Меню Рубрики

Силовые установки и электрооборудование автомобилей

Силовые установки и электрооборудование автомобильной техники

Двигатель как устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу. Методика расчета эффективных показателей поршневых двигателей внутреннего сгорания. Общие сведения об идентификации систем управления. Структура система питания.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

тема: Силовые установки и электрооборудование автомобильной техники

  • Введение
  • 1. Методика расчета эффективных показателей поршневых ДВС
    • 1.1 Общая методология расчёта показателей
    • 1.2 Описание объекта исследования
    • 1.3 Расчёт эффективных параметров двигателя A5D
    • 1.4 Выводы по первому разделу
  • 2. Идентификация системы управления бензинового двигателя
    • 2.1 Общие сведения об идентификации систем управления
    • 2.2 Система управления двигателем A5D
    • 2.3 Идентификация функционала система управления двигателем A5D
  • 3. Элементы системы управления
    • 3.1 Структура система питания двигателей A5D
  • Заключение
  • Приложения
  • Список использованных источников

Направления совершенствования тепловых двигателей сегодня — это увеличение КПД и полноты использования энергии топлива. В какой мере человек научился использовать «силу огня»? К сожалению, средняя тепловая эффективность поршневых машин, используемых сегодня в мире около 35%. Лучшие варианты тепломеханических энергопреобразователей при оптимальных режимах работы способны достичь эффективности не более 60%! двигатель управление питание

Общим для всех разновидностей тепловых машин, является следующее:

І наличие рабочего тела в однофазном или двухфазном виде;

І полезная работа в виде механического движения получается при расширении рабочего тела;

І рабочее тело расширяется благодаря принятой им теплоты от внешнего источника, либо химической реакции с участием самого тела;

Все реализованные на сегодня циклы тепловых машин, можно разделить на две группы:

1) Циклы, процессы которого разведены во времени: все виды поршневых, плунжерных, роторных, пульсирующих реактивных и других цикличных машин;

2) Циклы с непрерывным потоком рабочего тела, процессы которого разведены в пространстве: все виды паро- и газотурбинных установок, прямоточных реактивных, турбореактивных машин.

Сегодня практически все тепловые циклы реализованы «в металле» в виде разнообразных двигателей внутреннего и внешнего сгорания, паровых и др. машин. Отработаны технологии, предлагаются все более разнообразные методы повышения эффективности тепловых двигательных установок.

Энергетическая эффективность циклов оценивается термическим к.п.д., который равен отношению работы цикла к подведённой теплоте:

Термический к.п.д. зависит от характеристик цикла и от свойств рабочего тела: зt =f(е,л,с,k), е =х1/х2 — степень сжатия; л=p2/p1 -степень повышения давления рабочего тела; с=х3/х2 -степень предварительного расширения; показатель адиабаты k определяется составом рабочего тела и изменяется незначительно от 1,33 до 1,37;

Известно, что чем шире температурный диапазон цикла (разница между средними температурами подвода и отвода теплоты), тем больше его термический КПД.

Повышение индикаторного давления приводит к увеличению экономичности тепловых машин, но это повышение обеспечивается ростом температуры рабочего тела. Величина же температуры лимитируются жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены теплонапряжённые детали двигателей.

Если учесть, что цикловая эффективность ещё не учитывает всевозможные потери в самом двигателе, затрачиваемые на обеспечение самого процесса энергопреобразования, становится понятно: сколь тщательно надо следить за режимами работы двигателей и контролировать эти процессы.

В тепловых машинах сегодня активно используются способы повышения эффективности, связанные с регенерацией и рекуперацией тепла рабочего тела вне цикла или через посредство другого рабочего тела (т.н. бинарные циклы), то есть множество разных вариантов повторного использования теплоты, не превращенной в полезную работу в пределах цикла.

