НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.436

МГТУ им. Н.Э. Баумана

markov@power.bmstu.ru

shatrov@ power.bmstu.ru

Эффективность использования транспортных средств и сельскохозяйственных машин в значительной степени определяется характеристиками установленных на них двигателей внутреннего сгорания. В последние годы все большее распространение на транспорте получают дизельные двигатели [1]. Такими двигателями оснащается подавляющее большинство грузовых автомобилей, автобусов и сельскохозяйственных машин. Расширяется их использование и на легковых автомобилях. Дизели, работающие с повышенными степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха, в большей степени, чем другие двигатели, отвечают современным тенденциям развития двигателестроения – улучшению экономических и экологических показателей транспортных установок. Но реализация этого принципиального преимущества невозможна без обеспечения оптимальных характеристик и параметров дизеля, которые целесообразно изменять в соответствии с режимом работы и условиями эксплуатации. Поэтому дизели оснащают системами автоматического управления и регулирования (САР и САУ), осуществляющими целенаправленное изменение указанных характеристик и параметров, обеспечивая, тем самым, требуемый характер протекания рабочего процесса на каждом эксплуатационном режиме.

Работу дизеля определяют, в первую очередь, его скоростной и нагрузочный режимы (угловая скорость вращения коленчатого вала ω_д или число его оборотов n и эффективный крутящий момент М_е или положение дозирующей рейки h_р). Область возможных режимов дизелей на плоскости с координатами ω_д-M_е ограничена внешней скоростной характеристикой 1 (рис. 1), предельной регуляторной характеристикой 2 и регуляторной характеристикой 5, соответственно на номинальном (максимальном) и минимальном скоростных режимах [1]. На промежуточных скоростных режимах формируются частичные регуляторные характеристики 3, 4 различной формы.

Энергия, вырабатываемая двигателем транспортного средства, затрачивается, в основном, на преодоление сопротивления качению колес, аэродинамического сопротивления и сопротивления, связанного с преодолением сил инерции. При этом формируются характеристики 6-8 (см. рис. 1) момента сопротивления М_с, близкие по форме к квадратичной параболе [2]. Каждая точка пересечения характеристик M_е (кривые 1-5) и M_c (кривые 6-8) соответствует статическому режиму. Наиболее важными статическими режимами являются номинальный режим и режим максимального крутящего момента (соответственно точки А и В на рис. 1). Следует отметить также режимы холостого хода при максимальной (точка С) и минимальной (точка D) угловых скоростях вращения ω_д, на которых М_е=0 и имеет место минимальный расход топлива.

Рис. 1. Статические характеристики момента двигателя M_е (1-5) и момента сопротивления M_c (6-8): 1 – внешняя скоростная; 2 – предельная регуляторная; 3, 4 – частичные регуляторные; 5 – регуляторная характеристика при минимальной угловой скорости вращения коленчатого вала

Выделяют установившиеся и неустановившиеся режимы. Признаком неустановившихся (динамических) режимов является переменность параметров двигателя. Производные этих параметров по времени отличны от нуля (например, dω_д/dt≠0). Частный случай неустановившихся режимов – переходные процессы, соответствующие переводу дизеля с одного установившегося режима на другой. К наиболее характерным переходным процессам относятся разгон двигателя (процесс F-A на рис. 1) и наброс нагрузки (процесс С-А) или обратные им переходные процессы торможения и сброса нагрузки.

Основной функцией САР частоты вращения дизеля является автоматическое поддержание заданного водителем скоростного режима, т.е. формирование регуляторной характеристики (например, характеристики А-С на рис. 1). Важнейшая дополнительная функция САР – формирование внешней скоростной характеристики (ВСХ) А-В-Е (или характеристики 1) требуемой формы. Транспортные дизели достаточно большую часть времени эксплуатируются на режимах этой характеристики с максимальной мощностью (крутящим моментом М_е) и именно на этих режимах расходуется большая часть топлива и образуется значительная часть токсичных компонентов ОГ. Причем характер изменения ВСХ дизеля M_е=f(n) определяется, в первую очередь, характеристикой цикловой подачи топлива q_ц=f(n).

ВСХ ограничивает максимально возможную подачу топлива в диапазоне скоростных режимов от номинального до нулевого. Эта характеристика отличается наименьшими значениями коэффициента избытка воздуха α и имеет участки коррекции A-B, отрицательной коррекции B-E и пусковой подачи (на рис. 1 этот участок не показан). На участке коррекции подача топлива определяется заданными мощностными показателями, на участке отрицательной коррекции – допустимым уровнем дымности отработавших газов (ОГ), на участке пускового обогащения – возможностью надежного запуска дизеля.

