Межцикловая неидентичность рабочего процесса и проблемы улучшения показателей ДВС с искровым зажиганием

• Автор: Федянов, Евгений Алексеевич
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 341 с. : ил.

Огромные масштабы применения поршневых двигателей легкого топлива с искровым зажиганием, в первую очередь в качестве силовых установок автомобилей, обусловливают особую важность проблемы дальнейшего повышения их топливной экономичности и улучшения экологических характеристик. Достаточно сказать, что повышение топливной экономичности двигателей указанного типа на один процент позволит снизить годовое потребление бензина только в России более чем на 100 тыс. тонн. Соответственно этому уменьшатся и выбросы в атмосферу продуктов сгорания. В то же время, при современном уровне развития этих двигателей прогресс в решении указанной проблемы достигается все с большим трудом и требует более глубокого учета особенностей протекания всех стадий рабочего процесса и всех факторов, влияющих на показатели двигателя, в том числе эксплуатационные. Более того, существует мнение, что возможности повышения показателей двигателей рассматриваемого типа за счет совершенствования рабочего процесса уже практически исчерпаны.
В связи со сказанным выше представляет значительный практический интерес оценка имеющихся резервов повышения эффективности рабочего цикла этих двигателей с учетом реально достижимых значений скорости подвода теплоты и ограничений на динамику нарастания и максимальную величину давления в камере сгорания. В настоящей работе такая оценка сделана с использованием современных методов термодинамического анализа, основанных на понятии эксергии. Показано, что резервы повышения эффективности цикла заключаются, в первую очередь, в увеличении степени сжатия и переходе, по крайней мере частично, к качественному способу регулирования нагрузки за счет обеднения топливовоздушной смеси. Практическое использование названных резервов наталкивается на серьезные трудности, значительная часть которых прямо или косвенно связана с характерной для двигателей рассматриваемого типа межцикловой неидентичностью (МЦН).

Считается, что МЦН не только вызывает нежелательную неравномерность частоты вращения коленчатого вала, но и приводит к ухудшению мощностных и топливоэкономических характеристик. Таким образом, снижение уровня МЦН рассматривается как один из резервов улучшения показателей двигателей с искровым зажиганием. В диссертации дана оценка возможного повышения мощности и снижения расхода топлива вследствие устранения МЦН при тех условиях, которые определяют эксплуатационные режимы работы двигателя. При этом впервые показано, что эффект от устранения МЦН зависит не только от ее исходного уровня, но и от режима работы двигателя. Особое место отведено вопросу о влиянии уровня МЦН на положение предела эффективного обеднения.
Поиск путей уменьшения МЦН требует знания ее причин, а также характера влияния на нее конструктивных, регулировочных, эксплуатационных факторов. Исследования, выполненные как в отечественных научных центрах (НАМИ, МАДИ, МАМИ, ...) и на автозаводах (АвтоВАЗ, ЗМЗ, АЗЛК, ЗИЛ), так и за рубежом позволили вскрыть некоторые присущие МЦН закономерности, выявить ее статистические связи с рядом факторов. Вместе с тем, природа МЦН остается пока во многом не изученной, не выяснены полностью причинно-следственные связи МЦН с наблюдаемыми межцикловыми вариациями связанных с нею факторов. В большинстве известных работ, посвященных проблеме МЦН, использованы преимущественно экспериментальные методы исследования. Вследствие многообразия взаимосвязанных факторов, влияющих на протекание процессов в цилиндре, в первую очередь на протекание процессов воспламенения и сгорания, экспериментальными методами очень трудно выделить роль отдельных факторов в формировании МЦН и установить механизмы их взаимодействия. В связи с этим на современном этапе развития теоретических методов исследования рабочих процессов в ДВС большое значение приобретает разработка стохастических моделей, непосредственно отражающих действие случайных факторов и позволяющих исследовать влияние этих факторов на работу двигателя и управление им.

Разработанная под руководством автора и при его активном участии стохастическая модель развития начального очага горения при искровом зажигании позволила теоретически проанализировать влияние на этот, важный для формирования уровня МЦН в целом, процесс состава топливовоздушной смеси и параметров турбулентности, объяснить ряд экспериментально наблюдаемых фактов и на этой основе определить условия, при которых обеспечиваются наибольшие надежность и стабильность зажигания топливовоздушных смесей различного состава.
Анализ накопленных к настоящему времени знаний о причинах МЦН, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенные в данной работе, не позволяют говорить о существовании реальной возможности полного устранения МЦН. В связи с этим наряду с поиском путей уменьшения уровня МЦН важное значение приобретает вопрос о том, в каких случаях и в какой мере МЦН должна учитываться при организации управления рабочим процессом. Для ответа на поставленный вопрос в диссертации проведен анализ влияния МЦН, в ряду других факторов случайного характера, на управление рабочим процессом. Как обобщение результатов анализа сформулировано утверждение о том, что МЦН оказывает непосредственное влияние на результаты управления только на граничных режимах: на пределе эффективного обеднения, на минимально устойчивой частоте вращения холостого хода, на границе детонации. В последнем случае роль МЦН оказывается особенно сложной и неоднозначной, и, в то же время, наименее изученной.
Совершенствование методов адаптивного управления рабочим процессом на границе области детонационно опасных режимов с помощью специальных систем открывает дополнительные возможности для повышения степени сжатия. Исходя из этого, значительная часть работы посвящена изучению роли МЦН в формировании статистик появления циклов с детонационным сгоранием и связанных с этими статистиками особенностей работы двигателя с системами ограничения детонации (СОД). Рассматривались СОД, принцип действия которых основан на коррекции величины угла one-

ристики отдельных экземпляров двигателей одной и той же модели отличаются друг от друга. Более того, мгновенные значения вектора У даже для экземпляров двигателей с совпадающими характеристиками будут при неизменных X и и варьировать в некоторых пределах из-за межцикловой неи-дентичности.
Рассматривая совокупность факторов, действие которых приводит к различиям выходных показателей двигателей одной и той же модели при заданных условиях работы и управляющих воздействиях, приходим к выводу, что их значения в каждый данный момент времени в значительной мере случайны. Из теории управления известно [129], что для достижения максимальной эффективности синтез системы оптимального управления должен проводиться с учетом действия случайных факторов. При этом критерием того, насколько хорошо в статистическом смысле организовано управление, служит так называемая функция потерь управления, или функция риска. Аргументами этой функции являются предполагаемое (желательное) У* и фактическое Уф значения вектора У. В частности, в качестве функции потери управления используют математическое ожидание среднеквадратического отклонения Уф отУж:
М[(¥ф - ¥ж)2] = 1(Уф - Уж)2 ./-5[(УФ - Уж),ф<Уф - Уж), (2.7)
где /§|(Уф - Ужт| - ПЛОТНОСТЬ распределения величины (Уф-Уж) в момент времени X.
Двигатель внутреннего сгорания является является сложным и, в некотором смысле, нетрадиционным объектом управления [138]. Хотя при управлении им, как было отмечено выше, в настоящее время используется в основном программный принцип, понятие потерь управления, или потерь оптимальности управления и в этом случае, с нашей точки зрения, может быть положено в основу оценки отклонения фактических результатов управления от желательных.