Содержание к диссертации
Введение
1 Воздушно-тактовый клапан ДВС. Аналитический обзор
1.1 Существующие впускные системы воздухогазобмена двигателей
1.2 Мехатронный привод воздушно-тактового клапана ДВС
1.2.1 Анализ конструктивных решений электромагнитных приводов 24
1.2.2 Анализ схемотехнических решений для силового коммутатора системы управления мехатронным приводом 30
1.2.3 Анализ технического уровня систем управления мехатронными
1.3 Выводы по главе 1 48
2 Разработка комплексной математической модели мехатронного привода ВТК ДВС 50
2.1 Математическая модель электромагнитного механизма 52
2.2 Математическая модель силового коммутатора
2.4 Комплексная математическая модель мехатронного привода 79
2.5 Математическое моделирование мехатронного привода 81
2.6 Выводы по главе 2 90
3 Исследование мехатронного привода, разработка адаптивного алгоритма управления 92
3.1.1 Способ управления мехатронным приводом на основе измерения тока в обмотке ЭМ при соприкосновении якоря с полюсом 93
3.1.2 Адаптивный алгоритм, основанный на измерении скорости изменения тока в обмотке ЭМ при движении якоря 103
3.2 Разработка методики определения начальных параметров характеристики тока управления резонансным приводом 110
3.3 Выводы по главе 3 119
4 Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований динамических характеристик мехатронного привода ВТК ДВС 121
4.1 Назначение, структурная организация, аппаратно-программное обеспечение комплекса 121
4.2 Экспериментальное исследование динамических характеристик мехатронного привода 126
4.2.1 Исследование времени переключения клапана 128
4.2.2 Исследование скорости якоря при соприкосновении с полюсом 131
4.2.3 Исследование мощности, потребляемой мехатронным приводом ВТК за цикл переключения 132
4.3 Оценка адекватности математической модели 134
4.4 Проведение стендовых испытаний на двигателе внутреннего сгорания 135
4.5 Выводы по главе 4 137
5 Заключение 139
Список литературы
- Мехатронный привод воздушно-тактового клапана ДВС
- Математическая модель силового коммутатора
- Адаптивный алгоритм, основанный на измерении скорости изменения тока в обмотке ЭМ при движении якоря
- Исследование времени переключения клапана
Мехатронный привод воздушно-тактового клапана ДВС
В современных условиях ускоренного темпа развития двигателестроения, а также доминирующих тенденций интенсификации рабочего процесса при условии повышения его экономичности, большее внимание уделяется сокращению сроков создания, доводки и модификации имеющихся типов двигателей. Для снижения уровня выбросов в атмосферу токсичных составляющих, попадающих в состав отработавших газов ДВС в результате испарения и неполноты сгорания топлива, а также для поддержания эффективности работы ДВС в широком диапазоне скоростей вращения и снижения расхода топлива, современные транспортные средства (ТС) оснащаются рядом систем, которые можно объединить под общим названием систем топливоподачи и воздухогазобмена двигателей внутреннего сгорания.
Одним из путей снижения токсичности отработавших газов является совершенствование процесса впуска с целью увеличения коэффициента наполнения цилиндров свежим зарядом, улучшения смесеобразования, процесса сгорания. При эксплуатации автомобиля в городских условиях, двигатель большую часть времени работает на частичных скоростных режимах. Для повышения динамики автомобиля двигатель должен иметь высокий крутящий момент на низких частотах вращения, который напрямую связан с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливно-воздушной смеси [3]. При этом, чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокий момент развивает силовой агрегат. Самое простое решение - повысить крутящий момент на низких оборотах двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции. Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала, но при этом возникают серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что соответственно приводит к снижению ресурса двигателя. Наиболее действенным способом в данной ситуации является наддув.
Для увеличения давления перед впускным клапаном в ДВС применяют три основных способа наддува: 1. Резонансный – при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен). 2. Механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ременной передачей от двигателя. 3. газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов. У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.
