Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Системы электронного управления топливоподачей как средство улучшения эксплуатационно-технических показателей дизелей тепловозов 19
1.1. Направления и тенденции развития систем управления дизель-генераторами тепловозов 19
1.2.Режимы работы дизельных двигателей дизель-генераторов тепловозов 44
1.3. Типы систем топливоподачи дизелей транспортного назначения 48
1.4. Обоснование необходимости управления углом опережения впрыскивания топлива в дизелях транспортного назначения 52
1.5. Разработанные системы управления углом опережения впрыскивания топлива транспортных дизелей 59
1.6. Цель работы и задачи исследования 67
ГЛАВА 2. Разработанные системы электронного управления топливоподачей дизелей. расчетные исследования процесса топливоподачи 71
2.1. Разработанные системы электронного управления топливоподачей дизелей 71
2.2. Методики расчета процесса топливоподачи дизелей 94
2.3. Расчетные исследования процесса топливоподачи дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи
2.4. Выводы по второй главе 126 Стр.
ГЛАВА 3. Расчетные исследования рабочего процесса дизельного двигателя с электронным управлением топливоподачей 129
3.1. Обоснование необходимости расчетных исследований рабочего процесса дизеля, оснащенного системой топливоподачи с электронным управлением 129
3.2. Программные комплексы для моделирования рабочего процесса дизелей 131
3.3. Методика проведения расчетных исследований рабочего процесса дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи 148
3.4. Анализ результатов расчетных исследований рабочего процесса дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи 153
3.5. Выводы по третьей главе 157
ГЛАВА 4. Расчетные исследования системы электронного управления топливоподачей 161
4.1. Статические и динамические характеристики систем электронного управления дизелей 161
4.2. Методика расчета ограничительной характеристики тепловозного дизель-генератора 164
4.3. Методика оценки динамических свойств системы электронного управления топливоподачей 171
4.4. Выводы по четвертой главе 192
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования дизельного двигателя с системой электронного управления топливоподачей 196
5.1. Обоснование необходимости экспериментальных исследований дизеля, оснащенного системой топливоподачи
с электронным управлением 196 Стр.
5.2. Методика проведения экспериментальных исследований дизеля, оснащенного штатной и опытной системами топливоподачи 198
5.3. Результаты экспериментальных исследований дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи 204
5.4. Выводы по пятой главе 215
ГЛАВА 6. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
ТЕПЛОВОЗА, ОБОРУДОВАННОГО СИСТЕМОЙ
ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧЕЙ 218
6.1. Особенности системы электронного управления топливоподачей, установленной на тепловоз при проведении его эксплуатационных испытаний 218
6.2. Методика проведения эксплуатационных испытаний 226
6.3. Результаты эксплуатационных испытаний тепловоза, оборудованного системой электронного управления топливоподачей 228
6.4. Выводы по шестой главе 239
ГЛАВА 7. Оценка эффективности использования системы электронного управления топливоподачей тепловозного дизеля 242
7.1. Обоснования необходимости разработки методики оценки эффективности использования системы электронного управления топливоподачей тепловозного дизеля 242
7.2. Методика оценки эффективности использования системы электронного управления топливоподачей тепловозного дизеля 244 Стр.
7.3. Результаты оценки эффективности использования системы электронного управления топливоподачей тепловозного дизеля 248
7.4. Выводы по седьмой главе 250
Основные выводы и заключение
По диссертационной работе 252
Список литературы
- Типы систем топливоподачи дизелей транспортного назначения
- Расчетные исследования процесса топливоподачи дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи
- Методика проведения расчетных исследований рабочего процесса дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи
- Методика оценки динамических свойств системы электронного управления топливоподачей
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время совершенствование силовых установок тепловозов (СУ) чаще всего связано с применением новых конструкционных материалов, технологий, конструкторских решений и систем электронного управления. Применение электронного управления процессами в СУ тепловозов позволяет не только на порядок повысить точность реализации заданных характеристик, но и обеспечить их стабильность в течение длительного периода эксплуатации. В большинстве известных примеров применения электронного управления на тепловозах разработчики тщательно копируют применявшиеся ранее законы управления процессами в силовых установках. Это позволяет получить определенный технико-экономический эффект, однако не раскрывает широкий спектр возможностей технического совершенствования эксплуатационных характеристик силовых установок за счет применения электронного регулирования.
