В последнее время наметилась тенденция к внедрению в устройство газораспределительного механизма поршневых двигателей электрогидравлических систем управления.
Гидравлика позволяет с любой степенью плавности и точности, как по «жесткой», так и по адаптивной программе управления, достаточно оперативно (быстро) изменять скорость движения рабочего органа путем сброса или нагнетания давления рабочей жидкости в замкнутом объеме под гидравлическим рабочим поршнем.
Нетрудно себе представить, что если подвижный стержень газораспределительного клапана оснастить гидроцилиндром с управляемым давлением, то скорость и степень открывания (глубина хода) клапана станут также управляемыми.
На этом принципе создан ряд разновидностей газораспределительных клапанов с непосредственным гидроприводом. Однако такие клапаны требуют для своей работы громоздкой гидравлической аппаратуры управления и пока не находят применения в ГРМ современных автомобильных двигателей.
Более перспективным является внедрение в конструкцию электроклапана миниатюрных гидравлических устройств, демпфирующих или амортизирующих в нем жесткие соударения и позволяющих управлять скоростью срабатывания и глубиной открывания электроклапана.
Наиболее рациональна установка гидроамортизатора в электромагнитном клапане без возвратной пружины, но с двумя смыкающимися тяговыми электромагнитами. Конструкция такого магнитного электроклапана приведена на рис. 9.7. Здесь дополнительно к двум тяговым электромагнитам установлены два постоянных магнита, поэтому такой электроклапан называют магнитоэлектрическим.
Рис. 9.7. Магнитоэлектрический клапан с гидравлическим амортизатором
В магнитоэлектрическом клапане уменьшение габаритных размеров и повышение надежности срабатывания достигаются значительным ослаблением упругости возвратной запорной пружины (или ее устранением), установкой второго закрывающего электромагнита (дополнительно к первому — открывающему) и увеличением тяговых сил обоих электромагнитов двумя постоянными магнитами, установленными в магнитопроводы обоих электромагнитов.
Более эффективное понижение шумности срабатывания клапана (по сравнению с резиновыми и пружинными амортизаторами) и возможность автоматизации управления рабочими процессами достигаются установкой вовнутрь конструкции клапана двустороннего гидравлического амортизатора, наполненного технической жидкостью под давлением, например, моторным маслом от системы смазки бензинового двигателя или моторным топливом от топливного насоса высокого давления дизельного двигателя.
Гидроамортизатор гасит жесткие соударения в клапане и позволяет автоматизировать управление процессами открытия и закрытия путем замедления или ускорения скорости перепускания технической жидкости между внутренними полостями гидроамортизатора.
Устройство и работа магнитоэлектрического клапана могут быть пояснены с помощью чертежа, показанного на рис. 9.7. Постоянные магниты 14 и 15 делают электромагниты 12 и 13 позиционными. Гидравлический амортизатор 11 — двустороннего действия. Катушки 16 и 17 электромагнитов установлены неподвижно в пазах магнитопроводов электромагнитов 12 и 13, а постоянные магниты 14 и 15 закреплены в пазах поршня 18 гидроамортизатора 11. Возможна установка постоянных магнитов в пазах под обмотками электромагнитов. Сам поршень 18 жестко закреплен на клапанном стержне 3 при помощи фиксирующей трубки 19, прижимной шайбы 20 и затяжной гайки с контршайбой. Значительно ослабленная возвратная пружина 21 зажата между прижимной шайбой 20 и верхней крышкой гидравлического амортизатора 11.
Цилиндрические полости (верхняя 22 и нижняя 23) внутри гидроамортизатора наполнены технической жидкостью под давлением, например моторным маслом, поступающим от системы смазки двигателя через подающий канал 24 с редукционным клапаном. Посредством перепускных калиброванных жиклеров 25 верхняя 22 и нижняя 23 полости сообщаются между собой.
Трущиеся участки клапанного стержня 3 и поршня 18 смазываются моторным маслом в цилиндрических полостях 22 и 23. Когда электроклапан открывается, часть моторного масла из нижней полости 23 выдавливается в виде тонкой пленки по стрежню 3 в полость 29, находящуюся под днищем корпуса гидроамортизатора 11. Здесь происходит смазка нижней части клапанного стержня 3 и направляющей втулки 30.
Для защиты камеры сгорания от излишнего проникновения в нее моторного масла через направляющую втулку 30, на нее сверху надет клапанный сальник 31. При закрывании клапана некоторая часть моторного масла аналогичным образом попадает из верхней полости 22 в пружинную полость 26, где смазывает витки ослабленной возвратной пружины 21.
