Исследование и разработка электронной системы автоматического управления клапанами поршневого двигателя с применением поворотно-плавающего распределительного вала

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 второмуправление «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 практическитрудно 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-Фпредложен 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 литературеисследованы 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 функционированияконструктивные компоненты для АСАУ-Ф (входная и выходная периферия) — структурные, функциональные и электрические блок-схемыпозиционный датчик Холла и электромагнитный фиксатор клапанной муфты на основе четырехпозиционного переключателя клапановвсе 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 коленчатогопредложенные 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.

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).