Методологические подходы к моделированию дизельного двигателя

разработку научно обоснованных мер по снижению загрязнения окружающей среды в суровых условиях эксплуатации - развитие методологических основ теории суровости условий эксплуатации и приспособленности автомобилей к этим условиям. При решении данной задачи, в первую очередь, необходимо выбрать факторы, оказывающие наибольшее влияние на изучаемый процесс, и определить действительное отношение факторов к рассматриваемым объектам, а также выявить закономерности влияния факторов друг на друга.

Список литературы

1.Магарил Е.Р. Интегральная оценка токсичности отработавших газов //Автомобильная промышленность. - 1998. - №3.

2. Резник Л.Г. Индекс суровости условий эксплуатации машин //Нефть

и газ. - 2000. - №1.

УДК 629.113:574 Я.А. Борщенко

Курганский государственный университет

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Аннотация

В статье определены основные подходы к моделированию дизеля. Представлена структура математической модели дизеля. Представлена оценка адекватности математической модели.

Ключевые слова: дизель, математическая модель, двигатель внутреннего сгорания.

Y.A. Borshchenko Kurgan State University

^E METHODOLOGICAL APPROACHES TO DIESEL ENGINE SIMULATION

Annotation

In a paper the basic approaches to diesel engine simulations are defined. The structure of mathematical model of a diesel engine is submitted. The estimation of adequacy to mathematical model is submitted

Key words: a diesel engine, mathematical model, internal combustion engine.

Широкое внедрение персональных компьютеров и достаточно полное математическое описание разнообразных физических и химических процессов позволяет эффективно использовать математические модели в научных и практических целях.

В настоящее время математические модели отдельных систем и узлов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) получили распространение при проектировании и доводке ДВС. Однако полные математические модели ДВС в целом встречаются редко и зачастую имеют достаточно большой процент эмпирических зависимостей [1], что не позволяет использовать эти модели для различных ДВС. Отсутствие комплексных математических моделей ДВС и дизеля в частности определяется также высокой сложностью двигателя как технической системы.

Сфера технической эксплуатации как для автомобиля в целом, так и для двигателя имеет широкий спектр

задач, которые позволяет решать математическое моделирование. К таким задачам относятся:

• изучение влияния неисправностей систем двигателя на показатели рабочего цикла, индикаторные и эффективные показатели;

• изучение влияния конструктивных параметров систем двигателя на показатели рабочего цикла, индикаторные и эффективные показатели;

• разработка новых методов диагностирования двигателя;

• определение оптимальных показателей регулировки систем ДВС для конкретных условий эксплуатации;

• разработка рекомендаций изготовителям ДВС и его систем на основании определения более точных регулировок систем двигателя и оптимизации конструкций элементов двигателя.

Многоцилиндровый дизельный двигатель - открытая неоднородная динамическая стохастическая система. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - открытая система, поскольку в процессе работы осуществляется обмен рабочим телом с окружающей средой (на тактах наполнения и выпуска). Двигатель - неоднородная система, потому что процессы, определяющие его функционирование, имеют различную природу. К ним относятся, например, процессы чисто механические (преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное), физико-химические (распыливание и сгорание топлива, образование токсичных компонентов, сажи), теплообмена и газодинамики и др. Динамичность ДВС определяется цикличностью рабочих процессов в системах двигателя, что особенно проявляется на пусковых и переходных режимах. Образование износов определяет характер работы двигателя как вероятностный.

ДВС имеет основные отличительные признаки произвольной сложной технической системы, из которых можно выделить следующие: многообразие выполняемых функций; сложный и разветвленный характер взаимодействий между элементами; сложный, разветвленный характер системы управления; зависимость характеристик системы от взаимодействия с внешней средой; наличие тенденции временного ухудшения характеристик.

В процессе работы дизельный двигатель выполняет разнообразные функции: дозирование, распыливание и сжигание топлива, преобразование одного вида движения в другой. На рис. 1, 2 представлены структурные схемы моделирования двигателя в целом и отдельного цилиндра. Целью нашего моделирования было выявление степени влияния различных конструктивных регулировочных параметров на неравномерность вращения коленчатого вала как на стационарных, так и на неустановившихся режимах.

Отличительной особенностью данной модели является минимальное количество эмпирических зависимостей, определение как эффективных показателей всего двигателя, так и отдельных параметров и характеристик отдельных систем, таких как система топливоподачи, система газораспределения, параметры рабочих процессов в отдельных цилиндрах. Взаимодействие основных блоков моделирования показано на рис.1,2.

