30 Янв

О НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЯХ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Конструкции основных систем транспортных средств    силовой установки. трансмиссии, тормозной системы, системы подрессоривания, электрооборудовании и других  представляют собой сложные технические решения, которые строятся на современных научных разработках. Правда, следует заметить, что в них ещё недостаточно полно используют теорию оптимизации и нейронную технологию.  Проектированием электронной, электрической, гидравлической, пневматической и других систем занимаются специалисты в соответствующих областях науки. Перед современным автомобилестроением стоит глобальная проблема  ̶  создание автомобиля будущего [3, с. 46] , но здесь возникают противоречия:  с одной стороны,  необходимо выполнять ужесточающиеся требования к активной и экологической безопасности, а с другой стороны, автомобиль должен удовлетворять  потребительским свойствам и, тем самым, быть  конкурентоспособным. Например, невыполнение требований Евро -5, (а в перспективе и Евро -6) исключает возможность использования автомобилей ниже требований Евро -4, так же, как и невыполнение требований Правил ЕЭК ООН. Поэтому нужны принципиально новые технические решения в конструкции транспортных средств, которые не могут быть разработаны без соответствующих научных исследований, закономерностей и принципов прикладной науки  ̶  теории оптимизации автомобиля [2, c. 385]. 

Например, для работы на газообразных топливах транспортные средства переоборудуют в газобаллонные автомобили. В зависимости от вида применяемых газомоторных топлив, типа двигателей предусмотрены следующие системы питания топливом: однотопливные, двухтопливные с независимым питанием двигателя одним из топлив и двухтопливные с одновременной подачей двух топлив (газодизели). В перспективе, безусловно, будут использованы другие способы подачи топлива. Например, известен способ, заключающийся в использовании энергии сфокусированного луча лазера путём импульсного воздействия на рабочую жидкость. Недостатком данного способа является низкая эффективность использования энергии сфокусированного луча лазера из-за того, что в нём отсутствует резонансное поглощение лазерного излучения рабочим веществом, что требует более высокой мощности лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в полость впускного устройства подают лазерное излучение с частотой =2900 см-1, при этом за счёт резонансного поглощения молекулами топлива этого излучения возникает светогидравлический эффект, который приводит к нагреву, расширению и появлению в топливе импульса давления.

Основными характеристиками лазеров, определяющими возможности использования их в конкретных устройствах, например, в двигателях внутреннего сгорания являются: 1) длина волны или частота  излучаемых электромагнитных колебаний; современные лазеры генерируют в диапазоне волн 0,23…583 мкм (1,3∙1015…5,57∙1011 Гц); 2) мощность излучения в регулируемом режиме;

3) угловая расходимость луча, она составляет десятки угловых секунд – единиц угловых минут; ширину луча с помощью системы линз можно сузить до величины, ограничиваемой явлениями дифракции;  4) спектр излучения определяется интервалом частот электромагнитных колебаний, генерируемых лазером;  5)  для более полного поглощения света во взрывную камеру вводят  химические вещества, способствующие поглощению света, разложению воды и повышению взрывоопасных концентраций химических соединений, то есть все это относится к области энергетики, а не  к двигателестроению на способ подачи топлива с определенным давлением через форсунку в цилиндр двигателя. По этим характеристикам проводят подбор лазерного излучателя, соответствующего частоте поглощения этого излучения топливом.

На рис. 1 показан спектр поглощения инфракрасного излучения (ИК-излучения) бензином АИ-76, из которого следует, что максимальное поглощение ИК-излучения  приходится на частоту, равную =2900 см-1 ,  то есть, если частота  ИК-излучения лазера резонансно совпадает с частотой этих колебаний, то это даст максимальный светогидравлический эффект, который вызывает практически мгновенный нагрев и расширение топлива, а образующий импульс давления приводит к впрыску топлива в цилиндр двигателя.

