Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В РАЗРЯДНЫХ ЦЕПЯХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ

Лобанов А.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
В статье рассмотрены результаты компьютерного моделирования рабочих процессов вразрядных цепях перспективных систем зажигания. Представлены схемотехническая и имитационная компьютерные модели разрядных процессов, позволяющиеоцениватьэнергетическую эффективность новых схем систем зажигания без проведения сложных и трудоемких стендовых испытаний. Приведены характерные результаты моделирования при различных сочетаниях параметров разрядных цепей, подтверждена адекватность разработанных моделей, выявлены оптимальные сочетания параметров.Приведены результаты сравнения энергетической эффективности предложенных и известных схем систем зажигания. Сформулированы рекомендации по выбору оптимальных параметров исследуемых импульсно-плазменных систем зажигания, обеспечивающих максимальную энергетическую эффективность разрядных цепей. Разработан ряд новых схемотехнических решений перспективных систем зажигания с повышенной энергетической эффективностью по результатам моделирования и выполненных исследований.
моделирование; разрядные процессы; система зажигания; энергетическая эффективность
1. Гизатуллин Ф.А. Емкостные системы зажигания / Ф.А. Гизатуллин; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2002. – 249 с.
2. Гизатуллин Ф.А., Лобанов А.В. Моделирование разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания // Вестник УГАТУ. – Т. 11, №2 (29).– 2008. – С. 161-168.
3. Лобанов А.В. Закономерности разрядных процессов в импульсно-плазменных системах зажигания с искровыми и полупроводниковыми свечами // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5; URL: www.science-education.ru/119-15074 (дата обращения: 13.10.2015).
4. Лобанов А.В. Импульсно-плазменные системы зажигания авиационных двигателей. Дисс. канд. техн. наук / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа, 2009. – 129 с.
5. Лобанов А.В. Исследование энергетической эффективности импульсно-плазменной системы зажигания // Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2 // Сборник статей 5-ой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых учёных, 17-20 февраля 2010. – Уфа: Издательство «Технология», 2011. – С. 200-203.
6. Лобанов А.В. Методика оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. – Уфа: УГАТУ, 2010. – С. 225-231.
7. Лобанов А.В. Экспериментальное исследование разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. – Уфа: УГАТУ, 2010. – С. 260-265.
8. Фандрова Л.П. Полупроводниковые комплексы для индукционного нагрева (анализ и компьютерное моделирование). Дисс. канд. техн. Наук.– Уфа, 2003.
9. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. – 288 с.: ил.
В настоящее время активно проводятся экспериментальные исследования энергетической эффективностинового класса систем зажигания – импульсно-плазменных систем, включающих дополнительную разрядную цепь с низковольтным конденсатором большой емкости [3-7]. Однако такой метод позволяет установить только порядок выбора отдельных параметров элементов, приводит к проведению большого количества экспериментов и доводочных испытаний и сопровождается крупными материальными затратами.

В то же время современные информационные технологии, которые позволили бы разработать принципиально новые инструменты исследования и проектирования систем зажигания, остаются без внимания.

Возможна разработка схемотехнических и имитационных компьютерных моделей, причём предпочтительными являются имитационные модели, способные решать задачи более высокого уровня по сравнению со схемотехническими моделями [2, 9].

В работе [3] по результатам экспериментальных исследований выявлены основные закономерности разрядных процессов в одной из возможных схем построения перспективной импульсно-плазменной системы зажигания. Исследования проводились на специально разработанном макете, электрическая принципиальная схема которого представлена на рис. 1.

Основные параметры схемы:

C1 = 1 мкФ; C2 = 30 мкФ; C3 = 60 мкФ; C4 = 90 мкФ;

FV1 – разрядник Epcosс пробивным напряжением U0 = 1 кВ;

FV2 – трёхэлектродный разрядник РУ-69;

L1 = 11 мкГн; L2 = 61 мкГн; L3 = 106 мкГн.

Схема стенда включала в себя низковольтную и высоковольтную цепи.

Высоковольтный конденсатор C1 предназначен для пробоя вспомогательного разрядника FV1 и создания высоковольтного импульса на вторичной обмотке импульсного трансформатораTV3, необходимого для пробоя основного разрядника FV2.

Накопительные конденсаторы большой емкости C2-C4 заряжаются от низковольтного трансформатора TV4 и обеспечивают длительный разряд в свече после её пробоя со стороны высоковольтной цепи.

