Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания

Предложена процедура анализа переходных процессов в каскаде управления электромагнитным клапаном для отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания, базирующаяся на классическом методе, получены аналитические выражения для токов и напряжений на основных элементах каскада, позволяющие оп...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
1. Verfasser:	Лавриненко, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2014
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148744
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания / О.В. Лавриненко // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 5. — С. 30–32. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-148744
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1487442019-02-19T01:27:36Z Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания Лавриненко, О.В. Електричні машини та апарати Предложена процедура анализа переходных процессов в каскаде управления электромагнитным клапаном для отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания, базирующаяся на классическом методе, получены аналитические выражения для токов и напряжений на основных элементах каскада, позволяющие определить оптимальные по быстродействию и надежности значения параметров этих элементов. Запропонована процедура аналізу перехідних процесів в каскаді управління електромагнітним клапаном для відбору проб випускних газів двигуна внутрішнього згорання, що базується на класичному методі, отримані аналітичні вирази для струмів і напруг на основних елементах каскаду, що дозволяють визначити оптимальні по швидкодії та надійності значення параметрів цих елементів. The article introduces a classical-method-based analysis procedure for transients in the control cascade of an electromagnetic valve for combustion engine exhaust sampling. Analytical expressions for currents and voltage on the cascade basic elements are obtained to allow specifying the optimal parameters of these elements in terms of speed and reliability. 2014 Article Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания / О.В. Лавриненко // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 5. — С. 30–32. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2014.5.05 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148744 621.318-50(075.8) ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Лавриненко, О.В. Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания Електротехніка і електромеханіка
description	Предложена процедура анализа переходных процессов в каскаде управления электромагнитным клапаном для отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания, базирующаяся на классическом методе, получены аналитические выражения для токов и напряжений на основных элементах каскада, позволяющие определить оптимальные по быстродействию и надежности значения параметров этих элементов.
format	Article
author	Лавриненко, О.В.
author_facet	Лавриненко, О.В.
author_sort	Лавриненко, О.В.
title	Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания
title_short	Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания
title_full	Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания
title_fullStr	Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания
title_full_unstemmed	Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания
title_sort	исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148744
citation_txt	Исследование переходных процессов и выбор оптимальных параметров коммутирующих элементов для устройства управления электромагнитным клапаном отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания / О.В. Лавриненко // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 5. — С. 30–32. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT lavrinenkoov issledovanieperehodnyhprocessovivyboroptimalʹnyhparametrovkommutiruûŝihélementovdlâustrojstvaupravleniâélektromagnitnymklapanomotboraprobvypusknyhgazovdvigatelâvnutrennegosgoraniâ
first_indexed	2025-07-12T20:08:19Z
last_indexed	2025-07-12T20:08:19Z
_version_	1837473106337202176
