Упрощенная математическая модель двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УПРОЩЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Моисеев А.А.,

к.т.н., 25 ГосНИИ химмотологии МО РФ, slow.coach@yandex.ru

Ключевые слова:

математическая модель, эксперимент, калибровочные параметры, уравнение баланса, асинхронная машина.

АННОТАЦИЯ

Разработана упрощенная математическая модель двигателя внутреннего сгорания, предназначенная для моделирования влияния химмотологических и трибологических факторов на динамику двигателя и его кпд. Модель базируется на соотношении для баланса мощности двигателя и его нагрузки, создаваемой асинхронным генератором, а так же обусловленной трением в цилиндре. Ее особенностью является то, что для имитации динамики давления в цилиндре используется индикаторная диаграмма двигателя, а смешанное трение аппроксимируется зависимостью Герси - Штрибека. Последнее, в частности, позволяет оценить влияние износа и загрязнения пары поршень - цилиндр на смазочную способность и КПД двигателя. Обычной целью математического моделирования технологических процессов является прогнозирование протекания этих процессов в различных условиях, в том числе - не охватываемых натурным экспериментом. К подобной модели обычно предъявляются два основных требования - универсальности и адекватности. Универсальность позволяет использовать модель и в широком диапазоне внешних условий, в том числе - в составе моделей более высокого уровня. Адекватность обеспечивает соответствие модели конкретным условиям проведения эксперимента. Указанные требования определяют типичную структуру модели. В основу последней закладывается в качестве каркаса базовая модель, описывающая процесс в общих чертах. Адекватность при этом обеспечивается в ходе параметризации модели по результатам сравнения с калибровочными экспериментами. Это

обуславливает основные требования к интерфейсу модели - наряду со входами, определяющими условия проведения численного эксперимента, она включает предварительно настраиваемые калибровочные параметры. Полнота и непротиворечивость системы этих параметров определяет адекватность модели и диапазон ее применения. Предлагаемая работа посвящена созданию упрощенной математической модели двигателя внутреннего сгорания, предназначенной для моделирования влияния химмотологических и трибологических процессов на динамику двигателя, его кпд и смазочную способность. Модель позволяет проводить численные эксперименты, воспроизводящие отдельные этапы стендовых испытаний. В перспективе, как предполагается, это позволит заменить проведение однотипных натурных экспериментов их численными аналогами, что обеспечит экономию времени и средств. В качестве калибровочных экспериментов при настройке модели предлагается использовать стендовые испытания на установке ИМ-1, проводимые в соответствии с ГОСТ 20303-74 [1]. Поэтому виртуальный двигатель в составе модели нагружен на имитатор асинхронной машины, а потери на трение в двигателе описываются в зависимости от износа поршня и степени его загрязнения в рамках модели Герси - Штрибека [8]. Эти факторы влияют на коэффициент трения пары поршень - цилиндр, а так же на величину зазора между поршнем и стенкой цилиндра и, следовательно, на величину смешанного трения. В дальнейшем мы пренебрежем влиянием износа и загрязнения на коэффициент трения, ограничившись исследованием их влияния на величину зазора, предполагая ее изменение равномерным.

Базовое уравнение модели. Модель базируется на соотношении баланса мощности и нагрузки двигателя, нагруженного на асинхронную машину в генераторном режиме. По аналогии с [2] уравнение баланса имеет вид:

Т— = л\[й-прл/м -п0 |л/й-1|шах^1,л/н j

dt

где и

г л2 со

— нормированный квадрат частоты;

(3)

J dco' 2 dt

= pFcor - p frFcor - N,

(1)

где J - момент инерции кривошипа, кг*м2; со - текущая циклическая частота, рад/с; р - давление в цилиндре, Па; р(г - напряжение трения, Па; г - радиус кривошипа, м; F -сечение цилиндра, м ; N, - мощность внешней нагрузки, Вт.

