигателя и системы управления, в которой, наряду с воздействием на топливоподачу, введено регулирующее воздействие на систему воздух-оснабжения двигателя при различных вариантах управления работой агрегатов турбонаддува. Математическая модель предназначена для определения первичных калибровок комплексной адаптивной системы управления, обеспечивающих фор-2
мирование системой управления необходимых статических и динамических характеристик двигателя.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
разработанная компьютерная программа позволяет проводить расчёт статических и динамических характеристик дизельного двигателя при регулирующих воздействиях системы управления на топливоподачу и воздухоснабжение двигателя;
определены первичные калибровки контуров воздействия на топливоподачу и воздухоснабжение разработанного и изготовленного электронного блока системы комплексного адаптивного управления для перспективного дизельного двигателя Д500;
результаты испытаний показали возможность использования разработанных технических решений для импортозамещения в области систем управления дизельными двигателями.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке экспериментального образца системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями. Результаты расчётного исследования по формированию статических и динамических характеристик дизельного двигателя внедрены на ООО «ППП Дизельавтоматика» для использования при проведении работ по совершенствованию систем управления тепловозными дизельными двигателями.
Личный вклад автора. Проведён поиск и анализ научно-технической и нормативной информации по направлениям: требования, предъявляемые к современным дизельным двигателям; влияние регулирующих параметров на работу систем двигателя; современные методы математического моделирования и программные комплексы для реализации процесса расчёта; системы управления производства ведущих мировых компаний.
В составе рабочей группы разработаны алгоритмы функционирования, технические и программные средства системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями.
Разработана математическая модель и компьютерная программа для расчётного исследования и определения первичных калибровок системы управления.
Проведены расчётные исследования по формированию статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя и первичных калибровок системы управления.
В составе рабочей группы проведены испытания разработанной системы комплексного адаптивного управления.
Основные положения, выносимые на защиту. Метод формирования математической модели дизельного двигателя для расчёта статических и динамических характеристик при регулирующих воздействиях на топливоподачу и воздух-оснабжение двигателя.
Результаты расчётных исследований по формированию статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя 12ЧН26,5/31 для различных областей применения (тепловозная и судовая энергетические установки).
Результаты испытаний разработанной системы комплексного адаптивного управления на одноцилиндровом отсеке двигателя размерностью 26,5/31.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: заседании кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2017); Всероссийской научно-технической конференции по автоматическому управлению теплоэнергетическими установками (Москва, 2014-2017 гг.); 7-х Луканинских чтениях «Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, 2015 г.); IX Международной научно-производственной конференции «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса» (Пенза, 2015 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2016 г.); 2-м международном форуме «Instrumental Engineering, Electronics and Tel-ecommunications» (Ижевск, 2016 г.).
Публикации. Материалы исследований опубликованы в 8 статьях, из них: 3 – в российских изданиях перечня рецензируемых научных журналов ВАК РФ, 3 – в изданиях, входящих в международную базу цитирования Scopus. Общий объём основных работ – 2,2 печатных листа. С участием автора получено два свидетельства на программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и библиографического списка. Содержит 171 страницу машинописного текста, в том числе 83 рисунка, 15 таблиц. Библиографический список содержит 109 наименований, в том числе 55 на иностранном языке.
Влияние регулируемых параметров на характеристики двигателя
Электронные блоки современных систем автоматического управления (САУ) могут реализовать множество функций, главное – их сформулировать и обосновать. Создание систем управления дизелями должно проводиться, исходя из обеспечения необходимых характеристик современных комбинированных двигателей, а требования, предъявляемые к САУ, должны формироваться, исходя из требований к двигателям и возможностей воздействия системы управления на параметры рабочего процесса через системы самого двигателя [14-16].
Проблемы реализации необходимых функций САУ возникают не со стороны программы микропроцессорного контроллера, а со стороны датчиков и, особенно, исполнительных устройств и самих агрегатов двигателя - топливной аппаратуры, турбокомпрессоров, нейтрализаторов, управляющих клапанов и их приводов [17-19].
Рассмотрим характерные примеры влияния на показатели экономичности и экологии дизелей параметров рабочего процесса, на которые может оказывать регулирующие воздействия современная САУ.
