Моделювання суднового двотактного двигуна внутрішнього згоряння за його індикаторною діаграмою

Abstract

У статті розглянуті основні процеси, що протікають у судновому двотактному двигуні внутрішнього згоряння, за його індикаторною кривою. На основі аналізу індикаторної діаграми побудовано математичну модель двигуна, яка дозволяє враховувати вплив характеристик палива на роботу дизеля при управлінні по кожному паливному заряду циліндра. Результати моделювання дозволяють описати один з найскладніших режимів суднового двигуна внутрішнього згоряння – запуск двигуна. Розроблено алгоритм та схему моделювання одноциліндрового двотактного двигуна внутрішнього згоряння. Для моделювання та оптимізації управління судновим дизелем необхідна розробка адаптивної моделі системи підготовки палива, як такої, що враховує характеристики та властивості палива, яке подається до двигуна.

В статье рассмотрены основные процессы, протекающие в судовом двухтактном двигателе внутреннего сгорания, по его индикаторной кривой. На основе анализа индикаторной диаграммы построена математическая модель двигателя, которая позволяет учитывать влияние характеристик топлива на работу дизеля при управлении по каждому топливному заряду цилиндра. Результаты моделирования позволяют описать один из самых сложных режимов судового двигателя внутреннего сгорания – запуск двигателя. Разработан алгоритм и схема моделирования одноцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Для моделирования и оптимизации управления судовым дизелем предлагается дальнейшая разработка адаптивной модели системы подготовки топлива, которая учитывает характеристики и свойства топлива, подаваемого к двигателю. Article considers constructing of two-stroke internal combustion engine mathematical model and also, the analysis of model's work with fuel preparation system accounting. For the construction of a mathematical model of MICE, a single-cylinder two-stroke low-speed engine model has been used. The shaft of the engine, connected directly with the crank mechanism, carries out rotational movements at a fixed phase distribution. In the process of compression in the cylinder increases the brake torque, whose magnitude is related to the angle of the shaft rotation. The second, working phase, is related to the identity of the moment created by the gas pressure in the cylinder with the direction of crank mechanism motion. Additional energy, which is fed by fuel at the time of combustion, accelerates the movement of the engine shaft. The injection and combustion phase coincides with the beginning of the working stage of the movement. By the end of the working phase, the purging of the cylinder and the reception of a new air charge is carried out. After that, the compression cycle begins again. A mathematical model of processes in a cylinder of a two-stroke engine is constructed, taking into account the analytical dependencies of these processes. The developed model allows to proceed to the simulation of a multi-cylinder MICE, a compatible model of single-cylinder diesel engines taking into account the phases of gas distribution and engines flywheel. The simulation results allow one of the most complex moments engine start to be described. The start-up process for a single cylinder engine is more complex than for a multi-cylinder and the proposed model makes it easy to increase the number of cylinders. For a complete analysis of the processes occurring in the MICE, description of one of the processes using linear dynamic links is not enough. It is necessary to build a complete mathematical model using modern information technology techniques. The mathematical model of the MICE is individual and requires the consideration of the indicator curves of a particular engine. In this case it is necessary to consider the engine as a quasistationary object and periodically perform identification of the model parameters. The developed mathematical model allows simulate processes, including motion and processes within the limits of one rotation of the engine shaft. In spite of the model’s non-linearity, its structure is simple and the mathematical model is sufficient for the management of the MICE. The developed model allows to take into account not only the features of a particular MICE, but also the influence of fuel characteristics, taking into account the control of each fuel cylinder charge and fuel properties. The basis for the model of the engine indicator curves for identification should be specified. It allows to realize a reliable engine motion forecast when changing the load and control. In order to simulate and optimize the MICE control, it is necessary to take into account the properties and characteristics of the fuel supplied to the engine, which requires the development of a mathematical model of the fuel preparation system.