Дроссель двигателя


Как обойтись без дросселя — журнал За рулем

ТЕХНИКА

ДВИГАТЕЛИ

КАК ОБОЙТИСЬ БЕЗ ДРОССЕЛЯ

Теоретик без труда нарисует несколько дюжин принципиально возможных термодинамических циклов. Но лишь немногие из них сыграли хоть какую-то роль

в более чем вековой истории ДВС.

Анатолий ДМИТРИЕВСКИЙ

Начать придется с азов, а именно с того известного факта, что дроссельная заслонка — далеко не лучший способ регулирования мощности бензинового двигателя. Представьте себе: воздух проходит фильтр — и упирается в заслонку, которая на режимах частичных нагрузoк прикрыта. За заслонкой — разрежение, и как раз на преодоление этой ступеньки давления двигателю приходится расходовать заметную часть мощности. Пониженное давление перед поршнем тормозит его движение на протяжении всего такта всасывания, заставляя тратить лишний бензин.

Рассказывая в одном из предыдущих номеров о способах управления клапанами, мы уже касались этой проблемы, однако сейчас посмотрим на нее несколько шире. В обычных двигателях (как сказал бы немец, «моторах Отто») инженеры чего только не делают для улучшения наполнения цилиндров. В арсенале их средств — и настроенный впуск с регулируемой длиной впускного канала, и управляемые фазы газораспределения. Однако, присмотревшись, заметим — и то, и другое действительно эффективно лишь при полностью открытой дроссельной заслонке. На любом частичном режиме воздух опять проходит через узкую щель, теряя энергию. Отчего все эти беды? Если коротко — оттого, что при небольшой нагрузке нам нужно поместить в цилиндр меньше смеси. К слову, в зарубежной научной литературе встречается термин «реальная степень сжатия» — то есть отношение объема смеси, попавшей в цилиндр (точнее, объема, который она имела бы при атмосферном давлении), к объему камеры сгорания. Итак, цель — снизить при малой нагрузке реальную степень сжатия. Дроссельная заслонка это вполне позволяет, но в качестве платы за услугу отбирает и некоторую мощность, заставляя тратить горючее на саму возможность регулирования!

Понятное дело, проблема попала в поле зрения конструкторов не вчера. И уже несколько десятилетий назад появились первые решения — предлагалось в большом диапазоне нагрузок отказаться от дросселя. Два варианта воплощения этой идеи мы сейчас и рассмотрим. Сразу отметим — оба они предполагают изменение времени закрытия впускного клапана. Можно, конечно, менять высоту его подъема, но это не только сложно технически, но и переносит проблему с заслонки на клапан: воздушный поток «спотыкался» бы уже здесь.

Попробуем поэкспериментировать со временем закрытия. Положим, мы впустили в цилиндр соответствующее нагрузке количество смеси, и — закрыли клапан задолго до НМТ (в отличие от обычных двигателей, где это происходит после нижней мертвой точки). Что произойдет в цилиндре? Поршень продолжит движение вниз, заставляя смесь расширяться и, конечно, испытывая при этом определенное сопротивление. Однако эта энергия не пропадет даром — как вы, вероятно, помните из школьной физики, при расширении температура газов снижается. Наша смесь — не исключение, и потому она охлаждается, заодно отбирая тепло у наиболее горячих частей камеры сгорания. А это — эффект полезный, он снижает риск детонации и калильного зажигания. В то же время при впуске перед клапаном у нас — давление, близкое к атмосферному (или давление наддува, но об этом позже), то есть части потерь на газообмен мы счастливо избегаем.

Схема этого цикла была разработана несколько десятков лет назад, по имени одного из создателей он получил имя цикла Миллера. Однако с воплощением в металле вышла заминка — ведь менять в широких пределах время закрытия клапана в ту пору не умели. Тогда появилось множество, как сказал бы врач, паллиативных решений — с разнообразными золотниками, призванными перекрывать впускной тракт до закрытия впускного клапана, фазы которого при этом не менялись. У нас в НАМИ вели эксперименты с «прыгающей» заслонкой, в нужные моменты отсекающей поток смеси.

В последнее время все чаще говорят о том, что цикл Миллера особенно подходит для двигателей с наддувом — в них можно, не меняя геометрическую степень сжатия, поддерживать реальную степень сжатия на уровне, при котором опасность детонации минимальна. И в то же время дополнительно охлаждать смесь перед началом такта сжатия.

Единственным серийным воплощением цикла Миллера на легковых автомобилях (да и то с оговорками) стал двигатель KJ, который «Мазда» устанавливает на некоторые свои модели («Кседос», «Юнос»). Мотор, кстати, интересный — V6 с механическим нагнетателем Лисхольма, расположенным в развале блока. Других последователей пока не нашлось, и потому перейдем к другому возможному циклу, который получил имя Отто-Аткинсона.

