Наша сеть партнеров Banwar
анотація
Розглянуто питання вдосконалення роботи газорозподільного механізму двигуна внутрішнього згоряння автомобіля з точки зору підвищення його екологічних і економічних показників. Представлений процес проектування повністю керованого електромагнітного приводу для клапана газорозподільного механізму.
Ключові слова: електромагнітний привід клапана, газорозподільний механізм, екологічні показники двигуна № держ. реєстрації 0420900096/0025
05.02.02 - Машинознавство, системи приводів і деталі машин
У Ростовській області експлуатується 408 тис. Автомобілів ВАЗ, 91 тис. Автомобілів іноземного 83 тис. Автомобілів «Москвич», понад 100 тис. Інших моделей автомобілів. Серед вантажного автотранспорту області лідерство утримує марка «ГАЗ», на частку якої припадає близько третини автопарку Ростовської області. Проживають в Ростовській області 4,4 млн. Чоловік і на кожну тисячу жителів припадає близько 160 автомобілів, що зовсім небагато поступається аналогічному показнику в середньому по Росії (167 шт.) [1].
C 1-січня 2008 року в Росії введені норми токсичності "Євро-3". Норми "Євро-4" будуть введені з 1 січня 2010 р Зростаючі вимоги до зменшення токсичності викидів, економії палива, підвищення енергетичних показників двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) автомобіля припускають вдосконалення процесів газорозподілу. Роботи в цьому напрямку ведуться безперервно.
На малюнку 1 показані граничні величини норм токсичності для ДВС (по системі Євро 1 - Євро 4), що вводяться в Росії. Допустимі граничні величини відносяться до пройденого шляху проходження для стандартного рухового циклу. Підвищені значення від викидів CO при вступі в дію норм Євро 3 в 2008 році засновується на модифікованому тестовому циклі, при якому відбір проб вихлопних газів відбувається вже з пуску двигуна.
Малюнок 1 - Граничні величини норм токсичності ДВС
Поява нових магнітотвердих матеріалів, нової елементної бази мікроелектроніки і силової електроніки обумовлює можливість створення мехатронних пристроїв управління процесом газорозподілу, що забезпечують високі енергетичні показники ДВС і низьку концентрацію токсичних речовин при згорянні палива.
Робочі характеристики газорозподільних клапанів описується максимальним ходом клапана, а також фазами газорозподілу при відкритті і закритті. У звичайному двигуні ці характеристики при впуску та випуску залишаються незмінними. Однак умови стану у всмоктувальній трубі і колекторі змінюються в залежності від числа обертів і навантаження ДВС, що визначають час заповнення і закриття впускного каналу: так для моменту часу відкриття каналу має значення максимальне наповнення при високому числі оборотів, а залишковий вміст газів в циліндрі має місце при низькому числі оборотів.
Частково, завдання управління фазами газорозподілу може бути вирішена шляхом застосування складної механіки управління розсувним розподільним валом або різнопрофільними кулачками [2], однак такі газорозподільні механізми (ГРМ) не знаходять широкого застосування через високу конструктивну складність і недостатньо високої експлуатаційної надійності.
Таким чином, поршневий двигун з механічним приводом клапанів має низку істотних недоліків:
1) під кожну нову конструкцію двигуна необхідно експериментально підбирати співвідношення фаз газорозподілу і створити розподільний вал з таким профілем і взаємним розташуванням штовхають кулачків, які найбільш оптимально відповідали б не тільки конструкції, а й призначенням розробляється двигуна [3];
2) для двигунів з розподільним валом складність виконання перерахованих вимог полягає в їх суперечливості - можна створити екологічно досконалий двигун, але при цьому зросте споживання палива, впаде питома потужність і різко збільшиться продажна вартість автомобіля.
Всі ці недоліки можуть бути усунені на основі використання індивідуальних приводів клапанів ГРМ з електронним управлінням.
Роботи зі створення поршневого ДВС без розподільного вала ведуться багатьма фахівцями в світі. З усуненням постійної кінематичного зв'язку між клапанами ГРМ і колінчастим валом двигуна з'являється можливість автоматичного регулювання фаз газорозподілу. Безпосереднє управління клапанами за допомогою електромагнітних приводів дозволяє отримати з індивідуальним регулюванням кожним клапаном ГРМ, незалежно від кута повороту колінчастого вала. Рух клапана є функцією від часу і не залежить від частоти обертання. Характеристики ходу є повністю релевантними по відношенню до колінчастого валу.
