автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Автоматизированный электромагнитный привод газораспределительных клапанов поршневого ДВС

Направахрукописи

СОСНИН Дмитрий Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ

ПРИВОД ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВОГО ДВС

(05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и электрооборудование» Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета)

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор ЮттВ.Е.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Опарин И.М.,

кандидат технических наук, профессор Купеев ЮА

Ведущая организация

ГНЦ РФ ФГУП НАМИ

Защита состоится «/

г года в

часов на заседании

специализированного совета Д212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: Москва, Ленинградский пр., дом 64, ауд. № 42.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 125319, Москва ГСП-47, Ленинградский пр., дом 64, ученому секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ). Телефон для справок: _1Л5-03-28. Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Н.В.Михайлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработчикам автомобильных двигателей хорошо известно, что идея создания автомобильного поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) без распределительного вала является исключительно плодотворной. При замене механического привода клапанов на привод от силовых электромагнитов с целью внедрения электронного управления процессами газораспределения открываются новые перспективы дальнейшего совершенствования поршневых двигателей по показателям развиваемой мощности, топливной экономичности и экологии. В середине 80-х годов автомобильные фирмы западных стран начали развивать исследования по созданию новых моделей поршневых ДВС с электромагнитным управлением процессами газораспределения. Основной проблемой, возникающей при проектировании и разработке электронно-управляемого газораспределительного механизма (ГРМ), является проблема создания такого электромагнитного клапана (ЭМ-клапана), который способен развивать значительную тяговую силу (не менее 320 Н) при малых габаритных размерах (не более 50x70 мм) и при этом потреблять из бортсети автомобиля незначительный ток (не более 2,5А на один клапан). Наиболее успешно над решением проблемы работали и продолжают работать инженеры и ученые немецких фирм BMW AG и FEV МТ, которым принадлежит подавляющее большинство патентов по ЭМ -клапанам, зарегистрированных за последние 15 лет. Аналогичные исследования ведутся и в других странах: Японии («Mitsubishi»), Италии («Fait»), США («Ford»), России (АвтоВАЗ, ФГУП НАМИ, МАДИ (ГТУ). После внедрения в практику новых международных стандартов OBD-II (Onboard diaqnostik-II) и EOBD (European On Board Diaqnostik) - III (2001 год) требования к понижению концентрации токсичных компонентов в отработавших газах автомобильных двигателей значительно возросли и были закреплены законодательно. При этом требования к повышению топливной экономичности ДВС также стали более жесткими. Теперь все проблемы, связанные с разработкой новых более совершенных ДВС, стали особенно актуальными. К таким актуальным проблемам относится и проблема создания электромагнитного привода для газораспределительных клапанов поршневого двигателя.

Целью работы является: разработка частной теории оптимального проектирования силовых электромагнитных приводов для газораспределительных клапанов ДВС и создание на ее основе инженерной методики расчета новых изделий. Для достижения цели были решены следующие задачи:

теоретическое исследование газораспределительного механизма поршневого двигателя с распределительным валом и механическими клапанами, который рассмотрен как объект автоматического управления;

критический анализ отечественных и зарубежных разработок по электромагнитным клапанам, сведения о которых опубликованы в открытой научно-технической и патентной литературе;

создание теории оптимального проектирования силовых тяговых электромагнитов с применением математического аппарата вариационного исчисления;

разработка инженерной методики расчета силовых электромагнитов с применением современных компьютерных технологий.

Методы исследований, использованные в диссертационной работе, основаны: на теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания, с помощью которой проведено исследование основных рабочих параметров и фазовых характеристик газораспределительного механизма поршневого ДВС как объекта автоматического управления; критическом анализе существующих разработок по научным и патентным публикациям; теории оптимального проектирования силовых электромагнитных механизмов; математическом аппарате вариационного исчисления; теории дифференциальных уравнений; методах оптимизации проектирования.

Научная новизна. Разработаны частные теоретические аспекты проектирования электромагнитных газораспределительных клапанов поршневого двигателя, включающие в себя математическое и схематическое моделирование рабочих процессов в сложносоставных электромагнитно-механических приводах. Получены и теоретически обоснованы ранее неизвестные взаимосвязи между различными расчетными значениями магнитодвижущих сил F в работоспособном электромагнитном приводе

где намагничивающие силы, соответственно определенные из

анализа баланса сил Р на выходе приводного механизма, анализа баланса напряжения U на входе системы, анализа распределения магнитного поля (индукции В) в воздушном зазоре, анализа теплового баланса по допустимой температуре 0. Получено уравнение связи между текущим значением тяговой силы F3 приводного электромагнита и текущим значением рабочего воздушного зазора 8 в магнитопроводе. Описаны физические связи электрических и магнитных параметров с габаритными размерами и температурой перегрева в электромагнитном клапане. Получены математические зависимости, позволяющие количественно сравнивать электрические, магнитные и размерные параметры электромагнитов для силового привода газораспределительных клапанов при задании различных исходных данных к расчету.

Практическая ценность. Доказана невозможность применения электромагнитного клапана с одним тяговым электромагнитом в реальных ГРМ автомобильных двигателей. Показано, что электромагнитный клапан с двумя (открывающим и закрывающим) электромагнитами может быть рассчитан и спроектирован под реальные технические условия для современных поршневых ДВС и, как следствие, имеет реальную перспективу широкого применения. Внедрена в дипломное проектирование методика инженерного расчета

электромагнитных клапанов поршневых ДВС. Разработан экспериментальный метод расчета параметров и характеристик магнитных цепей электромагнитного клапана на персональном компьютере с применением стандартных программ моделирования и проектирования.

Реализация результатов работы. Теоретическое описание и предложенная методика расчета силовых электромагнитных приводов использованы при проектировании и испытании газораспределительного механизма с электромагнитными клапанами экспериментального двигателя для автомобиля ВАЗ. Материалы диссертационной работы используются в дипломном проектировании студентами энерго-экологического факультета МАДИ(ГТУ).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МАДИ(ГТУ) в 1995-2005 гг. и одобрены на заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ(ГТУ).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в пяти печатных работах.

На защиту выносится:

• критический анализ существующих конструкций ЭМ-клапанов для газораспределительных механизмов поршневого ДВС;

• разработанные теоретические аспекты оптимального проектирования ЭМ-клапанов;

• разработанная методика инженерного расчета параметров и характеристик силовых электромагнитов для автоматизированного электропривода ГР-клапанов;

• результаты компьютерного эксперимента по проверке пригодности методики расчета ЭМ-клапанов в инженерном проектировании.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы. Содержание составляют 215 страниц, из которых: 125 страниц - текстового материала; 76 страниц - чертежи, графики и таблицы; 7 страниц - приложения; 7 страниц - список литературы (71 наименование).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана целесообразность создания автомобильного ДВС с электронно-управляемыми электромагнитными клапанами в газораспределительном механизме (ГРМ). Обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ставится цель и определяются задачи исследований.

В первой главе проведено исследование основных параметров и фазовых характеристик ГРМ 4-цилиндрового четырехтактного бензинового двигателя как объекта автоматического управления. По индикаторной диаграмме такого двигателя определены соотношения рабочих давлений газов в цилиндре ДВС, которые являются исходными данными при расчете тяговых усилий в электромагнитном приводе клапанов. Жесткая кинематическая связь газораспределительных клапанов с коленчатым валом двигателя является главным конструктивным недостатком современных автомобильных ДВС, который препятствует дальнейшему их совершенствованию. Показано, что с введением в ГРМ электронного управления клапанами посредством применения автоматизированного электромагнитного привода фазы газораспределения становятся управляемыми, и поршневой двигатель приобретает совершенно новые качественные показатели по топливной экономичности, экологии выхлопных газов, равномерности крутящего момента и удельной мощности. Определено, что фазовые характеристики в ДВС с «жестким» распределительным валом не могут быть оптимальными, так как каждому конкретному типу двигателя, режиму и условиям его работы соответствует своя фазовая диаграмма (рис. 1).

а\ вит № 1ШТ п\ ПЫТ ВЫТ

нмт нмт нмт нмт

Рис. 1. Фазовые диаграммы различных ДВС: а) - теоретического; б) - реального (ЗИЛ-116); в) - с оптимальным газораспределением в ' режиме холостого хода; г) - форсированною

При этом каждому виду фазовой диаграммы соответствует определенная форма кулачков и их положение на распределительном вале. Проведенный расчет оптимальной формы кулачков показал, что дальнейшее улучшение процессов газообмена в поршневом двигателе за счет совершенствования размерных параметров распределительного вала невозможно. Отсюда ясно, что жесткая привязка фаз газораспределения к вращению коленчатого вала, даже при их конструктивном расширении или (и) смещении относительно рабочих тактов двигателя, не является оптимальным способом формирования процессов газораспределения в реальных ДВС, ибо при изменении режима работы двигателя следует соответственно изменить и фазы газораспределения, но жесткая кине-

матика не позволяет этого сделать При автоматизированном электромагнитном приводе клапанов с управлением от электронной автоматики текущее изменение фаз газораспределения может быть легко реализовано адаптивным управлением клапанами от сигналов датчиков ЭСАУ-Д по заданной программе, которая закладывается и хранится в постоянной памяти ЭБУ.

