автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование методов испытаний и оценки автомобильных бензиновых двигателей на режимах разгона

ьгс&ковш^й государственный автомобильно-дорожный институт (технический университет)

- 5 ШОН

На правах рукописи

ПРИШВИН СЕРГЕЙ АНДРЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ И ОЦЕНКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА РЕЖИМАХ РАЗГОНА

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1994

Работа выполнена на кафедре автотракторных двигателей Московского государственного автомобкльно-дорояного института (технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук, црофессор [Архангельский Ц.М1

Научный консультант - кандидат технических наук, профессор Морозов К.А.

Официальные оппоненты - доктор фжзкко-матемзтических наук,

профессор Степанов Г.Ю. -.кандидат технических наук, доцент Ерохов В.И.

Ведущая организация - производственное объединение АМО-ЗИЛ

Защита состоится 1995 г. в 10 часов на

заседании диссертационного совета К 053.30.09. ВАК РФ при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (технической университете) по адресу: 125829, ГС1Ь47, Москва, - А-319, Ленинградский проспект, 64., зуд. 42.

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан

Л и^-СА 1995г..

Телефон для справок 155-03-28

Ученый севретарь диссертационного совета кандидат технических наук, .профессор

Власов В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы. Совершенствование рабочих процессов автомобильных двигателей должно проводиться на режимах, наиболее характерных для условий их эксплуатации. В городских условиях такими режимами являются неустановившиеся режимы работы (НУР). Несмотра на широкие исследования НУР, до настоящего времени не определены границы применимости стандартных статических характеристик двигателя к расчетам его переходите процессов (ПП), нет простой математической модели (ЫМ) потенциального крутящего момента в Ш, вызываемом быстром открытием дроссельных заслонок (ДЗ) карбвратора. В практическом отношении нет количественной оценки влияния монотонности крутящего момента в Ш двигателя на динамические качества автомобиля и дискомфортные явления при разгоне. Отсутствуют также единые методы испытаний автомобильных двигателей на НУР и единый подход к их метрологическому обеспечению.

Цель работы,- Оценка резервов повышения энергетических показателей двигателей при их работе на БУР и улучшение динами-мнческих качеств автомобиля при сохранении его топливной экономичности и минимальном негативном воздействии на онружащую среду. Разработка методов оценки работы автомобильных двигателей .на НУР. и совершецствование. методов их испытаний. . . .

Объекты исследования - серийные двигатели: 311-130 ДОе=110 кВт. 1^=3200 мин-1), ЗИЛ-114 Ше=220 кВт, 13^=4200 мин"1), ЗИЛ-4104 'Ше=230 кВт, 1^^=4400 мин-1). Последние 2 двигателя предназначены для легковых автомобилей, оснащенных гидромеханической передачей (ГШ).

Научная новизна. Сформулировано понятие и получена простая ММ потенциальных энергетических показателей двигателя в Ш, вызванных открыванием ДЗ, и в процессах разгонов при неизменном положении ДЗ. Показано, что для правильной оценки влияния нестационарности (НС) на показатели двигателя необходимо учитывать их изменение в течение всего ПП с учетом начальных условий.

Разработана методика, создана экспериментальная установка и предложены критерии для оценки .влияния интенсивности разгона на энергетические показатели двигателя.

Создан моделирующий стенд для воспроизведения условий работы двигателя нз автомобиле с ПИ, что повысило' эффективность оценки влияния конструктивных изменений и регулировок двигателя на дина-

ыические качества автомобиля и его топливную экономичность.

На базе теория динамических измерений сформулированы требования к динамическим характеристикам (ДХ) используемых средств измерений (СИ).

Практическая ценность. Разработанная Ш потенциальных энер^ гетических показателей двигателя позволяет определить реально достижимые динамические качества автомобиля при разгоне.

Экспериментальная установка для оценки влияния углового ускорения KB на энергетические показатели двигателя при разгоне может рассматриваться в качестве материальной базы для стандартизации испытаний двигателей на НУР. Моделирование на стенде условий работы двигателя на автомобиле с ГШ значительно сокращает объем дорожных испытаний автомобиля.

Оценки монотонности ПП крутящего момента позволяют прогнозировать дискомфортные явления при разгоне автомобиля по результатам испытаний двигателя на моделирующем стенде.

Рекомендации по совершенствовании элементов системы питания повысили качество Ш крутящего момента или обеспечили прежний результат при меньшем количестве дополнительного топлива.

Практическая реализация. Результата работы внедрены на Московском автозаводе им- И.А.Лихачева и Московском-карбюраторном ' заводе (объединение ЫосавтоЗШЦ в комплексе работ по совершенствовании элементов система питания бензиновых: двигателей ЗИЛ. •

Стецд для гаделировзпия условий работы двигателя на' автомобиле с ГШ используется в качестве инструмента исследования при выполнения работ для автозавода им. И.А.Лихачева при доводке двигателей легковых автомобилей ЗИЛ. Разработанное средство измерения мгновенного расхода воздуха внедрено в Новгородском, политехническом и в Ташкентском автодорожном институтах.

