CC BY
30
УДК 621.22
ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРОГИДРОАВТОМАТИКИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВПУСКНЫМ КЛАПАНОМ ПОРШНЕВОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ
А.И. Воронков, доц., к. т.н., Г.А. Аврунин, доц., к.т.н., И.Н. Никитченко, ассист., к.т.н., Э.В. Тесленко, асп., А.А. Назаров, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассмотрены возможные принципиальные схемы реализации управления впускным клапаном поршневого кривошипного пневмодвигателя с помощью устройств электрогид-роавтоматики.
Ключевые слова: пневмодвигатель, фазы газораспределения, электрогидроавтоматика, гидрораспределитель, пропорциональный электромагнит, объемный гидропривод.
ВПБ1Р СХЕМИ ЕЛЕКТРОГ1ДРОАВТОМАТИКИ ДЛЯ КЕРУВАННЯ ВПУСКНИМ КЛАПАНОМ ПОРШНЕВОГО ПНЕВМОДВИГУНА
A.I. Воронков, доц., к.т.н., Г.А. Аврушн, доц., к.т.н., I.M. Шкгтченко, асист., к.т.н., Е.В. Тесленко, асп., А.О. Назаров, асп., Харк1вський нацюнальннй автомобшьно-дорожнш ушверснтет
Анотащя. Розглянуто можлив1 принциповi схеми реал^зацИ керування впускним клапаном поршневого кривошипного пневмодвигуна з допомогою пристрогв електрог1дроавтоматики.
Клw4oei слова: пневмодвигун, фази газорозподту, електрог1дроавтоматика, ггдророзподшь-ник, пропорцтний електромагтт, об 'емний zidponpueid.
SELECTION OF A SCHEME FOR ELECTRIC HYDRO AUTOMATION CONTROL OF THE PISTON AIR MOTOR INTAKE VALVES
A. Voronkov, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), G. Avrunin, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), I. Nikitchenko, Assistant, Cand. Sc. (Eng.), Ye. Teslenko, P. G., A. Шга^я, P.G., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The possible principal diagrams for implementing the control of the piston crank air motor intake valve using electro hydraulic devices are considered.
Key words: air motor, valve timing, electrohydraolics, control valve, proportional solenoid, bulk hydraulic line.
Введение
Одно из главных направлений совершенствования ДВС связано с уменьшением концентрации вредных веществ в отработанных газах и экономией топлива. В связи с экологической ситуацией и увеличением цен на нефть, эта проблема заставляет ученых в этой области искать пути модернизации двигателей. Наличие систем с регулируемыми фазами газораспределения дает нам возмож-
ность существенно снизить расход топлива и повысить экологичность транспортных средств. В данной работе используем в качестве топлива энергоноситель - сжатый воздух. В статье рассмотрены возможные стендовые схемы управления работой клапана газораспределительного механизма в одно-поршневом кривошипном пневмодвигателе с регулируемыми фазами воздухораспределе-ния с помощью электрогидравтоматики.
Анализ публикаций
Управление фазами газораспределения делается для лучшего, эффективного протекания рабочих процессов пневмодвигателя. В зависимости от того, насколько правильно подобраны фазы газораспределения, величина хода клапана, мощностные, экономические и экологические показатели двигателя.
На основании анализа публикаций можно сделать вывод, что существует несколько видов систем управления фазами газораспределения: за счет поворота распредвала [1-6, 8-11, 15, 16]; использование кулачков с разным профилем на распределительном валу [7-9, 12-14]; полновариантное газораспределение при помощи распредвала [17]; полновариантное газораспределение и изменение высоты подъема клапана без использования распределительного вала [18]. Механизмы, которые изменяют высоту подъема клапана, можно разделить по типу привода, применяемого в конструкции двигателя: с механическим приводом [18, 19], с электромагнитным приводом [20], с электрогидравлическим приводом [19], пневматическим и комбинированное управление [21].
Цель и постановка задачи
Цель работы заключается в выборе схемы привода клапанов пневмодвигателя (пневмо-мотора), конвертируемого из двигателя внутреннего сгорания 44 9,2/9,2 [22]. Согласно терминологии в области объемного пневмопривода объектом исследований является радиальнопоршневой кривошипно-шатун-ный пневмомотор [24].