 

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема лабораторного макета импульсно-плазменной системы зажигания

 

На основе данной схемы разработана схемотехническая модель импульсно-плазменной системы зажигания в среде Matlab 6.5, показанная на рис. 2, где обозначено:

RVD1, RVD2, RVD3 – эквивалентные активные сопротивления полупроводниковых элементов VD1, VD2 и VD3;

K1-K4 – ключевые элементы;

C1, C2 – накопительные конденсаторы;

L1, L2 – индуктивности цепей разряда конденсаторов C1 и C2;

R – активное сопротивление свечи зажигания.

Замена свечи зажигания линейным активным сопротивлением, естественно, изменяет количественные характеристики разрядных процессов в самой свече, но, как это следует из анализа [1], существенным образом не отражается на общей динамике процессов в разрядных цепях.

 

Рис. 2. Схемотехническая модель импульсно-плазменной системы зажигания

 

Время срабатывания ключей К1÷К4, управляемых генераторами прямоугольных импульсов S1÷S4, подобрано таким образом, что сначала заряжаются накопительные конденсаторы С1 и С2, а затем ключи К1 и К4 размыкают цепи источников питания E1 и E2 и срабатывают ключи К2 и К3, через которые предварительно заряженные накопительные конденсаторы С1 и С2 разряжаются на свечу.

В схемотехнической модели, представленной на рис. 2, условия гашения разряда явным образом не предусмотрены, но о величине длительности разрядов можно судить с определенной степенью приближения по получаемым кривым разрядного тока через свечу. Такой подход при схемотехническом моделировании вполне приемлем, учитывая предназначенность данного вида моделирования для предварительной, грубой оценки качества разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания.

В основе же имитационных моделей лежат системы алгебро-дифференциальных уравнений, составленных с учетом законов Кирхгофа и Ома для высоковольтной и низковольтной частей схемы импульсно-плазменной системы зажигания. Согласно известному принципу [8], возможно объединение систем алгебро-дифференциальных уравнений в одну за счет использования специальных коэффициентов.Таким образом, можно получить систему уравнений, являющуюся системой для описания логики работы импульсно-плазменной системы зажигания.

Имитационная модель, представленная на рис. 3, отражает логику функционирования разрядных цепей, причем, в зависимости от заданных значений входных параметров, влияющих на изменение качества процессов в системе, модель отражает все эти изменения в качественном плане. Так, в зависимости от того или иного заданного соотношения параметров, приведенная на рис. 3 модель способна выдавать кривые разрядного тока в различных качественных состояниях, имеющих как колебательный, так и апериодический характер процессов. Модель в данном случае обладает универсальностью, так как позволяет отображать графически качество сложных переходных процессов в системе при любых сочетаниях входных параметров без представления уравнений модели в явной математической форме.

 

Рис. 3. Имитационная модель разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания

 

На рис. 4 представлены характерные осциллограммы разрядных процессов, полученные в результате имитационного моделирования, при постоянных параметрах, соответствующих осциллограммам, полученным в ходе экспериментальных исследований в работе [3].

Рис. 4. Характерные осциллограммы разрядных процессов

 

Полученные теоретические результаты показывают хорошую сходимость с экспериментальными осциллограммами, расхождение составляет не более 16 %, что позволяет судить об адекватности разработанных моделей.

По результатам моделирования сформулированы рекомендации по выбору оптимальных параметров исследуемых импульсно-плазменных систем зажигания, обеспечивающих максимальную энергетическую эффективность разрядных цепей.

Таким образом, в соответствии с поставленной задачей разработаны схемотехническая и имитационная компьютерные модели разрядных процессов в перспективных импульсно-плазменных системах зажигания. Обе модели могут использоваться на различных этапах исследования и оценки эффективности систем зажигания. Схемотехническая модель, не учитывающая нелинейность свечи, пригодна для предварительной, грубой оценки качества разрядных процессов. Имитационную модель предполагается использовать для решения задач исследования, оптимизации параметров систем зажигания и создания методик их оценки и проектирования. В целом полученные в статье результаты являются существенным вкладом в развитие теории нового класса систем зажигания.

Рецензенты:

Рогинская Л.Э., д.т.н., профессор кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа;

Хайруллин И.Х., д.т.н., профессор кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа.


Библиографическая ссылка

Лобанов А.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В РАЗРЯДНЫХ ЦЕПЯХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=22702 (дата обращения: 17.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074