В диссертации рассмотрена проблема совершенствования технико-экономических характеристик дизель-генераторов тепловозов путем совершенствования законов управления процессом топливоподачи, нагрузкой тягового генератора, наддувом в установившихся и переменных режимах тяговой работы тепловозов с целью снижения расхода топлива и повышения надежности работы установки. В связи с продолжающимся истощением мировых запасов нефти, дефицитом нефтепродуктов и высокими ценами на моторные топлива решение проблемы снижения расхода топлива является весьма актуальным. Немаловажным аспектом решения поставленной проблемы является возможность совершенствования экологических показателей тепловозных дизелей посредством электронного управления процессом топливоподачи. Серийные отечественные системы топливоподачи не в полной мере реализуют требуемые законы управления топливоподачей и по этой причине не позволяют обеспечить заметное снижение выбросов в атмосферу нормируемых токсичных компонентов отработавших газов (ОГ).
Таким образом, необходимо проведение комплекса исследований, направленных на разработку систем электронного управления топливопо-дачей, определение оптимизированных характеристик управления, оценку влияния этих характеристик на показатели топливной экономичности и токсичности ОГ, определение динамических свойств системы электронного управления топливоподачей, оценку эффективности использования этой системы в условиях реальной эксплуатации тепловозных дизелей. Результаты таких исследований могут быть использованы при создании отечественных электронных систем управления топливоподачей, обеспечивающих перспективные требования к токсичности ОГ и показателям топливной экономичности тепловозных дизелей при достижении требуемых динамических свойств этих систем.
Цель работы: улучшение эксплуатационно-технических характеристик дизель-генераторов тепловозов путем создания и совершенствования систем электронного управления.
Объект исследования: системы электронного управления дизель-генераторами тепловозов.
Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. При теоретических исследованиях использованы методы теории рабочего процесса дизелей и теории автоматического регулирования и управления. Уравнения математических моделей решались с использованием современных аналитических и численных методов. Результаты теоретических исследований сопоставлялись с результатами испытаний тепловозного дизеля на моторном стенде и в условиях реальной эксплуатации, полученными автором, а также с опубликованными данными других авторов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработаны системы электронного управления топливоподачей с им
пульсным управлением электрогидравлическим клапаном, обеспечиваю
щие реализацию оптимизированных законов подачи топлива и характери
стик изменения угла опережения впрыскивания в тепловозном дизеле;
разработаны новые подходы к созданию алгоритмов управления силовых установок тепловозов, реализующих оптимальное управление частотой вращения и мощностью дизель-генераторов при работе на установившихся и переходных режимах работы.
разработана уточненная методика расчета топливоподачи дизеля на базе программного комплекса (ПК) ВПРЫСК, созданного в МГТУ им. Н.Э. Баумана, позволяющая оценить особенности этого процесса в дизелях, оснащенных системами электронного управления топливоподачей с импульсным управлением электрогидравлическим клапаном;
- разработана методика расчета ограничительной характеристики тепло
возного дизель-генератора, базирующаяся на определении требуемой цик
ловой подачи дизельного топлива на каждой позиции контроллера в пере
ходном процессе при переводе позиции контроллера с низшей на высшую
с обеспечением требуемого качества переходного процесса;
разработана методика оценки динамических свойств системы электронного управления топливоподачей, базирующаяся на построении амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик электронного регулятора частоты вращения и определении собственной частоты колебаний частоты вращения двигателя, суммарного фазового сдвига и ориентировочного заброса частоты вращения при сбросе номинальной нагрузки;
в сравнительных экспериментальных исследованиях тепловозного дизеля на моторном стенде выявлена возможность улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ при использовании системы электронного управления топливоподачей с импульсным управлением электро-2
гидравлическим клапаном, обеспечивающей управление углом опережения впрыскивания топлива;
в эксплуатационных испытаниях тепловоза, оборудованного системой электронного управления топливоподачей с импульсным управлением электрогидравлическим клапаном, подтверждена работоспособность и эффективность этой системы в реальных условиях эксплуатации;
разработана методика оценки эффективности использования системы электронного управления топливоподачей, базирующейся на определении эксплуатационных затрат при распределении режимов работы, характерном для дизельных двигателей маневровых тепловозов.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
использованием фундаментальных законов и уравнений теории рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания и теории автоматического регулирования и управления, современных численных и аналитических методов реализации математических моделей;
совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований и применением при оценке адекватности математических моделей достоверных опытных данных, полученных при испытаниях на развернутом двигателе в стендовых условиях и при эксплуатационных испытаниях тепловоза с системой электронного управления топливоподачей;
положительным опытом эксплуатации тепловозов, оснащенных электронными системами управления, реализующими разработанные в диссертации характеристики и алгоритмы.
