автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и разработка электронной системы автоматического управления клапанами поршневого двигателя с применением поворотно-плавающего распределительного вала

005013762

МИТИН Михаил Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

КЛАПАНАМИ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОВОРОТНО-ПЛАВАЮЩЕГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ВАЛА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

1 5 МАР 2012

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

005013762

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

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- кандидат технических наук, профессор Соснин Дмитрий Александрович

- Опарин Игорь Минович,

доктор технических наук, профессор. Государственный университет управления, профессор кафедры «Управление на транспорте»

- Малеев Руслан Алексеевич, кандидат технических наук, профессор. Московский государственный технический университет (МАМИ), зам. зав. кафедры «Автотракторное электрооборудование»

Ведущая организация

- ФГУП НИИАЭ

Защита состоится 11 апреля 2012 года в Ю00 часов на заседании специализированного совета Д 212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу:

125319, Москва, Ленинградский пр., дом 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Автореферат разослан 7 марта 2012 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, дс

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработчикам автомобильных двигателей хорошо известно, что идея создания автомобильного поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с автоматическим управлением фазами газораспределения, путем изменения фазовых состояний впускных и выпускных клапанов, является исключительно плодотворной идеей. При замене жесткого механического привода клапанов на электронно-управляемый привод с целью внедрения автоматического 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 электронным управлением процессами газораспределения. Наиболее успешно над решением этих задач работали и продолжают работать инженеры и ученые немецких фирм BMW AG и FEV МТ. Аналогичные исследования ведутся и в других странах: Японии («Mitsubishi»), Италии («Fait»), США («Ford»), Швеции («Volvo»), России (АвтоВАЗ, ФГУП НАМИ, МАДИ, РУДН). После внедрения в практику новых международных стандартов OBD-II (On Board Diagnostik - II) и EOBD (European On Board Diagnostik - III. 2010 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 автоматических систем управления процессами газораспределения в бензиновых поршневых ДВС, стали особенно актуальными.

Целью работы является: разработка методов и средств электронного автоматического управления фазами и высотой хода впускных клапанов поршневого двигателя, в газораспределительном механизме которого применен поворотно-плавающий распределительный вал. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• теоретическое исследование газораспределительного механизма поршневого двигателя с жестким распределительным валом, как объекта автоматического управления;

• критический анализ отечественных и зарубежных разработок по электронным системам автоматического управления фазами газораспределения, сведения о которых опубликованы в открытой научно-технической и патентной литературе;

• разработка теоретических основ инженерного проектирования автотронной системы автоматического управления фазами клапанов (АСАУ-К) и ее составных компонентов с применением математического аппарата алгоритмизации и теоретических основ схемо - и системотехники;

• разработка инженерной методики расчета параметров и характеристик электромагнитных компонентов АСАУ-К 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; теоретических аспектах схемо - и системотехники; теории проектирования электромагнитных приводных механизмов; математическом аппарате графоаналитического исчисления; методиках инженерного проектирования.

Научная новизна. Разработан аналитический способ сравнения фазовых состояний клапанов по круговым фазовым диаграммам для различных ДВС, который состоит в оценке возможностей рационального перемещения (регулирования) фаз, с целью их адаптации под режим работы ДВС. Показаны взаимосвязи между различными режимами работы ДВС и фазовыми состояниями клапанов. Описаны особенности работы ДВС в различных режимах.

Получены математические зависимости, отображающие связь размерных и электрических параметров электромагнитных компонентов системы АСАУ-К, на базе которых разработаны инженерные методики, позволяющие проводить расчет, при задании различных исходных данных.

Практическая значимость. Доказана целесообразность применения в системах АСАУ-К четырехпозиционного переключателя газораспределительных клапанов в одном цилиндре ДВС, вместо традиционного двухпозиционного переключателя. Показано, что электромагнитный фик-

сатор (ЭМФ) плавающей кулачковой муфты с одним постоянным и одним электромагнитом может быть выполнен как магнитная система с двумя устойчивыми рабочими состояниями, благодаря чему повышается эксплуатационная надежность процедуры переключения клапанов. Внедрена в учебное (дипломное и магистерское) проектирование методика инженерного расчета электромагнитных компонентов системы АСАУ-К для поршневых ДВС. Разработана программа расчета параметров и характеристик электромагнитных компонентов системы АСАУ-К на персональном компьютере с применением стандартных программ моделирования и проектирования.

На защиту выносятся:

• критический анализ принципов действия и конструкций существующих систем автоматического управления клапанами (САУ-К) для газораспределительных механизмов автомобильного поршневого ДВС;

• анализ рабочих режимов ДВС по фазовым диаграммам;

• алгоритмы и схемотехнические решения автотронной системы автоматического управления клапанами (АСАУ-К), реализованной с применением поворотно-плавающего распределительного вала;

• методика инженерного расчета параметров и характеристик электромагнитных компонентов системы (АСАУ-К);

Реализация результатов работы. Разработаны теоретические аспекты проектирования и предложены методики расчета составных компонентов системы АСАУ-К, которые предполагается использовать при проектировании нового газораспределительного механизма с поворотно-плавающим распределительным валом для экспериментального двигателя отечественных автомобилей. Материалы диссертационной работы используются в дипломном и магистерском проектировании студентами энерго-экологического факультета МАДИ (ГТУ) и инженерного факультета РУДН.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ) в 2005-2012 гг. и одобрены на заседании кафедры «Электротехни -ка и электрооборудование» МАДИ (ГТУ).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в девяти печатных работах, три из которых в изданиях по списку ВАКа.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по диссертационной работе, приложения и списка литера-

туры. Содержание составляют 162 страницы текстового материала, на которых: 68 графических работ (чертежи, графики); 14 таблиц; 5 страниц -списоклитературы (64 наименования).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждена целесообразность создания автотронной системы автоматического управления клапанами автомобильного поршневого двигателя с применением поворотно-плавающего распределительного вала. Дано определение термину «автотронная система». Обосновывается актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе проведено исследование основных параметров и фазовых характеристик газораспределительного механизма (ГРМ) четырехцилиндрового четырехтактного бензинового двигателя как объекта автоматического управления. Показано, что жесткая кинематическая связь газораспределительных клапанов с коленчатым валом двигателя является конструктивным недостатком современных автомобильных ДВС, который препятствует дальнейшему их совершенствованию. Показано, что с введением в ГРМ гибкого управления клапанами посредством применения автоматизированного электромагнитного привода кулачковых муфт, фазы газораспределения и параметр «время-сечение» становятся управляемыми. При этом 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 конфетному типу двигателя, режиму и условиям его работы соответствует своя фазовая диаграмма. 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 изменять и фазы газораспределения, и параметр «время-

сечение», но жесткая кинематика ГРМ не позволяет этого сделать. При автоматизированном приводе клапанов с управлением от электронной автоматики текущее изменение фаз газораспределения может быть легко достигнуто адаптивным управлением клапанами по сигналам от датчиков ЭСАУ-Д , что реализуется по заданной программе, которая закладывается и хранится в постоянной памяти ЭБУ. С помощью фазовых диаграмм показано как изменяются фазовые состояния клапанов при изменении режимов работы ДВС. На основании исследований, проведенных в первой главе, поставлена цель и определены задачи для данной диссертационной работы.

