Содержание к диссертации
Введение
1. Методы моделирования рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. Современное состояние вопроса и постановка задачи 7
1.1. Использование методов моделирования при исследованиях рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания
1.2. Применение регрессиоонного моделирования при исследованиях двигателей внутреннего сгорания
1.3. Использование регрессионных моделей в ходе доводки рабочего процесса дизелей
1.4. Постановка задачи исследования 19
2. Методика использования регрессионных моделей при совершенствовании рабочего процесса дизелей 22
2.1. Разработка алгоритма и программы построения регрессионных моделей рабочего процесса 22
2.2. Методика построения регрессионных моделей 35
2.3. Выводы по главе
3. Разработка регрессионных моделей рабочего процесса малооборотных дизелей
3.1. Экспериментальные исследования рабочего процесса малооборотных дизелей 51
3.2. Корреляционный анализ параметров рабочего процесса малооборотных дизелей
3.3. Построение регрессионных моделей рабочего процесса 71
3.4. Исследование рабочего процесса малооборотных дизелей в широком диапазоне эксплуатационных режимов нагружения с помощью регрессионных моделей
3.5. Обобщенные универсальные характеристики малооборотных дизелей
3.6. Номографирование регрессионных моделей
Регрессионные модели процесса тепловыделения малооборотных дизелей 122.
4.1. Обобщенная кривая тепловыделения для режима длительной эксплуатационной мощности малооборотных дизелей
4.2. Регрессионная модель процесса тепловыделения в цилиндрах малооборотного дизеля
4.3. Выводы по главе 138
Применение регрессионного моделирования при совершенствовании рабочего процесса малоборотных дизелей 133
5.1. Регрессионная модель, используемая при доводке рабочего процесса дизеля
5.2. Разработка мероприятий, направленных на совершенствование рабочего процесса дизеля
5.3. Экспериментальная проверка рекомендаций по совершенствованию рабочего процесса дизеля 151
5.4. Статистический анализ влияния конструктивных факторов на рабочий процесс дизеля
5.5. Выводы по главе І6Ч
Заключение 166
Список использованных источников 172
Приложение 182
- Использование методов моделирования при исследованиях рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания
- Разработка алгоритма и программы построения регрессионных моделей рабочего процесса
- Экспериментальные исследования рабочего процесса малооборотных дизелей
- Обобщенная кривая тепловыделения для режима длительной эксплуатационной мощности малооборотных дизелей
- Регрессионная модель, используемая при доводке рабочего процесса дизеля
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС предусматривается дальнейшая интенсификация экономики, улучшение потребительских и технико-экономических свойств, совершенствование конструкций продукции машиностроения, поставлены задачи проведения всемерной экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов всеми отраслями народного хозяйства. В соответствии с программой ГКНТ СССР по решению проблемы 0.13,07 в нашей стране ведется большая работа по созданию двигателей внутреннего сгорания (ДВС), отличающихся улучшенной топливной экономичностью.
Решение поставленных задач в области двигателестроения предполагает как создание новых перспективных двигателей внутреннего сгорания, так и совершенствование существующих, значительное улучшение их технико-экономических характеристик. Повышение топливной экономичности, увеличение удельной мощности и ресурса работы, снижение токсичности отработанных газов и другие улучшения важнейших показателей работы ДВС достигаются за счет совершенствования рабочего процесса двигателей. Интенсификация доводочных работ позволяет наиболее быстрым и экономичным путем обеспечивать требуемое улучшение технико-экономических характеристик двигателей. Это делает актуальной проблему разработки методов повышения эффективности доводочных работ, уменьшения сроков доводки и обеспечения высокой экономичности процесса исследований.
