Analysis of the effectiveness and the possibility of creating an auxiliary braking system for an electronically controlled vehicle of the utility patent No. 153 247

Full Text

Введение В настоящее время электронное управление рабочими процессами в агрегатах и системах автомобилей является одним из эффективных и современных способов улучшения их эксплуатационных параметров. Средства электроники позволяют увеличить среднюю скорость движения автомобилей, снизить расход топлива, улучшить управляемость, устойчивость, проходимость и плавность хода, повысить тормозные качества и безопасность движения, облегчить управление автомобилем. Все современные электронные системы автомобиля - цифровые. Обмен данными между ними происходит по стандартному протоколу по шине данных CAN - controller area network (контролеры, объединенные в сеть). Скорость передачи данных - до 1 мегабита в секунду. Шина CAN позволяет существенно снизить количество проводов и связей в автомобиле, ведь информация многих датчиков используется в различных системах. В отечественных автомобилях шина CAN называется мультиплексной. Цифровые принципы подключения позволяют использовать каждый датчик для нескольких систем. Современные датчики делают интегрированными в единые модули, например, датчик частоты вращения (CSWS). Выполнен в композитном сальнике коленчатого вала. Размеры датчиков постепенно уменьшаются, повышается их быстродействие, надежность и точность. Для повышения тормозных свойств и безопасности транспортные средства оснащают: 1) антиблокировочной системой (АБС). Она имеет электронный блок управления (ЭБУ) с микропроцессором, который обрабатывает сигналы от датчиков, и подает ток на электромагнитные клапаны; 2) электронной системой распределения тормозных усилий между колесами передней и задней осей (EBD - Electronic Brake Distribution). Она является дополнением ABS и применяется для как можно более позднего вступления в работу ABS; 3) превентивной системой экстренного торможения (PEBS - Preventive Electronic Brake System), которая оценивает расстояние между автомобилями и подает звуковой и/или визуальный сигналы, включает осязательное оповещение (например, резкий тормозной толчок, во время которого машина резко притормаживает, что позволяет активизировать внимание водителя), а при бездействии водителя - включает функцию автоматического экстренного торможения; 4) электронной системой контроля устойчивости ESP - Electronic Stability Program. Это дополнительная опция АBS с датчиками положения дроссельной заслонки, положения руля и поворота автомобиля вокруг вертикальной оси. Одним из перспективных путей совершенствования транспортных средств является использование в качестве вспомогательной тормозной системы автомобиля двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с электронным управлением его тормозным моментом [1-5]. В 2015 г. был опубликован патент № 153 247 полезную модель «Вспомогательная тормозная система автомобиля с электронным управлением» [1], в котором утверждается, что эта модель повышает тормозной момент ДВС в 2,5-3 раза, что может заинтересовать производителей. Однако предварительное изучение данной полезной модели показало, что в ней имеются серьезные ошибки. Они связанны с необходимостью быстрого изменения давления в цилиндрах с помощью электромагнитного клапана в течение очень малого времени его открытия и с необходимостью его открытия при большом перепаде давлений. Также не учтено ограничение давления в выпускном тракте силой предварительного поджатия клапанных пружин. Эти ошибки вызывают сомнение не только в реализации заявленной эффективности данной полезной модели, но и в возможности ее создания. В связи с этим, целью настоящей статьи является анализ эффективности и возможности создания предложенной вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением. Описание вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 Рис. 1. Схема вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 Fig. 1. Diagram of the auxiliary braking system of an electronically controlled vehicle according to the utility patent No. 153 247 Схема вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением приведена на рис. 1. Пневматический контур (рис. 1) включает в себя компрессор 1 основной тормозной системы, связанный воздуховодами 2 с одной стороны с воздушным фильтром 3 и воздухозаборником 4 штатной системы питания воздухом, а с другой стороны через нагнетательный клапан 5 с ресивером 6 основной тормозной системы. Ресивер, в свою очередь, воздуховодами 2 через пневматическую секцию 7 тормозного крана 8 и электромагнитный воздушный клапан 9 связан с надпоршневым пространством 10, сообщающимся через впускной клапан 11 и выпускной клапан 12 с впускным