Механические нагнетатели (рисунок 1) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум. Рисунок 1 – Механические нагнетатели
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры (рисунок 2). К достоинствам турбокомпрессоров относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Недостатком Газотурбинный компрессор данного типа турбин является низкая эффективность работы компрессора при низкой частоте вращения двигателя, когда количество отработавших газов невелико и наличие так называемой «турбоямы» — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. В атмосферных двигателях внутреннего сгорания применяется так называемый резонансный наддув. Периодичность движения поршня и открытия клапанов порождают во впускном трубопроводе колебания давления газов. При открытии впускного клапана в зоне горловины возникает волна разряжения, которая со скоростью звука распространяется до открытого конца трубопровода, где оказывает возмущающее воздействие на воздушный поток. Вследствие этого во входном сечении трубопровода возникает волна давления, движущаяся к клапану.
Характер колебания давления во впускном трубопроводе (в зоне впускного клапана) имеет волнообразный вид [3]. При этом повышенное давление у впускного клапана достигается в конце процесса впуска непосредственно перед закрытием клапана. В результате повышается перепад между давлением во впускном трубопроводе и давлением в цилиндре, что повышает эффект дозарядки цилиндра топливно-воздушной смесью. Этот эффект можно усилить, если повысить амплитуду колебания давлений во впускном трубопроводе путем настройки системы впуска на явление резонанса, то есть, на совпадение или на кратность частот свободных и вынужденных колебаний давления во впускном трубопроводе. Настройка системы осуществляется путем подбора диаметра и длин впускных трубопроводов, а также установкой резонансных емкостей в многоцилиндровых двигателях. При этом эффект улучшения наполнения реализуется в ограниченном диапазоне частот вращения вала двигателя.
Для обеспечения лучшего наполнения камеры сгорания воздухом в расширенном диапазоне оборотов двигателя, применяются различные системы изменения геометрии впускного коллектора, что является одной из востребованных технологий повышения мощности двигателя, экономии топлива, снижения токсичности отработавших газов. Изменение геометрии впускного коллектора может быть реализовано двумя способами: изменением длины впускного коллектора (рисунок 3а);
Математическая модель силового коммутатора
Электромагнитный механизм в составе мехатронного привода ВТК является основным элементом, преобразующим электрическую энергию в механическую, обеспечивая при этом необходимые функции устройства. Его конструктивные параметры оказывают непосредственное влияние на динамические характеристики исполнительного механизма привода.
Обеспечение функциональных требований привода ВТК возможно ЭМП самой простой конструкции, состоящим из электромагнита и возвратной пружины (конструкции тяговых электромагнитов клапанного, прямоходового или броневого типа с внешним притягивающимся или внедряющимся якорем [30]). Однако, для обеспечения высокого быстродействия при переключении электромагнита (ЭМ) с ходом подвижного элемента всего несколько миллиметров, необходимо создавать достаточно большое значение электромагнитной силы. При этом, при значительных величинах рабочих воздушных зазоров необходимо обеспечивать высокие значения магнитодвижущей силы обмоток. Это ведет к росту габаритов ЭМ и, кроме того, электромагнитная сила должна быть достаточно высокой во всем диапазоне ходя якоря, что приводит к увеличению потребляемой мощности и нагреву обмоток. Помимо этого, конечная скорость якоря приобретает высокую скорость при подходе к одному из фиксированных положений, что вызывает сильный удар, вызывающий повышенные шум и механический износ.
Проведенные исследования показали, что заданные требования по времени переключения (не более 2 мс) могут быть обеспечены быстродействующим электромагнитом двухстороннего действия с нейтральной или поляризованной магнитной системой [24, 31, 32, 33, 34, 26, 35]. При этом заданное время срабатывания достигается за счет ускоряющей пружины, а электромагнитные силы используются в основном для удержания якоря в крайних положениях и компенсации сил трения. На рисунке 10 приведена схема механической системы резонансного ЭМ, состоящего из подвижного элемента массой m, демпфирующих устройств K и пружин с жесткостью c.
