В настоящее время прямой электромагнитный (ЭМ) привод газораспределительных клапанов в поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) находится в стадии натурных испытаний на концептуальных автомобилях и, надо полагать, что в ближайшие 5-6 лет станет реальностью и для серийных.
Наиболее близко к внедрению ЭМ привода газораспределительных клапанов в поршневом ДВС подошли ученые и инженеры фирмы FEV-MT (ФРГ). Эта фирма работает над проблемой более 20-ти лет и ее сотрудниками получено наибольшее количество патентов на различные модели ЭМ клапанов. Как наиболее приемлемой была принята конструкция ЭМ клапана с двумя противоположно действующими электромагнитами, но с общим тяговым якорем, который установлен на клапанном стержне (рис. 1).
Рис.1. Электромагнитный клапан с двумя электромагнитами и пружинной амортизацией
В такой конструкции электропривода нижний электромагнит открывает клапан, а верхний закрывает его. Газораспределительный клапан работает следующим образом. Когда на обмотку 14 открывающего электромагнита (13, 14) подается управляющее напряжение, якорь 5 под действием притяжения к магнитопроводу 13 опускается „вниз” и, сжимая нижнюю пружину 4, открывает клапан 1. При этом верхняя амортизирующая пружина 8 способствует открытию клапана, так как до этого она находилась в частично сжатом состоянии.
При закрытии клапана управляющее напряжение подается на обмотку 6 закрывающего электромагнита (6, 7), а с обмотки 14 управляющее напряжение снимается. Якорь 5 отталкивается нижней сжатой амортизирующей пружиной 4 „вверх” и притягивается к магнитопроводу 7 закрывающего электромагнита. При этом клапан 1 закрывается, плотно прижимаясь клапанной головкой 19 к клапанной фаске 2. Несмыкающийся воздушный зазор 12 устанавливается при сборке клапана с помощью фиксаторов 18 таким образом, чтобы полное смыкание якоря 5 с магнитопроводом 7 не имело места, но чтобы зазор 12 имел предельно малый размер.
Этим обеспечивается плотное прижатие клапанной головки к клапанной фаске с помощью закрывающего электромагнита. Пружина 8 при закрытии клапана и пружина 4 при его открытии работают на амортизацию жестких механических соударений. Амортизация происходит благодаря тому, что по мере сжатия пружин их упругость плавно возрастает, чем обеспечивается замедление скорости приближения клапана к краевым опорам в положениях „открыто” и „закрыто”. Упругость амортизирующих пружин 4 и 8 значительно ослаблена по сравнению с упругостью запорной возвратной пружины обычного механического клапана. Это позволяет понизить потребление электроэнергии из бортовой сети автомобиля, затрачиваемой на работу ЭМ клапана, а также несколько уменьшить его габариты.
Основными недостатками описанного клапана являются следующие факторы:
1. На амортизацию соударений затрачивается некоторая часть тяговых усилий открывающего (13, 14) и закрывающего (6, 7) электромагнитов, что приводит к понижению коэффициента полезного действия (КПД) и недостаточному уменьшению габаритов ЭМ привода газораспределительного клапана. Но при этом соударение клапанной головки с клапанной фаской при движении клапана вверх (при закрытии) не устраняется.
2. В обесточенном состоянии обоих электромагнитов амортизирующие пружины 4 и 8, противодействуя друг другу, устанавливают якорь 5 в промежуточном положении между состояниями „открыто” и „закрыто”. На реальном поршневом ДВС, в случае нарушения целостности (или выключения) электрической цепи управления ЭМ клапаном, это особенно опасно, так как в таком случае может иметь место соударение поршня и клапана. В двигателях с высокой степенью сжатия, когда высота камеры сгорания не более 1,5-2,0 мм, эксплуатационная надежность такого газораспределительного клапана недостаточно высокая.
3. В случае применения вышеописанного клапана в качестве впускного реализовать управление скоростью его перемещения и величиной хода не представляется возможным. Следует отметить, что такой электромагнитный клапан может работать и без пружин. Но тогда неизбежно будут иметь место жесткие механические соударения, что приводит к быстрой поломке клапана и компонентов привода. Помимо проблемы амортизации соударений, не менее важно решить проблему разработки алгоритма электронного автоматического управления клапаном, который кинематически не связан с коленчатым валом ДВС.
Первой экспериментальной моделью фирмы FEV-MT, учитывающей отмеченные недостатки, было электромеханическое устройство привода впускных клапанов (патент ФРГ DE 3911 496 C2, кл.: F 01 L9 / 04, от 29.01.98.), в котором помимо электромагнитов, были использованы шаговые электродвигатели с программным управлением от блока электронной автоматики (рис. 2).