Первый член в (1) представляет мощность двигателя, а второй и третий - мощность сил трения и нагрузку соответственно. Нагрузка двигателя имитируется динамическим тормозом на базе асинхронной машины. В двигательном режиме эта машина выступает в роли стартера, а характерное для нее свойство саморегулирования [3] позволяет использовать ее так же для стабилизации частоты оборотов. В соответствии с [4] тяговый момент машины определяется сФ2 , .

соотношением М = —-(со0-со), где со0 - номинальная

R

циклическая частота оборотов двигателя, которая считается синхронной, се - электромеханическая постоянная машины, Ф - магнитный поток в машине, R - сопротивление обмотки. Тяговая мощность при этом составляет

с,Ф2

N.=-

R

-со,

( со - со,, ). В ситуации, когда текущая частота

превышает номинальную, машина переходит в генераторный режим и выступает в качестве динамического тормоза, нагружающего двигатель. Тормозной момент в этом случае

сФ2 ,

мощность нагрузки

составляет

M = -

R

-(со-со0),

N,=-

с ф-

R

-со(со-со0). Во всем диапазоне оборотов соотно-

шение (1 ) приобретает вид:

J dco2

с Ф

= pF cor - р fr F cor —£— (со - co0) max( co0,w) 2 dt R

Нормируя его на номинальное значение мощности N0,

получаем:

Г Л2 со

Jco;

pFrco0 со PßFrw0 а

2iV„ dt

с,Ф2со: r

Вводя

RNn

N„

max

co0

Nn

con

(2)

со,

о /

2 Nn

- характерное время разгона,

Po =

2k Fra>„

- характеристическое давление и n0 =

RNn

"0 ,U,G

нормированную номинальную нагрузку, преобразуем (2) к виду:

п = — - нормированное давление в цилиндре;

Р0

Pfr

Кг = —--нормированное напряжение трения.

Р о

Реализация упрощенной модели. Общая схема модели приведена на рис. 1. По существу, это схема реализации решения уравнения (3) с возможностью варьирования мощности двигателя и синхронной частоты. Основной особенностью модели является то, что для описания динамики давления в цилиндре используется индикаторная диаграмма двигателя [5]. Последняя представляет собой зависимость давления в двигателе от смещения поршня на различных тактах двигателя. Этим тактам соответствуют различные диапазоны угла поворота кривошипа (коленчатого вала), который является дополнительным входом индикаторной диаграммы. В модели индикаторная диаграмма реализована в виде линейных интерполяторов давления в зависимости от положения поршня, соответствующих различным тактам двигателя и выбираемых по величине угла поворота кривошипа. Как правило, индикаторная диаграмма соответствует номинальной мощности двигателя. Для учета возможной неноминальности используется регулируемый мультипликативный фактор д, имеющий смысл степени открытия виртуального дросселя подачи.

Входные параметры индикаторной диаграммы - смещение поршня х и угол поворота кривошипа ср - формируются в кинематической модели кривошипно - шатунного механизма. Эта модель преобразует циклическую частоту со=2nf в кинематические параметры, к числу которых помимо смещения поршня и угла поворота кривошипа относятся скорость поршня V, ускорение а и угол поворота шатуна р, используемых в дальнейшем для расчета трения. Угол поворота шатуна формируется на выходе интегратора циклической частоты и приводится в пределы периода путем вычисления остатка от деления интеграла на величину периода. Для расчета прочих кинематических параметров используются соотношения, приведенные в [5]:

Л

х = г[(1 - cos ф) +—(1 - cos 2ф)\ Я

V = rí»(sin ф + — sin 2 ф) Я

а = reo2 (cos ф + — cos 2 ф)

Р = arcsin(/L sin^)

г

где Л = у«0,25 - отношение длины кривошипа г к длине шатуна /.

Упоминавшийся выше мультипликативный фактор, учитывающий неноминальность мощности, формируется имитатором подачи. Основой последнего является PID регулятор мощности, реализованный по схеме, приведенной в [6]. Выходной фактор д автоматически варьируется в диапазоне [0,1]. Невязка по мощности N рассчитывается относительно уставки Nm, формируемой задатчиком [7] с помощью бинарных команд more_P, less_P.

