Многопараметрическая оптимизация параметров среднеоборотного судового дизеля при его форсировании на 25%

d42gs_an.gif (7195 bytes)

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) english.gif (2062 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)

      Использование функции многопараметрической оптимизации прграммного комплекса ДИЗЕЛЬ-2/4т позволяет решать задачи по оптимальному выбору сразу нескольких параметров рабочего процесса двигателя.
     При форсировании двигателя по среднему эффективному давлению особую актуальность приобретает задача такого выбора параметров рабочего процесса, который обеспечил бы минимальный удельный эффективный расход топлива и минимальную эмиссию вредных веществ при требуемой мощности и допустимых уровнях тепловой и механической напряженности.


     В базовой комплектации рассматриваемый судовой дизель имеет систему 2 ступенчатого свободного турбонаддува с охлаждением воздуха после каждой из ступеней сжатия. Мощность двигателя характеризуется величиной среднего эффективного давления Ре=16 бар. при работе с противодавлением на выпуске 1.52 бар. Задача форсирования имеет целью увеличение Ре до 20 бар, при этом параметры дизеля не должны выходить за пределы, указанные в таблице 1.

Таблица 1.  Ограничительные параметры.

Параметр Базовое значение Предельное значение
Максимальное давление цикла Pz, бар 140 Pz < 145
Максимальное давление впрыска Р_впр, бар 1100 Р_впр < 1300
Температура газов перед турбиной Tr, K 933 Tr < 953
Коэффициент избытка воздуха a 1.7 a > 1.7
Степень сжатия e 13.2 e > 11.5

    Увеличение цикловой подачи топлива в исходной комплектации дизеля на 25% с 2.8 до 3.5 г/цикл приводит к тому, что мощность возрастает лишь на 20%, удельный эффективный расход топлива be увеличивается на 7 г/кВт ч, нарушаются основные ограничения (см. табл. 2, сочетание: "gс=3.5 г"):
- максимальное давление цикла Pz возрастает до 153 бар;
- температура газов перед турбиной Tr увеличивается до 996  K;
- коэффициент избытка воздуха a снижается до 1.57.

Давление наддува возрастает с 3.22 бар до 3.78 бар. (Расчет произведен в режиме совместного моделирования рабочего процесса и течения в проточной части турбин и компрессоров.)  Дополнительные расчеты только поршневого ДВС показывают, что для сохранения величины a=1.7 необходимо в исходной поршневой части увеличить давление наддува до 4.1 бар. (см. табл.2, сочетание: "Увелич. Рк"). Для достижения этой цели колеса обоих компрессоров были модифицированы. В результате коэффициент избытка воздуха был увеличен до a=1.7, однако расход топлива все равно превышал исходное значение на 6 г/кВт ч, а максимальное давление цикла выросло еще больше: до Pz=162 бар., температура газов хоть и снизилась, но все равно превышала предельно допустимое значение Tr=966 К. Чтобы снизить расход топлива и уложиться в существующие ограничения необходимо провести комплексную оптимизацию сразу по нескольким конструктивным параметрам.

Оптимизация процесса газообмена

     Прежде чем заниматься совершенствованием процессов сжатия и сгорания в цилиндре и течения газа в проточной части агрегата наддува, необходимо обеспечить условия максимально возможного наполнения цилиндра рабочим телом, т.е. выбрать фазы газораспределения. Выбор фаз на первом этапе исследования избавит от необходимости включения их в вектор независимых переменных на последующих этапах, что существенно сократит объем вычислений для проведения всего исследования, а также снизит вероятность попадания в локальный оптимум.
     Выбор минимизируемой целевой функции при оптимизации фаз газораспределения обусловлен самим назначением органов газообмена - обеспечить очистку и наполнение цилиндра: функция цели - коэффициент наполнения.
     В вектор независимых переменных включены:
- угол закрытия выпускных клапанов;
- угол открытия впускных клапанов;
- угол закрытия впускных клапанов.
    Угол начала выпуска слабо влияет на величину коэффициента наполнения и значительно сильнее на удельный эффективный расход топлива, поэтому угол начала выпуска целесообразно включить в вектор независимых переменных на дальнейших этапах исследования, когда в функцию цели будет входить расход топлива. 
     Оптимальный поиск проводился с использование математической модели не учитывающей особенности течения газа в проточных частях турбин и компрессоров. Давление наддува задавалось постоянным и равным 4.1 бар, цикловая подача топлива - 3.5 г., а граничные условия со стороны турбины высокого давления вычислялись из условия баланса мощности турбин и компрессоров в зависимости от температуры газов.
     Поиск оптимального сочетания фаз газораспределения велся методом "тяжелого шарика", а затем решение уточнялось методом "деформируемого многогранника". В результате оптимального поиска было получено решение ( См. табл. 2, сочетание: "Оптим. фазы"):
- заканчивать выпуск следует раньше на 20 град.;
- впуск следует начинать раньше на 5 град.;
- заканчивать впуск следует раньше на 13 град.

    В этом случае (при уменьшении перекрытия клапанов и приближении его к ВМТ) коэффициент наполнения увеличится на 0.042 и достигнет величины 0.782, температура газов снизится на 26 К.   Последнее обстоятельство вызывает увеличение давления газов перед турбиной и рост насосных потерь. Дополнительное увеличение насосных потерь происходит еще и за счет  уменьшения перекрытия клапанов и сдвига его в сторону ВМТ, в зону минимальных объемов: увеличивается "горб" на диаграмме давления в цилиндре в конце выталкивания. Значительное увеличение насосных потерь обуславливает и увеличение удельного эффективного расхода топлива на 9 г. по сравнению с исходным значением.
     Увеличение массы рабочего тела обуславливает дальнейшее нарушение ограничения   по предельной величине максимального давления цикла: Pz = 167 бар. 