Електромагнітний привід (ЕМП) клапанів ГРМ - це система без розподільних валів, в якій приведення клапанів в дію відбувається за допомогою електромагнітів. Газорозподільні клапани двигуна переміщаються в кінцеві положення пружинами і утримуються в них (клапан відкритий / закритий) за допомогою отпирающей / замикаючої котушок. За допомогою цілеспрямованого управління електромагнітами можна впливати на фази газорозподілу клапана. Такий підхід забезпечує отримання характеристики ходу з постійним часом перемикання, яке в свою чергу залежить від жорсткості пружини і величин наведених мас.
Якір електромагніту пов'язаний з клапаном в кожному кінцевому положенні. Мінімальна тривалість відкриття визначається частотою коливань механічної системи. Отже, електромагнітні системи приводів клапанів при максимальному ході використовуються тільки для управління тривалістю їх відкриття.
Дослідження розробок в області створення ЕМП газорозподільних клапанів показали, що до теперішнього часу не розроблена теорія оптимального проектування таких приводів, немає інженерних методик розрахунку для електромагнітів клапанів, і як наслідок, до сих пір немає конструкцій ГРМ з електромагнітними клапанами, прийнятних для широкого використання в ДВС з клапанним газорозподілом.
У 2004 р роботи по створенню газорозподільних механізмів з електромагнітними приводами клапанів були розпочаті в ВАТ НТЦ «АВТОВАЗ». У співпраці з Південно-Російським державним технічним університетом (Новочеркаським політехнічним інститутом) були виконані дослідження з розробки індивідуального електромагнітного приводу клапана (ІЕМПК) ГРМ ДВС. Проведені дослідження показали, що задані вимоги можуть бути забезпечені швидкодіючим електромагнітом двосторонньої дії з нейтральною або поляризованої магнітною системою, в якій заданий час спрацьовування t до досягається за рахунок прискорює пружини, а електромагнітні сили використовуються в основному для утримання якоря в крайніх положеннях. Такі приводи відносяться до ЕМ зворотно-поступального і зворотно-обертального дії. Для забезпечення заданої динаміки перемикання механічна система такого ЕМ будується за принципом резонансної (маятникової). В ЕМ такого типу якір переміщається під дією робочої (прискорює) пружини і електромагнітної сили, створюваної обмоткою управління і / або постійним магнітом. Хід робочої пружини становить половину від повного ходу якоря.
Малюнок 2 - Конструкція електромагнітного приводу ГРМ
Обрана конструкція ЕМП (малюнок 2) містить два ЕМ, встановлених в загальному циліндричному корпусі 1. Кожен ЕМ має броньовий магнітну систему, яка утворена зовнішнім чашоподібним магнитопроводом 2, концентратором магнітного поля в робочому повітряному зазорі 4 і утримує постійним магнітом 3. Загальний для обох ЕМ якір 5 жорстко закріплений на штоку 6, який діє на клапан ГРМ. На нижньому кінці штока 6 з допомогою запірного кільця 8 встановлена пружина 7, яка за своїми характеристиками ідентична клапанної пружині і створює зусилля протилежне останньої. Під дією цих пружин в основному здійснюється рух якоря і всього клапанного механізму в межах його ходу. Електромагніти утримують клапан в крайніх положеннях і забезпечують необхідний закон його переміщення.
Управління кожним ЕМ здійснюється за допомогою обмотки управління 9, імпульсами напруги від силового електронного комутатора системи управління двигуном.
На підставі розробленої методики розрахунку електромагніта були отримані геометричні розміри і обмотувальні дані електромагніту. З огляду на складну конфігурацію магнітної системи пристрою, застосування методів теорії кіл не дозволяє отримати прийнятну точність, тому для розрахунку статичних характеристик електромагніта були використані методи теорії поля. З урахуванням зміни магнітної системи в розглянутій конструкції розрахунок магнітного поля зводився до вирішення завдання в осесиметричної постановці. Розрахунок виконувався методом кінцевих елементів з використанням програмного комплексу FEMM [4].
Для визначення залежностей потокосцепления розрахункових контурів, відповідних обмоток електромагнітів і зусилля, що діє на якір були виконані розрахунки розподілу магнітного поля при різних положеннях якоря. Оскільки, відповідно до принципу роботи даного пристрою, в обох обмотках одночасно струму бути не може, розрахунки проводилися для випадку, коли струм протікає тільки в обмотці одного (верхнього) електромагніту. З огляду на симетрію конструкції, для іншого електромагніту при однаковому струмі в обмотці сила матиме ту ж величину, але відрізнятися за знаком. Результати розрахунків потокосцепления розрахункового контуру, відповідного обмотці електромагніту і сили діючої на якір (статичні характеристики) наведені на малюнках 3 і 4.
