Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы. Задачи исследования 6
1.1. Основные требования предъявляемые к приводу клапанов двигателя внутреннего сгорания 6
1.2. Обзор существующих конструкций приводов 7
1.3. Обоснование необходимости создания индивидуальных приводов клапанов 9
1.4. Назначение, устройство и краткие технические характеристики системы электромагнитного привода клапанов газораспределения двигателей ВАЗ 13
1.5. Предварительный анализ разработок индивидуальных приводов 15
1.6. Цель и задачи диссертации 16
Глава 2. Разработка математической модели индивидуального привода 20
2.1. Модель индивидуального привода с одним электромагнитным приводом с непосредственной передачей движения на клапан 20
2.2. Исследование передачи движения через рычажный механизм 31
2.3. Модель индивидуального привода с двумя электромагнитами 38
2.4 Исследование импульсного электропитания с помощью вычислительного эксперимента 49
2.5. Выводы по главе 74
Глава 3. Экспериментальные исследования индивидуального электромагнитного привода клапана 75
3.1. Описание экспериментальной установки 75
3.2. Математическая модель электромагнитного привода клапана ДВС при непосредственном воздействии на клапан 79
3.3. Параметрическая оптимизация электромагнитного привода клапана ДВС при непосредственном воздействии на клапан 81
3.4. Методика определения оптимальных параметров электромагнитного привода клапана ДВС 88
3.5 Выводы по главе 3 91
Глава 4. Проектирование системы автоматического регулирования индивидуального привода 92
4.1. Выбор параметров электрического питания электромагнитов 92
4.2 Исследование системы привод - управление на устойчивость 102
4.3. Исследование САУ привода клапана в среде MATLAB и MATHCAD 104
4.4 Оценка качественных показателей электромагнитного привода клапанов ДВС 108
4.5 Выводы по главе 4 130
Заключение 132
Литература
- Обоснование необходимости создания индивидуальных приводов клапанов
- Исследование передачи движения через рычажный механизм
- Математическая модель электромагнитного привода клапана ДВС при непосредственном воздействии на клапан
- Исследование системы привод - управление на устойчивость
Введение к работе
Последние десятилетия все ведущие разработчики двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для автомобилей активно совершенствуют механизм газораспределения. Широко применяются решения по увеличению числа клапанов на один цилиндр. Серийно выпускаются автомобили с четырьмя клапанами, а также есть уникальные конструкции с пятью клапанами. Появились разработки фирм БМВ, Мерседес, Renault (valve tronic), которые управляют высотой открытия клапана. Интерес к исследованиям в этой области определяется возрастающими требованиями к экономичности, токсичности, приспособляемости моторов. Удовлетворить запросы непросто, поэтому новые технические решения в этой области - осознанная необходимость.
Использование индивидуального привода впускного клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания позволяет обеспечить заданный закон движения каждого клапана. С помощью такой системы можно не только управлять временем открытия каждого клапана, но и изменять закон движения клапана в зависимости от нагрузки на двигателе. Это позволяет обеспечивать получение максимальной мощности или максимального крутящего момента (или очень маленьких и экономичных оборотов холостого хода), при минимальных расходах топлива. Кроме этого открываются принципиально новые возможности, которые позволяют отключать некоторое количество цилиндров полностью или переводить их на малую нагрузку, так что остальные будут работать более эффективно. Можно переводить двигатель в режим компрессора, возможно, запасая часть энергии при спуске автомобиля с возвышенности [1,24,31,78].
Конструкция самого двигателя становится значительно проще, потому что обычный привод: цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и кулачковые валы — становятся ненужными. Кроме этого, возможность
управления движением клапана и его высотой открытия позволяет отказаться от дроссельной заслонки.
Главное преимущество системы индивидуального привода заключается в том, что время и степень открытия клапанов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя, в зависимости от условий эксплуатации. Экспериментальный двигатель, изготовленный фирмой BMW доказал эффективность такой системы по одному из важнейших показателей -удельному расходу топлива (то есть применение индивидуального привода клапана позволяет уменьшить потребление топлива на 20%).
