Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Научный журнал Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований ISSN 1996-3955 ИФ РИНЦ 0,580

Что такое электромагнитный клапан для двигателя

Для реализации возможностей микропроцессорного управления локомотивным ДВС необходимо повысить управляемость его узлов, возможность изменения их состояния в любой момент времени и по любой задаваемой функции. Наибольший интерес может представлять альтернативный механическому электромагнитный привод клапанов (ЭМПК) газораспределения. Применение ЭМПК газораспределения нашло практическое применение, начиная с конца 80-годов. Особенно большое число исследований проводилось во Франции, Германии и Японии. Преимуществ ЭМПК достаточно много, это:

• обеспечение широких диапазонов регулирования ФГР;

• удобство контроля работы привода;

• большая надежность элементов электронной системы управления и электропривода и возможность при необходимости установки дублирующих схем формирования управляющих сигналов;

• высокий КПД из всех существующих немеханических систем привода.

Исследования ЭМПК

Исследования ЭМПК, проводимые ведущими компаниями в мире достаточно обширны. Наибольший интерес представляют экспериментальные работы, проводимые в последние 20 лет. Некоторые из проблем ЭМПК обсуждались ещё в 1993 г. на международных конгрессах и конференциях различного уровня, посвященных экспериментам в области альтернативного привода клапанов газораспределения транспортных ДВС. Главный вывод: если бы удалось регулировать ФГР клапанов с меньшей затратой энергии, чем при механическом приводе, то это представляло бы большое достижение в области транспортного двигателестроения.

В течение многих лет коллектив исследователей кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа работал над созданием ЭМПК существующих и перспективных локомотивных ДВС. Были проведены глубокие теоретические расчеты, позволившие получить ряд любопытных результатов.

Наиболее сложные расчёты сделаны для выпускного клапана, работающего в наиболее тяжелых условиях [1]. В этом случае во всех расчётах ЭМПК необходимо учитывать значительное противодавление газа в начальный момент открытия.

Расчеты проводились с помощью разработанной математической модели и учитывали все основные влияющие факторы.

Основная зависимость для рассматриваемой системы:

, (1)

где m – масса всех подвижных деталей системы, кг; x(t) – перемещение клапана, м; Fэм – сила, действующая на якорь электромагнита, Н; i – ток в обмотке электромагнита, А; Δp – перепад давлений по обе стороны тарелки клапана, Па; Sо – площадь тарелки клапана, м2; kпр – жёсткость возвратной пружины, Н/м; x0 – предварительная затяжка пружины, м.

Для расчета перепада давлений внутри цилиндра и в выпускном патрубке, использовано интегральное уравнение неразрывности газового потока.

. (2)

Пользуясь теоремой о дифференцируемости определённого интеграла с переменным верхним пределом и после преобразований выражение будет иметь вид:

, (3)

Для ЭМПК наибольшее значение отводится расчету электрической части привода.

Уравнение электрического состояния цепи:

. (4)

Для нахождения параметров движения клапана сопутствующие уравнения были решены методом Рунге-Кутта с фиксированным шагом:

Система уравнений имеет вид:

(5)

где х – перемещение клапана; v – скорость движения клапан; р – давление газов в цилиндре; I – ток в обмотке силового электромагнита.

Математическая модель позволяет определять влияние свыше 30 различных конструктивных и режимных параметров на мощностные и экономические показатели ЭМПК.

На рис. 1. представлены результаты расчета хода клапана при изменении числа витков W обмотки силового электромагнита.

Разработанная модель позволяет определять оптимальные конструктивные и технологические параметры ЭМПК для локомотивных ДВС, различных мощностных и скоростных градаций.

Экспериментальные исследования

Силовой ЭМПК достаточно компактен, легко вписывается в габариты крышки цилиндров локомотивных ДВС и представляет собой обычные соленоиды, состоящие из обмотки, неподвижного магнитопровода и подвижного якоря, выполненных из ферромагнетиков.

Основной недостаток традиционных электромагнитов-соленоидов – невозможность увеличения электромагнитной силы без увеличения габаритов и инерции из-за эффекта насыщения ферромагнитных материалов магнитопроводов.

