Разработка методов и средств повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах icon

Разработка методов и средств повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах









Скачать 459.04 Kb.
НазваниеРазработка методов и средств повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах
страница1/3
Кузнецов Александр Гавриилович
Размер459.04 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3
На правах рукописи


Кузнецов Александр Гавриилович


РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ

НА ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ


Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук


Москва - 2010 г.


Работа выполнена в Московском государственном техническом

университете им. Н.Э. Баумана


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Голубков Леонид Николаевич


доктор технических наук, профессор

Гусаков Сергей Валентинович


доктор технических наук, профессор

Коссов Евгений Евгеньевич


Ведущее предприятие Общество с ограниченной ответственностью

Проектно-производственное предприятие

«Дизельавтоматика»


Защита диссертации состоится « 17 » июня 2010 г. в 14 30 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.З. Баумана, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.141.09.


Автореферат разослан «____»_____________ 2010 г.


Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

доцент Тумашев Р.З.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Создание современных комбинированных (с турбонаддувом) поршневых двигателей внутреннего сгорания осуществляется в условиях жёстко регламентированных технических требований на показатели и характеристики двигателей, что обусловлено экологическими и экономическими проблемами.

Характерными вариантами применения комбинированных дизелей, имеющими существенные отличие по условиям эксплуатации, являются работа в качестве источника энергии транспортных установок и использование в виде привода стационарных генераторов переменного тока.

К двигателям транспортных установок предъявляются наиболее строгие требования по соблюдению норм по экологическим и экономическим и показателям. Одним из наиболее сложных типов транспортных средств является энергетическая установка тепловоза, в которой режимы дизеля в значительной степени зависят от функционирования элементов развитой трансмиссии. Основная проблема, возникающая при разработке стационарных дизель-генераторов и их систем, заключается в обеспечении жёстких требований по динамическим показателям качества переходных процессов при изменении нагрузки.

Одним из основных направлений обеспечения высоких требований по экологии, экономичности и динамическим показателям двигателей транспортных установок является совершенствование систем автоматического управления (САУ), которое идёт по пути использования в структуре регуляторов электронных микропроцессорных устройств (контроллеров). С применением контроллеров системы управления двигателями выходят на новый, качественно более высокий уровень, на котором целью управления становится не просто стабилизация регулируемых параметров рабочего процесса, а комплексная автоматизация и оптимизация работы двигателя и энергетической установки в целом.

Оптимизация работы двигателя осуществляется как на установившихся, так и на неустановившихся режимах (в процессах управления и регулирования). Оптимизация процессов управления характерна для двигателей транспортных установок, в том числе – тепловозных. Повышение качества процессов регулирования важно для дизель-генераторов, функционирующих в условиях стационарных источников переменного тока.

Экспериментальное и теоретическое исследование неустановившихся режимов комбинированных дизелей является сложной задачей, реализация которой связана со специальной методикой проведения испытаний, составлением математических динамических моделей и разработкой систем управления. Комплекс проблем, связанных с исследованием неустановившихся режимов дизелей, в настоящее время в полной мере не решён. В связи с этим в данной работе предложены новые подходы к исследованию и разработке систем дизелей, направленные на повышение эффективности их работы на динамических режимах и основанные на расчётно-экспериментальном методе.

В современных условиях жёсткой конкуренции двигателестроительных предприятий сократились сроки выпуска новых образцов двигателей. Поэтому разработка системы управления проводится одновременно с созданием самого двигателя методами комбинированного расчётно-экспериментального исследования и проектирования. Разработка элементов САУ, таких как электронный блок, датчики, исполнительные устройства опережает создание двигателя. В этом случае целесообразно продолжать разработку и отладку системы управления методом полунатурного моделирования, сопрягая натурные устройства автоматики с динамической моделью двигателя, которая имитирует его функционирование в реальном времени. Полунатурное моделирование позволяет сократить сроки разработки двигателя и его систем, а также снизить стоимость процесса разработки и испытаний системы управления двигателем.

