Исследование влияния неидентичности рабочих процессов на колебания двигателя на подвеске
Целью проводимой работы служит оценка влияния неидентичности рабочих процессов на колебания двигателя на подвеске.
Задачи работы:
- Разработка программно-аппаратного комплекса (ПАК) для измерения мгновенной скорости коленчатого вала двигателя, определения критериев неравномерности частоты вращения. Выбор критериев оценки неидентичности последовательных рабочих циклов по неравномерности частоты вращения коленчатого вала.
- Разработка математической модели колебаний двигателя на подвеске с учетом неравномерности частоты вращения коленчатого вала.
- Оценить влияние неравномерности частоты вращения коленчатого вала на расчет колебаний двигателя на подвеске на режиме холостого хода.
Научная новизна состоит в том, что колебания двигателя на подвеске на режиме холостого хода рассчитываются с учетом неравномерности частоты вращения коленчатого вала.
В качестве объекта исследования используется двигатель ВАЗ-2108 (рис. 1).
Поршневой двигатель внутреннего сгорания (ПДВС) – машина циклического действия, и даже при идеальном протекании рабочего процесса для него характерны изменения крутящего момента и угловой скорости вращения коленчатого вала во время одного рабочего цикл. Это изменение носит случайный характер и определяется конструктивными особенностями двигателя, что в свою очередь вызывает естественную неравномерность угловой скорости коленчатого вала.
Рис. 1. Двигатель ВАЗ-2108 на испытательном стенде
На практике идеального протекания рабочего процесса, как в цилиндрах двигателя, так и в последовательных рабочих циклах не существует. Дополнительные колебания угловой скорости накладываются на естественную неравномерность частоты вращения коленчатого вала.
Информация о воспроизводимости рабочих процессов в последовательных рабочих циклах содержится в оценках неравномерности частоты вращения коленчатого вала. Использование неравномерности угловой скорости коленчатого вала в качестве показателя неидентичности последовательности рабочих циклов позволяет прогнозировать возможные колебания двигателя на подвеске.
Для определения идентичности рабочих процессов используется метод снятия и оценки индикаторных диаграмм, получаемых в результате индицирования давления в одном цилиндре двигателя за рабочий цикл на протяжении нескольких последовательных рабочих циклов.
Для регистрации угловой скорости коленчатого вала и давления в цилиндре синхронизированных с угловым положением коленчатого вала был разработан программно – аппаратный комплекс (ПАК) на базе современного 32 разрядного микроконтроллера ARM9 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (рис.2).
Рис. 2. Программно-аппаратный комплекс: ДИР – датчик искрового разряда; ДПКВ – датчик поворота коленчатого вала; ВМТ – верхняя мертвая точка; УИ – угловые импульсы; ПУН – преобразователь уровня напряжений; АЦП – аналого-цифровой преобразователь
Требования, предъявляемые к ПАК для измерения мгновенной скорости коленчатого вала двигателя и расчета критериев её оценки:
- Измерение мгновенной угловой скорости коленчатого вала с заданной точностью.
- ПАК регистрирует заранее заданное количество рабочих циклов.
- ПАК обеспечивает сбор и хранение всего объема полученной информации до обработки.
- Измерение мгновенной скорости синхронизировано с ВМТ (1-го цилиндра, такт расширения). Для этого в ПАК включены сигнал ВМТ с ДПКВ и датчик искрового разряда (ДИР) в 1-м цилиндре.
- Обработка полученной информации по заданному алгоритму с определением значений критериев оценки неравномерности частоты вращения коленчатого вала двигателя.
- Управление сбором данных производиться по команде оператора.
- Наличие в ПАК аналого-цифрового преобразователя (АЦП) позволяет включать использовать аналоговые датчики, измеряющие параметры работы двигателя.
Включение МК в состав ПАК позволило в рамках измерительной системы накапливать большие объемы информации (благодаря аппаратной поддержке МК памяти SDRAM). МК обладает внутренней гибкостью, что позволяет путем перепрограммирования изменять алгоритм измерения и обработки полученных данных. Одновременно с этим, при цифровой форме передачи данных повышается помехозащищенность, что очень важно при дистанционном управлении.
ARM9 имеет с своем составе 32 разрядный таймер, который реализует подсчет числа импульсов N генератора опорной частоты за временной интервал, равный периоду T следования угловых импульсов с ДПКВ. Таймер разделен на две части: T1 (12 разрядный таймер) и Т2 (20 разрядный таймер). Содержимое Т2 увеличивается с каждым импульсом от кварцевого генератора опорной частоты ( =49664000 Гц). При переполнении Т2 происходит обнуление Т2 и увеличение на единицу Т1.
ARM9 имеет быстродействующую SRAM-память и шину внешнего интерфейса для подключения к внешней памяти (SDRAM). SDRAM (высокоскоростная динамическая оперативная память) позволяется сохранять большие массивы данных (количество импульсов генератора опорной частоты между соседними угловыми импульсами с ДПКВ за все время измерения) в реальном времени.
Сравнение результатов измерения мгновенной скорости коленчатого вала, полученных разработанным программно-аппаратным комплексом и электронной системой управления двигателем (ЭСУД) ВАЗ.
В качестве ЭСУД ВАЗ использовался инженерный блок М73. Измерение частоты вращения коленчатого вала проводилось одновременно инженерным блоком М73 и ПАК для последующего сопоставления результатов. График изменения мгновенной скорости коленчатого вала, измеренной ПАК и инженерным блоком М73, приведен на рис. 3.
Рис. 3. Сравнение результатов измерения НРЧВ коленчатого вала: НРЧВ – неравномерность частоты вращения; ПКВ – угол поворота коленчатого вала; КВ – коленчатый вал
На рис. 3 заметно расхождение графиков мгновенной скорости коленчатого вала обусловленное попаданием индуктивного датчика коленчатого вала в сектор пропуска зубьев. Время прохождения этих секторов и скорость коленчатого вала рассчитывалось путем линейной интерполяции.
Анализ результатов позволяет судить о корректности измерений мгновенной скорости коленчатого вала разработанным ПАК.
Разработанный ПАК позволяет синхронизировано с отметкой ВМТ регистрировать мгновенную угловую скорость вращения коленчатого вала и другие параметры работы ДВС (например, давление в цилиндре). Имеет хорошую разрешающую способность и точность измерений, что подтверждается сравнением ПАК с инженерным блоком М73. Измерение мгновенной скорости коленчатого вала ведется с шагом 360/1024° поворота коленчатого вала. Возможно подключение ДПКВ с любым числом генерируемых импульсов. ПАК, обладая внутренней гибкостью, как и все микропроцессорные системы, легко поддается модернизации для решения различных исследовательских задач.
Контактная информация
Разработчики: к.т.н., доц. Сафронов Павел Владимирович,
аспирант Маров Евгений Игоревич.
8(499)1550879, pavel_safronov@mail.ru – П.В. Сафронов