патрубком 13 и выпускным патрубком 14 соответственно. Кроме того, ресивер воздуховодами через пневматическую секцию тормозного крана связан с пневмоцилиндром 15 привода заслонки 16 впускного патрубка 13, пневмоцилиндром 17 привода заслонки 18 выпускного патрубка 14, а также пневмоцилиндром отключения подачи топлива 19 топливного насоса высокого давления (ТНВД) 20. На рис. 2 приведена схема тормозного крана, который состоит из корпуса 21 с подводящим штуцером 22 и отводящим штуцером 23 пневматической секции, крышки 24. В крышке на оси 25 установлен рычаг 26, соединенный с одной стороны через шток 27 с педалью 28, а с другой, - с золотником 29, имеющим проточку 30, возвратную пружину 31 и уплотнение 33. Рис. 2. Схема тормозного крана вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 Fig. 2. Diagram of the brake valve of the auxiliary brake system of an electronically controlled vehicle according to utility patent No. 153 247 Электрический контур включает в себя выключатель 34 с кнопкой 35 (рис. 2), соединенный электрическими проводами 36 через ЭБУ 37, который получает сигнал от датчика положения коленчатого вала 38, с обмоткой электромагнитного воздушного клапана 9. Причем выключатель 34 присоединен при помощи деталей крепления 32 к корпусу тормозного крана 21 таким образом, что золотник 29, находясь в исходном положении под действием пружины 31, нажимает на кнопку 35 выключателя 34, размыкая его контакты. Вспомогательная тормозная система автомобиля с электронным вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 управлением работает следующим образом. В ресивере поддерживается давление в интервале от 0,6 до 0,75 МПа. Когда водитель воздействует на педаль тормозного крана, перемещается шток, который посредством рычага перемещает золотник. При этом кольцевая проточка 30 совмещается с каналами подводящего 22 и отводящего 23 штуцера пневматической секции 7, сообщая ресивер 6 через воздуховоды с электромагнитным воздушным клапаном и пневмоцилиндрами 15, 17 и 19. При этом заслонка 16 перекрывает впускной патрубок 13, а заслонка 18 перекрывает выпускной патрубок 14, а рейка ТНВД 20 перемещается в положение нулевой подачи топлива. При этом выключатель 34 подает напряжение на ЭБУ. На рис. 3 приведена взятая из описания патента [1] расчетная индикаторная диаграмма изменения давления в цилиндре двигателя ЯМЗ-238М2 в режиме торможения с предлагаемой и штатной вспомогательными тормозными системами. Рис. 3. Расчетная индикаторная диаграмма изменения давления в цилиндре двигателя ЯМЗ-238М2 в режиме торможения с предлагаемой (по патенту на ПМ № 153 247) и штатной вспомогательными тормозными системами: н.м.т.- нижняя мертвые точка; в.м.т. - верхняя мертвая точка; сплошная линия - предложенная система, штриховая линия - штатная система Fig. 3. Calculated indicator diagram of the pressure change in the cylinder of the YaMZ-238M2 engine in the braking mode with the proposed (according to the utility patent No. 153 247) and standard auxiliary brake systems: l.d.c. - lower dead center; u.d.c. - upper dead center; solid line - proposed system, dashed line - standard system Анализ эффективности и возможности создания вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 Анализ вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 проведем по всем тактам четырехтактного ДВС с использованием диаграмм фаз газораспределения (рис. 4). Рис. 4. Такты четырехтактного ДВС (а) и диаграммы фаз газораспределения: четырехтактного карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 (б) и дизельного двигателя КамАЗ-740 (в) Fig. 4. Strokes of a four-stroke internal combustion engine (a) and valve timing diagrams of: a four-stroke ZIL-130 carburetor engine (b) and a KamAZ-740 diesel engine (c) Проведем анализ описанного в патенте [1] алгоритма работы предложенной системы и выявим допущенные ошибки: 1. Диаграмма (рис. 3) начинается с такта впуск, который авторы назвали тактом расширения (от точки r до точки a, и от точки e до точки a′) поскольку впускной патрубок перекрыт заслонкой и воздух в него не впускается. Отмечается, что двигателем на этом такте совершается преимущественно отрицательная работа за счет разрежения. Однако это не верно. В патенте не учтено, что на этом такте всасывающий клапан сообщает цилиндр с закрытым впускным патрубком (рис. 4), который имеет объем, больший, чем рабочий объем цилиндра, что уменьшает снижение давления. Такт начинается с давления порядка 0,75 МПа (точка r), поэтому разряжение (снижение давления ниже 0,1 МПа) не будет достигнуто, а, следовательно, отрицательная работа будет отсутствовать. 2. По диаграмме видно, что за 20-30° до н.м.