CC BY
117
Dudarev Aleksandr Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, fan-ta88@mail.ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University
УДК 621.432
ВИРТУАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ СНЯТИЯ СТАТИЧЕСКИХ
И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
И.В. Попов, П.В. Толмачев, Р.Н. Хмелев
Разработан виртуальный стенд для снятия статических и динамических характеристик ДВС различных типов. Программное обеспечение стенда базируется на имитационной динамической модели ДВС. Приведены результаты практического использования стенда для снятия статических и динамических характеристик ДВС.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, статические и динамические характеристики, виртуальный стенд.
Мощностные и экономические показатели двигателей внутреннего сгорания, а также показатели, характеризующие статические и динамические нагрузки на детали, их тепловую напряженность, шумоизлучение, дымность и токсичность, оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики приводимых ими машин [1]. По этим показателям оценивают эксплуатационные характеристики ДВС, степень их конструктивного совершенства и устанавливают соответствие двигателя тому или иному назначению. Для технических систем, функционирующих в установившихся и переходных режимах, выделяют статические и динамические характеристики.
К основным статическим характеристикам ДВС относятся скоростные, нагрузочные, регулировочные, регуляторные и многопараметровые (комбинированные). Эти характеристики получают для установившихся режимов работы ДВС в виде графиков зависимости показателей работы двигателя от одного из параметров, характеризующих режим его работы [1]. Традиционными методами определения статических характеристик ДВС являются методы стендовых испытаний в соответствии с ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные», ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые». В состав оборудования и приборов стенда входят тормоз и устройства для измерения крутящего момента, расходов топлива и воздуха, частоты вращения вала двигателя. Тормоз позволяет имитировать нагружение двигателя тем или иным потребителем (генератором, трактором, автомобилем, судном, комбайном).
В то же время большинство ДВС значительную часть времени работают на неустановившихся режимах (пуска, разгона, наброса-сброса нагрузки, периодического изменения сопротивления), для которых характерно изменение внешней нагрузки, существенно влияющее на основные показатели двигателей. Для их обозначения при совпадении условий данного режима с условиями определения статистических характеристик используют принятые термины с добавлением слова «динамическая». Это указывает на дополнительную зависимость показателей двигателя как от времени, так и условий работы с конкретным потребителем мощности [2]. Динамическая характеристика позволяет решать ряд тягово-динамических задач в широком диапазоне изменения нагрузок и оборотов двигателя при его работе в различных условиях [2].
В процессе исследования влияния неустановившейся нагрузки на двигатель широко используется метод сравнения показателей ДВС при установившихся и неустановившихся режимах. Стационарная характеристика, снятая согласно ГОСТ 18509-88, является эталонной, к которой должны стремиться параметры ДВС в неустановившемся режиме [3]. Также для анализа неустановившихся режимов используется ГОСТ Р 55231-2012 «Системы автоматического регулирования частоты вращения (САРЧ) судовых, тепловозных и промышленных двигателей внутреннего сгорания». Исследования САРЧ проводятся при испытании двигателей по ГОСТ Р 53639-2009 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Приемка. Методы испытаний». В качестве оборудования дополнительно применяются гидротормозы, электрические или торсионные динамометры, тахометры, счетчики оборотов, максиметры, механические и электрические индикаторы для измерения максимального давления сгорания и давления в конце сжатия [3].
В соответствии с изложенным получение статических и динамических характеристик ДВС традиционными способами требует дорогостоящего оборудования и существенных временных затрат. В этой связи для определения характеристик ДВС актуальным является применение методов вычислительного эксперимента и виртуальных лабораторных стендов, которые могут рассматриваться как альтернатива натурным экспериментам и стендам.
В данной работе для построения характеристик ДВС различных типов предлагается использовать вычислительные эксперименты на виртуальном стенде, что позволит существенно сократить материальные и временные затраты, связанные с натурными экспериментами.
Интерфейс разработанного программного обеспечения приведен на рис. 1 и 2. Управление работой стенда осуществляется путем изменения нагрузки (момента сопротивления) дискретным образом или по заданному закону, а также воздействием на орган управления подачей топлива. Запуск стенда и его выключение осуществляются при помощи соответст-
вующих кнопок. Текущие значения нагрузки и подачи топлива отображается во время работы под соответствующими органами управления двигателем.
В качестве математического описания использовалась имитационная динамическая модель ДВС [4], которая позволяет установить связи как основных конструктивных и эксплуатационных параметров, так и параметров систем двигателя с его статическими и динамическими характеристиками. Значения основных конструктивных и эксплуатационных параметров ДВС задаются с помощью соответствующих элементов меню. Результаты работы ДВС отображаются в виде графиков моментов (движущего и момента сопротивления) и угловой скорости. Также осуществляется запись основных показателей работы ДВС в текстовый файл.
В качестве примера на рис. 1 - 4 приведены результаты вычислительных экспериментов по исследованию установившихся и переходных режимов работы дизеля ТМЗ-450Д. В данном случае установившийся режим работы ДВС может быть получен как частный случай переходного путем воздействия на органы управления двигателем с целью обеспечения постоянства средней угловой скорости и равенства движущего момента моменту сопротивления.
Рис. 1. Имитация установившегося режима работы двигателя
166
Рис. 2. Имитация переходного режима работы двигателя (ступенчатый наброс нагрузки)
На рис. 3 и 4 в виде статических и динамических характеристик [5, 6] приведены результаты расчета установившихся и переходных режимов работы дизеля ТМЗ-450Д.
Исследование нагрузочных характеристик (рис. 3) позволяет определить оптимальный нагрузочный режим работы двигателя, характеризуемый зоной минимальных расходов топлива, а также определить способы улучшения топливной экономичности двигателя.
