Метод и устройство управления мехатронным приводом клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания Гильмияров, Константин Ринардович

Введение к работе

Актуальность работы. Повышение энергетических, экологических и экономических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть обеспечено путем совершенствования узлов топливоподачи и воздухогазообмена на основе применения индивидуальных приводов клапанов газораспределительного механизма (ГРМ) ДВС. Наиболее перспективными типами исполнительных механизмов приводов для индивидуального управления клапанами ГРМ, с точки зрения быстродействия и потребляемой при работе мощности, являются резонансные электромагнитные механизмы (ЭМ). Несмотря на достаточно широкое освещение темы в технической и научной литературе существует ряд проблем, возникающих при управлении такими клапанами. Прежде всего это вопросы обеспечения плавности хода при открытии и закрытии клапана, уменьшения скорости посадки клапана в седло практически до нуля и др. Требуемые динамические характеристики резонансных ЭМ (время срабатывания, скорость якоря в конце хода) можно обеспечить путем изменения геометрии магнитной системы и конструкции, однако это не всегда возможно реализовать в связи с жесткими ограничениями, накладываемыми на массогабаритные и другие показатели. Альтернативным путем обеспечения заданных динамических характеристик является применение интеллектуальных систем управления. Аналитический обзор применяемых систем управления резонансными ЭМ показал, что существующие устройства и методы управления не позволяют обеспечить заданные динамические параметры приводных ЭМ. В соответствии с этим вопрос разработки метода и устройства управления резонансными ЭМ, обеспечивающих минимальную скорость посадки якоря при заданном времени срабатывания, является актуальным.

Работа соответствует научным направлениям ЮРГТУ (НПИ) на 2011 - 2015 гг. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденных решением ученого совета от 26 января 2011г. Результаты работы получены при выполнении государственных контрактов: НК-389П «Разработка устройств и алгоритмов управления резонансными электромагнитными приводами», НК-517П «Разработка устройств управления электромагнитными приводами систем воздухообмена и топливоподачи двигателей внутреннего сгорания», №2.1.2/12337 «Мехатронные устройства для систем топливоподачи и воздухогазообмена двигателей внутреннего сгорания».

Целью диссертационной работы является повышение энергетических и экологических характеристик двигателя внутреннего сгорания путем создания метода и устройства управления мехатронным приводом клапана газораспределительного механизма, обеспечивающих, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих систем управления резонансными ЭМ.

2. Разработка метода реализации режима раскачки якоря мехатронного привода клапана ГРМ ДВС.

3. Разработка метода управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающего, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана.

4. Разработка математической модели мехатронного привода клапана ГРМ ДВС, позволяющей исследовать различные режимы работы привода с учетом влияния внешних воздействующих факторов. Исследование характеристик мехатронного привода клапана ГРМ ДВС в нестационарных режимах работы.

5. Разработка методики проектирования устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.

6. Практическая реализация устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.

7. Экспериментальные исследования устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

7. 1. Метод управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающий, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана в седло, отличающийся от существующих тем, что управляющее воздействие формируется в зависимости от изменения текущего значения кинетической энергии якоря. Предложена структура системы управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, отличающаяся от существующих тем, что для определения величины управляющего воздействия используется аппарат нечеткой логики.

   2. Метод реализации режима раскачки якоря мехатронного привода клапана ГРМ ДВС, обеспечивающий установку клапана в исходное состояние, отличающийся тем, что частота, формируемой в обмотках последовательности импульсов тока, определяется из условия достижения якорем резонансных колебаний низших порядков.

   3. Комплексная математическая модель и результаты исследования процессов управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС при воздействии внешних факторов.

   Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, теоретической механики, теории электрических и магнитных цепей, теории поля, нечеткой логики, теории цифровых систем управления, прикладного программирования, численные и аналитические методы решения систем алгебраических уравнений. Аналитические исследования проведены на ПК, экспериментальные - на натурных образцах устройств.

   Научная новизна диссертационной работы:

   7. 3. 1. Предложен новый метод управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающий, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана в седло, отличающийся от существующих тем, что управляющее воздействие формируется в зависимости от изменения текущего значения кинетической энергии якоря, позволяющий управлять мехатронными приводами с резонансными электромагнитными механизмами различных конструкций. В рамках метода предложена структура построения интеллектуальной системы управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, отличающаяся от существующих тем, что для определения величины управляющего воздействия используется аппарат нечеткой логики.

