Формирование характеристик дизельного двигателя при использовании системы комплексного адаптивного управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Харитонов Сергей Викторович

• Харитонов Сергей Викторович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Харитонов Сергей Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ возможностей формирования характеристик дизельных двигателей современными системами управления

1.1. Требования, предъявляемые к современным дизельным двигателям

1.2. Влияние регулируемых параметров на характеристики двигателя

1.3. Современные методы построения математических моделей для расчёта переходных процессов

1.4. Современные системы управления дизельными двигателями

1.5. Цель работы и постановка задач исследования

Выводы по главе

Глава 2. Система комплексного адаптивного управления дизельными двигателями

2.1. Концепция построения системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями

2.2. Структура системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями

2.2.1. Контур воздействия на подачу топлива

2.2.2. Контур регулирования воздухоснабжения дизеля

2.2.3. Контур регулирования системы охлаждения

2.2.4. Контур регулирования системы нейтрализации отработавших газов

2.2.5. Контур регулирования системы рециркуляции отработавших газов

2.3. Технические и программные средства системы комплексного

адаптивного управления дизелями

Выводы по главе

Глава 3. Расчётное исследование дизеля с системой комплексного

адаптивного управления

3.1. Объект исследования

Стр.

3.2. Математическая модель для расчёта статических и динамических

характеристик дизельного двигателя

3.3. Компьютерная программа, реализующая математическую модель дизельного двигателя

3.4. Формирование статических характеристик дизеля 12 ЧН 26,5/31

3.5. Исследование переходных процессов дизельного двигателя

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальное исследование системы управления

4.1. Безмоторные испытания

4.2. Испытания на одноцилиндровом двигателе ОД500

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование характеристик дизельного двигателя при использовании системы комплексного адаптивного управления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время к двигателям внутреннего сгорания предъявляются всё более строгие требования по экологическим и экономическим показателям. Одним из важнейших путей обеспечения требований к двигателям является использование комплексной системы управления, координирующей работу всех узлов двигателя. Обладая регулирующими воздействиями на системы топливоподачи, воздухоснабжения, охлаждения, рециркуляции и нейтрализации современная система управления позволяет формировать требуемые статические и динамические характеристики двигателя. Создание комплексной системы управления двигателем сопряжено с решением ряда научных и практических задач, включающих разработку математических моделей и компьютерных программ для моделирования установившихся и неустановившихся режимов работы двигателя, определение структуры и алгоритмов функционирования отдельных контуров регулирования, разработку технических и программных средств системы управления. Достаточно остро данная проблема стоит в сфере среднеоборотных дизельных двигателей. Такие двигатели используются в составе судовых, тепловозных и других энергетических установок. При наличии комплексных систем управления у зарубежных производителей отечественные двигателестроительные заводы вынуждены закупать у них интеллектуальные компоненты таких систем. Создание отечественной комплексной системы управления позволит обеспечить импортозамещение для целого ряда стратегических направлений использования дизельных двигателей.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время многие компании, такие как Bosch, Delphi, Woodward, занимаются разработкой и внедрением интеллектуальных систем управления, позволяющих формировать необходимые характеристики двигателей и обеспечивать выполнение заданных требований. В России ведутся научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы в данной области в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», МАДИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЯГТУ, ООО «ППП Дизельавтоматика», ООО

«АБИТ». Следует отметить, что основная часть работ проводится для высокооборотных двигателей автомобильного назначения.

Цель работы. Провести определение параметров и настроек перспективной системы управления для формирования необходимых статических и динамических характеристик среднеоборотного дизельного двигателя.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести поиск и анализ информации в области требований, предъявляемых к современным дизельным двигателям, методов моделирования двигателей, конструктивных и программных решений различных производителей систем управления;

- разработать систему комплексного адаптивного управления дизельными двигателями;

- сформировать функции и алгоритмы программного обеспечения перспективной системы комплексного адаптивного управления;

- разработать математическую модель и компьютерную программу для расчёта статических и динамических характеристик дизельного двигателя с возможностью проведения расчётов в реальном масштабе времени;

- провести расчётные исследования по определению статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя;

- определить первичные калибровки системы управления;

- провести экспериментальные исследования разработанной системы управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель дизельного двигателя и системы управления, в которой, наряду с воздействием на топливоподачу, введено регулирующее воздействие на систему воздухоснабжения двигателя при различных вариантах управления работой агрегатов турбонаддува;

- получены результаты расчётного исследования статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя Д500 (12ЧН 26,5/31), от-

личающиеся учётом комплексного воздействия системы управления на топли-воподачу и воздухоснабжение двигателя для предложенных алгоритмов управления работой турбокомпрессоров;

- получены результаты экспериментального исследования статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя Д500 с разработанной системой управления;

- предложен алгоритм управления турбокомпрессором с турбиной изменяемой геометрии, позволяющий избежать режимов работы компрессора на помпаже.

Методы исследования. В рамках диссертационной работы использованы следующие методы исследования:

- метод анализа информационных источников по направлению исследования;

- метод анализа характеристик двигателя на основе теории рабочих процессов комбинированных двигателей;

- метод расчётного исследования и моделирования характеристик дизельного двигателя;

- метод экспериментального исследования характеристик дизельного двигателя.

Достоверность и обоснованность научных положений. Научные положения диссертации обоснованы использованием математической модели дизельного двигателя, составленной на основе известных физических уравнений и положений теории рабочих процессов комбинированных двигателей. Достоверность научных положений обоснована проверкой результатов, полученных при расчётном исследовании, с данными экспериментального исследования. Экспериментальное исследование проведено на оборудовании и стендах ОАО «Коломенский завод» где они проходят регулярные метрологические поверки. Точность используемого оборудования соответствует поставленным задачам.

Теоретическая значимость работы состоит в создании математической модели дизельного двигателя и системы управления, в которой, наряду с воздействием на топливоподачу, введено регулирующее воздействие на систему воздухоснабжения двигателя при различных вариантах управления работой агрегатов турбонаддува. Математическая модель предназначена для определения

первичных калибровок комплексной адаптивной системы управления, обеспечивающих формирование системой управления необходимых статических и динамических характеристик двигателя.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработана компьютерная программа для расчёта статических и динамических характеристик дизельного двигателя при регулирующих воздействиях системы управления на топливоподачу и воздухоснабжение двигателя;

- для разработанного и изготовленного электронного блока системы комплексного адаптивного управления определены первичные калибровки контуров воздействия на топливоподачу и воздухоснабжение перспективного дизельного двигателя;

- результаты испытаний показали возможность использования разработанных технических решений для импортозамещения в области систем управления дизельными двигателями.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке экспериментального образца системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты расчётного исследования по формированию статических и динамических характеристик дизельного двигателя внедрены на ООО «ППП Дизельавтоматика» для использования при проведении работ по совершенствованию систем управления тепловозными дизельными двигателями.

Личный вклад автора. Проведён поиск и анализ научно-технической и нормативной информации по направлениям: требования, предъявляемые к современным дизельным двигателям; влияние регулирующих параметров на работу систем двигателя; современные методы математического моделирования и программные комплексы для реализации процесса расчёта; системы управления производства ведущих мировых компаний.

В составе рабочей группы разработаны алгоритмы функционирования, технические и программные средства системы комплексного адаптивного управления дизельными двигателями.

Разработана математическая модель и компьютерная программа для расчётного исследования и определения первичных калибровок системы управления.

Проведены расчётные исследования по формированию статических и динамических характеристик перспективного дизельного двигателя и первичных калибровок системы управления.

В составе рабочей группы проведены испытания разработанной системы комплексного адаптивного управления.

Основные положения, выносимые на защиту. Метод формирования математической модели дизельного двигателя для расчёта статических и динамических характеристик при регулирующих воздействиях на топливоподачу и воздухоснабжение двигателя.

Результаты расчётных исследований работы перспективного дизельного двигателя 12ЧН26,5/31 для различных областей применения (тепловозная и судовая энергетические установки).

Результаты испытаний разработанной системы комплексного адаптивного управления на одноцилиндровом отсеке двигателя размерностью 26,5/31.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: заседании кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2017); Всероссийской научно-технической конференции по автоматическому управлению теплоэнергетическими установками (Москва, 2014-2017 гг.); 7-х Луканинских чтениях «Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, 2015 г.); IX Международной научно-производственной конференции «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса» (Пенза, 2015 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестрое-ния» (Самара, 2016 г.); 2-м международном форуме «Instrumental Engineering, Electronics and Telecommunications» (Ижевск, 2016 г.).

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 8 статьях, их них: 3 - в российских изданиях перечня рецензируемых научных журналов

ВАК РФ, 3 - в изданиях, входящих в международную базу цитирования Scopus. Общий объём основных работ - 2,2 печатных листа. С участием автора получено два свидетельства на программы для ЭВМ.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и библиографического списка. Содержит 171 страницу машинописного текста, в том числе 83 рисунка, 15 таблиц. Библиографический список содержит 109 наименований, в том числе 55 на иностранном языке.