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
- выбрать пневмогидравлическую схему;
- выбрать гидравлическую схему с электроуправлением;
- обеспечить требуемую высоту подъема клапана;
- произвести расчет гидропривода.
Выбор стендовой схемы для пневмомотора и требуемой высоты подъема клапана
Представлена схема кривошипно-шатунного пневмомотора (рис. 1, а), в которой кривошип 1 с помощью шатуна 2 приводит в возвратно-поступательное движение поршень 4
в цилиндре 3. Впускной клапан а приводится в действие от объемного гидропривода (ОГПВК), а выпускной клапан Ь связан кинематически с распределительным валом пневмомотора (управление которым будет рассматриваться в дальнейших работах). Воздух к впускному клапану а подается постоянно от компрессора КМ с приводящим электродвигателем Э через ресивер РЕ и фильтр Ф. Предохранительный клапан КП служит для защиты от перегрузок компрессора.
Д11'вмт _
дав дчв БУ
- ДПш ДПемт -»—
* ^
И_>
Рис. 1. Принципиальная гидропневматическая схема пневмомотора (а) и зависимость изменения скорости поршня и расхода воздуха от угла поворота вала (б)
Пневмодвигатель снабжен датчиками частоты вращения кривошипа ДЧВ, датчиком верхней и мертвой точек ДПВМТ и ДПНМТ, датчиком давления ПД, сигналы обратной связи от которых поступают в электронный блок БУ. Управление впускным клапаном осуществляется от персонального компьютера ПК, позволяя формировать широкий спектр режимов фазораспределения с целью оптимизации индикаторной диаграммы пневмомотора. На рис. 1, б представлены зависимости изменения скорости поршня уф и расхода воздуха Qф в функции угла поворота вала.
Фазы начала подвода воздуха, завершения подвода и их крутизна могут варьироваться с помощью блока ОГПВК.
На рис. 2 представлены гидравлические принципиальные схемы управления штатным впускным клапаном пневмомотора с использованием гидроаппаратов различных типов [2].
к Блоку А
мн
КР
№
■ 1 1
А
Р
л г
А/» У 4" /,' к
4
Рис. 2. Гидравлические принципиальные схемы управления клапанами пневмо-мотора с помощью устройств электро-гидроавтоматики
Общими компонентами для всех вариантов схем является насос Н с приводящим электродвигателем Э, гидробак Б, предохранительный клапан КП, системы фильтрации и охлаждения рабочей жидкости, а также электронный блок управления гидроустройствами электрогидроавтоматики (на схемах условно не показаны).В качестве привода впускного клапана могут использоваться: а - гидрораспределитель Р с электромагнитным пропорциональным управлением; б - гидрораспределитель Р с электромагнитом циклового действия; в - редукционный клапан КР с пропорциональным электромагнитом; г - электрогидравлический усилитель мощности (сервоклапан) соответственно.
Сравнительная характеристика указанных гидроустройств (на рис. 2) по быстродей-
ствию (количество включений в секунду и частота срабатывания толкателя) приведена в табл. 1, из которой следует:
- гидрораспределитель с электромагнитом циклового действия (рис. 2, б) и гидрораспределитель с электромагнитным пропорциональным управлением (рис. 2, а) не обеспечивают функционирование в длительном режиме;
- гидрораспределитель с пропорциональным электромагнитом (рис. 2, а) и редукционный клапан (рис. 2, в) обеспечивают длительный режим работы, но ограничены по частоте в 17 Гц;
- электрогидравлический усилитель мощности (сервоклапан) (рис. 2, г) обеспечивает требуемые значения по быстродействию (25 Гц), однако является дорогим по цене гидроустройством (на порядок, по сравнению с вышеперечисленными) и требует введения высокой степени очистки и интенсивного охлаждения.
