Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документация об аукционе'
Сведения о валюте, используемой для формирования цены контракта и расчетов с подрядчиками, порядок применения официального курса иностранной валюты к...полностью>>
'Биография'
С 1-4 классы училась в школе №73, после поступила в №138, гимназический класс. Закончила в 2010 г. Год посещала художественный кружок. После школы пос...полностью>>
'Документ'
Художественная керамика, представляющая собою один из древнейших видов прикладного искусства, запечатлевает в своих произведениях совместные успехи с...полностью>>
'Документ'
Все весомые тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обуславливает движение планет вокруг солнца и спутников вокруг планет. Теория гравитации - те...полностью>>

Автореферат диссертации на соискание ученой степени (65)

Главная > Автореферат диссертации
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

Шлёнов Матвей Ильич

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯСИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Московском государственном техническом

университете им. Н. Э. Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Марков В.А.

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Защита диссертации состоится "____"___________2008 г. в ____ч. на заседании диссертационного совета Д 212.141.09 при Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д. 2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.09.

Автореферат разослан "____"______________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук,

доцент Тумашев Р.З.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ВСХ - внешняя скоростная характеристика;

ОГ - отработавшие газы;

ПИД - закон регулирования – пропорционально-интегрально-дифференциальный закок регулирования;

САР - система автоматического регулирования;

САУ - система автоматического управления;

ТНВД - топливный насос высокого давления.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Достижение требуемых топливно-экономических и экологических показателей невозможно без дальнейшего совершенствования системы топливоподачи, оснащенной САР частоты вращения дизеля. Сложность решения этой проблемы усугубляется многорежимностью транспортного дизеля и преобладанием неустановившихся режимов в процессе эксплуатации двигателя.

Особый интерес представляет оценка показателей токсичности ОГ на неустановившихся режимах работы (в переходных процессах). Проведение экспериментальных исследований с целью определения этих показателей в переходных процессах усложняется рядом факторов. Одним из этих факторов является практическое отсутствие измерительной аппаратуры, позволяющей определять показатели токсичности ОГ в реальном масштабе времени. Для обеспечения повторяемости переходных процессов необходимо тщательно выдерживать показатели дизеля на исходном режиме, что увеличивает трудоемкость проведения таких исследований.

В связи с этим, при совершенствовании САР частоты вращения дизеля целесообразно использовать расчетно-экспериментальные методы исследования, позволяющие на базе экспериментальных данных, полученных на установившихся режимах, определять необходимые показатели транспортного дизеля на неустановившихся режимах его работы и в наиболее характерных переходных процессах. Такое совершенствование САР частоты вращения дизеля целесообразно проводить с использованием методов математического моделирования. С помощью предлагаемых в диссертационной работе расчетных методов можно провести всесторонний анализ параметров дизеля в переходных процессах и выдать рекомендации по выбору параметров САР частоты вращения дизеля и изменению существующих настроек системы регулирования с целью улучшения эффективных и экологических показателей транспортных дизелей. Результаты этих исследований могут быть использованы при разработке и доводке систем регулирования частоты вращения, обеспечивающих перспективные требования к токсичности ОГ газов при достижении необходимых показателей дизелей по топливной экономичности.

Цель работы. Улучшение эксплуатационных показателей транспортного дизеля путем совершенствования системы автоматического регулирования частоты вращения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель системы автоматического регулирования частоты вращения, позволяющая провести оценку токсичности отработавших газов в переходных процессах;

- разработана методика оценки суммарной токсичности отработавших газов в переходных процессах дизеля;

- разработана методика выбора параметров системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля;

- разработана методика оценки расхода топлива и токсичности отработавших газов дизеля в автоколебательных процессах.

Методы исследований. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. С помощью теоретических методов были проведены расчетные исследования переходного процесса разгона дизеля типа КамАЗ-740 с различной формой внешней скоростной характеристики, проведен выбор параметров системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля, проведена оценка расхода топлива и токсичности отработавших газов дизеля в автоколебательных процессах. Экспериментальная часть работы заключалась в исследовании дизеля типа Д-246 дизель-генераторной установки с электронным регулятором, реализующим ПИД-закон регулирования.