Рисунок 1. Профиль спектральной линий − ширина

спектральной линии излучения лазера; ширина  линии резонатора

Известно, что лазер является генератором когерентного излучения.  Понятие «когерентность» соответствует понятию «корреляция», так как в общем случае под когерентностью понимают корреляцию каких-либо характеристик поля электромагнитной волны (например фазы волны). Направление распространения электромагнитной волны постоянно или изменяется, но не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, такая волна когерентна. Когерентность электромагнитного  излучения связана  с его монохроматичностью с различными частотами. Частотное разделение колебаний выражено  где скорость света;  целое число полудлин волн; то есть. ; где число полуволн, укладывающихся на длине резонатора; длина волны, и говорит о том, что спектральные линии излучения будут располагаться по всей ширине рабочего перехода.

Существует ряд методов получения генерации на конкретной частоте. Например, один из них состоит в том, что уровень накачки (возбуждения активных центров) доводят до такой величины, чтобы он превосходил пороговое значение, а усиление превышало потери только для одной моды. Мода характеризуется конфигурацией поля и числом полуволн, укладывающихся на длине резонатора так, чтобы расстояние между соседними продольными отметками было больше ширины линии атомного перехода. Существуют и другие методы получения генерации на одной частоте с помощью дополнительных устройств: диафрагмы, вторичного резонатора и т. д.

Кроме того, следует отметить, что в зоне поглощения энергии света химическими веществами появляются высокие давление (до 1 млн. атмосфер) и температура (до 1 млн. градусов). Эти характеристики неприемлемы для работы двигателя внутреннего сгорания  (дизельный), который  в полости впускного устройства может работать при давлении впрыска топлива около 15…30 МПа,  температура воспламенения топлива должна быть 350…380 оС, температура остаточных газов после воспламенения для дизельных двигателей 700…900 К. Степень повышения давления газов при сгорании топлива в период задержки воспламенения с неразделенными камерами сгорания лежит в пределах 1,6…2,5; с вихревыми, предкамерными и плёночными смесеобразованиями в пределах 1,2…1,8. Топливо не должно содержать кислот и воды, вызывающих коррозию деталей. Для получения наибольшего эффекта и снижения мощности излучения частота сигнала лазерного излучателя должна быть равна частоте резонансного поглощения молекулами топлива этого излучения.

В инжекторных бензиновых двигателях для снижения вредных отработавших газов, повышения топливной экономичности и улучшения динамики автомобиля регулируют количество впрыскиваемого инжектором (форсункой) топлива, угол опережения зажигания, а также другие  параметры с помощью управляемого бортового компьютера  (электронный блок управления).

Двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензовоздушной смеси, способен работать и на газовоздушной. Любая газовая система питания, независимо от сложности, не исключает работу двигателя на бензине.

Для управления подачей топлива и обеспечения требуемых режимов работы двигателя, высоких экологических показателей, а также возможности его диагностики в электронный блок управления (ЭБУ) поступает информация о текущем состоянии двигателя и других систем.

Данные, в виде аналоговых и цифровых электрических сигналов, поступают в ЭБУ с датчиков, определяют базовое количество топлива по алгоритму, записанному в постоянной памяти (ПЗУ). Одновременно этот параметр корректируется, обеспечивая оптимальный расход топлива.  Использование расходомера совместно с устройством энергомера [1] даёт возможность разработать систему автоматизированного управления режимом работы транспортного средства. На рис. 2 приведена структурная схема и аналого-цифрового преобразователя, которая реализована на базе  микропроцессора ПА-1572.

Устройство работает следующим образом, при запуске двигателя регулятор подачи топлива находится в максимальном положении подачи топлива, когда стартер начинает раскручивать поршневую группу двигателя, то на выходе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7 появляется цифровой код, который эквивалентен приведённой затраченной энергии двигателя, и каждому значению работы двигателя соответствует определенный расход топлива. Код   подаётся на адресный вход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 14, в котором каждому адресу соответствует код расхода топлива при оптимальном режиме работы с выхода блока 14. Этот код  подаётся на один из входов сравнивающего устройства 16. С другой стороны цифровой код  поступает на цифровой вход перемножающего цифроаналогового преобразователя 12, а на аналоговый вход с датчика расхода топлива поступает сигнал, соответствующий фактическому расходу топлива, который зависит от положения регулятора подачи топлива.      

