Санкт-Петербург 2019
Пояснительная записка 87 страниц, 33 рисунка, 5 таблиц, 54 источника.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД, ВОЗДУШНО-ТАКТОВЫЙ КЛАПАН, ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Объектом исследования и разработки является электромагнитный привод для двигателя внутреннего сгорания.
Цель работы – разработка электромагнитного привода для двигателей внутреннего сгорания, осуществляющего управление воздушным клапаном в соответствии с заданными техническими параметрами и требованиями.
В работе исследуются современные технические решения в области разработки электромагнитного привода двигателя внутреннего сгорания для управления воздушным клапаном. На основе определенных динамических параметров и требований к разрабатываемой системе производится расчет конструкции, с учетом имеющихся ограничений, рассматривается улучшение конструкции электромагнитного привода в плане габаритных и материальных показателей. Рассматриваются алгоритмы для расчётов статических и динамических характеристик привода с использованием модели управляемого силового преобразователя и системы управления, а также рассматриваются вопросы по обеспечению безопасной работы устройства.
СОДЕРЖАНИЕ
1.2 Применение электромагнитных приводов в системах газообмена двигателей внутреннего сгорания. 16
1.3 Направления совершенствования конструкции. 17
1.5 Анализ применяемых систем управления электромагнитными приводами. 27
2 Расчет и моделирование электромагнитного привода клапана двигателя внутреннего сгорания. 30
2.1 Подготовка исходных данных. 30
2.3.2 Структурная схема электромагнитного привода. 51
2.3.3 Схема силового коммутатора. 52
2.3.4 Модель системы управления. 59
2.3.5 Общая модель электромагнитного привода. 62
2.4 Моделирование процессов в электромагнитном приводе. 63
3. Специальные вопросы обеспечения безопасности. 67
3.2 Определение максимального допустимого уровня полноты безопасности. 69
3.3 Электромагнитная совместимость. 71
3.5 Класс защиты от поражения электрическим током.. 76
3.6 Защита от наружных воздействий. 76
3.7 Защита от проникновения посторонних предметов и жидкостей. 78
список использованных источников.. 82
В настоящее время автомобильная индустрия относится к одной из перспективных и довольно быстро развивающихся отраслей, в которой на смену имеющимся механическим, пневматическим и другим устройствам приходят новые, электрически управляемые. Развитие отрасли обусловлено двумя основными «движителями»: с одной стороны это влияние имеющегося роста цен на топливо, а с другой – экология атмосферы и ее загрязнение выхлопными газами. Эти факторы определяют поиски решений и направлений по задачам уменьшения токсичности и повышения экономичности работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Ввиду этого перед инженерами стоит задача совершенствования различных узлов двигателя внутреннего сгорания, к которым, к примеру, относятся газораспределительный механизм, впускной тракт, систему выпуска отработавших газов. Это необходимо для снижения вредных выбросов, увеличения экономичности и повышения КПД двигателей [1, 2].
Значительного повышения эффективности двигателя добиваются использованием непосредственного управления работой впускного и выпускного клапанов. В рамках лабораторных испытаний, в основном с электрогидравлическими системами, уже были показаны улучшения эффективности работы, экономии топлива и уменьшения выбросов при повышении мощности двигателя в то же время. Гибкое управление клапанами газораспределительного механизма также позволяет применять другие эффективные методы улучшения сжигания топлива, к которым относятся воспламенение от сжатия, отключение цилиндров при малой нагрузке и повторное использование выхлопных газов.
На данный момент считается, что для достижения вышеуказанных улучшений одним из рациональных решений является использование электромагнитного клапана при повышении качества состава горючей смеси и скорости её подачи [3]. Его работа основывается на генерации волновых явлений во впускной системе за счет быстрого открытия и закрытия впускного канала клапаном. Для реализации идеи клапаны во впускном канале во всех цилиндрах двигателя должны управляться быстродействующими электромагнитами. Некоторые авторы утверждают, что перспективными решениями с низким энергопотреблением и высоким быстродействием являются электромагнитные механизмы (ЭМ) резонансного типа. Но несмотря на большой объем имеющихся научных работ и патентов, в настоящий момент имеется много вопросов, которые предстоит решить в процессе разработки надежных быстродействующих электромагнитных приводов, удовлетворяющих требуемым массогабаритным, статическим и динамическим ограничениям. Для достижения необходимых динамических показателей с учетом жестких массогабаритных требованиях одним из приемлемых путей может быть использование специальных систем управления. На основе анализа существующих систем можно заключить, что для этого в их составе следует использовать специальные датчики, что влечет за собой повышение сложности устройства, негативно сказывается на массогабаритных показателях и росте его стоимости, а также ухудшает надежность системы в целом. Исходя из этого формируется задача разработки новых механизмов, а также методов их управления, не имеющих в своем составе специальных датчиков положения и скорости исполнительного механизма, но при этом осуществляющих «мягкую посадку» клапана при требуемом времени срабатывания.
Целью работы является разработка электромагнитного привода для двигателей внутреннего сгорания, осуществляющего управление воздушным клапаном в соответствии с требуемыми динамическими параметрами в условиях внешних воздействующих факторов без применения в своем составе датчиков положения и скорости.
Для этого требуется решить следующие задачи:
Актуальность темы подтверждается последними работами, представленными в трудах научно-методической конференции, посвященной 95-летию отечественной школы электропривода [4].
Полученные при выполнении ВКР результаты могут быть применены для дальнейших разработок электромагнитного привода ДВС для управления воздушным клапаном, с целью последующего улучшения показателей системы.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы были получены навыки в области разработки электромагнитного привода для двигателя внутреннего сгорания, осуществляющего управление воздушным клапаном в соответствии с требуемыми динамическими параметрами в условиях внешних воздействующих факторов без применения в своем составе датчиков положения и скорости.
Для оценки состояния вопроса устройства и технических решений в данной области в рамках учебной практики проведен анализ имеющихся в настоящее время конструкций электромагнитных приводов клапана ДВС, а также решений в области их управления. По его результатам сформулирован вывод о состоянии вопроса по созданию электромагнитных приводов клапана ДВС, а также выбрана рациональная конструкция привода для дальнейших работ. При использовании в ее составе постоянных магнитов можно добиться снижения его энергопотребления в режиме удерживания клапана в конечных положениях порядка 15 %.
Для получения требуемых конструктивных показателей произведен расчет электромагнитного клапана ДВС по заданным техническим ограничениям и динамическим характеристикам, к которым относятся перемещение исполнительного органа, время срабатывания, рациональная скорость в конце хода для «мягкой посадки». Данный расчет позволяет найти выгодные массогабаритные показатели конструкции ЭМП, учитывающий лимиты, обусловленные доступными габаритами головки блока цилиндров, при которых механизм развивает требуемое электромагнитное усилие. Также это позволяет снизить затраты на материалы практически до двух раз в отличие от уже существующих конструкций, поскольку минимизируется объема устройства.
В работе построена и описана модель ЭМП для управления воздушным клапаном двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с существующими, в неё включена модель управляемого силового преобразователя и системы управления, которая предоставляет возможность упростить настройки устройства управления в конкретных ситуациях.
Для оценки эффективности полученной конструкции проведено моделирование процессов в электромагнитном приводе. Полученные распределения магнитного поля, а также зависимости потокосцепления контура и силы, действующей на якорь, от тока, подтверждают рациональность внесенных изменений.
Проведенные исследования указывают, что поставленные для привода требования могут быть достигнуты также ЭМП возвратно-поступательного и возвратно-вращательного действия, механическая система которых основывается на резонансном принципе. Аналитическое сравнение динамических характеристик обычных и маятниковых электромагнитных механизмов указывает на достоинства последних в обеспечении требуемого быстродействия и энергоэффективности, которая в резонансных механизмах расходуется в большей мере на покрытие потерь на трение.
Из всего вышеизложенного следует, что применение электромагнитного привода клапана в двигателях внутреннего сгорания несомненно будет способствовать повышению их динамических показателей практически во всем диапазоне частоты вращения. Результаты разработки могут быть эффективно применены для рационального управления воздушными клапанами современных двигателей внутреннего сгорания, а также могут быть улучшены в последующих работах.
postmaster@kursovik1.ru
RUB
UAH
USD