Выбран экспериментальный образец объемного гидропривода модели ОГП-Р574/ПЭМ24 для управления впускным клапаном пневмо-мотора, который разработан в ХНАДУ на базе гидрораспределителя циклового действия, имеющего гидравлическую схему 574 по ГОСТ 2.781 (рис. 2, б), и пристыкованного к нему пропорционального электромагнита, что позволило реализовать работу гидропривода по схеме согласно рис. 2, а, способного преодолевать усилие пружины впускного клапана 600Н с частотой срабатывания 25 Гц и обеспечивающего открытие впускного клапана на максимальную высоту 10 мм.
Таблица 1 Характеристика быстродействия электрогидроустройств
Наименование и шифр аппарата Время вкл/выкл., с Характеристика:
Частота, Гц Вкл/с
1. Гидрораспределитель цикловой ВЕ6 (рис. 2, б) 0,04/0,02 17 4,2
2. Гидрораспределитель пропорциональный 4WRSE6 или редукционный клапан ЗDREP6 (рис. 2, а, в) 0,02/0,025 17 Без огран.
3. Усилитель электрогидравлический (сервоклапан) типа УЭГ.С-109 (рис. 2, г) - Более 50 Без огран.
Примечания: 1. Значение частоты для поз. 1 и 2 приведено при максимальном ходе золотника и 3 дБ, для поз. 3 ход равен 20 %; 2. Вкл/сек - допускаемое количество включений в сек.
Расчет параметров управления гидропривода
Диаметр толкателя, площадь которого обеспечивает создание необходимого усилия при
заданном давлении рабочей жидкости, определяют по формуле [33]. Зададим первоначально диаметр толкателя Dт = 17 мм и рассчитаем параметры гидропривода; если эти
параметры удовлетворяют нашим требованиям, то задачи исследования будут выполнены
Скорость перемещения толкателя определяют по формуле
Dт = 1,13^ = 1,13
К.
мм,
(1)
где 5Т - площадь толкателя [мм2] диаметром Dт[мм]; Кт - максимальное усилие пружины впускного клапана, Н; ру - давление управления, МПа.
Частоту циклов / и время одного цикла t перемещения впускного клапана определяют по формулам
* п г ,1
/ = —, 1ц и t = —, с,
60 /
(2)
где п - частота вращения вала пневмомотора, мин-1.
-з ^
V = 10-3-, м/с, t
(3)
где L - ход толкателя диаметром Dт, мм.
Расход, требуемый для перемещения толкателя без учета утечек
2 = 0,06 • V • 5; = 0,06 • V •-
%■ ив
л/мин, (4)
где ит - диаметр толкателя, мм. Определяем частоту срабатывания, время перемещения, скорость толкателя и потребляемый при этом расход при частоте вращения пневмомотора п = 1500 мин 1 и ходе толкателя L = 10,39 мм, при его диаметре ит = 17 мм (рис. 3).
4
Рис. 3. Общий вид объемного гидропривода для управления впускным клапаном пневмомотора на базе ДВС [3]
Техническая характеристики привода:
1. Ход толкателя клапана - 10,39 мм;
2. Усилие, развиваемое толкателем, не менее - 600 Н;
3. Параметры привода при частоте срабатывания П = 25 Гц:
3.1. Скорость перемещения толкателя -0,26 м/с;
3.2. Потребляемый расход рабочей жидкости - 4,5 л/мин;
3.3. Давление нагнетания насоса - 2,6 МПа;
4. Параметры пропорционального электромагнита;
4.1. Напряжение постоянного тока - 24 В;
4.2. Максимальный ток - 1 А;
4.3. Продолжительность включения ПВ -100 % .
Примечание: допускаемая частота срабатывания пропорционального электромагнита 17 Гц при 3 дБа, возможность повышения частоты устанавливается экспериментальным путем при стендовых испытаниях.
Расчет частоты срабатывания толкателя
П = - = 1П00 = 25 Гц .
60 60
Время перемещения толкателя
X = — = — = 0,04 с. П 25
Скорость перемещения толкателя
V = 10-3 - = 10-1°^= 0,26 м/с. X 0,04
Расчет насоса (гидростанции)
Потребляемый расход жидкости насоса
Qг = 0,06 • V • Sт = 0,06 • V •-
4
^•172
= 0,06 • 0,26--= 4,5 л/мин.
4
Требуемое давление нагнетания насоса составит
4 • Fт 4 • 600 0/СЛ;ГТТ
Ру =-Г =-2 = 2,6 МПа.
