Расчет процесса топливоподачи тепловозного дизеля на маловязком топливе

References

1. Shantarenko S. G., Belan D. Iu., Laptev A. A. Contact interaction of the collector and heat power processes in the anchor chain of the traction motor [Kontaktnoe vzaimodeistvie na kollektore i teploenergeticheskie protsessy v tsepi iakoria tiagovogo elektrodvigatelia]. Vestnik transporta Povolzh'ia - Bulletin of the Volga transport, 2009, no. 1 (17), pp. 55 - 62.

2. Iurasov O. D., Bublik V. V., Gateliuk O. V. Study switching the traction motor running in reverse mode [Issledovanie kommutatsii tiagovogo elektrodvigatelia, rabotaiushchego v rezhime reversa]. Materialy vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem (Proceedings of All-Russian-tion of scientific and technical conference with international participation). - Omsk, 2014, pp. 189 - 194.

УДК 629.424.14.004:621.436

В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

НА МАЛОВЯЗКОМ ТОПЛИВЕ

Выполнен анализ способов расчета топливоподачи в дизелях, учитывающих свойства топлива. Предложена методика, позволяющая расчетом оценить влияние физических и энергетических свойств на мощность и экономические показатели дизельного двигателя. Сформулированы условия эффективной работы дизеля на маловязких сортах и марках топлива, включающие в себя как регулировочные, так и конструктивные изменения в системах топливоподачи.

Динамика подачи топлива в дизелях достаточно полно оценивается так называемой характеристикой впрыска топлива в дифференциальной или интегральной формах [1, 2]. Первая характеризует скорость поступления топлива в камеру сгорания, а вторая - долю впрыснутого топлива (рисунок). Важным критерием впрыска является продолжительность впрыска Ф , показывающая время (в градусах поворота коленчатого вала), в течение которого топливо поступает в цилиндр [ 1].

Задачей расчета топливоподачи является определение суммарного количества топлива, подаваемого в цилиндр дизеля за цикл, и его распределение во времени (закон впрыска). Исходными данными являются конструктивные параметры топливной аппаратуры и физические свойства топлива. Возможно решение обратной задачи, если требуется по заданному закону впрыска определить параметры топливной аппаратуры [1 - 6].

При разработке математической модели впрыска топлива в дизелях используются обычно три вида уравнений [1].

1. Уравнение для расчета давлений в топливных системах, заполненных топливом, для чего используются уравнения нестационарного движения жидкости в частных производных [1, 2].

Для одномерного адиабатического течения невязкой жидкости эти уравнения имеют следующий вид:

уравнение неразрывности -

др / дг + рди/дх + идр / дх = 0,

где p, ^ р - соответственно давление топлива, скорость его движения и плотность;

уравнение количества движения в форме Эйлера -

ди/дг + иди / дх +1/рдр / дх = 0.

В практике расчетов уравнения (1), (2) упрощаются путем линеаризации, полагая изменение плотности р малым, так что из обоих уравнений исключают нелинейные члены иди/ах и Шр/дх.

2. Уравнение для ресчета объемного расхода топлива через дроссель имеет вид:

£ = цД/ ( 2/ р)Лр,

где ^ - коэффициент расхода;

/ - площадь проходного сечения; Лр - перепад давления.

3. В качестве третьего уравнения используется дифференциальное уравнение движения подвижных элементов - нагнетательного клапана и иглы распылителя.

На основе этих уравнений разработаны способы расчета топливоподачи, позволяющие найти параметры впрыска, необходимые для анализа процессов смесеобразования и сгорания топлива в дизеле [1, 2, 6, 8].

т. 1 - начало впрыска; т. 2 - начало горения; т. т - точка максимального изгиба кривой горения; т. 3 - максимальное давление цикла Ртах; Рс - давление «чистого» сжатия (без впрыска топлива);

Р - текущее давление в цилиндре;

ПЗВ - период задержки воспламенения.

МПа

Индикаторные диаграммы

Р, Рс

Определение «жесткости» рабочего цикла: ^

максимальная «жесткость»

(аРМф^ах = 1§аь

Среднее значение «жесткости»:

(<1РЛ1ф)Ср. = 1§02

О - характерные точки

Диаграммы и характеристики рабочего процесса дизеля

При переводе двигателей с самовоспламенением от сжатия на маловязкое топливо (ди-метиловый эфир (ДМЭ), спирты, сжиженный газ, легкий газовый конденсат и др., прежде всего альтернативные) по способу непосредственного впрыска рабочий цикл дизеля сохраняется неизменным, так как при использовании указанного метода одно жидкое топливо (дизельное) заменяется другим (маловязким). Поэтому типовая схема теплового расчета дизеля при некоторых уточнениях применима и для работы на маловязком топливе [1, 3].