Во второй главе проведен критический анализ известных конструкций газораспределительных клапанов (ГР-клапанов) с автоматизированным электромагнитным приводом. Аналитический обзор выполнен по патентам и журнальным публикациям за период 1985-2004 гг. Определены и описаны преимущества и недостатки газораспределительных электромагнитных клапанов различных по принципу действия и конструктивному исполнению. Показано, что в большинстве известных разработок используется прямой электромагнитный привод, в котором якорь силового электромагнита сочленен непосредственно со стержнем клапана (рис. 2,а). В таких конструкциях ЭМ-клапана с одним силовым электромагнитом обязательно присутствует жесткая клапанная пружина, работающая на закрытие клапана. Усилие этой пружины должен преодолевать открывающийся электромагнит, что делает его громоздким и непригодным для установки в ГРМ автомобильных двигателей.

Показано, что реальным условиям эксплуатации в автомобильном ДВС отвечает прямой электромагнитный привод ГР-клапана с двумя электромагнитами, один из которых открывающий, а другой закрывающий (рис. 2,6). В такой конструкции ЭМ-клапана запорная клапанная пружина не требуется. Однако остается проблема амортизации соударений подвижных компонентов привода о концевые опоры. Описаны все известные способы амортизации, пригодные для использования в ЭМ-клапанах (пружинные, гидравлические, пневматические, магнитные). Наиболее простая пружинная амортизация уже находит применение в реальных конструкциях ЭМ-клапанов фирмы FEV-MT (ФРГ)

а) б) в)

Рис 2 ЭМ-клапаны а) с одним элктромагнитом, б) с двумя электромагнитами, в) с соленоидом

Пневматическая и особенно гидравлическая амортизация в ЭМ-клапане не имеет перспективы, так как придает подвижным элементам привода значительную инерционность. Более приемлемыми следует считать электромагнитные способы амортизации путем остановки подвижного якоря в длинном токопроводящем соленоиде, который не имеет краевых опор (рис. 2,в).

Обследованы также опосредствованные (непрямые) способы привода ГР-клапанов, в которых наряду с распределительным кулачковым валом используются электрические устройства управления фазами газораспределения. Такие приводы из-за конструктивной сложности применяются ограниченно.

На основании исследований, проведенных во второй главе, сделан вывод, что все известные публикации по теме отображают лишь конструктивные поиски разработчиков и не содержат сведений о проработке теоретических аспектов проектирования ЭМ-клапанов для автомобильных ДВС. Это обстоятельство послужило мотивом к постановке цели - разработать частную теорию проектирования ЭМ-привода для ГР-клапанов поршневого двигателя, на основе которой создать несуществующую до настоящего времени методику инженерного расчета силовых электромагнитов, пригодных для работы в ГРМ автомобильных двигателей.

В третьей главе разработаны теоретические аспекты оптимального проектирования электромагнитного привода, работающего на тяговом смыкающемся электромагните (см. рис.2,а), для ГР-клапанов поршневого двигателя. Расчетные формулы для определения параметров и характеристик электромагнита составлены с применением вариационного исчисления. Для упрощения математического аппарата при анализе динамики электромагнитного механизма использованы обобщающие параметры и коэффициенты кратности, введенные в уравнения вариационного исчисления. Расчетная модель такого механизма представлена на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная модель ЭМ-клапана: б - рабочий воздушный зазор (величина хода в клапана); П - возвратная запорная пружина; К - намагничивающая катушка; 1 - ток в катушке К; Кл - газораспределительный клапан; Р - тяговая сила электромагнита; -магнитопровод; Я -якорь; Ъ\ - опора 1 (направляющая втулка клапана); Ъг - опора 2 (фаска посадочного седла клапана); - сопротивление вязкого трения; Сэ - эластичность пружины П; Ро - внешние статические силы

При проектировании электромагнитный механизм рассматривается как совокупность трех энергопроводящих цепей: электрической, магнитной и ме- . ханической. Каждая из трех цепей может быть описана дифференциальными уравнениями с обобщенными параметрами, которые являются и параметрами для расчетной эквивалентной схемы-аналога (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная схема-аналог ЭМ-клапана: А - электрическое звено с потерями; В - электромагнитное звено без потерь; С - механическое звено с потерямиДк - омическое сопротивление катушки; И.е - омическое сопротивление источника Е; Ыц - эквивалентное сопротивление потерь в ферромассах; Е - внешняя э.д.с; - индуктивность катушки; Се - междувитковая емкость катушки; Цош - приведенная масса подвижных частей; С, - эластичность клапанной пружины; Р„ - сила упругости предварительно сжатой пружины; Р, - сила внешнего воздействия; коэффициент вязкого трения; у - потокосцепление, отображающее связь электрической Ьк и механической Ьт инерционностей

Условные обозначения обобщенных параметров для электрических, магнитных и механических цепей представлены в диссертации таблично.

Динамическое состояние системы электромагнитного привода ГР-клапана можно описать силовой функцией Лагранжа

1 = Щ,д,0 = Щид2,...,дг;Ч1,Я2>"->Яг;1)> О)

где q - обобщенные параметры в вариационном исчислении.

Для электрического звена схемы-аналога (рис.4,А) Ч - это количество электричества, протекающего в к-М контуре qe = q|, Чт> (1...Ш). Для механического звена (рис.4,С) q - это координата положения якоря в ^м контуре qra= qm+1) qm+^...qr=sk; (к=т+1,...г). Производные от обобщающих параметров q соответственно равны: токи ¿¡с =4дг/Л = Ц() - для электрического звена в ^м контуре; линейные скорости перемещения ?„=(/<?я/еЬ = е13/& = У(1) -

для механического звена, где S-длина пути перемещения якоря от нулевой точки до координаты

Значение функции Лагранжа определяется как разность между кинетической Т и потенциальной V энергиями рассматриваемой системы

(2)

Применительно к ЭМ-клапану потенциальная энергия дописывается совокупностью стационарных параметров таких как: геометрические размеры компонентов клапана и его электромагнитного привода; обмоточные данные намагничивающей катушки электромагнита; магнитные свойства ферромате-риалов магнитопровода; параметры, характеризующие свойства возвратной запорной пружины; коэффициент трения в подвижных сочленениях, коэффициенты температурного расширения и т.п. Изменение состояния системы между моментами времени и описывается интегралом от силовой функции Лагранжа

1Д= ¡L(q,q,t)dt. (3)

Согласно принципу наименьшего действия (принципу Гамильтона) при движении системы (изменении ее состояния) в каждый момент времени этот интеграл принимает наименьшее из возможных значений и в вариационном исчислении называется функционалом наименьшего действия. По условиям динамики приводной системы ЭМ-клапана уравнение движения якоря электромагнита, полученное с учетом требования минимума для функционала наименьшего действия, имеет вид

1д[г(х)]= \L(z)dx -> min,

где - неоднородная совокупность, состоящая из перечисленных стационарных параметров, обобщенных параметров q и их производных текущее положение (состояние) системы; L(z) - функция Лагранжа, зависящая от совокупности - интеграл от функции Лагранжа (функционал).

Определение значений функций q, qt при которых выполняется данное условие, сводится к решению дифференциального уравнения Эйлера

dL(z) d dq dt

5L(z)

dq

= 0.

(4)

В общем случае, когда эквивалентная схема электромагнитного механизма имеет несколько электрических цепей (контуров) и несколько механических цепей, по уравнению Эйлера составляется система из уравнений.

Для составления силовой функции Лагранжа Цд, <71, {) электромагнитного привода ГР-клапана эквивалентная схема-аналог разбивается на три подсистемы (рис. 4):

• токопроводящую подсистему А с тепловыми потерями электрической энергии в электрической и магнитной цепях электромагнита;

• электромагнитную подсистему В без потерь;

• механическую подсистему С с потерями на трение . Электромагнитная подсистема (В) без потерь является консервативным

звеном в системе тягового электромагнита, и может быть описана силовой функцией Лагранжа (функцией текущего состояния системы, не зависящей от состояния в прошлом). Для такой системы согласно (2) значение силовой функции Лагранжа

где Т* - кинетическая коэнергия консервативной системы, определяющаяся как

Величина может быть условно принята за параметр, который несет формальный сигнал энергии (коэнергии). Если под инерционностью v для электромагнитной системы понимается индуктивность L катушки, то k = vq = 1л = \(/, :где I)/- потокосцепление, и тогда ^

В дальнейших расчетах ЭМ-клапана по эквивалентной схеме-аналогу (рис. 4) величина Тк = Т*е принята за кинетическую коэнергию электромагнитной цепи без потерь. Корректность принятого допущения очевидна из подобия математических выражений для кинетической энергии движущейся массы т механической цепи

Тт = \mqdq

_Щ2 _*

— - ^ п

и для кинетическои коэнергии магнитного поля

что справедливо, если индуктивность Ь катушки не зависит от тока ( в ее витках.

Отсюда обобщенная кинетическая коэнергия консервативной электромагнитной системы равна

Здесь - суммарная кинетическая коэнергия электрической подсистемы, имеющей г-контуров и Уе сосредоточенных электрических индуктивно-стей Ь в цепи

а - суммарная кинетическая энергия механической подсистемы, имеющей V,,, число сосредоточенных масс т в механической цепи

Тт = ^ ^ (Гет \к •

Для механической цепи при

Ы "ркук

\'т)рк ~

При рассмотрении электромагнитного механизма с возвратной пружиной обобщенная потенциальная энергия ^определяется как

(5)

где - обобщенная сила упругости, а - обобщенный параметр состояния системы.

Для электрической цепи суммарная запасенная потенциальная энергия

]рк'

г

ЫН

где - число сосредоточенных электрических емкостей

Для электрической цепи (■

(V)

где - обобщенный параметр электрической цепи - электрический заряд.

Для упругих элементов механической подсистемы ЭМ-клапана суммарная потенциальная энергия

где - число упругих элементов (пружин) в механической цепи.

