Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. анаЛиз работ по повышению эксплуатационной топливной экономичности и снижению эмиссии вв с ог дизелей 6
1.1. Характеристики ДВС, суммарный выброс ВВ и эксплуатационная топливная экономичность 6
1.2. Методы подхода к определению регулировочных параметров в дизелях 17
1.3. Анализ ездовых циклов для испытаний транспортных ДВС 24
1.4. Способы регулирования угла опережения впрыскивания топлива » 33
1.5. Задачи исследования 37
Глава 2. Расчетно-теоретическое исследование многопараметровой оптимизации рабочего процесса дизеля , 40
2.1. Методика обработки ездового цикла для получения распределения режимов работы дизеля 40
2.2. Методика обработки результатов стендовых испытаний ДВС 52
2.3. Методика приведения оценочных показателей к единому параметру ...55
2.4. Методика оптимизации по заданным критериям..62
Глава 3. Экспериментальная установка, методики обработки результатов 76
3.1. Экспериментальная установка и контрольно-измерительное оборудование 76
3.2 Методика получения и обработки результатов методом планируемого эксперимента 79
3.3. Методика оценки адекватности моделей. 85
3.4. Методика пересчета содержания вредных веществ в отработавших газах 92
3.5. Методика определения погрешностей измерений.94
Глава 4. Анализ результатов расчетно -экспериментальных исследований 100
4.1. Результаты обработки экспериментальных данных методом планируемого эксперимента 101
4.2. Вычисление коэффициентов уравнений оценочного расхода топлива и выбросов вредных веществ с отработавшими газами 108
4.3. Выбор оптимальных регулировок дизеля Д245 115
Основные выводы по работе 120
Литература
- Методы подхода к определению регулировочных параметров в дизелях
- Способы регулирования угла опережения впрыскивания топлива
- Методика обработки результатов стендовых испытаний ДВС
- Методика получения и обработки результатов методом планируемого эксперимента
Введение к работе
Важным направлением широкого комплекса работ по защите окружающей среды является снижение уровня средних выбросов с отработавишми газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Высокий коэффициент полезного действия современных поршневых ДВС, простота и безотказность их эксплуатации, возможность автономного использования, отлаженностъ мирового производства, являются весьма важными факторами при рассмотрении вопроса о целесообразности замены их на другие, менее токсичные силовые установки, использующие новые виды то-плив или работающие на иных принципах. Поэтому можно предположить, что и в наступившем столетии поршневые ДВС с искровым зажиганием и ДВС с воспламенением от сжатия (дизели) останутся основным видом силового привода транспортных средств, строительно-дорожного и карьерного оборудования, ма-шинотракторных агрегатов [18].
Перед современным двигателестроением стоят две актуальные проблемы, одна из которых связана с топливно-энергетическим кризисом, вызванным истощением запасов нефти, а другая - с вредным воздействием ОГ на окружающую среду. Таким образом, пути дальнейшего совершенствования и рационального применения указанных энергетических установок определяются необходимостью повышения их топливной экономичности при одновременном снижении уровня вредных (токсичных) выбросов с ОГ.
Дизели, как известно, по сравнению с двигателями с искровым зажиганием обладают значительно лучшей топливной экономичностью, в них используются более тяжелые и более дешевые фракции нефти. Снижение токсичности ОГ дизелей в настоящее
время придается большое значение в связи в расширением сферы их применения и увеличением количества автомобилей, тракторов, самоходных шасси, бульдозеров и других машин с дизельным приводом, работающих в городах, карьерах, шахтах, парниках, на животноводческих фермах и других местах о ограниченным воздухообменом и повышенными требованиями к чистоте воздуха.
Естественной причиной, тормозящей внедрение средств снижения токсичности двигателей автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин с дизельным приводом, является необходимость дополнительных затрат на обеспечение малотоксичного исполнения силового агрегата. Малотоксичный вариант энергетической установки не теряет конкурентоспособности при сохранении на существующем уровне. Использование же большинства методов снижения токсичности, как известно из многочисленных исследований, неблагоприятно сказывается на топливной экономичности. В этих условиях актуальным является поиск методов, снижающих токсичность, легко реализуемых в условиях эксплуатации и рациональных с точки зрения экономичности дизеля.
