Разработка мехатронных систем управления двигателем отечественных автомобилей (на примере двигателя GM)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан

Ташкентский автомобильно-дорожный институт

Диссертация

на соискание академической степени магистра

5А310605 - Испытание и эксплуатация двигателей внутреннего сгорания

Разработка мехатронных систем управления двигателем отечественных автомобилей (на примере двигателя GM)

Умеров Фикрет Шевкет оглу

Научный руководитель:

Засл. деят. науки Узбекистана

д.т.н., профессор С.М. Кадыров

Ташкент 2013



Оглавление

Введение

Глава 1. Анализ выполненных работ. Современное состояние. Выбор цели и задач исследования

1.1 Анализ работы современных мехатронных систем управления двигателем

1.2 Выбор конструктивных особенностей мехатронных систем управления двигателем

Выводы по главе 1

Глава 2. Теоретическое исследование мехатронных систем управления двигателем отечественных автомобилей

2.1 Методика исследования

2.2 Проектирование и изготовление мехатронной системы управления двигателем отечественных автомобилей

2.3 Расчет экономической эффективности

Выводы по главе 2

Глава 3. Экспериментальное исследование мехатронных систем управления двигателем отечественных автомобилей

3.1 Объект исследования

3.2 Результаты экспериментальных исследований

3.3 Обработка и анализ экспериментальных данных

Выводы по главе 3

Общие выводы и рекомендации

Список использованной литературы

Приложения



Введение

автомобильный двигатель мехатронный

Президент Республики Узбекистан И.А. Каримов в своем докладе на заседании Кабинета Министров, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2012 году и важнейшим приоритетным направлениям экономической программы на 2013 год, 18 января 2013 году и в своем постановлении № ПП-1446 от 21.12.2010 «Об ускорении развития инфраструктуры, транспортного и коммуникационного строительства в 2011-2015 годах», основное значение придает развитию транспортной инфраструктуры, в первую очередь, развитию автомобилестроения.[5, 6]

Самыми крупными предприятиями являются СП GM Uzbekistan, выпускающее легковые автомобили, СП GM Powertrain Uzbekistan по выпуску двигателей и ООО "Самаркандский автомобильный завод", которое производит автобусы и грузовики.

Производство автомобилей и расширение модельного ряда - лишь одна из главных задач, решаемых Узбекским автопромом. С каждым годом в Республике растет количество предприятий, работающих на автомобильную промышленность. В рамках программы локализации открыты и продолжают создаваться производства по выпуску узлов и комплектующих деталей для Асакинского и Самаркандского автозаводов: аккумуляторов, автостекол, сидений, бамперов, глушителей, топливных баков, деталей внутренней отделки, автоэмалей и многого другого.

Доказательством выше перечисленных действий является то, что не так давно в Зангиатинском районе Ташкентской области был построен завода по производству двигателей «General Motors Powertrain Uzbekistan», торжественная церемония открытия которого состоялась 15 ноября 2011г.

На совместном предприятии GM Powertrain Uzbekistan выпускаются бензиновые двигатели объемом 1,2 и 1,5 литра. Проектная мощность СП - 225 тысяч двигателей в год. Стоит отметить, что на этом заводе создано первое и единственное производство по литью алюминиевых головок блока цилиндра GM в Европе и Центральной Азии.

Развитие транспортной инфраструктуры Республики Узбекистан приводит к повышению движения на автомобильных дорогах, особенно на магистральных улицах в больших городах. Проблема пробок на городских улицах наиболее ощутимым образом проявляет себя в так называемых мегаполисах-городах с большим населением жителей. Данная проблема вызывает целый спектр негативных явлений, но наиболее ощутимыми из них являются проблемы экологической и экономической безопасности. В связи с постоянным ростом населения городов данная проблема становится актуальной и в городах Республики Узбекистан.

Актуальность темы: На сегодняшний день требования к топливной экономичности, мощностным и к экологическим качествам двигателя является одной из важнейших задач, которое пытаются решить различным изменением и оптимизированием конструктивных параметров двигателя, его систем и применением мехатронного управления двигателя. Особенно в городских условиях Узбекистана при движении автомобилей приходится постоянно останавливаться на светофорах и снова разгоняться, или оказываться в потоке с насыщенным движением автомобильной дороги, то есть чаще всего эксплуатировать двигатель на различных режимах работы: на холостом режиме, на частичных и нагрузочных режимах с быстрой частотой повторяемости. В этой связи мехатронное управление и регулирование двигателя на этих режимах является весьма актуальной задачей.

Цель и задачи работы: Повышение экономических, мощностных и экологических показателей автомобильных двигателей на различных режимах работы двигателя при использовании мехатронных систем управления. Задачами работы являются:

1. Анализ мощностных, экономических и экологических показателей серийных двигателей, а также режимов эксплуатации ДВС;

2. Изучение мехатронных систем управления двигателей;

3. Выбор и установка мехатронной системы управление на ДВС;

4. Определение мощностных, экологических и экономических показателей тюнингового двигателя.

Объект и предмет исследования: автомобильный двигатель снабженный мехатронной системой управления.

Методы и методика исследования: воздействие на параметры характеристик и получение показателей.

Научная новизна исследования: заключается в разработке оптимальных режимов работы двигателей при применении мехатронной системы управления.

Практическая и теоретическая значимость исследования: Улучшение мощностных характеристик, топливной экономичности, а следовательно и снижение выброса токсичных газов в режиме холостого хода достигается регулированием и управление управляемых дроссельных заслонок. Их правильное управление за счет мехатронной системы, а также правильный расчет режимов работы двигателя и системы. Для получения лучших характеристик, также требуется правильное оптимизирование показателей в данных режимах и т.д.