В качестве приводов клапана могут выступать как гидравлические, пневматические, так и электромагнитные системы. Наиболее гибкими с точки зрения управляемости и простоты конструкции следует считать электромагнитные приводы. В тоже время недостатком таких устройств довольно просто управляемых электроникой, следует считать, низкие удельные характеристики по мощности и достаточно большие размеры. Электромагниты должны открывать клапаны с большой скоростью, часто выше чем, скорость клапана создаваемая кулачками распределительного вала. Поэтому их габариты получаются значительные, особенно если их запитать от 12-вольтовой электрической системы (современные генераторы выдают 14 вольт, снабжая систему напряжением 12 вольт).
Однако, переходя на питание электромагнитов высоким напряжением от 42-вольт до 220 вольт, габариты электромагнита удается значительно уменьшить. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения в три раза электрический ток, необходимый для питания устройств управления клапанами, становится намного меньше, уменьшается размер катушек. Это позволяет создать устройство с размерами близкими к размерам обычного механизма с двумя распределительными валами в головке и клапанными пружинами.
Обоснование необходимости создания индивидуальных приводов клапанов
Кулачковые приводы клапана, жестко определяют закон движения клапана, а, применяя индивидуальный, управляемый от ЭВМ привод, реализованный, например, с помощью электромагнитного, электродинамического, пневматического или гидравлического движителей, можно улучшить наполнение цилиндров, не увеличивая число и размер клапанов не удлиняя фазу впуска и не увеличивая подъем. При тех же времени открытия и высоте подъема определяющий параметр "время - поперечное впускное или выпускное сечение" будет больше, поскольку клапан открывается и закрывается значительно быстрее. Благодаря этому можно увеличить крутящий момент двигателя.
В настоящее время создан опытный образец четырехцилиндрового мотора БМВ с электромагнитными клапанами и непосредственным впрыском бензина. Привод клапанов выглядит следующим образом: подпружиненный клапан помещен между двумя электромагнитами, которые удерживают его в крайних положениях: закрытом или полностью открытом. Специальный датчик выдает блоку управления информацию о текущем положении клапана. Это необходимо, чтобы снизить до минимальной его скорость в момент касания седла. Количество воздуха, поступающего в цилиндр, определяется продолжительностью открытия клапана, при этом высота подъема не регулируется.
Возможности привода довольно широки: достаточно изменить программу управления клапанами, чтобы мотор с четырьмя клапанами на цилиндр стал двух- или трехклапанным. Импульс давлення
Кроме этого, можно выборочно отключать цилиндры, эффективно тормозить двигателем при любых оборотах, на ходу изменять рабочий процесс и превращать четырехтактный мотор в двухтактный или шести-, даже в восьмитактный (на режимах с частичной нагрузкой). Аналогичные исследования ведет компания "Даймлер-Бенц". Здесь изучается гидравлический привод клапанов. Создан опытный образец, оборудованный гидравлическим приводом клапанов (рис. 1.3). Привод напоминает пружинный маятник - гидроцилиндры запускают движение клапана, после которого движением клапана управляет пружина. Для дизельного двигателя необходимы большая мощность и усилие привода, поскольку в момент открытия выпускного клапана в цилиндре еще достаточно большое давление.
Опытный двигатель - одноцилиндровый, рабочим объемом около 2 л-собран на основе поршневой группы мотора "Мерседес-Бенц-Актрос". Максимальное число оборотов не превышает 2000 об/мин, но преимущества нового газораспределительного механизма очевидны. Фазы открытия впускных и выпускных клапанов оптимальны во всем диапазоне частот вращения и нагрузок, что позволяет экономить до 10% топлива и примерно на столько же уменьшить токсичность выхлопа. Гидропривод сохраняет работоспособность до 6000 об/мин, что делает возможным его применение и на легковых автомобилях.
