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

Сигналы измерителя расхода воздуха 10 и распределителя зажигания 13 (сигнал частоты вращения вала) обрабатываются электронным блоком управления 4, который в соответствии с заложенной в него программой выдает электрические импульсы, управляющие открытием клапанов форсунок и имеющие определенную продолжительность на каждом режиме работы двигателя. Разработаны и системы с согласованным (фазированным) впрыскиванием, в которых впрыскивание в каждый цилиндр осуществляется в одинаковой фазе цикла. Это в существенной степени выравнивает условия смесеобразования в различных цилиндрах.

Так как стабилизатор давления 7 поддерживает с точностью порядка ±2 кПа постоянное избыточное давление топлива относительно давления воздуха во впускном трубопроводе, то цикловая подача топлива форсункой 5 однозначно зависит от времени, в течение которого открыт ее клапан.

Длительность впрыскивания корректируется блоком управления в зависимости от температуры, охлаждающей жидкости (датчик 12), экономайзерный эффект и обогащение смеси на режимах разгона обеспечиваются по сигналам датчика 9, соединенного механически с осью дроссельной заслонки. В датчике предусмотрена также контактная пара, подающая сигнал для отключения топливоподачи на режимах принудительного холостого хода. Отключение подачи происходит при закрытой дроссельной заслонке, когда частота вращения превышает примерно 1500 мин^-1, подача вновь включается при частоте вращения ниже 900 мин^-1. Имеется коррекция порога отключения подачи топлива в зависимости от температурного режима двигателя.[13, 14]

Чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу с заданной частотой вращения, предусмотрено автоматическое регулирование количества поступающего в двигатель воздуха в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. На холостом ходу непрогретого двигателя дроссельная заслонка закрыта, а воздух поступает через верхний и нижний байпасные каналы. По мере прогрева двигателя, начиная с температуры жидкости 50...70°С, регулятор дополнительного воздуха 14 прекращает подачу воздуха. После этого воздух поступает только через верхний байпас, сечение которого можно изменить винтом для регулировки частоты вращения на холостом ходу.

Система может работать по сигналам л-зонда 11, обеспечивая поддержание стехиометрического состава смеси.

Большое значение для безотказной работы стабилизатора давления 7 и форсунок 5 имеет качественная фильтрация топлива.

Измерение расхода воздуха осуществляется термоанемометром с высокой надежностью и позволяет поддерживать постоянным состав смеси при изменении плотности воздуха. Чувствительный элемент из платиновой проволоки толщиной 70 мкм, расположенной по поперечному сечению впускного трубопровода, включен в цепь моста сопротивлений. Проволока подогревается электрическим током до постоянной температуры 150 °С. Чем больше расход воздуха, тем сильнее теплосъем с проволоки, а ток подогрева возрастает. Сила тока, пропорциональная расходу воздуха, непрерывно измеряется мостовой схемой и определяет величину расхода воздуха.

После остановки двигателя нить термоанемометра по команде блока управления кратковременно разогревается до повышенной температуры с целью очищения (выжигания) от загрязнений, которые могут искажать сигнал о расходе воздуха.

Электронная система управления впрыском топлива состоит из трех подсистем: подсистемы питания воздухом, электронной подсистемы управления, подсистемы подачи топлива.

Подсистема подачи воздуха

Для регулировки состава топливовоздушной смеси на любом режиме работы двигателя используется контроль за подаваемым количеством воздуха, управление которым осуществляется подсистемой подачи воздуха.

Подсистема состоит из воздухоочистителя, канала подачи воздуха, корпуса дроссельной заслонки, системы управления холостым ходом механизма управления ускоренным холостым ходом и впускного коллектора. Резонатор в воздушном канале обеспечивает дополнительное сглаживание пульсации при подаче воздуха в систему.

Корпус дроссельной заслонки двухкамерного типа с боковой подачей воздуха, с первичной воздушной горловиной в верхней части. Для предотвращения образования отложений на дроссельной заслонке и на стенках воздушной горловины при определенных атмосферных условиях нижняя часть корпуса дроссельной заслонки подогревается охлаждающей жидкостью двигателя. Положение дроссельной заслонки определяется специальным датчиком. Для замедления движения дроссельной заслонки при ее приближении к точке закрывания используется демпфер. Для контроля функционирования демпфера проверьте вакуумную линию на наличие утечки, блокирование и надежность соединения шлангов, отсоедините вакуумный шланг от диафрагмы демпфера и подсоедините к нему ручной вакуумный насос с датчиком. Запустите двигатель, установите режим около 3500 об/мин и проверьте наличие вакуума. В нормальном состоянии вакуум должен быть. Если вакуума нет, проверьте выход вакуумного канала в корпусе дроссельной заслонки. Отпустите педаль газа (освободите дроссельную заслонку). Вакуум должен плавно изменяться. Если вакуум не меняется или меняется слишком быстро, замените контрольный клапан демпфера. Подсоедините вакуумный насос к диафрагме демпфера, создайте вакуум. Вакуум должен быть устойчивым, а шток должен втягиваться. Если этого нет, замените диафрагму демпфера. На более ранних моделях методика проверки может быть несколько иная. При неработающем двигателе слегка приоткройте дроссельную заслонку (настолько, чтобы шток демпфера поднялся на величину его хода) и отпустите ее. Определите время, за которое дроссельная заслонка переместится до касания ее рычага с ограничительным винтом. Время перемещения должно быть менее 2 сек. Если время перемещения более 2 сек., замените контрольный клапан демпфера. Если шток демпфера не перемещается, проверьте соединительные тяги, вакуумную линию и контрольный клапан (может быть его залипание). Если все элементы нормальные, замените демпфер.[29]

