В качестве примера рассмотрим газораспределительный клапан (ГР-клапан) для поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), разработанный и запатентованный западно-германской фирмой Daimler—Benz—AG в 1976 году (Патент ФРГ, № 2630512, класс: F 02D 13/02 от 7.07.1976 г.), устройство которого показано на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Электромагнитный клапан с пружинной амортизацией: 1 - газораспределительный клапан; 2 - клапанная фаска; 3 - головка блока цилиндра; 4 - нижняя амортизирующая пружина; 5 - якорь (подвижная часть) электромагнитного привода; 6 - обмотка закрывающего электромагнита; 7 - магнитопровод закрывающего электромагнита: 8 - верхняя амортизирующая пружина; 9 - шумопоглотитель; 10 - корпус электромагнитов; 11 - регулировочная шайба-прокладка; 12 - несмыкающийся (дистанционный) воздушный зазор; 13 - магнитопровод открывающего электромагнита; 14 - обмотка открывающего электромагнита; 15 - термоизоляционная и шумопоглощающая прокладка; 16 - крепежный болт; 17 - клапанная направляющая втулка; 18 - фиксатор для крепления якоря 5 на стержне 20 клапана 1; 19 - клапанная головка; 20 - клапанный стержень
Такой газораспределительный клапан работает следующим образом. Когда на обмотку 14 открывающего электромагнита (13, 14) подается управляющее напряжение, якорь 5 под действием притяжения к магнитопроводу 13 опускается «вниз» и, сжимая нижнюю пружину 4, открывает клапан 1. При этом верхняя амортизирующая пружина 8 способствует открытию клапана, так как до этого она находилась в частично сжатом состоянии. При закрытии клапана управляющее напряжение подается на обмотку 6 закрывающего электромагнита (6, 7), а с обмотки 14 управляющее напряжение снимается. Якорь 5 отталкивается нижней сжатой амортизирующей пружиной 4 «вверх» и притягивается к магнитопроводу 7 закрывающего электромагнита. При этом клапан 1 закрывается, плотно прижимаясь клапанной головкой 19 к клапанной фаске 2. Несмыкающийся воздушный зазор 12 устанавливается при сборке клапана с помощью фиксаторов 18 таким образом, чтобы полное смыкание якоря 5 с магнитопроводом 7 не имело места, но чтобы зазор 12 имел предельно малый размер. Этим обеспечивается плотное прижатие клапанной головки к клапанной фаске с помощью закрывающего электромагнита. Пружина 8 при закрытии клапана и пружина 4 при его открытии работают на амортизацию жестких механических соударений. Амортизация происходит благодаря тому, что по мере сжатия пружин их упругость плавно возрастает, чем обеспечивается замедление скорости приближения клапана к краевым опорам в положении «открыто» и «закрыто». Упругость амортизирующих пружин 4 и 8 значительно ослаблена по сравнению с упругостью запорной возвратной пружины обычного механического клапана. Это позволяет понизить потребление электроэнергии из бортсети автомобиля, затрачиваемой на работу электромагнитного клапана, а также несколько уменьшить его габариты.
Основными недостатками описанного клапана являются три фактора.
1. На амортизацию соударений затрачивается некоторая часть тяготах усилий открывающего (13, 14) и закрывающего (6, 7) электромагнитов, что приводит к понижению коэффициента полезного действия (КПД) и недостаточному уменьшению габаритов электромагнитного привода газораспределительного клапана. Но при этом соударение клапанной головки с клапанной фаской ври движении клапана вверх (при закрытии) не устраняется.
2. В обесточенном состоянии обоих электромагнитов амортизирующие пружины 4 и 8, противодействуя друг другу, устанавливают якорь 5 в промежуточном положении между состояниями «открыто» и «закрыто». На реальном поршневом ДВС, в случае нарушения целостности (или выключения) электрической цепи управления электромагнитным клапаном, это особенно опасно, так как в таком случае может иметь место соударение поршня и клапана. Ясно, что эксплуатационная надежность такого газораспределительного клапана недостаточно высокая.
3. В случае применения вышеописанного клапана в качестве выпускного для поршневого ДВС реализовать управление скоростью перемещения и величиной хода клапана не представляется возможным.
Повышение КПД может быть достигнуто путем устранения конструкции клапана амортизирующих пружин 4 и 8 и их заменой упругими отбойниками, изготовленными из жесткой ударостойкой резины (или другого упругого и ударостойкого материала) и установленными на якоре (подвижной части) электромагнита таким образом, чтобы их соударение с торцами электромагнитов происходило непосредственно перед смыканием якоря.
В таком случае амортизация достигается не за счет сжатия амортизирующих пружин, а за счет гашения сил соударения в сплющивающихся отбойниках в самом конце движения якоря. Такая амортизация происходит без потери электроэнергии и, как следствие, КПД электромагнитного привода ГР-клапана увеличивается.
Повышение эксплуатационной надежности газораспределительного клапана с электромагнитным приводом может быть достигнуто путем установки на верхний торец клапанного стержня возвратной пружины, упругость которой значительно ослаблена.