Модель представляет собой упорядоченную, информационно-взаимосвязанную совокупность математических моделей рабочих процессов в отдельных узлах и агрегатах двигателя. В состав этой системы входят следующие основные блоки:

- управляющая программа, обеспечивающая возможность полного расчета всего двигателя. Эта программа, являющаяся главной, определяет взаимосвязи элемен-

тов системы, производит их информационную стыковку. Программа предусматривает ввод и контроль всех исходных данных, определение ресурсов для запроса на ЭВМ;

- проблемно-ориентированные блоки, предназначены для расчетов отдельных элементов конструкции двигателя. Эти блоки несут основную нагрузку в процессе функционирования модели.

Одно из основных требований к моделям - досто-

верность результатов моделирования. При этом требуется обеспечить точность и экономичность методов расчета. О точности расчета чаще всего судят по результатам сравнения расчета и эксперимента на прототипе. Критерием экономичности могут служить затраты на машинное время, память и исходную подготовку данных для расчета. В нашем случае машинное время расчета показателей без вывода графиков составляет 2-3 мин, при

2

Блок ввода исходных данных моделирования

тН

го

> 1-

Ф

о т и го о

Блок расчета показателей рабочих процессов

л >

о

а т е ч с

а р

И—

3 Блок расчета индикаторных показателей двигателя

4 Блок расчета сил инерции двигателя

5

Блок расчета механических потерь двигателя

6 Блок расчета эффективных показателей

двигателя и угловой скорости коленчатого вала

7 Блок расчета ф п.к.в.

8 Блок расчета всережимного регулятора мощности

9

Блок вывода результатов моделирования

Рис. 1. Структурная схема алгоритма моделирования многоцилиндрового дизельного двигателя

1

Рис. 2. Структурная схема алгоритма моделирования одного цилиндра

использовании ЭВМ типа «Пентиум 11-433».

При моделировании сложных систем применяются эмпирические и аналитические и численные математические модели. Эмпирические (статистические) -результаты обработки экспериментальных исследований специальными математическими методами. Такие модели малоинформативны, поскольку дают только количественную картину влияния измеряемых величин на исследуемый процесс. Регрессионные модели, полученные по результатам испытаний одного двигателя, весьма условно могут быть распространены на другие ДВС. Однако зависимости подобного рода могут быть включены по следующим причинам:

1. Далеко не все процессы, происходящие в ДВС, поняты и изучены, а потому такой способ является единственным, дающим приемлемый результат.

2. Для построения какой-либо теории процесса и его описания с аналитической точки зрения требуется

огромный по объему анализ экспериментальных данных. В этом анализе могут быть полезны эти модели. Кроме этого, такой анализ может служить отправной точкой при построении физического описания явления. Яркий пример - формулы Вибе, описывающие процессы выгорания топлива. Они были получены эмпирическим путем, однако обладают определенным физическим смыслом.

Аналитические модели стоят на порядок выше эмпирических, поскольку они в меньшей степени зависят от эксперимента. Такие модели позволяют усмотреть некоторые особенности процесса, оставшиеся за чертой внимания при эксперименте. Несмотря на достоинства, аналитические модели имеют и недостатки, главный из которых - уравнения математической физики имеют аналитическое решение в заданных границах. В результате приходиться вводить упрощения, что приводит к снижению точности и универсальности метода.

Численные модели позволяют устранить частично

главный недостаток аналитических моделей. Применение высокопроизводительных ЭВМ позволяет решать задачи, аналитически не имеющие решения. В данных моделях применяют три метода: конечных разностей (МКР), конечных элементов (МКЭ) и интегральных граничных уравнений (МГУ). Все эти методы имеют дискретное решение в конкретных точках, а не в виде непрерывных функций.

В представленной модели применяются все три типа моделей, опираясь в основном на численные методы решения аналитических зависимостей. В ограниченном количестве применяются эмпирические модели -эффективные проходные сечения отверстий, сопел, клапанов [5].

В разработанной комплексной модели используются принципы моделирования топливоподачи, разработанные И. Астаховым [2] и Б. Файнлейбом [6]. При расчете процессов газообмена используется методика, предложенная С.И.Горб [4], G.Woschni [9], G.Hohenberg [8], И.Н.Вибе [3]. Работа механических потерь рассчитывается по методу предложенному F. Rezeka, A.Henein [7].

Следует более подробно остановиться на входных и выходных параметрах разработанной модели. Исходными параметрами для моделирования рабочего цикла являются: размеры цилиндра, степень сжатия, давление и температура на впуске, геометрические размеры газораспределительного механизма, физико-химические параметры топлива, показатели, характеризующие протекание процесса сгорания. Детальное моделирование топливной аппаратуры позволяет в качестве исходных данных использовать геометрические размеры плунжерной пары, наполнительного и отсечного окон, нагнетательного клапана, трубопровода, распылителя в форсунке, жесткости пружин в форсунке и нагнетательном клапане, исходные регулировочные данные, такие как начальное давление открытия нагнетательного клапана и иглы форсунки, начальный угол геометрической подачи топлива. Задается также геометрия кулачкового привода ТНВД и ГРМ. Для моделирования всережимного регулятора частоты вращения дизеля задаются геометрические и кинематические параметры регулятора. Необходимые исходные данные определялись как по справочным материалам,так и прямым измерением элементов систем прототипа.

Комплексная модель позволяет моделировать работу дизеля на любых режимах, за исключением режима пуска. Выходными параметрами рабочего цикла являются давление и температура и другие показатели рабочего цикла, такие как -qv, а, уост, во всех точках индикаторной диаграммы. Полученная индикаторная диаграмма позволяет получать индикаторные показатели дизеля: Р., N, "Л ,, g, а также показатели механических потерь в двигателе NM "Л , и конечно эффективные показатели дизеля: Р, N^ "Л , g , а также мгновенные и средние значения угловой скорости и углового ускорения коленчатого вала.

Модель была реализована в программе на языке программирования «Visual Basic 6».

Одно из основных требований к моделям - достоверность результатов моделирования. При этом требуется обеспечить точность и экономичность методов расчета. О точности расчета чаще всего судят по результатам сравнения расчета и эксперимента на прототипе.

Был проведен стендовый эксперимент на двигателе КАМАЗ-740, в результате были получены экспериментальные зависимости показателей неравномерности

угловой скорости и углового ускорения от неисправностей систем дизеля. Для определения точности модели рассмотрим зависимости кривых угловой скорости на трех основных режимах работы дизеля, рис. 3-4.

Анализ полученных результатов подтвердил достаточную точность и адекватность модели.

65.0 -

62.5

00.0

57,5

55.0

k 1 ................/"\.....

........\............../ ЧУ \ Ч; 4

90 135 180 225

Эксперимент - модепь

я

с? 200

100

о

-100

-200

-300

-too

/\__________

J уд....... А

h.........1 // \\ / \\ /\

/ \ Х\ 1 V

J \\ ...... и..... / \\ 1 у. \ \\

/ ч Ч у If \ i \\

/ \| / \ i1 V

90

Эксперимект

180

270 щвкв 360 модель

Рис.3 .Изменение угловой скорости (а) и углового ускорения (б) на режиме холостого хода

200 о -200

лА /V \ / Л 1 д

А л \ ( / \ \ , \ ......... л\ /Л

\ \ 1 \

7 \ \ X

1 X / / \ \ №..................-....... у) v

90 100

- Эксперимент — а

170

155

90

Эксперимент

180

270 пкв 360 модель

Рис. 4. Изменение угловой скорости (а) и углового ускорения (б) на режиме свободного ускорения

Критерием экономичности могут служить затраты на машинное время, память и исходную подготовку данных

б

б

для расчета. В нашем случае машинное время расчета показателей без вывода графиков составляет 2-3 мин, при использовании ЭВМ типа «Пентиум II-433».

Предлагаемая схема модели дизеля эффективна как с конструкторской точки зрения, для доводки систем и ДВС в целом, так и для специалистов, которые эксплуатируют автомобили, с целью выявления факторов и оценки степени влияния на эффективные показатели дизеля и отдельных его систем.

Список литературы

1.Кузнецов Е.В. Математическая модель рабочего процесса дизеля// Автомобильная промышленность.- 2000. - №6. - С.9-12.

2.Астахов И.В., Трусов В.И. и др. Подача и распыливание топлива в дизелях. - М.,Машиностроение,1971. - 359 с.

3.Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Москва-Свердловск:-Машгиз, 1962. - 412 с.