Достоверность и обоснованность научных положений работы определяются:

- использованием фундаментальных законов и уравнений термодинамики, теории автоматического регулирования и управления, современных численных и аналитических методов реализации математических моделей;

- совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований и применением при оценке адекватности математических моделей достоверных опытных данных, полученных при испытаниях на развернутом двигателе.

Практическая ценность. Разработан алгоритм и программа расчета переходного процесса с возможностью определения динамических характеристик и показателей токсичности ОГ. Предложена методика выбора параметров САР частоты вращения дизеля, обеспечивающая достижение наилучших показателей качества процесса регулирования. Разработаны методики оценки токсичности ОГ в переходных процессах, а также в автоколебательных процессах, позволяющие оптимизировать переходный процесс дизеля и минимизировать выбросы токсичных компонентов ОГ.

Реализация результатов работы. Работа проводилась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ лаборатории «Автоматика» НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана и кафедры «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты исследований внедрены в ЗАО «Форант-Сервис» и ЗАО «Дизель-КАР» (г. Москва).

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Поршневые двигатели» и «Теплофизика» в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2008 г. По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:

- на международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути решения», 22-24 июня 2004 г., Суздаль;

-на международной научно-технической конференции «3-и Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», 30-31 января 2007 г., Москва, ГТУ «МАДИ»;

- на международной научно-технической конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, 19-21 сентября 2007 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана;

- на Всероссийском научно техническом семинаре (ВНТС) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2005, 2007 и 2008 г.г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи и 6 материалов конференций, из них в журналах по списку ВАК – 2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 164 страниц, включая 133 страниц основного текста, содержащего 49 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 127 наименований на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведения работ, направленных на совершенствование САР частоты вращения транспортных дизелей, и дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ требований, предъявляемых к транспортным дизелям в современных условиях. Показано, что приоритетными являются требования по топливной экономичности и токсичности ОГ. Рассмотрены функции САР дизеля, принципы их построения, возможные направления совершенствования САР частоты вращения дизелей.

Отмечено, что методики расчета переходных процессов дизелей достаточно полно разработаны в трудах отечественных ученых: Калиша Г.Г., Крутова В.И., Каца А.М., Настенко Н.Н., Левина М.И., Толшина В.И., Кринецкого И.И., Ковалевского Е.С., Грунауэра А.А., Долганова К.Е. и ряда других. Они позволяют оптимизировать характеристики САР и дизеля в целом, в частности форму ВСХ, а также оценить изменение параметров дизеля в переходных процессах и его динамические качества. Но, как правило, в этих методиках остаются неопределенными расход топлива и выбросы токсичных компонентов ОГ. Недостаточно изученным является и вопрос об оценке суммарной токсичности ОГ в переходных процессах, а также в автоколебательных процессах дизеля. Практически отсутствуют методики выбора параметров САР и САУ.

На основании анализа состояния проблемы были сформулированы следующие задачи исследования:

  1. Разработка математической модели САР частоты вращения, позволяющей определять токсичность ОГ в переходных процессах.

  2. Оценка влияния формы ВСХ на показатели токсичности и дымности ОГ дизеля в переходных процессах.

  3. Разработка методики оценки суммарной токсичности ОГ дизеля в переходных процессах.

  4. Разработка методики выбора параметров САР частоты вращения дизеля.

  5. Разработка методики оценки расхода топлива и токсичности ОГ дизеля в автоколебательных процессах.

  6. Проведение экспериментальных исследований дизеля, оснащенного САР частоты вращения, имеющей показатели и настройки, определенные в теоретической части работы.

Вторая глава посвящена проблемам формирования ВСХ в транспортных дизелях. Отмечено, что в проведенных исследованиях недостаточное внимание уделено оценке влияние формы этой характеристики на токсичность ОГ. Представлена математическая модель САР частоты вращения комбинированного двигателя, состоящая из уравнений наиболее значимых элементов дизеля с турбонаддувом.

