Реализация заданных характеристик впрыскивания топлива путем оптимизации конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры Морозов, Юрий Валентинович

Введение к работе

Дизели - важнейшая составляющая часть энергетического комплекса. Топливная аппаратура (ТА) относится к наиболее ответственным агрегатам дизеля. Улучшение топливной экономичности путем разработки, проектирования новых и совершенствования существующих ТА составляет сущность важной научной проблемы.

Известно, что значительное влияние на экономичность рабочего процесса двигателя оказывают характеристики подачи и впрыскивания топлива. Расчетные алгоритмы достаточно широко используются при проектировании топливной аппаратуры, так как они позволяют значительно удешевить процесс доводки новых конструкций.

Использование результатов прямого расчета подачи топлива - от конструктивно-регулировочных и режимных параметров к определению конечных показателей - не дает значительного эффекта при проектировании ТА. Для реализации наперед заданных характеристик впрьіскиваїшя недостаточно наличия прямых методов расчета подачи топлива. Для этого необходим обратный метод расчета - от конечных показателей до определения конструктивно-регулировочных и режимных параметров. Существующие обратные методы расчета топливной аппаратуры дизеля существенно зависят от структуры топливной аппаратуры, от принятой математической модели рабочего процесса и не имеют универсальности. Их трудно использовать для создания универсального алгоритма реализации заданных характеристик впрыскивания топлива.

Для решения рассмотренной научной проблемы необходима разработка метода определения конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры дизеля с целью реализации заданных характеристик подачи и впрыскивания топлива. Такой метод должен отличаться многофакторностью, универсальностью при решении разных задач, должен быть реализован в расчетном программном комплексе для ЭВМ.

Автором разработан и доведен до практичного использования метод, который отвечает этим условиям и используется для проектирования нових и усовершенствования существующих ТА. Этот метод приведен в поданной на защиту диссертации. Он позволяет определить необходимые конструктивно-регулировочные параметры ТА по заданным характеристикам впрыскивания. Также описан программный комплекс для реализации этих теоретичних положений. Це определяет актуальность диссертационной работы, позволяет в общей характеристике ее квалифицировать как актуальную, направленную на решение значительной научно-технической проблемы, кото-

рая имеет важное прикладное значение.

Диссертация выполнена в соответствии с планами Украинской государственной академии водного хозяйства, где работает соискатель.

Цель и основные задачи исследования

Цель - разработка метода определения конст^пуктивно-^тЛ1^Л/ли^повочных параметров топливной аппаратуры дизеля по заданным характеристикам впрыскивания. Дня ее достижения определены такие основные задачи:

1. Разработка схемы решения многофакторной оптимизационной задачи с использованием современных методов расчета процесса подачн топлива и планирования многопараметровых экспериментов.

2. Обоснование и разработка программного комплекса для ЭВМ, который обеспечил бы оптимизацию конструктивно-регулировочных параметров ТА.

3. Проведение расчетной реализации заданных характеристик впрыскивания для конкретных конструкций ТА.

4. Разработка рекомендаций с использованием программных комплексов для разработки новых и модернизации существующих конструкцій ТА.

Научная новизна полученных результатов

5. Впервые получен метод и алгоритм решения задачи оптимизации конструктивных параметров топливной аппаратуры по заданным законам впрыскивания топлива с ограничениями на продолжительность впрыскивания, цикловую подачу, максимальное давление впрыскивания, остаточное давление, максимальные контактные напряжения и т.д.

6. Впервые предложен метод обобщения взаимосвязи между параметрами и показателями топливной аппаратуры дизеля с использованием уравнений множественной нормализованной линейной регрессии (УМНЛР) для решения задачи синтеза топливной аппаратуры.

7. Предложен и использован новій метод выбора точек для расчетного эксперимента из многомерного гиперкуба пространства параметров топливной аппаратуры с одновременным изменением уровней всех параметров без повторения.

8. Впервые разработан программный комплекс, который позволяет проводить гидродинамические расчеты процесса впрыскивания, обработку их результатов для получения уравнений регрессии и оптимизацию конструктивно-регулировочных параметров.

Практическое значение полученных результатов Теоретическая ценность диссертационной работы определяется новыми методиками и алгоритмами расчетного исследования, которые позволяют оптимизировать конструктивные параметры топливной аппаратуры в соответст-

вий с заданным законом впрыскивания. Практическая ценность диссертационной работы определяется программами для ЭВМ, которые реализуют проведение гидродинамического (ГД) расчета по предложенному плану эксперимента, обрабатывают результаты ГД расчетов для получения уравнений множественной нормализованной линейкой регрессии (УМНЛР), оптимизируют конструктивно-регулировочные параметри ТА для получения заданных ее показателей, а также определяется результатами расчетных исследований ТА ряда дизелей. В работе:

1. Установлено, что для описания характера взаимосвязи между по
казателями впрыскивания топлива и конструктивними, регулировочными и
режимными параметрами возможно использование уравнений линейной нор
мализованной множественной корреляции. При этом снимаются ограничения
на количество рассмотренных параметров.

2. Разработаны схемы решения обратной задачи - определение рациональных значений конструктивних и регулировочных параметров по заданігьім интегральным и дифференциальным характеристикам процесса подачи топлива.