Короткий литературный обзор по теме: В данной выбранной диссертационной теме используются литературы, изданные в Республике Узбекистан, в странах СНГ и за рубежом, технические журналы, нормативные документы и документации, вестники сборников статей, а также сайты интернета.

Порядок составления диссертационной работы: Она состоит из вводной части, анализа текущего состояния проблемы, целей и задач выбранного направления исследований, анализа теоретических методов исследования и практических методов исследования, сравнения теоретических и экспериментальных данных, экономической оценки разработки и общих выводов, рекомендаций.

Основные результаты выполненной работы: По подсчетам мощностные характеристики двигателя на нагрузочных режимах улучшаются на 8%. В день автомобиль в среднем на холостой ход расходует около 3,5 литра. 20% из 3,5 литров получается 0,7 литра. То есть мы с каждой машины в день экономим около 0,7 литра топлива, а если это число умножить на количество автомобилей этой модификации, эксплуатируемых в городе, получится большое число. Это означает большая экономия топлива и средняя экономия на холостых и частичных режимах эксплуатации двигателя получается около 7 %.

Короткое изложение выводов и предложений: Повышение мощностных, экономических и экологических показателей автомобильных двигателей при использовании мехатронных систем управления, то есть при оптимизации режимов работы двигателя применяем впускной коллектор с переменной геометрией для более эффективного и быстрого обогащения топлива воздухом при уменьшении угла открытия дросселя на холостом ходу двигателя и частичных нагрузках двигателя и повышение мощностных показателей на нагрузочных режимах работы двигателя. Этот вид коллектора дает возможность регулировать подачу воздуха через управляемые дроссели на различных режимах работы ДВС и его оптимальную и устойчивую работу на всех режимах эксплуатации ДВС. То есть большая экономия топлива и уменьшение большого количество выбросов отработавших газов в окружающую среду при эксплуатации на холостых и частичных режимах и увеличение мощности двигателя на нагрузочных режимах работы.



Глава 1. Анализ выполненных работ. Современное состояние. Выбор цели и задач исследования

1.1 Анализ работы современных мехатронных систем управления двигателем

Мехатроника -- это область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.[10]

Мехатронный модуль -- это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу.

К элементам различной физической природы относят механические, электротехнические, электронные, цифровые, пневматические, гидравлические, информационные и т. д. компоненты.

Мехатронная система -- совокупность нескольких мехатронных модулей и узлов, синергетически связанных между собой, для выполнения конкретной функциональной задачи. [11]

Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств. При этом система в истинно мехатронном подходе, несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно более монолитно, конструкторы стараются объединить все части системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями. В частности, применяя встроенные непосредственно в микроконтроллеры АЦП, интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. Это уменьшает массу и размеры системы, повышает ее надёжность и дает некоторые другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов может считаться мехатронной.

Современный автомобиль состоит из четырех основных агрегатов: двигателя внутреннего сгорания (ДВС), кузова, шасси и ходовой части. Эти агрегаты состоят из различных функциональных систем, которые обеспечивают выполнение главной функции автомобиля -- перевозку грузов и пассажиров. Для того чтобы перевозки были безопасными, а для пассажиров и комфортными, чтобы агрегаты, узлы, блоки, системы работали безотказно, на автомобиле широко используются электротехнические устройства и средства электронной автоматики.

Мехатронная система автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) состоит из датчиков для постоянного контроля за его параметрами и параметрами окружающей среды, электронного блока управления (ЭБУ) на основе микропроцессора и исполнительных устройств, с помощью которых ЭБУ управляет двигателем по заложенной в его память программе и в соответствии с информацией от датчиков.

Мехатронное управление необходимо для удовлетворения высоких требований по экологичности, топливной экономичности, эксплуатационным характеристикам, удобству обслуживания и диагностики, предъявляемым к современным автомобильным двигателям законодательно и потребителями.

Мехатронная система, управляя неэлектрическими процессами через неэлектрическую периферию на выходе, сама управляется от сигналов, имеющих неэлектрическую природу, которые формируются неэлектрической входной периферией.[12]

Например, мехатронная система VDC(управления курсовой устойчивостью движения автомобиля), функциональные взаимосвязи которой с водителем и дорогой показаны на рис. 1, использует в качестве входной информации скорость движения, углы наклонения кузова, разность частот вращения колес, угол поворота руля, атмосферные условия, а в некоторых вариантах -- давление в шинах и состояние дорожного покрытия.

Описание условных обозначений, принятых на рис. 1.

1. Географические условия: извилистость дороги, спуски, подъемы, повороты, перекрестки дорог, переезды.

2. Дорожные условия: тип дорожного покрытия (гравий, бетон, асфальт); асфальт сухой, мокрый, обледенелый; освещенные дороги; плотность транспортного потока.

Климатические условия: атмосферные - температура, влажность, давление; температура асфальта.

Техногенные условия: сцепление колес с дорогой но состоянию протекторов шин; скорость вращения колес; скорость рыскания; боковой увод автомобиля, боковой увод колес, боковое ускорение.

Блок датчиков: угла поворота руля; угла поворота кузова автомобиля вокруг вертикальной оси (гироскоп); бокового ускорения.

УВР -- управляющие реакции водителя, являющиеся откликом субъективного мышления на дорожные условия движения; проявляются индивидуально в зависимости от физического и психического состояния человека.

Блок датчиков: температуры, давления, влажности в атмосфере, температуры асфальта (по давлению в шинах).

Блок колесных датчиков (ДК) ABSи вычисляемых в ЭБУ системы VDCне электрических входных параметров -- µ, ц, б, в, б, н.