Результаты, приведенные на рис. 3, позволяют сделать вывод об адекватности математической модели реальному объекту и возможности ее использования для проектировочных расчетов ДВС.
На рис. 4 представлены результаты вычислительного эксперимента по исследованию переходных режимов работы дизеля ТМЗ-450Д с всере-жимным регулятором частоты вращения двигателя. На режиме холостого хода имитировался ступенчатый наброс и сброс 100 % нагрузки. По результатам эксперимента определялись такие динамические характеристики, как время переходного процесса и наклон регуляторной ветви [6].
Кроме исследований и проектировочных расчетов ДВС, виртуальный стенд для снятия статических и динамических характеристик ДВС широко используется в учебном процессе кафедры «Автомобили и авто-
167
мобильное хозяйство» ТулГУ при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Силовые агрегаты автомобилей». На базе рассматриваемого стенда разработаны и выполняются следующие виртуальные лабораторные работы:
- снятие нагрузочной характеристики двигателя внутреннего сгорания;
- экспериментальное исследование неравномерности крутящего момента и хода двигателя.
и»
кг. Ю-5 1,8
1,6
1,4
1.2
1
0,8
°-62 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
мс Н м
Рис. 3. Статические (нагрузочные) характеристики дизеля ТМЗ-450Д натурный эксперимент: ©-©-в 3600 в-0-0 2000
вычислительный эксперимент: 3600 ЕНЭЕ] 2000
Таким образом, приведенные результаты иллюстрируют широкие возможности стенда как при проведении научных исследований, направленных на поиск новых и совершенствование существующих конструкций ДВС, так и в учебном процессе.
3200-
х ■
I 3100 й
О 3000
2900 2800
2 3 4 5 6
- П ПСр
Рис. 4. Динамические характеристики дизеля ТМЗ-450Д
Н ИНН Л1 ПА ЛИ 11 N П 1 11 1 И |Н 1 ПН 11111111 ./Чй
||| «И 111 11« I
Разработанное математическое и программное обеспечение может дополняться по мере решения новых задач.
Список литературы
1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д.Н. Вырубов [и др.]. М.: Машиностроение, 1983. С. 322.
2. Патрахальцев Н.Н. Неустановившиеся режимы работы двигателей внутреннего сгорания: монография. М.: РУДН, 2009. С. 58-59.
3. Юлдашев А.К., Хайрутдинов И.И. Стенды для исследования двигателей при неустановившихся нагрузках. Казань: Изд-во «Фэн», 2002. С. 15 - 16.
4. Хмелев Р.Н. Математическое и программное обеспечение системного подхода к исследованию и расчету поршневых двигателей внутреннего сгорания: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. C. 229.
5. Малиованов М.В., Хмелев Р.Н. О построении статических характеристик поршневых ДВС // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. Вып. 3. С. 166-170.
6. Малиованов М.В., Хмелев Р.Н. Разработка методики проектировочных расчетов поршневых двигателей внутреннего сгорания. // Материалы МНПК «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе». Т. 1. Пермь, ПНИПУ, 2012. С. 290-293.
Попов Иван Вячеславович, магистрант, iv3311 @yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Толмачев Павел Владимирович, магистрант, pvtolmachev@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хмелев Роман Николаевич, д-р техн. наук, доц., aiah@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE VIRTUAL STAND FOR REMOVAL OF STATIC AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES
I. V. Popov, P. V. Tolmachev, R.N. Khmelev
The article is devoted to the development of virtual stand for removal of static and dynamic characteristics of ICE of different kinds. The software of stand is founded on simulation dynamic model of ICE. The results ofpractical using stand for removal of static and dynamic characteristics of ICE are also presented.
Key words: internal combustion engine, static and dynamic characteristics, virtual
stand.
Popov Ivan Vyacheslavovich, undergraduate, iv3311 @yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tolmachev Pavel Vladimirovich, undergraduate, pvtolmachevamail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khmelev Roman Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, aiahayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 665.7.038
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ДЕПРЕССОРНО-ДИСПЕРГИРУЮЩИХ ПРИСАДОК
ДЛЯ НИЗКОЗАСТЫВАЮЩИХ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ
В.Р. Гилязова, Н.Ф. Орловская, Е.В. Цыганкова
Проведен сравнительный анализ эффективности действия депрессорно-диспергирующих присадок производства зарубежных и российских фирм при концентрации в базовом дизельном топливе 150 г/т. Наилучшим образом, по данным авторов, зарекомендовала себя присадка Dodiflow 5817. Испытания не выявили отклонений низкотемпературных свойств базового дизельного топлива с присадкой Dodiflow 5817 от требований ГОСТ 32511-2013, седиментационная устойчивость по методике СТО 11605031-041-2010 былаудовлетворительной.
Ключевые слова: депрессорно-диспергирующие присадки, седиментационная устойчивость, предельная температура фильтруемости.
Климатические условия РФ обусловливают большую потребность в высококачественных низкозастывающих дизельных топливах, которая (по даннымА.П.Кинзуля и др.) обеспечивается менее чем наполовину.
Для дизельных топлив требуемые показатели низкотемпературных характеристик достигаются в результате снижения содержания высококи-пящих н-парафинов С18+ при оптимальном соотношении с н-парафинами С10 -С15, углеводородами изостроения и моноциклическими аренами, которые являются растворителями высококипящих алканов [1].
На 19 из 30 крупных российских НПЗ для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив «обрезают» конечные фракции летнего дизельного топлива (320...360 0С) с потерей 10 % потенциала, получая топливо с температурой застывания минус 35 ос или с потерей 20 % потенциала при «обрезании» фракции 280...360 ос для получения дизельного топлива с температурой застывания минус 45 ос [5].
