CC BY
27
УДК 629.12.066(076)
А Л. С1МАНЕНКОВ, С О. РОЖКОВ
Херсонська державна морська академiя
МОДЕЛЮВАННЯ СУДНОВОГО ДВОТАКТНОГО ДВИГУНА ВНУТР1ШНЬОГО ЗГОРЯННЯ ЗА ЙОГО 1НДИКАТОРНОЮ Д1АГРАМОЮ
У cmammi розглянyтi основт процеси, що проткають у судновому двотактному dernyui внyтрiшнього згоряння, за його iндикаторною кривою. На основi анал1зу iндикаторноi дiаграми побудовано математичну модель двигуна, яка дозволяе враховувати вплив характеристик палива на роботу дизеля при yправлiннi по кожному паливному заряду цилтдра. Результати моделювання дозволяють описати один з найскладнших режимiв суднового двигуна внутршнього згоряння - запуск двигуна. Розроблено алгоритм та схему моделювання одноцилiндрового двотактного двигуна внутршнього згоряння. Для моделювання та оптимгзаци управлтня судновим дизелем необхiдна розробка адаптивно'1' моделi системи пiдготовки палива, як тако'1] що враховуе характеристики та властивостi палива, яке подаеться до двигуна.
Ключовi слова: математична модель, судновий двигун внутршнього згоряння, система автоматичного контролю, багатопараметричний регулятор.
А.Л. СИМАНЕНКОВ, С.О. РОЖКОВ
Херсонская государственная морская академия
МОДЕЛИРОВАНИЕ СУДОВОГО ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ЕГО ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЕ
В статье рассмотрены основные процессы, протекающие в судовом двухтактном двигателе внутреннего сгорания, по его индикаторной кривой. На основе анализа индикаторной диаграммы построена математическая модель двигателя, которая позволяет учитывать влияние характеристик топлива на работу дизеля при управлении по каждому топливному заряду цилиндра. Результаты моделирования позволяют описать один из самых сложных режимов судового двигателя внутреннего сгорания - запуск двигателя. Разработан алгоритм и схема моделирования одноцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Для моделирования и оптимизации управления судовым дизелем предлагается дальнейшая разработка адаптивной модели системы подготовки топлива, которая учитывает характеристики и свойства топлива, подаваемого к двигателю.
Ключевые слова: математическая модель, судовой двигатель внутреннего сгорания, система автоматического контроля, многопараметрический регулятор.
A.L. SIMANENKOV, S.O. ROZHKOV
Kherson state marine academy
SHIP TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE MODELING ON ITS INDICATOR DIAGRAM BASIS
Article considers constructing of two-stroke internal combustion engine mathematical model and also, the analysis of model's work with fuel preparation system accounting. For the construction of a mathematical model of MICE, a single-cylinder two-stroke low-speed engine model has been used. The shaft of the engine, connected directly with the crank mechanism, carries out rotational movements at a fixed phase distribution. In the process of compression in the cylinder increases the brake torque, whose magnitude is related to the angle of the shaft rotation. The second, working phase, is related to the identity of the moment created by the gas pressure in the cylinder with the direction of crank mechanism motion. Additional energy, which is fed by fuel at the time of combustion, accelerates the movement of the engine shaft. The injection and combustion phase coincides with the beginning of the working stage of the movement. By the end of the working phase, the purging of the cylinder and the reception of a new air charge is carried out. After that, the compression cycle begins again. A mathematical model of processes in a cylinder of a two-stroke engine is constructed, taking into account the analytical dependencies of these processes. The developed model allows to proceed to the simulation of a multi-cylinder MICE, a compatible model of single-cylinder diesel engines taking into account the phases of gas distribution and engines flywheel.
The simulation results allow one of the most complex moments engine start to be described. The start-up process for a single cylinder engine is more complex than for a multi-cylinder and the proposed model makes it easy to increase the number of cylinders.