Глава 1. Анализ возможностей формирования характеристик дизельных двигателей современными системами управления

1.1. Требования, предъявляемые к современным дизельным двигателям

Разработка и создание современных комбинированных двигателей внутреннего сгорания идёт в условиях жёстко регламентированных технических требований к показателям и характеристикам двигателей, что обусловлено экологической и экономической обстановкой в мире. По сфере применения можно разделить существующие двигатели на следующие крупные категории:

- приводы генераторов переменного тока, работающих на сеть;

- судовые и тепловозные двигатели;

- автотракторные двигатели.

Двигатели транспортных средств работают в широком диапазоне изменения частоты вращения вала и нагрузки как на установившихся, так и на неустановившихся режимах. К данным двигателям применяются наиболее строгие экологические нормативы. Для дизельных двигателей различного назначения введены ограничения на максимально допустимые удельные массовые выбросы по оксидам азота NOx, монооксиду углерода СО, несгоревшим углеводородам CHx и твёрдым частицам.

В Российской Федерации, на данный момент, действуют требования федеральных законов №7-ФЗ и №96-ФЗ, ограничивающие уровень выброса вредных (загрязняющих) веществ [1,2]. Транспортные и иные передвижные средства, выбросы которых оказывают вредное воздействие на атмосферный воздух, подлежат регулярной проверке на соответствие таких выбросов техническим нормативам выбросов (п. 4 ст. 17 Закона N 96-ФЗ). Нормативы и технические регламенты по допустимым выбросам в атмосферу регулярно обновляются. С 2015 года Россия перешла на новое законодательство, в связи с вступлением в Евразийский экономический союз. Основные моменты в нормативах повторяют законодательство Российской Федерации.

Предельно допустимые значения технических нормативов выбросов по двигателям не автомобильного назначения приведены в ГОСТ Р 52408-2005 [3]. Нормируемые параметры приведены в Таблице 1:

Таблица 1 .

Нормируемые параметры по ГОСТ Р 52408-2005.

Технический норматив

Наименование нормируемого параметра и н е £ Назначение удельных средневзвешенных выбросов двигателей

К з о б О дизеля постановленных на производство до 2000 г. постановленных на производство с 2000 г.

Удельный средневзвешенный выброс Тепловозный 18,0 12,0

оксидов азота (N0^, приведённый к N0^ г/(кВтч) р еыох Промышленный 16,0 10,0

Судовой 17,0 (17,0-9,8)*

Удельный средне-

взвешенный выброс р есо Любое 6,0 3,0

оксида углерода (СО),

г/(кВтч)

Удельный средне-

взвешенный выброс углеводородов (СН), р есн Любое 2,4 1,0

приведенный к СН185,

г/(кВтч)

При проведении испытаний на месте установки двигателя измерения выбросов вредных веществ и дымности отработавших газов проводят на установившихся режимах по циклам испытаний по ГОСТ 30574-98 [4]. В основе испытательных циклов для различных типов двигателей заложен универсальный

цикл. Последовательность режимов для универсального цикла испытаний приведена в Таблице 2.

Таблица 2.

Универсальный испытательный цикл.

Номер режима Частота вращения Крутящий момент,

универсального цикла %

1 Номинальная 100

2 75

3 50

4 25

5 10

6 Промежуточная 100

7 75

8 50

9 25

10 10

11 Минимальная холостого хода 0

При проведении испытаний различных двигателей используются специальные циклы с весовыми коэффициентами для требуемых режимов. Так, например, для тепловозных дизельных двигателей испытания проводятся на следующих режимах: 1 (коэффициент 0,25), 8 (коэффициент 0,15), 11 (коэффициент 0,60).

Кроме уже привычных нормативов по токсичным выбросам в настоящее время появилось активное движение на снижение выбросов углекислого газа (га2). Пристальное внимание к выбросам углекислого газа связано с парниковым эффектом. В 2013 году издан указ Президента РФ №752 «О сокращении выбросов парниковых газов» [5], согласно которому необходимо к 2020 году сократить выброс парниковых газов до уровня не более 75% объёма указанных выбросов в 1990 году.

Борьба за снижение общего объёма загрязнения атмосферы привела к появлению новых норм. В автомобильном транспорте утверждена формула для расчёта предельных значений выбросов CO2 [6,7]:

ес02 = 1 3 0 + 0 . О45 7(М - 1 3 72), г/км,

где М - снаряжённая масса автомобиля, кг.

Подобное снижение выбросов возможно при условии снижении общего количества потребляемого топлива или при переходе на альтернативные виды энергоресурсов. Рассматривая привычный дизельный двигатель необходимо отметить возможности по форсированию двигателей за счёт согласованного управления всеми подсистемами. Использование системы комплексного адаптивного управления позволяет оптимизировать режим работы двигателя и снизить потери на привод вспомогательных агрегатов.

На Рисунке 1.1 представлена диаграмма, характеризующая методы снижения выбросов CO2 по данным организации IEA (Международное энергетическое агентство) [8]. Несмотря на значительное влияние прогрессивных технологий по использованию электроэнергии и альтернативных топлив основная часть методов направлена на повышение топливной экономичности двигателей, работающих на обычных видах топлива: дизельном и бензине.

Применение

Применение биотоплив

электротяги и 17%

гибридов _|_

Применение водородных гогшив 14%

Рисунок 1.1. Структура методов снижения выбросов CO2

Одним из основных направлений обеспечения высоких требований по экологии, экономичности и динамическим показателям двигателей транспортных установок является совершенствование систем автоматического управления (САУ) [9-11]. Использование математического моделирования позволяет повысить эффективность исследований по снижению токсичности отработавших газов двигателей [12-13].

1.2. Влияние регулируемых параметров на характеристики двигателя

Электронные блоки современных систем автоматического управления (САУ) могут реализовать множество функций, главное - их сформулировать и обосновать. Создание систем управления дизелями должно проводиться, исходя из обеспечения необходимых характеристик современных комбинированных двигателей, а требования, предъявляемые к САУ, должны формироваться, исходя из требований к двигателям и возможностей воздействия системы управления на параметры рабочего процесса через системы самого двигателя [14-16].

Проблемы реализации необходимых функций САУ возникают не со стороны программы микропроцессорного контроллера, а со стороны датчиков и, особенно, исполнительных устройств и самих агрегатов двигателя - топливной аппаратуры, турбокомпрессоров, нейтрализаторов, управляющих клапанов и их приводов [17-19].

Рассмотрим характерные примеры влияния на показатели экономичности и экологии дизелей параметров рабочего процесса, на которые может оказывать регулирующие воздействия современная САУ.

Прежде всего, система управления должна сформировать требуемую характеристику впрыска топлива. Количество топлива определяется либо задаваемой мощностью, либо задаваемой частотой вращения вала двигателя (скоростью транспортного средства). Для обеспечения требуемых показателей при увеличении мощности двигателя желательно повышать давление впрыска по

определённому закону, что реализуемо в аккумуляторных системах топливопо-дачи.

Как видно из Рисунка 1.2, угол опережения впрыска топлива (УОВТ) оказывает значительное влияние на показатели токсичности отработавших газов и экономичность дизеля [20]. Причём, значения УОВТ должны быть различны на разных режимах работы дизеля.

Современные системы топливоподачи с клапанным управлением предоставляют возможность осуществления многофазного впрыска с формированием вида характеристики подачи топлива. Используются ступенчатая форма основной фазы впрыска и многофазная характеристика с предварительными и последующими за основной фазой подачи топлива импульсами впрысков. Предварительные впрыски влияют на образование токсичных компонентов отработавших газов и уровень шума дизеля, а «пост-впрыски» на такте выпуска используются для повышения эффективности восстановления оксидов азота в нейтра-

Угол опережения впрыска топлива

Рисунок 1.2. Влияние УОВТ на показатели работы двигателя

лизаторе. На Рисунке 1.3 показан один из предлагаемых вариантов формирования характеристики многофазного впрыска топлива на различных режимах работы двигателя, полученный путём оптимизации по показателям эмиссии оксидов азота и сажи.

Применение в современных топливных системах клапанов, задающих характеристику топливоподачи на каждом цилиндре, облегчает реализацию такого способа управления двигателем, как отключение цилиндров и циклов на режимах малых нагрузок. Однако здесь следует учитывать, что эффективность этого метода зависит не только от отключения топливоподачи в цилиндрах, но и от работы системы газораспределения. Причём, влияние системы газораспределения на показатели экономичности и токсичности двигателя гораздо шире -так, может ставиться задача подбора оптимизированных значений фаз газораспределения для различных режимов работы двигателя. Управляющее воздействие на настройку системы газораспределения возможно при наличии соответствующих исполнительных устройств.