Нагрузка двигателя формируется имитатором динамического тормоза, основой которого является регулятор синхронной частоты f0. Нормированный выход регулятора представляет собой нормированную нагрузку п0. При этом в соответствии с (3) текущая нормированная нагрузка связана с номинальной соотношением п, =и0шах(1,л/к)(л/м-1).

Для вариации синхронной частоты имитатор включает задатчик того же типа, что в имитаторе подачи. С помощью бинарных команд more_f0, less_ f0 осуществляется перенастройка синхронной частоты в заданном диапазоне. Имитаторы подачи и динамического тормоза активируются при пуске двигателя признаком active. Он формируется на выходе триггера с приоритетом по сбросу при подаче команды start. Сброс признака и экстренный останов двигателя осуществляется по команде останова stop.

Нормированная мощность потерь определяется нормированным моментом трения л!г. Он формируется в модели трения, более подробно описанной ниже. Входами этой модели являются ускорение поршня а, угол поворота шатуна ß и коэффициент трения ц. Скорость поршня v входит в модель опосредовано через числа Зоммерфельда S, которое является входным при расчете коэффициента трения наряду с коэффициентом сухого трения Совместно с нагрузкой, создаваемой динамическим тормозом, потери на трение образуют суммарную нагрузку двигателя.

В соответствии с (3) небаланс мощности и суммарной нагрузки интегрируется в интеграторе с постоянной времени 7, формируя на выходе нормированный квадрат частоты и. Последний, в свою очередь, преобразуется в текущую линейную частоту / = f0*Ju и текущую циклическую частоту со = Inf, подаваемую на вход кинематической модели кривошипно-шатунного механизма. Механический кпд двигателя в рамках предложенного подхода определяется со-

отношением е =

No", N

g7TyfÜ

Моделирование трения. Расчет трения осуществляется с использованием дополнительных выходов кинематической модели - скорости и ускорения поршня, а также угла поворота шатуна. В соответствии с [5] величина напряжения трения составляет:

N.

где Nп = (р/7 + та)^р - сила давления поршня на стенку цилиндра; ц - коэффициент трения; г| - динамическая вязкость смазки; т - приведенная масса поршня.

Вводя нормированное напряжение трения, находим для нормированного момента:

Рр_ Ро

7Г + -

та

PoF

M'gß-

Общая схема расчета нормированного момента трения приведена на рис. 2. Для расчета коэффициента смешанного трения при наличии смазки используется его зависимость от числа Зоммерфельда - кривая Герси-Штрибека [8], приведенная на рис. 3. Число Зоммерфельда рассчитывается с Р IV

из соотношения 5 =--, где г0 - величина зазора между

го

поршнем и стенкой цилиндра. Эту величину предлагается

Я .

ввести в виде г0 =-, где к в дальнейшем рассматривает-

ся как настроечный параметр модели.

0,250,200,150,100,05-

0,000,00

граничное трение

вязкое трение

(Sm, р„)

загрязнение

число Зоммерфельда

0,04 0,05

Рис. 3. Кривая Герси-Штрибека

Остановимся на аппроксимации зависимости ц(5). Учитывая, что нулевому значению числа Зоммерфельда соответствует коэффициент сухого трения |1о, а при Б оо имеет место асмптотика Петрова соответствующая вязкому

трению, воспользуемся аппроксимацией вида:

// = (//„ +bS)e~lS +S

(4)

При малых 5 ее форма соответствует форме скоростной зависимости для коэффициента граничного трения [9], что подтверждает целесообразность ее использования. Параметры аппроксимации определяются координатами (5т, цт) минимума кривой, удовлетворяющими условию 5т > цт. Из (4) находим для этих координат:

мЮ = {н> + bs„,) exp(-cS„,) + Sm = цт

n\Sm) = b exp (~cSm) - c(Mo + bSm) exp (~cSm) +1 = 0

или

{{Mo+bSm)exv(-cSm) + Sm =Mm

(5)

Разрешая (5) относительно Ь, получаем:

{б = [с(Д„-5„,)-1]ехрК,)

В предположении сЯт » 1 приближенно находим из (6) параметры аппроксимации

(6)