Прежде всего, система управления должна сформировать требуемую характеристику впрыска топлива. Количество топлива определяется либо задаваемой мощностью, либо задаваемой частотой вращения вала двигателя (скоростью транспортного средства). Для обеспечения требуемых показателей при увеличении мощности двигателя желательно повышать давление впрыска по определнному закону, что реализуемо в аккумуляторных системах топливопо-дачи.
Как видно из Рисунка 1.2, угол опережения впрыска топлива (УОВТ) оказывает значительное влияние на показатели токсичности отработавших газов и экономичность дизеля [20]. Причм, значения УОВТ должны быть различны на разных режимах работы дизеля.
Современные системы топливоподачи с клапанным управлением предоставляют возможность осуществления многофазного впрыска с формированием вида характеристики подачи топлива. Используются ступенчатая форма основной фазы впрыска и многофазная характеристика с предварительными и последующими за основной фазой подачи топлива импульсами впрысков. Предварительные впрыски влияют на образование токсичных компонентов отработавших газов и уровень шума дизеля, а «пост-впрыски» на такте выпуска используются для повышения эффективности восстановления оксидов азота в нейтра лизаторе. На Рисунке 1.3 показан один из предлагаемых вариантов формирования характеристики многофазного впрыска топлива на различных режимах работы двигателя, полученный путм оптимизации по показателям эмиссии оксидов азота и сажи.
Применение в современных топливных системах клапанов, задающих характеристику топливоподачи на каждом цилиндре, облегчает реализацию такого способа управления двигателем, как отключение цилиндров и циклов на режимах малых нагрузок. Однако здесь следует учитывать, что эффективность этого метода зависит не только от отключения топливоподачи в цилиндрах, но и от работы системы газораспределения. Причм, влияние системы газораспределения на показатели экономичности и токсичности двигателя гораздо шире – так, может ставиться задача подбора оптимизированных значений фаз газораспределения для различных режимов работы двигателя. Управляющее воздействие на настройку системы газораспределения возможно при наличии соответствующих исполнительных устройств.
Наряду с топливоподачей, характеристики и параметры комбинированного двигателя, во многом, определяются системой воздухоснабжения. В зависимости от настройки турбокомпрессора характеристики двигателей одной размерности и числа цилиндров могут существенно различаться. Определнной настройкой турбокомпрессора можно путм формирования характеристик подстраивать двигатель под конкретного потребителя энергии и обеспечивать требуемые нормы по показателям токсичности отработавших газов.
Эффективность влияния на давление наддува зависит от способа регулирования турбокомпрессора. Сравнительно просты по конструкторской реализации способы перепуска с помощью клапанов воздуха на выходе компрессора и газов на входе в турбину, однако наибольшие возможности по формированию характеристик турбокомпрессора предоставляет использование турбины изменяемой геометрии с заданием положения лопаток направляющего соплового аппарата турбины. На Рисунке 1.4 приведены результаты оптимизации значений давления наддува для различных режимов работы автомобильного дизеля по частоте вращения и нагрузке при использовании турбины переменной геометрии для одного из возможных критериев оптимальности, включающего показатели экономичности и токсичности отработавших газов [21].
Направленное воздействие на давление наддува для турбокомпрессоров с заметной инерционностью ротора необходимо не только на установившихся, но и на неустановившихся режимах. В процессах резкого увеличения нагрузки на двигатель из-за инерционности турбокомпрессора подача воздуха отстат от подачи топлива, что приводит к ухудшению сгорания и снижению всех показателей комбинированного двигателя. Применяют два способа согласования подач воздуха и топлива. При экстенсивном (пневмокоррекция) способе согласования топливоподача растт в процессах набросов нагрузки постепенно в соответствии с реальным давлением наддува. При интенсивном способе в переходном процессе временно увеличивается подача воздуха либо путм подвода дополнительного воздуха от постороннего источника, либо подводом дополнительной энергии к турбокомпрессору для раскрутки его ротора. Одним из перспективных, но конструктивно более сложных вариантов является подкрутка ротора электрической машиной, которая работает в режиме электродвигателя при разгоне ротора и в режиме генератора при превышении частотой вращения ротора допустимых значений.
