ФОРМИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАДДУВА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ФОРМИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАДДУВА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Шелпаков Сергей Юрьевич
адъюнкт, Омский танковый инженерный институт,
РФ, г. Омск
Любаев Вячеслав Андреевич
курсант, Омский танковый инженерный институт,
РФ, г. Омск
Гертер Владислав Андреевич
курсант, Омский танковый инженерный институт,
РФ, г. Омск
Уфимцев Владимир Викторович
курсант, Омский танковый инженерный институт,
РФ, г. Омск
FORMATION OF AN ALGORITHM FOR CONTROLLING A DIESEL ENGINE BOOST CONTROL DEVICE
Sergey Shelpakov
Postgraduate, Omsk Tank Engineering Institute,
Russia, Omsk
Vyacheslav Lyubaev
Cadet, Omsk Tank Engineering Institute,
Russia, Omsk
Vladislav Gerter
Cadet, Omsk Tank Engineering Institute,
Russia, Omsk
Vladimir Ufimtsev
Cadet, Omsk Tank Engineering Institute,
Russia, Omsk
АННОТАЦИЯ
В целях улучшение приемистости дизельного двигателя в составе силовой установки военной гусеничной машины разработано техническое решение «Дизельный двигатель военной гусеничной машины с устройством регулирования наддува». Для формирования алгоритма управления устройством проведено расчетное исследование работы серийного двигателя В-92С2 и двигателя с модернизированной системой наддува на малых нагрузках. В результате проведенного исследования теоретически доказана эффективность работы дизельного двигателя при подводе наддувочного воздуха на вход турбины ТКР на режимах малых нагрузках, составлено уравнение характеризующее алгоритм функционирования устройства регулирования наддува дизельного двигателя. Полученное уравнение может быть использовано в качестве первичных калибровок настройки системы управления устройством регулирования наддува.
ABSTRACT
In order to improve the pick-up of a diesel engine as part of the power plant of a military tracked vehicle, a technical solution "Diesel engine of a military tracked vehicle with a boost control device" has been developed. To form an algorithm for controlling the device, a computational study of the operation of the B-92C2 serial engine and an engine with an upgraded boost system at low loads was carried out. As a result of the conducted research, the efficiency of the diesel engine operation has been theoretically proven when charging air is supplied to the input of the TCR turbine at low loads, an equation characterizing the algorithm of the operation of the diesel engine boost control device has been compiled. The resulting equation can be used as primary calibrations of the control system settings of the boost control device.
Ключевые слова: дизельный двигатель; газотурбинный наддув; регулирование наддува; алгоритм управления.
Keywords: diesel engine; gas turbine boost; boost control; control algorithm.
Наиболее существенным недостатком дизельных двигателей с газотурбинным наддувом (ГТН), является их худшая приемистость в сравнении с двигателями без агрегатов наддува, связанная с инерционностью системы наддува, что приводит к увеличению времени выхода дизельного двигателя на установившийся режим работы [1, с. 114]. Для улучшения приемистости дизельного двигателя с ГТН, разработано техническое решение «Дизельный двигатель военной гусеничной машины с устройством регулирования наддува» [2, с. 1].
Технический результат предложенного решения достигается за счет подвода наддувочного воздуха к турбине турбокомпрессора (ТКР) на режимах торможения, малых нагрузок и холостого хода.
Для формирования алгоритма управления устройством регулирования наддува необходимо выявить зависимости изменения удельного эффективного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала и уровня нагрузки при работе двигателя в штатном режиме и с подводом наддувочного воздуха к турбине ТКР. В этих целях моделировалась работа дизельного двигателя В-92С2 в указанных режимах в рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала
(1300-2000 мин-1) при изменении уровня нагрузки на тормозном устройстве от 20 до 35 %.
Для моделирования работы двигателя в штатном режиме использовалась математическая модель дизельного двигателя с ГТН [3, с. 98]:
(1)
Для моделирования работы двигателя при подводе наддувочного воздуха к турбине ТКР в модель внесены изменения. В связи с тем, что на указанном режиме питание двигателя воздухом осуществляется через трубопровод из атмосферы [2, с. 3], давление воздуха во впускном коллекторе принимается равным атмосферному (
), а плотность поступающего в цилиндры двигателя воздуха, расход воздуха двигателем и коэффициент наполнения рассчитываются исходя из зависимостей:
, (2)
. (3)
. (4)
Таким образом 5 уравнение системы (1) принимает вид:
, (5)
На основании уравнения баланса тепла температура смеси отработавших газов с надувочным воздухом рассчитывается по формуле:
, (6)
где 
и 
– удельные теплоемкости газов и воздуха при постоянном давлении.
Расход газов через турбину, эффективный КПД турбины, механическая работа газов в турбине и удельная теплоемкость отработавших газов рассчитываются исходя из зависимостей:
, (7)
, (8)
. (9)
. (10)
Таким образом 2 уравнение системы (1) принимает вид:
. (11)
При подводе наддувочного воздуха к турбине ТКР давление наддувочного воздуха выравнивается с давлением в выпускном коллекторе (
), изменение давление рассчитывается по дифференциальному уравнению:
, (12)
где 
– объем трубопровода, соединяющего выпускной трубопровод с компрессором.
Таким образом, при моделировании работы дизельного двигателя с подводом наддувочного воздуха к турбине ТКР система уравнений (1) с учетом изменений принимает вид:
(13)
Расчет работы двигателя в штатном режиме и с подводом наддувочного воздуха к турбине ТКР осуществлялся в программе, разработанной в среде LabVIEW 2018 с IMAQ Vision, основанной на решении систем уравнений (1), (13). Выявленные зависимости удельного эффективного расхода топлива 
от нагрузки и угловой скорости коленчатого вала представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Поверхности удельного эффективного расхода топлива:
– при работе двигателя в штатном режиме;
– при подводе наддувочного воздуха к турбине ТКР
На рисунке 1 видно, что по мере уменьшения уровня нагрузки на двигатель для каждого скоростного режима существует граница, соответствующая линии пересечения двух поверхностей, по достижению которой двигатель при подводе наддувочного воздуха к турбине ТКР начинает работать эффективнее. Это связано с тем, что увеличение коэффициента избытка воздуха при работе дизельного двигателя с ГТН на малых нагрузках приводит к увеличению тепловых потерь с воздухом, не участвующим в сгорании, и, соответственно к уменьшению значения индикаторного КПД двигателя.
Каждому установившемуся режиму работы двигателя, характеризуемому частотой вращения коленчатого вала 
, для заданной нагрузки 
, соответствует определенный уровень воздействия на орган управления подачей топлива 
. Равенстве показателя при работе двигателя на двух исследуемых режимах, при одинаковой угловой скорости коленчатого вала и нагрузки будет означать равенство удельных эффективных расходов топлива. Соответственно найденное значение 
будет являться граничным значением относительного положения органа управления подачей топлива при данном скоростном режиме 
. Алгоритм управления устройством регулирования наддува должен обеспечить работу устройства в режиме подвода наддувочного воздуха к турбине ТКР при уменьшении 
на соответствующей угловой скорости коленчатого вала . Следовательно, для формирования алгоритма управления устройством регулирования наддува дизельного двигателя необходимо найти зависимость 
во всем диапазоне рабочих частот вращения коленчатого вала двигателя.
Расчет значений 
производился в компьютерной программе, разработанной в среде LabVIEW 2018 с IMAQ Vision, основанной на решении систем уравнений (1), (13). Алгоритм программы (рисунок 2) предусматривает итерационный подбор момента сопротивления тормозного устройства и относительных положений органов управления подачей топлива при работе двигателя в штатном режиме 
и при подводе наддувочного воздуха к турбине ТКР 
, до достижения условия 
при заданной частоте вращения коленчатого вала двигателя 
.
Рисунок 2. Блок-схема алгоритма расчета 
Полученная в результате расчета зависимость (рисунок 3) аппроксимируется полиномом четвертой степени с величиной достоверности
= 0,99 и представляет собой уравнение характеризующее алгоритм функционирования устройства регулирования наддува дизельного двигателя:
. (14)
Рисунок 3. График зависимости 
Таким образом в результате расчетного исследования по формированию алгоритмов управления устройством регулирования наддува теоретически доказана эффективность работы дизельного двигателя при подводе наддувочного воздуха к турбине ТКР на режимах малых нагрузках. Составлено уравнение характеризующее алгоритм функционирования устройства регулирования наддува дизельного двигателя, которое может быть использовано в качестве первичных калибровок настройки системы управления устройством.
Список литературы:
- Агафонов, Д.С. Способ повышения приемистости дизельных двигателей с газотурбинным наддувом / Д. С. Агафонов, А. Л. Ахтулов, С. Ю. Шелпаков [и др.] // Приоритетные направления повышения качества подготовки специалиста технического обеспечения: Материалы VIII Межвузовской научно-методической конференции, Омск, 04 декабря 2020 года. – Омск: Омский автобронетанковый инженерный институт, 2020. – С. 113-120.
- Патент № 207444 U1 Российская Федерация, МПК F02B 37/16, F02B 23/00. Дизельный двигатель военной гусеничной машины с устройством регулирования наддува: № 2021121744: заявл. 21.07.2021: опубл. 28.10.2021 / С.Ю. Шелпаков, А.Л. Ахтулов, В.Р. Эдигаров [и др.].
- Шелпаков, С. Ю. Математическое моделирование переходных режимов работы танкового дизельного двигателя / С. Ю. Шелпаков, Н. С. Черепанов, А. Б. Яблочкин // Наука и военная безопасность. – 2021. – № 3(26). – С. 93-99.