Особый интерес представляет управление процессом торможения двигателем за счет варьирования ширины фазы выпуска, а также изменения рабочего объема многоцилиндровых моторов путем отключения цилиндров. В настоящее время активно ведутся исследования в области варьирования характеристик поршневых моторов в широких пределах. Привлечение цифровых систем управления индивидуальным приводом клапана позволяет реализовать заданные режимы работы ДВС. В тоже время строительство индивидуальных электромагнитных приводов сдерживается из-за отсутствия эффективных методов расчета и проектирования быстродействующих электромагнитных приводов. Фирмы Renault также ведут разработку двигателя без распределительного вала: работой каждого клапана управляет электромагнитный привод. По расчетам это позволит значительно сократить массу мотора и позволит регулировать фазы работы впускных и выпускных клапанов с помощью электроники.
Российский автозавод ВАЗ также разрабатывает и создает 16-ти клапанный ДВС с индивидуальным электромагнитным приводом клапанов. Сформулированы технические требования, которым должна удовлетворять проектируемая система. На сегодняшний день сформулирована задача -разработать систему электромагнитного привода клапанов газораспределения, для двигателей ВАЗ.
Система с индивидуальным электромагнитным приводом клапана, встраиваемая в 16-клапанный бензиновый двигатель ВАЗ с впрыском топлива во впускную трубу, заменяет кулачковые валы со своим приводом и позволяет иметь бездроссельное управление нагрузкой за счет переменных фаз газораспределения, обеспечивая при этом: - более низкий уровень вредных веществ; - снижение расхода топлива, вплоть до отключения отдельных цилиндров; - снижение расхода энергии на трение; - улучшение мощностных характеристик двигателя путем расширения диапазона повышенной мощности и крутящего момента по частоте вращения; - возможность получения многотопливного двигателя; - снижение шума, вибрации и жесткости работы двигателя и т.д.
Технические решения должны быть компактны, надежны и, отвечать условию «стоимость-полезность». Система включает: - исполнительный механизм в виде электромагнитного привода клапана с датчиком перемещения или другим способом измерения перемещения клапана; - преобразователь напряжения бортовой сети автомобиля в высокое напряжение, отслеживающее работу электромагнитного привода; - блок компьютерного управления. Технические характеристики системы: - габаритно-присоединительные размеры электромагнитного привода клапанов не должны увеличивать габаритов двигателя; - рабочее напряжение - 42 В или 100 В;
Исследование передачи движения через рычажный механизм
Введение трансмиссии между якорем электропривода и клапаном позволяет скорректировать силу передаваемую на клапан. Кроме того, при введении промежуточного механизма может быть решена задача нахождения оптимального закона движения якоря электромагнита, обеспечивающего заданный закон движения якоря. В качестве такой трансмиссии могут выступать механизмы различного назначения[5,11,4].в том числе, зубчатые передачи, рычажные устройства. Проблеме передачи движения от якоря к исполнительному звену, в частности, посвящены работы [50,51,52].. Далее рассматривается рычажный механизм, позволяющий преобразовать силу электромагнитного привода в нужной пропорции. Недостатком введения промежуточной трансмиссии является усложнение конструкции и, как следствие, снижение ее надежности. На рис. 2.7 приведена схема исследуемого рычажного устройства. Устройство содержит два рычага совершающих вращательное движение, и один рычаг движущийся плоскопараллельно. Рычаг 1 непосредственно установлен на якоре электромагнита. Устройство работает следующим образом. На обмотку статора поступает импульс нпряжения. Якорь притягивается к статору совместно с рычагом 1 , приводит к перемещению всех рычагов механизма и клапана.
В настоящем параграфе изучаются возможности передачи усилия со стороны электромагнита на клапан с помощью промежуточной трансмиссии, выполненной на основе четырехзвенного рычажного механизма.
Проектирование таких устройств выполняется различными методами в том числе приведенными в [68,69].
Очевидно, что геометрические размеры устройства влияют на передаточные характеристики, поэтому далее построены соответствующие зависимости. Запишем необходимые математические определяющие кинематику устройства:
Полученные соотношения позволяют определить связь между углом поворота рычага 1 и перемещением клапана. Наличие такой зависимости позволяет изучить передаточные возможности механизма. Для построения соответствующих зависимостей для различных значений параметров устройства применялся вычислительный пакет MATHCAD11 [38]и MATLAB 6.0[57]. Первоначально исследовалось влияние длины рычага 1. Длина изменялась в диапазоне от 70 до 120 мм. Остальные параметры в этих расчетах не изменялись, при этом сила F приложенная к рычагу 1 принята равной 100 Н. Угол поворота якоря электромагнита изменялся в пределах от -ОД до 0,4 радиана, что соответствует углу поворота якоря примерно на 27 градусов. Как видно из рисунка 2.8. при длине Lj = 70 мм зависимость перемещения клапана практически линейна на всем интервале варьирования угла поворота якоря. В тоже время величина силы Р изменяется нелинейно, резко возрастая при больших значениях угла поворота.
Наиболее простым и надежным устройством преобразования движения между электромагнитом и клапаном является твердое тело, связывающее якорь и клапан. Схема такого устройства приведена на рис.2.16. Существенным недостатком схемы является то, что к электромагниту предъявляются высокие требования по усилию, что вызывает рост габаритов электромагнита. С целью оптимального распределения усилий в рассматриваемой схеме применены два электромагнита, что позволяет отказаться от возвратной пружины клапана. Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на нижний электромагнит клапан движется вниз. Для его остановки нижний электромагнит отключается. Включается верхний электромагнит, под действием которого, электромагнит движется вверх и садится на седло. Основной задачей при проектировании такой схемы становится правильный выбор параметров электромагнита.
Устройство содержит клапанный механизм, состоящий из клапана 1, направляющей втулки 2 клапана, пружины 3, тарелки 4 пружины 3. Клапанный механизм связан с головкой блока цилиндров 5 и подвижно соединен с якорем 6 электромагнитов 7 и 8. Электромагниты 7 и 8 жестко связаны с рамой электромагнитного механизма 9, закрепленного на головке блока цилиндров 5. Поведение системы отслеживается с помощью датчика, закрепленного на раме электромагнитного механизма 9 (на схеме не показан).
Математическая модель электромагнитного привода клапана ДВС при непосредственном воздействии на клапан
Теория оптимизации нестационарных динамических систем получила интенсивное развитие в конце 60-х годов в результате применения методов линейного и нелинейного программирования. РІдея метода состоит в разбиении интервала времени конечной временной сеткой. Значения функций, определяющих состояние системы в дискретные моменты времени, рассматриваются далее как переменные в задаче нелинейного программирования. Недостатком такого метода является то, что получается задача очень большой размерности [69,27,44,53,58,59,60,65,67,71,72].
Рассмотрим следующий метод определения идеального закона движения. Идея метода состоит в том, что первоначально строится математическая модель исследуемой мехатронной системы. Далее выбирается целевая функция и вектор варьируемых параметров, который, например, состоит из искомых амплитуд гармоник ряда Фурье.
Для нахождения глобального экстремума выбранного критерия качества (целевой функции, в нашем случае это ошибка, возникающая между идеальной и реальной траекториями), первоначально проводится планируемый вычислительный эксперимент с охватом всего пространства варьируемых параметров. На этом этапе анализируются только результаты в точках эксперимента. Аппроксимация не проводится, в связи с тем, что, как показывает опыт, большая глубина варьирования факторов исключает возможность получения удовлетворительной регрессионной модели. Проанализировав результаты предварительного численного эксперимента, можно выбрать более узкую область, находящуюся в непосредственной близости от искомого экстремума. В узкой области, проводится новый эксперимент, решаются задачи аппроксимации и нелинейного программирования. Если экстремум находится на границе, то выбирается новая область экстремума, при этом, если установлено, что тот или иной фактор мало влияет на критерий оптимизации, его целесообразно зафиксировать, что уменьшает пространство варьируемых параметров и упрощает решение задачи.
Будем моделировать закон изменения напряжения питания на электромагнитах привода. Вопросы проектирования оптимальных электромагнитов рассмотрены также в работах[61,62,63,64].
Рассмотрим задачу параметрической оптимизации электромагнитной вибрационной системы, упрощенная схема которой приведена на рис.3.7. Решим задачу определения оптимальных геометрических параметров объекта, обеспечивающих минимальный вес электропривода при заданных значениях соответствующих ограничений.
