Автоматизированный электромагнитный привод газораспределительных клапанов поршневого ДВС

Разработчикам автомобильных двигателей хорошо известно, что создать поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) без распределительного валаидея исключительно плодотворная, так как с устранением постоянной кинематической связи между клапанами газораспределительного механизма (ГРМ) и коленчатым валом двигателя появляется возможность автоматического регулирования фаз газораспределения.

Отказаться от механического привода газораспределительных клапанов и заменить его электромагнитным приводом с управлением от электронной автоматики, впервые предложил доктор технических наук, профессор Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ) Владимир Митрофанович Архангельский, еще в 50-х годах XX века [4]. Уже тогда было ясно, что поршневой двигатель с механическим приводом клапанов далек от совершенства, так как обладает рядом существенных недостатков.

Во-первых, под каждую новую конструкцию двигателя необходимо экспериментально подбирать соотношение газовых фаз и создать распределительный вал с таким профилем и взаимным расположением толкающих кулачков, которые наиболее оптимально отвечали бы не только конструкции, но и назначению разрабатываемого двигателя. Связанно это с тем, что в поршневых двигателях различных по мощности, степени сжатия, оборотистости, способу смесеобразования и другим конструктивным особенностям фазы газораспределения также совершенно различны. 1]. Так в высокоскоростном двигателе для спортивно-гоночного автомобиля, когда требования к стоимости и топливной экономичности не являются определяющими, а на первое место выходит требование получения максимально развиваемой мощности, применяются распредвалы, которые удлиняют фазы открытого состояния впускных и выпускных клапанов, и тем самым достигается требуемое перекрытие клапанов необходимое для полной продувки камеры сгорания на высоких оборотах. При этом мощность развиваемого двигателя заметно возрастает. [2]. На холостом ходу и пониженных средних оборотах такие двигатели работают неустойчиво, с повышенным выбросом вредных веществ (канцерогенов) в атмосферу, с увеличенным расходом топлива. Ясно, что для автомобилей массового потребления применение спортивных двигателей нерационально.

Для автомобилей — вездеходов (внедорожников) двигатель должен обладать постоянством вращающего момента в более широком диапазоне частот вращения коленчатого вала, что достигается соответствующим сдвигом фаз газораспределения относительно верхней и нижней мертвых точек [5].

К двигателям обычных автомобилей предъявляются требования высокой топливной экономичности, крайне низкого количества канцерогенных веществ в выхлопных (отработавших) газах, высокой надежности и долговечности работы, простоты и безопасности управления, достаточно высокой мощности, и все это при разумных габаритах, массе и себестоимости.

Во-вторых, для двигателей с распределительным валом сложность выполнения перечисленных требований в их трудно устранимой противоречивости. Можно создать экологически совершенный двигатель, но при этом возрастет потребление топлива, упадет удельная мощность и резко увеличится продажная стоимость автомобиля. Можно создать такую конструкцию ГРМ двигателя, которая будет отвечать требованию повышения топливной экономичности. Наиболее эффективно это достигается путем отключения части цилиндров при движении автомобиля по высококлассной автомагистрали с постоянной скоростью. Но ясно, что при этом значительно усложнится конструкция ГРМ и система топливо-подачи, резко уменьшится мощность и приемистость двигателя, понизится маневренность автомобиля.

В третьих. В настоящее время созданы и широко используются в поршневых двигателях массовых автомобилей многоклапанные (четырех — и пяти-клапанные) газораспределительные механизмы (см. рис. 1.10), которые в большей мере, чем классические двух клапанные ГРМ обеспечивают компромисс между противоположными требованиями: развиваемой мощностью, равномерностью вращающего момента, экологией и топливной экономичностью.

Но и такие ГРМ не свободны от принципиальных недостатков:

— они имеют сложную конструкцию составных механических компонентов и кинематических передач;

— их техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации — дорогостоящие мероприятия, требующие высококвалифицированных специалистов и рабочих, а также специальный ремонтной оснастки и инструмента;

— они, как и классические ГРМ не обеспечивают работу двигателя с управлением фаз газораспределения.

Частично, задача управления фаз решается с применением сложной механики управления раздвижным распредвалом или разнопрофильными кулачками (разработчики: фирма ФИАТ (Италия) и фирма Мицубиси (Япония) [61]). Но и такие ГРМ не находят широкого применения из-за высокой конструктивной сложности и недостаточно высокой эксплуатационной надежности (см. рис. 1.12 и 1.13). Все эти недостатки могут быть устранены с применением гибкого электронного управления ГР-клапанами.

Что дает гибкое, не привязанное к распределительному валу, автоматическое управление газовыми фазами в поршневом ДВС?

1. Для автомобильного двигателя, основной спецификой которого является его работа в исключительно разнообразных режимах по нагрузке и частоте вращения коленчатого вала, фазы газораспределения могут быть оптимальными для всех возможных режимов: холостого хода, частичных нагрузок, максимальных оборотов, полной мощности и прочих. [3]. Оптимальный режим газообмена делает поршневой ДВС наиболее совершенным по четырем главным показателям: экологии, развиваемой мощности, топливной экономичности, равномерности хода.