В данной работе изложены результаты исследований по разработке малотоксичных регулировок дизеля размерности 4ЧН11/12,5, обеспечивающих пониженный уровень вредных выбросов и дымности с сохранением заданной экономичности. Поиск рациональных регулировок осуществлялся с использованием регрессионных моделей расхода топлива, эмиссии вредных веществ (ВВ) и сажи с ОГ, определенных по результатам стендовых испытаний дизеля.
Методы подхода к определению регулировочных параметров в дизелях
Достаточно часто применяемые паспортные характеристики дизелей: номинальная мощность, средний эффективный расход топлива, дымность отработавших газов и др. параметры на режиме номинальной мощности, не отражают показатели двигателя в условиях реальной эксплуатации [24].
Для оценки действительных расходов топлива или эмиссии вредных веществ с ОГ, необходимо проводить режимометрирова-ние ДВС при их работе в составе различных машин, выполняющих конкретные циклы работ. Естественно, что работа одного и того же дизеля в качестве силовой установки магистрального грузового автомобиля, экскаватора или стационарной электростанции характеризуется совершенно различными относительными временами работы на каждом нагрузочно-скоростном режиме. Ужесточение во всем мире требований по экологической безопасности эксплуатации транспортных средств, привело к разработке и принятию методов контроля токсичности и дымности на уровне национальных и международных законов (Российские ГОСТ, ОСТ, Правила ЕЭК ООН, FTP и др.).
Дизель - сложный объект, в котором взаимосвязано протекают различные по своей природе физико-химические явления. При его проектировании и экспериментальной доводке добиваются минимизации потерь от химической неполноты сгорания топлива, термодинамических потерь от несвоевременности тепловыделения, газодинамических потерь на впуске и выпуске, механических потерь в узлах и агрегатах двигателя и т. п. [15]. Тем не менее, из-за взаимовлияния различных факторов, добиться оптимума на всех режимах работы дизеля без введения дополнительных регулировок, невозможно. Поэтому конструкторы вынуждены в большинстве случаев идти на компромиссы, из-за того что, во-первых, число параметров управления ограничено, и, во-вторых, часто отсутствует информация по конкретным условиям применения двигателя. Рассматривая первую причину для анализа можно условно разделить воздействия на двигатель на следующие группы (Рис. 1.4.).
1. Основное управляющее воздействие (в реальном времени). Осуществляется оператором или системой автоматического регулирования, с целью обеспечения требуемого нагрузочно-скоростного режима работы двигателя.
2. Автоматическое регулировочное воздействие (в реальном времени). Осуществляется по сигналам обратной связи (частота вращения коленчатого вала, положение дозирующего органа ТНВД, давление наддува, температура охлаждающей жидкости и т.п.). При этом регулировочный параметр меняется по заданному закону. Оперативность: В реальном времени Оператор При техобслуживании При изготовлении
.Автоматическое условно-регулировочное воздействие (в реальном времени, но с некоторым запаздыванием, определяемым постоянной времени) относится, как правило, к недоступным оператору и является результатом реакции физико-химических процессов в системах и агрегатах. Примером может служить давление топлива в линии нагнетания в процессе впрыскивания, продолжительность впрыскивания топлива и процесса сгорания, значение коэффициента остаточных газов и т.п. Для данной группы существует возможность оперативного принудительного воздействия (подобного группе 2), применением различных методов, учитывающих специфику воздействия. Например, давление впрыскивания может корректироваться управлением начальным давлением [49], или системой гидрозапирания форсунки [2], продолжительность сгорания физико-химическим регулированием состава топлива [61] и т.д.
4. Потенциально-возможное регулировочное воздействие (в реальном времени). Для реализации такого воздействия необходимо применять достаточно сложные конструктивные решения, относящиеся к базовой конструкции двигателя. К таким воздействиям можно отнести: изменение фаз газораспределения [56], изменение степени сжатия, например с помощью поршней с автоматическим регулированием степени сжатия [38], изменение коэффициента остаточных газов (степени рециркуляции ОГ) [78] и т.п. Фактически, эта группа призвана пополнять группу 2, по мере развития конструкции и совершенствования характеристик ДВС.
