Возможности управления двигателем внутреннего сгорания при его использовании в качестве тормоза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможности управления двигателем внутреннего сгорания при его использовании в качестве тормоза

В.М. Зотов, А.И. Рябов, Ф.Р. Аль-Сумайдаи, А.Х. Ш. Аль-Джумаили

Аннотация

В статье анализируются конструкции используемых в настоящее время моторных тормозов и их эффективность с точки зрения возможности регулирования мощности механических потерь двигателя. Показаны, с этой точки зрения, их достоинства и недостатки. Предлагаемый авторами моторный тормоз с заслонкой даёт возможность повышения эффективности торможения автомобиля двигателем и стабилизацию тормозного момента за счет автоматизированной системы управления дополнительным клапаном.

Актуальность. На современном этапе развития автомобилестроения наиболее перспективным способом повышения эффективности торможения, снижения нагрузок на рабочую тормозную систему, повышения ее надежности, а также безопасности движения автомобиля на спусках, особенно затяжных, является использование моторных тормозов различной конструкции. По сравнению с гидравлическими и электрическими вспомогательными тормозными системами моторные тормоза, имеют более простую конструкцию, а главное, в несколько раз меньший вес и стоимость. Материалы и методы. В статье анализируются конструкции используемых в настоящее время моторных тормозов и их эффективность с точки зрения возможности регулирования мощности механических потерь двигателя. Показано, что существующие моторные тормоза не позволяют водителю плавно регулировать мощность механических потерь двигателя и скорость движения автомобиля в процессе торможения и, следовательно, выбрать необходимую интенсивность торможения без подключения рабочей тормозной системы. В то же время анализ показал, что моторный тормоз с заслонкой Konstantdrossel, разработанный инженерами Daimler AG, обеспечивает возможность регулирования мощности механических потерь двигателя, при условии что скорость вращения коленчатого вала не ниже 900 об/мин. В противном случае наблюдается возрастающая утечка газа через постоянный дроссель, в результате тормозной эффект уменьшается и моторный тормоз автоматически деактивируется. Результаты и выводы. Для устранения указанного недостатка предлагается дополнить моторный тормоз с заслонкой автоматизированной системой управления механическими потерями двигателя с помощью контроллера тормозного момента. Приводится схема предлагаемой автоматизированной системы управления двигателем внутреннего сгорания при его использовании в качестве тормоза. Точность управления достигается благодаря наличию главной обратной связи. Микроконтроллер также обеспечивает стабилизацию заданного водителем момента при снижении скорости автомобиля и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Приведены зависимости цикловой работы насосных потерь двигателя ЗМЗ-406 от степени открытия дополнительного клапана при различных частотах вращения коленчатого вала, полученные в результате моделирования. Они доказывают возможность повышения эффективности торможения автомобиля двигателем и стабилизации тормозного момента за счет автоматизированной системы управления дополнительным клапаном.

Ключевые слова: автоматизированные системы управления, двигатель внутреннего сгорания, тормозной момент.

Abstract

THE POSSIBILITIES OF CONTROL OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WHEN IT IS USED AS A BRAKE

V.M. Zotov, A.I. Ryabov, F.R. Al-Sumaidaee, A. Sh.H. Al-Jumaili

Introduction. The article notes that at the present stage of the development of the automotive industry, the most promising way to increase the braking efficiency, reduce the loads on the service brake system, increase its reliability, as well as the safety of the car on descents, especially protracted ones, is the use of engine brakes of various designs. Compared to hydraulic and electric auxiliary braking systems, engine brakes have a simpler design, and most importantly, several times less weight and cost. Materials and methods. The article analyzes the designs of currently used motor brakes and their effectiveness in terms of the possibility of regulating the power of mechanical losses of the engine. It is shown that the existing motor brakes do not allow the driver to smoothly adjust the power of the mechanical losses of the engine and the speed of the car during braking and, consequently, to choose the necessary braking intensity without connecting the service braking system. At the same time, the analysis showed that the Constantdrossel motor brake, developed by Daimler AG engineers, provides the possibility of regulating the power of mechanical losses of the engine, provided that the speed of rotation of the crankshaft is not lower than 900 revolutions per minute. Otherwise, there is an increasing leakage of gas through the constant throttle; as a result, the braking effect decreases and the motor brake is automatically deactivated. Results and conclusions. To eliminate this drawback, it is proposed to supplement the motor brake with a flap an automated control system for mechanical losses of the engine using a brake torque controller. The scheme of the proposed automated control system of the internal combustion engine when it is used as a brake is given. Control accuracy is achieved due to the presence of the main feedback. The microcontroller also provides stabilization of the moment set by the driver when the vehicle speed and engine crankshaft speed decrease. The dependences of the cyclic operation of the pumping losses of the Internal combustion engines produced by the Open Joint Stock Company «Zavolzhsky Motor Plant» - 406 on the degree of opening of the additional valve at different speeds of rotation of the crankshaft, obtained as a result of modeling, are given. They prove the possibility of increasing the efficiency of car braking by the engine and stabilizing the braking torque due to an automated control system for an additional valve. двигатель внутреннее сгорание тормоз

Key words: automobile, automated control system, internal combustion engine, braking torque.