Рис. 2. Электромеханическое устройство привода впускного клапана
В такой системе функцию прямого управления клапаном при его открытии и закрытии выполняют два электромагнита — (12, 13) и (9, 10). Амортизация удара клапанной головки 1 о посадочную фаску 2 при закрытии реализуется верхним пружинным амортизатором 7. При открытии клапана срабатывает нижний пружинный амортизатор 6, который предотвращает столкновение якоря 11 с ярмом 12 нижнего электромагнита. Ход клапана вверх ограничивается фаской клапанного гнезда 2, ход вниз — жесткостью нижней амортизационной пружины. Степень глубины открытия клапана может изменяться при помощи двух эксцентриковых валов 4 и 15, которые воздействуют на подвижные платформы 5 и 14, а во вращение приводятся посредством шаговых электродвигателей с управлением от электронного блока управления клапанами (ЭБУ-К).
Так достигается регулирование количества всасываемого воздуха непосредственно впускным клапаном без применения дроссельного акселератора. При выключении зажигания, когда оба электромагнита обесточиваются, а шаговые двигатели устанавливают валы 4 и 15 в положение наименьшего эксцентриситета, две амортизационные пружины, действуя друг против друга, устанавливают клапан в незначительно приоткрытое состояние. Этим обеспечивается облегченный пуск двигателя, так как исключается необходимость предпусковой установки клапанов.
Широкое применение электромеханического приводного устройства клапанов, в котором используются шаговые двигатели, ограничено его значительной конструктивной сложностью. В конце 2000 года фирма FEV-MT опубликовала результаты последних своих достижений в разработке ЭМ клапанов (см. [1, 2, 3]). На рис. 3 приведена эскизная конструкция ЭМ клапана, на рис. 4 — внешний вид электромагнитного привода, который вмонтирован в головку блока цилиндров.
Рис. 3. Конструкция ЭМ клапана фирмы FEV-MT (ФРГ)
Такой ЭМ клапан (рис. 3) отличается от предыдущего (рис. 2) отсутствием эксцентриковых валов и шаговых двигателей, а также более рациональным конструктивным исполнением электромагнитов: применены прямоугольные магнитопроводы вместо круглых, что позволило установить четыре клапана в камеру сгорания одного цилиндра. Якорь в этой системе воздействует на стержень клапана опосредованно — через стержневой толкатель, что исключает их тепловой контакт.
Введена регулировка упругих сил верхней и нижней амортизационных пружин путем их сжатия специальной резьбовой стяжкой. Встречное сжатие пружин позволяет заметно ослабить тяговые силы обоих электромагнитов и уменьшить их размеры. Сверху установлен датчик краевого положения стержневого толкателя. Этот датчик фиксирует момент закрытия клапана. Все это позволило упростить управление клапаном и его эксплуатационные регулировки, хотя принцип действия остался прежним.
Рис. 4. Внешний вид и компоновка электромагнитного привода ГР-клапанов
В журналах MTZ (ФРГ) за 2003 год появились сообщения об установке описанного клапана в четырехцилиндровом двигателе автомобиля BMW, конструктивное исполнение опытного образца которого показано на рис. 5.
Рис. 5. Конструктивное исполнение опытного образца головки блока ДВС с ЭМ клапанами фирмы BMW
В заключение следует отметить, что электронная система автоматического управления ЭМ клапанами помимо основных задач улучшения рабочих параметров и характеристик поршневого двигателя обеспечивает его совершенно новыми свойствами: отключение цилиндров, изменение порядка и тактности работы и даже реверс (вращение коленчатого вала в противоположную сторону) [4].
Дмитрий Соснин
Литература:
1. Ernst Gschweitl. Signitikante Verringerung des Verschlei?es durch Optimierung des Vtntiltriebes. MTZ.61. 2000, № 1.
2. Wolfgang Salber und die anderen. Der elektromechanische Ventiltrieb — Systembaustein fur zukunftige Antriebskonete.Teil- 1:MTZ.61. 2000, № 12; Teil — 2:MTZ.62.2001, № 1.
3. Stefan Pischinger und die anderen. Ladung sbewegung und Gemischbildung bei Ottomotoren mit voll variabler Ventilsteuerung.MTZ.62. 2001, № 11.
4. Соснин Д.А, Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. — М.: „СОЛОН-Пресс”, 2005. 240 с.