с =

Мт

(Рт ) о = --ехр

Мт

Аппроксимация (6) была использована для моделирования влияния трения в модели двигателя. В качестве коэффициента сухого трения было выбрано значение ц0 = 0,18 (трение полированной стали о полированную сталь), а в качестве величины динамической вязкости - значение т) = 0,005 Па-с, соответствующее вязкости жидкой смеси тяжелых углеводородов при 100°С [10]. Минимальный коэффициент трения был выбран равным 0,03, а точка минимума на 15% ниже. Начальная величина зазора между поршнем и стенкой цилиндра выбиралась с помощью настроечного параметра к путем исходной подгонки под максимальный кпд.

Моделирование износа и загрязнения. Влияние износа и загрязнения в каком - то смысле противоположно. При загрязнении юбки поршня величина зазора снижается и возрастает вязкостное трение, приводя к снижению кпд и смазочной способности. Моющие свойства (как и предварительная приработка пары поршень - цилиндр) обеспечивают увеличение зазора и его приближение к оптимальной величине с соответствующим возрастанием кпд.

Износ пары поршень - цилиндр так же приводит к увеличению зазора, но в ситуации оптимальности последнего. Как следствие, так же падают смазочная способность и кпд за счет возрастания граничного трения. Моделирование износа базируется на рассмотрении работы сил трения над деформированным материалом трущейся поверхности. В соответствии с [11 ] эта работа составляет:

А = сгТУ =

(7)

¡иЫ

где сгт =- - напряжение трения; V = 57гм, - объем

деформированного материала; 5Ф - фактическая площадь контакта; - глубина деформации (текущий износ). Находим из (7) для мощности трения:

с1А

/ 5 .. <И?,..

Р, = = — N¿1 — Л 5ф Л

(8)

и, разрешая (8) относительно линейной скорости износа

с1И

Для оценки относительной площади контакта используем функцию безразмерного параметра с1 = ^ ,

используемого в формуле Герца для цилиндра [11]. Здесь N - нормальная нагрузка на стенку цилиндра, К, I. - радиус и длина поршня, £, ц - модуль упругости и коэффициент

Пуассона. Примем эту функцию степенной: -^- = с1а, где а

- настроечный параметр. Подставляя ее в (9), получаем для линейной скорости износа:

ж

= Ус1"

а для массовой:

— = 2лК1р\>с1" Ж

где р - плотность трущегося материала, в данном случае стали.

Приравнивая массовую скорость износа ее значению по результатам калибровочного эксперимента, находим соотношение для настроечного параметра:

М

— = 2лК1р\'(1а

где М - интегральный износ; Г - длительность калибровочного эксперимента (96 часов в соответствии с [1 ]).

Процесс загрязнения будем интерпретировать как адсорбцию загрязняющего материала на юбке поршня. Для моделирования этого процесса воспользуемся уравнением адсорбционного баланса [12]:

^ = ка(1-в)-к,в

(10)

Г = р\в

где Кы К, - массовые скорости адсорбции и десорбции; р — плотность загрязняющего материала; Ь0 - максимальная толщина загрязнения; в-доля загрязненной поверхности.

Вводя среднюю толщину загрязнения Ир=И0в, преобразуем (10) к виду:

рК рК

(и)

или

с1Ъп

у^_£_

К

' к+к,

т =

рК

К. + К,

сН Л'// Л' 5

(9)

Мы видим, что равновесная доля загрязненной поверх-

К„

. Отсюда получаем для сред-

ности составляет в„ = -

К..+К.,

ГДе У = л/^ ~ СКОрОСТЬ скольжения' приравниваемая кине- ней ТОЛЩИНы загрязнения Ир = \вр, где согласно [1 ] 0р со

матическои скорости поршня —— - относительная площадь

контакта.

■р -'0 "р! I 1 I ^Р

ответствует суммарной доле загрязненной поверхности, полученной по результатам калибровочного эксперимента, а максимальная толщина загрязнения Ь0 соответствует величине исходного зазора.