Система управления холостым ходом контролирует состав топливовоздушной смеси в режиме холостого хода. Управление элементами системы (электромагнитными клапанами холостого хода, ускоренного холостого хода и холостого хода при включении кондиционера) осуществляется от БУД. Клапан холостого хода и клапан ускоренного холостого хода изменяют количество подаваемого по байпасной линии воздуха во впускной коллектор. Клапан холостого хода при включении кондиционера обеспечивает поддержание необходимой частоты вращения коленчатого вала двигателя. Электромагнитный клапан управления холостым ходом используется для компенсации снижения частоты вращения коленчатого вала двигателя, вызванной электрической или иной нагрузкой двигателя. Компенсация осуществляется подачей дополнительного воздуха по байпасному каналу во впускной коллектор, что позволяет поддерживать постоянной частоту вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода на уровне 750±50 об/мин. Для увеличения быстроты отклика системы работа клапана зависит от величины напряжения на выводе генератора. Клапан также снижает частоту вращения коленчатого вала в режиме ускоренного холостого хода при прогреве, после достижения температуры охлаждающей жидкости 55 °С. Для исключения неустойчивой частоты вращения коленчатого вала после запуска клапан открыт при проворачивании коленчатого вала стартером и сразу же после запуска для обеспечения подачи дополнительного воздуха во впускной коллектор. Электромагнитный клапан управления холостым ходом приводится в действие по сигналам БУД. Когда клапан открыт, вакуум впускного коллектора передается в вакуумный шланг клапана. Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя происходит сразу после запуска двигателя или при включении любого потребителя энергии. Вакуум отключается при достижении частоты вращения коленчатого вала двигателя выше 1500 об/мин. При включенном клапане между плюсовым и минусовым выводами должно быть напряжение не ниже 11,8 В. Для проверки клапана отсоедините от него проводку и соответствующий вакуумный шланг и попытайтесь подать воздух через воздушный шланг. Воздух не должен проходить. Можно проверить и подачей вакуума на вакуумный шланг: вакуум должен быть устойчивым.

Если результаты проверки не соответствуют указанным, замените клапан. Подайте напряжение от аккумулятора на клапан, отсоедините вакуумный шланг от впускного коллектора и подайте воздух в шланг подачи воздуха. Воздух должен проходить через шланг. Или попытайтесь создать вакуум в отсоединенном вакуумном шланге. Вакуума не должно быть. Если проверка показала другие результаты, замените клапан.

На некоторых моделях для облегчения запуска холодного двигателя используется воздушный клапан, конструкция и принцип действия которого показаны на рис. 11. Клапан обеспечивает подачу дополнительного воздуха во впускную камеру при холодном двигателе и этим устраняет нестабильность частоты вращения в указанном режиме (частота вращения несколько выше нормальной).[18, 19]

Рис. 11. Действие воздушного клапана в зависимости от температуры: 1 - биметалл, 2 - от трубки разъема подачи воздуха, 3 - шибер, 4 - к камере поступления воздуха, 5 - обмотка нагревателя

После прогрева двигателя за счет действия биметаллической пружины клапан перекрывает подачу воздуха. Начальная проверка клапана: при температуре охлаждающей жидкости ниже 60°С пережмите шланг подачи воздуха. Частота вращения коленчатого вала двигателя должна резко снизиться. Повторите ту же проверку на прогретом двигателе. При пережатии шланга частота вращения коленчатого вала двигателя должна снизиться не более чем на 50 об/мин.

Электромагнитный клапан ускоренного холостого хода предотвращает неустойчивость частоты вращения коленчатого вала двигателя при прогреве двигателя, обеспечивая более высокую частоту вращения вала двигателя в этом режиме. Когда атмосферное давление составляет 660 мм рт. ст. или ниже, клапан открывается и обеспечивает подачу дополнительного воздуха по байпасному каналу во впускной коллектор. Электромагнитный клапан управления ускоренным холостым ходом открыт при температуре охлаждающей жидкости ниже -15°С, а также при температуре охлаждающей жидкости ниже 40°С, если атмосферное давление ниже 660 мм рт. ст. На некоторых моделях он также открыт при скорости автомобиля выше 25 км/час и частоте вращения коленчатого вала двигателя выше 2000 об/мин. Вакуум создается в шланге между клапаном и трубкой подачи воздуха. При открытом состоянии клапана напряжение на нем должно быть не менее 9 В. Для проверки клапана отсоедините провод питания клапана, отсоедините вакуумный шланг от трубки подачи воздуха и подайте воздух в этот шланг. Воздух не должен проходить. Подайте питание на клапан от аккумулятора, отсоедините шланг между впускным коллектором и клапаном и подайте воздух в шланг между клапаном и трубкой подачи воздуха. Воздух должен проходить. Клапан регулируется на заводе-изготовителе и не требует разборки при эксплуатации. Перед дальнейшей проверкой клапана убедитесь в нормальном функционировании системы принудительной вентиляции картера двигателя и в нормальном состоянии элементов этой системы.

Ресивер и впускной коллектор

В корпусе дроссельной заслонки установлены заслонка и датчик ее положения, а также имеется обходной канал подачи воздуха на холостом ходу и различные каналы разрежения для различных устройств, снижающих уровень токсичных веществ, например, клапан рециркуляции отработавших газов EGR. Все рабочие настройки положения заслонки и регулятора холостого хода выполнены на заводе, поэтому в процессе эксплуатации автомобиля регулировать холостой ход не требуется. Показатели работы двигателя и его токсичность можно улучшить за счет оптимизации формы впускного коллектора и ресивера. В результате повышается наполняемость цилиндров, а значит, увеличивается мощность и крутящий момент двигателя.

