Исследование и разработка электронной системы автоматического управления клапанами поршневого двигателя с применением поворотно-плавающего распределительного вала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Митин, Михаил Владимирович

• Митин, Михаил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Митин, Михаил Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Газораспределительный механизм поршневого двигателя,

как объект автоматического управления

1.1. Общие сведения об автомобильном двигателе

1.2. Четырехтактный двигатель

1.3. Газораспределение в четырехтактном поршневом двигателе

1.4. Фазы газораспределения и фазовые диаграммы

1.5. Теоретическая круговая фазовая диаграмма

1.6. Фазовая диаграмма стандартного (классического) ДВС

1.7. Фазовая диаграмма, как теоретическая модель

рабочего цикла поршневого ДВС

1.8. Режим холостого хода (РХХ)

1.9. Режим максимальной мощности (РММ)

1.10. Р'ежим форсирования мощности (РФМ)

1.11. Режим максимального крутящего момента (РМКМ)

1.12. Режим внутренней рециркуляции (РВР)

1.13. Режим адаптации двигателя (РАД)

1.14. Управление фазами газораспределения путем изменения параметров кулачков распределительного вала

1.15. Выводы по первой главе

2. Исследование способов и систем автоматического управления клапанами в поршневых двигателях внутреннего сгорания

2.1. Анализ вариантов автоматического привода клапанов

в автомобильных поршневых ДВС

2.2. VLS-D: система подъема клапанов для отключения цилиндров

2.3. LVS-R: система ступенчатого подъема (редукции) клапана

2.4. MVVT: система бесступенчатого переключения хода клапанов

2.5. Система Valvetronic

2.6. Клапанный гидроактиватор (КГА)

2.7. Системы УТЕС

2.8. Двухвальная система DOHC VTEC

2.9. Одновальная система SOHC VTEC

2.10. Экономичная система VTEC - Е

2.11. Система SOHC VTEC-E

2.12. Система NEW VTEC

2.13. Система WTL-i

2.14. Трехрежимная система 3S - VTEC

2.15. Система "Mivec" для ДВС малых кубатур

2.16 Система SOHC i -VTEC

2.17. Система Ri-VTEC для двигателей гибридных электромобилей

2.18. Общие принципы построения газораспределительных механизмов с поворотным распределительным валом

2.19. Выводы по второй главе

3. Разработка автотронной системы автоматического управления фазами (АСАУ-Ф) с поворотно-плавающим распределительным валом

3.1. Предварительные замечания

3.2. Система «Valvelift», как прототип отечественной разработки

3.3. Разработка конструкции четырехпозиционного

переключателя клапанов

3.4. Устройство и работа четырехпозиционного переключателя клапанов в системе АСАУ-Ф

3.5. Разработка логики функционирования системы АСАУ-Ф

3.5.1. Исходные данные к разработке

3.5.2. Установочные параметры АСАУ-Ф

3.6. Номограмма соотношений входных и выходных

параметров АСАУ-Ф

3.7. Разработка алгоритмов и схемотехнических решений для

системы АСАУ-Ф

3.7.1. Структурная блок-схема АСАУ-Ф

3.7.2. Алгоритм функционирования АСАУ-Ф до установки

оборотов холостого хода

3.7.3. Алгоритм выбора режима работы ДВС

3.7.4. Микро-ЭВМ и ее подсистемы

3.7.5. Выходная электромеханическая периферия системы

3.8. Функциональная схема двухвальной системы «ЭСАУ-Ф»

3.9. Компонентный состав системы АСАУ-Ф

3.10.Эксклюзивные компоненты системы АСАУ-Ф

с поворотно-плавающим распредвалом

3.10.1 .Функциональная схема одновальной АСАУ-Ф

3.10.2.Устройство и работа поворотного распредвала

в системе АСАУ-Ф

3.10.3.Специфика ГРМ с двумя поворотными распредвалами

3.10.4.Разработка электрической блок-схемы АСАУ-Ф

3.10.5. Способы формирования числовых сигналов

от входных датчиков

3.11 Выводы по третьей главе

4. Разработка электромагнитного фиксатора для плавающей муфты поворотного распредвала и методики расчета его параметров

4.1. Предварительное замечание

4.2. Модель электромагнитного фиксатора

4.3. Принцип работы ЭМФ

4.4. Факторы, влияющие на расчет параметров ЭМФ

4.5. Расчет рабочей пружины

4.6. Расчет параметров токопроводной катушки ЭМФ

4.7. Расчет индуктивности токопроводной катушки

4.8. Определение быстродействия срабатывания ЭМФ

4.9. Выбор марки ферроматериала для постоянного магнита

4.10. Расчет баланса сил в ЭМФ

4.11. Расчет воздушного зазора и диаметра постоянного магнита

4.12. Выводы по четвертой главе

5, Разработка конструкции и расчет параметров

позиционного датчика Холла

5.1. Предварительные замечания

5.2. Определение рабочего участка для постоянного

магнита на кривой размагничивания

5.3. Расчет минимального значения индукции Вх

5.4. Расчет максимального значения индукции Вх

5.5. Выбор материала и расчет параметров

постоянного магнита

5.6. Вывод расчетных соотношений для определения параметров магнитопровода и сигнального диска

в торцевом датчике Холла

5.7. Выводы по пятой главе

Выводы пё диссертационной работе

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка электронной системы автоматического управления клапанами поршневого двигателя с применением поворотно-плавающего распределительного вала»

ВВЕДЕНИЕ

Постоянно возрастающие требования к топливной экономичности и содержанию вредных примесей в отработавших газах привели к необходимости радикального совершенствования автомобильных ДВС. Так, за последние 15-20 лет пройдены этапы установки на поршневом двигателе электрических и электронных устройств автоматического управления такими рабочими процессами как электроискровое зажигание, впрыск бензина непосредственно в цилиндры, стабилизация холостого хода, пуск холодного двигателя, внешняя рециркуляция, дожигание отработавших газов, бортовая самодиагностика, функциональное резервирование и многое другое. Все это позволило улучшить многие эксплуатационные показатели современных автомобильных двигателей.

Теперь интенсивно, и достаточно успешно осваивается очередной этап совершенствования автомобильных поршневых ДВС - автоматическое управление фазами газораспределения с применением электрических, электронных, гидромеханических и других средств автоматики.

В связи с этим в бортовую автоматику автомобиля все шире внедряются автотронные системы автоматического управления (АСАУ). Это такие системы, которые включают в свой состав самые разнообразные по принципу действия составные компоненты: и электрические, и электронные, и гидравлические, и механические, и любые другие. Главным отличием АСАУ является обработка в ней входных неэлектрических воздействий с помощью цифровых электрических сигналов и управление выходными неэлектрическими устройствами с помощью электромагнитных приводов [29]. Таким образом, с помощью АСАУ решаются совершенно нетрадиционные задачи управления механическими узлами и агрегатами автомобиля.

Для автомобильного двигателя, основной спецификой которого является его работа в исключительно разнообразных режимах по нагрузке и частоте вращения коленчатого вала, циклический газообмен, реализованный с помощью АСАУ, получается оптимальным для всех возможных режимов: холостого хода, частичных нагрузок, максимальных оборотов, полной мощности и прочих [3]. Оптимальный режим газообмена делает поршневой ДВС наиболее совершенным по четырем главным

показателям: экологии, развиваемой мощности, топливной экономичности, равномерности хода.

С применением АСАУ легко реализуется программное управление фазами газораспределения, изменение высоты подъема клапанов, а также полное отключение цилиндров. В первом случае может быть получено требуемое перекрытие клапанов управляемым перемещением фаз как на опережение, так и на отставание, во втором -управление «время-сечением», в третьем - изменение порядка работы, а также поочередная продувка цилиндров во время штатной работы ДВС.

Автоматическое управление клапанами с применением автотроники допускает использование программного регулирования всех фазовых характеристик двигателя. Легко можно изменять моменты открытия и закрытия клапанов относительно нулевых (мертвых) точек и рабочих тактов двигателя, длительности открытого и закрытого состояний клапанов, время перекрытия (одновременного открытого состояния) клапанов, а также осуществлять потактовый сдвиг фаз, адаптировать работу ГРМ под любой возможный режим двигателя или под заданную программу управления. Автотронное управление фазами и «время-сечением» клапанов может быть совмещено в едином бортовом компьютере с электронным управлением впрыском топлива и электроискровым зажиганием. Такое управление становится комплексным и придает двигателю новые качества.

Теоретически создать идеальный автомобильный двигатель несложно. Надо заставить его работать при различных оборотах и при разных нагрузках с адаптацией под текущие изменения рабочих параметров, т.е. в оптимальном режиме. Это такой режим, при котором конкретной нагрузке соответствует определенная частота вращения коленчатого вала, определенная температура двигателя, определенное количество потребляемого топлива, сведены к минимуму выбросы вредных веществ с выхлопными газами.