Рис. 1. Здесь расчетные параметры: hкл, мм – высота подъема клапана; dпр, мм – диаметр обмоточного провода; ϕ1, 0п.к.в. – фаза опережения открытия выпускного клапана; ϕ3, 0п.к.в. – фаза запаздывания закрытия выпускного клапана; Е, Дж – потребляемая выпускным клапаном электроэнергия; РСР, Вт – средняя потребляемая мощность СЭ; Imax, А – максимальный ток СЭ; Рmax, Вт – максимальная мощность, потребляемая СЭ; hЭМ, % – КПД СЭ привода выпускного клапана

Чаще всего конструктивные средства повышения эффективности силовых электромагнитов по величинам развиваемой электромагнитной силе и быстродействию представляют собой попытки увеличения площади рабочих воздушных зазоров при максимальном снижении размеров частей магнитов, подводящих магнитный поток к рабочему воздушному зазору.

Сила, возвращающая якорь в исходное положение, создается в ЭМПК пружиной. Для повышения эффективности в конструкции могут использоваться сдвоенные электромагниты двойного действия. Электромагнитная сила второго электромагнита для первого служит возвращающей, заменяя или дополняя силу пружины. Иногда возможно создание возвращающей силы упругостью магнитопровода якоря. В большинстве электромагнитов электромагнитная сила с уменьшением зазора растет быстрее, чем сила пружины. При нулевом зазоре, когда якорь вплотную прилегает к полюсу сердечника, коэрцитивная сила, создаваемая даже оставшимся после выключения тока магнитным потоком, может удерживать якорь в притянутом состоянии – возникает, так называемый, эффект «залипания». В устройстве ЭМПК этот эффект недопустим.

В процессе эксплуатации значительное ослабление пружины приводит к ускорению срабатывания электромагнита и снижению темпа закрытия клапана. Возможна конструкция с параллельным воздействием электромагнита и пружины.

Учитывая специфику работы электромагнитного привода клапанов, в частности, необходимость обеспечения полного выхода клапанов для двигателей средней и большой мощности на 10…25 мм, проектирование электромагнита является сложной задачей. Основные элементы (электромагниты, соленоиды) промышленностью серийно не выпускаются, и поэтому их разработка ведется всеми заинтересованными фирмами индивидуально для конкретных типов двигателей.

Так как ЭМПК в данном случае является силовым, то необходимо обеспечить требуемый закон движения якоря, определяемый законом перемещения клапана газораспределения. В частности, для обеспечения плавного безударного движения выходного штока электромагнита необходимо добиться синусоидального изменения ускорения.

Однако до сего времени создать компактную работоспособную систему ЭМПК не удается. Лимитируют несколько узловых параметров, являющихся главными в ЭМПК. Это громоздкость конструкции, большая энергоемкость, значительный шум, возникающий в момент удара при посадке клапанов на седла, требование принудительного охлаждения силовых обмоток электромагнитов и др. [Исследователи Abthoff, Bachschmid и другие, 1991 г.; Brustie и Schwarzenthal, 1998 г.; Hosaka и Hamazaki, 1991 г.; Jost, 1997 г.].

Как правило, сравнивая механический привод и ЭМПК, исследователи используют в качестве базового механического привода систему VTEC или другие подобные.

Наибольший интерес представляют эксперименты, проведенные с системой ЭМПК под названием «EMV» [Butzmann, Melbert и другие, 2000 г.].

Так как ЭМПК является силовым, то необходимо обеспечить требуемый закон движения якоря, определяемый законом перемещения клапанов газораспределения. Учитывая специфику работы ЭМПК, в частности, необходимость обеспечения полного выхода клапанов для большинства двигателей на 10…25 мм, проектирование силовых электромагнитов является сложной технической задачей.

ЭМПК имеет ряд коренных преимуществ перед механическим, пневматическим и гидравлическим типами приводов, заключающийся, прежде всего, в возможности программного регулирования фаз газораспределения и хода клапанов в зависимости от режимных параметров двигателя.

Указанные соображения послужили основой для исследования работы ЭМПК на безмоторных стендах дизелей ЧН 26/26 [2, 3].

В результате установлено, что для дизелей типа ЧН 26/26 ЭМПК должен удовлетворять следующим требованиям:

• подъем (посадка) впускного клапана не более 1160 п.к.в. или при номинальной частоте вращения коленчатого вала nд=1000 мин-1 время подъема (посадки) не более 19,3 мс;

• подъем (посадка) выпускного клапана не более 1340 п.к.в. при nд=1000 мин-1 соответственно время подъема (посадки) не более 22,3 мс;

• скорость в момент посадки клапана должна быть Vпос=0,5…0,6 м/с;

• максимальный ход клапана – hкл=22 мм.

На быстродействие ЭМПК оказывают влияние следующие факторы:

• емкость форсирующего конденсатора С;

• напряжение заряда форсирующего конденсатора Uф;

Читать еще:  406 двигатель инжектор падают обороты до 500

• число витков обмотки силового электромагнита W;

• начальный зазор между внешним якорем и сердечником d;

• подача дополнительных импульсов при подъеме и посадке клапана на обмотку силового электромагнита.

Некоторые результаты испытаний ЭМПК на безмоторном стенде дизеля ЧН 26/26 представлены на осциллограммах рис. 2, 3. Регулирование «времени-сечения» обеспечивалось изменением длительности управляющего импульса.

С ростом емкости и напряжения увеличивается время посадки клапана, которое, однако, не превышает допустимой величины. При и 500 мкФ, полный подъем клапана не достигается (соответственно hкл=18,8 и 19,8 мм рис. 2, а и б).

Для двух других случаев при и 800 мкФ обеспечивается полный подъем клапана при допустимом времени подъема и посадки (рис. 2, в и г). Дальнейшее увеличение емкости не влияет на время подъема клапана.

В большей степени на темп подъема клапана оказывает напряжение форсирующего конденсатора. Небольшое увеличение напряжения относительно базового значения существенно уменьшает время подъема клапана. Так, если при напряжении 280 В (рис. 3, а) клапан полностью не открывается (hкл= 17,5 мм), то при напряжении в 320 В (рис. 3, б) обеспечивается максимальный ход (hкл= 22,0 мм).

Не меньшее влияние на величину максимального подъема клапана и темп открытия оказывает число витков обмотки силового электромагнита.

Рис. 2. Некоторые осциллограммы испытаний ЭМПК безмоторного стенда дизеля ЧН 26/26

Рис. 3. Некоторые осциллограммы испытаний ЭМПК безмоторного стенда дизеля ЧН 26/26

Увеличение числа витков свыше W=600 затягивает время подъема, что объясняется увеличением сопротивления и индуктивности обмотки, а также снижением тока (изменение видно на рис. 3, б, в и г соответственно для W=600, 400 и 800 вит). Кроме того, сильно меняется темп изменения тока. При этом время посадки клапана меняется незначительно.

Выбор начального зазора между внешним якорем и сердечником оказывает небольшое влияние на время подъема клапана. Так увеличение зазора с h2 =6 до 12 мм уменьшает время подъема клапана с 21 до 20 мс. При базовом зазоре h2 =9 мм обеспечивается необходимое быстродействие при подъеме клапана. Время посадки в этом случае остается практически постоянным.

Во всех рассмотренных выше опытах скорость посадки клапана значительно превышала 2…3 м/с. Для торможения клапана перед посадкой на обмотку силового электромагнита подавался дополнительный импульс. Путем выбора параметров тормозного импульса и момента его подачи можно снизить скорость клапана при посадке до значений 0,4…0,5 м/с и исключить повторный отскок.

На основании проведенных исследований для дизеля типа ЧН 26/26 рекомендуются параметры системы ЭМПК, приведенные в таблице.

Соленоидный (электромагнитный) клапан. Устройство и принцип действия

Основными задачами соленоидного (электромагнитного) клапана в двигателе автомобиля являются: обеспечение точного времени начала впрыска топлива относительно угла поворота коленчатого вала двигателя на различных режимах работы, продолжительности впрыска и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя.

Соленоидный клапан можно разделить на две группы – соленоидную и клапанную. Клапанная группа состоит из игольчатого клапана 2, корпуса 12 клапана составляющего одно целое с корпусом насоса и пружины клапана 1.

