Улучшение работы автомобильного двигателя с впрыском бензина путем оптимизации газодинамических характеристик регулятора холостого хода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Моханнад Отман Аль-Равашдех

• Моханнад Отман Аль-Равашдех
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моханнад Отман Аль-Равашдех

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. АНАЛИЗ СИТУАЦИИ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ РАБОТЫ.

1.1. Основные тенденции развития автомобильных двигателей.'.

1.2. Принципы управления холостым ходом двигателей.

1.3. Обзор устройств для управления холостым ходом двигателей.

1.4. Показатели качества холостого хода двигателей.

1.5. Постановка цели и задач исследования.

Глава 2. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КАНАЛА И КЛАПАНА ХОЛОСТОГО ХОДА.

2.1. Задачи расчетного этапа исследования.

2:2. Объект исследования.

2.3. Постановка вычислительного эксперимента на базе программного комплекса Flow Vision.

2.4. Основные результаты расчетного исследования газодинамических характеристик канала и клапана холостого хода

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГУЛЯТОРА ХОЛОСТОГО ХОДА.

3.1. Задачи исследования.

3.2. Лабораторная установка для физического моделирования газодинамических процессов в канале холостого хода

3.3. Методика лабораторных исследований.

3.4. Результаты экспериментального исследования и их анализ.

3.5. Сравнение результатов расчетного и экспериментального исследований

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРА ХОЛОСТОГО

ХОДА НА ДВИГАТЕЛЕ В СОСТАВЕ АВТОМОБИЛЯ.

4.1. Задачи исследования.

4.2. Объект исследования.

4.3. Применяемая аппаратура и методика исследования.

4.4. Основные результаты исследования работы регулятора холостого хода.,.

4.5. Методика подбора газодинамических характеристик клапанного узла регулятора холостого хода для конкретного двигателя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение работы автомобильного двигателя с впрыском бензина путем оптимизации газодинамических характеристик регулятора холостого хода»

К современному автомобильному двигателю предъявляются все более высокие требования по токсичности отработавших газов (ОГ), расходу топлива, надежности, низкой шумности и другим эксплуатационным показателям. Достижение высоких значений указанных показателей было бы невозможно без применения интеллектуальной и силовой электроники. Именно с помощью средств электроники на каждом из режимов работы двигателя его характеристики оптимизируются для нахождения сбалансированного (компромиссного) соотношения между его энергетическими и экологическими показателями.

В связи с широким распространением электронных систем впрыска бензина задачи повышения показателей автомобильного двигателя на различных режимах его работы совершенно изменились, как изменились пути и средства их решения.

С улучшением показателей работы автомобильного двигателя на различных режимах его работы, сегодня предъявляются более высокие требования и к такому, казалось бы, малозначащему режиму работы двигателя, как холостой ход (х.х.). Важность режима х.х. обусловлена тем, что в современных условиях городского движения двигатель работает на этом режиме около 40 % всего времени* движения.

Проведенный анализ процессов, протекающих в автомобильном бензиновом двигателе на холостом ходу, а также существующих путей и устройств для управления двигателем на этом режиме, показывает, что улучшение показателей качества х.х. является* комплексной задачей, актуальной для современной автомобильной индустрии. В России по данной тематике диссертационные исследования до настоящего времени не выполнялись.

В данной диссертационной работе проведено исследование газодинамических характеристик и подбор оптимальных параметров регулятора холостого хода для повышения качества работы двигателя с впрыском бензина.

Исследования выполнены на базе двухцилиндрового автомобильного двигателя с рабочим объемом 0,75 л, оснащенного системой центрального впрыска бензина, которая включает в себя подсистему управления х.х. Невысокая мощность двигателя (24,3 кВт) и- малое число цилиндров изначально предопределяют невысокое качество работы этого двигателя на х. х., особенно при включении/выключении внешних энергопотребителей. Кроме этого, дополнительные трудности управления х.х. вносят малые расходы воздуха, потребляемого двигателем на этом режиме.

Актуальность исследования обусловлена широким распространением систем впрыска бензина на автомобильных двигателях и непрерывным повышением требований к качеству работы- двигателей на различных режимах, в том числе и на холостом ходу.

