Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы повышения эффективности поршневых ДВС за счёт более полного использования энергии топлива (состояние вопроса) 10
1.1. Энергетический баланс поршневых ДВС 10
1.2. Известные способы более полного использования «потерь» энергии . 15
1.3. Цель и задачи исследования 35
Глава 2. Термодинамическая модель комбинированного шеститактного цикла 41
2.1. Идеализированный шеститактный цикл поршневого ДВС с изохорно-изобарным процессом подвода энергии в форме теплоты 41
2.2. Рабочий цикл поршневого комбинированного шеститактного двигателя 56
2.3. Эффективность рабочего цикла шеститактного поршневого ДВС 65
Глава 3. Математическая модель рабочего процесса шеститактного двигателя 72
3.1. Понятие математической модели 72
3.2. Математическое моделирование поршневых ДВС 72
3.3. Основные этапы математического моделирования поршневых ДВС 73
3.4 Математическая модель 77
3.5 Расчетная методика 82
Глава 4. Экспериментальная установка. Программа и методика исследования 93
4.1. Экспериментальная установка 93
4.1.1. Общий вид и принципиальная схема экспериментальной установки 93
4.1.2. Шеститактный двигатель 96
4.1.3. Оборудование экспериментальной установки 100
4.1.4. Оценка погрешности измерений 102
4.2. Программа и методика экспериментального исследования 109
4.2.1. Методика проведения первого этапа экспериментального исследования ПО
4.2.2. Методика проведения второго этапа экспериментального исследования 114
4.2.3. Методика проведения третьего этапа экспериментального исследования 117
Глава 5. Результаты экспериментального исследования 120
5.1. Влияние регулировочных характеристик шеститактного комбинированного двигателя на его индикаторные показатели 120
5.2. Оценка адекватности математической модели рабочего процесса шеститактного двигателя 126
5.3. Исследование рабочего процесса шеститактного двигателя 128
5.4. Оптимизация параметров впрыскивания воды 134
Заключение 138
Основная использованная литература 142
- Известные способы более полного использования «потерь» энергии
- Эффективность рабочего цикла шеститактного поршневого ДВС
- Основные этапы математического моделирования поршневых ДВС
- Программа и методика экспериментального исследования
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время со всей остротой встают проблемы истощения природных ископаемых энергоресурсов, в первую очередь, нефти, и угрожающего экологической катастрофой загрязнения окружающей среды отходами многообразной деятельности человека.
В поршневых двигателях внутреннего сгорания (ПДВС) процесс превращения теплоты сжигаемого топлива в работу сопровождается значительными «потерями» энергии. В первую очередь это относится к «потерям» теплоты с отработавшими газами (ОГ). В дизелях они составляют 85-110 % по отношению к эффективной мощности, в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходят ее на 25-45 %. Эту энергию можно утилизировать. Весьма важным направлением при утилизации «потерь» энергии является использование ее для выработки дополнительной работы.
Существует целый ряд технических систем, которые могут быть использованы для утилизации теплоты ОГ ДВС с целью трансформации ее в работу (Шокотов Н.К., 1980; Жмудяк Л.М., 1981; Зайцев С.В., 1984; Шейпак А.А., 1991; Кукис В.С., 1991, 2000, Руднев В.В., 2004, Meijer R.J., El – Masri M.A. и др.). Сравнительный анализ этих систем, проведенный в настоящей работе, показал перспективность применения комбинированного шеститактного рабочего цикла, предложенного автором.
Двигатель, реализующий такой цикл, работает следующим образом. Первые три такта (впуск, сжатие и рабочий ход) осуществляются в полном соответствии с тактами четырехтактного дизеля. В конце расширения выпускной клапан не открывается. Следующий такт – сжатие отработавших газов (ОГ). В конце этого такта через водяную форсунку, под высоким давлением в объём камеры сгорания впрыскивается вода. В период следующего за этим расширения перегретый пар совершает полезную работу. В конце этого, пятого по счёту такта начинает открываться выпускной клапан. Далее следует такт выпуска. Затем описанный цикл повторяется.
Более полное использование термохимической энергии топлива применением шеститактного комбинированного рабочего цикла позволяет повысить не только мощностные, но и экономические показатели силовой установки, а также существенно снизить дымность и токсичность, выбрасываемых в атмосферу газов. Работы, посвященные исследованию комбинированного шеститактного рабочего цикла, в литературе отсутствуют.
