Клапани з електромагнітним приводом для газорозподільного механізму поршневого двигуна
Описувані пристрої відносяться до поршневих двигунів внутрішнього згоряння, а більш конкретно - до їх впускним і випускним клапанам. Область застосування - поршневі двигуни з програмним управлінням процесами газорозподілу від електронної автоматики.
механічні клапани
Широко відомі впускні і випускні клапани механічного принципу дії, які відкриваються штовхають зусиллями кулачків розподільного вала, а закриваються під впливом поворотній запірної пружини [1]. Такі клапани називаються механічними (рис. 1) і, крім поворотної запірної пружини 1, обов'язково містять в своєму складі власне клапан, що складається з клапанної головки 2 і клапанного стрижня 3, гніздо з посадкової фаскою 4 для клапанної головки і направляючу втулку 5 для клапанного стрижня .
Основні переваги механічних клапанів:
• простота конструктивної реалізації і компактність газорозподільного механізму (далі ГРМ), виконаного із застосуванням механічних клапанів;
• функціональна надійність ГРМ з механічними клапанами;
• мінімальний рівень ударних вібрацій в ГРМ з механічними клапанами
і, як наслідок, безшумність його роботи.
Основний недолік механічного клапана
- його управління від кулачка 6 розподільного вала 7, коли распредвал кинематически постійно (жорстко) пов'язаний з колінчастим валом двигуна. Такий зв'язок не дозволяє створювати поршневі двигуни з програмним управлінням процесами газорозподілу від електронної автоматики, що перешкоджає подальшому їх (двигунів) вдосконалення.
електромагнітні клапани
Найбільш перспективним для роботи в ГРМ з керуванням від електронної автоматики є клапан з безпосереднім електромагнітним приводом (рис. 2), який відкривається електромагнітом 8, 9, 10 при подачі на нього керуючого електричного сигналу, а закривається - поворотною пружиною 1. Основна перевага електроклапана - робота в ГРМ без розподільного вала з керуванням від електронної автоматики.
При подачі постійної напруги, що управляє на обмотку 9 електромагніту його магнітопровід, що складається з нерухомого ярма 8 і магнітопроводящей шайби (рухомого якоря) 10, змикається і магнітопроводящая шайба 10 своїм ходом «вниз» штовхає клапанний стрижень 3, тим самим відкриваючи запірний вузол 2, 4 клапана . Після припинення дії постійного керуючого напруги струм в обмотці 9 електромагніту переривається, магнітне поле в муздрамтеатрі 8, 10 зникає, магнітопроводящая шайба 10 під дією поворотної пружини 1 піднімається «вгору» і запірний вузол 2,4 електроклапана закривається.
Електромагнітний клапан з пружинним ударним пристроєм
Основна ідея цього винаходу полягає в тому, що вищеописаний електроклапан (рис. 2), якому на рис. 3 відповідають позиції 1, 2, 3, 6, 7, 8, доповнений пружинним ударним пристроєм (на рис. 3 позиції 4,9, 10, 11, 12). Ударний пристрій зводиться втяжні електромагнітом 5, 9, 10, 11, а спускається «на удар» спусковим електромагнітом (на рис. 3 поз. 14, 15, 16, 17, 18) і поворотною пружиною 12, ослабленою в порівнянні з основною пружиною 8 . управління електромагнітним приводом клапана здійснюється без застосування розподільного вала - від електричних сигналів, сформованих в релейно-електронному пристрої управління, що дозволяє змінювати фази газорозподілу.
Коли клапан закритий, всі три електромагніту знеструмлено і клапанна головка 6 надійно і щільно притиснута до посадкової фаске 20 поворотній запірної пружиною 8. Фіксуючий шток 14, встановлений на якорі 15 спускового електромагніту, знаходиться в затиснутому стані під головкою 11 якоря пружинного ударного пристрою. Коли клапан відкривається, електромагніти в певній послідовності включаються на спрацьовування шляхом подачі імпульсів постійної напруги на їх обмотки від релейно-електронного блоку управління. Послідовність спрацьовування електромагнітів при відкриванні клапана наступна. Перш за все, з дуже коротким випередженням, спрацьовують втяжной і спусковий електромагніти. Під впливом втяжні електромагніту головка 11 разом з якорем 9,10 піднімається вгору, а фіксує шток 14 під впливом спускового електромагніту втягується якорем 15 в котушку 18, тим самим масивний якір 9,10,11 готується для спрацьовування «на удар». Далі включається основний відкриває електромагніт і одночасно відпускається (знеструмлюється) втяжной електромагніт, а спусковий електромагніт залишається в стані утримання якоря 15 в котушці 18. В результаті такої комутації відкриває електромагніт напружує основну поворотну запірну пружину 8 і після ударного (стикатися) впливу з боку масивного якоря 9,10,11 (який після знеструмлення котушки 5 втяжні електромагніту наводиться в миттєве рух поворотною пружиною 12) переміщує основний якір 7 і клапанну головку б «вниз» - газорозподільний клапан відкривається і утримується у відкритому стані, поки що відкриває електромагніт знаходиться під струмом.
