Двс клапан: Клапанный механизм двигателя: устройство, работа и регулировка – Клапан (ДВС) Википедия

Клапан (ДВС) Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Клапан. Рис.1 Тарельчатый клапан с пружиной, верхней тарелкой и сухарями

Тарельчатый клапан — деталь большинства поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является частью газораспределительного механизма, непосредственно управляющей потоками рабочего тела, поступающего и выходящего из цилиндра. Используются также в крупных компрессорах, паровых машинах.

Устройство тарельчатого клапана[ | ]

Тарельчатый клапан состоит из собственно круглой тарелки и стержня меньшего диаметра. Из соображений прочности и аэродинамики переход между тарелкой и стержнем выполняется большим радиусом (рис.1). Некоторое время были популярны тарелки зонтичной (тюльпанообразной) формы, уменьшавшие вес впускного клапана до веса выпускного (диаметр впускных клапанов выбирают больше, так как сопротивление впускного тракта сильнее снижает мощность двигателя, чем сопротивление выпуска) при одновременном снижении гидравлического сопротивления. Однако при этом растёт площадь камеры сгорания, что увеличивает выбросы углеводородов.

Клапан совершает перемещения по оси стержня, при этом тарелка открывает путь газам, а при посадке на седло — плотно запирает его. Некоторый зазор между стержнем и втулкой клапана необходим, чтобы избежать заедания при нагреве клапана, и чтобы тарелка могла самоустановиться на седло. Для поддержания самоустановки, а следовательно, плотности запирания, тарелка имеет фаску под углом 45 или 30 градусов к её плоскости.

Рис.2 Тарельчатый клапан в нижнеклапанном двигателе

Силовое замыкание кинематической схемы привода клапанов (то есть, и возврат клапана в закрытое положение) осуществляется витыми клапанными пружинами, на быстроходных спортивных двигателях — с помощью десмодромного механизма. Стержень клапана имеет обычно термоупрочнённый торец, куда передаётся усилие от рокера, коромысла или стакана, и одну или несколько канавок для установки сухарей (канавка видна на рис.1). Меньше распространена передача усилия через внутреннюю резьбу в стержне клапана от толкателя (такую конструкцию имеет клапан на В-2 и всех последующих модификациях, изготовляемых сейчас «Барнаултрансмашем»)

Между пружиной и плоскостью головки, кроме стальной закалённой шайбы, может быть установлен механизм проворота клапана (иначе называемый механизм самопритирки). Это позволяет продлить интервалы между притиркой клапанов, сохраняя плотность их посадки в течение длительного времени[1].

Компоновка клапанов в двигателе[ | ]

Количество клапанов в двигателе зависит от принятой схемы газораспределительного механизма[2]. Типовое значение 2 или 4 клапана на цилиндр, но встречаются схемы с 5 клапанами (из них 3 впускные), или даже 1 большим выпускным клапаном (прямоточная продувка 2-тактного дизеля). Клапанные пружины, поддерживающие кинематику ГРМ, всегда спиральные с плоскими шлифованными торцами. На один клапан приходится обычно 1 (реже 2) пружины, и 2 сухаря. Размеры и форма сухарей индивидуальны, обычно каждый двигатель имеет оригинальные сухари клапанов.

Рис.3 Пример компоновки: 4 клапана на цилиндр

Клапаны могут размещаться по нижнеклапанной или верхнеклапанной схеме, располагаться под углом друг к другу или параллельно. Целью работы конструктора при их размещении является надёжный газообмен с небольшим аэродинамическим сопротивлением, необходимое размещение коллекторов в подкапотном пространстве, компактность камеры сгорания, соблюдение норм выхлопа и др.

Применяемые материалы и технологии[

Клапан (ДВС) Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Клапан. Рис.1 Тарельчатый клапан с пружиной, верхней тарелкой и сухарями

Тарельчатый клапан — деталь большинства поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является частью газораспределительного механизма, непосредственно управляющей потоками рабочего тела, поступающего и выходящего из цилиндра. Используются также в крупных компрессорах, паровых машинах.

