Программный комплекс ВПРЫСК четвертого поколения

Грехов Л. В., Кулешов А. С., Фадеев Ю. М., Кулешов А. А. (Московский Государственный Университет им. Н. Э. Баумана)

ПК Впрыск описывает процесс подачи жидких топлив в напорных топливных системах и является инструментом исследования, проектирования, оптимизации топливных систем (ТС).
Разработка появилась в 1984 г., была написана на языке Фортран-4 и ориентирована на основные в то время ЭВМ типа ЕС (IBM), производимые в странах СЭВ. Эксплуатировалась при подаче в приемник пакета перфокарт, а затем и с формированием задания с удаленного монитора, связанного с ЭВМ высокочастотным кабелем. Для анализа систем уже в первой же версии предусматривалась организация численного эксперимента.
С 1986 г. программа была переведена на язык Фортран-77 и эксплуатировалась в диалоговом режиме на ЭВМ Электроника, СМ. Результаты представлялись псевдографике. С 1990 г. она использовалась при выполнении курсового проекта по Системам питания студентами 6 курса.
В 1993 начала эксплуатироваться значительно более удобная про-грамма с сервисной оболочкой, обеспечивающей нормальную с точки зрения современного пользования работу. Сервисная оболочка функционировала как в ОC DOS, а позднее в Windows 3.6…97. Впервые был применен встроенный графический редактор схемы ТС на языке Assemble, написанный В. А. Светловым. Оболочка имела качественную графику, сервис диалога.
С 2009 введен в эксплуатацию ПК Впрыск четвертого поколения, ориентированный на PC со средами Windows-NT, XP, Vista. Получил дальнейшее развитие принцип «Usability» — удобства, дружественности по отношению к пользователю.
Нет перспектив у коммерческой программы для топливной системы одного типа. В ПК Впрыск 3-го поколения пользователь рисовал систему из примитивов, а программа распознавания обрабатывала схему и формировала данные для расчетного ядра. При всей привлекательности и общности такого подхода, он себя не оправдал. Пользователь мог рисовать невозможные для анализа схемы, бывали сбои в интерпретации схем, переусложнялись сервисные программы. В ПК 4-го поколения пользователю предлагается набор всех практически значимых схем, дальнейшая их детализация производится им путем исключения ненужного и уточнения вида элементов и конкретных технических решений в диалогах.
Здесь уместно сравнить ПК Впрыск с известными коммерческими программами того же назначения. Можно условно классифицировать их на три группы по способам генерации схемы ТС (табл.). В первой (Ricardo, AVL) пользователь собирает схему из мелких примитивов типа «узость, поворот, емкость». Генерация одной ТС с обдумыванием и анализом ТС может занимать неделю, для малоопытного пользователя и более.
Во вторую группу можно условно отнести ПК AMESIM (Imagine Lab. ICE), Gamma Technol. (GT-SUITE). В них работа ведется с более крупными примитивами типа узлов или деталей ТС. Наконец, в ПК Впрыск, Bosch работа ведется с укрупненными составляющими типа устройства, узла (распылитель, насосная секция, кулачковый привод).
По нашему мнению, последний подход в наибольшей степени отве-чает принципу Usability. Это доказывается многолетней практикой как использования в курсовом и дипломном проектировании студентами МГТУ, так и работой заводских специалистов. Применение таких крупных элементов схемы позволил перейти на технологию Впрыск-4 — предложения для выбора и уточнения готовых прототипов схем, обеспечивает быстрое освоение программы, но никак не наносит ущерба точности и необходимой детализации ТС и достоверности расчетов. Последнее обеспечивается не формальным многообразием возможностей, а наличием только необходимых детализаций, существование которых обязано формированию диалога специалистами, а не математиками-программистами.
С точки зрения организации работ в ПК можно отметить полезную преемственность с предыдущими версиями и новые возможности. Так, по-прежнему возможно одномерное, двумерное сканирование, многомерное с одним определяющим фактором, построение характеристик. Для многомерного анализа по числу факторов, больших 2, используется аппарат оптимизации одним их 14 возможных методов.