Цель работы: разработка методов и средств расчётно-экспериментального исследования комбинированных дизелей с использованием полунатурного моделирования, направленных на повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- по результатам экспериментального исследования отсека дизеля с имитацией неустановившихся режимов проведён анализ особенностей работы дизеля в условиях переходных процессов, дано обоснование метода разработки динамической математической модели дизеля и проведено расчётное исследование путей повышения качества процессов регулирования дизель-генератора;

- предложена методика составления математической модели комбинированного дизеля и разработаны динамические модели дизеля и энергетической установки тепловоза, обеспечивающие полунатурное моделирование режимов работы с требуемой точностью в реальном времени;

- предложена структура стенда полунатурного моделирования режимов работы энергетической установки с комбинированным дизелем в реальном времени и разработаны технические средства стенда, алгоритмическое и программное обеспечение компьютерной части и устройства сопряжения стенда;

- в результате полунатурного моделирования переходных процессов комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза получены результаты влияния настроек элементов САУ на показатели качества процессов управления движением тепловоза и разработаны предложения по повышению эффективности работы дизеля в составе энергетической установки тепловоза.

Объекты исследования: комбинированный дизель, дизель-генератор переменного тока, энергетическая установка тепловоза и САУ тепловозом; разработанные методики составления математических моделей использованы при создании динамических моделей дизеля 16ЧН26/26 дизель-генератора 7-9 ДГ и энергетической установки тепловоза 2ТЭ116, предназначенных для расчётного исследования и полунатурного моделирования в реальном времени.

Методы исследования:

- метод анализа информационных источников;

- метод анализа теории рабочих процессов комбинированных дизелей, теории электрических машин, теории автоматического управления и регулирования;

- метод экспериментального и расчётного исследования установившихся и неустановившихся режимов комбинированного дизеля;

- метод полунатурного моделирования переходных процессов комбинированного дизеля в составе энергетической установки.

Достоверность научных положений подтверждена соответствием результатов расчётного исследования и полунатурного моделирования в реальном времени установившихся и динамических режимов комбинированного дизеля и экспериментальных данных для сходственных режимов работы, полученных в условиях реальной эксплуатации энергетических установок.

Научные положения, выносимые на защиту:

- анализ особенностей работы комбинированного дизеля на неустановившихся режимах по результатам экспериментального исследования с имитацией условий работы дизеля в динамике;

- методика составления математической динамической модели комбинированного дизеля для полунатурного моделирования в реальном времени и разработанная математическая динамическая модель тепловозного дизеля;

- методика составления математической динамической модели энергетической установки, имитирующая динамические режимы работы в реальном времени, и разработанная математическая динамическая модель энергетической установки тепловоза;

- методы разработки стенда полунатурного моделирования динамических режимов технических устройств в реальном времени;

- методы повышения эффективности работы комбинированного дизеля в составе дизель-генератора и энергетической установки тепловоза.

Практическая ценность результатов. Результаты экспериментального и расчётного исследования особенностей работы комбинированного дизеля на неустановившихся режимах могут быть использованы для выбора параметров дизеля и системы приёмистости для повышения качества процессов регулирования частоты вращения вала дизель-генераторов переменного тока. Разработанные математические динамические модели комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза и методы и средства полунатурного моделирования позволяют ускорить и удешевить процесс разработки, отладки и настройки элементов САУ, а также заменить дорогостоящие экспериментальные испытания на полунатурные.

Область применения результатов. Методы интенсификации переходных процессов дизель-генераторов, разработанные динамические модели комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза, стенд полунатурного моделирования могут использоваться на предприятиях, занимающихся проектированием и производством дизелей, элементов САУ тепловозов, а также других типов транспортных средств и технических устройств широкого промышленного назначения.

Апробация и внедрение результатов. По результатам диссертации сделаны доклады: на Всероссийском научно-техническом семинаре по управлению энергетическими установками в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2007, 2008 и 2009 г.; на научно-технической конференции «3-и Луканинские чтения, решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в МАДИ (ГТУ) в 2007 г.; на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» в СПбГМТУ в 2008.

Результаты диссертации внедрены в ООО «ППП Дизельавтоматика» и ЗАО «НЗТА».

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 17 научных статей, из них 14 – в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций по данному направлению.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Общий объём работы 281 страница, включая 105 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 176 наименований на 16 страницах. Приложение на 2 страницах содержит документы о внедрении результатов работы.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены требования, предъявляемые к двигателям в современных условиях, приведено обоснование актуальности разработки методов и средств исследования и проектирования дизелей и их систем управления, направленных на повышение эффективности работы дизелей на динамических режимах. Дана общая характеристика диссертационной работы.

В главе 1 дан анализ методов расчётного исследования динамических режимов при разработке дизелей и их систем, поставлены цель и задачи диссертации. Моделирование динамических режимов необходимо, прежде всего, при создании систем управления двигателями и энергетическими установками в целом.