 

Таблица 2. Последовательность оптимизации рабочего процесса КДВС
Рекомендуется просмотр в режиме 600 х 800

Цветами обозначены Нарушенные ограничения, не участвующие в текущем поиске
Независимые переменные Функция цели Ограничения
Параметр ДВС Сочетания параметров  (gc=3.5 г)
Исходное* gc=3.5 г. Увелич. Рк Оптим. фазы Оптимальное
Степень сжатия 13.2       11.55
Опережение впрыска, град. 17       18
Продолж. впрыска, град 38       35
Число сопел распылителя 8       8
Диаметр сопел, мм 0.5       0.5
Начало выпуска, град. исх.       раньше на 1
Окончание выпуска, град. исх.     раньше на 20 раньше на 20
Начало впуска, град. исх.     раньше на 5 раньше на 5
Окончание впуска, град. исх     раньше на 13 раньше на 13
Угол выхода потока из СА турбин, град. ТВД 13.6       12.8
ТНД 13.6       15.3
Давление наддува, бар 3.22 3.78 4.1 4.1 3.88
Ср. эфф. давление Ре, бар 1.6 1.92 1.93 1.91 2.0
D be,  г / кВт ч 0 - исх. +7 +6 +9 0
Макс. давлен. цикла Pz,бар 140 153 162 167 145
Температ. перед турбин.,К 933 996 966 940 948
Коэфф. избытка воздуха a 1.7 1.57 1.7 1.79 1.7
Макс. давл. впрыска, бар 1100 1120 1120 1120 1300
Коэфф. наполнения 0.73 0.731 0.74 0.782 0.78
  *gc=2.8 г.        

     Казалось бы, что показатели двигателя ухудшились и оптимизация фаз газораспределения дает отрицательные результаты, однако это не так. Увеличение коэффициентов наполнения и избытка воздуха, а также вызванное этим снижение температуры газов перед турбинами открывает возможности для снижения давления наддува, а следовательно и насосных потерь. Уточнение величины давления наддува должно выполняться уже на следующем этапе, во время поиска оптимального сочетания других параметров двигателя, влияющих на рабочий процесс.

Расчетное определение оптимальных параметров комбинированного ДВС
при его форсировании

     Кроме фаз газораспределения на формирование рабочего процесса КДВС большое влияние оказывают и другие параметры двигателя. Это, прежде всего:
-  степень сжатия;
-  опережение, продолжительность и характеристика впрыска;
-  диаметр, число и направленность сопел распылителя;
-  форма камеры сгорания;
-  геометрия проточной части агрегата турбонаддува и др.

     При выборе параметров рабочего процесса, формирующих вектор независимых переменных, следует по возможности ограничивать их число и отдавать предпочтение тем из них, влияние которых наиболее существенно и не вызывает технологических проблем. Так из многообразия параметров, формирующих проточную часть двухступенчатой турбины, были выбраны углы выхода потока из сопловых аппаратов (СА) турбин высокого давления и низкого давления. Эти параметры позволяют регулировать как общую степень повышения давления в компрессорной части агрегата наддува, так и распределение ее по ступеням сжатия высокого и низкого давления; кроме того, такое изменение проточной части турбин сопряжено с минимальными переделками турбокомпрессора.

     В вектор независимых переменных включены 8 управляющих факторов:
-  степень сжатия ;
-  опережение впрыска;
-  продолжительность впрыска;
-  диаметр сопел распылителя;
-  число сопел распылителя;
-  угол начала выпуска;
-  угол выхода потока из соплового аппарата турбины ступени высокого давления;
-  угол выхода потока из соплового аппарата турбины ступени низкого давления.
    Ограничения указаны в таблице 1.
    Целевая функция - удельный эффективный расход топлива be.

     "Стартовой точкой" для оптимального поиска послужило сочетание параметров, полученное в результате оптимизации фаз газораспределения. Поиск оптимума велся сначала методом "наискорейшего спуска", а затем решение уточнялось методом деформируемого многогранника. Целевую функцию и ограничения потребовалось вычислить 124 раза (с учетом вычисления производных численным методом). Использование других поисковых процедур и других стартовых точек приводит к этому же решению. Это доказывает что полученный оптимум не является локальным.

     Результаты решения оптимизационной задачи, представленные в таблице 2, (сочетание: "Оптимальное"), показывают, что установленный на двигателе распылитель 8 х 0.5 является оптимальным. Оптимальным также следует считать и исходное значение угла начала выпуска. Остальные оптимизируемые параметры нуждаются в изменениях, которые позволят форсировать двигатель до величины Ре=20 бар без ухудшения топливной экономичности и при допустимых уровнях тепловой и механической напряженности.

Таким образом с помощью функции оптимизации можно, удовлетворяя всем ограничениям, добиться наилучших показателей двигателя, увязав при этом, порой, противоречивые направления совершенствования отдельных процессов.

     Следует отметить, что при проведении данного исследования  не ставилась задача ограничения предельных уровней эмиссии сажи и оксидов азота. Если бы были установлены ограничения эмиссии вредных веществ, то решение было бы совершенно другим.

 

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) e-mail.gif (1629 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)