Центральный боковой компьютер (микропроцессор МП), в который интегрированы все логические и вычислительные функции четырех автоматических систем управления VDC, ADS, ASR, ABS. Содержит оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) намять, а также входные аналогово-цифровые (АЦП) и выходные цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

Блок оконечных преобразователей электрических сигналов в неэлектрические воздействия:

а) ДИС/ВП -- драйверы информационной системы водителя (ДИС) и визуальный преобразователь (ВП) электрического сигнала в оптическое изображение;

б) ЭДД/КД -- электродвигатель (ЭДД) и клапан (КД) демпфирования активной подвески (системы ADS);

в) ЭДН/НД -- электродвигатель (ЭДН) и нагнетатель (НД) высокого давления в системе VDC;

г) ЭДТ/ГК -- электродвигатель (ЭДТ) и гидроклапаны (ГК) системы ABS;

д) ШЭД/ДР -- шаговый электродвигатель (ШЭД) и дроссельная заслонка (ДР) системы ASR.

Блок водительских органов управления: ВИ -- визуальные индикаторы (стрелочные, электронные, дисплей и пр.); РК -- рулевое колесо; ПТ -- педаль тормоза; ПГ -- педаль акселератора (газа).

Полученные таким образом неэлектрические информационные сигналы посредством входных датчиков (рис. 1. поз. А, С, D) преобразуются в электрические сигналы: поворот кодирующего диска на руле -- в цифровой электрический код; круговая частота вращения колес -- в последовательность электрических импульсов с изменяющейся частотой следования; перемещение инерционных элементов гироскопа, упругой мембраны датчика давления -- в аналоговые электрические сигналы, которые далее с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) перерабатываются в цифровые электрические сигналы, пригодные для подачи на вход микропроцессора МП.[13]

Микропроцессор -- это центральный орган управления (мозг) мехатронной системы. Его главная функция заключается в преобразовании электрических информационных сигналов об условиях движения автомобиля, полученных от входной периферии, в электрические сигналы управления, несущие информацию об интенсивности и последовательности неэлектрических воздействий на неэлектрические органы управления. Такая информация формируется в микропроцессоре в виде кодовых последовательностей электрических импульсов, которые для непосредственного управления неэлектрическими органами непригодны.

Для согласования энергетических уровней без нарушения информационного содержания на выходе микропроцессора реализуется обратное преобразование информационных сигналов из цифровой в аналоговую форму. Эту функцию выполняют цифроаналоговые преобразователи (ЦАПы), которые одновременно являются усилителями мощности аналоговых электрических сигналов. Чтобы выполнить управляемое неэлектрическое воздействие на неэлектрические органы управления, вслед за ЦАПами устанавливаются оконечные преобразователи электрических сигналов в механические или любые другие неэлектрические воздействия. Оконечные преобразователи (блок Fна рис. 1. являются выходными исполнительными устройствами мехатронной системы, но не являются ее информационным окончанием. В отличие от электронной системы мехатронная система включает в свой состав и неэлектрические объекты управления, которые и являются оконечными потребителями информации. Применительно к рассматриваемой системе управления устойчивостью движения автомобиля, оконечными потребителями информации являются: система подачи топлива в двигатель 4, тормозная система 2 автомобиля и информационная система водителя с визуальными индикаторами (ВИ) и оптическим (зрительным) каналом управления (ОКУ). Эти три системы представляют собой выходную исполнительную периферию мехатронной системы, которая (периферия) под автоматическим управлением микропроцессора, при крайне ограниченном (посредством коррекции положения руля) участии водителя, обеспечивает наиболее оптимальный режим движения автомобиля в сложных дорожных условиях или в аварийной ситуации.



Рис. 1. Система VDC -- как составная часть системы «дорога -- водитель -- автомобиль»

Из приведенных примеров очевидно, что мехатронная система является совокупностью самых различных по принципу действия устройств, объединенных в единый комплекс с целью выполнения требуемой специфической функции управления, регулирования или текущего контроля на борту автомобиля. Современные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автоматического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подавляющее большинство новейших автомобильных систем бортовой автоматики являются мехатронными, входными воздействиями для которых являются неэлектрические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управления) -- неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные отличия мехатронных систем от чисто электронных и электрических. [14]

Ведутся также разработки по созданию универсальной электрической машины, так называемого «стартер генератора», которая сможет выполнять две функции: запуск ДВС и подачу электроэнергии в борт-сеть после запуска ДВС.

В силовом агрегате (в ДВС) датчики используются для измерения температуры и давления большинства текучих сред (температура всасываемого воздуха, абсолютное давление во впускном коллекторе, давление масла, температура охлаждающей жидкости, давление топлива в системе впрыска).

Почти ко всем движущимся частям автомобиля подключены датчики скорости или положения (скорость автомобиля, положение дроссельной заслонки, положение коленчатого вала, положение распределительного вала, положение и скорость вращения вала в коробке переключения передач, положение клапана рециркуляции выхлопных газов).

Другие датчики определяют уровень детонации, нагрузку двигателя, пропуски воспламенения, содержание кислорода в выхлопных газах.

В системе управления климатом (в климат-контроле) используются различные датчики в кондиционере для определения давления и температуры хладагента, температуры воздуха в салоне и за бортом.

Есть датчики, которые определяют положение сидений.

После появления антиблокировочной системы торможения и активной подвески потребовались датчики для определения скорости вращения колес, высоты кузова по отношению к шасси, давления в шинах.

Датчики удара и акселерометры нужны для правильного функционирования фронтальных и боковых воздушных мешков безопасности. Для переднего пассажирского сиденья с помощью датчиков определяют наличие пассажира, его вес. Эта информация используется для оптимального наддува мешка безопасности на переднем сиденье. Другие датчики используются для боковых и потолочных воздушных мешков безопасности, а также специальных воздушных мешков для зашиты шеи и головы.

На современных автомобилях антиблокировочные системы торможения заменяются более сложными и эффективными системами управления стабильностью движения автомобиля. Возникает необходимость в новых датчиках. Разрабатываются и уже имеются датчики скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси, датчики для предупреждения столкновений (например радарные), датчики для определения близости других автомобилей, датчики положения рулевого колеса, бокового ускорения, скорости вращения каждого колеса, крутящего момента на валу двигателя и т. д. Управление тормозной системой автомобиля становится частью более общей и эффективной системы электронного управления курсовой устойчивостью и стабильностью движения.

Из сказанного ясно, что сегодня датчики устанавливаются практически во всех системах автомобиля.

На рис. 2, показано наиболее рациональное расположение различных датчиков на автомобиле.



Рис. 2. Расположение датчиков на автомобиле: 1 -- датчик конфигурации впускного коллектора с управляемой геометрией, 2 -- датчик тахометра, 3 -- датчик положения распределительного вала, 4 -- датчик нагрузки двигателя, 5 -- датчик положения коленчатого вала, 6 -- датчик крутящего момента двигателя, 7 -- датчик количества масла, 8 -- датчик температуры охлаждающей жидкости, 9 -- датчик скорости автомобиля,10 -- датчик давления масла, 11 -- датчик уровня охлаждающей жидкости, 12 -- радарный датчик системы торможения, 13 -- датчик атмосферного давления, 14 -- радарный датчик системы предотвращения столкновений, 15 -- датчик скорости вращения ведущего вала коробки передач, 16 -- датчик выбранной передачи в коробке передач, 17 -- датчик давления топлива в рампе форсунок, 18 -- датчик скорости вращения руля, 19 -- датчик положения педали, 20 -- датчик скорости вращения автомобиля относительно вертикальной оси, 21 -- датчик противоугонной системы, 22 -- датчик положения сиденья, 23 -- датчик ускорения при фронтальном столкновении, 24 -- датчик ускорения при боковом столкновении, 25 -- датчик давления топлива в баке,26 -- датчик уровня топлива в баке, 27 -- датчик высоты кузова по отношению к шасси, 28 -- датчик угла поворота руля, 29 -- датчик дождя или тумана, 30 -- датчик температуры забортного воздуха, 31 -- датчик веса пассажира, 32 -- датчик кислорода, 33 -- датчик наличия пассажира в сиденье, 34 -- датчик положения дроссельной заслонки, 35 -- датчик пропусков воспламенения, 36 -- датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов, 37 -- датчик абсолютного давления в впускном коллекторе, 38 -- датчик азимута, 39 -- датчик скорости вращения колес, 40 -- датчик давления в шинах.

Датчики автомобильных электронных систем можно классифицировать по трем признакам: принципу действия, типу энергетического преобразования и основному назначению.[16]

Входные датчики двигателей внутренних сгораний измеряют конкретные параметры работы двигателя и преобразуют их в электрические сигналы. Информация, получаемая от датчиков, является основой управления двигателем. Система управления двигателем включает следующие входные датчики указанные в таблице 1.

Таблица 1

№	Название датчиков	Область использования датчиков автомобилей
1	Датчик давления топлива в контуре низкого давления	Используется в работе топливной системы
2	Датчик давления топлива	Используется в работе топливной системы
3	Датчик частоты вращения коленчатого вала	Используется в работе топливной системы
4	Датчик Холла	Используется в работе топливной системы
5	Расходомер воздуха	Используется в работе топливной системы
6	Датчик положения педали газа	Используется в работе системы впрыска
7	Датчик температуры охлаждающей жидкости	Используется в работе системы впрыска
8	Датчик температуры воздуха на впуске	Используются в работе системы впуска
9	Расходомер воздуха	Используются в работе системы впуска
10	Датчик температуры воздуха на впуске	Используются в работе системы впуска
11	Датчик положения дроссельной заслонки	Используются в работе системы впуска
12	Датчик давления во впускном коллекторе	Используются в работе системы впуска
13	Датчик положения педали газа	Используются в работе системы впуска
14	Датчик частоты вращения коленчатого вала	Используются в работе системы впуска
15	Датчик Холла	Используются в работе системы зажигания
16	Датчик детонации	Используются в работе системы зажигания
17	Расходомер воздуха	Используются в работе системы зажигания
18	Датчик температуры воздуха на впуске	Используются в работе системы зажигания
19	Датчик температуры охлаждающей жидкости	Используются в работе системы зажигания
20	Кислородные датчики	Используются в работе системы зажигания
21	Датчик температуры отработавших газов	Используются в работе выпускной системы
22	Кислородный датчик перед нейтрализатором	Используются в работе выпускной системы
23	Кислородный датчик после нейтрализатора	Используются в работе выпускной системы
24	Датчик оксидов азота	Используются в работе выпускной системы
25	Датчик температуры охлаждающей жидкости	Используются в работе системы охлаждения
26	Датчик температуры масла	Используются в работе системы охлаждения
27	Датчик давления в магистрали вакуумного усилителя тормозов	Используются в работе вакуумного усилителя тормозов

В зависимости от типа и модели двигателя номенклатура датчиков может изменяться. [27]

Электронный блок управления двигателем принимает информацию от датчиков и в соответствии с заложенным программным обеспечением формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства систем двигателя. В своей работе электронный блок управления взаимодействует с блоками управления автоматической коробкой передач, системой ABS (ESP), электроусилителя руля, подушками безопасности и др.

Нас больше интересуют датчики отвечающие за впускную систему ДВС. Одним и важных из них является датчик положения дроссельной заслонки.

Датчик положения дроссельной заслонки -- ДПДЗ (рис. 3) установлен сбоку дроссельного патрубка на оси дроссельной заслонкой. Он представляет собой резистор потенциометрического типа, один из выводов которого соединен с опорным напряжением (5 В) контроллера, а второй с массой контроллера. Третий вывод соединяет подвижный контакт ДПДЗ с измерительным входом контроллера, что позволяет контроллеру определять напряжение выходного сигнала ДПДЗ.