Форма ВСХ выбирается с учетом компромисса между мощностными, экономическими и экологическими показателями дизеля [1, 3, 4]. Для транспортных дизелей, работающих в условиях переменных нагрузок, необходимо обеспечить заданные значения коэффициента приспособляемости по крутящему моменту (отношение максимального крутящего момента двигателя к номинальному) и по частоте вращения (отношение номинальной частоты вращения к частоте вращения при максимальном крутящем моменте). Поэтому на участке положительной коррекции с уменьшением частоты вращения увеличивают цикловую подачу топлива q_ц на величину 10-45 % (коэффициент приспособляемости по крутящему моменту k_м=1,1-1,45) [1, 3]. В дизеле 4 СТ 90 фирмы Andoria (Польша) указанный рост подачи топлива сопровождается увеличением крутящего момента двигателя со 150 Н·м (при n=4100 мин^-1) до 200 Н·м (при n=2500 мин^-1), т.е. на 33 % (рис. 2) [3]. Коэффициент приспособляемости по частоте вращения в транспортных дизелях обычно составляет k_ω=1,45-2,6, а общий коэффициент приспособляемости оказывается равным k_о=k_м·k_ω=1,75-3,55 [1, 3].

Рис. 2. Зависимость эффективных крутящего момента двигателя M_е и расхода топлива g_е, коэффициента избытка воздуха a, массовых выбросов с ОГ оксидов азота Е_NOx, монооксида Е_CO и диоксида Е_CO2 углерода, несгоревших углеводородов Е_CHx и дымности ОГ K_x от частоты вращения n на режимах ВСХ: 1 - дизеля 4 СТ 90 фирмы Andoria (Польша); 2 - дизеля Gemini-3 фирмы Rover (Великобритания); 3 - дизеля Sofim-8140 фирмы Iveco (Италия)

Чем выше коэффициент приспособляемости дизеля, тем лучше динамические качества автомобиля. Причем наиболее благоприятное протекание корректорного участка обеспечивается при формировании характеристики крутящего момента в виде гиперболической кривой [1]. Но при этом необходимо увеличивать подачу воздуха с уменьшением частоты вращения дизеля, что достигается при управлении турбонаддувом. Обеспечение требуемого запаса по крутящему моменту и по частоте вращения позволяет реже переключать передачи трансмиссии и при временно возникающих перегрузках уменьшить вероятность перехода к режимам работы на участке отрицательной коррекции с меньшей мощностью, повышенной эмиссией продуктов неполного сгорания топлива и худшей экономичностью. Худшая экономичность дизеля и повышенная токсичность его ОГ на участке ВСХ с низкими частотами вращения обусловлены, в основном, малыми значениями коэффициента избытка воздуха. Поэтому на этих режимах имеет место недогорание топлива и ухудшение показателей дизеля.

Таким образом, на режимах с малыми частотами вращения ВСХ целесообразно уменьшать подачу топлива, формируя участок отрицательной коррекции. В транспортных дизелях такое уменьшение подачи топлива составляет 20-35 % по сравнению с номинальным режимом [1, 5]. Причем диапазон корректирования топливоподачи на этом участке от конструктивных особенностей дизеля и степени его форсирования. Чем выше степень форсирования, тем большее снижение цикловой подачи топлива требуется. Такое протекание этого участка ВСХ позволяет сместить режимы работы двигателя в зону лучшей экономичности, снизить расход топлива (на 2-12 %), дымность ОГ (на 50-60 %) и уменьшает тепловую напряженность деталей двигателя [6].

Вместе с тем, реализация отрицательного корректирования топливоподачи может привести к ухудшению динамических качеств дизеля (увеличению времени переходного процесса на 0,5-2 с), так как на режимах с малой n максимальная цикловая подача топлива ограничена [6, 7]. Поэтому величина отрицательной коррекции ВСХ определяется с учетом как улучшения экономических и экологических показателей и снижения тепловой напряженности деталей дизеля, так и обеспечения его требуемых динамических качеств. Вместе с тем, динамические качества автомобиля определяются не только свойствами двигателя, но и запасом его мощности и параметрами трансмиссии. Поэтому введение корректирования топливоподачи на этом участке, приводящее к некоторому снижению динамических свойств дизеля, не сопровождается соответствующим снижением динамических качеств транспортной машины при условии выбора оптимального передаточного отношения трансмиссии.

Проблемам формирования ВСХ в транспортных дизелях посвящено ряд исследований [4, 5, 8]. Однако в этих исследованиях недостаточное внимание уделено оценке влияние формы этой характеристики на токсичность ОГ. Для оценки влияния формы ВСХ на показатели транспортного дизеля ниже проведены расчетно-экспериментальные исследования дизеля типа КамАЗ-740.