2. Если управление клапанами механически не связанно с вращением коленвала, то легко реализуется не только отключение цилиндров, но и изменение последовательности их срабатывания. При этом возможны отключение цилиндров по заданной программе чередования рабочих ходов и даже реверс коленвала. В первом случае может быть реализована поочередная продувка цилиндров во время штатной работы ДВС, во — втором — обратный ход в специальном ДВС.

3. На работу ГРМ с механическим приводом клапанов от коленвала отбирается часть механической энергии двигателя (до 15%). С электромагнитным приводом клапанов ГРМ работает от бортсети автомобиля, что несколько повышает КПД двигателя. [16].

4. Автоматическое управление электромагнитными клапанами от электронной автоматики допускает применение программного регулирования всех фазовых характеристик двигателя: легко можно изменять моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек и рабочих тактов двигателя, длительности открытого и закрытого состояний клапанов, время перекрытия (одновременного открытого состояния) клапанов, осуществлять потактовый сдвиг фаз, адаптировать работу ГРМ под любой возможный режим двигателя или под заданную программу управления.

5. Электронное управление электромагнитными клапанами может быть совмещено в едином бортовом компьютере с электронным управлением впрыска топлива и электроискровым зажиганием. Такое управление становиться универсальным и может применяться на двигателях различных конструкций.

Однако на пути реализации очевидных преимуществ для двигателей с электромагнитным приводом клапанов стоит длинный ряд научно — технических и технологических проблем, основная из которых — разработка и промышленное изготовление электромагнитного клапана пригодного для установки в реальном поршневом ДВС.

На первый взгляд проблема может быть решена достаточно просто: надо установить силовой электромагнит непосредственно на стержень газораспределительного клапана, так чтобы он (клапан) открывался тяговой силой электромагнита, а закрывался обычной клапанной пружиной. Именно таким был первый электромагнитный клапан Архангельского (см. рис. 2.1 в гл. 2). Но испытания показали, что для преодоления запорной силы клапанной пружины (400 — 450 Н) электромагнит получается громоздким и потребляет значительный электротокне менее 7 — 8 А на один электромагнит из 12-ти вольтовой бортсети автомобиля. Кроме того, электромагнит обладает инерционностью и при срабатывании издает значительные акустические шумы.

Так в самом начале исследований стало ясно, что техническая реализация электромагнитного привода клапанов — задача технически трудно достижимая. Начались поиски конструктивных и схемотехнических вариантов исполнения электромагнитных клапанов, которые (поиски) особенно активно велись и ведутся по настоящее время в Германии. Работы немецких ученых и инженеров отображены в десятках журнальных статей [7]. 35] и в значительном количестве патентов и изобретений (см. аналитический обзор в гл. 2).

Чтобы ГРМ без распределительного вала отвечал современным технико-экономическим и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к автомобильным ДВС, надо прямой электромагнитный привод* газораспределительного клапана сделать малогабаритным (таких размеров, чтобы он помещался под клапанной крышкой стандартного двигателя) — достаточно быстродействующим (не Помимо прямого электромагнитного привода клапана, когда тяговое усилие якоря электромагнита приложено непосредственно к клапанному стержню, существуют ГРМ с опосредованным электроприводом клапанов через промежуточные механические передачи (см. рис. 1.13). менее 50 срабатываний в секунду) — с (мраниченным потреблением электрического тока (не более ЗА на один электромагнит) — с перегревом не выше допустимой температуры (200°С для обычных обмоточных приводов) — умеренно шумящим (не более 120 дб).

Полному перечню перечисляемых требований не соответствует ни один из известных к настоящему времени электромагнитных клапанов, хотя их созданием уже много лет занимаются специалисты и ученые передовых зарубежных автомобилестроительных фирм и отечественные разработчики.

Этому есть ряд причин.

Первое. Создать силовой электромагнитный привод малых размеров исключительно сложно. Громоздкость обусловлена необходимостью получения от электромагнита достаточно большой тяговой силы при ограничении тока потребления на срабатывание и удержание. Приходится наматывать большое число W витков, чтобы обеспечить катушке электромагнита требуемую намагничивающую силу F=WI при малом токе I управления. Это приводит к образованию значительной индуктивности L катушки, а значит к ограничению скорости срабатывания электромагнита. Стремление повысить быстродействие понижением индуктивности L за счет уменьшения числа W витков приводит к необходимости увеличения тока управления и как следствие — к недопустимому расходу электроэнергии на работу электромагнитных клапанов.

Второе. В электромагнитном приводном устройстве, в котором основным компонентом является смыкающийся электромагнит, шумы от соударений якоря с ярмом неизбежны. Удары приводят не только к шуму, но и к поломке клапанов.