Сверху возвратная пружина 21 накрыта герметичной крышкой 27, которая посредством натяжных пружин 28 надежно фиксирует гидравлический амортизатор 11 в углублении головки 33 блока цилиндров (ГБЦ) и тем самым препятствует возникновению вибраций корпуса гидроамортизатора 11 при работе электромагнитного клапана. Накопившиеся излишки моторного масла в полостях 26 и 29 возвращаются в масляный картер двигателя по сливному каналу 32. Прямой 24 и обратный 32 каналы проложены внутри тела головки 33 блока цилиндров, благодаря чему наружная поверхность головки защищена от попадания на нее моторного масла и всегда остается сухой.
В такой конструкции магнитоэлектрического клапана пружинная фиксация гидроамортизатора на наружной поверхности ГБЦ способствует поддержанию зазоров в трущихся сочленениях электрокланана в оптимальном для их работы (в неперекошенном) состоянии. Это обеспечивает более плотную посадку клапанной головки 2 в посадочную фаску 4.
Магнитоэлектрический клапан работает следующим образом.
Когда оба электромагнита (12 и 13) обесточены, клапан удерживается либо в закрытом состоянии возвратной пружиной 21 и постоянным магнитом 15, либо в открытом состоянии — постоянным магнитом 14. При открытии клапана на его электромагниты 12 и 13 одновременно или по заданной программе управления от электронной автоматики подаются два управляющих сигнала в виде импульсов постоянного напряжения.
Управляющие сигналы имеют такую полярность, при которой постоянный магнит 14 притягивается электромагнитом 12, а постоянный магнит 15 отталкивается электромагнитом 13. Под действием возникающих таким образом магнитных взаимодействий клапанный стержень 3 перемешается «вниз» и открывает запорный узел 2, 4 магнитоэлектрического клапана.
Мгновенному срабатыванию магнитоэлектрического клапана, которое присуще всем устройствам с приводом от электромагнитов, препятствует гидроамортизатор 11, так как техническая жидкость внутри него умеренно и плавно перепускается через калиброванные жиклеры 25 из нижней полости 23 в верхнюю полость 22. Когда поршень 18 без жесткого соударения упрется в магнитопровод электромагнита 12, клапанная головка 2 полностью опустится «вниз» и клапан откроется.
С целью предотвращения соударений поршня 18 и магнитопровода электромагнита 12 между ними установлена эластичная шайба, например, из ударостойкой резины (на чертеже не показана).
Для надежного и достаточно быстрого закрытия магнитоэлектрического клапана усилия ослабленной возвратной пружины 21 недостаточно. Поэтому при закрытии клапана на его электромагниты 12 и 13 подаются управляющие сигналы с полярностью, противоположной для случая открывания. Ясно, что при этом магнитные взаимодействия между электромагнитами и постоянными магнитами также будут противоположными, благодаря чему клапанный стержень 3 переместится «вверх» и прижмет клапанную головку 2 к посадочной фаске 4 — клапан закроется.
Чтобы исключить «щелчки» от соударения поршня 18 с магнитопроводом электромагнита 13, между верхним краем поршня 18 и фиксирующей трубкой 19 установлена стальная регулировочная шайба-прокладка (на чертеже не показана), которая обеспечивает наличие требуемого зазора.
При закрытии электромагнитного клапана гидравлический амортизатор И работает так же, как и при открытии, но действует в противоположном направлении, т. е. техническая жидкость из верхней полости 22 перепускается в нижнюю полость 23.
Если перепускание технической жидкости между полостями 22 и 23 сделать управляемым, например, с помощью ромбовидных перепускных щелей с плавно изменяющимся проходным сечением при движении поршня 18 (см. рис. 9.7) или с помощью электронно-управляемого вентиля, установленного на цилиндре гидроамортизатора 11 снаружи, но против каждой из внутренних полостей 22 и 23 в точках минимального их объема (поз. 34 и 35 на рис. 9.7 и поз. 15 на рис. 9.8), то этим самым можно обеспечить в первом случае — замедление скорости движения клапанной головки при ее подходе в краевые положения «открыто» и «закрыто», а во втором случае — автоматизацию управления скоростью срабатывания и величиной хода (глубиной открывания) механического клапана.
