Использование закономерностей внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала одноцилиндрового двигателя для регулирования частоты вращения генераторной установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Игошев, Александр Сергеевич

• Игошев, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Игошев, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ И ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Значение автономных источников электроэнергии в современном мире.

1.2. Особенности и принципы построения автономных электроустановок

1.3. Принципы автоматического управления бензиновым двигателем.

1.4. Классификация и анализ автоматических регуляторов частоты вращения вала двигателей.

1.5. Особенности регулирования частоты вращения вала одноцилиндровых двигателей.

1.6. Постановка цели и задач исследования.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ОДНОЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ.

2.1. Задачи теоретического исследования.

2.2. Средства теоретического исследования качества работы САР.

2.3. Типы САР и анализ применяемых законов регулирования.

2.4. Система регулирования на основе нечеткой логики.

2.5. Моделирование САР поршневого двигателя на базе принципов нечеткой логики и ПИ-регулирования.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ОДНОЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ.

3.1. Основные задачи разработки

3.2. Анализ разработок электронных САР частоты вращения вала.

3.3. Основная концепция построения разрабатываемой САР.

3.4. Структурная схема разрабатываемой САР и конструкция ее основных узлов.

Глава 4. КОМПЛЕКС ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРАБОТАННОЙ САР ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАКОНАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАГРУЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ.

4.1. Задачи данного этапа исследования.

4.2. Моторный стенд, аппаратура и методика исследования.

4.3. Поиск рациональных параметров регулирования для разработанной САР.

4.4. Анализ качества переходных процессов разработанной САР при различных законах регулирования и нагружения двигателя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование закономерностей внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала одноцилиндрового двигателя для регулирования частоты вращения генераторной установки»

Тенденции развития мирового рынка электроэнергетики свидетельствуют о постоянном возрастании доли автономных источников электроэнергии. В европейских странах доля производства электроэнергии такими источниками доходит в среднем до 20% от всей ее выработки.

По техническому исполнению автономные энергоустановки выполняются с применением различных двигателей (бензиновый, дизель, газотурбинный) и с использованием генераторов разных типов. Наибольшей популярностью сегодня пользуются установки мощностью 2.15 кВт, выполняемые с использованием бензинового двигателя.

Основное требование, предъявляемое к генераторной установке — поддержание заданной частоты вращения ее вала в допустимых пределах. Для этой цели на двигатели устанавливают автоматические регуляторы частоты вращения, большинство из которых являются механическими. Такие регуляторы обладают целым рядом существенных недостатков, таких, как принципиальная невозможность реализации сложных законов регулирования, изменяющиеся в процессе эксплуатации параметры элементов регулятора (жесткость пружин или мембраны), влияние зазоров в соединениях и наличие сухого трения, невысокий уровень автоматизации и др. Вместе с тем, процесс регулирования частоты вращения именно одноцилиндровых двигателей наиболее сложен. Трудности связаны с такими особенностями его работы, как неравномерность частоты вращения вала в течение цикла, низкая частота управляющих воздействий (один раз за два оборота коленчатого вала), существенное (в сравнении с многоцилиндровыми двигателями) влияние неидентичности рабочих циклов, малый момент инерции маховика и др. При регулировании бензиновых двигателей возникают такие проблемы, как пропуски воспламенения и значительная инерционность процессов смесеобразования. Все перечисленные факторы отрицательно сказываются на качестве работы системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения вала двигателя.

Повышение качества работы САР связано, прежде всего, с применением микропроцессорной техники и электромеханических (мехатронных) исполнительных устройств. В настоящее время применение средств электроники на поршневых (особенно автомобильных) двигателях носит массовый характер. Вследствие этого стоимость электронных систем управления постоянно снижается при одновременном повышении качества их работы и расширении выполняемых функций. Это создает предпосылки для оснащения одноцилиндровых двигателей подобными системами.

Основное преимущество средств электроники — возможность реализации сложных законов регулирования. Однако значительная часть современных микропроцессорных САР частоты вращения вала двигателя фактически копирует законы регулирования, лежащие в основе работы механических устройств (регулирование по отклонению частоты вращения вала). Использование изменения возмущающего воздействия (величины нагрузки на валу) для САР ограничено сложностью существующих методов его определения. В результате этого потенциальные возможности средств электроники используются не в полной мере.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью решения проблемы повышения качества регулирования частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя без существенного увеличения сложности и стоимости системы управления.