Рис. Соленоидный (электромагнитный) клапан для легковых автомобилей:
1 – пружина клапана; 2 – игольчатый клапан; 3 – камера высокого давления; 4 – камера низкого давления; 5 – компенсационная шайба; 6 – катушка; 7 – упор; 8 – штекер; 9 – щель для прохода топлива; 10 – уплотнительная плоскость корпуса клапана; 11 – уплотнительная плоскость клапана; 12 – корпус; 13 – накидная гайка; 14 – магнитный диск; 15 – магнитный сердечник; 16 – якорь; 17 – уравнительная пружина

Уплотнительная плоскость 10 корпуса клапана имеет конусообразную форму. Посадочная поверхность клапана 11 имеет точно такую форму, однако угол конуса клапана немного больше угла конуса его корпуса. Когда клапан закрыт и прижат к корпусу, корпус и клапан соприкасаются только по линии седла клапана, благодаря чему достигается очень хорошее уплотнение клапана. Клапан и его корпус составляют прецизионную пару и очень плотно подогнаны друг к другу.

Магнит состоит из ярма магнитопровода и подвижного якоря 16. Ярмо состоит из магнитного сердечника 15, катушки 6 и штекеров выводных контактов 8. Якорь соединен с клапаном. Между магнитным ярмом и якорем в исходном положении имеется зазор.

Принцип действия соленоидного (электромагнитного) клапана

Электромагнитный клапан имеет два пе­реключаемых положения – «клапан открыт» и «клапан закрыт». Клапан открыт, когда нап­ряжение питания на катушку не подается. Клапан закрывается при подаче напряжения питания от задающего каскада ЭБУ.

Клапан открыт. Под усилием пружины 1 клапан 2 прижимается к упору 7, в результате чего обеспечивается проход топлива через щель для прохода топлива 9 между иглой и корпусом в области седла клапана. При этом камеры высокого 3 и низкого 4 давления соеди­нены между собой. В этом исходном поло­жении топливо может как втекать в камеру высокого давления, так и вытекать из нее.

Клапан закрыт. Когда наступает момент впрыска топли­ва, на катушку клапана подается напряже­ние питания от задающего каскада ЭБУ. Ток срабатывания вызы­вает магнитный поток в элементах магнит­ного контура (магнитный сердечник и якорь), который генерирует силу магнитно­го притяжения для перемещения якоря к статору. В результате движение якоря оста­навливается иглой при ее посадке на седло в корпусе. При этом между якорем и стато­ром остается небольшой воздушный зазор. Клапан теперь закрыт, и при движении плунжера насос-форсунки вниз осущес­твляется впрыск топлива.

Сила магнитного притяжения использует­ся не только для подтягивания якоря, но и для преодоления силы действия пружины клапа­на и, соответственно, удерживания якоря. Кроме того, сила магнитного притяжения прикладывается к уплотнительным поверх­ностям седла для удерживания их в контакте друг с другом. Якорь удерживается в данном положении до тех пор, пока на катушку клапа­на подается напряжение питания.

Чем сильнее магнитный поток, тем ближе располагается к статору якорь. После зак­рытия клапана можно уменьшить ток до удерживающего уровня. Клапан, таким об­разом, остается закрытым, а потери мощ­ности и, следовательно, выделение тепла, оказываются минимальными.

Для прекращения процесса впрыска топ­лива должна быть прекращена подача напря­жения на катушку клапана, в результате чего магнитный поток исчезает, как и сила магнитного притяжения, и пружина перемещает иглу клапана в ее ис­ходное положение на упоре. Проход топлива через седло клапана открывается.

Электромагнитный клапан отсечки топлива — что это такое?

  • Электромагнитный клапан отсечки топлива — что это такое?
  • 1. Бензоклапан как часть карбюратора.
  • 2. Клапан в инжекторной системе.
  • 3. Задействование клапана отсечки топлива иммобилайзером.

Электромагнитный клапан для отсечки топлива, как понятно из названия, регулирует подачу топлива из бензинового бака к системе двигателя. Бензин будет поступать в двигатель, только, если клапан откроется. Если же клапан закрыт, значит бензин не сможет попасть в двигатель. Клапан отсечки топлива присутствует на карбюраторных авто. Также такой механизм устанавливают и на инжекторных двигателях. Кроме того, клапан для отсечки подачи топлива создатели авто задействуют в конструкции иммобилайзера с целью увеличения его надёжности.

  • 1. Бензоклапан как часть карбюратора.
  • 2. Клапан в инжекторной системе.
  • 3. Задействование клапана отсечки топлива иммобилайзером.