Рисунок 2. Блочная схема оптимизатора (а) и аналого-цифрового

преобразователя (б) (А. с. № 1754506)

 

Таким образом, на входе блока 12 имеется сигнал реального расхода топлива от затраченной энергии . Этот сигнал с помощью второго АЦП 9 преобразуется  в цифровой код , который соответствует реальному расходу топлива, подаётся на адресные входы первого запоминающего устройства 15. В ПЗУ 15, как и в постоянном запоминающем устройстве 14, происходит преобразование входного цифрового кода в выходной код. Выходной код устройства 15 подаётся на другой вход сравнительного устройства 16. На выходе блока 16 имеется код рассогласования , эквивалентный разнице расхода топлива  при оптимальном режиме  работы двигателя и реальном, зависящем от положения регулятора подачи топлива. Этот код с помощью цифроаналогового преобразователя 17 преобразуется в аналоговый сигнал, который усиливается усилителем мощности 18 и подаётся на исполнительный механизм (шаговый двигатель), который установит регулятор расхода топлива таким образом, чтобы сигнал рассогласования был равен «0», то есть происходит оптимальная подача топлива, таким образом, двигатель транспортного средства выходит на оптимальный режим работы. Для работы устройства используют датчик оборотов коленчатого вала 1 и колеса 6, формирователи напряжения 2 и 5, датчик загрузки 3, масштабный усилитель 10, генератор временных интервалов 8, датчик расхода топлива 13, АЦП 7 и 9, измеритель расхода топлива на единицу мощности 11, перемножитель 4, на выходе которого имеем напряжение  

где  масштабирующий коэффициент;  напряжение смещения, определяющее величину энергии, расходуемой транспортным средством в режиме «стоп»;  ̶  функция зависимости напряжения от частоты вращения колеса;  функция зависимости напряжения от частоты вращения коленчатого вала двигателя;  функция зависимости напряжения от разряжения в впускном коллекторе двигателя.

Использование данного устройства в сравнении с известными  устройствами обеспечивает непрерывное отслеживание энергии, расходуемой транспортным средством.  В результате этого непрерывно оптимизируется расход топлива, вследствие чего возрастает топливная экономичность двигателя, двигатель работает всё время в оптимальном режиме, что обеспечивает минимальный износ трущихся пар. Предлагаемое конструктивное решение не склонно к «рысканию» при движении  по дороге типа «стиральная доска», так как отслеживание расходуемой энергии и воздействие на регулятор расхода топлива идёт непрерывным процессом.

Для поддержания теплового режима двигателя [2,  c. 375] предложено новое конструктивное решение  ̶ устройство включения вентилятора при заданной температуре (рис.3). Оно снабжено ведомым диском, жёстко соединённым с ведомом валом, свободно входящим в осевое отверстие ведущего вала с возможностью осевого перемещения и вращения, на свободном конце ведомого вала закреплена шаровая опора и соединена с датчиком, выполненным из материала с памятью формы, имеющий вид ступенчатого сильфона, между ведомым и ведущим дисками расположена пружина, торцы ведущего и ведомого дисков обращенные оппозитно друг другу и выполнены в виде косозубого зубчатого зацепления.

            

Устройство содержит ведомый шкив 1, который насажен на ведомый вал 2 со ступицей 3 и жёстко соединён с вентилятором 4, один конец ведомого вала свободно входит в осевое отверстие 5 ведущего вала 6 с возможностью осевого перемещения и вращения на подшипниках скольжения 7, между ними расположена пружина 8, другой конец вала 2  соединён через шаровую опору 9 с датчиком 10, выполненным из материала с памятью формы, имеющий вид ступенчатого сильфона, торец датчика 10 расположен на незначительном расстоянии к радиатору 11 и закреплён  через кронштейн 12 к блоку цилиндров двигателя. Ведущий 6 и ведомый 2 валы жёстко насажены на ступицы 13 и 3, которые соединёны со шкивами 1 и 14 для привода и имеют торцевые косозубые зубчатые зацепления 15 и 16.

