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

In 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 общий алгоритм работы системы;

- 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].

1.2 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

микроконтроллер схема двигатель Вылетающие с огромной скоростью выхлопные газы обладают большой инерцией, за счет чего создают в камере сгорания сильное отрицательное давление (примерно -7psi) около открывающегося впускного канала. Новая порция топливовоздушной смеси засасывается этим отрицательным давлением в камеру сгорания, что хорошо просматривается на рисунке 1.3. Но, так как выпускной канал какое-то время остается открытым одновременно с впускным, часть свежей горючей смеси неминуемо вылетает в выхлопную трубу.

Рисунок 1.3 - Волна отрицательного давления

1.4 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

1.5 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.

2.1 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.

2.2 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

3.1 Датчик частоты вращения коленчатого вала

Датчик частоты вращения коленчатого вала показанный на рисунке 3.1 предназначен для синхронизации управления системой впрыска и системой зажигания, поэтому другое название датчика - датчик синхронизации. В некоторых источниках информации датчик носит название - датчик начала отсчета. Сигналы от датчика используются системой управления двигателем для установления: момента впрыска топлива, количества впрыскиваемого топлива, момента зажигания (бензиновые двигатели), угла поворота распределительного вала при работе системы изменения фаз газораспределения, времени включения клапан адсорбера при работе системы улавливания паров бензина. ДПКВ подаёт в контроллер сигнал частоты вращения и положения коленчатого вала. Этот сигнал представляет собой серию повторяющихся электрических импульсов напряжения, генерируемых датчиком при вращении коленчатого вала. На базе этих импульсов контроллер управляет форсунками и системой зажигания.

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- Размещение датчика 1- обмотка, 2- корпус, 3- магнит, 4- уплотнитель, 5- провод, 6- кронштейн крепления, 7- магнитный сердечник (магнитопровод), 8- диск синхронизации.

3.2 Датчик положения ГДН (датчик Холла)

Такие датчики широко используются в системах, где возможно преобразование контролируемой величины в изменение магнитного поля, которое впоследствии легко проконтролировать датчиком Холла.К числу таких величин относятся переменный/постоянный ток или напряжение, давление, температура, скорость, вибрация и др. Кроме того, эффект Холла идеален для построения разнообразных датчиков положения, которые находят обширное применение в системах автоматики; в технике бытового, коммерческого, медицинского, научного и промышленного назначений; на транспорте и в современных приводах. В настоящий момент индустрия таких датчиков переживает расцвет, а компания Honeywell, крупнейший в мире производитель датчиков, активно продвигает на рынок изделия указанных типов.

Ассортимент датчиков Холла Honeywell показан в таблице 3.1 и рисунке 3.3 в основном представлен интегральными приборами в корпусах для поверхностного или сквозного монтажа. В общем случае такие датчики представляют собой трехвыводной прибор с двумя выводами питания и одним аналоговым или цифровым выходом.

Таблица 3.1 Ассортимент датчиков Холла компании Honeywell

Датчики доступны в корпусах трех типов, в т.ч. SOT-23, SOT-89 (для поверхностного монтажа) и SIP (для сквозного монтажа), который также можно назвать плоской версией популярного корпуса TO-92.

Рисунок 3.3 - Корпуса датчиков Холла компании Honeywell SIP-3

В зависимости от вида передаточной функции (ПФ) датчики разделяются на линейные и цифровые [19]. Как видно из рисунка, цифровые датчики работают как управляемые магнитным полем коммутаторы, которые активизируют свой выход при одном его уровне и отключают при другом. Отсюда происходит их альтернативное наименование - магнитоуправляемые коммутаторы. В зависимости от знака пороговых уровней, цифровые ПФ разделяются на униполярную, биполярную и всеполярную. Униполярные датчики реагируют на магнитное поле определенного знака (положительное или отрицательное), поэтому в конечном применении они требуют определенной ориентации полюсов магнита.

Данная особенность вызывает некоторые неудобства при сборке или установке датчиков, и в связи с этим были разработаны всеполярные датчики, которые равным образом реагируют на приближение северного и южного полюса.

3.3 Датчик температуры выхлопа

Датчик AEM EGT 0-980C показанный на рисунке 3.4 сочетает в себе отличную точность и скорость измерений, а также легко читаемый аналоговый интерфейс. AEM EGT имеет аналоговый выход 0-5v для записи данных в даталогеры и работы с блоками управления двигателем AEMEMS или FIC.AEM 980C EGT необходим для любого типа двигателей: Турбо, Дизель, Бензин. Отличный метод отслеживания правильности работы двигателя- мониторинг температуры выхлопных газов. Если все в двигателе работает правильно- значит и EGT всегда будет в норме. микроконтроллер схема двигатель Развертка датчика на 320 градусов позволяет видеть каждые 25 градусов изменения температуры и дает время увидеть проблему до разрушения или поломки ДВС. Благодаря быстрой электронике и моторчику стрелки датчик AEM EGT имеет самый быстрый и точный индикатор в своем классе. Используется датчик типа A K-Type Ther mocouple что дает дополнительную точность измерений. Подсветка имеет 7 цветов на выбор. Каждый датчик имеет в комплекте взаимозаменяемые черную и серебристую оправу, белый и черный фон для любой комбинации на ваш вкус.

Характеристики:

Диапазон работы 0 - 980C'

Вариантов подсветки 7

В комплекте белый и черный фон…

В комплекте черная и серебристая оправа

Развертка на 320 градусов

Сенсор типа K-Type Ther mocouple

Имеет аналоговый выход 0-5v для даталогеров и систем управления

Индикатор 52мм Полный комплект для установки

Рисунок 3.4 - Датчик температуры выхлопа

3.4 Датчик силы тока

Рисунок 3.5 - Датчик силы тока

Такой метод преобразования тока в напряжение позволяет сделать измеритель с нулевым падением напряжения.

Как видно из Рисунка 3.5, входной ток I через резистор R₁ течет на выход микросхемы IC₂, уменьшающий напряжение на величину IR₁ относительно входной клеммы [12]. Это напряжение равно среднему значению выходных напряжений операционных усилителей, которые устанавливаются через инвертирующие входы усилителей, подключенные к средней точке резисторов R₃ и R₄. В результате, напряжение на выходе IC₁ должно увеличиться на величину IR₂ относительно инвертирующих входов и, находящегося под тем же потенциалом, не инвертирующего входа IC₂. Этот ток, вытекая из IC₁, возвращается в измеряемую цепь через R₂. Если R₁ = R₂, выходной ток будет равен входному [17]. Поскольку выходы ОУ поддерживают одинаковые напряжения на своих входах, для измеряемой цепи сопротивление измерителя, фактически, будет нулевым.

3.5 Плата Arduino Mega

Рисунок 3.6 - Плата Arduino Mega

Общие сведения. Arduino Mega изображенная на рисунке 3.6 построена на микроконтроллере ATmega1280. Платформа содержит 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов,4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. Arduino Mega совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Duemilanove или Diecimila [2].

Таблица 3.2 Краткие характеристики

Питание. Arduino Mega может получать питание через подключение USB или от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.

Внешнее питание (не USB) может подаваться черезпреобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с центральным положительным полюсом. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания.

Платформа может работать при внешнем питании от 6 В до 20 В. При напряжении питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при этом платформа может работать нестабильно. При использовании напряжения выше 12В регулятор напряжения может перегреться и повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7 В до 12 В.

Выводы питания. VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в отсутствие 5 В от разъема USB или другого регулируемого источника питания). Подача напряжения питания происходит через данный вывод.5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема USB, или другого регулируемого источника напряжения 5 В. 3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое микросхемой FTDI на платформе. Максимальное потребление тока 50 мА.GND. Выводы заземления [20].

Память. Микроконтроллер ATmega1280 имеет: 128 кБфлеш-памяти для хранения кода программы (4 кБ используется для хранения загрузчика), 8 кб ОЗУ и 4 кб EEPROM (которая читается и записывается с помощью библиотеки EEPROM).

Входы и Выходы. Каждый из 54 цифровых выводов Mega, используя функции pin Mode, digital Write, и digital Read, может настраиваться как вход или выход. Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (стандартно отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА.

Некоторые выводы имеют особые функции. Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX); Последовательная шина 1: 19 (RX) и 18 (TX); Последовательная шина 2: 17 (RX) и 16 (TX); Последовательная шина 3: 15 (RX) и 14 (TX). Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Выводы 0 и 1 подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины FTDI USB-to-TTL.Внешнее прерывание: 2 (прерывание 0), 3 (прерывание 1), 18 (прерывание 5), 19 (прерывание 4), 20 (прерывание 3), и 21 (прерывание 2). Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения. Подробная информация находится в описании функции attach Interrupt. PWM: 0 до 13. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при помощи функции analog Write.SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, которая, хотя и поддерживается аппаратной частью, не включена в язык Arduino. Также выводы SPI могут быть выведены на блоке ICSP, который совместим с платформами Duemilanove и Diecimila.

LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит. I2C: 20 (SDA) и 21 (SCL). Посредством выводов осуществляется связь I2C (TWI). Для создания используется библиотека Wire (информация на сайте Wiring). Расположение выводов на платформе Mega не соответствует расположению Duemilanove или Diecimila.

На платформе Mega установлены 16 аналоговых входов, каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний предел посредством вывода AREF и функции analog Reference.

Дополнительная пара выводов платформы. AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией analog Reference.Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к кнопке на самой плате Arduino.

