автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Оптимизация теплового состояния автомобильного бензинового двигателя на основе применения термостата с электронным управлением

На правах рукописи

ЖУРАВЛЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОСТАТА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.04.02. - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ЛЕН 2009

Владимир 2009

003488930

Работа выполнена на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Драгомиров Сергей Григорьевич

- доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники Шатров Михаил Георгиевич (МГТУ «МАДИ», г. Москва);

- кандидат технических наук, доцент Хрипач Николай Анатольевич (ГНЦ РФ по автомобильной технике ФГУП «НАМИ», г. Москва).

Ведущее предприятие

- ФГУП «НИИАвтоэлектроника» (г. Москва)

Защита диссертации состоится « 29 » декабря 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.02 во Владимирском государственном университете по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 211.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Владимирского государственного университета.

Ваши отзывы на автореферат диссертации (2 экз., заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87. Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.02. E-mail: sovet@vpti.vladimir.ru

Автореферат разослан « 27 » ноября 2009 г. и размещен на сайге http://abstracts.vlsu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Ю.В. Баженов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время снижение выбросов вредных веществ (ВВ) и экономия топливных ресурсов являются приоритетными направлениями развития мирового двигателестроения. Высокий уровень показателей современных автомобильных двигателей был бы недостижим без применения средств электроники.

Тепловое состояние двигателя, которое чаще всего оценивается по температуре охлаждающей жидкости (ОЖ), существенно влияет на его энергетические и экологические показатели. До недавнего времени система жидкостного охлаждения (СЖО) оставалась одной из немногих систем двигателя, в которой не использовались возможности электронного управления, позволяющего поддерживать заданное тепловое состояние двигателя на различных режимах его работы.

Крупнейшие мировые компании ведут работы по созданию так называемых «интеллектуальных» систем регулирования теплового состояния двигателя, где основные компоненты СЖО (жидкостный насос, вентилятор радиатора и электронный термостат) согласованно управляются по сигналам контроллера с целью повышения топливной экономичности двигателя и снижения выбросов ВВ с отработавшими газами (ОГ)- Традиционный термомеханический термостат не может применяться в составе таких систем из-за своего основного недостатка - он принципиально не позволяет поддерживать оптимальную (по выбранному параметру) температуру ОЖ на различных режимах работы двигателя. Поэтому ведущие фирмы (Delphi, Wähler, Behr и др.) создают свои варианты конструкций термостатов нового поколения с электронным управлением (или электронных термостатов), включающих шаговые двигатели для позиционирования запирающего элемента клапана и различные датчики для контроля его положения, а также встроенные средства диагностики и др.

В нашей стране исследования в этой области до настоящего времени в широком масштабе не проводились.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена повышением требований к регулированию теплового состояния двигателей, которые принципиально невозможно выполнить с помощью традиционного термомеханического термостата, а также расширением функций и широким распространением микропроцессорных систем для комплексного управления автомобильными двигателями.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение топливной экономичности автомобильного бензинового двигателя путем оптимизации его теплового состояния на основе создания и применения термостата с электронным управлением.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

- создать лабораторную моделирующую установку для исследования работы автомобильных термостатов;

- на основе экспериментальных исследований выявить особенности регулирования температуры ОЖ двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата;

- сформировать основные требования к термостату с электронным управлением;

- разработать принцип действия и конструкцию термостата с электронным управлением, а также найти основы построения алгоритма управления им;

- провести экспериментальное исследование работы термостата с электронным управлением на лабораторной моделирующей установке и на автомобильном двигателе в составе моторного стенда, а также найти оптимальные значения температуры ОЖ, при которых обеспечивается минимум удельного эффективного расхода топлива;

- разработать математическую модель системы автоматического регулирования температуры (СAPT) двигателя для настройки с ее помощью программы управления термостатом под конкретный двигатель.

Методы, средства и объекты исследования. Расчетное определение параметров проточной части термомеханического и электронного термостатов проводилось с помощью программного комплекса FlowVision (Россия). Подготовка трехмерных моделей расчетных областей течения, а также проектирование электронного термостата выполнялись в программе Pro/ENGINEER (США).

Экспериментальные исследования термостатов выполнялись на лабораторной установке, разработанной автором, результаты которых проверялись в ходе стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2111. Программа для сбора экспериментальных данных была подготовлена в среде Lab VIEW (США).

Оценка влияния температуры ОЖ на энергетические и экологические показатели двигателя ВАЗ-2111 выполнялась на моторном стенде.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выявлены на основе экспериментальных исследований особенности регулирования температуры ОЖ двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата, а также найдены взаимосвязи конструктивных параметров термостата с процессом регулирования теплового состояния двигателя;

- на основании экспериментальных исследований, проведенных на автомобильном двигателе в составе моторного стенда, получены оптимальные значения температуры ОЖ, при этом в качестве параметра оптимизации принят минимум удельного эффективного расхода топлива;

- создана математическая модель САРТ двигателя, включающая в себя уравнения, описывающие процессы в СЖО, работу термостата с электронным управлением и его контроллера;

- предложен параметр оценки эффективности работы САРТ двигателя, представляющий собой среднее по модулю отклонение регулируемой температуры ОЖ от заданного значения за рассматриваемый период регулирования.

Достоверность результатов работы и обоснованность научных положений обуславливается проведением исследований в соответствии с действующими стандартами РФ и типовыми методиками, применением поверенных

и аттестованных измерительных приборов и оборудования, а также апробированных компьютерных программ (Flow Vision, Lab View и др.).

Практическую ценность работы представляют:

- созданная и успешно опробованная лабораторная моделирующая установка для исследования работы автомобильных термостатов;

- основные требования к термостату с электронным управлением, сформированные на базе проведенных исследований;

- разработанная конструкция термостата с электронным управлением, основные технические решения которой заявлены для патентования;

- алгоритм управления электронным термостатом, обоснованный с помощью предложенного параметра оценки эффективности работы САРТ.

Практическая реализация работы. Результаты выполненных исследований, техническая документация и опытный образец электронного термостата переданы ЗАО «ЭЛЕКТОН» (г. Радужный) для внедрения в производство. Созданная лабораторная установка для исследования работы автомобильных термостатов, а также математическая модель САРТ двигателя, реализованная в среде Matlab Simulink, внедрены в учебный процесс на кафедре «Тепловые двигатели н энергетические установки» Владимирского государственного университета.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- выявленные особенности регулирования температуры ОЖ автомобильного двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата;

- принципиальные и конструктивные решения, положенные в основу разработанного термостата с электронным управлением;

- созданная и проверенная на адекватность математическая модель САРТ двигателя;

- предложенный параметр оценки эффективности работы САРТ двигателя, а также найденные основы построения алгоритма управления термостатом.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы были представлены на:

- XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» (Владимир, ВлГУ, май 2008);

- XIII Международной научно-практической конференции «Аюуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств» (Владимир, ВлГУ, октябрь 2009);

- ежегодных научных семинарах кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета;

- Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ, июнь 2008);

- технических совещаниях, проходивших в Управлении проектирования двигателей ОАО «АвтоВАЗ» (Тольятти - август 2007, май 2008).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ (две из них - в журналах, рекомендованных ВАК), а также получены положительных решения о выдаче патентов по трем поданным заявкам.

Структура к объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,

основных результатов и выводов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 180 страниц (в том числе - 77 рисунков и 8 таблиц) и включает список литературы из 113 наименований (в том числе 56 зарубежных источников) и приложений на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко излагается суть решаемой в рамках диссертационной работы проблемы, обосновывается ее актуальность, указываются цель и задачи, отмечаются научная новизна и практическая ценность исследования.

В первой главе кратко рассмотрены вопросы влияния теплового состояния двигателя на топливную экономичность, содержание токсичных компонентов в ОГ и ресурс двигателя. На основании ранее проведенных исследований установлено, что целесообразно поддержание высокой температуры ОЖ (порядка НО ... 115 °С) при малой нагрузке и более низкой температуры (в пределах 90 ... 95 °С)~ при ее повышенном уровне с целью снижения расхода топлива и выбросов ВВ с ОГ.

На основе выполненных ранее исследований установлено, что эксплуатация двигателя в условиях городского движения автомобиля характеризуется следующим и особенностям и:

- частой сменой скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя;

- работой двигателя преимущественно на малых нагрузках и лишь кратковременно, - с более высокой мощностью.