у %• Дв 3,14 • 172
Был проведен безмоторный эксперимент, результаты которого подтвердили расчетные исследования.
Выводы
Выбран механизм управления привода клапанов пневмодвигателя, конвертируемого из двигателя внутреннего сгорания.
Наилучшим решением из рассмотренных схем управления впускным клапаном обладает схема объемного гидропривода модели ОГП-Р574/ПЭМ24, включающего цикловой гидрораспределитель и пропорциональный электромагнит.
Гидравлические приводы клапанов могут быть использованы с применением пропорциональной аппаратуры с электромагнитным управлением и при частоте до 17 Гц или с помощью гидравлических дросселирующих распределителей с частотой до 50 Гц. Однако гидравлические приводы являются более дорогостоящими и требуют повышенного уровня очистки рабочей жидкости.
На первом этапе принято решение о создании экспериментальной стендовой установки на базе гидрораспределителя с электрическим пропорциональным управлением для пневмомотора 9,2/9,2 (рис. 3), способный преодолевать усилие пружины впускного клапана 600 Н с частотой срабатывания 25 Гц и обеспечивающий открытие впускного клапана на высоту 10 мм.
На основании проведенных расчетов определены:
- частота срабатывания толкателя - 25 Гц;
- время перемещения толкателя - 0,04 с;
- скорость перемещения толкателя - 0,26 м/с;
- потребляемый расход жидкости насоса
4.5 л/мин;
- давление нагнетания насоса составит -
2.6 МПа.
Отработка экспериментальной модели пневмомотора состоит из измерительно-управляющего комплекса, включающего программируемый контроллер и датчики положения верхней и нижней мертвых точек поршня и аналогового значения давления в цилиндре.
Литература
1. Пат. 5,275,138 США. Система с изменяе-
мым временем открытия и закрытия клапана в двигателе внутреннего сгорания / К. Хотта, К. Аоки (Япония); заявитель и патентообладатель Айсин Сеики Кабушики Каиша. - № 10,843; заявл. 29.01.93; опубл. 04.01.94; приоритет 31.01.92, № 4-016468 (Япония). - 4 с.
2. Пат. 6,135,077 США. Механизм для изме-
нения моментов открытия и закрытия клапанов двигателя внутреннего сгорания / И. Мори, К. Суджимито, Т. Ха-гесава (Япония); заявитель и патентообладатель Тойота Джидоша Кабушики Каиша. - № 09/186,667; заявл. 04.11.98; опубл. 24.10.00; приоритет 07.11.97, № 9-305996 (Япония). - 26 с.
3. Nagano М. Port-injection Engine-control for
Environmental / М. Nagano, S. Watanabe, Y. Amou // Hitachi Review. - 2004. -Vol. 53, №4. - P. 200-204.
4. Заренбин В.Г. Расчет процессов впуска и
сжатия ДВС с регулируемой степенью сжатия и изменением нагрузки дросселированием смеси / В.Г. Заренбин, М.И. Колесникова, А.В. Балюра // Bic-ник Прндншровсько! державно! академи бущвництва та арх1тектури. - 2012. -№5. - С. 29-33.
5. Двигатели DOHC. Конструктивные осо-
бенности: [Электронный ресурс] / Режим доступа к источнику: http: // amastercar.ru/articles/engine car 34. shtml (23.07.2017).
6. Фазы газораспределения двигателя. Что
это такое? - Режим доступа к источнику: http://amastercar.ru/ articles /engine car 43.shtml (23.07.2017).
7. VTEC-система изменения фаз газораспре-
деления. - Режим доступа к источнику: http://amastercar. ru/ articles/engine_car_2. s html (23.07.2017).
8. Система Toyota VVT-i, 2006. - Режим до-
ступа к источнику: http: // autodata.ru/ st/06_vvti/vvti.htm (23.07.2017).
9. Sherwood B. Toyota VVTL-i Variable Valve
Timing & Lift - Intelligent. - Режим доступа к источнику: http: // www. billzilla. org/vvtvtec3.htm (23.07.2017).