1. Бензоклапан как часть карбюратора.

Бензоклапан – это составляющий компонент экономайзера принудительного холостого хода. Этот экономайзер располагается в карбюраторном корпусе. Система экономайзера принудительного холостого хода состоит из таких элементов:

1. Клапан для отсечки топлива.

2. Клапан для принудительного холостого хода.

3. Блок электронного управления.

4. Микропереключатель.

Когда под воздействием всего этого обороты двигателя упадут ниже значения 1300 оборотов в минуту, на бензоклапан начнёт подаваться электричество. Воздушная диафрагма закрывается и в канале создаётся разрежение. В это же время клапан экономайзера открывается и даёт доступ для топлива, после чего электричество перестаёт подаваться на обмотки отсекателя. Такой принцип действия помогает избежать самовозгорания двигателя даже при включённом зажигании.

Читать еще:  Что такое электронный блок управлением двигателем автомобиля

Микровыключатель, который предусмотрен в конструкции экономайзера, имеет возможность подачи тока прямо на клапан без необходимости передавать сигнал через блок управления. Таким образом, бензоклапан для отсечки топлива вмести со всей системой экономайзера выполняет две основные функции:

1. На холостом ходу перекрывает подачу топлива в двигатель, благодаря чему осуществляется значительная экономия топлива и снижаются токсичные выбросы в атмосферу.

2. Когда выключается зажигание автомобиля, система перестаёт подавать топливо в двигатель. А это предотвращает самовоспламенения топлива в цилиндрах.

Вторая функция крайне важна в том случае, когда двигатель старый и очень изношен, а также имеет обильные отложения сажи и гари на своих составляющих элементах. Даже бензиновые двигателя с зажиганием от свечи иногда терпят возгорание топливной смеси вовсе не от искры, а под воздействие перегретых деталей двигателя. Такими деталями могут служить изоляторы свечей зажигания, если их подобрали с неправильным калильным числом (калильное число – это возможности элемента накапливать в себе тепло). Из-за этого, если топливо продолжает подаваться, двигатель продолжает работать даже в случае выключения зажигания. Бензоклапан же перекрывает подачу топлива, исключая возможность самовозгорания. Клапан для отсечки топлива – это одно из главных устройств в системе двигателя. И если он неисправен, то двигатель даже не запуститься. Неисправность электромагнитного бензоклапана можно диагностировать по таким признакам:

1. Автомобиль не получается завести даже если все системы работают нормально и бак для топлива наполнен.

2. Двигатель продолжает свою работу даже после того, как было выключено зажигание.

Причиной таких неисправностей практически всегда является нарушение функциональности клапана для отсечки топлива, поэтому его следует срочно проверить на предмет исправной работы. Точно определить, что причина неисправности находиться в клапане можно самостоятельно следующим образом:

1. Нужно убедиться, что провод для питания клапана отсечки находиться в исправном состоянии.

2. Повернуть ключ (можно кого-нибудь попросить это сделать), а в это время нагнуться к карбюратору и прислушаться, сработал ли клапан. При своей работе он издаёт довольно громкие и отчётливо слышимые щёлкающие звуки. Если вы не заметили подобного звука, значит на клапан перестало подаваться питание или он вышел из строя.

2. Клапан в инжекторной системе.

Клапан в инжекторной системе ещё называют регулятором холостого хода клапанного типа. По своей конструкции, это шаговый двигатель с подпружиненной конусной иголкой. Принцип работы состоит в следующем. Когда двигатель работает на холостом ходу, проходное сечение его канала для подачи воздуха увеличивается даже несмотря на прикрытую дроссельную заслонку. В это время к двигателю поступает необходимое для его работы количество воздуха.

Датчик, отвечающий за потребление воздуха, контролирует ещё и подачу горючего в двигатель через инжекторы, соответственно количеству потребляемого двигателем воздуха. Блок электронного управления отслеживает все процессы в работающем двигателе и управляет регулятором холостого хода посредством регулировки подачи воздуха. Таким образом, если двигатель был прогрет до нужной температуры, контроллер будет поддерживать холостые обороты. Если же двигатель не был прогрет до рабочей температуры, то клапан отроется больше. И это повысит обороты двигателя, что обеспечит прогревание авто на повышенных значениях оборотов. Это помогает автомобилисту начинать движение без необходимости предварительного прогрева двигателя.