Устройство тарельчатого клапана

Тарельчатый клапан состоит из собственно круглой тарелки и стержня меньшего диаметра. Из соображений прочности и аэродинамики переход между тарелкой и стержнем выполняется большим радиусом (рис.1). Некоторое время были популярны тарелки зонтичной (тюльпанообразной) формы, уменьшавшие вес впускного клапана до веса выпускного (диаметр впускных клапанов выбирают больше, так как сопротивление впускного тракта сильнее снижает мощность двигателя, чем сопротивление выпуска) при одновременном снижении гидравлического сопротивления. Однако при этом растёт площадь камеры сгорания, что увеличивает выбросы углеводородов.

Клапан совершает перемещения по оси стержня, при этом тарелка открывает путь газам, а при посадке на седло — плотно запирает его. Некоторый зазор между стержнем и втулкой клапана необходим, чтобы избежать заедания при нагреве клапана, и чтобы тарелка могла самоустановиться на седло. Для поддержания самоустановки, а следовательно, плотности запирания, тарелка имеет фаску под углом 45 или 30 градусов к её плоскости.

Рис.2 Тарельчатый клапан в нижнеклапанном двигателе

Силовое замыкание кинематической схемы привода клапанов (то есть, и возврат клапана в закрытое положение) осуществляется витыми клапанными пружинами, на быстроходных спортивных двигателях — с помощью десмодромного механизма. Стержень клапана имеет обычно термоупрочнённый торец, куда передаётся усилие от рокера, коромысла или стакана, и одну или несколько канавок для установки сухарей (канавка видна на рис.1). Меньше распространена передача усилия через внутреннюю резьбу в стержне клапана от толкателя (такую конструкцию имеет клапан на В-2 и всех последующих модификациях, изготовляемых сейчас «Барнаултрансмашем»)

Между пружиной и плоскостью головки, кроме стальной закалённой шайбы, может быть установлен механизм проворота клапана (иначе называемый механизм самопритирки). Это позволяет продлить интервалы между притиркой клапанов, сохраняя плотность их посадки в течение длительного времени[1].

Компоновка клапанов в двигателе

Количество клапанов в двигателе зависит от принятой схемы газораспределительного механизма[2]. Типовое значение 2 или 4 клапана на цилиндр, но встречаются схемы с 5 клапанами (из них 3 впускные), или даже 1 большим выпускным клапаном (прямоточная продувка 2-тактного дизеля). Клапанные пружины, поддерживающие кинематику ГРМ, всегда спиральные с плоскими шлифованными торцами. На один клапан приходится обычно 1 (реже 2) пружины, и 2 сухаря. Размеры и форма сухарей индивидуальны, обычно каждый двигатель имеет оригинальные сухари клапанов.

Рис.3 Пример компоновки: 4 клапана на цилиндр

Клапаны могут размещаться по нижнеклапанной или верхнеклапанной схеме, располагаться под углом друг к другу или параллельно. Целью работы конструктора при их размещении является надёжный газообмен с небольшим аэродинамическим сопротивлением, необходимое размещение коллекторов в подкапотном пространстве, компактность камеры сгорания, соблюдение норм выхлопа и др.

Применяемые материалы и технологии

Впускные клапана двигателей обычно изготовляют высадкой из сильхромовой стали типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Эти стали обладают довольно высокой жаростойкостью, и поскольку температура отходящих газов у дизелей меньше (по причине высокой степени сжатия), чем у искровых моторов, используются и для изготовления выпускных клапанов дизелей.

Выпускные клапана старых искровых моторов также делали сильхромовыми, недостаточную жаростойкость компенсировали удобством притирки (ГАЗ-51), напайкой кромки тарелок стеллитом; наполнение клапанов натрием для теплоотдачи от тарелки применялось ранее (ГАЗ-66/ГАЗ-53, ЗИЛ-130), и применяется сейчас[3][4][5][6].