Рис. 9.8. Магнитоэлектрический клапан с управляемым вентилем. 1 - возвратная пружина; 2 - клапанная головка; 3 - клапанный стержень; 4 - клапанная фаска; 5 - направляющая втулка; 6 - головка блока цилиндров (литье); 7 - корпус электромагнитов и гидроамортизатора; 8 - сливной канал; 9 - уплотнительное кольцо гидроамортизатора; 10 - пробка сливного канала 8; 11 - кольцевой постоянный магнит N-S; 12 - затяжная гайка; 13 - крышка корпуса 7; 14 - обмотка закрывающего электромагнита; 15 - несмыкающийся (дистанционный) воздушный зазор; 16 - якорь (подвижная часть) электромагнитного привода, одновременно являющийся поршнем гидроамортизатора; 17 - трубка немагнитная, фиксирующая якорь 16 на клапанном стержне 3; 18 - термоизоляционная и шумопоглощающая прокладка; 19 - обмотка открывающего электромагнита; 20 - электрогидравлическое устройство управления; 21 - запорная игла; 22 - перепускной жиклер с калиброванным проходным сечением; 23 - штуцер с пружинным клапаном
На рис. 9.8 показано устройство магнитоэлектрического клапана с электронно-управляемым вентилем снаружи гидроамортизатора.
Еще одна разновидность устройства магнитоэлектрического клапана с внутренним гидравлическим амортизатором приведена на рис. 9.9.
Рис. 9.9. Магнитоэлектрический клапан с внутренним гидроамортизатором. а - конструктивный чертеж клапана; б - жиклерные перепускные отверстия на поршне гидроамортизатора; в - жиклерные пружины на поршне гидроамортизатора; 1 - возвратная пружина; 2 - клапанная головка; 3 - клапанный стержень; 4 - клапанная фаска; 5 - направляющая втулка; 6 - головка блока цилиндров (литье); 7 - корпус электромагнитов и гидроамортизатора; 8 - жиклерные пружины; 9 - уплотнительное кольцо; 10 - пробка сливного отверстия; 11 - кольцевой постоянный магнит N—S; 12 - затяжная гайка; 13 - крышка корпуса 7; 14 - обмотка закрывающего электромагнита; 15 - штуцер с пружинным клапаном; 16 - якорь (подвижная часть) электромагнитного привода, одновременно являющийся поршнем гидроамортизатора; 17 - трубка немагнитная, фиксирующая якорь 16 на клапанном стержне 3; 18 - термоизоляционная и шумопоглощающая прокладка; 19 - жиклерные перепускные отверстия на якоре 16; 20 - обмотка открывающего электромагнита
Таким образом, автоматизацией управления работой клапанов в газораспределительном механизме с применением гидравлической амортизации и электроуправляемых вентилей достигается наиболее оптимальное (по заданной программе управления от электронной автоматики) регулирование фаз газораспределения с их подстройкой иод непрерывно изменяющиеся частоту вращения коленчатого вала и нагрузку поршневого двигателя. Более того, так как современная электронная автоматика управления двигателем (ЭСАУ-Д) позволяет регистрировать параметры окружающей среды и рабочее состояние двигателя (температуру двигателя и всасываемого воздуха, влажность воздуха и его давление в атмосфере, режимы работы двигателя и его управляющих систем — впрыска топлива, электроискрового зажигания, регулировки холостого хода и прочих), то электронное управление клапанами позволяет учитывать и эти факторы при составлении программы для автоматического управления газораспределительным механизмом поршневого двигателя. Управление клапанами становится программным и адаптивным от ЭСАУ-Д под все возможные изменения режимов и условий работы двигателя.
