CC BY
48
ТРАНСПОРТ
УДК 621.43
И. Е. Агуреев, д-р техн. наук, проф., декан, 8-910-943-65-72,
[email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Е. И. Минаков, д-р техн. наук, проф., 8-910-551-88-88,
[email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
М. Ю. Власов, асп., 8-4872-35-05-01, [email protected]
(Россия, Тула, ТулГУ),
Э. С. Темнов, канд. техн. наук, доц., 8-4872-35-05-01, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕИДЕНТИЧНОСТИ В АВТОМОБИЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
Рассмотрены вопросы, связанные с экспериментальным исследованием межцикловой неидентичности рабочих процессов ДВС с искровым зажиганием. Приведен краткий обзор работ, посвященных изучению нелинейных эффектов в ДВС (детерминированный хаос, бифуркации), сопровождающих МЦН. Представлены описание экспериментальной установки, порядок проведения экспериментов, результаты и анализ полученных данных.
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, межцикловая неидентичность, экспериментальные исследования.
Нестабильность процесса сгорания (межцикловая неидентичность (МЦН)) наблюдалась с самого начала развития конструкции ДВС с искровым зажиганием. Эта нестабильность может вызвать флуктуации выходной мощности двигателя, а также массы выгоревшего топлива и других параметров рабочего процесса. В результате МЦН снижение величины среднего эффективного крутящего момента может достигать 20 %. Поэтому неудивительно, что нестабильность сгорания была обозначена как фундаментальная проблема в ДВС с искровым зажиганием. Неприятной осо-
бенностью МЦН является непредсказуемый характер ее возникновения, который создает трудности для управления двигателем. Выявление и исключение источников нестабильности являлось одним из главных вопросов разработки ДВС с искровым зажиганием в течение последнего столетия [1, 2]. Однако, несмотря на значительные усилия, предпринятые для выявления различных аспектов нестабильности в течение последних нескольких лет, проблема управления стабильным процессом сгорания в ДВС с искровым зажиганием до сих пор не решена.
К основным факторам, вызывающим нестабильность сгорания, по классификации Дж. Хейвуда [2], относятся:
аэродинамика течений в цилиндре ДВС в процессе горения; количество топлива, воздуха и остаточных газов, подаваемых в цилиндр;
локальный состав смеси вблизи свечи зажигания. Возможно, что на рабочий процесс ДВС влияет множество различных возмущений, делая его стохастическим, а в случае высокой чувствительности ДВС к условиям рабочего процесса необходимо рассматривать возможность хаотического поведения (признаков детерминированного хаоса). Вариации давления в цилиндре ДВС могут происходить от сложной динамики, ведущей к непериодическому поведению со стохастическими компонентами. Таким образом, основная проблема заключается в том, чтобы понять нелинейную динамику процесса наблюдаемого внутри-цилиндрового давления [3, 4]. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование МЦН, состоящее в изучении влияния принудительного воздействия на рабочий процесс ДВС посредством управляемой топливоподачи.
Краткий обзор работ по применению нелинейной динамики в исследованиях ДВС. Применение методов нелинейной динамики при изучении рабочих процессов ДВС имеет свою историю и в настоящее время является необходимым условием при изучении сложных явлений в двигателях. Следует выделить несколько основных направлений применения нелинейной динамики. Во-первых, это использование преставлений о сложной бифуркационной природе рабочего процесса в теории и эксперименте. Во-вторых, построение и применение нелинейных математических моделей различного типа (дискретные и непрерывные, с наличием стохастических источников и без него, с конечным и бесконечным числом степеней свободы и др.). В-третьих, использование методов анализа нелинейных систем (методов фазового портрета, точечных отображений, анализ устойчивости, показателей Ляпунова и др.).
В частности, имеются основания считать среди причин МЦН турбулентный характер течений. Имея в виду данный подход и учитывая, что сама турбулентность в последнее время часто рассматривается с позиций теории бифуркаций и нелинейной динамики, логично
предположить распространение подобных методов в теории ДВС. Так, Winsor [5] использовал при изучении природы флуктуаций давления в ДВС с искровым зажиганием представления о турбулентности.
Последние современные попытки нелинейного моделирования ДВС были сфокусированы на развитии динамических моделей процесса сгорания.
В работе [6] Daily сформулировал простую нелинейную модель и продемонстрировал, что хаотические изменения давления могут происходить от начальных условий, преобладающих в начале каждого цикла.