Данные о положении дроссельной заслонки необходимы для расчета длительности импульсов управления форсунками. При повороте дроссельной заслонки (движением педали акселератора) изменяется напряжение на подвижном контакте ДПДЗ. При закрытом положении дроссельной заслонки выходной сигнал ДПДЗ ниже 0,7 В. При открытии дроссельной заслонки выходной сигнал соответственно возрастает. Полностью открытой заслонке соответствует выходное напряжение не менее 4 В. Контролируя выходное напряжение сигнала ДПДЗ, контроллер определяет текущее положение дроссельной заслонки (задаваемое водителем).

Рис. 3. Датчик положения дроссельной заслонки

Датчики ускорения (акселерометры)

Некоторые твердотельные материалы обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям. Такие материалы часто используются для преобразования механических величин в электрические. [17]

На их основе создаются пьезоэлектрические и тензорезистивные акселерометры, которые в автомобильных электронных системах чаще всего используются как датчики ускорения.

Пьезоэлектрические акселерометры

Этот тип датчиков ускорения широко используется для вибрационных измерений, т. к. это точные, надежные и простые устройства. На рис. 4 показана базовая конструкция акселерометра, работающая в компрессионном режиме. Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g.

При деформации (сжатии) пьезо кристалла на его гранях появляется электрический сигнал, пропорциональный в данном случае ускорению. Рабочий диапазон частоты 5... 100000 Гц. Для обработки сигнала от пьезоэлектрического датчика используется электронный усилитель-формирователь, собранный по схеме рис. 5.

Рис. 4. Базовая конструкция акселерометра

Пьезоэлектрические акселерометры имеют малые размеры и выпускаются в интегральном исполнении. После принятия мер по термокомпенсации эти датчики ускорения имеют погрешность не хуже 0,5% в температурном диапазоне - 40...+ 110 "С.

Рис. 5. Схема усилителя-формирователя для обработки сигнала пьезоэлектрического



1.2 Выбор конструктивных особенностей мехатронных систем управления двигателем

Известно, что в выхлопных газах содержатся остатки углеводородного топлива (СН), окись углерода (СО), двуокись углерода (С0₂), окислы азота NO_x, азот (N) и кислород (0₂).

Содержание углеводородов измеряется в частях на миллион по объему (РРМ или млн.). Нормально работающий двигатель сжигает в цилиндрах практически все топливо. Допустимое содержание СН должно быть менее 50 РРМ. Бензин является канцерогеном.

Окись углерода -- неустойчивое химическое соединение, легко вступающее в реакцию с кислородом, в результате которой образуется двуокись углерода С0₂. СО -- ядовитый газ, вступая в легких человека в реакцию с кислородом, вызывает сильное отравление (возможен летальный исход). Уровень СО в выхлопных газах измеряется в процентах и не должен превышать 0,5%.

Двуокись углерода С0₂ -- результат соединения углерода из топлива с кислородом воздуха. Допустимое содержание 12... 15%. Высокие значения свидетельствуют о хорошей работе двигателя. Низкий уровень С0₂ говорит б том, что топливно- воздушная смесь (ТВ-смесь) богатая или бедная. Повышение концентрации С0₂ в атмосфере способствует развитию парникового эффекта.

Кислород -- в воздухе его 21% и большая часть вступает в реакцию с топливом. Уровень кислорода в выхлопных газах должен быть низким, менее 0,5%.

В камере сгорания двигателя образуется группа окислов азота, для краткости обозначаемых NO_x. Окись азота N0 -- бесцветный газ без вкуса и запаха. Двуокись азота N0₂-- рыжеватый газ с кислым едким запахом, слабо токсичен.

Окислы азота NO_xформируются в камере сгорания двигателя при температуре выше 1370 °С (2500 °F) или при большом давлении. При соединении окислов азота с углеводородом СН в атмосфере под воздействием солнечных лучей образуется фотохимический смог, вредный для органов дыхания человека.

Угол опережения зажигания.

Угол опережения зажигания тоже является одним из актуальных вопросов мехатроники. Неоптимальные значения угла опережения зажигания приводят к увеличению концентрации СН и NO_xв выхлопных газах. Точное задание угла опережения зажигания для всех режимов работы двигателя возможно только с помощью электронной системы управления.

Уменьшение потребления топлива

Экономия топлива в двигателях с электронным управлением достигается за счет его более точного дозирования во всех режимах работы и отключения подачи топлива, когда это допустимо, например, при торможении двигателем. Обеднение горючей ТВ-смеси с целью экономии топлива приводит к необходимости увеличивать угол опережения зажигания, т. к. бедная смесь горит медленно, но при этом возрастает токсичность выхлопных газов.

Управление углом опережения зажигания осуществляется электронной автоматикой путем компромисса между количеством потребляемого топлива и содержанием токсичных веществ в выхлопных газах по сложным алгоритмам.[27,28]

Диагностика

ЭБУ в фоновом режиме постоянно контролирует исправность подключенных к компьютеру датчиков и исполнительных механизмов, а также исправность систем, выход из строя которых ведет к увеличению загрязнения окружающей среды (каталитический газонейтрализатор, система подачи топлива и т. д.).

