CC BY
58
УДК 621.43
И.Е. Агуреев, д-р техн. наук, проф., декан, 8-910-943-65-72, ieag@klax.tula.ru,
А.В. Ахромешин, асп., 8-920-742-66-96, aakhromeshin@rambler.ru,
М.Ю. Власов, асп., 8-910-556-87-92, mvlasov83@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕИДЕН-ТИЧНОСТЬЮ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Выполнен анализ управления МЦН путем чередования подачи топлива в цилиндр ДВС. Проведены исследования по переводу двигателя с режима МЦН на режим с УМЦН, установлено влияние работы ДВС на режиме УМЦН на выходные параметры двигателя.
Ключевые слова: межцикловая неидентичность, подача топлива, рабочий процесс, подавление хаоса, бифуркация.
Тепловые двигатели относятся к классу таких сложных технических систем, которые проявляют многочисленные признаки бифуркаций, качественных преобразований своих характеристик во времени при изменении управляющих параметров в процессе эксплуатации, а также способности к возникновению диссипативных структур. Имеются все основания для изучения межцикловой неидентичности (МЦН) в ДВС как фактора, связанного с проявлением нелинейной природы двигателей, бифуркационного характера возникновения МЦН и хаотического поведения двигателя. Подобные подходы уже известны в теории ДВС и в практике экспериментов К. Доу, М. Финни, Р. Вагнера, Г. Литака и других авторов.
Последние исследования в области нелинейной динамики указывают на новое понимание происхождения хаотичности. Было доказано, что хаотическое поведение является характерным для нелинейных динамических систем даже с небольшим числом степеней свободы [1]. В последнее время интенсивно развивается новое направление в нелинейной динамике и синергетике, посвященное проблемам предсказуемости поведения хаотических систем, управления их динамикой и возможности подавления хаоса.
По данному направлению опубликован ряд работ таких ученых, как Г. Хакен, И. Пригожин, Н.А. Магницкий, Г.Г. Малинецкий, Ю.А. Данилов и др.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что хаотические динамические системы крайне чувствительны к внешним воздействиям. Управление такой системой может быть осуществлено с помощью слабых воздействий. Обнаружены возможность управления динамикой хаотических систем, при помощи перевода первоначально хаотических
систем на требуемый динамический режим и стабилизация их поведения, причем это относится ко многим областям естественных наук [2].
Таким образом, интересной представляется задача управления хаотическими режимами работы двигателя с целью повышения эффективных характеристик ПДВС.
Цель настоящей работы - установить возможность управления МЦН в ПДВС как сложной нелинейной динамической системой, провести расчетные и экспериментальные исследования управления МЦН, выполнить анализ эффективности перевода двигателя с режима с МЦН на режим управляемой межцикловой неидентичности (УМЦН).
В работе [3] рассмотрена математическая модель для изучения МЦН. Управление МЦН выполняется путем чередования подачи топлива в цилиндр двигателя по определенному закону. Стабилизация неустойчивого (хаотического) поведения осуществляется при помощи внешнего воздействия (периодического), которое выводит систему на регулярный режим поведения.
Для реализации цели исследования и обоснования эффективности применения УМЦН были выполнены серии вычислительных экспериментов, заключающихся в следующем:
1) рассчитывались скоростные режимы (при максимальной загрузке ДВС внешним моментом) без МЦН, при этом выбирались различные значения коэффициента избытка воздуха а, характеризующего обеднение смеси;
2) для реализации режима УМЦН устанавливались значения а1 и а2, которые применялись для нечетных и четных циклов ДВС соответственно; а1 и а2 выбирались таким образом, чтобы а\ =а из п. 1;
3) выполнялось сравнение полученных эффективных характеристик режимов без МЦН и режимов с управляемой МЦН;
4) выполнялась проверка сравниваемых режимов с точки зрения относительного содержания токсичных компонентов в рамках равновесного подхода.
На рис. 1 представлены зависимости для эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива двигателя ЗМЗ-4062.10 для разных значений коэффициента избытка воздуха.
Эффект от применения управляемой МЦН дает преимущества по сравнению с обычным режимом работы двигателя:
- на низких оборотах эффективная мощность двигателя увеличивается на 4,5...6 %, средний эффективный расход топлива снижается на 2...3 %;
- на высоких оборотах эффективная мощность двигателя увеличивается на 7 %, средний эффективный расход топлива снижается на 3.4 %.
1
2
3
4 \
1000 1350 1700
4150 4500
/
///
1 ч
2 \
3 \ >
"Л \ >
.
П, Об/МИН
Рис.1. Эффективная мощность и расход топлива для двигателя
ЗМЗ-4062.10.
Режим с УМЦН: 1 - а\ =1,1, а2 =1,2; 3 - а\ =1,2, а2 =1,3.
Режим без МЦН: 2 - а =1,2; 4 - а =1,3
В качестве модели сгорания использовались классические зависимости И.И. Вибе. Поскольку условия сгорания в цилиндрах ДВС могут существенно меняться в зависимости от конструктивных особенностей двигателя, условий эксплуатации, представляется логичным выполнить анализ влияния УМЦН на эффективные характеристики при различных показателях m и (рг.
Влияние показателя сгорания m представлено на рис. 2.
1 2
3 4
6
1 //у
4
6
Рис. 2. Влияние показателя сгорания т для двигателя ЗМЗ-4062.10. Режим с УМЦН: 1 - т = 1; 2 - т = 2; 3 - т = 3.
Режим без МЦН: 4 - т = 2; 5 - т = 3; 6 - т = 3
Влияние продолжительности сгорания (р2 представлено на рис. 3.
п, об/мин п, об/мин
Рис.3. Влияние продолжительности сгорания (рг для двигателя
ЗМЗ-4062.10.
