автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Пьезоэлектрический привод топливных форсунок микропроцессорных систем управления автомобильными дизельными двигателями

Куклиновский Виктор Владимирович

Пьезоэлектрический привод топливных форсунок микропроцессорных систем управления автомобильными дизельными двигателями

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003480813

Куклиновский Виктор Владимирович

Пьезоэлектрический привод топливных форсунок микропроцессорных систем управления автомобильными дизельными двигателями

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете «МАМИ»

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, профессор Набоких В.А.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

ЮттВ.Е.

Кандидат технических наук Кузнецов А.Г.

Ведущая организация:

ФГУП «НИИАЭ»

Защита состоится «12» ноября 2009г. в 14 час.00 мин. На заседании диссертационного совета Д 212.140.01 в ауд. Б-304 по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская 38.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета «МАМИ». С авторефератом можно ознакомиться на сайте МГТУ «МАМИ» - www.mami.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская 38. МГТУ «МАМИ».

Автореферат разослан «6» октября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

Щетинин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Разработка и внедрение новых электронных систем автоматического управления (ЭСАУ) в двигателестроении является актуальной задачей для выполнеши современных требований по токсичности отработавших газов (ОГ) и повышения эффективности рабочего процесса автомобильных дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДОС). Новые электронные системы могут обеспечивать оптимальное управление рабочим процессом впрыскивания топлива за счет индивидуального электронного импульсного регулирования смесеобразования в камере сгорания в каждом рабочем цикле каждого цилиндра двигателя, как на установившихся, так и на переходных режимах. Для улучшения мощностных, экономических и экологических характеристик современных автомобильных дизельных ДВС необходимо совершенствовать не только основные элементы электронных топливных систем (ЭТС), но и алгоритм микропроцессорных систем управления (МПСУ). Прогрессивное развитие ЭТС требует использование более быстрого и точного электромеханического преобразователя для топливной форсунки, при внедрении которого характеристики впрыскивания топлива значительно расширяются.

Актуальность данной работы определяется её направленностью на изучение электрофизических процессов, возникающих в пьезоэлектрическом приводе (пьезоприводе) топливной форсунки, способов реализации принципов формирования управляющего сигнала пьезопривода, а также на разработку и исследование различных алгоритмов управления и формирования управляющих сигналов в зависимости от режимов работы ДВС.

Цель и задачи

Целью и задачей исследования является определение оптимального алгоритма электрической активации пьезопривода топливных форсунок дизельных ДВС с микропроцессорным управлением. Для достижения этого необходимо:

* разработать математическую модель пьезопривода для управления клапанами топливных форсунок с МПСУ и исследовать работу пьезопривода при воздействии нагрузки, передаваемой от управляющего клапана топливной форсунки;

■ разработать методы измерения линейных перемещений пьезопривода на основе метода непосредственной оценки, для статического и динамического режимов работы пьезопривода при применении как постоянного, так и импульсного управления пьезоприводом;

■ разработать метод подбора пьезокерамюси с оптимальными характеристиками для использования его в пьезоприводе клапанов форсунок;

• разработать лабораторную установку для исследования работы пьезопривода в статическом и динамическом режимах, а также макет ЭСАУ, обеспечивающий заданные параметры электрического импульса активации пьезопривода.

Методы исследования

Теоретическое исследование математической модели пьезопривода для форсунок дизельных двигателей проводилось с использованием основных физико-математических законов, алгебраических и дифференциальных уравнений. Математическая модель реализована в виде математических расчетов в пакетах прикладных программ: Excel, Statistika, MathCAD.

Экспериментальные исследования пьезоприводов проводились на специально изготовленных стендах в лабораторных условиях в МГТУ «МАМИ» на кафедре АТЭ и в КИ МГОУ.

Научная новизна

На основе анализа систем электронного управления цикловой подачей предложено использовать пьезопривод в электрогидравлической форсунке с разгруженным клапаном и применить для пьезопривода двуполярный управляющий сигнал, что позволяет увеличить быстродействие пьезопривода.

После анализа возможных конструктивных решений для пьезоприво-дов, с зависимой характеристикой от температурных воздействий, предложена дифференциальная схема расположения пьезоприводов, которая позволит уменьшить габариты пьезопривода и компенсировать изменение длины от температурных воздействий по оси направления силы воздействия.