Комплексная системы управления двигателем

Тенденции развития бортовой автомобильной электроники таковы, что специализированные по исполняемым функциям системы управления поршневым бензиновым двигателем, такие как система зажигания, система впрыска топлива, система пуска холодного двигателя, система стабилизации холостых оборотов, система рециркуляции и нейтрализации выхлопных газов и прочие, в настоящее время как отдельные самостоятельные системы разрабатываются ограниченно. Их функции интегрируются в единую комплексную электронную систему автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д). В качестве примера комплексной ЭСАУ-Д на рис. 1.6.показана схема современной системы управления двигателем с прерывистым и распределенным по цилиндрам впрыском топлива.[13, 14]

Следует указать на то, что и комплексные ЭСАУ-Д в свою очередь теперь тоже не являются новациями, а входят составной частью в более общую бортовую систему управления, реализованную с применением новейших компьютерных технологий и включающую в свой состав наравне с прежними совершенно нетрадиционные для автомобиля бортовые подсистемы. Уже разработаны и эксклюзивно поступают к потребителю концептуальные автомобили, все узлы, агрегаты и системы которых, а также сам процесс движения автомобиля находятся под контролем. регулированием и управлением единого бортового компьютера.



Рис. 6. Схема системы управления двигателем: 1 - адсорбер, 2 -- клапан продувки адсорбера, 3 -- датчик массового расхода воздуха, 4 -- ЭБУ, 5 -- диагностический интерфейс, 6 -- лампа MIL (CheckEngine), 7 -- датчик дифференциального давления паров топлива в баке, 8 -- электробензонасос, 9 -- акселерометр на корпусе автомобиля, 10 -- датчик положения дроссельной заслонки, 1 1 -- регулятор оборотов холостого хода, 12 -- датчик температуры воздуха во впускной трубе. 13 -- клапан рециркуляции выхлопных газов, 14 -- топливный фильтр, 15 -- датчик детонации, 16 -- датчик положения коленчатого вала, 17 -- датчик температуры охлаждающей жидкости, 18 -- датчик кислорода на входе каталитического нейтрализатора,19 -- датчик кислорода на выходе каталитического нейтрализатора, 20 -- датчик разрежения, 21 -- регулятор давления топлива и форсунка, 22 -- индивидуальная катушка зажигания, 23 -- датчик фаз, 24 -- насос подачи воздуха в каталитический нейтрализатор, 25 -- каталитический нейтрализатор

Автомобильный двигатель представляет собой многомерный объект управления, так как число входных параметров у него больше одного и каждый входной параметр воздействует на два и более выходных. В таком случае система управления также должна быть многомерной. [21, 22, 23]

Чрезвычайно широкое распространение автомобильных двигателей предопределило и большое разнообразие их конструкций. Естественно, это приводит к многовариантности систем управления. Так, если в карбюраторных системах топливоподачи практически не используется электроника, то современные системы впрыскивания топлива создаются только на основе управления электронными системами.

С другой стороны, развитие мехатронных систем управления может стимулировать появление новых конструктивных решений проектируемых двигателей.

Исходя из выше рассмотренного мы выбираем в качестве объекта исследования схему современногомехатронного двигателя автомобиля приведена на рис. 7.

Ее центральной частью является электронный блок управления 11, блок-схема которого приведена на рис. 8. На основании сигналов датчиков блок управления рассчитывает количество впрыскиваемого топлива для получения оптимального соотношения топлива и воздуха в горючей смеси. Количество впрыскиваемого топлива определяется временем открытия электромагнитного клапана форсунки.



Рис. 7. Схема мехатронной системы управления современным двигателем: 1 - ключ зажигания; 2 - диагностический разъем; 3 - сигнал включения нейтральной передачи; 4 - сигнал включения кондиционера; 5 - сигнал скорости автомобиля; 6 - реле включения; 7 - распределитель зажигания; 8 - катушка зажигания; 9 - датчик аварийного падения давления масла; 10 - реле; 11 - электронный блок управления; 12 - шаговый двигатель системы управления коленчатого вала двигателя на холостом ходу; 13 - датчик расхода воздуха; 14 - датчик температуры поступающего в двигатель воздуха; 15 - регулятор давления; 16 - датчик угла открытия дроссельной заслонки; 17 - клапан холостого хода; 18 - форсунка холодного пуска; 19 - редукционный клапан; 20 - форсунка; 21 - таймер подогрева; 22 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 23 - датчик детонации; 24 - топливный фильтр; 25 - топливный насос; 26 - бак для топлива; 27 - датчик кислорода



Рис. 8. Блок-схема электронного блока управления

Блок-схема электронного блока управления, управляющего данной системой приведена на рис. 8.

Основное время впрыскивания топлива - это время для получения смеси с теоретически необходимым коэффициентом избытка воздуха. Количество воздуха, поступающего в цилиндр за цикл, рассчитывается блоком управления по данный датчика расхода воздуха и частоты вращения коленчатого вала двигателя.[25, 27]

В качестве объекта или узла изменяемого в этой системе мы выбираем коллектор с изменяющейся формой геометрии.

Система изменения геометрии впускного коллектора

Система изменения геометрии впускного коллектора является одной из востребованных технологий повышения мощности двигателя, экономии топлива, снижения токсичности отработавших газов.

Изменение геометрии впускного коллектора может быть реализовано двумя способами:

изменением длины впускного коллектора;

изменение поперечного сечения впускного коллектора.

В ряде случаев изменение геометрии впускного коллектора на одном двигателя осуществляется одновременно двумя способами.

Рис 9. Впускной коллектор переменной длины

Впускной коллектор переменной длины применяется в атмосферных бензиновых и дизельных двигателях для обеспечения лучшего наполнения камеры сгорания воздухом на всем диапазоне оборотов двигателя.

На низких оборотах двигателя требуется достижение максимального крутящего момента как можно быстрее, для чего используется длинный впускной коллектор. Высокие обороты выводят двигатель на максимальную мощность при коротком впускном коллекторе. [49]

Впускной коллектор переменной длины используют в конструкции двигателей многие производители, некоторые дали системе собственные названия:

Dual-Stage Intake, DSIот Ford;

Differential Variable Air Intake, DIVAот BMW;

Variable Inertia Charging System, VICS, Variable Resonance Induction System, VRISот Mazda.