Позднее перешли на сварные клапаны: стержень из сталей типа 40ХН, 38ХС, тарелка из сталей типа 40Х14Н14В2М, 45Х22Н4М3. На дизелях такие стали не применяют: дизельное топливо содержит серу, а сернистые газы быстро разрушают никельсодержащие стали. Применяется и напайка кромок твёрдыми материалами: стеллитом, нихромом

[7].

Неисправности клапанов

Основными неисправностями тарельчатых клапанов являются[8]:

  • неплотность;
  • прогорание тарелки;
  • износ стержня, зазор по направляющей клапана;
  • изгиб клапанов после соударения с поршнем.

Неплотность клапанов может быть с момента изготовления, развиться в течение работы, либо быть следствием некачественного ремонта или неверной регулировки клапанов. Впускной клапан может длительное время пропускать газ без прогорания, но искровой двигатель при этом обычно потряхивает: во впускной тракт забрасывает отработавшие газы, и воспламенение такой разбавленной смеси становится ненадёжным. Дизель, соответственно, дымит[9]. Ещё одной причиной может быть загиб клапанов[10], двигатель при этом трясётся очень сильно, а заводится плохо.

В случае умеренной неплотности клапанов, они ещё могут быть притёрты, но чаще всего их меняют комплектом. Причина в том, что к этому времени обычно происходит износ стержня клапана с увеличением расхода масла, а при долгой притирке старого клапана выступание его торца над плоскостью головки увеличивается — гидрокомпенсатор может выйти из рабочей зоны. Если выступание превышает допустимое уже с новым клапаном, то по инструкции нужно менять головку блока, на практике — торец клапана шлифуют для уменьшения высоты.

Прогорание тарелки выпускного клапана всегда является следствием сильного перегрева при отсутствии клапанного зазора и большом прорыве газов. Тарелка впускного клапана прогореть не может, так как задолго до этого при прорыве газов на впуск цилиндр работать перестанет, и температура газов снизится. Однако у дизелей при этом могут возникать другие проблемы.

Износ стержня и/или втулки клапана приводит к нарушению работы сальников клапанов, а значит — высокому расходу масла. Поэтому при ремонте головки блока цилиндров может возникать необходимость в замене клапанов и/или направляющих. После смены направляющих требуется обычно обработать седло шарошками на оправке, базирующейся по новой направляющей, после чего притереть клапан. Обычно разом меняют все направляющие, либо только впускные (зазор во втулках впускных клапанов решающий для расхода масла, ввиду меньшего давления во впускной трубе).

См. также

Примечания

  1. ↑ Автомобильные двигатели: теория и техническое обслуживание, 4-е издание. — Издательский дом Вильямс. — 660 с. — ISBN 9785845909541.
  2. Александр Попов, П. Клюкин, Александр Солнцев, Владислав Осипов, Виталий Гаевский. Основы конструкции современного автомобиля. — Litres, 2017-09-05. — 338 с. — ISBN 9785457387928.
  3. Sanders, J. C., Wilsted, H. D., Mulcahy, B. A.
    Operating temperatures of a sodium-cooled exhaust valve as measured by a thermocouple (англ.) // Digital Library. — 1943.
  4. truck, car and. Клапаны Federal-Mogul (рус.). Дата обращения 30 октября 2018.
  5. Fernando Zenklusen, Marcio Coenca, Alexander Puck. Sodium Cooling Efficiency in Hollow Valves for Heavy Duty Engines (англ.) // SAE Technical Paper Series. — 400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA, United States: SAE International, 2018-04-03. — DOI:10.4271/2018-01-0368.
  6. ↑ How are valves cooled in internal combustion engines? — Quora (англ.). www.quora.com. Дата обращения 30 октября 2018.
  7. Холмянский И.А. Констрирование двигателей внутреннего сгорания. — Омск, 2010. — С. 86-91. — 155 с.
  8. ↑ Автомобильные двигатели: теория и техническое обслуживание, 4-е издание. — Издательский дом Вильямс. — 660 с. — ISBN 9785845909541.
  9. Гладкий Алексей Анатольевич. Техоблуживание и мелкий ремонт автомобиля своими руками. — БХВ-Петербург, 2011. — 202 с. — ISBN 9785977505550.
  10. Александр Леонидович Буров. Основы технического обслуживания автомобилей: учеб. пособие. — МГИУ, 2008. — 104 с. — ISBN 9785276015538.