Одной из наиболее сложных задач является задача определения показателей токсичности ОГ в переходных процессах. Проведение экспериментальных исследований с целью определения показателей токсичности ОГ дизелей в переходных процессах является весьма трудоемким и не всегда возможным из-за отсутствия необходимой измерительной аппаратуры, позволяющей определять показатели токсичности ОГ на указанных режимах [9]. В связи с этим, разработку и совершенствование САР частоты вращения дизеля целесообразно проводить расчетно-экспериментальным путем. При расчетных исследованиях переходных процессов дизелей широко применяют системы линейных дифференциальных уравнений, описывающих элементы САР [1, 7]. Однако, в ряде случаев, целесообразна разработка нелинейных математических моделей, содержащих нелинейные дифференциальные уравнения, и учитывающих реальные нелинейные характеристики параметров дизеля. При этом указанные нелинейные характеристики могут быть заданы различным образом. Хорошие результаты дает описание этих характеристик полиномиальными зависимостями [10].

Выбор тех или иных математических моделей САР определяется типом исследуемых переходных процессов. Характерными переходными процессами являются процессы наброса и сброса нагрузки [1, 7]. Они отличаются незначительными отклонениями значений частоты вращения дизеля от ее значения на установившемся режиме, и при их исследованиях применение линейных моделей САР дает достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных. Для транспортных дизелей более характерны переходные процессы разгона и торможения [1, 7]. Эти процессы отличаются широким диапазоном изменения регулируемого параметра – угловой скорости дизеля ω_д. При расчетных исследованиях этих переходных процессов целесообразно использование нелинейных моделей, учитывающих сложный характер взаимосвязи параметров дизеля в этих процессах.

Оценка влияния формы ВСХ на показатели токсичности ОГ дизеля в переходных процессах проведена с использованием разработанной математической модели САР комбинированного двигателя. В разработанной модели дифференциальные уравнения наиболее значимых элементов дизеля с турбонаддувом используются в следующем виде [1, 7]:

- поршневой части двигателя

;                                                                       (1)

- турбокомпрессор

;                                                                        (2)

- впускной трубопровод

;                                                                  (3)

- выпускной трубопровод

,                                                                   (4)

где J_д и J_т – моменты инерции валов дизеля с потребителем и турбокомпрессора соответственно; ω_д и ω_т – угловые скорости вращения валов дизеля и турбокомпрессора; М_д, М_с, М_т, М_к – моменты: крутящий (эффективный М_е) дизеля, сопротивления потребителя, развиваемый турбиной, потребляемый компрессором; V_вп и V_вып – объемы впускного и выпускного трубопроводов; р_к и р_т – давления наддувочного воздуха на выходе из компрессора и ОГ на входе в турбину; R_в и R_г – газовые постоянные наддувочного воздуха и ОГ; Т_к и Т_г – температуры наддувочного воздуха и ОГ; G_д, G_к, G_г, G_т – расходы воздуха через двигатель и компрессор, газов через двигатель и турбину.

Значения параметров двигателя, входящих в правые части уравнений (1)…(4), определялись в виде функциональных зависимостей в соответствии с рекомендациями работ [1, 7, 10]. Для определения этих функциональных зависимостей для дизеля типа КамаАЗ-740 (8ЧН12/12) была разработана программа аппроксимации экспериментальных данных полиномиальными зависимостями, написанная на языке FORTRAN и использующая метод наименьших квадратов. Программа рассчитывает коэффициенты полинома, аппроксимирующего заданный массив исходных точек. Приемлемая точность описания полиномами заданных массивов исходных данных достигалась проверкой результатов вычислений в контрольных точках, визуализацией полученных полиномов в трехмерном пространстве в программе MathCAD и дальнейшей оценкой адекватности поверхностей, полученных в ходе визуализации. Применение полиномов третьего порядка дает несколько большую точность аппроксимации контрольных точек, по сравнению с полиномами второго порядка. Однако при использовании полиномов третьего порядка и расчете параметров дизеля, значения которых выходят из области контрольных точек, результаты расчетов могут сильно отличаться от аналитически ожидаемых.

Исходный массив контрольных точек, включающий 45 установившихся (стационарных) режимов определялся с использованием экспериментальных данных по дизелю типа КамАЗ-740, приведенных в работах [1, 6]. Некоторые из этих экспериментальных данных представлены на рис. 3 и 4. При расчетных исследованиях использован квазистационарный метод, при котором экспериментальные данные, полученные на установившихся режимах, используются для определения полиномиальных зависимостей для параметров, входящих в математическую модель САР.