Регулирование длины впускного коллектора (переключение с одной длины на другую) производится с помощью клапана, входящего в состав системы управления двигателем.

Работа впускного коллектора переменной длины осуществляется следующим образом. При закрытии впускных клапанов во впускном коллекторе остается часть воздуха, которая совершает колебания с частотой пропорциональной длине коллектора и оборотам двигателя. В определенный момент колебания воздуха входят в резонанс, чем достигается эффект нагнетания - т.н. резонансный наддув. При открытии впускных клапанов воздушная смесь в камеры сгорания нагнетается с большим давлением.

В надувных двигателях впускной коллектор переменной длины не используется, т.к. необходимый объем воздуха в камере сгорания обеспечивается механическим и (или) турбокомпрессором. Впускной коллектор в таких двигателях очень короткий, что сокращает размеры двигателя и его стоимость.

Впускной коллектор переменного сечения применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях, в т.ч. оборудованных наддувом. При уменьшении поперечного сечения каналов впускного коллектора достигается увеличение скорости воздушного потока, лучшее смесеобразование и соответственно обеспечивается полное сгорание топливно-воздушной смеси, снижение токсичности отработавших газов.

Известными системами впуска переменного сечения являются:

Intake Manifold Runner Control, IMRC, Charge Motion Control Valve, CMCVот Ford;

TwinPort от Opel;

Variable Intake System, VISот Toyota;

Variable Induction System, VISот Volvo.

В системе впускной канал к каждому цилиндру разделен на два канала (отдельный канал на каждый впускной клапан), один из которых перекрыт заслонкой. Привод заслонки осуществляет вакуумный регулятор или электродвигатель, являющийся исполнительным устройством системы управления двигателем.

При частичной нагрузке заслонки закрыты, топливно-воздушная смесь (двигатели с распределенным впрыском) или воздух (двигатели с непосредственным впрыском) поступает в камеру сгорания каждого из цилиндров по одному каналу. При этом создаются завихрения, которые обеспечивают лучшее смесеобразование. При уменьшении сечения впускного коллектора раньше вступает в работу система рециркуляции отработавших газов, тем самым повышается топливная экономичность двигателя. [50]

При полной нагрузке заслонки впускного коллектора открываются, увеличивается подача воздуха (топливно-воздушной смеси) в камеры сгорания и соответственно повышается мощность двигателя.

На примере системы TwinPort от Opel:

Рис. 10. Система впуска переменного сечения:

1. Работа системы при полной нагрузке (заслонка открыта);

2. Работа системы при частичной нагрузке (заслонка закрыта, завихрения топливно-воздушной смеси);

3. Вихревой канал;

4. Вакуумный регулятор заслонки;

5. Форсунка;

6. Заслонка;

7. Канал наполнения.



Выводы по главе 1

В первой главе на основе литературного обзора и данных с Интернет сайтов проделан анализ современного состояния мехатронного управления двигателями внутреннего сгорания, а также зарубежные исследования по мехатронному управлению двигателем внутреннего сгорания. Исходя анализа, была выбрана конструкция мехатронной системы управления двигателем внутреннего сгорания и поставлены цели и задачи исследования.

Целью исследования является: повышение экономических и экологических показателей автомобильных двигателей на холостых и частичных режимах эксплуатации ДВС, а также повышение мощностных характеристик двигателей внутреннего сгорания при эксплуатации на нагрузочных режимах при использовании конкретно впускного коллектора с изменяемой геометрией. Которая состоит из короткого и длинного подхода к впускному тракту камеры сгорания.

Благоприятная для наполнения цилиндров длина впускного коллектора зависит от оборотов двигателя. В этой связи оптимальным решением является впускной коллектор с изменяемой геометрией: при низких оборотах длинный впускной тракт обеспечивает высокий крутящий момент и хорошую приемистость двигателя; при более высоких оборотах короткий впускной тракт позволяет двигателю развить высокую мощность. Такая гибкость создает основу для оптимального изменения крутящего момента, хороших показателей разгона и эластичности работы двигателя.

В качестве управления таким типом коллектора мы устанавливаем управляемые дроссельные заслонки на каждом подходе к меньшей длине впускного коллектора. Управление которых осуществляется использованием мехатронной систем управления.

Задачами работы являются: разработка данного типа впускного коллектора с изменяемой формой геометрией на основе прототипов, а также его установка на двигателе внутреннего сгорания и управления им с помощью мехатронной системы управления.

После установки этой системы осуществление снятие характеристик и показателей двигателя внутреннего сгорания с данным типом впускного коллектора изменяемой формы геометрией и сопоставление этих данных с данными двигателей внутреннего сгорания с обычным типом впускного коллектора.



Глава 2. Теоретическое исследование мехатронных систем управления двигателем отечественных автомобилей

2.1 Методика исследования

В существующей и издаваемой настоящее время литературе по ДВС уделяется достаточное внимание описанию установок, приборов, записывающей аппаратуры и систем автоматизации измерений, применяемых при испытании двигателей и его систем. По этой причине наиболее целесообразно сосредоточить внимание только на видах испытаний, их содержаний и, наконец, на наиболее важном практическом вопросе - замере величин, характерных для газовых двигателей, и методах их обработки.

Стендовые испытания поршневых ДВС, используемых для стационарных и передвижных установок, должны проводиться в соответствии с существующим ГОСТ 14846-81. Эти испытания являются важным завершающим этапом технологического процесса производства газовых двигателей на машиностроительных предприятиях. Служащие для этих целей специальные испытательные станции и отдельные стенды предназначаются для проведения приработки трущихся деталей, проверки и отладки этих двигателей и их систем, установления соответствия их заданным характеристикам.

Испытания по своему назначению подразделяют на испытания двигателей серийного производства, экспериментальные и исследовательские испытания опытного производства и испытания научно-исследовательского характера. Назначение этих испытаний сводится к следующим основным задачам: проверка качества сборки двигателя и его отдельных систем, агрегатов, приработка поверхностей трения для увеличения износостойкости и мотто- ресурса и соответствия техническим условиям на поставку параметров и характеристик двигателя. Экспериментальные и исследовательские испытания обычно связаны с опытным производством или работой конструкторских бюро и проводятся для проверки новых или усовершенствованных конструкций двигателей, их систем, в частности системы питания сборочных единиц или деталей, а также исследования рабочего процесса и газодинамики. Обычно этого вида работы завершаются проведением длительных характеристик для выявления соответствии запроектированных характеристик двигателя фактическим.

Испытания научно-исследовательского характера имеет своей целью более глубокое теоретическое и экспериментальное изучения процессов, происходящих в двигателях, агрегатах, системах, поиск новых перспективных направлений, обеспечивающих дальнейшее повышение их качества.

Испытания двигателей научно-исследовательского характера, которые используются в нашем случае весьма разнообразны по своему содержанию и направлены на более глубокое изучение процессов, происходящих в двигателях и их системах. Эти испытания проводятся по специально разработанным программам, в которых указывается назначение и цель испытаний, условия проведения испытаний с указанием требований к испытательному стенду и его оборудованию, измерительной аппаратуре, методике проведения замеров, необходимой технической документации, количестве и продолжительности этапов, порядок и сроки осмотров и ревизии двигателя и перечень необходимой отчётной документации.

Автомобильный двигатель в условиях эксплуатации фактически всегда работает на неустановившихся режимах. В связи с этим индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла двигателя, аналитическая связь этих показателей между собой и характер их изменения в отличие от показателей на установившихся режимах будут иметь другие закономерности и требует других методов качественной и количественной их оценки. Неустановившийся режим может включать одну или все фазы движения: разгон, замедление, чередование разгона с накатом, торможение, пуск двигателя и т.д. Перечисленные фазы в процессе движения автомобиля могут вызываться изменением внешних сопротивлений, как например: преодоление подъёмов, движением под уклон, переходом от одного качества дороги к другому, быстрым переходом к большим скоростям движения или рядом других причин, вызываемых условиями эксплуатации автомобиля, особенно в горных и предгорных условиях.

Методика исследования основных показателей двигателей учитывает, что качественный, а тем более количественный анализ работы двигателя на различных режимах может быть выполнен при условии предварительного исследования двигателя на установившихся режимах при всех возможных нагрузках. Причём исследования получают достаточную достоверность в том случае, если весь комплекс намеченных исследований осуществляется на одной экспериментальной установке и с применением одной и той же измерительной аппаратуры. [31]

В зависимости от вида проводимых испытаний, количество величин, подлежащих замеру при испытании газового двигателя, может меняться. В каждом конкретном случае испытатель, зная задачи и цель испытания, договорные обязательства, технические и другие условия, должен произвести выбор объектов наблюдения и составить программу испытаний для эксплуатируемых условиях. В большинстве случаев потребителя интересует данные, характеризующие внешнюю работу двигателя, а именно: мощность, частота вращения, удельные расходы топлива и масла, устойчивость, надёжность пуска, температурные режимы и другие.

Не следует перегружать испытания обилием измеряемых величин, а следует обращать внимание в первую очередь на основные взаимосвязанные параметры. Можно установить следующий примерный перечень основных измерений, выполняемых при типовых испытаниях двигателей: крутящий момент или мощность; частота вращения коленчатого вала, давление сжатия и максимальное давление цикла, давление и температуру газа на входе в двигатель и отработавших газов на выходе из него; состав топлива и его теплотворная способность; противодавление и температура газов в выпускном трубопроводе; температура и давление продувочного воздуха; давление и температура воды в системе охлаждения; давление и температура в системе смазки; угол опережения зажигания; барометрическое давление, температура и относительная влажность окружающего воздуха; состав отработавших газов (%).

По данным полученных измерений, вычисляется эффективная мощность, среднее эффективное давление, индикаторная мощность, часовой и удельный расход газа при работе двигателя с искровым зажиганием.

2.2 Проектирование и изготовление мехатронной системы управления двигателем отечественных автомобилей

Конструктивный обзор

Наибольшее распространение в четырехтактных двигателях получили системы с впрыскиванием бензина во впускной тракт электромагнитными форсунками под давлением 0,15...0,4 МПа. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндр автомобильного двигателя практического применения не находит из-за неблагоприятных условий работы форсунки, трудности размещения ее в камере сгорания, а также из-за требующегося высокого давления впрыскивания (2,5...10,0 МПа).

Системы впрыскивания можно классифицировать:

По способу управления дозированием бензина

* электронные, в которых подача топлива регулируется путем изменения длительности циклического впрыскивания;

* механические с непрерывной подачей бензина через форсунки, которая изменяется специальным дозатором.

Для проектирования выбрана схема:



Рис. 10. Схема системы распределенного впрыскивания бензина

При распределенном впрыскивании бензина^* топливо из бака 1 (рис. 10) всасывается электрическим бензонасосом 2, а затем через фильтр тонкой очистки 3 нагнетается в магистраль 6, в которой стабилизатором давления 7 поддерживается постоянный перепад давления на входе и выходе топлива из форсунок 5, через которые топливо подается в зону впускных клапанов. Избыток топлива от стабилизатора 7 возвращается обратно в бак.

Воздух поступает в цилиндры через измеритель расхода 10 и впускной трубопровод 8. Количество воздуха регулируется дроссельной заслонкой.

Электронная система управления дозированием топлива питается от аккумулятора 15 и включается в цепь при замыкании замка зажигания 16.

...