Поршневая части двигателя:

Jд dд / dt = Mд – Mс ;

турбокомпрессор

Jт dт / dt = Mт – Mк ;

впускной трубопровод

[Vвп / (Rв Tк)] dрк / dt = Gк – Gд ;

выпускной трубопровод

[Vвып / (Rг Tг)] dрт / dt = Gг – Gт ,

где Jд и Jт – моменты инерции валов дизеля с потребителем и турбокомпрессора соответственно; ωд и ωт – частоты вращения валов дизеля и турбокомпрессора; Мд, Мс, Мт, Мк – моменты: крутящий (эффективный) дизеля, сопротивления потребителя, развиваемый турбиной, потребляемый компрессором; Vвп и Vвып – объемы впускного и выпускного трубопроводов; рк и рт – давления наддувочного воздуха на выходе из компрессора и ОГ на входе в турбину; Rв и Rг – газовые постоянные наддувочного воздуха и ОГ; Тв и Тг – температуры наддувочного воздуха и ОГ; Gд, Gк, Gг, Gт – расходы воздуха через двигатель и компрессор, газов через двигатель и турбину.

Уравнение исполнительного механизма, перемещающего дозирующий орган системы топливоподачи на величину =hр/hро: Tим(d/dt) +  = kим Uупр.

Пропорционально –интегрально -дифференциальный (ПИД) закон управления: Uупр=kп U + kи  U dt + kд d U /dt .

Значения параметров двигателя, входящих в правые части уравнений, определялись в виде следующих функциональных зависимостей:

Mд= f(д, hр, рк); Mт = f(т, hр, рт); Mк = f(т, рк);

Gк = f(т, рк); Gд = f (д, рк); Gг = f(д, рт, рк); Gт = f(рт, hр).

При расчетных исследованиях использовано и ряд дополнительных функциональных зависимостей, в частности, для концентраций в ОГ оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов и дымности ОГ:

СNOx = f(д, hр, рк); СCO = f(д, hр, рк); СCHx = f(д, hр, рк); Кx = f(д, hр, рк).

Для определения данных функциональных зависимостей была разработана программа аппроксимации экспериментальных данных исследуемого дизеля типа КамаАЗ-740 полиномиальными зависимостями, использующая метод наименьших квадратов. Программа рассчитывает коэффициенты полинома, аппроксимирующего заданный массив исходных точек. В частности, полиномиальная зависимость для описания функциональных зависимостей содержания в ОГ оксидов азота СNOx, углеводородов ССНx и дымности ОГ Кх использованы полиномы вида:

CNOx= –0,68942 + 0,0047573·ωд + 130,260·hp – 5,8697·pк – 0,54951·ωд·hp + 0,020·ωд·pк + 810,09·hp·pк – 0,00000614·ωд2 – 6023,1·hp2 – 20,46·pк2;

CCO= 1,2281 – 0,010641·ωд – 271,60·hp + 12,737·pк + 1,0985·ωд·hp – 0,026629·ωд·pк + 290,18·hp·pк + 0,000032162·ωд2 + 13667,0·hp2 – 107,52·pк2 + 2,0081·ωд·hp·pк – 11,627·10-8·ωд3 + 79014,0·hp3 + 259,17·pк3 – 0,0012248·ωд2·hp + 0,00041418·ωд2·pк – 44,6·ωд·hp2 – 84901,0·hp2·pк – 0,53873·ωд·pк2 + 7118,8·hp·pк2;

CСНx= 0,091397 + 0,000014919·ωд – 13,4840·hp + 0,094903·pк – 0,078545·ωд·hp + 0,020369·ωд·pк + 165,21·hp·pк – 0,0000053221·ωд2 + 281,63·hp2 – 20,197·pк2;

Кx= –126,170 + 0,91023·ωд – 780,6·hp + 799,59·pк – 30,139·ωд·hp – 3,4768·ωд·pк – 192350,0·hp·pк – 0,0007332·ωд2 + 1395800,0·hp2 + 8410,6·pк2.

Визуализация этих зависимостей в трехмерном пространстве представлена на рис. 1.

Для расчета переходных процессов была разработана программа, позволяющая решать систему дифференциальных уравнений САР методом Эйлера. С использованием разработанной математической модели проведено исследование влияния формы внешней скоростной характеристики на показатели дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе разгона.