При использовании двух впускных клапанов на цилиндр около одного из них устанавливают заслонку, положение которой определяет степень участия клапана в процессе наполнения цилиндра и завихрения потока воздуха. Положение заслонки на различных режимах подбирается из условия достижения заданных норм на токсичность отработавших газов, что иллюстрируется Рисунком 1.5 [22]. Так, например, на режимах малых нагрузок заслонка полностью закрыта, весь поток воздуха проходит через один клапан и обеспечивает максимальную степень завихрения потока.
Одним из способов обеспечения норм на выбросы токсичных компонентов является рециркуляция отработавших газов [23]. Результаты исследований [24], приведнные на Рисунках 1.6 и 1.7, показывают, что выигрыш от использования системы рециркуляции сильно зависит от нагрузки на двигатель. Таким образом, для полезной рециркуляции необходимо задавать определнную величину перепускаемых газов на разных режимах работы дизеля.
Система охлаждения комбинированного двигателя является комплексной: охлаждение самого двигателя (блока цилиндров, поршней), охлаждение надувочного воздуха в системе воздухоснабжения, охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции. Результаты исследований показателей работы двигателей при различной температуре охлаждающей жидкости свидетельствуют о целесообразности е изменения в зависимости от режима работы ди зеля, прежде всего – от нагрузки [25].
Технические и программные средства системы комплексного адаптивного управления дизелями
В разработанном образце СКАУД в качестве процессора электронного блока использовано многофункциональное устройство Delfino TMS320F2837xD –двуядерный микроконтроллер со встроенными аналоговой подсистемой и интерфейсами передачи данных [90]. Системы управления реального времени основаны на передовых 32-битных процессорах Texas Instruments TMS320C28x и включают в себя две подсистемы CLA, которые обеспечивают дополнительную гибкость при создании таких приложений, как параллельные алгоритмы управления и другие. Возможно достижение производительности до 800 MIPS.
Устройство TMS320F2837xD содержит ускоритель TMU, который значительно уменьшает количество циклов, необходимое для вычисления стандартных тригонометрических функций. Также имеется узел комплексных вычислений Витерби второго поколения, VCU-II, с ускоренной обработкой операций Витерби, комплексного умножения и вычислением CRC.
TMS320F2837xD поддерживает до 1 МБ ECC-защищнной встроенной флеш-памяти и до 204 КБ STAM с ECC или чтностью. Две независимые зоны безопасности также доступны для 128-битной защиты кода. Имеются такие высокоточные периферийные устройства управления, как улучшенные модуляторы импульсов (ePWM) с защитой от сбоев, энкодеры, захваты и др.
Аналоговая подсистема имеет четыре 16-битных АЦП и восемь подсистем компараторов (CMPSS). Каждая подсистема включает в себя два компаратора и может быть использована в режиме пикового тока или в оконном режиме. В дополнение, устройство содержит три 12-битных ЦАП.
Доступны также периферийные устройства передачи данных, такие как двойные интерфейсы внешней памяти (EMIF), двойные интерфейсы CAN 2.0, а также uPP – высокоскоростная параллельная шина данных, которая позволяет напрямую подсоединяться к программируемым логическим интегральным схемам (ПЛИС) и другим устройствам со схожим интерфейсом. Порт USB 2.0 с MAC и PHY позволяет пользователям добавлять поддержку USB в свои приложения.
Второй модуль электронного блока является специализированным. Он содержит каналы преобразования входных и выходных сигналов электронного блока и предназначен для связи процессорного модуля с датчиками и исполнительными устройствами двигателя, для которого разрабатывается контроллер. Структура и аппаратурный состав такого специализированного модуля соответствует набору и типу датчиков и исполнительных устройств конкретного двигателя.
Анализ показывает, что можно сформировать типовой набор датчиков и исполнительных устройств, используемых на современных двигателях. Это да т возможность проводить унификацию и при разработке специализированных модулей, формируя их структуру, схемный и аппаратурный состав путм выбора необходимых каналов преобразования сигналов для датчиков и исполнительных устройств, которые установлены на данном двигателе, из предварительно составленного типового набора стандартных каналов.
В разработанном образце СКАУД в качестве типового реализован следующий вариант специализированного модуля электронного блока.
