Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Направления развития систем охлаждения современных автомобильных двигателей. Постановка цели и задач исследования
1.1. Влияние теплового состояния двигателя на его показатели 12
1.2. Развитие систем регулирования теплого состояния автомобильных двигателей 19
1.3. Регулирование температуры охлаждающей жидкости 26
1.4. Термостаты с электронным управлением 37
1.5. Цель и задачи исследования 41
Глава 2. Исследование процесса регулирования температуры охлаждающей жидкости термомеханическим термостатом
2.1. Задачи исследования 43
2.2. Лабораторная моделирующая установка для исследования работы термостатов 44
2.3. Моторный стенд для исследования работы термостатов 50
2.4. Лабораторные и моторные исследования работы термостата с восковым термоэлементом 56
Выводы 69
Глава 3. Разработка термостата с электронным управлением
3.1. Требования к термостату с электронным управлением 72
3.2. Анализ существующих конструкций термостатов с электронным управлением 74
3.3. Разработанная конструкция термостата с электронным управлением 81
3.4. Расчетное определение параметров проточной части разрабатываемого термостата 88
Выводы 93
Глава 4. Экспериментальное исследование работы термостата с электронным управлением
4.1. Задачи исследования 95
4.2. Методика экспериментального исследования 96
4.3. Результаты исследований разработанного термостата на лабораторной установке и на моторном стенде 104
Выводы 118
Глава 5. Математическая модель С APT двигателя
5.1. Задачи моделирования и требования к модели 120
5.2. Обзор существующих моделей систем жидкостного охлаждения .122
5.3. Разработка математической модели С APT двигателя 125
5.4. Проверка на адекватность разработанной модели 142
5.5. Оценка эффективности работы С APT двигателя и выбор основного параметра для управления термостатом 147
Выводы 153
Основные результаты и выводы 155
Библиографический список 157
Приложения 168
I. Приложение к протоколу испытаний термостата 21082-1306010-14 (ОАО «АвтоВАЗ») 169
II. Технические характеристики платы ввода/вывода данных L- 780 фирмы L-Card (Россия) 174
III. Содержание файлов исходных данных для модели С APT двигателя 175
IV. Технические данные используемых приборов и погрешности измерения параметров при стендовых моторных и лабораторных испытаниях 179
- Развитие систем регулирования теплого состояния автомобильных двигателей
- Анализ существующих конструкций термостатов с электронным управлением
- Результаты исследований разработанного термостата на лабораторной установке и на моторном стенде
- Разработка математической модели С APT двигателя
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время снижение выбросов вредных веществ (ВВ) и экономия топливных ресурсов являются приоритетными направлениями развития мирового двигателестроения. Высокий уровень показателей современных автомобильных двигателей был бы недостижим без применения средств электроники.
Тепловое состояние двигателя, которое чаше всего оценивается по температуре охлаждающей жидкости (ОЖ), существенно влияет на его энергетические и экологические показатели. До недавнего времени система жидкостного охлаждения (СЖО) оставалась одной из немногих систем двигателя, в которой не использовались возможности электронного управления, позволяющего поддерживать заданное тепловое состояние двигателя на различных режимах его работы.
Крупнейшие мировые компании ведут работы по созданию так называемых «интеллектуальных» систем регулирования теплового состояния двигателя, где основные компоненты СЖО (жидкостный насос, вентилятор радиатора и электронный термостат) согласованно управляются по сигналам контроллера с целью повышения топливной экономичности двигателя и снижения выбросов ВВ с отработавшими газами (ОГ). Традиционный термомеханический термостат не может применяться в составе таких систем из-за своего основного недостатка - он принципиально не позволяет поддерживать оптимальную (по выбранному параметру) температуру ОЖ на различных режимах работы двигателя. Поэтому ведущие фирмы (Delphi, Wahler, Behr и др.) создают свои варианты конструкций термостатов нового поколения с электронным управлением (или электронных термостатов), включающих шаговые двигатели для позиционирования запирающего элемента клапана и различные датчики для контроля его положения, а также встроенные средства диагностики и др.
В нашей стране исследования в этой области до настоящего времени в широком масштабе не проводились.
