Использование электромагнитного привода клапана в ДВС с управляемым газообменом

Выполненные исследования позволил определить область чувствительности резонансной системы защиты и оценить границы изменения контролируемых сигналов при различной удаленности аварии от начала кабеля.

Список литературы

1. Долаберидзе Г.П., Николаев ДЮ. Высокочастотна резонансная система защиты кабельных линий постоянного тока 0,6 кВ от замыкания на землю // Вестник МЭИ. 2008 №23. С. 64-67.

2 Разевиг В. Д. Сер. проектирования OrCad 9.2. М.: СОЛОН-Р, 2003.

3. Кеоун Дж. OrCad PSpice. Анализ электрически цепей. М. : ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008.

4. ХайнеманР. Pspice Моделирование работы электронных схем. М. : ДМК Пресс, 2005.

5. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. OrCad. Моделирование. «Поваренная» книга. М. : СОЛОН-Пресс, 2005.

D. Nikolaev

Simulation model of 0,6kV direct current cable line

The paper presents high-frequency resonance method of protecting of the 0,6kV direct current cable lines of urban transport from ground short circuit. OrCad cable line simulation model is created. Calculated gain-frequency and phase-frequency characteristics are presented. System sensitivity is measured in different points of the cable line in emergency situations.

Получено 19.01.09

УДК 621.43

А.В. Ахромешин, асп., 920-742-66-96, aakhromeshin @rambler.ru

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА КЛАПАНА ВДВС С УПРАВЛЯЕМЫМ ГАЗООБМЕНОМ

Рассматриваются работы, посвященные использованию электромагнитного привода клапана в ДВС. Анализируются преимущества перед традиционной семой ГРМ математических моделей привода, перспектив использования и развития, а также вариантов вправления системой рассматриваемого типа.

Ключевые слова: электромагнитный привод, фазы газораспределения, математическая моделз, управление системой.

В двигателях внутреннего сгорания традиционной схемы фазы газораспределения (ФГР) жестко связаны с положением коленчатого вала.

В каждом двигателе они задаются конструкцией механизма газораспределения и не могут изменяться в процессе работы. Фазы подбираются опытным путем на этапе доводочных работ, исхода из осредненных параметров. Такой подход не позволяет оптимизировать рабочий процесс двигателя на всех возможных режимах (нагрузочных и скоростных) его работы.

В настоящее время в автомобилестроении все чаще применяются двигатели с изменяемыми фазами газораспределения и высотой подъема клапана. Применение таких систем позволяет улучшить эксплуатационные показатели двигателя, такие, как расход то пива, динамические и экологические характеристики. Обзор современных ДВС с переменными ФГР и высотой подъема клапана представлен в [2], где сделан вывод о том, что наиболее перспективным методом управления работой клапанов является применение электромагнитного привода (ЭМП) [5, 6, 7, 9, 12, 14, 22]. Данный тип привода наиболее гибок в управлении. Он позволяет с высокой скоростью, с большой точностью и в больших пределах изменять величину и продолжительность подъема клапана.

В отечественной литературе еще недостаточно разработаны вопросы, связанные с проектированием и расчетом ЭМП, за исключением некоторых исследований [1, 3, 4], в которых рассматриваются классификация, исследование динамики и разработка методики расчета электромагнитных приводов.

Целью настоящего обзора является выяснение существующего положения в области как уровня развития конструкций электромагнитных приводов клапанов, так и их развития, в том числе совершенствования массогабаритных характеристик, мощности, точности исполнения законов движения, математических моделей привода.

Автоматическое управление фазами газораспределения в поршневом ДВС дает следующие преимущества [4]:

1. Оптимальную работу двигателя на всех режимах работы - холостом ходу, максимальных оборотах, полной мощности и пр..

2. Возможность реаизации отключения цилиндров, изменение последовательности их срабатывания, реверс коленчатого вала.

3. Увеличение КПД двигателя за счет снижения механических потерь в ГРМ.

4. Программное регулирование всех фаовых характеристик двигателя: моментов открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек и рабочих тактов, длительности открытого и закрытого состояния клапанов, времени перекрытия клапанов, потактового сдвига фа.

5. Возможность применения в одном блоке двигателя раличных конструкций при совмещении управления электромагнитным приводом с управлением впрыском топлива и зажиганием.

Несмотря на это, электромагнитные приводы не получили шир кого распространения в силу ряда причин [4]:

- больших габаритных размеров электромагнитного клапана, с ростом тяговой силы, и в следствие этого, увеличение размера клапана, уменьшение его быстродействия;

- соударения якоря с ямом, приводящего к значительному шуму и даже к поломке клапанов;

- отсутствия кинематической связи клапанов и коленчатого вала. При выключении дветателя клапаны переходят в положение «закрыто». Для того чтобы запустить дветатель, необходимо установить все клапаны в заданное начаьное положение.