Практическая ценность состоит в том, что:
разработанная система электронного управления топливоподачей с импульсным управлением электрогидравлическим клапаном, позволяющая значительно снизить расход топлива, установлена и эксплуатируется на ряде отечественных маневровых тепловозов;
уточненная методика расчета топливоподачи дизеля позволяет оценить особенности этого процесса в дизелях, оснащенных системами электронного управления, и с достаточной для практики точностью решать задачи проектирования таких систем для отечественных тепловозных дизелей;
проведенные экспериментальные исследования дизеля, оснащенного системой электронного управления топливоподачей с импульсным управлением электрогидравлическим клапаном, подтвердили эффективность использования этой системы в отечественных тепловозных дизелях;
проведенные расчетные исследования рабочего процесса дизеля, оснащенного системой импульсного управления электрогидравлическим клапаном, с использованием ПК ДИЗЕЛЬ-РК, созданного в МГТУ им. Н.Э. Баумана, подтвердили влияние закона подачи на показатели топливной экономичности и токсичности ОГ и возможность использования этого ПК для исследования дизеля с системой электронного управления;
разработанная методика расчета ограничительной характеристики тепловозного дизель-генератора позволяет профилировать указанную характери-
стику с целью ее формирования разработанной системой электронного управления топливоподачей;
- разработанная методика оценки динамических свойств системы электрон
ного управления позволяет определить собственную частоту колебаний ча
стоты вращения двигателя, суммарного фазового сдвига и ориентировочно
го заброса частоты вращения при сбросе номинальной нагрузки;
проведенные эксплуатационные испытания тепловоза, оборудованного системой электронного управления топливоподачей с импульсным управлением электрогидравлическим клапаном, подтвердили возможность заметного снижения расхода топлива в реальных условиях эксплуатации;
разработанная методика оценки эффективности использования системы электронного управления топливоподачей позволяет определить эксплуатационный расход топлива при реальном распределении режимов работы двигателей маневровых тепловозов;
- разработано программное обеспечение, реализующее предложенные авто
ром характеристики и алгоритмы управления для отечественных дизель-
генераторов тепловозов.
Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы управления составили основу созданных под руководством автора серийных электронных регуляторов частоты вращения и мощности типа ЭРЧМ30Т, которые установлены и эксплуатируются на тепловозах ЧМЭ3, ТЭМ2, ТЭМ18Д, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 и 2ТЭ25 в количестве более 2000 единиц. Разработаны опытные системы электронного управления топливоподачей для ряда тепловозных и автотракторных дизелей, включая дизели, адаптированные к работе на природном газе. Системы электронного управления топливопода-чей серийно установлены на 160 единицах тепловозов ТЭМ2, ТЭМ18Д и ЧМЭ3. Опытный экземпляр системы установлен на тепловозе 2ТЭ116. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» и кафедры «Локомотивы» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения». Результаты работы внедрены в опытное проектирование и опытное производство ЗАО «Форант-Сервис» (г. Ногинск). Результаты работы реализованы в Филиале «Дирекция тяги» ОАО «РЖД» (г. Москва), ОАО «Коломенский завод» (г. Коломна), ОАО «Пензадизельмаш» (г. Пенза), Государственном объединении «Белорусская железная дорога» (г. Минск).
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертации обсуждались:
на заседании кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2016 г.);
на международном симпозиуме «Образование через науку», посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2005 г.);
на межотраслевой научно-технической конференции «Современные про-4
блемы развития поршневых ДВС», посвященной 75-летию кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок СПбГМТУ (Санкт-Петербург, 2005 г.);
на международной научно-технической конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2007 г.);
на II Международной научно-технической конференции «Локомотивы. XXI век», Государственный университет путей сообщения императора Александра Первого (Санкт-Петербург, 2014 г.);
- на заседаниях Всероссийского научно технического семинара (ВНТС) им.
проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теп
лоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им.
Н.Э. Баумана (Москва, 2005-2016 г.г.);
- на III Международной научно-технической конференции «Локомотивы.
XXI век», Государственный университет путей сообщения императора
Александра Первого (Санкт-Петербург, 2015 г.).
Публикации. По теме диссертации изданы монография и 23 научные статьи, в том числе 16 из них опубликованы в журналах, включенных в перечень ВАК рецензируемых ведущих научных журналов и изданий. Также по теме диссертации опубликовано 10 материалов конференций. Получено 5 патентов на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов по диссертационной работе, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 321 страница, включая 281 страницы основного текста, содержащего 72 рисунка, 34 таблицы. Список литературы включает 237 наименований на 25 страницах. Приложение на 40 страницах содержит листинги исходных данных для расчета рабочего процесса дизеля и листинги результатов расчета рабочего процесса, а также документы о внедрении результатов работы.
Типы систем топливоподачи дизелей транспортного назначения
Линия АF представляет собой характеристику мощности механических потерь в дизеле и потерь, связанных с обеспечением работы силовой установки на тепловозе (вентиляторы охлаждения теплоносителей и электрических машин, вспомогательный генератор, насосы, тормозной компрессор и т.п.). В зависимости от режимов работы ординаты линии АF могут меняться, однако для нашего рассмотрения это обстоятельство не имеет принципиального значения.
Разность ординат линий СD и AF - свободная мощность двигателя. Разность ординат линий BE и АF представляет собой заданную (назначенную) скоростную характеристику - мощность, передаваемую на вал тягового генератора, в зависимости от частоты вращения в установившихся режимах тяги.
При работе на любой фиксированной /-той частоте вращения коленчатого вала справедливо соотношение: Nll = NТl+NBCl+NГ (1.1) где Ni - индикаторная мощность; NТ - мощность трения в двигателе; AfВСz -мощность агрегатов тепловоза; NГ - мощность на фланце тягового генератора. С учетом теплоты сгорания топлива и параметров дизеля получим: ни q І(ОдЛп2тl(ln) = NТ + NBCi + NГ, (1.2) где Ни - низшая удельная теплотворная способность топлива, Дж/кГ; qцi -цикловая передача топлива при /-той частоте вращения, кг/цикл; щ -индикаторный КПД дизеля; Z - число цилиндров дизеля; т - коэффициент тактности (1 и 2 для двух- и четырехтактных дизелей). Равенства (1.1) и (1.2) отражают условие статического равновесия двигателя. При переходе с одной позиции контроллера на другую машинист сначала перемещает контроллер управления частотой вращения, а затем после достижения дизелем заданной угловой скорости ОдІ+І) вторым контроллером устанавливает требуемую мощность генератора ИГ+іу В переходном процессе соотношение (1.2) приобретает вид: Ни q ІСОдЛп21 171)= NТi + NBCi + NГ + h (DдidСОдгldt С1 -3) где I - суммарный момент инерции вращения вала двигателя и присоединенных агрегатов, кг-м2; фы - угловая скорость вращения коленчатого вала, с"1. Графически этот процесс можно изобразить следующим образом. Допустим необходимо изменить режим работы с юы, Ри на тд(і+1), Рі(і+1) (точка 1, Рис. 1.1). Ускорение d(Dд I dt возникает за счет увеличения цикловой подачи топлива регулятором таким образом, чтобы индикаторная мощность увеличилась на величину Щ =h(Dдi dG)дildt- (L4)
На Рис. 1.1 это отрезок 1-5. По мере роста угловой скорости сод будут увеличиваться все составляющие правой части уравнения (1.2). Схематично это можно отобразить следующим образом. Так как возбуждение тягового генератора не изменялось, мощность генератора будет изменяться пропорционально угловой скорости (отрезок 1-3, Рис. 1.1).
В интервале изменения угловой скорости от СОд до coд(i+i) можно принять, что мощность трения в дизеле и мощность агрегатов тепловоза также пропорциональны угловой скорости. На Рис. 1.1 изменение этой составляющей - отрезок 3-4, соответствующий отрезку 8-9. Суммарная индикаторная мощность дизеля в переходном процессе условно показана отрезком 5-6 (Рис. 1.1). При достижении заданной угловой скорости сод(1+1) индикаторная мощность снизится на величину Ni =I 6)д{i+\) dG)д{i+\)ldt (L5) и будет соответствовать ординате точки 4 (Рис. 1.1). Изменяя возбуждение генератора, машинист приведет индикаторную мощность в соответствие с заданной для данной угловой скорости коленчатого вала (отрезок 4-7, Рис. 1.1). Мощность агрегатов тепловоза может изменяться на 50-60%, точность поддержания заданной угловой скорости у гидромеханических регуляторов находится в пределах ±4%, поэтому установленная машинистом мощность двигателя может отличаться от заданной на 8-10%.
Для низкофорсированных дизелей такая точность регулирования была вполне приемлемой, так как между заданной (линия ВЕ, Рис. 1.1) и внешней (линия СD) характеристиками имеется достаточно большой запас и при изменении скоростного режима увеличение мощности на величину Ni не выходит за допустимую границу (линия СD). При последующем развитии тепловозной тяги [90, 159, 160, 168, 200] от применения подобных систем отказались, так как в экстремальных ситуациях машинист не в состоянии совмещать управление движением поезда с управлением силовой установкой.
Расчетные исследования процесса топливоподачи дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи
Необходимым условием достижения современных показателей дизельных двигателей транспортного назначения является дальнейшее повышение эффективности процессов топливоподачи, впрыскивания и распыливания топлива, предопределяющих его эффективное сгорание [40, 95, 99]. В результате показатели топливной экономичности и токсичности ОГ дизелей в значительной степени зависят от характеристик процесса топливоподачи: закона подачи и его фаз (в том числе – от угла опережения впрыскивания топлива), давлений впрыскивания (максимального и среднего), формы внешней скоростной характеристики, ряда других параметров и характеристик [89, 98, 222]. В связи с этим важное значение имеют конструктивные особенности системы топливоподачи, соответствующей системы управления топливоподачей, формируемые этой системой характеристики процесса топливоподачи [29, 89, 186, 224].
Как отмечено в первой главе диссертации работа транспортных дизелей в эксплуатационных условиях характеризуется частыми и резкими изменениями скоростных и нагрузочных режимов. Частая смена режимов работы характерна и для дизельных двигателей маневровых тепловозов. Такая смена режимов тепловозных дизелей приводит к ухудшению качества их рабочих процессов. Это обусловлено тем, что современные дизели представляют собой комбинированную установку, в состав которой входят несколько разнородных систем, взаимодействующих между собой в процессе работы. Это системы топливоподачи, воздухоснабжения, охлаждения и др. При создании такой комбинированной установки индивидуальные характеристики перечисленных систем удается согласовать лишь на каком-то одном режиме (чаще номинальном). На других режимах эта согласованность нарушается, что приводит к ухудшению качества рабочих процессов дизеля и, как следствие, к снижению его экономических и экологических показателей. Обеспечить такую поднастройку характеристик систем дизеля в процессе его работы при смене режимов и изменении условий эксплуатации возможно с использованием различных систем автоматического регулирования и управления (САР и САУ).