В частности, в современных автомобильных двигателях радикальное решение проблемы управления топливоподачей и зажиганием стало возможно благодаря применению исполнительных устройств работающих под управлением микропроцессора, осуществляющим управление подачей топлива, зажиганием, наполнением цилиндров, рециркуляцией отработавших газов и многими другими параметрами. Это стало возможным благодаря применению микропроцессоров позволяющих реализовать сложные алгоритмы управления, учитывающие большинство факторов, влияющих на рабочий процесс двигателя и управлять ими на цикловом уровне.

Но для полноценной реализации возможностей современной электроники, необходимо рассматривать систему управления рабочим процессом двигателя как часть системы управления автомобилем в целом. Именно таким образом создаются системы управления работой двигателя, способные удовлетворить все требования, предъявляемые к современному автомобилю.

1. Методика расчета эффективных показателей поршневых ДВС


Общая методология расчёта показателей

Всё, что происходит внутри двигателя, потребителя, вообще говоря, не интересует. В любой машине: из потребительских качеств на первом месте стоят функциональные параметры, на втором -затраты энергии, приходящиеся на единицу функционала, на третьем -масса и габариты машины и на последующих -экологичность, уровень шума и др.

Читайте также:  Узаконить установку гбо на автомобиль

К эффективным функциональным показателям поршневых ДВС относятся: эффективная мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление в цилиндре, эффективный КПД, диапазон рабочих угловых скоростей и время разгона.

Эффективная работа двигателя за один цикл:

где: Li -так называемая индикаторная работа или работа цикла; Lмп — работа механических потерь.

Разделив на рабочий объем Vh·i, получим:

где: i -число цилиндров; pe -среднее эффективное давление, то есть, работа, получаемая за цикл с каждого кубического сантиметра рабочего объёма.

Умножив далее выражение (2) на (Vh·i·n/(30·ф)), получим эффективную мощность двигателя:

где: n -число оборотов коленчатого вала за минуту; ф -тактность двигателя; Nмп -мощность, затрачиваемая на компенсацию механических потерь.

Эффективный крутящий момент получим:

Me = 1000·pe·Vh·i /(р·ф) = Mi ? Mмп (4)

Механический КПД двигателя:

зм = Le / Li = pe / pi = Me / Mi = Ne /Ni (5)

Ввиду того, что самым доступным измеряемым стендовым параметром ДВС является давление, запишем:

зм = pe / pi = (pi ? pмп)/ pi = 1? pмп)/ pi..

Эффективный КПД двигателя это, по сути, доля подведенной к рабочему телу теплоты, превращенная в полезную работу:

где: зi=1/gi·Qн -индикаторный к. п. д.; Qн-низшая теплота сгорания топлива; gi =G/Ni -индикаторный удельный расход топлива кг/(кВт·час); G -часовой расход топлива кг/час; Ni -индикаторная мощность кВт. Отметим, что Ni и gi, наряду с куртящим моментом являются стендовыми параметрами двигателя.

На расход топлива влияют: скорость и полнота сгорания топлива; потери тепла в систему охлаждения и выпускными газами.

Наибольшее влияние на скорость и полноту сгорания оказывают качество смесеобразования и угол опережения зажигания, способы подачи топлива. Качество смесеобразования зависит от целого ряда факторов, важнейшими из которых являются конструктивные особенности камеры сгорания и форсунки, физические свойства топлива, избыток воздуха.

Удельный эффективный расход топлива или расход топлива на единицу эффективной мощности в час: ge= gi /зм . (7)

Механические потери давления pмп можно уменьшить оптимальным конструированием, правильным выбором теплового режима работы двигателя и поддержанием этого режима в процессе эксплуатации;.

Правильный выбор конструкции и размеров впускной и выпускной систем уменьшает потери на газообмен. В процессе эксплуатации сопротивления систем не должны изменяться. Поверхности трущихся пар сводятся к целесообразному минимуму, при котором обеспечивается надежное жидкостное трение, а силы трения имеют малые значения. К минимуму сводится также количество поршневых колец. Существенное значение имеет оптимизация размеров и частоты вращения вспомогательных механизмов, как вентилятор, водяной и масляный насосы.