100

80

го а

п

£ 60 |_

го X

40

20

ч лА

/ 1 Л/ЛА \ I I л

Г Н -к /

1 - .Л/

1000

2000 3000

Частота вращения, об/мин

4000

Рисунок 1.3. Оптимизированные характеристики впрыска в поле режимов работы быстроходного дизеля

Наряду с топливоподачей, характеристики и параметры комбинированного двигателя, во многом, определяются системой воздухоснабжения. В зависимости от настройки турбокомпрессора характеристики двигателей одной размерности и числа цилиндров могут существенно различаться. Определённой настройкой турбокомпрессора можно путём формирования характеристик подстраивать двигатель под конкретного потребителя энергии и обеспечивать требуемые нормы по показателям токсичности отработавших газов.

Эффективность влияния на давление наддува зависит от способа регулирования турбокомпрессора. Сравнительно просты по конструкторской реализации способы перепуска с помощью клапанов воздуха на выходе компрессора и газов на входе в турбину, однако наибольшие возможности по формированию характеристик турбокомпрессора предоставляет использование турбины изменяемой геометрии с заданием положения лопаток направляющего соплового аппарата турбины. На Рисунке 1.4 приведены результаты оптимизации значений давления наддува для различных режимов работы автомобильного дизеля по частоте вращения и нагрузке при использовании турбины переменной геометрии для одного из возможных критериев оптимальности, включающего показатели экономичности и токсичности отработавших газов [21].

Рисунок 1.4. Оптимизированная характеристика давления наддува

Направленное воздействие на давление наддува для турбокомпрессоров с заметной инерционностью ротора необходимо не только на установившихся, но и на неустановившихся режимах. В процессах резкого увеличения нагрузки на двигатель из-за инерционности турбокомпрессора подача воздуха отстаёт от подачи топлива, что приводит к ухудшению сгорания и снижению всех показателей комбинированного двигателя. Применяют два способа согласования подач воздуха и топлива. При экстенсивном (пневмокоррекция) способе согласования топливоподача растёт в процессах набросов нагрузки постепенно в соответствии с реальным давлением наддува. При интенсивном способе в переходном процессе временно увеличивается подача воздуха либо путём подвода дополнительного воздуха от постороннего источника, либо подводом дополнительной энергии к турбокомпрессору для раскрутки его ротора. Одним из перспективных, но конструктивно более сложных вариантов является подкрутка ротора электрической машиной, которая работает в режиме электродвигателя при разгоне ротора и в режиме генератора при превышении частотой вращения ротора допустимых значений.

При использовании двух впускных клапанов на цилиндр около одного из них устанавливают заслонку, положение которой определяет степень участия клапана в процессе наполнения цилиндра и завихрения потока воздуха. Положение заслонки на различных режимах подбирается из условия достижения заданных норм на токсичность отработавших газов, что иллюстрируется Рисунком 1.5 [22]. Так, например, на режимах малых нагрузок заслонка полностью закрыта, весь поток воздуха проходит через один клапан и обеспечивает максимальную степень завихрения потока.

Одним из способов обеспечения норм на выбросы токсичных компонентов является рециркуляция отработавших газов [23]. Результаты исследований [24], приведённые на Рисунках 1.6 и 1.7, показывают, что выигрыш от использования системы рециркуляции сильно зависит от нагрузки на двигатель. Таким образом, для полезной рециркуляции необходимо задавать определённую величину перепускаемых газов на разных режимах работы дизеля.

Рисунок 1.5. Влияние положения впускной заслонки на образование

токсичных компонентов

Рисунок 1.6. Влияние степени рециркуляции на токсичность отработавших газов в зависимости от нагрузки на двигатель

Система охлаждения комбинированного двигателя является комплексной: охлаждение самого двигателя (блока цилиндров, поршней), охлаждение надувочного воздуха в системе воздухоснабжения, охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции. Результаты исследований показателей работы двигателей при различной температуре охлаждающей жидкости свидетельствуют о целесообразности её изменения в зависимости от режима работы дизеля, прежде всего - от нагрузки [25].

? 5

со

CJ

m

Ol со

1

—(WEGR -т— 10% EGR —*-19*66R -20% EGR

Г ^ S

—•— 25% EGR -1- ——1 - -i

20

40

60

80

Нагрузка на двигатель, %

100

Рисунок 1.7. Влияние степени рециркуляции на токсичность отработавших газов в зависимости от нагрузки на двигатель

Каждая из рассмотренных систем комбинированного двигателя оказывает влияние на показатели экономичности и токсичности. При этом все системы двигателя связаны между собой единым рабочим процессом и влияют друг на

друга. Поэтому при определении требуемых настроек отдельных систем двигателя следует учитывать их взаимное функционирование и взаимодействие. Наибольший эффект даёт комплексное согласованное использование мероприятий по обеспечению требуемых характеристик и параметров комбинированного двигателя. В качестве иллюстрации на Рисунке 1.8 приведены результаты сравнительного анализа эффективности влияния некоторых вариантов комплексных мер по снижению эмиссии токсичных компонентов отработавших газов дизеля [26].

Рисунок 1.8. Сравнительная диаграмма эффективности различных мероприятий по снижению токсичности отработавших газов

Как видно из диаграммы на Рисунке 1.8, комплексное использование настройки УОВТ, рециркуляции и нейтрализации даёт наилучший результат по снижению эмиссии основных газовых токсичных компонентов, но увеличивает образование твёрдых частиц по сравнению с методом уменьшения УОВТ.

Анализ влияния параметров рабочего процесса на характеристики двигателей показывает, что выполнить предъявляемые к современным двигателям требования по показателям экономичности и экологии можно только комплексным воздействием на основные системы двигателя и настройкой параметров этих систем в зависимости от режима работы двигателя. Для реализации воздействий на системы двигателя необходима комплексная адаптивная система управления, формирующая регулирующие воздействия на основные системы двигателя с адаптацией к различным режимам работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Харитонов Сергей Викторович, 2018 год

\ /

45000 30000 15000 0

\

-

\

А ) —

У/

20

40 60 80 t, с

0

20 40 60 80 t, с

Рисунок 3.20. Расчёт переходных процессов

Следует обратить внимание на значительно возросшее время переходного процесса. При частоте вращения на уровне 600 об/мин происходит медленный разгон турбокомпрессоров. До этого момента двигатель работает при давлении близком к атмосферному, так как турбокомпрессоры не развивают достаточной мощности. Если в таком варианте работы двигателя использовать более строгое ограничение коэффициента избытка воздуха, то двигатель не сможет разогнаться выше 600 об/мин. На графиках можно наблюдать долгие периоды нахождения компрессоров на помпаже. Следует заключить, что при использовании нерегулируемых турбокомпрессоров невозможно обеспечить необходимые динамические характеристики.

На Рисунке 3.21 показан результат расчёта переходного процесса при использовании системы регистрового наддува для судового применения двигателя. В таком варианте первый турбокомпрессор работает постоянно, а второй подключается при частоте вращения двигателя более 800 оборотов в минуту. Использование такого метода позволяет направить весь расход отработавших газов в одну турбину, что приводит к более эффективному разгону турбокомпрессора. При работе двигателя на частичных режимах один турбокомпрессор справляется со своей задачей. В ситуациях, когда требуется мощность близкая к номинальной (частоты вращения от 800 до 1000 об/мин), подключается второй турбокомпрессор. В математической модели присутствует взаимное влияние между турбокомпрессорами. Можно наблюдать заметное снижение частоты вращения первого турбокомпрессора в момент подключения и разгона второго. Через некоторое время параметры выравниваются и оба турбокомпрессора начинают работать синхронно. В сравнении с переходным процессом без регулирования турбокомпрессоров значительно уменьшилось время переходного процесса, а также сократилось время пребывания компрессоров на режиме помпажа. Для снижения дымности отработавших газов в следующем расчёте была использована коррекция топливоподачи по наддуву.

Рисунок 3.21. Расчёт переходных процессов

Если не использовать пневмокоррекцию, то время переходного процесса составляет порядка 12 секунд. Если использовать ограничение топливоподачи для поддержания коэффициента избытка воздуха не ниже 1,6, то процесс занимает около 30 секунд (Рисунок 3.22).

Рисунок 3.22. Расчёт переходных процессов

В процессе на Рисунке 3.22 следует отметить возникшие проблемы при подключении второго турбокомпрессора. Частота вращения двигателя снизилась и второй турбокомпрессор отключился через несколько секунд работы. За-

тем двигатель снова разогнался и со второго раза компрессоры заработали синхронно, что соответствует выходу на правильный режим работы.

