Содержание к диссертации
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ
ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИЧИН СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КАТУШКИ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ
МСУД. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Анализ функциональных особенностей высоковольтной
катушки зажигания в системе зажигания 12
Влияние параметров высоковольтной катушки на систему зажигания 12
Анализ конструкций стержневых катушек 18 зажигания
1.2. Развитие конструкции современных катушек зажигания .. 24
Катушки зажигания классической конструкции.... 24
Современные «сухие» катушки зажигания 31
Индивидуальные катушки зажигания 36
1.3. Анализ методов проектирования высоковольтных катушек
зажигания 39
Классические методы расчета электромагнитных параметров катушки зажигания 40
Недостатки классических методов расчета магнитной цепи современной СКЗ 47
Методы расчета насыщенных магнитных цепей.... 51
Выводы 59
Постановка задач исследования 60
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕРЖНЕВЫХ
КАТУШЕК ЗАЖИГАНИЯ 62
2.1. Исследование магнитного поля СКЗ 62
2.1.1. Метод конечных элементов в применении к
анализу магнитного поля СКЗ 62
Моделирование магнитного поля СКЗ в программной среде ANSYS/EMAG 67
Выбор параметров расчетной сетки и границ области математического моделирования 78
Анализ магнитного поля СКЗ 81
2.2. Разработка инженерных методов расчета магнитной цепи
СКЗ с учетом насыщения магнитопровода 85
Разработка схемы замещения магнитной цепи СКЗ.. 86
Расчет электромагнитных параметров СКЗ и параметров разряда по схемам замещения и их программная реализация 95
Оценка значимости фактора насыщения магнитопровода и вытеснения потока при проведении магнитного расчета СКЗ 102
2.3. Исследование магнитной цепи СКЗ с постоянными
магнитами в магнитопроводе 106
Моделирование магнитного поля СКЗ с постоянными магнитами в магнитопроводе 106
Схема замещения магнитной цепи СКЗ с постоянными магнитами в магнитопроводе 109
2.4. Выводы 111
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕРЖНЕВОЙ
КАТУШКИ ЗАЖИГАНИЯ 113
3.1. Методика определения магнитных потоков в СКЗ 114
Физическая модель магнитной цепи СКЗ 115
Измерение потока в сердечнике СКЗ 117
Определение потокосцепления витков первичной обмотки СКЗ 122
Измерение потока, вытесненного из наружного магнитопровода 123
Методика измерения времени накопления энергии в магнитном поле первичной обмотки СКЗ 126
Экспериментальное определение характеристик постоянных магнитов, применяемых в магнитопроводе СКЗ.... 131
Адекватность результатов, полученных расчетным и экспериментальным методами 134
3.5. Выводы 143
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ СКЗ НА ПРОЦЕСС НАКОПЛЕНИЯ
ЭНЕРГИИ В СКЗ 144
4.1. Анализ влияния объема постоянных магнитов в
магнитопроводе на накопление энергии СКЗ 144
Применение магнитного шунта в магнитопроводе СКЗ 152
Анализ влияния диаметра наружного магнитопровода на накопление энергии в СКЗ 158
4.4. Анализ влияния расположения и ширины намотки
первичной обмотки на накопление энергии 160
4.5. Анализ влияния диаметра сердечника на величину энергии
и время ее накопления 162
4.6. Рекомендации по проектированию и повышению
энергетических показателей СКЗ 166
4.7. Выводы 167
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 169
ЛИТЕРАТУРА 172
ПРИЛОЖЕНИЯ 183
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
МСУД КЗ
м.д.с. э.д.с. МКЭ
двигатель внутреннего сгорания; микропроцессорная система управления двигателем; катушка зажигания; стержневая катушка зажигания; магнитодвижущая (намагничивающая) сила; электродвижущая сила; метод конечных элементов
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
[Ом]
[мс]
напряжение питания
падение напряжения на коммутирующем элементе МСУД