Рис. 12. Элементы проектируемой системы

На зарубежных автомобилях применяется два типа впускных коллекторов: объединенный вместе с ресивером и отдельный. В обоих случаях подача топлива форсунками производится в нижнюю часть коллектора, примыкающую к впускным каналам. Благодаря этому системы впрыска имеют преимущества по сравнению с карбюраторными, так как здесь не образуется топливной пленки на поверхности впускного коллектора. Это снижает уровень выбросов загрязняющих веществ и повышает топливную экономичность. Сравнительно недавно стали применяться впускные коллекторы переменной геометрии, целью которых является повышение наполняемости цилиндров на разных режимах работы двигателя. Заслонку и ее положение необходимо проверить и отрегулировать в случае неравномерности холостого хода. Возможно, при проведении технического обслуживания потребуется очистить корпус дроссельной заслонки. В этом случае следует обратиться к разделу «Эксплуатация и техническое обслуживание автомобиля». Необходимо использовать заводскую инструкцию, неукоснительно соблюдать меры предосторожности и порядок действий.[18, 19]

Дифференциальное уравнение проектируемого впускного коллектора

Режим работы впускного коллектора определяется соотношением количества воздуха G_д, расходуемого в единицу времени собственно двигателем, и количества воздуха G_а, поступающего в объем V_в впускного коллектора из окружающей среды (в двигателях без наддува), или G_к -- из нагнетателя 1 (в двигателях с наддувом).

Установившийся режим работы коллектора может поддерживаться при выполнении условия статического равновесия.

При нарушении установившегося режима работы составляющие уравнения получают приращения ДG_д и ДG_к (в общем случае неравные между собой). Нарушение условия статического равновесия приводит к изменению массы воздуха, сосредоточенной в коллекторе, на dG за элементарный интервал времени dt. Для дизеля с наддувом

(2.1)



Количество воздуха, сосредоточенного во впускном коллекторе

где V_в -- объем впускного коллектора (величина постоянная); с_к-- плотность воздуха

Следовательно,

Сжатие (или расширение) воздуха во впускном коллекторе может быть принято политропным:

с постоянным показателем политропы п_к. Дифференцированием можно найти связь приращений плотности и давления воздуха за элементарный интервал времени:

Если учесть полученные соотношения в уравнении (2.2.1), то оно примет вид

(2.2)



При невысоких давлениях наддува изменением температуры воздуха во впускном коллекторе можно пренебречь и термодинамические процессы во впускном коллекторе и принять изотермными. В этом случае

Так как при изотермном процессе

то уравнение (2.2.1) получит вид

Количество воздуха, поступающего из коллектора в двигатель, определяется выражением

где з_х-- коэффициент наполнения двигателя; ц_а -- коэффициент продувки; i_Д -- число цилиндров; ф_д -- тактность двигателя; V_h -- рабочий объем цилиндра; с_к -- плотность сжатого воздуха; щ -- угловая скорость коленчатого вала.

Коэффициент наполнения з_х в общем случае зависит от давления наддува p_к, скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. Однако в пределах нагрузочной характеристики изменение з_х сравнительно невелико, поэтому этой зависимостью можно пренебречь без внесения в расчеты заметной ошибки. В связи с этим

Плотность воздуха с_к определяется давлением наддува и его температурой. При невысоких р_к изменением температуры наддувочного воздуха можно пренебречь и принять

Учет полученных функциональных зависимостей позволяет установить, что

После разложения полученной зависимости в ряд Тейлора и последующей линеаризации

(2.3)

Количество воздуха G_к, подаваемого компрессором, также зависит от давления наддува р_к во впускном коллекторе и угловой скорости щ_к ротора турбокомпрессора.

Если двигатель оборудован регулируемым наддувом, на производительность нагнетателя, кроме названных параметров, влияет положение h_к лопаток диффузора, поэтому

Рис. 13. Условия обеспечения установившегося режима работы впускного коллектора:

В соответствии с этой зависимостью

(2.4)

Подстановка выражений (2.3) и (2.4) в уравнение (2.2) приводит

(2.5)

Для отыскания условий, обеспечивающих поддержание равновесных режимов работы впускного коллектора, необходимо совместить характеристики компрессора G_к= f (р_к), подающего воздух в объем впускного коллектора, и воздушные характеристики двигателя G_д = f (р_к), так это сделано на рис. 13. Условие выполняется в точках 1, 2, 3 и др., образуемых пересечением этих характеристик.[13]

Установившиеся режимы стечением времени могут нарушаться. Например, при уменьшении р_к1 на Др_к1 (без изменения скоростных режимов) равновесный режим 1 нарушится, так как G_к1 получит приращение ДG_к1, а изменится на ДG_д1. Вследствие этого в объеме коллектора с течением времени будет накапливаться воздух, что приведет к восстановлению давления р_к1 в точке 1. Устойчивость режима в точке 1 тем выше, чем больше разность расходов воздуха:

ДG = ДG_к1 + ДG_д1

при заданном изменении давления Др_к1 или Др_к. Поэтому устойчивость равновесного режима работы впускного коллектора можно оценить отношением

называемым фактором устойчивости впускного коллектора. Так как при линеаризации

(2.6)

Чем больше положительное значение F_в, тем более устойчив режим работы впускного коллектора.

По-иному протекает режим работы в точке 2. При возрастании давления наддува на Др_к2 увеличение подачи воздуха в компрессор ДG_к2 оказывается большим увеличения расхода воздуха ДG_д2 в двигателе. В связи с этим в объеме впускного коллектора будет сосредоточиваться все большее количество воздуха, что приведет к дальнейшему увеличению давления наддува. Следовательно, режим работы в точке 2 неустойчив. Действительно, в рассматриваемом случае

Поэтому F_в< 0.

При приближении к режиму работы в точке 3 производная дG_к / др_к> ? , поэтому производную дG_к / др_к> 0 часто не учитывают при оценке устойчивости работы впускного коллектора. Ее можно оценивать только по форме статической характеристики компрессора. Так, если дG_к / др_к<0 (выше точки 3), тоF_в> 0 и режим работы устойчив; если дG_к / др_к> 0 (ниже точки 3), то режим работы неустойчив. Следовательно, точка 3 является своеобразной границей между устойчивыми и неустойчивыми участками статической характеристики компрессора (в данном случае центробежного). Наличие этой границы в статической характеристике может привести при определенных условиях к неустойчивой работе впускного коллектора и компрессора, к появлению автоколебаний или помпажа. В действительности граница помпажа может и не совпадать точно с точкой 3, так как на помпаж влияют и некоторые другие обстоятельства.

