Разработка методов и средств повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах

В главе 5 приведены результаты расчётно-экспериментального исследования динамики дизеля в составе энергетической установки и проведён анализ методов повышения эффективности работы дизеля на динамических режимах. На разработанном стенде проведено полунатурное моделирование динамических режимов энергетической установки тепловоза 2ТЭ116. Целями моделирования являлись: проверка функционирования стенда, проверка адекватности динамических моделей комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза, исследование влияния настроек регулятора на качество процессов управления энергетической установкой тепловоза.

В качестве примера на рис. 12 приведены экспериментальные процессы, полученные при следующей последовательности задания позиций КМ (канал управления движением тепловоза): последовательный перевод КМ на позиции N=1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12 с работой на каждой промежуточной позиции в течение десяти секунд и последовательное возвращение на позицию N=1. Соответствующие процессы, полученные при полунатурном моделировании, показаны на рис. 13. Полученные результаты подтвердили работоспособность разработанного стенда с заложенными в него математическими моделями, что даёт возможность использования стенда для полунатурного моделирования динамических режимов комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза в широком диапазоне изменения режимов работы установки и настроек САУ.

На рис. 14 показаны полученные методом полунатурного моделирования переходные процессы изменения основных параметров дизеля и энергетической установки при изменении момента сопротивления движению на восьмой позиции КМ (канал регулирования).

На рис. 15 приведены переходные процессы изменения частоты вращения вала дизель-генератора n_д, расхода топлива G_Т, расхода оксидов азота G_NOx и расхода оксида углерода G_CO при переводе КМ на позиции N = 1 - 8 - 14.

Рис. 12 Процесс управления тепловозом (эксперимент)

С целью исследования влияния настроек регулятора на качество процессов управления энергетической установкой тепловоза проведено полунатурное моделирование движения тепловоза при резком переводе КМ с позиции N=1 на позицию N=12. На первом этапе исследования проводилось изменение значений коэффициентов пропорциональной k_ПР и интегральной k_ИР составляющих пропорционально-интегрального (ПИ) закона регулирования канала стабилизации частоты вращения вала дизель-генератора при разгоне. Изменение коэффициентов ПИ закона регулирования исследованного канала регулятора в широких пределах оказало слабое влияние на процессы изменения параметров энергетической установки тепловоза 2ТЭ116, включая процесс перемещения реек ТНВД.

Рис. 13 Процесс управления тепловозом (полунатурное моделирование)

Рис. 14 Процесс регулирования при изменении момента сопротивления

Рис. 15 Процессы изменения расходов топлива, оксидов азота и углерода

На втором этапе исследования проводилось изменение коэффициентов пропорциональной k_П12 и интегральной k_И12 составляющих ПИ закона регулирования частоты вращения вала дизель-генератора на двенадцатой позиции КМ. Заметное влияние на переходные процессы изменения основных параметров энергетической установки тепловоза оказывает коэффициент пропорциональной составляющей k_П12. Уменьшение k_П12 (рис. 16) приводит к вялому протеканию процесса перемещения реек ТНВД h(t).

Рис. 16 Переходные процессы САУ при изменении настроек регулятора

Рейка не доходит до положения ограничения. Происходит значительный по величине и длительный по времени провал положения реек после выхода частоты вращения n_Д на значение уставки, соответствующей двенадцатой позиции КМ. Этот провал вызывает замедление роста давления наддува p_К и уменьшение соответствующего ограничения реек по давлению наддува. Восстановление частоты вращения после превышения значения уставки происходит более медленно. Таким образом, уменьшение k_П12 приводит к ухудшению качества процессов регулирования частоты вращения вала дизель-генератора.

На третьем этапе исследования осуществлялось изменение коэффициентов пропорциональной k_ПМ и интегральной k_ИМ составляющих ПИ закона регулирования канала регулирования мощности, действующего кратковременно после окончания режима разгона. Моделирование показало, что уменьшение незначительно влияет на протекание процессов регулирования.

Исследовалось также одновременное изменение настроек канала регулирования мощности, действующего кратковременно после окончания режима разгона и канала регулирования частоты вращения вала дизель-генератора при разгоне k_ПР.

