CC BY
41
УДК 621.436.001
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА, ОСНАЩЕННОГО СИСТЕМОЙ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦИКЛОВ
Д.К. Гришин1, М.В. Эммиль2
1) Кафедра конструкций машин 2) Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6, Россия
Приводятся результаты компьютерного исследования дизель-генератора с системой автоматического регулирования пропуском рабочих циклов. В предлагаемой математической модели правая часть уравнения движения двигателя аппроксимируется импульсной функцией. Приводится график переходного процесса дизель-генератора с изменяющимся числом рабочих циклов, построенный с использованием программы Mathcad.
Отключение части цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС) часто используется как метод повышения топливной экономичности и снижения содержания токсичных компонентов в отработавших газах двигателя. Обычно отключение части цилиндров осуществляется на режимах малых нагрузок и холостого хода, в последнем случае - при полном сбросе нагрузки. Исследования, проведенные на кафедре "Комбинированные ДВС", показали эффективность метода отключения цилиндров и работоспособность системы отключения, разработанной в РУДН под руководством профессора H.H. Патрахальцева.
Разновидностью метода отключения цилиндров является отключение отдельных циклов, которое технически может быть осуществлено путем установки в линии высокого давления (ЛВД) топлива клапана-отключателя, высокое быстродействие которого позволяет выключать из работы отдельные циклы. Этот метод может оказаться перспективным при создании систем автоматического регулирования дизель-генераторов, поскольку в этом случае можно исключить механический регулятор частоты вращения, обеспечивая регулирование двигателя при постоянном положении рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) на упоре максимальной подачи. Регулирование в такой системе должно осуществляться по специальной программе, заложенной в электронный блок управления.
Недостатком таких систем регулирования является необходимость установки в ЛВД указанного выше клапана-отключателя, который может влиять на протекание процесса топ-ливоподачи, что потребует тщательной доводки системы. Более перспективной представляется электронная система регулирования с насос-форсунками, а также в системе Common Rail, имеющей короткие трубопроводы ЛВД от аккумулятора к форсункам и электронное управление. Системы электронного управления транспортных дизелей в настоящее время уже широко применяются и их использование для стационарных дизель-генераторов представляется задачей вполне решаемой.
Для создания такой системы важное значение имеет исследование переходных процессов двигателя с учетом отключения рабочих циклов [1], а также с учетом переходных процессов в топливной аппаратуре. В данной статье проводится анализ переходных процессов в одноцилиндровом малоразмерном дизель - генераторе при сбросе нагрузки с помощью компьютерной программы Mathcad.
Уравнение двигателя как регулируемого объекта в классическом виде учитывает воздействие со стороны регулирующего органа, например, рейки ТНВД или дозатора в ТНВД распределительного типа, нагрузки и давления наддува, если он имеется на данном двигателе. Исходным для вывода динамического уравнения двигателя как регулируемого объекта является уравнение следующего вида:
/• — = Ше-АМс, dt
d(ú ...
где I - момент инерции вращающихся частей двигателя, ------- - угловое ускорение, Аме и
dt
АМс - изменения эффективного крутящего момента и момента сопротивления, соответственно. Функциональные зависимости изменений соответствующих моментов для дизеля без наддува и с регулированием отключения рабочих циклов имеют следующий вид:
AMe=f(<o,z), АМС = /(со, N), (2)
где со - угловая скорость, z - число работающих циклов, N - координата нагрузки.
В результате разложения функциональных зависимостей (2) в ряд Тэйлора с учетом принципа линеаризации, перевода уравнения в безразмерный вид и проведения известных алгебраических преобразований получаем динамическое уравнение двигателя, регулируемого отключением циклов, в следующем виде
+ (3)
dt
_ tsz Acó АN
где: q - —, ф =--------, ад =-------безразмерные координаты числа рабочих циклов, час-
Ч No
тоты вращения и нафузки, соответственно; Az, Aü), AV - изменения числа рабочих цик-
дм.