Если учесть, что р_к = р_к0 + Др_к, где р_к0 -- давление наддува на выбранном установившемся режиме, и подставить в уравнение (2.5) фактор устойчивости (2.6), то уравнению можно придать вид



Деление всех членов на коэффициент при ср_к, приводит уравнение к виду

(2.7)

Время впуска коллектора

(2.8)

характеризует инерционность впускного коллектора. Инерционность тем больше, чем больше объем V_в коллектора и меньше производная дG_к / дщ_к характеризующая скорость нарастания производительности компрессора но мере увеличения угловой скорости его ротора.

Коэффициент самовыравнивания впускного коллектора (безразмерный)

(2.9)

характеризует способность коллектора поддерживать заданный равновесный режим.[30]

Коэффициент усиления по угловой скорости коленчатого вала двигателя (безразмерный)

(2.10)



характеризует эффективность воздействия на впускной коллектор изменения скоростного режима двигателя.

Коэффициент усиления по настройке диффузора (безразмерный)

характеризует эффективность воздействия на впускной коллектор изменения положения лопаток диффузора компрессора.

В операторной форме записи уравнение (2.7) имеет вид

(2.11)

где собственный оператор коллектора

(2.12)

Большинство двигателей внутреннего сгорания имеют впускные коллекторы с таким объемом V_в, что числовые значения времени Т_в весьма малы и практически не оказывают влияния на динамические свойства элемента. В связи с этим во многих случаях можно пренебрегать объемом впускного коллектора и принимать условие Т_в ? 0. С учетом этого уравнение (2.11) примет вид

(2.13)

После деления на собственный оператор уравнение (2.11) будет



(2.14)

Рис. 14. Структурная схема имитационной математической модели

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.

У 4-цилиндрового двигателя 4 установлен впускной коллектор изменяемой длины. С помощью двух подвижных заслонок в системе всасывания можно менять частоту колебаний встречного и нагнетаемого воздуха, что оказывает непосредственное влияние на величину крутящего момента двигателя. Благодаря обеим заслонкам при такой системе создаются три различных режима прохода воздуха. Заслонки имеют пневматический привод от вакуумных камер. Разряжение подается через электроклапаны к соответствующей камере. Электроклапаны управляются от прибора управления.

При нагнетании воздуха поршни создают сильное разрежение, которое при открытых впускных клапанах вызывает движение воздуха в системе всасывания. Если впускные клапаны внезапно закрываются, то воздух «спружинивает» назад -- в трубопроводе всасывания возникает колебание. Его частота зависит от длины трубопровода всасывания, числа оборотов двигателя и фаз газораспределения двигателя. Если колебания входят в резонанс, достигается определенный эффект нагнетания. При помощи заслонок можно создавать условия резонанса в широком диапазоне оборотов.[13]

1. При числе оборотов до 2550 мин-1 обе заслонки закрыты, объем воздуха в системе всасывания может колебаться на участке до клапана управления давлением.



Рис. 15. Впускной коллектор изменяемой длины: 1, 2 - заслонки; 3 - впускная система; 4 - впускной коллектор

2. От 2550 до 3350 мин-1 открывается заслонка 1, колебания прекращаются на заслонке 1.

3. При числе оборотов более 3350 мин-1 открываются заслонки 1 и 2, колебания доходят до впускного коллектора.

Эти переключения используются только в режиме полной нагрузки двигателя. Чтобы при частичной нагрузке добиться низкого потребления топлива и чистого сгорания, необходимы другие комбинации частот объемов воздуха и числа оборотов. Поэтому к расчетному моменту времени электронное управление активирует как управляющий клапан, так и возврат отработавших газов.

Впускной коллектор с изменяемой длиной тракта

Крепежные болты впускного коллектора 1,5 литрового и 1,6-литрового 4-цилиндровых двигателей должны быть затянуты в указанной последовательности. Только так можно предотвратить перекос впускного коллектора при установке.

Слева: заслонки впускного коллектора с изменяемой длиной тракта 1,5-литрового 4-цилиндрового двигателя приводятся посредством отмеченного стрелкой мембранного механизма.

Справа: этот «клапан для переключения последовательного впускного коллектора» (стрелка) определяет, может ли разреженный воздух попасть на мембранный механизм. Клапан расположен справа сзади в моторном отсеке у расходомера воздуха.

Рис. 16. Слева: заслонки впускного коллектора с изменяемой длиной тракта, справа: этот «клапан для переключения последовательного впускного коллектора»

Модели с 1,5-литровым 4-цилиндровым двигателем

Длинный впускной коллектор небольшого диаметра обеспечивает высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения. Для высокой мощности двигателя при высокой частоте вращения его вала, наоборот, необходим короткий впускной коллектор с большим поперечным сечением. [52, 53]

Чтобы скомбинировать одно с другим, нужен новый впускной коллектор с изменяемой длиной тракта. В зависимости от режимов работы у него внутри закрываются и открываются шесть заслонок. Тем самым для каждого цилиндра предоставляется впускной коллектор разной длины и разного поперечного сечения: либо впускной коллектор для крутящего момента (длинная труба с маленьким диаметром), либо мощностной впускной коллектор (короткая труба с большим поперечным сечением). Все шесть заслонок приводятся в действие разрежением и управляется в зависимости от частоты вращения: до 4000 об/мин они остаются закрытыми для достижения высокого крутящего момента. Свыше 4000 об/мин они полностью открываются для достижения высокой мощности. Ниже 4000 об/мин при помощи впускного коллектора крутящего момента по сравнению с мощностным впускным коллектором выигрывается до 30 Н*м.

1,5-литровый двигатель развивает свой максимальный крутящий момент 245 Н*м при 3000 об/мин с условием применения бензина АИ-91; с применением АИ-95 его крутящий момент повышается до 250 Н*м. В широком диапазоне от 2000 об/мин до 5500 об/мин развивается крутящий момент по меньшей мере 220 Н*м.