Таким образом, актуальность данной работы обусловлена повышением требований к регулированию теплового состояния двигателей, которые принципиально невозможно выполнить с помощью традиционного термомеханического термостата, а также расширением функций и широким распространением микропроцессорных систем для комплексного управления автомобильными
двигателями.
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение топливной экономичности автомобильного бензинового двигателя путем оптимизации его теплового состояния на основе создания и применения термостата с электронным управлением.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
- создать лабораторную моделирующую установку для исследования работы автомобильных термостатов;
на основе экспериментальных исследований выявить особенности регулирования температуры ОЖ двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата;
сформировать основные требования к термостату с электронным управлением;
разработать принцип действия и конструкцию термостата с электронным управлением, а также найти основы построения алгоритма управления им;
провести экспериментальное исследование работы термостата с электронным управлением на лабораторной моделирующей установке и на автомобильном двигателе в составе моторного стенда, а также найти оптимальные значения температуры ОЖ, при которых обеспечивается минимум удельного эффективного расхода топлива;
разработать математическую модель системы автоматического регулирования температуры (САРТ) двигателя для настройки с ее помощью программы управления термостатом под конкретный двигатель.
Методы, средства и объекты исследования. Расчетное определение параметров проточной части термомеханического и электронного термостатов проводилось с помощью программного комплекса FlowVision (Россия). Подготовка трехмерных моделей расчетных областей течения, а также проектирование электронного термостата выполнялись в программе Pro/ENGINEER (США).
Экспериментальные исследования термостатов выполнялись на лабораторной установке, разработанной автором, результаты которых проверялись в ходе стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2111. Программа для сбора экспериментальных данных была подготовлена в среде LabVlEW{США).
Оценка влияния температуры ОЖ на энергетические и экологические показатели двигателя ВАЗ-2111 выполнялась на моторном стенде.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- выявлены на основе экспериментальных исследований особенности ре
гулирования температуры ОЖ двигателя с помощью традиционного термоме
ханического термостата, а также найдены взаимосвязи конструктивных пара
метров термостата с процессом регулирования теплового состояния двигателя;
на основании экспериментальных исследований, проведенных на автомобильном двигателе в составе моторного стенда, получены оптимальные значения температуры ОЖ, при этом в качестве параметра оптимизации принят минимум удельного эффективного расхода топлива;
создана математическая модель САРТ двигателя, включающая в себя уравнения, описывающие процессы в СЖО, работу термостата с электронным управлением и его контроллера;
предложен параметр оценки эффективности работы САРТ двигателя, представляющий собой среднее по модулю отклонение регулируемой температуры ОЖ от заданного значения за рассматриваемый период регулирования.
Достоверность результатов работы и обоснованность научных положений обуславливается проведением исследований в соответствии с действующими стандартами РФ и типовыми методиками, применением поверенных
и аттестованных измерительных приборов и оборудования, а также апробированных компьютерных программ (Flow Vision, Lab View и др.). Практическую ценность работы представляют:
созданная и успешно опробованная лабораторная моделирующая установка для исследования работы автомобильных термостатов;
основные требования к термостату с электронным управлением, сформированные на базе проведенных исследований;
разработанная конструкция термостата с электронным управлением, основные технические решения которой заявлены для патентования;
алгоритм управления электронным термостатом, обоснованный с помощью предложенного параметра оценки эффективности работы САРТ.
Практическая реализация работы. Результаты выполненных исследований, техническая документация и опытный образец электронного термостата переданы ЗАО «ЭЛЕКТОН» (г. Радужный) для внедрения в производство. Созданная лабораторная установка для исследования работы автомобильных термостатов, а также математическая модель САРТ двигателя, реализованная в среде Matiab Simulink, внедрены в учебный процесс на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета.
Основные результаты, выносимые на защиту:
выявленные особенности регулирования температуры ОЖ автомобильного двигателя с помощью традиционного термомеханического термостата;
принципиальные и конструктивные решения, положенные в основу разработанного термостата с электронным управлением;
созданная и проверенная на адекватность математическая модель САРТ двигателя;
предложенный параметр оценки эффективности работы САРТ двигателя, а также найденные основы построения алгоритма управления термостатом.
