На правах рукописи

Гун Валентина Сергеевна УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИКИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДИЗЕЛЯ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПОДАЧИ ТОПЛИВА Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 2009 Диссертация выполнена на кафедре Электротехника Южно-Уральского государственного университета ( ЮУрГУ, г.Челябинск ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Морозова В.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Марков В.А., доктор технических наук, профессор Кукис В.С.

Ведущее предприятие - ООО ГСКБ Трансдизель

Защита состоится 28 октября 2009 г., в 15 часов, на заседании диссертационного совета Д212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, зал диссертационного совета (ауд. 1001 гл. корп.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.298.09.

Е-mail: D212.298.09@mail.ru Автореферат разослан л сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Е.А. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях эксплуатации дизельные двигатели работают в основном на неустановившихся режимах, на которых снижается топливная экономичность и увеличиваются вредные выбросы отработавших газов (ОГ). Резерв повышения экономичности и снижения токсичности ОГ современные разработчики топливоподающих систем видят прежде всего в рациональной организации подачи топлива на всех режимах работы дизеля.

При разгоне дизеля или увеличении нагрузки на валу подача топлива резко увеличивается, а подача воздуха растет медленнее из-за инерционности дизеля и турбокомпрессора, что приводит к ухудшению протекания рабочего процесса и, как следствие, к дымлению, увеличению теплонапряженности и повышенному расходу топлива. С целью исключения лишней подачи топлива в начале переходного процесса (ПП) до момента увеличения подачи воздуха многими авторами исследовалась эффективность управляемого ограничения перемещения рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) или цикловой подачи Common Rail. Проблема согласования подач топлива и воздуха для неустановившихся режимов решалась многими известными учеными: В.И. Крутовым, В.А. Марковым, Ф.И. Пинским, Ф.М. Васильевым-Южным, Ф.З. Байбуриным, В.И. Толшиным, В.И. Шатровым, А.А. Грунауэром, И.В. Леоновым, Minghui Kao, John J. Moskwa, Tor A. Johansen, Olav Egeland, Qingwen Song и др. Сравнительный анализ ПП дизелей, проведенный в настоящей работе, показал, что уделялось недостаточно внимания созданию инженерных методик для улучшения динамических характеристик дизелей.

Актуальность настоящей диссертации состоит в создании методики для анализа и синтеза динамических характеристик дизеля с электронным регулятором частоты вращения, обеспечивающей апериодический характер ПП, с учетом токсичности ОГ, а также в разработке программного обеспечения, в котором эта методика находит свое отражение.

Цель работы - улучшение динамических характеристик и экологических показателей дизеля на основе разработки методик анализа переходного процесса и синтеза параметров электронного регулятора частоты вращения - коэффициентов обратных связей контура управления.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ расчетных и экспериментальных исследований динамики переходных процессов и систем автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля с целью улучшения его экологических показателей.

2. Разработать математическую модель и программу для анализа переходных процессов дизеля с учетом реальных термо- и газодинамических явлений при его работе на неустановившихся режимах, позволяющих определить экологические и динамические показатели для управляющих и возмущающих воздействий.

3. Разработать математическую модель и программу замкнутого расчета рабочего цикла для среднего цилиндра, включающую учет нестационарного газообмена, динамику циклового изменения подачи топлива, циклическое изменение параметров рабочего тела и кинетики процесса сгорания, мгновенное изменение частоты вращения коленчатого вала дизеля и расчет экологических показателей в течение всего переходного процесса.

4. Разработать методику синтеза параметров всережимного электронного регулятора, коэффициентов обратных связей контура управления частотой вращения коленчатого вала для заданных экологических показателей и динамики дизеля в зависимости от постоянной времени переходного процесса.

5. Выполнить расчетные исследования по разработанной математической модели переходных процессов дизеля с различными регуляторами для управляющих и возмущающих воздействий с оценкой экологических показателей.

6. Провести экспериментальные исследования дизеля типа 4ЧН14,5/20,5 с электронным и механическим всережимными регуляторами, реализующими пропорциональный закон регулирования на установившихся и переходных режимах работы, для получения необходимых данных для разработанной математической модели.