Характерной особенностью при использовании пневмокоррекции является долгий период работы на помпаже. Чтобы снизить время работы на помпа-же, можно применить турбокомпрессор с изменяемой геометрией. При этом регулируемым является только первый турбокомпрессор, который работает постоянно. Такой подход позволяет более точно управлять параметрами воздухо-снабжения на частичных режимах, а также эффективнее произвести переход к работе с двумя турбокомпрессорами. Первый расчёт проведён без пневмокор-рекции. Результат расчёта приведён на Рисунке 3.23. Результат очень близок к тому, который был получен с нерегулируемым турбокомпрессором.

Больший интерес представляет второй расчёт, проведённый с включённым алгоритмом пневмокоррекции. Результат расчёта представлен на Рисунке 3.24. Разгон второго турбокомпрессора произошёл плавно, без рывка, который присутствовал в результате расчёта без регулирования первой турбины. Значительно снизилось время пребывания компрессора на помпаже и зона малого коэффициента избытка воздуха (а = 1.6).

Анализируя четыре расчёта по использованию регистрового наддува, следует отметить, что сам метод положительно влияет на динамические характеристики двигателя. При использовании пневмокоррекции поддерживается необходимый уровень коэффициента избытка воздуха, однако момент подключения второго турбокомпрессора создаёт определённые сложности. Использование регулируемого турбокомпрессора в качестве основного снижает время подключения второго турбокомпрессора и позволяет стабилизировать его разгон.

Для получения более точных данных по работе регистрового наддува требуется провести реальные эксперименты и скорректировать модель с учётом газодинамических процессов, возникающих при переключении от одного турбокомпрессора к двум и обратно.

Рисунок 3.23. Расчёт переходных процессов

9ц- Уцикл

/

V

г / V

/ \и [невмокоррекция

а

/

0 10 20 30 40 X, с

Период работы на помпаже

(р, Бигде около 5 секунд

М„,МС, Нм

0 10 20 30 40 и с

Рисунок 3.24. Расчёт переходных процессов

Наиболее перспективным вариантом системы воздухоснабжения для рассматриваемого двигателя является использование двух турбин с управляемым направляющим аппаратом. Расчёт двигателя с использованием такой системы без коррекции по коэффициенту избытка воздуха приведён на Рисунке 3.25. При анализе полученных результатов следует отметить максимальную плавность набора частоты вращения. В связи с непрерывностью процесса регулирования турбокомпрессоры постоянно находятся близко к оптимальному режиму работы. Период пребывания на помпаже незначительный и имеет импульсный характер. Это результат работы алгоритма управления направляющим аппаратом турбины, состоящим из двух частей: матрицы оптимальных положений, полученной по статическим расчётам и корректора, настроенного при анализе переходных процессов двигателя (Пункт 2.2.2).

Результат расчёта системы с управляемым сопловым аппаратом при использовании пневмокоррекции показан на Рисунке 3.26. Введение дополнительного ограничения топливоподачи в случае регулируемых турбокомпрессоров практически не снижает динамические характеристики двигателя. Разгон по-прежнему плавный, период пребывания на помпаже менее 5 секунд. При этом коэффициент избытка воздуха в соответствии с алгоритмом пневмокор-рекции не снижается менее 1.6.

Сравнивая все рассмотренные варианты работы системы воздухоснабже-ния, следует отметить превосходство использования турбин с изменяемой геометрией. Время переходного процесса, по сравнению с системой без регулирования снизилось от 55 до 10 секунд.

Регистровый наддув также показал хорошие возможности по обеспечению динамических характеристик двигателя, но для более точных выводов требуются результаты испытаний системы в момент перехода к работе с двумя турбокомпрессорами. При этом дополнительное преимущество турбин изменяемой геометрии состоит в минимальном времени работы компрессоров на пом-паже, что снижает их износ и повышает надёжность системы в целом.

Рисунок 3.26. Расчёт переходных процессов

Другая область применения перспективного двигателя Д500 - магистральные тепловозы [107]. При работе в составе энергетической установки тепловоза управление двигателем производится заданием положения контроллера машиниста. Нагрузка на двигатель подаётся в момент достижения частоты

вращения значения, соответствующего текущему положению контроллера машиниста. Первоначально были проведены расчёты по тепловозной характеристике, построенной по точкам винтовой, затем по полученной экономической характеристике. Позиции по частоте вращения распределены равномерно, с шагом 50 об/мин. Данные по требуемой мощности двигателя на каждой позиции приведены в Таблице 10.

Таблица 10.

Характеристики нагружения.

№ позиции Частота вращения, об/мин Мощность по винтовой, кВт Мощность по экономической, кВт

0 300 0 0

1 300 117 180

2 350 186 250

3 400 278 350

4 450 396 480

5 500 543 650

6 550 723 880

7 600 939 1150

8 650 1193 1500

9 700 1491 1850

10 750 1833 2250

11 800 2225 2650

12 850 2669 3150

13 900 3168 3650

14 950 3726 4000

15 1000 4345 4345

Переходный процесс, соответствующий плавному разгону тепловоза с ожиданием стабилизации частоты вращения на каждой позиции без регулирования турбонаддува, оказался возможен только без использования коррекции топливоподачи. При этом образуются долгие периоды, при которых коэффициент избытка воздуха менее 1,6, что соответствует плохим условиям воздухос-набжения. Такая работа сопряжена с повышенной дымностью отработавших газов. Если использовать коррекцию топливоподачи для поддержания коэффициента избытка воздуха, то двигатель не может разогнаться выше 600 об/мин.

Результат расчёта без регулирования турбонаддува и без коррекции топливоподачи приведён на Рисунке 3.27. Переходы на позиции 7-9 происходят значительно медленнее остальных. Именно на этих позициях происходит активная раскрутка турбокомпрессоров и их выход на нормальные рабочие характеристики. На позициях 6-9 компрессоры периодически попадают в зону помпажа. При этом в связи с отсутствием регулирования, периоды помпажа являются продолжительными.

Методы улучшения динамических характеристик энергетической установки тепловоза аналогичны тем, которые используются для судового применения. В рамках проведения расчётов рассмотрено применение регистрового наддува и использование турбин с изменяемой геометрией.

Проведён анализ переходных процессов при использовании регистрового наддува для тепловозных условий работы (подключение второго турбокомпрессора на 800 об/мин). Результат расчёта без коррекции топливоподачи показан на Рисунке 3.28. Расчёт с коррекцией топливоподачи - на Рисунке 3.29.

Без коррекции топливоподачи разгон происходит быстро, но при каждом ускорении, пока работает один турбокомпрессор, коэффициент избытка воздуха снижается до 1. Такие режимы работы будут сопряжены со значительным увеличением дымности.

Рисунок 3.29. Расчёт переходных процессов

При проведении пневмокоррекции происходит снижение динамики разгона. Положительным эффектом является ограничение коэффициента избытка воздуха на уровне 1,6, что должно снизить дымность отработавших газов.

Использование турбокомпрессоров с регулируемым сопловым аппаратом позволяет заметно повысить приёмистость двигателя. На Рисунке 3.30 приведён результат расчёта двигателя с системой комплексного регулирования без использования коррекции топливоподачи. Время переходных процессов заметно снизилось, периоды пребывания компрессоров на помпаже сократились.

Рисунок 3.30. Расчёт переходных процессов

На Рисунке 3.31 показан результат расчёта с использованием регулируемых турбокомпрессоров и пневмокоррекции. Следует отметить снижение времени переходных процессов на позициях №7 - №9 с четырёх секунд до одной. Таким образом, следует заключить, что использование регулируемых турбокомпрессоров позволяет снизить время переходных процессов примерно в 4 раза.

Рисунок 3.31. Расчёт переходных процессов

В рамках диссертационной работы рассмотрен вариант использования одного регулируемого турбокомпрессора и второго нерегулируемого, при этом оба подключены постоянно. Результат расчёта такого варианта системы без коррекции топливоподачи приведён на Рисунке 3.32. Следует отметить, что уменьшение проходного сечения соплового аппарата одного турбокомпрессора приводит к перераспределению расхода отработавших газов. Большая часть отработавших газов поступает в нерегулируемый турбокомпрессор с меньшим сопротивлением на входе. Это приводит к разгону нерегулируемого турбокомпрессора. При этом регулируемый турбокомпрессор постоянно попадает в режим помпажа.

Работа в таком варианте системы с ограничением топливоподачи по величине коэффициента избытка воздуха невозможна, так как разгон турбокомпрессоров прекращается при достижении двигателем частоты вращения 600 об/мин.

При проведении статических расчётов двигателя с регулируемыми турбокомпрессорами была определена экономическая характеристика, соответствующая минимуму удельного расхода топлива на каждом режиме работы двигателя (Подраздел 3.3).

Использование такой характеристики в качестве тепловозной позволит снизить расход топлива.

На Рисунке 3.33 приведён результат расчёта переходных процессов при последовательном изменении позиции контроллера машиниста от нулевой до пятнадцатой. При этом на каждой позиции производится пауза, до момента стабилизации частоты вращения на заданном уровне.

На Рисунке 3.34 показан переход с первой на пятнадцатую позицию. Изменение текущей позиции на следующую происходит в момент достижения частотой вращения заданного значения без ожидания стабилизации на каждой позиции.

Выводы по главе 3

1. В процессе разработки математической модели дизеля типа Д500 показано, что для повышения точности определения режимных параметров элементов комбинированного двигателя целесообразно применять функциональные зависимости, основанные на использовании ряда Фурье, логарифмических преобразований аргументов, рациональных дробей.

2. При составлении компьютерной программы в среде Matlab/Simulink, реализующей математическую модель дизеля и системы управления, разработан интерфейс пользователя, удобный для проведения научных исследований и проектных расчётов при создании систем управления дизельными двигателями.

3. В результате расчёта установившихся режимов показаны возможности формирования скоростной характеристики дизеля при различных вариантах работы системы турбонаддува: с нерегулируемыми турбокомпрессорами, регистровом наддуве, с турбинами изменяемой геометрии. Работа с двумя турбокомпрессорами с регулируемым сопловым аппаратом позволяет повысить мощность и приёмистость двигателя и является наиболее перспективным способом регулирования двух турбокомпрессоров из рассмотренных вариантов. Увеличение крутящего момента достигает 80%.

4. Анализ результатов расчётного исследования динамических характеристик дизеля Д500 показал, что при использовании двух регулируемых турбокомпрессоров возможно снижение времени переходных процессов в 3-5 раз.

5. В результате расчётного исследования с использованием разработанной математической модели и компьютерной программы получены первичные калибровки СКАУД: матрица положений направляющего аппарата турбины для различных режимов работы двигателя, которая используется в разработанном алгоритме управления турбокомпрессором, и коэффициенты законов регулирования. Значения коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих законов регулирования составили: для канала воздействия на топ-ливоподачу к п = 0 , 0 5 ; к и = 0 , 0 5; для канала воздействия на турбокомпрессор к п = 2 0 ; к и = 5 .

Глава 4. Экспериментальное исследование системы управления

Поскольку дизель находится в стадии разработки, по согласованию с заводом проведены испытания функционирования канала воздействия СКАУД на топливоподачу двигателя на безмоторном стенде и одноцилиндровом отсеке дизеля.

Проверка функционирования и первичная отладка основного канала СКАУД - канала регулирования топливоподачи проводилась на безмоторном стенде для испытаний топливной аппаратуры ОАО «Коломенский завод».

При испытаниях исследовалась работа разделённой системы подачи топлива, в которой величина цикловой подачи регулируется электромагнитным клапаном (ЭМК), расположенным в линии высокого давления между топливным насосом и форсункой. Данный вариант топливной системы предназначен для использования на перспективных дизельных двигателях типа Д500 производства ОАО «Коломенский завод» [94].

Дальнейшие работы по доводке электронного блока СКАУД проводились на одноцилиндровом отсеке дизеля ОД500.

В ОАО «Коломенский завод» существует опыт успешного использования в системах управления двигателями электронных блоков одной из ведущих зарубежных фирм. В связи с этим было принято решение о проведении на одноцилиндровом отсеке двигателя Д500 сравнительных испытаний разработанного электронного блока и блока данной фирмы.

4.1. Безмоторные испытания

Внешний вид стенда для безмоторных испытаний показан на Рисунке 4.1. Топливоподкачивающий насос низкого давления подаёт топливо из бака стенда в насос высокого давления. Вал топливного насоса высокого давления, установленного на стенде, соединён с валом стенда, который приводится во вращение электродвигателем. Так как на двигателе частота вращения вала насоса в

два раза меньше частоты вращения коленчатого вала, то частота, заданная на стенде в результате умножалась на два, чтобы отразить рассматриваемый режим работы двигателя.

Методика проведения испытаний состояла в проверке работоспособности на различных режимах. Режимы определялись частотой вращения вала стенда и продолжительностью управляющего сигнала.

В процессе испытаний в графическом виде фиксировались следующие параметры:

- напряжение на обмотке электромагнита клапана;

- ток в обмотке электромагнита клапана;

- давление топлива в форсунке в полости перед распылителем;

- давление топлива в форсунке за распылителем;

Дополнительно фиксировались значения следующих параметров:

- частота вращения стенда;

- продолжительность управляющего сигнала;

- угол опережения впрыска топлива (УОВТ);

Цикловая подача топлива определяется весовым методом путём измерения массы топлива, впрыснутого форсункой в мерную ёмкость за определённое число циклов.

Частота вращения вала стенда фиксируется по частотомеру, на который поступают сигналы от индукционного датчика, расположенного у периферии зубчатого колеса, установленного на вале стенда.

Автоматизированная система измерений стенда выводит на экран компьютера характеристики впрыска в виде графиков временных зависимостей изменения давлений топлива в полостях форсунки до и после иглы распылителя.

Электронный блок СКАУД размещён на специальной панели в нижней части стенда. Питание контроллера обеспечивается отдельным блоком питания на 24В.

Рисунок 4.1. Безмоторный стенд Для измерения и фиксирования электрических параметров использовался цифровой осциллограф Tektronix TDS-2024 [108]. Основные характеристики

осциллографа приведены в Таблице 11.

Таблица 11.

Характеристики осциллографа.

Количество аналоговых каналов 4

Полоса пропускания, МГц 200

Частота дискретизации на канал, ГГц 2

Объем памяти на канал, точек 2500

Для измерения давления на безмоторном стенде используется пьезопреобразователь AVL piezo amplifier A03 [109]. Основные

характеристики преобразователя приведены в Таблице 12.

Таблица 12.

Характеристики пьезопреобразователя давления.

Число независимых каналов 2

Напряжение питания, В 24

Калибровочное отношение, бар/В 195,4

Данные о давлении в полостях форсунки фиксировались в виде осциллограмм на экране компьютера автоматизированной системы измерений безмоторного стенда.

Ниже приведены примеры полученных при испытаниях осциллограмм.

На Рисунке 4.2 в качестве примера приведены осциллограммы изменения давлений топлива в полостях форсунки: красным цветом -давление топлива перед распылителем форсунки, зелёным цветом - давление топлива за распылителем форсунки. Приведённый результат получен при частоте вращения двигателя 700 об/мин.

В результате экспериментов достигнуто давление впрыска 1700 бар (Рисунок 4.3). Данное значение давления соответствует характеристикам используемой топливной аппаратуры.

Поскольку результаты испытаний СКАУД на безмоторном стенде подтвердили работоспособность канала воздействия системы управления на топливоподачу дизеля, дальнейшие испытания проводились на одноцилиндровом отсеке двигателя Д500.

Рисунок 4.2. График изменения давления

2100" 1800 15001200900 600 300

о

-300

/ Л

Л / \

/

А Г

/

1 V

-600 -40

-30 -20 -10 0 10 20

Угол поворота коленчатого вала

30

40

Рисунок 4.3. Достижение давления 1700 бар

В Таблице 13 приведены результаты проведённых безмоторных испытаний, позволивших подтвердить работоспособность системы на различных режимах.

Таблица 13.

Результаты испытаний на безмоторном стенде.

Частота Продолжитель- Продолжитель- Угол опереже- Макси-

вращения ность управля- ность впрыска, ния впрыска мальное

коленча- ющего сигнала, °п.к.в. топлива отно- давление,

того вала, мкс сительно ВМТ бар

об/мин с диаграммы,

°ПКВ

350 4000 4.2 15 280

350 16000 16.8 15 450

350 30000 31.5 15 540

700 2000 4.2 12.5 350

700 7000 14.7 15 750

700 12000 25.2 17 1550

880 2500 6.6 12 650

880 5000 13.2 17 900

880 8200 21.648 12 1750

1000 2400 7.2 13 500

1000 5000 15 11 1350

1000 8200 24.6 11 1700

4.2. Испытания на одноцилиндровом двигателе ОД500

Испытательный стенд на базе одноцилиндрового отсека ОД500 представляет собой комплекс измерительной аппаратуры, подключённой к двигателю 1ЧН26,5/31. Подача воздуха в цилиндр двигателя осуществляется от проточной ёмкости, в которой поддерживается требуемое давление. Автоматизированы измерения расхода топлива, давления в цилиндре, уровня токсичных выбросов и др.

На стенде в качестве штатного варианта используется система управления производства ведущей зарубежной фирмы, в которой реализован канал воздействия на топливоподачу. Система СКАУД, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана, оснащена комплектом жгутов, позволяющим заменить блок управления с использованием штатного набора датчиков.

Внешний вид испытательного стенда на базе одноцилиндрового отсека дизеля Д500 представлен на Рисунке 4.4.