В отличие от предыдущего варианта, где клапан закрывался раньше, чем положено «у Отто», рассмотрим иной принцип. Пусть поршень прошел такт впуска и направился к верхней мертвой точке, гоня перед собой попавшую в цилиндр смесь. Вот она уже выталкивается обратно в коллектор... а мы все не закрываем впускной клапан, ожидая того момента, когда в цилиндре останется ровно столько смеси, сколько необходимо по условиям нагрузки двигателя. Наконец, клапан закрыт — и только тут начинается сжатие оставшегося заряда. Как нетрудно заметить, здесь, в отличие от цикла Миллера, поршень испытывает еще меньшее сопротивление — мы не «растягиваем» смесь, а лишь выталкиваем ее. Но и технически воплотить этот цикл сложнее — ни заслонки, ни золотники не помогут, стоит рассчитывать лишь на изменение фаз впускного клапана. Тем не менее сегодня, когда фазы не умеют регулировать только самые отсталые автомобильные фирмы, применение цикла Отто-Аткинсона стало возможным. Первой ласточкой здесь оказалась «Тойота» — бензиновый двигатель, установленный на гибридный «Приус», работает именно по этому циклу.

Оба варианта — Миллера и Аткинсона — роднит то, что в них реальная степень сжатия на частичных режимах меньше степени расширения (которая, кстати, равна геометрической степени сжатия), и потому их относят к «циклам с продолженным расширением». Вы наверняка вспомните, что имеется и другой путь отказа от дроссельной заслонки — послойное смесеобразование и, как инструмент, непосредственный впрыск бензина в цилиндры. Такие двигатели уже выпустили «Мицубиси» и «Тойота», вот-вот к ним присоединится «Фольксваген». Не повторяя уже сказанного о подобных моторах (см. ЗР, 1998, № 7), заметим: и здесь объем топливно-воздушной смеси оказывается при небольших нагрузках меньше объема камеры сгорания, а остальное место занимает воздух; меняя количество смеси, мы и управляем двигателем. Однако при всех достоинствах подобного метода отметим — чем больше воздуха в цилиндре, тем больше тепла он выносит с собой при такте выпуска. Это вовсе не домысел автора: на судовых дизелях (естественно, с непосредственным впрыском и без всяких дросселей) нередко применяют цикл Миллера, уменьшая объем «паразитного» воздуха, прокачиваемого через цилиндр. Таким образом, не исключено, что, если совершенствование автомобильных двигателей внутреннего сгорания продолжится, инженеры еще не раз обратятся к идеям Миллера и Аткинсона.

Разрез двигателя " Мазда Кседос 9". Обратите внимание на нагнетатель Лисхольма в развале блока цилиндров. На кожухе двигателя значится "Миллер-Мотор".

Момент закрытия впускного клапана (на рисунке — первые два такта 4-тактного цикла): а — в цикле Отто; б — в цикле Миллера; в — в цикле Отто-Аткинсона.

Силовой агрегат «Тойоты-Приус». Бензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона.

Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

www.zr.ru

Дроссельный регулируемый электропривод

Схемы управления асинхронными электродвигателями

рис.1а) с пусковым сопротивлением

рис. 1б) с дросселем в роторной цепи

рис.2 Конструкция дросселя

рис.3 Механические характеристики при разных вариантах включения сопротивлений в роторной цепи

рис.4 Экспериментальные характеристики дроссельного электропривода: а)механические; б) электромеханические

рис.5 Дроссельный асинхронный электропривод с тиристорным регулятором скорости

рис.6 Механические характеристики дроссельного электропривода

Традиционным средством ограничения пусковых токов асинхронных электродвигателей с фазным ротором является введение в цепь ротора пусковых сопротивлений (рис.1а). Сопротивления ускорения R1У, R2У ограничивают роторный ток при пуске электродвигателя и контакторами КМ3 и КМ4 при пуске последовательно выводятся из роторной цепи электродвигателя. При торможении противовключением (противотоком) в роторную цепь отключением контактора КМ5 дополнительно вводится ступень противовключения Rп.

Из рис.1а видно, что для пуска и торможения электродвигателя необходима коммутационная аппаратура, усложняющая схему электропривода и требующая обслуживания. Эксплуатационный персонал всегда приветствует любое упрощение схемы управления. Такое упрощение схемы пуска имеет место при использовании пусковых дросселей, включенных в цепь ротора асинхронных электродвигателей.

 Пусковой дроссель представляет собой активно-индуктивное сопротивление, значение которого за счет изменения величины и частоты тока ротора автоматически уменьшается при пуске от исходного значения до практически нулевого значения. Тогда исключается вся коммутационная аппаратура роторной цепи электродвигателя (рис. 1б).

Большой опыт внедрения пусковых дросселей имеет "Горнозаводское объединение" г.Челябинска, которое ввело в эксплуатацию около 10 000 дросселей в электроприводах различных назначений (в основном на крановых механизмах) в разных регионах России и за ее пределами. Отличительной особенностью пусковых дросселей является их эксплуатационная надежность, так как они представляют собой стальной сердечник с обмоткой.

