Разработка адаптивной системы выпускного тракта двухтактных двигателей

Разработка адаптивной системы выпускного тракта двухтактных двигателей

Разработка адаптивной системы выпускного тракта двухтактных двигателей

Аннотация

микроконтроллер схема двигатель

В дипломном проекте представлена характеристика, устройство и принцип действия микроконтроллерной системы изменения геометрии выпускного тракта для двухтактных двигателей. Разработаны структурная и электрическая схемы на базе микроконтроллера Atmega 1280 установленного на плате Arduino Mega, разработан алгоритм работы системы. Рассмотрены вопросы выбора напряжения питания, выбора числа и типа датчиков.

В экономической части определяются капитальные затраты и фонд заработной платы персонала. Рассматриваются вопросы безопасности жизнедеятельности при эксплуатации.

The summary

research paper presented characteristics, mechanism and operation microcontroller system geometry changes the exhaust for two-stroke engines. The skeleton and the electric circuit based on microcontrollerAtmega1280installed on board Arduino Mega, the algorithm of the system. The problems of voltage selection, selection number and type of sensors. …In the economic part of the capital costs are determined and pay roll staff. The issues of life safety during operation.

Введение

Дипломный проект на тему «Разработка адаптивной системы выпускного тракта двухтактных двигателей» по специальности 140607 ”электрооборудование автомобилей и тракторов” выполнена на кафедре электротехники и мехатроники в соответствии с приказом ректора ЮФУ № 374 от 24.01.2013г.

Во время работы двухтактного двигателя в момент каждого такта сгорания при движении газа в выпускной трубе образуются волны высокого давления. За волной высокого давления следует волна низкого давления. В некоторой точке системы выпуска, которая определяется конструкторами, часть волн высокого давления соударяются с системой, в то время, как оставшаяся волна высокого давления покидает трубу, волна низкого давления, следующая за ней, отражается назад. Способствуя наполнению камеры сгорания свежей топливовоздушной смесью. Затем отраженная волна высокого давления предотвращает вытекание свежей смеси через выпускной канал. Следующая за ней волна низкого давления удаляет отработавшие газы из камеры сгорания.

Длина каждой трубы выпускной системы тщательнейшим образом рассчитывается, чтобы пульсации давления оказались в необходимой точке в заданный момент времени. Правильно выполненный выпуск играет решающую роль в высокой производительности двигателя.

Выпускная система сконструирована таким образом, что наилучшие характеристики ее работы обеспечиваются в узком диапазоне частот вращения двигателя. Поэтому для улучшения отдачи двигателя во всем диапазоне оборотов применяют различные системы.

За пределами определенных частот вращения двигатель работает относительно неэффективно. Первыми решение этой проблемы предложили в концерне Yamaha, разработав систему EXUP (ExhaustUltimatePowerValve), что в переводе на русский означает "Абсолютный мощностной клапан системы выпуска". Данная конструкция являлась первым механизмом изменения внутреннего сечения выпускной системы, с помощью EXUP, удалось добиться существенного увеличения мощности во всем диапазоне работы двигателя. EXUP располагается между выпускными трубами и глушителем. Мощностной клапан закрыт до средних оборотов, тем самым уменьшая сечение трубы, и открыт при высоких оборотах, увеличивая сечение. Управление им берет на себя электроника и сервомотор. Интересно, что задумывался данный механизм как дополнительное средство уменьшения токсичности выхлопа, и устанавливался на FZR1000 в версии для Калифорнии, известной своими жесткими эко-нормами. Однако инженеры с удивлением обнаружили, что клапан еще и выравнивает мощностную характеристику, и даже поднимает количество лошадиных сил в моторе. После этого, EXUP стали устанавливать на многие другие байки компании.

Поэтому тема дипломной работы «адаптивная система управления выпускного тракта двухтактного двигателя» актуальна и значима для настоящего времени, поскольку решает ряд проблем.

Объект исследования электрооборудование автомобилей и тракторов.

Предмет исследований система управления геометрией выпускного тракта двухтактных двигателей.

Целью дипломной работы является разработка такой микроконтроллерной системы управления геометрией выпускного тракта, которая обеспечит наиболее эффективную работу силовой установки ДВС ГДН при различных режимах работы ДВС, что приведет к уменьшению расхода топлива и соответственно к уменьшению загрязняющих выбросов в атмосферу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

рассмотреть особенности существующих современных систем и провести их сравнительный анализ;

определить структуру системы в соответствии с целью;

разработать алгоритмы обработки сигналов датчиков;

выбрать базовый микроконтроллерный комплект;

- рассчитать соотношения затрат и прибыли;

выбрать метод для определения безубыточности реализации системы, в которой наступает окупаемость издержек и есть прибыль;

- определить мероприятия по безопасности;

Практическая ценность работы состоит в том, что будет разработана микроконтроллерная система управления геометрией выпускного тракта для двухтактных двигателей, которая найдет применение в различных сферах обеспечив существенный прирост мощностных характеристик, экологических и экономических показателей работы двигателя.

Для выполнения дипломной работы используется научно-техническая, периодическая литература, справочники, нормативные документы - ГОСТ, ПУЭ и другие источники.

1. Обзор по теме

Влияние выпуска на характеристики двигателя гораздо существеннее, на двухтактных чем на четырехтактных ДВС. На каждый цилиндр всегда устанавливается отдельный комплект из выпускной трубы и глушителя, а также резонатора, пример выхлопной системы отображен но рисунке 1.