Цель работы: – повысить экономические и улучшить экологические показатели дизеля за счет более полного использования термохимической энергии топлива применением шеститактного комбинированного рабочего цикла.
Задачи исследования:
1. Разработать термодинамическую и математическую модели шести-
тактного рабочего цикла, сочетающего сгорание топлива с последующей подачей воды в цилиндр, для более полного использования энергии продуктов сгорания топлива.
2. Теоретически оценить эффективность введения в рабочий цикл дополнительных тактов.
3. На базе четырёхтактного ПДВС разработать экспериментальную установку (с системой для подачи в цилиндр воды) в которой возможна реализация шеститактного рабочего цикла и проверить ее работоспособность.
4. Установить закономерности изменения основных показателей шеститактного рабочего цикла в функции параметров, определяющих подачу воды в цилиндр двигателя.
5. Экспериментально оценить эффективность использования термохимической энергии топлива при реализации шеститактного комбинированного рабочего цикла. Проверить адекватность разработанной математической модели.
6. Экспериментально определить сочетание параметров впрыскивания воды в исследуемый шеститактный поршневой двигатель, обеспечивающее наибольшее среднее индикаторное давление.
7. Оценить повышение эффективности использования энергии топлива при реализации шеститактного рабочего цикла по сравнению с четырёхтактным.
Объектом исследования являлся рабочий цикл шеститактного комбинированного двигателя, выполненного на базе одноцилиндрового четырёхтактного дизеля воздушного охлаждения типа ЧВ 12/12,5.
Предметом исследования служили показатели комбинированного двигателя и процессы, протекающие в цилиндре при его работе.
Методы исследования. Работа базировалась на экспериментальных и расчётно-экспериментальных методах исследования с использованием традиционных и специальных приборов и оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выно-симых автором на защиту:
- экспериментально подтверждена гипотеза о возможности одновременного повышения экономических и экологических показателей ПДВС за счет более полного использования энергии топлива применением шеститактного комбинированного рабочего цикла;
- создана термодинамическая и математическая модели, позволяющие исследовать процессы в цилиндре при работе шеститактного комбинированного двигателя, влияние момента начала впрыскивания, давления и количества воды подаваемой в цилиндр двигателя на его мощностные, экономические и экологические показатели;
- установлена взаимосвязь между давлением, количеством и моментом начала впрыскивания воды в цилиндр шеститактного двигателя с одной стороны и его мощностными, экономическими и экологическими показателями – с другой, а также объяснена природа установленных взаимосвязей.
Практическая ценность работы состоит в том, что использование полученной математической модели позволяет расчетным путем оценить влияние давления, количества и момента начала впрыскивания воды в цилиндр шеститактного двигателя на его мощностные, экономические и экологические показатели, а также определить сочетание параметров впрыскивания воды в исследуемый шеститактный поршневой двигатель, обеспечивающее наибольшее среднее индикаторное давление.
Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и на заводах, занимающихся созданием ПДВС и теплосиловых установок на их базе.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования используются при выполнении НИОКР в НПК «Агродизель» (г. Москва), а также в учебном процессе Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института).
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на научно-методических семинарах с участием сотрудников ка-федр «Двигатели», «Эксплуатация военной автомобильной техники» и «Автомобильная техника» Челябинского военного автомобильного института (Челябинск, 2005-08 гг.); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: -энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2007 г.), на IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск
4-9 июня 2007 г.), на межвузовской научно-технической конференции «Повышение эффективности силовых установок колёсных и гусеничных машин»
(Челябинск, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК, получено положительное решение на полезную модель.
Диссертация содержит 157 страниц машинописного текста, включающего 40 рисунков, 16 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка основной использованной литературы (161 наименование) и приложения.
Известные способы более полного использования «потерь» энергии
Примером реализации первого направления может служить вариант более полного использования теплоты ОГ с помощью теплообменника-змеевика, расположенного в глушителе [25]. Прокачиваемая через змеевик и нагреваемая жидкость может быть использована в холодное время года для обогрева кабины, аккумуляторных батарей, ускоренного прогрева двигателя и т. п. При этом количество теплоты, получаемое циркулирующей жидкостью, весьма существенно — на автомобиле ГАЗ-52, например, оно составляет 24,1 кДж/ч [25].
