close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Моделирование пульсаций давления во впускном коллекторе автомобильного ДВС при изменении настройки ГРМ..pdf

код для вставкиСкачать
Транспорт
УДК 629.113.001
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ВО ВПУСКНОМ КОЛЛЕКТОРЕ
АВТОМОБИЛЬНОГО ДВС ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАСТРОЙКИ ГРМ
А.И. Федотов1, А.Л. Федоров2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Описана простая математическая модель газообмена в автомобильном двигателе с использованием уравнений
электротехники, показан алгоритм вычислений. Представлены результаты расчета фазы колебаний давления во
впускном коллекторе при изменении угла установки распределительных валов. Выполнено сравнение с экспериментальными данными.
Ил. 9. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: математическое моделирование; газообмен в ДВС; механизм газораспределения; установка
распределительных валов; диагностика; фаза колебаний давления.
SIMULATION OF PRESSURE PULSATIONS IN THE INTAKE MANIFOLD OF THE AUTOMOBILE INTERNAL COMBUSTION ENGINE UNDER THE CHANGE OF THE GAS DISTRIBUTION MECHANISM SETTING
A.I. Fedotov, A.L. Fedorov
National Research Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
A simple mathematical model of gas exchange in an automobile engine using the equations of electrical engineering is
described. A computational procedure is shown. The computational results of the phase of pressure variations in the
intake manifold when changing the setting angle of the camshafts are presented. A comparison with experimental data is
performed.
9 figures. 2 sources.
Key words: mathematical modeling; gas exchange in an internal combustion engines (ICE); gas distribution mechanism;
setting of camshafts; diagnosis; phase of pressure variations.
При эксплуатации автомобильного транспорта в
газораспределительном механизме (ГРМ) двигателя
внутреннего сгорания (ДВС) происходят изменения,
которые можно свести к отклонению угла установки
распределительных валов от оптимального (заводского) положения. Причиной такой расстройки ГРМ может
стать неверная сборка, самопроизвольное перепрыгивание цепи или ремня привода при потере натяжения,
а также растяжение цепи или поворот зубчатых колёс
относительно своих валов. В результате расстраиваются фазы газораспределения, что отрицательно сказывается на важнейших эксплуатационных свойствах
двигателя.
Для диагностики механизма газораспределения
предлагается способ, основанный на связи фазы первой гармоники пульсации давления во впускном коллекторе с угловым положением распределительных
валов. Эта связь была обнаружена в ходе экспериментальных исследований первоначально для вала
привода впускных клапанов (впускной вал) [1], а затем
и для вала привода выпускных клапанов (выпускной
вал). Преимуществами предлагаемого способа являются его универсальность, лёгкость подключения диагностического оборудования, высокая точность контроля.
При расстройке ГРМ геометрические размеры
всех элементов газового тракта остаются неизменными. При постоянной скорости вращения не изменяется
время открытия и пропускное сечение клапанов. Минимальная подача топлива уменьшает влияние процессов горения в цилиндрах на процессы газообмена
во впускном коллекторе. Все эти обстоятельства, значительно упрощающие задачу, позволили предположить, что для моделирования фазы пульсаций давления можно отказаться от сложного математического
аппарата газовой динамики и применить простейшие
уравнения, описывающие протекание электрического
тока по эквивалентной электрической цепи.
На первом этапе была составлена эквивалентная
электрическая схема, моделирующая газообмен в
цилиндре двигателя (рис. 1). Объём пространства над
поршнем представлен в виде постоянного объема
камеры сгорания Vks и переменного объёма цилиндра
V ps , который изменяется при перемещении поршня.
Впускной Gi и выпускной Ge клапаны соединяют цилиндр с участками соответствующих каналов. При
расчёте газообмена в текущем положении коленчатого вала для каждого цилиндра двигателя последова-
___________________________
1
Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта,
тел.: (3952) 405853, е-mail: fai@istu.edu
Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405853,
e-mail: fai@istu.edu
2
Федоров Алексей Леонидович, аспирант, тел.: 89148899092, е-mail: fedorov_a.l@mail.ru
Fedorov Aleksei, Postgraduate, tel.: 89148899092, e-mail: fedorov_a.l@mail.ru
116
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
Транспорт
тельно рассчитываются следующие величины:
1. Полная емкость цилиндра, моделирующая объём пространства над поршнем:
фициент расхода выпускного клапана данного цилиндра, в текущем положении коленчатого вала.