10

Для механической цепи (рис. 4)

где С[т - обобщенный параметр механической цепи - перемещение якоря электромагнита (и пружины соответственно). Отсюда обобщенная потенциальная энергия консервативной электромагнитной системы ГР-клапана с запорной пружиной

знак «минус» - для учета увеличения упругой силы возвратной запорной пружины при ее сжатии (при открывании ГР-клапана).

Таким образом, силовая функция Лагранжа для электромагнитного привода с возвратной запорной пружиной в консервативной подсистеме опреде-

Для полной характеристики системы силового электромагнита потери в электрической и механической цепях не могут быть исключены из рассмот-. рения. Поэтому в выражение (6), описывающее состояние консервативной электромагнитной системы без потерь (рис. 4,В), внесены коррективы за счет неконсервативных подсистем с потерями (рис. 4,А и 4,С). Джоулевые потери в проводах Яв, катушке ЯК И потери в стали Лц вынесены в электрическую подсистему с потерями (рис. 4,А). Аналогичные потери, связанные с вязким трением, характеризующиеся коэффициентом Й5, вынесены в механическую подсистему с потерями (рис. 4, С).

Для учета потерь определим неконсервативную кинетическую энергию. Найдем функцию, зависящую от обобщенной скорости, функцию рассеяния

Функция неконсервативной кинетической коэнергии

Для эквивалентной схемы-аналога кинетическая коэнергия рассеяния в электрической цепи (рис. 4,А) определяется как

где р = к = 1...г; Ус - число рассеивающих элементов Яе в к-м контуре

электрических цепей. Энергия рассеяния в механической цепи (рис. 4,С)

(TDm)pk =0

О

где р = 1...Ут; к = 1...Г, V,,, - число рассеивающих элементов Rm в механических узлах ЭМ-привода.

Обобщенная кинетическая коэнергия рассеяния в ЭМ-приводе для ГР-клапана определяется как

7Ь=7Ье + 7Ьт-

Для учета влияния сторонних сил Е, Рво можно связать их воздействие с неконсервативной потенциальной энергией по аналогии с (5)

Ч г , > г Чк

оы ы о

dqk.

(7)

Так как для электромагнитного привода ГР-клапана сторонние силы воздействия не зависят от обобщенных параметров ^ и их скоростей С), а являются суммарными постоянными внешними воздействиями или зависят только от времени, то выражение (7) для ГР-клапана будет иметь вид

Для электрической цепи эквивалентной схемы-аналога (рис. 4,А) суммарная потенциальная энергия внешней э. д. с. определяется как

{У{2е)рк=-(Е)рк-Яек>

>рк

где р = l...Ve ; к = 1...Г, Ve - число внешних э.д.с. Е в k-й электрической цепи; qe - k-й электрический заряд. Для механической цепи (рис. 4,С) суммарная потенциальная энергия Vq„ внешних сил воздействия на ЭМ-клапан

Рк

где р = 1... Ут; к= 1...г; Ут - число внешних сил механического воздействия; qm - ^ перемещение.

Обобщенная потенциальная энергия внешних сил, действующих на ЭМ-привод

Ое т 'От-

При анализе динамики неконсервативной подсистемы электромагнитного механизма ГР-клапана было показано, что принцип наименьшего действия Гамильтона может быть использован и для таких систем, только уравнение Эйлера (4) должно быть модифицировано под неконсервативные параметры.

Для этого в качестве силовой функции Ь {д, Ц, Лагранжа необходимо применить новый неконсервативный лагранжиан

(8)

Отсюда уравнение Эйлера для неконсервативной системы электромагнитного механизма имеет вид

д1др £ % Л

Ы,

%

= 0.

(9)

Решение этого уравнения в общем виде будет содержать произвольные постоянные. Полное описание состояния ЭМ-системы сводится к определению ряда этих произвольных постоянных, для чего необходимо знать начальные условия, в которых находится ЭМ-система в наперед заданный момент времени. Начальные условия можно задать в виде совокупности дополнительных ограничений.

В эту совокупность включаются основные ограничения по условиям статики, гарантирующие стабильное функционирование:

а) ограничение, обеспечивающее надежное срабатывание ЭМ-клапана от начальной тяговой силы электромагнита

Ро(г)-ХрРво=0,

(10)

где - противодействующая сила запорной возвратной пружины при отпущенном якоре ЭМ; - запас по противодействующей силе Рдо, учитывающий технологический и эксплуатационный разброс параметров пружины

б) ограничение по допустимому максимальному нагреву

0,«(г)-ХввА». = О,

(И)

где б?доп - допустимое превышение температуры нагрева; %д - запас по нагреву в установившемся режиме

в) ограничение по индукции насыщения магнитопровода силового электромагнита

В(г)-ХьВн = 0,

С12)

где - запас по насыщению

г) ограничение по допустимому максимальному отклонению напряжения бортовой сети автомобиля, приложенного к намагничивающей катушке ЭМ

где U„ - номинальное напряжение; %ц - допустимое уменьшение напряжения

üwsi);

д) ограничение на заполнение площади S0K окна катушки электромагнита проводом сечением Sv

K(z)-XyK(SM) = 0, (14)

где К (iSM) - допустимый коэффициент заполнения; - запас по укладке витков катушки, учитывающий толщину изоляционных прокладок и неплотность укладки витков.

Для инженерных расчетов уравнения ограничений (10)...(14) целесообразно преобразовать в зависимости намагничивающей силы электромагнита от ограничивающих факторов

F = Fp(z,Pbo); F = Fe(z,04o„); F = FB(z,B„ac); F = Fu(z,U„); F = F,(z,ik); F = Fm(z,ca).

По условиям динамики электромагнитного механизма ГР-клапана к основным ограничениям может быть отнесено уравнение движения якоря ЭМ

I д[г(х)]= \L{z)dx -» min,

где 1д - интеграл наименьшего действия; L(z) - силовая функция Лагранжа.

В четвертой главе на основе проведенных в главе 3 теоретических исследований динамики электромагнитного привода для ГР-клапана разработана методика расчета силовых электромагнитов. Выведены и обоснованы критерии оптимального проектирования: конструктивные (геометрические размеры магнитопровода, величина воздушного зазора и энергетические (требуемая тяговая сила электромагнита, заданный температурный режим). Составлены уравнения, связывающие критерии и основные параметры силового смыкающегося электромагнита, к последним относятся: тяговая сила величина рабочего воздушного зазора допустимая температура перегрева катушки и геометрические размеры магнитопровода. Показано, что, задавшись одним из критериев, по составленным уравнениям и с учетом рекомендованной совокупности дополнительных ограничений легко рассчитывать все параметры и характеристики силового электромагнита.

Аналитический обзор известных конструкций ГР-клапанов с электромагнитным приводом (глава 2) указывает на исключительное разнообразие их

устройств. Однако общим является то, что во всех конструкциях таких клапанов используются электромагниты с возвратно-поступательным перемещением якоря, который жестко соединен со стержнем ГР-клапана. Это позволило выбрать в качестве расчетного прототипа ЭМ-клапан с открывающим электромагнитом и жесткой возвратной пружиной (рис. 2,а). С использованием разработанных теоретических аспектов проектирования (глава 3) для выбранного прототипа составлена расчетная модель ЭМ-клапана (рис. 3).

Чтобы определить тяговую силу Бх электромагнита, составлен энергетический баланс для выбранной конструкции электромагнитного привода. Энергетический баланс приводного устройства отображает закон сохранения энергии и в общем виде может быть описан как

^вх" ^ "1" УУпот.

В случае электромагнитного привода входная энергия }УЮ - это электрическая энергия ]¥е, потребляемая ЭМ-приводом из бортсети автомобиля, а выходная энергия - это выходная механическая энергия ТГд, затраченная на полезное перемещение (открытие) ГР-клапана. Потери энергии Жя<м, в ЭМ-приводе складываются из активных потерь в омических сопротивлениях % , потерь в магнитопроводе механических потерь на трение и демпфирование в подвижных частях а также из реактивных потерь в магнитном поле токопроводящей катушки Wl, потерь, связанных с накоплением электрической энергии в электростатическом поле системы % и реактивных механических потерь на преобразование потенциальной энергии подвижных масс привода в кинетическую энергию их движения Жт .Тогда энергетический баланс ЭМ-привода можно представить так:

ИГ.-ГгНГк+Ъ+Р^ (15)

На основании формулы (15) построена энергетическая диаграмма ЭМ-клапана (рис. 5), которая наглядно показывает распределение энергетических потоков в ЭМ-приводе для ГР-клапана с возвратной (запорной) пружиной.

Если с целью упрощения расчета допустить, что ^ - относительно малые величины, а потери в катушке отнести к потерям во внешней электрической цепи, то выражение для полезной электрической энергии затраченной на механическую работу, значительно упростится и примет вид

Величина 1¥е может быть найдена как

Рис. 5. Диаграмма энергетического баланса ЭМ-клапана

Здесь - разность потенциалов, компенсирующая противоЭДС, на-

водимую в обмотке намагничивающей катушки при изменении потокосцеп-ления Щ /=1(0,3) - ток в катушке, определяемый потокосцеплением Ц/ и переменным воздушным зазором § = S в магнитопроводе. После преобразований уравнения (16) получим

РЭ=РСР=

Д5_>0

и тогда

Используя выражение для энергии запасенной в магнитном поле системы, имеем

(17)

Уравнение (17) получено с учетом энергетических закономерностей, имеющих место в одноконтурных энергопроводящих цепях ЭМ-клапана. При расчете более сложных цепей тяговая сила электромагнита определяется с использованием силовой функции Лагранжа и обобщенных уравнений движения системы (глава 3).