For a complete analysis of the processes occurring in the MICE, description of one of the processes using linear dynamic links is not enough. It is necessary to build a complete mathematical model using modern information technology techniques. The mathematical model of the MICE is individual and requires the consideration of the indicator curves of a particular engine. In this case it is necessary to consider the engine as a quasistationary object and periodically perform identification of the model parameters. The developed mathematical model allows simulate processes, including motion and processes within the limits of one rotation of the engine shaft. In spite of the model's non-linearity, its structure is simple and the mathematical model is sufficient for the management of the MICE. The developed model allows to take into account not only the features of a particular MICE, but also the influence offuel characteristics, taking into account the control of each fuel cylinder charge and fuel properties. The basis for the model of the engine indicator curves for identification should be specified. It allows to realize a reliable engine motion forecast when changing the load and control. In order to simulate and optimize the MICE control, it is necessary to take into account the properties and characteristics of the fuel supplied to the engine, which requires the development of a mathematical model of the fuel preparation system.
Keywords: mathematical model, ship internal combustion engine, automatic control system, multiparametric controller.
Постановка проблеми
Математична модель об'екта управлшня е основою створення оптимально! системи управлшня. При вдентичносп реальних процейв об'екта управлшня та математичного опису моделi досягаеться основне завдання побудови математично! моделi - И адекватшсть об'екту управлшня. Для тако! складно! теплово! машини, як судновий двотактний двигун внутршнього згоряння (СДВЗ), математична модель повинна орiентуватися на процеси, що проходять у цилiндрi двигуна. Використання моделi динамiки двигуна, як лшшно! ланки першого або другого порядку, дозволяе оцiнити тiльки залежшсть швидкостi обертання вала двигуна вщ подачi палива. Вiдомi термодинамiчнi моделi недостатнi для управлiння в перехвдних режимах та дiагностики технiчного стану дизеля, а усталений режим роботи розглядаеться в окремш робочiй точщ [1, 3, 14].
Аналiз останшх досл1джень та публiкацiй
Аналiз сучасних тенденцш автоматизацп дозволяе звернути увагу на практичнi змiни типiв систем автоматичного регулювання та управлiння [12]. На зм^ аналоговим регуляторам в практику управлшня прийшли цифровi регулятори та управляючi локальнi мереж1. Дана змша торкнулася не тiльки самого судна, але i в значнш мiрi змiнила характер роботи обслуговуючого персоналу. Основне мiсце зайняла дiагностика стану систем регулювання та управлшня [4, 5, 9].
При цьому юнуе цiлий ряд проблем, пов'язаних з управлшням режимами роботи суднових енергетичних установок та маневрування судiв. У цих режимах погiршуеться яшсть управлiння, з'являються коливання об'екта управлшня та значш зниження потужностi у чай, що викликае збiльшення витрат палива i, як наслвдок, зниження ефективносп роботи всього силового устаткування [11].
Мета досл1дження
Метою статп е побудова математично! моделi суднового двотактного двигуна внутршнього згоряння i аналiз !! роботи з урахуванням системи пiдготовки палива.
Викладання основного матерiалу досл1дження
Для побудови математично! моделi СДВЗ розглянемо модель одноцилiндрового двотактного низькооборотного двигуна [11, 16]. Вал двигуна, пов'язаний безпосередньо з кривошипно-шатунним механiзмом, здiйснюе обертальнi рухи при фшсованому розподiлi фаз. В процей стиску в цилiндрi зб№шуеться гальмiвний момент, величина якого пов'язана з кутом повороту вала. Друга, робоча фаза, пов'язана з вдентичнютю моменту, що створюеться тиском газу в цилiндрi з напрямком руху кривошипно-шатунного механiзму. Додаткова енерпя, яка вноситься паливом у момент горшня, прискорюе рух валу двигуна. Фаза упорскування i горiння палива ствпадае з початком робочого етапу руху. До моменту закiнчення робочо! фази проводиться продувка цилiндра i прийом нового заряду повiтря, тсля чого починаеться цикл стиску.
1ндикаторна дiаграма iндивiдуально вiдповiдае кожному цилiндру СДВЗ i змiнюеться з часом. Але основна !! властивiсть - це збереження вигляду залежностей для вйх двохтактних дизелiв, де змшюються лише параметри залежностей, як1 описують процеси у циклах. Отже, для побудови моделi можна використовувати даш, отриманi для конкретного двигуна, а в процей експлуатацп двигуна уточнити параметри модел^ використовуючи методи параметрично! iдентифiкацi! динамiчних систем.
1ндикаторну дiаграму двигуна 6L35MC наведено на рис. 1 [2].
р, мпа
\
7
бЬЗ 5МС
-Л
-1В0.0 -150,0 -120.0 -90,0 -60.0 -30.0 0.0 30.0 60.0 90.0 120,0 150,0 180.0
ч>
Рис. 1. 1ндикаторна дааграма ДВС типу 6L35MC
Для фази стиску (рис. 1) гшка iндикаторно! криво! дозволяе побудувати модель процесу змiни тиску в цилiндрi залежно вiд кута повороту валу (рис. 2, а).
а) б)
Рис. 2. Г1лки фаз шдикаторноК дааграми: а) фаза стиску; б) робоча фаза
При побудовi аналогично! залежносп тиску в цилiндрi ввд кута отримано наступне спiввiдношення: Р«) = 0,5 + 0,002«? + 11,4е 0,04«-178,5). (1)
Гiлку робочо! фази шдикаторно! дiаграми наведено на (рис. 2, б).
Шсля апроксимаци отримано анал1тичне вираження залежностi тиску в цилiндрi вiд кута повороту для робочо! фази:
Р(«) =-- • (2)
9 • 10-5«2 + 0,002«- 0,09
Враховуючи залежносп (1) та (2), будуемо математичну модель процеав у цилiндрi двотактного двигуна. Укрупнений алгоритм моделювання СДВЗ показано на рис. 3, де на першому крощ алгоритму моделювання визначаеться стан СДВЗ.
Якщо двигун не запущений, то формуеться момент на колшчатому валу, що приводить до руху поршневу групу. Пiсля цього визначаеться положення колшчатого валу та фази. Шд час фази стиснення визначаеться тиск у цилiндрi та обчислюеться момент на валу. На наступному етапi визначаеться момент корисного навантаження на валу та швидшсть вала двигуна з використанням математично! моделi руху махових мас. Шсля зашнчення цього циклу збiльшуеться час i кут повороту вала. Якщо двигун набрав оберти, здшснюеться зняття пускового моменту з вала та перехщ до робочого режиму двигуна. Шсля закшчення циклу стиску, з моменту початку впровадження, програма моделювання переходить на другу гшку, що моделюе робочу фазу.
Рис. 3. Укрупнений алгоритм моделювання СДВЗ
Для опису процесу горшня використовуеться динамiчна модель процесу горiння, що дозволяе враховувати вплив швидкостi руху двигуна на процеси в цилiндрi [7]. У програмi моделювання передбачено зм^ кiлькостi паливного заряду для управлшня швидк1стю руху двигуна. Врахування динамiки рухомих мас двигуна дозволяе моделювати накопичення енерги та розгону двигуна до стану рiвноваги отримано! та витрачено! енерги.
Розроблена модель дозволяе перейти до моделювання багатоцилiндрового СДВЗ, сушсно! моделi одноцилшдрових дизелiв з врахуванням фаз газорозпод^ та махових мас двигунiв.
Наведена модель складшша, н1ж опис динашки двигуна лiнiйним ланками другого порядку, але вона дозволяе реально оцшювати процеси в дизельному двигуш та здшснити оптимiзацiю пускового та номшального режимiв. При цьому алгоритм не дае потрiбного представлення про роботу модел^ тому в статтi, ^м програмно! реалiзацil моделi СДВЗ, наведено спрощену 81шиИпк-модель динамiки одноцилiндрового двотактного двигуна (рис. 4) [7, 10, 15].
У моделi (рис. 4) враховаш ва особливостi вихвдного алгоритму, що дозволяе оцшити режим роботи iз змiною навантаження та режиму запуску, а також впливу управлшня шльшстю палива на роботу двигуна.
Моделювання змши фаз газорозподiлу в данш моделi строго пов'язано з рухом колшчатого валу СДВЗ. Формування законiв змiни тиску в цилшдрах виконуеться за допомогою фiксованих функцш за формулами (1) та (2), яш показанi на (рис. 2).
Динамша рухомих мас представляеться лшшною динамiчною моделлю другого порядку, а процес горiння описуеться лiнiйною динамiчною моделлю першого порядку. Для оцшки швидкостi руху валу двигуна використовуеться модель тахометра з середшм рiвнем на моделi другого порядку. Отриманий опис процесiв у СДВЗ значно ширше в порiвняннi з традицшними моделями, побудованими з використанням динамiчних ланок першого або другого порядку [6, 8].
Рис. 4. Схема моделювання динамши одноцилшдрового двотактного СДВЗ
На (рис. 5, а) наведено графiки перехвдних процеав у режимi запуску двигуна, де 1 - тиск у цилiндрi робочо! фази, 2 - тиск в цилшдр1 шд час спалаху, 3 - навантаження на колшчатому валу, 4 - момент на валу.
а)
25.6 25.8 б)
Рис. 5. Перехвдт процеси моделк а) гад час режиму пуску; б) при постшнш швидкосп СДВЗ
Результати моделювання дозволяють описати один з найбшьш складних моментiв - запуск двигуна. Процеси в режимi запуску для одноцилшдрового двигуна складшш^ н1ж для багатоцилiндрового, а запропонована модель дозволяе легко нарощувати кiлькiсть цилiндрiв.
У режимi постiйного ходу перехвдш процеси в двигунi простiше. На (рис. 5, б) наведеш процеси для постшно! швидкостi СДВЗ.
Для кожного цилшдра СДВЗ iснуе своя iндикаторна дiаграма. Тому для забезпечення управл1ння та корекцil модел1 в реальному чай (за один перюд обороту двигуна) слад побудувати нову вдикаторну дiаграму циклу.
Перехвдна характеристика по швидкосл в режим1 пуску отримана з використанням модел1 тахометра (рис. 6). Фазове затзнювання на початку процесу визначаеться режимом запуску двигуна, а значне перерегулювання пов'язано з виходом двигуна на робочий режим.
Рис. 6. Перехвдний процес одноцилшдрового СДВЗ, режим пуску
В модел1, яку наведено на рис. 6, передбачено моделювання властивостей палива, його стану та теплотворно! здатностг Для опису процесу подач1 та подготовки палива необхвдна побудова окремо! математично! модел1.
Висновки
Для повного анал1зу процеав, що вщбуваються в СДВЗ, опису одного з процеав з використанням лшшних динам1чних ланок недостатньо [13, 17, 18]. Необхщно побудувати повну математичну модель з використанням сучасних метод1в шформацшних технологш.
Математична модель СДВЗ шдиввдуальна i вимагае облшу 1ндикаторних характеристик конкретного двигуна. При цьому необхiдно вважати двигун квазютацюнарним об'ектом i перюдично виконувати iдентифiкацiю параметрiв моделi.
Розроблена математична модель дозволяе моделювати процеси, включаючи рух i процеси в межах одного обертання вала двигуна. Не дивлячись на нелшшнють модел^ !! структура проста i математична модель достатня для управл1ння СДВЗ.
Розроблена модель дозволяе враховувати не тшьки особливосп конкретного СДВЗ, але i вплив характеристик палива з врахуванням керування по кожному паливному заряду цил1ндра та властивостями палива.
Поставлен в основу моделi двигуна шдикаторш характеристики при iдентифiкацi! повиннi бути уточнеш. Це дозволяе реал1зувати надшний прогноз руху двигуна при змш навантаження та керування.
Для моделювання та оптимiзацi! управл1ння СДВЗ необхвдно враховувати властивостi та характеристики палива, яке подаеться в двигун, що вимагае розробки математично! моделi системи подготовки палива.