В ходе исследования решались следующие основные задачи:

• провести расчетное исследование газодинамической модели, канала и вариантов клапана х.х. с использованием программного комплекса Flow Vision;

• создать лабораторную установку для физического моделирования газодинамических процессов в канале х.х.;

• выполнить физическое моделирование газодинамических процессов в канале х.х.;

• экспериментально исследовать показатели работы автомобильного двигателя с впрыском бензина* на режиме х. х. при различных газодинамических характеристиках регулятора х. х.;

• выявить и научно обосновать оптимальные газодинамические характеристики регулятора х.х. для обеспечения стабильного поддержания заданной частоты вращения вала при включении/выключении энергопотребителей для конкретного двигателя;

• выработать рекомендации для повышения качества х.х. автомобильного двигателя с впрыском бензина.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• выполнен анализ совместной работы регулятора х.х. и двигателя;

• определены закономерности изменения газодинамических характеристик регулятора х.х. в зависимости от формы и размеров элементов клапана;

• с помощью программного комплекса FlowVision выявлены газодинамические картины течения потока через канал и различные клапаны х.х., получены данные для построения полей рабочих характеристик разных регуляторов х.х.

Практическую ценность работы представляют:

• созданная и опробованная лабораторная установка для физического моделирования газодинамических процессов в канале х.х., а также динамических процессов функционирования регулятора х.х.;

• выявленные и научно обоснованные оптимальные газодинамические характеристики регулятора х.х. для обеспечения стабильного поддержания заданной частоты вращения вала при включении/выключении энергопотребителей у конкретного двигателя;

• предложенный и успешно опробованный способ определения положения запирающего элемента клапана х.х. при испытаниях регулятора х.х. в составе двигателя;

• разработанная методика подбора газодинамических характеристик регулятора х.х. для двигателей различных моделей.

Несмотря на то, что данное исследование проводилось для конкретного двигателя BA3-11113, его результаты могут быть распространены и на двигатели других моделей.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе, ценные советы и замечания всему коллективу кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета, а также лично В.Ф. Гуськову, М.С. Драгомирову, A.M. Шарапову, О.А. Свирину, Г.В. Овчинникову, М.С. Столбову. Особая благодарность моему научному руководителю - д.т.н. профессору С.Г. Драгомирову.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Моханнад Отман Аль-Равашдех

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ совместной работы регулятора х.х. и двигателя.

2. Получены закономерности изменения газодинамических характеристик регуляторов х.х. в зависимости от формы, и размеров элементов клапана. Установлено; что у регуляторов х.х. на основе шаговых двигателей отсутствует гистерезис расходных характеристик при открытии/закрытии' клапана х.х. По-расходным характеристикам-регуляторов х.х. выявлено, что рабочий диапазон перемещений запирающего элемента составляет от 10 до 40 % его полного перемещения.

3. С помощью программного комплекса Flow Vis ion показаны газодинамические картины течения- потока через канал и различные клапаны х.х., получены, данные для, построения полей рабочих характеристик разных регуляторов х.х. Расхождение между результатами расчета и эксперимента не превысило 7,9 %, что можно считать приемлемым для задач такого класса.

4. Создана и опробована лабораторная установка- для физического моделирования газодинамических процессов в канале х.х., а также динамических процессов функционирования регулятора х.х.

5. Предложен и успешно реализован способ определения положения запирающего элемента клапана х.х. при испытаниях регулятора х.х. в составе двигателя. Способ позволяет определять положение запирающего элемента клапана без подключения датчиков к регулятору, установленному на двигателе.

6. Найдены оптимальные газодинамические показатели регулятора х.х. для обеспечения стабильного поддержания заданной частоты вращения вала при включении/выключении энергопотребителей. Для двигателя с рабочим объемом 0,75 л оптимальное значение сопротивления клапана х.х. в рабочем диапазоне перемещений запирающего элемента характеризуется числами Эйлера Ей = 50.300. Скорость изменения расхода воздуха через электроуправ-ляемый клапан должна составлять около 1 кг/ч на каждый миллиметр рабочего перемещения запирающего элемента клапана.

7. Разработана методика подбора газодинамических характеристик клапанного узла регулятора х.х. для двигателей различных моделей.

8. Предложен способ посадки запирающего элемента клапана х.х. на седло, при котором повышается надежность его эксплуатации за счет исключения возможности заклинивания запирающего элемента в седле.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Моханнад Отман Аль-Равашдех, 2007 год

1. Мир легковых автомобилей: Автокаталог. Вып. 14. М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2006

2. Pischinger F.F. The diesel engine for cars is there a future ? — Trans. ASME. JEng. Cas Turbines and Power. 1998. 120, № 3, p. 641-647

3. Hack G. DI-Dilemma. Auto, Mot. Und Sport. 2002, № 23, s. 80-81

4. Stopp fur kleine GDI-Motoren. Auto, Mot. Und Sport. 2003, № 5, s. 9

5. Hack G. Auf Sparflamme. Auto, Mot. Und Sport. 2002, № 10, s. 66

6. Kiencke U., Cao Chi-Thuan. Regelverfahren in der elektronischen Motor-steuerung. Automob. - Ind., 1988, 33, №2, s. 135-144

7. Система управления двигателем Motronic: Пер. с нем. Bosch. - Издание 94/95. - 68 с.i

8. Электронное управление автомобильными двигателями/ Покровский

9. Г.П., Белов Е.А., Драгомиров С.Г. и др. М.: Машиностроение, 1994. - 336 с.

10. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания: Учебное пособие. -М.: Легион-Авто дата, 2001. 136 с.ч

11. Гирявец А.К. Теория управления автомобильным бензиновым двигателем. М.: Стройиздат, 1997. - 173 с.

12. Системы управления бензиновыми двигателями. Пер. с нем. 1-е русское изд. М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. - 432 с.

13. Сига X., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику: Пер. с японск. -М.: Мир, 1989. 232 е., илл.- 12014. Патент США 5 875 759. МПК6 F 02М 3/00. НПК 123/339.19. Заявл. 12.08.96; Опубл. 2.03.99.

14. Патент США 5 495 835. МПК6 F 02 D 41/16. НПК 123/339.11. Заявл. 23.04.93; Опубл. 5.03.96.

15. Патент США 5 590 630. МПК6 F 02 D 41/16. НПК 123/339.17. Заявл. 5.10.95; Опубл. 7.01.97.

16. Патент США 5 235 947. МПК6 F 02 D 41/16. НПК 123/339. Заявл. 4.11.92; Опубл. 17.08.93.

17. Патент ФРГ 3 726 333. МПК6 F 02 D 29/00, F 02 В 63/06. Заявл. 7.08.87. Опубл. 16.02.89.19.' Европатент 1 108 874. МПК7 F 02 D 41/16, F 02 D 31/00. Заявл. 13.12.2000; Опубл. 20.06.2001.

18. Entwurf eines zustandsregiers fur die Leerlaufregelung eines Ottomotors. — VDI-Ber., 1986, № 612, s. 93-108

19. Eine intelligente Leerbauffulungsregelung mit adaptivem Verhalten. VDI-Ber., 1986, №612, s. 109-120

20. Kanegal Hidetoshi a.o. Динамическая модель системы управления частотой вращения вала ДВС на холостом ходу. Нисан гихо ромбунсю = Nissan Techn. Rev. Trans., 1985, p. 135 (Яп.)

21. Li Xiaoqiu, Yurkovich Stephen. Neural network based, discrete adaptive sliding mode control for idle speed regulation in 1С engines. Trans. ASME. J. Dyn. Syst., Meas. And Contr. - 2001, 122, №> 2, p. 269-275

22. Драгомиров С.Г. Лабораторный практикум по курсу «Газовая динамика ДВС». Владимир: Владим. гос. ун-т, 1997. - 40 с.

23. Росс Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт: Практ. пособие. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2003. - 144 с.

24. Спинов А.Р. Системы впрыска бензиновых двигателей. М.: Машиностроение, 1995. -112 с.

25. Казедорф Ю., Войзетшлегер Э. Системы впрыска зарубежных автомобилей. Устройство, регулировка, ремонт: Пер. с нем. М.: За рулем, 2000. - 256 с.

26. Драгомиров С.Г. , Абрамов П.В. Лабораторный практикум по курсу «Системы управления автомобильными двигателями». Владимир: Владим. гос. ун-т, 2004. - 104 с.

27. EEC System Operation. Prospect Ford Motor Company. - 1986. - 94 p.

28. Renault двигатели F3R, F2R, FIN, F2N, F2NE, F3N, F3P и F7P. Устройство, техническое обслуживание и ремонт. М.: Легион-Автодата, 1999. - 112 с.

29. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. — М.: За рулем, 1998.-440 с.

30. Leerlaufsteller EWD 3. Проспект фирмы Bosch. - Б.г. - 1 с.

31. Автомобильный справочник: Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 992 с.

32. Патент ФРГ 4 431 712. МПК6 F 02 D 41/06. Заявл. 06.09.94. Опубл. 07.03.96.

33. Патент США 5 582 148ю МПК6 F 02 D 41/08. НПК 123/339.22. Заявл.3005.94. Опубл. 10.12.96.

34. Патент ФРГ 4 322 576. МПК6 F 02 D 9/16. Заявл. 07.07.93. Опубл.1201.95.

35. Патент США 4 796 580. МПК4 F 02 М 3/00/ НПК 123/339. Заявл. 11.09.87. Опубл. 10.06.89.

36. Патент США 5 253 624. МПК5 F 02 М 3/00. НПК 123/339. Заявл. 13.10.92. Опубл. 19.10.93.

37. Патент Великобритании 2 271 196. МПК5 F 02 М 23/06. Заявл. 30.09.92. Опубл. 06.04.94.

38. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. / Т.У. Асмус и др. Под ред. Д. Хиллиарда, Дж. С. Спрингера. Пер. С англ. М.: Машиностроение, 1988. - 504 с.

39. Дмитриевский А.В. Шатров Е.В. Топливная экономичность бензиновых двигателей. М.: Машиностроение, 1985. - 208 с.

40. Каменев В.Ф. Метод оценки эффективности рабочего процесса, двигателя на режимах малых нагрузок и глубокого дросселирования / Межвузовский сб. научн. тр. «Автомобили и тракторные двигатели». Вып. XII. М., 1995, с. 189-195

41. Кутенев В.Ф., Каменев В.Ф; О факторах, влияющих на процессы воспламенения и сгорания рабочего' заряда в цилиндре на режимах глубокого дросселирования / Межвузовский сб. научн. тр. «Автомобили и тракторные двигатели». Вып. XII. М., 1995,.с. 25-36

42. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.:. Машиностроение, 1977. - 277с .

43. Илиев А.Л. Разработка математической модели поперечных колебаний двигателя на опорах при его работе на холостом ходу. Улучшение показателей работы автомоб. и тракт, двигателей. - М.: Московский автомоб.-дор. ин-т, 1990.-с. 174-181

44. Лукин A.M. Хавкин В.И. Способ оценки устойчивости работы ДВС по неравномерности угловой скорости вращения1 коленчатого вала. Двигателе-строение. - 1981. - №2. - с. 17-19

45. Черняк Б.Я., Волчек И.И. Моделирование влияния нестабильности сгорания на индикаторные показатели и равномерность работы двигателя// В кн.: Рабочие процессы автотракторных ДВС. М., 1981.-е. 107-115

46. Оставнов А.А. Гребенников А.С. Оценка неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания по неравномерности скорости вращения коленчатого вала // В кн.: Повышение эффективности использования авто-моб. трансп. Саратов, 1978. - с. 68-79

47. Хавкин В.И. Разработка метода автоматизированной оценки: технического состояния автомобильного двигателя: Дисс. . канд. техн. наук. — Л., 1986.-167 с.

48. Лукин A.M., Хавкин А.И., Хавкин В.И. Способ определения идентичности последовательных циклов. Двигателестроение. - 1981. - №7. - е. 5-7

49. Bockelmann W., Graewert G., Burghardt H. Untersuchung der Leer-laufqualitat von Ottomotoren. MTZ: Motortechn.Z., 1990, 51, №12, s.568-575

50. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. Учебное пособие для* вузов; — М.: Машиностроение, 1985. 536 с.

51. Основы теории автоматического регулирования: Учебник для вузов. /В.И. Крутов, Ф.М. Данилов, П.К. Кузьмик и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. — 368 с.

52. Автоматика и автоматизация мобильных сельскохозяйственных машин. /Г.Р. Носов, В.А. Кондратец, Л.Г. Сакало, Л.И. Середа Киев: Вища школа, 1984.-248 с.

53. Кутенев В.Ф., Звонов В.А., Корнилов Г.С. Научно-технические проблемы улучшения экологических показателей автотранспорта. Автомобильная промышленность, 1998, № 11, с. 7-11

54. Андреев В,И. и др. Смесеобразование в карбюраторных двигателях. -М., 1975. -176 с.

55. Лобынцев Ю.И. Критический анализ систем карбюрации автомобилей и пути их совершенствования. М.: НИИНАВТОПРОМ, 1976. - 89 с.

56. Wilcox, D. С. Turbulence modeling for CFD, DCW Industries, Inc., 1994. -460 p.

57. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 786 с.

58. Souders, D. Т., Hirt C.W. Modeling Roughness Effects in Open Channel Flows, FSI-02-TN60, 10 p.

59. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 362 с.

60. Драгомиров С.Г., Абрамов П.В., Янович Ю.В. и др. Результаты работ по созданию системы центрального впрыскивания топлива для двухцилиндрового двигателя автомобиля «Ока» Электроника и электрооборудование транспорта.-2005, №3-4, с. 3-7