Результаты работы использованы в учебном процессе. Разделы "Автоматизация испытаний двигателей" и "Особенности работы автомобильных двигателей на ВОТ" включены в состав соответствувдих лекционных- курсов для студентов специальности 05.04.02. Для слушателей ФПК и спецфакультета надвузовской подготовки неоднократно бнл прочитан курс лекций "Метода исследования ДВС на НУР с применением моделирования и средств автоматизации".

Апробация работы. Основные положения работа докладывались и обсуждались: на отраслевых научно-технических семинарах и на всесоюзных научных конференциях: "Теялсэдцеление,теплообмен и тепле

напряженность высокофорсированных'ЛВС, работа та на неустановившихся режимах" (Ленинград, ЩВДИ, 1976), "Теория, методы и средства техничэского диагностирования автомобилей" (Рига, 1978 и 1979 гг.)". "Рабочие процессы в ЛВС" (Москва, (ЩИ, 1978 и 1982 гг.), "Проблема совершенствования рабочих процессов в ЛВС" (Москва, МАДИ, 1986); на научно-исследовательских конференциях МАЛИ: 33-Й (1975 г.), 34-Й (1976 г.), 37-Й (1979), 39-Й (1981), 41-Й (1983), 46-Й (1988), 43-й (1990), 49-Й (1991).

Публикации. Основные результаты работы изложены в 16 статьях, 6-ги тезисах докладов Всесоюзных конференций к семинаров и в 20-ги научно-технических отчетах, имеющих номер госрегистрации и инвентарный номер БНТИЦ.

Объем диссертации. Диссертационная работа содержит 150 страниц основного текста, 127 рисунков и включает в себя введение, 5 глав, выводы, список использованной литературы (266 наименований) и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы: актуальность работы, научная новизна, практическая ценность; приводятся сведения о реализации и апробации работы. Дана историческая справка об исследованиях КУР.

Первая глава посвящена проблемам исследования НУР. Рассмотрены условия работы двигателя при' городской эксплуатации автомобиля, в которой доля НУР составляет 40-902 (причет 30-50% приходится на регимы разгона). Анализ рабочих процессов двигателя показал, что БУР в общем случае приводят к изменениям его энергетически^ экономических и экологических показателей, к повышению ди-ламической и тепловой напряженности и повышенному износу деталей.

Показано, что энергетические показатели двигателей на НУР нельзя рассматривать локальными во времени с использованием углового ускорения KB е в качестве параметра нестацшнарности (НС); необходимо учитывать начальные условия и начальное воздействие.

Противоречивые сведения о характере изменения энергетических показателей двигателя и. его наполнения на БУР1 связаны также с неоднозначным толкованием понятия "эффективный крутящий момент", с необоснованным выбором динамических характеристик (ДХ) средств измерения (СИ), ^различием методик испытаний двигателей на НУР, сигнорированием фактора цикличности работы двигателя.

Рассмотрены основные подходы к построению Ш энергетических показателей двигателя в переходных процессах.

Обзор методов испытаний двигателей на БУР показал необходимость дальнейпего развития вопросов моделирования на стенде условий работа двигателя на автомобиле, а также разработки единой методики испытаний к оценки автомобильных двигателей на НУР.

В итоге сформулированы основные задачи исследования.

1) разработка ЫМ потенциальных энергетических показателей бензинового двигателя в Ш, вызванных открытием^ДЗ, и в процессах разгонов при неизменном положении ДЗ.

2) Разработка методики и создание экспериментальной установки для исследования влияния интенсивности разгона на энергетические показатели двигателя и на его наполнение.

3) Создание моделирующего стенда для воспроизведения условий работы двигателя на автомобиле с ГШ при его разгоне.

4) Разработка общего подхода к метрологическому обеспечению исследований БУР, включающему определение требований к ДХ применяемых СИ и анализ их динамических погрешностей.

5) Экспериментальная оценка влияния интенсивности разгона на энергетические показатели двигателя и на его наполнение при разгонах с. полностью открытыми ДЗ, а также исследования переходных процессов этих показателей при быстром открытии ДЗ.

Во второй главе проводится теоретический, анализ - потенциальных энергетических показателей двигателя в процессе его разгона, осуществляемого открытием ДЗ. Эти показатели двигателя в ПП определяются зависимостью

, М^п.р^) или М^Со.р^) , (1)

где п и ы - частота вращения и угловая скорость коленчатого вала (КВ), рк и Тк - давление и температура во впускном трубопроводе (ВТ). Реализация потенциальных показателей на БУР означает, что при данных п, рк, в цилиндрах двигателя обеспечиваются состав смеси и угол опережения зажигания, имеющие место при тех же условиях на установившихся режимах (УР). При этом с эффективным крутящим моментом на УР М* сравнивается квазиэффективный' крутящий момент в ПП включающий В' себя затраты на разгон вращавдихся и возвратно-поступательно движущихся масс [МП) двигателя.

• Теоретический анализ показал, что в процессе разгона' двигателя с жидкостным подогревом ВТ при полностью открытых ДЗ его наполнение незначительно отличается от соответствующих значений на УР. В таких случаях в качестве потенциальных энергетических показателей могут рассматриваться показатели двигателя на соот-

(2)

ветствуицих ур внешней скоростной характеристики СВСХ).