Фундаментальные основы теории регулирования тепловых двигателей были заложены в трудах Д.К. Максвелла, И.А., Вышнеградского, А.М. Ляпунова, А. Стодолы, М. Толе и других учёных. Большой вклад в развитие теории автоматического управления и регулирования двигателей и разработку методов моделирования динамических режимов систем управления внесли М.А. Айзерман, З.Ш. Блох, А.М. Кац, М.И. Левин, В.И. Крутов, В.И. Толшин и др.

Для сравнительного анализа существующих динамических моделей дизелей целесообразно пользоваться следующими оценочными критериями: точностью, временем расчёта, трудоёмкостью получения модели.

При моделировании используется различная степень детализации описания системы управления по составу. Система управления, включающая дизель, может рассматриваться в целом или в виде укрупнённых каналов прохождения сигналов. Но в большинстве случаев комбинированный дизель представляется как совокупность взаимосвязанных элементов: поршневой части, турбокомпрессора, впускного и выпускного трубопроводов, охладителя надувочного воздуха, топливной аппаратуры, различных дополнительных устройств. Каждый из перечисленных элементов описывается математической моделью в виде дифференциальных и алгебраических уравнений или передаточных функций.

Для описания динамических процессов в элементах комбинированного дизеля, обычно, используются уравнения динамического баланса потоков механической и тепловой энергии и массы воздуха и газов. Значения параметров, входящих в дифференциальные уравнения, могут определяться на каждом цикле двигателя методами теории рабочих процессов с использованием компьютерных программ. Такой подход характеризуется наивысшей точностью, но требует значительного времени расчёта. Другой подход состоит в чисто математической идентификации элементов комбинированного дизеля или всей системы управления в целом типовыми звеньями, используемыми в теории автоматического управления.

Наибольшее распространение при разработке дизелей и их систем управления получили комбинированные подходы к созданию моделей, сочетающие использование физических соотношений с удобными математическими методами формирования функциональных зависимостей между параметрами рабочего процесса дизеля. При определении основных параметров дизеля не рассматриваются отдельные циклы в цилиндре двигателя, а используются интегральные характеристики рабочего процесса – индикаторные или эффективные показатели. В полученных таким образом моделях достигается требуемый на конкретном этапе проектирования системы компромисс по точности, времени расчёта и затратам на их составление.

Важной особенностью моделирования динамических режимов САУ транспортных установок является то, что двигатель работает в составе энергетической установки, назначение которой и определяет характерные режимы работы двигателя. В связи с этим, для имитации реальных режимов необходимо включать динамическую модель дизеля в модель транспортной установки в целом.

Для осуществления ускоренного проектирования и доводки двигателей и систем управления ими возникла задача создания и внедрения в практику методов полунатурного моделирования, которое позволяет разрабатывать и отлаживать на реальные режимы работы двигателей натурные средства САУ одновременно с созданием самого двигателя. Полунатурное моделирование даёт возможность также экономить средства, затрачиваемые на испытания двигателей. При полунатурном моделировании реальный микропроцессорный блок управления и, при необходимости, другие элементы (датчики, исполнительные устройства) САУ сопрягаются с математической (компьютерной) моделью создаваемого или испытываемого двигателя.

Для проведения цифрового полунатурного моделирования необходимо разработать комплекс аппаратурных и программных средств, образующих стенд полунатурного моделирования. В натурную часть стенда входят микропроцессорный контроллер, управляющее устройство, датчики и исполнительные устройства САУ дизеля. Цифровая компьютерная модель описывает динамические свойства комбинированного двигателя и транспортной установки.

Основной особенностью работы стенда полунатурного моделирования является обмен информацией между натурной и модельной частями стенда в реальном времени. Для моделирования переходных процессов САУ в реальном времени необходимо согласование в фиксированные моменты времени натурной и модельной частей стенда. Периодичность обмена задаётся контроллером и составляет, обычно, интервал времени порядка миллисекунд. Проблема обеспечения обмена информацией между натурной и модельной частями стенда в реальном времени становится одной из основных и по сути определяет вид модели. За интервал времени между последовательными обменами информацией в модели должны быть определены все необходимые изменения параметров рабочего процесса энергетической установки.