т. (от точки a до точки b, и от точки a′ до точки b′) введены дополнительные такты впуска сжатого воздуха в цилиндры из ресивера с помощью электроклапана, управляемого ЭБУ. Отмечается, что двигателем на этом дополнительном такте совершается преимущественно положительная работа, однако в патенте не учтено, что эта работа близка к нулю, т.к. практически отсутствует вертикальное перемещение поршня. Кроме того, в патенте не учтено, что выпускной клапан на дополнительном такте всасывания открыт, он закрывается с запаздыванием после прохождения поршнем в.м.т. на угол 10-50°. Поэтому при открытии электроклапана давление должно подниматься в суммарном объеме цилиндра и выпускного тракта за очень короткое время. Это предъявляет трудновыполнимые требования к электромагнитному клапану: он должен обладать большим быстродействием и пропускной способностью, его пружины должны иметь большое предварительное поджатие, чтобы он удерживал с запасом давление в ресивере, которое для повышения эффективности торможения двигателем в патенте рекомендуется максимально повышать. 3. На втором дополнительном такте от точки b′ до точки d′ проблема такая же, как в предыдущем случае, только она усугубляется тем, что в связи с перекрытием клапанов сжимаемый объем увеличивается на объем выпускного тракта, что потребует увеличения пропускной способности электромагнитного клапана. 4. В патенте отмечается, что в интервале от н.м.т. до 20-30° до в.м.т. (от точки b до точки d на такте сжатия, от точки b′ до точки d′ на такте выпуска) совершается максимальная отрицательная работа сжатия. На дополнительных тактах расширения от точки d до точки е на такте сжатия, от точки d′ до точки r′ совершается отрицательная работа выпуска сжатого воздуха из надпоршневого пространства через электромагнитный воздушный клапан в ресивер. Это верно только для линии от точки b до точки d. от точки d до точки е на такте сжатия отрицательная работа не совершается, происходит просто выпуск сжатого воздуха из надпоршневого пространства, чтобы он не совершил положительную работу на следующем такте. Следует отметить, что для быстрого сброса давления электромагнитный клапан должен максимально быстро отрыть большое проходное сечение в точке d, преодолевая силу действующего на тарелку клапана высокого давления (7,5 МПа), и силу предварительного поджатия клапанных пружин. Это очень трудновыполнимые требования. 5. Линия давления от точки b′ до точки d′ на такте выпуска изображена неверно. В патенте не учтено, что давление в выпускном тракте ограничено силой предварительного поджатия пружин выпускных клапанов двигателя, оно не должно превышать максимальное давление в ресивере и даже быть меньше (рекомендуется 0,3 МПа). Поэтому линия давления от точки b′ до точки d′ должна идти параллельно оси абсцисс, что снижает возможность получения завленного повышения эффективности торможения в 2,5-3 раза. Математическое обоснование требований к электромагнитному воздушному клапану вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 Во время работы двигателя меняются как проходное сечение клапана, так и продолжительность его открытия. Площадь проходного сечения (рис. 5 а), рассчитывают по формуле: (1) где - ход клапана, мм; - диаметр горловины впускного и выпускного клапанов, мм; α - угол рабочей фаски седла клапана, град. Рис. 5. Штатный клапан в открытом положении (а) и зависимости перемещения клапана от угла поворота коленчатого вала (характеристики «время-сечение» клапана) (б) Fig. 5. The standard valve in the open position (a) and the dependence of the valve movement on the angle of rotation of the crankshaft (characteristics of the “time-section” of the valve) (b) На рис. 5 б видно, как плавно перемещаются штатные клапаны, а предложенный в патенте электромагнитный клапан должен перемещаться более чем в 10 раз быстрее. Из фаз газораспределения двигателя ЗИЛ-130 (рис. 4 б) видно, что впускной клапан открывается за 31° до прихода поршня в в.м.т., а выпускной клапан закрывается при угле 47° поворота коленчатого вала после в.м.т., следовательно, угол перекрытия клапанов составляет 78°. Открытие выпускного клапана происходит с опережением на 67° до н.м.т., а закрытие впускного клапана - с запаздыванием на 83° после н.м.т. Таким образом, общая продолжительность открытия каждого клапана составляет 294° по углу поворота коленчатого вала двигателя. В патенте предлагается осуществить газообмен электромагнитным клапаном за время поворота коленчатого вала на 20-30°, т.