Stanowisko dydaktyczne do analizy funkcjonowania nowoczesnych układów rozrządu silników spalinowych

Transkrypt

1 WIERZBICKI Sławomir 1 KRZYSIAK Zbigniew 2 KORDOS Paweł 3 Stanowisko dydaktyczne do analizy funkcjonowania nowoczesnych układów rozrządu silników spalinowych WSTĘP W ostatnich latach obserwuje się gwałtowny rozwój konstrukcji silników spalinowych. Spowodowane jest to przede wszystkim wprowadzaniem elektronicznego sterowania poszczególnymi układami silnika. Jedną z przyczyn tak gwałtownego rozwoju konstrukcji silników spalinowych jest coraz większa świadomość społeczna szkodliwego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne i związane z tym ciągle zaostrzające się normy określające dopuszczalne limity emisji związków toksycznych do atmosfery. Stosowanie układów elektronicznych umożliwia zwiększenie precyzji sterowania poszczególnymi elementami tych układów, co pozwala zwiększyć efektywność pracy silników. Pozwala to na budowanie stosunkowo małych i wydajnych jednostek napędowych zapewniających odpowiednią dynamikę pojazdu, przy małym zużyciu paliwa i spełnieniu rygorystycznych norm odnośnie emisji związków toksycznych. Jednym z aktualnych trendów w konstrukcji silników spalinowych jest downsizing polegający na projektowaniu relatywnie małych wysilonych jednostek napędowych. Uzyskanie odpowiednio wysokiej mocy z silnika o małej objętości skokowej możliwe jest poprzez poprawę napełniania cylindra mieszanką paliwowo-powietrzną (w silnikach o zapłonie iskrowym) lub powietrzem w przypadku silników o zapłonie samoczynnym lub silnikach o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim. W celu poprawy napełnienia cylindra świeżym ładunkiem obecnie powszechnie stosuje się złożone układy doładowania oraz układy sterowania fazami rozrządu. Rozwiązania te z jednej strony komplikują budowę silnika z drugiej zaś poprawiają jego osiągi pozwalając spełnić wymagania stawiane współczesnym pojazdom. Wprowadzanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych w silnikach wymaga modyfikacji treści nauczania w programach kształcenia inżynierów oraz modyfikacji bazy laboratoryjnej pozwalającej zapoznać się przyszłym inżynierom z najnowszymi rozwiązaniami konstrukcyjnym. W artykule opisano budowę stanowiska laboratoryjnego umożliwiającego rejestrację faz rozrządu i wzniosu zawór wraz z możliwością regulacji wzniosu zaworu oraz faz rozrządu. 1 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE WSPÓŁCZESNYCH UKŁADÓW ROZRZĄDU Konstrukcja układu rozrządu czterosuwowych silników spalinowych przez długi okres czasu praktycznie nie ulegała zmianie. Prowadzone w tym czasie badania dotyczyły przede wszystkim doboru materiałów na poszczególne elementy układu oraz na zwiększenia niezawodności całego układu, ze szczególnym uwzględnieniem elementów przeniesienia napędu z wału korbowego na wałek rozrządu. Zaostrzające się normy odnośnie emisji związków toksycznych oraz dążenie do zwiększenia efektywności ich pracy wymusiło poszukiwanie efektywnych metod poprawy pracy silników. Jednym ze sposobów poprawy efektywności silnika jest sterowanie pracą układu rozrządu. W klasycznym rozwiązaniu układu rozrządu wał korbowy jest na stałe sprzęgnięty z wałkiem rozrządu najczęściej za 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Olsztyn, ul. Oczapowskiego 11, Tel: ; Fax: , slawekw@uwm.edu.pl 2 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Inżynierii Mechanicznej i Automatyki, ul. Głęboka 28, Lublin, zbigniew.krzysiak@wp.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, p.kordos@pollub.pl 11038