Анализ типичных конструкций и принципа работы термомеханического термостата с восковым термоэлементом, как основного устройства, регулирующего температуру ОЖ в СЖО современных двигателей, показал, что характерными особенностями САРТ двигателя с термомеханическим термостатом являются:

-текущее значение регулируемой температуры ОЖ, определяемое свойствами специального воска в термоэлементе, зависит от режима работы двигателя и условий охлаждения в радиаторе;

- с уменьшением нагрузки двигателя регулируемая температура ОЖ снижается при неизменных условиях охлаждения в радиаторе.

С учетом приведенных особенностей работы двигателя в условиях городского движения автомобиля можно считать, что при использовании термомеханического термостата существенную долю времени двигатель работает при пониженной температуре ОЖ, что сопровождается повышением расхода топлива и выбросов ВВ с ОГ.

На основании анализа развития систем регулирования теплового состояния автомобильных двигателей выявлено основное направление дальнейшего совершенствования этих систем - переход к комплексному адаптивному регулированию теплового состояния двигателя. Такие системы включают в себя жидкостный насос и вентилятор радиатора, оснащенные электроприводами, а также электронный термостат, управляемые по сигналам электронного блока управления (контроллера).

Термомеханический термостат не может работать в составе таких систем

из-за своего основного недостатка - он принципиально не позволяет поддерживать заданную температуру ОЖ на различных режимах работы двигателя.

Для создания работоспособной конструкции термостата с электронным управлением необходим системный подход, одним из условий которого является углубленное исследование закономерностей регулирования температуры ОЖ термомеханическим термостатом. Это позволит сформулировать основные требований к электронному термостату, поскольку исследования в этом направлении в нашей стране ранее не проводились.

Важнейшую роль в С APT, включающей электронный термостат, играет алгоритм управления, который собственно и определяет, насколько полно реализуются все потенциальные возможности этого устройства и электронной САРТ в целом. Создание эффективной программы, <сзаложенной» в контроллер для управления термостатом является достаточно сложной задачей. Для ее решения необходим инструмент настройки программы управления под конкретный двигатель, которым может являться математическая модель САРТ, реализованная на персональном компьютере. Ее применение позволит выбрать закон регулирования и его параметры, протестировать совместную работу термостата с контроллером перед установкой системы на автомобиль и, тем самым, существенно сократить сроки исследований и разработок.

Во второй главе дано описание экспериментального исследования особенностей регулирования температуры ОЖ с помощью термомеханического термостата. Влияние состава воскового наполнителя, конструкции корпуса

Рис. 1. Схема лабораторной моделирующей установки для исследования работы автомобильных термостатов: 1 - персональный компьютер; 2 - нагреватель; 3, 9, 13 - датчики температуры ОЖ; 4 - исследуемый термостат; 5 - датчик положения запирающего элемента (ЗЭ) клапана термостата; 6, 7, 10 - расходомеры; 8 - охладитель (радиатор); 11 —вентиль; 12 - жидкостный насос

термоэлемента, свойств резинотехнических деталей на процесс регулирования температуры описано в научной литературе. Вместе с тем, влияние конструкции проточной части (соотношения хода и диаметра основного и байпасного клапана) на процесс регулирования температуры остается недостаточно изученным.

1°С

1» 100

А V

/

I н ш п

; !

•

... *

_______

А, %

аю

)200

Рис. 2. Результаты моделирования прогрева двигателя на лабораторной установке: А - положение ЗЭ клапана термостата; 11 - температура ОЖ на выходе из двигателя; О -температура ОЖ на выходе из радиатора; /... [У-фазы прогрева

Для исследования работы автомобильных термостатов была создана лабораторная моделирующая установка, схема которой представлена на рис. 1.

На основании результатов моделирования режима прогрева двигателя (рис. 2) на лабораторной установке, было выявлено, что с помощью термомеханического термостата невозможно обеспечить высокую температуру ОЖ в рубашке охлаждения при низкой температуре ОЖ в

радиаторе (фаза II), что увеличивает период прогрева. За счет сокращения фазы II (в этом случае термостат начинает открываться только при достижении заданной температуры ОЖ) возможно уменьшить время прогрева двигателя на 20... 25%.

Приведенные результаты (рис. 2), полученные на лабораторной установке, соответствуют данным по прогреву двигателя, полученным на моторном

стенде.

На основании экспериментальных данных по распределению потоков ОЖ по каналам на лабораторной установке, построена рабочая характеристика термостата двигателя ВАЗ-2111 в относительных единицах (рис. 3). Кривые на графике показываю относительную величину расхода ОЖ через радиатор, выраженную в процентах, от производительности насоса в процессе открытия основного клапана термостата.

Нелинейность рабочей характеристики обусловлена следующими особенностями конструкции термостата двигателя ВАЗ-2111 (рис. 4):

- в зоне I регулирование происходит за счет открытия основного клапа-

Рис. 3. Рабочая характеристика штатного термостата двигателя ВАЗ-2111, полученная на лабораторной установке (сплошная линия) и на моторном стенде (пунктирная линия): /... IV - зоны рабочей характеристики термостата

на термостата;

- в зоне II регулирование не происходит, поскольку расстояние от тарелки основного клапана до седла достаточно велико (относительно его диаметра) и перемещение запирающего элемента (ЗЭ) более чем на 30 % от его полного хода не влияет на распределение потока ОЖ;

- в зоне III регулирование происходит за счет закрытия байпасного клапана термостата;

- в зоне IV подпружиненный бай-пасный клапан полностью закрыт, поэтому регулирование в этой зоне отсутствует.

Таким образом, процесс регулирования термостатом осуществляется только на 50 % хода ЗЭ клапана (зоны I и III). Представленный вид рабочей характеристики термостата присущ всем термостатам подобной конструкции, имеющим основной и байпасный клапаны. Ярко выраженный нелинейный характер рабочей характеристики термостата вносит нелинейность и в свойства САРТ.

Основной клапан

h

ы Ii...............

у |г

[■kr-

ш

V

Байпасный клапан

Рис. 4. Конструкция термостата двигателя ВАЗ-2111: А- положение ЗЭ клапана термостата

t. "С; Q. л/мин

120

110 юо

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

N t.

л

Л \ л 1 \

«äs

......«,

\

\ о

\

V А

Р„, МПа

0.5 0

А, % 100 90 60 40 20 0

Рис. 5. Переходный процесс в СЖО двигателя ВАЗ-2111 при изменении нагрузки на частоте вращения 2500 мин' : ре - среднее эффективное давление. I/ - температура ОЖ на выходе из двигателя, О - температура ОЖ на входе в двигатель. 1з~ температура ОЖ на выходе из радиатора. <2 - производительность насоса. А -положение ЗЭ клапана термостата

2200 2400 2600 2800 3000 3200 т, с

Для оценки влияния вида рабочей характеристики термостата на динамику САРТ был исследован переходный процесс при снижении нагрузки двигателя на постоянной частоте вращения вала и неизменных условиях охлаждения в радиаторе (рис. 5).

Значительное перерегулирование температуры ОЖ на выходе из двигателя // (более В °С) объясняется, во-первых, нелинейностью рабочей характеристики и недостаточным быстродействием термостата, а во-вторых, - увеличением производительности насоса в зоне 50 % открытия клапана термостата.

Выявленные особенности работы термомеханического термостата явля-

ются одновременно и теми его недостатками, которые не позволяют качественно осуществлять регулирование температуры ОЖ двигателя и которые необходимо устранить при создании термостата с электронным управлением.

С учетом недостатков термомеханического термостата были сформулированы основные требования к проточной части термостата с электронным управлением, а именно - соотношение размеров основного и байпасного клапанов должно быть таким, чтобы обеспечить:

- непрерывное регулирование расхода ОЖ по каналам СЖО при движении ЗЭ клапана термостата, т.е. первая производная функции (¿'р(А) по положению ЗЭ клапана для всех значений А (в диапазоне, где происходит регулирование) должна быть монотонной, при этом зона II рабочей характеристики (рис. 3) должна отсутствовать;

- максимальное значение производительности насоса при полностью открытом клапане термостата, т.е. при А = 100%.