5. Напряжение, моделирующее давление газа в
начале выпускного канала:
С p  Cks  C ps (S ) ,
где С ks – емкость камеры сгорания,
С ps – емкость
цилиндра, S – положение поршня.
2. Напряжение на емкости цилиндра, моделирующее давление газа в цилиндре:
U p 
где
q t 1
Cp
,
q t 1 – заряд в цилиндре на предыдущем шаге,
моделирующий массу газа.
3. Ток впускного клапана, моделирующий расход
газа через клапанную щель:
Ii 
где
t 1
(U s1
 U 1p )  Gi
,
U st11 – напряжение, моделирующее давление в
начале впускного канала за предыдущий момент времени; Gi – проводимость, моделирующая коэффициент расхода впускного клапана данного цилиндра в
текущем положении коленчатого вала.
4. Ток выпускного клапана, моделирующий расход
через щель выпускного клапана:
I e  (U rt11  U p )  Ge ,
t 1
где U r1 – напряжение, моделирующее давление в
начале выпускного канала за предыдущий момент
времени; Ge – проводимость, моделирующая коэф-
U r1  U
t 1
r1
t
N

 I e dt ,
Cr t1
где С r – емкость, моделирующая объём выпускного
канала; N – количество участков, на которые она разделена при расчёте.
6. Напряжение, моделирующее давление газа в
начале впускного канала:
U s1  U
t 1
s1
t
N
   I i dt ,
C s t 1
где С s – емкость, моделирующая объём впускного
канала.
7. Уточнённое значение напряжения, моделирующего давление газа в цилиндре в текущем положении
коленчатого вала:
U p  U p 
t
1
 ( I i  I e )dt .
C P t1
8. Заряд, моделирующий массу газа в цилиндре
двигателя:
q  U p Cp .
Каналы впуска и выпуска по своей физической сути эквивалентны и поэтому могут рассматриваться как
отрезки трубопровода, которые характеризуются емкостью, сопротивлением и инерционностью. При расчете оба канала разбиваются на N связанных объёмов. Переход от пневматической схемы выпускного
канала к его эквивалентной электрической схеме показан на рис. 2 (аналогична схема и впускного канала).
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
117
Транспорт
Первый участок примыкает к соответствующему
цилиндру, а последний – к впускному либо выпускному
коллектору. Рассмотрим расчет газообмена в выпускном канале. Ранее при расчете процессов газообмена
в цилиндре было предварительно определено напряжение в начале канала U r1 в момент времени t . Для
каждого m-го участка канала 1  m  N последовательно вычисляются:
1. Напряжение, моделирующее перепад давления
между участками канала, вызывающее ускорение газового потока:
t 1
I  Rr
t 1
,
U L  U r m  U r m 1  r m
N
t 1
где I r m
(1)
– ток, моделирующий расход газа, рассчи-
танный в предыдущий момент времени; Rr – сопро-
последнем N-ом участке рассчитывается газообмен
между каналом и выпускным коллектором в следующем порядке:
1. Определяем напряжение, моделирующее перепад давления между последним участком канала и
выпускным коллектором:
t 1
U L  U r N  U
t 1
e
t 1
где I r N – ток, моделирующий расход газа через последний участок выпускного канала, рассчитанный в
напряжение, моделирующее давление на следующем
участке выпускного канала.
2. Ток, моделирующий расход газа на рассматриваемом участке канала:
Irm  I
t 1
rm
моделирующее давление в выпускном коллекторе,
рассчитанное в предыдущий момент времени.
2. Рассчитываем ток, моделирующий расход газа
через данный участок канала:
Ir N  I
t 1
rN
t
N
   U L dt .
