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
121
представлены графики на чистом бензине (L=100/0) и сжиженном газе
(L=0/100).
Рис. 4.8. Крутящий момент на бинарном топливе состава 80/20
Полученный на составе 80/20 крутящий момент показывает, что при
добавлении небольшого количества сжиженного газа к бензину,
максимальная мощность практически не увеличивается, однако крутящий
момент в нижнем и среднем диапазонах вращения коленчатого вала
увеличивается значительно и превосходит момент на чистом сжиженном
газе. Этот факт подтверждает предположение о том, что на низких оборотах
небольшая добавка сжиженного газа значительно улучшает гомогенность
топливно-воздушной смеси и способствует более полному сгоранию бензина,
не замедляя при этом скорости и времени горения, о чем свидетельствует
совпадающий с «бензиновым» крутящий момент на высоких оборотах.
На рис. 4.9 представлены графики крутящего момента при
постепенном увеличении доли сжиженного газа: 70/30 и 60/40. Данное
количество сжиженного газа позволяет улучшить гомогенность ТВС,
полноту сгорания и заметно ускорить процесс горения топлива не только при
низких и средних оборотах коленчатого вала, но и верхнем рабочем
диапазоне. Для состава 70/30 это менее выражено, после 4500 об/мин
122
превосходство в крутящем моменте по сравнению с бензином уменьшается с
максимальных 3,7 % на средних оборотах до 1,2 % на высоких.
Рис. 4.9. Крутящий момент на бинарном топливе составов 70/30 и 60/40
Однако состав 60/40 демонстрирует существенное увеличение
крутящего момента как в среднем, так и в верхнем диапазоне вращения
коленчатого вала. Максимальное значение момента превышает аналогичный
показатель на бензине на 5,2 %. В связи с этим интересен график L=50/50,
который добавлен на рис. 4.9 серым цветом, где доли бензина и сжиженного
газа равнозначны. Видно, что показатели при использовании данного состава
по сравнению с 60/40 снизились. Максимальный крутящий момент меньше
чем при L=60/40, но больше чем при L=70/30. При этом в зоне низких
оборотов наблюдаются схожие либо чуть лучшие значения крутящего
момента по сравнению с 60/40, в зоне средних оборотов показатели
ухудшаются и становятся схожи с L=70/30, а на высоких оборотах опять
увеличиваются. Эта картина соотносится с выдвинутой в гл. 3 гипотезой о
существовании такого соотношения бензин/сжиженный газ, при котором
время горения топлива минимально, а при увеличении доли любого из
компонентов оно увеличивается. При моделировании было выдвинуто
предположение, что это соотношение L=60/40, где количество газа еще
123
недостаточно для значительного уменьшения количества активных центров
реакции, полученных за счет бензина, а лучшая гомогенизация способствует
ветвлению цепей и увеличению скорости реакций, что активно способствует
сгоранию бензина. Эксперимент подтвердил данное предположение.
При дальнейшем увеличении доли сжиженного газа в бинарном
топливе (L=40/60) происходит еще большее снижение крутящего момента,
частично в среднем диапазоне оборотов коленчатого вала и значительно в
верхнем (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Крутящий момент на бинарном топливе составов 50/50 и 40/60
Это объясняется превалированием медленно горящего газа, который
помимо всего прочего замещает по объему часть кислорода воздуха, что
начинает снижать общую скорость реакции и сказывается на высоких
оборотах. Тем не менее состав все еще превосходит показатели чистого
бензина.
Принимая во внимание тенденцию снижения крутящего момента
составов 50/50 и 40/60, можно предположить, что состав 20/80 будет
обладать схожими со всеми бинарными топливами характеристиками при
низких частотах вращения КВ, превышая при этом показатели чистого
бензина и сжиженного газа. При средних частотах вращения КВ момент
состава 20/80 будет аналогичным, либо чуть меньшим чем на бензине, а при
124
высоких скоростях вращения момент по сравнению с бензином снизится.