Одна из конструкций пускового дросселя представлена на рис.2. По внешнему виду дроссель напоминает трехфазный трансформатор. Стержни 1 выполнены из толстостенных стальных труб, которые стягиваются шпильками между двух соединяющих пластин 2. В качестве пластин используется швеллер из обычной конструкционной стали. На стержнях располагаются обмотки 3, включаемые в цепи ротора асинхронного двигателя. Такая конструкция технологична, но создает разные условия работы для среднего и крайних стержней. Это вызывает некоторую несимметрию сопротивлений в роторной цепи. Такая конструкция используется для электродвигателей мощностью до 30 кВт. Для двигателей большей мощности используются однофазные дроссели, включаемые в каждую фазу ротора. Обмотки пускового дросселя представляют собой несколько десятков витков алюминиевого провода или алюминиевой шины, сечение которых выбирается по роторному току электродвигателя. Для возможности корректировки пускового тока электродвигателя в процессе настройки электропривода на обмотках дросселя, как правило, предусматриваются отпайки. О влиянии включения индуктивного сопротивления в цепь ротора асинхронного электродвигателя можно получить информацию в любом учебнике по основам электропривода. Так на рис.3 воспроизведены взятые из [1] характеристики асинхронного электродвигателя при включении в цепь ротора, как чистой индуктивности, так и при различных вариантах совместного включения индуктивного и активного сопротивлений.

На рис.3 характеристика Ме - естественная, Мр - при включении в цепь ротора индуктивного сопротивления, Мрс1 - при последовательном включении индуктивного и активного сопротивлений и Мрс2 - при включении параллельно индуктивному сопротивлению активного сопротивления.

Сопротивление рассматриваемого дросселя представляет собой последовательное соединение индуктивного и активного сопротивлений, которому соответствует характеристика Мрс1 на рис.2, но значения указанных сопротивлений изменяются с изменением скорости при пуске электродвигателя. Как известно, с увеличением скорости электродвигателя при его пуске уменьшается ток ротора I2 и его частота f2, стремясь к нулевым значениям при синхронной скорости. Эффект ограничения пусковых токов асинхронного электродвигателя объясняется тем, что при пуске по материалу сердечников дросселя протекают вихревые токи. Вихревые токи и магнитный поток проходят только по тонкому поверхностному слою сердечника дросселя толщиной от 2 мм до 4 мм.

При запуске дроссельного электропривода энергия скольжения, которая при пуске с сопротивлениями в роторной цепи шла на нагрев этих сопротивлений теперь выделяется в сердечниках пускового дросселя (в дросселе на рис.2 - в металлических трубах). Поэтому возникает проблема нагрева дросселя. Но если нет нагрева, то нет и желаемой дроссельной характеристики.

Характеристика Мрс1 на рис.2 соответствует фиксированным значениям индуктивности L и активного сопротивления r в роторной цепи. В случае же пускового дросселя значения L и r, вследствие указанных выше электромагнитных процессов в сердечниках (трубах), при пуске с ростом скорости автоматически уменьшаются, то есть как бы постепенно корректируется характеристика Мрс1.

Механические и электромеханические характеристики дроссельного электропривода (снятые в лабораторных условиях с использованием автоматизированной системы экспериментального исследования электроприводов) представлены соответственно на рис.4а и рис.4б.Характеристики сняты для электродвигателя МTF111-6 с Рн=3,5кВт,Uн=380В,I1=10,4А,I2=15А,Мmax=85H*м, nн=895 об/мин. Так как лабораторная установка имела ограниченную мощность, то питание двигателя осуществлялось от сети пониженного напряжения 220В.

На рис.4 представлены характеристики естественная (ест) при закороченных кольцах ротора, с числом витков обмоток дросселя 60 и с числом витков 100. Характеристики изображены в относительных единицах (о.е.). За базовые величины приняты следующие значения: для частоты вращения электродвигателя w=104,7 рад/с, для момента М=12,5Нм, для тока статора I1=10.4A и для тока ротора I2=15А. На рис. 4б зависимости I1(w) и I2(w) различаются тем, что при синхронной скорости ток статора I2 равен нулю.

Из рис.4а следует, что механические характеристики дроссельного электропривода своеобразны. При скоростях от нуля до скорости примерно 60% от синхронной скорости момент, развиваемый двигателем, стремится сохранить свое значение. Такие характеристики являются желательными для плавного пуска электродвигателя. Конечно, жесткость дроссельной характеристики на рабочей части ниже, чем на естественной характеристике двигателя, то есть снижается рабочая скорость механизма на 3%-8%. Если дроссель использовать для пуска, а в конце пуска кольца ротора замыкать контактором и тем самым переходить на естественную характеристику двигателя, то этот недостаток устраняется. Однако, на практике пусковой дроссель включается в цепь ротора эл.двигателя без шунтирующего контакта, т.к. снижение скорости на 3%-8% практически не влияет на производительность крана, нет броска тока и момента, которые всегда возникают при переходе с дроссельной характеристики на естественную.

Активно-индуктивный характер сопротивления пускового дросселя позволяет при определенных его параметрах обеспечивать пусковой момент больше, чем на естественной характеристике при существенном ограничении пускового тока. Это видно из рис.2, когда пусковой момент на характеристике Мрс1 несколько больше пускового момента на характеристике Ме. Когда возникает необходимость увеличивать пусковой момент в схеме с пусковым дросселем без усложнения схемы управления электропривода, параллельно обмоткам дросселя включаются активные сопротивления. Характеристики электропривода приближаются к виду характеристики Мрс2. Однако при этом следует увеличивать число витков дросселя. В процессе пуска при малых скоростях проявляется действие активных сопротивлений. При больших скоростях значение сопротивления пускового дросселя становится значительно меньше параллельно включенного активного сопротивления и тем самым влияние последнего автоматически исключается и дальнейший пуск идет как обычный дроссельный. Разумеется, в данном случае должны быть согласованы параметры пускового дросселя и активных сопротивлений. Отсутствие коммутационной аппаратуры, а также исключение пиков тока и момента существенно повышает надежность работы электропривода, значительно увеличивается межремонтный цикл механизмов, снижается время на ремонт и обслуживание электропривода особенно в тяжелых условиях работы механизмов и агрессивной окружающей среде (запыленность,загазованность, высокая температура воздуха).