Проведённый анализ существующих математических моделей дизелей показал, что ни одна из них в полной мере не подходит для полунатурного моделирования. В связи с этим возникает задача разработки универсальной, «быстрой» и, в то же время, точной динамической модели комбинированного дизеля, удовлетворяющей специфическим требованиям полунатурного моделирования. Такая модель должна включать дифференциальные уравнения, описывающие изменения основных параметров во времени, соотношения теории рабочих процессов комбинированных двигателей и эмпирическую часть, содержащую данные для интегрирования дифференциальных уравнений и расчёта параметров по формулам рабочего процесса. Основная задача состоит в нахождении такого компромиссного сочетания теоретической и эмпирической частей модели, при котором расчёт динамических режимов проводится с нужной точностью за требуемый малый промежуток времени.

Для изучения особенностей работы дизеля на неустановившихся режимах и выработки подходов к составлению его динамической модели возникает необходимость проведения экспериментального исследования дизеля с имитацией реальных динамических режимов.

Кроме имитационных моделей дизеля и энергетической установки тепловоза для осуществления полунатурного моделирования необходимо устройство сопряжения натурной и компьютерной частей стенда, осуществляющее преобразование сигналов обмена информацией между частями стенда.

В результате проведённого анализа сформулированы цель и поставлены следующие задачи диссертационной работы:

- экспериментальное исследование дизеля с имитацией неустановившихся режимов с целью анализа особенностей работы дизеля в динамике и обоснования подходов к составлению его динамической математической модели;

- расчётное исследование способов улучшения показателей качества переходных процессов дизель-генератора;

- разработка динамических математических моделей комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза для расчётного исследования и полунатурного моделирования в реальном времени динамических режимов;

- разработка стенда для полунатурного моделирования в реальном времени режимов работы комбинированного дизеля в составе энергетической установки;

- полунатурное моделирование переходных процессов комбинированного дизеля в составе энергетической установки тепловоза и анализ результатов моделирования;

- разработка предложений по повышению эффективности работы дизеля в составе энергетической установки тепловоза.

В главе 2 приведены результаты экспериментального и расчётного исследования характеристик комбинированного дизеля при работе на неустановившихся режимах.

В динамике из-за инерционности элементов комбинированного двигателя соотношения между параметрами рабочего процесса, соответствующие установившимся режимам, нарушаются. Для получения исходных данных, необходимых для построения динамической модели комбинированного дизеля, режимы экспериментальных статических характеристик должны соответствовать неустановившимся режимам переходных процессов. Это достигается специальной методикой испытаний, при которой обеспечивается независимое изменение параметров рабочего процесса дизеля и лопаточных машин. Применительно к крутящему моменту дизеля это означает независимые изменения положения органа дозирования подачи топлива, частоты вращения вала, плотности надувочного воздуха. Дизель отсоединяется от турбокомпрессора и оснащается автономным источником наддувочного воздуха. При заданном постоянном давлении наддувочного воздуха, поддерживаемом автономным источником, снимаются скоростные или нагрузочные характеристики дизеля. Испытания повторяются при различных значениях давления наддува.

Для получения характеристик комбинированного дизеля в условиях работы на неустановившихся режимах на испытательном стенде ОАО «Коломенский завод» было проведено экспериментальное исследование одноцилиндрового отсека дизеля размерности 26/26. Подвод воздуха к цилиндру двигателя осуществлялся от автономного источника, что обеспечивало возможность задания давления наддува независимо от других параметров режима испытаний. Производилось снятие нагрузочных характеристик при частоте вращения вала установки nд = 750 мин-1, характерной для работы дизеля на генератор переменного тока. Было получено шесть нагрузочных характеристик при следующих постоянных давлениях надувочного воздуха (абсолютные значения) pк = 0,1; 0,139; 0,179; 0,218; 0,257; 0,296 МПа.

На рис. 1 в качестве примера приведены изменения следующих параметров рабочего процесса дизеля на нагрузочной характеристике при постоянных давлениях наддува pк = 0,139 МПа (рис.1,а) и рк = 0,257 МПа (рис. 1, б): коэффициента избытка воздуха α; температуры отработавших газов Тг, °К; индикаторного КПД ηi; эффективного КПД ηе; механического КПД ηм; концентраций содержания в отработавших газах оксидов азота CNOx, % и оксида углерода СCO, %.