Маловязкое и дизельное топливо отличаются друг от друга физико-химическими свойствами (вязкостью, плотностью, сжимаемостью, теплотой сгорания, фракционным составом, цетановым числом и др.). Поэтому ряд исходных расчетных данных, в частности, теплота сгорания и элементарный состав топлива, теплоемкость и энтропия продуктов сгорания, будут иметь различные значения для применяемого топлива.

При переводе дизеля на маловязкое топливо [3, 7, 8] по способу непосредственного впрыска оптимальным решением является сохранение его основных параметров: мощности и экономичности. Рассмотрим, возможно ли выполнение этих требований.

Типовые диаграммы и характеристики процессов сгорания, топливоподачи и тепловыделения, приведенные на рисунке, позволяют выполнить полный совместный анализ процессов в дизеле, полученных как теоретически, так и из эксперимента [3, 6 - 8]. Приведенный нами рисунок дополнен методом определения параметров «жесткости» рабочего цикла дизеля, работающего на разных сортах топлива.

Известно, что эффективная мощность четырехтактного дизеля при одинаковых внешних условиях на дизельном топливе [1 - 5]

^ед .

632 • 2

на маловязком топливе

^ем = 7^7 ^^м^ЛЖм ,

632 • 2

где Vh - общий объем цилиндров, л;

п - число оборотов вала двигателя, мин-1; Qн - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; - коэффициент наполнения;

и Лм - индикаторный и механический КПД двигателя. Из сопоставления уравнений (4) и (5) получим:

дт _ дт QмУумЛгмУм.м

ем ед ^ *

м.д

Отсюда следует, что мощность дизеля на маловязком топливе может быть сохранена при выполнении следующего условия:

бм ЛvмЛiмЛм

^м !ум пм 'м.м бдЛУдЛдЛм.д

= 1*

В приведенном равенстве (7) наибольшее значение имеет отношение теплоты сгорания топливовоздушных смесей 0м/0д.

Пример 1. Значения указанной теплоты сгорания топливовоздушной смеси, например, при а = 1, можно определить так: для дизельного топлива -

б = Ла;

4190

О =-= 292 кДж/кг;

д 14,33-1

для маловязкого топлива (например для сжиженного газа) -

Ом =°-;

А)ма

О = = 348,5 кДж/кг,

м 13,2-1

где Ь0 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг топлива.

Поскольку воздух содержит кислорода по объему приблизительно 21 %, то теоретическое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

1 ( С Н О ^

=---1----, моль/кг,

0 0,211 12 4 32)

где С, П O - содержание углерода, водорода и кислорода в топливе в долях.

При молекулярном весе воздуха д = 28,95 теоретическое количество воздуха по весу для сгорания 1 кг жидкого топлива Ь'а = 28,95 - , кг/кг.

Теплотворность смеси маловязкого топлива с воздухом может весьма незначительно (как в примере) отличаться от теплотворности топливовоздушной смеси дизельного топлива. Поэтому сохранение мощности двигателя на маловязком топливе вполне возможно, хотя при этом может иметь место некоторое снижение а из-за увеличения Ь0 в случае использования топлива малой вязкости даже при обеспечении равной экономичности на обоих сортах топлива. Последнее обстоятельство на серийных дизелях будет целиком определяться параметрами топливоподачи (главным образом величиной цикловой подачи, коэффициентом подачи) и углом опережения впрыска маловязкого топлива, который чаще всего нужно увеличить

[1 - 4, 7].

Величину цикловой подачи топлива (весовое либо объемное количество), впрыскиваемого в цилиндр четырехтактного двигателя за один цикл при номинальных N и п, можно определить по выражениям:

т/ ЪеЫе -1000 3

V =-, мм3;

КРт  60 17 ЪеЫе

Vц = > г/цикл; 30т

V =-^т ц 60гаА

г/цикл,

где От - часовой расход топлива на дизель, г/ч; г - число цилиндров дизеля; 2 - тактность дизеля;

Ье - удельный эффективный расход топлива, г/кВт-ч; п - число оборотов валика топливного насоса, мин1. Диаметр плунжера ТНВД определяют по выражениям [1, 2, 6], мм:

< =

4К

КртК'

<=с ^

<

<

з „

где рт, Кг, С, итв, ^ — соответственно плотность топлива, г/см ; активный ход плунжера, см;

эмпирический коэффициент [6] - для четырехтактных дизелей, равный 4,4 - 5,0; число оборотов валика топливного насоса в минуту; коэффициент подачи (для золотниковых насосов равный 0,7 - 0,9).

Расчетная формула для ^, полученная в работе [8], уточнена нами для легких сортов жидкого топлива.

