Моделирование систем топливоподачи и автоматического регулирования частоты вращения дизельного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43.01

М.В. Малиованов, д-р техн. наук, проф.,

Р.Н. Хмелев, канд. техн. наук, доц., [email protected],

Н.С. Базаева, асп., (4872) 35-05-01, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ И АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Разработано математическое и программное обеспечение расчета дизельного двигателя с учетом совместной работы систем топливоподачи и автоматического регулирования частоты вращения. Приведены примеры расчетов процесса функционирования двигателя в изменяющихся условиях эксплуатации.

Ключевые слова: математическое моделирование, двигатель внутреннего сгорания, система топливоподачи, система автоматического регулирования частоты вращения.

Мощностные, экономические и экологические показатели дизельного двигателя в значительной степени зависят от функционирования системы топливоподачи.

Существующие подходы к математическому описанию системы топливоподачи ориентированы на математическое моделирование процесса подачи топлива без учета процесса функционирования двигателя внутреннего сгорания, что связано с использованием допущения о постоянстве угловой скорости коленчатого вала. Такой подход существенно ограничивает возможности применяемых математических моделей.

Для расчетного исследования функционирования дизеля в изменяющихся условиях эксплуатации было разработано математическое и программное обеспечение расчета дизельного двигателя с учетом совместной работы систем топливоподачи и автоматического регулирования частоты вращения (САР).

Комплекс моделей состоит из основного ядра [1], разработанного на базе тепломеханики и отражающего основные особенности двигателя как системы преобразующей энергию во времени, и моделей систем топ-ливоподачи и регулирования.

Взаимодействие моделей показано на рис.1. На каждом временном шаге основное ядро определяет текущие значения давления и температуры газа в цилиндре, угловой скорости вращения кулачкового вала, необходимые для расчета процесса топливоподачи. С помощью математической модели автоматического регулятора частоты вращения в соответствии с режимом работы двигателя вычисляется координата рейки топливного насоса высокого давления. В результате расчета функционирования системы топливоподачи определяются начало, продолжительность, давление

впрыскивания, масса подаваемого топлива. По этим параметрам в каждом цикле вычисляется секундный приход энергии в результате горения рабочей смеси.

Рис. 1. Схема взаимодействия математических моделей

Система уравнений модели двигателя (основного ядра) записывается в следующем виде [1]:

dp 1

dT

dt W 1

&п1 + &п2 - &р1 - &р2 - р • / п Ю • a2.

&п1 (п1 — и ) + &п2 (п2 — и ) — (&р1 + &р 2 )(і — и ) + йг - йт - р •/ п Ю • а2];

+

dю а4

(р - р0) / п- Ртр - а3 • тпр '®2 ]-Мс ш dф

dt

dt

а4 • а2 ' ^пр + ^ пр

Замыкающим является уравнение состояния в термической форме:

Р = Р^х• Т,

где а2 = гк •

а4 = гк бій ф

X

БІпф +— БІп2ф ; аз = гк -(совф + ХсоБ2ф);

1 + ■

2

X СОБ ф

1 --4 (1 - СОБ2ф)

Х = ~К; Ощ и Ор - секундный массовый

I.

‘РЗ

ш

приход и расход газа через >е клапанное отверстие ( = 1 - впускное клапанное отверстие, | = 2 - выпускное клапанное отверстие); и = суТ; I = (еу + X )Т - удельная внутренняя энергия и энтальпия газовой среды в цилиндре; ¡щ = (Сц + ЩТщ, и Тп^ - удельная энтальпия и температура

газовой среды в полости, из которой происходит истечение.

Математическая модель системы топливоподачи включает уравнения, описывающие гидродинамические процессы в трубопроводе и гидромеханические процессы в насосе и форсунке.

Для описания гидромеханических процессов в насосе использовались уравнения изменения во времени давления и температуры ДТ:

- в надплунжерной полости

Р

dт

^а6с ^ са5

[1 + к2 + [3 (*^рУр + £ ро^кі1 ^р _ с 1 а6с 1

dTc

dт Wccv

к1 + к2 + к4 + (рУр + £роуЫ ст1 )_7СТс

а5с

в полости штуцера

dт

vsa6s

кц + к12 + к1з + £ро]Ук1<^1срр _ ^ 1 а6 я]

dTs

ки+к12+к14- $роуы а1 ~аб~-Т

а также уравнение движения нагнетательного клапана

Хк/

dт

Ук/

dI

( (к 0 ^ к1Хк1 + ка (с Ря ) + £рег _ к (с Ря ))^11 тк ■

Для описания гидромеханических процессов в форсунке использовались уравнения изменения во времени давления и температуры в полости

V

с

dP

/

''/а6/

dт W/а5/

[к21 + к22 + к23 - £іУі°2ср_//а6/1

dт Wс

а6 /

к21 + к22 + к24 + £уіа 2—Г~ Т/

а5 -

/

и уравнения движения иглы

Хі_

dт

где

V = (- 8( - ( - 8п1 - Р/ )+ 8п1Рг > / т.,,

£1 = Гт _ п (^п — ис )— Гоиг _ п (Ие — ис X

£2 = _ с (^5 — ис )— Гс _ 5 (¿с — ис

£3 = ^с (ср _ с /а6с — Рс >Г,п _ п — ГОШ _ п + Г5 _ с — Гс _ 5 > /

а6

с

V а5с

Т - Р

сс

/И _ И ^ОМ _ п ^ ^ _ с '“'с _ 5, (Г,п И — ГОМ п + Г5 с — рс 5 Х

£13 = (ср _ ^а65 Р )(рс _ 5 Г5 _ с + р,п _ г _ 5 ГОШ _ г _ 5 >

а6

V а55

Тс Рс 1(с 5 (5 с + Г,п г 5 ГОШ I 5,

Г V

І С /5

21 = Г,п г /(^_/—и/)— Гоиг_г_/(^/—и/); £22 = —Гсу/{¿/—и/);