В соответствии с (9) уравнение движения в общем виде можно представить как

где Ь(г) - силовая функция Лагранжа (8), которая для неконсервативной системы в общем виде равна

В качестве независимых переменных qки (¡^ в электрической цепи схемы-аналога (рис.4,А) приняты электрический заряд и его производная ¿¡\=1) - ток в намагничивающей катушке. В механической цепи схемы (рис. 4,С) в качестве независимых переменных дк и ^ выбраны перемещение .У/ якоря и сжатие клапанной пружины. Тогда контурные токи в выходной цепи схемы-аналога можно представить как скорости 5] И . Расчетная схема-аналог описана силовой функцией Лагранжа (8), в которую входят следующие слагаемые.

1) Обобщенная консервативная кинетическая коэнергия, которая определяется как

т' = т'е + Г> +1т2522.

А ¿А

2) Обобщенная неконсервативная кинетическая коэнергия находится аналогично

т'о=т'0е+т'0т=\ке] {/,2 к т+1 яп /¿22 т.

3) Обобщенная консервативная потенциальная энергия

У = У. + У.

2Се 2С3

4) Обобщенная неконсервативная потенциальная энергия

Уравнение движения Эйлера для схемы-аналога при Чк= можно записать в виде

После определения частных производных и подстановки их в уравнение Эйлера получено выражение, обобщающее все расчетные параметры схемы-аналога

о

(18)

Правая часть уравнения (18) представляет собой сумму внешних сил Рэ которую должна преодолевать тяговая сила электромагнита ру^э- Тогда тяговая сила электромагнита

' ар

Рт-Ру-Ра

55,

(19)

Выражение (19) для тяговой силы электромагнита, выведенное с применением принципа Гамильтона (3) и функции Лагранжа (1), идентично выражению (17), полученному из энергетического баланса электромагнитного привода ГР-клапана. При анализе сложной системы электромагнитного привода с разветвленными входами и выходами использование силовой функции Лагранжа и принципа наименьшего действия Гамильтона дает существенное преимущество. Если допустить, что индуктивность системы Ц8) (катушки и подвижного звена не зависит от тока и пренебречь насыщением стали, то формулу (19) для расчета тяговой силы Рэ электромагнита можно выразить через намагничивающую силу токопроводящей катушки, что крайне

важно для практических расчетов

_ 'V/ад,. ад V,. 1.,ац5) 1.22

Р, = [——— • и,Л = -г—— = -1 <в 3 I а? 35 У 2 35 2

<Е

2 сЮ(Б) 05

.(20)

В формуле - индуктив-

ность системы, (О - число витков катушки, 0(8) - приведенная проводимость системы.

В общем случае, когда в реальной магнитопроводящей системе имеется несколько воздушных зазоров, тяговая электромагнитная сила Рэ с достаточной точностью может быть определена как сумма сил, проявляющих себя за счет изменения проводимостей в п - переменных воздушных зазорах

и 1 п ¿П,

11=1 ДО

(21)

Для дальнейших расчетов переменный рабочий воздушный зазор 5ц выделен как основной, а тяговая сила Р$ в нем принята за базисную; установившееся значение намагничивающей силы электромагнита принято равным Рр, а в основном воздушном зазоре как Для учета падения намагничивающей

силы в нерабочих воздушных зазорах введена корректирующая функция <Ро< 1, тогда Ро=<РощР'р .После соответствующих подстановок в (21) получено выражение для тяговой силы в рабочем воздушном зазоре

сйг

где Со - полная магнитная проводимость рабочего воздушного зазора 8о. Отсюда намагничивающая сила./*^ электромагнита определена как

(22)

Для определения входящей в формулу (22) полной магнитной проводимости Go рабочего воздушного зазора до через заданные геометрические размеры электромагнита выделяется часть электромагнитного механизма, состоящая из переменного воздушного зазора, в котором создается основная часть тяговой силы Риз намагничивающей катушки и участков магнитопро-вода, охватываемых ею (рис. 6).

Для уменьшения числа переменных при расчете электромагнита выбраны основные параметры и коэффициенты кратности, характеризующие форму конструкции ЭМ-клапана и делающие расчет универсальным. Основные размерные параметры электромагнита выражаются в функции определяющего размера через коэффициенты кратности или обобщенные функции основных коэффициентов.

В качестве определяющего размера выбран диаметр с1с-а (рис. 6) круглого сердечника, на котором установлена намагничивающая катушка.

Рис. 6. К расчету ЭМ-клапана

Тогда можно записать:

= та - высота намотки катушки; Ац = па- • ширина намотки катушки;

диаметр полюсного наконечника якоря; А3 — П-Д - толщина эпоксидного защитного слоя;

высота полюсного наконечника якоря; т, п, е, п- основные коэффициенты кратности.

Помимо этого, любой линейный размер и любая площадь могут быть также представлены через определяющий размер:

¿"о*= Л)хЯ2 - площадь поверхности охлаждения катушки; ■$0|с= - площадь окна намотки катушки; $п = ^п-й2 - площадь торца полюсного наконечника; £со= ^сп а - длина средней линии витка намотки катушки; До*, Лок, Лп, Гср - обобщенные функции основных коэффициентов кратности, каждая из которых есть функция вида

Для универсальности и дальнейшего упрощения расчетов введено понятие «относительный определяющий размер»

В общем случае проводимость Со(г) воздушного зазора зависит от многих факторов: размера сердечника с1с, величины до и формы рабочего зазора, совокупности размеров опорных поверхностей в зазоре. С учетом сказанного проводимость рабочего зазора определена путем разбиения магнитного поля в области зазора на несколько трубок магнитного потока (метод Ротерса). Тогда проводимость С?о воздушного зазора можно представить как

где - базовая проводимость (укрупненной трубки).

Ер - корректирующая функция, зависящая от формы и размеров опорных поверхностей рабочего зазора. Для выбранной расчетной модели (рис. 6) проводимость может быть определена как

(23)

Производная проводимости рабочего зазора с учетом (23)

(24)

где

Функция Ед показывает, во сколько раз производная от проводимости реального зазора отличается от производной базисной проводимости.

20

1 2 Ц) = Бо Ш> 75" = £о ^о т- ■ 4Ь0 60

сЮ,

о _

¿5

Для надежного срабатывания ЭМ-клапана введены дополнительные ограничения (10) по силе Рц и номинальному напряжению и„ (13), тогда

Исходя из уравнений (22) и (24), значение намагничивающей силы

2 к0Р>

Ьо

^оФо

(25)

Далее задача расчета электромагнита сведена к определению относительного определяющего размера х. Для решения поставленной задачи составлено уравнение Рд = Рр, отвечающее принципу соответствия намагничивающих сил, согласно которому намагничивающие силы определенные из анализа различных физических процессов, протекающих в магнитной системе, равны между собой.

Так как намагничивающая сила катушки Р определяется током /, который протекает по ее виткам и, следовательно, ограничивается условиями нагрева и охлаждения обмотки, то из анализа теплового баланса катушек для систем постоянного тока при заданной температуре нагрева обмотки имеем

(26)

где к1Л1 - коэффициент заполнения окна намотки; Бох - поверхность охлаждения; А - коэффициент теплоотдачи с поверхности обмотки; - запас по допустимой температуре; 0дол - допустимое превышение температуры обмотки; - удельное сопротивление обмотки; - длина среднего витка обмотки. Выразив параметры, входящие в формулу (26), через определяющий размер а и приравняв (25) и (26), получим формулу для значения определяющего размера в виде

(27)

В соответствии с (27) значение относительного определяющего размера

с ДО Р1

Ьо

8 ¡¡%0„ К(х) 5У

где С - комплекс принятых постоянных величин и параметров

с=-

(29)

ДО - комплекс кратностей геометрических размеров

ДС) =

ер

(30)

К(х) - комплекс корректирующих функций

(31)

Преобразуем (28) в вид, удобный для инженерных расчетов

где

х5 ■щ(х)-г2д(х) = С0О(О, С-Р

С«- 1 дл

П

(32)

е.

доя' °0

Для определения суммы реальных внешних сил РВО был проведен анализ динамики работы ГР-клапана поршневого двигателя ВАЗ-1600, из которого найдена величина Рво как сумма трех сил: Р = Р^.) + Рг + Рпр= 317,49 Н, где Р„р = 59,19 Н - сила предварительно сжатой пружины, Рг = 184,5 Н - сила давления газов на клапан в момент открытия, Р^.) =73,8 Н - сила инерции движущихся масс клапана. С учетом коэффициента запаса сила Рво выбрана равной 380 Н.

Практическая ценность методики расчета параметров ЭМ-клапана по разработанной обобщенной формуле (32) состоит в том, что с ее помощью можно рассчитать любой из четырех основных параметров си-

лового электромагнита, задавшись значениями трех остальных. Это делает предлагаемую методику универсальной и пригодной для расчетов на ЭЦВМ.

В пятой главе проведена экспериментальная проверка пригодности разработанной методики для проектирования ЭМ-клапанов в инженерной практике. Расчет электрических магнитных и размерных параметров выполнен на персональном компьютере «Pentium-4» с использованием универсальной программы проектирования Microsoft-Excel-2002. Апробированы полученные расчетные формулы (27)...(31) с использованием наперед заданных условий и коэффициентов кратности. В качестве исходных данных использованы условия работы выпускного клапана двигателя ВАЗ-2106 и прототип ЭМ-клапана, исследованный в главе 3 (см. рис. 2,а).

Исходные данные и результаты расчета сведены в таблицу.