ООО "Горнозаводское объединение" имеет большой опыт использования пусковых дросселей в электроприводах крановых механизмов. Опыт показывает, что при монтаже нового крана стоимость электрооборудования и электроматериалов при использовании дросселей уменьшается до 50%, а объем электромонтажных работ сокращается до 70%. Дроссельные электроприводы показали свою эффективность не только на механизмах мостов и тележек кранов, но и на механизмах подъема. Механизмы подъема требуют режимов посадочной скорости выбора слабины канатов. Эти режимы могут быть реализованы толчковым режимом работы или использованием разработанного совместно со специалистами Южно-Уральского государственного университета тиристорного регулятора скорости (РСТ) дроссельного электропривода.

Функциональная схема такого электропривода для механизма подъема крана представлена на рис.6. Роторная "звезда" электродвигателя М размыкается и в нее включаются тиристоры VS1…VS3. На РСТ подается напряжение с колец ротора и сигналы о положении командоаппарата SA. РСТ включается при подаче на статорную цепь электродвигателя напряжения контакторами КМ1 и КМ2 и формирует импульсы управления тиристорами. Особенностью регулятора скорости тиристорного является его высокая эксплуатационная надежность вследствие использования бесконтактных тиристорных ключей.

Механическая характеристика 3 дроссельного электропривода (рис.6)обеспечивает выбор слабины канатов подъема, характеристика 4 - низкие посадочные скорости. При низких посадочных скоростях электродвигатель работает в тормозном режиме, то есть он включается на подъем, но под действием груза вращается на спуск. Для спуска груза с большей скоростью электродвигатель включается в направлении спуска (на характеристику 5) и его спуск идет в режиме  электромагнитного торможения. Спуск порожнего крюка или груза с малой массой также осуществляется при работе электродвигателя на характеристике 5.

В настоящее время разработан тиристорный регулятор скорости (РСТ), способный плавно регулировать скорость от 0 до 70% номинальной скорости  на всем диапозоне момента, ограниченного дроссельной характеристикой.

На основании рассмотренного можно сделать следующие выводы:

 

  • пусковой дроссель с массивными (в ферромагнитном понимании) сердечниками создает активно-индуктивное сопротивление, величина которого автоматически уменьшается с ростом скорости электродвигателя при пуске;

  • при включении пускового дросселя в роторную цепь уменьшение пускового тока идет в большей мере, чем соответствующее уменьшение пускового момента;

  • механические характеристики дроссельного электропривода по внешнему виду приближаются к "эксковаторным" характеристикам, являющиеся желаемыми для плавного пуска электродвигателя;

  • рабочая часть механических характеристик дроссельного электропривода несколько мягче, чем естественные характеристики, что снижает статическую скорость механизма на 3%-8%. Этот недостаток можно устранить шунтированием колец ротора электродвигателя контактором после завершения пуска;

  • дроссельный электропривод с тиристорным регулятором скорости обеспечивает все требуемые режимы работы механизмов подъема крановых механизмов, включая реализацию режимов выбора слабины канатов и низкие посадочные скорости;

  • опыт показал эффективность использования пусковых дросселей в приводах крановых механизмов, упрощая схемы управления и резко повышая их эксплуатационную надежность;

  • в результате научных и практических исследований удалось разработать ряд пусковых дросселей различной конструкции, применяемых в электроприводах с мощностью двигателей до 200 кВт включительно с ПВ от 40% до 60%;

  • в настоящее время разработан и, при необходимости может быть изготовлен пусковой дроссель для высоковольтных (6000В, 10000В) асинхронных эл.двигателей с фазным ротором мощностью от 250кВт до 2000кВт, используемых для крупных воздуходувок, насосов, мельниц, вращающихся печей и др.. В этом случае дроссель используется только для вывода механизма на статическую скорость.

www.drossel.ru

Электронная педаль газа, электронный дроссель, система e-gas, на бензиновых моторах

Автор: Клявин Максим | Дата: 2011-12-07 23:12:06

Многие слышали об электронной педали газа, об электронной дроссельной заслонке и о системах без "тросика газа", в этой статье я хочу немного рассказать, о том что из себя представляет эта система, как он работает и в чем её смысл и предназначение. А так же, поведать о том какие бывают дефекты и неисправности у этого узла.

С развитием технологий, развивается и совершенствуется конструкция автомобилей. Вслед за мировыми производителями, отечественные разработчики внедряют в наши автомобили, новые, современные узлы, да конечно в некоторых достижениях мы далеко не первые, но в целом, если сделать наблюдения и сравнить других производителей, то на многих машинах часто встречается консервативное конструктивное исполнение. Так например, на автомобилях японского или американского производства, электронный дроссельный узел, так же начал устанавливаться сравнительно недавно в середине двухтысячных годов.