Рисунок 4.4. Одноцилиндровый отсек ОД500

В экспериментальном исследовании на одноцилиндровом отсеке было проведено сравнение характеристик штатной системы, используемой на заводе и системы СКАУД, созданной в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

На Рисунках 4.5 и 4.6 представлены осциллограммы управляющих сигналов при работе со штатной системой управления и СКАУД соответственно.

M Pos: 780,0jus

Тип вкода

Порог п.п,

200 МГц Вольт/дел

Пробник ЮН Напряжение

Инверсия

СН1 5.00А CH2+20.0V М 500 JUS СН1 18.64А

Положение по вертикали СН2 составляет 1,84 дел (36.8V?

Рисунок 4.5. Результаты штатной системы

Тек Л™

Trig'd

М Pos: -272.0JUS

Тип входа

Порог п.п.

200 МГц Больт/дел

Пробник

ЮАЛ/ Ток

Инверсия

СН1+5.00А CH2+20.0V

М 1,00ms 21-RHB-18 10:22

СН2 f 0.00V <1 GHz

Рисунок 4.6. Результаты СКАУД В рамках предварительных испытаний на одноцилиндровом отсеке была проведена проверка функционирования системы управления. При работе на разных режимах система должна обеспечивать задание требуемой продолжительности управляющего импульса. Осциллограммы управляющего сигнала на разных режимах показаны на Рисунках 4.7 и 4.8

М Ро5: -З.Э60гтп5

Тип вкода

Порог п.п.

200 МГц Вольт/дел

Пробник ЮАЛ/ Ток

Инверсия

СН1+5.00А СН2+20.0У М 1.00пн СН21 4.00У

21 —ЯНЕ—16 15:07 <10Нг

Рисунок 4.7. Продолжительность управляющего сигнала 8500 мкс

Тек 11,

1] иеаау

М Роз: -272.0^5

Тип вкода

Порог п.п.

200 МГц Вольт/дел

Пробник ЮАЛ/ Ток

Инверсия

СН1+5.00А СН2+20.0У

М 1.00ГП5 21 —ЯНЕ—16 10:0Э

СН2 / 0.00У <10Нг

Рисунок 4.8. Продолжительность управляющего сигнала 3000 мкс Согласно программе испытаний, утверждённой на ОАО «Коломенский завод», были произведены измерения ряда параметров. Полученные значения представлены в Таблице 14. Следует отметить, что по всем измеряемым параметрам испытываемые системы показали близкие результаты. Система управ-

ления СКАУД показала полно соответствие предъявляемым требованиям по точности впрыска.

При проведении испытаний проводилось индицирование рабочего процесса. На Рисунках 4.9 - 4.12 показаны сравнительные графики давления впрыска и индикаторного давления на различных режимах работы двигателя.

На Рисунке 4.9 показано сравнение индикаторных диаграмм на режиме холостого хода: частота вращения 300 об/мин, мощность 0 кВт.

На Рисунке 4.10 показано сравнение процессов на режиме 755 об/мин, при этом мощность, вырабатываемая отсеком, составила 122,8 кВт.

На Рисунке 4.11 показано сравнение процессов на режиме 875 об/мин, при этом мощность, вырабатываемая отсеком, составила 212,4 кВт.

На Рисунке 4.12 показано сравнение процессов на режиме 1000 об/мин, при этом мощность, вырабатываемая отсеком, составила 355,6 кВт, что соответствует номинальному режиму работы двигателя.

На Рисунке 4.13 представлен результат записи сигнала датчика частоты вращения. Запись результатов осуществлялась на тех же четырёх режимах. На стабильность частоты вращения влияет настройка коэффициентов закона регулирования. Размах колебаний частоты вращения для обоих блоков одинаков. При оценке величины отклонений частоты вращения следует учитывать специфику работы одноцилиндрового отсека, в котором подвод энергии к валу производится гораздо реже, чем в многоцилиндровом двигателе, а система управления имеет возможность влиять на процесс топливоподачи только во время сравнительно редких впрысков в одном цилиндре. Численные значения нестабильности частоты вращения приведены в Таблице 15.

Таблица 14.

Результаты испытаний на одноцилиндровом отсеке.

Наименование параметра Ед.из СКАУД Штатная СКАУД Штатная СКАУД Штатная СКАУД Штатная

Частота вращения об/мин 300 300 755 755 875 875 1000 1000

Мощность кВт 0 0 122.8 122.8 212.4 212.4 355.6 355.6

Крутящий момент Нм 0 0 1555 1554 2325 2319 3406 3397.5

Давление наддува бар 0 0 0.7 0.7 1.75 1.75 3.2 3.2

Противодавление бар 0 0 0.42 0.42 1.2 1.2 2 2

Максимальное давление бар 219.77 214.41 940.06 940.42 1262.9 1286.4 1667.1 1677.5

Р2 бар 42.7 48 123 122 158 157 201 200

Р; бар 0.64 1.02 13.49 13.82 19.7 19.67 28.47 28.74

Температура за коллектором С 210 188 579 574 603 600 623 631

Температура в цилиндре С 136 106 538 535 560 557 606 607

Температура воздуха в ресивере С 52 50 55 55 60 60 70 70

Температура топлива с 44 38 38 40 44 43 42 40

Давление топлива бар 5.1 5.15 5.3 5.2 5.4 5.4 5.3 5.4

Расход воздуха м3/ч 51 - - 427 490 482 583 540

Часовой расход топлива кг/ч 0.971 1.122 27.657 27.259 44.468 44.86 73.595 75.576

Плотность топлива кг/м3 807.288 811.716 811.716 810.24 807.288 808.026 808.764 810.24

Объёмный расход топлива м3/ч 0.001202 0.001382 0.034072 0.033643 0.055083 0.055518 0.090996 0.093276

Объёмный расход топлива мм3/с 334.109 383.960 9464.517 9345.310 15300.88 15421.677 25276.919 25910.018

Цикловая подача топлива (объём) мм3/цик 133.643 153.584 1504.294 1485.347 2098.407 2114.972 3033.229 3109.202

Электронный УОВТ град 16 16 26 26 28 28 26 26

200

100

0

бар

40

20

0

бар

Г

-40 -20

0 20 40 60 80 100 120

б) а, °п.к.в.

б) а, °п.к.в.

б) а? °п.к.в.

пД| об/мин 310

280

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

770

740

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

890

860

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

1020

990 —I— —*-I— ц| I* —-И—

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 г, с

Рисунок 4.13. Сравнение сигнала датчика частоты вращения высокой точности

Таблица 15.

Нестабильность удержания частоты вращения.

п, об/мин Лп, об/мин Отношение, %

300 14 4.7

755 15 1.98

875 17 1.94

1000 18 1.8

Для подтверждения правильности функционирования разработанной системы управления были проведены динамические испытания. В процессе испытаний фиксируется большое количество параметров, но наиболее показательным в динамике является результат: изменение частоты вращения. На Рисунке 4.14 показан переходный процесс при изменении настройки частоты вращения с 300 об/мин до 400 об/мин. Красной линией на верхнем графике (Рисунок 4.14) показана настройка частоты вращения, синей линией показан график частоты вращения двигателя. Можно наблюдать заметные колебания частоты вращения от отдельных впрысков топлива, что характерно для испытаний на одноцилиндровом отсеке. При анализе полученного процесса следует отметить точное выполнение поставленной задачи: соблюдается темп набора частоты вращения, частота вращения приходит к заданному значению менее, чем за 15 секунд, превышение требуемой частоты вращения порядка 25 об/мин.

В нижней части рисунка представлен график изменения продолжительности управляющего сигнала (зелёная линия) и его составляющих, определяемые в соответствии с законом регулирования. Пропорциональная составляющая закона регулирования показана фиолетовым цветом, интегральная - голубым. Суммарное воздействие позволяет достичь высоких показателей качества переходного процесса.

Важным процессом является запуск двигателя. График изменения частоты вращения при пуске представлен на Рисунке 4.15. Следует отметить, что СКАУД обеспечивает запуск двигателя с постоянным ускорением, подхватывая

вращение коленчатого вала с минимальной частоты вращения, после первых оборотов за счёт электростартера.

Рисунок 4.14. Переходный процесс с показателями функционирования системы

управления

Рисунок 4.15. Пуск

На Рисунке 4.16 показан процесс изменения частоты вращения при замедлении вала двигателя. С персонального компьютера была изменена настройка частоты вращения с 755 до 400 об/мин.

Рисунок 4.16. Замедление

При замедлении СКАУД прекращает подачу топлива до момента снижения частоты вращения до заданного значения. Ускорить замедление двигателя невозможно, так как в системе отсутствует воздействие на нагружающее устройство.

На Рисунке 4.17 представлен переходный процесс при изменении настройки частоты вращения от 400 до 500 об/мин. Заброс по частоте вращения не превышает 10 об/мин. Время перехода порядка 15 секунд.

Рисунок 4.17. Переход от 400 до 500 об/мин

На Рисунке 4.18 представлен переходный процесс изменения частоты вращения от 500 до 600 об/мин. Параметры быстродействия соответствуют предыдущему переходу (превышение уставки на 10 об/мин, время регулирования 15 секунд).

Рисунок 4.18. Переход от 500 до 600 об/мин

На Рисунке 4.19 представлен процесс изменения частоты вращения при последовательном переходе от 600 об/мин до 700 об/мин, затем до 800 об/мин. Система управления обеспечивает высокую стабильность работы двигателя в переходных процессах даже без ожидания стабилизации частоты вращения на промежуточных значениях частоты вращения.

На Рисунке 4.20 представлен переходный процесс соответствующий выходу на максимальную частоту вращения (1000 об/мин). СКАУД обеспечивает выход двигателя на номинальный режим в соответствии с программой испытаний на одноцилиндровом отсеке двигателя Д500.

Рисунок 4.19. Переход от 600 до 800 об/мин

Выводы по главе 4

1. При проверке функционирования и первичной отладке основного канала СКАУД с регулирующим воздействием на систему топливоподачи, проведённых на безмоторном стенде для испытаний топливной аппаратуры, получены следующие результаты: давление впрыска - до 1700 бар, точность задания угла опережения впрыска топлива - 0,1 градуса поворота коленчатого вала.

2. В результате экспериментов на безмоторном стенде было определено, что увеличение тока в фазе форсирования управляющего импульса выше 15 А не влияет на характеристику давления впрыска топлива. Поэтому в управляющем сигнале продолжительность форсирования принята 800 мкс, что соответствует времени увеличения тока до заданной величины.

3. Параметры рабочего процесса, в том числе осциллограммы давления впрыска топлива и индикаторные диаграммы, снятые при экспериментальном исследовании режимов работы дизеля Д500 на одноцилиндровом отсеке, показали, что разработанная система управления обеспечивает требуемые характеристики дизеля, что подтверждается их сравнением с аналогичными характеристиками, полученными при использовании системы управления одного из ведущих мировых производителей.

4. Экспериментальные исследования показали, что разработанная система управления обеспечивает стабильность поддержания частоты вращения в пределах 1.8-4.7 % в зависимости от режима работы дизеля, что соответствует условиям работы одноцилиндрового отсека.

5. Переходные процессы, полученные при изменении настройки частоты вращения, свидетельствуют об устойчивой работе разработанной системы управления во всём диапазоне рабочих режимов двигателя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для обеспечения комплексного воздействия на параметры рабочего процесса двигателя в разработанной системе управления заложены каналы с регулирующими воздействиями на следующие системы дизельного двигателя: топливоподачу, воздухоснабжение, охлаждение, нейтрализацию и рециркуляцию.

2. Для проведения расчётного исследования комплексной адаптивной системы управления дизельным двигателем разработана математическая модель и компьютерная программа, которые обеспечивают моделирование статических и динамических характеристик двигателя при регулирующих воздействиях на топливоподачу и воздухоснабжение.

3. Предложен новый алгоритм регулирования турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины с целью уменьшения времени работы компрессора на режимах помпажа в переходных процессах.

4. Анализ результатов расчётного исследования статических и динамических характеристик дизеля Д500 при различных вариантах работы системы турбонаддува показал, что при использовании двух регулируемых турбокомпрессоров увеличение крутящего момента достигает 80%, время переходных процессов снижается в 3-5 раз по сравнению с нерегулируемым турбонаддувом.

5. В результате расчётного исследования с использованием разработанной математической модели и компьютерной программы получены первичные калибровки СКАУД: матрица положений направляющего аппарата турбины для различных режимов работы двигателя и коэффициенты законов регулирования. Значения коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих законов регулирования составили: для канала воздействия на топливопо-дачу кп = 0, 0 5 ; ки = 0, 0 5; для канала воздействия на турбокомпрессор к п = 2 0 ; к и = 5 .

6. При экспериментальных исследованиях статических и динамических характеристик дизеля Д500 с разработанной системой управления на безмотор-

ном стенде и одноцилиндровом отсеке получены следующие результаты: давление впрыска - до 1 700 бар, точность задания угла опережения впрыска топлива - 0,1 градуса поворота коленчатого вала, стабильность поддержания частоты вращения в пределах 1.8-4.7 % в зависимости от режима работы отсека, устойчивая работа системы управления во всём диапазоне рабочих режимов двигателя. Полученные при испытаниях значения параметров рабочего процесса соответствуют требуемым для дизеля Д500 показателям, что подтверждает возможность использования разработанной СКАУД для импортозамещения в области систем управления среднеоборотными дизельными двигателями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 (ред. от 24.11.2014, с изм. от 29.12.2014) (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2015) № 7-ФЗ // СПС КонсультантПлюс. 80 с.

2. Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.1999 (ред. от 29.12.2014) № 96-ФЗ // СПС КонсультантПлюс. 32 с.

3. ГОСТ Р 52408-2005. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. М.: Стандартинформ, 2006. 26 с.

4. ГОСТ 30574-98 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов. Циклы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1999. 6 с.

5. Указ Президента Российской Федерации «О сокращении выбросов парниковых газов» от 30 сентября 2013 № 752 // Российская газета. 2013 г. № 6199. 1 с.

6. Проблемные вопросы ограничения выбросов CO2 от автотранспортных средств/ Кутенев В.Ф. [и др.] // Журнал автомобильных инженеров. 2010. №3. С. 55-59.

7. Haurie A., Sceia A., Theme J. Inland Transport and Climate Change a Literature Review // University of Geneva. 2009. 18 p.

8. Energy Technology Perspectives. Scenarios and Strategies to 2050 // Paris: International Energy Agency. 2006. 486 p.

9. Грехов Л.В., Иващенко H.A., Марков В. А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. М.: Легион-Автодата, 2004. 344 с.

10. Saadat, M., Esfahanian, M., Saket, M.H. Reducing fuel consumption of diesel-electric locomotives using hybrid powertrain and fuzzy look-ahead control // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail

and Rapid Transit. 2017. № 231 (4), pp. 406-418. DOI: 10.1177/0954409716631010.

11. Characterisation, control, and energy management of electrified turbocharged diesel engines/ Zhao D. [et al.] // Energy Conversion and Management. 2017. №135. pp. 416-433. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.12.033.

12. Исследование токсичных показателей отработавших газов дизеля на неустановившихся режимах/ Иващенко Н.А. [и др.] // Вестник ВолГУ. Серия 10: Инновационная деятельность. 2014. №6. С. 95-103.

13. Харитонов С.В. Исследование токсичных выбросов дизеля при полунатурном моделировании процессов управления энергетической установкой тепловоза // Студенческая научная весна-2011: Сб. тез. докладов. обще-университет. НТК. 2011.Т.9. ч.3. С. 205-206.

14. Кузнецов А.Г. Разработка методов и средств повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах: дис. ... д-ра. техн. наук: 05.04.02 / Кузнецов Александр Гавриилович. М., 2010. 281 с.

15. Фурман В.В. Улучшение эксплуатационно-технических характеристик дизель-генераторов тепловозов путем создания и совершенствования систем электронного управления: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук: 05.04.02 / Фурман Виктор Владимирович. М., 2016. 32 с.

16. Optimization and calibration strategy using design of experiment for a diesel engine/ Park S. [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2017. №123. pp. 917928. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.05.171.

17. Investigation on electromagnetic valve of fuel injector for accumulator fuel equipment system/ Kharitonov S.V. [et al.] // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. №11. Pages 7431-7438.

18. Модернизация судовых малоразмерных дизелей конструкторско-технологическими методами при их форсировании наддувом/ Матвеев Ю.И. [и др.] // Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. 2015. №1. С.74-83.

19. Adaptive feedforward control of exhaust recirculation in large diesel engines/ Nielsen, K.V. [et al.] // Control Engineering Practice. 2017. №65. pp. 26-35. DOI: 10.1016/j.conengprac.2017.05.003.

20. Bosch: Системы управления дизельными двигателями: Пер. с немецк. М.: Изд-во «За рулём», 2004. 480 с.

21. Engine calibration: Multi-objective constrained optimization of engine maps/ Lango^t H. [et al.] // Optimization and Engineering. 2011. №3. pp. 407-424. DOI: 10.1007/s11081-011-9140-8.

22. 4.2l V8 TDI with Common Rail Injection System // Volkspage. URL: http://www.volkspage.net/technik/ssp/ssp/SSP_365.pdf (дата обращения 01.06.2017).

23. Modeling of a large marine two-stroke diesel engine with cylinder bypass valve and EGR system/ Alegret, G. [et al.] // IFAC-PapersOnLine. 2015. №28, pp. 273-278. DOI: 10.1016/j.ifacol.2015.10.292.

24. Effect of Exhaust Gas Recirculation (EGR) on Performance and Emission characteristics of a Three Cylinder Direct Injection Compression Ignition Engine/ Jaffar H. [et al.] // Alexandria Engineering Journal. 2012. №4. pp. 241-247.

25. Марков В.А., Девянин С.Н., Фурман В.В. Комплексная система автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля и температуры охлаждающей жидкости // Грузовик. 2014. № 7. С. 2-10.

26. 1,9 l-TDI-Motor mit Abgasreinigung // Volkspage. URL: http://www.volks-page.net/technik/ssp/ssp/SSP_153.pdf (дата обращения 01.06.2017).

27. Guzzella, L., Onder, C.H. Introduction to modeling and control of internal combustion engine systems. Berlin: Springer-Verlag, 2010. 354 p. DOI: 10.1007/978-3-642-10775-7.

28. Моделирование процессов управления транспортным средством с дизелем и электрической трансмиссией/ Харитонов С.В. [и др.] // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10: Инновационная деятельность. 2014. № 5. С. 68-77.

29. Бабич А.А., Громов С.А., Левтеров А.М. Современные методы математического моделирования рабочих процессов дизеля // Вестник ХНАДУ. 2016. №75. С.109-115.

30. Михальченко Д.А. Разработка математических моделей и расчетно-экспериментальное исследование дизельных топливных систем с клапанным управлением: автореф. дис. ... к-та. техн. наук: 05.04.02 / Михальченко Дмитрий Александрович. М., 2010. 16 с.

31. Хрящев Ю. Е., Епанешников Д. А. Оценка применимости различных типов математических моделей для разработки систем управления автомобильных дизелей // Известия ВолгГТУ. 2012. №4. С.30-33.

32. Kuznetsov A.G., Kharitonov S.V., Vomychev D.S. A mathematical model of a diesel engine for simulation modelling of the control system // Global Journal of Pure and Applied Mathematics (GJPAM). 2016. №1. pp. 213-228.

33. Хмелев Р.Н. Математическое и программное обеспечение системного подхода к исследованию и расчету поршневых двигателей внутреннего сгорания: Монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 229 с.

34. Математическое моделирование дизель-генератора как объекта регулирования скорости с учетом случайного характера ее девиации, измерения фаз топливоподачи и дополнительного воздухоснабжения/ Борисенко А. Н. [и др.] // Вестник НТУ ХПИ. 2010. №21. С. 4-11.

35. Alfieri, E., Amstutz, A., Guzzella, L. Gain-scheduled model-based feedback control of the air/fuel ratio in diesel engines // Control Engineering Practice. 2010. №17. pp. 1417-1425. DOI: 10.1016/j.conengprac.2008.12.008.

36. Performance improvement of a diesel engine speed controller based on BP-PID neural network/ Hu S. [et al.] // Harbin Gongcheng Daxue Xuebao/Journal of Harbin Engineering University. 2015. №36. pp. 1590-1595. DOI: 10.11990/jheu.201411056.

37. Боковиков А.Н. Использование турбокомпрессора с турбиной изменяемой геометрии для повышения экологических и экономических показателей

дизеля: дис. ... к-та. техн. наук: 05.04.02 / Боковиков Алексей Николаевич. М., 2011. 171 с.

38. Кузнецов А.Г., Скибо В.С., Харитонов С.В. Полунатурное моделирование как метод разработки систем управления энергетическими установками транспортных средств // Материалы XXXXI Всероссийского симпозиума по механике и процессам управления. Миасс. 2011. С. 193-200.

39. Метод имитационного моделирования при проектировании систем управления двигателями/ Харитонов С.В. [и др.] // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса: сборник статей IX Всероссийской научно-производственной конференции. МНИЦ ПГСХА. Пенза: РИО ПГСХА, 2015. С. 35-38

40. Model-based calibration of the reaction-based diesel combustion dynamics/ Men Y. [et al.] // Proceedings of the American Control Conference. 2017. № 1. pp. 4735-4740. DOI: 10.23919/ACC.2017.7963687.

41. Adams. The Multibody Dynamics Simulation Solution // MSC Software. URL: http://www.mscsoftware.com/product/adams (дата обращения 01.06.2017).

42. Dynamic Designer Motion - 3D Dynamic Motion embedded in Solid Edge & Inventor - Engineering Simulation Software // DST Design Simulation Technologies. URL: https://www.design-simulation.com/DDM/index.php (дата обращения 01.06.2017).

43. Euler - Программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем // Euler. Автомеханика. URL: http://www.euler.ru/index.php/euler (дата обращения 01.06.2017).

44. MSC Nastran. Расчет и оптимизация конструкций // MSC Software. URL: http://www.mscsoftware.ru/products/msc-nastran (дата обращения 01.06.2017).

45. 3D Modeling Software for Engineering // SpaceClaim. URL: http://www.spaceclaim.com/en/default.aspx (дата обращения 01.06.2017).

46. KIVA. Computational Fluid Dynamics (CFD) software // Los Alamos National Laboratory. URL: http://www.lanl.gov/projects/feynman-center/deploying-

innovation/intellectual-property/software-tools/kiva/index.php (дата обращения 01.06.2017).

47. AVL FIRE. Thermo-Fluid Simulation Software // AVL. Simulation and reality connected. URL: https://www.avl.com/fire (дата обращения 01.06.2017).

48. STAR-CD. MDX // Siemens, PLM Software. URL: http://mdx.plm.automation.siemens.com/star-cd (дата обращения 01.06.2017).

49. ANSYS Fluent: CFD Simulation // Ansys. Engineering Simulation. URL: http://www.ansys.com/Products/Fluids/ANSYS-Fluent (дата обращения 01.06.2017).

50. Simulation Driven Product Development. // Ansys. Engineering Simulation. URL: http://www.ansys.com (дата обращения 01.06.2017).

51. AVL BOOST. Virtual Engine Development // AVL. Simulation and reality connected. URL: https://www.avl.com/boost (дата обращения 01.06.2017).

52. WAVE - combustion and emissions // Ricardo Software. URL: https://www.software.ricardo. com/Products/WAVE/WAVE-combustion-and-emissions (дата обращения 01.06.2017).

53. GT-POWER Engine Simulation Software // Gamma Technologies. URL: https://www.gtisoft.com/gt-suite-applications/propulsion-systems/gt-power-engine-simulation-software/ (дата обращения 01.06.2017).

54. Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК // Diesel-RK. URL: http://diesel-rk.bmstu.ru/Rus/index.php (дата обращения 01.06.2017).

55. Кулешов А.С. Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС: дис. ... д-ра. техн. наук: 05.04.02 / Кулешов Андрей Сергеевич. М., 2012. 235 с.

56. ETAS - Innovative solutions, engineering services, consulting, and support for the development of embedded systems // ETAS. URL: https://www.etas.com/en/ (дата обращения 01.06.2017).

57. National Instruments: тестирование, измерения и встраиваемые системы // National Instruments. URL: http://www.ni.com/ru-ru.html (дата обращения 01.06.2017).

58. Дураев Н.Н., Обухов С.Г., Плотников И.А. Имитационная модель дизельного двигателя для исследования его рабочих характеристик на переменной частоте вращения // Известия Томского политехнического университета. 2013. №4. С.48-52.

59. Иванченко А.А., Щенников И.А., Иванченко А.А. Проблемы и опыт математического моделирования экологических и эксплуатационных показателей судового высокооборотного дизеля М482 // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2016. №3. С.166-171.

60. Марков В.А., Шатров В.И. Выбор формы внешней скоростной характеристики транспортного дизеля // Наука и образование. 2012. №2. С.2-28.

61. Simulink - моделирование и симуляция динамических систем // Matlab. Ex-ponenta. URL: http://matlab.ru/products/simulink (дата обращения 01.06.2017).

62. Viswanath, H., Kumaraswamy, A., Sivakumar, P. Optimisation of diesel engine for hybrid military tracked vehicles using Matlab-Simulink // Defence Science Journal. 2017. №67. pp. 360-369. DOI: 10.14429/dsj.67.11490.

63. SimInTech - Среда динамического моделирования // SimInTech. URL: http://simintech.ru/ (дата обращения 01.06.2017)

64. Bosch. Управление дизельным двигателем // Bosch Automotive. URL: https: //ru.bo sch-automotive. com/ru/parts_and_accessories/engine_systems_ 1 / diesel/engine_management_2/engine_control_unit_1 (дата обращения 01.06.2017).

65. Woodward Diesel Engine Control Systems // Woodward. URL: http://www.woodward.com/dieselengines.aspx (дата обращения 01.06.2017).