Так работают стационарные ДВС на насосных и электрических станциях. Здесь для постоянных оборотов, нагрузки и температуры двигателя всегда может быть найдено успешное оптимальное техническое решение для устройств и принципов действия составных компонентов двигателя, таких как система топливного питания, система электроискрового зажигания, газораспределительный механизм (ГРМ) для циклического газообмена внутри цилиндров и т.д. Именно поэтому стационарные

ДВС всегдапроще, дешевле и надежнее в работе.

Другое дело автомобильные двигатели со своей спецификой. Как уже было сказано, в реальных условиях эксплуатации автомобильный двигатель работает в совершенно различных режимах. И если поставить условие оптимальной работы ДВС, то каждому режиму работы должно соответствовать строго определенное соотношение фаз газораспределения, которые при различных значениях частоты вращения и нагрузки исключительно разнообразны. Возникающая при этом потребность в разнообразии управляемых факторов, определяющих оптимальные условия газообмена, приводит к необходимости использования гибкого программного управления клапанами газораспределительного механизма ДВС. Какие для этого есть возможности?

Первое - механическое управление поворотом распределительного вала (РВ) по фактору изменения частоты вращения (оборотов) двигателя. С помощью поворота РВ легко осуществляется перемещение фаз газораспределения как в сторону опережения, так и в сторону отставания, но без изменения их протяженности.

Второе - управляемое изменение рабочих профилей кулачков на распредвале при продольном (плавающем) их перемещении. Таким способом легко реализуется управление параметром «время-сечение» по фактору высоты хода клапана.

Третье - электромагнитное управление клапанами без применения РВ. Клапаны открываются электромагнитами, а закрываются возвратной клапанной пружиной. Это наиболее совершенный способ управления фазами газораспределения, но практически -трудно реализуемый.

Судя по открытым публикациям последнего времени группе немецких ученых и инженеров, работающих на фирме Audi, удалось решить часть из перечисленных проблем и создать поршневой двигатель с поворотно-плавающим распределительным валом для автомобиля Audi. Исследования выполнены на макетных образцах, информация о проведении инженерных расчетов в публикациях отсутствует.

Проведенные в МАДГТУ (МАДИ) на кафедре «Электротехники и электрооборудования» исследования отечественных и зарубежных разработок в области создания систем управления газообменом в ДВС с применением поворотно-плавающего распредвала показали, что до настоящего времени теоретические основы инженерного проектирования таких систем не разработаны, нет инженерных методик расчета для электромагнитных компонентов систем, и как следствие, до сих пор нет

конструкций газораспределительных механизмов с поворотно-плавающим распредвалом, приемлемых для использования в отечественных автомобильных двигателях.

Сказанное обуславливает актуальность поставленной автором цели диссертационной работы: разработать методы и средства электронного автоматического управления фазами газораспределительных клапанов поршневого двигателя, в газораспределительном механизме которого применен поворотно-плавающий распределительный вал.

Для достижения поставленной цели был решен ряд научно-исследовательских задач:

- проведено теоретическое исследование автомобильного поршневого двигателя с классическим газораспределительным механизмом, включающим в свой состав жесткий распределительный вал и механические пружинные клапаны, который (двигатель) рассмотрен как объект управления от электронной автоматики в системе АСАУ-Ф; предложен способ сопоставления фазовых диаграмм в рабочих режимах для различных «двигателей (гл. 1);

- составлен аналитический обзор по зарубежным (японским, немецким, шведским) разработкам систем с управляемыми клапанами, сведения о которых опубликованы в открытой научно-технической и патентной литературе; исследованы и описаны устройства и принципы действия систем автоматического управления газораспределительными клапанами с поворотным и плавающим распредвалами (гл.2);

- выбран импортный прототип системы управления фазами в ДВС и разработана отечественная патентно-чистая автотронная система управления фазами (АСАУ-Ф) с применением поворотно-плавающего распредвала: разработаны алгоритмы и логические схемы функционирования; конструктивные компоненты для АСАУ-Ф (входная и выходная периферия); структурные, функциональные и электрические блок-схемы; позиционный датчик Холла и электромагнитный фиксатор клапанной муфты на основе четырехпозиционного переключателя клапанов; все перечисленные разработки отображюет научную новизну диссертационной работы;

- разработаны методики расчета параметров эксклюзивных электромагнитных компонентов автотронной системы управления фазами ДВС, к которым относятся электромагнитный фиксатор в четырехпозиционном переключателе клапанов и позиционный датчик Холла для определения угла поворота распредвала относительно коленчатого; предложенные методики составляют практическую ценность

диссертации (гл.4 и 5);

- на основе предложенной методики расчета электромагнитного фиксатора (ЭМФ) проведены цифровой расчет и экспериментальная оценка точности вычислений по разработанной методике (Прниложение).

Общий объем диссертационной работы составляют: введение, пять вышеуказанных глав, заключение с выводами и рекомендациями, приложения, список литературы. Работа содержит 170 страниц текста, 83 рисунка, 9 таблиц, 64 наименования в списке использованной литературы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электротехника и электрооборудование» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) под научным руководством доктора электротехники, кандидата технических наук, профессора Соснина Дмитрия Александровича.

1. ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ, КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Общие сведения об автомобильном двигателе

Двигатели современных легковых автомобилей относятся к поршневым двигателям внутреннего сгорания. В таких двигателях все рабочие процессы превращения химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала происходят непосредственно внутри двигателя за счет возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре.

В поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС), который предназначен для установки на легковом автомобиле, число цилиндров обычно четное (2, 4, 6, 8, 12). Но известны конструкции трех- и пятицилиндровых ДВС. Их применение в последние годы сокращается из-за невозможности оснащения современными цифровыми системами зажигания с двухвыводными катушками. Есть и другие причины.

В многоцилиндровом ДВС коленчатый вал суммирует усилия от всех цилиндров. При этом цилиндры работают на коленвал поочередно. Но в любом многоцилиндровом двигателе в каждом его цилиндре в отдельности имеют место одни и те же рабочие процессы. Двигатель внутреннего сгорания, как и любой другой тепловой двигатель, вырабатывает механическую энергию вращения вала из потенциальной химической энергии топлива. Отличительной особенностью поршневого двигателя является то, что топливо в нем сжигается не беспрерывно, а отдельными порциями.

Одноразовая (цикловая) порция топлива (на один акт сгорания в цилиндре) в смеси с соответствующим количеством воздуха, перемешанная с остаточными газами в цилиндре, называется топливовоздушным зарядом (ТВ-заряд).

При сжигании ТВ-заряда в двигателе происходит ряд энергетических преобразований, которые принято называть рабочими процессами. Рабочие процессы протекают один за другим в строгой последовательности, которая периодически повторяется от одного сгорания заряда к другому. Периодически повторяющаяся последовательность рабочих процессов, приходящаяся на один акт сгорания топлива в цилиндре, называется рабочим циклом

одноцилиндрового двигателя. В многоцилиндровом двигателе «рабочим циклом» называют ряд последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя во время его работы. Рабочему циклу соответствует целое число ходов поршня в цилиндре, а значит, и число полных оборотов коленчатого вала двигателя. Рабочий цикл двигателя можно разложить на один, на два и даже на три полных оборота коленчатого вала (соответственно - на два, четыре, шесть ходов поршня). При этом каждый ход поршня можно считать рабочим тактом (коленчатый вал вращается в такт с ходами поршня). Тогда по способу реализации рабочего цикла поршневые двигатели можно классифицировать как двухтактные (с однооборотным или двухтактным циклом), четырехтактные (с двухоборотным или четырехтактным циклом), шеститактные (с трехоборотным или шеститактным циклом).

Спецификой работы автомобильного двигателя является непостоянство его оборотов и нагрузки. Эти параметры непрерывно изменяются под воздействием изменения скорости и дорожных условий движения автомобиля. Например, если автомобиль движется в гору, то нагрузка на двигатель увеличивается, а его обороты соответственно падают. Вращающий момент ДВС также уменьшается. Скорость движения автомобиля становится меньше. Возможна и обратная ситуация, когда нагрузка на двигатель уменьшается или вообще становится равной нулю. Очевидно, что двигатель во всех случаях работает по-разному. Главными показателями отличий являются два фактора - расход топлива на единицу производимой двигателем работы и количество вредных компонентов в выхлопных отработанных газах (ВОГ). По этим двум показателям можно судить о техническом совершенстве современного автомобильного двигателя. Все современные разработки автомобильного поршневого двигателя ориентированы на улучшение этих показателей.