Во второй главе проведен критический анализ известных принципов действия и устройств автоматизированных систем управления газораспределительными клапанами в автомобильных поршневых ДВС. Аналитический обзор выполнен по патентам и журнальным публикациям за период 1985-2011 гг. Определены и описаны преимущества и недостатки газораспределительных механизмов с автоматизированным управлением клапанов различных по принципу действия и конструктивному исполнению. Обзор показал, что в большинстве известных разработок используется процедура переключения высоты клапанного кулачка, посредством применения различных гидро- или электроуправляемых механизмов. Показано, что в настоящее время наиболее успешно работы по созданию систем автоматического управления клапанами для автомобильных двигателей ведутся в Японии, США, Германии и Швеции. Проведено детальное изучение опыта этих стран по проектированию и созданию новых систем. В диссертации подробно проанализированы и описаны все серийно выпускаемые японскими фирмами системы управления клапанами, такие как: VTEC (Variable Valve Tinning and Lift Electronic Control). А также аналогичные по назначению системы немецких фирм: VLS-D (Valve Lift Curve Shaping Deactivation - система отключения цилиндров); VLS-R (Valve Lift Curve Shaping Reduction клапанных приводов EMVT (Electromechanic Valve Tinning - электромеханический привод клапана).

Во всех современных системах автоматического управления фазами (САУ-Ф), распределительный вал поворачивается на опережение или отставание с помощью гидросистемы, работающей под управлением электронной автоматики. Функциональная схема системы показана на рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема САУ-Ф: 1 -позиционный датчик Холла; 2 - поворотный диск датчика; 3 - гидромуфта на распределительном вале (РВ); 4 - диск зубчатой передачи; 5 - приемный гидроузел РВ; 6,10,13 - подшипники скольжения РВ; 7,9,11,12 - кулачки РВ; 8 -поворотный распределительный вал; 14 - корпус РВ; 15 и

16 - масляные каналы в теле корпуса РВ;

17 - позиционный электромагнитный гидроклапан (ЭМГК), выполняющий функции переключателя жидкостных потоков; 18-маслянный поддон двигателя; 19,21,23 -

масляные каналы в поддоне 18; 20 - моторное масло; 22 - главный масляный насос двигателя; 24 - электронный блок управления фазами (ЭБУ-Ф) в составе ЭСАУ-Д; 25 - блок памяти; 26,27,28 -датчики коленчатого вала, нагрузки и температуры двигателя; 29 - компоненты входной периферии ЭСАУ-Ф.

Показано, что реальным условиям эксплуатации в автомобильном ДВС наиболее полно и рационально отвечает автотронная система автоматического управления клапанами (АСАУ-К) с поворотно-плавающим распределительным валом. 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 теоретических аспектах проектирования автотронных систем для автомобильных ДВС.

В третьей главе разработаны теоретические аспекты инженерного проектирования автотронной системы автоматического управления фазами клапанов (АСАУ-К), в которой достигается более эффективная и более точная регулировка фаз газообмена за счет применения на поворотном распределительном вале разновысоких плавающих кулачков с неодинаковыми профилями. Такое устройство называется поворотно-плавающим распределительным валом.

С применением поворотно-плавающего распредвала воедино объединяются две системы управления газораспределительным механизмом (ГРМ): фазовращающая система с поворотным распредвалом (САУ-Ф) и система с переключающимися кулачками (ЭСАУ-К). Так легко достигается управление продолжительностями впускных фаз по повороту

: 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 11 11МII II I I

I бн ММ 1 1| ■ ! ' ' ■ ■} 1 г ■ ■ | п

Ш 1 : М 7гч^МЫН_Н Ч_Н Н_Н_1

1С

[НТУбг и Ш

Н ......ЬИ

у || 25 | г-1-

I 1 : 1 1 ^ гН

1 : - - : :?:! !_.___! ^^

МММ I I 1819 2021 22 23 24 29

коленчатого вала «вперед-назад» и управление параметром «время-сечение» по высоте подъема клапанов для различных режимов работы.

Для системы АСАУ-К автором разработана новая конструкция че-тырехпозиционного клапанного переключателя для управления каждым клапаном в отдельности (рис.2).

а

7 8 Л 9 19 В!

С" 15 ШП

18 17 16

Рис.2. Четырехпозиционный переключатель

Для такой конструкции переключателя разработана логика переключения двух клапанов в одном цилиндре, которая теперь стала четырехуровневой и отвечает программе, представленной в таблице.

1 ЭМФ1(к+) ЭМФ2(к-) ВК1 (7) ВК2 (3) Т5(Ю) РХХ

2 ЭМФ1 (к—) ЭМФ2(к-) ВК1(10) ВК2 (3) Тз(13) ЭКР

3 ЭМФ1(к+) ЭМФ2(к+) ВК1 (7) ВК2(10) Тз(17) НМР

4 ЭМФ1(к-) ЭМФ2(к+) ВК1(10) ВК2(10) Т3(20) СПР

Таблицей отображена следующая информация: Впускной клапан ВК1 (поз. 9-10 на чертеже рис.2) может открываться либо на 7 мм, либо на 10 мм. Второй впускной клапан ВК2 (поз. 19-15 на чертеже рис.2) открывается либо на Змм, либо на 10 мм. Каждый из электромагнитных фиксаторов ЭМФ1 и ЭМФ2 может быть включен либо на выталкивание фиксирующего штока (к+), либо на его поднятие в исходное состояние (к-). В первом случае шток фиксатора вталкивается в спиральную дорожку на «плавающей» муфте, а во втором - принудительно возвращается обратно вверх (встречным включением электромагнита ЭМФ). Позиции «плавающих» муфт, показанные на рис.2, соответствуют спортивному режиму работы ДВС.

Из рассмотрения принципа действия четырехпозиционного переключателя клапанов очевидно, что управление параметром «время-сечение» Т3 на впуске в каждый цилиндр реализуется плавными переходами от меньшего значения Т8т|п (при РХХ) к большему Т8тах (при СПР), или обратно от Т3гпах к Т3т|П. При этом, если задаться значениями высот кулачков, которые приведены в таблице, то параметр Т5 при подъеме клапанов будет меняться так, как показано на рис.3.

Рис.3. Значение параметра Тз в различных режимах работы ДВС: Нк - подъем клапанов: (7 или 10 мм)

- подъем первого впускного клапана; (3 или 10 мм) - подъем второго впускного клапана; (10, 13, 17, 20 мм)

- суммарный подъем при одновременном открытии обоих клапанов; {-интервал открытого состояния клапанов в режимах ХХ,ЭК,НР, СР

Раздельное разновысокое управление двух впускных клапанов в одном цилиндре обеспечивает требуемое (близкое к оптимальному) значение параметра «время-сечение». Электромагнитные фиксаторы отрабатывают программу управления клапанами на всех рабочих режимах.

Таким образом, используя четырехпозиционный переключатель на двух впускных клапанах, установленных в одном цилиндре, можно получить комбинацию для четырех значений параметра «время-сечение» Т8, и обеспечить более плавное его управление.

• В разработку автотронной системы совместного автоматического управления фазами и высотой хода клапанов (системы АСАУ-К) входит разработка логики и последовательности срабатывания ее компонентов с различными принципами действия, Это является базовой информацией для составления алгоритмов функционирования блоков системы АСАУ-К в различных режимах работы ДВС. Для определения алгоритмов и архитектуры АСАУ-К использованы графоаналитические методы схемо - и системотехнического анализа и синтеза сложных комплексных систем. Исходными данными для разработки алгоритмов системы являются три предпосылки. Это, - перечень управляемых режимов работы ДВС; выбор и обоснование управляющих сигналов на входе системы, выбор управляемых параметров на выходе.

13,^-1

,ц

/д\.........

I /-/Л\\ /У/7 XV

' 3 • V

*ХХ ^эк 1нр кр

1) В перечень управляемых рабочих режимов ДВС включены: «холостой ход - XX», «экономичный режим - ЭК», «номинальный режим -НР», «спортивный (форсированный) режим - СП».

2) Входными управляющими сигналами для АСАУ-К являются текущие значения рабочих параметров двигателя, которые непрерывно изменяются при его работе. Таких параметров четыре: температура двигателя Тд в [°С], частота вращения коленчатого вала Яд в [мин"1], нагрузка двигателя Рд [тах-пгнп], и скорость движения автомобиля Уд в [км/час].

