Динамика индивидуального электромагнитного привода клапана двигателя внутреннего сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат физико-математических наук Нижников, Сергей Анатольевич

• Нижников, Сергей Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Нижников, Сергей Анатольевич

Введение

1. Состояние проблемы. Задачи исследования

1.1. Основные требования предъявляемые к приводу клапанов двигателя внутреннего сгорания

1.2. Обзор существующих конструкций приводов

1.3. Обоснование необходимости создания индивидуальных приводов клапанов

1.4. Назначение, устройство и краткие технические характеристики системы электромагнитного привода клапанов газораспределения двигателей ВАЗ

1.5. Предварительный анализ разработок индивидуальных приводов

1.6. Цель и задачи диссертации

Глава 2. Разработка математической модели индивидуального привода

2.1. Модель индивидуального привода с одним электромагнитным приводом с непосредственной передачей движения на клапан

2.2. Исследование передачи движения через рычажный механизм

2.3. Модель индивидуального привода с двумя электромагнитами 38 2.4 Исследование импульсного электропитания с помощью вычислительного эксперимента 49 2.5. Выводы по главе

Глава З.Экспериментальные исследования индивидуального электромагнитного привода клапана

3.1. Описание экспериментальной установки

3.2. Математическая модель электромагнитного привода клапана ДВС при непосредственном воздействии на клапан

3.3. Параметрическая оптимизация электромагнитного привода клапана ДВС при непосредственном воздействии на клапан

3.4. Методика определения оптимальных параметров электромагнитного привода клапана ДВС

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Проектирование системы автоматического регулирования индивидуального привода

4.1. Выбор параметров электрического питания электромагнитов

4.2 Исследование системы привод - управление на устойчивость 102 4.3. Исследование САУ привода клапана в среде MATLAB и

MATHCAD

4.4 Оценка качественных показателей электромагнитного привода клапанов ДВС

4.5 Выводы по главе 4 130 Заключение 132 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика индивидуального электромагнитного привода клапана двигателя внутреннего сгорания»

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.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Нижников, Сергей Анатольевич

4.5 Выводы по главе 4

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 трапеции дал ьной.

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.

Заключение

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.Установлена 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.

6.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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Нижников, Сергей Анатольевич, 2007 год

1. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов. Учебник для вузов. М., «Машиностроение», 1992, 542с.

2. Александров В.В., Злочевский С.И., Лемак С.С. Введение в динамику управляемых систем / Под ред. В.В. Александрова. М.: Изд-во МГУ, 1993. -181с.

3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы /Под ред. С.В.Якубовского. -М.: Сов. радио, 1979

4. Арменский Е.В., Фалкт Г. Б. Электрические микромашины: Учеб. пособие для студ. электротехн. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1985. - 231 с.

5. Артоболевский И.А. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975.640 с.

6. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1983. - 243 с.

7. Аудзе П.П., Эглайс В.О. Поиск глобального минимума методом информативного планирования эксперимента//Вопросы динамики и прочности.- Рига: Зинатне. 1979.- Вып.37.- С.104-107.

8. Бабаков И.М. Теория колебаний.- М.:Наука, 1968.- 559 с.

9. Бабицкий В.И. Теория виброударных систем.- М.: Наука, 1978.- 352 с.

10. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы.- М. Машиностроение, 1976.-352 с.

11. Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.К., Федосов A.A. Инженерные методы исследования ударных процессов.- М. ."Машиностроение, 1977.- 248 с.

12. Батушев В.А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1969.

13. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1968.- 512 с.

14. Бесекерский В.А., Попов Е.П., Теория систем автоматического управления. 4-е изд., перераб. И доп. - СПб.: Профессия, 2003. - 752 с.

15. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний М.: Высшая школа, 1972. - 415 с.

16. Блехман И.И. Вибрационная механика. -М.: Физматлит.,1994.- 400 с.

17. Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И.Микроэлектронные схемы цифровых устройств. -М.: Сов.радио, 1975.

18. Быстродействующие интегральные микросхемы. Справочник /Под ред. А.К. Марщинкявичюса и А.К.Багданкиса. -М.: Радио и связь, 1988.

19. Виба Я.А. Оптимальное быстродействие двустороннего пружинного молота//Вопросы динамики и прочности. Рига: Зинатне, 1973.- Вып.26.- С. 1320.

20. Виба Я.А. Оптимальный разгон пружинного молота//Вопросы динамики и прочности. Рига: Зинатне, 1974.- Вып.28.- С.30-36.

21. Вибрации в технике. Т.2. Колебания нелинейных механических систем: Справочник. М.Машиностроение, 1979.- 351 с.

22. Вибрации в технике. Т.4. Вибрационные процессы и машины: Справочник/Под ред. Э.Э.Лавендела.- М.Машиностроение, 1981.- 509 с.

23. Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. -М.:Энергия, 1979 (учебник)

24. Влияние регулирования клапвнного механизма газораспределения на работу двигателя. Асмус Т.У., Отдел разработки перспективных Силовых установок, фирма «Крайслер», г. Хайленд Парк, шт. Мичиган, США.

25. Генкин М.Д., Русанов А.М., Яблонский В.В. Электродинамические вибраторы.- М.Машиностроение, 1975.- 98 с.

26. Герман-Галкин С.Г., Лебедев В.Д., Марков Б.А., Чичерин Н.И. Цифровые приводы с транзисторными преобразователями. -М.: Энергоиздат, 1986

27. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. -М.: Мир, 1985.- 509 с.

28. Гиттис Э.Н., Пискунов Е.А. Аналогово-цифровые преобразователи. -М.: Энергоиздат, 1981 (учебник).

29. Гладков С.Н. Электромеханические вибраторы.- М.: Машиностроение, 1966.- 83 с.

30. Джонсон Н. Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. - 520 с.

31. Дэниэлс Джеф. Современные автомобильные технологии. М. Астрель. АСТ. 2003.223 с.

32. Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника. -М.: Высшая школа, 1984.

33. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1982(учебник)

34. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1971. - 185 с.

35. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник (т.1-12)-М.: ИП РадиоСофт, 1999.

36. Интеральные микросхемы. Справочник. Ред.Тарабрина Б.В. -М.:Радио и связь, 1984.

37. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Методы планирования эксперимента в электромеханике: Метод, указания к выполнению лаб. работ / Иванов, гос. энергетический ун-т. Иваново, 2001. - 28 с.

38. Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 11. -СПб. :БХВ-Петербург,2004.560с.

39. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1994. - 318 с.

40. Крайнев А.Ф. Идеология конструирования. Структурный синтез машин. Приложение №1 к журналу «Справочник» №1, 2001. 27с.

41. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Мн.: Изд-воБГУ, 1982.-302 с.

42. Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. -М.: Энергия, 1974. -392 с.

43. Микроконтроллер AT90S1200 фирмы ATMEL / Пер. с англ. Ю.Андриенко

44. Монтгомери Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных. JL: Судостроение, 1980. - 384 с.

45. Мюррей Д. SolidWorks. -М.:ЛОРИ,2003.-604с.

46. Описание ЖКИ производства фирмы Hitachi модель HD44780U

47. Ряшенцев А.П., Алабужев П.М., Никишин Н.И. и др. Ручные электрические машины ударного действия. М.: Недра, 1979. - 192 с.

48. Слотин Ю.С. Композиционное планирование регрессионного эксперимента. М.: Знание, 1983. — 52 с.

49. Смелягин А.И. Максимальный КПД электромагнита//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 1982. N 4.- С. 119122.

50. Смелягин А.И., Мисюк Ю.П. Выбор возвратного элемента по заданному времени и постоянному усилию однокатушечного электромагнитного двигателя//Электрические импульсные системы.-Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976.- С.66-72.

51. Смелягин А.И., Мисюк Ю.П. О возможности замены нелинейных упругих возвратных элементов в односторонних электромагнитных двигателях линейнымиЮлектрические импульсные системы.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976.- С.75-72.

52. Смелягин А.И., Мисюк Ю.П. Об аппроксимации зависимости и силе тяги для электромагнитных двигателей//Электромагнитные машины ударного действия.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1978.- С. 18-23.

53. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями.- М.:Наука, 1981.- 110 с.

54. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

55. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб, Изд-во «Профессия», 2003. - 752с.

56. Троицкий В.А. Оптимальные процессы колебаний механических систем.- JL: Машиностроение, 1976.- 248 с.

57. Фиакко А., Мак-Кормик Т. Нелинейное программирование. Методы последовательной безусловной минимизации.- М.:Мир, 1972.-240 с.

58. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения.- М.: Машиностроение, 1984.- 223 с.

59. Хартман К., Лецкий Э., Шерер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов.- М.: Мир, 1977.- 392 с.

60. Хвилон Е.А. Методы оптимизации.- М.: МАИ, 1976.

61. Хвингия М.В., Сванидзе B.C., Конолиами Н.Д. Шумообразование и виброизоляция электровибрационных машин.- Тбилиси: Мецниереба, 1977.- 72 с.

62. Хвингия М.В., Теодошвили М.М., Патимашвили И.А. Электромагнитные субгармонические возбудители колебаний. Тбилиси: Мецниереба, 1987.- 133 с.

63. Ходжаев К.Ш. О влиянии нелинейности в ферромагнетике на колебания возбуждаемые электромагнитами/ТИзв.АН СССР МТТ.- 1973.- N 6.-С.36-46.

64. Ходжаев К.Ш. Синтез электромагнитов, предназначенных для возбуждения вибраций//Электричество.- 1975.- N 6.- С.63-68.

65. Ходли Дж. Нелинейное и динамическое программирование. -М.: Мир, 1967.-390 с.

66. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник /Под ред. С.В.Якубовского. -М.:МВТУ им.Н.Э. Баумана, 1986 (учебное пособие).

67. Чалый В. Д. Планы эксперимента высоких порядков для идентификации объектов: Учеб. пособие. М.: Изд-во МИФИ, 1987. - 64 с.

68. Чернилевский Д.В. Детали машин. Проектирование приводов технологического оборудования: Учебное пособие для студентов вузов. 3-е изд., исправл. -М.: Машиностроение, 2003. 560с.

69. Чернилевский Д.В. Курсовое проектирование деталей машин и механизмов: Учебное пособие. М.: Высш. школа, 1980. - 238с.

70. Шило B.JI. Линейные интегральные схемы. -М.: Сов.радио, 1979.

71. Эглайс В.О. Синтез регрессионных моделей систем по табличным данным // Вопросы динамики и прочности. Рига: Зинатне, 1979.- Вып.37.- С.31-38.

72. Эглайс В.О. Учет ограничений при параметрической оптимизации сложных систем алгоритмом интуитивного поискаУ/Вопросы динамики и прочности.- Рига: Зинатне, 1978.- Вып.36.- С.22-28.

73. Элементы приборных устройств: Курсовое проектирование. Учебное пособие для вузов. В 2-х ч. 4.1. Расчеты /Н.П. Нестерова, А.П. Коноваленко, О.Ф., Тищенко и др.; Под ред. О.Ф. Тищенко.-М.: Высшая школа, 1978. 328с.

74. Элементы приборных устройств: Курсовое проектирование. Учебное пособие для вузов. В 2-х ч. 4.2. Расчеты /Н.П. Нестерова, А.П. Коноваленко, О.Ф., Тищенко и др.; Под ред. О.Ф. Тищенко.-М.: Высшая школа, 1978. 328с.

75. Язык Ассемблера для программирования / Пер. с англ. Ю.В. Сальникова. М.: Высш. шк., 1992. — 447с.

76. Яцун С.Ф., Гапонов Ю.А., Маслова О.Г. Анализ периодических процессов движения вибромашин с электромагнитным приводом // Известия вузов. Машиностроение. 1991. -№4-6. -С. 42-46.77. www.turck.ru

77. Яцун С.Ф. и др. Вибрационные машины и технологии / С.Ф. Яцун, Д.И. Сафаров, В.Я. Мищенко, О.Г. Локтионова. Баку, 2004. - 408 с.