Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности систем управления ДВС подвижных объектов на альтернативных видах топлива. Монография
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
Федеральное государственное автономное
Федеральное государственное автономноеФедеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
образовательное учреждение высшего образования
образовательное учреждение высшего образования образовательное учреждение высшего образования
«Южный федеральный университет»
«Южный федеральный университет»
«Южный федеральный университет»«Южный федеральный университет»
А.Л. Береснев
М.А. Береснев
ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ДВС ПОДВИЖНЫХ
ОБЪЕКТОВ НА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ
ВИДАХ ТОПЛИВА
Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2015
УДК 629.113 (
Печатается по решению редакционно-издательского совета
доктор технических наук, профессор, зав. каф. электрических и
электронных аппаратов ЮРГПУ (НПИ) Павленко А.В.;
кандидат технических наук, зав. отделом №4 ЗАО «ОКБ «РИТМ»
Черчаго А.Я.
Береснев А.Л., Береснев М.А. Особенности систем управления ДВС
подвижных объектов на альтернативных видах топлива: монография. –
Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2015. – 147 с.
ISBN 978-5-9275-1574-5
Повышение цен на нефть и сокращение ее запасов заставляют активно
075.8)
Южного федерального университета
(протокол №3 от 23 ноября 2015 г.)
Рецензенты:
искать альтернативные виды топлива для автомобильных двигателей.
Ведущие производители и исследовательские институты, такие как Bosch,
Daimler, VAG, Delphi и др. работают над созданием двутопливных систем,
где используется не один вид топлива в один момент времени, а два вида
топлива подаются в цилиндр и сгорают одновременно. Изучаются различные
возможные комбинации топлив, наиболее перспективные среди которых:
дизель+бензин, дизель+газ, бензин+газ. Поскольку высокие
эксплуатационные показатели современных автомобильных ДВС
обеспечиваются, в том числе, управлением их рабочим процессом,
востребованными являются исследования по управлению двигателем при
работе на различных топливных смесях. Для двутопливных двигателей
управление необходимо осуществлять, помимо всего прочего, с учетом
соотношения подач двух видов топлива. В данной работе рассмотрены
актуальные методы, способы и алгоритмы управления ДВС, учитывающих
этот момент.
Монография написана при поддержке Минобрнауки, НИР
№114041540005 по госзаданию ВУЗам и научным организациям в сфере
научной деятельности.
ЮФУ, 2015
ISBN 978-5-9275-1574-5
Береснев А.Л., 2015
Береснев М.А., 2015
3
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6
1. Критический анализ состояния проблемы .................................................. 8
1.1. Основные подходы к улучшению экологических и
эксплуатационных показателей ДВС ................................................................ 9
1.1.1. Совершенствование конструкции ДВС .................................... 9
1.1.2. Разработка принципиально новых двигателей ..................... 15
1.1.3. Использование альтернативных топлив ............................... 19
1.1.3. Использование бинарных топлив ............................................ 24
1.2. Особенности применения бинарного топлива из бензина и
сжиженного газа на автотранспорте ............................................................... 27
1.3. Преимущества и недостатки существующих методов управления
ДВС при работе на бинарном топливе ............................................................ 31
1.3.1. Анализ методов класса 1 .......................................................... 31
1.3.1. Анализ методов класса 2 .......................................................... 35
1.4. Постановка цели и задач исследования ......................................... 39
2. Разработка модели рабочего цикла двигателя при использовании
бинарного топлива .............................................................................................. 41
2.1. Определение входных и выходных данных .................................. 41
2.2. Формирование требований к модели ............................................. 42
2.3. Выбор базового способа расчета тепловыделения ....................... 44
2.4. Процедура расчета рабочего цикла при использовании бинарного
топлива ............................................................................................................... 48
2.4.1. Расчет термодинамической составляющей давления в
цилиндре ......................................................................................................... 49
2.4.1. Расчет кинетической составляющей давления в цилиндре . 54
4
2.4.3. Расчет процесса расширения .................................................. 59
2.4.4. Расчет индикаторного крутящего момента ........................ 60
2.5. Идентификация модели ................................................................... 63
3. Разработка алгоритма управления УОЗ и схемы регулирования
состава бинарного топлива ............................................................................... 64
3.1. Новые возможности управления ДВС при работе на бинарном
топливе ............................................................................................................... 64
3.2. Разработка алгоритма управления углом опережения зажигания
............................................................................................................................. 67
3.2.1. Разработка процедуры расчета УОЗ для достижения
максимального давления в целевом диапазоне ........................................... 69
3.2.2. Алгоритмическая реализация процедуры расчета ............... 70
3.3. Разработка способа устранения детонации с помощью бинарного