В целом, анализ результатов проведённого методом полунатурного моделирования исследования варьирования настроек каналов регулятора показал, что изменение настроек регулятора оказывает определённое влияние на процесс перемещения реек ТНВД, непосредственно связанных с ИУ регулятора. При этом переходные процессы остальных параметров энергетической установки тепловоза изменяются незначительно, что можно объяснить механической инерционностью системы газотурбинного наддува и приводимого в движение поезда - это влияние оказывается на энергетическую установку через частоту вращения валов тяговых ЭД, связанных через редукторы с колёсными парами тепловоза. Другая причина полученного эффекта заключается в том, что важным элементом алгоритма работы регулятора, во многом определяющим протекание переходных процессов, является ограничение темпа набора частоты вращения вала дизель-генератора.

Рассмотрим возможные пути повышения эффективности управления энергетической установкой тепловоза, которые целесообразно рекомендовать для исследования методом полунатурного моделирования на предприятиях, занимающихся разработкой и производством элементов систем управления тепловозных дизелей.

Выбор настроек системы управления целесообразно проводить, приняв в качестве критерия усреднённый показатель в форме , где n - количество исследуемых режимов, k_i - весовой коэффициент i-го режима. - суммарный расход токсичных компонентов на i-ом режиме, где m - количество токсичных компонентов, k_Tj - весовые коэффициенты токсичных компонентов.

В случае, когда нормы превышены по одному из токсичных компонентов, например для дизелей - по NO_x, в качестве критерия качества удобно рассматривать произведение .

При оптимизации переходных процессов САУ, наряду с критериями экономичности и экологии, следует рассматривать также критерии качества протекания процессов: время переходного процесса (быстродействие САУ), максимальное отклонение регулируемого параметра (заброс), тип процесса (апериодический или колебательный) или интегральные оценки процесса в целом, основанные на площади под кривой процесса. Обычно, наибольший эффект достигается при использовании комплексных критериев.

Проведён анализ следующих путей совершенствования алгоритмов регулирования, направленных на повышения качества переходных процессов САУ:

- использование на режимах работы САУ по управлению и регулированию регулятора переменной структуры с введением в закон регулирования дифференциальной составляющей;

- использование комбинированного регулирования, сочетающего принципы регулирования по отклонению и возмущению (условиям движения поезда);

- переход на более простые схемы ИУ регулятора частоты вращения с реализацией необходимых преобразований программными средствами ЭБ;

- переход на регулирование скорости поезда, как конечного результата функционирования энергетической установки и САУ тепловоза.

Реализация предложений по улучшению показателей экономичности и токсичности тепловозных дизелей связана с применением топливной аппаратуры перспективного типа. В МГТУ им. Н.Э. Баумана при участии автора разработаны перспективные варианты топливной аппаратуры дизелей.

В одном из вариантов ТНВД оснащён двумя рейками для раздельного воздействия на подачу и угол опережения впрыска (УОВТ) топлива. В другой конструкции УОВТ задаётся с помощью электромагнитного клапана, установленного в наполнительном канале между полостью плунжерной пары и нагнетательным клапаном.В результате модернизации данной схемы была разработана конструкция ТНВД с уменьшенными объёмами полости нагнетания, что позволило повысить давление впрыска. Проведённые безмоторные и моторные испытания предложенных вариантов ТНВД показали их работоспособность и эффективность влияния на показатели экономичности и токсичности рабочего процесса дизеля. Развитием данного направления в топливной аппаратуре дизелей является использование разгруженных быстродействующих клапанов, установленных в нагнетательном канале ТНВД.

Разработанные средства полунатурного моделирования в виде стенда с динамическими моделями комбинированного дизеля и энергетической установки позволяют предприятиям, проектирующим и выпускающим элементы автоматики для транспортных установок, вносить необходимые конструктивные и программные изменения в структуру САУ и путём полунатурного моделирования проводить исследование предложенных в рамках данной работы и других перспективных вариантов построения систем управления.