3) Так как механическим исполнительным устройством на выходе АСАУ-К выбран поворотно-плавающий распределительный вал, то его рабочими (управляемыми) параметрами будут: угол поворота 0Р [в угловых градусах °К] относительно коленчатого вала и изменяемые параметры кулачков (их форма - Пк и высота Нк) для управления параметром «время-сечение» Т5 [%].

Процессы оптимизации рабочих режимов газораспределения в ДВС посредством АСАУ-К сводятся к установке на поворотно-плавающем распределительном вале наиболее рациональных параметров 0Р, Пк, Нк для данного режима работы. При этом, исходными данными для расчета в электронной части системы являются входные сигналы Тд, Рд, РдЛ/д. Сложность измерения и выбора конкретных значений сигналов состоит в том, что их оптимальные значения совершенно различны, как для разных режимов, так и для одного из выбранных режимов, когда сам параметр непрерывно изменяется от минимума до максимума.

Так как современные АСАУ являются устройствами с числоимпуль-сным (дискретным) принципом действия, то непрерывно изменяющиеся во времени рабочие параметры должны быть выражены не как аналоговые, а дискретными числовыми значениями. Таких значений для каждого режима должно быть столько, сколько требуется фиксированных интервалов адаптации. Таким образом, для каждого режима ДВС требуется выбрать число фиксированных интервалов, в которых управляемый параметр принимается неизменным. При этом, надо иметь ввиду, что стратегия выбора числа фиксированных интервалов определяет приборную и схемотехническую сложность разрабатываемой системы в целом. Большому числу интервалов соответствует более сложная техническая реализация. С учетом сказанного, составляются шкалы интервалов для управляющих параметров системы АСАУ-К: Тд (температура ДВС), Рд

(частота вращения KB), Рд (нагрузка ДВС), VA (скорость автомобиля), которые соотносятся с управляемыми параметрами поворотно-плавающего распределительного вала.

Совокупность шкал, представленная в виде номограммы соотношений входных и выходных параметров, позволяет сформировать логику функционирования и алгоритмы работы разрабатываемой системы.

Для составления номограммы соотношений входных и выходных параметров необходимо задаться: установочными значениями фаз впуска и выпуска; их опережением и отставанием для различных (управляемых) режимов работы ДВС; значением параметра Ts [%] «время-сечение».

а) Установочные значения фаз впуска и выпуска выбираются с учетом предельно допустимой рабочей частоты вращения коленчатого вала ДВС. Выберем для разрабатываемой системы АСАУ-К двигатель с FflMaKc = 6000 мин"1, тогда, с учетом допустимого перекрытия клапанов равного 21 °R, установочные фазы впуска и выпуска следует задать в значениях 202 °R (как в прототипе).

б) В данной разработке АСАУ-К в качестве прототипа выбрана система управления клапанами «Valvelift» для двигателя FSi-3.0 AUDI, оптимальные сдвиги (опережение и отставание) газовых фаз в котором определяют максимальный диапазон управления - плюс-минус 26°R (угловых град, по РВ).

в) В расчет заданы следующие значения параметра «время-сечение» (рис.3): для холостого хода - 50%; для экономичного режима -65%; для нормального режима - 85%; для спортивного режима 100% .

• На основании априорной информации, составлена номограмма соотношений входных и выходных параметров для разрабатываемой автотронной системы автоматического управления фазами клапанов (АСАУ-К) в поршневом двигателе внутреннего сгорания (рис.4).

Стратегия выбора априорных данных и порядок составления номограммы подробно описаны в диссертации. Вкратце отметим. В пяти верхних шкалах представлены входные (управляющие) параметры АСАУ-К. В двух средних - сигналы обратной связи от датчиков Холла ДХ1 и ДХ2, установленных на распределительных валах. Они устанавливают соотношения текущих значений входных параметров с требуемыми (оптимальными) параметрами, которые хранятся в ПЗУ. В трех нижних шкалах указаны значения оптимальных величин подъема (открытия) двух впускных клапанов при различных режимах работы ДВС, и значения оптимальных величин параметра «время-сечение» Ts .

Рис.4. Номограмма соотношений параметров:1) а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м- горизонтальные шкалы номограммы для параметров, поступающих от датчиков ДТД (температуры ДВС), ДКВ (коленчатого вала), ДНД (нагрузки ДВС), СКП (сепаратора коробки передач), ДСА (скорости автомобиля), ДХ1 и ДХ2, (датчиков Холла), ВК1 и ВК2 (впускных клапанов). 2) А, В, С, D, - вертикальные полосы номограммы для составления кодовых последовательностей соотношений параметров. 3) РХХ, ЭР, HP, CP, - обозначения рабочих режимов (РР) двигателя, соответственно: «холостой ход», «экономичный режим», «номинальный режим», «спортивный режим». 4) СКП - сепаратор АКПП: N -нейтральное положение СКП, 2 - вторая передача СКП, D - драйв (автоматическое переключение скоростей), D + тоже, что и D с добавлением функции форсированного режима; 5) КЗ - красная зона, работа ДВС в которой аварийно опасна.

Заданы следующие значения для кодов шкал:

а) 0001... - Шкала температуры (Тд [°С]);

б) 0010... - Шкала частоты вращения коленвала ДВС (Ffl [мин-1]);

в) 0011... - Шкала нагрузки ДВС (Рд [min - max]);

Входные параметры КЗ

ДТД ШК А В С D

а 0 25 50 65 75 1001 тд гс]

0<Tg<65 Работа ДВС без АУК | РИТ 65<Tg<100 I

ДКВ • 50 1500 3000 1500 бСЮо] FglM1]

9 XXX ЭР HP CP I

ДНД в pg(0) Pg (мин) Pg (ном) Рд(макс) | Pg [min-max]

XXX ЭР HP CP

СКП г 200<Fg<3000 N

200<Fg<3750 J 2

200<Fg<4500 | D

200<Fg<6000 D+

ДСА Д 0 45 | : 65 | 90 | 135 1801

Fg < 2100 мг~АУК | Fg > 2100 «Гг + АУК | 1 ™

Выхолные параметры

ДХ1 ШК A В С D

е ж -20 0 +10 +12 ПетоГЯ]

-42 -22 -12 -10 Овпз fR]

ДХ2 ВК1 ВК2 ДР 3 и +44 +12 +26 +12 ОвпоГЧ

+22 -10 +4 -10 OemTR]

к л м 7 10 7 10 Hen [мм]

3 3 10 10 Нзп [мм]

'50 ¡65 (85 ООО Ts [%]

г) 0100... - Шкала рабочих режимов ДВС по положению СКП;

д) 0101...- Шкала скорости движения автомобиля Х/А[км/час].

е) 0110...- Шкала углов открытия впускного клапана (0Впо[°К])'.

ж) 0111...-Шкала углов закрытия впускного клапана (Овпз[°К]);

з) 1000...- Шкала углов открытия выпускного клапана (Пвыо[°Н])1

и) 1001...- Шкала углов закрытия выпускного клапана Пвыз

к) 1010...- Шкала высоты подъема 1-го впускного клапана (НВГц[мм]); л) 1011...- Шкала высоты подъема 2-го впускного клапана (НВпг[мм]); м) 1100...- Шкала параметра «время-сечение» (Т$[%]).

В диссертационной работе номограмма соотношений входных и выходных параметров АСАУ-К рассмотрена по каждой горизонтальной шкале, а также по каждой вертикальной полосе в отдельности. Вертикальные полосы АДС.Э отображают соотношения сигналов от датчиков ДТД, ДКВ, СКП, ДНД, ДСА с оптимальными рабочими параметрами управляемого распределительного вала (углами поворота фаз П вх и £1 вых выраженных в ["И]), высотой подъема впускных клапанов (НВп[мм]), параметром «время-сечение» (Тэ [%]). Каждая из четырех вертикалей описывает оптимальные соотношения только для одного рабочего режима ДВС. Таким образом, по информации, заложенной в вертикальных полосах А,В,С,О номограммы, можно составить кодовые последовательности для описания необходимых сведений о каждом режиме ДВС в отдельности:

Для режима холостого хода (РХХ) - полоса А.