а

б

в

г

Рисунок 1. Визуализация характеристик токсичности ОГ дизеля типа КамАЗ-740 от его частоты вращения ωд и положения рейки топливного насоса hp при давлении наддува рк=0,12 МПа: а – оксидов азота; б – монооксида углерода; в – несгоревших углеводородов; г – дымности ОГ

На первом этапе расчетных исследований определялось влияние наклона участка отрицательной коррекции ВСХ на показатели дизеля. При этом диапазон корректирования топливоподачи на участке отрицательной коррекции оценивался коэффициентом отрицательного корректирования KМе отрe n minе ном. Исследовалось четыре варианта наклона участка отрицательной коррекции с коэффициентами KМе отр=1,24); 1,00; 0,83; 0,65. Результаты расчетов (рис. 2) свидетельствуют о том, что при изменении наклона участка отрицательной коррекции, соответствующее изменению коэффициента KМе отр от 1,24 до 0,65, не приводит к существенному изменению динамических качеств дизеля. При допустимой нестабильности частоты вращения ωε=1,5 % во всех четырех исследованных случаях время переходного процесса разгона дизеля составило примерно tп=6 с. Вместе с тем, наклон участка отрицательной коррекции ВСХ оказывает заметное влияние на показатели токсичности и дымности ОГ (рис. 3).

а

б

Рисунок 2. Изменение параметров дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе его разгона: а - частоты вращения дизеля ωд; б - положения дозирующей рейки ТНВД; 1 - hр n min=16,0 мм (KМе отр=1,24); 2 - hр n min=14,6 мм (KМе отр=1,00); 3 - hр n min=13,6 мм (KМе отр=0,83); 4 - hр n min=12,6 мм (KМе отр=0,65)

Максимальное значение содержания оксидов азота CNOx в ОГ дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе отмечено при hр n min=16,0 мм и составляет СNOx=0,23 % (см. рис. 3,а). Но можно отметить, что осредненные для переходного процесса разгона дизеля значения концентрации CNOx в ОГ для исследованных вариантов ВСХ отличаются незначительно.

Зависит от формы ВСХ и содержание в ОГ монооксида углерода ССО (см. рис. 3,б). Однако и в этом случае осредненные для переходного процесса разгона дизеля значения концентрации CСO в ОГ для исследованных вариантов ВСХ отличаются незначительно.

Более значительное влияние форма ВСХ оказывает на содержание в ОГ несгоревших углеводородов ССНх. Особенно это заметно на начальной стадии переходного процесса (при t<1,5-2,0 с, см. рис. 3,в). Для исследованных вариантов ВСХ при фиксированных значениях времени t концентрации ССНх могут отличаться в 1,5 раза. С этой точки зрения наиболее неблагоприятна ВСХ с hр n min=16,0 мм, при реализации которой в диапазоне времени t=0-1 отмечена наибольшая концентрация несгоревших углеводородов в ОГ - ССНх=0,048-0,050 %.

От наклона участка отрицательной коррекции в наибольшей степени зависит дымность ОГ Кх (см. рис. 3,г). Так, при изменении коэффициента KМе отр от 1,24 до 0,65 максимальная дымность ОГ в переходном процессе снижается с 60 до 36 % по шкале Хартриджа, т.е. примерно в 1,7 раза.

На втором этапе исследований определялось влияние наклона участка положительной коррекции ВСХ на показатели дизеля. При этом диапазон корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции оценивался коэффициентом положительного корректирования KМе пол= Мe mахе ном. При расчетах переходных процессов дизеля типа КамАЗ-740 исследовалось четыре варианта наклона участка положительной коррекции с коэффициентами KМе пол=1,50; 1,35; 1,20; 1,05. При этом диапазон корректирования топливоподачи на участке отрицательной коррекции был практически неизменным и равным KМе отр= Мe n minе ном=1,00.

Результаты расчетов переходного процесса разгона дизеля КамАЗ-740, представленные на рис. 4, свидетельствуют о том, что изменение диапазона корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции, соответствующего изменению коэффициента KМе пол от 1,05 до 1,50, сопровождается сокращением продолжительности переходного процесса tп с 8,2 до 5,4 с (при допустимой нестабильности частоты вращения ωε=1,5 %). Для базового варианта (характеристики 2 на рис. 4) величина tп составила 6,1 с.