Третье. В поршневом двигателе с классическим ГРМ последовательность и логика срабатывания впускных и выпускных клапанов обеспечивается распределительным и коленчатым валами, с которыми все клапаны находятся в постоянной и ничем не нарушаемой кинематической связи. В двигателе с электронным управлением, в котором газовые потоки переключаются электромагнитными клапанами, указанная кинематическая связь клапанов с коленвалом отсутствует. Это приводит к тому, что при выключении двигателя, его коленчатый вал останавливается в случайном положении относительно расположения газораспределительных клапанов, которые при выключении зажигания все устанавливаются в положение <�закрыто>. Теперь, чтобы снова запустить двигатель необходимо установить все клапаны в исходное предпусковое состояние, соответствующее случай9 ному положению коленчатого вала. Это возможно осуществить соответствующим набором электрических сигналов, поданных на все электромагнитные клапаны одновременно. Ясно, что для формирования набора предпусковых электрических сигналов потребуется специальное электромагнитное устройство с регистратором статических (неподвижных) состояний коленвала и со специальной (предпусковой) программой управления электромагнитными клапанами.

Как полагают разработчики все эти проблемы разрешимы. Так, разумное ограничение тока силового электромагнита возможно при введении на автомобиле второго бортового напряжения 42 В. Габаритные размеры электромагнита в значительной степени могут быть уменьшены не только понижением тока потребления, но и увеличением тяговой силы за счет усложнения магнитопроводящей цепи в воздушном зазоре. Понизить акустические шумы от срабатывания электромагнита можно амортизационными средствами (например, противоударными пружинами), а предпусковая установка клапанов, как и рабочее управление клапанами, легко реализуется с помощью специального программного обеспечения, заложенного в постоянную память бортового микропроцессора.

Судя по открытым публикациям последнего времени [33,34,35] группе немецких ученых и инженеров, работающих на фирме FEV (Motorentechnik GmbH, Aachen) удалось решить часть из перечисленных проблем и создать экспериментальный поршневой двигатель с электромагнитным приводом клапанов для автомобиля BMW [60]. Исследования выполнены на макетных образцах, информация о проведении инженерных расчетов в публикациях отсутствует. Надо полагать, что макеты созданы опытным подбором рабочих параметров.

Проведенные автором исследования отечественных и зарубежных разработок в области создания прямого электромагнитного привода газораспределительных клапанов показали, что до настоящего времени не разработана теория оптимального проектирования таких приводов, нет инженерных методик расчета для клапанных электромагнитов, и как следствие, до сих пор нет конструкций газораспределительных механизмов с электромагнитными клапанами приемлемых для широкого использования в автомобильных двигателях. Сказанное обуславливает актуальность поставленной автором цели диссертационной работы: разработать теорию оптимального проектирования электромагнитных газораспределительных клапанов и методику их расчета с применением современных компьютерных технологий.

Для достижения поставленной цели был решен ряд научно-исследовательских задач:

— проведено теоретическое исследование газораспределительного механизма поршневого двигателя с распределительным валом и пружинными клапанами, который рассмотрен как объект автоматического управления (гл. 1);

— составлен аналитический обзор по отечественным и зарубежным разработкам электромагнитных клапанов, сведения о которых опубликованы в открытой научно-технической и патентной литературе (гл. 2);

— создана теория оптимального проектирования силовых тяговых электромагнитов с применением математического аппарата вариационного исчисления (гл. 3). Предлагаемая теория отображает научную новизну диссертационной работы;

— на основе теории оптимального проектирования разработана инженерная методика расчета силовых электромагнитов для газораспределительных клапанов поршневого двигателя (гл. 4), что обуславливает практическую ценность диссертации;

— проведена экспериментальная оценка точности вычислений по разработанной методике расчета с применением современной программы «Microsoft Excel 2000» на персональном компьютере (гл. 5).

Общий объем диссертационной работы составляют: введение, пять вышеуказанных глав, заключение с выводами и рекомендациями, приложения, список литературы. Работа содержит 188 страниц текста, 59 рисунков, 11 таблиц, 71 наименование в списке использованной литературы.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Анализ физических процессов газообмена в поршневом двигателе показал, что с применением электронного автоматического управления клапанами достигается улучшение топливной экономичности, экологических и мощностных показателей двигателя.

2. Получены дифференциальные уравнения, описывающие движение якоря электромагнита в ГР-клапане, и разработаны способы их решения.

3. Впервые теоретически описаны взаимосвязи электрических, магнитных и механических параметров силовых электромагнитов, предназначенных для работы в ЭМ-клапане.

4. Разработана методика составления и расчета эквивалентной схемы-аналога для электромагнитного привода ГР-клапана.

5. Определены оптимальные параметры и характеристики ЭМ-клапана.

6. Установлены основные факторы, влияющие на форму тяговой характеристики электромагнита, и предложен способ ее коррекции путем введения в рабочий воздушный зазор ферромагнитного шунта с заданной формой.

7. Разработаны устройство и принцип действия ЭМ-клапана с одним и с двумя электромагнитами, проведено сравнение их параметров и показана целесообразность применения ЭМ-клапана с двумя электромагнитами.

8. На основании проведенных теоретических исследований разработана методика инженерного расчета электромагнитных клапанов для газораспределительного механизма поршневого двигателя.