Для экономичного режима (ЭР) - полоса В.

Для штатного (номинального) режима (НР) - полоса С.

Для форсированного (спортивного) режима (СР) - полоса О. Ясно, что поочередно считывая входную информацию со шкал а, б, в, г, д и выходную информацию со шкал е, ж, з, и, к, л, м в вертикальных полосах АДСД получим четыре кодовые последовательности, каждая из 12-ти двоичных семиразрядных слов, которые однозначно описывают текущие значения параметров в режимах ХХ,ЭК,НР,СП. А(ХХ) = 0001001—0010001—0011010—0100010—0101001—0110001 — 0111001—»1000001—»1001001—^1010001-^1011001 —1100001. В(ЭР) = 0001001—0010010—0011011^0100011—»0101010—0110010— 0111010—1000010—1001010—1010010—1011010—1100010. С(НР) = 0001010—0010011—0011100—0100100—0101010—0110011— 0111011—1000011—1001011—1010011—1011011—1100011.

D(CP) = 0001010-+0010100-+0011101-»0100101-+0101011->0110100-+ 0111100—+1000100—>1001100—+1010100—+1011100—100100.

Кодовые последовательности A(XX), В(ЭР), C(HP), D(CP) после преобразования в электронную числоимпульсную последовательность, записываются в оперативную память (в ОЗУ) микропроцессора и по команде «начало отсчета» (с датчика ДКВ) поочередно выводятся на регистр сравнения, где сравниваются с оптимальными значениями этих параметров, которые хранятся в постоянной памяти (ПЗУ). При совпадении входной кодовой последовательности с последовательностью записанной в ПЗУ, происходит фиксация параметров установившегося рабочего режима ДВС (см. параметры в шкалах е, ж, з, и, к, л, м ), по которым в логико-арифметическом блоке формируются сигналы управления для выходных электронных контроллеров. Эти контроллеры через силовые (токовые) коммутаторы управляют исполнительными электромагнитными устройствами на впускном и выпускном распределительных валах.

• С учетом сказанного, по данным номограммы, проведена разработка алгоритмов и схем логических взаимосвязей системы АСАУ-К.

На рис.5 показана логическая схема микропроцессора АСАУ-К со всеми входящими в него функциональными компонентами: ЭШВС -электронный шифратор входных сигналов, поступающих от блока обработки управляющих манипуляций водителя (УМВ); АЦ и ЧИ - аналого-цифровые и числоимпульсные преобразователи входной информации; ИКС - интерфейс кодовых сигналов; микро-ЭВМ (логико-арифметический вычислительный блок); ИВ - интерфейсы внутренние; КК1 и КК2 - выходные токовые коммутаторы для электромагнитных фиксаторов (ЭМФ) впускных клапанов; КРВ - коммутатор для электромагнитного гидроклапана (ЭМГК) поворотного распределительного вала; КЗ - красная зона; АС - аварийная ситуация.

Микропроцессор в системе АСАУ-К по разработанным алгоритмам работает так. ЭШВС по сигналам от блока УМВ формирует коды для четырех режимов работы ДВС. Используются только четыре старших разряда из семи в кодовом слове (XX - 0001...; ЭК - 0010...; HP - 0011...; СР - 0100...). Далее по сигналам таймера и числу импульсов отдатчика коленчатого вала (ДКВ) определяется частота его вращения в диапазоне от 0 до 6000 мин"1. Диапазон делится на стандартные интервалы: для XX (500 - 1500), для ЭК (1501 - 2500), для HP (2501 - 4500), для СР (4501 -6000).

Рис.5. Логическая схема микропроцессора АСАУ-К Переход из нижнего интервала в верхний реализуется логическими ячейками «ДА - НЕТ», обратно - в интервал для XX - по сигналу «начало отсчета» от ДКВ, или от счетчика сброса СЧС. Аналогично, с использованием ДНД, определяется текущее значение нагрузи на коленвал ДВС. Вся входная информация обрабатывается в АЦ и ЧИ преобразователях и по интерфейсу ИКС последовательно передается в логико-арифметический блок (микро-ЭВМ) в виде кодовых последовательностей. Состав микро-ЭВМ стандартный: ОЗУ, ПЗУ, счетчики, логические элементы, регистры сравнения и сдвига, кварцевый таймер. Обработка информации в дискретном виде на низко потенциальном уровне. На выходе микро-ЭВМ потенциальные сигналы преобразуются контроллерами, усиливаются в токовых коммутаторах и далее выдаются на электромагнитные и механические выходные исполнительные устройства (ВИУ) выходной периферии.

На рис.6, приведена функциональная схема выходной электромеханической периферии разработанной системы АСАУ-К. Этой схемой описан газораспределительный механизм (ГРМ) двигателя с четырехпози-ционным клапанным переключателем.

Рис.7. Функциональная схема На рисунке показана функциональная схема разработанной системы «АСАУ-К» с двумя распределительными валами, которая реализует вышеописанные алгоритмы управления фазовыми состояниями впускных клапанов. В этой системе входную периферию «А» составляют два датчика Холла 1 и 2, активные элементы которых Х1 и Х2 на распределительных валах; датчик 3 частоты вращения и положения коленчатого вала (ДКВ); датчик 4 нагрузки двигателя (ДНД); датчик 5 температуры двигателя (ДТД); датчик 6 скорости автомобиля. (ДСА) - это шесть входных преобразователей неэлектрических воздействий в электрические сигналы. Выходная периферия «Г» - это поворотно-плавающий распределительный вал 15 на стороне впуска с плавающими кулачковыми муфтами 16, и поворотный распределительный вал 17 на стороне выпуска, которые совместно с устройствами гидропривода (Г1,Г2) и кулачковыми муфтами образуют газораспределительный механизм (ГРМ) с управляемыми фазами газообмена. Приводные устройства с электромагнитным управлением (на чертеже обозначены серым цветом) - это ЭМФ и ЭМГК, которые срабатывают по импульсным сигналам от электронного блока «Б» управления фазами (МЭВМ) опосредствованно, через выходные преобразователи «В» низкоуровневых электрических сигналов в токовые сигналы для приводных электромагнитов (через коммутаторы ЭК). Система содержит вторичный источник электропитания «Д», подключенный к двухуровневой бортсети «Е» автомобиля.

В четвертой главе проведена разработка конструкции и методики расчета электромагнитного фиксатора с принудительным удержанием штока. На рис.8 представлена модель электромагнитного фиксатора (ЭМФ) с электрическим магнитом типа «пуш-пул» и удерживающим по-

Постоянный магнит NS, соединен с толкающим штоком 13. Их подпирает слабая витая пружина 7. При отсутствии напряжения на управляющей обмотке 4 постоянный магнит NS удерживает толкающий шток 13 в верхнем положении, чему частично противодействует подпорная витая пружина 7. При подаче на токопроводную (управляющую) обмотку 4 напряжения определенной величины и полярности электромагнитная сила обмотки нейтрализует притягивающую силу постоянного магнита, и толкающий шток опускается вниз, подпорная пружина ЭМФ, при этом, работает также в направлении отталкивания. При снятии напряжения с токопроводной обмотки 4 постоянный магнит NS не в состоянии сжать возвратную пружину 7 и поднять толкающий шток 13 обратно в верхнее положение, поэтому возврат штока реализуется электромагнитом в магнитопроводе 15, включенным в противоположном направлении. Подпорная пружина в это время остается сжатой.