fulltext	30 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №5 © О.В. Лавриненко УДК 621.318-50(075.8) О.В. Лавриненко ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОММУТИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КЛАПАНОМ ОТБОРА ПРОБ ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Запропонована процедура аналізу перехідних процесів в каскаді управління електромагнітним клапаном для відбору проб випускних газів двигуна внутрішнього згорання, що базується на класичному методі, отримані аналітичні вирази для струмів і напруг на основних елементах каскаду, що дозволяють визначити оптимальні по швидкодії та надійно- сті значення параметрів цих елементів. Предложена процедура анализа переходных процессов в каскаде управления электромагнитным клапаном для отбора проб выпускных газов двигателя внутреннего сгорания, базирующаяся на классическом методе, получены аналитиче- ские выражения для токов и напряжений на основных элементах каскада, позволяющие определить оптимальные по быстродействию и надежности значения параметров этих элементов. Постановка проблемы. Для диагностирования работы двигателей внутреннего сгорания в ряде случа- ев отбирают с помощью специальных электромагнит- ных клапанов пробы их отработавших газов на опреде- ленных этапах рабочего процесса, при этом время от- крытия и закрытия клапана должно быть как можно меньшим по сравнению с продолжительностью откры- того состояния клапана. Как известно, время открытия клапана можно сократить за счет увеличения электро- магнитной силы, то есть увеличения тока в обмотке электромагнита, а время закрытия клапана можно уменьшить путем увеличения силы его возвратной пружины. Однако увеличение тока в обмотке электро- магнита сопровождается ростом перенапряжения при его выключении, что снижает надежность работы уст- ройства. Введение же демпфирующих цепочек, сни- жающих указанные перенапряжения, приводит к росту времени закрытия клапана, ухудшая быстродействие устройства. Таким образом, возникает задача достиже- ния компромисса между надежностью и быстродейст- вием электромагнитного клапана и оптимизации пара- метров элементов устройства управления электромаг- нитом. Анализ литературы [1, 2] показывает, что в сис- темах диагностики и управления двигателей внутрен- него сгорания коммутация электромагнитов осуществ- ляется с помощью транзисторов, предельные парамет- ры которых существенно превышают реально сущест- вующие напряжения и токи в конкретном устройстве, полученные экспериментально. Теоретических анализ переходных процессов, как правило, не выполняется. Цель статьи – теоретически выполнить анализ переходных процессов в устройстве управления элек- тромагнитным клапаном и найти параметры основных элементов этого устройства, обеспечивающих наибо- лее благоприятное их протекание. В последние годы наибольшее распространение для управления электромагнитными клапанами дви- гателей внутреннего сгорания (ДВС) получили элек- тронные системы, выходной каскад которых выпол- няется по схеме, показанной на рис. 1. Питающее напряжение U подается на схему от бортовой сети силовой установки (например, аккуму- лятора), а импульсы управления Uу подаются между базой и эмиттером транзистора VT от специального Рис. 1. Схема выходного каскада электронной системы управления электромагнитным клапаном отбора проб отработавших газов ДВС вычислительного устройства, выполненного в совре- менных системах на микропроцессоре (МК) [2]. МК синхронно с вращением коленчатого вала ДВС в каждом его обороте (если ДВС двухтактный) или вдвое реже (если ДВС четырехтактный) вырабаты- вает импульсы UУ, длительность которых определяет продолжительность tи импульсов тока в катушке элек- тромагнита (ЭМ) и время открытого состояния клапана для отбора проб отработавших газов (ОГ) ДВС. Вели- чина tи зависит от моментов отпирания и запирания VT, причем ток в катушке ЭМ при этом изменяется не мгновенно, а с некоторой скоростью, согласно законам коммутации [3]. Исчезающий при запирании VT маг- нитный поток ЭМ создает электродвижущую силу са- моиндукции, вследствие чего могут появиться опасные для коммутирующего элемента перенапряжения. Для их снижения применяют демпфирующие резистивно- емкостные цепи R2C, которые, однако, могут отрица- тельно повлиять на быстродействие ЭМ. В связи с этим возникает необходимость исследования и оптимизации параметров демпфирующей цепи, которая защитила бы VT от пробоя и существенно не повлияла бы на процесс отбора проб ОГ. Упрощенная схема замещения выходного каска- да приведена на рис. 2. Рис. 2. Упрощенная схема замещения выходного каскада ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №5 