Введение

На современном этапе развития автомобилестроения наиболее перспективным способом повышения эффективности торможения, снижения нагрузок на рабочую тормозную систему, повышения ее надежности, а также безопасности движения автомобиля на спусках, особенно затяжных, является использование моторных тормозов различных конструкций.

По сравнению с гидравлическими и электрическими вспомогательными тормозными системами моторные тормоза, например с заслонкой имеют более простую конструкцию, а главное, в несколько раз меньший вес и стоимость [5].

В настоящее время инжекторные двигатели (ИД) (т.е. двигатели, где подача топлива в цилиндр осуществляется путем принудительного впрыскивания) практически полностью вытеснили двигатели с карбюраторной системой питания. Главным преимуществом инжекторных двигателей является возможность электронного управления, которое позволяет отключать подачу топлива в двигатель при использовании его в качестве тормоза. Это позволяет повысить топливную экономичность и экологическую безопасность автомобиля [2, 5, 6].

Однако моторные тормоза имеют существенные недостатки, например, они не позволяют водителю плавно регулировать мощность механических потерь двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и скорость движения автомобиля в процессе торможения, что не позволяет выбрать необходимую интенсивность торможения без подключения рабочей тормозной системы [1, 6]. Несмотря на то что производители предлагают широкую номенклатуру моторных тормозов для двигателей внутреннего сгорания, работы по математическому моделированию и аналитическому синтезу систем управления ими отсутствуют. В связи с этим анализ различных конструкций моторных тормозов, выбор наиболее подходящего для обеспечения возможности регулирования мощности механических потерь и разработка автоматизированной системы управления ими в процессе торможения представляет несомненный интерес [3, 4, 7, 8].

Материалы и методы

Рассмотрим используемые в настоящее время моторные тормоза, обеспечивающие регулирование мощности механических потерь двигателя за счёт изменения положения заслонки в выпускном тракте [7, 9-12].

Первым рассмотрим наиболее простой и широко применяемый моторный тормоз с заслонкой в выпускном тракте (рисунок 1).

Рисунок 1 - а) Вид моторного тормоза с заслонкой и пневматическим цилиндром управления; б) чертеж корпуса с заслонкой: 1 - корпус; 2 - поворотный рычаг вала заслонки; 3 - заслонка; 4 - вал заслонки

Он имеет всего 4 детали: 1 - корпус; 2 -поворотный рычаг вала заслонки; 3 - заслонка; 4 - вал заслонки, который поворачивается пневматическим цилиндром. Привод включения моторного тормоза пневматический. Для включения моторного тормоза в пневматический цилиндр подается сжатый воздух, и он посредством поворотного рычага 2 (рис. 1 б) поворачивает заслонку, которая практически полностью перекрывает выпускной тракт с целью создания в нем давления при выпуске газов из двигателя. Одновременно с поворотом заслонки отключается подача топлива в цилиндры ИД. Зазор между корпусом 1 и заслонкой 3 (или отверстие в заслонке) ограничивает давление газов в выпускном тракте при максимальной частоте вращения вала ИД величиной порядка 0,3 МПа для исключения открытия выпускных клапанов двигателя, которые удерживаются в закрытом положении за счет предварительного поджатия клапанных пружин.

Данный моторный тормоз с заслонкой имеет следующие недостатки [1, 3, 8]:

1) отсутствует регулирование мощности механических потерь двигателя в процессе торможения, поскольку система управления позволяет выполнить только 2-е операции - включить тормоз и выключить;

2) при работе моторного тормоза в цилиндры двигателя из выхлопного тракта могут попадать твердые частички, образующие задиры на их стенках и повреждающие клапаны;

3) эффективность моторного тормоза снижается при уменьшении частоты вращения коленчатого вала ДВС, так как при этом падает давление газов в выпускном тракте и мощность механических потерь двигателя;

4) ограниченная удельная мощность (14-20 кВт на литр рабочего объема ДВС), поскольку давление в выпускном тракте нельзя поднимать выше 0,3 МПа из-за риска самопроизвольного открытия клапанов.

Вторым рассмотрим улучшенный вариант моторного тормоза с заслонкой (рисунок 2).