Однако во всем диапазоне вращения КВ крутящий момент при L=20/80 будет
больше, чем при работе только на сжиженном газе. Исходя из этого можно
считать выбор данного состава для режима частичных нагрузок
оправданным. Спрогнозированный график крутящего момента для состава
L=20/80 представлен на рис. 4.11.
Рис. 4.11. Спрогнозированный крутящий момент на бинарном топливе
состава 20/80
Таким образом, результаты эксперимента подтвердили результаты
моделирования и выдвинутые гипотезы. Соотношения бензин/сжиженный
газ для частичных и средних нагрузок в схеме регулирования состава
бинарного топлива предложены верно. Однако для высоких нагрузок, если
сравнить все полученные кривые крутящего момента, возможны улучшения
по сравнению с предложенным ранее составом 60/40. При высоких оборотах
преимущества соотношения 60/40 очевидны, но на низких и средних
оборотах существуют возможности экономии и снижения экологической
нагрузки на окружающую среду выбором составов с более низким
содержанием бензина.
125
Условно разобьем график крутящего момента на три части: до 2800
об/мин, от 2800 до 3800 об/мин и свыше 3800 об/мин. Набор кривых
крутящего момента для различных составов бинарного топлива при оборотах
КВ до 2800 об/мин представлен на рис. 4.12.
Рис. 4.12. Крутящий момент различных составов бинарного топлива при
оборотах до 2800 об/мин
До 2800 об/мин значения крутящего момента примерно схожие у всех
исследованных составов бинарного топлива. Если задаться целью
максимизировать крутящий момент, то можно разделить этот диапазон на 5
областей и в каждой из них устанавливать свое соотношение L. Однако этот
подход был сочтен нецелесообразным, поскольку диапазоны довольно
маленькие, и ДВС будет выходить на установившийся режим только к концу
диапазона, когда будет активироваться уже следующий режим. Таким
образом, большую часть времени в зоне низких оборотов двигатель будет
проводить в переходном режиме, не обеспечивая при этом необходимых
показателей. Кроме того, различия в значениях крутящего момента,
обеспечиваемого различными составами топлива, небольшие и с большой
долей вероятности не будут субъективно ощущаться водителем. Поэтому в
диапазоне оборотов до 2800 было решено выбрать состав 50/50 как
126
обладающий близкими к максимально возможным характеристикам. Кроме
того, он используется у верхней границы режима средних нагрузок и с
большой вероятностью обеспечит плавный переход от средних нагрузок к
высоким.
Для диапазона от 2800 до 3800 об/мин также возможно выбрать
переменный состав бинарного топлива, обеспечивающего максимальный
крутящий момент. На рис. 4.13 показаны две области, для которых
максимальные значения достигаются при различных соотношениях L. Но по
причинам, аналогичным описанным ранее для диапазона оборотов до 2800
об/мин, целесообразным представляется использование состава 40/60,
который используется и в зоне высоких оборотов.
Рис. 4.13. Крутящий момент различных составов бинарного топлива при
оборотах от 2800 до 3800 об/мин
Таким образом, после анализа результатов экспериментов, состав для
режима высоких нагрузок корректируется по сравнению с составом,
предложенным после моделирования (L
=60/40). Обновленный состав
max
изменяется в зависимости от оборотов коленчатого вала по формуле (4.2)
(4.2)
127
Следует отметить, что значение 2800 об/мин было выбрано для
конкретного двигателя, участвовавшего в эксперименте, и для других
двигателей может несколько отличаться.
4.4. Анализ результатов проверки способа обработки
детонации
В предложенном способе при возникновении детонации выполняется
изменение соотношения бензин/сжиженный газ в сторону увеличения доли
газа с целью повышения детонационной стойкости топлива. Для проверки
действенности такого подхода были сняты графики крутящего момента и
мощности двигателя 21124 с «провоцирующими» детонацию углами
опережения зажигания. В первом замере использовались стандартные
(штатные) средства устранения детонации, а во втором была организована
подача бинарного топлива состава L=80/20. В целях минимизации ущерба
для двигателя углы опережения зажигания были модифицированы в
диапазоне 3200-5000 об/мин.
Как видно из рисунка 4.14, стандартная процедура обработки
детонации, заключающаяся в уменьшении УОЗ, приводит к уменьшению
крутящего момента (пунктирная линия), в то время как добавка сжиженного
газа позволяет избежать снижения характеристик двигателя.
Рис. 4.14. Сравнение крутящего момента в зоне детонационных углов Ud с
использованием предлагаемого способа обработки детонации (сплошная
линия) и без него (пунктир)
128
Схожая картина наблюдалась и с мощностью. При возникновении
детонации в зоне углов Ud, система управления уменьшала УОЗ, что
устраняет детонацию, но и снижает мощность ДВС (рис. 4.15, пунктирная
линия). При использовании 2-уровневого способа обработки детонации, где
первоначально для устранения детонации в топливо добавляется сжиженный
газ, снижения мощности не наблюдалось.
Рис. 4.15. Сравнение мощности в зоне детонационных углов Ud с
использованием предлагаемого способа обработки детонации (сплошная
линия) и без него (пунктир)
Преимущество в развиваемом крутящем моменте и мощности
предлагаемого способа хорошо видно на рис. 4.16, где представлен выигрыш
в абсолютных единицах (пунктир) и в процентном отношении (сплошная
линия).
Рис. 4.16. Преимущество в крутящем моменте (а) и мощности (б) в зоне
детонационных углов U
с использование предлагаемого способа обработки
d
детонации по сравнению со стандартом
129
Характерный пример осциллограмм давления в цилиндре, снятых во
время первого и второго замеров показан на рис. 4.17.
P, атм
α, ° пКВ
а б
P, атм
α, ° пКВ
Рис. 4.17. Осциллограмма давления в цилиндре при 2000 об/мин при
использовании стандартного способа обработки детонации а) и
предложенного б)
Хорошо видно, что бинарное топливо с соотношением L=80/20
(рис. 4.17,б) обладает лучшей детонационной стойкостью, по сравнению с
бензином (рис. 4.17,а). Увеличение доли сжиженного газа увеличивает
детонационную стойкость еще больше [95].
Это дает возможность установки и реализации УОЗ, обеспечивающих
достижение максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне поворота
коленчатого вала, которые в определенных условиях работы двигателя
недостижимы без использования 2-уровневого способа обработки детонации.
Такой подход позволяет поддерживать характеристики двигателя на высоком
уровне, уменьшить вероятность детонационного сгорания и снизить его
негативные последствия.
4.5. Коррекция модели по экспериментальным данным
В описанной в гл. 2 модели были предусмотрены параметры для
последующей ее идентификации коррекции по экспериментальным данным.
Наиболее характерный при использовании бинарного топлива параметр для
идентификации – это длительность горения φz, который при моделировании
задавался на основании гипотез и предположений. Проведенные
130
эксперименты позволяют оценить правильность выбранных значений и
скорректировать их при необходимости.
Для проведения идентификации требуется сравнить характеристики
крутящих моментов, полученных в результате моделирования и
экспериментально. Поскольку максимальное значение крутящего момента не
отражает всего характера его графика, в качестве параметра для сравнения
предлагается взять площадь области, ограниченной этим графиком. Тогда в
качестве критерия сходства графиков крутящего момента может выступать
разность их площадей ∆M, и задача идентификации сводится к поиску
минимума этой разности. Поскольку характер изменения крутящего момента
от скорости горения известен и известны предположительные пределы
изменения идентифицируемого параметра, для поиска минимума можно
использовать прямые методы, например Хука-Дживса. Результат его
применения для L=60/40 приведен на рис. 4.18 (чтобы не загромождать
рисунок, показан только график, обеспечивающий минимум и два
ближайших к нему графика).
Рис. 4.18. Идентификация скорости горения для состава 60/40 минимизацией
∆M (первым указано значение φ
, в скобках значение ∆M)
z
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]