При закриванні клапана спочатку відпускається (знеструмлюється) спусковий електромагніт і під дією малої поворотної пружини 16 його якір 15 виштовхується з котушки 18, а фіксує шток 14 переміщається під головку 11 масивного якоря 9,10,11. Далі одночасно обесточиваются (відпускаються) основний відкриває і втяжной електромагніти. Основна поворотна замикає пружина 8 піднімає якір 7 і клапанну головку б «вгору» - клапан закривається, а масивний якір 9,10,11 знеструмленому втяжні електромагніту під дією поворотної пружини 12 кілька опускається «вниз» до упору головки 11 в фіксує шток 14. Останнім рухом реалізується фіксація пружинного ударного пристрою (масивного якоря 9,10,11 і поворотній пружини 12) в зведеному стані до наступного спрацьовування клапана на відкривання.
Метою описаного винаходу було зниження споживаної електричної потужності електромагнітним клапаном, яка досягнута оригінальним способом - ударом по якоря слаботочного і відносно невеликого відкриває електромагніту масивним якорем пружинного ударного пристрою.
Однак такий електромеханічний клапан не може бути використаний в ГРМ автомобільних двигунів, так як значні шуми, що виникають при його спрацьовуванні від зіткнень рухомих компонентів, тут не усунуто. Функціональна надійність електромагнітного клапана з пружинним ударним пристроєм також недостатньо висока, так як для його стійкої роботи потрібна синхронізація удару масивного якоря з початком руху якоря відкриває електромагніту. Реалізувати синхронність двох механічних взаємодій при відсутності між ними постійної кінематичного зв'язку і при високій швидкості спрацьовування - практично неможливо.
Електромагнітний клапан з демпфирующим пристроєм
Значне зниження шуму, що виникає при роботі електромагнітного клапана можливо із застосуванням гідравлічної, пневматичної чи електромагнітної амортизації; а в разі використання тягових електромагнітів - із застосуванням в них соленоїдних тягових котушок, в муздрамтеатрі яких відсутні граничні (крайові) опори для рухомого якоря.
Як видно з креслення, електромагнітний клапан включає до свого складу звичайний газорозподільний клапан 1 механічного принципу дії з жорсткою поворотною пружиною 2, над якими за допомогою кріпильної стійки 3 встановлений електромагнітний привід 4. Електромагнітний привід клапана складається з трисекційного соленоїда 5, 6, 7, у всередину якого вставлена труба 8, що виконує роль муздрамтеатру з трьома кільцеподібними полюсами 9,10,11. Через трубу 8 співвісно з нею пропущений немагнітний стрижень 12, на який встановлені два тягових якоря 13 і 14, а між ними - один якір 15, «плаваючий» по стрижні 12. Всі три якоря по висоті відповідають «своїм» кільцеподібних полюсів, мають циліндричну форму і виконані з магнітомягкого матеріалу. Тягові якоря 13,14,15 спільно з соленоїдом 5, 6, 7, магнитопроводом 8 і кільцеподібними полюсами 9, 10,11 утворюють відкриває електромагніт. При подачі імпульсів постійної напруги (керуючих сигналів від ЕБУ) на секції 5, 6, 7 соленоїда відкриває електромагніт спрацьовує і відкриває газорозподільний клапан 1. При цьому елементи відкриває електромагніту займають положення, показане на рис. 4,6, і жорстка поворотна пружина 2 стискається.
Тепер, щоб клапан закрився, досить знеструмити секції 5 і 7 соленоїда, і жорстка поворотна пружина виштовхне всю рухому частину електроклапана «вгору», а клапанна головка 1 щільно притулиться до посадкової фаске 16. Елементи відриває електромагніту займають положення, показане на рис. 4, а. Щоб посадка головки 1 в фаску 16 проходила плавно, без зіткнень, електромагнітна секція «полюс 10 - плаваючий якір 15» на час закривання клапана залишається під утримує струмом. Це забезпечує амортизацію удару головки клапана про посадкову фаску, так як малий соленоїдний електромагніт спільно з пружинами 17 і 18 забезпечують демпфірування руху клапана 1 в кінці його ходу. При відкриванні клапана зіткнень в його рухомих частинах не відбувається, так як в соленоїдного електромагніт немає жорстких упорів в крайових положеннях.
Але і такий електромагнітний клапан не вільний від істотних недоліків. По-перше, соленоїдний електромагніт завжди має велику протяжність муздрамтеатру і зменшену тягову силу в порівнянні з змикаються електромагнітами. По-друге, рух феромагнітного якоря в магнітному полі соленоїда завжди супроводжується тремтінням (вібраційними коливаннями) якоря в точках його зупинки та зміни напрямку руху. По-третє, і це основний недолік, із застосуванням соленоїда в електромагнітному приводі практично неможливо створити електрокерований клапан ГРМ з регульованим ходом (ступенем і швидкістю відкривання).
Електромагнітний клапан без поворотної запірної пружини
Відомо [3], що для ГРМ автомобільних поршневих двигунів з автоматичним електронним керуванням більш прийнятна конструкція електроклапана, в кото рій відсутня поворотна запірна пружина, так як в такому випадку тягова сила відкриває електромагніту може бути значно знижена, а електромагніт при цьому виходить малогабаритним і з прийнятним споживанням електроенергії.
На реалізацію ідеї створення електромагнітного клапана, надійно працює без жорсткої поворотної запірної пружини з керуванням від електронної автоматики, спрямовані пошуки фахівців багатьох західних автомобілебудівних фірм.
На рис. 5 показаний газорозподільний клапан, який працює без зворотної пружини, але з двома електромагнітами, перший з яких (див. Поз. 6) відкриває, а другий (див. Поз. 8) закриває.
Як видно з креслення, електромагнітний клапан містить якір 7, загальний для обох електромагнітів. Якір 7 жорстко закріплений на клапанному стрижні 3 за допомогою натяжна гайки 9 з контршайбой і затискних трубок 10, виконаних з немагнітного матеріалу. Електромагніти б і 8 зафіксовані в немагнітної гільзі 12, яка за допомогою гвинтів через термоізоляційну прокладку 13 пріворачівается до голівки 14 блоку циліндрів. Гільза 12 в нижній частині має направляючу втулку 5 для клапанного стрижня 3, а у верхній частині - немагнітну кришку 11 з направляючою втулкою. Кришка 11 прикрутити до гільзі 12 гвинтами.
Коли обидва електромагніту знеструмлено, то пружина 1, яка розрахована тільки на подолання маси рухомої частини клапана, піднімає її «вгору» і нещільно закриває клапан. При подачі імпульсу постійної напруги від ЕБУ на обмотку першого відкриває електромагніту б феромагнітний якір 7 опускається «вниз» і відкриває клапан. Клапан залишається в стійко відкритому стані до тих пір, поки електромагніт б включений (знаходиться підтікання), а електромагніт 8 знеструмлений. Для закривання клапана електромагніт б (відкриває) знеструмлюється, а на електромагніт 8 (закриває) подається імпульс постійної напруги (керуючий сигнал від ЕБУ). При цьому якір 7 піднімається електромагнітом 8 «вгору» і клапанна головка 2 з необхідним зусиллям притискається до посадкової фаске 4 - клапан закривається і залишається в такому стані до чергового спрацьовування відкриває електромагніту б.
Для запобігання жорстких зіткнень, на якорі 7 встановлено не менше трьох відбійників 15 з жорсткою ударостійкої гуми.
Моменти відкриття і закриття електромагнітного клапана формуються в обчислювальному пристрої електронної системи автоматичного управління поршневим двигуном (Есау-Д). При цьому, вхідними сигналами, за якими адаптується програма управління клапанами, є сигнали вхідних датчиків для Есау-Д.
Електромагнітний клапан без пружини віддачі, хоча і задовольняє вимогам по габаритним, енергетичним і акустичними показниками, але не забезпечує регулювання швидкості і глибини відкривання клапанної головки.
Електромагнітний клапан з пневматичним амортизатором
В даний час йдуть інтенсивні розробки електромагнітних клапанів ГРМ з внутрішньої пневматичний амортизацією.
На рис. 6 прийняті наступні позначення:
1 - газорозподільний клапан; 2 - клапанна фаска; 3 - напрямна втулка; 4 - нижня Пневмокамера; 5 - пневмопоршень з кільцем ущільнювача; 6 - Сапун канал; 7 - обмотка відкриває електромагніту; 8 - муздрамтеатр відкриває електромагніту; 9 - якір (рухома частина) електромагнітного приводу; 10 - магнітопровід закриває електромагніту; 11 - обмотка закриває електромагніту; 12 - верхня Пневмокамера; 13 - корпус верхньої пневмокамери; 14 - клапанний стрижень; 15 -пневмонапорний канал; 16 - корпус електромагнітів; 17 - сапун; 18 - пневмоклапан; 19 - електропривод пневмоклапана 18; 20 - пневморессівер; 21 - клапанний штуцер для подачі пневмодавленія Рд в рессивер 20; 22 - контакти електричного роз'єму; 23 - головка блоку циліндра (лиття); 24 - датчик керуючого пневмодавленія Р в нижній пневмокамері.
Електромагнітний клапан з Пневмоамортизатор управляється за допомогою двох електромагнітів - відкриває 7, 8 і закриває 10, 11. Електромагніти працюють також, як і в описаному вище електромагнітному клапані без поворотної запірної пружини. Специфікою в даному випадку, є те, що в конструкції електромагнітного клапана відсутні кручені пружні пружини. Їх функції виконує симетричний двокамерний Пневмоамортизатор. У двох пневмокамері - нижньої 4 і верхньої 12 розташовано по одному пневмопоршню 5, які жорстко закріплені на клапанному стрижні 14. Між пневмокамері (зовні клапана) встановлено пневморессівер 20, який сполучається з камерами через пневмоклапани 18, що зводяться в дію за допомогою електроприводів 19. Електроприводи , як і основні електромагніти 7, 8 і 10, 11 управляються від електронної системи автоматичного управління двигуном (Есау-Д) за програмою, закладеною в «пам'яті» Есау-Д. Програмне управління процесами газорозподілу дозволяє змінювати фазові параметри клапанів з адаптацією під всі можливі зміни умов і режиму роботи двигуна. Амортизація механічних зіткнень в електромагнітному клапані реалізується шляхом керованого перепуску стисненого повітря з ресивера 20 в одну з пневмокамер 4 або 12. стравленнимі повітря через Сапун канали 6 і 17 поповнюється шляхом підкачки рессивера від Пневмонасоси (на кресленні не показаний) через клапанний штуцер 21. Для контролю за величиною керуючого тиску Р в нижній пневмокамері 4 встановлений датчик 24.
Робота двостороннього Пневмоамортизатор полягає в наступному. Коли клапан 1 відкривається електромагнітом 7, 8, нижній пневмоклапан 18 переходить під управління від Есау-Д (опосередковано через електропривод 19) і, працюючи в переривчастому режимі, регулює керуючий тиск Р (по сигналу датчика 24) в нижній пневмокамері таким чином, що поршень 5, а разом з ним і клапан 1 опускаються вниз зі швидкістю, заданою за програмою управління. При цьому, коли тяжіння якоря 9 посилюється, керуючий тиск Р в нижній пневмокамері 4 стає максимальним і рівним тиску Р д в рессивера 20. В цей момент нижній пневмоклапан 18 відкривається, тиск Рд стравливается через нижній сапун 17 і відбувається плавне без зіткнень змикання якоря 9 з магнитопроводом 8, клапан 1 повністю відкривається. Під час відкривання клапана повітря з верхньої пневмокамери 12 стравливается через Сапун канал 6, а через верхній пневмоклапан 18 і верхній сапун 17 в пневкамеру 12 надходить повітря з атмосфери. При закриванні клапана 1 електромагнітом 10, 11 Пневмоамортизатор працює точно також, як і при відкриванні, тільки в зворотному напрямку.