CC BY
28
Библиографический список
1. Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС. С.А. Чесно-ков. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 466 с.
2. Моделирование высокотемпературных реакций горения.
С.А. Чесноков. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2002. - 136 с.
3. Моделирование задержек самовоспламенения метановоздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания. В.Я. Басевич, В.И. Веденеев, В.С. Арутюнов. - ФГВ, - 1994. - № 2.- С.7-14.
4. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. В.А.Звонов. - М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.
Получено 23.04.08
УДК 621. 43
Н.В. Григорьева (Тула, ТулГУ)
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ПРОГНОЗИРУЮЩАЯ СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДВС
Выполнена проверка адекватности уточненной нелинейной динамической модели МДВС путем сопоставления результатов расчета скоростных характеристик с данными заводских испытаний.
При определении скоростных и нагрузочных характеристик и моделировании переходных процессов в поршневых двигателя применяют динамические модели. С их помощью решают различные задачи по совершенствованию конструкций двигателей и улучшению показателей рабочего цикла на различных установившихся режимах и переходных процессах [1]. Проводимые расчеты на прочность, исследование колебательного процесса с учетом сил трения целесообразно выполняь с помощью стендовых испытаний ДВС и использовать полученные на их бае опытные характеристики. Полученные численные величины параметров ДВС хотя и сужают диапазон этих исследований, но при этом облегчается расчет ряда характеристик применительно к конкретной модели двигателя. Кроме того, учитываются условия протекания установившегося режима, при котором замеряются крутящий момент, давление, поддерживается температурный режим двигателя, частота вращения коленчатого вала (КВ) и т. д.
С проведением работ по математическому описанию процессов такой составляющей динамической модели, как внешнее смесеобраование, многие вопросы изучены недостаточно полно и в то же время отсутствует экспериментальна интерпретация этого процесса. Однако, с одной сторо-
ны, эти модели обладают высокой степенью математической сложности, а с другой стороны, они должны быть адекватны общей структуре комплексного подхода при анализе влияния конструктивных параметров цилиндра, впускного канаа и элементов систем топливоподачи на динамические покаатели качества работы двигателя, его экономичность, надежность функционирования при работе на неустановившихся режимах [2].
В работе [3] на основе представленных допущений получены основные уравнения и соотношения для нелинейной динамической модели многоцилиндрового ДВС (МДВС) с внешним смесеобраованием. Двигатель рассматриваем как открытую неоднородную динамическую стохастическую систему. Предлагаема расчетна модель позволяет учитывать основные связи элементов системы и отражать преобраование потоков энергии в системе с учетом диссипативных процессов в ней. Общим требованием, предъявляемым к модели, является адекватность математического описания модели реаьным процессам, происходящим в двигателя на различных режимах работы от пека до выхода его на установившийся режим работы.
Проверка адекватности разработан ой нелинейной динамической модели МДВС с внешним смесеобразованием была проведена путем сопоставления теоретических расчетов по модели с результатами стендовых испытаний двигателя ТМЗ-450Д. Для выполнения серии численных экспериментов была модернизирована программа расчета модели [4]. Совместное инегрирование уравнений (1) - (5) в течение 1 минуты модельного времени осуществлялось многошаговым методом Руне - Кутта, обеспечивающим достаточную устойчивость вычисления на продолжительных временах интегрирования. Кажда расчетна точка соответствует одному вычислительному эксперименту, который является линейной функцией угловой скорости.
В процессе интегрирования происходит моделирование открытия дроссельной заслонки в инервае от 0 до 100 %. Затем происходит нагружение «моментом потребителя», который имеет линейную возрастающую зависимость от частоты вращения системы "двигатель-потребитель", до наступления установившегося режима работы двигателя. После выполнения режима переходных процессов модель выходит на установившийся режим. Затем фиксируются значения расчетных точек и определяются все необходимые индикаторные и эффективные покаатели.
В результате серии последовательных расчетов при раных начальных значениях момента потребителя строится внешняя скоростна характеристика (ВСХ) двигателя. Подобный подход позволяет значительно сократить расход машинного времени при достаточной для инженерных расчетов точности. При моделировании процесса работы двигателя можно провести расчет для всех интересующих моменах потребителя и частот вращения КВ.
Экспериментальные данные по двигателю ТМЗ-450Д представлены конструкторским отделом «Двигателей» ОАО АК «Туламашзавод». Испытания проводились австрийской фирмой AVL LIST GmbH (отчет №2 AT 0047, апрель 1998 год). Полученные данные послужили экспериментальным материалом для проведения многовариантного численного эксперимента и построения ВСХ двигателя ТМЗ-450Д. Экспериментная база (рис. 1) позволяет получить все необходимые выходные параметры для апробации динамической модели МДВС.
Рис. 1. Внешний вид стендов экспериментальной базы: а - система DPA 482; б - Тест-Ассистент 5
Программа испытаний предусматривала выполнение следующих пунктов.
1. Запуск двигателя и его прогрев.
2. Ввод исходных значений момента потребителя.
3. Исследование переходных процессов при изменении положения рычага рейки и момента потребителя (с заданным темпом).
4. Измерение расходов топлива, воздуха, давления в цилиндре и уровня токсичности.
Исходные данные для проведения численного эксперимента приведены в таблице.
Исходные данные для проведения численного эксперимента
№ п/п Исходные данные Значение
1 Продолжительность сгорания 9 о о
2 Показатель сгорания 1,2
3 Продолжительность нагружения 1с
4 Продолжительность открытия (регулирующего органа - дроссельная заслонка) РО 1с
5 Начальное / конечное положение РО 0% / 100%
6 Шаг интегрирования 2е 005 с
7 Шаг вывода 0,0002 с
8 Метод интегрирования Рунге - Кутта
9 Начальный / конечный момент потребителя -2 Нм / -85 Нм
10 Коэф. пропорциональности 0,3 Нм-с/рад
11 Температура воздуха 293,15 К
12 Атмосферное давление 0,1 МПа
13 Угловая скорость КВ 250 рад/с
14 Число вариантов / Число опытов 20 / 27
Некоторые результаты сравнения расчетных характеристик динамической модели с данными заводских испытаний приведены на рис. 2.
При изменении частоты вращения КВ в диапазоне от 1000
до 3400 мин 1 мощность двигателя возрастает при незначительном изменении момента. В то же время удельный расход топлива несколько снижается, а затем его величина стабилизируется во всем диапазоне частот, как в модели, так и в реальной конструкции.
В результате проведения теоретических исследований и сопоставления их с данными заводских испытаний (двигатель ТМЗ-450Д) можно сделать следующие выводы: максимальная разница в расчете мощности не превышает 0,6 кВт, момента - 2,5 Нм, а удельного расхода
топлива - 55 г/кВт-ч (в области средни и высоких частот). Средня погрешности расчета момента в зависимости от частоты вращения КВ составляет не более 8 %, мощности - не более 7 %, удельного расхода топлива двигателя - не более 10 % (для диапазона скоростных режимов п = 1500 - 3400 об/ми).
в
Рис.2. Изменение мощности (а), удельного расхода топлива (б) и момента (в) двигателя ТМЗ-450Д от частоты вращения КВ:
1- данные эксперимента; 2 - заводские данные
Вместе с тем необходимо отметить следующее:
1. Качественный характер полученных кривых на графиках (рис. 2) для мощности и удельного расхода топлива в целом соответствует имеющимся характеристикам для бензиновых двигателей, близких по классу.
2. Скоростные характеристики служат для оценки адекватности нелинейной динамической модели МДВС; данная оценка является более полной по сравнению с использованием для этого одной индикаторной диаграммы.
3. По полученным характеристикам расхождения теоретических и экспериментальных данных можно судить о направлении дальнейшего уточнения (или изменения) модели, учитывающей то или иное ослабление допущений, принятых при ее построении.
4. С помощью усовершенствованной динамической модели можно проанаизировать влияние взаимосвязанных факторов на эффективность процессов смесеобраования и работы ДВС в целом.
5. Можно выполнять расчеты МДВС с применением данной динамической модели на стадиях эскизного и конструкторского проекта с целью поиска опиммьных конструктивных схем двигателя.
6. Общим требованием, предъявляемым к нелинейной динамической модели с учетом допущений и граничных условий, является адекватность описания модели реаьным процессам в двигателях.
В заключение следует отметить, что достоверность результатов исследования и построения уточненной динамической модели подтверждается корректностью применения математического аппарата, достаточной согласованностью полученных в работе результатов расчета на ЭВМ с результатами физического эксперимента на объекте исследования (ТМЗ-450 Д).
Библиографический список
1. Агуреев И.Е. Нелинейные динамические модели поршневых двигателей внутреннего сгорания: Синергетический подход к построению и анаизу: монография / И.Е. Агуреев. - Тула: ТулГУ 2001. - 224 с.
2. Григорьева Н.В. Работа двигателей внутреннего сгорания на не-установившихся режимах / Н.В. Григорьева, М.Л. Поздняков // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: 2007.- С. 20 -23.
3. Григорьева Н.В. Подход к построению нелинейный динамических моделей многоципиндровых ДВС / Н.В. Григорьева // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. - 2007.- Вып.1. - С. 110 - 118.
4. Григорьева Н.В. Раработка АРМ для расчетов и анаиза рабочих процессов поршневых двигателей внутреннего сгорания / Н.В. Григорьева // Тез. докл. VII Всероссийской научно - технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании". -2002.- С. 84 -85.
Получено 23.04.08