топлива ............................................................................................................... 75
3.4. Разработка схемы регулирования состава бинарного топлива ... 82
3.5. Проверка результатов работы алгоритмов на мате-матической
модели ................................................................................................................ 87
3.5.1. Моделирование процесса горения бинарного топлива ......... 89
3.5.2. Моделирование рассчитанных по предложенному методу
УОЗ ................................................................................................................. 95
3.6. Экологические аспекты использования разработанного
алгоритма и схемы ............................................................................................ 98
4. Результаты экспериментальных исследований предлагаемого метода
управления ДВС ................................................................................................ 102
4.1. Программа и методика испытаний, эксперимента-льный стенд
........................................................................................................................... 102
4.2. Анализ результатов проверки алгоритма расчета УОЗ ............. 116
5
4.3. Анализ результатов проверки схемы регулирования состава
бинарного топлива .......................................................................................... 120
4.4. Анализ результатов проверки способа обработки детонации .. 127
4.5. Коррекция модели по экспериментальным данным .................. 129
4.6. Сравнение предложенного метода с существующими .............. 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 136
Библиографический список ............................................................................... 138
6
ВВЕДЕНИЕ
В наше время бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС)
получили широкое распространение в транспорте. Однако постоянный рост
цен на традиционные углеводородные топлива и загрязнение атмосферы
продуктами сгорания, особенно в крупных городах, обуславливает все
возрастающий интерес к исследованию возможностей снижения токсичности
и повышению экономичности ДВС [1-4]. Работы в этом направлении можно
разделить на две взаимосвязанные категории: совершенствование
конструкции ДВС [5-8] и применение альтернативных видов топлива, таких
как водород, природный и сжиженный газ, синтетический бензин и т.п [9-11].
Отдельно можно выделить исследования по созданию принципиально новых
двигателей для автотранспорта, например электрических или гибридных [12,
13]. Но при всей своей перспективности, широко применимые результаты в
данном направлении можно ожидать в долгосрочной перспективе [14], а
работы над традиционными ДВС дают результаты уже сейчас. В общем
случае переход с бензина на альтернативные топлива может дать больший
эффект, чем модернизация конструкции ДВС, поскольку зачастую при этом
достигается двойной положительный эффект, как от последних разработок в
двигателестроении, так и от преимуществ альтернативных топлив. Кроме
того, на альтернативные топлива возможно переводить уже имеющийся
автопарк [15-18], а не только закладывать результаты исследований в
проекты новых автомобилей, поэтому авторами для исследований было
выбрано последнее направление.
В контексте Российской Федерации наиболее дешевыми и
распространенными альтернативными топливами являются сжиженный и
природный газ [19-21]. При работе на этих топливах достигается
значительное снижение токсичности отработавших газов [22-24],
увеличивается срок службы цилиндро-поршневой группы [25, 26],
уменьшается вероятность детонационного сгорания [27, 28]. Однако вместе с
7
этим наблюдаются и негативные эффекты, например снижение крутящего
момента двигателя в среднем и верхнем диапазоне оборотов коленчатого
вала в области больших нагрузок, а также снижение максимальной мощности
[29-32].
Анализ литературы показывает, что сжиженный газ является
перспективным альтернативным топливом, но вопросы нейтрализации
негативных последствий его использования исследованы недостаточно. В
этом направлении велись работы, в рамках которых проводились
исследования характеристики ДВС при добавлении сжиженного газа в бензо-
воздушную смесь [33, 34]. Были сделаны предположения об эффективности
такой смеси и получены результаты по увеличению срока службы
компонентов ДВС [35-37], однако определения влияние такого топлива
(будем называть его бинарным) на крутящий момент и мощность
современного двигателя и методы управления ДВС при использовании
бинарного топлива не были описаны. В связи с этим исследование
особенностей сгорания бензо-воздушных смесей при добавке сжиженного
газа, а также выявление закономерностей, связывающих состав
вышеуказанной смеси, угол опережения зажигания (УОЗ) и крутящий
момент двигателя внутреннего сгорания является актуальным.
Для разработка метода управления ДВС, обеспечивающего улучшение
его эксплуатационных и экологических показателей при работе на топливной
смеси из бензина и сжиженного газа, необходимо решить ряд задач:
1) разработать алгоритм определения угла опережения зажигания
(УОЗ) для достижения максимального давления в цилиндре в необходимом
диапазоне поворота коленчатого вала (КВ);
2) разработать модель расчета крутящего момента ДВС при добавке
сжиженного газа в топливно-воздушную смесь;
3) разработать схему регулирования состава бинарной топливной
смеси, учитывающей особенности ее влияния на крутящий момент,
мощность, экологические показатели;
8
4) разработать способ устранения детонационного сгорания,
использующий особенности одновременной подачи топлива с разным
октановым числом;
5) провести экспериментальную проверку полученных в результате
моделирования зависимостей между максимальным крутящим моментом
двигателя, составом топливно-воздушной смеси и углом опережения
зажигания.