Системе с электронной дроссельной заслонкой, на бензиновом моторе, давно уже не редкость, в нашей стране эти системы впервые можно было встретить на немецких автомобилях выпущенных с середины девяностых годов и ввезённых на вторичный рынок, к очень популярным и широко распространенным можно отнести Volkswagen Passat B5, Golf и т.д . В целом главная суть системы полностью автоматическое управление электроникой приводом дроссельной заслонки. Делается это конечно не для того, чтобы убрать механическую связь между педалью и дросселем, а для того, чтобы улучшить приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря электронному дросселю, возможно существенно изменить и более гибко регулировать приготовление смеси, благодаря этому, можно уменьшить расход топлива, а тем самым уменьшить количество вредных выбросов и более эффективно сжигать топливо. . Управление дроссельной заслонкой, осуществляет блок управления двигателем, а поворачивает дроссельную заслонку электропривод, так же в состав системы дросселя входит датчик положения дроссельной заслонки (так называемая обратная связь). Педаль газа лишена какой либо механической связи с дроссельным узлом и несет в себе сугубо информативную задачу, обеспечивая электронный блок управления двигателя информацией, о требуемой частоте вращения мотором. На педали газа, расположен потенциометрические датчики, задачей которых является выдавать показания, о положении педали газа, на основании этих данных, электронный блок управления, высчитывает каким должна быть скорость вращения коленвала, и поворачивает дроссельную заслонку на необходимый угол. Тем самым регулируя скорость вращения мотора.

Современной системе предшествовал ряд предыдущих систем, первоначальной целью которых было регулирование холостого хода. Зачатки и прототипы системы можно впервые увидеть в системе Mono-jetronik, на автомобилях Golf 2. Конечно не о каком электронном дросселе даже речи быть не могло, но в этой системе, впервые дроссельную заслонку начинает двигать электропривод, задача которого, обеспечивать такое положение дросселя, чтобы обеспечивался холостой ход двигателя, позднее такие системы "при открывания" заслонки совершенствовались . По мере развития и совершенствования, система управления двигателя, в конечном счете предстала в современном варианте, без каких либо механических связей с сугубо электронным управлением. Теперь по истечении времени, можно сделать вывод, что дроссельный узел это последний элемент, который был не автоматизирован. И теперь можно уверенно сказать, что управление двигателем внутреннего сгорания полностью управляет электронная автоматика. Возможным это стало благодаря, развитию электроники, программного обеспечения, технологий и материалов. Родоначальником и самым главным инициатором внедрения данной системы автоматического электронного дросселя, является фирма Bosch.

  1. датчик положения дроссельной заслонки
  2. дроссельная заслонка
  3. упорная пружина дроссельной заслонки
  4. шаговый электродвигатель (электропривод заслонки)

Основная задача электронного дросселя повысить нормы экологичности, но так же на мой взгляд, как человека связанного с техникой. Электронное управление "газом" это первый шаг к беспилотному управлению автомобилем. Конечно и ранее , и даже можно сказать, очень давно существовали системы беспилотного управления, но все эти системы были не серийными, а единичными, опытными экземплярами. В системе с электронной педалью газа, педаль, это лишь датчик, который указывает системе, какую мощность должен развивать и выдавать мотор (в зависимости от частоты вращения коленвала). Но этот параметр вместо датчика педали, легко может заменить сигнал, от внешнего компьютера и т.д. Тем самым стала возможна независимая от человека регулировка и управление мотором внутреннего сгорания. Это открывает большие возможности, в связи с тем, что возможности ДВС поршневого типа почти исчерпаны, то будущее применение мотора возможно в более экономичных и экологичных гибридных машинах. Основным преимуществом электронного дроссель является, то что управлять приводом электрогенератора в силовой установке сможет электроника, То есть простыми словами двигателем внутреннего сгорания теперь может управлять электроника, а сам двигатель входит в состав силовой установки основная задача которого, приводить в движение электрогенератор. Все нововведения постепенно изменяют облик и конструкцию автомобиля.

Не смотря на то, что система является более сложной чем обычная "механическая, тросиковая" заслонка, она очень надежна, за период моей работы, ни разу не был зафиксирован отказ электронной педали газа, более "слабым" местом, можно назвать сам дроссельный узел. От части это связанно с его более сложной конструкцией, чем педаль, более энергичной работой, а так же более агрессивной средой, высокой температурой мотора, образованию грязи и масляного налета, на внутренней части дросселя. К профилактическим мерам по уходу за дросселем, можно отнести его регулярную прочистку от налёта. Так же, к сервисным мерам можно отнести адаптацию дросселя - это процедура определения положения дроссельной заслонки в корпусе, так называемая само корректировка, выполняется всегда после ремонтных работ, замены узлов и агрегатов, а так же при настройке системы и после прочистки дросселя. Провести адаптацию возможно только при помощи диагностического оборудования, или специализированных сервисных приборов.