На основе разработанной математической модели реализован метод подбора пьезокерамики с оптимальными характеристиками для использования его в пьезоприводе клапанов форсунок.

Практическая ценность

Использование математической модели пьезопривода при разработке и моделировании работы МПСУ дизельных двигателей позволило во многих случаях отказаться от проведения большого объема натурных испытаний.

Разработанные методы расчета и основы проектирования пьезоприводов используются в МГТУ «МАМИ» и ФГУП «НИИАЭ», где занимаются их внедрением на современные дизельные ДВС.

Разработанная лабораторная установка для исследования работы пьезопривода используется ФГУП «НИИАЭ» для сертификации пьезоприводов.

Представлены алгоритмы решения актуальной научной и практической задачи по внедрению оптимального электромеханического преобразователя (ЭМП) в МПСУ дизеля и способы выбора конструктивных и пьезоэлектрических параметров пьезопривода для клапанов топливных форсунок.

Реализация результатов работы

Основные положения и результаты работы реализованы в научно-исследовательских и учебно-педагогических работах и в практике разработки ЭСАУ в ФГУП НИИ «Автоэлектроника», в рамках преподавания курса «САПР АТЭ» - МГТУ «МАМИ».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Анализ способов реализации электронного управления процессом впрыскивания топлива в дизельных ДВС;

2. Математическая модель пьезопривода для управления клапанами топливных форсунок дизельных двигателей;

3. Методика измерений малых перемещений, для работы пьезопривода в статическом и динамическом режимах;

4. Результаты исследований статического и динамического режимов работы пьезопривода на персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ).

Личный вклад автора

Проведена классификация и анализ способов реализации электронного управления процессом впрыскивания топлива в дизельных ДВС. Разработана математическая модель для единичного элемента и пакетного пьезопривода.

Разработана методика измерения малых перемещений пьезопривода. Выполнены исследования статического и динамического режимов работы пьезопривода в лабораторных условиях и на ПЭВМ.

Для пьезоприводов, с зависимой характеристикой от температурных воздействий разработана дифференциальная схема расположения пьезоприводов.

Определен оптимальный алгоритм электрической активации пьезопривода топливных форсунок дизельных ДВС с МПСУ.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались автором, и обсуждались на научно-технической конференции и семинаре:

30 января 2007г. МАДИ (ГТУ) на 65 научно-методической и научно-исследовательской конференции;

30 января 2008г. МГТУ им. Н.Э. Баумана на ВНТС по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок. Заседание №83.

Публикации

По теме диссертации опубликованы три статьи, и тезис одного доклада, при этом две статьи в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, приложений и списка используемой литературы. Общий объем работы составляет 188 станиц основного текста, содержащего 56 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованна актуальность, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Первая глава посвещена анализу обобщенных классов электроуправ-ляемых топливных систем, среди которых рассматривались наиболее современные тины систем с М1ТСУ, рассмотрены особенности совершенствования систем электронного управления цикловой подачей топлива в дизельных двигателях. Особое внимание уделено особенностям совершенствовашя систем электронного управления цикловой подачей топлива дизельных двигателей и рассмотрению электроуправляемых форсунок на базе электромагнитных, магнитострикциошшх и пьезоэлектрических приводов, с проведением классификации и анализом конструктивных особенностей.

Все топливные системы с импульсным управлением по регулируемости продолжительности, опережению впрыскивания, ограничению подачи топлива по параметрам рабочего процесса дизеля, вредным выбросам, экономичности, числу работающих цилиндров, равномерности нагрузки работающих цилиндров, сохранению работоспособности дизеля при смене марки топлива, минимизации устойчивой частоты вращения холостого хода дизеля, повышению качества регулирования частоты вращения практически равноценны.

Аккумуляторные системы с электрически управляемыми форсунками имеют решающие преимущества по независимому от продолжительности и опережению управления давлением впрыскивания. Соответственно у них наибольшие возможности управления характеристикой впрыскивания, то есть, в конечном счете - адаптивного управления. Процесс протекания впры-

скивания топлива, по закону которого в камеру сгорания дозируется определенное количество топлива в зависимости от времени в современных ЭТС разбит на следующие этапы (рис 1.1):

Рис. 1.1 Закон изменения давления впрыскивания топлива для снижения уровня N0* при высокой нагрузке и отсутствии системы рециркуляции

ОГ:

1 - предварительное впрыскивание; 2 - основное впрыскивание; 3 - интенсивное повышение давления; 4 - резкое падение давления; 5 - раннее дополнительное впрыскивание; 6 - позднее дополнительное впрыскивание; р5-максимальное давление впрыскивания; ре - давление впрыскивания; р0 - давление открытия форсунки Ь;- продолжительность сгорания основной доли впрыснутого топлива; 0 - угол поворота коленчатого вала; V — продолжительность сгорания предварительной доли впрыснутого топлива; - период задержки воспламенения основной доли впрыснутого топлива; Р1 - предварительное впрыскивание; ВМТ - верхняя мертвая точка положения поршня две.

1. Предварительное впрыскивание 1 для снижения уровней шума сгорания и эмиссии >Юх, особенно в двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива;

2. Интенсивное повышение давления подачи топлива 3 при основном впрыскивании для сокращения уровня эмиссии ЫОх при работе без рециркуляции ОГ;

3. Удержание постоянного и высокого давления подачи топлива при основном впрыскивании (3, 4) для сокращения уровня сажеобразования при работе с рециркуляцией ОГ;

4. Дополнительное впрыскивание топлива 5 — непосредственно после основной подачи для сокращения уровня сажеобразования;

5. Позднее дополнительное впрыскивание топлива 6 как восстановитель для аккумулирующего нейтрализатора ЫОх и/или с целью повышения температуры ОГ для регенерации частиц в сажевом фильтре.

В аккумуляторных ЭТС важнейшим элементом управления является топливная форсунка для впрыскивания топлива. Момент начала впрыскивания в координатах «угол-время» устанавливается МПСУ работы дизеля. Требуемые момент начала впрыскивания и величина подачи топлива обеспечиваются электроуправляемыми топливными форсунками с ЭМИ.

а) б)

Рис. 1.2 Сравнительные характеристики: а) электромагнитного привода;

б) пьезопривода.

В большинстве известных вариантах аккумуляторных ЭТС используются электрогидравлические форсунки. Анализ способов реализации электронного управления современных топливных систем показал, что для современных аккумуляторных топливных систем в электрогидравлической топливной форсунке эффективнее всего использовать пьезоэлектрический привод.

На рис. 1.2 а, б приведены сравнительные характеристики электромагнитного привода и пьезопривода, подтверждающие преимущества пьезопри-вода. Форсунка с пьезоприводом, благодаря более высокому быстродействию привода, позволяет расширить диапазон устойчивых топливоподач, а за счет более высокой крутизны фронтов повысить точность дозирования. Форсунка с пьезоприводом может обеспечивать максимальную гибкость и точность управления моментом начала впрыскивания и получения необходимых характеристик впрыскивания.

Вторая глава посвещена описанию физических основ прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта, особенностям применения пьезопривода в механизмах топливной форсунки и разработке математической модели пьезоэлектрического привода.

В данной работе рассматривается использование пьезоприводов в качестве управляющего исполнительного механизма, регулирующего впрыскивание топлива в двигателях внутреннего сгорания.

При использовании пьезопривода в исполнительном механизме системы впрыскивания топлива рассматривается вариант для двух следующих конструктивных решений:

■ пьезопривод управляет клапаном, разделяющим «надмагистральную» камеру форсунки и магистраль возврата топлива в бак;

■ пьезопривод связан непосредственно с управляющим клапаном форсунки.

Математическая модель пьезоэлектрического привода исполнительного механизма форсунки выполнена с учетом следующих главных составляющих:

1) физико-математической модели пьезопривода, формально описывающей физические модели прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта с учётом физико-механических свойств и геометрических параметров конкретных пьезоэлементов;

2) механико-математической модели исполнительного механизма (динамической модели силового привода), учитывающей и описывающей силы, действующие на механические элементы привода (сила инерции, сила упругости, сила трения, силы, действующие со стороны управляемого механизма, внешние дестабилизирующие нагрузки и т.д.) и особенности конструктивного исполнения механизма.

При моделировании зависимости перемещения подвижной части пакетного пьезопривода от внешнего напряжения во времени получено следующее уравнение:

а также уравнение зависимости перемещения подвижной части пакетного пьезопривода от прилагаемой внешней силы во времени.

аЬс

где

( пак ) (пак ) (пак ) ( пак ) ( пак )

и=к1 К21 и + к, н0к22 .

(пак) (пак)

т _ в + к г .

¿2- 2 4 ,

( пак ) ( пак ) ( пак ) ( пак ) ( пак )

т_к, к„ и +к, нпк„ +к,

Ц- 1 21 вн 1 0 22 3

--/=0'

В(тк) +К(ГК)Н0 к<™к> +К'3шк) ;

К 1

пак) __ (пак) ^ (пак) __3_

Н0 '

Н- текущая высота всего пьезопривода;

Н0 - начальная (номинальная) высота всего пьезопривода;

К(„)тк>- коэффициенты, характеризующие пьезоэлектрические свойства пьезопривода;

Т7- внешняя сила, действующая на элемент со стороны подвижной части пьезопривода;

и т - внешнее напряжение, приложенное к контактным выводам пьезопривода.

Исследования на ПЭВМ (рис. 2.1) показали, что наиболее эффективно управлять пьезоприводом, используя предельно допустимое значение напряжения, с учетом конструктивных параметров пьезопривода. Полученная характеристика (рис. 2.2) показывает, что для пакетных пьезоприводов, в отличие от однослойных пьезоприводов, зависимость перемещения от размеров внешней нагрузки минимальна в рабочем диапазоне величин.

км

№10 гошм'

8.005! 10

8.0Ш 10'

¿001710

а) б)

Рис. 2.1 График зависимости перемещения подвижной части пьезопривода к от внешнего напряжения С/ и времени V. а) для однослойного пьезопривода; б) для многослойного (пакетного) пьезопривода.

а) б)

Рис.2.2 График зависимости перемещения подвижной части пьезопри-вода к от внешней нагрузки Г и времени V. а) для однослойного пьезоприво-да; б) для многослойного (пакетного) пьезопривода.

Третья глава посвещена исследованию адекватности и эффективности математической модели пьезопривода.

Для оценки адекватности полученной математической модели пьезопривода были проведены натурные исследования его статических и динамических режимов.

Исследования статических характеристик пакетного пьезопривода из пьезокерамики ЦТС-19 (изготовленного ОАО «ЭЛМА» г. Зеленоград) проводили на специальном стенде, который был спроектирован, изготовлен и доведен на кафедре АТЭ.

Основная цель исследований заключалась в определении зависимостей перемещения пьезопривода от приложенной величины управляющего напряжения во всём рабочем диапазоне пьезопривода.

Для регистрации статической зависимости разработана методика измерения минимальных величин, включающая в себя следующие основные критерии:

■ внесение специальных конструктивных решений и определенная технология установки пьезопривода в корпусе лабораторной установки;

■ использование специального измерительного оборудования;

■ применение определенного алгоритма при снятии характеристик пьезопривода.

В результате измерения получена петля гистерезиса (рис. 3.1), которая показывает относительное изменение размеров пьезопривода по направлению поляризации элементов пьезопривода в зависимости от изменения полярности напряжения, приложенного к электрическим выводам пьезопривода.

4 лит

Рис. 3.1 Экспериментальная статическая характеристика пьезопривода: А - величина перемещения подвижной части пьезопривода; и - напряжение на электрических выводах пьезопривода. Исследования динамических процессов в пьезоприводе были проведены МГТУ «МАМИ» совместно с КИ МГОУ.

Основная цель проведения исследований заключалась в измерении и анализе динамических свойств пьезопривода, снятии характеристик во всём рабочем диапазоне пьезопривода и определении степени влияния статической нагрузки на динамические характеристики пьезопривода.

Для исследования был спроектирован лабораторный стенд, основными особенностями которого является применение специально разработанного и изготовленного:

■ формирователя импульсов, для подачи управляющих импульсов на схему «силового ключа»;

■ «силового ключа», для подачи импульсов напряжения на клеммы пьезопривода;

■ тарированного нагрузочного устройства, для имитации воздействия нагрузки на подвижную часть пьезопривода;

■ устройства с емкостным датчиком для регистрации перемещения подвижной части пьезопривода.

В качестве макетного образца пьезопривода использовался аналог пьезопривода, который используется в топливных форсунках фирмы Siemens.

Разработанный стенд позволил произвести регистрацию измерений с помощью ПЭВМ - совместимого осциллографа, следующих параметров:

■ выходного напряжения генератора импульсов, управляющее усилителем напряжения;

■ напряжения на клеммах пьезопривода;

■ тока пьезопривода;

■ величину перемещения пьезопривода в зависимости от приложенной внешней нагрузки.

Исследование различных режимов работы пьезопривода выявили оптимальный способ управляющего воздействия (рис. 3.2), при котором для поступательного перемещения пьезопривода используется импульс прямой полярности, а для возврата пьезопривода в исходное положение без задержки подаётся импульс обратной полярности. Применение данного способа управления позволяет увеличить быстродействие пьезопривода при его возврате в исходное состояние, 11д(1) = 0,11 мс по заднему фронту сигнала, учитывая, что при использовании однополярного импульса с последующим разрядом пьезопривода по цепи разряда, время возврата исследуемого пьезопривода в исходное состояние составляет Ua(t) = 0,6 мс по заднему фронту управляющего сигнала.

ир, в

0-5

V

100 50

Оп,В о -

1д, А

5 0-5 -10.

0,2 0,4 0,6

Рис. 3.2 Осциллограмма при разряде пьезопривода импульсом напряжения

обратной полярности Из - управляющее напряжение заряда; 11р - управляющее напряжение разряда; ид - напряжение емкостного датчика; Ш - напряжение на пьезоприводе;

1п - ток пьезопривода.

По осциллограмме рис. 3.3 проведена оценка степени влияния нагрузки на пьезопривод. При увеличении воздействия статической нагрузки аналогично процессам, возникающим в электрогидравлической форсунке, по осциллограмме ид=Д0, характеризующей рабочий ход подвижной части пьезопривода, выявлено незначительное ухудшение динамических свойств пьезопривода, а именно увеличение времени реакции. По фронту и по тылу характеристика становится более пологой, чем без нагрузки.

ид. в

Кв-бООН

о 0.2 0,4 0.6 0,8 1,0 1.2 1,4 1,6 1,8 2,0 1, мс

Рис. 3.3 Осциллограмма при прямой полярности и воздействии различных

статических нагрузок на пьезопривод Иг - управляющее напряжение; № - напряжение емкостного датчика; Ш -напряжения на пьезоприводе; Ев - внешняя сила. Влияние нагрузки, равной по значению давлению топлива, воздействующего на управляющий клапан, отражается в уменьшении величины перемещения при поступательном направлении перемещения пьезопривода.

Для оценки адекватности математической модели пьезопривода проведено сравнение полученных при испытаниях экспериментальных данных с результатами, полученными при теоретических расчетах.

Оценка адекватности математической модели, проведенная с использованием стандартных программ «Statistika» и «Excel» путём сравнения числовых рядов, показывает удовлетворительные результаты. 1. Для нагрузки в 100 Н:

- по критерию Фишера: F~ 13,7 с высоким уровнем значимости а ~0,035]

- коэффициент корреляции и соответствующее значение коэффициента детерминации: R~0,777, D=R2~ 0,604.

2: Для нагрузки в 300 Н:

- но критерию Фишера: /г~ 12,84 с высоким уровнем значимости а --0,041;

- коэффициент корреляции и соответствующее значение коэффициента детерминации: R~0,812, D^R2- 0,659.

3. Для нагрузки в 600 Н:

- по критерию Фишера: F~ 31,67 с высоким уровнем значимости а-0,005;

- коэффициент корреляции и соответствующее значение коэффициента детерминации: R-0,894, D=F?~ 0,798.

Четвертая глава описывает исследования но прогнозированию конструктивных и электрических параметров пьезопривода на базе исследований по определению электрических параметров управляющих воздействий.

Поскольку выявлено, что вид петли зависит от напряжения, максимального удлинения относительно данного цикла и напряжения максимального сжатия относительно данного цикла, то возможно множество разных рабочих частных циклов. Однако для этого множества характерны три закономерное™:

1. движение рабочей точки пьезопривода происходит внутри зоны, ограниченной двумя образующими, опирающимися на точки соответствующие максимальному значению напряжения и перемещения при прямой и обратной полярностях.

2. все образующие частных циклов при их экстралоляционном продолжении по направлению движения рабочей точки пересекаются в зависимости от знака скорости изменения напряжения движения соответственно в точках соответствующих максимальному значению напряжения и перемеще-шм при прямой и обратной полярности.

3. экстралоляционные продолжения образующих частных циклов в направлении, обратном движению рабочей точки, пересекают образующую предельного цикла с одинаковым наклоном.

На основе проведенных исследований определено, что при выборе конструктивных и пьезоэлектрических параметров пьезопривода клапанов топливных форсунок для согласованной работы с МПСУ, необходимо учитывать ряд технических требований в зависимости от условий работы пьезопривода. Одним из решающих факторов является выбор оптимального типа пьезокерамики.

Для некоторых типов пьезокерамики необходимо компенсировать температурные деформации пьезопривода. Для решения этой задачи корпус форсунки делают их металла со схожим коэффициентом расширения, или располагают термокомпенсационный металл непосредственно в приводе. В данной работе предложена дифференциальная схема расположения пьезо-приводов, которая позволяет полностью компенсировать изменение длины от температурных воздействий по оси направления силы воздействия. Данная схем а конструктивно выполняется из 2-х групп отдельных пьезоприводов. Каждая из групп состоит минимум из 1-го пьезопривода. Продольные оси их параллельны, каждая из групп развивает деформацию противоположного действия. Собираются группы таким образом, чтобы равнодействующие сил располагались на одной оси, что позволяет суммировать перемещения пьезоприводов, и тем самым уменьшить габариты пьезопривода.

На сегодняшний день появились современные типы пьезокерамики с высокой точкой Кюри, на которую не влияют температурные воздействия,

равные значениям, при использовании пьезопривода в топливных форсунках ДВС.

Исследование математической модели управляющих воздействий на пьезопривод рассматривалось как задача для случая, когда внешняя сила FeH-величина постоянная, а внешнее напряжение Um(t)- некоторая функция времени.

V- {пак)

_ {пах){пак) j?

J 22 тт 4 ен

но

U„=U{t) /.« = F0 = const

Линейное дифференциальное уравнение, описывающее систему, соответствует структурной схеме, приведенной на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Структурная схема САУ:

Ау - входной сигнал (напряжение) САУ; Ах - выходной сигнал (перемещение) САУ; Ахо=0, Ах=0 - начальные возмущения сигналов; Ах , Ах - отклонение; Ь0 Ау- управляющее воздействие; р - комплексная переменная в преобразованиях Лапласа.

-s ' ->о s +а0 а0 A¡

Полученный результат достаточно хорошо совпадает с расчетными и эмпирическими данными.

Основные результаты и выводы

1. Анализ современных микропроцессорных систем впрыска для дизельных двигателей показал, что для снижения расхода топлива при соблюдении экологических норм требуется улучшение динамических характеристик систем впрыска с электронным управлением. Наиболее актуальной является аккумуляторная топливная система (Common-Rail) с повышенным давлением впрыскивания, составляющее на серийных образцах 180-200 МПа, а в перспективных моделях двигателей достигает 300 МПа, позволяющее использовать самые широкие возможности по оптимизированию процесса впрыскивания.

2. Проведенная классификация ЭМП топливных форсунок показывает, что для дальнейшего развития топливной аппаратуры и максимально эффективного использования высокого давления в системе впрыска топлива необходимо совершенствование ЭМП топливных форсунок дизеля. По приведенным сравнительным характеристикам к наиболее перспективным относятся фор су шеи с пьезоэлектрическим приводом, при применении которых появляется возможность более точного дозирования топлива и форсирования процесса топливоподачи, что расширяет возможности адаптивного микропроцессорного управления двигателем.

3. Исследования процессов прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта, применительно к впрыскивающей топливной аппаратуре, показали что для полного математического описания работы пьезопривода в топливной форсунке необходимо учитывать влияние воздействия на пьезо-элемент внешней силы со стороны управляющего клапана форсунки, воздействие силы обратного пьезоэффекта, действие упругой силы Гука и дополнительного электрического напряжения на пьезоэлементе от прямого пьезоэффекта.

4. Разработанная математическая модель пьезоэлектрического привода клапанов форсунок позволила определить характеристики работы пьезоэлектрического привода под воздействием динамической нагрузки с изме-

нением режимов работы пьезопривода, аналогично воздействиям при его работе в корпусе топливной форсунки, что сократило количество натурных исследований.

5. Математическое моделирование выполнено в программе MathCAD, что позволило выполнить моделирование работы пьезопривода при различных начальных условиях, изменяя значения параметров пьезокерами-ческих материалов и условий работы пьезопривода. Это дает возможность моделировать работу пьезопривода для различных конструктивных решений топливной форсунки.

6. Разработанные и реализованные методы измерения линейных перемещений пьезопривода позволили провести измерения зависимости перемещения пьезопривода от величины приложенного на пьезопривод напряжения в статическом режиме. В динамическом режиме проведены измерения характеристики перемещения подвижной части пьезопривода во времени, при различных импульсах управления пьезоприводом по длительности и полярности, с учетом постоянной величины импульса приложенного на пьезопривод напряжения.

7. Результаты проведенного эксперимента с помощью установки для исследования статических режимов пьезопривода показали, что наиболее рационально управлять пьезоприводом, работая по предельному циклу в двух полярностях напряжения, это позволит использовать максимально возможную величину перемещения пьезопривода. Величина перемещения испытанного образца при управляющем напряжении, равном 365 В, составила 19,5 мкм при прямой, и -6,5 мкм при обратной полярности.

8. Проведен анализ различных способов управления пьезоприводом и разработан оптимальный алгоритм и электрическая схема управления пьезоприводом. Использование однополярного импульса с последующим разрядом пьезопривода по цепи разряда показало, что время возврата исследуемого пьезопривода в исходное состояние составляет 0,6 мс по заднему фронту управляющего сигнала. При управлении пьезоприводом двуполярным управ-

ляющим сигналом быстродействие пьезопривода увеличивается, время возврата исследуемого пьезопривода в исходное состояние составило 0,11 мс по заднему фронту сигнала.

9. Исследования на ПЭВМ показали, что дня пакетных пьезоприво-дов зависимость перемещения от размеров внешней нагрузки минимальна в рабочем диапазоне величин, что подтвердили данные, полученные при исследовании динамических режимов работы. Влияние нагрузки, равной по значению давлению топлива, воздействующего на управляющий клапан, отражается в уменьшении величины перемещения на 8.3% от полного хода пьезопривода и увеличении времени реакции до 0,22 мс.

10. Оценка адекватности математической модели пьезопривода, при которой провели сравнение полученных при испытаниях экспериментальных данных с результатами, полученными при теоретических расчетах, показала, что математическая модель позволяет с удовлетворительным результатом учитывать процессы, возникающие в пьезоприводе, согласно оценкам по критерию Фишера, и определением коэффициента корреляции с соответствующим значением коэффициента детерминации.

11. На основе математической модели пьезопривода разработан метод подбора пьезокерамики с оптимальными коэффициентами для эффективного использования пьезопривода в качестве ЭМП топливной форсунки. Сравнительный анализ пьезокерамических материалов показал, что наиболее перспективными являются материалы на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) с высокой точкой Кюри, от +150°С и выше.

12. Исследование математической модели управляющих воздействий на пьезопривод и полученный выходной сигнал САУ АХУ ~ 1,1 х 10'5 [м] показали совпадение расчетных и эмпирических данных, что свидетельствует об удовлетворительной «жёсткости» и «управляемое™» рассматриваемой САУ, как отдельного звена системы регулирования впрыска топлива.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Набоких В.А., Куклиновский В.В. Пьезоэлектрический привод форсунок для дизельного двигателя. // Тезисы докладов 65 научно-методической и научно-исследовательской конференции. Подсекция «Электрического и электронного оборудования автомобилей». -М.: МАДИ (ГТУ), 2003., - с. 20.

2. Пинский Ф.И., Загоровский А.П., Куклиновский В.В. Пьезоэлектрические форсунки для впрыска топлива в ДВС. -М.: Машиностроитель №9 2002. -с. 42-44.

3. Набоких В.А., Куклиновский В.В. Исследование математической модели пьезоэлектрического привода топливных форсунок дизелей. -М.: Электроника и электрооборудование транспорта №1 2007. -с. 20-21.

4. Набоких В.А., Ахтырский С.А., Куклиновский В.В. Исследование динамических процессов в пьезоэлектрических приводах топливных форсунок дизелей. -М.: Электроника и электрооборудование транспорта №2 2007. -с. 34-35.

КУЮПШОВСКИЙ Виктор Владимирович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

«ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫМИ ДИЗЕЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ»

Подписано в печать:р/_//<?/2009 Заказу^"*Х)бъем:_ Тираж 100

Бумага типографская Формат 60x90/16

МГТУ «МАМИ», Москва, 107023, Б. Семеновская ул., 38