Связь. На платформе Arduino Mega установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega1280 поддерживает 4 порта последовательной передачи данных UART для TTL. Установленная на плате микросхема FTDI FT232RL направляет один из интерфейсов через USB, а драйверы FTDI (включены в программу Arduino) предоставляют виртуальный COM порт программе на компьютере. Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему FTDI или USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1).

Библиотекой Soft ware Serial возможно создать последовательную передачу данных через любой из цифровых выводов Mega. ATmega1280 поддерживает интерфейсы I2C (TWI) и SPI. В Arduino включена библиотека Wire для удобства использования шины I2C. Более подробная информация находится на сайте Wiring. Для использования интерфейса SPI необходимо обратиться к техническим данным микроконтроллера ATmega1280.

Программирование. Платформа программируется посредством ПО Arduino. Подробная информация находится в справочнике и инструкциях.

Микроконтроллер ATmega1280 поставляется с записанным загрузчиком, облегчающим запись новых программ без использования внешних программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом STK500. Имеется возможность не использовать загрузчик и запрограммировать микроконтроллер через выводы блока ICSP (внутрисхемное программирование).

Автоматическая (программная) перезагрузка. Mega разработана таким образом, чтобы перед записью нового кода перезагрузка осуществлялась самой программой, а не нажатием кнопки на платформе. Одна из линий FT232RL, управляющих потоком данных (DTR), подключена к выводу перезагрузки микроконтроллера ATmega1280 через конденсатор 100 нФ. Активация данной линии, т.е. подача сигнала низкого уровня, перезагружает микроконтроллер. Программа Arduino, используя данную функцию, загружает код одним нажатием кнопки Upload в самой среде программирования. Подача сигнала низкого уровня по линии DTR скоординирована с началом записи кода, что сокращает таймаут загрузчика. Функция имеет еще одно применение. Перезагрузка Mega происходит каждый раз при подключении к программе Arduino на компьютере с ОС Mac X или Linux (через USB). Следующие полсекунды после перезагрузки работает загрузчик. Во время программирования происходит задержка нескольких первых байтов кода во избежание получения платформой некорректных данных (всех, кроме кода новой программы). Если производится разовая отладка скетча, записанного в платформу, или ввод каких-либо других данных при первом запуске, необходимо убедиться, что программа на компьютере ожидает в течение секунды перед передачей данных.

На Mega имеется возможность отключить линию автоматической перезагрузки разрывом соответствующей линии. Контакты микросхем с обоих концов линии затем могут быть соединены с целью восстановления. Линия маркирована «RESET-EN». Отключить автоматическую перезагрузку также возможно подключив резистор 110 Ом между источником 5 В и данной линией. Подробная информация находится в соответствующей ветке форума.

Токовая защита разъема USB. В Arduino Mega встроена перезагружаемая плавкая вставка, защищающая порт USB компьютера от токов короткого замыкания и сверхтоков. Хотя практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем не менее, данный предохранитель обеспечивает дополнительный барьер. Предохранитель автоматически прерывает обмен данных при прохождении тока более 500 мА через USB порт.

Физические характеристики и совместимость с платами расширения. Длинна и ширина печатной платы Mega составляют 10,2 и 5.3 см соответственно. Разъем USB и силовой разъем выходят за границы данных размеров. Три отверстия в плате позволяют закрепить ее на поверхности. Расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 равняется 0,4 см, хотя между другими выводами оно составляет 0,25 см Arduino Mega совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Duemilanove или Diecimila. Расположение выводов 0 - 13 (и примыкающих AREF и GND), аналоговых входов 0 - 5, силового разъема, блока ICSP, порта последовательной передачи UART (выводы 0 и 1) и внешнего прерывания 0 и 1 (выводы 2 и 3) на Mega соответствует расположению на вышеприведенных платформах. Связь SPI может осуществляться через блок ICSP, как на платформах Duemilanove / Diecimila, так и на Mega. Однако расположение выводов (20 и 21) связи I2C на платформе Mega не соответствуют расположению тех же выводов (аналоговые входы 4 и 5) на Duemilanove / Diecimila.

3.6 Цифровой сервопривод Hitec RCD HS-7954SH.HV

Рисунок 3.7 - Цифровой сервопривод Hitec RCD HS-7954SH.HV

Мощный цифровой сервопривод для использования в авиамоделях большого масштаба, больших вертолетах, автомоделей масштаба 1/8. Сервопривод может быть безопасно использован при напряжении до 12 В. В сервоприводе используется бесколлекторный двигатель. Основные параметры сервопривода могут быть запрограммированы с помощью программатора [13].

Это ультрамощное серво, рассчитанное на высокое напряжение. Оно может быть запрограммировано с помощью программаторов HFP-20, HPP-21 либо HPP-21+. Особенности: идеально для авиамоделей гигантского масштаба, больших вертолётов, краулеров, монстр-траков, траков масштаба 1/8микроконтроллер схема двигательМотор без сердечника для чёткого центрирования микроконтроллер схема двигательПрограммируемая цифровая цепь G2, включены следующие программируемые свойства: ширина мёртвой зоны, регулировка скорости, микроконтроллер схема двигательпозиция Fail Safe, Вкл/Выкл Fail Safe, направление (по ЧС/против ЧС), конечные точки.

Защита от перегрузки, разрешение большое/малое, стальные шестерни для увеличения срока службы по сравнению с серво с металлическими шестернями, девять О - образных прокладок для экстра - защиты от влаги и пыли. Характеристики: Габариты: 40 х 20 х 37мм (стандарт), Вес: 68 грамм Скорость поворота на 60° при 12В составляет 0,12сек, Усилие на валу 29.0кг/см, шарикоподшипник: двойной.

4. Структурная схема адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя

Рисунок 4.1 - Структурная схема адаптивной системы изменения геометрии выхлопного тракта двухтактных двигателей

Подача питания на микроконтроллер происходит в момент включения зажигания. Далее система переходит в режим диагностики, в котором проверяются датчики и исполнительные механизмы, такие как датчик оборотов коленчатого вала, датчик положения ГДН, датчик температуры выхлопных газов, датчик силы тока.

В зависимости от оборотов двигателя происходит смещение конуса ГДН, что позволяет повысить эффективность и экономичность двигателя во всем диапазоне его работы.

Датчик положения ГДН предназначен для проверки соответствия концевых точек системы сдвижки, для предотвращения его некорректной работы в случае повреждения механизма сдвижки.

Датчик температуры выхлопных газов предназначен для контроля качества горения топливовоздушной смеси для дальнейшей корректировки положения конуса ГДН с целью улучшения экономических и экологических показателей, а также с целью перевода системы в доездной режим в случае обнаружения неисправностей в работе ДВС, которые могут повлечь за собой разрушения ДВС.

Датчик силы тока служит для предотвращения неисправностей механизма сдвижки и сервопривода, в случае возникновения усилия необходимого для сдвижки конуса превышающего установленное.

Управление сервоприводом происходит с помощью микроконтроллера с целью изменения геометрии выхлопного тракта путем смещения запорного конуса.

Разъем программирования и диагностики служит для настройки системы под конкретный тип ДВС, обновления прошивок, а также с целью проведения диагностических работ.

5. Алгоритм работы адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя

При включении зажигания адаптивная система изменения выхлопного тракта переходит в режим диагностики, отображенный на рисунке 5.2, при успешном завершении которого переходит в рабочий режим, который функционирует согласно алгоритму указанному на рисунке 5.1,а в случае некорректной работы системы выводит информацию на приборную панель, запуск двигателя и переход в доездной режим, после чего следует проверка номинальным параметрам считанным с датчиков. В случае если ошибка не исчезла система остается в доездном режиме. В случае исчезновения ошибки система переходит в рабочий режим, в котором после прохождения диагностики происходит запуск двигателя. Далее начинается циклическая часть алгоритма в начале которой происходит считывание показаний датчика частоты вращения коленчатого вала, опираясь на которые происходит позиционирование ГДН, после чего снимаются показания с датчика температуры выхлопа, которые в дальнейшем проверяются на соответствие номинальным параметрам. При их соответствии система продолжает работать циклически до выключения зажигания[16].

В случае несущественного отклонения показателей происходит смещение ГДН в пределах 10% от общего хода системы сдвижки. В случае превышения температурных показателей свыше 700 градусов цельсия информация об ошибке выводится на приборную панель и система переходит в доездной режим во время работы которого периодически осуществляется анализ показаний датчика температуры выхлопа.

Рисунок 5.1 - Алгоритм работы адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя

5.1 Алгоритм диагностики адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя

В режиме диагностики показанном на рисунке 5.2 считываются показания со всех датчиков системы и сравниваются с их номинальными параметрами, если параметры хотя бы одного из датчиков отличаются от должных, то микроконтроллер записывает в память ошибку, зажигает индикатор на приборной панели и переходит в доездной режим. Если показания датчиков совпадают с номинальными, то далее подается питание на сервопривод для проверки соответствия концевых точек после чего происходит запуск двигателя и показания датчиков проверяются еще раз. Если показания не выходят за рамки номинальных параметров, то система осуществляет смещение ГДН в соответствии с режимом работы двигателя и переходит в рабочий режим. В ином случае система отключается до устранения неисправности.