Изменяемый по длине впускной коллектор

Изготовленный для облегчения веса из пластика впускной коллектор имеет управляемый поворотный золотниковый клапан, позволяющий изменять длину впускного тракта. На низких оборотах он открыт для увеличения впускного тракта до 540 мм, что обеспечивает оптимальное использование инерции воздушного потока для более эффективного наполнения цилиндров и увеличения крутящего момента. При высоких оборотах двигателя клапан перекрывается, уменьшая рабочую длину впускного коллектора до 270 мм, для улучшения наполнения цилиндров и увеличения мощности двигателя.

В чем суть технологии и зачем она нужна.

Впускной тракт, который образуют последовательно воздушный фильтр, дроссель или карбюратор, впускной коллектор и клапана, существенно влияет на процессы наполнения цилиндров горючей смесью. Поток воздуха , проходящий по впускному тракту, подвержен колебаниям и образует совместно с деталями тракта колебательную систему. Таким образом процессы наполнения цилиндров сильно зависят от параметров этого колебательного контура. Добиться работы такой системы во всем диапазоне нагрузок и оборотов, крайне сложно. Отсюда пришла идея изменять параметры колебательной системы в процессе работы. Исследования показывают, что при коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах, при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт.

Рис. 17. Схема управляемого впускного коллектора

Естественно напрашивалось решение сделать впускной тракт переменной длинны и управлять им в зависимости от оборотов и нагрузки.

Реализация на двигателях 1,5 литром.

Одной из систем, относящихся к классу систем изменения геометрии впускного тракта, является система изменения длинны впускного коллектора. Впускной коллектор был сконструирован таким образом ,что переключая внутреннюю заслонку воздух направлялся коротким путем при полных нагрузках, и длинным путем при частичных. Функции исполнительного механизма выполняет вакуумный регулятор (2), который в зависимости от нагрузки двигателя переключает заслонки во впускном коллекторе (1).



Рис. 18. Фотографии изготовленного управляемого впускного коллектора

Реализация на двигателе 1,5 литром.

В пластиковый впускной коллектор, встроен вращающийся барабан. Этот барабан приводится в действие сервомотором, который управляется от блока управления двигателем. В зависимости от положения барабана, воздух направляется по короткому или длинному пути. Электронное управление позволяет более точно управлять длинной воздушного столба в зависимости от режима работы мотора. [52]

2.3 Расчет экономической эффективности

Целью расчета экономической эффективности является выдвижение основных подходов к расчету показателей, характеризующих эффективность научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ выполненных в рамках магистерской диссертации, включая определение перечня показателей, областей допустимых значений и рекомендаций по интерпретации показателей в дорожно-транспортной сфере. Для установления основных методов расчётов и обоснований экономической эффективности инвестиций в целях повышения эффективности транспортного производства при разработке инвестиционных проектов и анализе их выполнения, при проектировании строительства и внедрении новой техники, технологии, разработке и обосновании организационно-экономических и организационно-технических мероприятий по развитию и совершенствованию производства на действующих предприятиях отрасли.

Определение эффективности имеет целью выбор и экономическое обоснование наилучших вариантов создания новых, расширения и реконструкции действующих предприятий и сооружений и их комплексов, разработки новых технологических процессов, оборудования, машин, материалов и других видов техники, обеспечивающих развитие отрасли.

Эффект научных исследований и разработок проявляется в результате их взаимодействия с факторами экономического роста - капитальными вложениями, рабочей силой, образованием, организацией информационных служб и др.

Понятия "экономический эффект" и "экономическая эффективность" относятся к числу важнейших экономических категорий. В обыденной жизни мы часто употребляем слова "эффект" и "эффективность", отождествляя их соответственно с понятиями "результат" и "результативность". Эффект и эффективность тесно связаны между собой, однако они имеют и определённые различия.

Основными показателями экономической эффективности мероприятий по совершенствованию организационного, технологического и технического нововведения являются:

* рост производительности труда;

* годовой экономический эффект или экономия приведенных затрат.

Выполнение экономических расчетов целесообразно производить в следующей последовательности:

Приводятся основные технико-экономические показатели работы объекта (предприятия), для которого разрабатывается проект.

На основе анализа результатов деятельности предприятия формулируются предлагаемые новации и направления ожидаемых усовершенствований от проектируемого мероприятия.

Приводятся характеристики и параметры действующих технологий, с отражением цифровых материалов.

Рассчитываются потребные для внедрения проекта инвестиции, исходя из действующих на момент внедрения цен на подвижной состав, оборудование, строительно-монтажные работы.

Рассчитываются текущие затраты.

Рассчитываются финансовые показатели проекта.

Определяются показатели эффективности инвестиций.

а) расчет материальных затрат, необходимых по технологии выбранного проекта производится исходя из проектируемого расхода в натуральных единицах и действующих цен на эти ресурсы. К материальным ресурсам относятся: горюче-смазочные материалы, автошины, запасные части, краски и иные материалы, электроэнергия, водоснабжение и т.п.

Затраты по всем материальным ресурсам суммируются:

По итога опроса и подсчетов можно сделать выводы: если же автомобиль в день проезжает около 300 километров и этот автомобиль работает около 8 часов в день и из них около 50 минут ДВС эксплуатируется на холостом ходу, это приблизительно 30% работы двигателя, то в этом случае с помощью мехатроники, регулируя холостой ход ДВС и дроссельную заслонку, можно уменьшить расход топлива на холостом ходу на 20% в день. По подсчетам 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.

Экологический подход к этой работе таков, что когда автомобиль расходует меньше топлива на холостом ходу то и выброс вредных веществ в окружающую среду уменьшится в много раз.

1 литр бензина АИ-91 стоит 1820 сум.

На холостой ход уходит 3,5 литров бензина АИ-91 в день с обычным типом коллектора.

З_мi=Ц_мi*К_i=1820*3,5=6552 сум.

На холостой ход уходит 2,8 литров бензина АИ-91 в день с управляемым типом коллектора (с переменной формой геометрии).

З_мi=Ц_мi*К_i=1820*2,8=5096 сум.