Рисунок 1.1 - Выпускная система с резонатором. Honda RS250R

Резонатор необязателен, но позволяет реализовать существенный прирост мощности за счет естественных склонностей пульсаций выхлопа резонировать внутри выпускной системы. [1]Система сконструирована так, что выпускная труба постепенно переходит в прямой конус глушителя, в конце которого располагается обратный конус, заканчивающийся небольшой выхлопной трубой. Правильно настроенный резонатор обеспечивает наилучшее наполнение цилиндра рабочей смесью, а значит - высокие мощностные показатели. Подобный эффект недостижим никаким другим способом.

1.1 Работа ГДН

Как только поршень уходит вниз и открывает выпускной канал, волна выхлопных газов в резонаторе, мчащихся со скоростью звука, запускает последовательность событий, которые приводят к достижению эффекта резонанса, мощность двигателя и его крутящей момент возрастает по сравнению с обычными условиями (при отсутствии резонатора) [4].

.2 Волна положительного давления

микроконтроллер схема двигатель        Как только смесь в цилиндре начинает гореть, поршень идет вниз и открывает выпускной канал. Выхлопные газы под давлением с огромной скоростью вылетают в выхлопную трубу, создавая волну положительного давления.

Промежуток времени между открытием каналов выпуска и впуска называется "ходом выхлопа". Ход выхлопа позволяет выйти находящимся под высоким давлением и очень горячим выхлопным газам в резонатор и создать, таким образом, разрежение в камере сгорания, благодаря которому засасывается новая порция горючей смеси, что показано на рисунке 1.2. Если этого не случится, выхлопные газы могут быть засосаны обратно в цилиндр и там приведут к неконтролируемому возгоранию топливовоздушной смеси.

Рисунок 1.2 - Волна положительного давления

1.3 Волна отрицательного давления

Рисунок 1.3 - Волна отрицательного давления

.4 Волна положительного давления

микроконтроллер схема двигатель        Вылетевшие в глушитель выхлопные газы быстро расширяются в первом конусе, проходят через резонатор и ударяются в резко сужающийся противоположный конус, который не дает им сразу вылететь наружу. Часть газов возвращается назад, к выхлопному каналу цилиндра, прекращая, таким образом, дальнейшее образование вакуума в камере сгорания. Это наглядно показано на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Волна положительного давления

.5 Наддув через выхлопной порт

микроконтроллер схема двигатель        Как только поршень перекрывает впускной канал, давление, которое создали оставшиеся в резонаторе выхлопные газы, заставляет вернуться в камеру сгорания вылетевшую часть свежей топливовоздушной смеси, смотреть рисунок 1.5. Таким образом, на момент зажигания в цилиндре находится значительно больше горючей смеси под большим давлением, что приводит к увеличению мощности двигателя.

Рисунок 1.5 - Наддув через выхлопной порт

2. Целесообразность изменения геометрии ГДН

Оптимальное для создания резонанса время прохождения обратной волны к выпускным окнам достигается при определенной частоте вращения двигателя, выше и ниже которой двигатель работает менее эффективно (как обычно). Именно для того чтобы наиболее полно воспользоваться этим эффектом и использовать его в разных диапазонах работы, при различных нагрузках, и внешних условиях необходима данная система - позволяющая реализовать дополнительную мощность и знаменитый двухтактный "подхват" на всех режимах работы двигателя.

.1 Целесообразность использования системы

Данная система увеличит мощность и крутящий момент двигателя во всём диапазоне его работы, а так же увеличит экономичность снизив расход топлива и уменьшив токсичность выхлопных газов ДВС так как большее количество топлива попадаемого из камеры сгорания через выхлопные окна в момент поднятия поршня в систему выхлопа возвращается обратно, что улучшит наполняемость камеры сгорания, качество и количество сгораемого топлива.

.2 Преимущества системы перед аналогами

Преимущество данной системы перед аналогичными заключается в том что она позиционирует ГДН анализируя показания полученные от датчиков, что позволяет произвести более точную настройку ГДН учитывая режим работы двигателя, качество сгорания топлива в отличии от механических систем и систем с электронным управлением, показанных на рисунке 2.1 [3] в которых в системе выхлопа между выхлопными окнами ДВС и ГДН установлена регулируемая заслонка нарушающая эффект обратной волны газов, что препятствует наполнению камеры сгорания и снижает давление в ней, тем самым снижая все выше перечисленные характеристики.

Рисунок 2.1 - Аналогичная система

3. Описание элементов системы

Датчик частоты вращения коленчатого вала показанный на рисунке 3.1 предназначен для синхронизации управления системой впрыска <#"667079.files/image008.gif">

Рисунок 3.1 - Датчик частоты вращения коленчатого вала

Устанавливается на расстоянии около 1+0,4мм от задающего диска (шкива, репера) коленчатого вала. Шкив коленчатого вала имеет 58 зубцов, расположенных по окружности. Зубцы равноудалены и расположены через 6°.Для генерирования "импульса синхронизации" два зуба на шкиве отсутствуют. При вращении коленчатого вала зубцы диска изменяют магнитное поле датчика, создавая наведенные импульсы напряжения. По импульсу синхронизации от датчика положения коленчатого вала, контроллер определяет положение и частоту вращения коленчатого вала и рассчитывает момент срабатывания форсунок и модуля зажигания. Провод ДПКВ защищён от помех экраном, замкнутым на массу через контроллер. Датчик ПКВ - полярный прибор - при нарушении проводки следует подключать соблюдая полярность. В "обратном" включении двигатель не заведется.

Рисунок 3.2 - Датчик частоты вращения коленчатого вала.

а-