а

б

в

г

Рисунок 3. Изменение параметров дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе его разгона: а - содержания в ОГ оксидов азота CNOx; б - монооксида углерода CСO; в - несгоревших углеводородов CСНx; г – дымности ОГ Кх; 1 - hр n min=16,0 мм (KМе отр=1,24); 2 - hр n min=14,6 мм (KМе отр=1,00); 3 - hр n min=13,6 мм (KМе отр=0,83); 4 - hр n min=12,6 мм (KМе отр=0,65)

а

б

Рисунок 4. Изменение параметров дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе его разгона: а - частоты вращения дизеля ωд; б - положения дозирующей рейки ТНВД hр; 1 - hр Мmax=16,7 мм (KМе пол=1,50); 2 - hр Мmax=16,0 мм (KМе пол=1,35); 3 - hр Мmax=15,1 мм (KМе пол=1,20); 4 - hр Мmax=14,2 мм (KМе пол=1,05)

Наклон участка положительной коррекции ВСХ оказывает заметное влияние и на показатели токсичности и дымности ОГ (см. рис. 5). При увеличении диапазона корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции максимальные концентрации оксидов азота CNOx в ОГ дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе его разгона возрастают. Их максимальное содержание в ОГ CNOx = 0,224 % отмечено при коэффициенте приспособляемости KМе пол = 1,50 (см. рис. 5,а). Вместе с тем, концентрации CNOx в ОГ сравнительно слабо зависят от исследованных значений коэффициента приспособляемости KМе пол.

Содержание в ОГ монооксида углерода ССО с увеличением диапазона корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции также возрастает. Максимальная концентрация монооксида углерода в ОГ CСO=0,081 % соответствует коэффициенту приспособляемости KМе пол=1,50 (см. рис. 5,б). Однако и в этом случае осредненные для переходного процесса разгона дизеля значения концентрации CСO в ОГ для исследованного диапазона положительного корректирования топливоподачи отличаются незначительно.

Более значительное влияние диапазон корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции ВСХ оказывает на содержание в ОГ углеводородов ССНх. Максимальная концентрация несгоревших углеводородов отмечена при коэффициенте приспособляемости KМе пол=1,50 и составляет CСНх=0,056 % (рис. 5,в). При уменьшении коэффициента приспособляемости до KМе пол=1,05 максимальное значение CСНх=0,046…0,047 % достигается лишь в период окончания переходного процесса.

а

б

в

г

Рисунок 5. Изменение параметров дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе его разгона: а - содержания в ОГ оксидов азота CNOx; б - монооксида углерода CСO; в - несгоревших углеводородов CСНx; г – дымности ОГ Кх; 1 - hр Мmax=16,7 мм (KМе пол=1,50); 2 - hр Мmax=16,0 мм (KМе пол=1,35); 3 - hр Мmax=15,1 мм (KМе пол=1,20); 4 - hр Мmax=14,2 мм (KМе пол=1,05)

Наибольшее влияние диапазон корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции ВСХ оказывает на дымность ОГ Кх. Максимальная дымность ОГ Kx=52 % по шкале Хартриджа имеет место при коэффициенте приспособляемости KМе пол=1,50 (см. рис. 5,г). Уменьшение коэффициента приспособляемости сопровождается быстрым снижением дымности ОГ, и при коэффициенте приспособляемости KМе пол=1,05 максимальная дымность ОГ в переходном процессе снижается до Kx=34 % по шкале Хартриджа, т.е. примерно в 1,5 раза.