Цель работы - повышение качества регулирования частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя, работающего в составе генераторной установки, путем введения контура обратной связи по нагрузке, определяемой косвенным способом.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи.

1. Выполнен анализ существующих принципов и устройств для регулирования частоты вращения вала поршневого двигателя, исследована и обоснована возможность построения САР с обратной связью по нагрузке, определяемой по закономерностям внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала.

2. Теоретически исследовано качество работы САР при различных законах регулирования с целью выбора наиболее эффективного из них.

3. Создана лабораторная моторная установка для исследования функционирования САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя.

4. Разработан опытный образец САР, в которой, реализовано регулирование частоты вращения коленчатого вала одноцилиндрового двигателя с введением контура- обратной связи по нагрузке, определяемой косвенным способом.

5. Проведены экспериментальные исследования качества работы САР на переходных режимах работы двигателя при различных законах его регулирования и -нагружения.

Методы и объект исследования Теоретическое исследование качества работы САР частоты вращения вала двигателя при различных законах регулирования проводились с использованием программного комплекса МАТЬАВ. Экспериментальное исследование проводилось на одноцилиндровом четырехтактном бензиновом двигателе Т-520К, оснащенном опытной электронной системой управления топливопода-чей, зажиганием и электроприводом дроссельной заслонки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• впервые осуществлено регулирование частоты вращения коленчатого вала одноцилиндрового двигателя с введением контура обратной связи по нагрузке, определяемой косвенным способом;

• показана качественная эквивалентность прямого измерения нагрузки двигателя и ее косвенного определения по закономерностям внутрициклово-го изменения угловой скорости коленчатого вала;

• на основе результатов математического моделирования САР частоты вращения вала двигателя показано, что регулирование только по отклонению частоты вращения вала не является достаточно эффективным и для повышения качества регулирования необходимо иметь информацию о нагрузке двигателя;

• получены экспериментальные данные о качестве работы САР с обратной связью по нагрузке, определяемой по закономерностям внутрицикло-вого изменения угловой скорости коленчатого вала.

Практическую ценность работы представляют:

• разработанная опытная электронная САР частоты вращения вала одноцилиндрового бензинового двигателя;

• реализованный способ регулирования частоты вращения коленчатого вала одноцилиндрового двигателя с использованием косвенного определения нагрузки по закономерностям внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала;

• лабораторная моторная установка для исследования функционирования САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя.

Результаты диссертационного исследования используются в научно-исследовательских и опытно конструкторских работах, проводимых ЗАО «Эридан» (г. Москва). Опытный образец электронной САР применяется в учебном процессе кафедры "Тепловые двигатели и энергетические установки" Владимирского государственного университета.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Игошев, Александр Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ развития двигатель-генераторных установок показал перспективность автономных энергоисточников, доля которых по выработке электроэнергии в странах Европы в среднем приближается к 20%. Выявлены проблемы поддержания заданной частоты вращения вала поршневого двигателя, работающего в составе генераторной установки, и показано, что при современном уровне развития техники возможны принципиально новые подходы к регулированию частоты вращения вала.

2. На основе теоретических исследований установлено, что регулирование только по отклонению частоты вращения вала не является эффективным даже при использовании усложненных алгоритмов (например, с применением принципов нечеткой логики). Качественно новый уровень регулирования может быть достигнут только при введении обратной связи по нагрузке.

3. Выполнен анализ существующих принципов и устройств для регулирования частоты вращения вала поршневого двигателя, реализован и исследован в созданной САР принцип регулирования частоты, вращения вала одноцилиндрового двигателя, основанный на определении его нагрузки по закономерностям внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого-вала. Выявлена эквивалентность прямого измерения нагрузки и ее косвенного определения (по закономерностям внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала), не зависящая от характера изменения нагрузки. Установлено, что разница при прямом измерении нагрузки двигателя и косвенном ее определении не превышает 3,5%.