В нашей мастерской возможно осуществление ремонта инжекторных систем управления двигателя, с электронным дросселем.

avto-diagnostika.com

Двигатели Тойота - Дроссельная заслонка

Дроссельная заслонка – специальное устройство двигателя, при помощи которого регулируется подача воздуха во впускной коллектор. Сам же термин дроссель часто используется некорректно. Например, в авиации часто называют дросселем устройство, которое меняет тягу двигателя, хотя более правильно называть его рычагом тяги. На паровых двигателях при помощи дроссельной заслонки регулируется давление пара, которое напрямую связано с мощностью самого парового двигателя.

В двигателях внутреннего сгорания

В ДВС дроссельная заслонка является неким клапаном, регулирующем количество воздуха, поступающего в двигатель. В современных двигателях это косвенно влияет на количество топлива, поступающего в камеры сгорания. Дроссельная заслонка обычно представляет собой двустворчатый клапан в виде бабочки. На двигателях с системой электронного впрыска топлива EFI дроссельная заслонка находится на входе во впускной коллектор и размещается в корпусе дроссельной заслонки. В карбюраторных же двигателях она совмещена с карбюратором в единое целое.

Когда дроссельная заслонка полностью открыта, во впускном коллекторе давление выравнивается с атмосферным. Если дроссельная заслонка открыта частично, то во впускном коллекторе происходит частичный эффект вакуума из-за особенности выпускного механизма. Давление падает ниже атмосферного и уменьшается количество топливо-воздушной смеси поступающей в цилиндры. В результате уменьшается мощность.

Как правило дроссельная заслонка управляется при помощи педали газа. Но в последнее время авто производители все чаще и чаще стали оснащать двигатели электронной педалью газа. Это происходит для того, чтобы добиться максимальной топливной экономичности. Электронная педаль газа подает сигнал электронному блоку управления двигателя (ECU), который сам управляет положением дроссельной заслонки. Это значит, что водитель не имеет прямого доступа к дроссельной заслонки. Поэтому ЭБУ может достаточно точно и эффективно управлять заслонкой. В результате уменьшаются вредные выбросы и увеличивается производительность двигателя.

Мощность дизельных двигателей контролируется путем регулирования количества топлива, поступающего в цилиндры. Поскольку в дизелях не нужно контролировать количество воздуха, то дроссельная заслонка в них отсутствует. Исключением являются новейшие современные дизельные двигатели, отвечающие самым строгим нормам выбросов, в которых дроссельная заслонка служит для образования разряжения давления во впускном коллекторе. Это необходимо для повторного использования части отработанных газов при помощи системы EGR для снижения температуры сгорания и понижения уровня NOx в отработанных газах.

Корпус дроссельной заслонки

В двигателях с электронным впрыском топлива EFI корпус дроссельной заслонки является неотъемлемой частью системы впуска воздуха, которая управляет количеством поступающего воздуха в двигатель. Корпус дроссельной заслонки обычно расположен между корпусом воздушного фильтра и впускным коллектором. Вблизи нее располагается датчик массового расхода воздуха MAP.

На многих двигателях движение педали акселератора передается через трос на корпус дроссельной заслонки. В автомобилях с электронным управлением дроссельной заслонки для изменения угла открытия используется электродвигатель, а педаль газа механически не связана с корпусом дроссельной заслонки. На ЭБУ двигателя подается электронный сигнал с датчика положения педали акселератора, который подает сигнал на электродвигатель, установленный на ее корпусе.

Когда водитель нажимает на педаль газа, дроссельная заслонка поворачивается внутри корпуса, что провоцирует выравнивание давления во впускном коллекторе. Датчик массового расхода воздуха MAP отслеживает эти изменения и совместно с датчиком положения дроссельной заслонки, кислородным датчиком и рядом других подают соответствующие сигналы на ЭБУ двигателя. ЭБУ рассчитывает оптимальное соотношение воздух / топливо и передает импульсы необходимой длинны системе электронного впрыска топлива EFI. Таким образом в камерах сгорания поддерживается оптимальное стехиометрическое соотношение воздух / топливо.

В корпусе дроссельной заслонки может находиться клапан холостого хода, предназначенный для регулировки подаваемого количества воздуха во время простоя двигателя. Обычно он представляет собой шаговый электродвигатель.

Большинство автомобилей имеют один корпус дроссельной заслонки. А некоторые форсированные двигатели используют несколько, связанных между собой для улучшения приемистости. Например, некоторые экстремальные модели такие, как E92 BMW M3 и спортивный мотоцикл Yamaha R6. Которые имеют отдельные корпуса дроссельных заслонок на каждый цилиндр. Их часто называют индивидуальными дроссельными заслонками.

toyota-engine.ru

Дроссели du/dt

И. Морозов Ключевые слова: дроссель dv/dt, дроссель du/dt, AC-дроссель, защита двигателя от перенапряжения, длина моторного кабеля, частота ШИМ, преобразователь частоты, инвертор.