•Для обеспечения надежного перемещения якоря со штоком в прямом и обратном направлениях баланс действующих на сборный якорь сил, с учетом дополнительных противодействующих сил, должен отвечать следующим соотношениям:

При отталкивании вниз Fnc >( FMC- F3M) + Рин + FTP, тогда For = Fnc - (FMC - F3M) ~ (Fhh + Ftp). (1)

При удержании вверху FMC > Fnc + FP, тогда FyB = FMC ~ (Fnc + FP). (2)

При удержании внизу Fn0 > FM0 + Fm, тогда FyH = Fno -(FM0 + FMH). (3)

При поднятии вверх FMC + F3M > Fnc + Fhh + FTP, тогда FnB = FMс + F3M - (Fnc + Fm + FTP). (4)

•Основными составными компонентами ЭМФ, параметры которых определяют динамический баланс сил, являются: электромагнит, посто-

стоянным магнитом.

янный магнит, рабочий воздушный зазор и возвратная пружина. Расчет ЭМФ можно начинать с расчета любого составного компонента. В качестве исходных данных используются: конструктивная модель ЭМФ (рис.8), справочные сведения о ферроматериалах, а также сведения о витых пружинах. В предлагаемой методике расчет ЭМФ начинается с расчета рабочей пружины.

• Тип изделия - витая пружина сжатия холодной навивки из не

магнитной нержавеющей стальной проволоки.

• Модуль сжатия для выбранной пружины С=81400 Н/мм2. (5)

• Расчет жесткости (константы) отпущенной пружины:

С = Р/Ио = 6*с1о4/( 8*М*с1п3) [Н/м], (6)

• Расчет усилия сжатой пружины: Рс = С • Г)с [Н]. (7)

• Расчет усилия подсжатой (при установке) пружины:

РП = С-ИП[Н1. (8)

• Расчет рабочего сжатия : БР = (Рс - Рп) / С [мм]. (9)

Рабочее сжатие пружины вР определяет величину воздушного зазора Ик, что обеспечивается подъемом якоря суммарным магнитным полем электрического и постоянного магнитов.

Расчет параметров электромагнита сводится к определению:

• числа витков катушки электромагнита

\Л/К = 0,5- 1К • (с1кн ~ <*кв) -1 / (тт • с1ПР2 / 4) (витков); (10)

• омического сопротивления катушки электромагнита

Як =Мк'Яв =Мк,р,1м^Зм [Ом]; (11)

• индуктивности катушки включенного электромагнита

7 ДкН Лкв

п,,--~--г

к с1,

2 У\

в

[Гн].

(12)

А,'¿г 'йь

4

При включении электромагнита на отталкивание сборного якоря, ток 3 в катушке протекает встречно, и постоянный магнит размагничивается до состояния остаточной коэрцитивной силы. Вследствие этого индуктивность и катушки уменьшается. В расчете используется максимальная величина индуктивности 1_к, рассчитанная по формуле (12).

• Быстродействие срабатывания ЭМФ определяется по постоянной времени тк обмотки управления

3-L{SJ) ^

к f-\

R S

(13)

где тЗАД - максимально допустимая постоянная времени обмотки управления, которая должна соответствовать максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

• Расчет постоянного магнита сводится к выбору марки феррома-териала и габаритных размеров. В магнитной системе ЭМФ с воздушным зазором должно выполняться условие: Hc 'hK = Jp W, где Нс - коэрцитивная сила постоянного магнита, hK - ширина воздушного зазора, JP -ток в катушке. При этом, требуемая величина коэрцитивной силы для постоянного магнита определится как:

Hc = JpW/hK. (14)

По найденному значению коэрцитивной силы выбирается марка ферроматериала для постоянного магнита ЭМФ. В автомобильных устройствах автоматики наиболее часто используются следующие отечественные материалы: ЮНТС, КС-37, ЮНДК35Т5, ЮН13ДК24, 2БА, ЗБА1. Свойства этих материалов приведены в табл. 4.1 диссертации.

Выражение, определяющее взаимосвязь диаметра магнита с длиной магнита и остальными конструктивными параметрами записывается как:

d^

Тс

L

dK~d ж

N Г г

Z /

IV

dx+

dK+d„

Р

Mo

(15)

К определяющим конструктивным параметрам ЭМФ относится рабочий воздушный зазор. В соответствие с формулой (15) выражение взаимосвязи ширины рабочего воздушного зазора /?к= /з с остальными конструктивными параметрами имеет вид:

. (16,

л-dnp

• Баланс сил в ЭМФ описывается соотношениями (1 - 4), в которые входят силы: F3M, FM, Fn, FTp, Fm FP. Условие баланса сил определяется равенством сил отталкивания вниз F0T= Fnc - (Fmc - F3M)~ (FHh + Ftp) и удержания вверху FyB = FyB = FMC - (Fnc + FP). При этом, если не учитывать дестабилизирующие силы, то согласно (1 - 4) должны выполняться следующие расчетные соотношения:

при отталкивании Яог = /т7с-(Рмс-^эм), иР0т>Рмс, (17)

при удержании вверху РМс - ^пс = ЕуВ > Рпс , С18)

при удержании внизу Рпо-Рмо-Рун- >Рмо • (19)

при поднятии вверх РПв = Рмс + Рэм ■ (20)

Рассчитать силы в выражениях (17 - 20) можно с использованием конструктивных параметров постоянного магнита (dM, lM, Нс, 8), токопро-водной обмотки управления (с1ж, dK, lk,dnpi Z, р), пружины (Fno, С, I), воздушного зазора (hK). Определение параметров описано в диссертации.

С учетом сказанного рассчитываются силы.

а) Сила F3U , действующая на торец якоря со стороны электромагнита с постоянным магнитом, когда по обмотке протекает ток Jp , определяется как

F^lHcL-Jp-O.S-Z^id^/O^B-n-d^fpo-n-dM-e+lf-e (21)

б) Сила Fuc притяжения, действующая на торец якоря, когда он притянут к постоянному магниту максимальна и при обесточенной обмотке управления (Jc = 0) определяется по выражению:

Fuc = (Hc-luf-iJo-TTdu2 / 8( 1ив+ +13 )2в. (22)

в) Сила Fnc сжатой пружины, действующая на торец якоря:

Fnc = Fn0 - Cl3. (23)

г) Сумма отталкивающих сил:

F0t=Fnc-(FMc-F3M). (24)

д) Удерживающая сила Fye, действующая на торец притянутого якоря со стороны постоянного магнита, при обесточенной обмотке управления

Fye =[(Hc lu)2 Vo TT d¿/8(lu e+l3)2 e]-(Fno-Cl3) . (25)

Сила притяжения FHC больше отталкивающей силы пружины (FMC > Fnc), благодаря чему якорь остается в верхнем положении до прихода управляющего сигнала на электромагнит, т.е. до появления суммы отталкивающих сил.

В пятой главе проведена разработка конструкции и методики расчета позиционного датчика Холла. В таком датчике Холла максимальное значение ЭДС-Холла (Ехтах) имеет место, когда воздушный зазор замкнут ферромагнитной массой замыкателя ( рис. 9).

Для получения минимального значения ЭДС-Холла (Ехт'т) используется магнитопрозрач-ные участки (окна) на сигнальном диске 1, при этом воздушный зазор в магнитопроводе датчика увеличивается (размыкается). Из чертежа видно, что магнитный поток через элемент Холла 5 максимален, когда над торцевым воздушным зазором находится магнитный замыкатель диска 1, и минимален, когда здесь устанавливается магнитопрозрачное окно. В первом случае на выходе датчика формируется сигнал, во втором - сигнала нет.

• Методика графоаналитического расчета, учитывающая специфику сосредоточенного магнитного поля, разработана с использованием явления гистерезиса в магнитотвердом ферроматериале. (рис.10).