4. Применение показателя нагрузки двигателя в контуре регулирования частоты вращения вала позволяет существенно повысить качество переходных процессов. Результаты проведенных экспериментов показали, что комбинированное регулирование по сравнению с ПИ-регулированием позволяет снизить динамическую ошибку регулирования в 2,3 раза при одновременном сокращении времени переходного процесса в 1,9 раз и улучшении интегрального показателя качества в. 4,2 раза. При этом введение обратной связи

-126по нагрузке не снижает устойчивость САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя.

5. Создана и успешно опробована лабораторная моторная установка с комплексом соответствующей аппаратуры для исследования функционирования разработанной САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя на переходных режимах.

6. Учитывая, что на одноцилиндровых двигателях прямое измерение нагрузки для целей регулирования частоты вращения практически не применяется, косвенный способ определения нагрузки, благодаря его простоте и малым затратам на реализацию (он не требуется введения в САР сложных и дорогостоящих датчиков), может быть успешно применен в системах регулирования частоты вращения генераторных установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Игошев, Александр Сергеевич, 2010 год

1. Сайт «Когенерация.ру» http://www.cogeneration.ru/worldexp/

2. Прохорова А. Большие возможности малой энергетики Энергетика и промышленность России, 2003, №5 (33) - с. 32 - 35

3. Электростанции отечественные — http://www.mehyar.ru/7mocH catalog&n=163

4. Дизель электростанции. Работа при переменной частоте вращения дизеля http://www.stroysss.ru/systems/electrichestvo/395.html

5. Касаткин М.А. Сравнительная оценка эффективности энергетических установок с топливными элементами для объектов рассредоточенной энергетики Альтернативная энергетика и экология, 2005, № 6(26). — с. 68 — 73

6. Электростанции как основа энергобезопасности предприятия" -http://www.electrostation.ru/tips/mini-electro.html

7. Электронное управление автомобильными двигателями/ Покровский Г.П., Белов Е.А., Драгомиров С.Г. и др. М.: Машиностроение, 1994. - 336 с.

8. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания: Учебное пособие. -М.: Легион-Автодата, 2001. 136 с.

9. Гирявец А.К. Теория-управления автомобильным бензиновым двигателем. -М.: Стройиздат, 1997. 173 с.

10. Ю.Системы управления бензиновыми двигателями. Пер: с нем. 1-е русское изд. М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. - 432 с.

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

12. Electronic Engine Control Technologies /2nd Edition. Casebound, 2004. - 768 pp.

13. Черняк Б.Я., Васильев Г.В. Управление двигателем с помощью микропроцессорных систем: Учебное пособие. М.:МАДИ, 1987. - 85 с.

14. Кругов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект. -М.: Машиностроение, 1978. 472 с.

15. Бордуков В.В., Козлов A.B., Файнлейб Б.Н., Коганер В.Э. Электронное управление процессом топливоподачи автотракторных двигателей // Двигателестроение. 1990. - №6. - с. 17-21

16. Гладышев С. П., Бунов В. М., Бунова Е. В., Азаркевич С. Л. Исследование механического и электронного регуляторов частоты вращения на основе математического моделирования. Челяб. гос. техн. ун-т. Челябинск,Д 996. -11 с.

17. Гребенников А. С., Кирьянов А. Н., Протасов Д. Б. Электронный регулятор частоты вращения дизеля Эксплуат. соврем, трансп. //Саратов, гос. техн. ун-т, Поволж. науч. центр Акад. трансп. РФ. - Саратов: Изд-во СГТУ, 1997.-с. 45-53.

18. Поздняков Е.Ф., Марков В.А., Шленов М.И. и др. Электронный регулятор частоты вращения дизель-генератора — Совершенствование поршневых двигателей М.: МГТУ им. Баумана, 2007. - с. 309-312

19. Крутов В.И. Развитие автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания. М.: Наука, 1980. - 92 с.

20. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. — 416 с.

21. Черепнев А.И. Истоки автоматизации. — М.: Наука, 1975. 160 с.

22. Маслов Ю.Н., Лысенко A.A. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: Уч. пособие. — Саратов, 1976. — 60 с.