ИИ потенциальных энергетических показателей двигателя в ПП, вызванном открытием ДЗ, учитывает два фактора: ВТ, как пневматическую емкость, и цикличность работы двигателя - время д1р=2п/о, необходимое дня реализации в цилиндрах наполнения, отвечающего условиям во ВТ во время впуска. ВТ рассматривается как емкость постоянного объема Ут с турбулентным дросселем переменного сечения на входе. Расход воздуха на входе С1 считается функцией рк л ¡¡г, а расход на выходе С2 - функцией рк; Тк. и о. Течение на входе во ВТ принимаем адиабатннм, а процесс смешения во ВТ' - адиабатным щи изотермическим. Воздух рассматривается как идеальный газ, параметра которого постоянны по объему ВТ. Считаем, что мР=(|Г(р ) при и ,ш) при р^р', где р' - угол пово-

рота ДЗ первых камер карбюратора (ДЗ—1), соответствующий включению вторых камер. Эти зависимости считаем адекватными на УР и НУР. Уравнения материального баланса для случаев адиабатического и изотермического (т=сопб1:) смешения имеют вид:

1 2 т йг и ^ . at т* « )

__К

.. .с -с «. р ..Ж. ... . (3)

1 2 Т т 0 <П где ро, р - плотность воздуха на входе во ВТ и в самом ВТ;

Т-Т/Т,; "Р =Р/Р0-

Расход воздуха С представлен в виде:

с.-тг-е^ф). к+1 (4)

где С^-дЕ. (5)

й*^ - критический расход воздуха при полностью открытых ДЗ; к -показатель адиабаты; ДГ" =цЕ/117т„ ,

^^ Шал.

^Ср0=1 _ од Р^Ррф

1ф) - (1-РкрП/(1-^р)г- (Р-Ркр)2 при Р>Ркр (б) Уравнение (3) приводится к виду:

ТГ^С-Л-.Ж , СГ)

• 1 2 Т й •

При адиабатическом смешении газа в объеме ВТ (йд=0) необходимо также рассматривать уравнение'энергетического баланса:

сж?аЕ1+ао-с1Е2=а(1ш}-7тйрк , (8)

где dEi, 1Бг - соответственно энергии, вносимая втекагадам газом и вшосиыая вытекающим газон; dû - количество теплоты, подводимое к газу в исходном режиме (ИР); 'I, m - энтальпия и масса газа в объеме ВТ. В результате уравнения (2) и (8) примут вид:

1 Ж-т-=Т-ТГ+'ТТрГя-1) V (9)

_ к <ГЕ 1 2 а 3

-L. -®=(к-?Г) ЛТ ^Т- (к—1 ) .с + к(Тя-1 ) ЛГЧ , (10)

т л . 1 2 а а

где"Са=Са/С*кр *Та=Та/То, Ga и Та - расход и температура в ИР.

С целью упрощения задачи на 1-м этапе рассматривался режим n=const. Исходные зависимости и"Сг(р) илиТ^СрГГ) опреде-

лялись с помощью моделей идентификации с использованием результатов испытаний двигателя на УР:

И2=а'+Ь'р" или "С^=(а'+Ъ'р" ) -Т/Т (11 , 12)

Зависимость аппроксимировалась параболой:

дГ = ao+aif>i+a2^ , (13)

где коэффициенты aQ, at, аг различны при v1*q>' и

Закон изменения угла поворота ДЗ-1 во времени:

р ff)=ï> при!:^, (14)

где ф1Э - угол поворота ДЗ-1 в ИР; Х^ - время

открытия ДЗ-1 При t>t _.pt=pia+ûp=cqnst.

Для построения ШТ^СТ) (гдеИ^ = Memai - мак-

симальное значение Ме при n=const) используется зависимость Me(G2) и Ш Gz(t), полученный решением уравнений ММ:

TSèr Со+ W ^ <V' ' (15)

Uï= А(С + С -ТГ,+ С -И,г) при р'<р sp , (16)

с О 1 2 Z Z 1 пах

где А - коэффициент, учитывающий возрастание М* при открывании ДЗ вторых камер (ДЗ-2) ; Со, С], С2 - константы.

Ери этом Ш "HgfE) должен быть сдвинут относительно ШТ (t) на величину времени реакции двигатели bt =2я/и:

Для решения уравнений МИ разработаны две программы для микро-ЭВМ, которые охватывали случал T=const и dq=0. Вычкслнтель-ная программа для построения квазистационарного (КС) 1Ш использовала статические зависимости:

Tîe="HB(G2), ТГ^ТГ^ТКр) и р = pi/iFiPj)].