Сбор первичной обработки показаний от датчиков осуществляется в регистрах ПЛИС. Программное обеспечение микроконтроллера осуществляет доступ к первичной информации с датчиков и выполняет их обработку: фильтрацию, усреднение и т.д.
В разработанном образце реализовано достаточное для большинства случаев применения количество каналов прима сигналов с датчиков:
- 3 канала датчиков Холла;
- 1 канал индукционного датчика;
- 4 канала потенциометрических датчиков;
- 8 каналов токовых датчиков стандарта 4..20 мА;
- 5 каналов подключения терморезисторов типа PT1000;
- 3 канала подключения терморезисторов типа PT200;
- 4 канала аналоговых входов до 5 В.
Все внешние каналы датчиков имеют гальваническую развязку от вычислительной части электронного блока.
Кроме внешних датчиков на плате блока управления установлено 2 внутренних датчика:
- датчик атмосферного давления MPXA4250;
- технологический датчик температуры TMP102.
Технологический датчик температуры предназначен для оценки уровня теплового обмена внутри корпуса электронного блока и предупреждения аварийных ситуаций, связанных с перегревом блока.
Для управления исполнительными механизмами системы предусмотрено:
- 20 каналов стабилизированных регулируемых токовых выходов для управления электромагнитными клапанами форсунок;
- 24 канала ШИМ-регуляторов;
- 4 канала аналоговых выходов по напряжению с токовой нагрузкой до 15 мА.
Программное обеспечение контроллера реализует алгоритмы управления и регулирования и содержит программные блоки обработки входных сигналов от датчиков и выходных сигналов на исполнительные устройства.
Программное обеспечение СКАУД разработано в соответствии с методами и подходами объектно-ориентированного программирования [91]. Преимущества этого подхода заключаются в том, что за счт усложнения структуры и иерархии отдельных функций становится возможным разбиение программы на отдельные модули, каждый из которых выполняет определнную функцию, а также упрощается дальнейшее расширение программы.
Программное обеспечение СКАУД разработано в среде Code Composer Studio, предлагаемой компанией Texas Instruments [90], язык программирования C++. Для иллюстрации структуры программного обеспечения рассмотрим основные модули и классы, формирующие программу и их функции.
В основе главного тела программы лежит класс «EC_Engine», в рамках которого определены процедуры режимов работы двигателя, а также множество различных вспомогательных системных процедур. Каждая из них определена в соответствующем файле. Ключевые процедуры, отвечающие за обработку прерываний, вынесены в модуль «interrupts».
Для обобщения функций настройки оборудования создан класс «EC_Hardware». Для обеспечения адаптивного мониторинга отдельных элементов системы управления был разработан класс «EC_Devices». Также был создан ряд вспомогательных классов, предназначенных для пересылки сообщений по CAN-шине и других служебных целей.
При создании программного обеспечения для микроконтроллера использовались предоставленные производителем (Texas Instruments) библиотеки, а также исходные коды и заголовочные файлы, обеспечивающие низкоуровневую работу с регистрами процессора.
Отдельные модули помещены в папки по смысловому содержанию для упрощения навигации по программе. Часть модулей оставлена в корневом каталоге программного обеспечения.
Состав программного обеспечения показан на Рисунке 2.8.
Модули, помещнные в корневой каталог, определяют наиболее общие для программы функции, типы, переменные и имена. Файл «2837x_FLASH_lnk_cpu1_diesel.cmd» отвечает за выделение памяти для секций программ и данных и распределяет отдельные части кода в соответствующих секциях. С помощью него обеспечивается загрузка кода в энергонезависимую (FLASH) память процессора, копирование критических секций кода в оперативную (энергозависимую) память и указание на точку начала программы. Копирование из энергонезависимой памяти в оперативную необходимо в связи с тем, что время доступа к FLASH-памяти значительно дольше из-за особенностей работы с ней [91].
Модуль «can_par_id» определяет имена и константы, отвечающие за обозначение параметров системы, которые передаются с помощью сообщений CAN-шине. По факту, он определяет интерфейс взаимодействия встроенной программы СКАУД с программой-клиентом, позволяющей отслеживать и изменять в реальном времени ключевые параметры системы. В качестве клиента была разработана специальная программа с графическим интерфейсом (см. раздел 1.3), которая так же использует этот модуль.
