Программное приложение для исследования влияния трибологических факторов на динамику работы двигателя внутреннего сгорания

В статье автор разрабатывает приложение для анализа и исследования влияния трибологических факторов на динамику работы двигателя внутреннего сгорания

Ключевые слова : имитационная модель, Anylogic, двигатель внутреннего сгорания, визуализация поршня, графический интерфейс, трибология, кинематика, синхронная частота

Основная цель исследования — разработка имитационной модели для проведения численных экспериментов, связанных с кинематикой и трибологией для двигателя внутреннего сгорания.

Разрабатываемая система должна рассчитывать давление сжатия, изменяющиеся коэффициенты трения и синхронную частоту двигателя для выхода на стационарный режим работы. Созданная модель является упрощенной версией без расчета теплопередачи.

Актуальность данного исследования заключается в потребности в улучшении характеристик смазочных масел. Использование компьютерных расчетов существенно ускоряет процесс вывода новых масел на рынок. Научные центры проводят исследования по оптимизации рабочих процессов двигателей, включая управление топливной системой для снижения выбросов. Недостаток соответствующего программного обеспечения приводит к проведению большей части исследований в экспериментальном формате, поэтому создание имитационной модели помогло бы сократить расходы. Имитационное моделирование имеет особенное значение в условиях увеличенных требований к мощности и экономичности, когда стоимость реальных экспериментов существенно возрастает.

Имитационная модель двигателя внутреннего сгорания имеет огромную практическую значимость в современной инженерной сфере. Благодаря такой модели можно проводить виртуальные испытания и оптимизировать конструкцию двигателя, улучшая его характеристики и эффективность. Это позволяет сократить время и затраты на разработку новых двигателей, повысить их надёжность и экономичность. Использование имитационной модели также способствует исследованию и разработке новых технологий в области сжигания топлива, снижению вредных выбросов и повышению общей эффективности автомобильной техники. В итоге, это содействует развитию автомобильной промышленности и снижению негативного воздействия на окружающую среду.

Основные уравнения для создания динамики двигателя:

Уравнение для расчета мощности двигателя и нагрузки на него (1)

(1)

— нормированное давление в цилиндре;

— нормированное напряжение трения.

В систему вводятся кинематические параметры для расчета модели кривошипно-шатунного механизма, такие как:

1. смещение поршня (x);
2. угол поворота кривошипа φ;
3. скорость поршня (v);
4. ускорение (a);
5. угол поворота шатуна β.

Циклическая частота ω=2πf переводит все кинематические параметры, такие как перемещения поршня и угол поворота кривошипа, которые используются для оценки трения. Угол поворота шатуна находится путем интегрирования циклической частоты и масштабирования его согласно периоду путем деления интеграла на длину периода. Для расчёта остальных кинематических параметров применяются формулы, указанные в источнике [1]:

(2)

(4)

(5)

(6)

где — отношение длины кривошипа r к длине шатуна l.

Сила давления поршня на стенку цилиндра:

m — приведенная масса поршня; F — сечение цилиндра.

Трение в модели рассчитывается по формуле

(8)

где ; характеристическое давление

Смешанное трение вычисляется исходя из числа Зоммерфельда, найденного по кривой Герси — Штрибека.

где — расстояние между поршнем и стенкой цилиндра.

Дальше решается аппроксимация вида:

(10)

Параметры аппроксимации определяются координатами минимума этой кривой ( , ) которые удовлетворяют условиям из уравнения (10) [21].

Параметры аппроксимации в решенном виде имеют такую систему:

На рисунке 1 представлена имитационная модель математической системы уравнений по расчету кинематических и трибологических параметров. Система сделана с помощью инструментов системной динамики и агентного моделирования в программной среде Anylogic.

Рис. 1. Упрощенная математическая модель двигателя внутреннего сгорания в среде Anylogic

Визуализация модели сделана с помощью 3Д-модели в программе Blender. 3Д-модель поршня двигается согласно частоте колебаний двигателя рисунок 2.