Результаты моделирования (рис. Г) показали, что при быстром открытии ДЗ (1^=0,06 с) характер Ш ТГ (t). "ТГ (t), p(t) и TT„(t) существенно отличается от КС ыодели. Для параметров "G ,

сК 1

- т -

р у/="

ЩО/

т о

о 1,0 г,0 3.0 4,0 5,0 60 7,0 В,0 3,0 ю - И а а, о г. а.м о,о в ом о.ю д,<в о'/д

Рис. 1 Моделирование переходных процессов расходов воздуха "С и И2, давления во ВТчр и крутящего момента~йек, возникающих в результате открытия чДЗ-1 - Двигатель ЗШГ-4104, а=1000 мин-1,

— T=const,---

^,=0,06 с 0^=3,98).

— КС вдель

Т»г и р это объясняется влиянием аккумулирующих свойств ВТ как пневматической емкости, а для параметра ) - еще и' временем д1р. Эти отличия уменьшаются с увеличением времени открытия ДЗ-1, и при с результаты моделирования по средним оценкам

близки к результатам НС модели. Случаи Т=сопз1л с^=0 показывают границы потенциального переходного процесса M_l.lt).

сК ч

В третьей главе рассматриваются два подхода к нагружению двигателя на шторном стенде при исследованиях НУР:

1) Разработка методики и создание экспериментальной установки для исследования влияния интенсивности разгона на энергетические и некоторые другие показатели двигателя.

2) Разработка и создание моделирующего стенда для воспроизведения условий работы двигателя на автомобиле с ГШ.

В первом случае предлагается нагрухенне двигателя постоянным моментом сопротивления (Мс=сопз1:) и постоянным моментом инерции (1*=сопзг), изменение которого обеспечивает широкий диапазон угловых ускорений е. Уравнения движения КВ имеют вид:

и1к~ ыг г'

V ир.О+ I £Р" ' (18)

Д О

где £р, Ор - расчетные значения с и р; 1Д - момент инерции ВВПДИ двигателя. Целевая установка управления:

£р=ед Л ир=ид /

при М£к - 1с1еи , (19)

где £д, Од - действительные значения £ и и.

• Задача в общем случае решается с помощью системы автоматического управления (САУ) (рис. 2), иыевдей двигатель в качестве объекта управления (ОУ) и тормозную установку в качестве исполнительного устройства (ИУ). Для решения уравнений (18) используется аналоговая вычислительная машина (АВЫ), с помощью которой также реализуются отдельные элементы САУ. Эксперименты с использованием САУ дополнялись разгонами с маховыми массами, что позволило расширить диапазон ускорений КВ до 300-900 рад/с2.

Предложенная методика испытаний позволяет получить простые интегральные оценки динамичности и эффективности разгона двигателя, например, безразмерное время разгона в заданном интервале угловых скоростей («„»<■>„) Тр=1рА*, где

г*«а_+1*)—н—-— = (1„+ I )—й—. (20)

Д мс Д ^ах Ъах '

Величина Тр характеризует степень использования в

данном разгоне. Легко показать, что

1/у ¿m' = е^ =ТШ . (21)

где лт= ^екиГ^с '/iUiDax и ~ сРеднее относительное приращение MgK и среднее значение с за разгон. Нормированные приращения эффективного и инерционного моментов дЫе и />11 определятся:

ш =(лтГ)/ГГ+1), лт = йт/[Х*+1) , (22)

_« .о J ■ ^

где ~Г=Г/1Д. Эффективность разгона, связанная с работой двигателя за разгон, оценивается средним приращением угловой скорости KB, отнесенным к аналогичному показатели за то хе время tp в условном разгоне, протекающем при мек=Ыешах= const и тех т условиях нагруженля (причем, при t*stst_ считаем u=u =const):

г "

л" =2л5 Т /(¿I -1) , (23)

_ « ■ Р Р V

где Ды =до /Ли .

■ ш К

Чувствительность или приспособленность двигателя к работе на НУР в данном типе Ш характеризуется зависимостью показателей лт, ше, т^ íp..£„ и от фактора динамичности режима (рис.3). В качестве последнего принято относительное (выраженное в Ж) изменение угловой скорости KB за 1 рабочий цикл при а=»м и е=е* .:

• Ди/шя = ё^а ¿яе'^/и* , (24)

• что позволяет сопоставлять двигатели различной быстроходности.

Воспроизведение (моделирование) на стенде условий работы двигателя на автомобиле предусматривает использование математической модели (Ш) автомобиля и дорога. При разработке ММ автомобиля с ГШ за основу принята двухмассовая динамическая система с последовательными гидравлической и изменяемой механической связями между ними. Ее поведение описывается следупцей системой урав- ■ нений: t

нек= V ' V Vo+ { c,dt • (25 • 26) Mt = xPDs-o* , i = o/u, , xpD5 = fji) , (27 , 28 , 29)

r МЛ" Mc ?

o 2

и2= , M2= кМ , k=r2(i) , (32 , 33 , 34)

где Ij - момент инерции ведущих масс гидродинамического трансформатора (ГДТ); "еч - угловое ускорение ведущего вала ГДТ; ut, мг • аз " еловые скорости ведущего и ведомого валов ГДТ, и выходного вала ГШ; х - коэффициент момента насосного колеса; р -плотность рабочей жидкости; Б - активный диаметр ПЕГ; i - кинема-

Рис. 2. Структурная блок-схема САУ для создания стандартизованных условий нагруження двигателя при, его разгоне на стенде. 1 - двигатель; 2- тормозная установка; '3,4 - датчик и усилитель-преобразователь крутящего момента: 5,6 - датчик и преобразователь частоты вращении; 7,8- масштабные решающие усилители (РУ);9, 10 -суммирующие РУ; 11 - интегратор; 12, 13 - инверторы: 14,17 - дифференцирующие РУ; 15,16 - суммирующие РУ, реализующие элементы сравнения и последовательные корректирующие элементы (ПКЭ); 18 -усилитель мощности (УН): 19- злекгромашинный усилитель (ЭМУ): 20-местная обратная связь по производной от И,.; 21. 22 — компаратор и инвертор, реализующие релейную схему управления £3; 23 - исполнительный механизм привода ДЗ; 24,25- Р1.Рг- реле управления ДЗ и возвратом двигателя в исходное состояние; Я -. коацезой выключатель, включающийся после закрытия ДЗ; 1Рг, ~ контакты, изменяющие условия моделирования при возврате двигателя в исходный режим после закрытия ДЗ; а> ,. ..,а1(1 - передаточные коэффициенты . РУ; е , ы и сд. Од - соответственно сигналы управляющих воздействий (по ускорения и скорсстя КБ) и регулпруешх вел5гпш.

Рис. 3. Характеристики динамичности и эффективности процессов разгона двигателей ЗИЛ-4104 (.-.) и ЗИЛ-130 (г---«);'

V

^ - время начальной фазы разгона, определяемой переходными процессами воздухоснабжения и топливоподачи во ВТ, вызванными открытием ДЗ; - время разгона: г*)- .

тическое передаточное отношение ГДТ; г?к - передаточное отношение и КЦЦ механического редуктора ГШ; I , В. - момент инерции

2 V *

ведомых масс и момент сил сопротивления движение автомобиля, приведенные к выходному валу ГШ; II , Ы2 - крутящие моменты на насосном и турбинном колесах ГДТ; к- коэффициент трансформации ГДТ.

,3

т _ W Дк я tnagforK . h (Кгшае *?>гк

"W *ь--^Г-'

о 'о о о

где ша - масса автомобиля; rR - динамический радиус качения колеса; - суммарный момент инерции колес; uo, п0 - передаточное отношение и КПД главной передачи: g - ускорение силы тяжести; i - коэффициент сопротивления качению автомобиля (I) при малых скоростях движения; К* - коэффициент, учитывающий возрастание 1 в зависимости от скорости; кГ - фактор обтекаемости автомобиля.

Для имитации режимов переключения передач ' использовалась функциональная модель, обеспечивающая снижение » на моторном стенде, адекватное ее соогветствущеыу изменению на автомобиле.

Связь реального объекта (двигателя) с ММ автомобиля и дороги осуществляется введением в систему уравнений непрерывно измеряемых значений крутящего момента Задача управления (19) реализуется с помощью САУ (рис. 4). Моделирование выражается в воспроизведении на стенде нагрузок двигателя на. автомобиле., движение которого подчиняется принятой ВШ при данной реализации М£к.

Характер разгона двигателя и модели автомобиля соответствует сведениям, имеющимся в специальной литературе, а также результатам дорожных испытаний автомобиля (рис.5). Принципиальные погрешности моделирования в начале разгона вызываются необратимостью индукторного тормоза, используемого в качестве ИУ. Суммарный доверительный интервал результата измерения времени разгона автомобиля до скорости 100 км/ч не превышает 0,04 с (<0,32).

. Моделирование позволяет оценивать влияние параметров .автомобиля на его динамические качества при наличии реального двигателя, а также влияние конструктивных, изменений двигателя и его регулировок непосредственно на динамические качества автомоб!ля.

. Четвертая глава посвящена проблемам метрологического обеспечения (МО) исследований НУР. Рассмотрены негодические погрешности связанные с динамическим режимом работы средств измерения' (СИ), которые приводят к невгрэды представлеяглм о влиянии НУР на энергетические показатели двигателя и параметры era рабочего процесса Косвенное измерение крутящего ыоиеьла путем измерения

Рис.4. Структурная блок-схема СЛУ для имитации па стенда условий разгона

.двигателя на автомобиле с ГМП

На рис. 4: 1,2 - преобразователь и датчик импульсного тахометра; 3 - ДЗ;, 4-двигатель; 5,6 - датчик и усилитель-преобразователь эффективного щзутящего момента: 7 - .тормозная установка; 8 - электромашинный усилитель (ЭМУ); 9 - усилитель мощности (УМ); 10,11 - элементы сравнения, формирующие первичные сигналы рассогласования; 12 - суммирующий решающий усилитель (РУ) с последовательными корекгирувдиш элементами; 13 - дифференцирующий РУ; 14-РУ для получения сигнала Ы£к; 15 - логическая схема управления окончанием разгона и возвратом двигателя в исходный режим (ИР); 16 - итеграторы; 17 — блоки перемножения; 18 - блок деления; 19 -блоки нелинейности; 20 - инверторы; Кг,К2,Р1,Рг - компараторы и реле переключения с 1 на 2 и со 2 на 3 передачи; РК,РД»РВ - реле управления окончанием разгона, закрытием ДЗ, возвратом двигателя в ИР; В1 ,В2 - переключатели для принудительного включения 2 и 3 передачи; К - концевой выключатель нижнего упора привода ДЗ.

эффективного момента Ме или нагружающего момента М^ при разгоне требует учета гастеы;втичёс1ап по1^шностей определения моментов инерции ВВПДМ двигателя 1Д и ротора тормоза 1т. Определение' значений 1Д исследуемых двигателей с суммарной погрешностью 1,0-2,02 позволило' получить достоверные данные об их' энергетических показателях в процессе разгона.

Несоответствие друг другу динамических характеристик (ДХ) СИ параметров, которые ставятся в соответствие друг другу, приводит к появлению погрешностей, величина которых бх определяется:

51 = —•-Ц-Т-Тт и —--яг"'-** - (35' где ху - величина исследуемого параметра на УР; зх'/аи, зху/эг -градиенты ху по угловой скорости и углу поворота ДЗ; е, V - ускорение КВ и скорость открытия ДЗ; Тх ы, Тх р - разности постоянных времени соответствующих СИ.

Частотный спектр исследуемых сигналов и предельные значения их амплитуд определялись' для ПП давления во ВТ рк и расхода воздуха на входе во ВТ Св при быстром открытии ДЗ. В качестве ММ рассматривалась задача о заполнении емкости через турбулентный дроссель переменного сечения. Разложение переходных характеристик Р^Ш и С^-Ш-в ряд Фурье,- а также эксперименты с .использованием конкретных СИ рк, йв и фильтров нижних частот показали, что необходимый диапазон неискаженного пропускания частот для этих СИ лежит в пределах 0-28 Гц. Однако, частота собственных колебаний 1С измерительного преобразователя (ИШ СИ определяется также. частотами гармоник, вызванных цикличностью работы двигателя. Исходя из этого значение 1с ИП расхода воздуха должно лежать в пределах 600-800 Гц для 8-ми цилиндрового 4-х тактного двигателя.

Проведен анализ ДГ применяемых СИ частоты вращения, двух вариантов СИ крутящего момента и СИ расхода воздуха.

Разработана конструкция СИ'тормозного мшента И1. предназначенного для диналтческих измерений. Показано, что требования к ДХ такого СИ определяются в основном частотным спектром сигнала Ь^Ш, который лимитируется электрической инерционностью тормоза.

Разработана конструкция СИ . мгновенного расхода воздуха с чувствительным элементом в виде тела обтекания, восяриниматкцего динамическое давление потока и выполняющего роль ИП. Проточная часть расходомера, выношенная в виде сопла Вентуря, повысила чувствительность ИП при сохранении допустимой потеря напора.

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментальны! исследований работы двигателей на НУ?, проводится их сопоставление с результатами теоретического анализа; исследуются возможности повышения динамики автомобиля за счет улучшения качества ГШ крутящего момента двигателя . ^

По характеру протекания ПП крутящего момента М£к процесс разгона двигателя может быть разделен на 2 фазы: начальную и основную (НФ и ОФ). Изменения М^ в № разгона определяются свободными Ш в системах воздухоснабжения и топливоподачи, вызванными начальным воздействием на ДЗ. Для № характерно резкое нарастание М|к, задержка и даже снижение ("провалы") М£к. В ОФ разгона изменение М*КШ в основном определяется его изменением по статической ВСХ, и ПП М£к(г), Св(г), дрк(1) носят характер вынужденных ПП. Эксперименты показали, что в ОФ разгона энергетические показатели исследуемых двигателей при- полностью открытых ДЗ практически совпадают с их значениями на сходственных УР во всем диапазоне ускорений КВ (рис. 6), что согласуется с оценкой наполнения двигателя на этих режимах (рис.7).

Для определения энергетических показателей в НФ разгона необходимо рассматривать всю картину ПП с учетом начальных условий и начального воздействия. С увеличением интенсивности разгона доля НФ' растет, и'сша охватывает больший интервал по динамической ВСХ (рис.6). Сравнение результатов моделирования с результатами экспериментов показало, что разработанная НЫ правильно отражает общие закономерности изменения расхода воздуха, давления во ВТ и потенциального крутящего момента Ы*к (рис. 8).

Сравнение реального и потенциального переходных процессов показало, что реализация потенциального крутящего момента. М£к в НФ разгона может С01фатить время разгона автомобиля с ГШ до скорости 100 км/ч не более, чем на 0,82. При этом суммарные отличия Ы£к в НФ разгона от потенциальных значений составляют порядка 82. Эксперименты также показали, что такие отличия, вызываемые "провалами" или "задержками" в ПП М£к(1;), не приводят ,к дискомфортным явлениям при разгоне автомобиля.

Предлагается комплекс мероприятий, обеспечивающих необходимую монотонность ПП при минимальных затратах топлива. Улучшение управления вторыми камерами многокамерного карбюратора предусматривает их более позднее включение по частоте вращения" и открытие в узком диапазоне частот вращения. Это мероприятие наря-

Рис. б. Динамические (-) и статическая (•---•) ВСХ

двигателя ЗИЛ-4104 . 1,2, 3, 4, 5, 6, 7 для еп= 24 , 42 , 74,

124, 170, 380, 620 рад/с2; ---граница НФ и 0Ф разгона.

с - среднее угловое ускорение разгона.

Л7е 4асо . И-ч П, 600 .ии^1

ш

200

3200.

гкю.

то.

гоо.

т / /

' **" / ХГ"' V у

/ V \ / 1/ у

/ У ✓ -

/ а / X1 у

> Г/ Гч, Ь.

У А

&

0.2

0.4

0£

06

б*

зоо

600

Аоо

12СО

1.0

Рис. Т. Разгоны двигателя ЗШГ-4104. ет= 380 рад/с2, етах=410 рад/с2; ----- квазистационарные Ш кС^И).

Рис. 8. Переходные

процессы"рТг), Т7 (г) и

101:), полученные

6 »

^ решением уравнений Ш грс} (—) н в результате экспериментов (-----).

Двигатель

зйл-4104,

п=1000 шш : 1 = О,Обе. •

рг

■40

го

2.0

ко

о.О

гр

ду с рациональным уменьшением диаметра диффузоров вторых камер уменьшает "провал" М£к при их включении. Согласование работы системы холостого хода с главной дозирующей системой, позволяет при медленных открытиях ДЗ обходиться без ускорительного насоса.

Оценка эффективности предложенных мероприятий проводилась с использованием интегральных оценок НФ разгона и показателей динамики разгона автомобиля по результатам испытаний двигателя на моделирующем стенде. Проведенные эксперименты подтвердили правильность основных положений, заложенных в ММ расхода воздуха и крутящего момента М£к двигателя в ПП разгона, позволили найти объективные критерии оценки качества ПП М^ НФ разгона, наметить пути реализации потенциальных энергетических показателей двигателя, показали эффективность применения моделирующего стенда.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложенная математическая модель потенциальных энергетических показателей двигателя в переходном процессе (ПП) учитывает динамические свойства впускного трубопровода (ВТ) как пневматической емкости и фазовый сдвиг между изменениями условий на впуске и моментом их реализации в цилиндрах. Результаты моделирования интенсивных переходных процессов расхода воздуха, давления во ВТ и крутящего момента, вызванных открытием дроссельных заслонок (ДЗ), совпали с результатами экспериментов.

2. Введенное понятие потенциальных энергетических показателей двигателя в переходном процессе (ПП), учитывающее отличия в его наполнении на сопоставляемых установившихся и неустановившихся режимах (УР и НУР), характеризует примерную границу, реализуемую совершенствованием управления тошшвоподачей, углом опережения зажигания и тепловым состояние» двигателя.

3. Предложено процесс разгона бензинового двигателя, осуществляема® быстрым и полным открытием ДЗ, по характеру ПП крутящего момента М|КШ разделить на 2 фазы: начальную и основную (НФ и ОФ). В НФ разгона характер изменения Ы£к(1:) определяется в основном свободными ПП систем воздухоснзбкения и топливоподачи. В ОФ разгона ПП М£Н(Ъ) определяется в основном _ характеристикой М*(п) и носит характер вынужденного ПП.

4. Показано, что в ОФ разгона двигателя с • жидкостным подогревом ВТ его энергетические показатели, «включающие затраты па разгон вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс

двигателя, совпадают с соответствующими значениями на УР независимо от углового ускорения е коленчатого вала (КВ).

5. Показано, что энергетические показатели двигателя в НФ разгона не могут определяться только как функции соответствующих режимных параметров двигателя, а требуют рассмотрения всего ПП с учетом начальных условий и начального воздействия. С увеличением углового ускорения КВ относительная длительность НФ возрастает, охватывая все больший интервал частот вращения и снижая средние энергетические показатели за разгон.

6. Предложенная оценка НФ разгона учитывает суммарные отличия энергетических показателей двигателя в ней от потенциальных и позволяет оценить целесообразность повышения монотонности ПП М£КШ. Эксперименты показали, что величина этих отличий в пределах 8% незначительно отражается на динамических качествах автомобиля и не приводит к дискомфортным явлениям при его разгоне.

7. Разработанная стандартизованная методика испытаний автомобильных двигателей на НУР и предложенные безразмерные интегральные критерии разгона позволяют объективно оценить влияние углового ускорения КВ на энергетические показатели двигателя, а также сравнить динамические качества различных двигателей, не связывая их с конкретным автомобилем^ . .....

8. Созданный моделирующий стенд, включающий в себя систему автоматического управления с двигателем в качестве объекта управления и индукторным тормозом в качестве исполнительного устройства, воспроизводит условия нагружения двигателя, адекватные условиям его работы на автомобиле с гидромеханической передачей (Ш1). Применение стенда, дает возможность оперативно и точно оценивать влияние изменений в двигателе непосредственно на показатели динамики разгона и экономичность автомобиля, что' позволило для ряда задач отказаться от проведения дорожных испытаний автомобиля или значительно сократить их объем.

9. Метрологическое обеспечение исследований НУР, разработанное на основе теории динамических измерений, позволило теоретически обосновать и экспериментально подтвердить требования к динамическим характеристикам средств измерений режимных параметров и показателей двигателя, что обеспечило достоверность их измерений' в различных' типах переходных процессов. ■'« •

10. Проведенный анализ точности различных экспериментальных методов определения момента инерции вращающихся и возвратно-пос-

тупательно движущихся, масс двигателя 1д позволяет выбрать метод в зависимости от требуемой точности и возможности конкретной реализации. Представляется целесообразным стандартизировать методы определения .1Д и " ввести его значение в состав технической характеристики двигателя.

11. Разработанный комплекс мероприятий по уточнению регулировки системы питания двигателей ЗИЛ повысил качество переходного процесса M£K(t) и его устойчивость к дестабилизирующим факторам при сохранении динамических и ездовых качеств автомобиля без дополнительных затрат топлива. Рекомендации по уточнению проходных сечений воздушного тракта карбюраторов, . способа ,управления вторыми камерами многокамерного карбюратора, регулировки системы холостого хода учтены объединением АМО-ЗИЛ при доводке систем питания бензиновых двигателей ЗИЛ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах 1. Архангельский В.М., Дербаремдикер Н.Д., Пришвин С.А. и др. Определение экономичности работы двигателя на режимах разгона в условиях моделирующего стенда // Автомобильная промышленность. -1974.- Н 8.-. С. 6-8. ., Г

2. Архангельский В.М., Пришвин С.А., Зшггейн С.С. Применение моделирования при воспроизведении ездовых циклов автомобиля в условиях моторного стенда. В кн.: Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания.- М.: МАДИ, 1978. - С. 1&-24.

3. Архангельский В.М., Пришвин С.А., Туркин D.E., Эпштейн С.С. Исследование влияния ускорительного насоса на разгон автомобильного двигателя // Труды МАДИ - 1978. - С. 93-100.

4. Пришвин С.А., Зшггейн С.С. Экспериментальное определение момента инерции ротора индукторного тормоза без его разборки.

В кн.: Совершенствование автотракторных ДВС.- М.: МАДИ, 1985. -С. 147-153.

Пришвин С.А.,- Эпштейн С.С. Динамические погрешности, импульсных измерителей частоты вращения и методика экспериментального определения их инерционности. В кн.: Автомобильные и тракторные ДВС. - М.: МАДИ, 1986. - С. 183-191:

б. Архангельский В.М., Пришвин С.А. Определение границ применимости индукторного тормоза в качестве исполнительного элемента системы автоматического регулирования моделирующего стенда. В

кн.: Рабочие процессы в ДВС.- М.: МАЛИ, 1987.- С. 172-178.

7. Пришвин С.А., Эпштейн С.С. Преобразующие свойства и дина--мические качества индукторного тормоза как исполнительного элемента системы автоматического регулирования моделирующего стенда. В кн.: Рабочие процессы в ДВС. - М.: МАДИ, 1987. - С. 179-188.

8. Архангельский В.И., Пришвин С.А., Эпштейн С.С. Энергетические показатели карбюраторных двигателей при их разгонах на режимах полной ыощаости//Двигателестроение.- 1988.N 4.- С. 9-11, 23.

9. Пришвин С.А., Эпштейн С.С. Исследование разгонов автомобильных . двигателей требуют дзбого подхода. // Двигателестроение. - 1989. - N 11. - С. 57-58.

10. Пришвин С.А., Годдина В.Н. Аппроксимация исходных зависимостей для построения математической модели наполнения карбюраторного двигателя в переходных процессах. В кн.: Совершенствование рабочих процессов и конструкции автомобильных и тракторных двигателей. - М.: МАДИ, 1989. - С. 114-121.

11. Пришвин С.А., Эпштейн С.С. Определение момента инерции ротора тормозной установки методом "разгон - выбег". В кн.: Совершенствование рабочих процессов и конструкции автомоб: к трактор, двигателей. - М.: МАДИ, 1989. - С. 122-128.

12. Архангельский В.М., Пришвин С.А., Эпштейн С.С. Исследование наполнения автомобильных дзкгателей при разгонах на режимах полной мощности // Двигателестроение.- 1990.- N 2, С. 5-8.

13. Пришвин С.А., Эпштейн С.С. Динамические измерения при исследованиях неустановившихся режимов работы автомобильных карбюраторных двигателей // Двигателестрогние. - 1990. - N 7. -С. 25-29.

14. Пришвин С.А. Влияние кутящего момента двигателя на динамические качества легкового автомобиля с гидромеханической передачей. - В кн.: Улучшение показателей работы автомобильных и тракторных двигателей. И.: МАДИ, 1990. - С. 103-110. \

15. Пришвин С.А. Оценка точности различных методов определения момента инерции двигателя и тормозной установки. - В кн.: Повышение эффективности автомобильных и тракторных двигателей. -

■ М.: МАДИ, 1995. - С. 99-144. • "