£23 = ^/(ср _ // а65 Р >Г,п _ г _/ Гоиг _ г _ / Гсу/ >;

/

£24 = у/

а6

/

\

а5

/

Т/ - Р/

(т _ г _ / Гоиг _ г _ / Гсу/ >

1

а5, = уог ,

_в_

в, + р

к,

/((/ + Р>£, -^г0

^ р ^ р0

/ У

Р У

п

/ пг / Р

а6/ (1 ^ г о)

' _в_л

V в / + Р/ У

а3/ =

К, ^ а4,

(а3, + уог , , ) + ^ г о 'а3,

“ £,

1,8-1,3 '10-3 Р20

^ Р ^

Р0

р, У

пг

-3

р20 — 1,8 —1,3 '10 р20

- 293)

2 ’

, -851000Рг л лл лп.2л

а4, =—?-------------^ —1,41 '10 1п

в, (в, + Р,)

в,

V в, + Р, У

/ К,.

Уравнения записаны для ДТ с учетом газовой фазы.

В приведенных уравнениях индексы с, 5, / отнесены к надплунжер-ной полости, полости штуцера и форсунке соответственно, к - к нагнета-

1

1

1

тельному клапану, і - к игле; Оі

іп п

О

оШ п

- массовые приходы (расходы) в надплунжерную полость через отверстие в гильзе; О8 с, Ос 5 -

массовые приходы (расходы) в полость штуцера из надплунжерной полости; Оп ? 8, Оои? ? 8 - массовые приходы (расходы) в полость штуцера

из трубы; Оп ? у, Оои? ? у - массовые приходы (расходы) в полость распылителя из трубы; Оу - массовые приходы (расходы) в цилиндр; Во, ко - коэффициенты уравнения состояния при Т = 0 К и р = 105 Па; а = 0 при Х^ = 0 и ¥¡1 < 0, в остальных случаях а1 = 1; а2 = 0 при X7- = 0 и ¥ < 0 или Х^ = Х^ тах и ¥1 > 0, в остальных случаях а 2 = 1.

В качестве исходных уравнений для описания течения ДТ в трубе используются уравнения движения, неразрывности и сохранения энергии одномерного потока сжимаемой жидкости. Замыкается система уравнений уравнением состояния [2]

= 0.

д дх

друх , д(р + руХ) ХтРр'’Х

дг

+

дх

2d 2

др

Ґ 2 \ Ґ УХ а

и + — друх

2

2Л Р Vx и + —+ х

дг

+

V

р2

дх

+ 4ат (Т ~ Тст ) = о

рd2

где dг - гидравлический диаметр трубы.

Математическая модель регулятора имеет следующий вид [3]:

(¥ц ’ ^ ~ ГтР д- + ^ ' Кт 8ІП(ф ~ ф0)ю2) С08(Ф ~ Ф0 )Ят ~ М¥

J + Яр 2а- еоБ2(ф~фо)

= ю,

dю dt

dф dt

где М¥ = Мп + Мтр.р..

Программное обеспечение расчета САР и расчета процесса подачи топлива было включено в программу расчета двигателя в виде дополнительных модулей.

На рис. 2, 3 приведены результаты расчета процесса функционирования дизельного двигателя ТМЗ-450Д производства ОАО «АК «Тула-машзавод» в переходном режиме.

V

х

Рис. 2. Переходные процессы в двигателе при сбросе нагрузки:

------осредненная цикловая масса;----------— угловая скорость;

п — номер цикла

Рис. 3. Переходные процессы в двигателе при сбросе нагрузки: ---------давление в форсунке;-------— угловая скорость

Разработанное математическое и программное обеспечение позволяет осуществить расчет функционирования двигателя в установившихся и переходных режимах, а также определить конструктивные параметры, обеспечивающие максимальное приближение рабочих показателей систем двигателя к оптимальным.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 год, государственный контракт № П615 от 18.05.2010 г.

Список литературы

1. Малиованов М.В. Динамическая теория ДВС (целесообразность создания и этапы разработки) // Изв. ТулГУ. Сер. Автомобильный транспорт. Вып. 2. 1998. С. 189-196.

2. Грехов Л.В. Использование линеаризованного распада разрыва для расчета топливоподачи в дизелях // Автомобильные и тракторные двигатели: межвузовский сборник научных трудов. Вып. XVI. 1999. С 81-85.

3. Воронин Д.О., Малиованов М.В., Плешанов А. А. Построение динамической модели системы «ДВС - регулятор числа оборотов» на примере дизельного двигателя ТМЗ-450Д //Изв. ТулГУ. Сер. Автомобильный транспорт. Вып. 4 . 2000. С. 67-74.

M.V. Maliovanov, R.N. Khmelev, N.S. Bazaeva

MODELLING OF FUEL AND AUTOMATIC CONTROL OF FREQUENCY OF ROTATION OF THE DIESEL ENGINE SYSTEMS

The mathematical description and the software of calculation of the diesel engine is developed taking into account teamwork of power supply systems and automatic control of frequency of rotation. Examples of calculations of process of functioning of the engine in changing service conditions are resulted.

Key words: mathematical modeling, an internal combustion engine, fuel system, system of automatic control of frequency of rotation.

Получено 16.12.10