Рисунок 5.2 - алгоритм диагностики адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя

6. Принципиальная схема адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя

Рисунок 6.1 - Принципиальная схема адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя

В принципиальной схеме адаптивной системы управления выпускным трактом двухтактного двигателя, построенной на плате Arduino, на базе микроконтроллера ATmega 1280 используются:

- Фильтры в виде керамического и электролитического конденсаторов, подключенные на входы VCC и GND;

- D1, D2 и D3 -стандартные датчики частоты вращения коленчатого вала, положения ГДН (датчик Хола) и температуры выпускных газов не требующие специального подключения к МК, которые подключены к выводам PF1 (ADC1), PF3 (ADC3) и PF0 (ADC0);

- Также отображено подключение питания МК к входу RESET, который подсоединяется через резистор и конденсатор для запуска контроллера с задержкой для надежного запуска.

- К входу PF2 (ADC2) подключен датчик силы тока, работающий по принципу преобразования тока в напряжение, что позволяет сделать измеритель с практически нулевым падением напряжения.

- На выходы PJ7 и PJ6 подключены два светодиода с включенными в разрыв резисторами.

- Цифровой сервопривод подключен к выходу PB7 генерирующему ШИМ сигнал.

- Также в системе предусмотрен понижающий преобразователь напряжения из 12 В в 5 В для обеспечения корректной работы управляющей платы.

- D4 Преобразователь Arduino

7. Исследования и тесты

7.1 Общие сведения

Универсальная система работающая при помощи сервоприводов позволяла быстро переналаживать геометрию трубы для каждого двигателя и во время эксперимента плавно менять длину трубы без изменения объема или объем без изменения длины, или оба параметра одновременно при этом контролируя величины. По шесть резонансных труб для каждого типа двигателя. Это дало возможность «конструировать» множество геометрий для каждого двигателя и при этом плавно менять соотношения некоторых параметров труб. За основу была взята геометрия трубы Вишневского применительно к каждому двигателю и модификации в большую и в меньшую сторону геометрических параметров. Штатные трубы к итальянским двигателям CMB X15 и A90 имели несколько другие соотношения, но за основу была выбрана труба Власова, так как с его трубой и CMB X15 и A90 работали заметно лучше.

Трубы испытывались последовательно по одной и той же методике:

Достижение максимальной мощности.

Максимальный крутящий момент с трубой при скорости вращения вала соответствующего оптимальным оборотам двигателя без трубы.

Расход топлива с трубой при мощности на валу соответствующей максимальной мощности двигателя без трубы.

Повышение мощности стандартных двигателей путем постепенной модернизации:

а) изменения объемов камеры сгорания;

б) изменение геометрии футерки карбюратора;

в) изменение высоты выхлопных каналов;

г) изменение высоты перепускных каналов.

Рисунок 7.1 - Резонансная труба (ГДН)

На рисунке входное отверстие трубы равно выпускному. Это сделано для изучения влияния диаметра и длины выпускного патрубка. В выпускное отверстие вставлялись насадки с различными отверстиями по диаметру и профилю (с конусами, кривыми Лаваля, блендами и так далие) [6].

В дальнейшем успешно эксплуатировался двигатель с такой же, но изготовленной из нержавеющей стали, а не алюминиевой трубой на судомодели класса FSR-V15. Труба была настолько хороша, что двигатели (2 штуки) больше одной получасовой гонки не выдерживали. Приходилось менять шатуны и коренные подшипники. Поломались два вала. Это еще раз доказывает то, что высокофорсированный двигатель с трубой должен проектироваться как единное целое с учетом всех особенностей.

При первых опытах была собрана система с механизмом пантографа, но потом от этого отказались из-за сложности переналадки. Простые рычажные механизмы работают корректно при достаточном удалении управляющего рычага, т.е. когда длины шатунов плеч и одного порядка.

Система работоспособна и при более коротком выпускном канале, но тогда резко реагирует на изменения температуры и эжекции (изменении скорости спутной струи) и нагрузки. Увеличение длины канала никаких отрицательных последствий не вызывало, более того, если возникает проблема с шумом от выхлопной системы, то наиболее эффективно можно его глушить устанавливая поглотитель шума демпферного или резонансного типа на выхлопном патрубке, на удалении от зеркала поршня двигателя на расстоянии кратном ? длины звуковой волны конкретного спектра.

После отработки определенного количества топлива можно определить качество настройки, так как при неправильной настройке в трубе накапливается рабочая смесь (под правильностью, на режиме экономии, имеется в виду соотношение топлива с объемом камеры сгорания). При длительном накапливании происходит детонация. Данный опыт нужно проводить не более 30 секунд на больших кубатурах, а на 2,5-3,5 см³ не более 1 минуты.

По заказу было изготовлено по 3 трубы к каждому типу двигателей, все одинакового объема но разной длины +10%. На каждой из трёх труб двигатель показывал одинаковую предельную мощность, разница по оборотам и крутящему моменту в установившемся режиме не отличалась, отклонения были только: а) разное качество запуска (на укороченных-хуже, по мере удлинения-лучше); б) с одной из трех труб (расчетной длины) двигатели стабильно перезапускались без изменения регулировок. Удлиненная труба запускалась при более обогащенном топливе (игла открывалась на 15-30⁰ затем возвращалась в прежнее положение), укороченная - на оборот на обедненном, (игла закрывалась на 10-20⁰) [9].

При этом идентичный установившийся режим обеспечивался при индивидуальном подборе диаметра выпускного отверстия. Меньше отверстие для длинной трубы, большое для короткой.

На установившийся режим работы влияли температура трубы (и при охлаждении и при перегреве более чем на 20⁰С) и изменение проходного сечения выпускного отверстия, не зависимо от длины. Это наблюдение привело к выводу, что в резонансной трубе происходят не только акустические процессы, но и другие, в большей мере связанные с упругими свойствами среды, а может это акустика, но для другого уровня испытаний.

После чего было принято решение переименовать «резонансный глушитель для ДВС» в «ГДН для ДВС» (газодинамический насос).

Отсутствие специальных устройств не позволило получить желаемую информацию в полном объеме. Что четко наблюдалось не зависимо от продолжительности, это упорядочение, ламинаризация потока при уменьшении сечений и хаотичность при увеличении. И очень важное наблюдение, в районе стыка конфузора с выхлопным патрубком наблюдалась наибольшая плотность (оптическая) газов, то же самое происходило и в зоне телескопического соединения диффузора с входным патрубком. Эти наблюдения привели к выводу, что начальный (входной) диаметр резонансной трубы правильнее делать по площади не более площади выхлопного окна, а при наклонном выхлопном канале в картере двигателя, можно довести до 0,75 площади выхлопа.

Такая особенность диффузора вместе с эспоненциальным распределением расширяющейся части обеспечивает однородность потока (среды выбрасываемой из двигателя рабочей смеси), и поэтому улучшает качество возвращаемой в камеру сгорания смеси и, разумеется, снижает энергетические потери движущихся масс.

Так же вызвало интерес сильное помутнение газов в районе выпускного патрубка, на настроенных ГДН (цельно стеклянный ГДН без регулировочных элементов кроме диаметра выпускного патрубка) разных двигателей.

При изменении режима двигателя (совместно с изменением диаметра выпускного патрубка) оптическое уплотнение и увеличивалось и уменьшалось, но всегда имело максимальный размер для конкретного диаметра выпуска при выдаче максимально возможной мощности с данным отверстием. Можно только предположить, что какая-либо поверхность в объеме оптического уплотнения отражает звуковую волну [5].

Общие наблюдения:

а) имеют значение длина, объем, размер выпускного отверстия ГДН;

б) внутренняя поверхность должна быть гладкой, без резких скачков размеров сечений и без шероховатостей;

в) диффузор должен обеспечивать эффективное разряжение в цилиндре двигателя, не должен завихрять истекающие газы, должен с минимальным сопротивлением и полностью возвращать остатки топливной смеси в цилиндр;

г) исходными параметрами для расчета трубы являются геометрические и динамические характеристики двигателя и система движетеля (пропеллер, колесо, гребной винт и так далие).

7.2 Инженерная часть

Конечным итогом доработки системы двигатель - ГДН является получение максимальной мощности. Во вращающихся системах известна взаимосвязь мощности с крутящим моментом и частотой вращения ВОМ (вала отбора мощности). Первый вопрос, который возникает: «Что лучше, повышение мощности за счет оборотов, повышение мощности за счет крутящего момента или и то и другое?» На первый взгляд напрашивается однозначный ответ: «Конечно, важнее всего выжать из мотора максимум!». Вопрос - на какой период времени? Есть ли гарантия стабильности запусков и так далие. Разумеется, для установления рекорда (одноразово) можно пожертвовать мотором. Весь смысл вопроса в том, чтобы правильно поставить задачу [7]. Варианты задач:

а) установление рекорда скорости авто мото транспорта- нужна мощность на предельных оборотах;

б) установление рекорда в воздухе или на воде - максимальная мощность должна «проявиться» на определенных оборотах, это связано с проблемами аэрогидродинамического характера (скачки уплотнения при околозвуковых скоростях на пропеллерах, кавитация гребных винтов, а в результате неэффективная эксплуатация ДВС);

г) продолжительные гонки на время (радиоуправляемые автомодели, судомодели класса FSR, шоссейно кольцевые гонки на мотоциклах);

д) гонки с особыми требованиями, например авиамодели класса F2-C, нужна и скорость и экономия топлива, причем рассчитанная на строго определенную дистанцию.

Формула Вишневского

L=P*a / 2f;

где P=(Ф_вых - h⁰)/360 ;h⁰=(Ф_вых- Ф_пер)/2; а=558800 мм/с;

f = n _рез / 60 с ^-1;

D - приведенный внутренний диаметр входного отверстия трубы равный по площади 1,3 площади выхлопного окна двигателя; d-выпускное отверстие по площади меньше входного в 2,3-2,5 раза; a- скорость звука в среде выхлопных газов; Ф_вых - фаза выхлопа в градусах; Ф_пер - фаза перепуска в градусах; f - частота вращения вала в режиме резонанса в об/с.