31 Элементы R1 и L – соответственно активное со- противление и индуктивность ЭМ, К – ключ, имити- рующий VT. При анализе процессов в схеме будем пренебре- гать межвитковой паразитной емкостью катушки ЭМ и считать транзистор идеальным ключом, что близко к действительности при правильном его выборе. В случае отпирания VT, что соответствует замыканию К, к цепи R1L прикладывается постоянное U1 и про- цессы в ней описываются следующим уравнением [3]. UiR dt di L  11 1 , решение которого, как известно, записывается в виде   γ1 11 1и R U e R U i t   , (1) где i1 – мгновенное значение тока в цепи при первом положении К; t – время; τ1 – постоянная времени, 111 RL ; 1и1  te . Из (1) видно, что максимальное значение тока в катушке ЭМ имеет место по окончании импульса, с ростом длительности tи которого указанное значение увеличивается. При запирании VT, происходящем по окончании упомянутого импульса, ЭМ отключается и отбор про- бы ОГ прекращается вследствие закрытия клапана. Этому случаю на рис. 2 соответствует переход ключа из первого положения во второе, то есть его размыка- ние. Теперь для послекоммутационной цепи диффе- ренциальное уравнение имеет вид:   UUiRR dt di L c  221 2 , (2) где i2 – мгновенное значение тока в цепи при втором положении K; UC – мгновенное значение напряжения на емкости C2. Согласно первому и второму законам коммутации [3] можно записать       L iRRUU tdt di c 00 0 2212    , (3) где UC(-0) – напряжение на емкости в момент, непо- средственно предшествующий коммутации; i2(+0) – ток цепи в первый момент после коммутации, когда ключ находится во втором положении. В данном случае UC(-0) = 0, поскольку перед размыканием К конденсатор должен быть разряжен для нормальной работы выходного каскада системы. Также, с учетом (1) и первого закона коммутации    1 2 0 R U i , (4) в связи с чем соотношение (3) представим в виде B L U R R L U tdt di                  1 22 11 0 . (5) Решение уравнения (2) в общем случае записы- вается следующим образом [3] tKtK eAeAi 21 212  , (6) где A1 и A2 – произвольные постоянные интегрирова- ния; 2 0 2 2,1 K – корни характеристиче- ского уравнения цепи; L RR 2 21  – показатель зату- хания; LC10  – круговая частота собственных незатухающих колебаний цепи. Найдя скорость изменения тока для момента коммутации t = 0 (размыкание ключа) из (6) и при- равняв ее правой части соотношения (5), запишем B L U KAKA  2211 . (7) Кроме того, из соотношения (6) для t = 0 имеем   2102 AAi  , с учетом (4) получим  1 21 R U AA . (8) Выражения (8) и (7) образуют систему, решения которой представляются в виде: 21 1 2 1 KK L B R K U A          , 21 1 1 2 KK L B R K U A          . (9) Следовательно, закон тока ЭМ во времени                        tKtK e L B R K e L B R K KK U i 21 1 1 1 2 21 2 .(10) Взаимосвязь между током и напряжением на конденсаторе известна [3].  t c ti C U 2 1 . Приняв во внимание (9), (10) после соответст- вующих преобразований получим   . 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 2 1221 2 1                                      L B R K K e L B R K K L B R K K e L B R K K KKKCK U U tK tK c (11) Для обеспечения высокого быстродействия ЭМ параметры цепи необходимо выбрать такими, чтобы можно было получить как можно большую скорость изменения тока и напряжения на ее элементах, что достигается только при колебательном переходном процессе. В этом случае корни характеристического уравнения комплексно-сопряженные [3].           2 00 22 02,1 j ejK , (12) где ω0 2 – круговая частота собственных затухающих колебаний цепи; 1j – мнимая единица; 0 arctg    – коэффициент фазы. Приняв во внимание (12) и следующие формулы 012 2  jKK ; 2 021 KK ;   0212sin  CRR ; C L L 0 ; C L 12 0  ;                   22 00 jj ee          2 sin2 0tj ;        1 211 R R B , 32 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №5 выражения (10) и (11) для колебательного переходно- го процесса после соответствующих преобразований запишем в виде    ,sin 2 sin 0211 0 01 2 tRRR t C L LR Ue i t                  (13)       . 2 sin 2sin2sin 00211 0 01                               t LC e RRR te CR U U t t c (14) Весьма важной является величина напряжения Uкэ между коллектором и эмиттером VT при его запи- рании, то есть при переходе К из первого положения во второе. Согласно второму закону Кирхгофа с уче- том (13) и (14) запишем            . 