5. Условно-постоянные регулировочные воздействия (производящиеся периодически при техническом обслуживании ДВС). К таким воздействиям относятся: штатные регулировки двигателей, например установочный угол опережения впрыскивания топлива, давление затяжки иглы форсунки, углы установки фаз газораспределения и пр. Естественно, что при установке дополнительных устройств, например, автоматической муфты опережения впрыскивания топлива или системы гидрозапирания форсунки, такое воздействие может быть также сведено ко 2-й группе.
Способы регулирования угла опережения впрыскивания топлива
Среди параметров регулирования в дизеле традиционное внимание уделяется углу опережения впрыскивания топлива [1, 22, 32, 34]. В данной работе не рассматриваются устройства регулирования утла опережения впрыскивания топлива с электронным управлением. К механическим устройствам, позволяющим оперативно изменять угол опережения впрыскивания топлива, относятся муфты механического типа, отличающиеся высокой технологичностью, дешевизной производства и неприхотливостью в эксплуатации.
Центробежные муфты опережения впрыскивания топлива можно классифицировать по виду применения центробежных грузов.
На рис. 1.13. показана центробежная муфта опережения впрыска с шаровидными грузами. Шаровидные грузы контактируют с деталями муфты по значительно меньшим поверхностям, что обуславливает малые поверхности трения. Однако при значительных передаваемых моментах на малых опорных поверхностях возникают большие контактные напряжения. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к поверхностной прочности, как самих грузов, так и деталей, по которым они перемещаются, кроме того, ограничена масса самих грузов. Поэтому муфты с шаровидными грузами не получили широкого распространения. В муфтах с рычажными грузами (см. рис. 1.14) инерционные грузы выполнены в виде рычагов, на одном конце которых располагается основная масса груза, а другой конец упирается в подпружиненную втулку с косыми и прямыми шлицами. Плоскость качания рычагов лежит на оси муфты.
Принцип действия широко применяется в дизелях для изменения цикловой подачи в зависимости от режима работы установки. В муфтах такого типа используются только центробежные силы грузов (кроме муфт без сервомоторов). В этих конструкциях при сравнительно небольших грузах благодаря рычажной передаче удаётся увеличить перестановочную силу муфты и, следовательно, величину момента, поворачивающего кулачковый вал насоса в прессе изменения утла опережения впрыскивания топлива.
Таким муфтам уделялось мало внимания ввиду их конструктивной сложности по сравнению с муфтами с плоскими грузами. Наличие шлицевых соединений и рычажных качавшихся грузов усложняет конструкцию, зшеличивает габариты муфты, удорожает её производство и эксплуатацию. Чувствительные элементы с рычажными грузами нашли более широкое распространение в муф тах опережения впрыска с сервомеханизмами.
Среди конструктивных разработок центробежных муфт встречаются много таких, в которых плоские грузы совершают только радиальные перемещения.
Интерес к таким конструкциям объясняется тем, что в отличие от плоских качающихся грузов, незакрепленные грузы при всех прочих равных условиях позволяют получать большие центробежные силы благодаря лучшему использованию их массы, следовательно, позволяют создать значительный перестановочный момент при относительно небольших габаритных размерах муфты (см. рис. 1.15.).
Муфты такого типа предложены для получения наименьшего угла опережения впрыска при пуске и максимальных оборотах дизеля.
Улучшением показателей МОВТ с радиально движущимися грузами и их конструкция занимаются многие фирмы ФРГ, Англии, Франции, США и др. Благодаря хорошей компонуемости, малым габаритам, сравнительной конструктивной простоте эти муфты выгодно отличаются от других МОВТ.