Наименование параметра Значения параметров

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 Вариант 6

Габариты ЭМ (мм) 52.8x155,4 848x84 48x84 48x84* 48x84* 48x84*

Ход якоря (мм) 3 3 1,3 3 2 1,83

Тяговое усилие (Н) 380 93,37 380 191,5 299 400

Температура катушки (°С) 90°С 90°С 90°С 90°С 90°С 90°С

Число витков катушки 1730 2160 - - - -

Потребляемая мощность (Вт) 19,89 13,38 - - - •

* - При расчетах коэффициент запаса по силе уменьшен до Ко = 1,2." - Подчеркнутые значения параметров - исходные данные для расчета; без черты - расчетный параметр.

Из результатов расчета, приведенных в таблице, следует:

• чтобы обеспечить ЭМ-клапану заданное открывающее усилие (380Н), электромагнит должен обладать большими габаритами 52,8x155,4мм (вар. 1);

• если при тех же исходных условиях выполнить требование обеспечения номинальных для ЭМ-клапана габаритных размеров (48x84 мм), то тяговая сила силового электромагнита не превысит 93,37 Н (вар. 2);

• можно получить требуемую тяговую силу от электромагнита с приемлемыми габаритными размерами, но степень открытия клапана, равная ходу якоря, не превысит 1,3 мм (вар. 3);

• значения рабочих параметров ЭМ-клапана можно приблизить к требуемым путем уменьшения расчетного коэффициента запаса (Ко = 1,2), т.е. путем понижения эксплуатационной надежности ЭМ-клапана (вар. 4 и 5);

• значительную тяговую силу (400 А) можно получить от электромагнита стандартных размеров, если задать ход якоря (степень открытия клапана) не более 1,83 мм ( вар. 6), что является следствием увеличения магнитной проводимости рабочего воздушного зазора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ физических процессов газообмена в поршневом двигателе показал, что с применением электронного автоматического управления клапанами достигается улучшение топливной экономичности, экологических и мошностных показателей двигателя.

2. Получены дифференциальные уравнения, описывающие движение якоря электромагнита в ГР-клапане, и разработаны способы их решения.

3. Впервые теоретически описаны взаимосвязи электрических, магнитных и механических параметров силовых электромагнитов, предназначенных для работы в ЭМ-клапане.

4. Разработана методика составления и расчета эквивалентной схемы-аналога для электромагнитного привода ГР-клапана.

5. Определены оптимальные параметры и характеристики ЭМ-клапана.

6. Установлены основные факторы, влияющие на форму тяговой характеристики электромагнита, и предложен способ ее коррекции путем введения в рабочий воздушный зазор ферромагнитного шунта с заданной формой.

7. Разработаны устройство и принцип действия ЭМ-клапана с одним и двумя электромагнитами, проведено сравнение их параметров, и показана целесообразность применения ЭМ-клапана с двумя электромагнитами.

8. На основании проведенных теоретических исследований разработана методика инженерного расчета электромагнитных клапанов для газораспределительного механизма поршневого двигателя.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Соснин Д.А. Клапаны с электромагнитным приводом для газораспределительного механизма поршневого двигателя. - М.: Ремонт и Сервис, 2001, №12 (39).

2. Соснин Д.А. Рабочие процессы в автомобильных двигателях внутреннего сгорания // Автотроника (Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей). - М.: Солон-Р, 2001.

3. Соснин Д.А. Электромагнитный привод газораспределительных клапанов в поршневом двигателе внутреннего сгорания // Соснин Д.А. и Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. - М: Солон-Прессс, 2005. - 486 с.

4. Соснин ДА., Колесниченко В.Н. Теоретические аспекты современных электронных систем управления для двигателей внутреннего сгорания. // Сборник научных трудов МАДИ. 1981, № 187.

5. Соснин Д.А. Моделирование процессов в цепях переменного тока при помощи компьютерной системы МиШ8т 2001. // Гаврилов Л.П. и Со-снин Д.А. Расчет и моделирование линейных электрических цепей с применением персонального компьютера. - М.: Солон-Пресс, 2004. -492 с.

Подписано в печать 10.02.2005г. Формат 60x84/16 Печать офсетная Усл.печ л.1,4 Уч.-изд л.1,2 Тираж 100 экз._Заказ 46_

Ротапринт МАДИ (ГТУ). 125319,Mocква, Ленинградский проспект, 64

Of. 09- 0$. H

(

ê с. » ! t. » ъ

к L ъ «в

UM

" ñ * * » Г * * /

V^Xirtf..

AAP 2005 ¿¿¿О

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Краткие сведения об автомобильном двигателе.

1.2. Четырехтактный двигатель.

1.3. Газораспределение в четырехтактном поршневом двигателе.

1.4. Газораспределительные механизмы современных поршневых двигателей.

1.5. Выводы по первой главе.

2. КЛАПАНЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Механические клапаны.

2.3. Электромагнитные клапаны.

2.4. Электромагнитный клапан с пружинным ударным устройством.

2.5. Электромагнитный клапан с пружинной амортизацией.

2.6. Электромагнитный клапан с демпфирующим устройством.

2.7. Электромагнитный клапан без возвратной запорной пружины.

2.8.Магнитоэлектрический клапан с гидравлическим амортизатором.

2.9. Электромагнитный клапан с пневматическим амортизатором.

2.10. Экспериментальные модели электромагнитных клапанов.

2.11. Выводы по второй главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА ДЛЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА ДВС.

3.1. Предварительные замечания.

3.2. Параметры оптимального проектирования.

3.3. Составление электрической схемы-аналога для механической цепи ЭМ-клапана и определение коэнергии магнитной цепи.

3.4. Выбор обобщенных параметров для ЭМ-клапана.

3.5. Выбор и обоснование начальных условий для расчета электромагнитного клапана.

3.6. Применение силовой функции Лагранжа при составлении уравнения движения для консервативной электромагнитной цепи.

3.7. Применение принципа наименьшего действия при анализе неконсервативных подсистем электромагнитного привода ГР-клапана.

3.8. Выводы по третьей главе.

4. разработка мктодики рлсч1па силовых 'ш:к тромап штов для 1азорлспрнделип:лы1ых kjiaiIAIюв 1IOPIIII IlvIiOI'O дik'.

4.1. Магнитные свойства ферромагнитных материалов и изготовленных из них сердечников.

4.1.1. Магнитомягкие и магннтожесткие ферромагнетики.

4.1.2. Магнитная проницаемость и кривая первоначального намагничивания ферроматериала.

4.1.3. Предельная петля гистерезиса (статическая характеристика перемагничивания).

4.1.4. Частные циклы перемагничивания.

4.1.5. Влияние намагничивающей системы при первоначальном намагничивании.

4.2. Работа силового электромагнита в газораспределительном клапане.

4.2.1. Магнитная цепь силового электромагнита.

4.2.2. Намагничивающая катушка электромагнита как источник постоянной магнитодвижущей силы.

4.2.3. Анализ работы электромагнита с возвратной пружиной по частному циклу перемагничивания.

4.2.4. JnepreiHWcckiie процессы в электромагнитном приводе газораспределительного клапана.

4.2.5. Расчет витой клапанной пружины.

4.3. Расчет электрических, магнитных и размерных параметров ЭМ-клапана.

4.3.1. Исходные данные и условия для расчета.

4.3.2. Обобщающие параметры и коэффициенты кратности.

4.3.3. Определение намагничивающей силы Fp электромагнита.

4.3.4. Определение проводимости рабочего воздушного зазора.

4.3.5. Определение намагничивающей силы Fe.

4.4. Выводы по четвертой главе.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.

5.1 Предварительные замечания.

5.2. Расчёт геометрических размеров электромагнита по заданной тяговой силе.

5.3. Расчёт тяговой силы Р, электромагнита по заданным геометрическим размерам.

5.4. Расчет кода якоря при заданных тяговой силе и габаритных размерах электромагнита.".

5.5. Расчет тяговой силы и допустимого хода якоря при заданных габаритных размерах электромагнита.

5.6. Расчет магнитной системы ЭМ-клапана с ненасыщенным ферромагнитным шунтом.

5.7. Расчет магнитной системы ГР-клапана с ферромагнитным шунтом и отверстием в центральном стержне ярма для подвижного штока.

5.8. Расчет электромагнитного клапана с использованием программы Microsoft Excel на ПК «Pentium».

5.8.1. Основные соотношения, используемые при машинном моделировании магнитной цепи.

5.8.2. Расчет и моделирование на ЭВМ.

5.9. Выводы по пятой главе.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

Разработчикам автомобильных двигателей хорошо известно, что создать поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) без распределительного вала -идея исключительно плодотворная, так как с устранением постоянной кинематической связи между клапанами газораспределительного механизма (ГРМ) и коленчатым валом двигателя появляется возможность автоматического регулирования фаз газораспределения.

Отказаться от механического привода газораспределительных клапанов и заменить его электромагнитным приводом с управлением от электронной автоматики, впервые предложил доктор технических наук, профессор Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ) Владимир Митрофанович Архангельский, еще в 50-х годах XX века [4]. Уже тогда было ясно, что поршневой двигатель с механическим приводом клапанов далек от совершенства, так как обладает рядом существенных недостатков.