2 sin 2sin2sin sin 2 sin 00211 0 01 0211 0 01 2 22                                             t LC e RRR te CR U tRRR t C L LR UeR UiRU t t t cкэ (15) Из полученного соотношения следует, что с рос- том γ, имеющей место при увеличении длительности импульса тока в ЭМ, равно как и при вырастании R2, напряжение Uкэ увеличивается. Снижение Uкэ наблю- дается при увеличении емкости C демпфирующего конденсатора. Однако эта емкость и R2 влияют на час- тоту собственных затухающих колебаний цепи 2 21 0 2 1         L RR LC , и с их ростом ω0' падает, вызывая увеличение соответ- ствующих множителей в (15) и, тем самым, несколько ослабляя эффект ограничения Uкэ демпфирующей це- почкой. С другой стороны, рост R2 сопровождается увеличением δ и повышением скорости затухания пе- реходного процесса. Отметим, что если тяговое усилие ЭМ значительно превышает затяжку его возвратной пружины, то с ростом C момент отпускания ЭМ может наступать с ощутимым запаздыванием вследствие воз- росшей продолжительности полуволны затухающего процесса и сдвига момента наступления равновесия механической и электромагнитной сил. Вышеизложенное, а также конкретные значения U, L, R1 в реальной системе необходимо учитывать при выборе VT и параметров демпфирующей цепочки. В качестве VT выбирают транзистор типа КТ898А, КТ8232А2, а величины R2 и C лежат в пределах соот- ветственно десятков Ом и единиц микро Фарад. Для нормальной работы выходного каскада (рис. 1) необ- ходимо, чтобы переходной процесс в цепи окончился к моменту начала следующего импульса отбора про- бы ОГ. Если считать, что переходной процесс практи- чески полностью затухает за время  3t , то нетрудно показать, что в случае двухтактного ДВС должно выполняться соотношение   nRR L  21 10 , а в случае четырехтактного   nRR L  21 20 , где n – частота вращения коленчатого вала ДВС, вы- раженная в об/мин. Следовательно, при выборе параметров демпфи- рующей цепочки необходимо учитывать еще и диапа- зон скоростных режимов ДВС. ВЫВОДЫ Вышеприведенная методика позволяет получить максимальное быстродействие электромагнита при его включении за счет реализации колебательного пере- ходного процесса и определить параметры демпфи- рующей цепочки, ограничивающей перенапряжение на транзисторе и, тем самым, повышающей надежность устройства. Благодаря высокому быстродействию по- вышается точность реализации моментов включения и отключения электромагнитного клапана, отбирающего пробы выпускных газов ДВС, и улучшается качество диагностирования двигателя. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ходасевич А.Г, Ходасевич Т.И. Справочник по устрой- ству и ремонту электронных приборов автомобилей. – М: Антелком, 2004. – 244 с. 2. Тюнин Н.А., Родин А.В. Электроника в автомобиле. – М.: Солон-пресс, 2012. – 128 с. 3. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В 2-х т. – Л.: Энергоиздат, 1981. – 536 с. REFERENCES: 1. Khodasevich A.G., Khodasevich T.I. Spravochnik po ustroistvu i remontu elektronnykh priborov avtomobilei [Reference book on the device and repair of electronic devices of cars]. Moscow, Antelcom Publ., 2004. 244 p. 2. Tyunin N.A., Rodin A.V. Elektronika v avtomobile [Electronics in the car]. Moscow, Solon-press Publ., 2012. – 128 p. 3. Neumann L.R., Demirchyan K.S. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. V 2-kh t. [Theoretical bases of electrical engineering. In 2 vols.]. Leningrad, Energoizdat Publ., 1981. 536 p. Поступила (received) 28.05.2014 Лавриненко Ольга Валериевна, преподаватель-стажер, Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", 61002, Харьков, ул. Фрунзе 21, тел/phone +38 057 7076961, e-mail: lavrinenko_olya@mail.ru O.V. Lavrinenko National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute" 21, Frunze Str., Kharkiv, 61002, Ukraine Research on transients and choice of optimum parameters of switching elements for an electromagnetic valve control for combustion engine exhaust sampling. The article introduces a classical-method-based analysis proce- dure for transients in the control cascade of an electromagnetic valve for combustion engine exhaust sampling. Analytical ex- pressions for currents and voltage on the cascade basic elements are obtained to allow specifying the optimal parameters of these elements in terms of speed and reliability. Key words – combustion engine exhaust, electromagnetic valve, oscillatory transitional process.

Institution

Ähnliche Einträge