Методика обработки результатов стендовых испытаний ДВС
Регистрация состава отработавших газов дизеля в динамике - сложная научно - практическая задача, многие аспекты которой находятся в стадии разработки [73]. Поэтому нами было принято решение использовать результаты стендовых испытаний дизеля Д245 на установившихся режимах, для оценки выбросов ВВ с ОГ при его работе в составе транспортного средства, выполняющего определенный цикл работ. Возникающие погрешности при этом не столь существенны, т.к. характерное время переходных процессов много меньше времени перехода от одного режима работы дизеля к другому, в соответствии с заданным режимом движения. При разгоне за счет увеличения цикловой подачи топлива принято выделять три фазы [53]: фаза изменения воздействующего фактора; фаза, характеризующаяся резкими изменениями показателей рабочего процесса; фаза, характеризующаяся изменением показателей в относительно малых пределах за счет стабилизации - температурного режима.
Очень часто длительность переходного процесса отсчитывают как продолжительность только первых двух фаз. На рис. 2.6 показано изменение показателей близкого по размерности дизеля при 100% набросе нагрузки [25].
Как видно из приведенных кривых вторая фаза переходного процесса завершается практически за 1 с при максимальном диапазоне изменения нагрузки. Исследуемый дизель Д245.12 оснащен газотурбинным наддувом, в этом случае следует учитывать инерционность турбокомпрессора. Из рис. 2.7 можно определить ха рактерное время запаздывания агрегата наддува ТКР-11 дизеля 8ЧН 13/14 при разгоне [27]. Момент времени достижения максимума частоты вращения турбокомпрессора отстает от момента достижения двигателем максимальной частоты вращения на 1,6 с при постоянном моменте сопротивления и на 1,4 с, при возрастании момента сопротивления пропорционально частоте вращения коленчатого вала.
На двигателе Д245 применен турбокомпрессор типа ТКР-7Н2А меньшей размерности (технические данные приведены в табл. 2.5 [65]) и, следовательно, эти времена должны быть еще меньше. Но и в рассмотренном случае постоянные времени турбокомпрессора сопоставимы с временем переходного процесса в поршневой части комбинированного двигателя, а общее время завершения переходного процесса в дизеле Д245 лежит в пределах полутора секунд в предельном случае с набросом 100% нагрузки.
Как видно из рис. 2.7 потребная нагрузка меняется не скач кообразно. На участке разгона происходит постепенный рост нагрузки за время 23 с. То есть время разгона много больше характерного времени переходного процесса.
На участках сброса нагрузки, как правило, параметры рабо чего процесса не ухудшаются по сравнению с установившимися режимами работы дизеля.
Мы рассмотрели наиболее напряженный участок ездового цикла. На других участках относительное время переходных процессов будет меньше рассмотренного. Таким образом, использование характеристик, полученных на установившихся режимах работы в данном случае правомерно.
Изначально, обеспечение оптимального управления ДВС по параметрам экономичности и эмиссии вредных веществ с ОГ, подразумевает выбор методики многопараметровой оптимизации. Среди различных способов наиболее широкое применение имеет метод свертки [36]. При этом обобщенный критерий оптимальности Jo формируется в виде суммы Л І 4, (2.11) где: Ji - частные критерии оптимальности; м - весовые коэффициенты.
В методе свертки наиболее сложным является выбор обоснованной методики вычисления весовых коэффициентов. Это связано, прежде всего, с тем, что до настоящего времени, не создано единого критерия оценки мероприятий ведущих к улучшению экологических показателей ДВС и снижению удельного расхода топлива. Постоянно проводимые работы по снижению эмиссии ВВ с ОГ требуют на всех стадиях создания нового двигателя значительного увеличения финансовых затрат, т.к. простые решения в
своем большинстве давно реализованы. Поэтому в современном двигателе, обеспечивающем пониженный уровень выбросов ВВ с ОГ, увеличивается количество применяемых новых конструктивных решений. Как следствие, разработчик сталкивается с большими затратами на проведение расчетно-теоретических исследований и сопутствующих модельных экспериментов, возрастают усилия по преодолению технологических трудностей при изготовлении новых узлов и макетных образцов ДВС, существенно увеличиваются объемы и сложность моторных испытаний [79]. В результате стоимость двигателя, в котором реализованы принципы снижения токсичности ОГ и который оборудован соответствующими системами и агрегатами, значительно увеличивается.