Клапан располагается в основании дроссельной заслонки и крепиться к ней с помощью специальных винтов. Стоит помнить, что это исключительно исполнительный элемент двигательной системы. Поэтому в нём отсутствует возможность самостоятельной диагностики (если он сломается, то на приборной панели элемент «Check engine» мигать не будет). Как же узнать, что клапан вышел из строя? Есть несколько признаков неисправности электромагнитных клапанов:

1. Когда происходит движение на холостом ходу, водитель слышит неустойчивые обороты.

2. Наблюдаются нестабильные и самопроизвольные вибрации внутри салона.

3. Когда водитель пытается перейти на нейтральную передачу, двигатель перестаёт работать.

4. Наблюдаются низкие обороты во время запуска холодного двигателя.

5. Обороты двигателя снижаются при значительных дополнительных нагрузках (во время включения кондиционера, освещения, фар и т. д.).

При обнаружении подобных признаков, клапан можно демонтировать из инжекторной системы для его замены или для прочистки и смазки фланцевого уплотнительного кольца маслом. В автомобилях с карбюраторными двигателями электромагнитные клапаны выполняют функцию и подачи топлива, и открытия дроссельной воздушной заслонки. В авто с инжекторными двигателями это две функции выполняются отдельно. За перекрывание топливного канала отвечает клапан бензонасоса. Когда давление в середине магистрали падает, он приоткрывается и позволят топливу поступать к двигателю. Это топливо может быть использовано не полностью. В таком случае, оно вернётся обратно в бензиновый бак тем же путём под действием собственного давления.

3. Задействование клапана отсечки топлива иммобилайзером.

Чтобы защита автомобиля от угона была максимально эффективной, на нём нужно устанавливать несколько систем охраны, которые объединены в один противоугонный охранный комплекс. Противоугонный охранный комплекс состоит из таких элементов:

1. Штатный иммобилайзер стандартной конструкции.

3. Система связи с водителем.

4. Система отслеживания местонахождения автомобиля.

5. Другие способы защиты авто от угона.

Каждая из этих составляющих по-разному реагирует на опасность. Если сигнализация издаёт звуки, то иммобилайзер производит блокировку всех самых важных узлов автомобиля: зажигания, стартера, системы подачи топлива, без которых завести автомобиль не получиться. Эта блокировка происходит при помощи электромагнитных реле, которые устанавливаются в местах электрическую цепь и находятся под управлением микропроцессора.

Клапан для отсечки топлива обеспечивает при необходимости перекрывание топливной магистрали. В обычном состоянии он перекрыт. Когда иммобилайзер работает, то микропроцессор контролирует, чтобы клапан не открылся во время включении зажигания. Если владелец автомобиля возвращается и отключает иммобилайзер, микропроцессор подаёт соответствующую команду на клапан, и он может включиться в работу.

Задействование клапана отсечки топлива в иммобилайзере – это одна из главных мер по обеспечению эффективной защиты автомобиля от угона. Это связано с тем, что электромагнитный клапан позволяет иммобилайзеру защитить не только электрическую цепь, но и механическую систему питания автомобильного двигателя. И это всё доставит дополнительные хлопоты для злоумышленников, на решение которых придётся потратить немало времени. Так что владелец с большей вероятностью сможет предотвратить угон своего авто.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Автомобильный двигатель без распределительного вала

Кандидат технических наук Д. СОСНИН.

Исторически сложилось так, что отечественное автомобилестроение развивалось в попытках догнать западных коллег. По-настоящему оригинальные модели (к ним относится, скажем, “Победа”) можно пересчитать по пальцам. И все же интересные разработки, внедрение которых позволило бы нашим автомобилестроителям успешно конкурировать с зарубежными, появляются. Предлагаем вниманию читателей рассказ о необычном механизме, предложенном доцентом кафедры “Электротехника и электрооборудование” Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) Д. А. Сосниным. Устройство позволяет отказаться от применения в двигателе привычного распределительного вала и в то же время гибко управлять фазами газораспределения и величиной хода клапанов.