Для оценки токсичности ОГ в переходном процессе разработана методика оценки суммарной токсичности ОГ дизеля. Она основана на решении задачи многокритериальной оптимизации переходного процесса с использованием метод свертки. При этом обобщенный критерий оптимальности для каждого из четырех рассматриваемых наклонов участков отрицательной и положительной коррекции ВСХ имеет вид:

где Jtпi, JNOxi, JCOi, JCHxi, JKxi – частные критерии оптимальности по продолжительности переходного процесса, содержанию в ОГ оксидов азота NOх, монооксида углерода СО, углеводородов СНх, дымности ОГ Kx. Частные критерии оптимальности по концентрациям основных токсичных компонентов в ОГ представлены в виде отношений определенных интегралов кривых изменения концентрации соответствующего компонента в переходном процессе i – го режима к базовому на расчетном временном участке t от 0 до tп max = 8,2 с – времени наиболее длительного из рассмотренных переходных процессов. Результаты расчетов, показывают, что с точки зрения обеспечения компромисса между динамическими показателями двигателя и его экологическими показателями наиболее предпочтительным является вариант формы участка положительной коррекции ВСХ с коэффициентом приспособляемости KМе пол=1,50.

Третья глава посвящена проблемам выбора параметров САР частоты вращения дизеля и оценке эксплуатационных показателей дизеля в автоколебательных процессах. Представлена методика выбора параметров электронного регулятора частоты вращения дизеля, построенная с использованием методов параметрической оптимизации САР и САУ и предусматривающая использование программного комплекса «Моделирование в технических устройствах (МВТУ)», разработанного под руководством к.н.т., доцента О.С. Козлова. При использовании этого программного комплекса исследованы переходные процессы сброса нагрузки в САР дизеля типа Д-240 (4 Ч 11/12,5) без наддува.

При моделировании САР управляющее воздействие подавалось на объект регулирования в виде суммы пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих закона регулирования. Оптимизируемыми параметрами рассматриваемой САР при ее параметрической оптимизации являлись коэффициенты ПИД-закона регулирования. В качестве критериев оптимальности использованы заброс регулируемого параметра в переходном процессе ymax, продолжительность переходного процесса tп. Кроме того, использован комплексный критерий, представляющий собой произведение величин tп и ymax.

Минимальное значение комплексного критерия качества получено при следующих значениях коэффициентов ПИД-закона: kп=14, kи=20 и kд=1,5. Эти значения приняты оптимальными. Данная методика может быть использована и для выбора значений других параметров электронного регулятора.

Резервом улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля является уменьшения нестабильности параметров на установившихся режимах работы дизеля с автоколебательными процессами. Предложена методика оценки топливной экономичности и токсичности ОГ в автоколебательных процессах дизеля, основанная на использовании обобщенной зависимости экономических и экологических показателей дизеля от коэффициента избытка воздуха. В этой методике предполагается, что из-за низкой инерционности системы топливоподачи и относительно большой инерционности системы воздухоснабжения в возникающем автоколебательном процессе скоростного режима колебательные изменения расхода топлива Gт не сопровождаются изменениями расхода воздуха Gв, и наблюдаются колебания коэффициента избытка воздуха , приводящие к ухудшению показателей топливной экономичности и токсичности ОГ.

Результаты расчетных исследований свидетельствуют о том, что относительное увеличение расхода топлива gе в автоколебательном процессе дизеля типа КамАЗ-740, работающего на номинальном режиме, составило 0,35%, а относительный рост содержания в ОГ нормируемых токсичных компонентов ОГ оказался равным: СNOx - 0,15 %, ССO - 0,36 %, ССНx - 0,34 %. При переходе к режимам с пониженной частотой вращения нестабильность скоростного режима усиливается. Так, на режиме внешней характеристики с минимальной частотой вращения n=600 мин-1 степень нечувствительности регулятора увеличивается до р=10-12%, возрастает и неравномерность подачи топлива от цикла к циклу. Это приводит к увеличению нестабильности скоростного режима до значений =10-15%. Кроме того, этот режим отличается невысоким коэффициентом избытка воздуха =1,35, близким к пределу дымления. Поэтому даже небольшие отклонения  в автоколебательном процессе изменения частоты вращения приводят к существенному ухудшению показателей топливной экономичности и токсичности ОГ. В результате, при упомянутом значении  удельный эффективный расход топлива gе в автоколебательном процессе увеличивается на 5-7%, концентрации в ОГ оксидов азота NOх - на 3-5%, монооксида углерода СО и углеводородов СНх - на 6-8% по сравнению с режимом с неизменным значением частоты вращения дизеля.