Описание объекта исследования

В качестве примера в данной работе рассматриваем бензиновый, четырехцилиндровый двигатель автомобиля КИА РИО -А5D

Рис.1.2.1 Общий вид двигателя А5D

Бензиновый, 4-х цилиндровый

Количество клапанов на цилиндр

Частота холостого хода, мин-1

Угол опережения зажигания, ° до ВМТ

Давление открытия предохранительного клапана масляного фильтра, кПа

Давление включения датчика давления, кПа

Система охлаждения: объем охл.жидкости, л

Термостат: начало открытия; полное открытие; ход клапана

Вентилятор: диаметр; число лопастей

Свободный ход троса акселератора

1.2.1 Характеристика механизмов и систем двигателя

В этом подразделе приведём кратчайшее описание систем и агрегатов двигателя в том порядке, в котором они прилагаются в инструкциях по эксплуатации: в порядке их важности.

Система смазки: состоит из масляного поддона, масляного насоса, масляного фильтра и масляных каналов. Масляный насос приводится в действие от коленчатого вала. Клапан-регулятор давления в масляном насосе поддерживает определенный уровень давления в системе смазки и при его превышении открывается, и часть масла сливает обратно в масляный поддон. В фильтре также имеется перепускной клапан, через который в случае сильного загрязнения фильтра неочищенное масло поступает сразу в масляную магистраль.

После фильтрации, масло поступает в главную масляную магистраль, а дальше поток масла разделяется по двум направлениям. Один поток подается к коренным подшипникам коленчатого вала, а через просверленные каналы смазывает и шатунные вкладыши. Для охлаждения поршней масло через распылители разбрызгивается на т.н. «юбки» поршней.

Второй поток масла по каналам подается к головке блока цилиндров для смазки подшипников распределительных валов и в гидравлические компенсаторные толкатели. После прохождения через головку и блок цилиндров, масло обратно стекает в масляный поддон.

Читайте также:  Установка монитора в автомобиль киа рио

В состав системы охлаждения закрытого типа входят водяной насос, радиатор с поперечным обдувом, вентилятор радиатора с электроприводом, термостат, радиатор отопителя, шланги и датчики. Вентилятор радиатора с электрическим приводом включается при срабатывании контактного датчика температуры. На моделях с автоматической трансмиссией часть жидкости циркулирует через охладитель трансмиссионной жидкости. Температура начала открытия клапана термостата: 86,5-89,5 °С. Температура полного открытия клапана термостата: 100 °С. Ход клапана термостата: 8,0 мм.

Топливная система. Технические данные: диаметр диффузора дроссельного узла 50мм; Сопротивление воздушного клапана регулировки частоты вращения холостого хода в открытом состоянии 17-18,2 Ом, закрытый 15-16 Ом; топливные форсунки электромеханического типа, число портов распыления 2, сопротивление при 20°С 13,5-15,5 Ом, давление создаваемое топливным насосом 4,5-6,5 кг/см2, давление, поддерживаемое регулятором давления 3,25-3,35кг/см2.

Система зажигания. На автомобили устанавливается бесконтактная система зажигания, обеспечивающая увеличение диапазона установки угла опережение зажигания и напряжения распределителя зажигания при уменьшении электрических помех.

Система включает: катушку зажигания; датчик положения распределительного вала; блок управления зажиганием ECU; высоковольтные провода и свечи зажигания.

В бесконтактной системе зажигания датчик положения распределительного вала и датчик угла поворота коленчатого вала передают блоку управления двигателем информацию — в какой цилиндр необходимо подать напряжение зажигания. Блок управления двигателем подает сигнал соответствующей катушке зажигания, которая вырабатывает ток высокого напряжения и передает этот ток свече зажигания, при этом: импульс зажигания подается сразу на две свечи зажигания, один на такте сжатия, один на такте выхлопа — искра зажигания на такте выхлопа не оказывает никакого влияния на работу двигателя. Цилиндры группируются в соответствии с порядком работы цилиндров. Каждая катушка зажигания фактически состоит из 2-х отдельных высоковольтных обмоток, которые подают искру в два цилиндра каждая (одна к цилиндрам № 1 и 4, а другая к цилиндрам № 2 и 3).