« dN No
лов, угловой скорости и нагрузки соответственно; ОгЛ, = -------* коэффициент влия-
8z
ния отключения циклов по нагрузке; Те и ке- динамические коэффициенты уравнения, определяемые соответствующими комплексами, получающимися при делении уравнения во время вывода на коэффициент при £, после разложения функций (2) в ряд Тэйлора и подстановки в исходное уравнение. Индекс "0" обозначает соответствующую координату до момента возмущения.
Диапазон изменения аа : 0 <CLg < 1, то есть, если <Хг = 0, то двигатель работает на
режиме полной нагрузки, а аа = 1 означает полный сброс нагрузки.
Первый член в правой части уравнения (3) обозначает изменение числа рабочих циклов двигателя, а второй член учитывает изменение нагрузки, при этом коэффициент влияния отключения циклов по нагрузке включает в себя, как это видно из его выражения, отношение производных момента сопротивления по нагрузке и крутящего момента по числу рабочих циклов. Другими словами, для создания алгоритма регулирования дизеля методом отключения циклов необходимо задать соответствующие функциональные выражения. В соответствии с принципом суперпозиции влияние членов в правой части уравнения (3) может рассматриваться по отдельности с последующим совмещением на графике переходных процессов. Если, допустим, система регулирования включает пропуск рабочих циклов через один, то это означает, что в правой части уравнения появляется число < 0. Общее решение уравнения (3) в этом случае будет иметь следующий вид:
Очевидно, что в данном случае будет иметь место уменьшение частоты вращения. Таким образом, переходные процессы, вызванные изменением числа рабочих циклов в результате их пропуска, будут асимптотически приближаться к разным пределам, определяемым значением £,.
На рис.1 показаны статические характеристики двигателя, вызванные пропуском рабочих циклов. При неизменной нагрузке это фактически переход по кривой момента сопротивления в сторону уменьшения частоты вращения, т.е. из точки а в точку Ъ . Система автоматического регулирования, должна быть настроена таким образом, чтобы уменьшение частоты вращения происходило при уменьшении нагрузки, частичном или полном ее сбросе, что обеспечивает формирование регуляторных характеристик, в нашем случае регуляторной характеристики номинального режима дизель-генератора.
При уменьшении нагрузки частота вращения двигателя увеличивается, и при отсутствии регулятора ее изменение проходит по внешней скоростной характеристике (точка с). При полном сбросе нагрузки возникает так называемый "разнос" двигателя, что особенно опасно для него. Включение программы регулирования приводит к реализации пропусков рабочих циклов, что снижает частоту вращения, и при некотором сбросе нагрузки двигатель из точки с переходит в точку сі, которая находится уже на регуляторной характеристике.
Приведенное выше описание не учитывает циклического характера процесса отключения циклов и переходных процессов в топливной аппаратуре. На рис. 1 представлены только конечные точки, в которые переходит двигатель при изменении нагрузки и соответствующем изменении числа рабочих циклов.
Исследование переходных процессов в двигателе при изменении числа рабочих циклов проводилось при помощи компьютерной программы МаЛсаё. В результате пропуска определенного числа рабочих циклов происходит уменьшение частоты чередования импульсов крутящего момента. Моделирование этого явления осуществлялось следующим образом. Для задания ритма импульсов использовалась функция /1(ї) (рис. 2) переменой частоты
□ (і): /7(7,) = (О (г)- /).
Рис. 1. Характер изменения частоты вращения двигателя при отключении части рабочих циклов:
Ме„ Ме2 - внешняя и частичная характеристики крутящего момента двигателя, соответственно; Ме„Ме2 - моменты сопротивления; п - частота вращения вала двигателя
1 ли) • t # 1 # t ч 1 К 1 \ 1 1 1 • 1 1 / • % % % і % і « і і 1 t 1 1 І 1 « « 1 % К * 1
ЛИ) 0 \/ .... 0. 05 \ 1 \/ 0
t
Рис. 2. Формирование импульсов крутящего момента вала двигателя:
ГКО - сигнал управления числом рабочих циклов двигателя;
f 2 (t) - графики импульсов крутящего момента на валу двигателя; t - время, с
26
Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования, 2004, №1 (8)
Формирование прямоугольных импульсов крутящего момента на валу двигателя (рис. 2) производилось при помощи функции /2 (7), задаваемой следующим образом:
f2(t) =
if Af 1 (t )> fl(t)>0 acos (Ci (t)-t)>0
otherwise,
(5)
где: А/1(1) = ят( А/ О (())■, А/ - длительность импульса крутящего момента.
Условие А/1(() > /1(1) обеспечивает постоянство длительности импульсов при изменении их частоты. Условие С0$(О. (I) ■{) > 0 позволяет исключить импульсы, генерируемые на спадающих участках функции /1(1). Искомая величина - безразмерная частота вращения вала двигателя ф - является результатом решения методом Рунге-Кутта дифференциального уравнения (3) с учетом функции (5).
На рис. 3 приведена часть графика переходного процесса изменения угловой скорости вращения вала двигателя при сбросе нагрузки и регулировании путем изменения частоты чередования рабочих циклов по закону О (7) -(10 — 2()■ 15.7 . Начальное значение О (7) при / = 0 равно 157 с'1, что соответствует круговой частоте чередования рабочих циклов четырехтактного одноцилиндрового двигателя с частотой вращения 3000 мин'1.
В начальный момент предполагается, что номинальный режим работы двигателя соответствует точке а характеристики Мс/ на рис.1. При частичном сбросе нагрузки происходит уменьшение числа рабочих циклов (график _/2(7) на рис. 3) и соответствующее уменьшение эффективного крутящего момента. В результате рабочая точка переходит из
точки а в точку с1, а частота вращения вала двигателя (кривая Х{1) на рис. 3) увеличивается в соответствии с наклоном регуляторной характеристики двигателя ае .
2 0) 0.1Sf2(t)
O.lfl(t)
Z ,t
Рис. 3. Переходный процесс в двигателе при изменении частоты рабочих циклов:
v(^) t 7^)
Z, , I - время, с; ¿j - относительная частота вращения вала двигателя ф ;
fKt) - сигнал управления числом рабочих циклов; f 2(t ) - графики импульсов крутящего момента двигателя
Как следует из анализа кривой Z , уменьшение числа рабочих циклов существенно влияет на переходный процесс двигателя и, следовательно, оно может быть использовано для формирования регуляторной характеристики двигателя, работающего в режиме генераторной нагрузки. Пилообразный характер кривой ZW частоты вращения вала двигателя определяется импульсным приложением крутящего момента, что создает нестабильность вращения в ходе переходного процесса. Необходимо отметить, что нестабильность вращения зависит от частоты чередования рабочих циклов, при этом, чем больше интервал между рабочими циклами, тем ее величина больше. Следовательно, минимальная частота чередования рабочих циклов должна быть увязана с допустимыми значениями нестабильности угловой скорости вращения вала двигателя на основе анализа динамических характеристик его механической системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гришин Д.К., Эммиль М.В. Динамические процессы дизель - генератора, регулируемого отключением циклов. // Вестник Российского университета дружбы народов. Сер. Инженерные исследования. -2001, №1.-С. 61 -64.
TRANSIENT PROCESSES RESEARCH OF A DIESEL-GENERATOR WITH CUT - OFF
CYCLES GOVERNING
D.K.Grishin\ M.V.Emmil2.
1) Department of Machine Design
2) Department of Combined Internal Combustion Engines Peoples' Friendship University of Russia
Miklukho-Maclaya str., 6, 117198 Moscow, Russia
The diesel engine movement equation is being considered with taking into account the cut - off cycles. The proposed mathematical model includes the impulsive function in the right part of the engine movement equation. The graphic of a one cylinder diesel - generator transient processes with variable frequency of cut - off cycles are given using the Mathcad computer program.