В плане второго направления, которому и посвящена данная работа, системы более полного использования энергии ОГ поршневых ДВС можно разделить на следующие группы: 1. Системы для использования механической энергии ОГ: [8, 11, 13, 20] - газотурбинный наддув; - газодинамический наддув; - привод вспомогательных агрегатов; - силовые турбины (турбокомпаундирование); [ Утилизация механической составляющей энергии ОГ достаточно эффективно решена в практике двигателестроения и в настоящем исследовании не рассматриваются. 2. Системы для более полного использования теплоты ОГ: [28, 42, 51, 54, 78,81,96,104,116]. паросиловые установки с внешним парообразованием; термоэлектрические генераторы; двигатели Стирлинга; воздушные расширительные машины; поршневые двигатели с внутренним парообразованием. Проанализируем эффективность данных систем
На рис. 1.3 показана схема комбинированного дизеля корпорации Термоэлектрон (США) [1]. Характерной особенностью ее является то, что в утилизационном контуре циркулирует свое рабочее тело. Подкачивающим насосом 2 оно в жидком состоянии направляется в подогреватель 6 и затем в парогенератор 5. Здесь, благодаря теплоте, полученной от ОГ, жидкость испаряется. Пар приводит в действие расширительную машину 4, связанную редуктором с коленчатым валом дизеля. Затем пар через подогреватель (где от него нагревается жидкость, направляющаяся в парогенератор) поступает в конденсатор 7 и оттуда в жидком состоянии рабочее тело возвращается в подкачивающий насос 2.
По данным [1] испытания автомобиля с комбинированным двигателем, выполненным по рассмотренной схеме, позволили повысить мощность на 15 %.
Известны силовые установки, в которых рабочим телом вторичного контура использования теплоты является вода из системы охлаждения ДВС [117] (рис. 1.4). Согласно расчетам [117] повышение КПД в результате реализации такой схемы может достигать 18 %.
Близкие данные по повышению КПД установок при использовании в качестве вторичного контура паросиловой установки приводятся для дизеля 6 ЧН 26/34 - 12,7 % [81, 120] и для карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 - 22,2 % [120]. В последней работе оценен и эффект использования дожигателя ОГ поршневого ДВС Он позволяет дополнительно повысить КПД силовой установки на 5,7 %.
Мощность, вырабатываемая во вторичном контуре, может не передаваться непосредственно на коленчатый вал поршневого двигателя, а использоваться для привода устройств, обеспечивающих работу системы охлаждения ДВС [37] (рис. 1.5).
Схема включает в себя поршневой ДВС (с газотурбинным наддувом или без него), ОГ которого, проходя через парогенератор 2, превращают в пар охлаждающую жидкость, подаваемую сюда насосом 6. Пар поступает в турбину 5, где совершает полезную работу. Мощность, развиваемая турбиной, используется для привода насоса системы охлаждения 6 и вентилятора 4. После турбины пар проходит через конденсатор 3, превращается в жидкость, охлаждается и направляется в рубашку охлаждения ДВС. В атмосферу
Охлаждающая жидкость Рис 1.5. Принципиальная схема комбинированной силовой установки: 1 - поршневой ДВС; 2 - парогенератор; 3 - конденсатор; 4 - вентилятор; 5 — паровая турбина; 6 - насос системы охлаждения ДВС Учитывая, что затраты мощности на осуществление охлаждения составляют около 10 % [37], эту цифру можно считать выигрышем, который позволит получить рассмотренный вариант более полного использования теплоты отработавших газов. Достоинством рассмотренной схемы автор считает возможность ликвидации традиционных устройств, регулирующих интенсивность охлаждения: муфты (или реле) отключения вентилятора и клапана (термостата), регламентирующего циркуляцию жидкости в системе охлаждения. Обусловлено это тем, что в данном случае интенсивность охлаждения прямо связана с нагрузкой ДВС, а не с частотой вращения его коленчатого вала, как в традиционных схемах систем охлаждения. К недостаткам данных систем можно отнести следующие факторы: - наличие дополнительных устройств, в которых теплота превращается в работу; - «потери» энергии ОГ при транспортировке к преобразователю; - при передаче дополнительной работы на трансмиссию, присутствует необходимость установки сложных, суммирующих крутящие моменты, механизмов; - усложнение регулировки теплового режима двигателя. Вследствие этого данные установки можно считать малоэффективными и они не нашли широкого применения
Эффективность рабочего цикла шеститактного поршневого ДВС
Как было сказано выше, эффективность дополнительных тактов и процессов будет зависеть от количества оставшейся внутренней энергии рабочего тела после первых трёх процессов. Основными источниками совершения дополнительных процессов являются: - энергия продуктов сгорания, оставшаяся после первого рабочего хода, - энергия недоокис лившихся углеводородов. При неизменной цикловой подаче топлива полезная работа, получаемая от парообразования и доокисления, будет расти при снижении эффективности основных процессов, и соответственно снижаться при повышении их эффективности. Поршневые ДВС, являясь одной из разновидностей тепловых двигателей, служат для преобразования энергии топлива, выделяющейся при его сгорании в форме теплоты, в работу по перемещению поршня.
В предыдущих разделах были рассмотрены процессы, совокупность которых обеспечивает это преобразование. Не вся энергия, которая могла бы быть получена от сгорания топлива в форме теплоты (От = g,fHUi где gtl - количество топлива, поступившее в цилиндр за цикл, а Ни - теплота сгорания топлива), превращается в работу. Часть этой энергии не выделяется в процессе сгорания в связи с неполным окислением топлива из-за недостатка кислорода в зонах горения. Это «потери» энергии, связанные с неполнотой сгорания (QIIC) Часть уже выделившейся при сгорании энергии тратится на диссоциацию молекул продуктов сгорания при высоких температурах {QdUC).
В процессе сгорания химический состав рабочего тела изменяется. Оно превращается в газовую смесь с повышенным содержанием трехатомных газов (СО? и Н20). Это приводит к увеличению теплоемкости рабочего тела в 1,3-1,5 раза по сравнению со свежим зарядом. В результате для нагрева рабочего тела на одно и то же количество градусов по мере развития процесса сгорания требуется затрачивать все больше теплоты. Обозначим эти дополнительные затраты теплоты через Отет.
Некоторое количество энергии, уже выделившейся при сжигании топлива и полученной в форме теплоты рабочим телом, будет «утрачено» им в связи с утечками части газа из цилиндра во время сжатия и расширения (Qynt).
Поскольку температура стенок деталей, образующих внутрицилиндровое пространство, во время сгорания ниже температуры рабочего тела, то часть энергии газа в форме теплоты будет передаваться в стенки. Это так называемые «потери» энергии в стенки (Ост)- Они («потери») существенно зависят от продолжительности процесса сгорания. Если бы топливо сгорало мгновенно при расположении поршня вблизи ВМТ, то в связи с минимальной площадью поверхности теплообмена «потери» энергии в стенки были бы минимальными. Однако вследствие конечной скорости химических реакций процесс сгорания не может завершиться мгновенно. Он продолжается при расширении в условиях все увеличивающегося объема внутрицилиндрового пространства, а значит, и увеличивающейся поверхности стенок, в которые теряется все большая часть теплоты, выделяющейся при горении топлива. Эти дополнительные «потери» теплоты в стенки обусловлены отличием динамики действительного процесса сгорания от теоретического мгновенного. Это «потери» вследствие конечной скорости химических реакций (Qxp).
После завершения рабочего цикла продукты сгорания (ОГ), выбрасываются в атмосферу, унося с собой значительное количество энергии (Оог). Разница между энергией, которая могла бы быть получена от использованного топлива, и всеми перечисленными потерями передается поршню в форме работы. Индикаторная работа (Z,,) представляет собой полезный эффект совокупности всех совершавшихся в цилиндре процессов, т.е. полезный эффект от реализации действительного цикла.
Учитывая все сказанное выше, энергетический баланс действительного цикла (внутренний энергетический баланс) шеститактного поршневого ДВС представляется в виде равенства:
Дополнительными источниками энергии в шеститактном цикле являются:
«Потери» теплоты, связанные с неполнотой сгорания (Онс) в шеститактном цикле значительно уменьшаются. Это связано с увеличением физического времени сгорания и с дополнительными процессами доокисления, а именно после подачи в цилиндр воды в процессе парообразования и перегрева пара все не-сгоревшие углероды, углеводороды и окись углерода имеют возможность про-взаимодействовать с оставшимся в цилиндре кислородом (а это для дизелей 50-80%) и кислородом, поступающим в цилиндр в составе воды. Высвобождающийся при этом водород при взаимодействии со свободным кислородом может увеличивать долю теплоты принимающую участие в работе. Данные химические реакции осуществляются в связи с тем, что водородные связи в молекуле воды слабее ковалентных связей образующихся в результате окисления и при температуре около 600-700 С и выше окислительные реакции углеводородов с парами перегретой воды происходят очень интенсивно, что доказано теорети чески и экспериментально в Институте теплофизики СО АН им. С.С. Кутате-ладзе [154].