Определяется рабочий участок для постоянного магнита на петле гистерезиса. Отличительной спецификой магнитотвердых материалов является большая растянутость по оси абсцисс предельной петли гистерезиса и, как следствие, наличие значительной коэрцитивной силы

НеУчасток рабочей характеристики между точками Вя и Нс называется кривой размагничивания. В целях упрощения расчетов кривую размагничивания аппроксимируют двумя прямыми линиями НСА и АВ|. Первая характеризует участок безвозвратного размагничивания, вторая принимается за рабочую характеристику размагничивания в = кн и называется прямой возврата. При работе позиционного датчика Холла рабочий воздушный зазор то закорачивается ферромагнитным замыкателем и становится минимальным (узким), то размыкается и становится максимальным (широким). Ясно, что при этом имеет место изменение магнитного потока, проходящего через чувствительный элемент Холла. Степень изменения потока определяется изменением магнитной индукции от ВР до В|_

(рис. 10) при переходе магнитного состояния из точки F в точку L на прямой возврата. Так в точке F формируется начало рабочего участка FL, который представляет собой частный цикл перемагничивания во время работы датчика. Точка L соответствует состоянию магнитной системы датчика Холла, когда над рабочим воздушным зазором находится ферромагнитный Треугольник LOF определяющий рабочую зону LF постоянного магнита, работающего в режиме переключения магнитного состояния, ограничен и снизу (прямой 2), и сверху (прямой 3). В этих условиях эффективность магнита в рабочей зоне FL определяется произведением

5= 0,5 ■ Св£ -BF)-(HF-HL), т.е. площадью треугольника LFP, в котором тангенс угла <LFP (угол (3) называется коэффициентом возврата, р - справочный параметр.

• Для реализации графо-аналитического метода расчета магнитную цепь позиционного датчика Холла можно представить в виде магнито-

мя воздушными зазорами (рис.11). В рабочий зазор (поз.А) вставлен без просветов магнитный замыкатель M из магнитомягкого ферроматериала. Во время работы датчика этот зазор может быть либо замкнут замыкателем М, либо разомкнут, когда замыкатель M из него извлечен. В другой зазор - коммутационный (поз.В), помещена микросхема с чувствительным элементом Холла (ЭХ). Все звенья кольца замыкаются в общую магнитопроводную цепь. Для проведения расчетов, опишем кольцеобразную магнитную систему расчетной модели (рис.11) законом полного тока, который представим как: Нм 1м = - ( Нп ln+ HPIP). (26)

Здесь левая часть - активный участок магнитной цепи с параметрами Нм и lM постоянного магнита, а правая часть - пассивный участок, который включает в себя магнитопровод 1п и расширенный (составной) воздушный зазор lP . Т.к. H = В/(ц0М) = <!>/(MopS), где Ф - магнитный поток, S - поперечное сечение участков магнитной цепи, то закон Ома для магнитной цепи имеет вид: UM= Ij/MMopS) = ORm - (27)

Проведением ряда преобразований, получено выражение связи между характеристикой размагничивания постоянного магнита и геометрическими размерами магнитной цепи:

проводного кольца с дв;

Нм = - 0,8 • 10б ВмЭм 1р/ (Эр 1м), (28)

или Нм = - NoBм , (29)

здесь N0 =0,8 « 106 «Бм (30)

Коэффициент N0, в размерности СИ [А«м/ Вб] является величиной , определяемой геометрическими размерами магнитной цепи. Линейной зависимости Нм = - N0 Вм отвечает прямая линия, исходящая из нулевой точки, которая при нанесении на участок размагничивания (рис.10) дает рабочую точку ? с координатами искомых ВР и НР для составного постоянного магнита N3 с расширенным воздушным зазором.

• Чтобы в зоне чувствительного элемента позиционного датчика Холла получить максимальное значение индукции Вх, ферромагнитный замыкатель М надо поместить в рабочий воздушный зазор А (см.рис.11), за счет чего рабочая ширина зазора уменьшится до ширины коммутационного зазора В. При этом магнитное состояние постоянного магнита N3 будет определяться в рабочей точке I (рис.10). Теперь для Нм можно записать:

Нм = - 0,8 • 10 Вм БмМ (Эр 1м) = Мц'Вм, где N^0,8 • 106 -^/(врУ. (31)

Значение коэффициента для случая узкого зазора отличается от значения размагничивающего фактора N0, рассчитанного по формуле 29 тем, что они определяются для различной ширины рабочего воздушного зазора В (N0 - для широкого зазора, - для узкого зазора). Отсюда ясно, что магнитное состояние постоянного магнита определяется для двух случаев коммутации в разных рабочих точках 1_ и Р на прямой возврата (рис.10). Таким образом, степень изменения индукции Вх при коммутации рабочего зазора в позиционном датчике Холла зависит от коэффициента возврата для выбранного материала постоянного магнита (см. угол (3 на рис.10). Для узкого рабочего зазора Нх= Нь Вх = Вц; для широкого зазора Нх = Нр, Вх = ВР. При этом В1 > ВР, аН1< НР. Но коэффициент коммутации К = В(_/ ВР > 1 (всегда больше единицы). В отечественных датчиках Холла традиционно используются ферриты ЮНТС, КС-37, ЮНДК35Т5, ЮН13ДК24, 2БА, ЗБА1.

В приложении приведен пример расчета электромагнитного фиксатора (ЭМФ) по разработанной методике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ рабочих процессов газообмена в поршневом двигателе показал, что с применением электронного автоматического управления фазами и высотой подъема клапанов достигается повышение топливной экономичности, экологических и мощностных показателей ДВС.

2. Проведено аналитическое исследование зарубежного опыта по разработкам и созданию автоматических систем управления газораспределительными клапанами в автомобильных поршневых ДВС.

3. Проведена разработка теоретических основ проектирования для автотронной системы автоматического управления фазами впускных клапанов (АСАУ-К) с применением поворотно-плавающего распределительного вала: составлены алгоритмы функционирования, найдены схемотехнические решения для АСАУ-К. На основании проведенных теоретических исследований разработаны методики инженерного расчета электромагнитных компонентов для газораспределительного механизма поршневого двигателя в системе АСАУ-К.

4. Разработаны принцип действия и устройство четырехпозиционного переключателя клапанов для одного цилиндра, что расширило диапазон изменения параметра «время-сечение».

5. Разработана методика расчета параметров электромагнитного фиксатора (ЭМФ) для плавающей кулачковой муфты новой конструкции. Составлены уравнения, описывающие движение составного якоря ЭМФ и разработаны методы их решения.

6. Предложена новая конструкция позиционного датчика Холла и методика расчета его параметров.

7. В качестве примера использования предложенной инженерной методики, рассчитаны электрические и размерные параметры ЭМФ по разработанным формулам.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1.Митин М.В., Электромагнитный соленоидный привод газораспределительных клапанов ДВС. / Д.А.Соснин И Электроника и электрооборудование транспорта. - 2007. №4. С. 32 - 35 (входит в перечень ВАК).

2.Митин М.В. Автотронное управление газораспределительными фазами поршневого двигателя.//М. :НТЖ «Электроника и электрооборудование транспорта». - 2008. №4. С.42 - 47 (входит в перечень ВАК).

3.Митин М.В. Четырехпозиционный переключатель клапанов в ГРМ поршневого ДВС. / Д.А.Соснин // М.: НТЖ «Грузовик». №4 за 2011 г. С.52 -59 (входит в перечень ВАК).

4.Митин М.В. Клапаны с электромагнитным приводом для газораспределительного механизма поршневого двигателя. / Д.А.Соснин // М.: НТЖ «Ремонт и сервис электронной техники». №12 за 2001 г. С.39 - 43.

б.Митин М.В. Расчет параметров и характеристик датчика положения распределительного вала на генераторе Холла. / ДАСоснин // М.: НТЖ «Ремонт и сервис электронной техники». №8 за 2008 г. С.52 -59.

