ИСТОЧНИК: Иващенко Н.А., Грехов Л.В., Кулешов А.С. Методическое обеспечение конструирования двигателей и топливной аппаратуры при курсовом и дипломном проектировании // Дополнительное образование студентов как механизм реализации принципов непрерывности и преемственности в системе профессионального образования: Тез.докл. Всерос. Конф. — М.: МАДИ, 2000. — С.43-46
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ И ТОПЛИВНОЙ АППАРРАТУРЫ ПРИ КУРСОВОМ И ДИПЛОМНОМ ПРОЕКТИРРОВАНИИ
Иващенко Н.А., Грехов Л.В., Кулешов А.С.
МГТУ им. Н.Э.Баумана
Отработка рабочего процесса двигателей, особенно дизельных, в производственных условиях отличалась длительностью и высокой трудоемкостью. В связи с ужесточением требований к экологическим и экономическим показателям ДВС потребовалось достоверное математическое обеспечение для быстрой и малозатратной оптимизации рабочего процесса (РП) и топливоподающей аппаратуры (ТПА). При этом только оптимизация РП с помощью адекватных моделей позволяет обосновано сформулировать технические требования для проектирования ТПА. Используя разработки научных школ МГТУ им. Н.Э.Баумана, МАДИ, Харьковского ПИ авторами созданы средства для проектирования и оптимизации ДВС и ТПА.
Программный комплекс (ПК) ДИЗЕЛЬ-2/4т позволяют проводить исследования 2 и 4-тактных ДВС дизелей, бензиновых двигателей с искровым зажиганием (карбюраторных или с системой впрыска), газовых двигателей (в том числе форкамерных) с различными схемами наддува. Основные возможности ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т аналогичны известным программным продуктам BOOST (AVL), WAVE (Ricardo), GT-Power (Gamma Technoligies). Однако, ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т имеет принципиально новые возможности, позволяя оптимизировать форму камеры сгорания и ТПА с целью снижения расхода топлива и эмиссии вредных веществ. Программы базируются на детальном анализе процессов впрыска, распыливания, испарения в различных зонах камеры сгорания, воспламенения, сгорания. Рассматриваются процессы отдельно по каждой топливной струе с учетом ее геометрии, расположения в камере сгорания, в ее характерных объемах и над пленкой. Результатами расчетов являются мгновенные функции испарения, тепловыделения, давления, температур и др., а также эффективные показатели, выбросы частиц, окислов азота и др. Важнейший вспомогательный элемент — аппарат визуализации процессов распыливания и сгорания топлива в реальной геометрии камеры, позволяющий облегчить интерпретацию результатов.
ПК ВПРЫСК предназначен для моделирования, параметрической и дискретной оптимизации топливных систем дизелей и ДВС с непосредственным впрыском бензина. базируется на оригинальных научных разработках и оснащен современным пользовательским интерфейсом. Математическая модель отличается достоверностью описания топливоподачи, учитывает неизотермичность процесса, переменность скорости звука, двухфазность топлива в условиях быстропротекающего процесса, нестационарное гидродинамическое трение в трубопроводах, динамические и жесткостные свойства привода ТНВД как крутильной системы и т.п. Другое отличие программ от известных — возможность исследования топливных систем всех известных в ДВС типов и возможность генерирования топливной системы с помощью специального графического редактора. В отличие от программ такого класса R.Bosch, Caterpillar и Ricardo, графический редактор формирует схему топливной системы из простых укрупненных узлов (форсунка, плунжерная пара, мультипликатор и т.п.), что значительно облегчает работу пользователя. ПК ВПРЫСК особенно удобен для работы с нетрадиционными, усовершенствованными системами, например, аккумуляторными, с ТНВД распределительного типа, системами с электронным управлением и др.
Программы имеют дружественный пользовательский интерфейс, систему контекстной помощи help, удобную форму редактирования данных с эспресс-проверкой и более детальным анализом их достоверности, представление результатов в табличном виде, плоской, квазитрехмерной и трехмерной графики, совмещение семейст кпивых, визуализация трассы поиска. Встроенный аппарат оптимизации на базе методов нелинейного программирования с ограничениями предлагает к использованию 14 различным способов.
ПК не являются изначально учебными продуктами, а создавались для решения конструкторских задач, и эксплуатируются заводскими конструкторами. Таким образом, студентам предлагается современный профессиональный инструментарий, позволяющий решать актуальные задачи двигателестроения на высоком инженерном и научном уровне.
Последнее обстоятельство требует от студента предварительной подготовки, в частности, знакомства с курсом РП, конструирования ДВС, ТПА, агрегатов наддува и др. А именно, работая с такими программами, пользователь ставит и решает задачи поиска оптимальных решений одним из предусмотренных методов. Во всех заложены способы организации однофакторного. двухфакторного и многофакторного численного эксперимента. Студент имеет возможность творчески решать задачи отработки конструкций и их оптимизации, опираясь на получаемые результаты с средства их интерпретации и облегченного осознавания.
С 1993 г. в МГТУ на 6-м курсе специальности 101200 введен курсовой проект по ТПА. В задачи обеспечения его проведения вошли создание эффективных средств для ее проектирования, а также подготовка вспомогательной методической литературы, в том числе по быстро меняющимся современным техническим решениям, включая различную ТПА с электронным управлением. Однако, не менее важным стало создание условий к понуждению студента к творческому отношению к выполняемой работе. Известно, что без последнего часть студентов рассматривает ЭВМ лишь как средство ускорения расчетов и как обязательный к выполнению пункт проекта. Формальному выполнению задания способствует также стихийно образующаяся база чертежей, подготовленных предшественниками средствами AUTOCAD. Для представления на первый взгляд законченного проекта сегодня оказывается достаточным распечатать готовый файл чертежей.
Единственным способом организовать работу студента, имеющую реальное образовательное значение, явилась правильная формулировка задания и промежуточный контроль выполняемой работы. К первому относится формулировка темы с учетом разнообразия конструкций и реализованных процессов в усовершенствованной ТПА на базе традиционной, альтернативной ТПА различных типов и принципов действия, различных параметров и специальных требований. Обязательным элементов проекта считается оптимизация РП ДВС для формулирования требований к проектированию ТПА. Обычно она ограничивается такими параметрами, как число и диаметр сопловых отверстий, опережение и среднее давление впрыска, степень сжатия, давление наддува (a). В более детальных работах, в рамках дипломного проектирования, анализируются углы расположения струй, вихревое отношение, форма камеры сгорания, характеристика впрыска, фазы газораспределения.
После анализа известных технических решений, в т. ч. их патентного фонда, обоснования решений и особенностей выполнения ТПА, начинается работа по ее совершенствованию и оптимизации. В необходимых случаях анализируются параметры топливоподачи в поле рабочих режимов. Возможен контрольный расчет РП. После этого готовится конструкторская документация: общий вид, сборочная единица и рабочие чертежи сопряженных прецизионных деталей. В объем проекта включаются некоторые дополнительные расчеты (прочностные, электромагнитов, пьезоприводов и др.), проработка гидравлической и схемы электронного управления, анализ альтернативных вариантов, сопоставление с прототипом и др.
Творческому отношению к работе способствует обязательность процесса поиска в соответствии с существом задания, обсуждение на консультациях и включение в записку выявленных аналогов, их анализа, обоснование выбора ТПА, ее промежуточных вариантов и этапов поиска оптимальной конструкции.