Стенд полунатурного моделирования реализован на базе программируемых устройств, что обеспечивает гибкость структуры стенда и возможность его программной перенастройки на различные типы энергетических и других промышленных установок. При создании соответствующих динамических моделей разработанный базовый вариант стенда может быть адаптирован для полунатурного моделирования в реальном времени установившихся и динамических режимов работы технических устройств широкого назначения. Стенд предназначен, прежде всего, для разработки, отладки и настройки конструктивных узлов, алгоритмов работы, аппаратурных и программных средств элементов САУ техническими устройствами и технологическими процессами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы и средства, направленные на повышение эффективности работы дизелей и качества процессов управления ими на динамических режимах. По результатам диссертационной работы сделаны следующие основные выводы.

1. В современных условиях сокращения сроков выпуска новых образцов двигателей разработка систем управления проводится одновременно с созданием самого двигателя. На этапе проектирования, когда элементы САУ уже реализованы аппаратурно и конструктивно, а двигатель физически ещё не существует, целесообразно продолжать разработку и отладку системы управления методом полунатурного моделирования, сопрягая натурные устройства автоматики с динамической компьютерной моделью двигателя, которая имитирует его функционирование в реальном времени. Полунатурное моделирование даёт возможность также экономить средства, затрачиваемые на испытания двигателей.

2. Анализ существующих математических моделей комбинированных дизелей показал, что они не отвечают требованиям моделирования в реальном времени. Для анализа особенностей работы дизелей в динамике и обоснования подхода к составлению математической динамической модели дизеля для полунатурного моделирования проведено экспериментальное исследование одноцилиндрового отсека дизеля размерности 26/26 с имитацией динамических режимов. Методика проведения эксперимента предусматривает подвод воздуха в цилиндр двигателя от постороннего источника, чем обеспечивается независимое изменение параметров рабочего процесса, соответствующее условиям неустановившимся режимам работы дизеля.

3. По результатам экспериментов составлена динамическая модель дизеля 16ЧН26/26 как привода генератора переменного тока и проведено расчётное исследование влияния на переходные процессы САУ параметров регулятора, дизеля и системы приёмистости с целью повышения качества процессов регулирования дизель-генератора.

4. Анализ характеристик дизеля в условиях работы на неустановившихся режимах показал, что при составлении универсальной динамической модели целесообразно формировать функциональные зависимости для таких величин, как индикаторный КПД, коэффициент наполнения и др., которые могут быть получены при стандартных испытаниях дизеля.

5. Предложена методика составления динамической математической модели комбинированного дизеля для полунатурного моделирования. Изменения основных параметров элементов комбинированного дизеля описываются дифференциальными уравнениями динамического баланса потоков энергии и массы газа. Для достижения высокой скорости расчёта часть параметров рабочего процесса дизеля задана в виде функциональных зависимостей от других (первичных) параметров. В эту группу включены коэффициенты, характеризующие отличие реальных рабочих процессов от теоретических, и параметры рабочего процесса, определение которых требует значительного времени при расчётах: индикаторный КПД дизеля, коэффициент наполнения, адиабатический КПД компрессора, эффективный КПД турбины и др.

6. На основе анализа методов интерполяции и аппроксимации выбран способ описания функциональных зависимостей параметров рабочих процессов в виде полиномов, коэффициенты которых определены методом наименьших квадратов. Выбор необходимых полиномов осуществлялся из условий высокой точности приближения к исходным данным и соответствия физической картине рабочего процесса комбинированного дизеля.

7. По предложенной методике составлены динамические математические модели дизеля 16ЧН26/26 и энергетической установки тепловоза 2ТЭ116, имитирующие неустановившиеся режимы работы в реальном времени.

8. Для осуществления цифрового полунатурного моделирования разработан комплекс аппаратурных и программных средств, образующих стенд полунатурного моделирования. В натурную часть стенда входят микропроцессорный контроллер, исполнительное устройство и другие элементы САУ. Цифровая компьютерная модель описывает динамические свойства комбинированного двигателя и транспортной установки. Связь между натурной и модельной частями стенда в реальном времени осуществляется устройством сопряжения.

9. Разработано программное обеспечение функционирования цифровых моделей дизеля и энергетической установки и работы устройства сопряжения стенда по преобразованию и формированию сигналов информационных потоков между натурной и модельной частями стенда.