Предположим, что начальная величина зазора выбрана так, что она соответствует минимуму коэффициента трения на кривой Герси-Штрибека. При наличии износа зазор увеличивается на величину линейного износа, а загрязнение приводит к его снижению на величину средней толщины загрязнения. Число Зоммерфельда при этом приобретает вид:

S=-

>7V

кч+к-к

(12)

Таким образом, увеличение зазора за счет износа приводит к снижению числа Зоммерфельда и увеличению коэффициента трения при смещении по ветви граничного трения. В свою очередь загрязнение увеличивает число Зоммерфельда и коэффициент трения при смещении по ветви вязкостного трения. Оба эффекта приводят к снижению смазочной способности и соответствующему снижению кпд двигателя относительно максимального значения.

Формирование статических характеристик. В соответствии с [13] основными статическими характеристиками двигателя являются скоростные и нагрузочные. Первые представляют собой зависимости от частоты двигателя таких параметров как мощность, момент, интегральный С и удельный д, расходы топлива. Вторые - зависимости от нагрузки разрежения в цилиндре АР, а также интегрального и удельного расходов. В рамках предложенной динамической модели скоростные и нагрузочные характеристики строятся как параметрические кривые на участках монотонности аргументов - частоты и нагрузки. При этом по осям абсцисс и ординат откладываются относительные значения аргументов и функций, выраженные в процентах от номинальных значений.

В этих условиях предлагается следующая процедура формирования статических характеристик. В ходе разворота и нагружения виртуального двигателя формируются номинальные значения мощности, частоты, момента, разрежения, интегрального и удельного расходов топлива. После завершения нагружения мощность монотонно снижается с использованием соответствующего задатчика. На участке снижения формируются временные зависимости относительных мощности, разрежения, интегрального и удельного расходов. Интерпретируя их как параметрические задания аргумента и функций, строятся нагрузочные характеристики. Аналогично строятся скоростные характеристики при монотонном снижении частоты двигателя.

Относительные значения параметров, используемые при построении статических характеристик, формируются непосредственно в рамках построенной модели. Исключение составляют удельный расход д и разрежение в цилиндре АР. Удельный расход представляет собой отношение текущего интегрального расхода С, рассчитываемого по степени открытия виртуального дросселя и выраженного в процентах, к относительной мощности п. Для формирования АР используется следующий прием. По относительному значению относительного давления в цилиндре, формируемому в модели, вычисляется скользящий минимум, который интер-

претируется как давление на такте всасывания. Усредненное значение этой величины вычитается из относительного

атмосферного давления Результат выражается в про-

Ро

центах и рассматривается как относительное давление разрежения, которое и используется для построения соответствующей нагрузочной характеристики.

Качественное тестирование модели. Модель была реализована в графической среде LabView с параметрами, выбранными в соответствии с [1]. Качественное тестирование модели проводилось в форме численных экспериментов, включая:

• имитацию пуска и разгона двигателя;

• имитацию ступенчатого изменения мощности;

• имитацию останова двигателя динамическим тормозом;

• имитацию экстренного останова двигателя.

Исходным состоянием двигателя считалось заторможенное с нулевой нагрузкой. Синхронная частота по умолчанию соответствовала 25 гц (1500 об/мин). Запуск двигателя осуществлялся командой start, а разворот - асинхронной машиной в двигательном режиме. Динамика пуска и разворота отражена на рис. 4. Двигательному режиму машины соответствует отрицательная нагрузка. На этапе разворота она имеет импульсный характер, а после его завершения стабилизируется, компенсируя трение в двигателе при нулевой мощности. Частота двигателя при этом устанавливается на подсинхронном уровне.

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 23 30 32 34 36 38 40

частота синхр, частота

r

-

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

мощность нагрузка потерн active

Рис. 4. Пуск и разворот двигателя

www.h-es.ru

HIGH TECH IN EARTH SPACE RESEARCH

25

Перспективы дальнейших исследований. Основным направлением дальнейшего развития представленной работы является переход от упрощенной модели двигателя к более детальной. В частности, предполагается перейти от имитации динамики давления в цилиндре с помощью индикаторной диаграммы к подробному рассмотрению внутри-цилиндровых процессов, включая:

• моделирование смесеобразования;

• имитацию кинетики и термодинамики горения

• имитацию газообменных процессов и др.

