Динамика индивидуального электромагнитного привода клапана двигателя внутреннего сгорания тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

НИЖНИКОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ДИНАМИКА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 2007

003052903

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет» на кафедре теоретической механики и мехатроники

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Яцун Сергей Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кобелев Николай Сергеевич

кандидат физико-математических наук, доцент Соколов Владимир Сергеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Орловский государственный

технический университет»

Защита состоится 22 марта 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета

Автореферат разослан «?/*» февраля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О.Г. Локтионова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЬОГЫ

Актуальность темы.

Последние десятилетия ведущие разработчики двигателей ппузреииего сгорания (ДВС) для автомобилей активно совершенствуют механизм газораспределения. Широко применяются решения но увеличению числа клапанов на один цилиндр. Серийно выпускаются автомобили с четырьмя клапанами, есть уникальные конструкции с пятью клапанами.

Появились разработки фирм 1>МВ(\'акс (гошс). Мерседес. КепапИ. Авто ВАЧ которые управляют высотой открытия клапана. Интерес к исследованиям в этой области определяется возрастающими требованиями к экономичности, токсичности, приспособляемости моторов. Поэтому новые технические решения в этой области - осознанная необходимость. Переход к разработке и созданию ДВС с индивидуальными приводами клапанов газораспределительного механизма 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 дпиппеле. Это позволяет обеспечивать получение максимальной мощности или максимального крутящего момента, при минимальных расходах тоншжа. Открываются принципиально новые возможности, позволяющие оз ключам. некоторое количество цилиндров полностью или переполни, их на малую нагрузку, так что остальные будут работать более эффективно.

Появляется возможность управления движением княиппн и сю высотой открытия, что позволяет отказаться от дроссельной заслонки. Отпадает необходимость в шестернях и распределительных палач, а также цени или зубчатом ремне с механизмами натяжения. В качестве приводов клапана могут выступать как гидравлические, пневматические. так и электромагнитные системы. Наиболее гибкими с точки зрения управляемости и простоты конструкции следует считан, »лектромагнитные приводы.

В то же время недостатком таюгх 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. Это требует разработки и создания новых методов расчета таких приводов. Поэтому тема дисертации является актуальной и направлена на решение важной прикладной задачи.

Целью настоящей работы является повышение »ффектшшости газораспределительного механизма за счет разработки мстодон расчета индивидуального электромагнитного привода клапанов ДВС.

Для достижения данной цели решены следующие основные задачи :

1. Создание математической модели электромагнитного привода, позволяющей описывать электродинамические процессы в магнитопроводе с учетом переменного воздушного зазора и изменяемого напряжения электрического питания.

2. Создание математической модели индивидуального привода клапана описывающей все основные компоненты системы в том числе механическую часть, электромагнитную и систему управления.

3. Анализ динамики и расчет параметров электромагнитного привода клапана ДВС для различных типов импульсного питания электромагнитов.

4. Разработка экспериментальной установки и методики оптимального синтеза привода клапана.

5. Разработка инженерной методики расчета параметров электромагнитного привода клапана.

6. Разработка конструкции опытного электромагнитного привода клапана и изучение возможностей применения такой системы на ДВС.

Методы исследования.

Диссертация основывается на современном представлении о формировании заданного закона движения клапана как о сложном комплексном процессе, где определяющим является процесс взаимодействия всех основных компонентов системы в том числе механической части, электромагнитной и системы управления. При подготовке диссертации широко использованы как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, основанные на теории нелинейных колебаний, теории электромагнитных механизмов, теории оптимального планирования эксперимента, теории нелинейного программирования, методах вычислительной математики и физики, современных программно-вычислительных комплексах.

Достоверность научных положений и результатов.

Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования, методов конечных элементов. Достоверность результатов подтверждается адекватностью математических моделей и натурных образцов; достаточным объемом измерений, обеспечивающим относительную погрешность не более 18%; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований и эффективной эксплуатацией опытного оборудования.

Научная новизна.

Создан метод расчета электромагнитного привода клапана ДВС как системы электромагнит - клапан - внешняя нагрузка - система контроля и управления.

Предложен уточненный метод расчета электромагнита на основе описания электродинамических эффектов, позволивший усовершенствовать традиционную методику расчета электромагнитов и повысить точность вычислений.

Предложен метод импульсного электрического питания электромагнитов привода. Этот метод, реализованный с использованием обратной связи по положению позволил создать привод, обеспечивающий заданный закон движения клапана.

Разработана методика динамического анализа двухимпульсного питания электромагнитов и установлены взаимовлияние сдвига фаз между импульсами на закон движения клапана.

Разработан метод синтеза параметров электрического питания по динамическим параметрам движения клапана, применяемый при проектировании электромагнитных приводов клапана, реализующих заданный режим работы ДВС.

Практическое значение работы.

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 даёт возможность обеспечивать получение максимальной мощности или максимального крутящего момента, при минимальных расходах топлива, отключать некоторое количество цилиндров полностью или переводить их на малую нагрузку. Управление 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.

Лппробация работы.

Результаты работы докладывались на городском научно-методическом семинаре при кафедре теоретической механики и мехатроники КурскГТУ в 2004 - 2007 гг. .и семинардх Московского государственного открытого университета (Губкинский филиал), на Международной научно-

технической конференции «Вибрационные машины и технологии», Курск, 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них одна по перечню ВАК, 3 статьи, 2 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 71 наименования и 1 приложения. Основной текст изложен на 142 страницах и содержит 117 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приводится обзор литературных источников по вопросам разработки и проектирования индивидуальных приводов клапанов ДВС. Приводится обзор и классификация приводов. Сформулироеакы требования, предьявляемые к индивидуальному приводу клапана. При этом отмечается, что разработкой индивидуальных приводов клапанов ДВС занимаются ведущие разработчики ДВС такие как БМВ, Мерседес, Рено, АвтоВАЗ и другие. В этих организациях создаются перспективные двигатели с индивидуальным приводом клапанов. Проведены экспериментальные исследования, показана; высокая эффектвность таких систем. Анализ разработок выполненных ведущими разработчиками ДВС показал, что наиболее подходящим для создания индивидуального привода клапана является двухсторонний электромагнитный привод с одним или двумя пружинными элементами. Нерешенной остается проблема создания малогабаритного быстродействующего привода. Необходимо продолжать исследования в области создания алгоритмов управления приводом. В настоящий момент изучаются как разомкнутые системы управления, так и замкнутые. Последние, очевидно, являются более эффективными, но одновремено требуют создания более сложных конструктивных схем, снижающих надежность системы в целом. Кроме этого, остается нерешенной проблема оптимального синтеза таких устройств. Очевидно, что эта задача не может быть решена без учета всех факторов, влияющих на работу системы. Отсутствуют также комплексные критерии, определяющие эффективность электромагнитных приводов. Проектирование динамических систем основывается на работах В.Л.Бидермана, И.И.Блехмана, Р.Ф.Ганиева, Ф.М.Диментберга, А.А.Кобринского, Б.В.Крюкова, Э.Э.Лавендела, К.В.Фролова, Я.Г.Пановко, Р.Ф Нагаева и других ученых. Эти работы легли в основу построения математического аппарата, применяемого при проектировании современных электромагнитных приводов.

В общем Случае индивидуальный привод клапана состоит из следующих основных элементов: привод - трансмиссия - исполнительное звено - клапан - внешняя среда - сенсоры - система контроля.

Движение клапана от электромагнита посредством передаточного механизма (трансмиссии) передается на клапан, воспринимающий технологическую нагрузку. Обратная связь реализуется между каждым элементом системы для обеспечения наиболее эффективного рабочего режима и стабилизации характеристик движения клапана при действии различных дестабилизирующих факторов (износа, температурных воздействий, изменений рабочей нагрузки и т.п.). Режим колебаний клапана должен быть оптимальным для каждого конкретного случая использования

двигателя, потому что правильный подбор его параметров существенно снижает расход топлива, повышает износостойкость ДВС. В результате проведенного анализа формулируется цель и задачи диссертации.

В главе 2 рассмотрены математические модели, электромагнитных приводов различного типа. Приведена классификация математических моделей. Рассматриваются схемы с непосредственной передачей движения со стороны якоря на клапан и через рычажный механизм. На рис, 1 приведена схема электромагнитного "привода с непосредственной передачей движения.

Рис.1. Схема одностороннего электромагнитного привода клапана ДВС с непосредственной передачей усилия на клапан, установленного на головке

блока цилиндров ДВС

В работе разработана методика расчета параметров электромагнитного привода клапана в части определения электромагнитного момента, основанная на методе математического моделирования электродинамических процессов, протекающих в электромагните, а расчет уравнений Максвелла с учетом соответствующих граничных условий выполнен с помощью метода конечных элементов.

Клапан массой т крепится к якорю электромагнита в точке А, а угол поворота якоря изменяется в пределах:

<Р0<<Р<<Ртах (1)

<Ро - значение угла поворота якоря при контакте с нижним ограничителем;

^-текущее значение угла поворота якоря;

(ртах - значение угла поворота якоря при контакте с верхним ограничителем.