6.Митин М.В. Многомерная характеристика фаз для поршневого двигателя. М.:НТЖ«Ремонт и сервис электронной техники».№1за 2009 г. С. 50 - 57.

7.Митин М.В. Регулировка фаз газораспределения в поршневых двигателях гибридных электромобилей. / Д.А.Соснин II Методы и модели прикладной информатики: Сб. науч. Тр. МАДИ. - М.: МАДИ (ГТУ), -2009. -С. 32-39.

8.Митин М.В. Автотронные системы автоматического управления фазами газораспределения в поршневом ДВС./ ДАСоснин // «Автотроника. Учебник для Вузов с грифом УМО. М.: СОЛОН-Пресс. 2010 г. - С.312 -339.

Э.Митин М.В., Соснин Д.А. Электромагнитный привод газораспределительного клапана поршневого двигателя. Патент на изобретение по классу Р 01 1. 9/04. За №2350762, приоритет от 02 мая 2007 г.

Подписано в печать 01.03.2012 г. Формат 60x84x16 Печать офсетная Усл.печ.л.1,4 Уч.-изд.л. 1,2 Тираж 100 экз._Заказ 43_

Ротапринт МАДИ (ГТУ). 125315, Москва, Ленинградский проспект, 64

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

61 12-5/2343 На правах рукописи

МИТИН МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

«Исследование и разработка электронной системы автоматического управления клапанами поршневого двигателя с применением поворотно-плавающего распределительного вала»

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Соснин Д.А.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................6

1. Газораспределительный механизм поршневого двигателя,

как объект автоматического управления.........................................11

1.1. Общие сведения об автомобильном двигателе................................11

1.2. Четырехтактный двигатель........................................................14

1.3. Газораспределение в четырехтактном поршневом двигателе............ 19

1.4. Фазы газораспределения и фазовые диаграммы..............................22

1.5. Теоретическая круговая фазовая диаграмма.................................24

1.6. Фазовая диаграмма стандартного (классического) ДВС..................26

1.7. Фазовая диаграмма, как теоретическая модель

рабочего цикла поршневого ДВС..............................................29

1.8. Режим холостого хода (РХХ)....................................................29

1.9. Режим максимальной мощности (РММ)....................................31

1.10. Р'ежим форсирования мощности (РФМ).....................................32

1.11. Режим максимального крутящего момента (РМКМ)......................33

1.12. Режим внутренней рециркуляции (РВР).................................. 33

1.13. Режим адаптации двигателя (РАД)...........................................34

1.14. Управление фазами газораспределения путем изменения параметров кулачков распределительного вала...........................35

1.15. Выводы по первой главе........................................................39

2. Исследование способов и систем автоматического управления клапанами в поршневых двигателях внутреннего сгорания..............41

2.1. Анализ вариантов автоматического привода клапанов

в автомобильных поршневых ДВС..........................................41

2.2. VLS-D: система подъема клапанов для отключения цилиндров.......43

2.3. LVS-R: система ступенчатого подъема (редукции) клапана.............44

2.4. MVVT: система бесступенчатого переключения хода клапанов.......46

2.5. Система Valvetronic...............................................................48

2.6. Клапанный гидроактиватор (КГА)...................................................49

2.7. Системы УТЕС....................................................................51

2.8. Двухвальная система DOHC VTEC...............................................52

2.9. Одновальная система SOHC VTEC...................................................56

2.10. Экономичная система VTEC - Е......................................................58

2.11. Система SOHC VTEC-E................................................................60

2.12. Система NEW VTEC...................................................................62

2.13. Система WTL-i..........................................................................63

2.14. Трехрежимная система 3S - VTEC....................................................64

2.15. Система "Mivec" для ДВС малых кубатур..........................................65

2.16 Система SOHC i -VTEC...............................................................67

2.17. Система Ri-VTEC для двигателей гибридных электромобилей.................69

2.18. Общие принципы построения газораспределительных механизмов с поворотным распределительным валом......................71

2.19. Выводы по второй главе..........................................................75

3. Разработка автотронной системы автоматического управления фазами (АСАУ-Ф) с поворотно-плавающим распределительным валом...........76

3.1. Предварительные замечания.....................................................76

3.2. Система «Valvelift», как прототип отечественной разработки.............78

3.3. Разработка конструкции четырехпозиционного

переключателя клапанов..........................................................82

3.4. Устройство и работа четырехпозиционного переключателя клапанов в системе АСАУ-Ф................................................. 85

3.5. Разработка логики функционирования системы АСАУ-Ф............... 88

3.5.1. Исходные данные к разработке...........................................88

3.5.2. Установочные параметры АСАУ-Ф......................................89

3.6. Номограмма соотношений входных и выходных

параметров АСАУ-Ф...............................................................92

3.7. Разработка алгоритмов и схемотехнических решений для

системы АСАУ-Ф................................................................................ 100

3.7.1. Структурная блок-схема АСАУ-Ф.................................... 101

3.7.2. Алгоритм функционирования АСАУ-Ф до установки

оборотов холостого хода............................................................102

3.7.3. Алгоритм выбора режима работы ДВС.............................102

3.7.4. Микро-ЭВМ и ее подсистемы....................................... 102

3.7.5. Выходная электромеханическая периферия системы............104

3.8. Функциональная схема двухвальной системы «ЭСАУ-Ф»..............105

3.9. Компонентный состав системы АСАУ-Ф.....................................107

3.10.Эксклюзивные компоненты системы АСАУ-Ф

с поворотно-плавающим распредвалом......................................108

3.10.1 .Функциональная схема одновальной АСАУ-Ф....................109

3.10.2.Устройство и работа поворотного распредвала

в системе АСАУ-Ф...............................................................110

3.10.3.Специфика ГРМ с двумя поворотными распредвалами.........114

3.10.4.Разработка электрической блок-схемы АСАУ-Ф..................115

3.10.5. Способы формирования числовых сигналов

от входных датчиков...........................................................117

3.11 Выводы по третьей главе........................................................119

4. Разработка электромагнитного фиксатора для плавающей муфты поворотного распредвала и методики расчета его параметров.............120

4.1. Предварительное замечание.....................................................120

4.2. Модель электромагнитного фиксатора.......................................120

4.3. Принцип работы ЭМФ............................................................122

4.4. Факторы, влияющие на расчет параметров ЭМФ..........................123

4.5. Расчет рабочей пружины.........................................................125

4.6. Расчет параметров токопроводной катушки ЭМФ.........................127

4.7. Расчет индуктивности токопроводной катушки...............................129

4.8. Определение быстродействия срабатывания ЭМФ.........................131

4.9. Выбор марки ферроматериала для постоянного магнита.................132

4.10. Расчет баланса сил в ЭМФ.....................................................133

4.11. Расчет воздушного зазора и диаметра постоянного магнита...........135

4.12. Выводы по четвертой главе................................................. 135

5, Разработка конструкции и расчет параметров

позиционного датчика Холла.........................................................136

5.1. Предварительные замечания..................................................136

5.2. Определение рабочего участка для постоянного

магнита на кривой размагничивания.......................................138

5.3. Расчет минимального значения индукции Вх............................144

5.4. Расчет максимального значения индукции Вх ..........................148

5.5. Выбор материала и расчет параметров

постоянного магнита..........................................................149

5.6. Вывод расчетных соотношений для определения параметров магнитопровода и сигнального диска

в торцевом датчике Холла...................................................151

5.7. Выводы по пятой главе.......................................................153

Выводы пё диссертационной работе..............................................154

Список литературы.....................................................................155

Приложение 1.............................................................................160

Приложение 2.............................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Постоянно возрастающие требования к топливной экономичности и содержанию вредных примесей в отработавших газах привели к необходимости радикального совершенствования автомобильных ДВС. Так, за последние 15-20 лет пройдены этапы установки на поршневом двигателе электрических и электронных устройств автоматического управления такими рабочими процессами как электроискровое зажигание, впрыск бензина непосредственно в цилиндры, стабилизация холостого хода, пуск холодного двигателя, внешняя рециркуляция, дожигание отработавших газов, бортовая самодиагностика, функциональное резервирование и многое другое. Все это позволило улучшить многие эксплуатационные показатели современных автомобильных двигателей.

