ANALIZA SPOSOBOW ELEKTROMAGNETYCZNEGO NAPF;DZANIA ZAWOROW ROZRZi\DU TLOKOWEGO SILNlKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 Journal of Kones. Combustion Engines, VoIB, No 3-4, 001 ANALIZA SPOSOBOW ELEKTROMAGNETYCZNEGO NAPF;DZANIA ZAWOROW ROZRZi\DU TLOKOWEGO SILNlKA SPALINOWEGO Zbigniew Kossowski Osrodek Badawczo Rozwojowy CENARO w Lodzi Jan Aleksander Wajand Krzysztof Zbierski Politechnika Lodzka Streszczenie. W dotychczasowych konwencjonalnych ukladach rozrzadu sila konieczna do otwierania i zamykania zaworu wytwarzana jest przez krzywke wain rozrzadu oraz sprezyne zaworowa, Mozliwe sa jednak inne rozwiazania, w ktorych sila ta bedzie wytwarzana przez pole elektromagnetyczne, silnik e1ektryczny lub ciecz. W artykule dokonano ana1izy sposobow wytwarzania tej sily napcdzajacej zawory rozrzadu za pomoca pola elektrornagnetycznego i silnik6w elektrycznych. Analizowane sposoby oparte sa na koncepcjach wlasnych oraz zaczerpnietych z literatury. Konccpcjc te oceniono pod katem wielkosci mozliwej do uzyskania sily elektrornagnetycznej, predkosci dzialania zaworu, a takze problemow konstrukcyjnych i regulacyjnych jakie moglyby wystapicw przypadku realizacji danego sposobu. 1. Rodzaje mezliwych napedow zaworow Ponizej opisano rozne, mozliwe sposoby napedzania zaworow tlokowego silnika spalinowego wykorzystujace do tego celu pole elektromagnetyczne i silniki elektryczne. Omawiajac poszczegolne napedy posluzono sie ich ideowymi schematami. Poniewaz widoczna jest od pewnego czasu wyraina tendencja zastosowania takich napedow w przyszlosci [1, 6, 7), stad podjeta proba przedstawionej analizy. Starano sie w niej uwzglednic mozliwie wszystkie sposoby wspomnianych napedow, aby na ich tie mozna bylo wskazac najbardziej prawdopodobne do przyszlosciowego zastosowania. Prawdopodobne, bo nie mozna tu arbitralnie wymienic najlepszego rozwiazania, gdyz w wielu przypadkach istotnym czynnikiem decydujacyrn 0 ewentualnym zastosowaniu, nawet mniej atrakcyjnego sposobu, bedzie wysoka technologia wykonania elementow napedu. Nap~d elektromagnetyczno - magnetyczny Idea napedu elektromagnetyczno - magnetycznego przedstawiona jest na rysunku I. SiI~ konieczna do napedu zaworow wytwarzaja elektromagnesy w polaczeniu z magnesem. Czescia ruchoma polaczona z zaworem jest magnes staly, Cz~sc nieruchoma stanowia dwa elektromagnesy. Przeplyw pradu przez uzwojenie bedzie powodowal, w zaleznosci od jego kierunku wytworzenie w obwodzie magnetycznym pola zgodnego z polem magnesu w dolnej czesci a przeciwnego w gornej czesci, lub przy przeciwnym kierunku pradu zgodnego w gornej czesci a przeciwnego w dolnej. Spowoduje to, ze w pierwszym przypadku magnes ustawi sie w pozycji dolnej, a w drugim w gornej, Po przestawieniu magnesu i polaczonego z nim zaworu nie jest konieczne dalsze zasilanie cewek, gdyz sila utrzymujaca magnes w danej pozycji jest wytwarzana przez pole magnesu. Energia elektryczna potrzebna jest tylko do przestawiania magnesu i zaworu z 354