Рисунок 2 - Моторный тормоз с байпасом и установленным в нем перепускным клапаном, ограничивающим давление выпуска:

1 - подача сжатого воздуха для закрытия заслонки; 2 -герметичная заслонка; 3 - байпас; 4 - клапан ограничения давления выпускном коллекторе; 5 - выпускном коллектор; 6 - впускной коллектор; 7 - поршень

Он содержит герметичную заслонку 2, байпас (обводной канал 3) с перепускным клапаном, который, с одной стороны, ограничивает давление в выпуске 4, а с другой стороны он поддерживает давление при снижении частоты коленчатого вала. Сжатая пружина перепускного клапана, поджимающая затвор клапана к корпусу байпаса 3, обеспечивает достаточно высокое давление в выпускном коллекторе даже при малой частоте вращения вала ДВС, что повышает эффективность торможения. Но остался главный недостаток - отсутствует регулирование мощности механических потерь двигателя в процессе торможения, поскольку система управления позволяет выполнить только две операции - включить тормоз и выключить тормоз [4].

Третьим рассмотрим моторный тормоз Джакобса - Jake Brake (рис. 3), который уже десятилетия применяют в США на грузовиках Freightliner (двигатели Cummins и Caterpillar) и в Нидерландах на грузовиках DAF.

На первом такте (рисунок 3 а) поршень перемещается от верхней мертвой точки 1 (В.М.Т.) до нижней мертвой точки 2 (Н.М.Т.). Происходит всасывание воздуха в цилиндр под давлением несколько ниже атмосферного. На втором такте (рисунок 3 б) поршень перемещается в обратном направлении, и происходит сжатие воздуха по адиабате 2 - 3. В точке 3 происходит сброс давления до атмосферного путем кратковременного открытия выпускного клапана. В такте 3 происходит расширение воздуха, в камере сгорания до давления ниже атмосферного. В такте 4 открывается выпускной клапан, и газы из выпускного тракта заходят в цилиндр, давление повышается до атмосферного, затем воздух из цилиндра под давлением немного большим, чем атмосферное, выталкивается через выпускной клапан. Диаграммы тактов 3 и 4 не приведены, но они мало отличаются от диаграммы такта 1. Полная работа цикла практически равна площади фигуры, обозначенной точками 1, 2 и 3 на такте сжатие (рисунок 3 б).

Рисунок 3 - Такты впуска и сжатия моторного тормоза Джакобса - Jake Brake: а) такт впуска; б) такт сжатия

Для сброса давления в конце хода сжатия (точке 3) между толкателем и стержнем клапана устанавливается промежуточное звено - плунжер, изменяющий длину под действием управляющей гидравлической системы. Основная работа торможения совершается на такте сжатия, после открытия выпускного клапана и сброса давления, поэтому такой тормоз называют декомпрессионным. Небольшая работа торможения совершается также и на такте впуска, когда в цилиндре создается разряжение. В моторном тормозе Джакобса отсутствует заслонка и возможность попадания в цилиндры двигателя твердых частиц из выхлопного тракта, которые могут снизить ресурс ДВС, однако остальных недостатков, присущих моторным тормозам с заслонкой, он не лишен. Дополнительным недостатком тормоза Джакобса является сложность конструкции.

Четвертый моторный тормоз под названием Konstantdrossel (постоянный дроссель) (рисунок 4) разработали более двадцати лет назад инженеры Daimler AG, он и сейчас устанавливается на грузовики Mercedes-Benz.

Рисунок 4 - Моторный тормоз Konstantdrossel (постоянный дроссель):

1 - подача сжатого воздуха; 2 - выпускная заслонка; 3 - выпуск; 4 - привод дополнительного клапана; 5 - впуск; 6 - поршень

В отличие от традиционного моторного тормоза с заслонкой (рисунок 2) Konstantdrossel имеет в головке блока цилиндров независимый от привода газораспределительного механизма дополнительный маленький клапан, который при торможении открывается системой управления и постоянно удерживается в открытом положении за счет подачи сжатого воздуха в пневматический цилиндр 4. Это позволяет увеличить мощность механических потерь ДВС за счет использования части работы сжатия во время второго такта, поскольку наибольшее количество сжатого воздуха выходит из камеры во время прохождения поршня через верхнюю мертвую точку, предотвращая его расширение в течение третьего такта. При скорости вращения коленчатого вала ниже 900 об/мин утечки газа через постоянный дроссель возрастают, тормозной эффект уменьшается и моторный тормоз автоматически деактивируется.

Преимуществом моторного тормоза с заслонкой и постоянным дросселем является то, что он может обеспечить большую удельную мощность торможения - 30-40 кВт на литр рабочего объема ДВС. Однако моторному тормозу Konstantdrossel присущи все те недостатки, которые имеют моторные тормоза с заслонкой.

Результаты и обсуждение

Проведенный выше анализ показал, что в настоящее время отсутствует автоматизированная система, обеспечивающая управление двигателем внутреннего сгорания при его использовании в качестве тормоза. В этой связи авторами была разработана схема автоматизированной системы управления ДВС при его использовании в качестве тормоза. Данная схема представлена на рис. 5.

Рисунок 5 - Схема автоматизированной системы управления двигателем внутреннего сгорания при его использовании в качестве тормоза

Предлагаемая автоматизированная система управляет механическими потерями двигателя, и, следовательно, его тормозным моментом с помощью контроллера тормозного момента. Он изменяет тормозной момент в соответствии с заданным водителем воздействием на тормозную педаль. Точность управления достигается благодаря наличию главной обратной связи. Микроконтроллер также обеспечивает стабилизацию заданного водителем момента при снижении скорости автомобиля и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для оценки возможности стабилизации тормозного момента была разработана математическая модель моторного тормоза Konstantdrossel. Расчет проводился для двигателя ЗМЗ-406 при открытой дроссельной заслонке.

На рисунке 6 приведены зависимости цикловой работы насосных потерь двигателя ЗМЗ-406 от степени открытия дополнительного клапана при частотах вращения.

Рисунок 6 - Зависимости цикловой работы насосных потерь двигателя ЗМЗ-406 от степени открытия дополнительного клапана при частотах вращения: 1 - 600 об/мин; 2 - 2400 об/мин.

Вывод.

Анализ графиков на рис. 6 показывает, что для получения максимальной работы насосных потерь в процессе торможения двигателем при снижении частоты его вращения с 2400 об/мин (соответствует началу торможения) до 600 об/мин (соответствует холостому ходу) необходимо непрерывно уменьшать проходное сечение дополнительного клапана. Это доказывает возможность повышения эффективности торможения автомобиля двигателем и стабилизации тормозного момента за счет автоматизированной системы управления дополнительным клапаном.

Библиографический список

1. Карелина М.Ю., Арифуллин И.В., Терентьев А. В. Аналитическое определение весовых коэффициентов при многокритериальной оценке эффективности автотранспортных средств // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2018. № 1 (52). С. 3-9.

2. Обоснование целесообразности постоянного использования двигателя для служебных торможений автомобиля / И. М. Рябов, Ф. Р. Аль-Сумайдаи, И. М. Титов, С. В. Данилов // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2020. № 3 (62). С. 10-19.

3. Путинцев С.В., Агеев А.Г. Экспериментальная оценка малых изменений механических потерь в условиях стендовых моторных испытаний // Известия вузов. Машиностроение. 2014. № 7 (652). С. 69-75.

4. Путинцев С.В., Кулешов А.С., Агеев А. Г. Эмпирическая зависимость для исследования механических потерь в четырехтактных дизелях // Двигателестроение, 2014. № 3. С. 3-7.

5. Рябов И.М., Аль-Сумайдаи Ф.Р. Оценка ресурсосбережения при использовании ДВС автомобиля в качестве тормоза-замедлителя при служебных торможениях // Энерго- и ресурсо-сбережение: промышленность и транспорт. 2019. № 4 (21). С. 33-37.

6. Рябов И.М., Аль-Сумайдаи Ф.Р. Особенности механических потерь в ДВС и их влияние на процесс торможения автомобиля двигателем // Энерго- и ресурсосбережение: промышленность и транспорт. 2019. № 4 (29). С. 37-43.

7. Углубленный анализ результатов экспериментального исследования тормозных свойств двигателя КАМАЗ-740 с моторным тормозом при электронном управлении / И. М. Рябов, Ф. Р. Аль-Сумайдаи, В. М. Зотов, А. Ю. Соколов, А. Х. Аль-Джумаили // Инновационное машиностроение. 2021. № 6. С. 8-15.

8. Щукина В.Н. Анализ методов определения механических потерь для их последующего применения в процессе эксплуатации // Вестник. Техника и технологии АПК. 2016. № 5. С. 18-21.

9. A nonlinear wall-wetting model for the complete operating region of a sequental fuel injected SI engine / M. R. Simons, M. Locatelli, C. H. Onder, H. P. Geering // SAE paper. 2000. № 1260. Р. 1-10.

10. Hart M., Ziegler M. Adaptive estimation of cylinder air mass using the combustion pressure // SAE paper. 1998. № 980791.

11. Kim Y.-W., Rizzoni G., Utkin V. Automotive engine diagnostics and control via nonlinear estimation // IEEE Control Systems. 1998.

12. Onder C.H., Geering H. P. Model-based multivariable speed and air-to-fuel ration control of an SI engine // SAE paper. 1993. № 930859. Р. 69-80.

Размещено на Allbest.ru