Магнитоэлектрический клапан газораспределительного механизма поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающий без распределительного вала и без упругой возвратной пружины, имеющий в своем составе открывающий и закрывающий электромагниты, тяговые силы которых усилены двумя постоянными магнитами, а также гидроамортизатор двустороннего действия, демпфирующий соударения и позволяющий с помощью наружного электрогидравлического вентиля управлять от электронной автоматики скоростью и глубиной хода клапана, имеет следующие преимущества:
- габаритные размеры магнитоэлектрического клапана уменьшены, а надежность срабатывания при падении величины управляющего тока повышена, жесткость упругой возвратной пружины значительно ослаблена, а электромагнит, открывающий механический клапан, дополнен вторым закрывающим электромагнитом. Электромагниты открывают механический клапан при одном (прямом), а закрывают при другом (обратном) направлении постоянного (управляющего) тока, для чего в магнитопроводные цепи тяговых электромагнитов установлены два постоянных магнита, делающие электромагниты позиционными и обеспечивающие механическому клапану надежную фиксацию в положениях «открыто» и «закрыто» как при протекании по электромагнитам управляющего постоянного тока, так и в обесточенном состоянии, причем в последнем случае удержание механического клапана реализуется одним из постоянных магнитов в том положении («открыто» или «закрыто»), в котором произошло обесточивание электромагнитов;
- жесткие соударения и шум, возникающие при срабатывании клапана, значительно ослаблены благодаря установке на стержень механического клапана двустороннего гидравлического амортизатора. Амортизатор состоит из поршня с перепускными калиброванными отверстиями (жиклерами), который (поршень) жестко закреплен на стержне механического клапана и цилиндра с двумя полостями (верхней — над поршнем, нижней — под поршнем), наполненными технической жидкостью (например, моторным маслом от системы смазки двигателя или моторным топливом от системы подачи топлива) под давлением, благодаря чему при перепускании технической жидкости через жиклеры из одной полости гидравлического амортизатора в другую движение стержня механического клапана, а значит, и его (клапана) открытие и закрытие происходят постепенно, без соударений в краевых точках движения;
- калиброванные отверстия (жиклеры) в поршне гидроамортизатора могут иметь разные проходные сечения или могут быть заменены ромбовидными проточными канальцами, нанесенными на внутреннюю сторону стенки цилиндра гидравлического амортизатора, чем обеспечивается постепенное перекрытие проходных сечений проточных канальцев и, как следствие, замедление хода поршня при его приближении к краевым положениям;
- автоматизация управления величиной хода (глубиной открывания) и скоростью перемещения механического клапана могут быть реализованы путем применения электронно-управляемого перепускного вентиля, соединяющего внутренние полости гидравлического амортизатора с системой нагнетания технической жидкости, для чего перепускной вентиль может быть установлен на внешней стороне цилиндра в местах смыкания внутренних полостей (минимального их объема);
- реализуется принудительная смазка трущихся сочленений в электромагнитном клапане и поддерживается рабочее давление во внутренних полостях гидравлического амортизатора путем подачи в одну из полостей технической жидкости под давлением. Жидкость подается по специальному каналу с редукционным клапаном, который открывается при разрежении под (или над) поршнем гидравлического амортизатора, чем восполняются неизбежные потери рабочей жидкости за счет ее выдавливания по стержню клапана через его трущиеся сочленения;
- значительно экономится электроэнергия, затрачиваемая на срабатывание электромагнитной системы клапана, причем открытие и закрытие клапана, при хорошо прогретом двигателе, могут осуществляться одним из двух электромагнитов;
- для повышения надежности срабатывания магнитоэлектрического клапана в условиях чрезвычайно низких температур (менее -30°C) возможен подогрев корпуса гидроамортизатора от электронагревателя. Перед пуском двигателя стартером это обеспечивает нужную консистенцию технической жидкости в полостях гидравлического амортизатора;
- обеспечена автоматизация управления процессами срабатывания магнитоэлектрического клапана путем изменения величины и формы управляющих сигналов, сформированных в электронном блоке управления клапанами.
Обладая несомненными преимуществами перед всеми видами электромеханических и электромагнитных клапанов, магнитоэлектрический клапан с внутренним гидроамортизатором не свободен от недостатков. Основной из них — это нарушение запрограммированного (штатного) режима работы клапана при пуске сильно охлажденного двигателя (менее -30°C), когда техническая жидкость начинает загустевать в перепускных устройствах гидроамортизатора. Для устранения этого недостатка в бензиновых двигателях следует применять наиболее жидкие сорта моторного масла, а перед запуском сильно охлажденного двигателя — подогревать магнитоэлектрические клапаны от электроподогревателей.
Проверку готовности разогретого магнитоэлектрического клапана к работе можно возложить на электронную автоматику, которая не будет допускать пуск двигателя стартером до тех пор, пока от датчика прогрева не поступит разрешающий сигнал. В дизельных двигателях в гидроамортизатор следует закачивать дизельное топливо от топливного насоса высокого давления.
Моменты открытия и закрытия электромагнитного клапана формируются в вычислительном устройстве электронной системы автоматического управления поршневым двигателем (ЭСЛУ-Д). При этом входными сигналами, по которым адаптируется программа управления клапанами, являются сигналы входных датчиков ЭСАУ-Д.
Описанные в параграфе 2.8 магнитоэлектрические клапаны являются авторскими разработками и защищены заявками на изобретения Российской Федерации.