Пройдены этапы установки на поршневом двигателе электрических и электронных устройств автоматического управления такими рабочими процессами как: электроискровое зажигание, впрыск бензина непосредственно в цилиндры, стабилизация холостого хода и пуск холодного двигателя, внешняя рециркуляция и дожигание отработавших газов, бортовая самодиагностика, функциональное резервирование и многое другое. Все это позволило улучшить эксплуатационные характеристики современных автомобильных двигателей. Теперь исследования и конструкторские разработки продолжаются в направлении автоматизации

управления фазами газораспределения в поршневом двигателе.

Теоретически создать автомобильный двигатель с управляемыми фазами несложно. Надо заставить его работать при различных оборотах и при разных нагрузках с адаптацией под текущие изменения, т.е. в оптимальном режиме. Это такой режим, при котором конкретной нагрузке соответствует определенная частота вращения коленчатого вала, определенная температура двигателя, определенное количество потребляемого топлива, сведены к минимуму выбросы вредных веществ с выхлопными газами. Так работают стационарные ДВС на насосных и электрических станциях. Здесь для постоянных оборотов, нагрузки и температуры двигателя всегда может быть найдено успешное оптимальное техническое решение для устройств и принципов действия составных компонентов двигателя, таких как система топливного питания, система электроискрового зажигания, газораспределительный механизм (ГРМ) для циклического газообмена внутри цилиндров и т.д. Именно поэтому стационарные ДВС всегда проще, дешевле и надежнее в работе. Другое дело автомобильные двигатели со своей спецификой. Как уже сказано, в реальных условиях эксплуатации автомобильный двигатель работает на совершенно различных режимах, что наглядно видно из скоростных характеристик классического ДВС, которые показаны на рис 1.1.

Рис. 1.1. Скоростные характеристики ДВС:

И—мощность на валу двигателя; М- крутящий момент; г} - эффективный КПД; q - удельный расход топлива Они отображают тот факт, что крутящий момент, мощность, эффективный КПД и удельный расход топлива в значительной степени зависят от частоты вращения

коленчатого вала двигателя. Эти параметры имеют оптимум в узком диапазоне режимов работы и при отклонении оборотов в ту или иную сторону резко ухудшаются. К тому же оптимальные величины экономичности и максимальной мощности достигаются при различной частоте вращения коленчатого вала. Отсюда ясно, что добиться одновременно и предельной мощности и эффективности использования топлива на стандартных ДВС принципиально невозможно. Применение трансмиссии с переменным передаточным отношением позволяет в некоторой степени адаптировать стандартный ДВС к работе в широком диапазоне режимов движения автомобиля. Помимо этого используются более совершенные алгоритмы контроля и управления процессами топливоподачи и искрового зажигания.

Но наиболее эффективный способ внутреннего регулирования на всех режимах работы двигателя, наряду с перечисленными, - это программное управление фазами газораспределения, при котором каждому режиму ДВС соответствуют оптимальные процессы газообмена. Оптимальный газообмен позволяет улучшить очистку цилиндров от продуктов сгорания и увеличить их наполнение свежей топливовоздушной смесью, улучшить смесеобразование и сократить потери на газораспределение. Все это сопровождается приростом мощности, экономичности и сокращением вредных выбросов в атмосферу. При этом в новых конструкциях наибольшее распространение получили четырехтактные двигатели.

1.2. Четырехтактный двигатель

В цилиндре четырехтактного поршневого двигателя циклическая последовательность энергетических преобразований начинается с реакции горения ТВ-заряда, когда поршень находится в ВМТ. В результате сгорания химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию сильно сжатых газов. Так в камере сгорания образуется газообразное рабочее тело теплового двигателя. Далее тепловая энергия рабочего тела за счет его интенсивного расширения переходит в механическую работу по перемещению поршня из ВМТ в НМТ. Следующим этапом преобразований является кинематическое превращение линейного перемещения поршня в возвратно-поступательное его движение и получение вращательного движения на выходном валу двигателя. Это преобразование реализуется с помощью кривошипно-шатунного

механизма, коленчатого вала и его маховика.

При этом сам коленчатый вал и навешенные на него детали (массы) получают значительный импульс движения, за счет которого совершается полезная работа двигателя, а поршень переходит через НМТ и начинает обратное движение к ВМТ. Эта часть энергетического цикла соответствует рабочему такту двигателя «рабочий ход» и заканчивается в НМТ. С этого момента (от нижней мертвой точки) на полезную нагрузку одноцилиндрового двигателя и на последующие вспомогательные процессы энергетических преобразований начинает работать кинетическая энергия инерционных масс коленчатого вала, ранее разогнанных рабочим ходом поршня. Вслед за процессом «рабочий ход» в любом поршневом двигателе должны быть выполнены два насосных процесса: выпуск отработавших газов и впуск свежего топливовоздушного заряда. В четырехтактном одноцилиндровом двигателе такты выпуска, впуска и сжатия реализуются инерционным вращением коленвала с массивным маховиком (тремя ходами поршня между НМТ и ВМТ). В многоцилиндровом двигателе поршни поочередно работают на один общий коленвал и процессы выпуска, впуска и сжатия в цилиндре реализуются не только инерционным вращением коленвала, но и рабочими ходами поршней в других цилиндрах. На выполнение насосных процессов затрачивается часть энергии рабочего хода. Чем продолжительнее насосные процессы в общей продолжительности рабочего цикла, тем ниже КПД двигателя. Именно поэтому двухтактные двигатели эффективнее четырехтактных, а четырехтактные -эффективнее шеститактных. После завершения насосных процессов, сразу вслед за впуском, в цилиндре четырехтактного двигателя начинается энергетический процесс сжатия. Этот процесс реализуется четвертым (последним) в данном цикле ходом поршня (вверх). Рассмотрев последовательность основных процессов энергетического преобразования и сопутствующие им вспомогательные процессы в четырехтактном двигателе, можно перейти к рассмотрению рабочих тактов в четырехтактном цикле. Четырехтактным циклом называется последовательность из четырех рабочих тактов двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. За начало цикла обычно принимают такт впуска.

Рассмотрение четырехтактного цикла удобнее проводить с помощью индикаторной диаграммы, которая отображает изменение давления в цилиндре по ходу поршня за рабочий цикл (рис. 1.2).

п «хг7гм 2

б

4

О 200 400 600

вмт

800 V, см

нмт

Рис. 1.2. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя:

1 - начало такта сжатия; 2 - момент воспламенения ТВ-смеси; 3 - конец такта сжатия; 4 - точка максимального давления газов (начало такта «рабочий ход»); 5 -начало открытия выпускного клапана (начало такта «выпуск»); 6 - конец расширения газов; 7 - конеь( такта выпуска (начало такта «впуск»).

Индикаторная диаграмма состоит из четырех характерных участков:

1. Участок (71) - впуск ТВ-смеси под разрежением от всасывания

(Р ~ 0,8 атм). Температура ТВ-смеси в конце впуска Т] ~ 100°С. Имеет место вентиляционное охлаждение цилиндра.

2. Участок (123) - сжатие. При степени сжатия £а = 10 (для бензинового ДВС) давление в конце сжатия Рс ~ 18 атм, температура Тс ~ 500°С.

3. Участок (3456) - сгорание ТВ-заряда и расширение (рабочий ход). Воспламенение ТВ-заряда в точке 2. Окончание процесса сгорания ТВ-заряда в точке 3. Рост давления газов до точти 4. Р4 = 40 атм, температура Т4 ~ 2800°С. К концу расширения (точка 5) давление Р5 = 4 атм, Т5 ~ 1000°С. В точке 6 давление Рб ~ 1,3 атм (остаточное давление газов), Тб ~ 800°С.

4. Участок (67) - выпуск отработавших газов. Выпускной клапан открывается в точке 5. Процесс выпуска протекает при давлении, которое превышает атмосферное. К концу выпуска температура падает до Т7 = 700°С, и далее при впуске - до Т[ =

100°С.

Рис. 1.3. Схема работы и фрагменты индикационной диаграммы четырехтактного поршневого двигателя:

а - такт «впуск»; б - такт «сжатие»; в - такт «рабочий ход»; г - такт «выпуск»; р -текущее значение давления в цшиндре; V - изменение объема цилиндра по ходу движения поршня между мертвыми точками; Рк - давление во впускном коллекторе (Рк ~ 1 атм.)

На рис. 1.3 приведены отдельные участки индикаторной диаграммы с их разнесением по четырем рабочим тактам. Здесь же показаны схемы текущего положения поршня в четырехтактном двигателе [2].

Топливо и необходимый для его сгорания воздух, в виде топливовоздушной смеси, вводятся из впускного коллектора 8 через открытый впускной клапан 3 в объем цилиндра двигателя. Начинается рабочий процесс всасывания горючей смеси за счет движения поршня вниз (рис. 1.3,а).