Создана первая в мире полностью цифровая система управления клапанами ДВС

Британская компания Camcon Automotive выпустила первую в мире электронную систему управления работой клапанов ДВС. Здесь нет ни распределительного вала, ни ременных передач или пружин, вообще ничего, что связывало бы работу конкретного клапана с состоянием двигателя. Эта технология позволяет управлять каждым клапаном независимо и создавать любые комбинации, в зависимости от поставленной задачи.

Для каждого клапана в этой системе предусмотрен персональный привод с электромотором, который позволяет открывать и закрывать его с идеальной точностью. Можно закрыть клапан на половине пути, вернуть его в исходное положение или сместить на нужное расстояние в произвольный момент времени. Система отслеживает положение всех клапанов и может идеально синхронизировать их работу между собой, перестраивая конфигурацию на лету.

Что дает эта технология? Если кратко: полный, всеобъемлющий контроль над работой ДВС. Адаптация под новый вид топлива, регулировка выхлопа, оптимизация экономии горючего при разной работе, возможность наконец-то построить гибридную силовую установку с высоким КПД. Представьте машину, которая несколько секунд движется на электротяге, а потом на мгновение переключается на ДВС, с нулевой потерей мощности и скорости, потому что бортовой компьютер идеально все рассчитал, а механическая часть теперь способна реализовать его команды!


ДВС с цифровым управлением клапанами Технология позволить использовать прогрессивную компоновку с разделением цилиндров вместо одного цельного блока

Но настоящее преимущество технологии в ее пока неизученном потенциале. Инженеры надеются, что цифровой контроль станет инструментом для изучения и решения фундаментальных проблем. Например, как сделать так, чтобы нагрузка между клапанами равномерно распределялась на сотни тысяч километров пробега и десятки лет эксплуатации, а параллельно еще и контролировался износ сопутствующих механизмов? Вариантов применения технологии в коммерческих продуктах много и Camcon Automotive ищет партнеров, которые помогли бы реализовать это лучшим образом.

[источники]
Источник — Camcon Automo
http://www.camcon-automotive.com/
https://www.techcult.ru/auto/5639-polnostyu-cifrovaya-sistema-upravleniya-klapanami

Это копия статьи, находящейся по адресу http://masterokblog.ru/?p=8802.

