Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование автомобильной техники с целью гтижения новых потребительских качеств, а именно: увеличения топливной шомнчности, уменьшения вредных выбросов в атмосферу, уровня шума, вибра-й, улучшения управляемости, повышения комфортабельности и др. предполага-сопершенствование всех систем и механизмов автомобиля и,, в первую очередь, дгатсля внутреннего сгорания, который до сих пор является и в обозримом бу-щем останется основным преобразователем энергии для автомобиля. В сравне-и с бензиновыми и газовыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) дизели иболее экономичны. Максимальный эффективный КПД современных бензино-х двигателей составляет 32-34 %. Дизели имеют максимальный эффективный Щ до 45%, а в условиях эксплуатации обеспечивают экономию 20-25 % топлива сравнению с бензиновыми двигателями.
Современный поршневой ДВС достиг весьма высокой степени конструктив-го и технологического совершенства, и дальнейшие даже незначительные дос-женмя здесь сопряжены с высокими материальными и временными затратами, этому одним из основных направлений совершенствования автомобильных ди-іей является совершенствование систем управления топливо- и воздухоподачей, эочим объемом и камерой сгорания, обеспечением необходимого запаса мощно-1 и крутящего момента, причем управление системами двигателя все чаще осу-:ствляется в совокупности с управлением системами автомобиля.
Особенности работы системы автоматического регулирования (САР) часто-врашения автомобильного дизеля, большую часть времени работающего на не-гановившихся скоростных режимах, оказались недостаточно изученными, а тео-гически обоснованный всережимный способ регулирования, обеспечивающий ндучшую точность и быстродействие САР, не способствует удовлетворению та-х важных качеств как топливная экономичность, безопасность движения, управ-емость модулем скорости автомобиля, а также эргономическим и экологическим іествам.
Наряду с механическими системами автоматического регулирования частоты ащгнпя автомобильного дизеля все большее применение находят электронные стемы. Этому способствует' резко повысившаяся надежность электронной базы в їзи с освоением новых технологий ее производства. Применение электронных стем управления (ЭСУ) позволяет усовершенствовать алгоритмы регулирования эростных и нагрузочных режимов. Однако до начала изложенных в данной рате исследований не было достаточно обоснованного выбора способа (или алго-тма) реіулирования.
Новые способы регулирования требуют разработки новых средств для их уществления как механических, так и электронных.
Разнообразие систем автоматического регулирования (САР) по алгоритмам средствам исполнения ставит перед производителями проблему выбора наилучик го варианта, поэтому требуется универсальная методика оценки качества САР.
Цель работы - улучшение технико-экономических, эргономических, эколс гических качеств автомобильного дизеля, а также управляемости и безопасное! движения дизельного автомобиля путем обоснования способов регулирован! частоты вращения АД и разработки новых способов и средств регулирования. Указанная цель может быть реализована при выполнении следующих задач:
-
Изучение динамики САР с различными способами регулирования и особеї ностей управления скоростью движения автотранспортного средства (АТС), струї турно-параметрический анализ САР АД с помощью математической модели.
-
Оптимизация регуляторной характеристики для любого нагрузочж скоростного режима по эксплуатационной топливной экономичности и управлж мости модулем скорости АТС.
-
Разработка механических и электронных средств для обеспечения новы способов регулирования частоты вращения автомобильного дизеля.
-
Разработка обобщенного критерия качества САР как комплексногоп.ок;тат( ля, учитывающего потребительские свойства автомобиля, управляемость, безопаї ность движения и показатели качества регулирования.
-
Разработка и освоение программно-аппаратного комплекса по проектировс нию и отладке МП систем управления.
Научная новизна заключается в следующих положениях, выносимых а.вте ром на защиту:
по специально разработанной методике, позволяющей получить частотны характеристики объектов регулирования (дизеля и автомобиля), выявлено, что те кие критерии качества регулирования частоты вращения, как быстродействие точность, не являются решающими вследствие большой склонности системы к кс лебаниям, вызывающим повышенный эксплуатационный расход топлива, худшуі управляемость, а также эколого-эргономические качества;
с. помощью математической модели проведен структурно- параметрическ анализ САР частоты вращения АД;
по специально разработанной методике статистических исследований дине мики САР выявлены особенности движения отдельных элементов системы и ОС щие закономерности процессов регулирования частоты вращения;
установлено влияние способа регулирования на эксплуатационные свойств объекта регулирования; выявлены преимущества трехрежимного (и, в частності многорежимного) способа регулирования частоты вращения АД по сравнению двух- и всережимным, обеспечиваемых традиционными механическими САР;
установлены принципы формирования регуляторных характеристик в эавн симости от частичных характеристик топливной аппаратуры и применительно
дой из зон нагрузочно-скоростных режимов (крейсерских, маневровых, внеш-скоростной характеристики (ВСХ), зоны активного регулирования и т.п.);
разработаны новые способы регулирования, осуществляемые с помощью анических регуляторов частоты вращения и Электронных систем (ЭС);
предложен обобщенный критерий качества САР, позволяющий определить нчественную оценку эксплуатационных свойств автомобиля, на которые ока-ает влияние способ регулирования частоты вращения АД.
Практическая ценность работы состоит в том, что в исследовательскую ктику внедрены методы статистических и частотных исследований в условиях жения объекта управления; внедрены методы исследования электромагнитных ошштельных механизмов, внедрена методика оптимизации систем управления эмобильным дизелем.
Методика статистических исследований распространена не только на изуче-ганкретной САР частоты вращения, но и на изучение процессов топливопода-Применение метода повысило производительность и сократило время расшиф-кл записей случайных процессов и анализа результатов.
Разработан комплекс шнкретных методик и установок для проведения ис-цозаний электромагнитных исполнительных устройств как на основе пропор-'нальиых электромагнитов, так и на основе быстродействующих импульсных.
Предложен ряд конкретных конструкций механических регуляторов частоты щения, разработана универсальная микропроцессорная (МП) система для мо-ирования экспериментальных САР частоты вращения и САУ топливоподачи
Выводы, полученные в результате комплекса научно-исследовательских ра-, оказали непосредственное влияние на разработку новых конкретных регуля-оз для перспективных САР частоты вращения.
Реализация работы. В исследовательскую практику ОГК ЯЗДА и ЦИАМТ (г. Дмитров) внедрена методика статистических испытаний САР, по-пяющая изучать динамические свойства системы непосредственно в условиях плуатации. С этой целью создана дорожная лаборатория для проведения доеных испытаний САР на современном уровне с последующей автоматической аооткой результатов с использованием комплекса оригинальных программ.
ОГК ЯЗДА используется методика оптимизации вариантов САР транспорт-с дизелей, разработанная на основе квалиметричесюй оценки потребительских йств автомобиля.
Развитие идей современных способов регулирования, представленное в виде кретных характеристик и схем, защищенных патентами, оказало влияние на кретные разработки новых систем автоматического регулирования транспорт-с дизелей на заводах-производителях топливной аппаратуры.
Разработан комплекс аппаратуры, установок и программно-аппаратных цств для создания и отладки исполнительных механизмов (ИМ) МП систем ре-ирования и управления, включая разработку электромагнитных ИМ на основе
пропорциональных магнитов и быстродействующих импульсных электромагн ных приводов.
Конкретные результаты исследований используются компанией «Руса моторы».
Применение результатов работы подтверждается соответствующими до ментами.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались:
- на заседаниях Всероссийского научно-технического семинара по авто тическому регулированию и управлению теплоэнергетических установок на федре "Теоретические основы теплотехники" МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1984, IS 1987, 1989, 1992, 1996 гг.; на Всесоюзном семинаре "Использование математи ского моделирования и ЭВМ в исследовании процессов рабочего цикла двигате. внутреннего сгорания" в Челябинске, 1977; на Всесоюзных конференциях "Ра чиє процессы в двигателях внутреннего сгорания" (МАДИ, 1987, 1982); на Все юзной межвузовской и межотраслевой конференции "Научно-технический п гресс в машиностроении и приборостроении" (МВТУ, 1980 г.); на Всесоюзном учно-техническом совещании "Динамика и прочность автомобиля" (Москва, V. г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы нематики и динамики ДВС" (Волгоград, 1985 г.); на Всесоюзной науч технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигата внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах" (Москва, чститут машиноведения им. А.А. Благонравова АН СССР, 1990); на Всесоюзной учно-технической конференции "Повышение надежности и экологических покг телей автомобильных двигателей" (Горький, ГПИ, нн-т машиноведешш им. А Благонравова АН СССР, 1990 г.); на Втором Всесоюзном научно-практическом минаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических по зателей ДВС" (Владимир, ВПИ, 1991 г.); на региональной научной конферені "Вузовская наука в решении экологических проблем" (Ярославль, ЯГУ им. Г Демидова, 1995 г.); на заседании учебно-методического совета Министерс высшего и профессионального образования РФ, 1996 г.; на XIX конференции ас циации автомобильных инженеров "Коммерческий автомобиль для России" (О ГАЗ, Нижной Новгород, 1997 г.); на международной научной конференции "Дви тель-97" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997 г.); на международной науч технической конференции "Совершенствование быстроходных ДВС" (Алтайсі ГТУ, 1998 г.); на межвузовских региональных научно-технических конференці ЯГТУ (Ярославль, ЯГТУ, 1997,1998, 1999 гг.); на XXVII Научно-технической к ференции ААИ к 60-летию воссоздания МАМИ "Автотракторостроение. П мышленность и высшая школа" (Москва, МГТУ МАМИ, 1999 г.); на междунар ной научно-технической конференции "Системные проблемы надежности, мате тического моделирования и информационных технологий" (Москва-Сочи, МГ МАМИ, 1999 г.); на международном симпозиуме по автоэлектронике "Электр ные системы управления впрыском топлива и зажиганием бензиновых двигател
ідшіь, 1999 г.); на выездной сессии Совета "Машиностроение" Министерства ;его и профессионального образования Российской Федерации "Развитие тео-и методов исследования эффективности технологических систем" (Рыбинск, ?г.);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ, в том числе три Зных пособия, 12 патентов РФ и 4 авторских свидетельства СССР на изобрете-. Кроме того, соискатель язляется соавтором 12 научных отчетов по теме дис-гацни.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разде-, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Диссертация содержит 373 стр. машинописного текста, 144 рисунка, аблиц, список литературы, включающий 330 наименований и приложения на раницах, включая документацию о внедрении.