Lr t 1
3. Уточняем напряжение, моделирующее давление в N-ом сечении канала:
t
N
   U L dt ,
Lr t 1
(2)
Ur N
где Lr – индуктивность, моделирующая инерционность выпускного канала.
3. Уточнённое значение напряжения, моделирующего давление в m-ом сечении канала:
U r m  U r m 
U еt 1 – напряжение,
предыдущий момент времени;
t 1
тивление, моделирующее потери на трение; U r m 1 –
I  Rr
,
 rN
N
 U r N 
t
N
 I r dt .
Cr t1 N
4. Для первого цилиндра рассчитываем напряжение, моделирующее давление в выпускном коллекторе:
t
N
 I r dt .
Cr t1 m
(3)
4. Напряжение, моделирующее давление в m  1
сечении канала:
U е  U еt 1 
1
Cе
t
  I r N dt ,
t 1
где С e – емкость, моделирующая объём выпускного
(4)
коллектора.
Для второго и последующих цилиндров вместо
Процесс вычисления по формулам (1)–(4) повторяется для каждого последующего участка канала. На
та газообмена в предыдущем цилиндре. Окончательно напряжение, моделирующее давление в выпускном
U r m 1  U
118
t 1
r m 1

N
Cr
t
  I r m dt .
t 1
U et 1 применяется U e , полученное в процессе расче-
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
Транспорт
коллекторе в текущий момент времени, определяется
при расчете процессов газообмена в системе выпуска.
Аналогично рассчитываются процессы во впускных
каналах и выпускной системе.
Значения емкостей модели выбирались исходя из
соотношений объёмов соответствующих узлов реального двигателя. Индуктивность и сопротивление каналов подбирались таким образом, чтобы зависимость
расхода рабочего тела от частоты вращения коленчатого вала соответствовала кривой наполнения реального двигателя TOYOTA 4S-FE, которая имеет максимум наполнения на 4000 об./мин за счет инерционного
наддува. Впускная система моделируется сопротивлением и индуктивностью. Сопротивление дроссельной заслонки обеспечивает соответствующее разряжение во впускном коллекторе. Полная электрическая
схема для четырёхцилиндрового двигателя представлена на рис. 3. Емкость цилиндров меняется при изменении фазы коленчатого вала в соответствии с кинематикой кривошипно-шатунного механизма. Проводимость (обратная величина сопротивления) впускных
два оборота его коленчатого вала. Шаг по времени
обеспечивает устойчивость счета при разбиении элементов газового тракта на 10 равных участков. Для
отладки схемы счета использовались простейшие
электрические цепи, для которых находились аналитические решения. Перед началом счета во всех
участках газового тракта устанавливалось атмосферное давление, а токи во всех сечениях обнулялись.
Математическая модель была реализована в виде
программы для персонального компьютера под управлением Windows, алгоритм работы блока расчета газообмена представлен на рис. 4.
Рабочее окно программы показано на рис. 5. Программа выводит в виде графиков давление в коллекторах, расход через дроссельную заслонку, а для первого цилиндра – давление и расход через клапанные
щели и как функции от угла поворота коленчатого вала. На нижнем графике показаны проводимости клапанов и объём пространства над поршнем. Коленчатый вал при этом совершает два полных оборота. При
вращении коленчатого вала начинается движение
и выпускных клапанов изменяется имитацией открытия и закрытия клапанов. Впускная и выпускная системы соединены с атмосферой (источником постоянного напряжения).
Модель позволяет выбирать количество цилиндров в двигателе. При этом учитывается, что циклы в
отдельных цилиндрах равномерно распределены за
поршней в цилиндрах и перетекание тока из впускного
коллектора в выпускной. Модель действует как виртуальный компрессор, перекачивающий рабочее тело.
Из-за сопротивления, создаваемого дроссельной заслонкой, давление во впускном коллекторе падает.