е. на порядок быстрее, что вызывает большие сомнения, для обоснования которых используем показатель «время-сечение». Он характеризует пропускную способность клапана и математически представляет собой интеграл от проходного сечения по времени: (2) где и , и - соответственно время и углы открытия и закрытия клапана; - угловая скорость кулачка. Интеграл равен площади под кривой перемещения клапана от угла поворота кулачка (рис. 5 б). Из анализа рис. 5 б и приведенных формул следует, что для обеспечения сохранения пропускной способности клапана (постоянства площади под кривой его перемещения) при меньшем угле поворота коленвала необходимо пропорционально увеличивать высоту подъема электромагнитного клапана (или его диаметр). Поскольку в предложенном патенте [1] угол поворота коленвала, на котором срабатывает электромагнитный клапан, уменьшен в 10 раз по сравнению со штатным клапаном, то электромагнитный клапан должен иметь большие габариты, что конструктивно неосуществимо. Заключение Проведенный анализ эффективности и возможности создания вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 позволяет сделать следующие выводы: 1. В описании патента не учтено, что на этом такте всасывания клапан сообщает цилиндр с закрытым заслонкой впускным патрубком (рис. 4), который имеет объем, больший, чем рабочий объем цилиндра, что уменьшает снижение давления. Такт начинается с давления порядка 0,75 МПа (точка r), поэтому разряжение (снижение давления ниже 0,1 МПа) не будет достигнуто, а, следовательно, отрицательная работа будет отсутствовать. 2. В патенте не учтено, что на дополнительном такте всасывания (от точки a до точки b, и от точки a′) выпускной клапан открыт (рис.3), поскольку он закрывается с запаздыванием после прохождения поршнем в.м.т. на угол 10-50°. Поэтому при открытии электроклапана давление должно подниматься в суммарном объеме цилиндра и выпускного тракта за очень короткое время, соответствующее повороту коленвала на 20-30о. Это предъявляет трудновыполнимые требования к электромагнитному клапану: он должен обладать большим быстродействием и пропускной способностью, его пружины должны иметь большое предварительное поджатие, чтобы он удерживал с запасом давление в ресивере. 3. На втором дополнительном такте от точки b′ до точки d′ (рис.3) проблема такая же, как в предыдущем случае, только она усугубляется тем, что в связи с перекрытием клапанов сжимаемый объем увеличивается на объем выпускного тракта, что потребует увеличения пропускной способности электромагнитного клапана. 4. На дополнительных тактах расширения от точки d (рис.3) до точки е на такте сжатия, от точки d′ до точки r′ совершается отрицательная работа выпуска сжатого воздуха из надпоршневого пространства через электромагнитный воздушный клапан в ресивер. Это не верно, отрицательная работа не совершается, происходит просто выпуск сжатого воздуха из надпоршневого пространства, чтобы он не совершил положительную работу на следующем такте. 5. Для быстрого сброса давления электромагнитный клапан должен максимально быстро отрыть большое проходное сечение в точке d (рис.3), преодолевая силу действующего на тарелку клапана высокого давления (7,5 МПа), и силу предварительного поджатия клапанных пружин. Это очень трудновыполнимые требования. 6. Линия давления от точки b′ до точки d′ (рис.3) на такте выпуска изображена неверно. В патенте не учтено, что давление в выпускном тракте ограничено силой предварительного поджатия пружин выпускных клапанов двигателя, оно не должно превышать максимальное давление в ресивере и даже быть меньше (рекомендуется 0,3 МПа). Поэтому линия давления от точки b′ до точки d′ должна идти параллельно оси абсцисс, что снижает возможность получения завленного повышения эффективности торможения в 2,5-3 раза. 7. Из анализа рис.5 б и приведенных формул (1-3) следует, что для обеспечения сохранения пропускной способности клапана (постоянства площади под кривой его перемещения) при меньшем угле поворота коленвала необходимо пропорционально увеличивать высоту подъема электромагнитного клапана (или его диаметр). Поскольку в предложенном патенте [1] угол поворота коленвала, на котором срабатывает электромагнитный клапан, уменьшен в 10 раз по сравнению со штатным клапаном, то электромагнитный клапан должен иметь большие габариты, что конструктивно неосуществимо. Таким образом, поставленная в настоящей статье цель - проведение анализа эффективности и возможности создания вспомогательной тормозной системы автомобиля с электронным управлением по патенту на ПМ № 153 247 достигнута. Анализ показал, что заявленное повышение эффективности предложенной системы завышено, а ее создание невозможно, поскольку не существует электромагнитного воздушного клапана удовлетворяющего предъявляемым к нему в данной конструкции требованиям.

About the authors

Al-Jumaili Abdulsatar KH Shihan

Moscow polytechnic university

Email: abdulsatar_k@mail.ru
Moscow, Russia

V. V Serebryakov

Moscow polytechnic university

Email: serebr16@mail.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files