Используя нелинейную модель, Kantor [7] проанализировал МЦН переменных рабочего процесса, включая не только давление, но и температуру горения.
Foaker и Pollard [8], Chew [9] и Letellier [10] исследовали нелинейные модели для изменения давления и вычислили соответствующие показатели Ляпунова. Впоследствии Daw [11, 12] включил эффект циркуляции выпускных газов в нелинейную модель для исследования динамики двигателя. Однако наиболее убедительный аргумент применения нелинейной динамики при описании процессов сгорания проистекает от концепции временной неравновесности тепловыделения, что показали Green и Daw [13]. Совсем недавно, на основе анализа МЦН давления Wendeker [14] предложил механизм перемежаемости, приводящий к хаотическому поведению.
В статье [15] сообщается, что для экспериментальной оценки уровня шумов (хаоса) был применен метод грубой (крупноструктурной) энтропии. Этот метод позволяет отделить детерминированный сигнал, включая хаос на его коротко-временных масштабах, и случайный шум. Анализируя экспериментальные данные, авторы пришли к решению использовать величину максимального давления для оценки уровня шума. Во всех рассмотренных ими случаях был найден относительно высокий уровень шума. Было выявлено, что более высокая нагрузка на ДВС приводит к более высокому уровню хаоса. Флуктуации (МЦН) при сгорании могут наблюдаться, если работа двигателя оптимизирована для обеспечения низкого расхода топлива или токсичности отработавших газов.
В работах отечественных специалистов тема нелинейной динамики в теории ДВС возникает нечасто. Наиболее последовательными попытками построения и исследования нелинейных моделей двигателей следует, по-видимому, считать работы [3, 16-20]. Отличительной характеристикой данного направления исследований является разработка непрерывных моделей, не содержащих случайных функций. В случае нахождения условий возникновения и существования детерминированного хаоса это позволит
исследовать его отдельно и определить вклад в МЦН, обусловленный нелинейными связями в ДВС на наиболее высоком структурном уровне.
Основные методы управления хаосом в дискретных и непрерывных динамических системах. Основная идея экспериментального исследования, рассматриваемого в настоящей работе, основана на применении одной из известных методик управления (подавления) хаосом. Если в системе экспериментально наблюдается детерминированный хаос, то применение какого-либо метода управления хаосом должно привести к упорядочиванию временного ряда, генерируемого системой, и к выходу на устойчивый предельный цикл.
Наиболее известными методами управления хаосом являются метод Отта-Гребоджи-Йорке и Пирагаса [21]. Первый из них (OGY-метод) заключается в стабилизации неустойчивого периодического решения хаотический системы обыкновенных дифференциальных моделей путем применения дискретных управляющих воздействий в виде обратной связи в некотором сечении Пуанкаре в окрестности неподвижной точки отображения, соответствующей искомому циклу. Метод Пирагаса использует обратную связь с запаздыванием, причем время запаздывания выбирается близким к периоду неустойчивого периодического решения.
Рассмотрим вкратце метод управления хаосом, изложенный в работе [21]. Сущность метода Магницкого управления хаосом в динамической системе заключается в следующем. Предположим, что в существующей динамической системе при заданном наборе параметров наблюдается хаотическое поведение, отражающее наличие в ней некоторого набора неустойчивых периодических траекторий. При этом ставится задача стабилизации одной из существующих хаотических траекторий и приведение исходной системы к устойчивому периодическому процессу. Согласно методу Магницкого такая процедура может быть связана с созданием расширенной динамической системы, имеющей более высокую размерность фазового пространства, такой, что неустойчивая траектория исходной системы является проекцией устойчивой периодической траектории расширенной системы [21].
Таким образом, возможна постановка задачи и поиск практического решения управления хаосом (МЦН) в ДВС, заключающихся в построении дополнительной системы, работающей в простейшем случае по дискретному закону (дискретный предельный цикл). Фазовой координатой дополнительной системы могут быть многочисленные параметры, которые являются или могут быть управляемыми в процессе работы ДВС (угол опережения зажигания, длительность подачи топлива, напряжение на электродах свечи и т.д.).