Также необходимо стремиться к тому, чтобы регулирование расхода ОЖ по каналам СЖО осуществлялось в максимально возможном диапазоне перемещения ЗЭ клапана термостата.

Сравнение результатов экспериментов, проведенных на лабораторной моделирующей установке и на моторном стенде, позволяет сделать вывод о пригодности созданной установки для проведения подобных исследований.

В третьей главе приведен анализ известных конструкций электронного термостата и комплекс сформированных требований к нему, а также дано описание разработанной конструкции такого термостата.

Комплекс требований к электронному термостату касается:

- конструкции проточной части;

- показателей быстродействия (открытие^акрытие клапанов);

- герметичности закрытых клапанов термостата в соответствии с действующими ТУ на автомобильные термостаты.

Также следует учитывать общие требования к компонентам СЖО и системе электронного управления автомобильным двигателем.

На основании анализа известных конструкций термостатов с электронным управлением, а также с учетом указанных требований, разработана оригинальная конструкция электронного термостата (рис. 6). Термостат включает в себя электроуправляемый дисковый клапан, состоящий из неподвижного диска 1 и подвижного диска 2. Последний имеет возможность поворота на угол 45° вокруг оси. При этом в одном из крайних положений диска 2 открыты три отверстия, направляющие поток теплоносителя к основному каналу термостата (рис. 66), а в другом крайнем положении - одно отверстие, ведущее к байпасному каналу (рис. 6г). Изменяя конфигурацию и размеры отверстий, можно получить заданную форму рабочей характеристики термостата.

На стадии разработки необходимо определить размеры проходных сечений клапана термостата, исходя из следующих требований:

- должны быть обеспечены минимальные размеры устройства, не превышающие размеров штатного термостата;

- гидравлическое сопротивление полностью открытого клапана разрабатываемого термостата должно быть меньше, чем у штатного термостата;

- необходимо минимизировать мощность, затрачиваемую на привод ЗЭ клапана.

Рис. б. Общий вид разработанного дискового клапана термостата (а) и отдельные фазы его работы (б, в, г):

б - положение дискового ЗЭ, при котором открыт только основной канал термостата; в - промежуточное положение дискового ЗЭ, при котором частично открыты основной и байпасный каналы; г - положение дискового ЗЭ, при котором открыт только байпасный канат; / - подвижный электроуправляемый дисковый элемент; 2 - неподвижный дисковый элемент; 3 -корпус терм остата; 4 - патрубок основного канала; 5 - патрубок байпасного канала; б - отверстие для поворотного валика подвижного элемента; стрелкой указано направление подвода ОЖ ю рубашки охлаждения а^ (привод клапана терм остата на рисунках не показан)

б) в) При решении поставленной задачи использовалась программа Flaw Vision для численного расчета процессов течения жидкости. В результате проведения серии расчетов для изготовления был взят найденный конструктивный вариант термостата с уменьшенным на 20 % гидравлическим сопротивлением, по сравнению со штатным термостатом двигателя ВАЗ-21J i.

Внешний вид разработанного термостата представлен на рис. 7. В качестве привода ЗЭ клапана термостата используется модернизированный шаговый двигатель (ШД) производства ОАО «Пегас» (г. Кострома), широко применяемый в составе регуляторов холостого хода в системах впрыска топлива. ШД совмещен со специально разработанным пятиступенчатым редуктором, имеющим передаточное отношение 316:1. Электрическая мощность, затрачиваемая на привод термостата, составляет около 5 Вт.

В четвертой главе описана методика и приведены результаты экспериментального исследования разработанного термостата на лабораторной моделирующей установке и на моторном стенде.

Весь комплекс исследований включает в себя четыре этапа.

1. Определение утечек через закрытые каналы термостата (проводилось на лабораторной моделирующей установке).

Рис. 7. Внешний вид разработанного термостата с электронным управлением

2. Построение рабочей характеристики термостата по данным экспериментов на лабораторной моделирующей установке.

3. Исследование работы термостата на моторном стенде в составе двигателя. На данном этапе оценивается работа термостата совместно с электроприводом в условиях, наиболее приближенных к реальным. По результатам этих экспериментов определяется:

- максимальный расход ОЖ через радиатор в зависимости от частоты вращения вала двигателя;

- рабочая характеристика термостата при его функционировании в составе СЖО двигателя;

- максимальная скорость движения ЗЭ клапана термостата при условии устойчивой работы ШД в составе электропривода на частоте вращения вала автомобильного двигателя, близкой к номинальной.

4. Исследование влияния температуры ОЖ на энергетические и экологические показатели двигателя. В рамках исследования термостата с электронным управлением требуется определить оптимальные значения температуры ОЖ, которые необходимо поддерживать в зависимости от режима работы двигателя, исходя из выбранной цели оптимизации. В качестве последней может выступать повышение топливной экономичности, снижение токсичности ОГ и др. Совокупность оптимальных значений температуры ОЖ для всех режимов работы двигателя (которые определяются частотой вращения вала двигателя и нагрузкой) представляет собой функцию t-ffn; ре), которая является основой для программы управления электронным термостатом. В данной работе в качестве цели оптимизации теплового состояния двигателя выступает повышение топливной экономичности. Количественной характеристикой цели, т.е.

ста к штатного и созданного электронного термостатов. Эти данные показывают, что регулирование температуры ОЖ электронным термостатом осуществляется непрерывно и в более широком диапазоне перемещения ЗЭ клапана (примерно на 75 % хода), по сравнению со штатным термостатом (диапазон регулирования только 50 % хода). При этом максимум производительности насоса достигается при полностью открытом клапане термостата. Таким обра-

параметром оптимизации, является минимальное значение удельного эффективного расхода топлива на различных режимах работы двигателя.

Рис. 8. Сравнение рабочих характеристик термостата с электронным управлением и штатного термостата двигателя ВАЗ-2111

О 20 40 бо во д,%

Результаты определения утечек через закрытые каналы термостата показали, что утечки через основной канал в среднем в три раза меньше, чем допускается по ТУ, а через байпасный канал - вообще отсутствуют.

На рис. 8 приведено сравнение рабочих характери-

зом, разработанный термостат отвечает всем требованиям, предъявляемым к его проточной части.

Результаты экспериментов на моторном стенде показали, что при переходе на электронный термостат максимальный расход ОЖ через радиатор увеличился на 9 % во всем скоростном диапазоне работы двигателя, что подтверждает достоверность выполненных расчетов и правильность выбора параметров проточной части разработанного термостата.

В процессе исследований минимальное время открытия клапана термостата на частоте вращения вала двигателя 5200 мин'1 составило 3,8 с, что примерно в 10 раз меньше, чем предписывается действующими ТУ.

Поиск оптимальных значений температуры ОЖ, обеспечивающих минимум удельного эффективного расхода топлива, проводился в ходе экспериментов на моторном стенде на 3-х частотных режимах (п = 1500; 2500; 3500 мин"1) и 3-х нагрузочных (ре = 0,20; 0,45; 0,70 МПа). Таким образом, всего было проанализировано 9 регулировочных характеристик. Диапазон изменения температуры при этом составлял 80... 115 °С. Температура ОЖ, соответствующая минимальному значению ge на малой нагрузке (до 10 % открытия дросселя), составила 100... 110 °С. При этом, снижение удельного эффективного расхода топлива в пределах исследуемого интервала температуры достигает 10%. На более высокой нагрузке (свыше 30 % открытия дросселя) оптимальная температура ОЖ (по критерию минимума ge,) составляет 80 ...90 °С. При этом снижение удельного эффективного расхода топлива достигает 15%. Оптимальная температура ОЖ, соответствующая минимальному значению ge, в зависимости от частоты вращения вала и нагрузки двигателя графически представлена на рис. 9 в виде поверхности.

Содержание токсичных компонентов СО и СН в ОГ в зависимости от температуры ОЖ при изменении состава смеси и угла опережения зажигания в соответствии с программой, «заложенной» в штатный контроллер двигателя представлено на рис. 10. С повышением температуры ОЖ со 110 до 115 °С наблюдается резкое увеличение содержания СО и СМ в ОГ на 30 ... 40 % и на 10 ... 20 % соответственно практически на всех режимах работы двигателя, что связано в первую очередь с уменьшением угла опережения зажигания (УОЗ). Регулирование УОЗ осуществляется с помощью обратной связи по датчику детонации, поэтому контроллер поддерживает значение УОЗ, обеспечивающее

Р„ МПа

Рис. 9. Значения оптимальной температуры ОЖ, соответствующие минимуму удельного эффективного расхода топлива в зависимости от режима работы двигателя

С0,%

o,s

0,0

tí,, "п. «е.