Нет ГРМ — нет проблем или электронный актуатор вместо кулачка и распредвала

А современные дизели невозможно представить без одной из следующих систем: Common Rail или насос-форсунка (индивидуальная насосная секция). Управляются все они соленоидами, получающими команду от блока управления, ежесекундно суммирующего множество данных от различных датчиков. Соленоиды способны обеспечить открытие/ закрытие клапанов управления данных деталей на всех режимах работы двигателя включая наиболее скоростные 6000 об/мин и более. Сказанное выше означает то, что современные автомобильные компьютеры способны обрабатывать достаточный объем информации, а пара электромагнит – механический клапан способны надежно работать при больших скоростях: 50 срабатываний в секунду и более.
И тут на горизонте всплывает вопрос, почему же мы все еще используем механический привод там, где уже возможно применение электромагнитного соленоида. Читатель спросит: «да где же?» и возможно сильно удивится, услышав ответ: «в ГРМ». Вы не удивлены?
Должно сказать следующее, что отдаленное подобие таких систем уже давно и довольно надежно работает в топливных системах двигателей “Perkins” и “CАТ”. Это электронно управляемые насос- форсунки с гидравлическим приводом (HEUI). Ну, нет там привода от кулачкового вала, как в других двигателях с индивидуальными насосными секциями или насос-форсунками. Нет и все. И ведь работает…
Перечислим основные минусы стандартного газораспределительного механизма:
Первое: жесткая привязка конструкции: например, если ГРМ двигателя рассчитан на четырехтактный цикл, он не может работать по двухтактному циклу.
Второе: для разных режимов работы двигателя (прежде всего скорости вращения коленвала) существует свой оптимальный состав топливовоздушной смеси, свои правильные моменты открытия и закрытия клапанов. В настоящее время эта проблема решается с помощью механизма изменения фаз газораспределения (VTEC): весь распредвал слегка поворачивается относительно шестерни привода ГРМ и все моменты открытия и закрытия клапанов смещаются от нулевого угла вперед или назад. Проблема данного механизма в ограниченности возможных режимов его применения.
Третье: клапана (впускной или выпускной) из-за профиля приводного кулачка находятся в полностью открытом состоянии лишь очень малый отрезок времени, остальное время — не беря в расчет фазу закрытия — они или плавно подымаются или также плавно опускаются. Схема их перемещения близка к синусоиде. Для улучшения характеристик производители вынуждены устанавливать по 3-4-5 клапанов на один цилиндр.
Четвертое: на определенных режимах впускной и выпускной клапаны вместе находятся в приоткрытом состоянии, при этом часть топливной смеси попадает в выпускную систему, уменьшая тем самым экономичность двигателя и увеличивая выбросы в атмосферу.
Пятое: (и, наверное, не последнее): каждый водитель боится обрыва ремня ГРМ и его последствий в виде вывода двигателя из строя и последующих затрат на дорогостоящий ремонт.
К чему мы все это рассказываем? А дело в том, что в Скандинавии ездит один довольно старый SAAB 9−5. И все бы ничего, но у его двигателя нет ни толкателей клапанов, ни кулачков, ни распредвала, ни его привода, короче, механизм ГРМ в его классическом понимании в двигателе у этого автомобиля отсутствует как класс. Хозяин автомобиля и разработчик новой системы — Кристиан фон Кенигсегг, личность в определенных кругах очень известная.
Система получила название Freevalve (т.е. свободный, независимый клапан). В головке блока цилиндров двигателя указанного автомобиля, как и на его конвейерных собратьях, установлены 16 клапанов, но каждый из них управляется индивидуальным актуатором, получая команду на открытие или закрытие клапана от блока управления двигателем. Конструкция актуатора, наверное, самое главное в управлении клапана Freevalve. Будет неверным сказать, что поставить на каждый клапан индивидуальный привод и управлять ими независимо друг от друга не пробовали раньше. Даже в Советском Союзе, говорят, такие работы проводились. Но наиболее очевидное решение в виде соленоидов (или по другому линейных электродвигателей) не приводило к желаемому результату: небольшим по мощности соленоидам не хватало мощности, чтобы придать клапанам необходимые скорости (до 8-10 тысяч возвратно поступательных перемещений в минуту), возникали проблемы с надежностью, управлением бортовой ЭВМ.

У конструкции Кенигсегга открывает клапана пневматика, а закрывает уже гидравлика. Обе системы (пневматическая и гидравлическая) постоянно находятся под давлением и готовы передать клапану максимум энергии. Задача электрического привода — лишь вовремя по указанию блока управления подавать к клапану воздух или масло. Проблемы смазки и охлаждения элементов системы решается сама собой: нагруженные детали приводов обслуживаются соответствующими системами самого двигателя.

В чем же преимущества актуатора Freevalve?

Первое: впускной или выпускной клапана могут открываться тогда, когда это необходимо, поведение каждого клапана может программироваться индивидуально. Сам двигатель в таком случае может работать и по 2- тактному циклу, и по 4- тактному; переходить из одного в другой, при необходимости полностью отключать работу цилиндра, тем самым плавно переходя от наибольшей долговечности к наивысшей отдачи мощности, от наибольшей экономичности при 4- тактном режиме, к наибольшей удельной мощности при 2- тактном.

Второе: необходимые объемы газов проходят через полностью открытые клапана за меньшие промежутки времени и, потому открытие впускного и выпускного клапанов между собой не пересекается, что значительно сокращает долю выбросов вредных веществ в атмосферу и увеличивает экологичность двигателя.