Рис. 2. Расчетная схема электромагнитного вибропривода с качающимся якорем и вязкоупругими ограничителями

Расчетная модель вибропривода при таком подходе приведена на рис.2. В этой расчетной схеме не показаны упругие элементы, ограничивающие перемещение якоря, однако их свойства учтены путем скачкообразного изменения жесткости упругой подвески клапана. Методика расчета электромагнита- основывается на использовании упрощенных расчетных формул, описывающих электромагнит и обеспечивающих приемлемую

точность за счет применения установленных экспериментально ряда корректирующих и конструктивных коэффициентов. Значения, принимаемые для этих коэффициентов нельзя считать безусловными, но они оптимизированы с учетом накопленного опыта проектирования. Далее (рис.3) рассмотрена расчетная схема объекта, моделирующая движение двухстороннего электромагнитного привода клапана ДВС. Эта схема не учитывает поворот якоря, а приближено считается, что якорь движется поступательно. Динамику электромеханической системы можно описать уравнениями Лагранжа-Максвелла.

Рис. 3. Схема электромеханической системы привода клапана ДВС: I, II - первый и второй электромагниты; Д - датчик перемещения^ - регулятор; У - усилитель; ЛУ - логическое устройство; X - перемещение массы; А -начальный зазор между массой и ограничителями;5 - начальный зазор между массой и электромагнитами; р - вязкость пружины; С - жёсткость пружины; Согр - жёсткость ограничителя; т - исходная масса; РЭ2 -

электромагнитные силы, создаваемые первым и вторым электромагнитами соответственно; 111, иг - напряжения на первом и втором электромагнитах соответственно.

Примем за обобщенную координату перемещение массы х. Кинетическая энергия массы:

Т -

ту

тх

(2)

Потенциальная энергия системы равна: Л = П,+П2>

где

/7, =mgh = mg{x) - потенциальная энергия тела,

(3)

(4)

(5)

П2 - потенциальная энергия , накопленная в пружине.

После подстановки в уравнения Лагранжа получим систему дифференциальных уравнений в виде:

тх + ¡лх + сх - К,, - Рэг

•Ф,+/,* = £/,(/) > (6)

Ф2+12Я = и2(() где т, (г, с - параметры системы;

Г'л - Рэ2 - электромагнитные силы;

11/, V2 - напряжения

Обозначим т = аЛ - безразмерное время. Представим х = хГ1х, где лг0 — амплитуда перемещения, х - безразмерный параметр.

В результате преобразований получим систему дифференциальных уравнений, описывающую динамическое поведение системы. Приведём систему дифференциальных уравнений к безразмерному виду:

^ _ (Ф0Щ )2(1 + К,) | (Ф0Ф2)2 (1 + К,)

тх0ю -х+^!хйсо-х+сх0х=-

(7)

Ф0- амплитуда магнитного потока, Ф - безразмерный магнитный поток. Найдём безразмерные выражения для , /':

ф = ф <№= ф

Л ¿г ° ¿г ° '

0)

д\У дх

(Ф0Ф)\б±х0т+к,)

дх0х

(ФаФ)2(1 + Кх)

(8)

г (Ф0Ф )2 ± х„х)(1 + ЛГ,.,) ■ _ ЯГ _ * ,(ф„ф№±дгвз?Х1 + кц)

дФ дФ0Ф

В дальнейшем рассматривались следующие законы напряжения:

_ | А вт( (о ■ /) + (70, этС со • О > О

1 эт( со -I) < О | А5т(«-/ + 6>) + {/0,8т(<у-? + <з)>0

2 ~~ |//0,8т(й> •* + #)< О

Здесь 0 — ■ угол сдвига фаз между импульсами электрического напряжения. Но - величина постоянной составляющей напряжения, А — амплитуда переменной составляющей электрического питания.

Систему дифференциальных уравнений наиболее удобно решать численным методом. Расчеты проведены в среде МАТНСАГ) 2000 с применением метода Рунге-Кутта (рис. 4).

(Ю) подачи

(И) (12)

Рис. 4. Зависимость амплитуды перемещения клапана от сдвига фаз при

А= 1 В

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований. Разработана и создана экспериментальная установка, реализующая идеи индивидуального электромагнитного клапана с непосредственной передачей усилия (рис.5).

Разработана методика и получены экспериментальные зависимости ускорения, скорости и перемещения клапана для различных видов электрического питания.

Разработана и изготовлена система электрического питания электромагнитов привода как для однократного перемещения клапана, так и для периодического с частотой кратной частоте вращения коленчатого вала.