а                                                             б

Рис. 3. Многопараметровые характеристики дизеля КамАЗ-740: а – положения h_р дозирующей рейки; б - давления наддува р_к и коэффициента избытка воздуха α

С использованием упомянутых экспериментальных данных по дизелю типа КамАЗ-740 и разработанной программы расчета полиномов определены коэффициенты полиномов для параметров двигателя, входящих в правые части уравнений (1)…(4). Полиномиальная зависимость второй степени для крутящего момента M_д от угловой скорости ω_д, давления наддувочного воздуха p_к, положения дозирующего органа - рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) h_p определена в виде

Визуализация этой полиномиальной зависимости приведена на рис. 5.

Рис. 5. Визуализация полиномиальной зависимости M_д(ω_д, p_к, h_p) при p_к=0,1 МПа=const

Момент сопротивления потребителя M_с описывался выражением [2]

,

где k_N – коэффициент, пропорциональный настройке потребителя N.

При расчете полиномиальных зависимостей крутящего момента М_т, развиваемого турбиной, и момента, потребляемого компрессором М_к, использованы данные работы [11] и универсальная характеристика турбокомпрессора ТКР7Н-1 дизеля КамАЗ-740, представленная на рис. 6.

Рис. 6. Универсальная характеристика турбокомпрессора ТКР7Н-1 дизеля КамАЗ-740: G_к – массовый расход воздуха через компрессор; р_к – давление надувочного воздуха; U – окружная скорость колеса компрессора (на радиусе вращения d=38 мм)

Расчет момента турбины в контрольных точках проводился с использованием экспериментальных данных работы [11] на формуле:

,

где R_г = 287,1 Дж/(кг×К) – универсальная газовая постоянная; р_т, Т_г – давление и температура ОГ на входе в турбину; р_атм – давление за турбиной (принято атмосферным); h_т – КПД турбины; показатель адиабаты расширения газов к_г  = с_р/ с_v , где с_р и с_v– теплоемкости при постоянных давлении и объеме для ОГ, зависящие от Т_г. При расчетах принято, что значения коэффициента к_г подчиняются закону к_г = 1,44 – 0,0001059 × Т_г [11].

С использованием расчетных данных получена полиномиальная зависимость третьей степени для крутящего момента турбины M_т от угловой скорости ω_т, положения рейки ТНВД h_p и давления ОГ перед турбиной p_т:

Полиномиальная зависимость второй степени для момента сопротивления компрессора M_к от угловой скорости вращения ротора турбокомпрессора ω_т и давления наддувочного воздуха p_к получена в виде:

Полиномиальная зависимость третьей степени для расхода воздуха через компрессор G_к от угловой скорости вращения ротора турбокомпрессора ω_т и давления наддувочного воздуха p_к представлена в виде:

Полиномиальная зависимость третьей степени для расхода воздуха через двигатель G_д от угловой скорости ω_д и давления наддува p_к имеет вид:

Полиномиальная зависимость третьей степени для расхода ОГ газов через дизель G_г от угловой скорости ω_д, давления ОГ p_т и давления наддувочного воздуха p_к выражена формулой:

Полиномиальная зависимость третьей степени для расхода ОГ через турбину G_т от давления ОГ p_т и положения рейки ТНВД h_p получена в виде:

Полиномиальная зависимость третьей степени для температуры наддувочного воздуха Т_к от угловой скорости ω_д и положения рейки ТНВД h_pзаписана в виде выражения:

Полиномиальная зависимость второй степени для температуры ОГ Т_г от угловой скорости ω_д, положения рейки ТНВД h_p и давления наддува р_к получена в виде:

Для описания функциональных зависимостей содержания в ОГ оксидов азота С_NOx, углеводородов С_СНx и дымности ОГ К_х использованы полиномы второго порядка, а для описания функциональной зависимости содержания а ОГ монооксида углерода С_СO – полином третьего порядка:

На рис. 7 приведены результаты аппроксимации полиномов C_NOx, C_СО, C_СНx и К_x, визуализированные в программе MathCad.