р

СН' — /

со, _____

ррт 135

90

100

t,°C

бездетонационное сгорание. В диапазоне изменения температуры ОЖ от 80 до 110 °С выбросы СО и СН практически постоянны. Поэтому при управлении электронным термостатом целесообразно поддерживать температуру ОЖ, соответствующую минимальному значению удельного эффективного расхода

сн, топлива (рис. 9), но не более

пот:.

В пятой главе дано описание математической модели САРТ двигателя, а также представлены результаты моделирования процесса регулирования температуры ОЖ электронным термостатом.

Основное назначение разрабатываемой модели САРТ двигателя - настройка с ее помощью программы управления электронным термостатом для конкретного двигателя. Модель должна адекватно отражать изменение теплового состояния двигателя (температуры ОЖ в различных точках

32

28

1 i

а < 0 i—»

j

О

1.1

09

70 80 90 100 110 t, "С

Рис. 10. Зависимость содержания токсичных компонентов в ОГ (СО и СН), коэффициента избытка воздуха (а) и угла опережетя зажигания (0J от температуры ОЖ (п = 3000 мин', ре = 0,4 МП а)

жидкостного тракта) при изменении режима его работы, положения ЗЭ клапана термостата и условий охлаждения в радиаторе.

В модель САРТ двигателя входят уравнения, описывающие тепловые и гидравлические процессы в СЖО, работу термостата с электронным управлением и его контроллера.

Исходными данными для расчета процессов в САРТ являются нагрузка и частота вращения вала двигателя, а также температура воздуха и его скорость перед фронтом радиатора как функции времени - pe=fi(i); п= /2(т)\ VB= f¡(i)\

Расчет процессов в СЖО осуществляется в два этапа. На первом определяется расход ОЖ по отдельным участкам (рис. 11) СЖО - 0-1; 1-2; ... 5-0 (в зависимости от частоты вращения вала двигателя и положения ЗЭ клапана термостата). Для этого предлагается использовать следующие экспериментальные данные - рабочую характеристику термостата, зависимость производительности насоса ОЖ от положения ЗЭ клапана термостата на определенной частоте вращения вала двигателя, а также расход ОЖ при открытом и закрытом положении клапана термостата в зависимости от частоты вращения вала двигателя. На втором этапе определяются значения температуры ОЖ в точках 1 ... 5 (рис. 11) в зависимости от расхода ОЖ на участках СЖО, режима работы двигателя и условий охлаждения в радиаторе. При расчете также учитывается время движения потока ОЖ по каждому га рассматриваемых участков.

о-

Рис. П. Расчетная схема СЖО: Рд,иРр- тепловые потоки, подводимые к ОЖ в двигателе и рассеиваемые в радиаторе соответственно; () - производительность насоса ОЖ; (¿в - расход ОЖ по байпасному каналу циркуляции; (¿р - расход ОЖ через радиатор

Основными уравнениями, описывающими тепловые процессы при моделировании СЖО являются:

- Уравнение, описывающее изменение температуры ОЖ в рубашке охлаждения:

Л.

ОЖДв

"л"

1

йт

¿(2ожДВ 7

йх

йг

(1)

ож '"ождв

Уравнение, описывающее изменение температуры ОЖв радиаторе:

Жржг

¿Г

■ тп

</г

¿0* ¿т

(2)

где: ¿ож да - средняя температура ОЖ в рубашке охлаждения; /ож р - средняя температура ОЖ в радиаторе; сож - теплоемкость ОЖ; т0ж да - масса ОЖ, находящейся в рубашке охлаждения; тож Р - масса ОЖ, находящейся в радиато-

ре

аГг

■тепловой поток подводимый к СЖО;

Л

- тепловой поток, от-

водимый с ОЖ го рубашки охлаждения;

йт

• тепловой поток, подводимыи

к деталям двигателя;

¿Оа

<1Г

- тепловой поток, подводимыи в радиатор с вхо-

дящей в него ОЖ;

¿г

■ тепловой поток, отводимыи от радиатора охлаждаю-

щим воздухом.

В основу работы контроллера термостата при моделировании положен ГТИД-закон регулирования с параметрами настройки Кр, К„ А^ (пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих соответственно). Применительно к САРТ с электронным термостатом ПИД-закон регулирования описывается уравнением:

Лшц(г) = Кр ■ + К,-\А1{т)с1т + К, ■ X(г),

где: Лпид(т) - положение ЗЭ клапана термостата, определяемое выбранным законом регулирования; А1(т) - текущее значение ошибки регулирования температуры^/^ производная по времени ошибки регулирования.

1,'С 115 115 105 100 95 90 85 80

N

у >

У и / 'Чг, У

Р

I,

ъ .1 г №

Р,. МПа

0,5 0

А, % 60

40

20

100

200 300

а)

400

О Г, с

115 115 105 100 95 90 85 80

1 | ,Р> I

.......г 1 1 ч..............!.....................^ __ ............... к Л

и ! | V !

) г ! -^- !

Р.> МПа

0,5 О

А, 5 60

40

20

100 200 300 400

б)

О

г, £

Рис. 12. Результаты моделирования процессов регулирования температуры ОЖ на выходе из двигателя (а) и на входе в двигатель (б); ре - нагрузка двигателя; {/ - заданная температура ОЖ; >1 - регулируемая температура ОЖ; А - положение ЗЭ клапана термостата

В результате сравнения переходных процессов в СЖО, полученных экспериментальным и расчетным путями, установлено, что ошибка при моделировании не превышает 1,8 °С, что можно считать приемлемым.

Для оценки эффективности работы САРТ предлагается использовать параметр К, в виде среднего (по модулю) отклонение регулируемой температуры ОЖ от заданного значения за рассматриваемый период регулирования:

л

ОпредеЛ**«* тег/и*й твмпееатуры ОЖ на коде * Двигатель • ц твгуцег» псясждеи* ЗЭ гесмссгэтэ А

т

Расист тр в буе «с/с юложм^л ЗЭ кгмпз-я термостата ил основании еь^рэ-ного мною догутадоезниз

X

НЕТ ^

Г—<ч А >Л,

У

С»гн4Я из «ткрыту«

кяапзча термостата

К, = -

-I ШРШаг,

-4......-...................У

Г........ ......\

'2 М 1

где: т/ и т.? - время начала и конца рассматриваемого периода регулирования соответственно; ¡¡-/(г) - заданная температура ОЖ, которая должна поддерживаться в ходе регулирования в зависимости от режима работы двигателя (рис.З); - текущее значение регулируемой

Рис. 13. Алгоритм управления электронным термостатом

температуры ОЖ.

Наряду с использованием предложенного параметра оценки К„ следует ограничить величину ошибки регулирования По данным проведенных ранее исследований, для САРТ с электронным термостатом достижим уровень точности регулирования, при котором ошибка не превышает 2...2,5 °С.

В результате моделирования процесса регулирования температуры ОЖ электронным термостатом на выходе из двигателя при постоянной частоте

вращения вала двигателя п = 2000 мин"1 и юменении нагрузки по закону ре=0,3+0,25-$т(0,02-х) (МПа), значение параметра оценки эффективности работы САРТ К, составило 1,25 СС, а максимальная ошибка А1 = 5,33 'С (рис. 12а).

При переходе на регулирование температуры ОЖ на входе в двигатель (рис. 126), качество регулирования существенно повысилось, при этом значение параметра К, составило 0,33 ЧС, а максимальная ошибка регулирования снизилась до А! = 1,68 °С. Таким образом, наиболее рационально регулировать температуру ОЖ на входе в двигатель.

На рис. 13 представлен предложенный алгоритм управления электронным термостатом. Здесь в качестве регулируемой величины выступает температура теплоносителя на входе в двигатель.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлены особенности регулирования температуры ОЖ двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата. В частности, аналш рабочей характеристики термостата двигателя ВАЗ-2111 показывает, что регулирование температуры ОЖ происходит только в диапазонах 0...30 % и 60...80 % хода ЗЭ основного клапана (т.е. в сумме около 50 % полного хода ЗЭ). Кроме этого, при использовании термомеханического термостата невозможно обеспечить рабочую температуру ОЖ в диапазоне 90...9542 при холодном радиаторе.