гдеЗмi - затраты на данный материальный ресурс (сум);Цмi - цена единицы материального ресурса (сум); К i - потребное количество по проекту каждого материального ресурса.

Если экономия достигается только по какому-либо одному элементу себестоимости, то годовую экономию расходов можно подсчитывать только по этому элементу.

Средний пробег автомобиля Нексия (такси) приблизительно в год равен 60000 тысяч километров.

С управляемым типом коллектора автомобиль в день экономит 0,7 литра бензина, а в году в среднем 210 литров бензина.

Э _г = ((S₂-S₁)*L_г)*А=((6552-5096)*210)*1500=458640000 суммов в год.

гдеS₁,S₂- эксплуатационные затраты до и после мероприятия на 1 км пробега;L_г - средняя годовая экономия расхода одного автомобиля данной марки (км); А - количество автомобилей данной марки эксплуатируемых в качестве такси.

При определении годовой экономии oт внедрения новой техники за базу исчисления, т. е. за исходный вариант, с которым производится сопоставление, надо принимать фактические показатели автотранспортных предприятий и при этом исходные показатели брать с таким же годовым объемом перевозок, который обеспечивается после внедрения новой техники. Если реконструкция автотранспортного предприятия и применение новой техники приводят к увеличению годового объема перевозок, то к исходным показателям по капитальным затратам должны быть добавлены дополнительные затраты в основные и оборотные фонды, которые потребовались бы для доведения годового объема перевозок до нового уровня. Соответственно должны быть скорректированы и показатели по себестоимости перевозок.

В случаях улучшения (повышения) первоначально принятых нормативных показателей функционирования объекта основных средств в результате проведенной достройки, дооборудования, реконструкции или модернизации, можно пересмотреть срок полезного использования по этому объекту начиная с даты завершения достройки, дооборудования, реконструкции или модернизации этого объекта.

В течение срока полезного использования объекта основных средств начисление износа не приостанавливается, кроме случаев в период достройки, дооборудования, реконструкции, модернизации, технического перевооружения объекта при условии его полной остановки.



Выводы по главе 2

Во второй главе диссертации проведено теоретическое исследование мехатронной системы управления двигателем и его элементов, разработана методика исследования, и спроектирована выбранная система мехатронного управления и элементы управления двигателем внутреннего сгорания, то есть управляемый впускной коллектор, а также проделан расчет по управляемому впускному коллектору и расчет экономической эффективности данной системы мехатронного управления двигателем внутреннего сгорания.



Глава 3. Экспериментальное исследование мехатронных систем управления двигателем отечественных автомобилей

3.1 Объект исследования

Объектом исследования выбран двигатель внутреннего сгорания производимый в Республике Узбекистан на заводе GM Powertrain Uzbekistan.Этот бензиновый двигатель объёмом 1,5 литра будет выпускаться в основном для рынков Азиатско-Тихоокеанского региона.

Рис. 19. Продольный вид объекта исследования.

В таблице 2 приведены технические характеристики двигателя внутреннего сгорания 1,5л, DOHC, 2-го поколения.



Таблица 2

Параметры	B15D
Displacement (l) - рабочий объем Boredistance (mm) - расстояние между осями цилиндров Bore (mm) - диаметр цилиндра Stroke (mm) - ход Compression Ratio - степеньсжатия Number of cylinders - кол-воцилиндров Numberofvalves/cylinder - кол-воклапанов Max. Torque (Nm/rpm) - макс. вращение (нм/об. в мин) Max. Power (kW/rpm) - макс. Мощность Mass (kg) - масса Engine Size L/W/H (mm) - размер двигателя Д/Ш/В Emissions - эмиссия FuelQualityRON - качество топлива (Дор. Октан. чис)	1.485 79.7 74.7 84.7 10.2:1 4 4 134 72 110 457 / 529 / 591 Euro 5 95 (91-98)

С целью получения объективной оценки эффективности применения модификации дроссельного узла, были проведены исследования автомобиля Нексия на динамометрическом стенде до модификации дроссельного узла и после нее. В результате были замерены мощность двигателя М1 (до модификации) и М2 (после модификации) (ось S_PS на рис. 20), крутящий момент КрМ1 и КрМ2 и коэффициент избытка воздуха А1 и А2 (ось AFR: P). Замеры производились в диапазоне частоты вращения двигателя от 2450 об/мин до 6050 об/мин. Данный диапазон был обусловлен возможностями испытательного стенда.

Проанализируем изменение мощности двигателя с М1 до модификации и М2 после модификации. В диапазоне частот вращения двигателя 2450-2900 об/мин мощность выросла в среднем на 5%, в диапазоне 2900-3350 об/мин мощность (в среднем) практически не изменилась, в диапазоне от 3350-5150 мощность в среднем выросла на 7%. В диапазоне 5150-6050 об/мин мощность выросла на 5%.



Рис. 20. КрМ - Крутящий момент; М - Мощность

Также проанализируем изменения крутящего момента и коэффициента избытка воздуха и сведены результаты в таблицу 3.

В результате мы видим, что при низких оборотах двигателя в 1 диапазоне частот 2450-2900 об/мин (к сожалению, мы не можем оценить более низкий диапазон), мы получаем заметное улучшение всех измеряемых параметров. Это достаточно существенное улучшение для работы в городском цикле. Автомобиль быстрее разгоняется за счет прироста мощности и крутящего момента и в то же время будет более экономичным за счет повышения коэффициента избытка воздуха и приближения состава смеси к стехиометрическому соотношению.



Рис. 21. Изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от мощности

Таблица 3

Номер диапазона	Диапазон частот вращения коленвала, об/мин	Изменение мощности, М	Изменение крутящего момента, КрМ	Изменение коэффициента избытка воздуха, А
1	2450-2900	+5%	+7,7%	+4,3%
2	2900-3350	0	0	+1,5%
3	3350-5150	+7%	+7,7	+3%
4	5150-6050	+5%	+3%	+3%

На рис. 22 приводится зависимость коэффициента избытка воздуха (лямбда) и мощности автомобиля без модификации. В нашем случае после модификации автомобиля мы видим увеличение мощности при увеличении этого коэффициента (А2). Это также приводит к лучшему сгоранию топлива и сопровождается уменьшением содержания СО и СН в выхлопных газах двигателя, что существенно для улучшения экологической обстановки, да и техосмотр пройти легче.