При решении задач по совершенствованию рабочего процесса малооборотных судовых дизелей, отличающихся уникальными размерами и мощностью, целесообразно применять расчетные методы исследований. Математические методы исследования находят в настоящее время широкое применение в самых различных областях машиностроения. Эти методы заменяют дорогостоящие натурные экспериментальные работы расчетными, которые позволяют сократить затраты на исследования, экономить материалы, ускорять время разработок, оценивать аварийные ситуации, оперировать параметрами, непосредственный контроль которых при натурных испытаниях затруднен или даже невозможен, и многое другое. В конечном счете, использование математических методов позволяет конструктору принять оптимальное решение наиболее быстрым и экономичным путем. Это и предопределило необходимость применения таких методов для интенсификации проектирования и доводки двигателей внутреннего сгорания.
Новые возможности для этого открыло широкое применение в последние десятилетия электронно-вычислительных машин, обладающих высоким быстродействием и большим объемом оперативного запоминающего устройства. Появились методики, позволяющие расчетным путем определять характер различных процессов, протекающих в двигателе, механические и температурные напряжения в его деталях, организацию газообмена, процесса сгорания, рассчитывать динамику двигателя и многое другое.
Разработка методик, позволяющих моделировать организацию рабочего процесса в цилиндрах двигателей, всегда стояла при этом на одном из первых мест. Этому вопросу посвящено большинство опубликованных работ по расчетным исследованиям, доводке и проектированию двигателей внутреннего сгорания, так как именно рабочий процесс определяет такие важнейшие технико-экономические показатели любого двигателя, как удельный расход топлива, среднее индикаторное давление, мощность, максимальное давление цикла, жесткость работы, расход воздуха, токсичность отработанных газов и другие.
Использование методов моделирования при исследованиях рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания
Под моделированием обычно подразумевается процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с той или иной целью /I/. Таким образом, моделирование - это процесс, включающий как конструирование, т.е. создание модели, так и аналитическое применение этой модели для решения конкретной проблемы. При этом модель реальной системы, в частности - дизеля, является представлением исследуемого объекта в некоторой форме, отличной от формы существования системы. Модель служит средством, помогающим достоверно ответить на вопрос о поведении дизеля при изменении каких-либо условий (например, таких, как режим работы, конструкция отдельных узлвв и деталей, условия эксплуатации и т.п.) без проведения натурных экспериментов. Модель, следовательно, может принимать разнообразные формы, но наиболее важной и широко распространенной является математическая модель, выражающая посредством совокупности уравнений существенные черты изучаемой системы.
В настоящее время существует ряд математических моделей, описывающих рабочий процесс в цилиндре дизеля /2, 3, 4, 5 и др./. Зти модели базируются на современных термодинамических представлениях о рабочем процессе ДВС и успешно применяются при решении самых различных задач по исследованиям двигателей внутреннего сгорания. Рабочий цикл дизеля может быть с высокой точностью описан с помощью системы дифференциальных уравнений. Например, метод ЦНИДИ /3/ в качестве математической модели использует систему четырех уравнений: закон сохранения энергии, скорость изменения количества чистого воздуха и чистых продуктов сгорания в цилиндре на основании двух уравнений массового баланса и уравнение состояния для содержимого цилиндра в произвольный момент времени. Такая система описывает рабочий процесс с учетом обратных течений (забросов) газа и при различном характере протекания продувки цилиндра. Система уравнений решается на ЭВМ в численном виде, поэтому подобные модели получили название методов "численного моделирования". Численное моделирование представляет собой воспроизведение текущих параметров, количества и состава рабочего тела в цилиндре путем непрерывного итерационного решения на ЭВМ при заданных начальных и граничных условиях систем дифференциальных уравнений, описывающих рабочий процесс. Большая сложность этих моделей объясняется трудностью установления взаимосвязей между многочисленными определяющими факторами и выходными параметрами дизеля, сложностью происходящих в двигателе процессов. Кроме того, характеристики рабочего цикла во многом зависят от процессов наполнения и очистки цилиндра, конструкции системы наддува и осуществления теплоотвода от рабочего тела. Поэтому дальнейшее развитие методов численного моделирования связано с учетом все большего количества факторов, влияющих на работу ДВС.
Разработка алгоритма и программы построения регрессионных моделей рабочего процесса
Регрессионные модели строятся по результатам экспериментальных исследований дизеля, проводимых в ходе доводочных испытаний. Модели могут иметь различную структуру и рассматривать то или иное множество переменных. При выборе конкретной модели необходимо учитывать, для чего нужна получаемая по данной математическиой модели информация и какой ценой она достигается. чем точнее модель описывает исследуемый процесс, тем выше степень достоверности получаемых результатов. Следовательно, вид и структура регрессионной модели, используемой при решении задач по совершенствованию рабочего процесса дизелей, зависят от цели исследований. Модель должна прогнозировать изменение параметров объекта испытаний при внесении в него тех или иных конструктивных изменений, направленных на улучшение его технико-экономических характеристик. При этом модель, с одной стороны, должна охватывать все важнейшие факторы, которые могут изменить свою величину после реализации того или иного конструктивного мероприятия, а с другой - необходимо, чтобы модель была достаточно простой и могла быть реализована на мини- ЭВМ для обеспечения наибольшей интенсивности выполнения расчетов. Кроме того, метод построения регрессионных моделей должен предусматривать минимальный объем экспериментальных исследований, так как осуществление каждого опыта в ходе доводочных испытаний МОД требует значительных материальных затрат. Регрессионная модель должна давать количество информации, необходимое и достаточное для решения задач в соответствии с поставленной целью, т.е. позволять производить сравнение вариантов организации рабочего процесса исследуемого дизеля.
Основой для разработки искомых математических моделей является программа построения регрессионных моделей рабочего процесса дизелей.
В регрессионном анализе предполагается, что имеется возможность неоднократно контролировать совокупность независимых факторов X , X ...,Х и их значения совместно с множеством исследуемых параметров у у у ,..., ут . Задача регрессионного анализа - вычисление оценок математических ожиданий параметров у- для каждого конкретного набора численных величин Х /56, 57, 58, 59/. Регрессионный анализ позволяет построить зависимость величины у- от переменных Х- в виде математической функции и дает различные статистические оценки ее точности.
Экспериментальные исследования рабочего процесса малооборотных дизелей
Современные транспортные дизели,в особенности судовые, работают при переменных значениях нагрузки и частоты вращения.
Причем, как правило, диапазон изменения нагрузок и частот вращения весьма широк /78/. Соответственно значительно изменяются и параметры рабочего процесса. Режим работы главного судового дизеля определяется зависимостью мощности, потребляемой гребным винтом, от числа оборотов, т.е. свойствами потребителя энергии, а не самим двигателем. В эксплуатации свойства потребителя энергии могут отклоняться от теоретической винтовой характеристики, например, при движении судна в битом льду, при буксировке, при неполной загрузке, обрастании корпуса и пр. Поэтому экспериментальные исследования малооборотных дизелей, результаты которых являются основной для построения регрессионных моделей рабочего процесса, должны охватывать весь допустимый диапазон варьирования эксплуатационных режимов работы дизелей типа ДКРН. В этом случае регрессионные модели окажутся пригодными не только для описания режима длительной эксплуатационной мощности, но и для оценки параметров рабочего процесса исследуемого семейства двигателей внутреннего сгорания в широкой области изменения нагрузочных режимов.
Эффективность использования экспериментальных данных су щественным образом зависит от выбранного плана эксперимента, т.к. именно он в значительной мере определяет как порядок статистического анализа его результатов, так и успешность разрешения поставленной задачи. Поэтому необходимо принимать такой план исследований, который позволит получить необходимую информацию при минимальных затратах.
В настоящее время для решения различных задач предложено большое число планов /I, 72/. Среди них можно отметить, например, центральный композиционный двухуровневый план второго порядка, специально разработанный для построения регрессионных уравнений з виде квадратичных полиномов и позволяющий хорошо аппроксимировать плавно изменяющиеся зависимости. Также можно эффективно использовать и другие виды рототабельных планов, которые представляют собой правильные геометрические фигуры на факторной плоскости.
Вид плана зависит в первую очередь от числа опытов, которые проводятся за время, ОТЕОДИМОЄ для исследований. Например, для планов полного факторного эксперимента, гексагонального и второго порядка в случае двух определяющих факторов требуется соответственно четыре, семь и девять опытов. Если имеется возможность увеличить количество опытов, применяются более сложные планы с бо льшим числом уровней квантования каждого фактора.
Обобщенная кривая тепловыделения для режима длительной эксплуатационной мощности малооборотных дизелей
При проведении работ по доводке рабочего процесса дизелей с целью повышения оперативности выполнения расчетных исследований с использованием методики численного моделирования целесообразно задавать закон тепловыделения в виде обобщенной кривой, пригодной для описания процесса тепловыделения в цилиндрах ряда малооборотных дизелей семейства ДКРН. Такой подход позволяет с достаточной для решения практических задач точностью моделировать рабочий процесс дизеля как на стадии проектирования, так и на первых этапах выполнения доводочных работ, когда для данного двигателя еще экспериментально не определены характеристики процесса тепловыделения.
Для построения обобщенной кривой необходимо исследовать процесс тепловыделения в цилиндрах серийных малооборотных дизелей типа ДКРН. При этом повышенная точность подбора коэффициентов в формуле (4.1) обеспечивается за счет использования математических методов обработки результатов экспериментальных исследований.
В таблице 4.1 приведены результаты моделирования рабочего процесса номинального режима работы дизеля 6ДКРН 67/140-4 при задании различных законов тепловыделения. Анализ представленных результатов показывает, что наиболее существенное влияние форма кривой тепловыделения оказывает на величину удельного расхода топлива. Изменение коэффициента /77 всего на 0,01 (менее I #) уже сказывается на величине (L-(варианты 1и 2), Уменьшение условной продолжительности горения на 2 п.к.в. приводит к некоторому увеличению максимального давления цикла и значительному сокращению расхода топ еще на 8 п.к.в., вариант 5, приводит к падению JL почти на 5 г/кВт.ч , т.е. неточность в задании LP на 10 п.к.в. приводит к погрешности определения удельного индикаторного расхода топлива на 5-7 г/кВт .ч. Одновременное изменение коэффициентов Ш и LPна сравнительно небольшую величину (менее 4 %), варианты 6 и 7, приводит к отклонению расчетного значения GL. на 3 г/кВт.ч. Таким образом, ошибка в задании формы кривой тепловыделения затрудняет получение достоверных количественных оценок параметров рабочего процесса. Стремление повысить точность расчетов приводит к необходимости более подробного анализа характера изменения процесса тепловыделения на различных режимах работы рассматриваемой группы дизелей.
Регрессионная модель, используемая при доводке рабочего процесса дизеля
Регрессионная модель рабочего процесса дизеля 6ДКРН 67/140-4 приведена выше (см. табл. 3.16), однако для решения конкретных задач данную модель целесообразно расширить, включив в нее уравнения, описывающие изменение тех параметров процесса, которые необходимо исследовать в соответствии с задачей, решаемой в ходе доводочных работ. Целью совершенствования рабочего процесса дизеля 6ДКРН 67/140-4 являлось улучшение его топливной экономичности и обеспечение согласования расходных характеристик двигателя и турбокомпрессора. В связи с этим регрессионная модель должна включать уравнения, позволяющие исследовать влияние параметров наддува и газообмена на показатели рабочего процесса.
Регрессионная модель (см. табл. 3.16) была дополнена зависимостями, позволяющими исследовать влияние угла начала тепловыделен , углов начала конца выпуска, угла начала открытия продувочных окон эффективного проходного сечения турбины и давления наддува на показатели рабочего процесса дизеля 6ДКРН 67/140-4. Для построения соответствующих полиномов при-менена 1/8 реплика от полного факторного эксперимента 2 с целью иметь возможность при необходимости получить регрессионные уравнения второго и даже третьего порядка.
