К ВОПРОСУ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПРИВОДЕ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Мишин Е.А.,Пономарев А.И.,Голубина С.А.

Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана


Номер: 7-5
Год: 2016
Страницы: 57-61
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В данной работе показано, что установка электромагнитного привода газораспределительный клапанов на двигатель внутреннего сгорания способствует возможности гибкого адаптированного управления клапанами.

Текст научной статьи

В поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) все рабочие процессы превращения химической энергии сжигаемого топлива в механическую работу коленчатого вала происходят внутри двигателя за счет возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах [1]. Главным устройством, обеспечивающим штатную работу поршневого ДВС, является его газораспределительный механизм (ГРМ). В ГРМ современных поршневых двигателей используется механический цепной или ременный привод впускных и выпускных клапанов через распределительный вал от коленчатого вала ДВС. Клапаны механического принципа действия (рис. 1) открываются толкающими усилиями кулачков распределительного вала, а закрываются под воздействием возвратной запорной пружины. Такие клапаны содержат в своем составе возвратную запорную пружину 1, собственно клапан, состоящий из клапанной головки 2 и клапанного стержня 3, гнездо с посадочной фаской 4 для клапанной головки и направляющую втулку 5 для клапанного стержня. Основные преимущества механических клапанов [1]: • простота конструктивной реализации и компактность ГРМ; • функциональная надежность ГРМ; • минимальный уровень ударных вибраций в ГРМ и, как следствие, бесшумность его работы. Основной недостаток механического клапана это его управление от кулачка 6 распределительного вала 7, когда распредвал кинематически постоянно (жестко) связан с коленчатым валом двигателя. Такая кинематическая схема привода исключает возможность гибкого адаптированного управления клапанами, что препятствует дальнейшему совершенствованию ДВС. Рисунок 1 - Устройство механического привода клапанов Последние десятилетия все ведущие разработчики двигателей внутреннего сгорания для автомобилей активно совершенствуют газораспределительный механизм, чтобы улучшить наполнение цилиндров двигателя. Широко применяются решения по увеличению числа клапанов на один цилиндр. Серийно выпускаются автомобили с четырьмя клапанами. Улучшение наполнения цилиндров можно достигнуть без увеличения числа клапанов, удлинения фазы впуска и увеличения подъема клапана, применяя электромагнитный привод клапана EVA (Electromagnetic Valve Actuator). Такие системы в настоящее время интенсивно разрабатываются как в Европе, так и США. Интерес к исследованиям в этой области определяется возрастающими требованиями к экономичности, токсичности, приспособляемости моторов. Наиболее перспективным для работы в ГРМ с управлением от электронной автоматики является клапан с непосредственным электромагнитным приводом (рис. 2), который открывается электромагнитом 8, 9, 10 при подаче на него управляющего электрического сигнала, а закрывается - возвратной пружиной 1 [1]. При подаче постоянного управляющего напряжения на обмотку 9 электромагнита его магнитопровод, состоящий из неподвижного ярма 8 и магнитопроводящей шайбы (подвижного якоря) 10, смыкается и магнитопроводящая шайба 10 своим ходом «вниз» толкает клапанный стержень 3, тем самым открывая запорный узел 2, 4 клапана. После прекращения действия постоянного управляющего напряжения ток в обмотке 9 электромагнита прерывается, магнитное поле в магнитопроводе 8, 10 исчезает, магнитопроводящая шайба 10 под действием возвратной пружины 1 поднимается «вверх» и запорный узел 2,4 электроклапана закрывается. Рисунок 2 - Устройство клапана с электромагнитным управлением Имеется также несколько другая система, в которой электромагнитный привод клапанов представляет собой подпружиненный клапан, помещенный между двумя электромагнитами, которые удерживают его в крайних положениях: закрытом или полностью отрытом [2]. Принцип работы системы показан на рисунке 3. Рисунок 3 - Устройство клапана с управлением двумя электромагнитами 1 - электромагнит открытия клапана; 2 - якорь; 3 - электромагнит закрытия клапана; 4 - клапанная пружина Якорь электромагнита образует комбинацию с двумя пружинами для открытия и закрытия клапана. Когда к электромагнитам не подводится электрический ток, пружины клапана и электромагнита держат клапан в среднем положении, соответствующем половине хода клапана, при этом он полуоткрыт, что