Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 2(22) УДК 621 А.А.ОбозовПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВС КАК СРЕДСТВА АЛГОРИТМИЗАЦИИ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Рассмотрен пример использования метода имитационного моделирования процессов с целью установления связи между структурными и диагностическими параметрами судового дизеля. Определено влияние неплотности камеры сгорания на параметры процесса сжатия воздуха в цилиндре при проворачивании коленчатого вала валоповоротным устройством. На основе полученных данных построен алгоритм диагностирования герметичности камеры сгорания дизеля. Ключевые слова: судовой малооборотный дизель, техническое диагностирование, имитационное моделирование процесса. Состояние деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) в эксплуатации обычно оценивается на работающем двигателе косвенно по параметрам индикаторной диаграммы (по давлению сжатия pcomp, среднему индикаторному давлению p mi) и уровню температуры выпускных газов за цилиндрами двигателя tcyl с учетом влияния на них режимных факторов (индекса топливного насоса, частоты вращения коленчатого вала) и параметров внешней среды. Общая наблюдаемая в эксплуатации тенденция, вызванная ухудшением состояния деталей ЦПГ, – это снижение давления pcomp и возрастание температуры tcyl. Методы диагностирования, в основе которых лежит получение информации о техническом состоянии диагностируемого объекта в процессе его работы, называют функциональными. Во многих случаях оказываются полезными и тестовые методы диагностирования. Ниже приводится описание тестового метода диагностирования состояния деталей ЦПГ малооборотного двигателя конструкции MAN B&W. На открытый индикаторный кран тестируемого цилиндра устанавливается датчик давления с диапазоном измерения 0…4 бар (можно установить датчик давления продувочного воздуха). Вводится в зацепление с маховиком коленчатого вала валоповоротное устройство. Поршень цилиндра при помощи валоповоротного устройства устанавливается в положение нижней мёртвой точки (НМТ), после чего коленчатый вал проворачивается валоповоротным устройством на ход вперед. Одновременно регистрируется процесс изменения давления в цилиндре двигателя. Проворачивание осуществляется до тех пор, пока поршень не достигнет верхней мёртвой точки (ВМТ). Следует отметить одно непременное условие, которое должно быть выполнено при проведении данного теста: выпускной клапан цилиндра должен быть закрыт. При движении поршня от НМТ к ВМТ в момент достижения верхним поршневым кольцом верхней кромки продувочных окон начнется процесс вытеснения воздуха из цилиндра через имеющиеся неплотности и одновременно процесс сжатия воздуха в цилиндре дизеля, сопровождающийся повышением давления. В процессе сжатия температура воздуха в цилиндре будет повышаться, вследствие этого будет происходить теплоотвод от воздуха в стенки камеры сгорания. Если предположить отсутствие утечек воздуха из цилиндра (абсолютную герметичность камеры сгорания), то при положении поршня в ВМТ уровень давления достигнет максимальной величины, равной , (1) где - давление в конце процесса сжатия (при положении поршня в ВМТ); - давление окружающей среды; - степень сжатия (; - объём цилиндра в момент перекрытия верхним поршневым кольцом верхней кромки продувочных окон; - объём камеры сгорания); npol – показатель политропы сжатия. Следует отметить, что даже в новом двигателе вследствие утечек воздуха через неплотности (через поршневые кольца) сжатия воздуха почти не происходит. Давление в цилиндре в процессе сжатия не превышает 3 бар (для сравнения: давление в цилиндре, определяемое по формуле (1), если допустить, что утечки воздуха отсутствуют, равно приблизительно 40 бар). Можно предположить, что при неудовлетворительном состоянии ЦПГ (при значительной утечке воздуха из камеры сгорания) график повышения давления при движении поршня к ВМТ будет ещё более пологим или же повышения давления не будет наблюдаться вовсе. Автор статьи поставил перед собой цель изучить возможность косвенной оценки герметичности камеры сгорания на основе анализа параметров процесса сжатия при проворачивании коленчатого вала валоповоротным устройством путём применения метода имитационного моделирования. Рассмотренный процесс сжатия описывается системой уравнений, состоящей из дифференциального уравнения сохранения энергии [1] (2) и уравнения состояния газа , где φ – угол поворота коленчатого вала; p, T, u, i – текущие значения давления, абсолютной температуры, внутренней энергии и энтальпии воздуха, находящегося в цилиндре (соответственно); Gцил, Vцил, Qw, Gут - текущие значения массы воздуха в цилиндре, объёма цилиндра, тепла, отводимого через стенки камеры сгорания от воздуха, и массы утечек воздуха из цилиндра (соответственно); Rвозд- газовая постоянная для воздуха (Rвозд= 287,1 Дж/(кгК)). Составляющие дифференциального уравнения (2) определялись следующим образом. Истинная изохорная теплоемкость -3,17.10-10T 3+7,0749 .10-7T 2-2,83069 .10-4T+0,7474 кДж/(кг.К) (при выполнении расчетов в уравнении (2) используется размерность Дж/(кг.К); зависимость от абсолютной температуры воздуха приведена на рис.1).Рис.1. Зависимость истинной изохорной теплоемкости воздуха cvот температуры (зависимость построена по литературным данным [2])Механическая работа, совершаемая над рабочим телом (воздухом) в цилиндре, определяется из следующего выражения:, где - площадь поршня, м2; - радиус кривошипа коленчатого вала, м; - длина шатуна, м. Теплоотвод от рабочего тела определяется по зависимости , где - коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенкам камеры сгорания (принят равным Вт/(м2.