Апробации работы. Основные материалы и результаты работы были представлены на:
XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» (Владимир, ВлГУ, май 2008);
XIII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств» (Владимир, ВлГУ, октябрь 2009);
ежегодных научных семинарах кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета;
Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ, июнь 2008);
технических совещаниях, проходивших в Управлении проектирования двигателей ОАО «АвтоВАЗ» (Тольятти - авіуст 2007, май 2Q08).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ (две из них - в журналах, рекомендованных ВАК), а также получены положительных решения о выдаче патентов по трем поданным заявкам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
основных результатов и выводов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 180 страниц (в том числе - 77 рисунков и 8 таблиц) и включает список литературы из 113 наименований (в том числе 56 зарубежных источников) и приложений на 13 страницах.
Развитие систем регулирования теплого состояния автомобильных двигателей
Система охлаждения, включающая в себя жидкостный насос с механическим приводом и радиатор, появилась еще в 1906 г., а термостат вошел в ее состав после II Мировой войны [29]. После этого постоянно шли работы по совершенствованию СЖО, направленные, в том числе, и на улучшение процесса регулирования температуры ОЖ. В 1988 г. Einaudi и Mortara [30] предложили пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования температуры с помощью клапана ОЖ с вакуумным приводом для достижения высокого уровня температуры на низкой нагрузке и частоте вращения. Подобные исследования также были проведены Kenny и др. [31] в 1988 г. с термостатом с одним входом и одним выходом, имеющий клапан в виде поворотной заслонки, приводимой шаговым двигателем по сигналам электронного блока управления (контроллера). Работу системы регулирования температуры головки цилиндров, позволяющую уменьшить расход топлива и улучшить комфорт в салоне автомобиля для пассажиров, исследовали в 1992 г. Couetouse и Gentile [30]. В состав этой системы входили насос ОЖ с независимым приводом и клапан в виде поворотной заслонки.
В 2001 г. исследователями Allen и Lasecki был предложен насос ОЖ с электроприводом для уменьшения механических потерь и улучшения тепловой эффективности [30]. Основными преимуществами насоса ОЖ с электроприводом заключались в уменьшении расхода ОЖ до величины, соответствующей режиму работы двигателя, уменьшении массы компонентов СЖО, увеличении эффективного КПД и снижении выбросов ВВ за счет контроля температуры стенки цилиндра. В 1992 г. Melzer [30] предложил комплексную систему регулирования теплового состояния двигателя, однако структура системы управления оставалась недостаточно исследованной. Giinter и Nalim в 2001 г. сравнили переходные процессы термостата с восковым наполнителем со встроенным подогревателем и без него [30]. В 2001 г. Wagner и др. [30] разработали математическую модель для вычисления температуры деталей ЦПГ для двигателей с воздушным и жидкостным охлаждением. В 2002 г. те же исследователи сконструировали клапан ОЖ с электроприводом и создали программу для непрерывного регулирования температуры ОЖ в процессе работы двигателя с использованием оценки температуры внутри цилиндра [30].
Все эти и многие другие исследования, подготовили фундамент для создания современных, так называемых «интеллектуальных» [17] систем регулирования теплового состояния двигателя с использованием возможностей электронного управления. Подобные системы включают в себя насос ОЖ и вентилятор с электроприводами, а также термостат с электронным управлением [32, 17]. Причина появления таких систем состоит в том, что традиционная СЖО с термомеханическим термостатом, насосом ОЖ и вентилятором с механическим приводом принципиально не дает возможность оптимизировать тепловое состояние двигателя на различных режимах его работы по выбранному параметру.
Фирма Behr Termotronik (Германия) в 1996 г. впервые создала комплексную систему управления тепловым состоянием автомобильного двигателя [33]. Функциональная схема этой системы приведена на рис. 1.6.
В концепцию работы такой системы заложено регулирование теплового состояния двигателя в зависимости от нагрузки двигателя, частоты вращения вала, температуры окружающей среды и ОЖ. При этом исполнительными элементами являются электроуправляемые вентилятор и термостат.
Концерн R.Bosch (Германия) разработал свою систему регулирования теплового состояния двигателя, получившую название Termomanagement [34], в которой жидкостный насос и вентилятор имеют электроприводы, а регулирование температуры ОЖ осуществляется термостатом с электронным управлением и встроенной диагностикой. Насос и вентилятор управляются контроллером в зависимости от теплового состояния двигателя. Таким образом, достигается необходимый баланс между расходами жидкости и воздуха в СЖО, что позволяет снизить затраты мощности на привод насоса (в том числе за счет его работы в зоне максимального КПД) и вентилятора примерно на 60...80% [35,36,37].
В целом комплексное регулирование температуры ОЖ двигателя с помощью средств электроники позволяет снизить расходы топлива примерно на 5 % при одновременном уменьшении выбросов СО на 5% и СН на 10... 15% (однако, выделение NOx может возрасти на 10%) [34, 35].
Для «интеллектуальных» СЖО разработана прокладка (рис. 1.7), устанавливаемая между головкой и блоком цилиндров, в которую встроены датчики температуры, давления и расхода жидкости. Использование информации, получаемой от этих датчиков, позволяет оптимизировать работу СЖО и двигателя в целом.
В подобных «интеллектуальных» СЖО используются жидкостные насосы с электроприводом (рис. 1.8). Такие насосы имеют мощность 200...300 Вт и массу около 2 кг [38].
Применение насосов с электроприводом позволяет значительно экономить мощность на их привод (затраты мощности на привод насоса ремнем или цепью от двигателя составляют не менее 1,5 кВт на номинальном режиме), за счет чего обеспечивается снижение эксплуатационного расхода топлива примерно на 0,5л/100 км [38].
Таким образом, применение средств электроники для регулирования теплового состояния двигателя открывает совершенно новые возможности для оптимизации его работы на различных режимах по выбранному параметру В обычных СЖО при достижении температуры кипения ОЖ резко ухудшается теплопередача от нагретых зон двигателя к жидкости и возникает опасность перегрева деталей, вследствие чего приходится ограничивать его энергетические показатели. Исследователи фирмы Behr Thermotronik считают [20], что уровень температуры ОЖ 140С является оптимальным для максимально возможного снижения расхода топлива. Однако достичь этого с использованием воды как основного компонента ОЖ практически невозможно. Поэтому в последнее время ведутся поиски новых теплоносителей, кипящих при более высокой температуре [21-24]. С решением этой задачи появится возможность создания новых высокоэффективных СЖО с небольшим радиатором.
Конструкция и технология изготовления радиаторов СЖО в последние годы также претерпевают изменения. В 60-х годах прошлого века большинство радиаторов изготавливалось из медных трубок. Затем получили широкое распространение алюминиевые радиаторы. Так, в конце прошлого века их производство в европейских странах составляло около 90%, в США — более 60%, в Японии — около 30%. Однако достижения в области твердой пайки легированными припоями без применения флюсов и развитие методов лазерной сварки позволили создать конструкции из медных сплавов с высокой механической прочностью при значительном снижении массы радиатора. Усовершенствованы также процессы обработки наружных поверхностей медных трубок с применением процессов электрофореза. Поэтому радиаторы из меди продолжают конкурировать с алюминиевыми конструкциями.
В соответствии с общей тенденцией к использованию узлов и агрегатов двигателя в виде сборок, объединенных в единый модуль, создаются компоненты СЖО модульного типа. В состав такого модуля могут входить радиатор с кожухом вентилятора, охладитель наддувочного воздуха и/или масла, расширительный бачок для жидкости и др. Предлагаются решения, в которых модуль объединяется с системой кондиционирования автомобиля. В этом случае он выполняет функции охлаждения двигателя, обогрева и вентиляции салона автомобиля. Это позволяет применять конструктивные многофункциональные элементы, работающие в различных подсистемах, что в целом обеспечивает снижение массы и габаритов единого модуля по сравнению индивидуально выполненными компонентами.
Анализ существующих конструкций термостатов с электронным управлением
К первому поколению термостатов с электронным управлением можно отнести классический термомеханический термостат с восковым наполнителем, снабженный дополнительным электронагревательным элементом. Такой элемент, установленный внутри (или снаружи) капсулы с воском, включается по сигналам контроллера и обеспечивает момент открытия клапана термостата вне зависимости от температуры ОЖ, омывающей термоэлемент. При этом соответственно изменяется расход ОЖ по каналам термостата. Таким образом, применение электронагревательного элемента позволяет сдвинуть момент начала открытия клапана термостата в зону более низких температур ОЖ.
К таким конструкциям относится, например, конструкция термостата фирмы Behr (Германия) (рис. 3.1). В восковый термоэлемент этого термостата встроен электрический нагреватель, включаемый по сигналам контроллера двигателя.
Усовершенствованная конструкция термостата с электронагревателем компании General Motors Corporation представлена на рис. 3.2 [51]. В этом термостате капсула с восковым наполнителем разделена на секции (1, 2 и 3), каждая из которых имеет свой электрический нагреватель. Подавая электропитание в различных комбинациях к нагревателям в секциях, получают возможность управлять положением ЗЭ клапана термостата относительно независимо от температуры ОЖ.
Другой вариант конструкции электронного термостата на основе термоэлемента с восковым наполнителем представлен на рис. 3.3. В этой конструкции, в отличие от предыдущих, осуществляется не тепловое воздействие на восковый наполнитель, а силовое — путем изменения давления в камере с воском при перемещении поршня 3. В результате изменяется закон движения клапана термостата в зависимости от температуры ОЖ - при большем давлении на восковый наполнитель, термостат начинает открываться при более высокой температуре ОЖ.
Оценивая это техническое решение, можно отметить, что для его реализации требуются значительные усилия для перемещения поршня.
Несколько иной вариант конструкции термостата фирмы Behr [53] представлен на рис. 3.4. На корпусе клапана жестко закреплены 2 тарелки, с помощью одной из которых перекрывается выходное отверстие клапана к радиатору, а посредством другой - к двигателю (байпасный контур). При нагреве ОЖ после пуска двигателя шток перемещается относительно корпуса термоэлемента до тех пор, пока его торец не вступит в контакт с боковой поверхностью поворотного эксцентрикового диска, после чего начинает перемещаться термоэлемент. По мере его перемещения открывается отверстие, ведущее к радиатору, в то время как проходное сечение отверстия, направляющего ОЖ по байпасному контуру, уменьшается. Момент начала перемещения клапана зависит от расстояния между торцом штока и боковой поверхностью эксцентрикового диска, который поворачивается шаговым электродвигателем в зависимости от температуры окружающего воздуха. Чем выше эта температура, тем при более низкой температуре ОЖ открывается клапан термостата. Таким образом, вся характеристика открытия клапана термостата в зависимости от температуры ОЖ сдвигается в сторону либо больших, либо меньших температур (в зависимости от положения эксцентрика).
Другой вариант конструкции термостата с электронным управлением компании Nippon Thermostat [54] показан на рис. 3.5. Здесь термостат с восковым термоэлементом работает в обычном режиме, но в конструкции предусмотрен специальный перепускной канал с электромагнитным клапаном. Позиционирование клапана осуществляется изменением тока в катушке. Это позволяет изменять суммарный расход ОЖ через радиатор в зависимости от режима работы двигателя при различных температурах ОЖ.
Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, что все термостаты с электронным управлением / поколения унаследовали недостатки, присущие термостатам с восковым наполнителем:
- наличие зоны нечувствительности при работе;
- гистерезис статической характеристики, обусловленный наличием резиновых элементов и пружин;
- ограниченные возможности позиционирования клапана при различных значениях температуры ОЖ;
- невысокое быстродействие.
Ряд недостатков частично или полностью компенсируется специальными эл е ктроу п равляемыми устройствами.
Второе поколение термостатов с электронным управлением не имеет термочувствительного элемента как такового. При этом управление распределением потоков теплоносителя осуществляется с помощью электромагнитных исполнительных устройств по сигналам контроллера двигателя.
В термостате конструкции фирмы Wahler [55] (рис. 3.6) в цилиндриче ском корпусе на общем валу размещены два пластинчатых керамических клапана, распределяющие поток ОЖ между радиаторным и байпасным контурами системы. Для переключения контуров валик термостата поворачивается с помощью шагового двигателя до совмещения дуговых концентрических прорезей одного из клапанов с аналогичными прорезями в седлах, запрессованных в корпус термостата. При этом жидкость поступает во впускной патрубок соответствующего контура системы.
Термостат, запатентованный ЗАО «ОРЛЭКС» [56] (рис. 3.7), также управляется контроллером двигателя. Он содержит корпус с патрубками для подвода и отвода ОЖ, а также крышку с патрубком для отвода ОЖ к радиатору, закрепленную на корпусе. В самом корпусе расположен электродвигатель, на роторе которого установлены дисковые поворотные запирающие элементы основного и байпасного клапанов. Основной клапан состоит из подвижной и неподвижной пластин. Байпасный клапан образован выходным отверстием отводящего патрубка корпуса и второй подвижной пластиной. Предлагаемое техническое решение, по заявлению авторов, позволяет упростить систему регулирования температуры двигателя и повысить ее надежность.
Термостат ЗАО «ЭЛАРА» [57], представленный на рис. 3.8, содержит корпус с патрубками подвода ОЖ из двигателя и отвода ее на перепуск и к радиатору, датчики температуры ОЖ, уплотнительный элемент и два клапана, размещенные внутри корпуса на штоке. Также, устройство включает в себя исполнительный механизм, обеспечивающий возвратно-поступательное движение ЗЭ клапанов. В системе управления этим термостатом имеется датчик нагрузки. Термостат управляется контроллером, который обеспечивает возможность изменения температуры ОЖ. Кроме того, термостат содержит ультразвуковое устройство, вход которого связан с контроллером, а выход подключен к фазометру через усилитель и приемник, установленные на патрубках отвода в байпасный канал и в радиатор. Как следует из материалов патента, предлагаемое техническое решение обеспечивает поддержание более высокой температуры ОЖ на частичных нагрузках двигателя, а также при его прогреве. В то же время обеспечивается целенаправленное поддержание относительно низкой температуры на повышенных нагрузках двигателя.
В конструкции термостата представленной на рис. 3.7 проблема уплотнения подвижных соединений решена путем переноса привода ЗЭ клапана термостата внутрь корпуса. Электродвигатель охлаждается омывающей его ОЖ. В этом случае требуется применение специальных материалов при его изготовлении, что ведет к удорожанию термостата в целом.
В устройствах, представленных на рис. 3.6 и 3.8, электропривод термостата находится в более благоприятных условиях — снаружи корпуса термостата. Однако в этом случае возникает проблема уплотнения подвижных соединений. Применение уплотнений любых типов связано с дополнительными потерями на трение, что ведет к увеличению требуемой мощности на привод и к увеличению габаритов электродвигателя и всего привода в целом.
Результаты исследований разработанного термостата на лабораторной установке и на моторном стенде
Результаты измерений утечек через закрытые каналы термостата представлены в табл. 4.2. Через байпасный канал утечки отсутствуют как при холодной, так и при нагретой жидкости. Утечки через основной каналн в случае холодной жидкости {їж= 20 С) гораздо меньше нормируемых по ТУ — примерно в 5... 10 раз. При нагретом теплоносителе (іж= 75 С) утечки через основной клапан возрастают, но и при этом остаются в 2...3 раза меньше допустимых.
Результаты экспериментов подтвердили работоспособность клапанного узла разработанного термостата по нормируемым утечкам жидкости через закрытые каналы.
Результаты измерения расхода жидкости через каналы термостата, полученные на лабораторной моделирующей установке, представлены на рис. 4.7а. Максимальная производительность жидкостного насоса при полностью открытом термостате в ходе эксперимента составила 66 л/мин. В процессе движения ЗЭ клапана производительность насоса плавно возрастает без ярко выраженного максимума, в отличие от штатного термостата двигателя ВАЗ-2111. Такое изменение производительности насоса, полученное на лабораторной моделирующей установке, соответствует предъявленным требованиям, но нуждается в проверке на двигателе.
На рис. 4.76 приведено сравнение рабочей характеристики разработанного термостата, построенной по экспериментальным данным (рис. 4.7а), с характеристикой штатного термостата двигателя ВАЗ-2111.
Для электронного термостата зоны, в которых не происходит регулирование, составляют примерно 12 % от начала хода клапана и около 12 % на конечном участке характеристики (т.е. в сумме - 24 %). Их наличие обусловлено перекрытием окон неподвижного диска подвижным ЗЭ в крайних положениях клапана. Таким образом, зона регулирования составляет примерно 75 % хода клапана, что значительно больше, чем у штатного термостата двигателя ВАЗ-2111, где величина зоны регулирования составляет только 50 %.
По данным рабочей характеристики созданного электронного термостата (рис. 4.76, сплошная линия) можно сделать вывод о том, что регулирование происходит непрерывно и практически во всем диапазоне движения ЗЭ клапана (зона ТУ, характерная для штатного термостата, отсутствует), а производная функции 0 Р(А) по положению ЗЭ клапана монотонно убывает, что соответствует требованию к характеру протекания рабочей характеристики термостата.
На первом этапе экспериментальных исследований на моторном стенде был определен расход ОЖ через штатный радиатор при полностью открытом термостате в зависимости от частоты вращения вала двигателя. Результаты экспериментов представлены на рис. 4.8.
При переходе на электронный термостат максимальный расход ОЖ через радиатор увеличился на 9 % во всем скоростном диапазоне работы двигателя. Для сравнения на графике представлены данные по расходу ОЖ через радиатор в системе со штатным термостатом. Эти результаты подтверждают достоверность выполненных расчетов и правильность выбора параметров проточной части разработанного термостата.
Распределение потоков ОЖ по каналам СЖО на моторном стенде при частоте вращения вала двигателя 3000 мин" представлено на рис. 4.9а.
Производительность жидкостного насоса на двигателе в зависимости от положения ЗЭ клапана термостата изменяется плавно, без ярко выраженного максимума, т.е. так же, как и в эксперименте на лабораторной установке.
Рабочие характеристики термостата с электронным управлением, полученные на лабораторной установке и на моторном стенде (рис. 4.96), практически не отличаются друг от друга. Таким образом, результаты экспериментов с электронным термостатом на лабораторной установке полностью подтвердились в ходе экспериментов на двигателе, так же, как и в случае со штатным термостатом двигателя ВАЗ-2111.
В процессе работы термостата с электронным управлением на моторном стенде при избыточном давлении жидкости в СЖО 150 кПа видимых утечек ОЖ через корпус термостата, а также в зоне поворотного валика выявлено не было.
На рис. 4.10 представлен график изменения температуры ОЖ в процессе прогрева двигателя с электронным термостатом на моторном стенде. Управление ШД привода ЗЭ клапана термостата осуществлялось в ручном режиме (без применения средств автоматики). Температура ОЖ на выходе из двигателя достигает значения 95 С, в то время как температура ОЖ в радиаторе остается достаточно низкой (около 20 С). За счет этого, время прогрева двигателя до рабочей температуры уменьшилось примерно на 20 % по сравнению с использованием классического термомеханического термостата (см. гл. 2).
Помимо закономерностей распределения потока ОЖ по каналам СЖО, на моторном стенде исследовалась стабильность работы привода электронного термостата во всем диапазоне движения ЗЭ клапана на частоте вращения вала двигателя, близкой к номинальной. В ходе исследований минимальное время открытия клапана термостата на частоте вращения вала двигателя 5200 мин"1 составило 3,8 с, что примерно в 10 раз меньше, чем допускается по ТУ. Таким образом, максимальная относительная скорость движения клапана составляет 26 %/с, что в 5,8 раза выше, чем у штатного термостата двигателя ВАЗ-2111. Напряжение питания ШД в ходе экспериментов поддерживалось на уровне 13...14В.
На рисунках 4.11, 4.12 и 4.13 представлены зависимости удельного эффективного расхода топлива от температуры ОЖ на исследуемых скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя. Разница между максимальным и минимальным значениями ge в пределах исследуемого интервала изменения температуры представлена в табл. 4.3.
Разработка математической модели С APT двигателя
В состав САРТ двигателя с электронным термостатом (рис. 5.1) входит СЖО (объект регулирования), а также термостат и его контроллер (регулятор). Математическая модель САРТ описывает процессы регулирования температуры в СЖО. В состав модели входят уравнения, отражающие тепловые и гидравлические процессы в СЖО, работу термостата с электронным управлением и его контроллера.
Расчет процессов изменения температуры в СЖО условно можно разделить 2 следующих этапа.
1. Расчет расхода ОЖ по контурам СЖО в зависимости от частоты вращения вала двигателя п (мин"1) и положения ЗЭ клапана термостата А (%).
2. Определение температуры ОЖ в характерных точках жидкостного тракта с учетом подвода теплоты к ОЖ в двигателе (режима работы двигателя), отвода теплоты в радиаторе и расхода ОЖ на каждом участке СЖО.
Возмущающие воздействия:
1 - нагрузка;
2 - частота вращения;
3 - параметры окружающей среды (температура, давление, влажность);
4 - скорость движения автомобиля;
5 - вентилятор радиатора;
6 - положение крана отопителя салона;
7 - вентилятор отопителя салона.
Входными данными для расчета тепловых процессов с использованием модели САРТ являются:
нагрузка двигателя - функция времени, т.е.ре=/і(т);
частота вращения вала двигателя - функция времени, т.е. п=/2(т);
скорость воздуха перед фронтом радиатора - функция времени Ув=/з(т:) ,
температура воздуха перед фронтом радиатора - функция времени Ґд=
Изменение положения ЗЭ клапан термостата определяется законом регулирования, «заложенным» в контроллер.
В результате расчета получаем график изменения температуры ОЖ в зависимости от времени для каждой из точек (0, 1, 2, 3, 4, 5) жидкостного тракта (см. рис. 5.2).
В процессе эксплуатации двигатель подвержен износу, загрязнению отдельных частей и др. Но, несмотря на это, программа управления термостатом должна эффективно работать в любых условиях и при любом техническом состоянии двигателя. Поэтому небольшие изменения свойств объекта управления не должны существенно отражаться на качестве работы САРТ. В связи с этим были приняты следующие допущения при построении модели, которые не должны значительно повлиять на выбор программы управления и параметров ее настройки:
1. теплоотдача от нагретых частей двигателя и соединительных патрубков к окружающему воздуху не учитывается, т.к. согласно данным [9], отвод теплоты через внешнюю поверхность соединительных патрубков не превышает 2.. .3% от теплоты, отводимой в СЖО;
2. теплоемкость и плотность ОЖ не зависят от ее температуры;
3. коэффициент теплоотдачи от стенки цилиндра к ОЖ не зависит от расхода ОЖ в рубашке;
4. текущее изменение температуры в двигателе или радиаторе одинаково для всей ОЖ находящейся на этом участке, независимо от текущей температуры отдельно взятого объема ОЖ, т.к. применяется модель с сосредоточенными параметрами.
Вся СЖО разбита на семь участков (см. рис. 5.2). Целью гидравлического расчета является определение расхода ОЖ на каждом из следующих участков:
- суммарный расход ОЖ в системе Q = Qoi = Q i2 = Qso ,
- расход ОЖ через радиатор Q Р = Q 23 = Q 34 = Q 4s\
- расход ОЖ через байпасный контур QE = Q25.
В работе [47] распределение ОЖ по каналам СЖО рассчитывается в зависимости от положения ЗЭ клапана термостата и производительности насоса, но величина производительности насоса, в свою очередь, также зависит и от положения ЗЭ клапана. Эта взаимосвязь определяется конструкцией проточной части термостата и соотношением гидравлических сопротивлений основного и байпасного контуров СЖО. Согласно данным наших экспериментов для СЖО с разработанным термостатом, производительность насоса может изменяться более чем в 2 раза в процессе открытия клапана термостата при постоянной частоте вращения вала двигателя. Поэтому в разрабатываемой модели эта взаимосвязь принята во внимание и учитывается при расчете.
Расход ОЖ через рубашку охлаждения Q=f(n, А) может быть определен расчетным или экспериментальным путями. Исходными данными для расчета являются гидравлическое сопротивление участков сети, каналов термостата во всем диапазоне движения ЗЭ клапана, а также гидравлическая характеристика насоса ОЖ. Расчетное определение этих величин является весьма сложным, поэтому для нахождения зависимости Q=f(n, А) предлагается следующий разработанный нами способ.
В соответствии с экспериментальными данными, производительность насоса прямопропорциональна частоте вращения вала двигателя при неизменном положении ЗЭ клапана термостата (рис. 5.3). Для двигателя ВАЗ-2111 с электронным термостатом в рабочем диапазоне частоты вращения вала производительность насоса может быть описана следующими уравнениями:
- открытый термостат Qmax = 0,0231 п, (л/мин) (5.1)
- закрытый термостат Qmm = 0,0098 п, (л/мин) (5.2)
Для того чтобы вычислить производительность насоса в промежуточном положении ЗЭ клапана термостата, введем относительную производительность насоса Q (A) как функцию положения ЗЭ клапана, рассчитываемую на основании экспериментальных данных.
