Динамические процессы дизель-генератора, регулируемого отключением циклов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436.038

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА, РЕГУЛИРУЕМОГО ОТКЛЮЧЕНИЕМ ЦИКЛОВ

Д.К. Гришин1, М.В. Эммиль2

1) Кафедра конструкций машин Российского университета дружбы народов Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

2) Кафедра Комбинированных двигателей внутреннего сгорания Российского университета дружбы народов

Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Рассмотрено динамическое уравнение дизеля с учетом отключения циклов. Предложенная математическая модель включает в себя дискретную функцию в правой части уравнения. Представлены графики динамических процессов в одноцилиндровом дизеле-генераторе при различном числе отключаемых циклов, полученные с использованием программы Mathcad.

Отключение части цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС) часто используется как метод повышения топливной экономичности и снижения содержания токсичных компонентов в отработавших газах двигателя. Обычно отключение цилиндров производится на режимах малых нагрузок и холостого хода, наименее благоприятных для указанных показателей. Исследования, проведенные на кафедре "Комбинированные ДВС", подтвердили эффективность метода отключения цилиндров для многих дизелей. Известны также работы по отключению цилиндров бензиновых двигателей, показавшие положительный эффект от его применения.

Разновидностью метода отключения цилиндров является отключение отдельных циклов, которое может быть технически осуществлено путем применения клапана - отключателя, созданного в РУДН под руководством профессора Н.Н. Патрахальцева на основе клапана -регулятора начального давления (РНД). Высокое быстродействие клапана, подтвержденное в испытаниях, позволяет при его применении выключать из работы единичные циклы.

Метод отключения циклов может оказаться перспективным при создании систем автоматического регулирования, например, дизель-генераторов, поскольку в этом случае можно исключить механический регулятор частоты вращения, обеспечивая регулирование двигателя при постоянном положении рейки ТНВД на упоре максимальной подачи (так называемое "безреечное регулирование"). Конечно, в такой системе должна быть предусмотрена программа регулирования, выполняемая с помощью соответствующих электронных устройств и обеспечивающая так называемое "скольжение" отключения по цилиндрам.

Недостатком таких систем является необходимость установки на линии высокого давления (ЛВД) указанных выше клапанов - отключателей в количестве по числу цилиндров, которые к тому же могут нарушать процесс топливоподачи, что потребует тщательной их доводки. Более перспективной представляется система отключения циклов, работающая с электронной системой Common Rail, имеющей короткие трубопроводы ЛВД от гидроаккумулятора к форсункам. Для создания такой системы важное значение имеет исследование динамических процессов двигателя с учетом переходных процессов в топливной аппаратуре, а также проведение анализа устойчивости работы.

В данной статье предлагается анализ динамических процессов одноцилиндрового дизель-генератора с помощью компьютерной программы Mathcad. Уравнение двигателя как регулируемого объекта в классическом виде учитывает воздействие со стороны регулирующего органа, например, рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) или дозатора в ТНВД распределительного типа, нагрузки и давления наддува, если он имеется на двигателе.

Исходным для вывода динамического уравнения двигателя как регулируемого объекта является известное уравнение:

da

Т - А

где 1 - момент инерции вращающихся частей двигателя, - - угловое ускорение, аМ е и

Ш

АМс - изменения эффективного крутящего момента и момента сопротивления, функциональные зависимости которых для двигателя без наддува и с регулированием путем отключения циклов имеют вид:

дме=/М, = (2)

где ш - угловая скорость, г - число (частота) рабочих циклов, N - координата нагрузки.

В результате разложения функциональных зависимостей (2) в ряд Тэйлора с учетом принципа линеаризации, перевода уравнения в безразмерный вид и проведения известных алгебраических преобразований получаем динамическое уравнение двигателя, регулируемого отключением отдельных циклов, в следующем виде:

сЛр (М

Лео Л/'/'

где ф =--------, (Хд =-------- - безразмерные координаты частоты вращения и нагрузки, со-

ш0 Ы0

ответственно, 0А, - коэффициент влияния отключения циклов по нагрузке

гЫ

г Ш. ,дМ. дг'

е

\

дЫ дг дЫ

Тд и кд- динамические коэффициенты уравнения, опре-

деляемые соответствующими комплексами, получающимися при делении членов уравнения во время вывода на коэффициент при первом члене выражения, получающегося после разложения функций (2) в ряд Тэйлора и подстановки в исходное уравнение.

Значения ад лежат в диапазоне 0 <а.д < 1, например, если ад = 0, то двигатель работает при полной нагрузке на данном скоростном режиме, а если а д = / , то имеет место

полный сброс нагрузки. Таким образом, при сбросе нагрузки происходит переходный процесс с выходом на новый установившийся режим в соответствии с величиной сброса нагрузки. При этом необходимо обеспечить такое регулирование мощности двигателя, чтобы она соответствовала мощности потребителя в данный момент времени. Если применяется регулирование путем отключения (пропуска) рабочих циклов, то в зависимости от величины сброса нагрузки нужно соответствующим образом изменять число рабочих циклов.

Для моделирования переходных процессов двигателя при отключении циклов в правой части уравнения (3) в первом приближении можно задать синусоидальную функцию. Однако более правильно представить правую часть уравнения (3) в виде дискретной функции и при этом нужно связать число импульсов дискретной модели, т.е. их частоту, с величиной ад.