7. Разработать практические рекомендации для рационального выбора закона управления топливоподачей с точки зрения экологических показателей и динамических характеристик дизеля, позволяющие сэкономить средства для проведения моторных испытаний путем выбора необходимых направлений опытноконструкторских работ.

Предмет исследования. Переходный процесс дизеля и его влияние на динамические и экологические показатели.

Методы исследования, сочетающие теорию и эксперимент. С помощью теоретических методов были выполнены расчетные исследования переходных процессов дизеля и решена задача синтеза параметров электронного регулятора частоты вращения коленчатого вала. Экспериментальные исследования проводились с использованием традиционных и специальных приборов и оборудования на моторном стенде ООО ЧТЗ - УРАЛТРАК составной частью которого является полноразмерный дизель 4ЧН14,5/20,5 оборудованный электронным или механическим регуляторами частоты вращения коленчатого вала.

Научная новизна:

1. Разработан и научно обоснован метод синтеза коэффициентов обратных связей контура управления электронного регулятора частоты вращения коленчатого вала дизеля, обеспечивающий заданные динамические характеристики и экологические показатели ПП дизеля.

2. Разработан метод анализа переходных процессов дизеля позволяющий оценить влияние управляющих и возмущающих воздействий на динамические характеристики и экологические показатели.

3. Разработана методика анализа ПП дизеля, учитывающая параметры электронного регулятора и структуру контура управления частоты вращения коленчатого вала.

4. Разработана математическая модель замкнутого расчета рабочего цикла для установившихся и неустановившихся режимов, учитывающая нестационарный газообмен и кинетику процесса сгорания топлива.

Практическая ценность:

1. Разработаны рекомендации по улучшению динамических характеристик и экологических показателей ПП дизеля, основанные на результатах математического моделирования и позволяющие целенаправленно совершенствовать системы электронного управления процессом топливоподачи ДВС под конкретные практические задачи.

2. Разработан метод определения параметров электронного регулятора - коэффициентов обратных связей контура управления частотой вращения коленчатого вала, позволяющий с большей степенью вероятности обеспечить наилучшие показатели качества процесса регулирования существующих и вновь проектируемых дизелей.

3. Разработаны алгоритмы определения динамических характеристик и оценки зависимости токсичности ОГ от длительности и качества переходного процесса дизеля с электронным регулятором и возможностью их улучшения.

4. Создан пакет прикладных программ для исследования ПП дизеля с электронным или механическим регуляторами, обеспечивающий возможность выполнения различных вычислительных экспериментов.

5. Сформулированы принципы рационального выбора регулятора частоты вращения и его параметров для вновь проектируемых дизелей.

Реализация результатов работы.

Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ кафедры Электротехника и ООО ЧТЗ - УРАЛТРАК, разработанная математическая модель и пакет прикладных программ используются в учебном процессе на кафедре Электротехника Челябинского института путей сообщения и на кафедре Автомобили ЮУрГУ, а также при доводке двигателей в ОАО СКБ - ТУРБИНА.

Апробация работы.

Основные разделы диссертационной работы были доложены и одобрены на:

- научно-технической конференции Повышение топливной экономичности автомобилей и тракторов, 30 ноября - 1 декабря 1987 г., Уральский дом пропаганды, г. Челябинск;

- Международных конгрессах общества автомобильных инженеров SAE 27 февраля - 2 марта 1995 г., 26Ц29 февраля 1996 г., 24Ц27 февраля 1997 г., 12Ц19 апреля 2007 г., г. Детройт, США.

- Международной научноЦтехнической конференции Двигатель 2007, посвященной 100-летию специальности Двигатели внутреннего сгорания МГТУ им. Н.Э. Баумана, 18Ц19 сентября 2007 г., г. Москва;

- Международной научно-технической конференции Двигатели 2008, 15Ц19 сентября 2008 г., Хабаровск;

- Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения М.Ф. Балжи, 16Ц17 октября 2008 г., г. Челябинск;

- Всероссийских научно-технических семинарах (ВНТС) им. профессора В.И.