При этом во впускном коллекторе возникают колебания давления, рассматриваемые как функции от угла
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
119
Транспорт
поворота коленчатого вала. Интерес представляет
фаза первой гармоники этих колебаний. Для расчета
фазы k -ой гармоники колебаний применялось преобразование Фурье:
Рис. 4. Алгоритм расчета газообмена в двигателе
120
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
Транспорт
a
 k  Arctg  k
 bk

 ,

(5)
где синусная и косинусная составляющие давления
как дискретной функции, заданной на периоде совокупностью из отсчётов M , рассчитываются по формулам:
ak 
2
M
N
U
j 1
i
j
cos(k  j
2
),
M
(6)
2
bk 
M
N
U
j 1
i
j
sin(k  j
2
).
M
(7)
В двигателе 4S-FE вращение от коленчатого вала
передаётся на распределительный вал, приводящий
впускные клапана (впускной вал) через гибкий зубчатый ремень. Зубчатое колесо на коленчатом валу
имеет 24 зубца, а на впускном 48 зубцов (рис. 6).
Вращение на распределительный вал привода выпускных клапанов (выпускной вал) передаётся от
впускного вала через пару шестерней с 40 зубцами.
Перестановка колеса впускного вала относительно
зубчатого ремня на один зубец вызывает изменение
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
121
Транспорт
начальной фазы впускного и выпускного валов на 15°
относительно коленчатого вала. Перестановка шестерни выпускного вала относительно шестерни
впускного на один зубец вызывает изменение начальной фазы выпускного вала на 18° относительно коленчатого. Чтобы оценить влияние запаздывания одного впускного вала на 15°, делалась перестановка
колеса на один зуб назад и перестановка шестерни
122
выпускного вала на один зуб вперед. В результате
фаза впускного вала составляла +15°, а выпускного –
3°.
Экспериментальное исследование влияния положения распределительных валов на фазу колебаний
во впускном коллекторе проводилось на компьютерном измерительном комплексе [2] на базе двигателя
TOYOTA 4S-FE. Пульсации давления на холостом
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
Транспорт
ходу для различных состояний ГРМ представлены на
рис. 7. Для расчета фазы первой гармоники этих колебаний использовались выражения (5) – (7). Результаты, полученные для некоторых состояний ГРМ,
представлены на рис. 8.
Результаты моделирования и экспериментов
представлены в виде диаграммы, показанной на рис.
9. Выявленные в ходе обработки экспериментальных
данных зависимости практически линейны в широком
диапазоне расстройки ГРМ и изменении режима работы двигателя. Лучшие результаты получены при работе двигателя на установившихся минимальных оборотах холостого хода.
Хорошее совпадение результатов моделирования
и экспериментальных данных говорит о том, что пуль-
сация давления во впускном коллекторе ДВС обусловлена периодическим перетеканием рабочего тела
в цилиндры и при контроле фаз ГРМ остальными газодинамическими явлениями можно пренебречь.
Математическое моделирование показало, что
влияние выпускного вала на фазу колебаний во впускном коллекторе существенно в зоне перекрытия клапанов. Влияние изменений степени сжатия на диаграмму незначительно.
Приведённая диаграмма может быть использована для диагностики ГРМ и позволяет по измеренному
значению фазы пульсаций давления во впускном коллекторе судить о начальном угле установки распределительных валов.
Библиографический список
1. Федотов А.И., Федоров А.Л., Алекна А.С. Диагностика
2. Федотов А.И., Федоров А.Л., Алекна А.С. Компьютерный
установки распределительного вала автомобильного бензикомплекс для диагностики установки фаз газораспределения
нового ДВС по изменению фазы первой гармоники разряжеавтомобильных ДВС. Проблемы диагностики и эксплуатации
ния во впускном коллекторе. Проблемы диагностики и эксавтомобильного транспорта: материалы II Междунар. науч.плуатации автомобильного транспорта: материалы II Межпракт. конф. Иркутск: ИрГТУ, 2009. С. 11-15.
дунар. науч.-практ. конф. Иркутск: ИрГТУ, 2009. С. 6-11.
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (56) 2011
123
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
4 194 Кб
Теги
грм, моделирование, ДВС, коллекторов, pdf, давления, автомобильного, впускной, изменения, пульсаций, настройка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа