Алгоритм и результаты расчета электромагнитной форсунки бензинового двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

30 40 50 V, КМ/Ч 0 30 40 Е0 V, км/ч

Рис. 4. Рис. 5.

Анализ схемы ССП (рис. 1) позволяет сделать вывод о незначительном конструктивном усложнении системы подрессоривания. Управление связанной системой подрессоривания не представляет трудностей для механиков-водителей.

В связи с этим является актуальным создание рациональной ССП на базе пневмогид-равлической подвески, позволяющей уменьшить негативное влияние колебательных процессов на экипаж и оборудование быстроходной гусеничной машины и повысить эффективность применения ГМ.

Литература.

1. Ладур А.Д. Исследование малых колебаний корпуса танка со связанными системами подрессоривания. Информационный выпуск. - М.: Издание академии БТВ, 1966.

2. Теоретическое исследование плавности хода машин со связанными амортизаторами. Отчет по НИР. - М.: Академия БТВ, 1968.

3. Головашкин Ф.П. Система подрессоривания со связанными гидропневматическими рессорами. Патент на полезную модель ЯИ № 64142 от 27.06.2007 г., приоритет от 23.09.2005 г.

4. Дмитриев А.А., Чобиток В.А., Тельминов А.В. Теория и расчет нелинейных систем подрессоривания гусеничных машин. - М.: «Машиностроение», 1976. - 207 с.

Алгоритм и результаты расчета электромагнитной форсунки бензинового

двигателя

д.т.н., проф. Ерохов В.И., Макарова М.П.

МГТУ «МАМИ»

Электромагнитная форсунка представляет собой быстродействующий клапан, обеспечивающий дозированную подачу топлива в цилиндры двигателя. Электрическое поле, создаваемое в обмотке электромагнита ЭМФ под воздействием электрических импульсов, посы-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. лаемых с ЭБУ, приподнимает сердечник. Якорь электромагнита вместе с запирающим конусом в процессе работы колеблется с высокой частотой. Если на обмотку электромагнита подают импульс тока, то запирающий конус приподнимается на 0,1 мм над седлом распылителя. Воздушные зазоры оказывают влияние на электротехнические параметры:

А рз = А1рз + А 2рз - (1)

где: А1рз - начальный рабочий зазор, А 2рз - конечный рабочий зазор.

5я = А1рз • (2)

Продолжительность открытого и закрытого состояния ЭМФ находится в диапазоне 1...1,5 мс. При подаче импульса напряжения клапан открывается и топливо через распылитель тонкой распыленной струей подается под давлением на впускной клапан. Важнейшей характеристикой ЭМФ является ее быстродействие, определяемое жесткостью возвратной пружины, массой запирающего элемента и конструкцией электромагнитной системы. Быстродействующие ЭМФ имеют малое сопротивление обмотки 4,0 Ом и менее. Целесообразно иметь две цепи управления ЭМФ. Для быстрого открытия клапана форсунки используется первая (форсирующая) обмотка, по которой течет большой ток. Для удержания клапана ЭМФ в открытом состоянии большой ток не требуется, и управление электромагнитом переходит на другую (удерживающую) цепь с большим сопротивлением.

Тяговая характеристика представляет зависимость электромагнитного усилия /э от перемещения 5 якоря, т.е. /э = /(5) . Механическая характеристика представляет собой зависимость противодействующих сил /м, создаваемых пружинами и силой тяжести, от величины перемещения якоря, т.е. /м = ^(5). Временные фрагменты осциллограмм переходных

процессов в электрической и механической частях форсунки за время (^ приведены на рис. 1.

В момент срабатывания электромагнита время срабатывания tср, в течение которого ток нарастает до I . Время движения якоря (сердечника) определяет время его движения tдв, которое совместно со временем tтр и составляет время срабатывания:

^р = tтр + ^в - С (3)

где: tтр - время трогания, измеряемое от момента подачи напряжения на электромагнит до

момента начала движения клапана дозатора с якорем электромагнита, с; t - время перемещения клапана дозатора вместе с якорем электромагнита из закрытого

состояния в открытое, с.

Если индуктивность электромагнита постоянного тока принять постоянной, то время трогания определится:

' 1 Л

Ь ■ 1п

V 1 - 1 т / 1 у У

(4)

t = —

тр Я

где: Ь - индуктивность катушки электромагнита, Г; Я - активное сопротивление катушки, Ом;

1у - установившееся значение тока в катушке электромагните, А; 1т - ток трогания клапана дозатора с якорем электромагнита, А.

Рис. 1. Временные фрагменты осциллограмм переходных процессов, происходящих в электрической и механической частях форсунки за время

а - осциллограмма напряжения и тока в обмотке; б - высота ^кл перемещения

п

(открытия) клапана; в - осциллограмма цикловой подачи; теоретическая ( цтеор ) и

п

фактической ( ц); 1 - осциллограмма напряжения (и,В); 2 и 3 и 4 - осциллограммы импульса тока (1,А); 5 - закрытое положение клапана; 6 - начало и конец движения клапана; 7 - открытое состояние клапана; 8 - задержка импульса открытого состояния клапана; 9 - величина обратного перелета клапана; 10 - задержка цикловой подачи топлива; 11 - линия начала цикловой подачи топлива; 12 - теоретическая линия подачи топлива; 13 - теоретическая линия снижения подачи топлива; 14 - фактическая величина подачи топлива; 15 - область увеличения цикловой подачи топлива; 16 - область снижения цикловой подачи топлива; о - закрытое положение клапана; а - начало движения клапана; в - окончание перемещения клапана; с - окончание импульса тока; d - начало обратного движения клапана; е - окончания движения

клапана.

Время перемещения клапана дозатора с якорем электромагнита t можно определить из уравнения равноускоренного движения этих деталей:

Ъ = 5Т" - (5)

50 • а

где: а - ускорение клапана дозатора с якорем электромагнита, м/с2.

Ускорение клапана дозатора с якорем электромагнита в свою очередь будет зависеть от действующих на них сил и их массы:

Р - Р

а = _м-д 2 (6)

м/с ,

т

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

где: Рм - сила электромагнита, Н;

Р - сила от перепада давлений на входе и выходе дозатора, Н;

т - масса клапана дозатора с якорем электромагнита, кг. Сила от перепада давлений на входе и выходе дозатора равна:

Рд (Рвх.тах Рвых.тт) 5 §' (7)

где: рвхтах - максимальное давление на входе дозатора, кг/см2; рвых т;п - минимальное давление на выходе дозатора, мПа.

Для упрощения расчетов сила воздействия электромагнита, сила от перепада давлений на входе и выходе дозатора считаются постоянными и не зависящими от хода клапана дозатора с якорем электромагнита. Такое допущение вполне оправдано, так как ход клапана дозатора с якорем электромагнита в таких конструкциях очень мал и составляет величину порядка 1 мм и меньше. Выразив из формул 5-7 силу электромагнита, получим:

Р = 0,02• Ятах •т / _ р ч 5^ §

м 2 \/вх.тах -Гвых.тт/ ° ©■ (8)

Дв

Если задаться величиной времени срабатывания дозатора = 2,0 мс и принять соответственно tтр = 1,0 мс и = 1,0 мс, то можно сформулировать требования к основным элементам дозатора. В формуле (4) значение натурального логарифма при /т / /у < 0,3 (для быстродействующих электромагнитов /т / / у еще меньше) будет 0,5 и менее.

Следовательно, для электромагнита дозатора должно выполняться условие

— < 0,002' с (9)

Я у '

Преобразуя (8), получим силу электромагнита:

Р = 20000• Н • т + (р _ р )• 5• §■ (10)

м тах угвх.тах г вых.тт) о

Между якорем управляющего электромагнита и топливным запирающим узлом существует жесткая связь, поэтому временная диаграмма срабатывания однозначно связана с динамикой электромагнитной части форсунки.

Продолжительность циклового впрыскивания тцв можно представить уравнением:

Т = Т _Т _Т +Т ,+Т, ' (11)

цв и оа ав са ае' V1 1 /

где: Тцв _ длительность циклового впрыскивания; Ти _ длительность управляющего импульса; Тоа _ запаздывание начала движения затвора; Тав - время движения затвора при его открытии; Тсе _ запаздывание движения затвора при его закрытии; Тек - время движения затвора при его закрытии.

Цикловая объемная доза топлива может быть представлена выражением:

§цт §о Тцв '

(12)

где: §о _ статическая производительность ЭМФ.

В реальной ЭМФ клапан открывается и закрывается не одновременно с началом поступления и окончанием управляющего импульса подачи тока, а с некоторым запаздыванием. Продолжительность срабатывания и отпускания электромагнита не зависит от продолжи-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. тельности импульса тока в обмотке, так как они являются неуправляемыми временными параметрами.

Быстродействие форсунки с электромагнитным управлением характеризуется неуправляемым временем открытия затвора и составляет:

АТоз = Тоа + ТаЬ' (13)

Продолжительность закрытия затвора составляет:

Атзз = Т^ + (14)

Фактическая продолжительность открытого состояния затвора Та^ отличается от длительности импульса тос. Статическая производительность ЭМФ характеризует величину

предельного расхода при постоянно открытом ее клапане. Чтобы ЭМФ не потеряли управляемость при максимальной цикловой подаче и максимальной частоте вращения, между управляющими импульсами должна быть пауза продолжительностью не менее времени отпускания ?опт. Реальная продолжительность паузы должна быть не менее 2 мс. Максимальная продолжительность управляющих импульсов может быть определена

Ттах ~ Тгшп ^отп' (15)

Минимальная продолжительность управляющих импульсов должна быть равна или более времени срабатывания клапана:

Тшп ^ tср ■ (16)

Максимально возможная продолжительность открытого состояния клапана ограничивается периодом следования формируемых импульсов по формуле

Т = (60т / пг) • 103, (17)

где: Т - период следования импульсов тока, мс; п - частота вращения КВ двигателя, мин-1;

т - коэффициент тактности двигателя; г - общее число срабатываний ЭМФ за один оборот распределительного вала.