а б

Рис. 1. Нагрузочные характеристики отсека дизеля 26/26 при постоянном

давлении наддува: а - рк = 0,139 МПа; б - рк = 0,257 МПа


Для расчётного исследования динамических режимов была составлена математическая модель дизеля 16ЧН26/26 при работе в качестве привода генератора переменного тока. Для описания процессов изменения угловых скоростей вала дизеля и ротора турбокомпрессора использовались уравнения динамического баланса крутящих моментов. В динамическую часть модели комбинированного дизеля входили также дифференциальные уравнения изменения давлений воздуха во впускном трубопроводе и отработавших газов в выпускном трубопроводе. Функциональные зависимости, входящие в дифференциальные уравнения модели, такие, как эффективный момент дизеля, описывались полными полиномами второго и третьего порядков с положительными показателями степени, коэффициенты которых определялись методом наименьших квадратов по исходным данным, полученным при испытаниях отсека дизеля с имитацией условий работы дизеля на неустановившихся режимах с коррекцией на полноразмерный двигатель.

Пригодность разработанной математической модели для расчётного анализа динамических режимов оценивалась путём сравнения экспериментальных и расчётных переходных процессов системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения вала дизель-генератора при набросах и сбросах нагрузки. На рис. 2 приведены экспериментальные (сплошные линии) и расчётные (пунктирные линии) переходные процессы изме-




Рис. 2 Переходные процессы САР дизель-генератора
нения параметров при набросе нагрузки: положения реек дизель-генератора ТНВД h, частот вращения вала дизеля nд и ротора турбокомпрессора nт , давлений надувочного воздуха pк и отработавших газов pг.

Сравнение экспериментальных и расчётных переходных процессов свидетельствует о приемлемой точности разработанной математической модели и возможности её использования для расчётного исследования динамических режимов рассмотренного дизель-генератора переменного тока.

При расчётном моделировании исследовалось влияние параметров регулятора, характеристик дизеля и системы воздухоснабжения на показатели качества переходных процессов дизель-генератора при набросах и сбросах нагрузки. На рис. 3 приведены расчётные переходные процессы изменения частоты вращения вала дизель-генератора для наброса нагрузки при различных значениях времени работы цифрового ЭБ регулятора Δt. Увеличение времени работы ЭБ регулятора ухудшает качество переходных процессов - увеличивается и время процесса τ, и заброс частоты вращения φ. Сравнительно небольшие значения Δt порядка 0,003 – 0,005 с незначительно влияют на протекание процессов. Заметное влияние наблюдается при Δt = 0,05 – 0,1 с.




Рис. 3. Влияние на переходные процессы

САР времени работы регулятора
Эффективным способом влияния на динамику процессов регулирования является применение системы приёмистости. На рис. 4, а показаны переходные процессы САР при подкрутке ротора турбокомпрессора (моделирование осуществлялось путём добавления к крутящему моменту турбины дополнительного момента ΔMт.). На рис. 4, б приведены переходные процессы при подводе массы дополнительного воздуха mдоп в цилиндры дизеля. В верхней части рис. 4, б показаны графики изменения давлений: основными линиями – давления во впускном трубопроводе pк, пунктирными линиями – давления в цилиндрах дизеля. Как видно из процессов, приведённых на рис. 4, подкрутка ротора турбокомпрессора и подвод дополнительного воздуха в цилиндры дизеля интенсифицирует рост давления pк, что улучшает качество переходных процессов, снижая время процесса τ и заброс частоты вращения φ.

Рассмотренная математическая модель, разработанная в рамках данного исследования особенностей работы комбинированного дизеля на неустановившихся режимах, базируется на уравнениях динамического баланса, которые обычно используются в подобных динамических моделях. Новизна подхода заключается в описании функциональных зависимостей моментов и расходов по результатам исследований, имитирующих неустановившиеся режимы работы дизеля. Это позволило приблизить описание характеристик моментов и расходов к условиям реальных неустановившихся режимов и повысить точность расчётов переходных процессов исследованного дизеля при работе в качестве привода генератора переменного тока на постоянной частоте вращения.


а б

Рис. 4. Переходные процессы САР при: а – подкрутке ротора турбо-

компрессора; б – подводе дополнительного воздуха


Адаптация данной модели для дизеля 16ЧН26/26 тепловозного назначения требует проведения дополнительных экспериментальных исследований по описанной выше методике на различных частотах вращения вала, что необходимо для описания транспортных условий работы дизеля, что требует значительных материальных и финансовых затрат.