В модуле «ecu_global_defines» определяется ряд глобальных констант и пространство имн EG (сокращение от «ECUGlobalparameters» – «глобальные параметры электронного блока управления»), которое объединяет общие для СКАУД параметры, которые могут запрашиваться и изменяться в произвольном месте выполнения программы. Здесь осуществляется первичная инициализация этих параметров. Таким образом, этот модуль является аналогом главного настроечного файла системы, а в случае выполнения программы управления на двух и более процессорах, отвечает также за межпроцессорное взаимодействие и обмен параметрами.
Формирование статических характеристик дизеля 12 ЧН 26,5/31
Для рассматриваемого дизельного двигателя предусматривается использование разработанной комплексной системы управления с регулирующими воздействиями на системы подачи топлива и турбонаддува. В связи с этим рас-чтное исследование проведено с учтом данного варианта функционирования САУ.
Первоначально параметры рабочего процесса дизеля для различных возможных сочетаний частоты вращения и крутящего момента на установившихся режимах получены с помощью программы в среде Matlab/Simulink, основанной на разработанной математической модели. Далее полученные параметры были использованы в качестве исходных данных и по ним проведн уточннный рас-чт рабочего процесса дизеля на выбранных режимах работы по программе «Дизель-РК».
Целью расчтного исследования было получение внешней скоростной характеристики при различных условиях работы системы турбонаддува [103]. Были рассмотрены следующие варианты работы турбокомпрессоров. Первый вариант соответствует работе дизеля с двумя нерегулируемыми турбокомпрессорами, второй – с одним нерегулируемым турбокомпрессором, третий вариант – работа с двумя турбокомпрессорами с управляемыми сопловыми аппаратами.
Внешние скоростные характеристики дизеля для рассмотренных вариантов работы системы турбонаддува приведены на Рисунке 3.15.
Линия 1 на Рисунке 3.15 проведена по точкам, соответствующим работе двигателя с двумя нерегулируемыми турбокомпрессорами. Ограничение по топливоподачи выбиралось исходя из величины коэффициента избытка воздуха. Допустимым значением выбрано 1,4. Такой подход соответствует использованию алгоритма пневмокоррекции при работе двигателя. Следует отметить характерную особенность работы двигателя с нерегулируемыми турбокомпрессорами: на частотах вращения до 650-700 оборотов в минуту наблюдается недостаток воздуха. Такое явление вызвано недостаточной раскруткой роторов турбин. Во многом для решения именно этой проблемы используются различные методы регулирования системы воздухоснабжения.
Линия 2 соединяет точки расчтов с использованием двух регулируемых турбокомпрессоров. Регулирование производится за счт изменения проходного сечения направляющего аппарата турбин. По сравнению с работой двигателя без регулирования турбокомпрессоров наблюдается значительное повышение крутящего момента на частотах вращения от 400 до 700 оборотов в минуту. За счт изменения положения направляющего аппарата увеличивается давление на входе в турбинах, поток газа направляется на периферию лопаток, что увеличивает плечо действия силы давления. Это приводит к увеличению крутящего момента на роторах турбокомпрессоров. Более активная раскрутка турбокомпрессоров позволяет направить больше воздуха в цилиндры, что приводит к увеличению коэффициента избытка воздуха при фиксированной подаче топлива. С учтом алгоритма пневмокоррекции увеличивается доступная величина топливоподачи и крутящий момент двигателя.
Линия 3 на Рисунке 3.15 проходит через точки расчтов, проведнных с использованием одного нерегулируемого турбокомпрессора. Доступный крутящий момент при частотах вращения от 500 до 700 оборотов 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 турбина создат достаточный для раскрутки ротора крутящий момент. При большей частоте вращения двигателя воздуха от одного турбокомпрессора не хватает и доступный крутящий момент значительно снижается. В таком случае следует использовать регистровый наддув. Если в интервале 700-800 оборотов в минуту произвести подключение второго турбокомпрессора, становится возможным выйти на характеристику 1, но такой переход сопряжн с техническими сложностями и приводит к увеличению нагрузки на турбины.