2 pomocą przekładni łańcuchowej lub przekładni z paskiem zębatym. Takie rozwiązanie napędu zaworów sprawia, iż zawory niezależnie od warunków pracy silnika otwierają się i zamykają zawsze w określonym położeniu wału korbowego. Moment otwarcia/zamknięcia zaworu w takim rozwiązaniu zdeterminowany jest kształtem krzywki sterującej zaworem oraz ustawieniem wałka rozrządu względem wału korbowego [1, 2, 4]. Z uwagi, iż silniki w pojazdach pracują w dość szerokim zakresie prędkości obrotowych jak i obciążeń, a proces napełniania cylindra ma decydujący wpływ na przebieg spalania i wywiązywania się ciepła pożądane jest sterowanie otwieraniem zaworów. Sterowanie otwarciem zaworów ma na celu nie tylko poprawę napełniania cylindrów zwłaszcza przy większych prędkościach i obciążeniach silnika, ale również zapewnienie odpowiedniej dynamiki mieszanki w komorze przy mniejszych prędkościach obrotowych silnika. Ze względu na charakter pracy zaworów możliwe jest sterowanie dwoma podstawowymi parametrami [2, 3, 5]: sterowanie wzniosem zaworów w takim rozwiązaniu zmianie ulega stopień otwarcia zaworu (zawór wydechowy rys. 1); sterowanie fazą otwarcia zaworu przy takim rozwiązaniu zmienia się moment otwarcia i zamknięcia zaworu względem położenia wału korbowego (zawór dolotowy rys. 1). Rys. 1. Przykładowy przebieg wzniosu zaworów dla układu rozrządu posiadającego zmienny wznios zaworu wydechowego oraz zmienne fazy rozrządu zaworu dolotowego W obecnie produkowanych silnikach spotyka się wiele rozwiązań konstrukcyjnych pozwalających na zmianę zarówno wzniosu zaworów jak i faz rozrządu. Rozwiązania te różnią się zastosowanymi konstrukcjami i możliwościami regulacji (regulacja płynna lub skokowa). Wśród rozwiązań umożliwiających zmianę wzniosu zaworów dominują rozwiązania posiadające zestaw 2-3 krzywek o różnych zarysach. W trakcie pracy w zależności od warunków napęd na zawór odbierany jest z różnych krzywek, co umożliwia skokową zmianę wzniosu zaworu (rys. 2, 3). Znane są też rozwiązania umożliwiające płynną regulacje wzniosu zaworów np. rozwiązanie firmy BMW w którym dzięki możliwości zmiany punktu podparcia dźwigienki zaworowej uzyskano płynną regulacje wzniosu zaworów, umożliwia to dławienie przepływu powietrza i wyeliminowanie przepustnicy z kolektora ssącego [2, 3, 4]. Rozwiązania układów z zmiennymi fazami rozrządu najczęściej sprowadzają się do umieszczenia w układzie przekazywania napędu elementów umożliwiających obrót wałka rozrządu z krzywkami względem wału korbowego (rys. 4, 5) [2, 3]. Znane są też bardziej złożone rozwiązania układów rozrządu, przykładowo firma Fiat w opracowanym systemie MultiAir zastosowała elektro-hydrauliczny układ sterowania zaworami 11039

3 ssącymi, pozwalający na szeroki zakres sterowania otwarciem zaworu uniezależniony od kształtu krzywki [8]. Opracowane są też układy rozrządu bezkrzywkowe, w których do napędu zaworów wykorzystano układy hydrauliczne bądź elektromagnetyczne. Rozwiązania te jednak obecnie nie są jeszcze stosowane powszechnie [1, 3]. Rys. 2. System zmiany skoku zaworów Audi Valvelift [6]: 1-wałek rozrządu, 2-tuleja przesuwna, 3- krzywki, 4-zawory ssące, 5-spiralny rowek, 6-siłownik elektromagnetyczny Rys. 3. Budowa mechanizmu VTEC-E [7]: 1 wałek rozrządu, 2 tłok realizujący zmianę fazy, 3 tłok łączący, 4 pierwsza dźwigienka zaworowa, 5 druga dźwigienka zaworowa, 6 tłoczek ograniczająco-powrotny Rys. 4. System zmiennych faz rozrządu BMW Vanos [3]: 1-zawór hydrauliczny, 2-wałek rozrządu, 3-koło napędu wałka, 4-tuleja sterująca sprzęgłem, 5-tłok siłownika hydraulicznego Rys. 5. Budowa układu wykonawczego systemu VarioCam [3] 2 STANOWISKO DYDAKTYCZNE DEMONSTRUJĄCE FUNKCJONOWANIE WSPÓŁCZESNYCH UKŁADÓW ROZRZĄDU W celu demonstracji budowy i funkcjonowania nowoczesnych układów rozrządu sformułowano następujące założenia, jakie powinno spełniać projektowane stanowisko dydaktyczne: płynna możliwość regulacji fazy otwarcia jednego z zaworów; skokowa regulacja wzniosu zaworu; możliwość badania zarysu krzywek rozrządu; komputerowa rejestracja wzniosu zaworów w funkcji obrotu wału korbowego

4 Opracowane na podstawie powyższych założeń stanowisko (rys. 6) posiada dwa wałki rozrządu z których jeden napędzany jest z wałka imitującego wał korbowy za pomocą typowej przekładni zębatej stosowanej w układzie rozrządu, na wałku tym umieszczono krzywki odpowiadające za zmianę wzniosu jednego z zaworów. Następnie wałek ten napędza drugi z wałków rozrządu poprzez specjalnie zaprojektowaną przekładnie pasową z paskiem zębatym. Rys. 6. Widok opracowanego stanowiska dydaktycznego Zmienny wznios zaworu w opracowanym stanowisku zrealizowano poprzez umieszczenie na wałku obok siebie trzech krzywek o różnym wzniosie (rys. 7). Każda z krzywek współpracuje z oddzielnym popychaczem. Napęd na zawór odbierany jest z popychacza krzywki środkowej o najniższym zarysie. Zewnętrzne popychacze posiadają możliwość blokady z popychaczem krzywki środkowej, pozwala to na przejęcie sterowania zaworem przez jedną ze skrajnych krzywek. Rys. 7. Układ zmiany wzniosu zaworu 11041

5 Napięcie [V] Regulację faz rozrządu na opracowanym stanowisku uzyskano poprzez zastosowanie układu zapewniającego obrót wałków rozrządu względem siebie. W tym celu skonstruowano przekładnie pasową z paskiem zębatym z specjalnie zaprojektowanym napinaczem, przesunięcie którego zmienia położenie wałków rozrządu względem siebie (rys. 8). Rys. 7. Widok przekładni umożliwiającej zmianę położenia wałków rozrządu względem siebie 3 BUDOWA UKŁADU POMIAROWO-REJSTRUJĄCEGO W celu rejestracji parametrów pracy opracowanego modelu układu rozrządu opracowano układ pomiarowy w skład którego wchodziły następujące elementy: przetworniki potencjometryczne liniowe typu MM 20 wykorzystywane do pomiaru otwarcia zaworów (rys. 8); przetwornik inkrementalny (enkoder) typu GI 338 o rozdzielczości 720 impulsów na obrót do pomiaru położenia kątowego wału korbowego; zasilacz do zasilania enkodera oraz przetworników potencjometrycznych; karta pomiarowa umożliwiająca doprowadzenie sygnałów do komputera; oprogramowanie do rejestracji i wizualizacji zarejestrowanych przebiegów Czujnik I Czujnik II Odległość [mm] Rys. 8. Charakterystyka napięciowa przetworników potencjometrycznych typu MM

6 Zastosowanie typowych elementów do rejestracji położenia kątowego wału korbowego oraz wzniosu zaworów pozwala na zastosowanie różnorodnych układów rejestracji posiadających możliwość rejestracji sygnałów typu TTL oraz 0-10V. Przykładowy przebieg zarejestrowanych sygnałów przedstawiono na rys. 9. Rys. 9. Przykładowy zarejestrowany przebieg wzniosu zaworów w funkcji obrotu wału korbowego 4 ANALIZA WYNIKÓW Zarejestrowane sygnały w zależności od potrzeb mogą być dowolnie analizowane i przedstawiane. Na rys. 10 przedstawiono przykładowe zestawienie sygnałów dla układu demonstrującego działanie zmiany faz rozrządu. Na przedstawionym przebiegu wyraźnie widać przesunięcie kątowe wzniosu zaworu ssącego spowodowane przestawieniem układu obracania wałków rozrządu względem siebie. Analogicznie na rys. 11 przedstawiono przebiegi sygnałów demonstrujących działanie układu zmiany wzniosu zaworów. Na rysunku tym widać zmianę wzniosu zaworu wydechowego dla kolejnych ustawień układu zmiany wzniosu zaworów. Zarejestrowane wyniki pozwalają również na odtworzenie zarysu krzywek użytych do sterowania zaworami. Na rys. 12 przedstawiono zarysy krzywek sterujących zaworami otrzymane na podstawie zarejestrowanych danych. Rys. 10. Zestawienie zarejestrowanych wykresów faz rozrządu demonstrującego zmianę faz rozrządu: 1- zawór wydechowy o stałych fazach otwarcia 2, 4 położenia skrajne faz otwarcia zaworu ssącego, 3 przykładowe położenia pośrednie 11043

7 Rys. 11. Zestawienie zarejestrowanych wykresów faz rozrządu: 1, 2, 3 - zmienne wzniosy zaworu wydechowego dla różnych krzywek, 4 stały wznios zaworu ssącego Rys. 12. Odtworzone na podstawie pomiarów zarysy użytych krzywek WNIOSKI Opracowane stanowisko dydaktyczne pozwala na demonstrowanie funkcjonowania działania nowoczesnych rozwiązań stosowanych w układach rozrządu pozwalających na zmianę wzniosu i fazy otwarcia zaworów. Możliwość rejestracji wzniosu zaworów w funkcji obrotu wału korbowego pozwala nie tylko na demonstracje działania tych układów ale również na szeroką analizę wpływu parametrów pracy układu rozrządu na napełnianie cylindra świeżym ładunkiem. Rejestracja wzniosu zaworów pozwala również na odtworzenie kształtu użytej krzywki. Umożliwia to analizowanie wpływu zarysu krzywki na przebieg wzniosu zaworów. Możliwe jest również analizowanie prędkości i przyspieszeń elementów układu rozrządu co pozwala na określenie sił bezwładności występujących podczas pracy układu rozrządu. Streszczenie Zaostrzające się normy odnośnie emisji związków toksycznych emitowanych przez silniki spalinowe wymuszają wprowadzenie nowych rozwiązań poszczególnych układów silnika. Jednym z układów mających 11044

8 wpływ na osiągi silnika, w tym emisje związków toksycznych jest układ rozrządu. Współczesne silniki często posiadają dość złożone konstrukcje tych układów umożliwiające sterowanie fazami otwarcia lub wzniosem zaworów. Powszechne stosowanie nowych rozwiązań w silnikach spalinowych wymaga wprowadzania nowych treści do programów nauczania inżynierów jak również wzbogacania bazy laboratoryjnej o nowe stanowiska laboratoryjne. W artykule opisano budowę stanowiska dydaktycznego umożliwiającego demonstracje funkcjonowania nowoczesnych rozwiązań układów rozrządu silników spalinowych. Opracowane stanowisko pozwala na rejestracje wzniosu zaworów w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Konstrukcja stanowiska pozwala na płynną regulacje faz otwarcia jednego z zaworów oraz zmienny skokowy wznios drugiego z zaworów. Didactic stand for demonstrating the operation of modern timing systems for combustion engines Abstract Increasingly stricter standards on toxic compound emissions from combustion engines have led to the introduction of new solutions for individual engine systems. One of the systems affecting engine performance, including toxic compound emissions, is the timing system. Modern engines often have quite complex designs for systems controlling the valve opening cycles or the valve lifts. Widespread use of new solutions in combustion engines requires the introduction of new content into curricula for engineers as well as the expansion of laboratory facilities with new laboratory stands. This paper describes the structure of a didactic stand enabling the demonstration of the operation of modern combustion engine timing system solutions. The developed stand allows the lift of the valves to be recorded as a function of the crank angle. The stand design allows stepless adjustment of the opening cycles of one valve and a variable step lift of the other valve. BIBLIOGRAFIA 1. Kossowski, Z., Wajand, J. A., Zbierski, K. Bezkrzywkowe napędzanie zaworów rozrządu tłokowego silnika spalinowego. Journal of KONES, 2000, Vol Luft S., Podstawy budowy silników, WKiŁ, Warszawa Luft S., Skrzek T., Development of timing devices in spark ignition piston-type internal combustion engines. Combustion engine 2011, No Mitaniec W., Bac G. Camless hydraulic valve timing system in combustion engines. Combustion Engines 2011, No Pietrykowski K., Wendeker M., Grabowski Ł. Modelowanie 3D procesu napełniania w silniku o ZI. Postępy Nauki i Techniki 2012, nr