23. Покровский Г.П. Топливо-смазочные материалы и охлаждающие жидкости. М.: Машиностроение, 1985. — 200 с.

24. Крутов В.И. Электронные системы регулирования и управления двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во МВТУ им. Баумана, 1991. — 138 с.

25. Sakai Н. а.о. Improving diesel vehicles draveability by a new control technology. Int. Comp. Engine. Technol. - Cambridge-London, 1987. — 241-248 pp.

26. Хрящев Ю.Е. Электронное управление работой автомобильных двигателей. -Ярославль: ЯПИ, 1990. — 92 с.

27. Система для оптимизации характеристик автомобильного двигателя с искровым зажиганием. Пат. США № 5 168 853. МПК F 02 Р 5/06. НПК 123/419. Заявл. 06.04.92; Опубл. 08.12.92.

28. Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fiizzy-ТЕСН. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.

29. Комашинский В.И., Смирнов В.И. Нейронные сети и их применение в системах управления и связи. М.: Горячая линия Телеком, 2002. — 183 с.s f

30. Горбань А.И. и др. Нейроинформатика Новосибирск: Наука. Сибирское отделение РАН, 1998. - 296 с.

31. Усков A.A., Круглов В.В. Интеллектуальнее системы управления на основе методов нечеткой логики. Смоленск, 2003. — 177 с.

32. Круглов В.В. и др. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. -М.: Физматлит, 2001. 221 с.

33. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления. Пер. с англ. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2004. - 911 с.

34. Терехов В.А., Ефимов Д.В., Тюкин И.Ю. Нейросетевые системы управления. — М.: Высшая школа, 2002. — 184 с.

35. Блаженнов Е.И., Хрящев Ю.Е., Ивнев A.A. Влияние типа регулятора на тепловое состояние двигателя. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1988, №1, с. 85-87

36. Федянов Е.А. Межцикловая неидентичность рабочего процесса и проблемы улучшения показателей ДВС с искровым зажиганием: Дис. . д.т.н. Волгоград, 1999. - 317 с.

37. ГОСТ Р ИСО 8528-2-2007. Электроагрегаты генераторные переменного тока с приводом от двигателя внутреннего сгорания. 4.2 — Двигатели внутреннего сгорания. М.: Стандартинформ, 2008. — 16 с.

38. Абдель Мунем Музхер Хашем. Оптимизация характеристик дизель-электрический силовой установки с целью повышения эксплуатационной топливной экономичности: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2004. - 115 с.

39. Шленов М.И. Улучшение эксплуатационных показателей транспортного дизеля путем совершенствования системы автоматического регулирования частоты вращения: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2008. - 164 с.

40. Поздняков Е.Ф. Анализ эффективности использования регулятора частоты вращения с последовательно включенными корректирующими звеньями в дизельном двигателе дизель-генераторной установки: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2009. - 150 с.

41. Смирнов А.Б. Совершенствование управления бензинового двигателя с использованием нейронных сетей: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2006. -146 с.

42. Темнов Э.С. Разработка теоретических основ расчета и конструирования малоразмерных двигатель-генераторных установок как единой динамической системы: Дисс. . канд. техн. наук. Тула., 2005. - 134 с.

43. Черных И.В. Simulink: Инструмент моделирования динамических систем М.: SoftLink Corp. - http://www.nsu.ru/matlab/ MatLabRU simulink/bookl/6.asp.htm

44. Коткин Г.Л., Черкасский B.C. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием MATLAB: Учебное пособие. Новосибирск, 2001.-173 с.

45. MATLAB: Simulink & Toolboxes. М.: Softline Corp. - 61 с.

46. Крутов В.И. и др. Основы теории автоматического регулирования: Учебник для ВУЗов. М.: Машиностроение, 1984. - 368 с.

47. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учебное пособие для ВУЗов. -М.: Машиностроение, 1985. 536 с.

48. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. — М: Лаборатория Базовых знаний, 2001. 616 с.

49. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. 3-е изд. М.: Наука, 1975. - 768 с.

50. Устройство для регулирования частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания. Пат. США 5 036 814. МПК F02D- 31/00. Заявл. 18.04.1990. Опубл. 6.08.1991.