Установка угла опережения зажигания определяется и устанавливается блоком управления двигателя, основанного на сигналах от различных датчиков и выключателей. Блок управления двигателем изменяет установку угла опережение зажигания согласно частоте вращения двигателя, количеству поступившего воздуха, температуре охлаждающей жидкости и другим условиям.

Система выпуска отработавших газов

2 — отверстия для болтов фланцев;

4 — соединительный фланец А;

5 — отверстия для болтов фланцев; 6 — соединительный фланец В;

7 — приемная выхлопная труба;

8-болты крепления кронштейна;

9- крепление кронштейна к приемной выхлопной трубе;

10 — болт; 11 — каталитический нейтрализатор; 12 — шпильки крепления каталитического нейтрализатора.

Рис.1.2.7. Система выпуска газов

Расчёт эффективных параметров двигателя A5D

Произведём расчёт эффективных функциональных параметров выбранного двигателя на основе методологии, приведённой в разделе 1.1.

Расчёты выполнены с применением таблиц Excel. Исходя из размеров выбранного двигателя, топлива, на которое сделана ссылка в паспорте транспортного средства, с учётом числа цилиндров, тактность двигателя, режимов эксплуатации были произведены расчёты индикаторных показателей и на их основе построена индикаторная диаграмма, и далее расчёт эффективных показателей. Вычисленные величины вполне коррелируют с паспортными данными ДВС и стендовыми показателями, полученными из сетевых источников.

Здесь представим результаты расчётов.

Ниже приведена расчётная индикаторная диаграмма рассматриваемого двигателя.

1.3.1 Расчет индикаторных показателей рабочего цикла

Методика расчёта индикаторных параметров двигателя позволяет получить их значения для любых режимов работы. Наиболее предпочтительным режимом при исследовании потребительских характеристик двигателя является эксплуатационный режим — то есть режим наибольшей продолжительности в процессе эксплуатации автомобиля. Это соответствует движению автомобиля т.н. «крейсерской» скоростью при наиболее экономичных оборотах двигателя. В нашем случае это 3600 об/мин.

Расчет среднего индикаторного давления для карбюраторного ДВС:

Действительное индикаторное давление определяется:

Степень повышения давления. =3,77;

Среднее индикаторное давление Рi =??·Рi`=1,07 МПа,

где: поправочный коэффициент для карбюраторных ДВС: ?? =0,95

Расчет средней индикаторной мощности: Ni = (Pi·Vh·i·nw)/(30·?) = 4,77 кВт,

где: рабочий объем одного цилиндра Vh = 0,373 дм3

число цилиндров i = 4; тактность двигателя ф = 4;

частота вращения коленчатого вала nw = 3600 об/мин.

Расчет среднего индикаторного к.п.д.:

где: теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг. топлива:

плотность заряда на впуске. o= 0,930 кг/м3

Расчет удельного расхода топлива:

1.3.2 Расчет эффективных показателей двигателя

Эффективная мощность определяется:

Мощность механических потерь:

Среднее давление механических потерь для карбюраторных ДВС:

Рм = 0,04 + 0,013·wcр = 0,18977 МПа

Среднее расчетное эффективное давление определяется: Рe=Рi ?Рм=0,88 МПа

Действительное среднее эффективное давление определяется:

Читайте также:  Подъемная установка для ремонта автомобилей

где: мощность двигателя на расчетном режиме New = 47,63 кВт

Значение Ред отличается от Ре на: 7%

Расчет механического к.п.д. ??м = Ре / Рi = 82,18%

Расчет эффективного к.п.д. е = Lе / Qн = ?i·?м = 46,15%

Эффективный удельный расход топлива:

Часовой расход топлива определяется: Gт =10-3·Nw · ge = 0,86 кг/час

Выводы по первому разделу

Вычисленные эффективные показатели рассматриваемого двигателя A5D численно очень близки к паспортным и, следовательно, заслуживают доверия. Соотношения индикаторных и эффективных показателей также коррелируют с декларируемыми производителем (KIA MOTORS CORPORATION). Кроме этого, личный опыт эксплуатации двигателя — по утверждениям десяти независимых респондентов, также подтверждает расчётные показатели по среднему расходу топлива.