Рис. 22. График изменение коэффициента избытка воздуха (лямбда) и мощности автомобиля без модификации

В следующем, втором диапазоне частот 2900-3350 об/мин такого существенного улучшения параметров не наблюдается - оно составляет всего 1,5%, но и хуже не становится. Этот диапазон не очень широк - 450 об/мин.

Следующий, третий диапазон частот - 3350-5150 (1800 об/мин) это достаточно широкий диапазон, обычно соответствует езде по трассе. Также как и в первом диапазоне, мы видим достаточно хорошее изменение всех параметров. Это говорит о том, что при езде по трассе автомобиль после модификации также будет достаточно экономичным, приемистым и мощным.[20, 21, 23]

Следующий 4 диапазон частот 5150-6050 об/мин практического применения обычно не имеет, хотя и в нем есть заметное улучшение основных параметров автомобиля.

3.2 Результаты экспериментальных исследований

Подводя итоги данного исследования, можно сделать вывод, что модификация дроссельного узла привела к существенному улучшению основных параметров автомобиля - его мощности, крутящего момента и экономичности.

Рис. 23. График мощности и крутящего момента до модификации



Рис. 24. График мощности и крутящего момента после модификации

Рис. 25. Содержание веществ в выхлопе до модификации



Рис. 26. Содержание веществ в выхлопе после модификации

Предельно допустимое содержание СО и CH в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями, находящимися в эксплуатации, должно быть в пределах значений, не выше приведенных в таблице 4. (ГОСТ 17.2.2.03, с изменениями № 1).

Таблица 4

Частота вращения	Предельно допустимое содержание СО, объемная доля, %	Предельно допустимое содержание CH, объемная доля, млн-1
		для двигателей с числом цилиндров
		до 4	Более 4
Автомобили, не оснащенные каталитическими нейтрализаторами
n мин.	3,5	1200	3000
n пов.	2,0	600	1000
Автомобили, оснащенные каталитическими нейтрализаторами
n мин.	1,0	400	600
n пов.	0,7	200	300



Это говорит о том, что тюнинг является достаточно эффективной мерой для улучшения основных параметров автомобиля. Также надо учитывать, что в испытаниях участвовала маломощная машина с двигателем 1,5 литров, очевидно, что на более мощных машинах результат будет еще ощутимее.

Рис. 27. Сравнение экспериментально полученных внешних скоростных характеристик двигателя 1.5 GM с обычным впускным коллектором и с впускным управляемым коллектором (с коллектором переменной формой геометрии)



После установления впускного коллектора с управляемыми дроссельными заслонками (с изменяющейся формой геометрии) наблюдается изменение во внешне скоростной характеристике двигателя внутреннего сгорания литражом 1,5 производимого на заводе: «General Motors Powertrain Uzbekistan».

Сопоставляя два результата внешней скоростной характеристики двигателя внутреннего сгорания до и после можно увидеть, что мощность после использования управляемого коллектора возрастает на нагрузочных режимах работы двигателя, экономичность улучшается на холостом и частичных нагрузках двигателя.[14]

3.3 Обработка и анализ экспериментальных данных

Обработка результатов испытаний.

Нами был выбран известный метод статистической обработки материалов. Среднее квадратическое отклонение:

(3.3.1)

где,

х_i- величина измерения (крутящий момент, расход бензинового топлива, расход воздуха);

х - среднее величина результатов измерений;

n- количество измерений.

Дисперсия:



(3.3.2)

Средняя квадратичная ошибка результата измерения или стандарт отдельного измерения определяется:

(3.3.3)

Средняя квадратическая ошибка сводного результата измерений или стандарт арифметической средней вычисляется по формуле:

(3.3.4)

Показатель точности:

(3.3.5)

Проведённая выше оценка погрешности измерений также можно проверить следующим образом:

Фактическое значение измерений:

x_i=х100/n (3.3.6)

Оценка погрешности измерения при достоверности 95% рассчитывается:



% (3.3.7)

где n-количество измерений;

к - коэффициент, зависимый от количества измерений (при N=10 и более к=0,73)

у - среднеквадратическое отклонение

Если после 10-ти измерений оценка погрешности составляет более 5%, то испытание следует провести ещё раз.

Доверительные границы для среднего, т.е. границы доверительного определяется:

(3.3.8)

е_в - ошибка, возникающая при замене математического ожидания генеральной совокупности на среднюю выборку, при заданном уровне доверительной вероятности в.

Доверительная вероятность в в практике расчётов принимается равной 95%.

Тогда,

(3.3.9)

где, t_в - величина, определяемая для данных в и n.

При в=95, n=10, t_в=2,14

Всякое измерение вследствие действия ряда причин сопровождается ошибками инструментальными, личными или ошибками среды. Точность проводимых измерений зависит от методов измерений, принятого оборудования и измерительной аппаратуры. Однако излишние требования к точности измерений при снятие различных характеристик значительно усложняют испытательную установку и его стоимость. Недооценка же этих требований, особенно при экспериментальных и исследовательских работах, может привести к ошибочным выводам и неправильным заключениям при оценке окончательных результатов.

Выводы по главе 3

В данной главе был выбран объект исследования и по итогам проведенных экспериментов были определены результаты практических исследований. Экспериментальные исследования мехатронной системы управления двигателем внутреннего сгорания 1,5 литражом производимого на заводе «General Motors Powertrain Uzbekistan», были проанализированы различные способы повышения мощностных и экономических показателей двигателя, заключающиеся в замене впускного коллектора (с изменяющейся формой геометрии). А также по полученным данным была произведена обработка и анализ полученных экспериментальных данных. Обработка результатов испытаний двигателя 1,5 литражом проводились согласно ГОСТа 18509-80.