Такие работы обладают как теоретической, так и практической
значимостью. Исследования позволяют лучше понять особенности сгорания
смесевых топлив, состоящих их нескольких компонентов, в цилиндре ДВС и
использовать их для увеличения его эффективности, экологичности и
экономичности.
1. Критический анализ состояния проблемы
К современному автомобилю предъявляются во многом
противоречивые требования. Он должен быть мощным, чтобы обеспечивать
комфорт передвижения, экономичным и надежным для обеспечения низкой
стоимости владения и наносить как можно меньше вреда природе. Последнее
особенно важно, поскольку автотранспорт является одним из крупнейших
загрязнителей окружающей среды [38, 39]. В масштабах Российской
Федерации доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих
веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает в среднем
40 % [40] и наибольшая составляющая этого ущерба (до 60 %) связана с
перевозкой пассажиров легковыми автомобилями. Принимая во внимание
постоянно ужесточающиеся стандарты по экологии, сокращающиеся запасы
нефти – главного источника автомобильных топлив и нестабильную
экономическую ситуацию в мире, исследования, направленные на улучшение
экологических и эксплуатационных показателей автомобилей, являются как
никогда актуальными.
9
1.1. Основные подходы к улучшению экологических и
эксплуатационных показателей ДВС
Создание современных транспортных средств, удовлетворяющих
международным стандартам по экологии и безопасности, а также
соответствующих ожиданиям потребителей по уровню комфорта
эксплуатации, обеспечивается работами в следующих направлениях [41, 42]:
− совершенствование существующих автомобильных конструкций, в
том числе и двигателей внутреннего сгорания;
− разработка принципиально новых узлов и агрегатов, например,
использующих электроэнегрию;
− использование альтернативных и бинарных видов топлива,
оптимальных с точки зрения экологии, высокой эффективности, низких
издержек производства и значительных запасов.
Для определения перспективности проведения работ и возможности
получения значимых результатов рассмотрим эти направления подробнее.
1.1.1. Совершенствование конструкции ДВС
В данном направлении основные усилия направлены на увеличение
КПД двигателя внутреннего сгорания, что обеспечит желаемое улучшение
множества характеристик. Принципиальные пути повышения КПД двигателя
хорошо известны и вытекают из соотношения эффективного, индикаторного,
механического, термического и относительного КПД, которое задается
формулой (1.1) [43]:
где ηе – эффективный КПД;
ηi – индикаторный КПД;
η
– механический КПД;
m
ηt – термический КПД;
(1.1)
10
ηо – относительный КПД;
ε – степень сжатия.
Как следует из приведенного выражения, увеличение индикаторного
КПД достигается, с одной стороны, увеличением степени сжатия и
показателя политропы, а с другой стороны, уменьшением тепловых и
механических потерь.
Степень сжатия. Увеличение степени сжатия повышает термический
КПД ηt идеального цикла, однако в реальном двигателе после некоторого
значения одновременно приводит к постоянному росту тепловых потерь и
увеличению доли несгоревшего топлива [44]. Поэтому термодинамически
оптимальная степень сжатия реального двигателя находится в диапазоне
ε=12…16. В двигателях, работающих на товарном бензине с октановым
числом 91–98, такую высокую степень сжатия сложно реализовать из-за
детонации [45], поэтому степень сжатия современных серийных двигателей
находится на уровне 9,0–11,5, а для гибридных двигателей может достигать
13.
Потенциал улучшения топливной экономичности за счет повышения
степени сжатия не исчерпан и находится на уровне 5–15 % [46]. Поиск путей
реализации этого потенциала весьма актуален и опирается на новые методы
математического и физического моделирования (компьютерную
гидродинамику, лазерную диагностику, томографический анализ и др.).
Наиболее эффективными средствами уменьшения склонности двигателя к
детонации (без изменения октанового рейтинга топлива) являются
уменьшение диаметра цилиндра и оптимизация процесса сгорания.
Традиционно оптимизация сгорания достигается за счет применения систем
сгорания, обеспечивающих более быстрое сгорание: с более компактной
геометрией камеры сгорания, с центральным расположением свечи
зажигания, с двухсвечным зажиганием, либо с системой лазерного
зажигания.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]