Планируется так же дополнительно проработать вопросы имитации основных трибологических процессов в двигателе при наличии смазки с целью применения для более детального моделирования химмотологических процессов.

Выводы

1. Разработанная упрощенная модель двигателя внутреннего сгорания, предназначена для моделирования влияния химмотологических и трибологических факторов на динамику двигателя и его кпд. Модель позволяет проводить численные эксперименты, воспроизводящие отдельные этапы стендовых испытаний моторных масел. В перспективе, как предполагается, это даст возможность заменить однотипные натурные эксперименты их численными аналогами, что обеспечит экономию времени и средств.

2. Для настройки модели предполагается использовать результаты стендовых испытаний моторных масел на установке ИМ-1 в соответствии с ГОСТ 20303-74. Поэтому виртуальный двигатель в составе модели нагружался на субмодель асинхронной машины, а потери на трение в двигателе описывались в зависимости от влияния износа и загрязнения пары поршень - цилиндр на механический кпд двигателя и смазочную способность.

3. Модель основывалась на соотношении для баланса мощности двигателя и его нагрузки, создаваемой асинхронной машиной в генераторном режиме. Ее особенностью является то, что для имитации динамики давления в цилиндре используется индикаторная диаграмма двигателя, а неноминальность мощности учитывается регулируемым мультипликативным фактором, имеющим смысл степени открытия виртуального дросселя подачи.

4. Учет трения базировался на аппроксимации кривой Герси-Штрибека и ее использовании для расчета коэффициента смешанного трения в зависимости от числа Зоммерфельда. Ввод в состав этого числа факторов, учитывающих износ и загрязнение пары поршень - цилиндр позволил осуществить моделирование этих процессов и качественно оценить их влияние на динамику смазочной способности и кпд двигателя.

5. Построение скоростных и нагрузочных характеристик виртуального двигателя осуществлялось в соответствии с номенклатурой параметров, определенной в ГОС1 14846-81. Характеристики строились в виде параметрических кривых по временным зависимостям функций и аргументов, формируемых в ходе моделирования. Их анализ указывает на качественное соответствие построенной нагрузочной характеристики приведенной в ГОСТ. Особенно стью построенной частотной характеристики является возрастание мощности при низких частотах за счет переходе нагрузочного генератора в моторный режим.

6. Модель была реализована в графической средс LabView с параметрами, выбранными в соответствии с ГОС1 20303-74. Ее качественное тестирование проводилось е форме численных экспериментов, включая имитацию пусковых, остановочных и переходных процессов, построение нагрузочной и скоростной характеристик, а так же модели рование износа и загрязнения пары поршень - цилиндр Анализ результатов проведенных экспериментов, включа; моделирование износа и загрязнения, показывает, что модель обеспечивает качественную адекватность имитации основных процессов в двигателе.

Литература

1. ГОСТ 20303-74 Масла моторные. Метод оценки моющи> свойств на установке ИМ-1. - М., ГОССТАНДАРТ СССР, 1989.

2. Моисеев A.A. Математическая модель системы питания парогенератора, Инженерная физика, №3, 2008. - С.39.

3. Общая электротехника / Под ред. Блажкина А.Т. - Л. Энергия, 1979. - 472 с.

4. Моисеев A.A. Имитационное моделирование некоторые электрических машин, Контроль. Диагностика, №8(98), 2006. -С.35.

5. Буров А.Л. Тепловые двигатели. - М.: МГИУ, 2003. - 136 с.

6. Моисеев A.A. Программная реализация некоторых алгоритмов регулирования, Промышленные АСУ и контроллеры, №4 2006.-С.25.

7. Моисеев A.A. Преобразование и генерация динамическю процессов встроенными средствами ТПТС, Контроль. Диагностика №3(117), 2008, с 51.

8. Справочник по триботехнике, Т.2 / Под ред. Хебды М. Чичинадзе A.B. - М.: Машиностроение, 1 990. - 416 с.

9. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основь расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

10. Физические величины: справочник / Под ред. Григорьева И.С. Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

11. Крагельский И.В., Виноградова ИЗ. Коэффициенты трения. - М.: Машгиз, 1962. - 220 с.

12. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М.: Высшая школа 1972.-496 с.

13. ГОСТ 14846 -81 Двигатели автомобильные. Методы стен довых испытаний. - М.: Издательство стандартов, 2003.

THE SIMPLIFIED MATHEMATICAL MODEL INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Moiseyev A.A., Cand.Tech.Sci., 25 State Research and Development Institute of a himmotologiya of MO Russian Federation

Abstract

The simplified mathematical model of an internal combustion engine intended for simulation of influence chemical motor-logical and the tribologicheskikh of factors on dynamics of the engine and its efficiency is developed. The model is based on a ratio for balance of the engine capacity and its loading created by the asynchronous generator, and which is also caused by friction in the cylinder. Its feature is that for simulation of dynamics of cylinder pressure the indicator diagram of the engine is used, and the mixed friction is approximated by dependence of Gersi-Shtribeka. Last, in particular, allows to estimate influence of wear and pollution of couple the piston - the cylinder on lubricant ability and efficiency of the engine. The normal purpose of mathematical simulation of technological processes is prediction of course of these processes in different conditions, including - not enveloped by full-scale experiment. Two main requirements are usually imposed to similar model - universality and adequacy. Universality allows to use model and in a broad range of external conditions, including - as a part of models of higher level. Adequacy provides compliance of model to specific conditions of carrying out experiment. The specified requirements define typical structure of model. In a basis of the last the basic model sketching process is put as a frame. Adequacy thus is provided during parametrization of model by results of comparing with gage experiments. It causes the main requirements to the model interface - along with the inputs defining conditions of carrying out numerical experiment, it includes beforehand the setup gage parameters. Completeness and consistency of system of these parameters defines adequacy of model and the range of its application. The offered operation is devoted to creation of the simplified mathematical model of an internal combustion engine intended for simulation of influence chemical motor-logical and the tribologicheskikh of processes on dynamics of the engine, its efficiency and lubricant ability. The model allows to make the numerical experiments reproducing separate stages of stand tests. In the long term, as it is supposed, it will allow to replace carrying out the same full-scale experiments with their numerical analogs that will provide saving of time and means.

Keywords: mathematical model, experiment, gage parameters, balance equation, asynchronous machine.

References

1. GOST 20303-74 engine oils. The valuation method of the washing properties on installation of IM-1, M., GOSSTANDART of the USSR, 1989.

2. Moiseyev A.A. A mathematical model of feed system of the steam generator, Engineering physics, No. 3, 2008, with 39.

3. General electrical engineering, edition of Blazhkin A.T., L., Energy, 1979, 472 p.

4. Moiseyev A.A., Simulation modeling of some electrical machines, Monitoring. Diagnostics, No. 8 (98), 2006, with 35.

5. Drills A.L. Heat engines, M., MGIU, 2003, 136 p.

6. Moiseyev A.A., Program implementation of some algorithms of regulation, Industrial ACS and controlers, No. 4, 2006. Pp. 25.

7. Moiseyev A.A. Conversion and generation of dynamic processes by the built-in means of TPTS, Monitoring. Diagnostics, No. 3 (117), 2008, with 51.

8. The reference manual after a tribotekhnik, V.2, edition of Hebda M., Chichinadze A.V., M., Mechanical engineering, 1990, 416 p.

9. Kragelsky I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Basis of calculations on friction and wear, M., Mechanical engineering, 1977, 526 p.

10. Physical quantities: reference manual, edition of Grigoriev I.S., Meylikhova E.Z., M., Energoatomizdat, 1991, 1232 p.

11. Kragelsky I.V., Vinogradova I.E. Friction coefficients, M., Mashgiz, 1962, 220 p.

12. Kafarov V.V. Bases of a mass transport, M., the Higher school, 1972, 496 p.

13. GOST 14846-81 Engines automobile. Methods of stand tests, M., Standards Publishing House, 2003.