ТАМ, ГДЕ ЭЛЕКТРОНИКА ПАСУЕТ

Любой автомобилестроитель стремится к тому, чтобы двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на его машинах работали в оптимальном режиме: обеспечивали максимальную мощность, равномерность крутящего момента, минимальный расход топлива, наименьшую токсичность выхлопных газов. Однако пока этого никому не удалось добиться в полной мере, поскольку улучшение одних характеристик приводит к ухудшению других. В последнее время, правда, достигнут существенный прогресс благодаря применению автоматизированного управления работой двигателя с широким использованием электроники.

Читать еще:  Что такое перечиповать двигатель на газель

При составлении программы для системы управления двигатель на специальном испытательном стенде вводят в устойчивый режим работы и последовательно корректируют все параметры так, чтобы для данного режима они обеспечивали наилучшие выходные характеристики. То же проделывают при других режимах. Результаты записывают в постоянную память электронного блока в виде многомерной диаграммы, с помощью которой в дальнейшем формируются управляющие сигналы по каждому из параметров.

Например, в комплексной электронной системе “Motronic” (ФРГ), которая управляет впрыском топлива и зажиганием, пять таких диаграмм: для корректировки угла опережения зажигания, времени впрыска топлива, положения клапана рециркуляции (устройства, возвращающего часть выхлопных газов в цилиндр для лучшего дожигания топлива), времени накопления энергии в катушке зажигания и положения дроссельной заслонки. В качестве входных параметров в этой системе используются частота вращения коленчатого вала, крутящий момент и температура двигателя, а также напряжение аккумуляторной батареи. На выходе контролируют соответствие оборотов двигателя крутящему моменту и содержание окиси углерода в выхлопных газах.

К сожалению, в автомобиле есть система, которая не поддается регулированию даже самой изощренной автомобильной электроникой. Это газораспределительный механизм с жесткой кинематической связью между коленчатым и распределительным валами.

Специалисты считают, что классический двигатель достаточно совершенен и если иногда плохо работает, то лишь потому, что “задыхается от собственного выхлопа”; стоит дать двигателю побольше кислорода, позволить “дышать полной грудью”, и ему не будет альтернативы.

Помочь двигателю можно, если бы удалось сдвигать моменты открытия и закрытия клапанов, в первую очередь впускных. Вспоминается, как еще в начале 70-х годов прошлого века автогонщики прибалтийских

республик выигрывали состязания, добиваясь частоты вращения коленчатого вала до 3000 об/мин на холостом ходу и до 8000 об/мин на полном газу. Впоследствии выяснилось, что они раздобыли шаблон распределительного вала, наплавляли кулачки и затем вручную доводили их форму. С такими распредвалами двигатели выдавали высокие характеристики (мощность и крутящий момент), но только на больших оборотах. Для спортивных машин это хорошо, но для “частных” — неприемлемо. Тем не менее такой факт говорит о заметной роли запаздывания или опережения фазы клапанов.

Как же заставить клапан открываться и закрываться в тот момент, который соответствует оптимальной работе двигателя? Ясно, что нужно управлять фазами газораспределения в зависимости от частоты вращения, положения и нагрузки коленчатого вала. Традиционный кулачковый распредвал не позволяет решить эту задачу.

В небольших пределах соотношение фаз газораспределения можно регулировать с помощью механических, электромеханических, гидравлических, пневматических приводов клапанов. Но наиболее перспективным считается электромагнитный привод, управляемый электроникой. С его помощью можно не только оптимизировать работу двигателя, но и расширить его функциональные возможности. Так, четырехцилиндровый двигатель при изменении порядка срабатывания клапанов можно заставить действовать как двух- или трехцилиндровый; он более равномерно работает при переменных нагрузках, потребляет меньше топлива на максимальных оборотах при заданной мощности. Не будет у такого двигателя проблем с изменением направления вращения коленчатого вала.

На первый взгляд все выглядит очень просто, но почему-то на автомобилях электромагнитные клапана пока встречаются только в экспериментальных разработках.

Попытку реализовать идею электромагнитного клапана с гибким управлением предпринял в середине XX века профессор МАДИ В. М. Архангельский. Включение и выключение электромагнитов происходило при замыкании и размыкании контактов, связанных с кулачками распределительного вала. На место клапан возвращался пружиной.