10. Проведено полунатурное моделирование характерных режимов работы дизеля 16ЧН26/26 в составе энергетической установки тепловоза 2ТЭ116. Сравнение результатов моделирования динамических режимов с аналогичными экспериментальными переходными процессами изменения основных параметров дизеля и энергетической установки показало работоспособность разработанного стенда и адекватность описания рабочих процессов комбинированного дизеля и энергетической установки составленными моделями.

11. Методом полунатурного моделирования проведено исследование влияния настроек регулятора на качество процессов управления и регулирования энергетической установки тепловоза при изменении позиции КМ (канал управления) и момента сопротивления движению поезда (канал регулирования).

12. Проведён анализ методов повышения эффективности работы тепловозного дизеля на динамических режимах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Крутов В.И., Кузнецов А.Г. Перспективы развития автоматического регулирования автомобильных дизелей // Автомобильная промышленность. 1987. № 2. С. 10-11.

2. Система регулирования угла опережения впрыскивания топлива/ А.Г. Кузнецов [и др.] // Автомобильная промышленность. 1994. № 9. С 9-12.

3. Анализ методов составления математической модели дизеля с газотурбинным наддувом/ В.И. Крутов [и др.] // Известия вузов. Машиностроение. 1994. № 10-12. С. 62-69.

4. Кузнецов А.Г. Анализ критериев экономичности и токсичности работы транспортных двигателей // Двигателестроение. 1996. № 2. С. 67-68.

5. Проблемы создания и совершенствования систем управления дизелей/ А.Г. Кузнецов [и др.] // Известия вузов. Машиностроение. 1999. № 5-6. С. 76-87.

6. Улучшение экологических показателей транспортных дизелей путём управления процессом топливоподачи/ А.Г. Кузнецов [и др.] // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2000. № 2. С. 62-75.

7. Математическая модель системы автоматического управления дизелем с турбонаддувом/ А.Г. Кузнецов [и др.] // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2000. № 4. С. 106-119.

8. ТНВД с электронным управлением топливоподачей / А.Г. Кузнецов [и др.] // Автомобильная промышленность. 2000. № 10. С. 11-15.

9. Кузнецов А.Г., Трифонов В.Л., Боковиков А.Н. Вопросы разработки стенда полунатурного моделирования динамических режимов систем управления. Научно-техническая конференция 3-и Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов. МАДИ (ГТУ). М.: 2007. С. 63-64.

10. Кузнецов А.Г., Трифонов В.Л. Разработка стенда полунатурного моделирования энергетической установки с дизелем. Актуальные проблемы развития поршневых ДВС: материалы межотраслевой научно-технической конференции. СПб.: Издательский центр СПбГМТУ. 2008. С. 96-98.

11. Кузнецов А.Г., Лиходед Е.И. Описание функциональных зависимостей динамической модели дизеля полиномами. Актуальные проблемы развития поршневых ДВС: материалы межотраслевой научно-технической конференции. СПб.: Издательский центр СПбГМТУ. 2008. С. 98-101.

12. Кузнецов А.Г. Стенд полунатурного моделирования динамических режимов энергетических установок с дизелями // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2008. № 4. С. 25-29.

13. Система регулирования угла опережения впрыскивания топлива в цилиндр дизеля / А.Г. Кузнецов [и др.] // Автомобильная промышленность. 2009. № 2. С. 9-12.

14. Кузнецов А.Г. Динамическая модель энергетической установки тепловоза // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2009. № 3. С. 49-56.

15. Боковиков А.Н., Кузнецов А.Г. Математическая модель системы воздухоснабжения автомобильного дизеля для полунатурного моделирования его динамических режимов // Грузовик. 2009. № 11. С. 30-33.

16.. Боковиков А.Н., Кузнецов А.Г. Результаты полунатурного моделирования режимов работы автомобильного дизеля // Грузовик. 2009. № 12. С. 15-17.

17. Кузнецов А.Г. Динамическая модель дизеля // Автомобильная промышленность. 2010. № 2. С. 30-33.

Размещено на Allbest.ru