Список використаноТ лггератури
1. Автоматические регуляторы в системах управления и их настройка. Часть 2. Автоматические регуляторы и их настройка. Общие сведения о промышленных системах. (Рынок микроэлектроники) [Электронный ресурс] / В.М. Мазуров // Режим доступа:
http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/03 05/stat 114.htm.
2. Варбанец Р. А. Параметрическая диагностика дизелей SBV6M540 i PEGASO 9156/ Р. А. Варбанец // Авиационно-космическая техника и технология. — 2006. — № 8 (34). — С. 144-148.
3. Гацуц А. Г. Повышение эффективности роботы судовых энергетических установок путем обеспечения оптимального температурного режима / А. Г. Гацуц, А. Р. Мыська, А. О. Дранкова // Электромеханические и энергосберегающие системы. — 2015. — № 3/201. - С. 71-74.
4. Ланчуковський В. И. Автоматизированные системы управления судовыми дизельными и газотурбинными установками: учебн. / В.И. Ланчуковський, А. Козьминых. — М.: Транспорт, 1983. — 320 с.
5. Пичюрин Н. Б. Изменение рабочих процессов дизелей для уменьшения эмиссии NOx / Н. Б. Пичюрин // ОНМА Судовые энергетические установки. — 2007.-№ 19. — С. 38-47.
6. Репин А.И. Алгоритм оптимальной настройки реальных ПИД-регуляторов на заданный запас устойчивости / А.И. Репин, Н.И. Смирнов // Автоматизация и IT в энергетике. — 2010. — №4 (9). — С. 7-12.
7. Aranda, J., Armada, J. M., De la Cruz, J. M. (2004). Automation for the Maritime Industries. / J. Aranda, J. M. Armada, J. M. De la Cruz. Produccion Grafica Multimedia, PGM, Madrid, Spain, 284 p.
8. Attaway S. (2017). MATLAB: A Practical Introduction to Programming and Problem Solving. Fourth Edition. Butterworth-Heinmann, Woburn, 598 p.
9. Dr. Laurie Goldsworthy (2002). Design of Ship Engines for Reduced Emissions of Oxides of Nitrogen. -Australian Maritime College.
10. Dukkipati, R. V. (2006). Analusis and Design of Control Systems Using MATLAB. New age international (P) Limited, New Delhi, 269 p.
11. RT-flex Operation&Practical Training course. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://dieselturbo.man.eu.
12. Taylor D.A. (2003). Introduction to Marine Engineering. Elsevier Butterworth-Heinemann. - 372 p.
13. Guillermo J. Silva, Aniruddha Datta, S.P.Bhattacharyya (2002). Robust Control Design Using the PID Controller // Proceedings of the 41st IEEE Conference on Decision and Control Las Vegas, Nevada USA, December 2002. — Р. 1313-1318.
14. Instrument Engineers' Handbook (2006). Editor in chief Bela G. Liptak, 4th Edition, Vol.2: Process Control and Optimization. — 2304 p.
15. Hansen J.F. (2000). Modelling and Control of Marine Power Systems. [Электронный ресурс] Report 2000:9-W. Department of Engineering Cybernetics Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway. - 119 p. Режим доступа:
https://daim.idi.ntnu.no/masteroppgaver/007/7545/masteroppgave.pdf.
16. Karl J. Astrom, Tore Hagglund (2006). Advanced PID Control. ISA - Instrumentation, Systems, and Automation Society. — 460 p.
17. Nikolaos I. Xiros (2004). PID marine engine speed regulation under full load conditions for sensitivity H®-norm specifications against propeller disturbance. [Электронный ресурс] //Journal of Marine Engineering & Technology No. A5, 2004. Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1080/20464177.2004.11020179.
18. Mohamed. M. Ismail, M. A. Moustafa Hassan (2015). Control of Shunt Active Power Filter based on Fractional Order PID controller. [Электронный ресурс] //17th International Middle East Power Systems Conference, Mansoura University, Egypt, December 15-17, 2015. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/287490893 Control of Shunt Active Power Filter based on Fracti onal Order PID controller.