Результаты, полученные в рамках проведённого исследования дизеля с имитацией неустановившихся режимов работы, позволили обосновать подход к составлению универсальной динамической модели комбинированного дизеля для полунатурного моделирования.

При заданном расходе топлива эффективный момент дизеля Mе определяется характеристикой эффективного КПД . Анализ зависимостей эффективного КПД , построенных по результатам экспериментального исследования отсека дизеля с имитацией условий работы на неустановившихся режимах, показывает, что изменение давления наддува существенно влияет на значение эффективного КПД дизеля даже при неизменной величине коэффициента избытка воздуха. Такие условия работы дизеля с турбонаддувом присущи неустановившимся режимам, когда турбокомпрессор из-за высокой механической инерционности отстаёт от поршневой части двигателя.

На рис. 5 приведены зависимости индикаторного КПД дизеля размерности 26/26 от коэффициента избытка воздуха α при постоянных значениях давления надувочного воздуха pк, полученные при экспериментальном исследовании отсека с нанесенными на них режимами работы полноразмерного дизеля 16ЧН26/26. Как показывают экспериментальные исследования рабочего процесса различных типов двигателей, характеристика индикаторного КПД в зависимости от α имеет достаточно общий вид, что важно при составлении моделей для полунатурного моделирования. Анализ зависимостей на рис. 5 показывает, что изменение давления надувочного воздуха не оказывает такого существенного влияния на характеристику индикаторного КПД дизеля, как это наблюдается для эффективного КПД . Поэтому для составления функциональной зависимости индикаторного КПД от других параметров рабочего процесса дизеля, прежде всего – коэффициента избытка воздуха, можно пользоваться исходными данными нагрузочных или скоростных характеристик, полученных при стандартных испытаниях дизеля. Характер расположения точек режимов полноразмерного двигателя на поле зависимостей параметров отсека подтверждает данный вывод.

Анализ характеристик дизеля в условиях работы на неустановившихся режимах показал, что при составлении математической динамической модели для полунатурного моделирования целесообразно формировать функциональные зависимости для таких величин, как индикаторный КПД, коэффициент наполнения и др., зависимости которых от других параметров хорошо изучены в теории рабочих процессов двигателей и могут



быть получены при стандартных испытаниях дизеля или спрогнозированы по имеющимся в теории данным для аналогичных типов двигателей.


Рис. 5. Зависимости от

α при рк = const: - рк = 0,1 МПа; - рк = 0,139 МПа; - рк = 0,179 МПа;- рк = 0,218 МПа;

- рк = 0,257 МПа; + - рк = 0,296 МПа; - полноразмерный дизель.


В главе 3 представлена математическая модель комбинированного дизеля в составе энергетической установки. Рассматривается математическая модель энергетической установки тепловоза 2ТЭ116, в электрической части которой через выпрямительную установку объединены контуры переменного и постоянного тока.

На рис. 6 приведена функциональная схема САУ тепловоза, которая включает энергетическую установку и регулятор. Энергетическую установку тепловоза целесообразно представить в виде совокупности следующих укрупнённых составных частей: дизель и тяговый генератор (Д + Г – механическая часть); возбудитель, управляемый выпрямитель и обмотка возбуждения тягового генератора (В + ОВГ – электрическая часть); тяговый генератор, выпрямительная установка и тяговые электродвигатели (Г + ЭД – электрическая часть); тяговые электродвигатели, колёсные пары тепловоза и поезд (ЭД + П - механическая часть). Входными воздействиями для энергетической установки тепловоза являются управляющие воздействия в виде положения рейки топливных насосов h и сигнала управления выпрямителем ОВГ yв и возмущающее воздействие – характер дороги (ХД), определяющий момент сопротивления движению поезда Mс.



Рис. 6. Функциональная схема САУ тепловоза


Выходной параметр – частота вращения валов тяговых электродвигателей nэд или пересчитанная через неё скорость поезда v. Внутренними сигналами схемы, связывающими между собой элементы установки, являются: частота вращения вала дизель-генератора nд; ток Iг и напряжение Uг генератора; ток обмотки возбуждения генератора Iвг; момент, необходимый для вращения вала генератора Mг.

Для осуществления полунатурного моделирования системы управления тепловоза возникает задача создания «быстрой» динамической математической модели энергетической установки тепловоза и комбинированного дизеля как её основного элемента, которая при достоверном определении основных параметров рабочего процесса осуществляет расчёт за промежутки времени порядка миллисекунд. Поставленная цель достигается сочетанием в модели соотношений теории рабочих процессов комбинированных двигателей с эмпирической частью.