Тогда коэффициент подачи ^, характеризующий отношение действительного объема топлива за цикл к теоретическому геометрическому объему, описанному плунжером на полезном участке его входа,

V — V V к / ч ч V + V

^ = ^ = 1 - ^ = 1 - к

* а * а ^ * а

где V, V, к, V, р2, р , асж, р, V, V - соответственно объем, описываемый плунжером за активный ход, см3; «потеря» объема за счет сжатия маловязкого топлива; коэффициент, зависящий от геометрических размеров прецизионной камеры; кинематическая вязкость топлива; давление в надплунжерном пространстве (в момент открытия иглы форсунки), кг/см2; давление подкачки топлива; коэффициент сжимаемости топлива, см2/кг; давление в надплунжер-ном пространстве в конце хода всасывания; объемы надплунжерного пространства и нагнетательного трубопровода с учетом полости форсунки, см3.

Полученная зависимость учитывает влияние вязкости топлива (и утечек соответственно), его сжимаемости и может быть использована для приближенной оценки коэффициента подачи топливной системы при ее работе на различных сортах топлива. Например, коэффициент подачи топлива системы дизеля 4410,5/13, определенный экспериментально, составляет: на сжиженном газе - 0,7, бензине - 0,78 (вязкость которых сопоставима с вязкостью ДМЭ, легкого газового конденсата, метанола и др.) и дизельном топливе - 0,86, а по формуле соответственно будет 0,68; 0,76 и 0,85. Расчетное значение ^ для ДМЭ составило 0,566, а для метанола - 0,81.

Имея возможность подсчитать ^, можно определить диаметр плунжера топливного

насоса для обеспечения номинальной мощности серийного дизеля на маловязком топливе. Тогда можно записать [6]:

ж12и , . _

К = К рЛ , г/цикл.

Пример 2. Для четырехтактного двигателя 8ЧН 12/13 мощностью 220 кВт общее количество топлива за впрыск, или цикловая подача (мм3/цикл), определится выражением:

Ъеые -1000

Чрт • 60

Vц = е е _ ;

220 - 220 -1000 _ 3

V =-= 100, мм3,

ц 8-1200 - 0,82 - 60

где Ъе - удельный эффективный расход топлива, 220 г/(кВтч); N - эффективная номинальная мощность, 220 кВт; г - число цилиндров, 8; пн - частота вращения вала насоса,

1 3 3

1200 мин- ; рт - плотность топлива, 0,82 г/см , или 820 кг/м .

Таким образом, для устойчивой и безотказной работы дизельной топливной аппаратуры на маловязком топливе необходимо

выбирать величину давления подачи (подкачки) к насосу высокого давления с таким расчетом, чтобы исключить возможность уменьшения массы топлива во всасывающей магистрали топливной системы;

предусмотреть непрерывную циркуляцию маловязкого топлива в топливной системе дизеля;

для сохранения номинальной мощности серийного дизеля при непосредственном впрыске компенсировать возможное снижение производительности топливной системы путем перерегулировки топливного насоса (уменьшение давления затяга пружины форсунки и увеличение угла опережения впрыска) или замены серийных плунжерных пар парами большего диаметра (с целью увеличения цикловой подачи);

при отработке рабочего цикла дизеля учитывать изменение параметров впрыска при возможном снижении давления впрыска, увеличении продолжительности и запаздывании подачи.

Список литературы

1. Свиридов, Ю. Б. Топливо и топливоподача автотракторных дизелей [Текст] / Ю. Б. Свиридов, Л. В. Малявинский, М. М. Вихерт. - Л.: Машиностроение, 1979. - 248 с.

2. Фомин, Ю. Я. Топливная аппаратура дизелей [Текст] / Ю. Я. Фомин, Г. В. Никонов, В. Г. Ивановский. - Л.: Судостроение, 1989. - 344 с.

3. Ведрученко, В. Р. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей [Текст]: Монография / В. Р. Ведрученко, И. И. Малахов / Омский ин-т водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ». - Омск, 2012. - 172 с.

4. Ведрученко, В. Р. Разработка приближенной математической модели связи процессов впрыска и сгорания топлива в дизельных энергетических установках локомотивов [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Е. С. Лазарев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2014. - № 4 (20). - С.18 - 28.

5. Ведрученко, В. Р. Исследование динамики системы топливоиспользования дизельных энергетических установок [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2014. - № 2 (18). - С. 47 - 55.

6. Ваншейдт, В. А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей [Текст] / В. А. Ваншейдт. - Л.: Судостроение, 1969. - 640 с.

7. Фофанов, Г. А. Альтернативные виды топлива на подвижном составе железнодорожного транспорта [Текст] / Г. А. Фофанов, Д. Н. Григорович, А. С. Нестрахов // Труды ВНИИЖТа / Научно-исследовательский ин-т ж.-д. трансп. - М., 2008. - 143 с.