 В исходном состоянии, когда температура  охлаждающей жидкости  в радиаторе 11 ниже 80 ⁰С, датчик 10 имеет форму, показанную на рис. 3, а  и длину, равную a. Пружина 8 находится в свободном состоянии, шкивы 1и 14 отделены друг от друга, зубья расцеплены, шаровая опора 9 находится в контакте с ведомым валом 5, вентилятор 4 отключен. При достижении температуры  охлаждающей жидкости более 80 ⁰С в радиаторе 11, датчик  10 скачкообразно изменяет форму, показанную на рис. 3, б  и имеет длину, равную величине  a+s, где s – приращение длины датчика, достаточной  для вхождения в зацепление зубьев 15 и 16 шкива 1 и 14. В процессе удлинения датчик 10 через шаровую опору 9  воздействует на ведомый вал 2 и перемещает его вовнутрь ведущего вала 6 на величину s. При этом датчик сжимает пружину 8 и ведомый шкив 1 входит ступенчато с зубьями в зацепление с зубьями  ведущего шкива 14, который передает вращение к вентилятору 4. С понижением температуры датчик и пружина принимают исходное положение, происходит отключение зубчатого зацепления ведомого шкива 1 от ведущего, вентилятор 4 будет отключен.

Перемещение, получаемое от датчика 10, в большинстве случаев имеет достаточную мощность, чтобы непосредственно привести в движение ведомый вал и соединение зубчатого зацепления 15 и 16. Динамические свойства устройства для включения вентилятора в целом соответствуют описанию передаточной функции. При ступенчатом воздействии датчика 10 на ведомый вал 2 и нулевых начальных условиях передаточную функцию можно отнести к апериодическому звену:      

Решение этого уравнения возможно при нулевых начальных условиях, и при  получим переходную функцию .

По характеру поведения переходной функции соответствует рис. 3, б, что обеспечивает устойчивую работу устройства. Применение в устройстве датчика, выполненного из материала с памятью формы,  позволит значительно упростить конструкцию и повысить надежность его работы, обеспечивая заданный тепловой режим двигателя.

Другим важным конструктивным решением снижения расхода топлива является рекуперация энергии торможения и работа двигателя в стационарном экономичном режиме. Для транспортных средств с комбинированной силовой установкой и образцов с параллельными и последовательными потоками мощности сегодня делают ставку на коробки передач семейства FP System с комбинированными потоками. Модели EV Drive Hybrid представляют собой компактные изделия, которые состоят из генератора и электромотора, роторы которых являются внешней частью планетарных редукторов. Причём двигатель работает постоянно. Его режим подобран в оптимальной зоне по расходу топлива. При этом передача мощности осуществляется бесступенчато. Водитель вообще не управляет подачей топлива (эту функцию выполняет САУ), а нажатием на педаль акселератора задаёт скорость движения транспортного средства.  Кроме рассмотренных схем в конструкциях транспортных средствах применяют моторно-трансмиссионные установки и коробки передач с тремя и четырьмя степенями свободы.   

    Список литературы  

  1. А. с. № 1754506 Российская Федерация МПК В 60 К 41/04. Система автоматического управления режимами работы двигателя транспортного средства /И. Ф. Дьяков, А. М. Казаков: заяв.21.03.90; опбл, Бюл. изоб. № 30,  1992.
  1. Дьяков И. Ф. Основы оптимизации в автомобилестроении М. : Машиностроение, 2012. ̶  386 с.
  2. Jpan Plans for the Future: Automotive Engineening Intemational,   August 2001, p . 60.
    О НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЯХ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ
    Written by: Дьяков Иван Фёдорович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 05/26/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)
    Available in: Ebook