Теперь интенсивно, и достаточно успешно осваивается очередной этап совершенствования автомобильных поршневых ДВС - автоматическое управление фазами газораспределения с применением электрических, электронных, гидромеханических и других средств автоматики.

В связи с этим в бортовую автоматику автомобиля все шире внедряются автотронные системы автоматического управления (АСАУ). Это такие системы, которые включают в свой состав самые разнообразные по принципу действия составные компоненты: и электрические, и электронные, и гидравлические, и механические, и любые другие. Главным отличием АСАУ является обработка в ней входных неэлектрических воздействий с помощью цифровых электрических сигналов и управление выходными неэлектрическими устройствами с помощью электромагнитных приводов [29]. Таким образом, с помощью АСАУ решаются совершенно нетрадиционные задачи управления механическими узлами и агрегатами автомобиля.

Для автомобильного двигателя, основной спецификой которого является его работа в исключительно разнообразных режимах по нагрузке и частоте вращения коленчатого вала, циклический газообмен, реализованный с помощью АСАУ, получается оптимальным 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.

С применением АСАУ легко реализуется программное управление фазами газораспределения, изменение высоты подъема клапанов, а также полное отключение цилиндров. В первом случае может быть получено требуемое перекрытие клапанов управляемым перемещением фаз как на опережение, так и на отставание, во втором -управление «время-сечением», в третьем - изменение порядка работы, а также поочередная продувка цилиндров во время штатной работы ДВС.

Автоматическое управление клапанами с применением автотроники допускает использование программного регулирования всех фазовых характеристик двигателя. Легко можно изменять моменты открытия и закрытия клапанов относительно нулевых (мертвых) точек и рабочих тактов двигателя, длительности открытого и закрытого состояний клапанов, время перекрытия (одновременного открытого состояния) клапанов, а также осуществлять потактовый сдвиг фаз, адаптировать работу ГРМ под любой возможный режим двигателя или под заданную программу управления. Автотронное управление фазами и «время-сечением» клапанов может быть совмещено в едином бортовом компьютере с электронным управлением впрыском топлива и электроискровым зажиганием. Такое управление становится комплексным и придает двигателю новые качества.

Теоретически создать идеальный автомобильный двигатель несложно. Надо заставить его работать при различных оборотах и при разных нагрузках с адаптацией под текущие изменения рабочих параметров, т.е. в оптимальном режиме. Это такой режим, при котором конкретной нагрузке соответствует определенная частота вращения коленчатого вала, определенная температура двигателя, определенное количество потребляемого топлива, сведены к минимуму выбросы вредных веществ с выхлопными газами.

Так работают стационарные ДВС на насосных и электрических станциях. Здесь для постоянных оборотов, нагрузки и температуры двигателя всегда может быть найдено успешное оптимальное техническое решение для устройств и принципов действия составных компонентов двигателя, таких как система топливного питания, система электроискрового зажигания, газораспределительный механизм (ГРМ) для циклического газообмена внутри цилиндров и т.д. Именно поэтому стационарные

ДВС всегдапроще, дешевле и надежнее в работе.

Другое дело автомобильные двигатели со своей спецификой. Как уже было сказано, в реальных условиях эксплуатации автомобильный двигатель работает в совершенно различных режимах. И если поставить условие оптимальной работы ДВС, то каждому режиму работы должно соответствовать строго определенное соотношение фаз газораспределения, которые при различных значениях частоты вращения и нагрузки исключительно разнообразны. Возникающая при этом потребность в разнообразии управляемых факторов, определяющих оптимальные условия газообмена, приводит к необходимости использования гибкого программного управления клапанами газораспределительного механизма ДВС. Какие для этого есть возможности?

Первое - механическое управление поворотом распределительного вала (РВ) по фактору изменения частоты вращения (оборотов) двигателя. С помощью поворота РВ легко осуществляется перемещение фаз газораспределения как в сторону опережения, так и в сторону отставания, но без изменения их протяженности.

Второе - управляемое изменение рабочих профилей кулачков на распредвале при продольном (плавающем) их перемещении. Таким способом легко реализуется управление параметром «время-сечение» по фактору высоты хода клапана.

Третье - электромагнитное управление клапанами без применения РВ. Клапаны открываются электромагнитами, а закрываются возвратной клапанной пружиной. Это наиболее совершенный способ управления фазами газораспределения, но практически -трудно реализуемый.

Судя по открытым публикациям последнего времени группе немецких ученых и инженеров, работающих на фирме Audi, удалось решить часть из перечисленных проблем и создать поршневой двигатель с поворотно-плавающим распределительным валом для автомобиля Audi. Исследования выполнены на макетных образцах, информация о проведении инженерных расчетов в публикациях отсутствует.

Проведенные в МАДГТУ (МАДИ) на кафедре «Электротехники и электрооборудования» исследования отечественных и зарубежных разработок в области создания систем управления газообменом в ДВС с применением поворотно-плавающего распредвала показали, что до настоящего времени теоретические основы инженерного проектирования таких систем не разработаны, нет инженерных методик расчета для электромагнитных компонентов систем, и как следствие, до сих пор нет

конструкций газораспределительных механизмов с поворотно-плавающим распредвалом, приемлемых для использования в отечественных автомобильных двигателях.

Сказанное обуславливает актуальность поставленной автором цели диссертационной работы: разработать методы и средства электронного автоматического управления фазами газораспределительных клапанов поршневого двигателя, в газораспределительном механизме которого применен поворотно-плавающий распределительный вал.

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

- проведено теоретическое исследование автомобильного поршневого двигателя с классическим газораспределительным механизмом, включающим в свой состав жесткий распределительный вал и механические пружинные клапаны, который (двигатель) рассмотрен как объект управления от электронной автоматики в системе АСАУ-Ф; предложен способ сопоставления фазовых диаграмм в рабочих режимах для различных «двигателей (гл. 1);

- составлен аналитический обзор по зарубежным (японским, немецким, шведским) разработкам систем с управляемыми клапанами, сведения о которых опубликованы в открытой научно-технической и патентной литературе; исследованы и описаны устройства и принципы действия систем автоматического управления газораспределительными клапанами с поворотным и плавающим распредвалами (гл.2);

- выбран импортный прототип системы управления фазами в ДВС и разработана отечественная патентно-чистая автотронная система управления фазами (АСАУ-Ф) с применением поворотно-плавающего распредвала: разработаны алгоритмы и логические схемы функционирования; конструктивные компоненты для АСАУ-Ф (входная и выходная периферия); структурные, функциональные и электрические блок-схемы; позиционный датчик Холла и электромагнитный фиксатор клапанной муфты на основе четырехпозиционного переключателя клапанов; все перечисленные разработки отображюет научную новизну диссертационной работы;

- разработаны методики расчета параметров эксклюзивных электромагнитных компонентов автотронной системы управления фазами ДВС, к которым относятся электромагнитный фиксатор в четырехпозиционном переключателе клапанов и позиционный датчик Холла для определения угла поворота распредвала относительно коленчатого; предложенные методики составляют практическую ценность

диссертации (гл.4 и 5);

- на основе предложенной методики расчета электромагнитного фиксатора (ЭМФ) проведены цифровой расчет и экспериментальная оценка точности вычислений по разработанной методике (Прниложение).

Общий объем диссертационной работы составляют: введение, пять вышеуказан