В целях решения конечной задачи — построения двигателя с задан-ными параметрами, например, экологическими, осуществляется взаимо-действие с другим программным продуктом — Дизель-RK. Оптимизация рабочего процесса по заданным условиям — единственно научно обосно-ванный способ обоснования ряда определяющих параметров ТС и ее важнейших показателей. Используется и обратная связь — получаемая в ПК Впрыск характеристика и другие показатели впрыскивания являются исходными данными для расчета рабочего процесса.
Совершенствование интерфейса 25 лет шло параллельно совершенствованию математических моделей. Потребности выполняемых работ для практики, изменяющиеся конструкции ТС, новые процессы и уровень показателей обусловливали новые подходы и усовершенствования расчетных методов. В табл. перечислены некоторые особенности математических моделей и известными отметками в различных ПК (к сожалению, на разные периоды времени).
К важнейшим достоинствам ПК Впрыск можно относить использо-вание для расчета аналитических и численных решений исходных уравнений (у каждого свои достоинства). При этом уникальной разработкой МГТУ является расчет гидравлического сопротивления для нестационарных потоков. Быстродействующие алгоритмы не замедляют счет, а гидродинамическое трение рассчитывается корректно (известные формулы для установившегося по длине и времени течений в трубе дают ошибку до порядка и более). Эти работы основываются на проведенном цикле тонких физических экспериментов.
Новые параметры ТС продиктовали необходимость учета неизотермичности в процессе подачи. Не теряют актуальность вопросы корректного учета двухфазного топлива. Учет газовой фазы производится на основе гипотезы и формальной процедуры по Астахову И. В.-Голубкову Л. Н., так и в рамках модели дисперсионной среды с переменными свойствами. В последнем случае производится учет гистерезиса при выделении — растворении газа.
Полезные приложения для промышленности имела организация решения сопряженной задачи топливоподачи и динамики привода ТНВД. Можно лишь сожалеть, что, несмотря на наличия такого вопроса в программе курса Динамика ДВС, выпускники ВУЗов России так и остаются в этом вопросе неосведомленными. Результат — фатальные ошибки при проектировании новых двигателей.
Внедрение ТС с электронным управлением обусловил необходи-мость разработок моделей быстродействующих электроприводов. К слову, по той же причине обострилась проблема расчета динамики привода из-за изъятия муфты опережения.
Сравнение пользовательского интерфейса и еще более, математических моделей, с аналогами (табл.) показывает, что им ПК Впрыск-4 не уступает, а по ряду позиций превосходит. Решающими достоинствами мы считаем относительная простота освоения и работы, быстродействие наряду с аппаратом исследования и оптимизации.
Разумеется, имеются по отношению к конкурирующим программам кажущиеся и реальные изъяны. К первым, например, можно отнести отсутствие 3D расчетов течения. Подобные модели и программы на кафедре ПД МГТУ разработаны (NSF-3), но здесь не применяются сознательно: расчет трехмерных течений по времени значительно превышает основную задачу. Таким образом, решение практических задач становится невозможным. В необходимых случаях (течении в конусах) это компенсируется полуэмпирическими методиками. К реальным недостаткам относятся более слабая проработка полезных «мелочей» сервиса, на сегодня — одноязычность, проигрыш в продвижении программы на рынке.
Ныне ПК функционирует в режиме удаленного пользования с сервером в МГТУ (см. другую статью). ПК передан для работы на ряд предприятий и ВУЗов России, является инструментальной базой при выполнении курсового проекта по дисциплине Системы питания в МГТУ, применяется при выполнении договорных работ.

Литература:

1. Сайт http://energy.power.bmstu.ru/e02/inject/i00rus.htm
2. Иващенко Н. А., Вагнер В. А., Грехов Л. В. Моделирование процессов топливоподачи и проектирование топливной аппаратуры дизелей. — Барнаул-М.: Изд-во АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 2002. — 166 с.