О специальном образовании по направлению

ИСТОЧНИК: Иващенко Н. А., Грехов Л. В., Кулешов А. С. Методическое обеспечение
конструирования двигателей и топливной аппаратуры при курсовом и дипломном про-
ектировании // Дополнительное образование студентов как механизм реализации
принципов непрерывности и преемственности в системе профессионального образо-
вания: Тез. докл. Всерос. Конф. — М.: МАДИ, 2000. — С.43-46


МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ И ТОПЛИВНОЙ АППАРРАТУРЫ ПРИ КУРСОВОМ И ДИПЛОМНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Иващенко Н. А., Грехов Л. В., Кулешов А. С.
МГТУ им. Н. Э. Баумана

Отработка рабочего процесса двигателей, особенно дизель-
ных, в производственных условиях отличалась длительностью и вы-
сокой трудоемкостью. В связи с ужесточением требований к экологи-
ческим и экономическим показателям ДВС потребовалось достовер-
ное математическое обеспечение для быстрой и малозатратной оп-
тимизации рабочего процесса (РП) и топливоподающей аппаратуры
(ТПА). При этом только оптимизация РП с помощью адекватных мо-
делей позволяет обосновано сформулировать технические требова-
ния 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 прово-
дить исследования 2 и 4-тактных ДВС дизелей, бензиновых двигате-
лей с искровым зажиганием (карбюраторных или с системой впры-
ска), газовых двигателей (в том числе форкамерных) с различными
схемами наддува. Основные возможности ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т анало-
гичны 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 геомет-
рии, 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. Важ-
нейший вспомогательный элемент — аппарат визуализации процес-
сов 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 непо-
средственным впрыском бензина. базируется на оригинальных науч-
ных разработках и оснащен современным пользовательским интер-
фейсом. Математическая модель отличается достоверностью опи-
сания топливоподачи, учитывает неизотермичность процесса, пере-
менность скорости звука, двухфазность топлива в условиях быстро-
протекающего процесса, нестационарное гидродинамическое трение
в трубопроводах, динамические и жесткостные свойства привода
ТНВД как крутильной системы и т. п. Другое отличие программ от из-
вестных — возможность исследования топливных систем всех из-
вестных в ДВС типов и возможность генерирования топливной сис-
темы с помощью специального графического редактора. В отличие
от программ такого класса R. Bosch, Caterpillar и Ricardo, графический
редактор формирует схему топливной системы из простых укрупнен-
ных 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 распределительно-
го типа, системами с электронным управлением и др.
Программы имеют дружественный пользовательский интер-
фейс, систему контекстной помощи help, удобную форму редактиро-
вания данных с эспресс-проверкой и более детальным анализом их
достоверности, представление результатов в табличном виде, пло-
ской, квазитрехмерной и трехмерной графики, совмещение семейст
кпивых, визуализация трассы поиска. Встроенный аппарат оптими-
зации на базе методов нелинейного программирования с ограниче-
ниями предлагает к использованию 14 различным способов.
ПК не являются изначально учебными продуктами, а создава-
лись для решения конструкторских задач, и эксплуатируются заво-
дскими конструкторами. Таким образом, студентам предлагается со-
временный профессиональный инструментарий, позволяющий ре-
шать актуальные задачи двигателестроения на высоком инженерном
и научном уровне.
Последнее обстоятельство требует от студента предваритель-
ной подготовки, в частности, знакомства с курсом РП, конструирова-
ния ДВС, ТПА, агрегатов наддува и др. А именно, работая с такими
программами, пользователь ставит и решает задачи поиска опти-
мальных решений одним из предусмотренных методов. Во всех за-
ложены способы организации однофакторного. двухфакторного и
многофакторного численного эксперимента. Студент имеет возмож-
ность творчески решать задачи отработки конструкций и их оптими-
зации, опираясь на получаемые результаты с средства их интерпре-
тации и облегченного осознавания.
С 1993 г. в МГТУ на 6-м курсе специальности 101200 введен
курсовой проект по ТПА. В задачи обеспечения его проведения во-
шли создание эффективных средств для ее проектирования, а также
подготовка вспомогательной методической литературы, в том числе
по быстро меняющимся современным техническим решениям, вклю-
чая различную ТПА с электронным управлением. Однако, не менее
важным стало создание условий к понуждению студента к творче-
скому отношению к выполняемой работе. Известно, что без послед-
него часть студентов рассматривает ЭВМ лишь как средство ускоре-
ния расчетов и как обязательный к выполнению пункт проекта. Фор-
мальному выполнению задания способствует также стихийно обра-
зующаяся база чертежей, подготовленных предшественниками
средствами AUTOCAD. Для представления на первый взгляд закон-
ченного проекта сегодня оказывается достаточным распечатать го-
товый файл чертежей.
Единственным способом организовать работу студента, имею-
щую реальное образовательное значение, явилась правильная
формулировка задания и промежуточный контроль выполняемой ра-
боты. К первому относится формулировка темы с учетом разнообра-
зия конструкций и реализованных процессов в усовершенствованной
ТПА на базе традиционной, альтернативной ТПА различных типов и
принципов действия, различных параметров и специальных требо-
ваний. Обязательным элементов проекта считается оптимизация РП
ДВС для формулирования требований к проектированию ТПА.
Обычно она ограничивается такими параметрами, как число и диа-
метр сопловых отверстий, опережение и среднее давление впрыска,
степень сжатия, давление наддува (a). В более детальных работах,
в рамках дипломного проектирования, анализируются углы располо-
жения струй, вихревое отношение, форма камеры сгорания, характе-
ристика впрыска, фазы газораспределения.
После анализа известных технических решений, в т. ч. их па-
тентного 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, сбороч-
ная единица и рабочие чертежи сопряженных прецизионных дета-
лей. В объем проекта включаются некоторые дополнительные рас-
четы (прочностные, электромагнитов, пьезоприводов и др.), прора-
ботка 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.