Это первый рабочий такт четырехтактного двигателя - такт впуска. Ему соответствует линия га на индикаторной диаграмме а. Количество введенной при впуске горючей смеси определяется ходом поршня (линейным перемещением из ВМТ в НМТ) и диаметром поршня, то есть рабочим объемом цилиндра, а также давлением Рк во впускном коллекторе.

Как только шатун 7, закрепленный скользящим подшипником на кривошипе 8, перейдет через НМТ, поршень 6 начнет подниматься вверх. С этого момента

начинается второй рабочий такт четырехтактного ДВС, который называется тактом сжатия (линия ас на индикаторной диаграмме б). За время такта сжатия топливовоздушная смесь сильно (до объема камеры сгорания 12) сжимается поршнем и перемешивается с остаточными газами, тем самым превращается в топливовоздушный заряд. Ясно, что в такте сжатия и впускной клапан 3, и выпускной клапан 4 закрыты.

Управление клапанами в поршневых двигателях осуществляется от специального вала, который называется распределительным. Распределительный вал механически жестко сочленен с коленчатым валом через цепную, шестеренчатую или зубчатую ременную передачу. В двигателях с четырехтактным рабочим циклом передаточное отношение такой передачи равно один к двум. То есть за два оборота коленчатого вала распределительный вал делает один оборот. Третьим рабочим тактом поршневого двигателя является такт рабочий ход (на рис. 1.3 линия сгЬ, на индикаторной диаграмме в). Он начинается сразу после того, как поршень 6 начнет перемещаться из верхней мертвой точки снова вниз. Такт «рабочий ход» наиболее важный в работе двигателя. Именно в этом такте происходит главное энергетическое преобразование ДВС - превращение тепловой энергии сгоревшего топливовоздушного заряда в механическую работу.

В бензиновых поршневых ДВС этот такт происходит следующим образом. В зоне, близкой к ВМТ, еще в такте сжатия (точка С в поз. в на рис. 1.3) топливовоздушный заряд принудительно воспламеняется от электрической искры в свече 13 зажигания. Топливовоздушный заряд быстро сгорает, и к началу такта «рабочий ход» давление в образовавшихся газах достигает максимального значения (точка X). Газы, образовавшиеся в результате сгорания топливовоздушного заряда, с этого момента выполняют роль сильно разогретого рабочего тела, сжатого в объеме камеры сгорания. Как только поршень за ВМТ начинает перемещаться вниз, рабочее тело, интенсивно расширяясь, высвобождает приобретенную тепловую энергию, которая превращается в механическую работу в виде движения поршня вниз под действием расширения газов. Последний'(четвертый) рабочий такт поршневого двигателя называется тактом выпуска, так как в нем осуществляется эвакуация из объема цилиндра отработавших газов. На рис. 1.3 такту выпуска соответствует линия Ьг индикаторной диаграммы г. Выпуск происходит сначала за счет остаточного давления, затем путем

принудительного вытеснения отработавших газов поршнем в выпускной коллектор N через открывшийся к этому такту выпускной клапан.

Валено понимать, что из всех четырех тактов четырехтактного двигателя только такт «рабочий ход» полезно работает на нагрузку ДВС, так как только в нем коленчатый вал 10 получает от поршня 6 через шатун 7 и кривошип 8 разгонное механическое усилие. Во всех остальных рабочих тактах двигатель не вырабатывает, а потребляет часть механической энергии от коленчатого вала. Описанные четыре рабочих такта во время работы ДВС чередуются друг за другом и образуют полный четырехтактный рабочий цикл двигателя.

Работа многоцилиндровых ДВС происходит по цилиндрам последовательно, в каждом из которых рабочие процессы протекают одинаково. Все цилиндры в многоцилиндровом ДВС работают на один коленчатый вал, который воспринимает рабочие усилия от разных поршней через заданный числом цилиндров угол поворота. Чередование срабатываний цилиндров в многоцилиндровых двигателях носит наименование «порядок работы». Порядок работы ДВС задается конструктивно соответствующим исполнением распределительного и коленчатого валов и не может быть изменен в процессе эксплуатации. Реализуется порядок работы ДВС чередованием искр зажигания, поступающих на свечи цилиндров от системы зажигания. К примеру, порядок работы четырехцилиндровых двигателей может быть Либо 1342, либо 1243.

В современных многоцилиндровых ДВС невозможность изменения порядка работы является недостатком, так как при отключении части цилиндров с целью экономии топлива во время движения по автомагистрали с постоянной скоростью не позволяет управлять порядком чередования фаз газораспределения.

1.3.Газораспределение в четырехтактном поршневом двигателе

Неотъемлемой составной частью рабочего цикла в любом поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) является процесс газообмена в цилиндрах. Этот процесс в каждом цилиндре в отдельности реализуется впуском свежего заряда и выпуском отработавших газов. Устройство, которое осуществляет газообмен в поршневом двигателе, называется механизмом газораспределения или газораспределительным механизмом. Конструктивное исполнение газораспределительных механизмов

исключительно многообразно [2 ].

На рис. 1.4 показана схема наиболее распространенного ДВС, в котором применен верхнеклапанный механизм газораспределения с верхним расположением распределительного вала.

Рис. 1.4. ДВС с верхнеклапанным механизмом газораспределения:

1, 3, 6, 8 - кулачки выпускных клапанов; 2, 4,5, 7 - кулачки впускных клапанов; 9 -камера сгорания; 10 - клапан; 11 - поршневые кольца; 12 - шестерня на КВ; 13 -ременная зубчатая передача; 14 - шестерня на распредвале; 15 - распределительный вал; 16 - клапанная пружина; 17 - маховик двигателя; 18 - корзина сцепления; 19 -шатун; 20 - коленчатый вал; а, б, в, г — поршни

Основными составными частями такого механизма являются: верхние впускные и выпускные клапаны, которые устанавливаются в крышке каждого цилиндра; кулачковый распределительный вал, расположенный сверху над клапанами; толкатели или коромысла для передачи толкающих усилий от распредвала к клапанам; а также устройство передачи вращательного движения от коленчатого вала двигателя к распределительному валу.

Любой газораспределительный механизм работает таким образом, что очередность газообмена в каждом цилиндре соответствует порядку работы двигателя. Это обеспечивается строго определенным расположением кулачков по углу разворота относительно друг друга на распредвале и самого распредвала относительно коленчатого.

Каждый клапан открывается один раз за полный рабочий цикл (за два оборота коленвала в четырехтактном двигателе). Спецификой работы клапана с приводом от кулачкового распределительного вала является его плавный ход от закрытого до полностью открытого состояния и обратно (рис. 1.5). Плавностью хода клапанов (без провалов и без ударов) обеспечивается бесшумность работы механизма газораспределения, но не только. Если клапан к тому времени, когда поршень подходит к ВМТ, оставить в полностью открытом состоянии, то при малой высоте камеры сгорания обязательно произойдет соударение клапана и поршня. Чтобы этого не происходило, клапан заблаговременно плавно опускается клапанной пружиной по нисходящему профилю кулачка обратно к седлу клапана (при закрытии), и плавно поднимается вверх (при открытии). Для этого профиль кулачка распредвала имеет яйцевидную форму (рис. 1.5).

В теории автомобильного двигателя [1] профили кулачков распредвала подразделяют на гармонические (очерченные сопряжением четырех окружностей различных радиусов) и на тангенциальные (очерченные сопряжением двух окружностей и двух прямых линий). Открытие клапанов обеспечивается нажимным усилием от восходящего профиля кулачков распредвала, а закрытие - возвратными действиями клапанных пружин (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Работа клапана с кулачковым распредвалом (РВ):

а - профильные элементы кулачка РВ; б - положение кулачка РВ относительно клапана в состоянии «закрыто»; в - положение кулачка РВ относительно клапана в начале его открытия; г - положение кулачка РВ относительно клапана в состоянии «открыто»; 1, 2, 3, 4 - рабочий профиль кулачка; 2 3 4 5 - базовая окружность кулачка; 1 2 5 4 - кулачковый выступ; 21- восходягций выступ кулачка; 14-нисходящий выступ кулачка; 15- высота кулачкового выступа; 2 и 4 - базовые

точки кулачкового выступа; б - центр вращения; 7 - направление вращения; 8 -газовые потоки; 9 - кулачок-толкатель; 10 - клапан; 11 - возвратная пружина клапана; 12 - направляющий стержень клапана; 13 - направляющая втулка в головке блока цилиндров для стержня клапана; 14 - пропускная щель; 15 - седло клапана в головке блока; □ - угол между базовыми точками кулачкового выступа

В газораспределительном механизме классического ДВС все его движущиеся составные части находятся в строго постоянной кинематической связи. Этим обеспечивается постоянное и не изменяющееся соотношение фаз газораспределения и фазовых состояний клапанов во время работы двигателя, что является недостатком ДВС, так как не допускает автоматизацию управления фазами газораспределения. В современных поршневых двигателях применяются в основном верхнеклапанные газораспределительные механизмы.