3. Установлена возможность объективной комплексной оценки влияния отдельных конструктивно-регулировочных параметров топливной аппаратуры на показатели впрыскивания топлива путем определения долы вклада каждого параметра в уравнение регрессии для конкретного показателя в определенных интервалах изменения значений параметров.

4. За оптимальний было принято решение, которое обеспечило минимизацию суммы модулей невязок между фактическим и заданным законами подачи.

5. Представлены результаты расчетных исследований топливной аппаратуры ряда дизелей, из которых следует, что:

1. Для адекватного описания многомерного пространства показателей и параметров у уравненіш регрессии обобщенный коэффициент корреляции уравнения должен составлять не меньше 0,80.

2. Погрешность аппроксимации в уравнениях регрессии относительно входной информации (результаты гидродинамических расчетов) изменяется в зависимости от значения обобщенного коэффициента корреляции в пределах 5...10%.

6. Приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований, ко
торые позволили:

6.1. Обосновать возможность реализации достаточной точностью необхо-

димых характеристик впрыскивания в ТА дизелей при оптимальном профилировании кулачкового валя.

2. Уменьшить продолжительность впрыскивания в топливной аппаратуре тепловозного дизеля ПДГ1М с 53 до 33 поворота коленчатого вала при необходимом уровне давления впрыскивания топлива.

3. Установить, что при адаптации ТА дизеля ПДГ1М к режиму газодизеля возможно обеспечение постоянной подачи запальной порции топлива в объеме 5 % от номинального значення при номинальной мощности.

Уровень реализации, внедрения научных разработок Реализация научных разработок осуществлена путем расчетных исследований топливной аппаратуры ряда дизелей:

1. Топливной аппаратуры дизеля ЧН13/14 (НИКТИД, г. Владимир) по заданию ЦНИТА.

2. Опытной топливной аппаратуры разработки ЦНИТА для тракторного дизеля.

3. Топливной аппаратуры дизеля 6ЧН-31,8/33 с целью улучшения ее основных показателей для улучшения топливной экономичности.

Результаты научных, исследований были переданы ЦНИТА в 1988... 1990 годах для использования и внедрения.

Результаты исследований в виде программных комплексов для персонального компьютера приняты в 1995 году к использованию и внедрению в научно-техническом предприятии "Конструкторское бюро среднеоборотных двигателей" при ГП "Завод им. В. А. Малышева". Они используются также в учебном процессе для студентов специальности "Автомобили и автомобильное хозяйство" при чтении курса "Автомобильные двигатели" в Украинской государственной академии водного хозяйства. Внедрение теоретических и практических разработок подтверждено актами внедрения. Личный вклад соискателя

При выполнении диссертационной работы лично соискателем получены новые теоретические и практические результаты, которые и выносятся на защиту.

4. Разработаны основные положения по использованию нормализованной множественной корреляции для установления комплексной взаимосвязи между показателями впрыскивания и конструктивно-регулировочными параметрами топливной аппаратуры, с использованием УМНЛР, которые описывают показатели впрыскивания топлива.

5. Предложены схемы реализации заданных характеристик впрыскивания топлива: путем решения системы линейных уравнений относительно показа-

телей; с оптимизацией параметров градиентно-статистическим методом, в том числе с выбором профиля кулачкового вала.

3. Разработаны алгоритмы и программы для программных комплексов,
которые позволяют проводить гидродинамические расчеты процесса впры-

ний регрессии и оптимизацию конструктивно-регулировочных параметров.

4. Приведены результаты расчетно-экспернментальных исследований с
помощью программных комплексов на ЭВМ, которые позволили:

1. Обосновать возможность реализации с достаточной точностью дифференциальных характеристик впрыскивания ТА дизелей при оптимальном профилировании кулачкового вала.

2. Уменьшить продолжительность впрыскивания в топливной аппаратуре тепловозного дизеля ПДГ1М с 53 до 33 поворота коленчатого вала при заданном уровне давления впрыскивания топлива.

3. Установить, что при адаптации ТА дизеля ПДГ1М к режиму газодизеля возможно обеспечение стабильной подачи запальной порции топлива в объеме 5 % от номинального значения при номинальной мощности.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на таких конференциях и семинарах: третья тематическая научная конференция по вопросам конструирования и эксплуатации топливоподающих систем автотракторных дизелей (Саратов, СИМСХ, 1977 г.); ежегодные научно-исследовательские конференции МАДИ (1988, 1990 гг.); научно-технические конфереїздшіУИИВХ (1986, 1989, 1992, 1995); научно-технический семинар "Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей" (Ленинград-Пушкин: 1986, 1987, 1990 и 1996 гг.); второй республиканский семинар по вопросам улучшения показателей тепловых двигателей ТГАА (г.Мелитополь, 1996 г.).

Публикации

По результатам исследований, которые вошли в диссертацию, опубликовано 16 работ, в т.ч. 1 монография (один автор), 7 статей в научных журналах, 7 статей в сборниках научных трудов, 1 тезисы конференции.

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит титульный лист, содержание, перечень условных обозначения, вступление, шесть разделов, выводы, список использованных источников и 3 приложения. Полный объем диссертации 289 стр. текста, в т.ч. 40 таблиц, 49 рисунков, 129 наименований списка использованных источников и 5 стр. приложений.