В четвертой главе приведены результаты исследований дизеля Д-246 (4 ЧН 11/12,5) дизель-электрического генератора АД-40 с электронным регулятором частоты вращения, имеющим параметры и настройки, полученные расчетным путем в третьей главе. Исследования осуществлялись на моторном стенде ОАО «НЗТА». Для привода дозирующего органа (рейки ТНВД) использован исполнительный механизм непрямого действия с электромеханическим преобразователем типа «сопло-заслонка».

При экспериментальных исследованиях определены коэффициенты пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих ПИД-закона регулирования, обеспечивающие наилучшее качество переходных процессов САР. Они оказались равными kп=20, kи=100, kд=1, что хорошо согласуется с данными, полученными расчетным путем.

Осциллографирование переходных процессов исследуемого дизеля, оснащенного электронным регулятором с указанными выше значениями коэффициентов ПИД-закона регулирования, позволило получить переходный процесс наброса нагрузки со следующими показателями (рис. 6): время переходного процесса tп=1,5 с, перерегулирование (заброс частоты вращения) =3,8%, наклон регуляторной характеристики δ=0 (астатический регулятор). Аналогичные показатели для переходного процесса сброса нагрузки составили: tп=1,8 с, =3,9%.

Проведенные расчетно-экспериментальные исследования подтвердили эффективность использования разработанного регулятора частоты вращения, реализующего ПИД-закон регулирования, в дизельных двигателях дизель-генераторных установок и возможность обеспечения динамических и статических показателей, соответствующих первому классу точности САР. Высокие статические и динамические показатели дизельного двигателя с разработанным регулятором свидетельствуют о возможности его использования и в дизелях транспортного назначения.

Рисунок 6. Изменение частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя с ПИД-регулятором в переходных процессах наброса нагрузки на дизель-генераторную установку (слева) и сброса нагрузки (справа)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля, позволяющая провести оценку токсичности отработавших газов в переходных процессах путем описания их характеристик в виде полиномиальных зависимостей от режимных параметров двигателя.

2. Разработана методика оценки суммарной токсичности отработавших газов в переходных процессах дизеля, основанная на использовании обобщенного критерия оптимальности, представляющего собой произведение частных критериев оптимальности, характеризующих продолжительность переходного процесса и выбросы нормируемых газообразных токсичных компонентов отработавших газов дизеля.

3. Определен оптимизированный вариант формы внешней скоростной характеристики дизеля типа КамАЗ-740 с коэффициентом корректирования топливоподачи на участке отрицательной коррекции KМе отр=0,65 и коэффициентом приспособляемости на участке положительной коррекции KМе пол=1,50, обеспечивающий компромисс между динамическими и экологическими показателями дизеля.

4. Разработана методика выбора параметров системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля, основанная на минимизации комплексного критерия качества процесса регулирования, представляющему собой произведение продолжительности переходного процесса и максимального отклонения регулируемого параметра в переходном процессе.

5. Проведенные расчетные исследования переходного процесса сброса нагрузки дизеля типа Д-240 позволили определить оптимизированные значения коэффициентов ПИД-закона регулирования электронного регулятора частоты вращения дизеля, оказавшиеся равными kп=14,0, kи=20,0 и kд=1,5.

6. Разработана методика оценки расхода топлива и токсичности отработавших газов дизеля в автоколебательных процессах, базирующаяся на использовании обобщенной зависимости экономических и экологических показателей дизеля от коэффициента избытка воздуха.

7. Проведенные расчетные исследования показали, что в автоколебательном процессе дизеля типа КамАЗ-740, работающего на номинальном режиме при n=2200 мин-1, относительное увеличение расхода топлива составило 0,35 %, а относительное увеличение содержания в отработавших газах нормируемых токсичных компонентов оказалось равным: СNOx - 0,15 %, ССO - 0,36 %, ССНx - 0,34 %. На минимальном скоростном режиме при n=600 мин-1 удельный эффективный расход топлива gе в автоколебательном процессе увеличивается на 5-7%, концентрации в ОГ оксидов азота NOх - на 3-5%, монооксида углерода СО и углеводородов СНх - на 6-8% по сравнению с режимом с неизменным значением частоты вращения дизеля.