Простые преобразования могут изменить вид формулы, но суть от этого не меняется. Суть формулы заключается в определении половины пути пройденной звуковой волной в среде выхлопных газов за время от начала процесса выпуска продуктов сгорания из окна цилиндра до момента перекрытия перепускных окон поршнем [10]. Почему так, единственное объяснение, эмперический подход, подгонка формулы длины результативной трубы под конкретный размер и скорость звуковой волны в продуктах сгорания. Почему именно 558,8 м/с? Вероятно это была достоверная величина из какого либо источника. Таким образом, состыковались длина трубы, скорость звука, обороты и комбинация из величин фаз перепуска и выхлопа.

Рассмотрим работу комплекса ДВС-ГДН, смотреть рисунки раздела 1.

Принцип работы резонансной трубы многим знаком.

Найдем время цикла фронта волны, для этого нужно время поворота вала двигателя на 1⁰ умножить на эквивалент времени, то есть на Фвых.

Среднее время поворота вала на один градус: t⁰=[1:(n_рез:60)]:360с. (3)

Где n_рез:60 - частота вращения вала в 1 секунду;

1:( n _рез:60) - время за которое совершается 1оборот. Таким образом, время прохождения звуковой волны от начала выхлопа до момента перекрытия выхлопного окна поршнем (обозначим как t^в) будет:

t^в = Ф_вых * [1:( n _рез:60)]:360 c.

Достаточно умножить результат на скорость волны в среде выхлопных газов и поделить на 2 (весь путь до отражателя и назад) - получим искомую длину ГДН .

Теперь интересно сравнить характеристики эквивалентов времени в нашем случае и по формуле Вишневского.

Повторим формулу Вишневского и выделим в ней эквивалент времени:

L=P*a : 2f;

Где

P=(Ф_вых - h⁰):360; h⁰=(Ф_вых- Ф_пер):2;а=558800 мм/с;

f = n_рез : 60 с ^-1;

Для этого необходимо исключить из формулы элементы самого времени и скорости звука.

Скорость звука: а=558800 мм/с;

Обороты в секунду: f = n _рез : 60 с ^-1;

Время одного оборота: t = 60 :n _рез с;

Время прохождения одного углового градуса: t₀ = 1 : 6n _рез с;

Подставим в формулу Вишневского значения его составляющих и преобразуем:

L= [(Ф_вых+ Ф_пер):4]* (1:6 n_рез )*558800 (мм).

Разделим полученное выражение на компоненты времени, скорости и умножим на 2 (показатель отражения волны), находим выражение эквивалента времени по Вишневскому:

Т_Виш= (Ф_вых+ Ф_пер):2; (4)

Рассмотрим вопросы, возникающие при решении подобной проблемы.

Нам нужно определить: длину ГДН, объем ГДН, геометрию ГДН.

Мы имеем:

ѕ двигатель;

ѕ цель эксплуатации двигателя;

ѕ геометрические параметры двигателя;

ѕ стендовые или паспортные характеристики двигателя;

ѕ эксплуатационные требования к двигателю;

ѕ состав топлива.

На основании тщательных замеров температуры внутри ГДН и окружающей среды, длины ГДН и частоты вращения в режиме резонанса с учетом индивидуальных геометрических характеристик ДВС методом от противного вывел величины скорости волны сжатия (термина «скорость звука» лучше избегать) для разных топлив. Для большей достоверности каждый двигатель вводился в резонанс с различными трубами и парами, обеспечивающими разброс оборотов до 40% при этом, естественно, менялась и температура и геометрия труб (длина и объем). Скорость волны «Св среде некоторых продуктов сгорания топливных смесей для 2-х тактных ДВС

Высота над морем 25м. Атмосферное давление 730-735 мм рт ст. Температура среды 20⁰С. Влажность 70-80%.

Таблица 7.1 Статистические данные

Низшая и высшая среднестатистические показатели температуры при экспериментах. Минимальную температуру Т⁰К₀ можно считать базовой для дальнейших расчетов, т.к. она, практически, совпадает с температурой выхлопных газов указанных топлив для двигателей без ГДН.

Таким образом, чтобы определить скорость волны сжатия при любой температуре (в Т⁰К - градусах Кельвина) достаточно провести простое вычисление с «р» для конкретного топлива.

Сп = (2Т⁰К*р)^0,5; (5)

Возникает вопрос, а при какой температуре нужно определять скорость? Помогут дополнительные данные, которые с достаточной точностью могут указать рабочую температуру для конкретного двигателя с конкретным топливом, при конкретных внешних условиях. Они должны заменить «Т⁰К» в формуле 5.

Сп = {2[Т⁰С-20+ Т⁰К₀]*[Р_ат+0,001(В_от- Вот₀)]*К*р)}^0,5 ; м/с (6)

где Т⁰С-20+ Т⁰К₀- Достоверная низшая температура продуктов сгорания в ГДН, складывается из температуры окружающей среды с вычетом температуры на момент определения Т⁰К₀ и собственно, низшей температуры выхлопных газов в ГДН указанной в таблице.

Р_ат- атмосферное давление в «технических атмосферах.

1ат = 1кг/см²= 98066,5 Па = 735,561 мм ртутного столба;

0,001(В_от-Вот₀)- 1/1000 часть разницы между относительной влажностью окружающей

среды с относительной влажностью на момент определения Т⁰К₀. Может принять как положительное так и отрицательное значение.

К-теплонапряженность системы

р - индивидуальный для среды, безразмерный коэффициент (Таблица 7.1).

Установив скорость волны сжатия определим расстояние от зеркала поршня до вершины конфузора. У нас есть расчетные обороты двигателя и данные об условиях эксплуатации. Мы определили скорость поршня и коэффициент теплонапряженности. Из таблицы 3 и с помощью формулы 5 нашли «Сп».

Длина ГДНL=0,5[1:( n _рез:60)]:360 *Cп*Фв (м); (7)

где 0,5 - показатель половины длины волны сжатия;

[1:( n _рез:60)]:360 см. Формулу 3;

Сп-скорость волны сжатия в м/с находим по формуле 5;

Фв-фаза выхлопа ДВС в угловых градусах;

n _рез-расчетная частота вращения вала мин^-1.

Зная кубатуру ДВС и скорость поршня, по графику на рисунке 7 находим объем ГДН.

В формуле Вишневского фазы были, а здесь оказались не нужными. На самом деле все проще.

Особенность классического 2-х тактного ДВС в том что фазы выхлопа и перепуска симметричные относительно ВМТ и НМТ[8]. Волна сжатия смещается (при правильной настройке) тоже симметрично (от момента приоткрытия выхлопного окна до момента закрытия). Величина выхлопного окна влияет на быстроходность мотора, а перепуск на мощность. Оба окна нельзя до бесконечности увеличивать. Фаза выхлопа в первую очередь связана с эксплуатационными требованиями к ДВС, а фаза перепуска, при этом, должна быть максимальной. Но какой? Обратимся к фактам. За время выхлопа, одновременно происходят продувка цилиндра, вытеснение рабочей смеси из цилиндра и возвращение рабочей смеси из ГДН в цилиндр. Самое время вспомнить, что поршень движется не с постоянной скоростью, а от 0 м/с в НМТ до максимума по синусоиде. Мы до сих пор говорили только о средней скорости поршня, и все расчеты велись от средней скорости, что абсолютно корректно для волны сжатия и прочих процессов в ГДН. Чего нельзя сказать о процессах в двигателе. Попытка теоретического обоснования займет много места. Сошлюсь только на принцип из газовой динамики - потери давления в потоке пропорциональны квадрату скорости движения смеси, в данном случае, в перепускных окнах. Следовательно, максимальная площадь перепускных окон обеспечивает наименьшие потери, а вместе с ними и лучшее наполнение надпоршневого пространства свежей смесью. Из принципа неразрывности потока, следует, что весь объем надпоршневого пространства, с момента приоткрытия перепуска, заполнен двумя средами, замещающими одна другую. Скорость этого замещения зависит от соотношения площадей окон к объему пространства: чем больше выхлопное окно, тем быстрее по времени выходят продукты сгорания, и чем больше перепускные окна, тем быстрее и качественнее происходит замещение.

Какая минимальная (максимальная) разница должна быть между высотами выхлопа и перепуска?

Одинаковая высота исключается в виду вопиющей очевидности перерасхода топлива и максимального смешения горючей смеси с продуктами сгорания.

Зная параметры объема и длины ГДН можно нарисовать множество геометрий отличающихся пропорциями и степенью апроксимации, то есть приближения к плавным обводам. За основу геометрического построения ГДН была выбрана простая фигура, названная «единичный ГДН». Единичный ГДН представляет собой некую геометрическую фигуру с известными (определяемыми) параметрами длины и объема. Для изображения реального ГДН с вычисленными параметрами длины и объема, достаточно «растянуть и раздуть» единичный ГДН. Что показано на следующем изображении.

Рисунок 7.2 - единичный газодинамический насос

Рисунок 7.3 - единичный ГДН после преобразований. Окончательная геометрия

Единичный ГДН представляет собой совокупность двух объемов: диффузора и камеры, в различных соотношениях диаметров камеры к диаметру впускного отверстия. Диаметр камеры равен единице (например, 1 см), остальные размеры в долях диаметра. Объемы конфигураций с различными соотношениями диаметров камеры к диаметру впускного отверстия даны в тех же единицах. В данном случае в см³.