Представленная математическая модель объекта регулирования - дизеля КамАЗ-740 дополнена уравнениями, описывающими автоматический регулятор частоты вращения. Среди современных автоматических регуляторов дизелей наиболее перспективными являются электронные управляющие устройства, создаваемые на базе современной микропроцессорной техники [1, 12]. Такой электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизеля содержит датчик частоты вращения (ДЧВ), электронный блок управления (ЭБУ) и исполнительный механизм (ИМ), воздействующий на орган управления топливоподачей дизеля - рейку ТНВД (рис. 8) [1]. Каждый из входящих в структуру этого регулятора элементов обладает определенными статическими и динамическими свойствами, которые описываются алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Рис. 8. Функциональная (а) и структурные (б, в) схемы электронного регулятора частоты вращения дизеля с ПИД-законом управления

Датчики режимных параметров электронных управляющих устройств (в частности, датчик угловой скорости ω_д или φ индукционного типа) обладают дискретностью в съеме сигнала с периодом, обычно не превышающем ∆t_з=0,003-0,005 с. Если пренебречь задержкой прохождения сигнала, то такой датчик может быть описан алгебраическим уравнением вида , где U_j- выходной сигнал датчика, k_φ - коэффициент усиления датчика.

В процессе управления наибольший эффект достигается при использовании устройства, измеряющего не только отклонение угловой скорости вращения φ=Dω_д/ω_до от заданного режима ω_до, но и производную от изменения этого отклонения dφ/dt и накопление ошибки в виде интеграла ∫φdt. При этом формируется пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон управления в виде

,

где U_упр – выходной сигнал вычислительного устройства; k_п, k_и, k_д – коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих закона управления. В соответствии с данными работы [1] использованы следующие значения ПИД-закона регулирования k_п=10, k_и=2, k_д=1.

В цифровом вычислительном устройстве электронного блока алгоритм управления реализуется в виде программы, состоящей из отдельных элементарных операций (команд). Команды выполняются микропроцессором дискретно во времени, и на формирование управляющего сигнала необходимо определенное время, зависящее от объема программы управления. Время выполнения программы может быть учтено временной задержкой, обычно не превышающей Δt_з=0,01 с.

В качестве исполнительных механизмов электронного управляющего устройства чаще используются электромагнитный или электрогидравлический иcполнительные механизмы, перемещающие дозирующий орган на величину η=Δh_р/h_ро. Они могут быть описаны уравнением

.

Если пренебречь задержками Δt_з в датчике и вычислительном устройстве, совместное решение уравнений датчика частоты вращения, вычислительного устройства электронного блока и исполнительного механизма приводит к уравнению электронного управляющего устройства в виде

или после дифференцирования левой и правой частей этого уравнения

,

где k₁= k_им k_п k_φ ;   k₂ = k_им k_д k_φ; k₃ = k_им k_и k_φ - коэффициенты усиления соответствующих составляющих входного воздействия.

Разработанная математическая модель использована для расчета переходных процессов САР частоты вращения дизеля КамАЗ-740. Для расчета переходных процессов была разработана программа, написанная на языке FORTRAN и позволяющая решать описанную выше систему дифференциальных уравнений САР методом Эйлера.

Для проверки адекватности разработанной математической модели САР был проведен расчет переходного процесса наброса полной нагрузки на дизель КамАЗ-740. Характеристика изменения частоты вращения в этом переходном процессе представлена на рис. 9. Представленные данные свидетельствуют о том, что продолжительность рассматриваемого переходного процесса составляет t=3 с (при допустимой нестабильности регулируемого параметра в переходном процессе ω_ε =1,5 %). Экспериментально полученная в работе [13] продолжительность рассматриваемого переходного процесса равна t=2,8-3,0 с. Хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных подтверждает возможность использования разработанной математической модели для исследования переходных процессов дизеля КамАЗ-740.

Рис. 9. Характеристика изменения угловой скорости ω_д в переходном процессе наброса нагрузки: ω_ε – допустимая нестабильность регулируемого параметра на установившемся режиме

С использованием разработанной математической модели проведено исследование влияния формы ВСХ на показатели дизеля КамАЗ-740 в переходном процессе разгона с режима с h_р=9,5 мм при n=800 мин^-1 на режим с h_р=14,0 мм при n=2200 мин^-1. Диапазон корректирования на участке отрицательной коррекции оценивался коэффициентом корректирования K_{Ме отр}, характеризуемым отношением максимального крутящего момента М_enmin при n_min и номинального момента М_{е ном} при n_ном, т.е. K_{Ме отр} = М_enmin /М_{е ном}. На первом этапе расчетных исследований определялось влияние наклона участка отрицательной коррекции ВСХ на динамические качества дизеля, показатели дымности и токсичность его ОГ. Исследовалось четыре варианта наклона этого участка, в каждом из которых на режиме максимального крутящего момента при n_Mmax=1400 мин^-1 рейка ТНВД занимала положение h_р=16 мм, а на минимальном скоростном режиме ВСХ при n_min=800 мин^-1 положение рейки составляло:

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

Результаты расчетов переходного процесса разгона дизеля КамАЗ-740, представленные на рис. 10, свидетельствуют о том, что при изменении наклона участка отрицательной коррекции, соответствующее изменению коэффициента K_{Ме отр} от 1,24 до 0,65, не приводит к существенному изменению динамических качеств дизеля. При допустимой нестабильности угловой скорости ω_ε=1,5 % во всех четырех исследованных случаях время переходного процесса разгона дизеля составило примерно t_п=6 с.