В схеме Архангельского был предусмотрен центробежный регулятор на распределительном валу. При изменении частоты вращения он смещал положение кулачков и вызывал опережение открывания и закрывания клапанов. Таким образом, регулятор играл роль обратной связи. Это позволяло обходиться без программного управления, которого, кстати, тогда и не могло быть.

К сожалению, несмотря на изящество схемы, работоспособную конструкцию создать не удалось. Дело в том, что клапан должен быстро срабатывать и надежно закрываться, а поэтому требуется возвратная пружина с большой жесткостью. Соответственно нужен мощный электромагнит, который потребляет значительный ток из бортовой сети автомобиля. В те времена не было мощных полупроводниковых вентилей и металлические контакты при коммутации больших токов быстро выгорали. Наконец, при закрытии клапана возвратной пружиной происходил сильный удар головки клапана о гнездо, что вызывало шум при работе газораспределительного механизма и вело к частым поломкам клапанов.

ОДИН ХОРОШО, А ДВА ЛУЧШЕ

Избавиться от многих недостатков, присущих клапану Архангельского, можно, если вместо одного электромагнита поставить два — открывающий и закрывающий. Подобная схема была разработана одним из студентов Тольяттинского государственного университета в дипломном проекте под руководством доктора технических наук профессора В. В. Ивашина.

В данном варианте конструкции пружины не нужны, и поэтому электромагниты могут быть меньших размеров и мощности — ведь большой ток потребляется лишь при закрывании и открывании клапанов, а для их удержания достаточна сила тока в десять раз меньше.

Но главное, теперь можно обойтись совсем без распределительного вала, поскольку задавать время срабатывания и силу тока через обмотку электромагнита может программируемый контроллер — электронное устройство, обычно на микропроцессоре, управляющее работой двигателя и других систем автомобиля.

В НАМИ под руководством кандидата технических наук А. Н. Терехина начали проводить исследовательские и конструкторские разработки газораспределительного механизма с электромагнитным приводом клапанов на базе двигателя М-412. В результате был создан действующий макет газораспределительного механизма с двухсторонними электромагнитами на восьми клапанах. Но с начала 1990-х годов финансирование прекратилось, и перспективная разработка затерялась в архивах.

Несколько лет назад работы над новым газораспределительным механизмом были возобновлены на Волжском автозаводе под руководством главного конструктора АвтоВАЗа П. М. Прусова. Так, среди тем Всероссийского конкурса “Русский автомобиль” (см. “Наука и жизнь” № 12, 2002 г.) была объявлена “Разработка системы электромагнитного привода газораспределительных клапанов для 16-клапанного двигателя ВАЗ”. На конкурс были представлены два проекта, но оба совсем “не по делу”, и их даже не стали рассматривать.

Тем временем над усовершенствованием электромагнитного привода клапанов начали работать японские, американские и (с наибольшим успехом) немецкие автомобилестроители. Уже в 2002 году компания БМВ приступила к испытаниям на реальном 16-клапанном двигателе газораспределительного механизма с электромагнитным приводом всех клапанов.

Тогда же к разработке электромагнитных газораспределительных клапанов приступили на кафедре “Электротехника и электрооборудование” МАДИ (ГТУ).

Хотя на Западе нас не признавали конкурентами: мол, “отстали на 10 миль” (на жаргоне автогонщиков так говорят об отставших на два круга, что означает — слабаки), однако автором запатентована конструкция, которая решает большинство проблем, присущих электромагнитным приводам.

В ней вместо громоздких электромагнитов, установленных над клапанами, применены длинные соленоиды. Торможение сердечника в длинном соленоиде реализуется не жесткими упорами, а краевыми магнитными полями, и работа привода становится бесшумной. Кроме того, ход клапана может быть сколь угодно большим и регулируемым. Возвратно-поступательное движение от электромагнита к клапану передается через штангу и качающееся коромысло. Благодаря этому привод можно устанавливать не над блоком цилиндров, а на его боковой поверхности. В результате значительно уменьшается высота двигателя, а для охлаждения и смазки деталей привода используются штатные системы автомобиля.

Теперь дело за моторостроителями. Если удастся воплотить идею в металле, в России появится приемистый и экономичный автомобиль, который к тому же будет удовлетворять самым жестким требованиям по чистоте выхлопа.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector