Введение к работе
Актуальность. Одним из приоритетных направлений совершенствования современных комбинированных ДВС является ужесточение требований к их экономичности, мощности и экологическим показателям, а также к надежности и устойчивости их работы. Комбинированные ДВС находят свою область применения, и являются основой коммерческого транспорта (дизели) или создают условия для повышенной энергоотдачи в определенном классе транспортных средств (бензиновые ДВС). При этом как в первом, так и во втором случае, подача топлива осуществляется с помощью форсунок (инжекторов), управляемых с помощью специальных систем автоматического управления.
Современное состояние данного вопроса заключается в создании замкнутых адаптивных и самонастраивающихся систем управления ДВС. Интенсивные исследования по созданию подобных систем ведутся примерно с начала 1990-х годов. Разработке алгоритмов управления ДВС, когда решается одновременно несколько задач управления (стабилизация скорости вращения вала, снижение токсичности и т.д.), способствует создание нелинейных математических моделей с переменными параметрами, которые более адекватно отражают процессы, протекающие в двигателе.
Очевидно, что системам управления приходится работать в условиях, когда характер переходного процесса заранее не является определенным, и тогда нет уверенности, что управление обеспечит оптимальное качество и последовательности рабочих процессов, и всему переходному режиму в целом. Это означает, что должны проводиться исследования, направленные на изучение особенностей переходных режимов произвольного характера, задаваемого так же произвольным сочетанием изменения положений регулирующих органов (топливоподача, углы опережения впрыска, зажигания, фазы газораспределения и др.), а также величин внешнего нагружающего момента.
При этом нелинейные динамические модели становятся своего рода имитатором не только работы ДВС на переходных режимах, но и практически источником априорной информации о возможных нелинейных свойствах ДВС.
Учитывая, что в основном эти важные научные направления продолжают развиваться, актуальность диссертационного исследования представляется существенной.
Объектом исследования является бензиновый четырехцилиндровый двигатель ЗМЗ–4062.10 с штатной микропроцессорной системой управления впрыском топлива и зажигания (безнаддувный вариант и образец, оснащенный турбокомпрессором).
Предметом исследования являются рабочие процессы, нестационарные режимы и эффективные показатели ДВС.
Целью работы является разработка научно обоснованной методики для повышения эффективных мощностных и энергетических показателей объекта исследования за счет выбора управления регулирующими органами, обеспечивающего требуемые характеристики нестационарного режима.
Задачи диссертационного исследования.
1) Выполнение анализа работ по теме диссертационного исследования и направленного на выявление степени актуальности выбранного направления работ.
2) Разработка нелинейной динамической модели комбинированного ДВС, представляющей собой полную систему уравнений для ДВС и системы газотурбинного наддува (ГТН) и включающей уравнения для рабочих процессов в объемах двигателя и турбокомпрессора (ТК), а также уравнения движения для подвижных механических элементов, в том числе ротора ТК.
3) Проведение экспериментальной проверки и оценка точности разработанной математической модели.
4) Разработка компьютерной программы для выполнений необходимых вычислительных экспериментов.
5) Разработка методики теоретического формирования (синтезирования) переходных режимов произвольной формы с помощью разработанной математической модели и компьютерной программы с целью определения характеристик и эффективных показателей моделируемого ДВС на соответствующих переходных режимах.
6) Выявление закономерностей формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов на основе предварительно выявленных особенностей нелинейного динамического поведения математической модели ДВС.
Методы исследования – экспериментально-теоретические, основанные на выполнении стендовых испытаний ДВС, использовании теории рабочих процессов ДВС, положений теории нелинейных колебаний и методов теории управления поршневых и комбинированных двигателей, математического моделирования динамических систем, вычислительной математики, обработки результатов эксперимента.
Научная новизна результатов работы заключается в:
– содержании математических моделей комбинированных ДВС, относящихся к классу нелинейных динамических моделей и позволяющих выполнять математическое моделирование произвольных нестационарных режимов;
– разработке методики синтезирования произвольных переходных режимов и расчета эффективных параметров ДВС как величин, зависящих от времени и номера цикла;
– выявлении закономерностей формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
– разработаны рекомендации для выполнения численного моделирования переходных режимов произвольной конфигурации и описывающего типовые элементы сложных последовательностей нестационарной работы комбинированного ДВС;
– построен комплекс компьютерных подпрограмм (функций), обеспечивающих формирование переходных режимов произвольной конфигурации.
Положения, выносимые на защиту:
– содержание методики формирования (синтезирования) произвольных переходных режимов и расчета эффективных параметров ДВС как величин, зависящих от времени и номера цикла;
– результаты вычислительных и натурных экспериментов, подтверждающих адекватность построенных математических моделей, а также закономерности формирования параметров переходных режимов в зависимости от временных характеристик изменения положения регулирующих органов ДВС.
Личный вклад автора. Автор выполнил построение математической модели турбокомпрессора, написание соответствующих функций для программы расчета нестационарных режимов ДВС, сделал построение аппроксимаций характеристик турбокомпрессора. Автор принимал участие в выполнении экспериментальных работ, связанных с построением временных рядов давления в цилиндре объекта исследования и обработкой результатов. Автором проведен анализ публикаций по теме диссертационного исследования, как российских, так и зарубежных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях аспирантов и магистрантов, профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», на международных выставках и конкурсах, в том числе на городском конкурсе профессионального мастерства «Тульские мастера», на 9-м Международном конкурсе-выставке «Expo-Science Europe 2012», а также в материалах международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные науки сегодня», проходившей в г Москве 25-26 июля 2013 г.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 4 печатные работы, из них 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 116 страниц машинописного текста, 23 рисунка, 5 таблиц и состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 81 отечественных и иностранных источников, и приложения.