51. Устройство для регулирования частоты вращения- вала двигателя. Пат. США 5 111 788. МПК F02D 41/16. Заявл. 19.12.1990. Опубл. 12.05.1992.

52. Устройство управления частотой вращения вала двигателя. Пат. США5 586 535. MTIKF02D 43/04. Заявл. 5.12.1994. Опубл. 24.12.1996.

53. Система управления частотой вращения вала двигателя. Пат. США 5 553 589. МПК F02D 41/14. Заявл. 7.06.1995. Опубл. 10.09.1996.

54. Регулятор числа оборотов. Пат. РФ 2 095 602. МПК F02D 31/00. Заявл. 3.10.1989. Опубл. 10.11.1997.

55. Регулятор частоты вращения теплового двигателя. Пат. РФ 2 097 593. МПК F02D 31/00. Заявл. 22.12.1993. Опубл. 27.11.1997.

56. Лукин A.M. Хавкин В.И. Способ оценки устойчивости, работы ДВС по неравномерности угловой скорости вращения коленчатого вала. Двига-телестроение. - 1981. - №2. - с. 17-19

57. Черняк Б.Я., Волчек И.И. Моделирование влияния нестабильности сгорания на индикаторные показатели и равномерность работы двигателя// В кн.: Рабочие процессы автотракторных ДВС. -М., 1981. с. 107-115

58. Оставнов A.A. Гребенников A.C. Оценка неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания по неравномерности скорости вращения коленчатого вала // В кн.: Повышение эффективности использования автомоб. трансп. Саратов, 1978. - с. 68-79

59. Chen S. К., Chen S. Engine diagnostics by dynamic shaft measurement: a progress report. SAE Paper 932412. - 16 pp.

60. Taraza D. Possibilities to reconstruct indicator diagrams by analysis of the angular motion of the crankshaft. SAE Paper 932414. - 14 pp.

61. Пришвин C.A., Сафронов П.В. Анализ существующих критериев оценки неравномерности частоты вращения коленчатого вала двигателя. — Рук. деп. в ВИНИТИ, № 1272-В99: -М.: МАДИ, 1999. 14 с.

62. Лукин A.M., Хавкин А.И., Хавкин В.И. Способ определения- идентичности последовательных циклов. — Двигателестроение. — 1981. №7. — с. 5-7

63. Хавкин В.И. Различные виды неидентичности последовательных рабочих циклов и их классификация-. Рук. деп. в НИИИНАвтопром, № 1513-АП.-Л.: 1987.-21 с.

64. Хавкин В.И. Разработка метода автоматизированной оценки технического состояния автомобильного двигателя: Дисс. . канд. техн. наук. — Л., 1986.-167 с.

65. Гребенников A.C. Диагностирование неравномерности работы цилиндров ДВС на неустановившихся режимах. — Двигателестроение. — 1986. -№6. с. 28-30

66. Абрамов П.В. Кинематический метод определения нагрузки поршневого двигателя. — Двигателестроение, 2006, № 3. с. 27-30.

67. Moro D., Cavina N., Ponti F. In-cylinder pressure reconstruction based on instantaneous engine speed signal. Transactions of the ASME, 2002. - #124.

68. Haris Hamedovic, Franz Raichle. IMEP-Estimation and In-Cylinder Pressure Reconstruction for Multicylinder Si-Engine by Combined Processing of Engine Speed and One Cylinder Pressure. SAE Paper 2005-01-0053. - 10 pp.

69. Taraza D. Accuracy Limit of IMEP determination from crankshaft speed measurements. SAE Paper 2002-01-0331. - 21 pp.

70. Wallin C., Gustavsson L. Engine monitoring of a Formula 1 racing car based on direct torque measurement. SAE Paper 2002-01-0331. - 7 pp.

71. Одинец C.C. и др. Методы и средства измерения механической мощности. — М.: Машиностроение, 1991. 256 с.

72. Стефановский Б.С. и др. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.

73. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Высш. школа, 1975. - 320 с.

74. Румянцев П.Г., Черняк Б.Я. Расчет неравномерности вращения коленчатого вала с учетом упругости трансмиссии. — Двигателестроение, 1986Б №4. с. 32-34.