2 jednej pozycji w druga Zasilanie cewek elektromagnesu bedzie impulsowe, najpierw zasilana bedzie cewka odpychajaca a nastepnie przyciagajaca. 3 N t +<=:::::t-...+ Rucb magnesu w dol Ruch magnesu w g6r~ Rys.i. idea dzialania napedu elektromagnetyczno-magnetycznego i- elektromagnes gomy, - magnes staly, 3- elektromagnes dolny Podstawowe cechy rozwiazania to: duza sila na poczatku skoku, duza sila na koncu skoku, duza zmiennosc sily w zaleznosci od polozenia magnesu, uklad dwustanowy - w kazdym z krancowych polozen mozna wylaczyc zasilanie elektromagnesu, a rdzenpozostaie w tej pozycji, brak automatycznego powrotu zaworu do pozycji zamknietej przy zaniku zasilania, prawdopodobnie dose duza szybkosc dzialania, ograniczony skok, brak regulacji skoku zaworu, "twarde osiadanie", trudnosci polaczenia magnesu z zaworem. Ze wzgledu na duza kruchosc materialow, z ktorych zbudowane sit magnesy stale, konieczne jest takie mocowanie magnesu by zapewnic zarowno trwale jego polaczenie z zaworem, jak i zabezpieczyc go przed bezposrednim uderzeniem np. w powierzchnie elektromagnesu. Powaznym problemem moga bye tez sily oddzialujace na polaczenie magnesu z trzonkiem zaworu w chwili osiadania zaworu w gniezdzie tzw. "twarde osiadanie". Sily te moga bye znacznie wieksze od sil "roboczych" koniecznych do przelaczania zaworu. Na rysunku przedstawione Sit rozne odmiany napedow elektromagnetyczno-magnetycznych. Zawor powinien bye niemagnetyczny, aby nie nastepowalo rozpraszanie pola magnetycznego w sposob niekontrolowany. 355

3 a b,1»<:, ~ _----/".J.,.-.1.._-4 5'.~----- '-"" "" Rys.. Odmianynapedow elektromagnetyczno - magnetycznycb a - naped z magnesem walcowym przyklejonym do zaworn. b - napedz magnesem cylindrycznym polqczonym mechanicznie z zaworem, c - napedz magnesamiprostokqtnymi i obejmalqczqcazawor 1 - rdzen, - uzwojenie gome, 3 - magnes, 4 - uzwojenie dolne, 5 - obejma lqczqca magnesz zaworem. 6 -zawor Nap~d elektromagnetyczny W napedzie elektromagnetyeznym sily konieezne do napedu zawor6w wytwarzaja elektromagnesy i sprezyny, Zwora elektromagnesu polaczona z zaworem powoduje rueh zaworu. Moi:liwe s~ dwa rozwiazania, z jednym i dwoma elektromagnesami. Idee tyeh rozwiazan przedstawione sa na rysunku 3. W pierwszym rozwiazaniu elektromagnes wytwarza sill< otwierajaca zaw6r, a sprezyna zamykajaca, W drugim sa dwa elektromagnesy wytwarzajace sily w obu kierunkaeh i sa wspomagane sa przez dwie sprezyny przeeiwsobne, ustalajace neutralne polozenie zaworu w polowie skoku calkowitego, Z raeji udzialu sprezyn w napedzaniu zaworem, naped ten moze rowniez nosic nazwe elektromeehanieznego lub hybrydowego, jesli za podstawe nazewnietwa wziac polaczone ze soba dwa rodzaje napedow, a mianowieie elektromagnetyezny i meehaniezny za pomoca sprezyn. Imm=L, ~~ Rys. 3. Naped elektromagnetyczny a - z jednym elektromagnesem, b" z dwoma elektromagnesami, 1 - sprezyna, - rdzen, 3 - uzwojenie, 4 - zwora, 5 - zawor, 6 - kanal zaworn 356