В отечественной практике в основном рассматриваются вопросы расчета электромагнитных характеристик привода (таговой силы, магнитной цепи, частых циклов перемагничивани). В зарубежных организация, таких, как «Университет Департамента Машиностроения» (США), «Научно-исследовательская «Лаборатория Форд Мотор Компании» (США), решаются вопросы, касающиеся моделирования ЭМП, снижения габаритов привода без уменьшения эффективной мощности, исследовани соударений в паре клапан - якорь и др.

Над раработкой систем изменени ФГР и высоты подъема клапана с применением ЭМП работают такие компании, как BMW [11], ОМ [22], «Яепаик» [19], «Siemens» [20] и др. Наибольшие достижения в данной области принадлежат ученым из Кореи, Японии и США.

Наиболее распространенной схемой, по которой выполняется расчет конструкций ЭМП [8, 13, 21], является схема, изображенна нарис. 1.

Рис. 1. Схема электромагнитного привода клапана

Привод состоит из нижней и верхней пружины, нижнего и верхнего электромагнитов (ямо), якоря. Зазор между клапаном и якорем колеблется в пределах 0.. .0,5 мм в зависимости от температурного расширения клапана.

К электромагнитному приводу клапана предъявляются следующие требования [10]:

1. Средняя мощность на перемещение клапана для четырехцилиндрового двигателя пи 6000 об/ми и максимаьном подъеме клапана не должна превышать 2.3 кВт;

2. Средня скорость перемещения клапана:

- 3 см/с при 600 об/мин;

- 30 см/с при 6000 об/мин,

при этом механизм должен обеспечивать «мэткую посадку» клапана для увеличения ресурса двигателя и уменьшения акустического шума;

3. Время перемещения клапана из минимаьного положения в 5 % от максимально возможного подъема до положения в 95 % должно быть в пределах3.4 мс.

Выполнение данного условия необходимо для работы двигателя на оборотах 6000 об/ми и более.

4. Система должна устойчиво работать пи раличных давлениях гаа на клапан. Это условие особенно актуаьно для выпускных клапанов.

5. При раработке рассматриваемых систем должны учитываться такие факторы, как экономичность, долговечность и компактность механизма.

Для упрощения расчета электромагнитных приводов все активнее рарабатываются математические модели, включающие уравнения для механической, электрической и магнитной подсистем. Один из вариантов такой модели предложен в [23]:

dz

dt

= =т ' (“ Fmag (і, 2') + ks (1 — z) + крге );

di Уг - гі + Х1 (і, z)у

- Х2<Л ^

где z - расстояние между якорем и верхней катушкой электромагнита; м, V - скорость перемещения якоря, м/с; і - сила тока верхнего магнита, А; Уг - напряжене, подаваемое на верхний электромагнит, В; т - масса якоря, кг; Гт^ - сила магнитного поля верхней катушки, Н; I - половина пути якоря, м; к - коэффициент жесткость верхней пружины, Н/м; крге - предварительное сжатие верхней пружині, Н; Ь - коэффициент сжатия верхней пружины, кг/с; г - сопротивление двух катушек, Ом; хі(і^ - Э ДС якоря, В; Х2 - индуктивность катушки, Гн.

На рис. 2 показано взаимодействие трех подсистем механизма EMVD (electromagnetic valve drive): электрической, магнитной и механической [15].

Рис. 2. Взаимодействие подсистем механизма EMVD: d- контрольный сигнал; i - сила тока; х-магнитный ооток; z - расстояние между якорем и верхней катушкой электромагнита;

Fmag- сила, действующая на якорь со стороны магнитного ооля;

Fjb,w- газодинамические силы, действующие на клаоан

Управление системой EMVD представлено нарис. 3: начальное управление (initial mode) - перемещение клапана из среднего положения в одно из крайних;

удерживающее управление (holding mode) - удержание клапана в одном из крайних положений;

переходное управление (transition mode) - перемещение клапана из одного крайнего положения в другое.

УЗержибающвв управление Рис. 3. Варианты управления системой EMVD

На рис. 4 изображена зависимость подъема клапана от времени. Данные получены в ходе эксперимента, время перехода клапана составляет 3,5 мс, при этом мощность на перемещение привода - 2,56 кВт.

В таблице представлены результаты исследуемых параметров для 5 0 экспериментов.

Время перехода и скорость клапана при контакте

Значение параметра Время перехода клапана, мс Скорость при контакте, м/с

Среднее 3,42 0,16

Среднеквадратическое отклонение 0,02 0,09

Максимальное 4,3 0,35

Минимальное 3,3 0,06

-Б ---------------------1--------------------1--------------------1-------------------1--------------------

0.995 1 1.005 1.01 1.015 1.02

Время, С

Рис. 4. Зависимость подъема лапана от времени системы EMVD

Исследования показали [16, 17, 18, 23], что применение ЭМП клапана позволяет снизить выбросы вредных веществ на 12.15 %, увеличить крутящий момент двигателя на 20 %, топливная экономичность составляет 18.23 %. Таким образом, задача разработки и применения электромагнитного клапана на реальном двигателе является актуальной. Дальнейшее развитие ЭМП клапанов будет осуществляться путём усложнения их математических моделей, уменьшения массогабаритных параметров, увели-

чения мощности и быстродействия приводов, а также точным управлением системы.

Список литературы

1. Андрес В.Р. Повышение экономических и экологических качеств дизеля методом отключения цилиндров и циклов: дис. ... канд. техн. наук. М.; 1995. 161 с.

2. Ахромешин А.В. Современные системы управления газообменом двигателей внутреннего сгорания (обзор) // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. 2008 Вып.3. С. 151-158.

3. Нижников С.А. Динамика индивидуального электромагнитного привода клапанов ДВС: дис. ... канд. техн. наук. Курск; 2007. 139 с.

4. Соснин Д.А. Автоматизированный электромагнитный привод газораспределительных клапанов поршневого ДВС: дис. ... канд. техн. наук. М.; 2005. 204 с.

5. A new electromagnetic valve actuator / W. Chang et al. // IEEE Workshop on Power Electronics in Transportation,Auburn Hills,MI. 2002. P. 109-118.

6. Caron B., Charara A., DeMiras J. Nonlinear control of a magnetic levitation system without premagnetization // IEEE Transactions on Control System Technology. 1996. Vol.4. № 5. P. 513-523.

7. Comparison of Variable Camshaft Timing Strategies at Part Load / ChristensonE., LeoneT., SteinR. // SAE TechnicalPaperSeries/Paper960584.1996.

8. Control of a Camless Engine Electromechanical Actuator: Position Reconstruction and Dynamic Performance Analysis / F. Montanari [et al.] // IEEE Transort Industries Application. 2004. Vol.51. № 2. P. 1508-1519.

9. Control-Oriented Model of a Dual Equal Variable Cam timing Spark Ignition Engine / А. Stefanopoulou [et al.] // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 1998. P. 257-266.

10. Design and Experimental Implementation of an Electromagnetic Engine Valve Drive / T. Parlikar [et al.] // IEEE/ASME Transaction on mechatron-ics. 2005. Vol. 10. №5. P. 482-494.

11. The Third Generation of Valvetrains - New Fully Variable Valve-trains for Throttle-Free Load Control / Flierl R., Kluting M. // SAE Technical Paper Series. Paper 2000-01-1227. 2000.

12. Galietti K., Leone T., Stein R. Dual Equal VCT - A Variable Camshaft Timing Strategy for Improved Fuel Economy and Emissions // SAE Technical Paper Series. Paper 950975. 1995.

13. Hoffmann W., Peterson K., Stefanopoulou A.Iterative Learning Control for SoftLlanding of Electromechanical Valve Actuator in Camless Engines // IEEE Transport Control System Technology. 2003. Vol. 11. №2. P. 174-184.

14. Levin M., Schechter M. Camless Engine // SAE Technical Paper Series. Paper 960581. 1996.

15. Modeling and Control of Electromechanical Valve Actuator / Y. Wang [et al.] // SAE Technical Paper Series. Paper 2002-01-1106. 2002.

16. Nonlinear Self-Tuning Control for Soft Landing of an Electromechanical Valve Actuator / K. Peterson [et al.] // Proceedings of 2002 IFAC on Mechatronics. 2002. P. 207-212.

17. Output Observer Based Feedback for Soft Landing of Electromechanical Camless Valvetrain Actuator / K. Peterson [et al.] // Proceedings of 2002 ACC. 2002. P. 1413-1418.

18. Peterson K., Stefanopoulou A. Rendering the Electromechanical Valve Actuator Globally Asymptotically Stable // 42nd IEEE Conference Decision and Control. 2003. P. 1753-1758.

19. Renault Research. // AutomotiveEngineeringInternational. 2000. P. 114.

20. Sensorless Control of Electromagnetic Actuators for Variable Valve Train / S. Butzmann[et al.]// SAE Technical PaperSeries, Paper2000-01-1225.2000.

21. Stubbs A., Tai C., Tsao T. Modeling and controller design of an electromagnetic engine valve //Proceedings of 2001 ACC. 2001. P. 2890-2895.

22. Theobald M.,LesquesneB., Henry R. Control of Engine Load via Elec-tromagneticValve Actuators // SAE Technical PaperSeries, Paper940816.1994.

23. Virtual Lash Adjuster for an Electromechanical Valve Actuator through Iterative Learning Control / K. Peterson [et al.] // Proceedings of IM-ECE’03 Washington, D.C., November 15-21. 2003.

A. Akhromeshin

Utilization the Electromagnetic Valve Drive in the ICE with Controlled Gas Exchange

The works devoted to use of an electromagnetic valve drive in the ICE are considered. The analysis of advantages before the traditional circuit of the mechanism of gas exchange, mathematical model, prospect of use and development, and also variants of management the system considered type is executed.

Получено 19.01.09