Во-первых, под каждую новую конструкцию двигателя необходимо экспериментально подбирать соотношение газовых фаз и создать распределительный вал с таким профилем и взаимным расположением толкающих кулачков, которые наиболее оптимально отвечали бы не только конструкции, но и назначению разрабатываемого двигателя. Связанно это с тем, что в поршневых двигателях различных по мощности, степени сжатия, оборотистости, способу смесеобразования и другим конструктивным особенностям фазы газораспределения также совершенно различны.[1]. Так в высокоскоростном двигателе для спортивно-гоночного автомобиля, когда требования к стоимости и топливной экономичности не являются определяющими, а на первое место выходит требование получения максимально развиваемой мощности, применяются распредвалы, которые удлиняют фазы открытого состояния впускных и выпускных клапанов, и тем самым достигается требуемое перекрытие клапанов необходимое для полной продувки камеры сгорания на высоких оборотах. При этом мощность развиваемого двигателя заметно возрастает. [2]. На холостом ходу и пониженных средних оборотах такие двигатели работают неустойчиво, с повышенным выбросом вредных веществ (канцерогенов) в атмосферу, с увеличенным расходом топлива. Ясно, что для автомобилей массового потребления применение спортивных двигателей нерационально.

Для автомобилей - вездеходов (внедорожников) двигатель должен обладать постоянством вращающего момента в более широком диапазоне частот вращения коленчатого вала, что достигается соответствующим сдвигом фаз газораспределения относительно верхней и нижней мертвых точек [5].

К двигателям обычных автомобилей предъявляются требования высокой топливной экономичности, крайне низкого количества канцерогенных веществ в выхлопных (отработавших) газах, высокой надежности и долговечности работы, простоты и безопасности управления, достаточно высокой мощности, и все это при разумных габаритах, массе и себестоимости.

Во-вторых, для двигателей с распределительным валом сложность выполнения перечисленных требований в их трудно устранимой противоречивости. Можно создать экологически совершенный двигатель, но при этом возрастет потребление топлива, упадет удельная мощность и резко увеличится продажная стоимость автомобиля. Можно создать такую конструкцию ГРМ двигателя, которая будет отвечать требованию повышения топливной экономичности. Наиболее эффективно это достигается путем отключения части цилиндров при движении автомобиля по высококлассной автомагистрали с постоянной скоростью. Но ясно, что при этом значительно усложнится конструкция ГРМ и система топливо-подачи, резко уменьшится мощность и приемистость двигателя, понизится маневренность автомобиля.

В третьих. В настоящее время созданы и широко используются в поршневых двигателях массовых автомобилей многоклапанные (четырех - и пяти-клапанные) газораспределительные механизмы (см. рис. 1.10), которые в большей мере, чем классические двух клапанные ГРМ обеспечивают компромисс между противоположными требованиями: развиваемой мощностью, равномерностью вращающего момента, экологией и топливной экономичностью.

Но и такие ГРМ не свободны от принципиальных недостатков:

- они имеют сложную конструкцию составных механических компонентов и кинематических передач;

- их техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации - дорогостоящие мероприятия, требующие высококвалифицированных специалистов и рабочих, а также специальный ремонтной оснастки и инструмента;

- они, как и классические ГРМ не обеспечивают работу двигателя с управлением фаз газораспределения.

Частично, задача управления фаз решается с применением сложной механики управления раздвижным распредвалом или разнопрофильными кулачками (разработчики: фирма ФИАТ (Италия) и фирма Мицубиси (Япония) [61]). Но и такие ГРМ не находят широкого применения из-за высокой конструктивной сложности и недостаточно высокой эксплуатационной надежности (см. рис. 1.12 и 1.13). Все эти недостатки могут быть устранены с применением гибкого электронного управления ГР-клапанами.

Что дает гибкое, не привязанное к распределительному валу, автоматическое управление газовыми фазами в поршневом ДВС?

1. Для автомобильного двигателя, основной спецификой которого является его работа в исключительно разнообразных режимах по нагрузке и частоте вращения коленчатого вала, фазы газораспределения могут быть оптимальными для всех возможных режимов: холостого хода, частичных нагрузок, максимальных оборотов, полной мощности и прочих. [3]. Оптимальный режим газообмена делает поршневой ДВС наиболее совершенным по четырем главным показателям: экологии, развиваемой мощности, топливной экономичности, равномерности хода.

2. Если управление клапанами механически не связанно с вращением коленвала, то легко реализуется не только отключение цилиндров, но и изменение последовательности их срабатывания. При этом возможны отключение цилиндров по заданной программе чередования рабочих ходов и даже реверс коленвала. В первом случае может быть реализована поочередная продувка цилиндров во время штатной работы ДВС, во - втором - обратный ход в специальном ДВС.

3. На работу ГРМ с механическим приводом клапанов от коленвала отбирается часть механической энергии двигателя (до 15%). С электромагнитным приводом клапанов ГРМ работает от бортсети автомобиля, что несколько повышает КПД двигателя. [16].

4. Автоматическое управление электромагнитными клапанами от электронной автоматики допускает применение программного регулирования всех фазовых характеристик двигателя: легко можно изменять моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек и рабочих тактов двигателя, длительности открытого и закрытого состояний клапанов, время перекрытия (одновременного открытого состояния) клапанов, осуществлять потактовый сдвиг фаз, адаптировать работу ГРМ под любой возможный режим двигателя или под заданную программу управления.

5. Электронное управление электромагнитными клапанами может быть совмещено в едином бортовом компьютере с электронным управлением впрыска топлива и электроискровым зажиганием. Такое управление становиться универсальным и может применяться на двигателях различных конструкций.

Однако на пути реализации очевидных преимуществ для двигателей с электромагнитным приводом клапанов стоит длинный ряд научно - технических и технологических проблем, основная из которых - разработка и промышленное изготовление электромагнитного клапана пригодного для установки в реальном поршневом ДВС.

На первый взгляд проблема может быть решена достаточно просто: надо установить силовой электромагнит непосредственно на стержень газораспределительного клапана, так чтобы он (клапан) открывался тяговой силой электромагнита, а закрывался обычной клапанной пружиной. Именно таким был первый электромагнитный клапан Архангельского (см. рис. 2.1 в гл. 2). Но испытания показали, что для преодоления запорной силы клапанной пружины (400 - 450 Н) электромагнит получается громоздким и потребляет значительный электроток -не менее 7 - 8 А на один электромагнит из 12-ти вольтовой бортсети автомобиля. Кроме того, электромагнит обладает инерционностью и при срабатывании издает значительные акустические шумы.

Так в самом начале исследований стало ясно, что техническая реализация электромагнитного привода клапанов - задача технически трудно достижимая. Начались поиски конструктивных и схемотехнических вариантов исполнения электромагнитных клапанов, которые (поиски) особенно активно велись и ведутся по настоящее время в Германии. Работы немецких ученых и инженеров отображены в десятках журнальных статей [7].[35] и в значительном количестве патентов и изобретений (см. аналитический обзор в гл. 2).

Чтобы ГРМ без распределительного вала отвечал современным технико-экономическим и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к автомобильным ДВС, надо прямой электромагнитный привод* газораспределительного клапана сделать малогабаритным (таких размеров, чтобы он помещался под клапанной крышкой стандартного двигателя); достаточно быстродействующим (не Помимо прямого электромагнитного привода клапана, когда тяговое усилие якоря электромагнита приложено непосредственно к клапанному стержню, существуют ГРМ с опосредованным электроприводом клапанов через промежуточные механические передачи (см. рис. 1.13). менее 50 срабатываний в секунду); с (мраниченным потреблением электрического тока (не более ЗА на один электромагнит); с перегревом не выше допустимой температуры (200°С для обычных обмоточных приводов); умеренно шумящим (не более 120 дб).

Полному перечню перечисляемых требований не соответствует ни один из известных к настоящему времени электромагнитных клапанов, хотя их созданием уже много лет занимаются специалисты и ученые передовых зарубежных автомобилестроительных фирм и отечественные разработчики.

Этому есть ряд причин.

Первое. Создать силовой электромагнитный привод малых размеров исключительно сложно. Громоздкость обусловлена необходимостью получения от электромагнита достаточно большой тяговой силы при ограничении тока потребления на срабатывание и удержание. Приходится наматывать большое число W витков, чтобы обеспечить катушке электромагнита требуемую намагничивающую силу F=WI при малом токе I управления. Это приводит к образованию значительной индуктивности L катушки, а значит к ограничению скорости срабатывания электромагнита. Стремление повысить быстродействие понижением индуктивности L за счет уменьшения числа W витков приводит к необходимости увеличения тока управления и как следствие - к недопустимому расходу электроэнергии на работу электромагнитных клапанов.

Второе. В электромагнитном приводном устройстве, в котором основным компонентом является смыкающийся электромагнит, шумы от соударений якоря с ярмом неизбежны. Удары приводят не только к шуму, но и к поломке клапанов.

Третье. В поршневом двигателе с классическим ГРМ последовательность и логика срабатывания впускных и выпускных клапанов обеспечивается распределительным и коленчатым валами, с которыми все клапаны находятся в постоянной и ничем не нарушаемой кинематической связи. В двигателе с электронным управлением, в котором газовые потоки переключаются электромагнитными клапанами, указанная кинематическая связь клапанов с коленвалом отсутствует. Это приводит к тому, что при выключении двигателя, его коленчатый вал останавливается в случайном положении относительно расположения газораспределительных клапанов, которые при выключении зажигания все устанавливаются в положение <закрыто>. Теперь, чтобы снова запустить двигатель необходимо установить все клапаны в исходное предпусковое состояние, соответствующее случай9 ному положению коленчатого вала. Это возможно осуществить соответствующим набором электрических сигналов, поданных на все электромагнитные клапаны одновременно. Ясно, что для формирования набора предпусковых электрических сигналов потребуется специальное электромагнитное устройство с регистратором статических (неподвижных) состояний коленвала и со специальной (предпусковой) программой управления электромагнитными клапанами.