4 Podstawowe cechy rozwiazania z jednym elektromagnesem to: prosta konstrukcja, mala sila na poczatku skoku - zwora maksymalnie oddalona, zawor w stanie zamknietyrn, utrzymanie zaworu w pozycji otwartej wymaga rnniejszego pradu nit jego przelaczenie, ograniczony skok zwory a zatem i zaworu, przy braku zasilania zawor zostaje sprowadzony do pozycj i zamknietej wymaga zastosowania rnaterialow magnetycznych 0 duzych indukcjach nasycenia i malych stratach. Podstawowe cechy rozwiazania z dwoma elektromagnesami to: duza sila w calym zakresie pracy, zaleznosc sily od polozenia zwory (zaworu), utrzymanie zaworu w pozycji roboczej (zarnknietej lub otwartej) wymaga zasilania jednego z elektromagnesow, przy braku zasilania zawor zostaje sprowadzony do pozycji neutralnej w polowie skoku. Przelaczenie zaworu z jednej pozycji roboczej do drugiej wymaga nastepujacych faz: 1. wytaczenie zasilania cewki,. odepchniecie zwory (zaworu) przez sprezyne w pozycje neutralna, 3. zalaczenie zasilania drugiej cewki, 4. przyciagniecie zwory przez drugi elektromagnes. Fazy te moga na siebie czesciowo zachodzic, D1a zapewnienia odpowiednio duzej predkosci dzialania, wymagana jest mozliwosc osiagniecia duzych wartosci pola magnetycznego i szybkiej jego zmiany. Z tego wynika koniecznosc zastosowania materialow magnetycznych 0 duzych indukcjach nasycenia i malej histerezie. Konstrukcyjnie nalezy tez zminimalizowac wplyw pradow wirowych. Wlasciwosci takie mozna uzyskac stosujac odpowiednie spieki ferromagnetyczne, lub budujac obwod magnetyczny z cienkich blach transformatorowych. Im lepsze wlasciwosci zastosowanych materialow tym krotsze beda czasy zadzialania zaworu, jak tez i straty mocy w obwodzie magnetycznym i uzwojeniu. Zmniejszy sie zatem konieczna do sterowania moe, Jak przedstawiono w [1, 6, 7] zostal juz wykonany i zbadany prototypowy uklad rozrzadu z takimi napedarni. Nie podano jednak wynikow badan, ktore pozwolily by na zorientowanie sie w osiaganych parametrach. Do sterowania pradem cewek, tak by zapewnic lagodne osadzanie zaworu w gnieidzie ("mi~kkie osiadanie"), zastosowane zostaly mikroprocesory. A1gorytmy sterowania nie sa blizej opisane, a jedynie przedstawiono podstawowe zalozenia oraz wielkosci uwzgledniane przy ich tworzeniu. Naped elektrornagnetyczny przycillgajllco - odpychajllcy Idea napedu przedstawiona jest na rysunku 4. Jest ona zblizona do rozwiazania elektromagnetyczno - magnetycznego przedstawionego na rysunku 1 z tyrn, ze zamiast magnesu stalego zastosowane sa elektromagnesy. Naped sklada sie z czterech elektrornagnesow polaczonych w dwie pary. Kazda z par moze w zaleznosci od kierunku pradu przyciagac lub odpychac sie, Rdzenie 1 i 7 sa nieruchome, natomiast rdzen 4 jest ruchomy (mozliwa jest konfiguracja odwrotna - rdzen 4 - nieruchomy, 1 i 7 - ruchome). Gdy cewki i 3 zasilane sa w kierunkach przeciwnych, a 5 i 6 zgodnie, to rdzenie 1 i 4 odpychaja sie, a 4 i 7 przyciageja sie. Spowoduje to ruch rdzenia 4 w dol i otwarcie zaworu. Gdy cewki i 3 zasilane sa w kierunku zgodnym, a 5 i 6 przeciwnie, to rdzenie 1 i 357

5 4 przyciagaja sie, a 4 i 7 odpychaja sie, Spowoduje to ruch rdzenia 4 w gore i zarnkniecie zaworu Rys. 4. Naped elektromagnetyczny przyciqgajqco - odpychajqcy 1, 7 - rdzenie nieruchome, 4 - rdzenie ruchome,, 3, 5, 6 ~ cewki elektromagnesow, 8-zawor Podstawowe cechy napedu to: staly i ograniczony skok, duza sila na poczatku skoku, duza sila na koncu skoku, duza zmiennosc sily w zaleznosci od polozenia ruchomej cewki, w kazdym z kraitcowych polozen, dla utrzymania ruchomej cewki w danej pozycji konieczne jest zasilanie niewielkim pradem cewek dzialajacych na przyciaganie, brak automatycznego powrotu zaworu do pozycji zamknietej przy zaniku zasilania. Zastosowanie dodatkowej sprezyny 0 niewielkiej sile moze zapewnic powrot do pozycji zamknietej, odpowiednio szybkie sterowanie pradem cewek mote zapewnic "mifilkkie osiadanie" w pozycjach koncowych, problemy konstrukcyjne z doprowadzeniem pradu do ruchomych cewek. Naped magnetoelektryczny Nieruchomy magnes lub cewka wytwarzaja pole miedzy zewnetrznym i wewnetrznym cylindrem. Pole to moze bye polem stalym. W tym polu umieszczona jest ruchoma cewka zwiazana z zaworem. Przeplyw pradu przez cewke ruchorna wytwarza silfil elektromagnetyczna, Sila ta jest wykorzystywana do napedu zaworu. Zmiana natezenia pradu powoduje zmiane sily. Zrniana kierunku pradu powoduje zmiane zwrotu sily. Rozwazane sa nastepujace rozwiazania napedu przedstawione na rysunku 5. Rozwiazanie Sa. Uzwojenie stale umieszczone w rdzeniu wytwarza pole magnetyczne w szczelinie. Cewka ruchoma, polaczona z zaworem, umieszczona jest w szczelinie. Uzwojenie ruchomej cewki podzielone jest na dwie czesci - czfilse umieszczona w gornyrn odcinku szczeliny i czfilse urnieszczona w dolnym odcinku szczeliny. Przeplywy pradow w obu czesciach musza bye przeciwne, tak aby generowane sily elektromagnetyczne mialy jednakowe zwroty w obu czesciach, 358

6 Rozwiazanie 5b. Zasada dzialania i budowa sit analogiczne jak w rozwiazaniu Sa z tym, ze uzwojenie stale znajduje sie na zewnatrz ruchomej cewki. Rozwiazanie 5c. Zasada dzialania i budowa sit analogiczne jak w rozwiazaniu Sa z tym, ze brak jest uzwojenia stalego, a na jego miejsce wprowadzony jest magnes staly. W rozwiazaniu takim nie potrzeba energii e1ektrycznej do wytworzenia stalego pola magnetycznego w szczelinie. Rozwiazanie 5d. Zasada dzialania i budowa sit analogiczne jak w rozwiazaniu 5b z tym, ze w miejscu uzwojen stalych znajduja sie magnesy stale.!! ilar====i=::i8j:::::}..':a-5 ;=:=::l=:::::; ~-+--7 b :n-~-4 ~-7 1 JU--4 J._-5 1 c _-r _+--6 d _ J a..--3,--6 1 Rys. 5. Rozwiqzania napedu magnetoelektrycznego a - z uzwojeniem stalym wewnetrznym, b - z uzwojeniem stalym zewnetrznym c - z magnesemstalym wewnetrznym, d - z magnesem stalym zewnetrznym 1 - zawar, - ruchoma cewka, 3 - magnesstaly, 4 - uzwojenie stale, 5,6, 7- rdzenie Podstawowe cechy napedu z ruchoma cewka to: koniecznosc przeniesienie sily z karkasu na zawor, koniecznosc doprowadzenia pradu do ruchomej cewki, ruchoma cewka wymaga chlodzenia dla odprowadzenia od niej ciepla, sib rozwijana przez naped jest prawie niezalezna od polozenia cewki ruchomej (a wiec i zaworu), zmiane kierunku sily uzyskuje sie przez zrniane kierunku przeplywu pradu w cewce ruchomej, cewka nieruchoma wytwarzajaca stale pole magnetyczne musi bye zasilana caly czas, cewka nieruchoma moze bye zastapiona przez odpowiednio silny magnes, i nie bedzie wtedy koniecznosci jej zasilania, sila jest generowana przez cewke ruchoma bez opoznien w stosunku do pradu, 359

7 istnieje mozliwosc wyhamowania zaworu tuz przed uderzeniem w gniazdo poprzez chwilowe podanie odwrotnego napiecia na cewke ruchoma w koncowej fazie jej ruchu, w pozycjach roboczych (koncowych) cewka nie musi bye praktycznie zasilana. wyrnaga wykonania niemagnetycznego i nieprzewodzacego karkasu 0 malej grubosci scianek wynoszacej 0,5 - Imm. Naped silnikiem elektrycznym W tym sposobie silnik napedza przekladnie, a ta powoduje przesuw zaworu. Zmiane czasu otwarcia zaworu uzyskuje sie przez regulacje predkosci i / lub kierunku obrotow silnika. Moga tu bye dwa rozwiazania a mianowicie: naped przez przekladnie srubowa lub zebata, naped przez przekladnie mimosrodowa lub korbowa, Idea pierwszego napedu przedstawiona jest na rysunku 6 t Rys 6. Idea napedu z silnikiem elekirycznym i przekladniq srubowq. 1 - silnik elektryczny, - przekiadniasrubowa, 3 - zaw6r Podstawowe cechy napedu z przekladnia srubowa lub zebata to: zmiane kierunku ruchu zaworu uzyskuje sie przez zrniane kierunku obrotow silnika, uklad wzglednie powolny - pelen cykl pracy sklada sie z nastepujacych czterech faz. 1. silnik obraca sie w jedna strone powodujac wykrecanie sruby zwiazanej z zaworem i otwieranie zaworu,. silnik zatrzymany - zawor w pozycji otwartej, 3. silnik obraca sie w przeciwna strone powodujac wkrecanie sruby zwiazanej z zaworem i zamykanie zaworu, 4. silnik zatrzymany - zawor w pozycji zamknietej. 360

8 mozliwa realizacja dowolnego skoku, stala sila napedowa niezaleznie od polozenia zaworu, nie wymaga zasilania w pozycjach ustalonych (w stanie zamknietyrn i otwartym), przy braku zasilania zawor nie jest sprowadzany do pozycji zamknietej (bezpiecznej). To rozwiazanie ze wzgledu na swoje cechy moze miec zastosowanie tylko w silnikach wolnoobrotowych. Idea drugiego napedu przedstawionajest na rysunku 7. Podstawowe cechy napedu z przekladnia korbowa lub mimosrodowa to: dla realizacji pelnego cykju nie jest wymagana zmiana kierunku obrotow, ani nawet calkowite zatrzymanie silnika, zmiane czasu realizacji poszczegolnych faz mozna uzyskac przez modulacje predkosci silnika w poszczeg61nych fazach, rozwiazanie jest szybsze od przedstawionego na rysunku 6, staly skok zaworu, nie wymaga zasilania w pozycjach ustalonych (w stanie zamknietym i otwartym), przy braku zasilania zawor nie jest sprowadzany do pozycji zamknietej (bezpiecznej). Rozwiazanie to jest koncepcyjnie najblizsze konwencjonalnemu, krzywkowemu ukladowi rozrzadu, daje jednak mozliwosc swobodnego sterowania fazami rozrzadu, I ] t 3 Rys.7. Idea napeduz silnikiem elekirycznym i przekiadntq korbowa J - stlnik elektryczny, - przekladniakorbowa, 3 - zaw6r. poz. A - zawor zamkniety, poz..a-b- otwieranie zaworu, poz. B - zaw6r otwarty, poz. B-A- zamykanie zaworu 361

9 3. Podsumowanie Sposrod opisanych napedow realizowane sa w chwili obecnej: naped wedlug schematu przedstawionego na rysunku 3b przez niemieckie i amerykanskie firmy, oraz naped wedlug schematu przedstawionego na rysunku Sd przez autor6w w Katedrze Cieplnych Maszyn Tlokowych Filii Politechniki L6dzkiej w Bielsku - Bialej, w ramach projektu badawczego Nr 9Tl D finansowanego przez Komitet BadanNaukowych. o wyborze napedu magnetoelektrycznego przedstawionego na rysunku 5d zadecydowaly nastepujace powody: 1. wstepne pomiary wskazujace na mozliwosc uzyskania wymaganej sily elektromagnetycznej,. niezaleznosc generowanej sily od polozenia cewki, 3. generowana sit zalezy praktycznie tylko od wartosci pradu w cewce, 4. mozliwosc wygenerowania sily w obu kierunkach, S. wynikajaca z punkt6w - 41atwosc sterowania, 6. oryginalnosc rozwiazania, 7. dostepnosc material6w koniecznych do jego budowy. Nie oznacza bynajmniej, ze realizowany naped przez autor6w jest lepszy od rozwiazania wedlug rysunku 3a. Jest on natomiast inny i posiada, jak wynika z opisu i wyszczeg61nionych powod6w, pewne zalety jakich nie rna naped elektromechaniczny. Literatura 1. Backhaus R., Beckman K: Motoren und Komponenten - Elektromechanischer Ventiltrieb von Siemens. Motortechnische Zeitschrift Kossowski Zb., Wajand J. A., Zbierski K: Uklad napedu zaworow tlokowego silnika spalinowego Kossowski Zb., Wajand JA., Zbierski K: Bezkrzywkowe napedzanie zawor6w rozrzadu tlokowego silnika spalinowego Journal ofkones Internal Combustion Engines. Kones 000, Naleczow Kossowski Zb.: Badania ruchu zaworu rozrzadu wymuszanego elektromagnetycznie. Praca doktorska, Politechnika L6dzka Filia w Bielsku-Bialej Katedra Cieplnych Maszyn Tlokowych. Bielsko-Biala 001r. 5. Salber W., Kemper H., Van der Staay F., Esch T.: Der elektromechanische Ventiltrieb - Systembaustein fur zukiinftige Antriebskonzepte. MTl Motortechnische Zeitschrift. Teill, Teil 000/1 i Valkenburgh P.: Technology update - Electric valves. Aura Systems, Inc.: Road & Track EVA Article / Volker F., Schulz & Wiliam E. Seitz.: Gently does it. Engine technology international, Venture Scientifics, LLC, USA

10 PISTON COMBUSTION ENGINE ELECTROMAGNETIC VALVE DRIVING SYSTEMS ANALYSIS SU1/UltfJl')l. In existing conventional camshaft drives, forces required to open and close valve are generated both by cam and valve spring. Other solutions in which this forces are generated by means of electromagnetic field, electric engine or hydraulic medium are also possible. Some 01 them using electromagnetic field or electric engine were analysed in this lecture. Analysed solutions were based on authors or taken from bibliography ideas. This ideas were estimated taking into consideration such properties as obtained forces, action times, construction and control problems thatwill probably arise during its realisation. 363