2. На основании выполненных исследований, а также с учетом условий эксплуатации автомобильной техники сформирован комплекс основных требований к термостату с электронным управлением.

3. Создана лабораторная моделирующая установка для исследования автомобильных термостатов различных конструкций, а также других компонентов СЖО двигателей (насосов, фильтров и др.).

4. Разработаны принцип действия и конструкция термостата с электронным управлением. Опытные образцы созданного термостата показали работоспособность в процессе исследований как на лабораторной установке, так и на двигателе в составе моторного стенда. Анализ рабочей характеристики разработанного термостата показал, что величина зоны, где происходит регулирование, составляет около 75 % полного перемещения клапана.

5. Создана математическая модель САРТ двигателя, реализованная в среде МАТЫ В Б'тиНпк, которая позволила смоделировать переходные процессы при регулировании температуры ОЖ электронным термостатом. Предложенный параметр оценки эффективности работы САРТ К, в виде среднего по модулю отклонения температуры ОЖ от заданного значения за период регулирования, а также использование разработанной модели, позволило обосновать предложенный алгоритм управления термостатом.

6. Применение термостата с электронным управлением обеспечило сокращение времени прогрева двигателя (от температуры ОЖ +20 до +95 °С) на 20%, а также дало возможность за счет снижения гидравлического сопротивления проточной части термостата увеличить максимальный расход ОЖ

через радиатор на 9 % во всем диапазоне скоростных режимов работы двигателя.

7. Результаты исследования показали, что использование термостата с электронным управлением позволит при низкой нагрузке двигателя (до 10 % открытия дроссельной заслонки - в зависимости от скоростного режима) обеспечить улучшение топливной экономичности на 2...10 %за счет увеличения температуры ОЖ до 100...110 °С. Снижение температуры ОЖ до 80 ... 90 "С на более высокой нагрузке (свыше 30 % открытия дросселя) с помощью электронного термостата позволит уменьшить удельный эффективный расход топлива на 2 ... 15 % в зависимости от скоростного режима.

8. На основании экспериментальных исследований на моторном стенде со штатными настройками контроллера двигателя установлено, что в интервале температуры ОЖ 80...110 "С выбросы оксида углерода СО и углеводородов СНпрактически постоянны. С увеличением температуры ОЖ со 110 до 115 °С их содержание в ОГвозрастает на 30 ... 40 % и 10 ... 20 % соответственно, что объясняется уменьшением угла опережения зажигания контроллером двигателя. Поэтому при использовании электронного термостата целесообразно поддерживать температуру ОЖ, соответствующую минимальному значению удельного эффективного расхода топлива, но не более 110 °С.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Журавлев С.А., Драгомиров С.Г., Гуськов В.Ф.. Предпосылки применения термостатов с электронным управлением в системах охлаждения автомобильных двигателей // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей / Материалы XI международной научно-практической конференции. - Владим ир: ВлГУ. - 2008. - С. 87-91.

2. Журавлев С.А., Драгом иров М.С., Путилин A.B. Лабораторная моделирующая установка для исследования работы автомобильных термостатов // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей / Материалы XI международной научно-практической конференции. - Владимир: ВлГУ. - 2008. - С. 93-97.

3. Журавлев С.А., Драгом иров С.Г., Драгом иров М.С. и др. Основные результаты лабораторных исследований автомобильных термостатов // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей / Материалы XI международной научно-практической конференции. -Владимир: ВлГУ. -2008. - С. 192-196.

4. Журавлев С.А., Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С. и др. Основные предпосылки создания автомобильных термостатов с электронным управлением // Электроника и электрооборудование транспорта. М.: № 6, 2008. - С. 2-7.

5. Журавлев С.А. Моделирование гидравлической части системы охлаждения автомобильного двигателя при разработке автоматического регулирования его температуры // Электроника и электрооборудование транспорта. М.: № 6, 2008.-С. 7-9.

6. Журавлев С.А. Влияние рабочей характеристики термостата двигателя

ВАЗ-2111 на протекание переходных процессов в системе охлаждения //Прогресс транспортных средств и систем - 2009 / Материалы международной научно-практической конференции. - Волгоград: ВолгГТУ. - 2009. - С. 245 -246.

7. Решение от 25.06.2009г. о выдаче патента по заявке № 2008129167/06(036005) «Автомобильный термостат с электронным управлением» / Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С., Журавлев С.А. и др.

8. Решение от 14.05.2009г. о выдаче патента по заявке № 2008129168/06(036006) «Термостат с электронным управлением для автомобильного двигателя» / Драгом иров С.Г., Драгом иров М.С., Журавлев С.А. и др.

9. Решение от 22.05.2009г. о выдаче патента по заявке № 2008129166/06(036004) «Устройство для уплотнения поворотного вала» / Драгом иров С.Г., Драгом иров М.С., Журавлев С.А. и др.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ В ПУБЛИКАЦИЯХ

Во всех работах [1-6] автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении исследований и анализе полученных результатов. В работах [1] и [4] автором проведен анализ направления развития систем регулирования теплового состояния двигателя. В работе [2] дано описание разработанной с участием соавторов и изготовленной лично соискателем лабораторной моделирующей установки для исследования работы автомобильных термостатов. В публикации [3] изложены результаты проведенных совместно с соавторами исследований функционирования термостата двигателя ВАЗ-2111 на лабораторной установке и приведен выполненный непосредственно соискателем анализ этих результатов. В статье [5] описана разработанная автором методика моделирования гидравлического контура системы охлаждения автомобильного двигателя. В работе [6] автором проанализировано влияние рабочей характеристики термостата на характер протекания переходных процессов в СЖО. При разработке новых технических решений [7], [8] и [9], соискатель принимал непосредственное участие в творческом процессе.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Автор выражает глубокую благодарность специалистам ОАО «Пегас» (г Кострома) и лично генеральному директору Голубеву Виктору Алексеевичу, а также техническому директору Микрюкову Сергею Юрьевичу, за проведенную работу по модернизации шагового двигателя для применения его в приводе клапана разработанного термостата с электронным управлением.

/ь

Подписано в печать 25.11.09. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ /Г

Издательство Владимирского государственного университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.:.

1. Глава 1. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние теплового состояния двигателя на его показатели.

1.2. Развитие систем регулирования теплого состояния автомобильных двигателей.

1.3. Регулирование температуры охлаждающей жидкости.

1.4. Термостаты с электронным управлением.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИМ ТЕРМОСТАТОМ

2.1. Задачи исследования.

2.2. Лабораторная моделирующая установка для исследования работы термостатов.

2.3. Моторный стенд для исследования работы термостатов.

2.4. Лабораторные и моторные исследования работы термостата с восковым термоэлементом.

Выводы.

3. Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕРМОСТАТА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

3.1. Требования к термостату с электронным управлением.

3.2. Анализ существующих конструкций термостатов с электронным управлением.

3.3. Разработанная конструкция термостата с электронным управлением.

3.4. Расчетное определение параметров проточной части разрабатываемого термостата.

Выводы.

4. Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТЕРМОСТАТА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

4.1. Задачи исследования.

4.2. Методика экспериментального исследования.

4.3. Результаты исследований разработанного термостата на лабораторной установке и на моторном стенде.

Выводы.

5. Глава 5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ САРТ ДВИГАТЕЛЯ

5.1. Задачи моделирования и требования к модели.

5.2. Обзор существующих моделей систем жидкостного охлаждения

5.3. Разработка математической модели САРТ двигателя.

5.4. Проверка на адекватность разработанной модели.

5.5. Оценка эффективности работы САРТ двигателя и выбор основного параметра для управления термостатом.

Выводы.

В настоящее время снижение выбросов вредных веществ (ВВ) и экономия топливных ресурсов являются приоритетными направлениями развития мирового двигателестроения. Высокий уровень показателей современных автомобильных двигателей был бы недостижим без применения средств электроники.

Тепловое состояние двигателя, которое чаще всего оценивается по температуре охлаждающей жидкости (ОЖ), существенно влияет на его энергетические и экологические показатели. До недавнего времени система жидкостного охлаждения (СЖО) оставалась одной из немногих систем двигателя, в которой не использовались возможности электронного управления, позволяющего поддерживать заданное тепловое состояние двигателя на различных режимах его работы.