Режим с УМЦН: 1 - <р, = 40 0; 3 - <р, = 60 0; 5 - <р, = 80 0.
Режим без МЦН: 2 - (рг = 40 0; 4 - фг = 60 0; 6 - фг = 80 0
Исследования показали, что при всех значениях m и (рг наблюдаются увеличение эффективной мощности Ыв на 3.. .5 % и уменьшение удельного эффективного расхода топлива ge на 2.4 %, причем преимущество работы двигателя на режиме с УМЦН увеличивается на высоких скоростях вращения КВ.
Итоговые зависимости выбросов ОГ для двигателя ЗМЗ-4062.10 приведены на рис. 4.
С02 Л
—
со к-,/1 МОхПО А
2%
0 % 0 8 0 9 1 0 1 1 1 2
Рис.4. Концентрация токсичных компонентов в отработавших газах (пунктиром обозначены результаты для режима без МЦН, сплошные линии - для режима с УМЦН)
Результаты расчетов показали, что работа двигателя в режиме УМЦН сопровождается снижением содержания токсичных компонентов в ОГ (СО, сО2 и N0^ в среднем на 0,5.1 %.
Для подтверждения превалирования работы ДВС в условиях МЦН была выполнена серия натурных экспериментов.
Результаты эксперимента для двигателя ЗМЗ-4062.10 представлены на рис. 5.
а б
в
Рис. 5. Зависимость давления в цилиндре ЗМЗ-4062.10 по времени (экспериментальные данные): а -1200 об/мин; б - 2400 об/мин; в - 3200 об/мин
По результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод о поведении двигателя как сложной динамической системы, в которой явление МЦН есть неотъемлемая часть функционирования, связанная не только с отдельными факторами (развитие начального очага горения, турбулентность потоков в цилиндре, степень рециркуляции ОГ и т.д.), а с природой самой системы.
Поскольку экспериментально было выяснено, что МЦН является часто наблюдаемым явлением, была решена задача, состоящая из двух подзадач:
1) сравнение режима с МЦН и режима с управляемой МЦН по эффективным величинам (Ыв, ge);
2) возможность исключения режима МЦН путем создания управляющего воздействия по переходу к УМЦН.
При решении первой подзадачи установлено, что управление МЦН путем чередования подачи топлива в цилиндр приводит к разрушению хаотического поведения системы, причем наблюдается улучшение эффективных показателей работы ДВС (увеличение эффективной мощности на
5.7 %, удельного эффективного расхода топлива на 2.4 %). Результаты моделирования представлены на рис. 6.
—
У У ■ч 'X
\ \ V N
/ г
/. N \
/ /
!°&
У /
/ ' /
// /
■ /
у У У
у у/
.
. ■
1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000
П, Об/МИН
п, об/мин
а Б
Рис. 6. Изменение эффективных показателей двигателя ЗМЗ-4062.10 (пунктиром обозначены результаты моделирования без режима управления МЦН): а - эффективная мощность; б - удельный эффективный расход топлива
При решении второй подзадачи в математическую модель вводился режим управления МЦН путем чередования подачи топлива в цилиндры. На рис. 7 приведены результаты включения режима управляемой межцик-ловой неидентичности РП для двигателя ЗМЗ-4062.10. Управление хаотическим поведением системы осуществлялось с 15-й секунды моделирования.
15 15.5 16
Время!, сек
а
б
Рис. 7. Управление МЦН для двигателя ЗМЗ-4062.10: а - зависимость давления в цилиндре по времени; б - изменение угловой скорости КВ
Из рис. 7 видно, что после начала включения режима управления МЦН начинается переходный процесс, который длится 0,5 секунды, после чего двигатель выходит на установившийся режим функционирования, соответствующий циклу с удвоенным периодом S2.
Установлено, что фактически этот способ управление МЦН отражает применение метода подавления хаоса, заключающегося в стабилизации неустойчивых циклов хаотических динамических систем малыми возмущениями системного параметра (в данном случае путем задания поочередно (Х\ и а2) в области хаотического поведения траекторий системы.
Таким образом, управление МЦН путем чередования подачи топлива в цилиндр приводит к стабилизации хаотического поведения системы, что улучшает показатели эффективности работы ДВС (увеличение эффективной мощности на 5.7 %, удельного эффективного расхода топлива на 2.4 %).
Актуальным является создание аппаратуры систем УМЦН для реальных двигателей, построенной на основе разработанного способа управления МЦН, экспериментальные подтверждения разработанной системы управления хаосом.
Список литературы
1. Магницкий Н.А., Сидоров. С.В. Новые методы хаотической динамики. М.: Едиториал УРСС, 2004. 320 с.
2. Лоскутов А.Ю. Проблемы нелинейной динамики. II. Подавление хаоса и управление динамическими системами // Вестник МГУ. Сер. Физ. -астр. 2001. № 3. С. 3-21.
3. Агуреев И.Е., Ахромешин А.В. Моделирования межцикловой не-идентичности рабочих процессов в поршневых двигателях внутреннего сгорания // Изв. ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып.1. С. 229-235.
I. Agureev, A. Akhromeshin, M. Vlasov
Research of control cycle-to-cycle variations by working processes in the reciprocating internal combustion engines.
The analysis of control cycle-to-cycle variations is executed by an interleaving of a fuel supply in cylinder the ICE, researches on translation of a drive from condition CCV on a condition with controlled cycle-to-cycle variations are lead, agency effect of operation ICE on condition CCCV on output parameters of the engine.
Key words: inter-cycle are not identical, the fuel supply, the workflow, the suppression of chaos, bifurcation.
Получено 04.08.10