Рис. 7. Функциональная схема

комбинированного дизеля
На функциональной схеме (рис. 7) комбинированный дизель представлен как совокупность следующих элементов: собственно двигатель, или поршневая часть (ПЧ); топливная аппаратура (ТА); турбокомпрессор (ТКР); впускной трубопровод (ВпТ); выпускной трубопровод (ВыпТ). Взаимосвязь между элементами комбинированного дизеля осуществляется через следующие параметры рабочего процесса: угловую скорость вала дизеля ωд; угловую скорость вала ротора турбокомпрессора ωт; цикловую подачу топлива gц; давление воздуха во впускном трубопроводе ; давление газов в выпускном трубопроводе .

Структура предлагаемой «быстрой» динамической модели комбинированного дизеля представлена на рис. 8. Основу модели комбинированного двигателя составляют дифференциальные уравнения поршневой части (собственно дизеля), турбокомпрессора, впускного и выпускного трубопроводов. Изменения угловых скоростей вала дизеля ωд и ротора турбокомпрессора ωт описываются уравнениями динамического баланса механической энергии при вращении твердого тела. Изменения давлений воздуха во впускном трубопроводе pк и газов в выпускном трубопроводе pг описываются уравнениями динамического баланса расходов.

Поршневая часть дизеля: , где – момент инерции вала дизель-генератора, Мi – индикаторный момент дизеля, Мп - момент внутренних потерь в дизеле, Мг – момент тягового генератора.

Турбокомпрессор: , где – момент инерции ротора турбокомпрессора, Мт – момент турбины, Мк – момент компрессора.

Впускной трубопровод: , где и Тв – газовая постоянная и температура воздуха, – объём впускного трубопровода, и - расходы воздуха через компрессор и дизель. Учитывалось изменение температуры воздуха в охладителе Тв (Тк), где Тк – температура воздуха на выходе из компрессора.



2. Заданные зависимости:

i, v, кад, т, gц, Тв, Tг, Mп, Mн, Gк, Gт,










1. Исходные данные:

д0, т0, pко, pго, Tо, hо


3. Формулы рабочего процесса:

, Gд, Gтопл, , Mi, Mк, Mт






  1   2   3

Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:



Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности



Мероприятие Программы: 6 6 Тема работы: Разработка энергоэффективной автономной когенерационной установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла Цель работы



С изменениями от 8 января 1996 г., 31 октября 1998 г., 21 апреля 2000 г., 24 января 2001 г
В целях обеспечения порядка и безопасности дорожного движения, повышения эффективности использования автомобильного транспорта Совет...



Постановление Правительства РФ "о правилах дорожного движения" (пдд)
В целях обеспечения порядка и безопасности дорожного движения, повышения эффективности использования автомобильного транспорта Совет...



Совет министров правительство российской федерации постановление от 23 октября 1993 г. N 1090 о правилах дорожного движения
В целях обеспечения порядка и безопасности дорожного движения, повышения эффективности использования автомобильного транспорта Совет...



Совет министров правительство российской федерации постановление от 23 октября 1993 г. N 1090 о правилах дорожного движения
В целях обеспечения порядка и безопасности дорожного движения, повышения эффективности использования автомобильного транспорта Совет...



Совет министров правительство российской федерации постановление от 23 октября 1993 г. N 1090 о правилах дорожного движения
В целях обеспечения порядка и безопасности дорожного движения, повышения эффективности использования автомобильного транспорта Совет...



Совет министров правительство российской федерации постановление от 23 октября 1993 г. №1090 о правилах дорожного движения
В целях обеспечения порядка и безопасности дорожного движения, повышения эффективности использования автомобильного транспорта Совет...



Повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин с ротационными активными рабочими органами
Путем оптимизации конструктивно-технологических параметров ротационных активных рабочих органов по критериям качества выполнения...



Электродвигатели постоянного тока для подъемно-транспортных механизмов и металлургических агрегатов
Д предназначены для работы в электроприводах подъемно-транспортных механизмов металлургических агрегатов и рольгангов в продолжительном,...

Поделиться в соцсетях



Авто-дневник






База данных защищена авторским правом ©ucheba 2000-2020

обратиться к администрации | правообладателям | пользователям

разработчик i-http.ru

на главную