Как полагают разработчики все эти проблемы разрешимы. Так, разумное ограничение тока силового электромагнита возможно при введении на автомобиле второго бортового напряжения 42 В. Габаритные размеры электромагнита в значительной степени могут быть уменьшены не только понижением тока потребления, но и увеличением тяговой силы за счет усложнения магнитопроводящей цепи в воздушном зазоре. Понизить акустические шумы от срабатывания электромагнита можно амортизационными средствами (например, противоударными пружинами), а предпусковая установка клапанов, как и рабочее управление клапанами, легко реализуется с помощью специального программного обеспечения, заложенного в постоянную память бортового микропроцессора.

Судя по открытым публикациям последнего времени [33,34,35] группе немецких ученых и инженеров, работающих на фирме FEV (Motorentechnik GmbH, Aachen) удалось решить часть из перечисленных проблем и создать экспериментальный поршневой двигатель с электромагнитным приводом клапанов для автомобиля BMW [60]. Исследования выполнены на макетных образцах, информация о проведении инженерных расчетов в публикациях отсутствует. Надо полагать, что макеты созданы опытным подбором рабочих параметров.

Проведенные автором исследования отечественных и зарубежных разработок в области создания прямого электромагнитного привода газораспределительных клапанов показали, что до настоящего времени не разработана теория оптимального проектирования таких приводов, нет инженерных методик расчета для клапанных электромагнитов, и как следствие, до сих пор нет конструкций газораспределительных механизмов с электромагнитными клапанами приемлемых для широкого использования в автомобильных двигателях. Сказанное обуславливает актуальность поставленной автором цели диссертационной работы: разработать теорию оптимального проектирования электромагнитных газораспределительных клапанов и методику их расчета с применением современных компьютерных технологий.

Для достижения поставленной цели был решен ряд научно-исследовательских задач:

- проведено теоретическое исследование газораспределительного механизма поршневого двигателя с распределительным валом и пружинными клапанами, который рассмотрен как объект автоматического управления (гл. 1);

- составлен аналитический обзор по отечественным и зарубежным разработкам электромагнитных клапанов, сведения о которых опубликованы в открытой научно-технической и патентной литературе (гл. 2);

- создана теория оптимального проектирования силовых тяговых электромагнитов с применением математического аппарата вариационного исчисления (гл. 3). Предлагаемая теория отображает научную новизну диссертационной работы;

- на основе теории оптимального проектирования разработана инженерная методика расчета силовых электромагнитов для газораспределительных клапанов поршневого двигателя (гл. 4), что обуславливает практическую ценность диссертации;

- проведена экспериментальная оценка точности вычислений по разработанной методике расчета с применением современной программы «Microsoft Excel 2000» на персональном компьютере (гл. 5).

Общий объем диссертационной работы составляют: введение, пять вышеуказанных глав, заключение с выводами и рекомендациями, приложения, список литературы. Работа содержит 188 страниц текста, 59 рисунков, 11 таблиц, 71 наименование в списке использованной литературы.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Анализ физических процессов газообмена в поршневом двигателе показал, что с применением электронного автоматического управления клапанами достигается улучшение топливной экономичности, экологических и мощностных показателей двигателя.

2. Получены дифференциальные уравнения, описывающие движение якоря электромагнита в ГР-клапане, и разработаны способы их решения.

3. Впервые теоретически описаны взаимосвязи электрических, магнитных и механических параметров силовых электромагнитов, предназначенных для работы в ЭМ-клапане.

4. Разработана методика составления и расчета эквивалентной схемы-аналога для электромагнитного привода ГР-клапана.

5. Определены оптимальные параметры и характеристики ЭМ-клапана.

6. Установлены основные факторы, влияющие на форму тяговой характеристики электромагнита, и предложен способ ее коррекции путем введения в рабочий воздушный зазор ферромагнитного шунта с заданной формой.

7. Разработаны устройство и принцип действия ЭМ-клапана с одним и с двумя электромагнитами, проведено сравнение их параметров и показана целесообразность применения ЭМ-клапана с двумя электромагнитами.

8. На основании проведенных теоретических исследований разработана методика инженерного расчета электромагнитных клапанов для газораспределительного механизма поршневого двигателя.

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов (том I) / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С.Хачиян и др. Под ред. В.Н.Луканина. М.: Высшая школа, 1995,369 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и разработка поршневых и комбинированных двигателей /В.А. Алексеев, Н. А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Под ред. А.С. Орли-на и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1980,288 с.

3. Автомобильные двигатели / Под ред. М.С,Ховаха. М: Машиностроение, 1977, 536 с.

4. Архангельский В.М. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1967, 536 с.

5. Соснин Д А, Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей. Учебное пособие. М.: Солон-Р, 2001,272 с.

6. Соснин Д. А. Клапаны с электромагнитным приводом для газораспределительного механизма поршневого двигателя. М.: «Ремонт и сервис», №12,2001.

7. Forum der Meinungen: 1st der Ventiltrieb der Zukunft voll variabel? In: MTZ 60 (1999).

8. Esch, Т.; Hagen, J.; Pischinger, M.; Salber, W.: Mfiglichkeiten der ottomotorischen ProzeBfuhrung bei Verwendung des elektrome-chanischen Ventiltriebs. In: 7. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 1998.

9. Salber,W.: Untersuchungen zur Verbesserung des Kaltstart und Warmlaufverhaltens von Ottomotoren mit variabler Ventilsteuerung. In: Dissertation, RWTH Aachen, 1998.

10. Pischinger, S.; Salber, W.; Moglichkeiten zur Verbesserung des Kaltstart-, Warmlauf- und Instationarverhaltens mittels variabler Ventilsteuerzeiten. In: 20. Internationales Wiener Motorensymposium, VDI Fortschrittberichte Reihe 12 Nr. 376,1999.

11. Baier, K; Kramer, M.; Kiihn, M.; Thorn, R. W.: Variable Ventilsteuerungen ein Weg zur Verbrauchsreduzierung und Drehmomentsteigerung bei Otto Motoren. In: 20. Internationales Wiener Motorensymposium, VDI Fortschrittberichte Reihe 12 Nr.376,1999.

12. Koch, A.; Kramer, W.; Warnecke, V: Die Systemkomponenten eines elektromechanischen Ventiltriebs. In: 20. internationales Wiener Motorensymposium, VDI Fortschrittberichte Reihe 12 Nr. 376,1999.

13. Butzmann, S.; Melbert, L; Koch, S.: Sensorless Control of Electromagnetic Actuators For Variable Valve Train. In: SAE 2000-01-1225

14. Warnecke, V.; Koch, A.; Kramer, W.: Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Systemkomponenten eines elektromechani-schen Ventiltriebs. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

15. Fiaccabrino, C.; Rouge, Т.: Smarter Ventiltrieb -Ein Weg zur Minimierung von Leistungsbedarf und Gerauschen durch eine intelligente Regelung eines optimierten Aktuators. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

16. Cosfeld, R.; Kliiting, M; Grudno, A.: Technologische Ansatze zur Darstellung eines elektromechanischen Ventiltriebs. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

17. Niefer, H.; Doll, G.; Liickert, P.: Zylinderabschal tung Ein anspruchsvolles Konzept zur Ver brauchsreduzierung ohne EinbuBe an FahrspaB oder beim Komfort. In: 8. Aachener Kolloquium

18. Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

19. Bonse R.; Quentin K.: Auslegung und Fertigung von Aktuatoren ftir elektromechanische Ventiltriebe. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 Marz 2000.

20. Kilger M.; Wamecke V.; Koch A.; Kramer, W.: Reduktion der GerSuschemissionen eines elektromagnetischen Ventiltriebs durch intelligente Regelungsstrategien. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 Marz 2000.

21. Boulicout, M.; Biziean, L.; Guerin. S.; Morin, L; Roux, L: Adaption of Electromechanical Valve Control on a 21 -4 Cylinder Engine. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 Marz 2000.

22. Kltiting M.; Flierl, R.: Die 3. Generation von Ventiltrieben neue vollvariable Ventiltriebe zur drosselfreien Laststeuerung. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 Marz 2000.

23. Rausch. M.: Elektronik fur die elektromagnetische Ventilsteuerung. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 Marz 2000.

24. Walzer. P.; Kemper, H.; van der Staay. F.: Mecha-tronik als Losung zukimftiger Anforderungen an die Motorentechnik Beispiel elektromecha-nischer Ventiltrieb. In: 4. ATZ/MTZ Fachkonferenz Automobilentwicklung & Management, Juni 2000.

25. Rouge, Т.: Electromagnetic Valve Actuation «SVA». In: Variable Valve Actuation TOPTEC, The State of the Art, SAE Tagung September 2000.

26. Schwaderlapp, M.; Schebitz M., Koch F.W., Salber, W.: Der elektromechanische Ventiltrieb -Mehr als ein Verbrauchskonzept. In: 9. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, Oktober 2000.

27. Kltiting, M; Flierl, R.; Grudo, A.; Luttermann, C: Drosselfreie Laststeuerung mit vollvariablen Ventiltrieben. In: MTZ 60 (1999) 7/8

28. Rausch, M: Neue Moglichkeiten durch elektromagnetischen Ventiltrieb. In: Auto & Elektronik 1/2000.

29. Stier, M.: Pneumatische Ventilfedem in der Formel 1. In: MOT, Heft 17/2000.

30. Hannibal, W.; Meyer, K.: Patentrecherche und Uberblick zu variablen Ventilsteuerungen. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 Marz 2000.

31. Pischinger, M.; Salber, W., Kemper H., Baumgarten H., van der Staay, F.: Darstellung der Potentiale des elektromechanischen Ventiltriebs im Fahrzeugbetrieb. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 1999.