В ряде проведенных исследований показано, что внедрение микропроцессорных САР и САУ позволяет существенно улучшить показатели топливной экономичности и токсичности ОГ [29, 98, 222, 232, 234]. В частности, замена штатного гидромеханического регулятора частоты вращения электронным регулятором, воздействующим на дозирующую рейку топливного насоса высокого давления (ТНВД), позволяет снизить эксплуатационный расход топлива на 8-12% за счет снижения неравномерности частоты вращения [189]. Еще большей эффективностью обладают системы управления, которые наряду с поддержанием требуемого скоростного режима, выполняют и ряд других функций, в частности – реализуют оптимизированные характеристики основных параметров двигателя (в том числе – оптимизированных характеристик процесса топливоподачи). Таким образом, применение микропроцессорных систем автоматического управления является эффективным средством снижения эксплуатационного расхода топлива и выбросов с ОГ токсичных веществ в дизелях различного назначения [29, 66, 83, 222]. Используются они и в дизельных двигателях маневровых тепловозов, эксплуатирующихся на режимах с большим диапазоном изменения скоростных и нагрузочных режимах. Производственно-промышленное предприятие ООО «ППП Дизельавтоматика» (г. Саратов) на протяжении многих лет занимается разработкой, изготовлением, исследованием, доводкой и внедрением различных САР и САУ [4, 52, 53, 100-106, 137, 138, 146, 148-150, 189-199, 212-216]. При этом разработаны различные варианты таких систем для ряда тепловозных дизелей, а также для дизелей автотракторного назначения. Ряд систем управления создано для дизелей, работающих на альтернативных топливах (в частности, на природном газе) [54, 149, 150, 212]. Далее рассмотрим некоторые из этих разработанных систем электронного управления топливоподачей дизелей [189].
Для регулирования частоты вращения дизелей, в том числе и для автотракторной техники, разработаны электронные системы управления для разделенных систем топливоподачи, работающие по схеме, приведенной на Рис. 1.13,а (смотри первую главу диссертации). В этой системе применяют исполнительные устройства, воздействующие на дозирующую рейку ТНВД. Разработаны исполнительные устройства типа ЭРУС с работоспособностью 10, 18 и 30 Дж. В их конструкции удалось оптимизировать массогабаритные показатели и КПД. Данные электронные системы вместе с исполнительными устройствами были переданы дизелестроительным заводам для проведения испытаний, и в дальнейшем конструкция исполнительных устройств была реализована в системах электронного управления транспортных силовых установок и дизель-генераторов.
ООО «ППП «Дизельавтоматика» (Саратов) разработаны исполнительные устройства типа ЭРУС с работоспособностью 10 Дж для первичного преобразования электрических сигналов в электрогидравлических устройствах микропроцессорных систем управления тепловозных дизелей. На Рис. 2.1 представлена структурная схема САР тепловоза с регулятором типа ЭРЧМ30Т, на Рис. 2.2 – схема исполнительного устройства регулятора типа ЭРЧМ30Т.
Методика проведения расчетных исследований рабочего процесса дизеля со штатной и опытной системами топливоподачи
Выбор того или иного программного комплекса для моделирования рабочего процесса обусловлен как конструктивными особенностями исследуемого дизельного двигателя, так и теми задачами, которые необходимо решить при расчетных исследованиях. Немаловажное значение имеют также время, необходимое для расчета рабочего процесса, и точность полученных расчетных данных. При этом определяющим фактором является наличие необходимого компьютерного оборудования и степень его загрузки.
Современное программное обеспечение для моделирования и оптимизации рабочего процесса дизелей весьма разнообразно. Значительные усилия передовых научных центров сосредоточены на развитии технологии Computational Fluid Dynamic (CFD), реализующей трехмерное моделирование течения газа и впрыскиваемого топлива в цилиндрах и коллекторах ДВС. Рассматриваемые элементы двигателя разбиваются на большое количество ячеек (300…600 тыс.), в каждой из которых решается система уравнений сохранения массы, энергии, количества движения. В процессе расчета моделируются процессы испарения, сгорания и образования вредных веществ. Наибольшей популярностью пользуются программы: KIVA (Los Alamos), FIRE (AVL), VECTIS (Ricardo), STAR-CD (Computational Dynamics Ltd.) [31, 86]. Значительные усилия предпринимаются для организации расчета в них эмиссии сажи, NOx и CO. Однако утверждать, что эта задача решена, пока преждевременно. Достоверность результатов расчета, как правило, недостаточная для практических нужд. Существенным недостатком технологии CFD на сегодняшний день является трудоемкость расчетов и необходимость использования суперкомпьютеров. Время счета одного варианта составляет десятки и даже сотни часов. Подготовка квалифицированным специалистом данных для одного варианта расчета занимает несколько дней. Инженерная оптимизация процесса ДВС с расчетом сотен и тысяч вариантов конструкций пока невозможна, хотя эти программы с успехом используются для других целей, например, для доводки газовоздушного тракта ДВС.
Наряду с технологией CFD традиционно существует и развивается другой подход – термодинамический или феноменологический, использующий 0- и 1-мерные представления. Мировыми лидерами популярности здесь являются программы BOOST (AVL), WAVE (Ricardo), GT-Power (Gamma Technologies). Из отечественных разработок, доведенных до коммерческого исполнения, следует назвать программы ИМПУЛЬС и ВОЛНА (ЦНИДИ), ДИЗЕЛЬ-2/4т (МГТУ им. Н.Э. Баумана). Конкурирующие между собой программы BOOST, WAVE и GT-Power представляют собой весьма совершенные разработки, в частности, для отработки газовоздушного тракта и подбора агрегатов наддува. Для работы такой программы достаточно процессора Pentium. Для расчета сгорания эти программы используют методики, базирующиеся на уравнениях, предложенных еще в 1962 г. И.И. Вибе, или на более поздних, но аналогичных подходах. Все зарубежные программы позволяют пользователям подключать свои подпрограммы для расчета процесса сгорания. Но именно моделирование смесеобразования и сгорания представляет собой основную проблему при разработке таких программ. В лучшем случае, применяются расчетные методы, каким-либо образом учитывающие характеристику впрыскивания и мелкость распыливания, среднее расстояние от сопел до стенки и турбулизацию заряда. В частности, в последней версии программы ИМПУЛЬС (ЦНИДИ) и ранних версиях программы ДИЗЕЛЬ (МВТУ им. Н.Э. Баумана) реализована методика расчета сгорания, опубликованная профессором Н.Ф. Разлейцевым в 1980 г. и являвшаяся в то время самой передовой из существующих методик [136]. В американской программе GT-Power, в качестве дополнительной к модели И.И. Вибе, реализована модель сгорания профессора Х. Хироясу (H. Hiroyasu), в которой рассматривается развитие свободной струи.
Для моделирования рабочего процесса дизеля с различными системами топливоподачи использован программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК, разработанный в МГТУ им. Н.Э. Баумана и предназначенный для расчетных исследований рабочих процессов двух- и четырехтактных ДВС без наддува и с турбонаддувом [85, 86, 227, 228]. В состав программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК включена программа визуализации процесса смесеобразования, которая отображает результаты расчета развития топливных струй и образованных струями пристеночных потоков. Анализ наглядного изображения подвижной картины развития топливных струй при проведении компьютерной оптимизации смесеобразования позволяет контролировать количество топлива, попадающего в характерные зоны камеры сгорания (КС), и добиваться его наивыгоднейшего распределения по объему КС.
Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК прошел проверку на двигателях разной размерности, быстроходности и назначения и показал хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных. В частности, некоторые результаты экспериментальных и расчетных исследований дизеля типа СМД-60 (6 ЧН 13/11,5), проведенных с использованием программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК, представлены на Рис. 3.1.
Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК позволяет проводить расчетные исследования рабочего процесса практически любых ДВС. Использование математических моделей, отражающих сущность физических процессов, происходящих в двигателе, позволяет получить высокую точность результатов численного эксперимента. Опыт использования программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК применительно к двигателям разного размера и назначения показал, что программа позволяет проводить расчеты без трудоемкой предварительной настойки используемых коэффициентов на конкретный двигатель. Правильно настроенная математическая модель комбинированного ДВС позволяет при идентичных эмпирических коэффициентах производить весьма точный расчет различных режимов работы двигателей, включая режимы малой мощности.
Методика оценки динамических свойств системы электронного управления топливоподачей
Вместе с тем возможности современных механических и гидромеханических регуляторов дизелей ограничены, поэтому совершенствование САУ дизелем идет по пути использования электронных регуляторов на микропроцессорной базе. С применением электронных регуляторов САУ дизелями выходят на новый, качественно более высокий уровень, на котором целью управления становятся не просто стабилизация частоты вращения выходного вала двигателя с ограниченной коррекцией необходимых параметров, а комплексная оптимизация работы дизельного двигателя как основного элемента энергетической установки. При этом появляется возможность взаимосвязанной оптимизации скоростного и нагрузочного режимов работы силовой установки [5, 59, 64, 65, 91, 111, 161].