Кроме ограничения от пневмокоррекции в рамках расчтов было проведено исследование нагрузок, возникающих в двигателе. Оранжевой линией (линия 4) показано ограничение внешней скоростной характеристики для двигателя с двумя регулируемыми турбокомпрессорами, с учтом максимального давления в цилиндре . Именно эта характеристика была принята за основу для расчта ограничения по топливоподаче в модели регулятора.
Сравнение эффективности использования рассмотренных вариантов тур-бонаддува по увеличению доступного крутящего момента дизеля проведено с использованием следующего выражения: где – момент при нерегулируемом турбонаддуве, – момент для рас смотренного варианта турбонаддува.
В Таблице 8 приведены значения изменения крутящего момента при использовании различных систем воздухоснабжения по сравнению с использованием двух нерегулируемых турбокомпрессоров, выраженные в процентах.
Увеличение крутящего момента при использовании одного турбокомпрессора достигает 233 %, при использовании двух регулируемых турбокомпрессоров – 80%. При этом характеристика, получаемая при использовании двух регулируемых турбокомпрессоров является более плавной, что благоприятно сказывается на динамических характеристиках двигателя.
Для определения настроек алгоритма управления положением направляющего аппарата турбин были проведены исследования по поиску оптимальных положений по критерию минимального удельного эффективного расхода топлива [104]. Полученные результаты проиллюстрированы на Рисунках 3.16, 3.17.
Цвет точки соответствует величине удельного расхода топлива. Красные точки – максимальный удельный расход топлива, зелные – минимальный. Обработка полученного массива данных позволила составить матрицу оптимальных положений соплового аппарата турбин. На Рисунке 3.16 показана проекция полученного пространства точек на плоскость . На этом рисунке проще наблюдать общую логичную тенденцию. С ростом частоты вращения дизельному двигателю с турбонаддувом экономичнее работать при большом крутящем моменте.
Полученный массив промежуточных точек позволил построить матрицу положений направляющего аппарата для всего диапазона режимов работы двигателя. Эти настройки будут использованы в качестве первичных калибровок системы управления. Матрица значений для расчта положения направляющего аппарата приведена в Таблице 9 и проиллюстрирована на Рисунке 3.18.
Для рассмотрения возможностей по применению двигателя в составе энергетической установки сформирована винтовая характеристика для винта с постоянным шагом (линия 6 на Рисунке 3.15). На основе этих данных сформированы модули задания момента сопротивления для энергетических установок различного назначения. Для использования в составе энергетической установки магистрального тепловоза возможно задание момента сопротивления, определнному по одной из двух характеристик: винтовой и экономической. Для судового применения используется расчт момента сопротивления по винтовой характеристике.
Испытания на одноцилиндровом двигателе ОД500
Испытательный стенд на базе одноцилиндрового отсека ОД500 представляет собой комплекс измерительной аппаратуры, подключнной к двигателю 1ЧН26,5/31. Подача воздуха в цилиндр двигателя осуществляется от проточной мкости, в которой поддерживается требуемое давление. Автоматизированы измерения расхода топлива, давления в цилиндре, уровня токсичных выбросов и др.
На стенде в качестве штатного варианта используется система управления производства ведущей зарубежной фирмы, в которой реализован канал воздействия на топливоподачу. Система СКАУД, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана, оснащена комплектом жгутов, позволяющим заменить блок управления с использованием штатного набора датчиков.
Внешний вид испытательного стенда на базе одноцилиндрового отсека дизеля Д500 представлен на Рисунке 4.4.
В экспериментальном исследовании на одноцилиндровом отсеке было проведено сравнение характеристик штатной системы, используемой на заводе и системы СКАУД, созданной в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
На Рисунках 4.5 и 4.6 представлены осциллограммы управляющих сигналов при работе со штатной системой управления и СКАУД соответственно.
В рамках предварительных испытаний на одноцилиндровом отсеке была проведена проверка функционирования системы управления. При работе на разных режимах система должна обеспечивать задание требуемой продолжительности управляющего импульса. Осциллограммы управляющего сигнала на разных режимах показаны на Рисунках 4.7 и 4.8
Согласно программе испытаний, утвержднной на ОАО «Коломенский завод», были произведены измерения ряда параметров. Полученные значения представлены в Таблице 14. Следует отметить, что по всем измеряемым параметрам испытываемые системы показали близкие результаты. Система управления СКАУД показала полно соответствие предъявляемым требованиям по точности впрыска.
