Однако на пути воплощения такой идеи стоит ряд проблем, основная из которых — разработка конструкции электромагнитного клапана, способного длительно и штатно (нормально) работать в специфических условиях газораспределительного механизма. В направлении создания газораспределительных клапанов ДВС с прямым электромагнитным приводом, в котором силовой электромагнит воздействует непосредственно на стержень клапана, работают многие зарубежные фирмы и ряд российских автозаводов. Но конструкций, пригодных для внедрения в серийное производство, пока нет. Этому есть ряд причин, и главная — это неприемлемо большие габаритные размеры силовых тяговых электромагнитов, громоздкость и шумность срабатывания которых обусловлена необходимостью получения достаточно большой тяговой силы при ограниченном токе потребления. Приходится наматывать большое число витков, чтобы обеспечить катушке электромагнита требуемую намагничивающую силу при малом токе. Но, как известно, это приводит к образованию значительной индуктивности катушки, а значит, к ограничению скорости срабатывания электромагнита. Стремление повысить быстродействие понижением индуктивности за счет уменьшения числа витков приводит к необходимости пропорционального увеличения тока управления электромагнитом и, как следствие, — к излишнему расходу электроэнергии на работу электромагнитного клапана. Разработчики полагают, что компромисс может быть найден с применением специальных конструкций магнитопроводных цепей в электромагнитном клапане, созданных на основе новейших высокоэффективных ферромагнитных материалов. Нет сомнения в том, что в ближайшие годы начнут широко внедряться системы электронного управления процессами газораспределения в автомобильных поршневых ДВС с использованием электромагнитных клапанов. На это указывает увеличение числа публикаций, вышедших в последнее время, по электронному управлению клапанами.
В данной главе описаны принципы действия и устройства газораспределительных электромагнитных клапанов, сведения о которых опубликованы в научно-технической и патентной литературе.
Механические клапаны
Широко известны впускные и выпускные клапаны механического принципа действия, которые открываются толкающими усилиями кулачков распределительного вала, а закрываются под воздействием возвратной запорной пружины [37]. Такие клапаны называются механическими и, помимо возвратной запорной пружины, обязательно содержат в своем составе собственно клапан, состоящий из клапанной головки и клапанного стержня, гнездо с посадочной фаской для клапанной головки и направляющую втулку для клапанного стержня.
Основные преимущества механических клапанов:
- простота конструктивной реализации и компактность газораспределительного механизма (далее ГРМ), выполненного с применением механических клапанов;
- функциональная надежность ГРМ с механическими клапанами;
- минимальный уровень ударных вибраций в ГРМ с механическими клапанами и, как следствие, бесшумность его работы.
Основной недостаток механического клапана — его управление от кулачка распределительного вала, когда распредвал кинематически постоянно (жестко) связан с коленчатым валом двигателя. Такая связь не позволяет создавать поршневые двигатели с программным управлением процессами газораспределения от электронной автоматики, что препятствует дальнейшему их (двигателей) совершенствованию.
Электромагнитные клапаны
Наиболее перспективным для работы в ГРМ с управлением от электронной автоматики является клапан с непосредственным электромагнитным приводом (рис. 9.1), который (клапан) открывается электромагнитом 8, 9, 10 при подаче на него управляющего электрического сигнала, а закрывается возвратной пружиной 1.
Рис. 9.1. Электромагнитный клапан
Основное преимущество электроклапана — работа в ГРМ без распределительного вала с управлением от электронной автоматики.
При подаче постоянного управляющего напряжения на обмотку 9 электромагнита его магнитопровод, состоящий из неподвижного ярма 8 и магнитопроводящей шайбы (подвижного якоря) 10, смыкается и магнитопроводяшая шайба 10 своим ходом «вниз» толкает клапанный стержень 3, тем самым открывая запорный узел 2, 4 клапана. После прекращения действия постоянного управляющего напряжения ток в обмотке 9 электромагнита прерывается, магнитное поле в магнитопроводе 8, 10 исчезает, магнитопроводящая шайба 10 под действием возвратной пружины 1 поднимается «вверх» и запорный узел 2, 4 электроклапана закрывается.
Электромагнитный клапан обладает тремя существенными недостатками:
- для преодоления усилия возвратной запорной пружины 1 электромагнит 8, 9, 10 должен обладать значительной тяговой силой, что делает его габаритные размеры и индуктивность недопустимо большими, а потребление энергии от бортсети автомобиля — значительным;
- при резком падении величины постоянного управляющего напряжения, например при пуске двигателя в холодное зимнее время, электромагнит 8, 9, 10 может не преодолеть возвратного усилия запорной пружины 1 и тогда клапан останется закрытым;
- при открытии и закрытии электроклапана имеют место громкие щелчковые соударения: при открывании — магнитопроводящей шайбы (якоря) 10 об ярмо 8, при закрывании — клапанной головки 2 о посадочную фаску 4. Как следствие, работа электроклапана сопровождается значительным шумом.
Устранение указанных недостатков электромагнитного клапана возможно путем уменьшения его габаритных размеров, повышения надежности и понижения шумности срабатывания, а также путем автоматизации управления, рабочими процессами с применением электронной автоматики.
Выводы
I. Основной недостаток механических клапанов с приводом от распределительного вала — их жесткая кинематическая связь с коленчатым валом. Это не позволяет создавать поршневые двигатели с гибким (адаптивным) программным управлением процессами газораспределения от электронной автоматики, что препятствует дальнейшему их (двигателей) совершенствованию.
2. Основное преимущество газораспределительных клапанов с прямым приводом от тяговых электромагнитов — это работа без распределительного вала с управлением от электронной автоматики.
3. За период с конца 50-х годов XX века по настоящее время зарегистрировано более ста патентов на изобретение газораспределительных клапанов с прямым приводом от силовых тяговых электромагнитов. Наиболее активно в этом направлении работают немецкие автомобилестроительные фирмы.
4. Аналитический обзор известных конструкций электромагнитных клапанов, их описаний в патентной, рекламной и другой научно-технической литературе, указывает на то, что пока нет практически реализованных разработок. Теоретические исследования и методики инженерных расчетов из собраний «KNOW-HOW» не публикуются.
5. Общей конструктивной особенностью подавляющего большинства известных электромагнитных клапанов является применение в них тяговых силовых смыкающихся электромагнитов, основные недостатки которых — громоздкость, инерционность и значительные акустические шумы. Вес известные изобретения направлены на устранение этих недостатков.
6. Резкое увеличение числа научно-технических и патентных публикаций в зарубежных источниках за последнее 3—4 года по новейшим разработкам электромагнитных газораспределительных клапанов говорит о скором внедрении таких клапанов в серийные ГРМ автомобильных двигателей внутреннего сгорания.