Выполняя последовательно простые арифметические действия можно с достаточной точностью определить основные геометрические параметры требуемого ГДН.

Иногда для этого потребуется два и более повтора некоторых шагов. Связано это с непропорциональностью расчетного диаметра камеры ГДН с конструктивными размерами выхлопного окна конкретного двигателя.

Таблица 7.2 Соотношение основных размеров единичного ГДН

*Выделена средняя строка, удобная для начального варианта расчетов.

7.3 Расчетная часть

1) Принцип черчения ГДН. Примем длину ГДН равную 284 мм;

2) Зная скорость поршня, определяем объем ГДН, 89 см³:

3) Делим расчетную длину ГДН на длину единичного ГДН:

28,4/1,5= 18,9333333;

4) Умножаем полученную величину на усредненный объем единичного ГДН (строка 9):

18,9333333 * 0,6047544 = 11,450016;

5) Делим расчетный объем ГДН на полученную величину:

89 / 11,450016 = 7,7729149

6) Полученная величина есть квадрат кратности диаметров искомого ГДН к единичному.

Извлекаем корень квадратный:

7,7729149^0,5 = 2,7879947;

7) Внутренний диаметр входного отверстия ГДН по мотору, допустим 11,3 мм., Если мы увеличим диаметр выбранного единичного ГДН в 2,7879947 раза, получим всего 8,92 ;

8) Следующий шаг, второе приближение: 11,3 / 2,788 = 4,053...

9) Выбираем из таблицы 7.2, ряд с ближайшим диаметром - 0,41 это будет 12-ая строка.

10) Повторяем шаг 4, теперь умножая 18,9333333 * 0,6366658 = 12,054205.

11) Делим расчетный объем ГДН на полученную величину:

89 / 12,054205 = 7,3833156;

12) Извлекаем корень квадратный:7,3833156^0,5 = 2,7172257.

13) Диаметры входа единичного ГДН (строка 12) умножим на результат п.12: 4,1 * 2,7172257 = 11,140625.

Полученный результат на 0,15 мм меньше требуемого. Принимаем решение:

А) увеличить диаметр входного отверстия до 11,3 мм, плавно сопрягая с остальной геометрией;

Б) провести самостоятельное построение геометрии .

14) Вычерчиваем геометрию ГДН любым известным способом.

15) Рассчитываем и строим оконечность ГДН:

Диаметр отверстия выпускного патрубка находящегося в неподвижной среде без эжекции

d_вых = [(Ф_в * V^1/3_ДВС *n ) / (K^1/3_ГДН * 55673)]^0,5; мм (8)

где: Ф_в- фаза выхлопа, V^1/3_ДВС - корень кубический из объема мотора, n - обороты двигателя;

K^1/3_ГДН - корень кубический из показателя кратности объема ГДН 55673 - безразмерный коэффициент.

Площадь выпускного отверстия

S₀ = (d_вых /2)2*p; мм²

Площадь отверстия находящегося в потоке с установившейся скоростью V км/час:

S_V = S₀ - [(S₀ * V) / 657 ] мм² (9)

16) Выполняем сопряжение выпускного патрубка с конфузором. В акустике одна из аксиом гласит, что энергия волны не искажается, если канал, по которому проходит волна, имеет искривления или изменения сечений с радиусами не менее 1/10 длины волны.

Этот же принцип позволяет как угодно изгибать ГДН, при этом соблюдая правила:

А) длина средней линии изогнутого ГДН должна равняться расчетной прямой длине;

Б) поверхность оболочки искривленного ГДН является касательной к множеству сфер построенных на средней линии и равных по размеру и координатам от начала отсчета по оси, аналогичным на прямой оси (правило площадей).

C / n (10)

где С - скорость волны сжатия;

n - частота вращения ДВС в секунду.

Минимальный радиус r_min> 1

Если настроить резонансную трубу на режим экономии топлива калильные, искровые то в установившемся режиме резонанса трубу можно отсоединить от двигателя разгерметизировать двигатель продолжает экономить топливо, меняется только звук. Расстояние при котором разгерметизация не влияет на качество, четко лимитировано. Кроме зазора на работу влияет геометрия кромки ГДН. При отработанной компоновке системы ДВС-ГДН ввод двигателя в режим резонанса значительно ускоряется в отличие от герметичных ГДН. Алгоритм зазора и геометрия ГДН установлены.

Пример расчета ГДН:

Имеется двигатель для Р/У автомодели с данными:

- Объем двигателя, см³ - 3,5;

- Диаметр поршня, см - 1,66;

- Ход поршня, см - 1,6;

- Высота выхлопного окна, мм - 7,0;

- Длина шатуна, мм - 29;

Максимальная мощность при частоте вращения вала, мин^-1 - 34500;Диаметр впускного отверстия ГДН, мм - 12,5;

Условия эксплуатации, при температуре воздуха 27⁰С, относительной влажности 40% и атмосферном давлении 720 мм. Ртутного столба, то есть 0,98 кг/см².

Находим:

А) Фаза выхлопа получается 181⁰36', принимаем 181,5⁰;

Б) Скорость поршня - 18,4 м/с;

В) Теплонапряженность. Sс - площадь стенок цилиндра в рабочей зоне, включая окна;

Sоб - суммарная площадь поверхностей стенок, днища поршня и головки;

Ктн₁ - показатель теплонапряженности первого рода, относительное количество тепла от сгорания топлива на единицу поверхности, рассеивающей это тепло;

Ктн₂ - показатель теплонапряженности второго рода, влияние размеров трущихся поверхностей на единицу;

Ктн₃ - показатель теплонапряженности третьего рода, влияние скорости трущихся поверхностей на единицу;

Ктн - совокупный показатель теплонапряженности.

Совокупный показатель теплонапряженности как прирощение к тепловым процессам двигателя прибавляем к единице и получаем искомый показатель теплонапряженности, необходимый для дальнейших расчетов:

К=(1 + Ктн )

Определяем исходные параметры

- площадь поршня Sп 3,14159*0,83²= 2,1642413 см².

поверхность рабочей части цилиндра Sс 3,14159*1,66*1,6=8,344063 см².

поверхность объема Sоб 8,344063+2*2,1642413=12,672545 см².

- Ктн₁= 3,5/12,672545=0,2761876

-Ктн₂=8,344063*1,6/12,672545=1,0534979}

- Ктн₃ = 18,4/12,672545=1,4519577

- Ктн=Ктн₁*Ктн₂*Ктн₃=0.422466

- К=1+Ктн=1,422466;

Г) Объем ГДН в соответствии со скоростью поршня.

Находим:

V_ГДН= 3.5*36,4=127,4 см³.

Д) Скорость волны сжатия:

для топлива метанол 80% + масло 20%

Сп={2*[27-20+403]*[0,98+0,001*(40-75)]*1,422466*261,02809}^0,5= 536,3983м/с;

для топлива с 15% нитрометана

Сп={2*[27-20+453]*[0,98+0,001*(40-75)]*1,422466*255,11188}^0,5= 561,68923 м/с;

Е) Длина ГДН

для топлива метанол 80% + масло 20%

L=0,5[1:( 34500:60)]:360 *536,3983*181,5 = 279,9 мм

для топлива с 15% нитрометана

L=0,5[1:( 34500:60)]:360 *561,68923*181,5 = 293,1 мм;

Ж) Масштаб увеличения длины единичного ГДН:

для топлива метанол 80% + масло 20% 279,9/1,5=18,66;

для топлива с 15% нитрометана293,1/1,5=19,54;

З) Масштаб увеличения диаметра единичного ГДН, в первом приближении для топлива метанол 80% + масло 20%

18,66*0,6047544=11,284717; 127,4/11,284717=11,289605; 11,289605^0,5=3,36;

для топлива с 15% нитрометана

19,54*0,6047544=11,8169;

127,4/11,8169=10,781169;10,781169^0,5=3,283;

И) Определяем соответствие входного отверстия ГДН:

для топлива метанол 80% + масло 20% 3,36*0,32=1,075см;

Не достаточно.

для топлива с 15% нитрометана 3,283*0,32=1,0507см;

Не достаточно.

Повторяем действия для топлива метанол 80% + масло 20%

18,66*0,6256917=11,675407;

127,4/11,675407=10,911825;10,911825^0,5=3,3033051;

для топлива с 15% нитрометана

19,54*0,6256917=12,226015; 127,4/12,226015=10,420402;10,420402^0,5= 3,2280647;

Определяем соответствие входного отверстия ГДН:

для топлива метанол 80% + масло 20% 3,3033051*0,38=1,255см; Удовлетворяет.

для топлива с 15% нитрометана 3,2280647*0,38= 1,227см;

Удовлетворяет.

М) Диаметр выпускного патрубка

d_вых = [(181.5* 1,51829*34500 ) / (3,31411* 55673)]^0,5= 7,18 мм,………... разумнее сделать больше, затем дросселировать по необходимости.

Длину патрубка предварительно рисуем 45-50 мм

Радиус сопряжения патрубка с конфузором по формулам 10 и 11:

топливо метанол 80%+масло 20% 536398, 3 / 34500 = 932,487 мм; принимаем r94 мм;

топливос 15% нитрометана561689,23/34500=976,85мм;

принимаем r98 мм;

Технологически целесообразно на обеих ГДН сопряжения выполнить одинаковыми, большего радиуса. Патрубок можно отрезать на расстоянии 7,5 мм от точки касания дуги r98 мм с диметром патрубка.

8. Технико-экономическое обоснование работы

8.1 Обоснование целесообразности разработки

Предпринимателю в процессе деятельности постоянно приходиться принимать решения о цене, по которой изделие будет реализовано, о переменных и постоянных издержках, о приобретении и использовании ресурсов. Для этого необходимо точно и достоверно определить затраты и прибыль и объем производства.

Все предпринимаемые в условиях рынка управленческие модели основаны на изучении взаимосвязи затрат, объема производства и прибыли. Специальный анализ помогает понять взаимоотношения между ценой изделия, объемом производства, переменными и постоянными издержками. Он позволяет сравнить различные варианты цен на продукцию и получение прибыли, а также отыскать наиболее выгодное соотношение между переменными, постоянными затратами, ценой и объемом производства продукции. Достичь этого можно разными способами:

- снизить цену продаж и соответственно увеличить объем реализации;

- увеличить постоянные затраты и увеличить объем;

- пропорционально изменять переменные, постоянные затраты, и объем выпуска продукции. Иногда анализ соотношения затрат, объема производства и прибыли (CVP- анализ, Cost-Volume-Profit) трактуют более узко, как анализ критической точки[11].

Под критической понимается та точка объема производства, в которой затраты равны выручке от реализации всей продукции, то есть где нет ни прибыли ни убытков. Эту точку называют также «мертвой», или точкой безубыточности.

Для ее вычисления можно использовать три метода: уравнения, маржинальной прибыли и графического изображения.

Метод уравнения.

В качестве исходного уравнения для анализа принимают следующее соотношение выручки, издержек и прибыли:

Выручка - переменные затраты - постоянные затраты - прибыль.

Если выручку представить как произведение цены продажи единицы изделия и количества проданных единиц, а затраты пересчитать на единицу изделия, то в точке критического объема производства будем иметь:

(1)

где Qkp- объем производства продукции в критической точке (количество единиц);

Р- цена единицы продукции;

VC- удельные переменные затраты на единицу продукции;

FC- постоянные расходы.

Из формулы (1) определяем количество единиц продукции, которое необходимо продать, чтобы достигнуть критической точки:

(2)

Метод маржинальной прибыли представляет собой модификацию метода уравнений.

Маржинальная прибыль - это разность между выручкой от реализации продукции и переменными затратами, то есть это определенная сумма средств, необходимая, в первую очередь, для покрытия постоянных затрат и получения прибыли предприятия. Маржинальную прибыль на единицу изделия можно также представить как разность между ценой реализации единицы товара и удельными переменными расходами. Маржинальная прибыль, приходящаяся на единицу продукции, представляет вклад каждой проданной единицы в покрытие постоянных затрат.

Преобразование формулы (2) раскрывает связь объема продукции и относительного маржинального дохода:

где d - относительный уровень удельных переменных расходов в цене продукта (d = VC/P);

(1 - d) - относительная маржинальная прибыль на единицу объема реализации.

Таблица 8.1 - Соотношение цен системы

Проанализировав данную таблицу можно сделать вывод о том, что система по ценовому соотношению выходит в минимальных пределах - от 6750 рублей.

Исходя из назначения и области применения разработки, определим величину закладываемой прибыли в размере 70 % к сумме основной и дополнительной заработной плате (таблица 8.2).

Величину налога на добавленную стоимость (НДС) определяем как 18 % от продажной цены разработки при продаже.

Так как в стоимость системы входят покупные изделия и по ним платится НДС, фактический НДС к оплате определяем в цене за вычетом уже уплаченного НДС по приобретенным материалам и комплектующим.

Таблица 8.2 - Калькуляция полной себестоимости системы

8.2 Выбор аналога для сравнения

Ближайшим аналогом данной системы является разработка фирмы Yamaha - EXUP(ExhaustUltimatePowerValve). Цель у обеих систем одна, обеспечить наиболее эффективную работу силовой установки ДВС, ГДН при различных режимах работы ДВС, но способы ее достижения у них совершенно разные. EXUP работает по принципу изменения внутреннего сечения выпускной системы, а разрабатываемая система изменяет геометрические параметры выпускной системы, путем смещения конусов, достигая таким образом выше указанной цели с наименьшими потерями в отличии от аналога. Из чего следует, что разрабатываемая система уникальна.

8.3 Анализ рыночной ситуации и обзор существующих аналогов

Первоначальной задачей на этапе становления производства является анализ рынка сбыта. По результатам произведённых исследований выяснилось, что основными потребителями нашей продукции являются:

- автолюбители - 17%;

- специализированные автомобильные технические центры - 57%;

- ремонтные мастерские - 20%;

- другие потребители - 6%.

Сегментация рынка наглядно показана на рисунке 8.1

Рисунок 8.1 - Сегментация рынка

Таблица 8.3- Определение возможной рыночной цены

Полученное расчетное значение рыночной цены (таблица 8.3) разрабатываемого продукта не может в полной мере соответствовать оценкам экспертов, составляющее не более 0,7 % от стоимости системы электронного управления сечением выхлопа EXUP, так как данная система фактически не является аналогом разрабатываемой системы.

8.4 Длительность работ на этапе проектирования

Для подсчета трудовых затрат необходимо, в первую очередь, подсчитать общее количество часов, потраченных на разработку системы. Весь процесс производства проектируемой системы можно разбить на несколько этапов, каждый из которых занимает определенное количество трудовых часов:

Таблица 8.4 - Временные затраты на этапе проектирования

На основании вышесказанного можно построить график временных затрат на этапе проектирования. На графике 8.2 в окончательной сумме затраченного времени не учитываются те случаи, когда работы велись одновременно над несколькими из выше перечисленных видами работ.

Рисунок 8.2 - График временных затрат на этапе проектирования

На графике 8.2 в окончательной сумме затраченного времени не учитываются те случаи, когда работы велись одновременно над несколькими из выше перечисленных видами работ.

Таблица 8.5 - Временные затраты на выполнение работ

8.5 Расчёт эксплуатационных расходов для разработки проекта и аналога

В таблице 8.6 приведен расчет цены потребления аналога и разработки. При определении единовременных капитальных затрат экспертная оценка расходов на транспортировку, монтаж устройства, стоимость комплекта запасных частей составит: для аналога - 15 %, для разработки - 10 % к рыночной цене. При оценке эксплуатационных расходов экспертная оценка затрат на обслуживание, ремонт и другое.составит: для аналога - 20 %, для разработки - 15 % к рыночной цене.

Таблица 8.6 - Вычисление интегрального стоимостного показателя

8.6 Расчёт сравнительной технико-экономической эффективности разработки

Рассчитаем технико-экономические показатели проекта по выбранным в критериям и представим их в таблице 8.6. Форму вычисления интегрального технического показателя выберем аддитивную, так как выбранные критерии не имеют нулевых численных значений как для разработки, так и для аналога. Число критериев для сравнения - 5, что не противоречит используемой методике и не приведет к сглаживанию отличительных параметров [18].

Формула для расчета интегрального технического показателя

I _T = ? a_ib_i , i =1

где a_i - весовой коэффициент i-го параметра; b_i - значение i-го параметра. Численное значение весовых коэффициентов каждого параметра устанавливается экспертным путем с применением метода экспертных оценок с позиций важности и значимости этих параметров для потребителя.

Значения каждого i-го параметра для аналога устанавливаем равным единице, а значение i-го параметра для разработки - соответствующее численное улучшение параметра в разах (значение больше единицы) либо соответствующее численное ухудшение параметра в разах (значение меньше единицы, но больше нуля).

Интегральный технико-экономический показатель определяется как:

I_TЭ = I_T / I_C

где I _ТЭ - интегральный технико-экономический показатель;

I_С - интегральный стоимостный показатель.

Интегральные стоимостные показатели (цена потребления) аналога и разработки выбираем из таблицы 8.7. При этом соответствующие значения аналога и разработки представляют в относительных единицах, то есть интегральный стоимостный показатель аналога принимается равным единице, а интегральный стоимостный показатель разработки - соответствующее численное удорожание в разах.

Сравнительная технико-экономическая эффективность разработки вычисляется следующим образом:

Э_ср = I _{TЭпроекта}/ I _{TЭаналога}

где I _{TЭпроекта} - интегральный технико-экономический показатель разработки; IT_{Эаналога} - интегральный технико-экономический показатель аналога.

Таблица 8.7 - Оценка технико-экономической эффективности проекта

Вывод. В данном разделе был произведен анализ технико-экономических показателей адаптивной системы изменения геометрии выпускного тракта двухтактных двигателей.

По результатам технико-экономического анализа и приведенным выше расчетам следует, что характеристики разработанного устройства значительно превосходятпо тем же критериям характеристики аналогов и несмотря на высокую стоимость комплектующих, разработанное устройство существенно дешевле сопоставляемого с ним аналога. Из чего следует, что цели и задачи, решаемые с помощью данного устройства экономически оправдывают затраты на его разработку и изготовление.

9. Безопасность, экологичность и надежность при эксплуатации изделия

9.1 Системный анализ опасных и вредных факторов

Изготовление системы адаптации выхлопного тракта производится в лаборатории и охватывает многие виды производства, применяемые в радиопромышленности:

ѕ сборно-монтажные работы;

ѕ производство печатных плат;

ѕ регулировку;

ѕ испытания.

Проанализируем причины отказа в работе устройства и построим дерево причин отказов (рисунок 9.1). Разрабатываемое устройство должно быть надежным устройством с гарантийным сроком. Рассматриваемое дерево отказов представляет собой совокупность четырех глобальных причин отказа.

Эти причины следующие:

ѕ неверные данные датчиков;

ѕ отказ датчиков;

ѕ неисправность электромотора (сервопривода);

ѕ отказ контроллера.

Первый блок причин отказа-неверные данные датчиков- если:

ѕ отказ одного из блоков (дефект производства, другие причины);

ѕ воздействие внешней среды (механическое воздействие или другие причины).

Второй блок причин отказа -отказ датчиков- если:

ѕ обрыв кабеля;

ѕ отсутствие питания;

ѕ дефект сборки (неквалифицированный сборщик, низкое качество материала).

Третий блок причин отказа неисправность механизма сдвижки ГДН - если:

ѕ обрыв кабеля;

ѕ отсутствие питания;

ѕ дефект сборки (неквалифицированный сборщик, низкое качество материала).

Четвертый блок причин отказа -неисправность сервопривода - если:

ѕ отсутствие питания;

ѕ износ подшипников.

Пятый блок причин отказа неисправность микроконтроллера если:

ѕ сбой программного обеспечения;

ѕ отсутствие питания.

Дерево причин отказов отображенное на рисунке 9.1 показывает необходимость профилактического осмотра и тестирования системы.

Рисунок 9.1 - дерево причин отказов адаптивной системы управления выпускного тракта двухтактного двигателя

9.2 Безопасность и надежность при эксплуатации изделия

1 Работы проводить в соответствии с требованиями 'Межотраслевых правил по охране труда на автомобильном транспорте' ПОТ РМ-027-2003, инструкций по охране труда для слесарей, действующих на предприятии и раздела 2 данной инструкции.

2 Неправильное обращение, хранение, транспортировка, установка или демонтаж компонентов системы могут привести к непредусмотренному их срабатыванию или к нарушению нормального функционирования системы в целом.

3 Компоненты системы многоразового действия. Не работающие, в результате действия системы, блок управления, датчики, индикаторы, сервоприводы, необходимо заменить или отдать специалисту для ремонта оборудования.

4 Компоненты системы (блок управления, датчики ,индикаторы, сервоприводы,), сработавшие или не сработавшие, но не своевременно, что могло повлечь ДТП , подлежат замене. Забракованные компоненты устройства должны быть помещены в изолятор брака на складе хранения.

5 Замена компонентов системы проводится:

6 при обнаружении неисправностей в компонентах системы;

7 при повреждении компонентов системы;

8 при несвоевременном срабатывании системы или отдельных его компонентов.

9.3 Меры безопасности при работе с системой

1 Внимание! При проведении ремонтных и регламентных работ на ТС, оборудованных данной системой, выключатель зажигания должен быть в состоянии 'ВЫКЛЮЧЕНО', клемма провода 'массы' должна быть отсоединена от аккумуляторной батареи.

Перед проверкой электропроводов на короткое замыкание или разрыв необходимо отсоединить колодки жгутов проводов от модулей системы (блок управления, датчики , индикаторы, сервоприводы).

2 Все работы, связанные с компонентами системы, необходимо выполнять в чистых хлопчатобумажных перчатках и очках.

3 Хранить компоненты системы необходимо в оригинальной упаковке, соответствующей классу опасности 1.4S или 1.4G по ГОСТ 19433. Место для хранения компонентов устройства должно быть защищено от несанкционированного доступа лиц, не допущенных к обращению с ними. Не допускается складирование модулей устройства совместно с деталями ТС и материалами, которые являются взрывоопасными, пожароопасными, легко воспламеняемыми или горючими.

4 При работе с компонентами устройства запрещается:

? поднимать компоненты системы за подсоединенные к ним провода;

? разбирать компоненты устройства;

? подключать компоненты системы к источнику энергии, за исключением случаев, описанных в данной инструкции;

? располагать компоненты системы вблизи открытого огня и источников тепла (обогревателей, печей);

? располагать компоненты системы рядом с жирами, кислотами, растворителями, горюче-смазочными и подобными материалами;

? располагать компоненты устройства в местах проведения опасных работ (сварочных, окрасочных и т.п.);

? устанавливать на ТС компоненты системы имеющие механические повреждения;

? устанавливать на ТС компоненты системы после их падения с высоты более 1 м на твердую поверхность;

9.4 Эксплуатация и ремонт системы

Эксплуатация данной системы не вызывает ни каких сложностей т.к. она полностью автоматизирована, но как и в любой другой системе возможны неисправности и нюансы, такие как, Зашлакованость как самого ГДН, что ухудшает работу выхлопной системы так и элементов отвечающих за позиционирование ( сдвижку ) конуса что приведет к увеличению нагрузки на механизм отвечающий за данную функцию и пагубно влияет на него (уменьшает ресурс механизма ) ; при не значительном загрязнении, в случае если загрязнение значительно затрудняет работу механизма, система автоматически переходит в аварийный режим при котором отключается исполнительный механизм и на приборной панели загорается сигнализирующая лампочка, аналогично как и при полном выходе из строя исполнительного механизма. Абсолютно аналогичные действия система произведет и при выходе из строя одного из датчиков. Так же к нарушению корректности работы устройства и системы выхлопа в целом приведут механические повреждения ГДН (изменение геометрии) т.к. резонансный глушитель (его геометрия) подбирается непосредственно к двигателю, а данная система в свою очередь настраивается непосредственно к ним с целью оптимизации работы ГДН при различных режимах работы ДВС и внешних условиях.

Ресурс данной системы велик т.к. ее механическая часть весьма надежна, двигатель, установленный в ней трехфазный, что исключает износ щеточного узла, так же благодаря высокой степени гладкости стенок ГДН и разности материалов в механизме сдвижки, усилие необходимое для перемещения конуса сводится к минимуму, датчики используемые в ней, на протяжении многих лет применяются в автомобильной промышленности и их надежность доведена уже до высокого уровня, но в случае возникновения всех выше перечисленных неисправностей ремонт весьма прост и не дорогостоящий. Ведь практически все неисправности сводятся к необходимости очистки выхлопной системы и системы сдвижки в случае механических повреждений материалы, из которого изготовлен ГДН допускает произведение рихтовочных работ. Стоимость используемых датчиков не велика, что делает не рентабельным их ремонт. В случае возникновения неисправностей силовой части - двигателя, за счет простоты его конструкции практически все ремонтные работы будут заключаться в замене подшипников. К более дорогостоящему ремонту двигателя относится перегорание одной или нескольких из его обмоток.

9.5 Разработка мероприятий по повышению безопасности

Организационные мероприятия. Персонал для работы над сборкой, монтажом и наладкой блока управления готовится специально. К работе могут быть допущены лица, достигшие 18-летнего возраста, прошедшие медицинскую комиссию и имеющие удостоверение на право производства работ. Для персонала, непосредственно работающего в электроустановках, производится повторная проверка знаний раз в год.

Для безопасности работ в электроустановках осуществляются организационные мероприятия. Организационными мероприятиями являются:

- допуск рабочих, квалификационная группа которых не ниже 3;

- инструктаж по технике безопасности;

- оформление перерывов в работе, переводов на другое рабочее место.

Гигиенические мероприятия. На рабочих местах большое значение отводится созданию комфортных условий труда, которые обеспечиваются параметрами микроклимата и степенью запыленности воздуха.

Местная вытяжная вентиляция предназначена для удаления воздуха непосредственно от мест образования или выхода вредных выделений, приточная - для подачи воздуха на определенные рабочие места или участки.

Светотехнические условия являются важнейшим фактором при работах, требующих зрительного напряжения. Выполняемые в лаборатории работы относятся к III разряду зрительных работ (размер объекта 2-4 мм). Согласно требованиям СНиП 23-05-95 необходимая освещенность рабочего места для III разряда зрительных работ должна составлять не менее 300 лк. При работе в дневное время суток используется естественное боковое освещение, то есть через световые проёмы (окна) в наружных стенах. Свет в лаборатории проникает через оконные проемы общей площадью 6м².

В вечернее время используется система общего искусственного освещения, состоящая из шести светильников типа ШОД с лампами ЛБ-80 и ЛДЦ-80, размещенных в два ряда группами по четыре лампы на высоте 3,5 м от пола.

Так как работы производятся в основном в светлое время суток, то рассмотрим естественное освещение помещения лаборатории.

Существенным фактором предотвращения несчастных случаев является соблюдение правил электробезопасности. Для этого необходимо:

применение пониженного напряжения (12-24)В;

применение защитного заземления до 4Ом.

В электроустановках напряжением до 1000 В. в сети сизолированнойнейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом. По периметру всей лаборатории проходит шина общего заземления, посредством подключения к которой производится заземление всех корпусов приборов.

Для контроля изоляции в лаборатории применяют специализированные омметры типа М1101 и МС-06. При допуске персонала в лабораторию с ним должен быть проведен инструктаж по технике безопасности, в котором необходимо тщательным образом предупредить о возможных причинах поражения электрическим током. При обслуживании электронных систем, используют только специальные электрозащитные инструменты и приборы.

Для защиты от поражения электрическим током, лаборатория оборудована контурным заземлением и устройством защитного отключения от сети. Для защиты от коррозии резьбовые соединения в цепях заземления нужно покрывать вазелином.

9.6 Пожарная безопасность

В процессе работы с устройством существует опасность возникновения пожара. Причины пожара могут быть электрического и неэлектрического характера. К причинам электрического характера относятся:

1) искрение в электрических устройствах;

2) токи коротких замыканий, нагревающие проводники до высокой температуры, при которой может возникнуть воспламенение их изоляции, а также значительные электрические перегрузки проводов и обмоток электрических приборов;

3) плохие контакты в местах соединения проводов, когда вследствие большого переходного сопротивления выделяется большое количество тепла;

4) электрическая дуга, возникающая в результате ошибочных операций.

Вследствие того, что блок управления - это низковольтный прибор, то возникновение опасности пожара электрического характера непосредственно из-за этого прибора практически исключены.

Причинами пожаров неэлектрического характера могут быть:

1) неисправность отопительных приборов и нарушение режимов их работы;

2) неисправность производственного оборудования и нарушение технологического процесса, в результате которого возможно выделение горючих газов, паров пли пыли в воздушную среду;

3) курение в пожароопасных помещениях;

4) самовоспламенение некоторых материалов.

Защита сети от короткого замыкания обеспечивается реле и установочными автоматами. Необходимо также предусмотреть выключатели для отключения питания всех приборов в лаборатории. При перегрузке наиболее эффективными являются автоматические схемы защиты, теплое реле и плавкие предохранители.

Технологические операции (например, пайка, лужение горячим припоем, обжигание концов монтажного провода) проводятся с использованием ЛВЖ (этилового спирта, ацетона, скипидара) и при повышенной температуре.

Электрические паяльники должны обеспечиваться специальными термостойкими подставками. Обжигание изоляции концов проводов должно производиться в несгораемом вытяжном шкафу. ЛВЖ следует хранить в посуде с герметичными крышками (пробками). Посуду открывают только в момент пользования. Количество ЛВЖ не должно превышать суточную потребность. Вентиляция рабочего места позволяет уменьшить концентрацию в воздухе легковоспламеняющихся веществ.

Вентиляционная система должна иметь устройства, преграждающие при возникновении пожара возможность распространения огня из одного этажа в другой или из одного помещения в другое.

В лаборатории должна быть вывешена табличка с указанием фамилий и должности лиц, ответственных за пожарную безопасность Данное помещение по пожарной опасности согласно НПБ 105-03 должно иметь категорию В - производства, связанные с обработкой несгораемых веществ. Степень огнестойкости основных строительных конструкций по СНиП 21 - 01 - 97 равна 3.

В случае возникновения пожара, в лаборатории должны быть средства связи. Весь пожарный инвентарь, противопожарное оборудование и первичные средства пожаротушения должны содержаться в исправном состоянии, находиться на видном месте и к ним в любое время суток должен быть обеспечен беспрепятственный доступ. Все стационарные и переносные средства пожаротушения должны периодически проверяться.

Для тушения пожара в лаборатории имеется огнетушитель ОУ-2 ТУ27-4563-79, который предназначен для тушения небольших очагов пожара. Огнетушители подвергаются периодической проверке и перезарядке. При возникновении пожара в необходимо немедленно выключить электропитание лаборатории рубильником и воспользоваться огнетушителем.

При возникновении пожара необходимо также осуществить эвакуацию из опасной зоны работающего персонала по плану эвакуации. Время эвакуации людей определяется по формуле

,

где - расстояние до ближайшего выхода из помещения;

- скорость движения людей (м/с).

Так как эвакуация людей связана с выносом ценных приборов и документов, то время эвакуации увеличивается в несколько раз.

При изготовлении печатных плат для травления используют сильнодействующие ядовитые вещества (хлорное железо). Покрытие печатных плат различными лаками приводит к выделению в атмосферу вредных веществ.

Основным загрязнением при этом производстве являются пары свинца, выделяющиеся при пайке деталей. Предельно допустимая концентрация паров свинца в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0,01 мг/м³. Для уменьшения этого фактора используем припой ПОС-60, который содержит 60 % олова, остальные 40% свинец.

Вода, используемая для промывки плат после травления, собирается в контейнеры и раз в неделю отвозится на утилизатор.

Так как почти все рассмотренные технологические процессы связаны с загрязнением атмосферы различными отходами производства (пыли, летучие вещества), то целесообразно рассмотреть способы защиты атмосферы от промышленных отходов.

9.7 Защита окружающей природной среды

Радикальное решение проблемы защиты биосферы может быть достигнуто повсеместным применением экологичных технологий, к которым относятся снижение выбросов вредных веществ двигателями внутреннего сгорания.

Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина - свинец. Состав выбросов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид. Состав выбросов бензинового и дизельного двигателей представлен на рисунке 9.7. В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Оксид азота NO - бесцветный газ, диоксид азота NO2 - газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 способствует развитию заболеваний легких.

Рисунок 9.2 - Состав выбросов бензинового и дизельного двигателей

Некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (например, бензапирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах. В скопившихся над асфальтом облаках СН и NOx под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона. Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) - они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей. В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером 1-5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2-20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.

10. Области применения разрабатываемой системы

Области применения этого проекта весьма обширны так, как данная система может использоваться в абсолютно любых областях, где применяются двухтактные ДВС будь, то электрогенератор или транспортные средства всех типов: мотоциклы, аквабайки и даже в доски для серфинга хобби-моделизме либо в технических видах спорта, с целью показания наивысших результатов.

Заключение

Сварить и прикрутить резонатор к двигателю недостаточно для увеличения его мощности. В этом играет роль все:объем трубы, размер конусов резонатора, размер глушителя. Все эти факторы учитываются производителями при разработке выхлопных систем. микроконтроллер схема двигатель1) Плавно сужающиеся конусы резонатора увеличивают крутящий момент и мощность, но не улучшают работу двигателя в целом. микроконтроллер схема двигатель2) Более крутые углы конусов резонатора увеличивают интенсивность, но укорачивают время прохождения волн положительного и отрицательного давления через выпускной канал. Эти выхлопные трубы могут значительно увеличить мощность и крутящий момент двигателя, но только в очень узком диапазоне оборотов. Кроме того, возникает зависимость мощности от условий эксплуатации и погодных условий: повышение температуры или влажности воздуха отрицательно скажется на работе резонатора.микроконтроллер схема двигатель3) Чем быстрей вы ездите, тем короче должна быть труба, и наоборот.микроконтроллер схема двигатель4) Бензин низкого качества сильно влияет на работу резонансного глушителя, изменяя температуру выхлопных газов, и, как следствие, их давление и скорость движения.

Следовательно система выхлопа с изменяемой геометрией ГДН двухтактных двигателей в работе которой учитываются выше перечисленные факторы позволит решить массу вопросов, что делает применение ее более чем оправданным. К тому же конфигурация данной системы позволяет производить существенную доработку, в зависимости от целей, условий, режимов и области ее применения. Что улучшит характеристики работысистемы так как она будет адаптирована к условиям эксплуатации.

Список литературы

1. www.rcdesign.ru

2. www.arduino.cc

3. www.rcboatranner.ru

4. www.jcwiki.ru

5. Ю.А. Манжос, В.В. Вейнберг, Л.Н. Якушев « Водно-моторный спорт»

6. С. Жидков «Секреты высоких скоростей кордовых моделей самолетов»

7. Е.М. Гусев, М.С. Осипов « Пособие для автомоделистов»

8. BernhardKrause« Modell-motorentechnik »

9. В.Е. Мерзликин « Микродвигатели серии цсткам »

10. В.В. Бекман « Гоночные мотоциклы ».

11. Экономика Методические указания по выполнению технико-экономического обоснования разработок квалификационных работ. Маркетинговый подход. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 36 с.

12. Полуянович Н.К. Лекции по энергетической электронике. Учебное пособие. Таганрог: изд-во ТРТУ, 2000 г., 116с.

13. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.:Энергоатомиздат, 1998.

14. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектуальному управлению. I. // Извести РАН. Теория и системыуправления. - 2001. - № 1. - С. 5- 21.

15. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектуальному управлению. II. // Извести РАН. Теория и системыуправления. - 2001. - № 2. - С. 5 - 22.

16. Медведев М.Ю. Методические указания к практическим работам по курсу «Основы системного анализа», № 3636. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. - 32 с.

17. Мукосеев В.В., Сидоров И.Н. Маркировка и обозначение радиоэлементов. - М.: МРБ. 2003.

18. Методические указания по выполнению технико-экономического обоснования разработок квалификационных работ. Маркетинговый подход. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 36 с.

19. А.Н.Крошкин, К.Р.Заргарьян, С.В.Олейник. Новое поколение датчиков - оптимальное сочетание цены и качества. // Автоматизация в промышленности. № 6, 2006, с.59-63.

20. Королев Н.К. ATMEL: микроконтроллеры для автопрома. Компоненты и технологии. №7, 2008.

21. ГОСТ 2.102-68. Виды и комплектность конструкторских документов

22. ГОСТ 2.104-68. Основные надписи.

23. ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам

24. ГОСТ 2.109-73. Основные требования к чертежам.

25. ГОСТ 2.316-68. Правила нанесения на чертежах надписей.

26. ГОСТ 2.321-84. Обозначения буквенные.

27. ГОСТ 2.414-75. Правила выполнения чертежей жгутов, кабелей.

28. ГОСТ 2.601-95. Эксплуатационные документы.

29. ГОСТ 2.417-91. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

30. ГОСТ 2.701-84. Схемы. Виды и типы. Общие требования.

31. ГОСТ 2.702-75. Правила выполнения электрических схем.

32. ГОСТ 2.705-70. Правила выполнения электрических схем обмоток и изделий с обмотками.

Приложение

Список используемых сокращений

ГДН- газодинамический насос;

ВОМ - вала отбора мощности ;

ДВС- двигатель внутреннего сгорания;

ВМТ- верхняя мёртвая точка;

НМТ- нижняя мертвая точка;

МК - микроконтроллер.