Наиболее удобным объектом при исследовании процесса регулирования дизеля отключением рабочих циклов является одноцилиндровый дизель-генератор, работающий на номинальном режиме. Предположим, что для формирования регуляторной характеристики дизель-генератора создана система автоматического регулирования, обеспечивающая заданное число рабочих циклов на каждом нагрузочном режиме, и исследуем характер динамических процессов при таком способе регулирования.

Для решения задачи рассмотрим конкретный дизель-генератор с частотой вращения на номинальном режиме 3000 мин" путем задания в правой части уравнения (3) дискретных импульсов, моделирующих число рабочих циклов, и с помощью программы МаШсас! определим влияние последних на величину нестабильности вращения. Примем следующие

численные значения динамических коэффициентов, входящих в уравнение (3): Тд -0.1с и к, =0.1.

fl(t)

--------- О

sl(t)

-1

1

f2(t)

--------- О

s2(t)

B(t)

s3(t)

0.1

t

0.2

в)

Z3s,o

Рис. 1. Результаты моделирования установившихся колебаний системы дизель-генератор: а - при работе двигателя без отключения циклов (z0 = 157с'1); б - при отключении каждого

второго цикла (Z = 78,5с'1); в - при отключении трех циклов из четырех (z = 39,25с1).

Zl;,0, Z2i,0, Ъ\й , t - время, с; fl(t), f2(t), f3(t) - графики импульсов рабочих циклов; Z1,,,, Z2Ko , Z\q - графики изменения безразмерной частоты вращения ф на установившемся режиме; sl(t), s2(t), s3(t) - сигналы управления частотой рабочих циклов.

Частота рабочих циклов рассчитывается по известной формуле, и для частоты вращения 3000 мин1 она равна z0 = 157 с"1 (25 рабочих циклов в секунду).

Если рассматривается астатическая регуляторная характеристика дизеля (n = const.), то изменение числа рабочих циклов при различных значениях момента сопротивления в первом приближении можно считать линейным. Так, при полном сбросе нагрузки и механическом КПД установки, равном 0,8, число рабочих циклов на холостом ходу при номинальной частоте вращения должно быть приблизительно в пять раз меньше, чем при полной нагрузке.

На рис.1 приведены примеры моделирования нестабильности вращения в дизель-генераторе. Численные значения по осям ординат графиков Zli 0 , Z2i>0, Z3u0 выдаются программой Mathcad при решении динамического уравнения двигателя с правой частью, представленной в виде дискретных функций fl(t), f2(t), f3(t).

Анализ результатов показал, что с уменьшением частоты рабочих циклов с 2() = 157 с'1

до z= 78,5 с 1 происходит увеличение нестабильности вращения, вычисленной относительно номинальной частоты вращения двигателя, от 1,12 % до 1,8 %. Дальнейшее уменьшение частоты Z вплоть до Z= 39,25 с‘!, что почти соответствует регулированию в режиме холостого хода, не приводит к возрастанию уровня нестабильности. При увеличении

инерционности дизель-генератора, определяемой величиной Тд / кд, в 2 раза максимальное значение нестабильности не превосходит 0,9 %.

Таким образом, при регулировании дизель-генератора отключением циклов динамическое качество системы по нестабильности вращения может соответствовать нормам при предполагаемом повышении топливной экономичности и снижени токсичности отработавших газов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патрахальцев Н.Н., Эммиль М.В. Динамическое уравнение дизеля, регулируемого отключением цилиндров и циклов. // Совершенствование быстроходных ДВС // Материалы междунар. науч.- техн. конф. // Барнаул, - 1999. - С. 60 - 61.

DIESEL - GENERATOR TRANSIENT PROCESSES RESEARCH WITH CUT-OFF CYCLES GOVERNING

D.K. Grishin1, M.V. Emmil2

1) Department of Machine Design Peoples' Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str., 6, 117198 Moscow, Russia

2) Department of Combined Internal Combustion Engines Peoples' Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str., 6, 117198 Moscow, Russia

The diesel engine dynamic equation is considered with taking into account the cut-off cycles. The proposed mathematical model is the discrete function in the right part of the equation. The graphics of a one cylinder diesel-generator dynamic processes with different numbers of cut-off cycles is given using the Mathcad program.

Дмитрий Константинович Гришин родился в 1937 г., окончил в 1959 г. МИСИ. Доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой Конструкций машин РУДН. Автор 99 публикаций в области динамики машин.

D.K. Grishin (b. 1937) graduated from Moscow Civil Engineering Institute in 1959. DSci(Eng), professor, Chief of “Machine Design” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of 99 publications in the field of Dynamics of machines.

Микель Викторович Эммиль родился в 1932 г., окончил в 1956 г. МИХМ. Канд. техн. наук, доцент кафедры Комбинированных двигателей внутреннего сгорания РУДН. Автор более 60 статей и научно-методических работ в области двигателей внутреннего сгорания и газовой динамики..

M.V. Emmil (b. 1932) graduated from MIChM in 1956. PhD(Eng), ass. professor of “Combined ICE” Department of Peoples’ Friendship Univercity of Russia. Author of more than 60 articles and Science works in the field of Internal Combustion Engines and Gas Dynamics.