позволяет легко прокручивать коленчатый вал двигателя в начальной стадии пуска. При достижении необходимой частоты вращения от блока управления поступает сигнал и в верхний электромагнит открытия подается электрический ток, клапан закрывается. Одновременно осуществляется впрыск топлива. При открывании клапана прерывается подача напряжения в верхний электромагнит. Энергия, накопленная в верхней пружине, движет клапан вниз до тех пор, пока накопленная энергия полностью не израсходуется. Для возможности дальнейшего перемещения клапана вниз напряжение подается в нижний электромагнит и якорь, втягиваясь под действием магнитного поля, открывает клапан. Информация для блока управления поступает от датчика, расположенного на коленчатом валу и фиксирующего его угловое положение. Для каждого клапана компьютер определяет начало его открытия и закрытия, а значит и ход, в зависимости от положения коленчатого вала. Ход клапана может изменяться от нулевой величины до максимальной в зависимости от режима работы двигателя (рис. 4). Рисунок 4 - Графики параметров режима работы клапанного механизма К электромагнитному приводу клапана предъявляются следующие требования [3]: 1. Средняя мощность на перемещение клапана для четырехцилиндрового двигателя при 6000 об/мин и максимальном подъеме клапана не должна превышать 2…3 кВт; 2. Средняя скорость перемещения клапана: 3 см/с при 600 об/мин; 30 см/с при 6000 об/мин; 3. Время перемещения клапана из минимального положения в 5 % от максимально возможного подъема до положения в 95 % должно быть в пределах 3…4 мс. 4. Зазор между клапаном и якорем колеблется в пределах 0…0,5 мм в зависимости от температурного расширения клапана. С помощью такой системы можно не только четко управлять временем открытия каждого клапана, но и обеспечивать получение максимальной мощности или максимального крутящего момента. Система электромагнитного привода клапанов имеет и другие преимущества. Например, можно полностью отключать часть цилиндров или переводить их на малую нагрузку, так что остальные будут работать более эффективно. К тому же возможность управления движением клапана и его высотой открытия позволяет отказаться от дроссельной заслонки. Однако главное преимущество этой системы заключается в том, что время и степень открытия клапанов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя, в зависимости от условий движения. Кроме этого, конструкция самого двигателя упрощается, потому что отсутствует обычный привод газораспределительного механизма: цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и распределительные валы. При этом значительно упрощается конструкция головки блока цилиндров и исчезает потребность в подаче к ней смазочного масла. В целом это приводит и к уменьшению размеров двигателя. Но конструкций, пригодных для внедрения в серийное производство, пока нет. Этому есть ряд причин, и главная - это неприемлемо большие габаритные размеры силовых тяговых электромагнитов, громоздкость и шумность срабатывания которых обусловлена необходимостью получения достаточно большой тяговой силы при ограниченном токе потребления. Приходится наматывать большое число витков, чтобы обеспечить катушке электромагнита требуемую намагничивающую силу при малом токе. Но, как известно, это приводит к образованию значительной индуктивности катушки, а значит, к ограничению скорости срабатывания электромагнита. Стремление повысить быстродействие понижением индуктивности за счет уменьшения числа витков приводит к необходимости пропорционального увеличения тока управления электромагнитом и, как следствие, - к излишнему расходу электроэнергии на работу электромагнитного клапана. Однако, в настоящее время производители легковых автомобилей должны перейти на напряжение бортовой сети 36 В, с генератором, обеспечивающим напряжение 42 В. При увеличении напряжения в три раза электрический ток, необходимый для питания устройств управления клапанами, становится намного меньше, и размер соленоидов значительно уменьшается. Это позволяет создать устройство с размерами близкими к размерам обычного механизма с двумя распределительными валами в головке и клапанными пружинами. Разработчики полагают, что компромисс может быть найден с применением специальных конструкций магнитопроводных цепей в электромагнитном клапане, созданных на основе новейших высокоэффективных ферромагнитных материалов. Нет сомнения в том, что в ближайшие годы начнут широко внедряться системы электронного управления процессами газораспределения в автомобильных поршневых ДВС с использованием электромагнитных клапанов.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.