Такие электромагниты относятся к ЭМ возвратно-поступательного и возвратно-вращательного действия. В ЭМ такого типа якорь перемещается под действием рабочей (ускоряющей) пружины и электромагнитной силы, создаваемой обмоткой управления.
Сравнительная оценка тяговых характеристик обычных и маятниковых ЭМ [4, 36] показывает значительные преимущества последних в обеспечении заданного быстродействия и экономии потребляемой энергии, которая в резонансных приводах затрачивается на компенсацию потерь на
трение и сил сопротивления. Переключение привода из закрытого состояния в открытое и наоборот, с требуемыми динамическими параметрами, достигается специализированными системами управления.
Проведенный анализ показал, что в качестве быстродействующих электромагнитных приводов широкое распространение получили
электромагнитные приводы, в которых реализуются возвратно-поступательное или возвратно-вращательное перемещение подвижных элементов. Время срабатывания (переход якоря из одного положения в другое) определяется собственной частотой механического резонанса системы, которая зависит от массы (момента инерции) подвижной системы и жесткости пружин:
Переход якоря из нейтрального положения в одно из крайних также может быть осуществлен с помощью небольших усилий, путем использования резонансных явлений [37]. Использование поворотной системы в управляющих электромагнитах позволяет уменьшить механическую инерционность системы, а следовательно, уменьшить время переключения. Привод, разработанный в НИИ Электромеханики ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова [38], представленный в патенте [39], имеющий четырехполюсный якорь с явно выраженными полюсами, что позволяет снизить габаритный показатель ЭМП как для нейтральных электромагнитов в 1,55 раза, так и для поляризованных - 3,2 раза [40]. При этом, наличие симметричного якоря позволяет снизить воздействие вибрационных воздействий на динамические параметры ЭМ.
Проведенный анализ конструктивных решений показал, что наиболее перспективной конструкцией для электропривода ВТК, является многополюсный электромагнит поворотного типа с уравновешенным якорем, представленный на рисунке 11. Данный ЭМ имеет одну управляющую обмотку 2, состоящую из четырех последовательно соединенных секций, расположенных на полюсах ЭМ. Рисунок 11 – Привод ВТК с симметричным поворотным четырехполюсным якорем: 1 – шихтованный магнитопровод; 2 – обмотка управления; 3 – шихтованный явнополюсный якорь; 4 – торсионная пружина В обесточенном состоянии (перед включением) якорь ЭМ находится в промежуточном положении. При подаче управляющего сигнала, возникает результирующий электромагнитный момент, направление которого, в следствие неточности изготовления и позиционирования якоря относительно полюсов ЭМ, совпадает с направлением большего по величине электромагнитного момента соответствующего полюса. В связи с чем, положение якоря ЭМ после завершения процесса может соответствовать как «закрытому», так и «открытому» состоянию привода. С целью обеспечения требуемого состояния привода при включении, в [41, 42] была предложена конструкция ЭМ, якорь которой имеет шунтирующие магнитный поток выступы, что вносит асимметрию в конструкцию электромагнита, позволяет обеспечить однозначное положение якоря после включения и ускоряет процесс срабатывания ЭМ (рисунок 12а). Конструкция ЭМ с четырехполюсным якорем имеет самый маленький
объем среди рассмотренных нейтральных электромагнитов. Кроме того, данная конструкция также технологичная, так как не требует точного позиционирования якоря относительно магнитопровода.
Адаптивный алгоритм, основанный на измерении скорости изменения тока в обмотке ЭМ при движении якоря
По результатам моделирования динамики ЭМ наблюдается хорошее качественное и количественное совпадение динамических характеристик, по сравнению с моделью ЭМП в пакетах FEMM-LTspice [94], что позволяет сделать вывод о правильности предположений и выбранных допущений при формировании модели ЭМП в среде программирования Borland Delphi 7.
При срабатывании ЭМ на графиках тока наблюдается изменение скорости изменения тока в приграничных областях положения якоря к полюсу ЭМ, что связано с возникновением противо-ЭДС движения и самоиндукции при перемещении якоря ЭМ. В связи с этим имеется возможность построения специализированных алгоритмов управления, основанных на анализе электрических параметров ЭМ для обеспечения конечной скорости якоря близкой к нулю при заданном времени движения.
В ходе выполнения исследований было установлено:
1. Для обеспечения общего подхода и независимости от конфигурации устройства математическая модель первого уровня должна строиться формально, на основе использования схем замещения с представлением элементов магнитной и электрической цепей в виде компонентных моделей.
2. Разработана комплексная математическая модель электромагнита и электронной системы управления с использованием полевых методов расчета магнитной системы и метода узловых потенциалов при расчете динамики в среде объектно-ориентированного программирования Borland Delphi 7, позволяющая реализовать требуемый алгоритм управления.
3. Математические модели, основанные на теории цепей и теории поля, позволяют с высокой точностью проводить расчеты конструктивно сложных ЭМ. Для качественного расчета динамических характеристик мехатронных приводов, имеющих сложные конструкции ЭМ, предложена обобщенная математическая модель, основанная на методе узловых потенциалов с использованием теории электромагнитного поля.
4. Созданные математические модели позволили проанализировать динамические характеристики мехатронного привода и определить возможность построения системы управления с использованием косвенных методов определения пространственного положения якоря ЭМ по его электрическим параметрам.
Конструкции электромагнитных приводов резонансного типа, предлагаемые для использования в агрегатах ДВС [95] работают в экстремальных условиях, сопровождающихся дестабилизирующим воздействием на их динамические характеристики и параметры таких факторов, как температура окружающей среды, вибрация, внешние переменные нагрузки на исполнительный орган, нагрев торсионной пружины в процессе циклической работы привода. При наличии соответствующих датчиков задача управления переключением электромагнита не представляет трудностей и может быть реализована соответствующими аппаратными и программными средствами управляющего контроллера. Однако, повышение надежности функционирования электромагнитных приводов требует уменьшения составляющих их элементов, в том числе датчиков скорости и перемещения подвижных элементов. В связи с этим возникает необходимость разработки способа управления, позволяющего учесть эти факторы при минимальном количестве датчиков.
Для решения задачи проектирования мехатронного привода создан комплекс математических моделей для анализа и синтеза электромагнитных приводов совместно с устройством управления [96, 97, 79].
Математические модели реализованы в программной среде Borland Delphi7 и предназначены для расчета динамических процессов в электромагнитных системах путем формирования дополнительной библиотеки компонентных моделей и позволяют моделировать электромагнитные приводы совместно с системой управления. Такой подход позволяет определить динамические характеристики электромагнита и синтезировать параметры управляющих сигналов, обеспечивающих необходимый закон изменения магнитодвижущей силы при срабатывании, характер нарастания электромагнитной силы, скорость якоря в конце хода, время срабатывания и т.п.
В результате математического моделирования и исследования процессов переключения был предложен способ управления, позволяющий косвенно определять пространственное положение и величину конечной скорости якоря в момент подхода к полюсу в режиме реального времени по характеру изменения тока в обмотках и напряжения на них и, соответственно, воздействовать на процесс, учитывая влияние всех дестабилизирующих факторов.
Для осуществления надежного переключения с минимальной конечной скоростью якоря необходимо, чтобы система управления обеспечивала: 1) корректировку параметров сигнала управления в соответствии с текущим изменением температуры окружающей среды и привода; 2) компенсацию переменных внешних сил, действующих на исполнительный орган привода; 3) наличие минимального количества датчиков.
Исследование времени переключения клапана
Проведенные испытания показали, что применение мехатронного привода воздушно-тактового клапана для импульсного наддува, позволило достичь увеличения давления в цилиндре, по окончании фазы впуска, более чем на 20%. Таким образом, применение мехтронного привода ВТК в ДВС будет способствовать улучшению динамических характеристик двигателя внутреннего сгорания согласно результатам исследований, приведенным в [8, 10, 13].