10. Lindemann G. Toyota's Variable Valve Timing and Lift (with intelligence) system is derived in large from the October issues of Sport Compact Car and Car and Driver, 2012. - Режим доступа к источнику:
http://www.corollaperformance.com/Techl nfo/VVTLi.html (23.07.2017).
11. 1ZZ-FE Engine Details. Technical Paper on
the Development of the 1ZZFE, 2006. -Режим доступа к источнику: http: //www.spyderchat.com/enginedetail.htm (23.07.2017).
12. Пат. 4,926,804 США. Механизм переклю-
чения режима работы клапана в двигателе внутреннего сгорания/ К. Фукуо (Япония); заявитель и патентообладатель Хонда Гикен Кого Кабушики Ка-иши. - № 356,915; заявл. 23.05.89; опубл. 22.05.90; приоритет 23.05.88, № 63125437 (Япония). - 8 с.
13. Пат. 5,090,364 США. Двухшаговый управляющий клапанный механизм / М. МаКэрролл, М. Спат, М. Шост, Г. Джианноне, Д. Кастеллана (США); заявитель и патентообладатель Дженера Моторе Корпорэйшен. - № 628,694; заявл. 14.12.90; опубл. 25.02.92. - 12 с.
14. Пат. 5,159,905 США. Двигатель с несколькими кулачками в механизме газораспределения/ М. Сугиучи, X. Камияма (Япония); заявитель и патентообладатель Ниссан Мотор Сомпани, лтд. -№ 767,335; заявл. 30.09.91; опубл. 03.11.92; приоритет 31.01.92, № 2265995 (Япония). - 8 с.
15. Пат. 5,301,636 США. Механизм управле-
ния клапаном в двигателе внутреннего сгорания/ М. Накамура (Япония); заявитель и патентообладатель Ниссан Мотор Сомпани, лтд. - № 92,108; заявл. 16.07.93; опубл. 12.04.94; приоритет 17.09.92, № 4-24837 (Япония). - 10 с.
16. Wong K.N. Intro/Basic VTEC Mechanism,
2002. - Режим доступа к источнику: http://www.vtec.net/articles/view-article? article_id=7334&page_1 (23.07.2017).
17. Васильев A.B. Механизмы управления газораспределением автомобильных двигателей внутреннего сгорания: методические указания к курсовому и дипломному проектированию / A.B. Васильев, Д.Д. Полынков. - Волгоград: Волгоград. гос. тех. ун-т. 2006. - 24 с.
18. Пат. 5,184,581 США. Система изменения
моменов открытия и закрытия клапана/ Т. Аояма, К. Сакура, С. Ямамото (Япония); заявитель и патентообладатель Ямаха Хатсушики Кабушики Каиша. -№ 587,999; заявл. 21.09.90; опубл. 09.02.93; приоритет 21.09.90, № 1245671 (Япония). - 12 с.
19. Кучер В.П. Изменяемые фазы на FSI, 2006. - Режим доступа к источнику: http://autodata.ru/ item.osg?idr=2&idt= 48&idn=1056&pgn=1 (23.07.2017).
20. Peterson K. Nonlinear self-tuning control for
soft landing of an electromechanical valve actuator / K. Peterson // Processings of ACC. - 2002. - P. 1413-1418.
21. The Pneumatic Hybridization Concept for
Downsizing and Supercharging Gasoline Engines / Lino Guzzella, Christopher Onder, Christian Donitz, Christoph Voser, Iulian Vasile // MTZ. - 2010. - №1. -P.38-44.
22. Автомобиль ГАЗ 21 «Волга» / В.И. Бори-
сов, А.И. Гор, В.Ф. Гудов и др. - М.: Транспорт, 1969. - 360 с.
23. Гидроприводы объемные и пневмоприво-
ды. Часть 2. Объемные гидромашины и пневмомашины. Термины и определения (ДСТУ 3455.2-96). [Введен 1998-0101]. - 60 с. - Державний стандарт Украши.
24. Аврунин Г.А. Гидравлическое оборудо-
вание строительных и дорожных машин: учебное пособие / Г.А. Аврунин, И.Г. Кириченко, В.Б. Самородов; под ред. Г.А. Аврунина. - X.: ХНАДУ, 2012. - 468 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
