Siłowniki zaworów rozrządu (zawory elektromagnetyczne)
Zmiana faz rozrządu wpływa istotnie na parametry procesu wymiany ładunku. Wcześniejsze
lub póz
niejsze otwieranie zaworów dolotowych silnika powoduje zmianę stopnia napełnienia
silnika. Wczesne otwarcie zaworu dolotowego (zaworów dolotowych) skutkuje zbyt małą
szczeliną zaworową w trakcie trwania procesu napełniania. Póz
ne otwarcie zaworu
dolotowego dopuszcza niekorzystne dla współczynnika napełnienia wypychanie ładunku z
cylindra do układu dolotowego. Optymalny kąt otwarcia zaworu z punktu widzenia
sprawności wolumetrycznej jest funkcją prędkości obrotowej. Zapewnienie możliwości
sterowania początkiem otwarcia zaworu dolotowego jest jednym z podstawowych celów idei
elektronicznego sterowania zaworami silnika.
Dużo korzystniejszym rozwiązaniem jest sterowanie nie tylko fazami rozrządu lecz przede
wszystkim sterowanie czasowym przebiegiem wzniosu zaworu. Zwiększenie współczynnika
napełnienia wiąże się ze zbliżeniem przebiegu wzniosu zaworu do przebiegu trapezowego
(przebieg prostokątny jest nieosiągalny ze względu na bezwładność masy zaworu).
Projektowanie prawa ruchu zaworu w klasycznych rozwiązaniach krzywkowych musi
uwzględniać wiele ograniczeń natury wytrzymałościowej.
Najważniejsza idea elektronicznego sterowania ruchem zaworów rozrządu związana jest z
możliwością bezprzepustnicowej regulacji napełniania. Ograniczając czas otwarcia oraz
maksymalny wznios zaworu dolotowego można sterować napełnianiem bez tłumienia
przepływu powietrza - rysunek poniżej.
Typowe profile wzniosu zaworów w wariancie sterowania napełnianiem poprzez
wcześniejsze zamykanie zaworu dolotowego
Sterując napełnianiem poprzez wcześniejsze zamykanie zaworu dolotowego zminimalizuje
się straty pneumatyczne, co prowadzi do zmniejszenia zużycia paliwa. Ponadto, dzięki
odpowiednim zmianom przebiegu wzniosu zaworu dolotowego i wylotowego w funkcji
obciążenia i prędkości można wpływać na przestrzenny rozkład mieszanki w cylindrze.
Badania wykonane w warunkach testu FTP wykazały, że użycie elektronicznego sterowania
siłownikami zaworów rozrządu spowodowało:
" zmniejszenie zużycia paliwa do 15%,
" zredukowanie emisji składników toksycznych (HC od 5% do 10% i NO x od 40% do
60%),
" znaczną redukcję emisji HC podczas rozruchu zimnego silnika i procesu rozgrzewania
silnika,
" zwiększenie współczynnika napełnienia,
" zwiększenie wartości momentu hamowania silnikiem,
" poprawę pracy silnika w stanach nieustalonych,
" zmniejszenie stabilnej prędkości obrotowej silnika na biegu jałowym.
Konstrukcja elektromagnetycznie sterowanego układu rozrządu pozbawiona jest wałka
rozrządu, dz
wigienek, popychaczy. Wyeliminowana jest również potrzeba stosowania zespołu
przepustnicy powietrza.
Programowane, elektromagnetyczne siłowniki zaworów wchodzą w skład systemu
nazywanego w skrócie VVA (ang. - Variable Valve Actuators). Spotykane są również inne
oznaczenia EVT (ang. - Electromechanical Valve Train ) stosowane przez firmę Siemens
Automotive Systems czy też EMV (ang. - Electro-Mechanical Valve) stosowany przez firmę
FEV.
Opatentowany przez firmę FEV system elektromechanicznego sterowania rozrządem EMV
pozwala na prawie dowolne manipulowanie zaworami dolotowymi i wylotowymi w głowicy
silnika. Elektromagnetycznie sterowany układ rozrządu składa się z dwóch elektromagnesów,
rdzenia połączonego z trzonkiem zaworu, zaworu silnikowego oraz dwóch sprężyn.
Elektromagnetyczny zawór wykonawczy (rysunek obok) funkcjonuje jako niezależny układ z
elektromagnetycznym podtrzymywaniem zaworów w dwóch granicznych pozycjach. Czas
potrzebny na otwarcie lub zamknięcie elektromechanicznego elementu wykonawczego
wynosi około 3 ms. Okres otwarcia zaworu może być prawie dowolnie regulowany.
Urządzenie działa w ten sposób, że w chwili gdy prąd elektryczny nie płynie przez uzwojenie
elektromagnesu, sprężyny utrzymują zawór nieco otwarty - rysunek poniżej. Przepływ prądu
przez górny elektromagnes powoduje zamknięcie zaworu. W celu pokonania oporów ruchu
oraz siły bezwładności zaworu i sprężyn konieczny jest krótkotrwały impuls prądu o dużej
wartości (rzędu kilkudziesięciu amperów). W stanie zamkniętym zawór można utrzymać
zasilając magnes prądem o niewielkim natężeniu. W celu całkowitego otwarcia zaworu
należy zasilić prądem dolny magnes. Zarówno czas trwania ruchu zaworu jak i prędkość
przesuwu nie są funkcją prędkości i obciążenia silnika.
Według danych projektantów, moc prądu elektrycznego konieczna do działania takiego
napędu zaworów jest mniejsza od mocy potrzebnej do napędu konwencjonalnego,
krzywkowego układu rozrządu. Wartość momentu obrotowego obciążającego alternator dla
16-zaworowego silnika, odniesiony do jednostkowego ciśnienia użytecznego pe zmienia się
od 0,015 do 0,019 MPa (przy założeniu 50% sprawności alternatora). Elektromagnetyczny
układ napędu zaworów zdolny jest do prawidłowego działania dla prędkości obrotowej silnika
przekraczającej 6000 obr/min.
Główne położenia elektromechanicznych zaworów firmy FEV
Opracowanie układów rozrządu z siłownikami zdolnymi do odpowiednio szybkiego
poruszania zaworami zależało od rozwoju materiałowego. Siłowniki elektromagnetyczne
zostały opatentowane na początku lat 70-tych. Szybki rozwój konstrukcji zapewniły sukcesy
w opracowaniu magnesów stałych charakteryzujących się zwiększoną gęstością magnetyczną.
Zredukowało to wartość prądu przytrzymywania zaworu w pełni zamkniętego lub otwartego.
Skutkiem redukcji prądu jest zmniejszenie mocy elektrycznej potrzebnej do napędu zaworów.
Zaprojektowane w oparciu o elektromagnetyczny napęd układy rozrządu o czterech zaworach
na cylinder charakteryzują się zwięzłą konstrukcja i spełniają wymagania stawiane
nowoczesnym konstrukcjom silnikowych.
Elektromechaniczne siłowniki firmy Siemens
W położeniu zamkniętego zaworu sprężyna A jest ściśnięta a sprężyna B rozciągnięta.
Magnes stały o promieniowym kierunku sił pola magnetycznego przytrzymuje zawór poprzez
generowanie niezbędnej siły w szczelinie powietrznej A. Zanik prądu płynącego w cewce A
skutkuje redukcją sił pola magnetycznego i przewagą siły sprężyny. Rozpoczyna się ruch
zaworu w kierunku przeciwległego położenia B. Po osiągnięciu położenia B stałe pole
magnetyczne przyciska sprężynę i utrzymuje zawór.
W przypadku siłownika zaworu wylotowego siła otwarcia zaworu musi pokonać siły naporu
ciśnienia gazu roboczego. Powoduje to konieczność zwiększenia o około 20% sztywności
sprężyny w stosunku do siłownika zaworu dolotowego, a tym samym zwiększenie rozmiarów
siłownika. Jednakże w celu unifikacji konstrukcji silnika często stosuje się identyczne
siłowniki.
Tablicy wymieniono najważniejsze parametry konstrukcyjne przykładowego siłownika firmy
Siemens.
Parametry konstrukcyjne siłownika zaworów
Wznios zaworu 8 mm
Masa ruchoma: 217 g
Zawór + układy zewnętrzne + trzpień sprężyny 33 g każda
Materiał magnesu Stop NdFeB
Siła pola magnetycznego w temperaturze 20� C 35 MGOe
Sztywność sprężyny 50 N/mm
Zewnętrzna średnica siłownika (łącznie z płaszczem 76 mm
chłodzącym)
Wysokość siłownika 75 mm
Chłodzenie siłowników jest zabezpieczane przez przepływ cieczy chłodzącej silnika. Główną
przyczyną konieczności chłodzenia siłowników jest przeciwdziałanie przegrzewaniu się
magnesów, tak aby temperatura ich elementów nie przekraczała punktu Curie tzn.
temperatury, przy której zanikają własności ferromagnetyczne. Z tego też powodu istnieje
ciągła tendencja do zmniejszania wartości prądu przepływającego przez cewki. Wzrost
temperatury magnesów wywołuje zmniejszenie siły magnetycznej. Rysunek poniżej pokazuje
przebiegi czasowe prądu i wzniosu zaworu.
Oscylogram prądu i wzniosu zaworu