Современные показатели топливной экономичности и токсичности ОГ тепловозных дизелей могут быть достигнуты с использованием именно таких САУ и САР. При этом необходимо формирование оптимизированных характеристик топливоподачи (закона и фаз подачи), включая характеристики угла опережения впрыскивания топлива. Наилучшими функциональными возможностями по формированию характеристик топливоподачи обладают топливные системы с электромагнитным клапаном, установленным в линии высокого давления (после ТНВД или в форсунке, см.
Работа систем автоматического управления (САУ) дизелей характеризуется статическими и динамическими характеристиками, реализуемыми этими системами на установившихся и неустановившихся режимах [29, 73, 75, 179]. Совокупность установившихся режимов работы дизеля описывается статическими характеристиками. При определении целесообразных статических характеристик какого-либо параметра двигателя необходима оптимизация его значений в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя с учетом показателей топливной экономичности и токсичности ОГ [29, 80, 98]. Как отмечено выше, преимуществом использования микропроцессорных САР является возможность формирования оптимизированных статических характеристик различных параметров двигателя и его систем, в частности характеристик топливоподачи.
Важнейшим критерием работоспособности САР и САУ являются их динамические свойства. Эти свойства оценивают по динамическим характеристикам – переходным процессам и частотным характеристикам, которые можно получить экспериментально или построить при наличии математической модели САР и САУ [29, 73, 130, 156]. Такое математическое описание обычно приводит к системе дифференциальных уравнений, каждое из которых описывает отдельный элемент, входящий в функциональную схему САР и САУ [42, 66, 106, 172].
Существенное влияние на динамические свойства комбинированных двигателей оказывают характеристики системы газотурбинного наддува [29, 73, 221]. Эти характеристики должны быть учтены при разработке динамических математических моделей дизеля и САУ в целом [75, 81, 82, 141]. Инерционность системы газотурбинного наддува приводит к изменению динамических свойств комбинированного двигателя [77, 174, 176]. В частности, при смене режимов работы таких двигателей может наблюдаться недостаток воздуха на переходных режимах, дымление двигателя, ухудшение динамических свойств САУ. Такое ухудшение рабочего процесса приводит к увеличению расхода топлива и ухудшению экологических показателей комбинированного двигателя в переходном процессе [10, 29, 57, 108, 109]. Эти особенности двигателей с газотурбинным наддувом отражаются на динамических характеристиках их САУ – на протекании переходных процессов и частотных характеристик [9, 111, 178].
Непременным условием достижения современных показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов (ОГ) дизельных двигателей транспортного назначения является формирование оптимизированных характеристик топливоподачи [98]. Одной из важнейших характеристик топливоподачи для автомобильных и тракторных дизелей является внешняя скоростная характеристика. Эта характеристика ограничивает максимально возможную подачу топлива в широком диапазоне скоростных режимов и оказывает значительное влияние на показатели топливной экономичности и токсичности (ОГ) [29, 76, 98]. Причем форма этой характеристики в значительной степени предопределяет эти показатели не только на установившихся режимах работы, но и в переходных процессах. При выборе внешней характеристики двигателя, а также его других характеристик, необходим учет динамических свойств системы газотурбинного наддува комбинированного двигателя [35, 62, 72, 131, 139, 155, 231].
Актуальна проблема ограничения максимальных подач топлива и для тепловозных двигателей. Расчет ограничительной характеристики тепловозного дизель-генератора сводится к определению требуемой цикловой подачи дизельного топлива на каждой позиции контроллера в переходном процессе при переводе позиции контроллера с низшей на высшую с обеспечением требуемого качества переходного процесса. Полученные ограничительные характеристики должны формироваться системой топливоподачи дизельного двигателя, имеющей систему управления топливоподачей.
Обычно принимается, что при определении подачи топлива в переходном процессе основным ограничительным параметром является дымность ОГ [65]. В этом случае экспериментальным путем производится подбор требуемых значений коэффициента избытка воздуха по визуальному наблюдению дымности ОГ дизеля или по ее экспериментально полученным значениям. Указанные значения коэффициента избытка воздуха обеспечиваются, в первую очередь, путем управления процессом топливоподачи. В данном разделе диссертационной работы предложены дополнительные обоснования по определению ограничений цикловой подачи дизельного топлива в переходном процессе.