напряжение на первичной обмотке КЗ
напряжение на вторичной обмотке КЗ
максимальное вторичное напряжение, развиваемое КЗ
пробивное напряжение воздушного промежутка свечи
зажигания
напряжение на свече во время индуктивной фазы разряда
ток в первичной обмотке КЗ
ток в первичной обмотке катушки зажигания в момент
закрытия коммутирующего элемента МСУД (ток разрыва)
ток во вторичной обмотке КЗ
ток разряда в искровом промежутке разрядника (ток через
стабилитрон в схеме со стабилитроном)
сопротивление проводов, соединений первичной цепи
системы зажигания и динамическое сопротивление
коммутирующего элемента МСУД
время достижения тока Ір в первичной обмотке КЗ
длительность емкостной и индуктивной фаз искрового
разряда
энергия, накопленная в магнитном поле КЗ за время 4
энергия искрового разряда
индуктивность первичной обмотки КЗ
индуктивность вторичной обмотки КЗ
емкость первичного контура системы зажигания
емкость вторичного контура системы зажигания
емкость вторичной обмотки КЗ
сопротивление потерь в системе зажигания в процессе
преобразования энергии в КЗ
сопротивление первичной обмотки КЗ
сопротивление вторичной обмотки КЗ
коэффициент трансформации КЗ
длина наружного магнитопровода КЗ
диаметр внутренний цилиндра наружного магнитопровода
толщина ленты наружного магнитопровода КЗ
длина сердечника магнитопровода КЗ
эквивалентный диаметр сердечника магнитопровода КЗ
длина постоянного магнита сердечника магнитопровода КЗ
диаметр магнита сердечника магнитопровода КЗ
ширина намотки первичной обмотки КЗ
расстояние от края сердечника до края первичной обмотки
расстояние от края сердечника до края вторичной обмотки
диаметр внутренний первичной обмотки КЗ
диаметр провода первичной обмотки КЗ
ширина намотки вторичной обмотки КЗ
диаметр внутренний вторичной обмотки КЗ
диаметр провода вторичной обмотки КЗ
7 число витков первичной обмотки КЗ число витков вторичной обмотки КЗ длина участка в схеме замещения магнитной цепи КЗ магнитный поток в сердечнике магнитопровода КЗ магнитная индукция в сердечнике магнитопровода КЗ поток в наружном магнитопроводе КЗ индукция в наружном магнитопроводе КЗ поток, вытесненный из наружного магнитопровода КЗ поток «рассеяния» между сердечником и наружным магнитопроводом КЗ
RM [Ом] магнитное сопротивление постоянного магнита сердечника
магнитопровода СКЗ
Вм.р. [Ом] сопротивление рассеяния магнита
Ем [А] м.д.с. постоянного магнита
Вм [Тл] индукция на поверхности магнита
Вг [Тл] остаточная индукция в магните
Нс [А/м] коэрцитивная сила магнита
Но [Гн/м] абсолютная магнитная проницаемость в вакууме,
//0 = 4-л--10"7
juM [Гн/м] относительная магнитная проницаемость магнита
ці\ [мВб] потокосцепление первичной обмотки КЗ
щ [мВб] потокосцепление вторичной обмотки КЗ
Введение к работе
Актуальность работы. Применение стержневых катушек зажигания (СКЗ) или «катушек на свечу» (coil-on-plug) в системах зажигания автомобильных ДВС является одним из приоритетных в настоящее время направлений их развития. Эти катушки устанавливаются на большинстве современных автомобилей ведущих фирм с 2000 г. Существует и отечественная конструкция - в РФ разработана и находится в производстве на ЗАО «МЗАТЭ-2» катушка зажигания типа 43.3705.
Существующие в отечественной практике методики не позволяют достоверно рассчитывать электромагнитные параметры СКЗ из-за присущих им допущений и совершенно неприменимы для расчета новейших СКЗ с постоянными магнитами, установленными на сердечнике магнитопровода.
Актуальность работы определяется направленностью ее на исследование конструктивных особенностей, электромагнитных полей и создание методов расчета катушек зажигания нового типа.
Цель работы. Целью работы является разработка метода расчета электромагнитных параметров стержневых катушек зажигания микропроцессорных систем управления бензиновым двигателем.