Вместе с тем, наклон участка отрицательной коррекции ВСХ оказывает заметное влияние на показатели токсичности и дымности ОГ (рис. 11). Это обусловлено значительными отличиями значений угловой скорости ω_д и положения рейки ТНВД h_р для представленных вариантов формы ВСХ, отмеченные в начальной фазе переходного процесса (при t<3 с, рис. 10).

Максимальное значение содержания оксидов азота C_NOx в ОГ дизеля типа КамАЗ-740 в переходном процессе отмечено при h_{р nmin}=16,0 мм и составляет С_NOx=0,23 % (см. рис. 11,а). Вместе с тем, можно отметить, что осредненные для переходного процесса разгона дизеля значения концентрации C_NOx в ОГ для исследованных вариантов ВСХ отличаются незначительно.

Зависит от формы ВСХ и содержание в ОГ монооксида углерода С_СО (рис. 11,б). Однако и в этом случае осредненные для переходного процесса разгона дизеля концентрации C_СO в ОГ для исследованных вариантов ВСХ отличаются незначительно. Более значительное влияние форма ВСХ оказывает на содержание в ОГ несгоревших углеводородов С_СНх. Особенно это заметно на начальной стадии переходного процесса (при t<1,5…2,0 с, рис. 11,в). Для исследованных вариантов ВСХ при фиксированных значениях времени t концентрации С_СНх могут отличаться в 1,5 раза. С этой точки зрения наиболее неблагоприятна ВСХ с h_{р nmin}=16,0 мм, при реализации которой в диапазоне времени t=0…1 отмечена наибольшая концентрация несгоревших углеводородов в ОГ - С_СНх=0,048-0,050 %.

От наклона участка отрицательной коррекции в наибольшей степени зависит дымность ОГ К_х (рис. 11,г). Так, при изменении коэффициента K_{Ме 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. Причем, при реализации ВСХ с h_{р nmin}=16,0 мм высокая дымность ОГ (К_х=34-60 %) отмечена в течение сравнительно большого периода переходного процесса (при t=0…1 с). При реализации ВСХ с h_{р nmin}=12,6 мм максимальная дымность ОГ составила К_х=35 % и это значение дымности отмечено лишь при t=1,3 с.

Анализ представленных на рис. 11 показателей токсичности и дымности ОГ дизеля в переходном процессе разгона дизеля КамАЗ-740 показывает, что предпочтительным является формирование участка отрицательной коррекции ВСХ с наклоном, соответствующим коэффициенту K_{Ме отр}=0,65. Увеличение этого коэффициента (увеличение подачи топлива на участке отрицательной коррекции), не приводя к заметному улучшению динамических качеств, приводит к значительному увеличению выбросов токсичных компонентов ОГ в переходном процессе.

На втором этапе расчетных исследований определялось влияние наклона участка положительной коррекции ВСХ на динамические качества дизеля, показатели дымности и токсичность ОГ. При этом диапазон корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции оценивался коэффициентом положительного корректирования K_{Ме пол}= М_emах/М_{е ном}. При расчетах переходных процессов дизеля КамАЗ-740 с четырьмя вариантами наклона участка положительной коррекции ВСХ исследован переходном процессе разгона с режима с h_р=9,5 мм при n=800 мин^-1 на режим с h_р=14,0 мм при n=2200 мин^-1. Коэффициент корректирования K_{Ме отр} был принят неизменным и равным K_{Ме отр}= М_enmin /М_{е ном}=850/850=1,00 (при h_{р nmin}=14,1…14,6 мм). При таком участке отрицательной коррекции исследовано четыре варианта протекания участка положительной коррекции, в каждом из которых на номинальном скоростном режиме при n_ном=2200 мин^-1 положение рейки ТНВД составляло h_{р n ном}=14,0 мм, а на режиме максимального крутящего момента при n_Mmax=1400 мин^-1 рейка ТНВД занимала следующие положения:

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

Результаты расчетов переходного процесса разгона дизеля КамАЗ-740, представленные на рис. 12, свидетельствуют о том, что изменение диапазона корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции, соответствующего изменению коэффициента K_{Ме пол} от 1,05 до 1,50, сопровождается сокращением продолжительности переходного процесса t_п с 8,2 до 5,4 с (при допустимой нестабильности частоты вращения ω_ε=1,5 %). Для базового варианта (характеристики 2 на рис. 12) величина t_п составили 6,1 с.