Третье: продолжительность нахождения клапана в максимальной точке подъема может быть сколь угодно долгим. График работы такого клапана в максимальной точке подъема напоминает прямую после некого успокоения, а в целом приближен к прямоугольному профилю в отличие от синусоиды у клапана с приводом обычного ГРМ.

Четвертое: универсальность. По слухам актуатор Freevalve подходит и для гоночных моделей двухтактных двигателей (до 15000 об/мин), и для тяжелых автомобильных дизелей (работающих в диапазоне 2500 об/мин и менее).

Таким образом, клапана Freevalve вкупе с инжектором или современными топливными системами дизельных двигателей позволяют в любой необходимый момент включить любую программу для любого цилиндра без каких-либо механических ухищрений. Вполне возможно, что двигатели с индивидуальными приводами клапанов могут стать по-настоящему массовым явлением.

На данный момент главный его недостаток – это высокая стоимость производства. Которая, впрочем, может снизиться в случае массового применения новой технологии. Ожидается, что в скором времени двигатели с данными приводами клапанов будут запущен в серию. И, вполне возможно, двигатель внутреннего сгорания получит шанс на новую жизнь перед тем, как мир будет завоеван другими движителями.

Автомобильный двигатель без распределительного вала

В схеме газораспределительного механизма Архангельского имеется центробежный регулятор, сдвигающий моменты открытия и закрытия клапанов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Клапан Архангельского открывается при срабатывании электромагнита и закрывается возвратной пружиной.

Использование для перемещения клапана двух электромагнитов позволяет избавиться от возвратных пружин.

В новой конструкции газораспределительного механизма привод расположен сбоку от блока цилиндров. Применение длинных соленоидов увеличивает ход клапанов, позволяет его регулировать в широких пределах.

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.

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.

КЛАПАН АРХАНГЕЛЬСКОГО

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.

КОНКУРЕНТОСПОСОБНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

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.

Серийные двигатели Renault с электромагнитными клапанами

Все двигатели внутреннего сгорания, за исключением тех, в которых используется прямой впрыск, наделены так называемыми клапанами. На каждый рабочий цилиндр приходится как минимум 2 клапана (впускной и выпускной), либо 4. Кулачок распределительного вала в нужный момент надавливает на клапан, вследствие чего происходит открывание последнего. На самом деле, подобная схема не лишена недостатков.

Главным недостатком является то, что фаза открытия клапана при использовании кулачкового механизма всегда остается постоянной. Эту фазу можно регулировать, но при работе двигателя она не изменится. Было выяснено, что с изменением частоты оборотов меняется и оптимальное значение фазы. Но двигатель с управляемой фазой открытия клапанов не может быть создан, если не отказаться от идеи использования кулачкового механизма.

Электромагнитные клапаны

Заменить кулачковый механизм можно электромагнитом и пружиной, возвращающей клапан на место в процессе его закрытия. Как показали исследования, проведенные российскими инженерами, одной пружины окажется мало – нужен второй электромагнит, запирающий.

Серийные двигатели Renault с электромагнитными клапанами

Фирма Renault разработала систему электромагнитных приводов, которую можно использовать вместо кулачковых механизмов. Разработка получила название Electromagnetic Valve Actuator (EVA), и, разумеется, она найдет применение в серийных двигателях Renault. На каждый клапан бензинового мотора, оснащенного устройством EVA, приходится два электромагнита: открывающий и запирающий. В отсутствие напряжения бортсети все клапаны должны быть закрыты, поэтому конструкция дополнена пружинами. Каждая из пружин удерживает клапан в исходном состоянии.

Недостатки системы EVA

Оказалось, что электромагниты, применяемые вместо кулачкового механизма, потребляют значительную мощность. Удерживая клапан в открытом положении, электромагнит расходует 70 Ватт. Сила тока, подводимая к каждому электромагниту, будет находиться в пределах 6 Ампер, но умножив эту цифру на число клапанов, мы получим чудовищное значение. В компании Renault решили так: двигатели, оборудованные системой EVA, должны комплектоваться электрооборудованием, рассчитанным на 48 Вольт. Что, как можно понять, сейчас является проблемой.

(2 голоса, среднее: 5 из 5)

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о