4.Горб С.И. Моделирование судовых дизельных установок и систем управления: Учеб. Пособие для вузов. - М, Транспорт, 1993. - 134 с.

5.Разработка метода диагностирования автомобильных дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала (диссертация) / Дис. ... канд. техн. наук. - Тюмень, 2003. - 174 с.

6. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей:

Справочник - Л., Машиностроение, 1990, 352с., ил.

7.F. Rezeka, A.Henein A new Approach to Evaluate instantaneous friction

and its components in intenal combustion engines, SAE №840179, 1984.

8.Hohenberg G. Berechnung des Gasseitien Warmeuberganges in Diselmotoren // Motortechnische Zeitschrift (MTZ), 1980, 41 №7/8, 321-326.

9.Woschni G. Ein Method zur Vorausberechnung der Änderung des Brennverlaufs Mittelschnellaufender Dieselmotoren bei geanderten Betriebsbedingungen // Motortechnische Zeitschrift (MTZ), 1973, 34 №4, 106-115.

УДК 629.113:574 Я.А. Борщенко

Курганский государственный университет

ПРОБЛЕМА ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТО И Р АВТОМОБИЛЕЙ НА АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Аннотация

В статье рассмотрена проблема выбора технологического оборудования для ТО и Р автомобилей на автотранспортных предприятиях, определены основные методы выбора оборудования, обосновано применение метода анализа иерархий. Представлен алгоритм программного обеспечения и результаты тестирования на примере станции технического обслуживания автомобилей.

Ключевые слова: автомобиль, технологическое оборудование, оптимизация, анализ, иерархия.

Y.A. Borshchenko Kurgan State University

CHOICE PROBLEM OF THE PROCESS EQUIPMENT FOR MAINTENANCE SERVICE AND CAR REPAIRS IN THE MOTOR TRANSPORTATION ENTERPRISES

Annotation

In a paper the choice problem of the process equipment is considered for that and р cars the motor transportation enterprises, the basic methods of a choice of the equipment are defined, is justified application of a method of the analysis of hierarchies. The algorithm of the software and results of testing on an example of servicing deport of cars is presented.

Key words: the car, the process equipment, optimisation, the analysis, hierarchy

Усложнение конструкции автомобиля требует более сложных технических комплексов, как правило, на базе ЭВМ, и соответственно более высокой квалификации персонала. Задача качественного ТО и Р актуальна не только для автотранспортных предприятий, но и для предприятий автосервиса, где оказание качественных услуг по ТО и Р автомобилей - залог конкурентоспособности фирмы. В настоящее время наблюдается тенденция разделения АТП на предприятие, основной целью которого является перевозочные услуги, и станцию ТО и Р автомобилей. Одной из причин этого является значительное усложнение технологических процессов ТО и Р.

Рассматривая проблему качества выполнения работ по ТО и Р на первый план выходит соблюдение технологии работ, а иногда и разработка новых технологических процессов в соответствии с внедряемым технологическим оборудованием.

В настоящее время номенклатура технологического оборудования для ТО и Р автотранспорта исчисляется тысячами наименований и разнообразна как по производителям, так и по назначению. Объяснений этому факту несколько: возрастающая роль сложных приборных комплексов для ТО, диагностирования и ремонта автомобилей на современном этапе в автотранспортном комплексе, условия рыночной экономики, расширяющийся круг конкурирующих фирм и предприятий в сфере технологического оборудования автосервиса, многообразие марок и моделей автотранспорта как в России, так и за рубежом .

Таким образом, большинство предприятий, занимающихся ТО и ремонтом автомобилей, стоят перед сложным выбором: подбор, обновление, модернизация набора технических средств диагностирования, технического обслуживания и ремонта современных автомобилей.

Сложность выбора определяется набором критериев и ограничений, в том числе стоимостью, функциональностью, рекомендациями фирм- производителей, и т. д.

В настоящее время сформировалось несколько подходов к решению данной проблемы.

Одним из основных подходов при выборе - технологический принцип, согласно которому набор оборудования должен соответствовать технологическому процессу, а он, в свою очередь, рекомендациям завода-изготовителя автомобиля. Важность этого принципа состоит в возможности выполнения работ на должном уровне качества, а с точки зрения оказания услуг автосервиса -удовлетворить потребности клиентов в конкретных услугах на 100%. Представим характеристики подходов в виде схемы, рис. 1.