32. Pischinger S., Hagen J., Salber W.: Verbesserung des Betriebsverhaltens eines Ottomotors mit Abgasturboaufladung mittels einer voll variablen Ventilsteuerung. In: 7. Aufladetechnische Konferenz, 2000, Dresden.

33. Pischinger, S.; Salber, W.: MOglichkeiten zur Verbesserung des Kaltstart-, Warmlauf- und Instationarverhaltens mittels variabler Ventil-steuerzeiten. 20. Internationales Wiener Moto-rensymposium. In: VDI Fortschrittberichte Reihe 12, Nr. 376,1999.

34. Ernst Gschweitl. Signitikante Verringerung des VerschleiBes durch Optimierung des Vtntiltriebes. MTZ.61.2000, №1.

35. Wolfgang Salber und die anderen. Der elektromechanische Ventiltrieb Systembaustein fur zuktinftige Antriebskonete. Teil - 1:MTZ.61.2000, №12; Teil - 2:MTZ.62.2001, №1.

36. Stefan Pischinger und die anderen. Ladung sbewegung und Gemischbildung bei Ottomotoren mitvoll variabler Ventilsteuerung.MTZ.62.2001, №11.

37. Козлов В.А., Красов И.М. Электромагнитные управляющие элементы. M.: Энергия, 1966,272с.

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика, электродинамика. М.: Наука, 1969, 339 с.

39. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1969,296 с.

40. Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. М.: Энергия, 1974,392 с.

41. Л.Янг. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального уравнения. М.: Мир, 1974, 423 с.

42. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального уравнения. М.: Энергия, 1965,328 с.

43. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984,454 с.

44. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.: Энергия, 1967,463 с.

45. Гордон А.В. Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. М-Л.: Госэнергоиз-дат, 1960, 272 с.

46. Агаронянц Р.А. Динамика, синтез и расчет электромагнитов. М.: Наука, 1967,270 с.

47. А.Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967, 780 с.

48. Лившиц П.А. и др. Теория и расчет элементов автоматических систем. М.: ГОНТИ, 1959, 466 с.

49. Р.Пик и Г.Уэйгар. Расчет коммутационных реле. М.: Госэергоиздат, 1961, 317 с.

50. Буйлов А.Я. Основы электроаппаратостроения. М.: Госэнергоиздат, 1946, 412 с.

51. Ютт. В.Е. Электрооборудование автомобилей. Учебник для студентов вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 2000,320 с.

52. Гаврилов Л.П., Соснин Д. А. Расчет и моделирование линейных электрических цепей с применением ПК. Учебное пособие для студентов машиностроительных вузов. М.: «СОЛОН-Пресс», 2004,465 с.

53. Гаврилов Л.П. Нелинейные цепи в программах схемотехнического моделирования. М.: Солон Р, 2002,448 с.

54. Соснин Д.А. Рабочие процессы в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. / В монографии «Автотроника» (Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей). М.: Солон-Р, 2001.

55. Соснин Д.А. Электромагнитный привод газораспределительных клапанов в поршневом двигателе внутреннего сгорания. /В монографии Соснина Д.А. и Яковлева В.Ф. «Новейшие автомобильные электронные системы». М.: Солон-Прессс, 2005,486 с.

56. Соснин Д А., Колесниченко В.Н. Теоретические аспекты современных электронных систем управления для двигателей внутреннего сгорания./В сборнике научных трудов МАДИ. № 187,1981.

57. Ютт В.Е., Соснин Д А. О возможности применения электромагнитных клапанов в газораспределительном механизме ДВС. Тезисы докладов научной конференции МАДИ (ГТУ).2005.

58. Соснин Д.А. Теоретические аспекты оптимального проектирования силовых электромагнитов для газораспределительных клапанов ДВС. Сообщение. Тезисы докладов научной конференции МАДЩГТУ). 2005.

59. Соснин Д.А. Электромагнитный клапан. Заявка на изобретение по классу FOIL 9/04. Подано в патентный отдел МАДИ (ГТУ).2004.

60. Соснин Д.А. Клапаны с электромагнитным приводом для газораспределительного механизма поршневого двигателя. М.: «Ремонт и Сервис», 2001, №12(39).

61. Автомобильный справочник. Перевод с англ. -М.: Изд. «За рулем», 2000.

62. Ротерс Г.К. Электромагнитные механизмы. М-Л.: Госэнергоизд.1949.

63. Сотсков Б.С. Основы теории надежности элементов и устройств автоматики ивычисли-тельной техники. М.: Высшая школа. 1970.

64. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.: Энергия. 1977.

65. Справочник по ферромагнитным материалам. М.: Изд. Госстандарт. 1988.

66. КиферИ.И. Характеристики ферромагнитных сердечников. М.: Энергия. 1977.

67. Малов А.Т. и др. Электромагнитные молоты. Новосибирск: Наука. 1979.

68. Двигатели армейских машин. Часть вторая./ Под ред. Белова П.М. М.: Воениздат. 1972.

69. Любчик М.А. Силовые электромагниты постоянного тока. М.: Энергия. 1968.

70. Любчик М.А. Расчет и проектирование электромагнитов постоянного и переменного тока. М-Л.: Госэнергоиздат. 1969.

71. Зав.каф. «Электротехника и электрооборудование» д.т.н., профессор ' X—^^ Ютт В.Е.

72. Профессор кафекдры, к.т.н. L^^^J^r^y Морозов В.В. Профессор кафекдры, к.т.н. wilii^ Сурин Е.И.

73. УТВЕРЖДАЮ Первый заместитель генеральногодиректора ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» доктор техвдяеСких наук, профессор1. Гируцкий О. И. 2005 года1. ОТЗЫВ ВЕДУЩЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ

74. Математический аппарат, использованный для создания расчетных методик, реализован в программных средствах для компьютерной обработки и апробирован применительно к одной из схем электромагнитного привода.

75. Практическое значение диссертационной работы подтверждено внедрением результатов в инженерные расчеты при проектировании электромагнитных газораспределительных клапанов в конструкторском отделе ОАО «АвтоВАЗ».

76. Содержание диссертации в достаточной степени отражено в 5-ти публикациях автора, докладывалось неоднократно на научных конференциях и известно научной и технической общественности.

77. Автореферат диссертации соответствует ее содержанию.

78. По содержанию диссертационной работы имеются следующие замечания.

79. Недостатком диссертации можно считать большой объем дополнительной информации и математических выкладок, которые можно было бы отнести в приложения, при этом экспериментальной части в работе уделено неоправданно малое внимание.

80. Отзыв обсужден и одобрен на заседании секции «Двигатели и экология» научно-технического совета ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» 22 февраля 2005 г., протокол № 1.

81. Заведующий лабораторией систе управления двигателями и силов агрегатами автомобилей, к. т. н.

82. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ

83. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

84. ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

85. Не четко сформулирована степень влияния формы магнитного шунта в рабочем воздушном зазоре силового электромагнита на его тяговую характеристику.

86. В предложенной методике расчета параметров и характеристик силового электромагнита нет указаний на ее применение при проектировании магнитных систем двухстороннего действия.

87. Не приведены сведения о практической реализации электромагнитного привода газораспределительных клапанов в разработках отечественных производителей автомобильных двигателей.

88. ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

89. Первый заместитель директора ФГУП НИИАЭ , к.т.н., профессор1. Купеев Ю.А

90. Подпись профессора Купеева Юрия Александровича УДОСТОВЕРЯЮ:

91. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ

92. В 1-ой главе проведено теоретическое исследование газораспределительного механизма, который рассмотрен как объект автоматического управления.

93. Во 2-ой главе составлен аналитический обзор по отечественным и зарубежным разработкам электромагнитных клапанов.

94. В 3-ей главе приведена разработанная автором диссертации теория оптимального проектирования силовых тяговых электромагнитов с применением математического аппарата вариационного исчисления.

95. В 4-ой главе приведена методика инженерного расчета силовых электромагнитов для газораспределительных клапанов поршневого двигателя.

96. В 5-ой главе приведена экспериментальная оценка точности вычислений по разработанной автором диссертации методике с применением персональной ЭВМ.

97. В конце диссертации сделаны автором обоснованные выводы.1. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

98. ЗАМЕЧАНИЯ ПО РАБОТЕ. Недостатками диссертации являются следующие:

99. Для расчетов автором выбрана не лучшая схема электромагнита, которая критикуется самим автором как наиболее "жесткая" и шумящая.

100. Не учтен в расчетах электромагнитов тепловой режим такой как "короткое замыкание", когда замок зажигания включен, а двигатель не работает.

101. Имеются также и опечатки: стр. 11-работа содержит не 256 стр. текста, а 188 и не 66, а 71 наименование использованной литературы и стр.182, таблице 5.8: напечатано 848x84, а должно быть: 48x84 ( тоже и в автореферате на стр. 23).

102. ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

103. Профессор кафедры «У правл*0Шр^*а жщр^юрте»

104. Федерального государств^и|0^<ташер^т«Щ у правления,

105. Доктор технических наукой ||| ЩШ^ Опарин И.М.

106. Подпись д.т.н., проф. Опарина Игоря Миновича удостоверяю:

107. Краткие сведения о соискателе

108. Одной из актуальных проблем, стоящих перед современным двигателе-строением, является задача дальнейшего совершенствования автомобильногопоршневого двигателя внутреннего сгорания.

109. Научный руководитель соискателя, зав. кафедрой электротехники и электрооборудования МАДИ (ГТУ), заслуженный деятель наукии техники РФ, доктор технических наук, профессор1. ЮТТ. В.Еа «УДОСТОВЕРЯЮ»1. НЕМЧИНОВ М.В