Малюнок 3 - Залежності потокосцепления розрахункового контуру обмотки електромагніту від струму при різних положеннях якоря
Малюнок 4 - Залежності сили діючої на якір від струму в обмотці електромагніта при різних положеннях якоря
З використанням методики, наведеної в [5] були отримані динамічні характеристики (рисунок 5) та необхідний закон управління ЕМП (рисунок 6).
а) б)
Малюнок 5 - Динамічні характеристики ЕМП:
а) залежність переміщення якоря від часу;
б) залежність швидкості якоря від часу
Малюнок 6 - Закон зміни МДС обмоток від часу
Розроблено методику для визначення початкових параметрів управління при використанні системи управління ЕМП з мінімальною кількістю датчиків стану приводу. За допомогою даної методики визначаються тривалості кожної фази і величини струмів на їх протязі. Це дозволяє синтезувати параметри токового сигналу управління, який повинен забезпечувати задану динаміку спрацювання ЕМП. Система управління електромагнітним клапаном повинна забезпечувати задану швидкість підходу якоря до крайніх положень і його утримання. Для "м'якої" посадки якоря на магнітопровід і клапана на сідло ця швидкість повинна бути близькою до нуля.
За результатами досліджень в ЮРГТУ (НПІ) був розроблений і реалізований макетний зразок ЕМП ГРМ ДВС (малюнок 7). Від відомих конструкцій він відрізняється поляризованої конструкцією магнітної системи, що дозволяє скоротити споживання енергії при фіксації якоря в одному з крайніх положень [6, 7].
Малюнок 7 - Макетний зразок індивідуального електромагнітного приводу клапана (ІЕМПК) ГРМ ДВС
Розроблено стенд для дослідження характеристик ЕМП клапана, структура якого представлена на малюнку 8.
Малюнок 8 - Стенд для дослідження характеристик ЕМП клапана ГРМ ДВС
Система з індивідуальним електромагнітним приводом клапана ГРМ забезпечить:
- нижчий рівень викиду шкідливих речовин;
- зниження витрати палива, аж до відключення окремих циліндрів (на холостому ходу досягає 18%, а в найбільш ходовому діапазоні оборотів, при часткових навантаженнях - 10%.);
- зниження витрати енергії на тертя;
- поліпшення потужних характеристик двигуна шляхом розширення діапазону підвищеної потужності і крутного моменту по частоті обертання;
- можливість отримання багатопаливного двигуна;
- зниження шуму, вібрацій і жорсткості роботи двигуна.
В даний час роботи над ЕМП ГРМ спрямовані на розробку нових конструкцій, вдосконалення системи управління та алгоритмів управління з метою зниження енергоспоживання і масогабаритних показників, з метою отримання повністю керованого мехатронного пристрої.
Список використаних джерел
1. Інформаційне агентство LADAONLINE [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.ladaonline.ru/news/4710/ , Вільний.
2. Автомобільний довідник. Переклад з англ. - М .: Изд. «За кермом», 2000..
3. Двигуни внутрішнього згоряння. Теорія робочих процесів (том 1) / В.М. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачіян і ін. Під ред. В.К. Луканіна. М .: Вища школа, 1995, 369 с.
4. Finite Element Method Magnetics [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://femm.foster-miller.net/wiki/HomePage, вільний.
5. Пат. 2284600 РФ. Спосіб управління швидкодіючим електромагнітом / Павленко А.В., Грінченка В.П., Бєляєв Н.П., Постніков А.А., Гуммель А.А. - 10.11.2004; Опубл. 27.09.2006 Бюл. № 27.
6. Павленко А.В., Грінченка В.П., Калленбах Е.K., Бєляєв Н.П. Проектування швидкодіючих електромагнітів із заданими динамічними параметрами. Изв. вузів. Електромеханіка. - 2002. - № 4. - С.76-80.
7. Павленко А.В., Грінченка В.П., Бєляєв Н.П., Гуммель А.А. Аналіз і синтез швидкодіючих електромагнітних приводів мехатронних систем. Изв. вузів. Сівши. Кавк. регіон. Техн. науки.-2003. (Спец. Випуск. Проблеми мехатроніки - 2003).