         2. Предложен метод реализации режима раскачки якоря, обеспечивающий установку якоря привода в исходное положение, отличающийся тем, что частота, формируемой в обмотках последовательности импульсов тока определяется из условия достижения якорем резонансных колебаний низших порядков.

         3. Созданы математические модели и программное обеспечение, позволяющие сократить время на настройку нечеткого регулятора в реальных условиях, за счет использования параметров настроек, полученных в процессе математического моделирования.

         Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

         Научная значимость диссертационной работы заключается в развитии методов управления мехатронными приводами, в состав которых входят резонансные электромагнитные механизмы, позволяющих использовать единый подход к управлению независимо от модификации их конструкций.

         Практическая значимость диссертационной работы:

         7. 3. 3. 1. Создана методика проектирования устройства управления мехатронными приводами клапана ГРМ ДВС, отличающаяся возможностью определения основных параметров с учетом широкого температурного диапазона работы мехатронного привода и метода реализации режима раскачки якоря.

                  2. Разработаны методики, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, позволяющие исследовать характеристики мехатронных приводов клапана ГРМ ДВС в различных режимах под воздействием внешних факторов.

                  3. На основании результатов исследований спроектирован и практически реализован опытный образец устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС. Предложена модификация силовой схемы устройства управления, которая позволяет использовать ее для управления приводами, в состав которых входят поляризованные электромагниты, при сохранении возможности снижения потребляемой приводом мощности.

                  4. Разработан датчик линейной скорости, работающий в условиях действия магнитных полей, возникающих в процессе работы мехатронного привода клапана ГРМ ДВС.

                  5. Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований характеристик и параметров устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.

                  Внедрение результатов работы. Результаты работы приняты к внедрению в НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) в виде устройств управления резонансными электромагнитными механизмами и ООО НПП «МагнетикДон» (г. Новочеркасск) при разработке мехатронного привода клапана ГРМ ДВС. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальности 22040165 - «Мехатроника», специализация «Элементы и устройства мехатронных систем».

                  Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на совместных научно-технических семинарах кафедр «Электрические и электронные аппараты» и «Информационные и измерительные системы и технологии», на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) «Студенческая научная весна» (г. Новочеркасск, 2006, 2008 - 2011 г.), Всероссийском смотре-конкурсе научно- технического творчества студентов и аспирантов вузов «Эврика-2005» (г.
                  

                  Новочеркасск, 2005г.), всероссийских научных школах для молодежи: «Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития» (г. Новочеркасск, 2009 г.), «Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроники» (г. Новочеркасск, 2011 г.), молодежной школе-семинаре «Управление и обработка информации в технических системах» (КЧР п. Домбай, 2012 г.).

                  Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, получены 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и 1 положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

                  Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 113 наименования и 3 приложений. Общий объем работы 199 страниц, включая 36 страниц приложений и 101 иллюстрацию.

                  Похожие диссертации на Метод и устройство управления мехатронным приводом клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания

                  

                  Мехатронный привод для воздушно-тактового клапана двигателя внутреннего сгоранияГуммель Андрей Артурович

                  

                  Методы расчета и проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмовЖавнер Милана Викторовна

                  

                  Электромагнитный привод клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгоранияБольшенко Ирина Александровна

                  

                  Метод дифференциального диагностирования газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания автотранспортных средств сельскохозяйственного назначенияЛагерев Андрей Викторович

                  Методы исследования и способы уменьшения концентраций вредных веществ в продуктах сгорания двигателей летательных аппаратов и их реализация в устройствах очистки при защите атмосферыКутыш, Иван Иванович

                  

                  Диагностирование подшипников кривошипно-шатунного механизма двигателей внутреннего сгорания по параметрам пульсации давления в центральной масляной магистралиГриценко Александр Владимирович

                  

                  Совершенствование технологии ремонта постелей коренных подшипников кривошипно-шатунного механизма при капитальном ремонте двигателей внутреннего сгоранияКоротких Владимир Владимирович

                  Диагностирование двигателя внутреннего сгорания динамическим методом с использованием микроЭВМБашмакова, Вера Николаевна

                  

                  Метод контроля загрязнения придорожных сельскохозяйственных земель отработавшими газами двигателей внутреннего сгоранияГорюнова Екатерина Александровна

                  Совершенствование методов анализа возмущений поршневых двигателей внутреннего сгорания и способов улучшения их уравновешенностиАшишин, Алексей Александрович