Несколько возрастают «потери» энергии в виде теплоты связанные с увеличением теплоёмкости рабочего тела Qmem, но это касается только пятого и шестого тактов рабочего процесса, в связи с увеличением в нём (рабочем теле) массовой доли воды. При этом увеличившаяся теплоёмкость рабочего тела позволит отдавать энергию в виде теплоты стенкам цилиндра в меньшей степени, а в период впрыска и испарения воды в цилиндре наоборот, забирать часть энергии от нагретых стенок. Материал стенок цилиндра обладает меньшей теплоёмкостью, чем вода. Всем известно свойство воды охлаждать тела, испаряясь с их поверхности. Принимая во внимание сказанное выше, можно утверждать что доля теплоты уходящая с ОГ тоже уменьшится.
Сравнение показателей циклов предлагается производить по индикаторным показателям. Индикаторные показатели позволяют оценить степень преобразования подведенной теплоты в полезную работу внутри цилиндров и эффективность использования рабочего объема цилиндров, определяются либо расчетом, либо экспериментально по снятой индикаторной диаграмме давления газов в цилиндре за время рабочего цикла. Индикаторная работа
Основные этапы математического моделирования поршневых ДВС
Исходя из накопленного опыта, можно считать, что математическое моделирование включает в себя ряд этапов. 1 этап — постановка задачи исследования, решение которой должно быть получено посредством математического моделирования. На этом этапе опреде ляется объект изучения. Однако этого недостаточно, ибо любой объект изучения, любой процесс неисчерпаемы в своих свойствах и отношениях (связях). Поэтому следует в соответствии с задачами исследования и конкретными условиями выделить из них наиболее существенные, исследование которых должно привести к достижению поставленных целей. 2 этап — разработка математической модели. Специалисты в области разработки математических моделей утверждают, что составление математиче ской модели — творческий процесс, который нельзя уложить в рамки конкрет ных рекомендаций. Тем не менее, анализ накопленного опыта позволил вы явить определенные принципы построения математических моделей поршне вых две.
В простейших случаях это может быть непрерывное воспроизведение одного параметра. Например, при моделировании индикаторной диаграммы— это последовательное воспроизведение значений давления газа в цилиндре. Определенный интерес представляют работы по автоматизации некоторых операций, связанных с разработкой математических моделей. Отметим, что успешные разработки автоматизированного составления математических моделей поршневых ДВС возможны только после разработки структуры и основных принципов построения системы математических моделей из модулей с последующим составлением и накоплением модульных математических моделей на всех уровнях иерархии. 3 этап — выбор или разработка численного метода, реализующего разработанную математическую модель. 4 этап — проверка математической модели на адекватность. 5 этап — исследование на математической модели. Все вычислительные эксперименты по заранее намеченному плану проводятся на разработанной математической модели. 6 этап — рассмотрение вопроса о переносе полученных на математической модели данных на реальный объект изучения и об использовании полученной информации в практической деятельности. Процессы математического моделирования ДВС разнообразны и вряд ли могут быть представлены какой-то конкретной универсальной последовательностью действий, справедливой для всех случаев. Поэтому рассмотрим одну из возможных последовательностей работ по математическому моделированию рабочих процессов, протекающих в поршневом ДВС, которая используется в МВТУ им. Н. Э. Баумана (рис. 3.1).
Представленная на рис. 3.1 последовательность работ при математическом моделировании, предусматривающая 12 стадий, является одновременно и типичной и условной. Типичной она является, поскольку в ней представлены основные действия, выполняемые при математическом моделировании рабочих процессов в поршневых ДВС. Условность ее заключается в том, что в ряде случаев эта последовательность может быть сокращена или дополнена в зависимости от постановки задачи исследования и наличия информации на начальной стадии исследования
Следует учитывать, что на практике часто вопросы, входящие в состав различных стадий, решаются одновременно, и стадии бывает трудно разделить. Кроме того, при разработке и реализации математической модели, как правило, приходится возвращаться назад к уже пройденным стадиям и снова решать вопросы, относящиеся к ним. Причем такие циклы могут повторяться многократно. Например, в случаях, когда на стадии «Проверка адекватности» выявляется неадекватность математической модели поставленным при исследовании задачам, приходится возвращаться к стадии «Схематизация процесса» и по-новому производить упрощение действительного процесса или возвращаться к стадии «Подбор и получение экспериментальных данных» и уточнять экспериментальную информацию.