Наклон участка положительной коррекции ВСХ оказывает заметное влияние и на показатели токсичности и дымности ОГ, что объясняется отличиями значений угловой скорости ω_д и положения дозирующей рейки ТНВД h_р в переходном процессе для исследованных вариантов положительного корректирования ВСХ (рис. 13). При увеличении диапазона корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции (при увеличении значения h_{р Мmax} и неизменном значении h_{р n ном}) максимальные концентрации оксидов азота C_NOx в ОГ дизеля КамАЗ-740 в переходном процессе его разгона возрастают. Их максимальное содержание в ОГ C_NOx= 0,224 % отмечено при коэффициенте приспособляемости K_{Ме пол} = 1,50 (при h_{р Мmax}=16,7 мм, рис. 13,а). Вместе с тем, концентрации C_NOx в ОГ сравнительно слабо зависят от исследованных значений коэффициента приспособляемости K_{Ме пол}.

С увеличением диапазона корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции содержание в ОГ монооксида углерода С_СО также возрастает. Максимальная концентрация монооксида углерода в ОГ C_СO=0,081 % соответствует коэффициенту приспособляемости K_{Ме пол}=1,50 (при h_{р Мmax}=16,7 мм, рис. 13,б). Однако и в этом случае осредненные для переходного процесса разгона дизеля значения концентрации C_СO 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 несгоревших углеводородов С_СНх. Максимальная концентрация углеводородов отмечена при коэффициенте приспособляемости K_{Ме пол}=1,50 и составляет C_СНх=0,056 % (рис. 13,в). При уменьшении коэффициента приспособляемости до K_{Ме пол}=1,05 максимальное значение C_СНх=0,046…0,047 % достигается лишь в период окончания переходного процесса.

Диапазон корректирования топливоподачи на участке положительной коррекции ВСХ оказывает наибольшее влияние на дымность ОГ К_х. Максимальная дымность ОГ K_x=52 % по шкале Хартриджа имеет место при коэффициенте приспособляемости K_{Ме пол}=1,50 (при h_{р Мmax}=16,7 мм, рис. 13,г). Уменьшение этого коэффициента сопровождается быстрым снижением дымности ОГ, и при коэффициенте приспособляемости K_{Ме пол}=1,05 максимальная дымность ОГ в переходном процессе снижается до K_x=34% по шкале Хартриджа, т.е. примерно в 1,5 раза. Представленные на рис. 12 и 13 данные свидетельствуют о том, что коэффициент приспособляемости K_{Ме пол} оказывает значительное влияние не только на показатели качества переходного процесса – на продолжительность переходного процесса t_п, но и на показатели токсичности и дымности ОГ дизеля в исследованном переходном процессе.

Выбор величины коррекции топливоподачи на участках отрицательной и положительной коррекции ВСХ должен осуществляться, в первую очередь, из условия обеспечения компромисса между продолжительностью переходного процесса t_п и допустимым уровнем дымности ОГ K_х. Эти требования к величинам t_п и K_х определяются соответствующими нормативными документами. Допустимая продолжительность переходного процесса t_п регламентируется ГОСТ10511-83 на системы автоматического регулирования частоты вращения дизелей, а дымность ОГ K_х ограничивается ГОСТ 24028-80 на предельные выбросы сажи в переходном процессе. При обеспечении требуемых значений t_п и K_х дальнейшая оптимизация переходного процесса проводится с учетом возможности минимизации выбросов оксидов азота NO_х, монооксида углерода СО и углеводородов СН_х.

При разработке методики оценки суммарной токсичности ОГ в переходных процессах дизеля могут быть использованы различные методы оптимизации. Причем, поскольку токсичность ОГ оценивается несколькими показателями (эмиссией оксидов азота NO_х, монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СН_х, сажи С или твердых частиц), то необходимо использование методов многокритериальной оптимизации. Для решения поставленной задачи многокритериальной оптимизации переходного процесса использован метод свертки, являющийся наиболее простым и эффективным [6]. Каждый исследуемый показатель работы дизеля в переходном процессе был охарактеризован частным критерием оптимальности. Все показатели имеют различные масштабы измерения, что затрудняет их сравнение. В связи с этим все частные критерии использовались в относительном виде, т.е. они были нормализованы относительно показателей второго варианта формы участка положительной коррекции ВСХ с коэффициентом приспособляемости K_{Ме пол}=1,35. Поэтому все частные критерии для второго варианта равны единице. Вариант с коэффициентом приспособляемости K_{Ме пол}=1,50, обеспечивающий наименьшее время переходного процесса, принят под номером 1, вариант с коэффициентом приспособляемости K_{Ме пол}=1,05 и наибольшим временем переходного процесса имеет номер 4.