1.4. Фазы газораспределения и фазовые диаграммы

О фазах газораспределения и о фазовых состояниях клапанов в четырехтактном поршневом-ДВС надо сказать отдельно. Есть два строгих определения термина «фаза». По первому, фаза - это момент появления события в циклическом процессе, зафиксированный в ходе развития процесса каким-либо способом. По второму определению, фаза - это продолжительность части циклического процесса между двумя характерными событиями, которые являются границами для данной части процесса.

Циклические процессы в поршневом ДВС проще всего представлять с помощью »фазовых диаграмм, в которых процессы отображаются разверткой текущих значений фаз и фазовых состояний на спираль, на периметр окружности, или на линейную развертку. Циклическая диаграмма, изображающая фазы поршневого двигателя, называется фазовой диаграммой газораспределения. Соответственно фазовые диаграммы подразделяют на спиральные, круговые и двухкоординатные. На рис. 1.6 показана спиральная фазовая диаграмма реального двигателя (М-412). На рис. 1.7 - круговая фазовая диаграмма стационарного двигателя. На рис. 1.8 - Произвольная двухкоординатная диаграмма фаз газораспределения.

Рис. 1.6. Спиральная фазовая диаграмма реального ДВС

вмт

ч1 - * М/

Выпускной \ / ¡А- .. Впускной

клапан у | '/ Чч клапан

О^ \ / %

# \/ ш

« / \ -V й / ; \ 95

(л) * .

нмт

Рис. 1.7. Круговая фазовая диаграмма стационарного ДВС

Рис.1.8. Двухкоординатная фазовая диаграмма ДВС

Из рассмотрения разных типов фазовых диаграмм видно, что двухкоординатная диаграмма наиболее наглядна при рассмотрении насосных процессов в ДВС, когда эффективно регистрируются продолжительность открытого состояния клапанов, их перекрытие и, главное, высота подъема. Спиральная и круговая диаграммы более информативны при рассмотрении сдвигов и протяженностей газовых фаз, так как отображают полный рабочий цикл двигателя. При моделировании процессов газообмена в поршневом ДВС с применением фазовых диаграмм наиболее часто применяются круговые фазовые диаграммы.

1.5. Теоретическая круговая фазовая диаграмма

При теоретическом рассмотрении работы ДВС можно допустить, что фазы впуска и выпуска в точности совпадают по протяженности с тактовыми ходами поршня при впуске и выпуске, а моменты воспламенения топливовоздушного заряда и начала расширения рабочего тела имеют место в ВМТ, т.е. в точности совпадают с началом такта «Рабочий ход». Тогда круговая фазовая диаграмма теоретического двигателя будут иметь вид, показанный на рис. 1.9.

ВМТ

|/г ; \ т.

нмт

Фаза впуска Фаза сжатия Рабочий ход

Фаза выпуска

Перекрытие клапанов в ВМТ

Развал фаз 8 ВМТ или НМТ Угол адаптации

Рис. 1.9. Фазовая диаграмма теоретического ДВС

Как видно из приведенной диаграммы, все газораспределительные фазы теоретического четырехтактного двигателя имеют раскрыв угла в 180°. Ясно, что при этом, клапаны должны находиться в открытом состоянии в течение 180° поворота коленвала, а кулачки распредвала «нажимать» на толкатели клапанов в течение 90° своего поворота (поворота распредвала). Помимо этого, необходимо, чтобы клапаны открывались сразу на всю высоту своего хода и находились бы в таком состоянии до момента закрытия. Однако, в реальных двигателях мгновенное открытие клапана на полную высоту хода и поддержание этой высоты неизменной с помощью распредвала осуществить невозможно.

Во-первых, никакой кулачок распредвала не выдержит ударных перегрузок, если восходящий выступ профиля кулачка будет слишком крутым.

Во-вторых, в современном верхнеклапанном механизме газораспределения возможно соударение клапана с поршнем, если клапан сразу открыть на всю высоту подъема, или заблаговременно не опустить его на фаску седла.

В-третьих, распределительный вал с крутыми кулачками работает с повышенным шумом, и кулачки и распредвал быстро изнашиваются.

Таким образом, кулачок распредвала должен быть пологим и иметь определенную форму профиля (рис.10).

■. Тёмно-зелёная линия прямые о?роаки (для позиций а и б) и окружнос-и (для позиции в) сопрягающих контуров

Рис. 1.10. Профили кулачков распредвала:

а - идеальный; б - тангенциальный; в — гармонический

Для получения пологости и нужной формы профиль кулачка составляется сопряжением четырех окружностей с разными радиусами (гармонический кулачок поз.в на рис.10) или сопряжением двух окружностей и двух прямых линий (тангенциальный кулачок - поз.б на рис.10) [1]. Расширение фаз реализуется соответствующим изменением формы кулачков. Высоту рабочего выступа кулачка (поз. 45 на рис.10) можно значительно увеличить, но при этом должны быть увеличены фазы впуска и выпуска. Возникает, так называемое перекрытие клапанов. Это можно делать до определенных пределов, за которыми увеличение фаз становится вредным явлением. С другой стороны, ход клапана не может быть больше высоты камеры сгорания в той точке, где поршень ближе всего подходит к клапану. В современных двигателях при степени сжатия не менее 10 сближение клапана и поршня доведено до 2,0 мм. При этом часть головки клапана углубляется в специальную проточку на поверхности поршня.

Стало ясно, что возможность дальнейшего увеличения эффективности газообмена за счет расширения фаз, перекрытия клапанов и увеличения хода клапана в классической конструкции двигателя с жестким распределительным валом, с одним впускным и с одним выпускным клапанами на цилиндр полностью исчерпана. Необходимость совершенствования автомобильного поршневого двигателя привела к созданию систем автоматического изменения газораспределительных фаз путем адаптивного управления высотой хода клапанов и их фазовыми состояниями, а также путем поворота фазовых состояний на опережение или отставание с адаптацией под условия оптимальности для данного (текущего) режима работы двигателя. Электронная автоматика управления позволяет решать поставленные задачи совершенствования ДВС. В главе 2 будет показано, как это реализуется в современных автомобильных поршневых двигателях.

1.6. Фазовая диаграмма стандартного (классического) ДВС

Стандартным (классическим) двигателям с жесткой механикой газораспределительного механизма присуща работа с постоянными (неизменяемыми) фазами газораспределения. Число и форма кулачков, их расположение на распредвале относительно друг друга, положение самого распредвала относительно коленвала - все это подбирается для каждого

стандартного ДВС индивидуально при его конструировании и является жесткой неизменяемой программой управления циклическими процессами газообмена в цилиндрах. Ясно, что жесткому распредвалу отвечает раз и навсегда установленная и в дальнейшем при эксплуатации двигателя никак не изменяемая программа работы ДВС и соответствующая ей фазовая диаграмма. Достигнутые при этом результаты можно показать на примере стандартного двигателя М-412, фазовая диаграмма которого приведена на рис. 1.11. Аналогичную фазовую диаграмму имеют все ранее выпускаемые автомобильные двигатели с классической конструкцией ГРМ.

ВМТ

21°, 19° .

А *

К У

' \\\ 1 щ

*v ; /к

нмт

] -время горения ТВ-заряда

Рис.1.П.Фазовая диаграмма двигателя М-412

Из диаграммы видно, что все газовые фазы не совпадают с границами тактов теоретического цикла. Впускной клапан открывается раньше, чем поршень приходит в ВМТ и начинается такт впуска (применено максимально допустимое опережение в 21°), а закрывается после прохождения поршнем НМТ уже в такте сжатия (применено максимально допустимое отставание в 55°). В свою очередь, выпускной клапан открывается в конце рабочего хода поршня с максимально возможным опережением на 57°, а закрывается во время такта впуска с отставанием от ВМТ на 19°. При этом, вблизи ВМТ существует период времени, когда одновременно открыты впускной и выпускной клапаны, т.е. имеет место достаточно значительное перекрытие клапанов в 40°. Ясно, что при этом фазы «Сжатие» и «Рабочий ход» соответственно уменьшаются. Такой организацией работы ГРМ удается значительно улучшить газообмен в ДВС с жестким распредвалом, но только в узком диапазоне частот вращения коленчатого вала (2500...3000 об / мин) под номинальной

нагрузкой. Легко заметить, что в других режимах двигатель М-412 далеко не идеален. Например, холостой ход из-за жестко установленного перекрытия клапанов в 40° не оптимален, так как при этом обороты в РХХ не могут быть ниже 800.. ,900м"1 по причине неизбежного задымления камеры сгорания выпускными отработавшими газами (ВОГ) и остановки двигателя. Режим максимальной мощности (РММ) также не реализуется, так как фаза выпуска установлена с большим опережением относительно НМТ на 57°. При этом немалая часть энергии расширения рабочего тела затрачивается на эвакуацию выпускных отработавших газов, что в данном случае не требуется, а КПД уменьшается. Режимы (РМКМ, РВР), в которых перекрытие клапанов желательно иметь управляемым, в двигателе М-412 исключены. А режим адаптации (РАД) под возникающие дестабилизирующие факторы невозможно реализовать в принципе из-за отсутствия возможности перестановки фаз. По такой фазовой диаграмме двигатель устойчиво работает на средних оборотах (2000-2500 м"1), на которых достаточно эффективно реализуется режим максимального крутящего момента (за счет большого перекрытия клапанов -40°). По другим показателям: топливная экономичность (потребление бензина 10,5 дм3 на 100 км. пробега), массогабаритные показатели, отдаваемая мощность с рабочего объема цилиндров (76 кВт/1,5 дм3), экологичность (выбросы СО с отработавшими газами не менее 2%) двигатель М-412 значительно уступает аналогичным современным двигателям в которых применено управление фазами газораспределения. Для серийно выпускаемого малолитражного автомобиля такое соотношение «преимущества/недостатки» долгое время оставалось вполне приемлемый, так как главным требованием к двигателю являлось требование невысокой его стоимости. Об управлении фазами газораспределения не могло быть и речи. Но постоянно возрастающие требования к экономии топлива и к экологии окружающей среды в больших городах, привели к необходимости радикального совершенствования вновь разрабатываемых автомобильных ДВС. Стоимость двигателя стала второстепенным фактором, и дальнейшее совершенствование автомобильного поршневого двигателя пошло по пути создания сложных автотронных систем управления процессами газообмена. В главе 2 будет показано, как это реализуется в современных автомобильных поршневых двигателях.

1.7. Фазовая диаграмма, как теоретическая модель рабочего цикла поршневого ДВС

Круговая фазовая диаграмма отображает полный рабочий цикл двигателя. Это дает возможность использовать ее в качестве теоретической модели для выбора и обоснования оптимальных фазовых параметров текущих рабочих процессов газообмена. Очевидно, что фазовые диаграммы значительно отличаются друг от друга не только для различных двигателей, но при оптимальной работе ДВС и для каждого режима его работы. Наиболее эффективным средством воздействия на рабочие параметры автомобильного ДВС с целью их оптимизации под текущие условия, является поворот фаз на опережение или отставание, что легко достигается соответствующим поворотом распределительного вала. Влияние поворота распредвала на фазовые характеристики можно исследовать с применением композитного двигателя [3], в котором продолжительности газовых фаз впуска и выпуска по повороту коленчатого вала остаются неизменными и равными 180°, но при начальной (исходной) установке могут быть повернуты как на опережение, так и на отставание относительно исходных (ВМТ и НМТ) нулевых точек. Рассмотрим фазовые диаграммы различных режимов работы композитного двигателя в сравнении с соответствующими фазовыми диаграммами реального ДВС (использованы фазовые диаграммы бензинового двигателя FSI-3,0 AUDI с поворотным распредвалом).

1.8. Режим холостого хода (РХХ)

РХХ - это устойчивая и равномерная работа двигателя без нагрузки на минимально возможных оборотах. При оптимальном РХХ необходимо обеспечить минимальное потребление топлива, достаточно полное сгорание ТВ-заряда, эффективную очистку камеры сгорания от остаточных газов. В композитном двигателе сказанное может быть частично достигнуто перемещением начала фазы впуска от ВМТ в сторону отставания, а конца фазы выпуска - в сторону опережения. За счет перемещения (поворота) фазы впуска без увеличения ее продолжительности достигается дополнительное наполнение цилиндра. Это происходит потому, что малым ходом поршня от ВМТ вниз, в камере сгорания при закрытых клапанах образуется некоторое разрежение, что повышает эффективность всасывания после

открытия впускного клапана. А при малом ходе поршня от НМТ вверх происходит инерционное сжатие и перемешивание ТВ-заряда. Закрытие выпускного клапана до прихода поршня в ВМТ способствует гашению колебаний поршня и стабилизирует вращение коленчатого вала, а раннее его открытие еще в такте «Рабочий ход» повышает эффективность эвакуации ВОГ. На низких оборотах в РХХ все это важно для повышения эффективности смесеобразования и полного сгорания топлива.

На фазовой диаграмме для композитного двигателя (рис. 1.12) этим требованиям отвечает поворот синего сектора по часовой стрелке на угол до 20° , а красного сектора - против часовой стрелки на 40°. Теперь фаза впуска сократилась на 20° в ВМТ, но увеличилась на 20° после НМТ, т.е. по протяженности осталась неизменной и равной 180°. Должным образом изменилась (переместилась) и фаза выпуска.

Следует заметить, что в любом классическом двигателе за счет жесткости распредвала на соответствующее количество градусов сократятся продолжительность рабочей фазы «Сжатие» (зеленый сектор) и фазы «Рабочий ход» (желтый сектор). При этом продолжительности смещенных концов фаз (участков 6 и 8 на диаграмме) для композитного двигателя не оптимальны. В реальном двигателе с жестким распределительным валом установочная продолжительность участков 5,6,7,8 (в градусах поворота по коленчатому валу) определяется экспериментально под конкретную конструкцию ДВС и заданное число оборотов на холостом ходу. При этом фазы впуска и выпуска могут быть различными и не равными 180°.

Фазовая диаграмма для случая холостого хода реального ДВС с управляемым поворотом распределительного вала показана на рис. 1.13.

ВМТ

20°

4 ж ; : 5>

.........

/;4

ВМТ

23" . 20°

......Г|Г

, //

/

* 40'

НМТ

42°"............ 44°

НМТ

Такой же вид фазовая диаграмма реального ДВС имеет и при холодном пуске, и в аварийном режиме работы, когда распредвал не поворачивается.

В режиме холостого хода двигателя для снижения концентрации остаточных газов в топливовоздушной смеси и, соответственно, улучшения ее сгорания впускной вал поворачивается так, чтобы обеспечить достаточно позднее открытие и закрытие впускных клапанов, а выпускной ват поворачивается так, что выпускной клапан закрывается задолго до прихода поршня в ВМТ. По сравнению с диаграммой РХХ для композитного двигателя (см. рис. 1.12), удлинение фаз впуска и выпуска может быть увеличено до 30°, а развал фаз в ВМТ (бледно-лиловый сектор) соответственно сокращен. Это ясное указание на то, что, в отличии от композитного двигателя, фазы газораспределения в реальном поршневом двигателе никогда не совпадают по длительности с рабочими тактами, которые в 4-тактном ДВС всегда равны 180° по повороту коленчатого вала.

1.9. Режим максимальной мощности (РММ)

В реальных двигателях с поворотным распредвалом максимальная мощность достигается на высокой частоте вращения коленчатого вала, если выпускной клапан открывается ближе к НМТ, а закрывается за 4-5° до ВМТ (см. рис. 1.15). За счет этого фаза «Рабочий ход» увеличивается, а значит и увеличивается продолжительность давления газов на поршень. Впускной клапан должен открываться с небольшим опережением (не более 6°), а закрываться за НМТ, тогда впуск по инерции продолжается и в такте сжатия. На высоких оборотах это приводит к дополнительному наполнению цилиндров ТВ-зарядом и эффективному его перемешиванию.

; ВМТ

.....Iff-..................[.....-----...........fjj-~

i -W-ki- 5°

10°

НМТ

ВМТ

■в-4

v г

р- - ^ О4

М ' , /

" ................. '

12°- 26° НМТ

Из диаграммы для композитного двигателя (рис.1.14) видно, что фаза впуска еще до начала такта «Сжатие» прерывается. Это приводит к тому, что рано закрывшийся впускной клапан отсекает быстрый инерционный поток всасываемого воздуха, и, как следствие, энергичное перемешивание газов на впуске нерационально прерывается, а ожидаемое повышение мощности не достигается. Чтобы этого не происходило в реальных двигателях, приходится продолжительность фаз впуска и выпуска в данном режиме значительно увеличивать, при этом перекрытие клапанов должно быть умеренным, не более 6-8 градусов.

1.10. Режим форсирования мощности (РФМ)

Такой режим применим в реальном двигателе с прерывистым впрыском бензина непосредственно в каждый цилиндр. Достигается некоторое увеличение максимальной мощности и крутящего момента на высоких оборотах за счет существенно увеличенного перекрытия клапанов в ВМТ, когда в конце рабочего такта «Выпуск» и до начала такта «Впуск» оба клапана остаются открытыми (рис. 1.17). Открытое состояние обоих клапанов на высоких оборотах двигателя приводит к ^активному инерционному движению чистого воздуха из впускного в выпускной канал через камеру сгорания. Это способствует ее эффективной продувке от оставшихся газов перед впрыском топлива. Режим форсирования мощности за счет продувки не эффективен и не применяется на двигателях с внешним смесеобразованием, т.к. вместе с воздухом в выпускной коллектор будет выбрасываться часть ТВ-заряда.

Фазовая диаграмма РФМ для композитного двигателя показана на рис. 1.16.

ВМТ 24°,

Ц..-.--Й.,'

/ , \ ? !

ч _ /

нмт I

ВМТ

24°

к !\

нмт

Как и в режиме полной мощности, фаза впуска композитного двигателя в форсированном режиме получается усеченной, и здесь также требуется удлинение фазы впуска для устранения развала фаз в НМТ (белый сектор на рис. 1.16).

1.11. Режим максимального крутящего момента (РМКМ)

Такой режим реализуется как на средних, так и на низких рабочих частотах вращения коленчатого вала. Проявляется по равномерному ходу автомобиля при изменении нагрузки на двигатель. Максимальное значение крутящего момента достигается.! повышением коэффициента наполнения цилиндров ТВ-смесью за счет увеличения перекрытия клапанов (6°...10°) с таким расчетом, чтобы обратный выброс ТВ-смеси во впускной коллектор не имел места. Для этого впускной клапан открывается с опережением на 10-12°, а выпускной закрывается с отставанием на 010°. Так как продолжительности фаз впуска и выпуска в композитном двигателе с жестким распредвалом изменяться не могут, то в конце впуска часть энергии коленчатого, вала в РМКМ тратится бесполезно на преодоление развала фаз «Впуск» и «Сжатие» (рис. 1.18, белый сектор, 10°), что в реальных двигателях устраняется значительным расширением фазы впуска относительно НМТ (рис. 1.19) . Фазовые диаграммы для РМКМ показаны на рис. 1.18 и 1.19.

ВМТ

б-'-Ы--^'

410е

НМТ

ВМТ

.10° —*■: щ

/

/

/ : \

1. •

22° 12° НМТ

Рис. 1.18. РМКМ для композит.ДВС Рис. 1.19. РМКМ для реальн.ДВС

1.12. Режим внутренней рециркуляции (РВР)

На рис. 1.20 изображена фазовая диаграмма режима внутренней рециркуляции выпускных отработавших газов для реального двигателя. Известно, что возврат

некоторой части выпускных отработавших газов обратно в камеру сгорания способствует понижению температуры горения топливовоздушного заряда за счет его разбавления инертным азотом. Коэффициент соотношения воздух / топливо при этом не изменяется, а количество фракций окислов азота (ЬЮх) в выхлопе резко сокращается. Экология улучшается. Помимо этого, можно использовать более бедные топливовоздушные смеси, а значит повысить топливную экономичность ДВС. Для реализации режима рециркуляции выпускных отработавших газов фаза перекрытия клапанов значительно увеличивается (до 18°) с таким расчетом, чтобы после открытия впускного клапана еще в такте «Выпуск» часть выпускных отработавших газов попадала в камеру сгорания, как на средних так и на умеренно повышенных оборотах. Для этого впускной клапан должен открываться задолго до ВМТ (опережение 22°), а выпускной - закрываться непосредственно перед ВМТ (за 4-5°). Примерно также, как при режиме РФМ (см.рис.1.17), оба клапана остаются открытыми одновременно и отработавшие газы частично перетекают в камеру сгорания и во впускной канал. В реальном двигателе для устранения развала обе фазы относительно НМТ необходимо увеличивать. К преимуществам такой рециркуляции относится быстрая реакция системы регулирования сразу после перехода на режим рециркуляции выпускных отработавших газов, а также равномерное распределение ВОТ по цилиндрам

ВМТ

22°

А *>'

/ - 1 > < \ 4" М'

V \ к \ > !1 ' /У < 'V /у

«.......26°

НМТ

Рис. 1.20. РВР для реального ДВС

1.13. Режим адаптации двигателя (РАД)

частности ГРМ) изнашиваются, да и новые запчасти имеют иногда значительные отклонения от допусков. В современном двигателе посредством электронного управления реализуется режим адаптации под возникающие дестабилизирующие факторы. Способность электронной системы автоматического управления (ЭСАУ-Д) адаптировать двигатель к внешним условиям является исключительно важной новацией современных автомобильных ДВС.

Система автоматического управления фазами газораспределения с управляемыми распределительными валами также может быть адаптивной. Благодаря этой способности достигается нечувствительность системы к отклонениям ее параметров под воздействием износа компонентов в процессе эксплуатации.

40°,- г-«

вмт

20° В

20°Д

/¡■ь. ¡11

7!\\ '¡I

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Митин, Михаил Владимирович

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Анализ физических процессов газообмена в поршневом двигателе показал, что с применением электронного автоматического управления клапанами достигается улучшение топливной экономичности, экологических и могцностных показателей двигателя (Глава 1).

2. Проведено аналитическое исследование зарубежного опыта по разработкам и созданию автоматических систем управления газораспределительными клапанами в автомобильных поршневых ДВС (Глава 2).

3. Теоретически разработана новая автотронная система автоматического управления газораспределительными фазами (АСАУ-Ф) с применением поворотно-плавающего распределительного вала: составлены алгоритмы функционирования, найдены схемотехнические решения для АСАУ-Ф. На основании проведенных теоретических исследований разработаны методики инженерного расчета электромагнитных компонентов для газораспределительного механизма поршневого двигателя в системе АСАУ-Ф. Разработаны устройство и принцип действия четырехпозиционного переключателя клапанов для одного цилиндра, что расширило диапазон изменения параметра «время-сечение» (Глава 3). На разработанный четырехпозиционный переключатель подана заявка на изобретение.

4. Разработана методика расчета параметров электромагнитного фиксатора (ЭМФ) для плавающей муфты новой конструкции. Составлены аналитические выражения, описывающие движение составного якоря ЭМФ и разработаны способы их решения (Глава 4).

5. Предложена новая конструкция позиционного датчика Холла и методика расчета его параметров (Глава 5).

6. В качестве примера использования предложенной инженерной методики, рассчитаны электрические и размерные параметры ЭМФ по разработанным формулам (Приложение 1).

7. Проведена экспериментальная проверка методики расчета ЭМФ с применением компьютерных технологий (Приложение 2).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Митин, Михаил Владимирович, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ютт. В.Е. Электрооборудование автомобилей. Учебник для студентов вузов. - 4е изд., перераб.и доп. - М.: Горячая линия-Телеком,2006,439 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов (том I) / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С.Хачиян и др. Под ред. В.Н.Луканина. М.: Высшая школа, 1995.

3. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и разработка поршневых и комбинированных двигателей /В.А. Алексеев, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Под ред. A.C. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1980.

4. Автомобильные двигатели / Под ред. М.С,Ховаха. М: Машиностроение, 1977.

5. Архангельский В.М. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1967.

6. Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. М.: Энергия, 1974.

7. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.

8. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.: Энергия, 1967.

9. Гордон A.B. Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. М-Л.: Госэнергоиздат, 1960.

10. Агаронянц P.A. Динамика, синтез и расчет электромагнитов. М.: Наука, 1967.

11. Гаврилов Л.П., Соснин Д. А. Расчет и моделирование линейных электрических цепей с применением ПК. Учебное пособие для студентов машиностроительных вузов. М.: «СОЛОН-Пресс», 2004.

12. Гаврилов Л.П. Нелинейные цепи в программах схемотехнического моделирования. М.: Солон - Р, 2002.

13. Соснин Д.А. Рабочие процессы в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. / В монографии «Автотроника» (Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей). М.: Солон-Р, 2001.

14. Соснин Д.А. Моделирование процессов в цепях переменного тока при помощи компьютерной системы MultiSim 2001./В монографии Гаврилова Л.П. и Соснина

Д.А. «Расчет и моделирование линейных электрических цепей с применением персонального компьютера». М.: Солон-Пресс, 2004.

15. Митин М.В., Соснин Д.А. О возможности применения электромагнитных клапанов в газораспределительном механизме ДВС. Тезисы докладов научной конференции МАДИ (ГТУ).2005.

16. Митин М.В., Соснин Д.А. Электромагнитный клапан. Патент по классу Б 01 Ь 9/04. Подано в патентный отдел МАДИ (ГТУ).2004.

