Układy bezposredniego napędu zaworów za pomocą siłowników elektromagnetycznych

      Prace badawcze nad elektromagnetycznym napędem zaworów silników spalinowych prowadzone były od dawna ale dopiero w połowie lat 90-tych opracowano konkretne rozwiązania tych systemów. Powolna ewolucja rozrządu elektromagnetycznego spowodowana była trudnościami przezwyciężenia podstawowych problemów związanych m.in. ze znacznym zapotrzebowaniem energii, dużymi gabarytami, niewłaściwym funkcjonowaniem układów przy wysokich prędkościach obrotowych silnika, wrażliwością na zmiany temperatury. W chwili obecnej gotowych jest kilkanaście rozwiązań rozrządu elektromagnetycznego.

Jednym z takich rozwiązań jest opracowany przez firmę Aura Systems układ EVA (Electromagnetic Valve Actuation). Jak podaje R.J. Goldstein [26] stanowi on praktyczne podejście pod względem przystosowania do produkcji, integracji z silnikiem, osi±gów oraz kosztów. Analogicznym rozwiązaniem pod względem konstrukcji siłownika jest opracowany przez firmę FEV Motorentechnik system nazywany EMV (Electromechanical Variable Valve Timing System) [7]. Cechą charakterystyczną obu rozwiązań jest bezpośredni napęd zaworów dolotowych i wylotowych silnika przez siłowniki elektromagnetyczne. Pozwala to wyeliminować wały rozrządu oraz wiążący się z nimi osprzęt (dźwigienki, przekładnia napędowa itd.). Kontrolę ruchu zaworów sprawuje elektroniczny układ sterujący. Budowę układu wykonawczego na przykładzie siłownika systemu EMV przedstawia rys. 43 [7] natomiast zasadę działania zaworów w oparciu o [26] przedstawiono na rys. 44.

Rys. 43. Przekrój głowicy cylindrowej z zamontowanymi siłownikami.

Rys. 44. Zasada działania układu.

      Koniec trzonka zaworu połączony jest ze zworą elektromagnesu w postaci poziomej tarczy. Po jej obu stronach znajdują się dwie cewki elektromagnesu. Przy braku zasilania cewek sprężyny zamontowane z pewnym napięciem wstępnym utrzymuj± zworę w położeniu środkowym, które odpowiada półotwartej pozycji zaworu (pozycja neutralna).

      W przypadku rozwiązania opracowanego przez firmę Aura Systems w chwili rozruchu wał korbowy silnika obraca się swobodnie, gdyż nie napotyka oporów sprężanego w cylindrach ładunku, bowiem zawory są częściowo uchylone. Położenie wału korbowego ustalane jest w przeciągu ułamka jego obrotu i sygnał z czujnika jest przekazywany jednostce sterującej, która definiuje pozycję pary zaworów każdego cylindra. W tym czasie uruchamiane są wtryskiwacze i silnik zaczyna pracować.

      Dużą zaletę elektromagnetycznego napędu zaworów jest prosta budowa elementów mechanicznych. Jak podano w [26] komponenty te są stosunkowo niedrogie i nie wymagają precyzyjnej obróbki. Technologia wykonania cewek elektromagnesów nie różni się od technologii wytwarzania cewek zapłonowych. Również sprężyny nie wymagają specjalnych sposobów obróbki.

      Wadą układów elektromagnetycznych jest niemożliwość prowadzenia pełnej kontroli ruchu zaworu zarówno podczas jego otwierania jak też zamykania w wyniku czego w mechanizmie powstają silne obciążenia udarowe będące przyczyną wysokiej hałaśliwości i ograniczonej trwałości. Dolegliwości tej pozbawiony jest system EVA zapewniający delikatne osiadanie zaworu w gnieździe, co zwiększa trwałosć przylgni. Prędkość osiadania zaworu wynosi 0,1 m/s i nie zależy od prędkości obrotowej silnika.

Zalety i wady elektromagnetycznego napędu zaworów:

+ możliwosć płynnej zmiany faz rozrządu – sterowanie mocą silnika,

+ duża szybkość przemieszczania zaworów (duże czasoprzekroje poprawiające napełnienie cylindrów),

+ obniżenie zużycia paliwa w stosunku do silników z konwencjonalnym rozrządem,

+ obniżenie toksyczności spalin,

+ poprawa pracy silnika w stanach przejściowych,

+ możliwość obniżenia prędkości obrotowej biegu jałowego silnika,

+ możliwość zmiany rzeczywistego stopnia sprężania,

+ system elektromechaniczny – brak medium, pomp, zaworów,

+ proste komponenty mechaniczne (cewki, sprężyny),

+ stosunkowo proste elementy elektroniczne (możliwość wykonania sterownika w technice analogowej i cyfrowej),

+ miękkie osiadanie zaworu w gnieździe,

– duże wymiary siłowników – trudność ich zastosowania w małych silnikach,

– mała sprawność cewek elektromagnesów (sprawnosć elektromagnesów typu ,,Helenoid” wynosi ok.20 -50% [24]) – duży pobór mocy,

– wymagane alternatory dużej mocy, duży stopień skomplikowania instalacji elektrycznej,

– wysoka cena.

Elektrohydrauliczne i elektropneumatyczne mechanizmy rozrządu.

      Wśród tej grupy układów rozrządu można wyróżnić wiele rozwiązań różniących się między sobą konstrukcją oraz zasadą działania. Generalnie wszystkie układy wykorzystujące do napędu zaworów płynne medium można podzielić na dwie zasadnicze kategorie. Do pierwszej z nich będą należeć wszystkie te rozwiązania, w których nie występują wały krzywkowe, a zawory poruszane są bezpośrednio siłownikami. Drugą grupę będą tworzyć układy, w których ruch zaworu wynika ze wzrostu ciśnienia medium wywołanego naciskiem krzywki na tłok roboczy. Schemat bezpośredniego napędu zaworu za pomocą siłownika hydraulicznego przedstawia poniższy rysunek [23].

Rys. 45. Model bezposredniego napędu zaworu za pomocą siłownika hydraulicznego.

      W tym przypadku otwarcie zaworu następuje na skutek oddziaływania ciśnienia oleju zgromadzonego w akumulatorze na górna powierzchnię tłoka siłownika. Powstająca w ten sposób siła pokonuje opór sprężyny zaworu. Zamknięcie zaworu wynika z łącznego oddziaływania sprężyny oraz siły nacisku oleju na spodnią stronę tłoka roboczego. Ruchami zaworu steruje wyzwalany impulsem elektrycznym zawór kierujący olej do odpowiednich komór siłownika.

      Kolejnym przykładem elektrohydraulicznego systemu zmian faz rozrządu jest stworzony na początku lat 90 – tych w laboratoriach firmy Lotus Engineering system AVT (Active Valve Train). Układ napędu rozrządu zapewnia możliwości regulacji ciągłej faz rozrządu oraz skoku zaworów. Cechą charakterystyczna tego rozwiązania jest brak wału rozrządu, krzywek i części przenoszących napęd na zawór. Brakuje nawet sprężyn zamykających zawory.

      Zawory są napędzane hydraulicznymi siłownikami o obustronnym działaniu. Dzięki temu istnieje łatwość regulacji faz otwarcia i zamknięcia zaworów oraz ich skoków. Siłownik hydrauliczny uruchamiający zawór umieszczony jest nad trzonkiem zaworu, współosiowo z nim. Rozmieszczenie w ten sposób tych elementów ułatwia sterowanie i kontrolę położenia zaworu. Chwilowe położenie zaworu jest informacją niezbędną dla działania mikroprocesora sterującego rozrządem silnika.

      Budowę układu wykonawczego przedstawia rys. 46 [18].

Rys. 46. Siłownik hydrauliczny opracowany przez Lotusa.

      Nieco prostsze rozwiązanie hydraulicznego napędu zaworów przedstawiono na rys. 47 wg [3]. W rozwiązaniu tym wysokie cisnienie oleju nie jest wytwarzane przez pompę, tak jak w poprzednio opisywanym systemie lecz przez indywidualną dla każdego zaworu sekcję tłoczącą składającą się z cylindra wykonanego w głowicy silnika oraz poruszanego krzywką tłoczka. Zarys krzywki powinien zapewniać maksymalną wymaganą długość otwarcia zaworu silnika.

Rys. 47. Układ hydrauliczny z upustową regulacją długości otwarcia zaworu.

      Otwieranie zaworu odbywa się bezudarowo i (pomijając ściśliwość cieczy hydraulicznej) zgodnie z prawem ruchu zadanym przez krzywkę. Dzięki możliwosci otwarcia elektromagnetycznego zaworu można spowodować, że zawór silnika zacznie zamykać się wcześniej niż by to wynikało z zarysu krzywki. Opadanie zaworu odbywałoby się z niekontrolowaną prędkością, ale można temu przeciwdziałać stosując hydrauliczne dławienie w ostatnim okresie zamykania zaworu.

      W przypadku hydraulicznego mechanizmu sterowania zaworami konieczne jest stosowanie bardzo szybkich i skomplikowanych zaworów pracujących przy wysokich ciśnieniach przekraczających nierzadko 200 bar, z minimalnymi stratami przepływowymi oraz akumulatorów ciśnienia o stosunkowo dużych pojemnościach. Wszystkie te komponenty hydrauliczne powodują dużą komplikację systemu i jego wysoki koszt. Możliwą do uzyskania szybkobieżność silnika ogranicza również ściśliwość cieczy hydraulicznej. Dodatkowe trudności eksploatacyjne stwarza termiczna zmiana lepkości oleju. Większość znanych rozwiązań tego typu nie zapewnia łagodnego osiadania zaworu na gniazdo, przez co występujące uderzenia są przyczyną hałaśliwosci mechanizmu i niskiej trwałości. Przewiduje się również wysokie straty energetyczne przy zastosowaniu hydraulicznego systemu sterowania zaworami.

źródło: www.psugier.fm.interia.pl