8. Практически реализована система автоматического регулирования частоты вращения дизеля типа Д-246 дизель-генераторной установки с электронным регулятором, реализующим ПИД-закон регулирования с коэффициентами kп=20, kи=100, kд=1.

9. Проведенные экспериментальные исследования дизеля типа Д-246 дизель-генераторной установки с электронным регулятором, реализующим ПИД-закон регулирования, показали возможность получения показателей процесса регулирования, соответствующих первому классу точности САР – продолжительность переходного процесса наброса нагрузки tп=1,5 с, перерегулирование =3,8%, продолжительность переходного процесса сброса нагрузки tп=1,8 с, перерегулирование =3,9%.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Марков В.А., Поздняков Е.Ф., Шленов М.И. Улучшение показателей качества системы автоматического регулирования частоты вращения дизель-генератора // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 2007. - № 1. - С. 29-39.

2. Марков В.А., Шленов М.И., Полухин Е.Е. Влияние формы внешней скоростной характеристики на токсичность отработавших газов дизеля при переходных процессах // Грузовик &. - 2007. - № 9. - С. 20-21. - № 10. - С. 36-38.

3. Марков В.А., Шленов М.И., Фурман В.В. Оценка расхода топлива и токсичности отработавших газов дизеля на различных режимах // Грузовик &. - 2006. - № 2. - С. 40-49.

4. Пинский Ф.И., Полухин Е.Е., Шленов М.И. Сравнительное исследование электрогидравлических форсунок автомобильных дизелей // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2004. - № 3-4. - С. 21-24.

5. Влияние формы внешней скоростной характеристики на токсичность отработавших газов дизеля в переходных процессах / В.А. Марков, М.И. Шленов, Е.Е. Полухин и др. // Материалы докладов международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - С. 329-335.

6. Методика оценки расхода топлива и токсичности ОГ дизеля на неустановившихся режимах работы: Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана / Марков В.А., Полухин Е.Е., Шленов М.И. и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2005. - № 4. - С. 113.

7. Пинский Ф.И., Полухин Е.Е., Шленов М.И. Сравнительное исследование дизельных электрогидравлических форсунок с положительными обратными связями // Электронные системы управления. Компьютеризированные электротехнические системы, комплектующие изделия: тезисы докладов международного симпозиума «Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути развития». - Суздаль, 22-24 июня 2004 г. - С. 12-13.

8. Разработка математических моделей для расчета переходных процессов транспортных дизелей / В.А. Марков, Е.Е. Полухин, М.И. Шленов и др.: Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2007. - № 4. - С. 115.

9. Регулятор частоты вращения с последовательными корректирующими звеньями для дизеля / Е.Ф. Поздняков, В.А. Марков, М.И. Шленов и др. // «Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе»: тез. докл. науч.-тех. конф. «3-и Луканинские чтения». - М.: МАДИ (ГТУ), 2007. - С. 46-48.

10. Электронный регулятор частоты вращения дизель-генератора / Е.Ф. Поздняков, В.А. Марков, М.И. Шленов и др. // Материалы докладов международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - С. 309-312.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (8)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится «11» _октября__ 2011 г. в 11. 00 час. на заседа­нии диссертационного совета Д 203.019.02 при Московском университете МВД России (117997, Москва, ул.
  2. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (107)

    Автореферат диссертации
    Защита диссертации состоится «13» сентября 2007 года в 1515 часов на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.74 в Московском государственном университете им.
  3. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (121)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится 26 декабря 2008 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.212.241.01 при Саратовском государственном социально-экономическом университете по адресу: 41 3, г.
  4. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (228)

    Автореферат диссертации
    Актуальность исследования. Познание человеком самого себя во всем многообразии культурных феноменов и форм – вечная проблема философии, и по сей день не утратившая своей актуальности.
  5. Автореферат Диссертации на соискание ученой степени (199)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится 23 декабря 2009 г. в 16.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 602.004.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском Гуманитарном университете профсоюзов по адресу:
  6. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (43)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится 20 сентября 2007 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.027.01 при Институте монголоведения, буддологии и тибетологии СО РАН по адресу 670047, г.

Другие похожие документы..