17. Митин М.В., Соснин Д.А. Клапаны с электромагнитным приводом для газораспределительного механизма поршневого двигателя. М.: «Ремонт и Сервис», 2001, №12(39).

18. Автомобильный справочник. Перевод с англ. -М.: Изд. «За рулем», 2000.

19. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.: Энергия. 1977.

20. Справочник по ферромагнитным материалам. - М.: Изд. Госстандарт. 1988.

21. Любчик М.А. Силовые электромагниты постоянного тока. М.: Энергия. 1968.

22. Любчик М.А. Расчет и проектирование электромагнитов постоянного и переменного тока. М-Л.: Госэнергоиздат. 1969.

23. Синицын А.К., Кривошапко Н.С.Расчетно-экспериментальное исследование влияния переменных фаз газораспределения на показатели бензинового двигателя. М.: Вестник РУДН, сер .Инженерные исследования, 2001, №1

24. Митин М.В.,Соснин Д.А. Автотронное управление газораспределительными фазами поршневого двигателя. НТЖ «Электротехика и электроника автомобилей и тракторов» №4 за 2008 г. Изд. ВАКа

25. Митин М.В.,Соснин Д.А. Расчет параметров и характеристик датчика положения распределительного вала на генераторе Холла. М.: НТЖ «Ремонт и сервис электронной техники». №8 за 2008 г.

26. Соснин Д.А., Митин М.В. Электронный привод акселератора современного автомобиля. . М.: НТЖ «Ремонт и сервис электронной техники». №12 за 2008 г.

27. Соснин Д.А., Митин М.В. Многомерная характеристика фаз для поршневого двигателя. М.: НТЖ «Ремонт и сервис электронной техники». №1за 2009 г.

28. Митин М.В., Соснин Д.А. Регулировка фаз газораспределения в поршневых двигателях гибридных электромобилей. В межвузовском сборнике научных трудов «Методы и модели прикладной информатики. М.: МАДИ (ГТУ). 2009 г.

29. Митин М.В. «Автотронные системы автоматического управления фазами газораспределения в поршневом ДВС». В книге: Соснин Д.А. «Электрическое, электронное и автотронное оборудование легковых автомсобилей». Учебник для Вузов с грифом УМО. М.: СОЛОН-Пресс. 2010 г.

30. Forum der Meinungen: Ist der Ventiltrieb der Zukunft voll variabel? In: MTZ 60 (1999).

31. Esch, Т.; Hagen, J.; Pischinger, M.; Salber, W.: Möglichkeiten der ottomotorischen Prozeßführung bei Verwendung des elektrome-chanischen Ventiltriebs. In: 7. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 1998.

32. Salber,W.: Untersuchungen zur Verbesserung des Kaltstart und Warmlaufverhaltens von Ottomotoren mit variabler Ventilsteuerung. In: Dissertation, RWTH Aachen, 1998.

33. Pischinger, S.; Salber, W.; Möglichkeiten zur Verbesserung des Kaltstart-, Warmlaufund Instationärverhaltens mittels variabler Ventilsteuerzeiten. In: 20. Internationales Wiener Motorensymposium, VDI Fortschrittberichte Reihe 12 Nr. 376,1999.

34. Baier, K.; Krämer, M.; Kühn, M.; Thom, R. W.: Variable Ventilsteuerungen - ein Weg zur Verbrauchsreduzierung und Drehmomentsteigerung bei Otto Motoren. In: 20. Internationales Wiener Motorensymposium, VDI Fortschrittberichte Reihe 12 Nr.376,1999.

35. Koch, A.; Kramer, W.; Warnecke, V: Die Systemkomponenten eines elektromechanischen Ventiltriebs. In: 20. internationales Wiener Motorensymposium, VDI Fortschrittberichte Reihe 12 Nr. 376,1999.

36. Butzmann, S.; Melbert, L; Koch, S.: Sensorless Control of Electromagnetic Actuators For Variable Valve Train. In: SAE 2000-01-1225

37. Warnecke, V.; Koch, A.; Kramer, W.: Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Systemkomponenten eines elektromechani-sehen Ventiltriebs. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

38. Fiaccabrino, C.; Rouge, T.: Smarter Ventiltrieb -Ein Weg zur Minimierung von Leistungsbedarf und Geräuschen durch eine intelligente Regelung eines optimierten Aktuators. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

39. Cosfeld, R.; Klüting, M.; Grudno, A.: Technologische Ansätze zur Darstellung eines elektrome-chanischen Ventiltriebs. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

40. Niefer, H.; Doli, G.; Lückert, P.: Zylinderabschal tung - Ein anspruchsvolles Konzept zur Ver brauchsreduzierung ohne Einbuße an Fahrspaß oder beim Komfort. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 1999.

41. Bonse R.; Quentin K.: Auslegung und Fertigung von Aktuatoren für elektromechanische Ventiltriebe. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 März 2000.

42. Kilger M.; Warnecke V.; Koch A.; Kramer, W.: Reduktion der Geräuschemissionen eines elektromagnetischen Ventiltriebs durch intelligente Regelungsstrategien. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 März 2000.

43. Boulicout, M.; Biziean, L.; Guerin. S.; Morin, L; Roux, L: Adaption of Electromechanical Valve Control on a 21-4 Cylinder Engine. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 März 2000.

44. Klüting M.; Flierl, R.: Die 3. Generation von Ventiltrieben - neue vollvariable Ventiltriebe zur drosselfreien Laststeuerung. In: HDT Essen, Tagung Nr.. H030-03-031-0 März 2000.

45. Rausch. M.: Elektronik für die elektromagnetische Ventilsteuerung. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031 -0 März 2000.

46. Walzer. P.; Kemper, H.; van der Staay. F.: Mecha-tronik als Lösung zukünftiger Anforderungen an die Motorentechnik - Beispiel elektromecha-nischer Ventiltrieb. In: 4. ATZ/MTZ Fachkonferenz Automobilentwicklung & Management, Juni 2000.

47. Rouge, T.: Electromagnetic Valve Actuation «SVA». In: Variable Valve Actuation TOPTEC, The State of the Art, SAE Tagung September 2000.

48. Schwaderlapp, M.; Schebitz M., Koch F.W., Salber, W.: Der elektromechanische Ventiltrieb -Mehr als ein Verbrauchskonzept. In: 9. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, Oktober 2000.

49. Klüting, M; Flierl, R.; Grudo, A.; Luttermann, C: Drosselfreie Laststeuerung mit vollvariablen Ventiltrieben. In: MTZ 60 (1999) 7/8

50. Rausch, M: Neue Möglichkeiten durch elektromagnetischen Ventiltrieb. In: Auto & Elektronik 1/2000.

51. Stier, M.: Pneumatische Ventilfedem in der Formel 1. In: МОТ, Heft 17/2000.

52. Hannibal, W.; Meyer, K.: Patentrecherche und Überblick zu variablen Ventilsteuerungen. In: HDT Essen, Tagung Nr. H030-03-031-0 März 2000.

53. Pischinger, M.; Salber, W., Kemper H., Baumgarten H., van der Staay, F.: Darstellung der Potentiale des elektromechanischen Ventiltriebs im Fahrzeugbetrieb. In: 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 1999.

54. Pischinger S., Hagen J., Salber W.: Verbesserung des Betriebsverhaltens eines Ottomotors mit Abgasturboaufladung mittels einer voll variablen Ventilsteuerung. In: 7. Aufladetechnische Konferenz, 2000, Dresden.

55. Pischinger, S.; Salber, W.: Möglichkeiten zur Verbesserung des Kaltstart-, Warmlauf- und Instationärverhaltens mittels variabler Ventil-steuerzeiten. 20. Internationales Wiener Moto-rensymposium. In: VDI Fortschrittberichte Reihe 12, Nr. 376, 1999.

56. Ernst Gschweitl. Signitikante Verringerung des Verschleißes durch Optimierung des Vtntiltriebes. MTZ.61. 2000, №1.

57. Wolfgang Salber und die anderen. Der elektromechanische Ventiltrieb - Systembaustein für zukünftige Antriebskonete.Teil - 1:MTZ.61.2000, №12; Teil - 2Журнал MTZ.62;2001, №1.

58. Stefan Pischinger und die anderen. Ladung sbewegung und Gemischbildung bei Ottomotoren mit voll variabler Ventilsteuerung.MTZ.62.2001, №11.

59. Журнал MTZ.. 2005, №12.

60. Журнал MTZ.. 2007, №9.

61. h1tp://ws^.popmech.m/part/print.php?rubricid:=5&articleid=591

62. http://www.accord-russia.ru/showthread.php?t= 1773

63. http//www.Toyota-Ectima-Alphard-sanekua.ru

64. Автомобильный справочник BOSCH, M.: Изд. «За рулем», 2006, 894 с.