Все четыре представленных варианта формы участка положительной коррекции ВСХ имеют свои преимущества и недостатки. Вариант № 1 обеспечивает лучшую динамичность двигателя в переходном процессе, вариант № 4 – меньшую токсичность ОГ, варианты 2 и 3 являются промежуточными. Оптимальность того или иного варианта формы участка положительной коррекции ВСХ определяется совокупной эффективностью обеспечения им отдельных исследуемых показателей. Задача нахождения некоторого компромисса между частными критериями сводилась к расчету обобщенного критерия оптимальности следующего вида для каждого из четырех случаев:

                       (5)

где J_tпi, J_NOxi, J_COi, J_CHxi, J_Kxi – частные критерии оптимальности по продолжительности переходного процесса, содержанию в ОГ оксидов азота NO_х, монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СН_х, дымности ОГ K_x. Такой вид обобщенного критерия подразумевает одинаковую значимость каждого из частных критериев и исключает субъективный выбор весовых коэффициентов. При оптимизации оптимальным будет считаться процесс, обобщенный критерий оптимальности которого, определенный в соответствии с выражением (5), окажется наименьшим.

При оптимизации рассматриваемого переходного процесса частный критерий оптимальности по продолжительности переходного процесса J_tпi, определялся в виде отношения времени переходного процесса при i-ом варианте формы участка положительной коррекции ВСХ ко времени переходного процесса, обеспечиваемым базовым вариантом этой характеристики:

J_tпi= t_пi / t_пб.

Частные критерии оптимальности по концентрациям основных токсичных компонентов в ОГ представляют собой отношение определенных интегралов кривых изменения концентрации соответствующего компонента в переходном процессе i-го режима к базовому на расчетном временном участке t от 0 до t_{п max} = 8,2 с – времени наиболее длительного, из представленных, переходного процесса:

Результаты проведенных расчетов сведены в таблицу.

Таблица. Результаты многокритериальной оптимизации

переходного процесса разгона дизеля

Представленные в таблице результаты расчетных исследований показывают, что с точки зрения обеспечения компромисса между динамическими показателями двигателя (продолжительностью переходного процесса) и его экологическими показателями (эмиссией нормируемых токсичных компонентов ОГ) наиболее предпочтительным является первый вариант формы участка положительной коррекции ВСХ с коэффициентом приспособляемости K_{Ме пол}=1,50. В целом, проведенный комплекс расчетных исследований подтвердил эффективность разработанной методики выбора формы ВСХ и возможность ее использования для выбора параметров САР транспортных дизелей.

Литература:

1. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. Учебник для ВУЗов. М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2005. 344 с.

2. Крутов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект. М.: Машиностроение, 1978. 472 с.

3. Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков / А.Д. Блинов, П.А. Голубев, Ю.Е. Драган и др. Под ред. В.С. Папонова, А.М. Минеева. М.: НИЦ «Инженер», 2000. 332 с.

4. Хрящев Ю.Е., Слабов Е.П., Матросов Л.П. Об управлении внешней скоростной характеристикой дизеля // Автомобильная промышленность. 1999. № 11 С.7-10.

5. Крутов В.И., Леонов И.В., Шатров В.И. Формирование внешней скоростной характеристики дизелей автотракторного и транспортного назначения с помощью корректоров // Двигателестроение. 1989. № 4. С.27-30.

6. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 376 с.

7. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. 416 с.

8. Остапенко Г.И., Долганов К.Е. Определение формы внешней скоростной характеристики по заданному пределу дымности отработавших газов автотракторного дизеля с турбонаддувом // Двигателестроение. 1984. № 10. С. 8-11.

9. Hagena J.R., Filipi Z.C., Assanis D.N. Transient Diesel Emissions: Analysis of Engine Operation During a Tip-In // SAE Technical Paper Series. 2006. № 2006-01-1151. P. 1-12.

10. Крутов В.И., Кузьмик П.К. Расчет переходных процессов системы автоматического регулирования дизеля с турбонаддувом с учетом нелинейных характеристик // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1969. № 10. С. 102-108.

11. Малоразмерные автотракторные турбокомпрессоры / Н.А. Гатауллин, Г.Г. Гафуров, А.Х. Галлеев и др. // Двигатель. 2001. № 6. С. 12-13.

12. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания. М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2001. 136 с.

13. Юлдашев А.К., Шестаков А.А., Мамин Б.В. Критерий оценки динамических качеств автотракторных дизелей // Двигателестроение. 1984. № 6. С. 38-41.