В общем случае движение электромагнитного привода передается на клапан, воспринимающий давление камеры сгорания. Закон движения клапана должен быть оптимальным для каждого конкретного случая использования двигателя, поэтому правильный подбор параметров программы движения возможен при решении задачи параметрической оптимизации, где целевой функцией выступает технологический критерий качества. В основе методов проектирования мехатронных вибромашин лежит принцип системного подхода, реализуемый с помощью математических моделей элементов исследуемой системы.
Построение дифференциальных уравнений движения необходимых для изучения взаимодействия механической части мехатронного модуля вибрационного движения и электрической осуществлять на основе уравнений Лагранжа — Максвелла, которые позволяют автоматически получать не только уравнения движения механической части системы, но и связанные с ними уравнения электрической части.
Механизмы с электроприводом в этом случае рассматривают как электромеханические системы.
Составление этих уравнений предполагает, что состояние электромеханической системы описывается обобщенными координатами механической части, число которых в голономных системах равно числу степеней свободы механизма, и обобщенными координатами электрической части, определяющими состояние электрической части системы. Эти параметры образуют m -мерный вектор переменных состояния: X — X],....,XmJ.
Действие вибрационной системы происходит в заданном интервале времени 0 t to. Необходимо также выделить параметры, подлежащие определению при решении задачи оптимизации, так называемые, переменные проектирования которые образуют вектор: q = [qi,...,qn]7 (3-9) В большинстве случаев, поведение вибрационной системы описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями: x = F(x,q,t); (ЗЛО)
В настоящей работе рассматривается конкретный класс задач, включающий минимизацию некоторой характеристики системы, называемой далее целевой функцией, которая зависит только от переменных проектирования Kj(q).
Исследование системы привод - управление на устойчивость
Предложена методика описания закона движения клапана на основе кусочно- линейных функций.
Определены параметры электрического питания, обеспечивающие движение клапана по заданному закону.
Проведены сравнительные исследования движения клапана ДВС с разомкнутой и замкнутой системами управления. Показаны преимущества замкнутой системы управления, позволяющей перейти от треугольной формы закона движения к трапециидальной.
Исследованы устойчивость, точность и быстродействие системы управления движением клапана.
Полученные картины распределения основных параметров электромагнитного поля позволяют выбрать основные параметры сердечника электромагнита привода клапана ДВС. Методика позволяет подобрать массогабаритные характеристики привода, удовлетворяющие техническому заданию.
На основе проведенных исследований и обобщений в диссертации получены следующие научные и практические результаты:
1.Выявлено перспективное направление совершенствования индивидуальных электромагнитных приводов клапанов, обеспечивающих движение клапана по заданному закону с изменением высоты и фазы открытия клапана.
2.Разработана математическая модель привода клапана,
рассматриваемого как мехатронная система, в состав которой входят механическая, электрическая и управляющая подсистемы; математическая модель описывает взаимодействие всех указанных подсистем обеспечивающих работу устройства, с учетом величин электродинамических эффектов.
3.У становлена функциональная связь между параметрами упругого элемента клапана, силой сопротивления, преодолеваемой клапаном при движении во втулке и вида напряжения электрического питания электромагнитов.
4.Установлено, что при импульсном питании электромагнитов сдвиг фаз между импульсами существенно влияет на закон движения клапана.
5.Разработана система программного управления движением клапана ДВС, позволяющая с необходимой точностью осуществлять перемещение клапана в соответствии с требованиями технологического процесса работы ДВС.
б.Предложена схема и конструкция индивидуального электромагнитного привода клапана, существенно расширяющая технологические возможности ДВС.
7.Разработана методика расчёта индивидуального электромагнитного привода клапана, позволяющая учитывать взаимодействие привода, клапана. Сконструирован и изготовлен лабораторный образец привода клапана, а также программный комплекс, позволяющий осуществлять управление процессом движения по заданной программе.
8.Проведены экспериментальные исследования динамики устройства с индивидуальным электромагнитным приводом клапана, что дало возможность выработать рекомендации по конструированию и применению индивидуальных приводов клапана.
