авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Улучшение эксплуатационных показателей транспортного дизеля путем совершенствованиясистемы автоматического регулирования частоты вращения

-- [ Страница 1 ] --

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 dд / dt = Mд – Mс ; турбокомпрессор Jт dт / 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; д и т – 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·д + 130,260·hp – 5,8697·pк – 0,54951·д·hp + 0,020·д·pк + 810,09·hp·pк – 0,00000614·д2 – 6023,1·hp2 – 20,46·pк2;

CCO= 1,2281 – 0,010641·д – 271,60·hp + 12,737·pк + 1,0985·д·hp – 0,026629·д·pк + 290,18·hp·pк + 0,000032162·д2 + 13667,0·hp2 – 107,52·pк2 + 2,0081·д·hp·pк – 11,627·10-8·д3 + 79014,0·hp3 + 259,17·pк3 – 0,0012248·д2·hp + 0,00041418·д2·pк – 44,6·д·hp2 – 84901,0·hp2·pк – 0,53873·д·pк2 + 7118,8·hp·pк2;

CСНx= 0,091397 + 0,000014919·д – 13,4840·hp + 0,094903·pк – 0,078545·д·hp + 0,020369·д·pк + 165,21·hp·pк – 0,0000053221·д2 + 281,63·hp2 – 20,197·pк2;

Кx= –126,170 + 0,91023·д – 780,6·hp + 799,59·pк – 30,139·д·hp – 3,4768·д·pк – 192350,0·hp·pк – 0,0007332·д2 + 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 д 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 отр=Мe n min /Ме 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 =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 Изменение-4
а
 б Изменение параметров-5
б

Рисунок 2. Изменение параметров дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе его разгона: а - частоты вращения дизеля д; 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 mах/Ме 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 min /Ме 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 =1,5 %). Для базового варианта (характеристики 2 на рис. 4) величина tп составила 6,1 с.

 а б в г -6
а


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.