Введение

Переход изготовителей преобразователей частоты (ПЧ) к IGBT транзисторам (биполярный транзистор с изолированным затвором), используемых в инверторах напряжения связан с тем, что IGBT транзисторы имеют меньшее время переключения, чем предшественники. В связи с этим, с одной стороны снижается потеря мощности при переключениях ключей, с другой -- появляется возможность увеличения несущей частоты синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) до 20 кГц, а это в свою очередь снижает уровень высших гармоник в выходном токе, а следовательно снижаются потери в электродвигателе и улучшаются его электромеханические характеристики. Однако улучшение важнейших параметров ПЧ приводит к возникновению некоторых эффектов, которые необходимо учитывать при выборе электродвигателей, моторных кабелей и дополнительного оборудования защищающего их. ПЧ на базе IGBT транзисторов имеют более быстрое время нарастания выходного напряжения (50-400нс), по сравнению с силовыми ключами, используемыми ранее, например, у BJT время нарастания --400-2000нс; у GTO--2000- 4000нс. Чем меньше время нарастания тем, при определенных условиях, больше разрушающее воздействие на изоляцию двигателя и силового моторного кабеля оказывают импульсы напряжения следующие с высокой частотой. Время нарастания напряжения на зажимах электродвигателя теперь имеет большее влияние на переходный процесс, заставляя учитывать явление отраженной волны и его отрицательное влияние на изоляцию двигателя и моторного кабеля.

Изучая проблему, и предлагая пути ее решения, мы руководствовались требованиями NEMA (National Electrical Manufacturers Association) в части предельных параметров напряжения на зажимах электродвигателя:

NEMA MG1 part 30: Низковольтные общепромышленные двигатели:

Максимальное импульсное напряжение 1000В; минимальное время нарастания напряжения 2мкс. [1]

NEMA MG1 part 31: Низковольтные двигатели предназначенные для работы с преобразователями частоты:

Максимальное импульсное напряжение 1600В; минимальное время нарастания напряжения 0,1 мкс [2]

Явление отраженной волны

Инвертор напряжения ПЧ с использованием технологии ШИМ (PWM) не формирует синусоидальное напряжение на выходе, а генерируют непрерывную последовательность импульсов синусоидальной ШИМ следующих с высокой частотой рис. 1., верхняя осциллограмма красного цвета рис. 2.Рис.1. Структурная схема преобразователя частоты

Рис. 2. Выходное напряжение инвертора и напряжение на зажимах мотора. Длина кабеля 211м, частота ШИМ 2 кГц, преобразователь частоты 0,75 кВт, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин

Импульсы напряжения передаются к зажимам двигателя по моторному кабелю. Пиковое напряжение импульса на выходе инвертора равно величине напряжения в контуре постоянного напряжения преобразователя частоты (Ubus). Амплитуда импульса напряжения на зажимах мотора не обязательно равна напряжению Ubus, она зависит от динамических свойств системы инвертор-кабель-мотор, а также от времени нарастания выходного напряжения инвертора.

Динамические свойства системы инвертор-кабель-мотор определяются параметрами кабельной линии и электродвигателя и в значительной степени длиной кабеля.

На нижней осциллограмме рис.2 показана последовательность импульсов на зажимах мотора (длина кабеля 211 м), в каждой точке переключения ключей видны кратковременные пики напряжения, существенно превышающие напряжение в контуре постоянного напряжения (Ubus). Амплитуда импульса достигает 1313 В, время нарастания напряжения при этом 1,2мкс. (допустимые значения для общепромышленного электродвигателя - 1000В, 2мкс). Эти импульсы напряжения, следующие с высокой частотой (до 20кГц), приводят к постепенному разрушению изоляции двигателя. Изоляция стареет и электродвигатель через некоторое время выходит из строя. Проблема еще заключается в том, что выход из строя электродвигателя происходит не сразу после внедрения преобразователя частоты, а по истечению некоторого времени. И выход его из строя обслуживающим персоналом не связывается с негативным воздействием на него преобразователя частоты.

Явление в результате которого на статорной обмотке электродвигателя появляются импульсы перенапряжения называют "Эффектом длинной линии электропередачи", "Эффектом отраженной волны" или "Эффектом стоячей волны". На Рис. 3 показан одиночный импульс напряжения на зажимах двигателя, создавая неограниченную отраженную волну напряжения Upeak=1360B или Upeak =2.43pu для IGBT инвертора 400V, 50Гц для которого

Общепринято обозначение характеризующее импульс перенапряжения рu=Upeak/Ubus. Важно отметить, что переходные процессы с эффектом отраженной волны происходят в любом электроприводе, использующем ШИМ технологию, и зависят от несущей частоты ШИМ. Они не зависят от выходной номинальной частоты инвертора. Важно понять, что двукратное перенапряжение на зажимах двигателя (pu=2) возможно на всех двигателях переменного тока при некоторой критической длине моторного кабеля независимо от типа переключающего ключа, используемого в инверторе. Для "медленного" ключа критическая длина моторного кабеля будет одна, для "быстрого" ключа - другая. Эта проблема обострилась с появлением на рынке "быстрых" IGBT транзисторов с очень малым временем переключения, так как критическая длина кабеля существенно снизилась до величин, которые чаще всего используются на практике (Рис. 4). Учитывая, что у современных ПЧ время нарастания импульса напряжения лежит в пределах 50- 400нс критическая длина кабеля соответственно будет от 12 до 94 м.Рис. 3. Одиночный импульс выходного напряжения инвертора (верхняя осциллограмма) и напряжение на зажимах мотора (нижняя осциллограмма). Длина кабеля 211м, частота ШИМ 2 кГц, преобразователь частоты 0,75 кВт, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин

Рис. 4. Зависимость критической длины кабеля от времени нарастания напряжения на выходе инвертора

Способы борьбы с перенапряжением вызванных эффектом отраженной волны и временем нарастания импульса напряжения на зажимах двигателей

Существует четыре способа борьбы с проблемами вызванными явлением отраженной волны:

1)              изменение линейного напряжения инвертора с 400В на 240В; 2)              использование специальных двигателей предназначенных для питания от преобразователей частоты; 3)              сокращение длины кабеля; 4)              ограничение амплитуды напряжения и времени его нарастания на зажимах двигателя с помощью выходных дросселей или фильтров.