Методы исследований. Для оценки возможности расчета стержневой катушки зажигания в работе применялись классические методы расчета катушек зажигания с разомкнутым магнитопроводом. Исследования магнитных полей стержневых катушек зажигания проводились с использованием метода конечных элементов в программной среде ANSYS/EMAG, расчет интегральных параметров - по программам, написанных автором на специализированном языке APDL. При решении задачи распределения магнитного поля СКЗ применялся итерационный метод Ньютона-Рафсона. При создании методики расчета электромагнитных
9 параметров СКЗ на основе предложенных схем замещения расчетные исследования выполнялись с использованием программы моделирования нелинейных электрических схем ИРИС.
Экспериментальные исследования при измерении параметров магнитного поля и осциллографировании тока в первичной обмотке катушки зажигания проводились на физической модели СКЗ и стенде, созданных автором, и лабораторных установках кафедры АТЭ МГТУ «МАМИ». Измерение характеристик постоянных магнитов проводилось во ФГУП НИИАЭ и на установке, собранной автором.
Научная новизна результатов исследования.
-выявлены конструктивные особенности современных отечественных и зарубежных СКЗ и причины неадекватной применимости существующих в отечественной практике классических методов расчета катушек зажигания;
-разработана конечно-элементная модель магнитного поля СКЗ и методика расчета электромагнитных параметров стержневой катушки зажигания с учетом насыщения магнитопровода и наличия в нем постоянных магнитов;
-получено пространственное распределение магнитного поля СКЗ, установлены взаимосвязи ее конструктивных параметров и энергии, накапливаемой в магнитном поле катушки;
-разработаны схемы замещения магнитных цепей с учетом нелинейных свойств магнитопровода и вытеснения потока из него для СКЗ с постоянными магнитами и без них;
-разработана методика и прикладные программы расчета электромагнитных параметров и параметров разряда СКЗ на основе схем замещения.
Практическая ценность работы. Предложенная методика расчета, основанная на конечно-элементной модели магнитного поля СКЗ
10 обеспечивает расчет и моделирование электромагнитных процессов в катушке с учетом насыщения магнитопровода, вытеснения потока из него, при наличии в нем постоянных магнитов для современных многоклапанных
две.
Разработанные на основе схем замещения методика и прикладные программы обеспечивают расчет электромагнитных параметров и параметров разряда при создании высокоэффективных СКЗ.
По результатам исследований, проведенных на реальных образцах стержневых катушек зажигания, даны рекомендации по выбору конструктивных параметров отечественной СКЗ типа 43.3705, обеспечивающих повышение на 30-40% энергии искрового разряда, что благоприятно сказывается на снижении токсичности ОГ и расходе топлива
две.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики и программы моделирования электромагнитных параметров СКЗ используются в учебном процессе МГТУ «МАМИ» при подготовке студентов по дисциплине «Системы автоматического проектирования электрооборудования автомобилей и тракторов». Методика расчета и пакет прикладных программ по проектированию конструкций СКЗ приняты и используются в научно-производственной практике ЗАО «МЗАТЭ-2», что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МГТУ «МАМИ» в 2002-2006 гг., 4-ом международном научном симпозиуме «Современное автотракторостроение и высшая школа России», посвященном 140-летию МГТУ «МАМИ» 23-24 марта 2005 г., и одобрены на заседании кафедры «Автотракторное электрооборудование» МГТУ «МАМИ».
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в семи печатных работах.
Положения, выносимые на защиту:
-конечно-элементная модель магнитного поля СКЗ;
-схемы замещения магнитных цепей СКЗ;
-методика расчета электромагнитных параметров СКЗ;
-результаты экспериментальных исследований по проверке адекватности математической модели СКЗ;
-результаты расчетных исследований, направленных на
совершенствование отечественной СКЗ типа 43.3705.
Автор выражает глубокую признательность к.т.н. Набоких В.А. и к.т.н. Акимову СВ. за ценные замечания по работе, сотрудникам ЗАО «МЗАТЭ-2» Кабарихо Г.В., Бартеневу Е.А., Рачкову В.В. за предоставление образцов катушек зажигания типа 43.3705 и протоколов их испытаний, сотрудникам отдела ЭМКО ФГУП НИИАЭ за проведение измерений характеристик постоянных магнитов.