Расчетно-экспериментальный анализ показал, если на электромагнит подается импульс тока, то игла ЭМФ поднимается на 0,1 мм над седлом и топливо выходит через калиброванную щель. Время задержки открытия и закрытия ЭМФ находятся в диапазоне 1...1,5 мс. Задержка срабатывания ЭМФ составляет 1 мс, продолжительность открытого состояния 2.10 мс. Напряжение системы привода ЭМФ 4В. ЭМФ заземлена на массу в ЭБУ. Магнитный поток ЭМФ достигает своего максимального значения через промежуток времени

т = (4-5)4фм / Гэфм > (18)

где: Ьэфм - индуктивность обмотки электромагнита ЭМФ;

Гэфм - активное сопротивление обмотки ЭМФ.

Ток в обмотке ЭМФ после ее срабатывания изменяется по экспоненциальному закону. После окончания управляющего импульса магнитный поток исчезает не сразу. На частотах 500 Гц и выше время срабатывания и время отпускания не зависят от продолжительности импульса тока и являются неуправляемыми временными параметрами. ЭМФ обеспечивает открытие отверстия для прохода топлива за 0,6 мс и закрытие за 0,2 мс и позволяет работать с частотой 250 Гц. Импульс шириной ti приводит в действие оконечный каскад, управляющий впрыскиванием топлива:

tг = tp + tm + tS = tp + К2 • tp + tS = tp • (1 + К) + tS = К • / П) > (19)

где: к = к1 • (1 + к2), что и требуется для реализации программы топливоподачи.

Алгоритм управления основной исполнительной частью ЭМФ однозначно связан с ди-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. намикой электромагнитной ее части и влияет на продолжительность t и на цикловую дозу впрыскивания Q

^мп _ ^ц + tппо — tnn3 ' (20)

где: tимп-длительность электрического управляющего импульса; ^ - продолжительность циклового впрыскивания; ^по -длительность переходного процесса открывания; ^пз-длительность переходного процесса закрытия ЭМФ.

= Цф^лД/р^Т^ср •tц' (21)

где: Цф • /ф - площадь эффективного сечения дозирующего отверстие ЭМФ; Рср - средний перепад давления на дозирующем отверстии; р - плотность топлива.

Выводы

Разработаны теоретические основы расчета и проектирования ЭМФ, алгоритмы диагностирования бензинового двигателя, аппаратурная и алгоритмическая поддержка системы управления процессами топливоподачи.

Литература

1. Ерохов В.И. Системы впрыскивания бензиновых двигателей. Учебное пособие . 2005 г. -Горячая линия. -365 стр.

2. Черняк Б.Я. Автоматическое регулирование и управление процессами двигателей внутреннего сгорания, ч. III. МАДИ, - М., 1994.

3. Казаков Л. А. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник.- М. Радио.1991.

4. Электротехнический справочник / Под ред. П.Г. Грудинского, М.Г. Чиликина (глав. ред.) и др. - Т.1. - М.: Энергия, 1971. - 880 с.

5. Куске Е.Я. Применение расчетных методов к анализу динамики затвора клапана в форсунках электронно-управляемых систем бензиновых двигателей. Журнал «Двигателе-строение» - № 9, 1985. 28-31 с.

Совершенствование лазерно-искровой системы зажигания транспортного

двигателя

д.т.н., проф. Ерохов В.И., Ревонченков А.М.

МГТУ «МАМИ»

Повышение топливной экономичности и снижение вредных выбросов транспортного двигателя зависит от совершенства систем топливоподачи и зажигания. Целью настоящей работы является повышение надёжности воспламенения обедненных ГС и создание адаптивной системы управления лазерно-искровой системой зажигания двигателей с впрыскиванием газового топлива. Задачей данной работы является исследование параметров лазерно-искровой системы зажигания двигателя внутреннего сгорания с более высокими энергетическими характеристиками воспламенения горючей смеси, а также в связи с этим снижение расхода топлива и уменьшение токсичности ОГ.

Нижний предел воспламеняемости для метана соответствует обеднению с а = 1,90. При обеднении горючей смеси, приближающемся к предельному а, наблюдается неустойчивая работа ДВС из-за пропусков воспламенения в случае применения традиционной искровой системы зажигания, так как энергия воспламенения горючей находится в диапазоне: 0,05.15 Дж, а искровая система зажигания обеспечивает только нижний предел по энергии. Подача дополнительной электромагнитной энергии в область искрового зазора свечи