При проведении испытаний проводилось индицирование рабочего процесса. На Рисунках 4.9 – 4.12 показаны сравнительные графики давления впрыска и индикаторного давления на различных режимах работы двигателя.
На Рисунке 4.9 показано сравнение индикаторных диаграмм на режиме холостого хода: частота вращения 300 об/мин, мощность 0 кВт.
На Рисунке 4.10 показано сравнение процессов на режиме 755 об/мин, при этом мощность, вырабатываемая отсеком, составила 122,8 кВт.
На Рисунке 4.11 показано сравнение процессов на режиме 875 об/мин, при этом мощность, вырабатываемая отсеком, составила 212,4 кВт.
На Рисунке 4.12 показано сравнение процессов на режиме 1000 об/мин, при этом мощность, вырабатываемая отсеком, составила 355,6 кВт, что соответствует номинальному режиму работы двигателя.
На Рисунке 4.13 представлен результат записи сигнала датчика частоты вращения. Запись результатов осуществлялась на тех же четырх режимах. На стабильность частоты вращения влияет настройка коэффициентов закона регулирования. Размах колебаний частоты вращения для обоих блоков одинаков. При оценке величины отклонений частоты вращения следует учитывать специфику работы одноцилиндрового отсека, в котором подвод энергии к валу производится гораздо реже, чем в многоцилиндровом двигателе, а система управления имеет возможность влиять на процесс топливоподачи только во время сравнительно редких впрысков в одном цилиндре. Численные значения нестабильности частоты вращения приведены в Таблице 15.
Для подтверждения правильности функционирования разработанной системы управления были проведены динамические испытания. В процессе испытаний фиксируется большое количество параметров, но наиболее показательным в динамике является результат: изменение частоты вращения. На Рисунке 4.14 показан переходный процесс при изменении настройки частоты вращения с 300 об/мин до 400 об/мин. Красной линией на верхнем графике (Рисунок 4.14) показана настройка частоты вращения, синей линией показан график частоты вращения двигателя. Можно наблюдать заметные колебания частоты вращения от отдельных впрысков топлива, что характерно для испытаний на одноцилиндровом отсеке. При анализе полученного процесса следует отметить точное выполнение поставленной задачи: соблюдается темп набора частоты вращения, частота вращения приходит к заданному значению менее, чем за 15 секунд, превышение требуемой частоты вращения порядка 25 об/мин.
В нижней части рисунка представлен график изменения продолжительности управляющего сигнала (зелная линия) и его составляющих, определяемые в соответствии с законом регулирования. Пропорциональная составляющая закона регулирования показана фиолетовым цветом, интегральная – голубым. Суммарное воздействие позволяет достичь высоких показателей качества переходного процесса.
Важным процессом является запуск двигателя. График изменения частоты вращения при пуске представлен на Рисунке 4.15. Следует отметить, что СКАУД обеспечивает запуск двигателя с постоянным ускорением, подхватывая вращение коленчатого вала с минимальной частоты вращения, после первых оборотов за счт электростартера.
При замедлении СКАУД прекращает подачу топлива до момента снижения частоты вращения до заданного значения. Ускорить замедление двигателя невозможно, так как в системе отсутствует воздействие на нагружающее устройство.
На Рисунке 4.17 представлен переходный процесс при изменении настройки частоты вращения от 400 до 500 об/мин. Заброс по частоте вращения не превышает 10 об/мин. Время перехода порядка 15 секунд.
На Рисунке 4.19 представлен процесс изменения частоты вращения при последовательном переходе от 600 об/мин до 700 об/мин, затем до 800 об/мин. Система управления обеспечивает высокую стабильность работы двигателя в переходных процессах даже без ожидания стабилизации частоты вращения на промежуточных значениях частоты вращения.
На Рисунке 4.20 представлен переходный процесс соответствующий выходу на максимальную частоту вращения (1000 об/мин). СКАУД обеспечивает выход двигателя на номинальный режим в соответствии с программой испытаний на одноцилиндровом отсеке двигателя Д500.