Общие выводы и рекомендации

Произведен анализ конструктивных особенностей мехатронных систем управления двигателей;

Проанализированы принципы работы современных мехатронных систем управления двигателей;

Проведено теоретическое исследование мехатронной системы управления двигателей легковых автомобилей, которое позволило разработать управляемый коллектор способствующий улучшению мощностных и экономических показателей двигателя;

Изучены способы совершенствования мехатронного управления двигателей;

Разработаны и предложены рекомендации по совершенствованию мехатронных систем управления двигателем внутреннего сгорания, которые позволили уменьшить расход топлива на холостых и частичных нагрузках двигателя и увеличить мощностные показатели на нагрузочных режимах работы двигателя.



Список использованной литературы

1. Закон Республики Узбекистан «Об экологической экспертизе». 20 май 2000 г.

2. Закон Республики Узбекистан «Об автомобильном транспорте». 29 августа 1998 г.

3. Закон Республики Узбекистан «О городском пассажирском транспорте». 25 апреля 1997 г.

4. Постановление Президента Республики Узбекистан о Государственной программе «Год благополучия и процветания». 14 февраля 2013 г.

5. Постановление Президента Республики Узбекистан №ПП-1446 от 21.12.2010 «Об ускорении развития инфраструктуры, транспортного и коммуникационного строительства в 2011-2015 годах»

6. Доклад Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова 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 г.

7. Доклад Президента Ислама Каримова на торжественном собрании, посвященном 20-летию Конституции Республики Узбекистан. 07 декабря 2012 г.

8. Выступление Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на открытии международной конференции «Подготовка образованного и интеллектуально развитого поколения - как важнейшее условие устойчивого развития и модернизации страны». 17 февраля 2012 г.

9. Каримов И.А. Узбекистан на пороге достижения независимости. - Ташкент: Узбекистан, 2011. - 384 с.

10. Мехатроника: Перс япон. / Исии Х., Иноуэ Х., Симояма И. и др. - М.: Мир, 1988.- С. 318.- ISBN 5-03-000059-3.

11. Введение в мехатроику: В 2-х кн. Учебное пособие / А.К. Тугенгольт, И.В. Богуславский, Е.А. Лукьянов, В.В. Мартынов, В.А. Герасимов, Ю.Б. Ивацевич, Н.Ф. Карнаухов, В.А. Череватенко. Под ред. А.К. Тугенгольда -- Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. -- ISBN 5-7890-0294-3.

12. Карнаухов Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы -- Ростов н/Д: Феникс, 2006. -- 320 с. -- (Высшее образование). -- 3000 экз. -- ISBN 5-222-08228-8.

13. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей. -- М.: Издательство МГТУ «Станкин», 2004. -- С.

14. Подураев Ю.В. Мехатроника. Основы, методы, применение. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: Машиностроение, 2007. -- С. 256. -- ISBN 978-5-217-03388-1

15. С.М. Кадыров, С.Е. Никитин, «Автомобильные и тракторные двигатели», Т. 2011 г.

16. О.В. Лебедев, Р.Р. Хакимзянов, «Мехатронные системы машин», Т. 2010 г.

17. Integrated silicon pressure sensor manifold absolute pressure sensor on-chip signal conditioned, temperature compensated and calibrated. Motorola technДВСl data, MPX4100A/D. 2000.

18. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBMPC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса. -- М.: Мир, 1992. -- 592 с.

19. The A-B-C's of signal conditioning amplifier design for sensor applДВСtions. Motorola applДВСtion note AN 1525. 1998.

20. S.R. Ball Analog interfacing top embedded microprocessors. -- Newnes, Boston, 2001. - 270 pp.

21. Chowanietz E. Automobile electronics. -- Society of Automotive Engineers, Inc., 1995. - 246 pp.

22. Tom Denton. Automobile electrДВСl and electronic systems. 2-nd edition. -- Society of Automotive Engineers, Inc., 2000. -- 412 pp.

23. Engine performance diagnosis and tune-up. Classroom manual. -- Chek-Chart, 1998. - 507 pp.

24. Ronald К. Jurgen Automotive electronics handbook. -- McGraw-Hill, Inc., 1999.

25. Топливная экономичность автомобилей с бензиновым двигателями /Т.У. Асмус, К. Боргнакке, С.К. Кларк и др.; Пер. ред. Д. Хилларда, Дж.С. Спрингера; Под с англ. А.М. Васильева; Под ред. А.В. Кострова. - М.: Машиностроение,2004. - 504 с.: ил.

26. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей - 2004г., 20,0 п.л., издательство ООО "Академический проект" (Москва).

27. Энциклопедия Японских машин, Япония, 2009 г.

28. К.И. Осипов, Е. Л. Первухина, Ю.Л. Рапацкий, «Моделирование поршневых ДВС в ходе приемосдаточных испытаний по результатам измерений диагностических параметров» , Двигатели внутреннего сгорания, Всеукр. научн.-техн. журн. - Харьков: НТУ «ХПИ»., 2011г. 2-й номер - 157 с.

29. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях. М.: Транспорт, 1977.

30. Мороз С. Электронные средства диагностирования. //Автомобильный транс-порт.-1991. № 12.-с. 29-31.

31. Мороз С.Ш. Автоматизация диагностической техники. //Автомобильный транспорт. -1990. - № 11.

32. Основы технической диагностики / П.П. Пархоменко, В.В. Карибский, Е.С. Согомонян, В.Ф. Халчев. М., Энергия, 1976, 462 с.

33. Системы управления бензиновыми двигателями. Ottomotor-Management. Robert Bosch GmbH. Перевод с немецкого. М.: «Книжное издательство «За рулем», 2005.

34. А.А. Мухитдинов, Ш.П. Алимухаммедов, «Методическое указание к выполнению диссертационной работы на соискание ученной степени кандидата технических наук», Т. 2005 г.

35. Положение о составе затрат по производству и реализации продукции (работ, услуг) и о порядке формирования финансовых результатов. Приложение к Постановлению КМ РУз от 05.02.1999 г. № 54.

...