Рис. 2. 3Д-модель поршня двигателя внутреннего сгорания запущенной в имитационной среде Anylogic

Варьируемые параметры системы представлены на рисунке 3

Рис. 3. Варьируемые входные параметры системы ДВС, запущенной в имитационной среде Anylogic

Задаем следующие начальные параметры ползунков для расчета трибологических параметров системы двигателя:

1. Мощность внешней нагрузки — от 0 до 1 с шагом в 0.005;
2. Давление — от 6230000 до 10230000 с шагом 100000, измеряется в Па;
3. Регулятор синхронной частоты — от 1 до 5 с шагом 1 измеряется в Гц;
4. Длина кривошипа — от 0.03 до 0.5 с шагом 0.01 измеряется в м;
5. Длина шатуна — от 0.12 до 2 с шагом 0.01 измеряется в м;
6. Масса поршня приведенная — от 1.4 до 2 с шагом 0.05 измеряется в кг;
7. Динамическая вязкость — от 0 до 1 с шагом 0.05 измеряется в Па*с;
8. Коэффициент сухого трения — от 0 до 1 с шагом 0.01 безразмерная величина.

Устанавливаем давление сжатия на уровне 6.230.000 Па, оставляя остальные параметры без изменений. После того, как двигатель достигнет своей синхронной частоты, вернем давление к базовому значению в 8.230.000 Па. Результаты отображены на рисунке 4. Вся трибологическая и кинематическая система изменится: квадрат частоты увеличится, что приведет к расширению рабочего диапазона всех параметров.

Рис. 4. Кинематическая и трибологическая система при меньшем давлении сжатия в имитационной среде Anylogic

Увеличение нормированного давления будет происходить поэтапно, что приведет к увеличению нормированного трения. Диапазон нормированного напряжения трения изменится с 0.04 до 0.05, как показано на рисунке 5.

При увеличении мощности внешней нагрузки с 0.023 до 0.595 частота начнет снижаться. Через 40 секунд модель достигнет своих минимальных значений, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Кинематическая и трибологическая система при большей внешней нагрузке в имитационной среде Anylogic

При увеличении значения регулятора синхронной частоты с 1 до 2, коэффициент для расчета синхронной частоты увеличится при неизменных других условиях, как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Изменение синхронной частоты регулятором в имитационной среде Anylogic

Когда длина кривошипа увеличивается с 0.03 до 0.04, смещение поршня увеличивается до 0.08 вместо обычных 0.06, что приводит к увеличению скорости и ускорения поршня. Эти изменения требуют перестройки всей модели (рисунок 8).

Рис. 8. Изменение длины кривошипа в имитационной среде Anylogic

При увеличении длины шатуна c 0.12 до 0.67 в значительной степени изменяются параметры угла поворота шатуна, силы давления на стенку цилиндра, и нормированное напряжения трения (рисунок 9).

Рис. 9. Изменение длины шатуна в имитационной среде Anylogic

Параметр приведённой массы поршня оказывает влияние на модель незначительно.

В ходе данной работы создан программный пакет, который позволяет в реальном времени рассчитывать характеристики двигателя внутреннего сгорания, с отображением движения поршня согласно частоте работы двигателя.

Модель имеет открытый код, что дает возможность ее дорабатывать путем добавления дополнительных функциональных возможностей для расчета трибологических параметров и впоследствии интеграции в неё термодинамику.

Литература:

1. Anylogic — URL: https://www.anylogic.ru/ (Электронный ресурс).
2. Моисеев А. А. Математическая модель системы питания парогенератора, Инженерная физика, № 3, 2008. — С.39.
3. Справочник по триботехнике, Т.2 / Под ред. Хебды М. Чичинадзе А. В. — М.: Машиностроение, 1990. — 416 с.
4. Масла моторные. Метод оценки моющих свойств на установке ИМ-1 — URL: https://ohranatruda.ru/upload/iblock/dc6/4294833039.pdf (Электронный ресурс).
5. Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения. — М.: Машгиз, 1962. -220 с.