Крупнейшие мировые компании ведут работы по созданию так называемых «интеллектуальных» систем регулирования теплового состояния двигателя, где основные компоненты СЖО (жидкостный насос, вентилятор радиатора и электронный термостат) согласованно управляются по сигналам контроллера с целью повышения топливной экономичности двигателя и снижения выбросов ВВ с отработавшими газами (ОГ). Традиционный термомеханический термостат не может применяться в составе таких систем из-за своего основного недостатка — он принципиально не позволяет поддерживать оптимальную (по выбранному параметру) температуру ОЖ на различных режимах работы двигателя. Поэтому ведущие фирмы {Delphi, Wahler, Behr и др.) создают свои варианты конструкций термостатов нового поколения с электронным управлением (или электронных термостатов), включающих шаговые двигатели для позиционирования запирающего элемента клапана и различные датчики для контроля его положения, а также встроенные средства диагностики и др.

В нашей стране исследования в этой области до настоящего времени в широком масштабе не проводились.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена повышением требований к регулированию теплового состояния двигателей, которые принципиально невозможно выполнить с помощью традиционного термомеханического термостата, а также расширением функций и широким распространением микропроцессорных систем для комплексного управления автомобильными двигателями.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение топливной экономичности автомобильного бензинового двигателя путем оптимизации его теплового состояния на основе создания и применения термостата с электронным управлением.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

- создать лабораторную моделирующую установку для исследования работы автомобильных термостатов;

- выявить на основе экспериментальных исследований особенности регулирования температуры ОЖ двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата;

- сформировать основные требования к термостату с электронным управлением;

- разработать принцип действия и конструкцию термостата с электронным управлением, а также найти основы построения алгоритма управления им;

- провести экспериментальное исследование работы термостата с электронным управлением на лабораторной моделирующей установке и на автомобильном двигателе в составе моторного стенда, а также найти оптимальные значения температуры ОЖ, при которых обеспечивается минимум удельного эффективного расхода топлива;

- разработать математическую модель системы автоматического регулирования температуры (САРТ) двигателя для настройки с ее помощью программы управления термостатом под конкретный двигатель.

Методы, средства и объекты исследования. Расчетное определение параметров проточной части термомеханического и электронного термостатов проводилось с помощью программного комплекса FlowVision (Россия). Подготовка трехмерных моделей расчетных областей течения, а также проектирование электронного термостата выполнялись в программе Pro/ENGINEER (США).

Экспериментальные исследования термостатов выполнялись на лабораторной установке, разработанной автором, результаты которых проверялись в ходе стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2111. Программа для сбора экспериментальных данных была подготовлена в среде Lab VIEW (США).

Оценка влияния температуры ОЖ на энергетические и экологические показатели двигателя ВАЗ-2111 выполнялась на моторном стенде.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выявлены на основе экспериментальных исследований особенности регулирования температуры ОЖ двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата, а также найдены взаимосвязи конструктивных параметров термостата с процессом регулирования теплового состояния двигателя;

- на основании экспериментальных исследований, проведенных на автомобильном двигателе в составе моторного стенда, получены оптимальные значения температуры ОЖ, при этом в качестве параметра оптимизации принят минимум удельного эффективного расхода топлива;

- создана математическая модель САРТ двигателя, включающая в себя уравнения, описывающие процессы в СЖО, работу термостата с электронным управлением и его контроллера;

- предложен параметр оценки эффективности работы САРТ двигателя, представляющий собой среднее по модулю отклонение регулируемой температуры ОЖ от заданного значения за рассматриваемый период регулирования.

Достоверность результатов работы и обоснованность научных положений обуславливается проведением исследований в соответствии с действующими стандартами РФ и типовыми методиками, применением поверенных и аттестованных измерительных приборов и оборудования, а также апробированных компьютерных программ {Flow Vision, Lab View и др.).

Практическую ценность работы представляют:

- созданная и успешно опробованная лабораторная моделирующая установка для исследования работы автомобильных термостатов;

- основные требования к термостату с электронным управлением, сформированные на базе проведенных исследований;

- разработанная конструкция термостата с электронным управлением, основные технические решения которой заявлены для патентования;

- алгоритм управления электронным термостатом, обоснованный с помощью предложенного параметра оценки эффективности работы САРТ.

Практическая реализация работы. Результаты выполненных исследований, техническая документация и опытный образец электронного термостата переданы ЗАО «ЭЛЕКТОН» (г. Радужный) для внедрения в производство. Созданная лабораторная установка для исследования работы автомобильных термостатов, а также математическая модель САРТ двигателя, реализованная в среде Matlab Simulink, внедрены в учебный процесс на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- выявленные особенности регулирования температуры ОЖ автомобильного двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата;

- принципиальные и конструктивные решения, положенные в основу разработанного термостата с электронным управлением;

- созданная и проверенная на адекватность математическая модель САРТ двигателя;

- предложенный параметр оценки эффективности работы САРТ двигателя, а также найденные основы построения алгоритма управления термостатом.

Автор выражает искреннюю благодарность за помощь и поддержку при выполнении работы коллегам - М.С. Драгомирову и О.А. Свирину, глубокую признательность специалистам ОАО «Пегас» (г. Кострома) и лично генеральному директору Голубеву Виктору Алексеевичу, а также техническому директору Микрюкову Сергею Юрьевичу, за проведенную работу по модернизации шагового двигателя для применения его в приводе клапана разработанного термостата с электронным управлением.

7. Результаты исследования показали, что использование термостата с электронным управлением позволит при низкой нагрузке двигателя (до 10 % открытия дроссельной заслонки - в зависимости от скоростного режима) обеспечить улучшение топливной экономичности на 2. 10 % за счет увеличения температуры ОЖ до 100. 110 °С. Снижение температуры ОЖ до 80 . 90 °С на более высокой нагрузке (свыше 30 % открытия дросселя) с помощью электронного термостата позволит уменьшить удельный эффективный расход топлива на 2 . 15 % в зависимости от скоростного режима.

8. На основании экспериментальных исследований на моторном стенде со штатными настройками контроллера двигателя установлено, что в интервале температуры ОЖ 80. 110 °С выбросы оксида углерода СО и углеводородов СН практически постоянны. С увеличением температуры ОЖ со 110 до 115 °С их содержание в ОГ возрастает на 30 . 40 % и 10 . 20 % соответственно, что объясняется уменьшением угла опережения зажигания контроллером двигателя. Поэтому при использовании электронного термостата целесообразно поддерживать температуру ОЖ, соответствующую минимальному значению удельного эффективного расхода топлива, но не более 110°С.

1. Гаврилов А.Г. Системы жидкостного охлаждения автотракторных двигателей. -М.: Машиностроение, 1966. 162 е., ил.

2. Теплонапряженность деталей двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие/ А. К. Костин, В. В. Ларионов, Л. И. Михайлов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. — 222с., ил.

3. Стефановский Б. С. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. -М.: Машиностроение, 1978. 128 е., ил. 89.

4. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей. Дьяченко Н.Х., изд-во «Машиностроение», 1969. 248 с. Табл. 25. Илл. 95. Библ. 84 назв.

5. Белов П. М., Бурячко В. Р., Акатов Е. И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория. М.; Воениздат, 1971.-512 е., ил.

6. Зеленцов В.В. Влияние теплового режима автомобильных двигателей на процессы их изнашивания: Учеб. пособие. Горький: ГПИ, 1979. - 68 е., ил.

7. Oner Arici, John Н. Johnson, Ajey J. Kulkarni. The Vehicle Engine Cooling System Simulation Part 1 Model Development // SAE Technical Paper Series. — 1999. - 1999-01-0240. - 29 pp.

8. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. — М.: Высш. школа, 2002. — 496 с.

9. Chanfreau, М., Joseph, A., Butler, D. and Swiatek, R. Advanced Engine Cooling Thermal Management System on a Dual Voltage 42V-14V Minivan // SAE Technical Paper Series. 2001. - 2001-01-1742. - 10 pp.

10. Brace CJ, Burnham-Slipper H, Wijetunge RS. Integrated Cooling Systems for Passenger Vehicles // Department of Mechanical Engineering, University of Bath, Bath, UK. 2001. - 7 pp.

11. Application of Controllable Electric Coolant Pump for Fuel Economy and Cooling Performance Improvement. Hoon Cho, Dohoy Jung, Zoran S. Filipi and Dennis. N Assanis // IMECE2004-61056, 2004. 8p.

12. Горбунов B.B., Патрахальцев H.H. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие. М.: Изд-во РУДН, 1998. - 214 с.

13. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2000 — 256 с.

14. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей. М.: Легион-Автодата, 2001.

15. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1981. — 160 с.

16. Chanfreau, М., Gessier, В. The Need for an Electrical Water Valve in a Thermal Management Intelligent System (THERMIS™) // SAE Technical Paper Series. 2003. - 2003-01-0274. - 12 pp.

17. Wolfgang Krause and Karl H. Spies. Dynamic Control of the Coolant Temperature // SAE Technical Paper Series. 1996. - 960271. - 10 pp.

18. H. H. Pang, and C. J. Brace. Review of Engine Cooling Technologies for Modern Engines // Department of Mechanical Engineering, University of Bath, Bath, UK.-7 p.

19. Saur R., Leu P., Lemberger H., Huemer G. Kennfeldgesteurtes Temperatur-regelsystem fur Motorkuhlkreislaufe // MTZ. 1996. - 57, №7-8. - S. 424 - 428.

20. Ратнов A.E. Улучшение эксплуатационных показателей транспортных двигателей путем совершенствования свойств охлаждающей жидкости: Авто-реф. дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2005. - 18 с.

21. Безюков O.K., Жуков В.А., Ратнов А.Е. Влияние свойств охлаждающих жидкостей на экономические и экологические показатели двигателей.

22. Авиационно-космическая техника и технология: 36 сборник научных трудов. Харьков: «Харьковский авиационный институт», 2001. Вып. 26. Двигатели и энергоустановки. - С. 60-63.

23. Жуков В.А., Ратнов А.Е. Теплофизические характеристики охлаждающих жидкостей ДВС и режимы охлаждения. Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды. Сборник трудов: Под ред. Пиралишвили Ш. А. Рыбинск, 2001.-С. 21 -22.

24. Агапов Д.С. Улучшение топливно-экономических и энергетических показателей дизеля оптимизацией температурного режима: Дис. канд. техн. наук/ Санкт-Петербургский гос. аграрный ун-т. Санкт-Петербург. — 2004. -169 с.

25. Mehr Power, weniger Emissionen. — AMZ: Auto, Mot., Zubehor. 1996. -84, №7-8, c. 56-57.

26. Gouetouse, H. and Gentile. Cooling System Control in Automotive Engines // SAE Technical Paper Series. 1992. - 920788. - 6 pp.

27. Franz W. Koch, Frank G. Haubner. Cooling System Development and Optimization // SAE Technical Paper Series. 2000. - 2000-01-0283. - 15 pp.

28. David J. Allen and Michael P. Lasecki. Thermal Management Evolution and Controlled Coolant Flow // SAE Technical Paper Series. 2001. - 2001-011732.- 18 pp.

29. John R. Wanger, Venkat Srinivasan and Darren M. Dwason. Smart Thermostat and Coolant Pump Control for Engine Thermal Management Systems // SAE Technical Paper Series. 2003. - 2003-01-0272. - 15 pp.

30. Andrew A. Kenny, Cyril F. Bradshaw, and Brian T. Creed. Electronic Thermostat System for Automotive Engines // SAE Technical Paper Series. 1988. - 880265 - 9 pp.

31. Robert W. Page Thermal Management for the 21st Century Improved Thermal Control & Fuel Economy in an Army Medium Tactical Vehicle // SAE Technical Paper Series. - 2005. - 2005-01-2068. - 8 pp.

32. Map Controlled Cooling System. Проспект фирмы Behr Thermot-Tronik. - 1999. - 4 c.

33. Scharf A. Termomanagement senkt den Motoren-Durst // VDI-Nachr. -2001. №19. — S.14.

34. Fisher E.N., Marshall R.A., Haigh J. Energy savings in hydraulic coolant circuits // 2nt Int. Conf. New Dev. Powertrain and Chassis Eng. / Bury St. Edmunds, 1989.-P. 471 -477.

35. E. Cortona, С. H. Onder and L. Guzzella. Engine Thermomanagement with Electrical Components for Fuel Consumption Reduction // International Journal of Engine Research. 3(3) September 2002.

36. Cortona. E., Onder. С. H. Engine Thermal Management with Electronic Cooling Pump // SAE Technical Paper Series. 2000. - 2000-01-0965. - 16 pp.

37. Kuhlmittelpumpe ohne mechanischen Antrieb. ATZ: Automobiltechn. Z., 2003, 105, №7-8, S. 659

38. Saur R., Leu P., Lemberger H., Huemer G. Kennfeldgesteurtes Temperatur-regelsystem fur Motorkuhlkreislaufe // MTZ. 1996. - 57, №7-8. - S. 424 - 428.

39. R. D. Hudgens, R. D. Hercamp. Filtration of Coolants for Heavy Duty Engines // SAE Technical Paper Series. 1988. - 881279. - 21 pp.

40. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. -400 е.: ил.

41. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей/ A.M. Кригер, М.Е. Дискин, A.JI. Новенников, В.И. Пикус. М.: Машиностроение, 1985. -176 е., ил.

42. Robert D, Chalgren Jr. Thermal Comfort and Engine Warm-up Optimization of a Low-Flow Advanced Thermal Management System // SAE Technical Paper Series. 2004. - 2004-01-0047. - 7 pp.

43. Тимошенко К. Д. Датчики температуры с твердым наполнителем. Б-ка приборостроителя. М.: Машиностроение, 1975. - 136 с.

44. Петриченко P.M. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. — Л.: Машиностроение, 1975. — 224 с.

45. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей: Учеб. пособие для студентов высших учебных заведений. М.: Машиностроение. 1995. 271с.: ил.

46. Лазарева Т.Я., Мартемьянов Ю.Ф. Основы теории автоматического управления: Учебное пособие. Тамбов, гос. техн. ун-та, 2003. 308 с.

47. Elena С.К. Engine Thermomanagement for Fuel Consumption Reduction: Diss. . doctor of technical science. Zurich, 2000. - 145 p.

48. Теория автоматического управления и регулирования: учеб. Пособие / С.В. Доронин. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. - 127 е.: ил.

49. Технические условия ТУ 4591-016-43174012 «Термостаты систем охлаждения». Радужный.: ЗАО «ЭЛЕКТОН», 2006. - 28с.

50. Патент США № 6867395. МПК Н 05 В 1/02. Заявл. 22.10.2002. Опубл. 22.04.2004.

51. Заявка Корея №20030067942. МПК F 01 Р 7/16. Опубл. 19.08.2003.

52. Заявка ФРГ №3504653. МПК F 01 Р 7/16. Заявл. 12.02.85. Опубл.1408.86.

53. Заявка Япония № 10317967. МПК F 01 Р 7/16. Опубл. 02.12.1998.

54. Заявка ФРГ № 3711949. МПК F 16 К 31/66. Заявл. 09.04.87. Опубл.2611.87.

55. Патент РФ № 2251623. МПК F01P7/16. Заявл. 12.08.2003. Опубл. 10.05.2005.

56. Патент РФ № 2256805. МПК F01P7/16. Заявл. 04.11.2003. Опубл. 20.07.2005.

57. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Изд. 3-е, испр. - М.: Машиностроение, 1988. - 560 с. (1 кн.), 544 с. (2 кн.), илл.

58. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/JI.A. Кондаков и др. — М.: Машиностроение, 1986. 464 е., илл.

59. Изобретатель и рационализатор. 1987, №3, с. 10-11.

60. Решение от 25.06.2009г. о выдаче патента по заявке № 2008129167/06(036005) «Автомобильный термостат с электронным управлением» / Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С., Журавлев С.А. и др.

61. Решение от 14.05.2009г. о выдаче патента по заявке № 2008129168/06(036006) «Термостат с электронным управлением для автомобильного двигателя» / Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С., Журавлев С.А. и др.

62. Решение от 22.05.2009г. о выдаче патента по заявке № 2008129166/06(036004) «Устройство для уплотнения поворотного вала» / Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С., Журавлев С.А. и др.

63. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Пер. с нем. Г.А. Вольпера; Под ред. Л.Г. Лойцянского. М.: Наука, 1974. - 712 с.

64. Wilcox, D. С. Turbulence modeling for CFD, DCW Industries, Inc., 460 p, 1994.

65. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». — 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989. -416 е.: ил.

66. Г.К. Гудвин, С.Ф. Гребе, М.Э. Сальгадо. Проектирование систем управления: Пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 911 е., ил.

67. Ngy Srun AP. A Simple Engine Cooling System Simulation Model // SAE Technical Paper Series. 1999. - 1999-01-0237. - 12 p.

68. Jean-Claude Corber. An Original Simulation Method for Car Engine Cooling Systems: A Modular System // SAE Technical Paper Series. 1987. - 870713 -15 p.

69. Kyoung Suk Park, Jong Phil Won, Hyung Seok Heo. Thermal Flow Analysis of Vehicle Engine Cooling System // Journal of Mechanical Science and Technology, The Korean Society of Mechanical Engineers. 2002. - Vol. 16, №7. — 111. P

70. Chiang E. C., Ursini V. J., and Johnson J. H. Development and Evaluation of a Diesel Powered Truck Cooling System Computer Simulation Program // SAE Technical Paper Series. 1982. - 821048. - 15 p.

71. The Optimum Design of Engine Cooling System by Computer Simulation. Sakai Т., Ishiguro S., and Sudoh Y., Raab G. and Hager, J. // SAE Technical Paper Series. 1994. - 942270. - 18 p.

72. Sidders J. A. and Tilley D. G. Optimising Cooling System Performance Using Computer Simulation // SAE Technical Paper Series. 1997. - 971802. - 15 p.

73. Veshagh A. and Chen C. A Computer Model for Thermofluid Analysis of Engine Warm-Up Process // SAE Technical Paper Series. 1993. - 931157. - 22 p.

74. Xu Z., Johnson J. H. and Chiang E. C. A Simulation Study of a Computer Controlled Cooling System for a Diesel Powered Truck // SAE Technical Paper Series. 1984. - 841711. - 16 p.

75. Bohac S. V., Baker D. M. and Assanis D. N. A Global Model for Steady State and Transient S.I. Engine Heat Transfer Studies // SAE Technical Paper Series. 1996.-960073.- 11 p.

76. A Review of Predictive Analysis Applied to 1С Engine Coolant Heat Transfer. Campbell, N. A. F., Hawley, J. G., Robinson, K. and Leathard, M. J. // J. Inst. Energy, 73. 2000. - 78-86 pp.

77. Kaplan J. A. and Heywood J. B. Modelling the Spark Ignition Engine Warm-Up Process to Predict Component Temperatures and Hydrocarbon Emissions // SAE Technical Paper Series. 1991. - 910302. - 20 p.

78. Park J. K. Simulation of Starting Process of Diesel Engine Under Cold Conditions // Int. J. Automotive Technology 8,3. 2007. - 289-298.

79. A Concise Wall Temperature Model for DI Diesel Engines. Torregrosa A. J., Olmeda P., Degraeuwe B. and Reyes M. // Appl. Therm. Eng., 26. 2006. -1320-1327.

80. Chiang, E. C., Chellaiah, S. and John, J. H. Modeling of the Convective Heat Flow in Radiator for Coolant Temperature Prediction // ASME Paper 85-WA/HT. 1985. - 22 p.

81. Oner Arici, John H. Johnson and Ajey J. Kulkarni. The Vehicle Engine Cooling System Simulation Part 2 Model Validation Using Transient Data // SAE Technical Paper Series. - 1999. - 1999-01-0241. - 8 p.

82. An Engine Coolant Temperature Model and Application for Cooling System Diagnosis. In Kwang Yoo, Kenneth Simpson, Myron Bell and Stephen Majkowski. Delphi Automotive Systems // SAE Technical Paper Series. 2000. -2000-01-0939-13 p.

83. N.A.F. Campbell, J.G. Hawley and MJ. Leathard. Nucleate Boiling Investigation and the effects of Surface Roughness // SAE Technical Paper Series. 1999. - 1999-01-0577. - 13p.

84. Porot, P. A., Menegazzi, P. and Ap, N. S. Understanding and improving evaporative engine cooling at high load, high speed by engine tests and 3D calculations // SAE Technical Paper Series. 1997. - 971792. - 18p.

85. Систейкина E.B. Повышение эффективности транспортных двигателей путем совершенствования системы охлаждения: Дис. канд. техн. наук/ МГТУ им. Н.Э. Баумана. М., 1994. - 178 с.

86. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. - М.; Машиностроение, 1983. - 372 е., ил.

87. Новенников A.JL, Стефановский Б.С. О закономерностях теплоотдачи в жидкостных системах охлаждения ДВС. Ярославский технологический институт. Том 29. Ученые записки.- 1972.- С. 17-23.

88. Михеев М.А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.

89. Яковлев В.В. Теплоотдача некипящей воды при высоких тепловых нагрузках. «Атомная энергия».- 1957.- №2.

90. Бузник В.М. Теплопередача в судовых энергетических установках. Судостроение, 1967.

91. Полетавкин П.Г., Шапкин Н.А. Теплоотдача при поверхностном кипении воды. «Теплоэнергетика».- 1963.- №5.

92. Рассохин Н.Г. и др. Теплоотдача при поверхностном кипении в узких кольцевых каналах. «Теплоэнергетика».- 1962.-№5.

93. Щербаков В.К. Теплоотдача в кольцевых каналах при поверхностном кипении воды. «Известия ВУЗов Энергетика».- 1962.-№5.

94. Чирков А.А. Особый случай конвективной теплоотдачи. Труды РИ-ИЖТ, вып.25, Трансжелдориздат, 1958.

95. Кузнецов Д.Б. Исследование процесса теплообмена в полости охлажIдения рабочих цилиндров поршневых двигателей внутреннего сгорания. Кандидатская диссертация, ЛПИ им.Калинина, 1969.

96. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1985.- 456с.

97. Н.Х. Дьяченко, С.Н. Дашков, А.К. Костин и др. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей. Л.: Машиностроение, 1969. -248с.

98. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1973.- 400с.

99. Campbell N. A. F., Hawley J. G. and MacGregor, S. A. Incorporating Nucleate Boiling in a Precision Cooling Strategy for Combustion Engines // SAE Technical Paper Series. 1997. - 971791. - 14 p.

100. Convective Coolant Heat Transfer in Internal Combustion Engines. Robinson K., Hawley J. G., Hammond G. P. and Owen N. J. // P. I. Mech. Eng. D-J. Aut., 217, 2003.-133-146.

101. Eichiseder W. and Raab G. Calculation and Design of Cooling Systems // SAE Technical Paper Series. 1993. - 931088. - 12 p.

102. Glenn E. Cozzone. Effect of Coolant Type on Engine Operating Temperature // SAE Technical Paper Series. 1999. - 1999-01-0135 - 8 p.

103. A. Franco and L. Martorano. Methods to Evaluate In-Cylinder Heat Transfer and Thermal Load in the Small Internal Combustion Engines // SAE Technical Paper Series. 1999. - 1999-01-1252. - 17 p.

104. D. Perset and B. Jouannet. Simulation of a Cooling Loop for a Variable Speed Fan System // Valeo Engine Cooling, SAE Technical Paper Series. 1999. -1999-01-0576. -13 p.

105. Бурков В.В. Алюминиевые теплообменники сельскохозяйственных и транспортных машин. JL: «Машиностроение». 1985.-c.239.

106. Бурков В.В., Индейкин А.И. Автотракторные радиаторы. JL: «Машиностроение. 1978.-c.216.

107. Шмидт Т.Э. Теплоотдача оребреных труб и расчет трубных пучков теплообменников. «Kaltetechnik». 1963.- №12.-С.370-378.

108. Третьяков А.П. и др. Теплообмен и сопротивление секций холодильника тепловоза. Труды МИИТ.1973.-вып.429.-С.43-58.

109. Дискин М.Е. Определение коэффициента теплопередачи радиатора с учетом качества пайки охлаждающих ребер. Вопросы расчета, конструирования и исследования автомобилей. М., НИИНавтопром, 1971.-№4,- С. 16-27.