Введение к работе
Актуальность работы. Одним из главных направлений развития мирового двигателестроения является увеличение удельных мощностных показателей, топливной экономичности, надежности и экологичности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС). Выполнение этих требований предполагает учет большого числа разнонаправлено действующих факторов. Так, для повышения удельных показателей применяют форсирование по частоте, однако при этом в 2-тактных ПДВС сокращается время продувки, наполнения и выпуска отработавших газов. Это приводит к ухудшению протекания процессов в газовоздушном тракте (ГВТ) и, как следствие, снижению экономичности, повышению теплонапряженности деталей и токсичности отработавших газов.
Применение вычислительной техники позволяет проводить большое количество вычислительных экспериментов с различными вариантами исполнения ГВТ. Для решения задачи сквозного расчета процессов в ГВТ наиболее применимы модели, описывающие течение рабочего тела в одномерном приближении; применение таких моделей характеризуется незначительными затратами времени и средств. Принципиально возможно и численное моделирование рабочего процесса двигателя с исчерпывающей физической полнотой и пространственно-временной детализацией, при этом рабочий процесс может быть просчитан по модели, описывающей все известные взаимодействия без упрощений. Однако для практических расчетов модели такого класса неприменимы, прежде всего из-за сложности учитываемых явлений и вытекающих из этого непомерных требований к вычислительным ресурсам; задачи, решаемые по моделям такого уровня трудно параметризовать (геометрические очертания ГВТ и т. п.). Как следствие, многопараметрическая оптимизация по детальным моделям неосуществима. Поэтому развитие методик применения одномерных моделей для описания протекающих в ГВТ процессов представляется важным и актуальным.
В настоящем исследовании предложена и реализована методика параметрической идентификации одномерной рациональной модели течения рабочего тела в ГВТ 2-тактных ПДВС. Определен количественный уровень и качественный характер отклонений моделирования показателей этого процесса.
Актуальность настоящего исследования определяется тем, что методика параметрической идентификации, а затем и синтеза параметров ГВТ, способна расширить применение одномерных моделей газообмена и сделает возможным получение точных и надежных прогнозных оценок показателей 2-тактных ПДВС на этапах доводки экспериментальных образцов.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка методики параметрической идентификации модели газообмена в ГВТ 2-тактных ПДВС, включающей этапы идентификации и верификации идентифицированной модели.
В соответствии с целью формулировались задачи исследования: 1. Разработать и обосновать методику параметрической идентификации одномерной модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС, использующую данные
об интегральных показателях и индикаторные диаграммы базовых образцов исследуемых двигателей.
Исследовать и доказать возможность параметрической идентификации модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС по предложенной методике, используя для этого экспериментально определенные величины интегральных показателей и индикаторные диаграммы базовых образцов исследуемых двигателей.
Верифицировать модель, полученную идентификацией параметров по методике, определив величины отклонений расчетных значений интегральных показателей от измеренных для ПДВС с выпускными системами, существенно отличающимися от базовых.
Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
- методы математического моделирования процессов в сложных
технических системах, включая методы численного решения систем
обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений;
экспериментальные исследования на полноразмерных ПДВС;
методы решения задач многопараметрической оптимизации. Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Методика
параметрической идентификации одномерной модели процессов газообмена в ГВТ 2-тактных ПДВС проверялась на достоверность сравнением прогнозируемых расчетных показателей с экспериментальными данными. Экспериментальные данные получены измерениями на полноразмерных ПДВС.
Научная новизна
1. Впервые разработана методика параметрической идентификации
рациональной одномерной модели процессов в ГВТ ПДВС, в которой в
качестве варьируемых параметров выступают параметры замыкающих
соотношений вида уравнений в обобщенных переменных.
Теоретически обоснована правомерность использования интегральной характеристики продувки-наполнения рабочей камеры для параметрической идентификации модели газообмена в ГВТ 2-тактного ПДВС.
На классе 2-тактных ПДВС с волновыми эффектами в ГВТ доказано, что методика позволяет в несколько раз повысить точность расчетных интегральных показателей двигателей как для базового варианта ГВТ, так и для варианта с существенно отличными конструктивными размерами.
Практическая ценность
Разработанная методика, а также результаты расчетных исследований внедрены в промышленности - ОАО УМПО (г. Уфа) и в учебный процесс УГАТУ (г. Уфа).
Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:
Повысить точность прогнозирования показателей двигателя при сквозном моделировании по одномерной модели процессов в ГВТ.
Использовать предложенную методику в рамках расчетных работ, направленных на параметрический синтез ГВТ.
3. Улучшать характеристики 2-тактных ПДВС при проектировании и доводке для удовлетворения требованиям к их форсированности и экономичности.
На защиту выносится:
Методика параметрической идентификации модели процессов в ГВТ ПДВС, в которой в качестве варьируемых выступают параметры зависимостей в обобщенных переменных, привлекаемых для замыкания уравнений рациональной одномерной модели процессов в ГВТ.
Использование параметров продувочной характеристики, замыкающей двухзонную модель течения в рабочей камере в период продувки, в качестве варьируемых параметров для параметрической идентификации модели процессов в ГВТ 2-тактных ПДВС.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:
- применении признанных научных положений, апробированных методов
и средств исследования, современного математического аппарата;
корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа, теории рабочих процессов ДВС и рациональных одномерных моделей газообмена;
сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальных ПДВС в стендовых условиях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на пятой всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010), на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2009, 2010), на межрегиональной научно-технической конференции на тему «Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения (г. Челябинск, 2010), на XXXVI международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2010), на Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель - 2010» (г. Москва, 2010), на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» (г. Санкт-Петербург, 2010).
Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2005 по 2010 годы.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах, в том числе в 3 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 146 страниц машинописного текста, включающего 123 рисунка, 8 таблиц и библиографический список из 83 наименований.
Похожие диссертации на Методика параметрической идентификации модели процессов газообмена двухтактных ДВС