8. Семенов, Б. Н. Применение сжиженного газа в судовых дизелях [Текст] / Б. Н. Семенов. - Л.: Судостроение, 1969. - 176 с.

References

1. Sviridov Iu. B., Maliavinskii L. V., Vikhert M. M. Toplivo i toplivopodacha avtotraktornykh dizelei (Fuel and fuel supply in motor-vehicle and tractor diesels). Leningrad: Mashinostroenie, 1979, 248 p.

2. Fomin Iu. Ia., Nikonov G. V., Ivanovskii V. G. Toplivnaia apparatura dizelei (Fuel equipment of diesels). Leningrad: Mashinostroenie, 1989, 344 p.

3. Vedruchenko V. R., Malahov I. I. Alternative fuel sorts for ship diesels: monografiia (Alter-nativnye vidy topliva dlia sudovyh dizelei: monograph). Omsk, 2012, 172 p.

4. Vedruchenko V. R., Krainov V. V., Lazarev E. S. Creating an approximate math model of relations between injection and burning in locomotive diesels [Razrabotka priblizhennoi ma-tematicheskoi modeli sviazi processov vpryska I sgoraniia v dizel'hyh energeticheskih ustanovkah lokomotivov]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 4 (20), pp. 18 - 28.

5. Vedruchenko V. R., Krainov V. V. Research of dynamics of diesels fuel supply system [Is-sledovanie dinamiki sistemy toplivoispol'zovaniia dizel'nyh energeticheskih ustanovok]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 2 (18), pp. 47 - 55.

6. Vanshteidt V. A. Konstruirovanie i raschety prochnosti sudovyh dizelei (Constructing and calculating of ship diesels strength). Leningrad: Sudostroenie, 1969, 640 p.

7. Fofanov G. A., Grigorovich D. N., Nestrahov A. S. Alternative fuel sorts for rolling-stock [Al'ternativnye vidy topliva na podvizhnom sostave zheleznodorozhnogo transporta]. Trudy VNIIZhTa - Proceedings VNIIZhT, 2008, 143 p.

8. Semenov B. N. Primenenie szhizhennogo gaza v sudovyh dizeliah (Using of liquefied gas in ship diesels). Leningrad: Sudostroenie, 1969, 176 p.

УДК 004.942

О. В. Гателюк, А. А. Комяков, В. В. Эрбес

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУР НЕЧЕТКОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В настоящее время нечеткие нейронные сети нашли широкое применение при моделировании сложных производственных процессов. В статье рассмотрено применение нечеткой логики для формирования математической модели электропотребления на железнодорожном транспорте на примере тяговой подстанции Дорогино. Представлен алгоритм выбора структуры нечеткой нейронной сети, в том числе вида и коли -чества функций принадлежности на входе и количества циклов обучения. Выполнен сравнительный анализ полученных структур путем оценки средней квадратической ошибки.

В настоящее время моделирование системы тягового электроснабжения широко применяется при решении различных прикладных задач, таких как расчет пропускной способности участков, оценка степени загруженности и надежности элементов системы электроснабжения, нормирование расхода электрической энергии [1 - 5] и др. Одним из наиболее эффективных инструментов для создания моделей электропотребления являются нечеткие нейронные сети (ННС) [6].

При использовании нечетких систем в исследованиях процессов электропотребления появляется возможность делать четкие выводы в условиях нечеткости, что позволяет использовать эти системы при решении конкретных задач. Нечеткие системы можно применять для анализа процессов электропотребления как с большим, так и с малым количеством влияющих факторов. В отличие от математических методов, требующих на каждом шаге моделирования точных или статистических закономерностей, нечеткие системы предлагают совершенно иной подход, благодаря которому математическая модель процесса электропотребления работает на высоком уровне абстракции и используется минимальное количество закономерностей [7].

Назначением ННС является получение знаний в виде связей между влияющими факторами и процессом электропотребления, которые предназначены для реализации нечетких правил на базе искусственных нейронных сетей. Основное преимущество ННС перед обычной нейронной сетью состоит в том, что в отличие от нейронных сетей ННС характеризуются четким представлением знаний, содержащихся в нечетких правилах. Еще одним преимуществом является возможность устанавливать полное соответствие между математическим представлением процедуры нечеткого вывода и физической структурой сети [8, 9].

Такая ННС позволяет разрабатывать и представлять математические модели в форме правил нечетких систем, которые характеризуются наглядностью и простотой объяснения. С другой стороны, для построения правил нечетких систем в математической модели используются методы искусственных нейронных сетей, что является более удобным и менее трудоемким процессом.

Основная идея, положенная в основу модели ННС, заключается в том, чтобы использовать обучающую выборку данных по влияющим факторам и процессу электропотребления