Микропроцессорная система зажигания с устойчивым искрообразованием при пониженной частоте вращения генератора Ямалов Ильнар Илдарович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор и анализ известных работ в области разработки МПСЗ 13

1.1 Типы систем зажигания, их преимущества и недостатки 14

1.2 Обзор вариантов построения МПСЗ 20

1.3 Особенности систем зажигания, производящиеся в настоящее время 23

1.3.1 Возможные пути достижения искрообразования при более низкой частоте вращения генератора 27

1.3.2 Возможные пути реализации реверса ДВС. 28

1.4 Методы учета нелинейности 29

1.5 Методы решения задач многокритериальной оптимизации 35

1.6 Виды компьютерного имитационного моделирования. 40

Выводы к первой главе и постановка задач исследования 42

Глава 2 Исследование электромагнитных процессов в новом схемотехническом решении МПСЗ методами математического моделирования 44

2.1 Разработка нового схемотехнического решения МПСЗ 44

2.2 Математическая модель переходных процессов в цепи разряда МПСЗ 49

Выводы ко второй главе 55

Глава 3 Имитационное моделирование отдельных блоков и комплекса в целом 56

3.1 Разработка и исследование имитационной модели процесса заряда накопительного конденсатора 56

3.2 Разработка и исследование имитационной модели процесса разряда 61

3.2.1 Учет нелинейных свойств трансформатора

3.2.2 Учет нелинейных свойств свечи зажигания 64

3.3 Исследование влияния емкости накопительного конденсатора на напряжение в первичной цепи катушки зажигания и энергии, запасенной в конденсаторе 68

3.4 Многокритериальная оптимизация величины емкости накопительного конденсатора 69

3.5 Имитационное моделирование системы зажигания с микроконтроллером 73

Выводы к третьей главе 78

Глава 4 Практическая реализация и экспериментальные исследования МПСЗ 79

4.1 Разработка программного обеспечения и алгоритма работы реверсирования вращения ДВС 79

4.2 Стенд для экспериментальных исследований 84

4.3 Экспериментальные исследования влияния частоты коммутации напряжения генератора на заряд накопительного конденсатора 88

4.4 Экспериментальные исследования влияния емкости накопительного конденсатора на напряжение в первичной цепи катушки зажигания 90

4.5 Экспериментальное исследование электромагнитных процессов во вторичной цепи катушки зажигания 94

4.6 Экспериментальное подтверждение результатов имитационного моделирования 97

4.7 Экспериментальное исследование бесперебойности искрообразования и частоты начала искрообразования МПСЗ 101

4.8 Климатические испытания макетного образца 102

4.9 Экспериментальные исследования режима реверсирования, стендовые и ходовые испытания 107 Выводы к четвертой главе 108

Заключение 109

Список литературы 112

• Возможные пути достижения искрообразования при более низкой частоте вращения генератора
• Математическая модель переходных процессов в цепи разряда МПСЗ
• Учет нелинейных свойств свечи зажигания
• Экспериментальные исследования влияния частоты коммутации напряжения генератора на заряд накопительного конденсатора

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Микропроцессорные системы зажигания (МПСЗ) широко применяются в малых транспортных средствах, таких как: снегоходы, мотоциклы, мотоблоки, моторные лодки, водные мотоциклы и др. малолитражных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), что обусловлено их преимуществами, такими как: надежность, минимальные массогабаритные показатели, высокие энергетические характеристики. Система зажигания (СЗ) является одной из наиболее ответственных частей электротехнического комплекса электрооборудования двигателя внутреннего сгорания, что обуславливает ряд требований, предъявляемых к ней: стабильность работы, экономичность, высокая энергия искровых разрядов и др.

Сегодня проблема импортозамещения стала особенно актуальной в связи с международной политической обстановкой. Стратегия импортозамещения предполагает переход к наукоемкой и высокотехнологичной продукции путем повышения уровня развития производства и технологий. По результатам анализа, проведенного Минпромторгом в июне 2014 года, доля импорта в электронной промышленности составляет 80–90 %. Вместе с тем ведущие отечественные производители малых транспортных средств используют в своей продукции электротехнические комплексы импортного производства. Одним из таких электротехнических комплексов является МПСЗ, которая включает в себя следующие взаимосвязанные системы:

– система заряда, спроектированная с использованием полупроводниковых приборов, работающих в качестве управляемых ключей, служащих для прерывания тока в первичной обмотке катушки зажигания;

– система разряда, спроектированная с использованием тиристоров, служащих для разряда накопительного конденсатора;

– система управления, состоящая из микроконтроллера и датчиков положения ротора, обеспечивающих функцию управления по оптимальной кривой углов опережения зажигания.

Ввиду того, что ведущие отечественные производители малых транспортных средств используют в своей продукции МПСЗ импортного производства, актуальна разработка высокоэффективных электротехнических систем зажигания автономных объектов на отечественной элементной базе.

Достижение искрообразования при более низкой частоте вращения генератора является важной научно-технической задачей. Множество современных малых транспортных средств с целью удешевления и упрощения конструкции комплектуются без аккумуляторных батарей и стартера, что обуславливает сложность ручного запуска двигателя внутреннего сгорания в условиях низких температур.

Решением проблемы начала искрообразования в МПСЗ является применение независимого формирователя импульсов, как части электротехнического комплекса МПСЗ емкостного типа.

В настоящее время стоит проблема экономичности транспортных средств.
Стремление повысить топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания
предполагает использование обедненной смеси, для надежного воспламенения
которой необходима большая энергия искровых разрядов. К тому же момент
зажигания характеризуется углом опережения зажигания. Отклонение

от оптимального угла опережения зажигания приводит к уменьшению топливной экономичности ДВС. Одним из возможных путей решения указанной проблемы экономичности является применение МПСЗ.

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в изучение физических процессов, протекающих в электротехнических комплексах электроснабжения автономных объектов внесли такие ученые и специалисты, как В.А. Балагуров, А. С. Моргулев, Е. К. Сонин, Г. Н. Глезер, И. М. Опарин, В. Е. Ютт, Е. В. Распопов, Ф. А. Гизатуллин, П. А. Николаев, С. М. Францев, В. И. Сарбаев и др.

Анализ работ в данном направлении показал, что электромагнитные процессы, протекающие в системах зажигания для малых транспортных средств изучены недостаточно. Поэтому, исследование и разработка МПСЗ является актуальной задачей.

Цель и задачи. Целью является исследование и разработка МПСЗ с устойчивым искрообразованием при пониженной частоте вращения генератора.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка нового схемотехнического решения для МПСЗ.

2. Создание математической модели электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде накопительного конденсатора с учетом нелинейностей сердечника катушки зажигания.

3. Разработка компьютерных имитационных моделей отдельных блоков МПСЗ и комплекса в целом с учетом нелинейностей катушки зажигания и свечи зажигания.

4. Исследование электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде и заряде накопительного конденсатора с целью минимизации потерь энергии на основе разработанных имитационных моделей. Многокритериальная оптимизация значения емкости накопительного конденсатора.

5. Создание и экспериментальное исследование макетного образца МПСЗ для подтверждения достоверности полученных результатов имитационного моделирования.

Научная новизна.

6. Разработано новое схемотехническое решение МПСЗ.

7. Создана математическая модель электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде накопительного конденсатора с учетом нелинейности сердечника катушки зажигания.

8. Разработаны компьютерные имитационные модели отдельных блоков МПСЗ и комплекса в целом с учетом нелинейностей свечи зажигания и катушки зажигания.

9. По результатам исследования электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде и заряде накопительного конденсатора с целью минимизации потерь энергии определены параметры системы, при которых значение генерируемого напряжения будет максимальным.

10. На основе решения задачи многокритериальной оптимизации по критериям: напряжение накопительного конденсатора и энергия накопленная в накопительном конденсаторе определена оптимальная емкость накопительного конденсатора.

Теоретическая и практическая значимость работы.

11. Разработанные имитационные модели отдельных блоков МПСЗ и комплекса в целом составляют основу для создания МПСЗ с улучшенными характеристиками.

12. С помощью проведенных исследований электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде и заряде накопительного конденсатора определены параметры, обеспечивающие минимизацию потерь с сохранением максимальной энергии, накопленной в конденсаторе.

13. Разработан действующий макет МПСЗ с оригинальной системой управления и реверсирования работы ДВС, защищенный патентом РФ №149723.

14. По результатам работы создана опытная партия МПСЗ в АО «Уфимское агрегатное производственное объединение».

5. Практическая ценность результатов работы подтверждается актом внедрения
результатов диссертационной работы в учебный процесс кафедры
«Электромеханика» ФГБОУ ВПО «УГАТУ» и в производственный процесс
АО «Уфимское агрегатное производственное объединение».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач
и достижения намеченной цели использованы методы математического анализа,
методы теории дифференциального и интегрального исчисления,

осциллографический метод экспериментальных исследований, метод

математического моделирования на ПК с использованием пакетов Matlab, Matchad, LTSpice.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами

экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования и разработка проводились на кафедре «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «УГАТУ» в СКБ-3, климатические испытания и изготовление опытной партии устройства были проведены на АО "УАПО", а также проводились ходовые испытания макетного образца системы зажигания на снегоходе Тикси СТ250 в г. Рыбинск на базе ОАО «Русская механика».

Положения выносимые на защиту:

15. Новое схемотехническое решение МПСЗ.

16. Математическая модель электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде накопительного конденсатора с учетом нелинейностей сердечника катушки зажигания.

17. Имитационные модели отдельных блоков МПСЗ и комплекса в целом и результаты исследования электромагнитных процессов в системе с помощью разработанных моделей c учетом нелинейности сердечника катушки зажигания и свечи зажигания.

18. Результаты исследования электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде и заряде накопительного конденсатора, заключающиеся в определении частоты и коэффициента заполнения управляющих сигналов ключевого элемента. Результаты многокритериальной оптимизации значения емкости накопительного конденсатора.

5. Результаты экспериментального исследования разработанной МПСЗ.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием строгих математических методов, методов компьютерного моделирования, подтверждаемых результатами экспериментальных исследований.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались

на II Международной (V Всероссийской) научно-технической конференции
«Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа,
2015г.), IX Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские
чтения» (г. Казань, 2014г.), Межвузовской научно-практической конференции
«Электротехнические комплексы и системы» (г. Уфа, 2011г., 2012г.), Всероссийской
научно-практической конференции «Электротехнические комплексы и системы»,
посвященной 110-летию профессора Бамдаса А.М (г. Уфа, 2015г.), III Международной
научно-практической электронной конференции «Современные научные

исследования: актуальные теории и концепции» (2015г.), Второй Российской
молодежной научной школе-конференции «Энергетика, электромеханика

и энергоэффективные технологии глазами молодежи» (г. Томск, 2014г.).

Публикации. Список публикаций по теме диссертации включает 12 научных

трудов, в том числе 5 статей, из них 3, входящие в перечень ВАК, 1 патент РФ на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 5 материалов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 106 наименований, и четырех приложений. Общий объём диссертации составляет 140 страниц.

Возможные пути достижения искрообразования при более низкой частоте вращения генератора

Недостаток этой системы заключается в том, что вырабатываемое напряжение управляющего импульса индуктивного датчика зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя; кроме того форма импульса может быть искажена воздействием магнитного поля других обмоток генератора. Не менее важно, что напряжение на конденсаторе заметно падает, как при низкой скорости прохождения магнита мимо заряжающей обмотки (что происходит на малых оборотах), так и при слишком высоких оборотах, когда конденсатор просто не успевает зарядиться.

Известна БСЗ типа DC-CDI (Direct Current Capacitor Discharge Ignition) (рисунок 1.2) [77, 104]. В данной системе зажигания для заряда конденсатора используется постоянный ток. Он поступает не от генератора, а от Рисунок 1.2 – Схема бесконтактной системы зажигания, работающей от постоянного тока и использующей разряд конденсатора (DC-CDI): 1 – аккумуляторная батарея; 2 – предохранитель; 3 – замок зажигания; 4 – схема, «читающая» форму сигнала; 5 – инвертор; 6 – схема управления углом опережения зажигания; 7 – датчик управления блоком DC-CDI; 8 – маховик; 9 – катушка зажигания; 10 – высоковольтный провод; 11 – свеча зажигания аккумуляторной батареи (12–14 В). Это позволяет стабилизировать напряжение питания и при любых оборотах коленчатого вала и поддерживать искру одинаково мощной. Постоянный ток аккумулятора сначала преобразуется в переменный, затем увеличивается до напряжения 300 В, опять выпрямляется и только тогда поступает на выводы накопительного конденсатора. Более высокое первичное напряжение позволяет значительно уменьшить в размерах катушку зажигания и разместить ее в свечном колпачке, тем самым исключив из цепи зажигания высоковольтный провод. В системах DC-CDI вместо индуктивного датчика используется датчик Холла. Их недостаток – необходимость питания чувствительного элемента постоянным током. Недостатком данных систем является обязательное наличие аккумуляторной батареи, в то время как работа двигателей с системой зажигания CDI возможна и без нее. Известна МПСЗ [99, 101, 106] в которой заряд накопительного конденсатора осуществляется многократным прерыванием тока короткого замыкания в обмотке зажигания полевым транзистором. Разряд накопительного конденсатора осуществляется путем замыкания его выводов на повышающий трансформатор посредством тиристора. Управление зарядно-разрядной цепью осуществляется посредством микроконтроллера. В данной системе устанавливается два магнитоэлектрических датчика, установленных на генераторе. Угол между датчиками составляет 70. Ротор генератора выполняется с метками шириной 54. При прохождении метки на выводах магнитоэлектрического датчика выделяется импульс. Микроконтроллер по импульсам с датчиков определяет частоту и направление вращения двигателя внутреннего сгорания.

Таким образом, существует много типов и модификаций СЗ. Наибольший интерес представляют системы зажигания, в которых заряд накопительного конденсатора осуществляется многократным прерыванием тока короткого замыкания в обмотке зажигания полевым транзистором, а разряд накопительного конденсатора осуществляется путем замыкания его выводов на повышающий трансформатор посредством тиристора.

Зарубежные производители снегоходов, такие как компания "Вombardier", осуществили переход на микропроцессорную систему зажигания [94]. Полуавтоматическое управление впрыском топлива установлено на моторе "800 SDI" снегоходов компании "Вombardier". Две форсунки на каждый цилиндр распыляют и дозируют точное количество бензина и масла по команде от центрального компьютера, который непрерывно отслеживает температуру, высоту над уровнем моря, положение регулятора газа и обороты мотора.

С учетом перечисленных параметров центральный компьютер снегохода может менять параметры системы зажигания, прерывание зажигания и настройку выпускных клапанов. Эта сложная система управляет работой всех элементов двигателя, в результате чего увеличивается мощность и экономичность работы мотора. Имеется также и акустический датчик стуков в моторе, который всегда работает на верхней границе оптимального режима. Если мотор перегревается, то компьютер начинает обогащать топливо-воздушную смесь или увеличивает задержку зажигания, пока температура мотора не понизится до приемлемого уровня. Недостатком этих коммутаторов является то, что начало бесперебойного искрообразования происходит при сравнительно высокой частоте вращения вала двигателя – 200 об/мин.

В России существуют несколько производственных объединений выпускающих системы зажигания для снегоходов. Одним из них является ФГУП "Рыбинский завод приборостроения", производящий бесконтактные коммутаторы зажигания 4536310.005, 453631.006 и 453631.006–01 для двигателей РМЗ–640 и РМЗ–320, применяемых на снегоходах: "Буран", "Икар", "Тайга" [13].

АО «Уфимское Агрегатное Производственное Объединение» выпускает коммутаторы К-1Б и К-1 для бесконтактной системы зажигания серии «Агидель», использующиеся в снегоходах «Буран» и «Рысь» соответственно [14]. ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» выпускает коммутаторы 113.12.310.000-01, использующиеся в снегоходах «Рысь». Недостатками этих коммутаторов является: начало бесперебойного искрообразования происходит при сравнительно высокой частоте вращения вала двигателя – 240 об/мин; конструкция выполнена на аналоговой элементной базе без применения микропроцессоров, что не позволяет реализовывать следующие функции: реверсирование вращения ДВС; сохранение в памяти микроконтроллера нескольких кривых УОЗ.

Научное производственное объединение “Микроэлектронные приборы” выпускает микропроцессорные контроллеры электронного зажигания М650ВС2 и М650ВС3, эти контроллеры предназначены для работы в составе безаккумуляторной микропроцессорной системы зажигания двух- и трехцилиндровых двигателей внутреннего сгорания тpанспоpтных средств, в том числе снегоходов. Преимущества – широкий диапазон регулирования угла опережения зажигания, малая потребляемая мощность и широкий диапазон питающих напряжений, свойственные микропроцессорным системам [51]. Недостатками этих контроллеров являются большие габаритные размеры и масса, а также повышенные требования к выходному напряжению обмотки зажигания генератора, которое для данной системы должно быть не ниже 120 В, что требует для режима пуска двигателя генератора повышенное выходное напряжение в обмотке зажигания, либо получения устойчивого искрообразования при большей частоте вращения коленчатого вала двигателя, что не всегда применимо. В таблице 1.1 приведен сравнительный анализ существующих

Математическая модель переходных процессов в цепи разряда МПСЗ

Имитационные модели способны служить инструментом для анализа поведения системы, позволяя отслеживать ход процесса [72]. В этом понимании имитационное моделирование не является теорией, а методологией решения проблемы, когда задача синтеза решается путем направленного перебора при вариации основных независимых переменных [78]. Схемотехническое моделирование – моделирование электромагнитных и электрических процессов в устройствах, в виде эквивалентных и принципиальных электрических схем. При схемотехническом моделировании решаются компонентные уравнения и уравнения равновесия, а элементы используются в виде компонентных динамических моделей [29, 78].

Так как для исследования нелинейных процессов требуется просчитать значительное число временных интервалов моделирование таких процессов требует больших временных затрат. Поэтому на этапе синтеза функциональной схемы используются макромодели элементов и функциональных устройств. Макромодель – это более простая модель схемы, воспроизводящая е поведение на уровне входных и учитывающая важные для характеристики и реакции схемы на внешние воздействия выходных и передаточных характеристик. При использовании макромоделей увеличивается скорость моделирования за счт упрощения модели в целом, но дополнительно возникают проблемы точности и правильного выбора области использования моделей [78].

Способы формирования макромоделей [78]: 1.Упрощающие макромодели. В основу формирования которых положен принцип редукции [78]: – использование простых моделей компонентов (идеализированных); – замена блоков схемы эквивалентными источниками напряжения или тока; – исключение отдельных компонентов схемы, влияние которых на выходные параметры схемы незначительно в данных режимах работы. Главным достоинством макромоделей, полученных на основе упрощений, является возможность сохранения структуры модели. 2. Формальные макромодели. В данных моделей положена формальная аппроксимация внешних характеристик схем. Схемные элементы таких моделей не имеют сходства с элементами реальной схемы и даже инвариантны к различным элементным базисам. При данном подходе реализовываются модели представленные [78]: – структурой дифференциальных уравнений (реализуются моделями математических операций, в том числе на базе решающих операционных усилителей); – моделями "черного ящика" в виде входных выходных и передаточных характеристик. Данные модели реализуются путем аппроксимации характеристик встроенными функциями и формальными моделями на основе управляемых источников тока и напряжения; – функциональными моделями узлов схемы, логическими моделями. 3. Смешанное логико-схемное моделирование. В данном случае моделирующая система содержит программу, совмещающую функционально-логическое моделирование и схемотехническое, т.е. совмещает два математических базиса. Между обеими частями информация передатся через трансляторы, преобразующие электрические значения напряжений в их логические эквиваленты и наоборот [78]. Таким образом, функциональное моделирование основано на использовании широкого спектра моделей, позволяющего в зависимости от решаемой задачи использовать как компонентное представление элементов, так и макромоделирование [43].

Исходя из того, что в работе необходимо моделирование процессов связанных с имитацией работы полупроводниковых приборов, а также моделирование сложных нелинейных элементов следует использовать смешанное логико-схемное моделирование, которое сочетает в себе высокую точность моделирования и простоту.

Выводы к первой главе и постановка задач исследования Выводы 1. В результате обзора и анализа известных работ показано, что построение МПСЗ по схеме бесконтактной емкостной системы, в которой заряд накопительного конденсатора осуществляется многократным прерыванием тока короткого замыкания в обмотке зажигания полевым транзистором, а разряд накопительного конденсатора осуществляется путем замыкания его выводов на повышающий трансформатор посредством тиристора, является наиболее перспективным направлением развития систем зажигания для малых транспортных средств. 2. Применение дополнительного низковольтного коммутатора позволит снизить частоту начала искрообразования и облегчить ручной запуск двигателя внутреннего сгорания. 3. Показано, что в современных микропроцессорных системах зажигания с целью облегчения, упрощения и снижения массогабаритных показателей конструкции используется реверсирование вращения двигателя внутреннего сгорания. Обоснована перспективность применения способа, при котором реализация движения задним ходом обеспечивается своевременной подачей искрового разряда в камеру сгорания для замедления ДВС и реверсирования вращения. 4. Установлено, что в известных имитационных моделях зарядно-разрядных процессов СЗ не учитываются нелинейные свойства катушки зажигания и свечи зажигания. Проведен анализ возможных способов учета нелинейностей, которые планируется использовать при решении задач, стоящих в диссертации. 5. Выявлено, что при выборе параметров проектируемых систем зажигания малых транспортных средств, возникают задачи многокритериальной оптимизации; проведен анализ подходов направленных на решение оптимизационных задач.

Постановка задач исследования 1. Разработка нового схемотехнического решения для микропроцессорной системы зажигания. 2. Создание математической модели электромагнитных процессов в микропроцессорной системе зажигания при разряде накопительного конденсатора с учетом нелинейностей сердечника катушки зажигания. 3. Разработка компьютерных имитационных моделей отдельных блоков МПСЗ и комплекса в целом с учетом нелинейностей катушки зажигания и свечи зажигания. 4. Исследование электромагнитных процессов в МПСЗ при разряде и заряде накопительного конденсатора с целью минимизации потерь энергии на основе разработанных имитационных моделей. Многокритериальная оптимизация величины емкости накопительного конденсатора. 5. Создание и экспериментальное исследование макетного образца МПСЗ для подтверждения достоверности полученных результатов имитационного моделирования.

Учет нелинейных свойств свечи зажигания

Поскольку в области компромисса увеличение (уменьшение) одного критерия может достигаться лишь ценой уменьшения (увеличения) другого (или других) критериев, то справедливым является тот компромисс, при котором абсолютный уровень снижения одного не превосходит суммарного уровня увеличения других критериев [37].

Таким образом, принцип справедливой абсолютной уступки приводит к утверждению, что оптимальное решение означает минимизацию суммы нормированных частных критериев [37, 64]. Поскольку невозможно выбрать главный критерий в силу их равнозначности сократим весовые коэффициенты. Выражение (3.15) примет вид

В данном случае аддитивный критерий х описывает величину емкости накопительного конденсатора на множестве [0,1; 1,15]. В результате многокритериальной оптимизации оптимальной емкостью накопительного конденсатора в зарядной цепи, разработанной МПСЗ, является емкость равная 0,4772 мкФ. Ближайшим значением из номинального ряда E24 была выбрана емкость равная 0,47 мкФ.

Имитационное моделирование системы зажигания с микроконтроллером Решением проблемы уменьшения значения напряжения на конденсаторе при частоте вращения генератора свыше 1000 об/мин является управление полевым транзистором посредством микропроцессорного элемента, способного изменять частоту коммутации в зависимости от частоты вращения двигателя в диапазоне вращения ДВС свыше 800 об/мин.

Для решения проблемы заряда конденсатора в диапазоне вращения ДВС свыше 800 об/мин необходимо получить зависимость частоты импульсов управления полевым транзистором от частоты вращения ДВС. Для проведения данного исследования разработана имитационная модель, представленная на рисунке 3.16.

Данная модель отличается тем, что элемент V2 имитирует работу микроконтроллера, а именно стало возможным задать частоту импульсов в зависимости от частоты вращения ДВС, что невозможно, используя мультивибратор. Т.к. на низких частотах вращения ДВС (до 1000 об/мин) целесообразно использовать мультивибратор, исследование управления полевого транзистора микропроцессором будет проводиться в диапазоне частот 1000– 8000 об/мин. Учитывая результаты имитационного моделирования (п. 3.4), емкость накопительного конденсатора принята равной 0,47 мкФ.

Исследования проводились по двум переменным: – количество импульсов за полуволну, n; – коэффициент заполнения управляющих сигналов ключевого элемента, D. Построим зависимость напряжения от емкости накопительного конденсатора при различных коэффициентах заполнения управляющих сигналов ключевого элемента (рисунок 3.17) при следующих параметрах системы: емкость накопительного конденсатора 0,47 мкФ; частота переменного напряжения генератора 16 Гц (что соответствует вращению генератора с частотой 160 об/мин); период коммутации ключа 4,0 мс, коэффициент заполнения управляющих сигналов ключевого элемента 0,5–0,9.

Анализируя зависимости на рисунке 3.17, можно выделить кривую с коэффициентом заполнения управляющих сигналов ключевого элемента равным 0,9, т.к. система с данными характеристиками способна генерировать большее напряжение, по сравнению с остальными случаями.

Построим зависимость напряжения от емкости накопительного конденсатора при различной частоте коммутаций ключевого элемента (рисунок 3.18) при следующих параметрах системы: емкость накопительного конденсатора 0,47 мкФ; частота переменного напряжения генератора 16 Гц (что соответствует вращению генератора с частотой 160 об/мин); количество коммутаций ключа за полупериод синусоидального напряжения генератора 3-15 раз, коэффициент заполнения управляющих сигналов ключевого элемента 0,9.

Анализируя зависимости на рисунке 3.18, можно выделить кривую с количеством коммутаций ключа за полупериод синусоидального напряжения генератора, равной 6, т.к. система с данными характеристиками способна генерировать большее напряжение, по сравнению с остальными случаями.

Анализируя зависимость на рисунке 3.19, можно отметить следующее: в диапазоне частоты вращения генератора 0–800 об/мин частота коммутаций ключевого элемента постоянна и равна 2,4 кГц, это обусловлено тем, что в данном диапазоне зарядом конденсатора управляет мультивибратор. В диапазоне частоты вращения генератора 800–1000 об/мин частота коммутаций ключевого элемента пропорциональна периоду синусоидального напряжения генератора и равна 6 коммутациям ключа за полупериод синусоидального напряжения. В диапазоне частоты вращения генератора 5000–8000 об/мин микроконтроллер отключает заряд накопительного конденсатора путем коммутаций ключевого элемента, это обусловлено тем, что выходное напряжение генератора достаточно для заряда накопительного конденсатора

Экспериментальные исследования влияния частоты коммутации напряжения генератора на заряд накопительного конденсатора

Испытания коммутатора проводятся с контрольными образцами генератора магдино, катушкой зажигания, маховиком. Длина соединительных проводов при испытаниях не должна превышать 1,5 м. Погрешность поддержания частоты вращения генератора +50 мин. Погрешность поддержания температур при проведении испытания ±3 С (кроме нормальных климатических условий). Камера влаги должна обеспечивать поддержание относительной влажности воздуха в пределах 95±3 %. Высоковольтные выводы катушки зажигания нагружаются на трехэлектродный игольчатый разрядник [53] с зазором между главными электродами 7±0,2 мм. Длина высоковольтного провода должна быть 600 мм.

Испытания коммутатора на влагостойкость производятся в камере влаги следующим образом. Коммутатор помещается в камеру влаги с относительной влажностью воздуха 95 ± 3 % и температурой 25 ± 2 С и выдерживается в ней 96 часов. После извлечения из камеры, без предварительной просушки, не позднее, чем через 15 мин, коммутатор проверяется по соответствующей методике. Результаты испытания считаются удовлетворительными, если не произошло нарушения антикоррозийного покрытия (допускаются очаги коррозии, не влияющие на работоспособность коммутатора).

Испытания коммутатора на теплостойкость производятся следующим образом. Коммутатор помещается в камеру тепла, в которой заранее установлена температура +50 С и включается на наработку в течение 20 часов на частоте вращения ротора 4500 мин-1. Зазор между главными электродами разрядника 7±0,2 мм. Катушка зажигания, статор и разрядник размещаются вне камеры тепла. По окончании испытаний проводится проверка по методике п. 4.2.3, после чего коммутатор извлекается из камеры тепла и проверяется на работоспособность.

Испытания коммутатора на циклическое воздействие температур производятся следующим образом. Коммутатор помещается в камеру холода, в которой заранее установлена температура –40 С, и выдерживается в течение одного часа. Затем коммутатор извлекается из камеры и выдерживается при нормальной температуре 30 мин. После этого коммутатор помещается в камеру тепла, в которой заранее установлена температура +70 С и выдерживается в течение одного часа. Затем коммутатор извлекается из камеры и выдерживается при нормальной температуры 30 мин и вновь помещается в камеру холода. Необходимо сделать три таких теплосмены. По окончании последнего цикла производится проверка коммутатора на работоспособность.

Испытания коммутатора на вибропрочность производится следующим образом. Коммутатор крепится к столу вибростенда в специальном приспособлении в горизонтальном положении. Испытание проводится в течение 4 часов на частоте 100 Гц с ускорением 10 g при неработающем коммутаторе.

Испытания коммутатора на ударную прочность производятся на ударном стенде. Коммутатор крепится к стенду поочередно в двух взаимно перпендикулярных положениях. Продолжителность испытания к каждм положении – 5000 ударов с перегрузкой 15 g. По окончании испытания коммутатор осматривается, а затем на стенде производится проверка на работоспособность.

Для проведения испытаний на воздействие температурных нагрузок применяют камеры тепла, холода или комбинированные камеры: термовлагокамеры, термобарокамеры, камеры тепла и холода, камеры термоциклирования.

В испытании на холодостойкость проверялась способность МПСЗ противостоять разрушающему воздействию фактора температуры и продолжать нормально функционировать после прекращения его действия. Устройство подвергалось воздействию низкой температуры (–60 C). По истечении периода испытаний внешний вид, механические свойства защитных покрытий и сопрягаемых деталей и электрические параметры аппаратуры не изменились и удовлетворяют требованиям, установленным в ТУ.

В испытании на холодоустойчивость проверялась способность устройства выполнять свои функции, сохранять параметры и внешний вид в пределах норм ТУ в процессе и после воздействия температуры. Т.к. МПСЗ в рабочем состоянии нагревается за счет выделяемой мощности под действием электрической нагрузки (является теплорассеивающим устройством), испытание проводилось согласно методу совмещенной термической и электрической нагрузок. Устройство подвергалось воздействию низкой температуры VIII степени жесткости (–60 C) в течение 12 часов. Достижение заданного температурного режима устройства определялось контролем температуры воздуха в камере.

С целью упрощения конструкции трансмиссии и удешевления на современных легких транспортных средствах движение задним ходом осуществляется путем реверсирования направления вращения двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Реверс работает следующим образом: при нажатии кнопки реверса – микроконтроллер отключает процесс искрообразования, чатота вращения ДВС начинает падать – при достижении частоты вращения ДВС в 500 об/мин подается искра с УОЗ в 40, для надежного реверсирования вращения ДВС искра подается в течение 3-х оборотов коленчатого вала ДВС. Если реверсирование прошло успешно, ДВС продолжает работу с «зеркальной» кривой УОЗ, если же нет, ДВС останавливается.

Проверку изменения момента искрообразования проводят при подключении высоковольтного вывода катушки зажигания к вращающемуся разряднику. По угловому измерителю стенда устанавливают угол 21±1 град. при частоте вращения генератора 5500 мин-1, и по смещению линии разряда определяют изменение момента искрообразования на остальных частотах вращения генератора.

Для запуска объекта исследования в серийное производство необходимо было провести ходовые испытания макетного образца системы зажигания. Данные испытания вместе с испытаниями режима реверсирования вращения двигателя внутреннего сгорания проводились на снегоходе «Тикси» в г. Рыбинск на базе ОАО «Русская механика». Протокол испытаний приведен в приложении А.