Эффект от снижения удельного расхода топлива может быть легко оценен, в силу того, что стоимость топлива известна. Удельные выбросы ВВ не имеют устоявшегося ценового эквивалента, поэтому задача многопараметровой оптимизации решается с определенной долей условности, определяемой методом формирования целевой функции.
Методика получения и обработки результатов методом планируемого эксперимента
Условия эксплуатации транспортных средств характеризуются весьма разнообразными режимами работы. На режимы работы их силовых агрегатов в условиях эксплуатации влияет большое число факторов различной значимости. Анализ показывает, что эти факторы формируются условиями, определяемыми: типом транспортного средства, характером работ им выполняемых, конкретными территориально-климатическими условиями зоны эксплуатации, временем года, требованиями охраны труда и защиты окружающей среды.
Дизель, установленный на транспортное средство универсального применения (автобус) должен быть пригоден для эксплуатации в самых различных условиях эксплуатации и при различных скоростных и нагрузочных режимах.
Методы математической статистики широко применяются для решения различных задач, например построения интерполяционных моделей, изучения кинетики и механизма явлений, оптимизации процессов т.д. {45] Не исключением являются и вопросы регрессионного анализа процессов в ДВС.
На математическом языке задачу получения зависимостей технико-экономических показателей дизеля от основных эксплуатационных факторов можно сформулировать следующим образом: необходимо получить представление о так называемой функции отклика по каждому и выбранных оценочных показателей д"-(иС1, JC2} }JCj).. jJCpJf где: Y- оценочные показатели (функции отклика); xi, X2,...,Xj,.,.,Xp - независимые переменные (входные факторы), варьируемые при постановке эксперимента.
Для обеспечения решения поставленных задач необходимо, чтоб факторы, выбранные для исследований, удовлетворяли следующим требованиям: - управляемости (фактор должен изменяться по требуемому закону или оставаться постоянным во время проведения опыта); - совместимости (должна быть технически осуществима любая комбинация факторов в пределах области их варьирования); - независимости факторов друг от друга. Ниже приводятся эксплуатационные факторы, отобранные для реализации поставленной цели. 1. Xi - п - частота вращения коленчатого вала, 1/мин; 2. Х2 - Ne - эффективная мощность двигателя, кВт; 3. Хз - & - угол впрыскивания топлива, град, ІЖВ до ВМТ. Первичные оценочные показатели: часовой расход топлива GT, часовые выбросы с ОГ оксидов азота GNOX не полностью сгоревших углеводородов Got, оксида углерода Geo и сажи Gc
При эксперименте необходимо провести п измерений зависимой переменной в некоторых точках факторного пространства. Обозначим через Yi наблюдаемое значение зависимой переменной У в г-м опыте: Xi = ( xu, Xi2,...,Xij,...,X4p ) ( і =1,2,...,n ) (j l,2,...,p ). Здесь хц - значение ой переменной в 1-м опыте. Результатами наблюдений является матрица: p - число факторов; щ- значение j - го фактора для і - го опыта; t/j - значение функции отклика для і - го опыта.
Выходная переменная Yi является случайной величиной и представляет собой среднее значение выходной переменной при фиксированном значении факторов. Выходную переменную обычно называют функцией отклика Yi =flx) flXil, X, ХіЗ, ... , XiJ, ... ,Хгр) (3.2.)
Между тем при анализе статических и тем более динамических свойств дизеля выясняется необходимость знания значений параметров не в отдельных точках, произвольно расположенных в возможном диапазоне эксплуатационных режимов, а во всем диапазоне. Отсутствие аналитических зависимостей, позволяющих определит значение параметров для произвольно выбранных условий работы дизеля, вынуждает прибегать к аппроксимации статических характеристик дизеля.
При аппроксимации таких зависимостей лучшие результаты дает метод наименьших квадратов. Для того чтобы использовать этот метод, необходимо предварительно выбрать аппроксимирующие многочлены. Определение коэффициентов выбранных регрессионных зависимостей методом наименьших квадратов может быть осуществлено при наличии некоторой совокупности экспериментальных точек, выражающих статическую характеристику, например, вида (3.2).