Экспериментально подтверждена эффективность разработанного способа управления мехатроным приводом ВТК ДВС, обеспечивающего скорость посадки клапана менее 0,4 м/с при времени переключения, не превышающего 3,5 мс. Отличие времени движения якоря, полученного экспериментально относительно расчетного не превышает 11%, а скорость посадки якоря не превышает заданных 0.4 м/с;
Выполнена оценка энергоэффективности разработанного мехатронного привода с применением схемного решения силового коммутатора с возможностью использования индуцированной энергии обмотки ЭМ для его питания в форсированных режимах работы и формирования уровня форсированного напряжения. Эффективность использования данного схемного решения позволило снизить энергопотребление привода от бортового источника питания более чем на 20%.
Установлено, что для стабилизации времени трогания якоря ЭМ, необходимо использовать обратный импульс тока в отпускающей обмотке, что позволяет стабилизировать время трогания в пределах 100±10% мкс.
Установлено, что совпадение результатов полученных в ходе математического моделирования и экспериментальных исследований носит качественный и количественный характер. Относительная погрешность результатов, полученных путем математического моделирования и методом натурных испытаний не превышает 14%.
Разработан программно-аппаратный комплекс, позволивший экспериментально получить требуемые характеристики и параметры привода.
В ходе проведения стендовых испытаний мехатронного привода ВТК на двигателях внутреннего сгорания показали достижение увеличения давления в цилиндре ДВС, по окончании фазы впуска, более чем на 20%.
В диссертационной работе разработан мехатронный привод для управления воздушно-тактовым клапаном двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающий повышение энергетических и экологических показателей двигателя. Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем.
Разработан метод управления электромагнитным приводом резонансного типа, обеспечивающий заданные динамические параметры при конечной скорости посадки клапана менее 0,4м/с в условиях внешних возмущающих воздействий, отличающийся от известных тем, что управляющее воздействие формируется без использования специальных датчиков положения и скорости.
Предложен способ определения начальных параметров токовой характеристики для управления электромагнитным приводом ВТК ДВС, позволяющий производить первичную настройку регулятора системы управления в соответствии с предложенным методом управления. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для определения начальных параметров системы управления мехатронным приводом при управлении с обратной связью по току.
Созданы математические модели и алгоритмы для расчетов статических и динамических характеристик мехатронного привода ВТК ДВС, в которые, в отличие от известных, интегрированы модели управляемого силового преобразователя и системы управления, позволяющие сократить время на настройку устройства управления в реальных условиях.
Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований характеристик и параметров мехатронного привода ВТК ДВС совместно с устройством управления.
Подтверждена адекватность разработанных математических моделей, что позволяет использовать параметры настроек, полученные в процессе математического моделирования, в качестве начальных параметров системы управления в реальных условиях.
По результатам исследований выполнено проектирование и практически реализован экспериментальный образец мехатронного привода ВТК ДВС с системой управления. Проведенные стендовые испытания на ДВС показали, что применение мехатронного привода позволило достичь увеличения давления в цилиндре, по окончании фазы впуска, более чем на 20%, при этом скорость посадки клапана не превышает значения 0,4м/с.
Модификация силовой схемы устройства управления, позволила стабилизировать время трогания якоря в пределах 0,1±10% мс и обеспечила снижение потребляемой мощности за период переключения привода на 24% по сравнению с применением силового коммутатора без использования запасенной индуктивной энергии обмоток ЭМ.
Таким образом, применение мехтронного привода ВТК в ДВС будет способствовать улучшению динамических характеристик двигателя внутреннего сгорания в диапазоне низких скоростей вращения. При этом, в соответствии с результатами ранее проведенных исследований, приведенными в [4, 24, 25, 18, 13] крутящий момент двигателя увеличивается на 23%, расход топлива снижается на 10% , концентрации вредных примесей в выхлопных газах уменьшается на 18%.