В данной работе рассматривается один из способов борьбы, а именно способ включения между преобразователем частоты и электродвигателем дросселя du/dt типа ED3dU. С остальными способами можно ознакомиться в статье "Обуздание отраженной волны"

Одной из разновидностей выходных дросселей является дроссель du/dt (типа ED3dU, производитель Elhand transformatory, Польша). Напряжение короткого замыкание дросселей du/dt составляет 0,7-1,0%. Причем меньшие величины относятся к большим мощностям. Дроссель du/dt подсоединяется к выходным клеммам ПЧ.

Рис.5. Напряжение на выходе инвертора и двигателя. Дроссель du/dt типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

На рис. 5. Изображены напряжение на выходе ПЧ и напряжение на зажимах двигателя. Амплитуда выбросов напряжения составляет 923В (допустимый импульс 1000В). На рис. 7 изображены одиночные импульсы на выходе инвертора и на зажимах двигателя. Скорость нарастания напряжения на зажимах двигателя составляет 20 мкс (допустимо 2 мкс). Сравнение рис. 3 (кабель 211 м, без дросселя) и рис.6 (кабель 211м, с дросселем du/dt) иллюстрирует эффективность работы дросселя.

Рис. 6. Одиночные импульсы напряжения на выходе инвертора и двигателя. Дроссель du/dt типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

Дроссель du/dt ограничивает амплитуду и время нарастания импульса напряжения до допустимых NEMA MG1 part 30 величин, а следовательно появляется возможность использовать преобразователь частоты для работы совместно с общепромышленным электродвигателем.

На рис.8. изображен единичный импульс падения напряжения на одной из обмоток дросселя du/dt. Изображение показывает качество работы дросселя на высоких частотах.

Рис. 7. Одиночный импульс напряжения на одной из обмоток дросселя du/dt типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А), длина кабеля 211м

На рис. 9. изображены осциллограммы напряжения и тока двигателя. На рис. 10, 11 спектры тока и напряжения. Уровень высших гармоник при использовании дросселя ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А) несколько ниже, чем в схемах без дросселя, но в целом достаточно высок. В спектре напряжения и тока присутствуют как четные, так и нечетные гармонические составляющие. Наиболее сильными в спектре являются 7, 11, 14, 17, 21, 23, 40 гармоники. Поэтому основным предназначение дросселей du/dt является ограничение параметров импульсов напряжения на обмотках статора электродвигателя до допустимых значений (1000В, 2мкс). При использовании дросселей du/dt компании Elhand transformatory длину моторного кабеля можно увеличить до 200м при питании общепромышленного асинхронного двигателя от ПЧ. Учитывая тенденции к уменьшению времени нарастания напряжения, а также то, что производители ПЧ не приводят в технической документации этого ключевого параметра, рекомендуется оснащать дросселями du/dt частотно регулируемые системы управления при длине моторного кабеля более 12м (см. рис. 4).

Рис.9.    Напряжение  на  зажимах двигателя и ток двигателя. Дроссель  du/dt  типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

Рис. 10. Спектр напряжения на зажимах двигателя. Дроссель du/dt типа ED3dU- 2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А). Инвертор 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

Рис. 11. Спектр тока двигателя. Дроссель du/dt типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А). Инвертор 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

ВЫВОДЫ

Рассогласование волнового сопротивления кабеля и волнового сопротивления двигателя, прежде всего, ответственно за величину перенапряжения на зажимах двигателя. 2.              Время нарастания импульса напряжения на выходе инвертора, определяет критическую длину кабеля. 3.              В случае питания общепромышленного двигателя от IGBT инвертора начиная с 12 метров моторного кабеля нужно принимать меры по ограничению параметров импульсов напряжения до допустимых значений 1000В, 2мкс. 4.              Основное предназначение дросселей du/dt это ограничение параметров импульсов напряжения до допустимых значений (1000В, 2мкс). При использовании дросселей du/dt компании Elhand transformatory длину моторного кабеля можно увеличить до 200м при питании общепромышленного асинхронного двигателя от ПЧ. Это самый экономичный способ борьбы с эффектом отраженной волны.

Источники

[1]              NEMA Recommended Motor-Generator Standards, MG 1-1993 Revision 1 Part 30 Section IV, "Standard MG 1 Motors," Paragraph 30.02.2.9, Voltage Stress [2]              NEMA Recommended Motor-Generator Standards, MG 1-1993 Revision 1 Part 31 Section IV, "Definite Purpose Inverter Fed Motors ," Paragraph 31.40.4.2, Voltage Spikes

www.eti.su


Смотрите также