Подход к подавлению межцикловой неидентичности в автомобильном ДВС. Идея использования изложенных выше методов управления хаосом для подавления межцикловой неидентичности сгорания в ДВС может быть сформулирована следующим образом. Создается расширенная динамическая система, в которой роль новой переменной играет независимый параметр коррекции длительности подачи топлива. При этом простейшим типом поведения такой переменной может быть поочередная коррекция подачи топлива, обеспечивающая соответственно дополнение и сокращение базовой порции топлива через один цикл, определяемой длительностью впрыска. При этом предполагается, что в такой расширенной системе существует устойчивый предельный цикл, а работа ДВС при этом будет происходить в условиях подавления хаоса (МЦН). Очевидно, что такой устойчивый предельный цикл является циклом удвоенного периода (т.е., для четырехтактного ДВС этот период будет равен 8я). С другой стороны, учитывая, что в наблюдаемом стохастическом процессе при МЦН всегда присутствует случайный шум, такое подавление хаоса не будет абсолютным.
Для проверки сформулированного предположения было разработано и изготовлено специальное устройство (устройство управления длительностью впрыска - УУДВ). На рис.1 приведена блок-схема такого устройства в составе штатной системы управления двигателем, где обозначено: Ш - и4 - корректоры смещения времени подачи напряжения на форсунки двигателя; F1 - F4 - форсунки двигателя; S1 — S3 - кнопки блока управления корректорами; МК - микроконтроллер (в корректорах используются PIC12F629, в блоке управления корректорами -PIC16F628A); VT1 - VT2 - полевые транзисторы п-типа.
Работа устройства осуществляется следующим образом. При начальном включении устройства корректоры (Ш - и4) не вносят в работу двигателя никакого изменения.
При подаче питания на устройство (5 В) начинаются пульсации индикатора (цифры от 1 до 10), что соответствует режиму задания смещения времени подачи напряжения на форсунки двигателя (от 0,01 до 0,1 с дискретностью 0,01). Кнопками S1, S2 устанавливается смещение времени подачи напряжения на форсунки - увеличение, S2 - уменьшение).
При включении кнопки S3 индикатор перестаёт пульсировать, и в МК корректоров записывается установленное значение смещения времени подачи напряжения на форсунки двигателя - F4). После этого каждый корректор производит измерение времени подачи напряжения от блока управления двигателя на форсунки, делит эту величину на 100, умножает на установленное значение смещения, и полученное значение является
смещением времени подачи напряжения на форсунки двигателя.
Рис. 1. Блок-схема устройства коррекции подачи топлива
При отключённом устройстве сигнал с блока управления двигателем проходит без изменения на форсунки двигателя.
Результаты экспериментальных исследований. Эксперимент заключается в записи величин давления в одном из цилиндров двигателя на выбранной частоте холостого хода в течение заданного отрезка времени, составляющего примерно 100 рабочих циклов, а также других измеряемых параметров. Такой единичный эксперимент выполняется при двух вариантах работы системы топливоподачи:
- под управлением штатной системы (ЭБУ);
- под управлением УУДВ.
Как было показано выше, работа УУДВ (рис. 2) заключается в следующем: обеспечивается регулируемая обработка длительности импульсов впрыска топлива и на выходе формируются сигналы, представляющие собой чередующиеся импульсы, отличающиеся от исходных тем, что первый
сигнал является увеличенным на Ах, второй - уменьшенным на Ах (рис. 3). Степень коррекции сигнала задается в процентном соотношении и может варьироваться от 0 до 10%.
Рис. 2. Общий вид панели устройства управления УУДВ
При работе двигателя в установившемся режиме производится запись формы и длительности импульсов впрыска топлива.
Рис. 3. Осциллограммы сигналов управления
Перед началом проведения экспериментов осуществляется проверка противопожарных средств защиты, заправка топливного бака, включение систем вентиляции помещения и охлаждения двигателя, подключается стартерная аккумуляторная батарея, включается измерительное оборудо-
вание. Коробка передач, соединяющая двигатель с нагрузочным устройством, приводится в нейтральное положение, производится запуск двигателя и прогрев до рабочей температуры на холостых оборотах. При помощи диагностической программы производится мониторинг оборотов и температуры охлаждающей жидкости двигателя. Запускаются программные оболочки контроля базовой платформы и USB-осциллографа. Путем поворота на необходимый угол и последующей фиксации выставляются обороты, при которых будет проводиться эксперимент. При достижении расчетной нагрузки, начинается процесс сбора данных: включается усилитель в базовой платформе (производство фирмы «Kistler», Швейцария), USB-осциллограф запускается в качестве самописца. На установившихся оборотах производится запись необходимого количества временных рядов и сохраняется с присвоением порядкового номера, который заносится в протокол эксперимента. Параллельно производится запись и сохранение остальных текущих параметров. По окончании записи параметров на установившемся режиме производится эксперимент с использованием УУДВ. Для этого при помощи кнопок, расположенных на лицевой панели устройства, устанавливается величина смещения Дт (в %) длительности впрыска топлива. Временные ряды давлений в исследуемом цилиндре без использования и с использованием УУДВ приведены на рис.4 и 5.
USB-осциллограф используется также в качестве спектранализато-ра, указывающего частотную составляющую сигнала давления в цилиндре.
После проведения эксперимента полученные данные подвергаются обработке и анализу. Анализ заключается в построении диаграмм зависимости максимального давления последующего цикла от максимального давления предыдущего. В нелинейной динамике такие диаграммы называются диаграммой Ламерея.
Рис. 4. Временной ряд давления в цилиндре на режиме холостого хода (п = 1600 об/мин) без использования УУДВ. ДВС типа ЗМЗ-402.6
Рис. 5. Временной ряд давления в цилиндре на режиме холостого хода (п = 1600 об/мин) с использованием УУДВ (коррекция 6 %)
На рис.6 показан ряд экспериментальных диаграмм Ламерея, построенных для исследуемого двигателя на скорости 1500 об/мин без нагрузки при разных значениях величины изменения продолжительности подачи топлива от 0 до 9 % (последовательно от первой диаграммы к последней на рис.6, а-к).
Анализ зависимостей на рис. 6 показывает, что на больших величинах отклонений от штатной продолжительности впрыска существенно изменяется характер МЦН, заключающийся в появлении четкой клинообразной структуры расположения пиков давления. Например, на предпоследней диаграмме, соответствующей 8 % (рис.6, и), видно, что минимальные значения пиков соответствуют величине около 0,55 МПа. При этом максимальные давления пиков имеют разброс в диапазоне от 0,6 МПа до 1,0 МПа. Таким образом, первоначально хаотическая картина зависимости на рис.6, а выстраивается в более упорядоченную структуру. Это свидетельствует о влиянии работы УУДВ на характер МЦН.
Анализ также показал, что на низких оборотах наблюдается уменьшение неравномерности (уменьшение площади «пятна» разброса) при малых отклонениях УУДВ (1 и 2 %).
Экспериментальные исследования, выполненные в настоящей работе, показывают, что построение систем управления хаосом на основе известных методов, разработанных в нелинейной динамике, в частности, методе Магницкого, может быть перспективным направлением в изучении природы МЦН в ДВС с искровым зажиганием. Было установлено, что характер МЦН существенно изменяется при коррекции длительности подачи топлива на величину ±Ат (от 0 до 10 % базовой продолжительности впрыска). Для каждой частоты коленчатого вала наиболее упорядоченная картина распределения пиковых давлений наблюдалась при различных значениях Ат.
а
б
4
ЙтГ---
и .
•Р
м"
* > и У *Т| * и-; •
д
в
г
е
Е
Лй/*
ьГГХ,
и
к
Рис. 6. Характер влияния работы УУДВ на МЦН (масштаб давления 110-4 МПа на ед. по осям х и у)
з
Возникновение упорядоченной структуры диаграммы Ламерея полученных временных рядов требует более глубокого анализа и объяснения. С одной стороны, если бы хаотическая динамика МЦН полностью определялась стохастическими процессами, следовало ожидать иной формы диаграммы в случае использования УУДВ при относительно больших Дт. Возможно, что при этом первоначально распределенная область точек должна была бы постепенно делиться на две. Однако это не наблюдается, и минимальные значения пиков в половине циклов имеют гораздо меньший разброс по сравнению с максимальными. Такое поведения требует формирования некоторых предположений и их разработки.
Вариант управления длительностью подаваемого на форсунки сигнала, разработанный в настоящей статье, может служить для дальнейших исследований по повышению энергоэффективности ДВС с искровым зажиганием на частичных режимах. Действительно, сокращение длительности подачи топлива через цикл, по сути дела, является вариантом «частичного» отключения цилиндра.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт № П615 от 18.05.2010 г.
Список литературы
1. Федянов Е. А. Межцикловая неидентичность рабочего процесса и проблемы улучшения показателей ДВС с искровым зажиганием: дис ... д-ра техн. наук. Волгоград, 1999. С. 325-333.
2. Heywood J. B. Internal combustion engine fundamentals. Singapoore: McGraw-Hill Book Company. 1988. 930 p.
3. Агуреев И. Е. Нелинейные динамические модели поршневых двигателей внутреннего сгорания: Синергетический подход к построению и анализу: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2001. 224 с.
4. Combustion process in a spark ignition engine: Analysis of cyclic maximum pressure and peak pressure angle / G. Litak, T. Kaminski, J. Czarnigowski [et al.] // arxiv.org/abs/nlin/0611056.
5. Winsor R. E., Patterson D. J. Mixture turbulence - a key to cyclic combustion variation // SAE paper No. 730086, 1973.
6. Daily J. Cycle-to-cycle variations: a chaotic process? // Combustion Science and Technology 57. 1988. P. 149-162.
7. Kantor J. C. A dynamical instability of spark-ignited engines // Science. 224. 1984. P. 1233-1235.
8. Foakes A. P., Pollard D. G. Investigation of a chaotic mechanism for
298
cycle-to-cycle variations // Combustion Science and Technology. 90. 1993. P.281-287.
9. Chew L., Hoekstra R., Nayfeh J. F., Navedo J. Chaos analysis of in-cylinder pressure measurements // SAE paper No. 924486. 1994.
10. Use of the nonlinear dynamical system theory to study cycle-to-cycle variations from spark-ignition engine pressure data / C. Letellier, S. Meunier-Guttin-Cluzel, G.Gouesbet [et al.] // SAE paper No. 971640. 1997.
11. A simple model for cyclic variations in a spark-ignition engine / C. Daw, C.E.A. Finney, J.B.Green [et al.] // SAE Technical Paper Series, Paper 962086. 1996.
12. Observing and modeling nonlinear dynamics in an internal combustion engine / C. Daw, M.B. Kennel, C.E.A. Finney [et al.] // Physical Review E. 1998. Vol.57. №3. P. 2811-2819.
13. Time irreversibility and comparison of cyclic-variability models / J.B.Green, C. Daw, J.S. Armfield et al. // SAE paper No. 1999-01-0221. 1999.
14. Nonperiodic oscillations in a spark ignition engine / M. Wendeker, G. Litak, J. Czarnigowski [et al.] // Int. J. Bifurcations and Chaos. 14. 2004. P.1801-1806.
15. Combustion process in a spark ignition engine: dynamics and noise level estimations / T. Kaminski, M. Wendeker, K. Urbanowicz [et al.] // Chaos. 14. 2004. P.461-466.
16. Агуреев И. Е., Малиованов М. В. Динамика и синергетика поршневых двигателей внутреннего сгорания // Двигателестроение, № 2. 2001. С. 36-39.
17. Агуреев И. Е. Синергетический подход к анализу динамики тепловых двигателей с произвольным механизмом преобразования движения. Известия ТулГУ. Вопросы проектирования и эксплуатации автотранспортных средств и систем: 1995. С. 163-171.
18. Агуреев И. Е., Ахромешин А. В. Моделирование межцикловой неидентичности рабочих процессов в поршневых двигателях внутреннего сгорания // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 1. С. 229-234.
19. Агуреев И. Е., Власов М. Ю., Волков А. И. Применение нелинейных динамических моделей двигателей внутреннего сгорания для построения скоростных и нагрузочных характеристик // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 3. С.492-502.
20. Агуреев И.Е., Безгубов А.П., Темнов Э.С. Техника экспериментальных исследований для повышения эффективности показателей двигателей внутреннего сгорания // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 5. С.289-298.
21. Магницкий Н. А., Сидоров С. В. Новые методы хаотической ди-
намики. М.: Эдиториал УРСС, 2004. 320 с.
I. E. Agureev, E. I. Minakov, M. Yu. Vlasov, E. S. Temnov
THE EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE CYCLE-BY-CYCLE VARIATIONS IN A SPARK IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE
The questions connected with experimental researches of the cycle-by-cycle variations (CCV) in the work processes of a spark ignition internal combustion engine (ICE) are considered in the paper. The short observation of the articles devoted to the investigation of non-linear effects in the ICE (determined chaos, bifurcations) connected with CCV is given. The describing of the experimental equipment, the order of experiments, the results and their analysis are presented.
Key words: internal combustion engines, cycle-by-cycle variations, experimental researches
Получено 20.07.12