Рис, 5. Общий вид экспериментальной ус1а(!оики (вид сбоку)

Зависимости перемещения клапана от времени для разомкнутой системы управления приведены на рис, 6. Этот закон движения характеризуется треугольной формой сигнала. Для замкнутой системы управления при наличии обратной связи получен трапецеидальный закон движения клапана (рис. 7). Показано, что, изменяя параметры (¡, Щ, /,, Л , удается получить различные законы движения клапана, в том числе такие, когда скорость открытия клапана значительно выше скорости закрытия, а посадка па седло происходит с практически нулевой скоростью.

0.008

0.004

0

t, с

Рис. 6, Экспериментальные законы движения клапана в случае разомкнутой системы управления

Рис, 7. Экспериментальный икон движения клапана с асимметричным смещением при замкнутой системе управления по положению

В главе 4 рассмотрены вопросы проектирования индивидуального привода клапана и системы автоматического управления индивидуального привода.

Рис. 8. Линии магнитной индукции

Разработан алгоритм расчёта параметров привода с учётом распределения Электромагнитного ¡юля в магнитол роводе. Методика позволяет определить все основные параметры привода с учётом динамических режимов движения и температуры нагрева катушки электромагнита

Динамический расчет движения якоря на расчетной области выполнен с применением университетской версии программного комплекса 5.5

(рис. 8). Этот пакет, ориентированный на расчет квазистатических режимов, потребовал создания специальной процедуры, позволяющей определять электромеханические параметры системы в условиях переменного напряжения электрического питания и движущегося якоря. При этом на каждом шаге попеременно использовались два расчетных модуля программа Ета§ и программа численного определения положения якоря на основе интегрирования первого уравнения системы. Удалось также подобрать корректирующие коэффициенты, применив методику, основанную на минимизации среднеквадратичного отклонения закона перемещения полученного по приближенной и уточненной методике.

Разработана схема системы управления электромагнитом с использованием ПИД регулятора с обратной связью, позволяющая обеспечить движение клапана по заданной траектории. Причем ошибка по отклонению не превышает 5 %.

Исследована устойчивость системы управления электромагнитом, определены области параметров, где запас устойчивости гарантирован. Предложена методика проектирования электромагнитного привода на основе конечно-элементного подхода, позволяющая выбрать магниты с заданными свойствами.

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 и отличается учетом величины электродинамических эффектов.

3. Установлена функциональная связь между параметрами упругого элемента клапана, силы сопротивления, преодолеваемой клапаном при движении во втулке и вида 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 конетрукцпя индивидуального электромагнитного привода клапана. существенно расширяющая технологические возможности ДВО.

7. Разработана методика расчёта индивидуального электромагнитного привода клапана, позволяющая учитывать взаимодействие привода клапана. Сконструирован и изготовлен лабораторный образен 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.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных КАК РФ:

1. Яцун, С.Ф. Расчет электромагнитного привода клапана ДВС [Текст] / С.Ф.Яцун, С.А.Ннжников, О.В.Емельянова; - М.: Известия ВУЗов «Машиностроение», № 2, 2007. С.28-38.

Статьи, материалы конференций и другие материалы:

2. Яцун, С.Ф. Расчет оптимальных параметров электромагнитной вибрационной системы [Текст] / С.Ф.Яцун, Д.И.Сафпроп. C.A.11ижников // Известия Курского государственного технического университета. - Курск: Курск.гос.техн.ун-т, 2006. № I. С.27-30.

3. Нижников, С.А. Обоснование цслссообр.пности применения индивидуальных приводов клапанов ДВС [Текст] / С.А.Пижннков // Вибрационные машины и технологии: сб.иауч.тр. Курск: Курск.гос.техн.ун-т, 2005. С. 115-119.

4. Нижников, С.А. Математическая модель электромагнитного привода клапана ДВС [Текст] / С.А.Нижников, А.П.Щеблыкин, К.В.Чаплыгин // Вибрационные машины и технологии: сб.иауч.тр. - Курск: Курск.гос.техн.ун-т, 2005. С.120-123.

5. Патент на полезную модель 49124 Российская Федерация, МГ1К7 F 02 D 13/02. Привод клапана двигателя внутреннего сгорания |Текст] / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Нижников С.А., Щеблыкин А.П.; заявитель и патентообладатель Курск.гос.техн.ун-т. - № 2005116472/22, заявл. 03.05.2005; опубл. 10.11.2005. Бюл.№ 31 -1с..

6. Патент на полезную модель 60142 Российская Федерация, МПК7 F 02 D 13/02. Привод выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Нижников С.А., Щсблыкни А.П.; заявитель и патентообладатель Курск.гос.техн.ун-т. - № 2006120701. заявл. 13.06.2006; опубл. 10.01.2007. Бюл.№ 1 - I с.

Подписано к печати 20. 02. 2007. Формат 60x84 1/16. Печ. л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040 Курск, ул. 50 лет Охтябра, 94.

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

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.

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.

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.