Стадии 1, 2 и 3 соответствуют 1 этапу математического моделирования, стадии 4, 5, 6 и 7— 2 этапу, стадия 8 — 3 этапу, стадия 9— 4 этапу, стадия 10 — 5 этапу и стадии 11 и 12 — 6 этапу
Программа и методика экспериментального исследования
Программа проведения экспериментального исследования была составлена в соответствии с задачами, решению которых посвящена настоящая работа, и включала три этапа. Перед началом натурных испытаний на каждом из этапов проводилась проверка работоспособности всех приборов, систем и измерительной аппаратуры стенда. На первом этапе в ходе натурного эксперимента решалась задача проверки работоспособности ШД, определения влияния параметров процесса впрыскивания воды на величину показателя политропы процесса сжатия рабочего тела в цилиндре ШД, на изменение дымности и токсичности ОГ, а также получение математической модели, описывающей взаимосвязи между 109 перечисленными выше показателями с помощью полиномиальных аппрок-симационных уравнений. Второй этап проведения экспериментов предполагал решение системы уравнений, описывающих внутрицилиндровые процессы в ШД, компьютерное моделирование этих процессов и проверку адекватности разработанной модели. На третьем этапе экспериментального исследования был изучен рабочий процесс ШД, с использованием разработанной математической модели проводился анализ влияния параметров впрыскивания воды и выбор сочетания с целью получения наилучших значений: - среднего индикаторного давления; - литровой индикаторной мощности; - удельного индикаторного расхода воды; - удельного индикаторного расхода топлива; - индикаторного КПД ШД. Расчетные оптимизированные данные проверялись на экспериментальной установке
Для оценки влияния параметров впрыска воды в цилиндр ШД на величину показателя политропы процесса сжатия рабочего тела в цилиндре двигателя, на изменение дымности и токсичности ОГ, был использован статистический метод планирования эксперимента, в основе которого лежала идея "черного ящика" [25, 29, 49, 56, 57]. Под "черным ящиком" понимается принцип изображения процессов в виде кибернетической модели с входными управляемыми, контролируемыми и неконтролируемыми факторами (рис. 4.5)Рис. 4.5. Кибернетическая модель процессов в цилиндре утилизационного двигателя
Такой кибернетический подход позволяет на основании экспериментальных данных не только построить математическую модель процесса, связывающую функции отклика с варьируемыми факторами, но и управлять им при недостаточном знании самого происходящего явления.
На рассматриваемом этапе исследования устанавливалась зависимость шести функций отклика: частоты вращения вала ШД, величины показателя политропы процесса сжатия рабочего тела в цилиндре ШД, степеней снижения концентрации СО, СН, NOx в ОГ, их дымности, приведенных к оксиду углерода, от трёх факторов: давления впрыскивания воды в цилиндр ШД (Рвпр) - (xi); количества впрыскиваемой воды в цилиндр ШД (gB) - (х2); момента начала впрыскивания воды в цилинд При планировании данного эксперимента ставилась задача определения математических моделей в виде уравнений второго порядка, адекватно описывающих изменение функций отклика в зависимости от перечисленных выше факторов. Для определения коэффициентов управлений был реализован экспериментальный план Хартли на гиперкубе (близкий по своим статистическим характеристикам D-оптимальному плану [29]).
Согласно плану эксперимента (матрица планирования которого приведена в табл. 4.6) было проведено 27 опытов.
При этом исследуемый двигатель, как сложная техническая система, был представлен в виде нескольких подсистем (блоков), имеющих внутренние и внешние связи. Каждая подсистема, в свою очередь, была разделена на более мелкие элементы, и так до необходимого уровня детализации (см. приложение). Все подсистемы были синхронизированы между собой с помощью внутренних часов.
Все расчеты в полученной модели производились методом Рунге-Кутта 4-го порядка точности, который обеспечивает наилучшее сочетание точности и скорости расчета. Максимальный шаг моделирования выбирался равным 0,0005 секунды; модельное время 7 секунд. Выбранной величины модельного времени достаточно для получения стабильных индикаторных диаграмм и индикаторных показателей. Начальные приближения вычислялись автоматически или вводились вручную. Относительная погрешность расчета устанавливалась на уровне 0,1 %.
Для подтверждения адекватности разработанной математической модели с ее помощью рассчитывали среднее индикаторное давление цикла по исходным данным для 27 режимов (см. табл. 4.6) работы ШД.
Результаты выполненного расчета сравнивали с данными, полученными на основании обработки экспериментально полученных индикаторных диаграмм.
Экспериментальные значения среднего индикаторного давления цикла определяли по формуле