К)[3] ; в приведенной формуле давление p имеет размерность бар); - суммарная площадь поверхности камеры сгорания (является функцией угла поворота коленчатого вала); - средняя температура поверхности деталей камеры сгорания (принято Tw=293K /invar/). Изменение внутренней энергии рабочего тела, содержащегося в цилиндре, вследствие утечки рабочего тела через неплотности камеры сгорания определяется из следующих выражений:, где истинная изобарная теплоемкость воздуха ( кДж/(кг·К) ); - текущий удельный объём воздуха в цилиндре; - площадь сечения неплотностей камеры сгорания (; параметр Δ (мм) характеризует степень неплотности цилиндра и представляет собой характеристический просвет между поршневым кольцом и цилиндровой втулкой; - показатель адиабаты для воздуха (=1,4); - давление среды, куда происходит утечка воздуха из цилиндра (принято = 1 бар =105 Па). Поиск решения дифференциального уравнения осуществлялся с использованием метода Эйлера с шагом дискретизации аргумента 2о поворота коленчатого вала (ПКВ). Задача решалась на персональном компьютере в приложении Excel (Windows). Решения были получены для значений характеристического просвета в диапазоне его изменения Δ = 0,005 … 0,05 мм, что соответствовало изменению площади проходного сечения неплотностей камеры сгорания f ут = 7,85…78,54 мм2. Взаимосвязь f ут и Δ приведена на рис. 2. Частота вращения коленчатого вала при моделировании была задана равной n=0,2 мин-1 (0,00333 с-1). Рис.2. Взаимосвязь параметров Δ и f ут для дизеля 5S50MC-C (Dцил = 0,5 м) В результате решения приведенной выше системы уравнений были определены основные термодинамические параметры процесса сжатия (в функции от угла поворота коленчатого вала). На рис.3 а, б представлены кривые изменения давления в цилиндре двигателя, соответствующие различным величинам характеристического просвета Δ (рис. 3 б показывает процесс в увеличенном масштабе более наглядно). а) б) Рис.3. Характер изменения давления в цилиндре дизеля при проворачивании коленчатого вала валоповоротным устройством (результаты численного моделирования процесса сжатия воздуха) Как видно из рисунка, процесс сжатия воздуха начинается при 120о ПКВ (момент перекрытия продувочных окон верхним поршневым кольцом). По мере движения поршня давление в цилиндре возрастает и достигает своего максимального уровня. Далее, несмотря на продолжающееся движение поршня, давление в цилиндре начинает падать и снижается до первоначального уровня 1 бар (абс.). Скорость нарастания давления, уровень максимального давления (обозначим его Pmax) и скорость падения давления в большой степени зависят (как и ожидалось) от величины характеристического просвета. Введем ещё один описательный параметр исследуемого процесса – угол ПКВ, соответствующий моменту достижения максимального давления в цилиндре (обозначим его φPmax ). Очевидно, что на основе полученных моделированием данных, проводя соответствующий эксперимент и измеряя параметры Pmax и φPmax, можно оценить величину неплотности цилиндра (величину Δ). На рис. 4 приведены полученные зависимости рассматриваемых диагностических параметров (Pmax и φPmax ) от величины характеристического просвета Δ. а) б) Рис.4. Зависимость максимального давления в цилиндре в процессе сжатия (а) и угла ПКВ, соответствующего Pmax (б), от величины характеристического просвета Δ Для получения экспериментальных данных и оценки адекватности разработанной модели на испытательном стенде БМЗ были проведены испытания судового малооборотного дизеля 5S50MC-C (MAN B&W). Исследовались все пять цилиндров, имеющих нормальное (эталонное) техническое состояние, соответствующее новому построенному двигателю. На рис. 5 приведены результаты регистрации параметра Pmax . Рассчитанное среднее по цилиндрам значение Pmax равно [Pmax ]mean=2,134 бар(абс.), стандартное отклонение σPmax - 0,254 бар. Найдем 95% -й доверительный интервал при одностороннем нижнем ограничении для параметра Pmax: [Pmax ]min = 2,134 – 1,95σPmax = =1,71 бар(абс.). На рис. 5 уровни параметров [Pmax ]mean и [Pmax ]min обозначены. Выполненный элементарный статистический анализ позволяет сделать следующий вывод: в новом двигателе в 95 случаях из ста измеряемый параметр Pmax будет выше уровня 1,71 бар (абс.). Если на цилиндре окажется Pmax Рис.5. Результаты замера параметра Pmax на двигателе 5S50MC-C (при проворачивании коленчатого вала валоповоротным устройством) Итак, разработана матема-тическая имитационная модель процесса сжатия воздуха в цилиндре судового дизеля при проворачивании коленчатого вала валоповоротным устройством. В основу модели положен закон сохранения энергии с учетом процессов массообмена и теплопередачи. Математическая модель позволила выявить основные закономерности иссле-дуемого процесса, а также установить взаимосвязи между параметрами технического состояния деталей ЦПГ дизеля и диагностическими параметрами. Результаты имитационного моделирования удовлетворительно согласуются с данными, полученными при проведении натурного эксперимента. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Гончар, Б.М. Численное моделирование рабочего процесса по методу ЦНИДИ. Дизели: справочник / Б.М.Гончар; под ред. В.А.Ваншейдта [и др.].- Л.: Машиностроение , 1977.- С.87-96. Рабинович, О.М. Сборник задач по технической термодинамике /О.М.Рабинович.- М.: Машиностроение,1969.- 376 с. Лаханин, В.В. Моделирование процессов в судовых поршневых двигателях и машинах /В.В.Лаханин, О.Н.Лебедев, В.С.Семенов, К.Е.Чуешко.- Л.: Судостроение, 1967.- 271 с.Материал поступил в редколлегию 12.01.09.