Расчёт показывает, что при эксплуатационном режиме используется только 64,75 л.с от паспортных 98 л.с., то есть — 66% полной мощности двигателя, следовательно имеется хороший запас для разгона и маневра. Вот этот запас мощности, имеющийся у автомобиля сверх основного функционала также является косвенным, но важным эффективным параметром автомобильного двигателя.

Расчёт подтверждает сказанное выше в введении: эффективное значение к.п.д. двигателя 46% — то есть в механическую работу на валу двигателя преобразуется менее половины энергии топлива. И это ещё без учёта потерь в трансмиссии! До колёс доходит в лучшем случае треть энергии сгорания топлива.

При этом, необходимо понимать: даже самое идеальное управление двигателем не повышает этот коэффициент. Правильное управление двигателем позволяет лишь отсечь невостребованное сжигание топлива, тем самым экономя его, улучшает экологические показатели и, конечно, позволяет увеличить срок службы двигателя.

2. Идентификация системы управления бензинового двигателя


2.1 Общие сведения об идентификации систем управления


Идентификацией называется нахождение оптимальной модели соответствия входных и выходных переменных, построенной по результатам непосредственных наблюдений и измерений.


Задача идентификации это обратная задача системного синтеза.


A M = f (U,Y)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.1 Задача идентификации

Выделяют два типа задач идентификации:

1. Структурная идентификация — обширного применения;

2. Параметрическая идентификация — с локальными целями.

Ни один из методов идентификации не является универсальным, так как не существует универсальной математической модели. Методы идентификации классифицируют по различным признакам.

І активные — при помощи тестовых сигналов;

І пассивные — статистической обработкой измерений входных и выходных сигналов нормально функционирующего объекта.

По характеру используемых сигналов:

По временным затратам методы делятся на:

І оперативные — когда оценка параметров моделей происходит в реальном времени;

І ретроспективные — когда сначала собирается массив данных, а оценка характеристик получают после обработки этого массива.

Структурная идентификация начинается с построения модели типа «черный ящик», когда объект существует и функционирует, но о нём ничего не известно (или предполагается, что ничего). Главная задача в этом случае это определение структуры модели: определение тип (класс) моделей и определение размера или порядка модели (определение количества внутренних переменных).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.2 Структурная идентификация

Решение задач структурной идентификации обычно начинают с построения физической модели по известным законам физики, по возможности с самых простых (линейная, непрерывная, одномерная…), далее преобразуя к виду линейной регрессии: yi = a0 + a1·u1 + . + aт·un

В смысле размера или порядка модели, главной задачей определение недостаточности или избыточности модели, используя один из известных методов исследования ковариационных и корреляционных матриц.

Параметрическая идентификация (способ параметризации модели). Параметрическая идентификация должна быть: управляема и идентифицируема.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.3 Параметрическая идентификация

Рассмотрим систему в виде: =Ax + Bu; y = Cx; порядок системы n .

Система управляема, если для любого момента времени при любых состояниях существует такое управление u, которое переводит начальное состояние системы в конечное за ограниченное время Dy=[ В AB…Аn-1]

Условие управляемости системы: rank D(у)=n.

Система идентифицируема, если по измерениям координат состояния системы можно определить ее параметры.

В простейшем случае Du=[ x0 Ax0…Аx0n-1], где x0 -вектор начальных условий. Условие идентифицируемости системы: rank D(и) = n здесь: (rank F(массив) функция ранжирования массива).

В рассматриваемом случае, применительно к системам управления параметрами двигателя массивом является количество результирующих состояний управляемой системы, соответствующее набору управляющих сигналов. Буквально: если любой из имеющихся комбинаций входных воздействий приходится однозначно определяемое результирующее состояние системы rank D(и) = n (где n — число комбинаций воздействия) -то система полностью идентифицируема; если D(и)

© 2000 — 2018, ООО «Олбест» Все права защищены

источник