Крутова по автоматическому управлению и регулированию тепло-энергетических установок при кафедре Теплофизика (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана, 31 января 2008 г., 28 января 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 8 статей и 10 материалов конференций, из них по перечню ВАК - 4, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 203 с. текста, включая страниц основного текста, содержащего 62 иллюстрации 23 таблицы и состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Список литературы включает 143 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, направленной на улучшение показателей переходных процессов дизеля путем совершенствования электронной системы автоматического регулирования частоты вращения и дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе анализируется состояние вопроса по исследованию переходных процессов дизелей, включая экологические показатели. Рассмотрены функции автоматических регуляторов частоты вращения коленчатого вала дизеля, принципы их построения и возможные направления совершенствования процесса управления топливоподачей. В заключение первой главы отмечено, что до настоящего времени недостаточно внимания уделялось вопросу влияния динамики перемещения рейки на токсичность отработавших газов переходных процессов дизелей.

Сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе представлена разработанная математическая модель переходного процесса дизеля с электронным регулятором, структурная схема которого включает: регуляторную и корректорную ветви управления, каждая из которых обрабатывает сигнал рассогласования по частоте вращения в зависимости от показаний датчика частоты вращения коленчатого вала. Дизель с электронным регулятором образуют замкнутую многосвязную систему автоматического регулирования (САРЧ), включающую исполнительный механизм - линейный двигатель постоянного тока (ДПТ); электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала с датчиками положения рейки ТНВД, тока якоря ДПТ, необходимыми для работы регулятора; задатчик частоты вращения коленчатого вала с датчиком положения педали управления; блок питания от аккумуляторной батареи (16Е24 В).

В основе моделирования переходного процесса лежит решение системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику дизеля с электронным регулятором частоты вращения коленчатого вала:

dn 30 N = M - Mc кр, dt J j= di R Вl k0 k1 k2 k3 U dt = - i - Vh - h - Vh - i - m + L, (1) L L L L L L dVh Bl c = i - Vh, dt m m dh Vh, = dt где n - частота вращения коленчатого вала дизеля, h - положение рейки ТНВД, Vh - скорость перемещения рейки ТНВД, i - ток якоря исполнительного механизма (ДПТ), N - число цилиндров, J - суммарный момент инерции вращающихся масс, М - крутящий момент, развиваемый в jЦм цилиндре, М - момент сопротивления кр с на валу дизеля, включая момент потерь на трение, R и L - соответственно активное сопротивление и индуктивность обмотки якоря исполнительного механизма, m - масса движущихся частей регулятора, l - длина обмотки якоря, c - электромеханический коэффициент, В - магнитная индукция обмотки возбуждения, k0, k1, k2, k3 - коэффициенты обратных связей соответственно по перемещению рейки ТНВД, по скорости перемещения рейки, по току исполнительного механизма, по частоте вращения коленчатого вала дизеля.

Крутящий момент М двигателя определялся в ходе моделирования замкнукр того расчета рабочего цикла дизеля для среднего цилиндра. Масса сгоревшего топлива определялась на основе уравнения выгорания И.И. Вибе.

Параметры кинетики сгорания для переходных процессов определялись по зависимостям В.М. Бунова. В основе моделирования газообмена и параметров рабочего тела в цилиндре дизеля во время сжатия и расширения рабочего тела лежит решение задачи о распаде произвольного разрыва С.К. Годунова.

Автором создан алгоритм и программа замкнутого расчета рабочего цикла дизеля как для одного среднего цилиндра, так и для развернутого дизеля, и описаны граничные условия. Результаты расчета переходного процесса дизеля 4ЧН14,5/20,с электронным регулятором частоты вращения коленчатого вала представлены на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что содержание сажи в ОГ и время переходного процесса дизеля совпадает с экспертиментальными исследованиями В.М. Бунова с достаточной для инженерных расчетов точностью (погрешность ~ 5 %).