SPARK IGNITED COMBUSTION ENGINE CHARGE REGULATION WITH MAGNETOELECTRIC CAMSHAFT

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 00, vol. 0, - SPARK IGNITED COMBUSTION ENGINE CHARGE REGULATION WITH MAGNETOELECTRIC CAMSHAFT Krzysztof Zbierski Politechnika Łódzka, Instytut Pojazdów 90-9 Łódz, ul. Żeromskiego 6 tel. (0) 6990, fax. (0) zbierski@p.lodz.pl Abstract Idea of magnetoelectric camshaft use for control of combustion engine charge is presented in the paper. The idea was based on regulation of inlet valve opening cross-section and duration, by changing valve lift, opening and closing points. Such method eliminates throttle from inlet channel. The idea has been verified on one cylinder combustion engine, driven by electric motor supplied by inverter. Basing on experiment s results, it was assumed that, due to free regulation of inlet valve opening cross-section and duration, improvement of various engines parameters would be possible. REGULACJA NAPEŁNIANIA SILNIKA O ZAPŁONIE ISKROWYM ZA POMOCĄ MAGNETOELEKTRYCZNEGO ROZRZĄDU Streszczenie W artykule przedstawiono koncepcję regulacji napełniania silnika spalinowego o zapłonie iskrowym za pomocą magnetoelektrycznego rozrządu. Koncepcja ta oparta została na zmianie czasoprzekroju zaworu dolotowego za pomocą jego zmiennego skoku i czasu otwarcia. Taki sposób regulacji eliminuje przepustnicę z kanału dolotowego. Koncepcję tę zweryfikowano na jednocylindrowym silniku spalinowym, napędzanym silnikiem elektrycznym połączonym z przemiennikiem częstotliwości. W oparciu o wyniki weryfikacji stwierdzono, że dzięki swobodnemu kształtowaniu czasoprzekrojów zaworu dolotowego możliwa byłaby poprawa wielu parametrów silnika.. Wstęp Dążenie do coraz lepszego napełnienia cylindrów silnika spalinowego przejawia się, między innymi, w nieustannym modernizowaniu klasycznego rozrządu mechanicznego wyposażonego w krzywkowe wały rozrządu, oraz w pracach badawczych nad rozrządem bezkrzywkowym, najczęściej elektromagnetycznym. Przykładem zmodernizowanego rozrządu silnika o zapłonie iskrowym jest tzw. Valvetronic []. Dzięki niemu napełnienie cylindrów silnika odbywa się za pomocą zmiany czasoprzekrojów zaworów dolotowych, a nie za pomocą otwarcia przepustnicy, która tym samym jest usunięta z kanału dolotowego. Wyeliminowanie przepustnicy jest korzystne, ponieważ następuje zmniejszenie strat pompowania. Zmiana czasoprzekrojów dokonywana jest przez zmianę skoków zaworów dolotowych, dzięki nastawianemu punktowi podparcia dwustronnej, pośredniej dźwigni zaworowej, oddziałującej na właściwą, dźwignię zaworową każdego z zaworów dolotowych. Ten punkt podparcia regulowany jest natomiast za pomocą silnika elektrycznego, który obraca o pewien kąt mimośrodową krzywkę podpierającą dźwignię pośrednią. Valvetronic jest najbardziej nowoczesnym rozrządem, ale za to niezwykle skomplikowanym i o dużej liczbie elementów. Prace badawcze nad rozrządem elektromagnetycznym prowadzone są aktualnie w licznych ośrodkach uniwersyteckich i przemysłowych [,, 5, 6]. Ich koncepcje oparte są na schemacie elektromechanicznym. Rozrząd taki oprócz elektromagnesów posiada dwie

2 sprężyny, które ustalają spoczynkową pozycję zaworu, a także mają swój udział w jego napędzaniu. Rozrządy te umożliwiają uzyskanie najczęściej dwóch lub trzech podstawowych pozycji pracy zaworu, a mianowicie otwartą i zamkniętą lub otwartą, półotwartą i zamkniętą. Czasoprzekrój zaworu dolotowego może być regulowany za pomocą czasu otwarcia, co też pozwala na wyeliminowanie przepustnicy z kanału dolotowego. Odmiennym, od omówionych, jest rozrząd zaprezentowany w niniejszym artykule, nazwany magnetoelektrycznym [], który nie posiada sprężyn zaworowych i pozwala na ustawianiu zaworu w dowolnej pozycji. Umożliwia on, zatem elastyczne kształtowanie przebiegów wzniosów zarówno zaworu dolotowego jak i wylotowego. Pod pojęciem elastycznych przebiegów wzniosów zaworów należy rozumieć takie, których zarysy, skoki oraz początki i końce są swobodnie dobierane niezależnie od prędkości obrotowej i obciążenia silnika. Konsekwencją elastycznych przebiegów są dowolnie regulowane czasoprzekroje i fazy rozrządu.. Istota magnetoelektrycznego rozrządu silnika spalinowego W magnetoelektrycznym rozrządzie silnika spalinowego, przedstawionym schematycznie na rysunku, zawór silnika napędzany jest za pomocą magnetoelektrycznego siłownika składającego się z magnesu stałego 5, nabiegunników i, rdzenia, cewki nawiniętej na karkasie, oraz sprężystych elementów 6 doprowadzających prąd do cewki. Karkas cewki posiada złącze 7 do połączenia jej z zaworem rozrządu 8. Magnes stały, nabiegunniki i rdzeń są nieruchome i służą do wytwarzania silnego pola magnetycznego w szczelinie między rdzeniem a nabiegunnikami. siłownik magnetoelektryczny (krzywka elektroniczna) + _ Rys.. Schemat magnetoelektrycznego rozrządu silnika spalinowego, cewka, rdzeń, i nabiegunniki, 5 magnes stały, 6 sprężyste elementy prądowe, 7 złącze zaworu rozrządu, 8 zawór rozrządu Fig.. Scheme of combustion engine magnetoelectric camshaft Magnes stały jest tak umieszczony, że w górnej części linie pola przechodzą od nabiegunnika do rdzenia, a w dolnej od rdzenia do nabiegunnika. Szczelina jest stała i musi być na tyle duża by mógł przesuwać się w niej przewodnik z prądem, czyli ruchoma cewka. Ruchoma cewka umieszczona jest w tej szczelinie i oddziałuje na nią istniejące tam silne pole magnetyczne. Cewka, połączona z zaworem rozrządu, podzielona jest na dwie części - górną i dolną nawinięte w przeciwnych kierunkach. Dzięki temu przepływ prądu powoduje powstanie siły o jednakowym zwrocie zarówno w górnej jak i w dolnej części. Siła napędowa

3 powstaje w wyniku oddziaływania pola magnetycznego na płynący w cewce prąd. Ponieważ pole magnetyczne wytworzone przez magnes stały istnieje cały czas, to siła może być generowana natychmiast po pojawieniu się prądu i znika natychmiast po jego wyłączeniu. Dzięki równomiernemu rozkładowi pola, powstająca podczas przepływu prądu elektromagnetyczna siła prawie nie zależy od położenia cewki, lecz od wartości prądu. Zwrot wytwarzanej siły zależy od kierunku przepływu prądu, tak, więc za pomocą jednej cewki można uzyskać zarówno siłę zamykającą jak i otwierającą zawór. Widoczne na rysunku sprężyste elementy prądowe 6, przeznaczone do doprowadzenia prądu do ruchomej cewki, nie wytwarzają siły napędowej. Posiadają one małe sztywności i nie mają praktycznie istotnego udziału w zamykaniu i docisku zaworu do jego gniazda. Są natomiast tak dobrane, aby utrzymywały zawór w pozycji zamkniętej, gdy prąd nie dopływa do cewki. Dzięki temu zmniejszone jest ryzyko uderzenia tłoka w zawór w wypadku niespodziewanej przerwy w dopływie prądu do cewki na skutek ewentualnego niedomagania układu sterującego. Także dzięki tym elementom wszystkie zawory pozostają w pozycji zamkniętej po zakończeniu pracy silnika. Ponieważ sprężyste elementy prądowe 6 nie zapewniają dostatecznego docisku zaworu do jego gniazda, dlatego przewidziano wytwarzanie tego docisku za pomocą siły elektromagnetycznej. Docelowo założono także opracowanie bezczujnikowego sterowania siłownikami, pozwalającego na wyeliminowanie czujników położenia zaworów. Opisany siłownik magnetoelektryczny, przez analogię do mechanicznej krzywki, nazwano krzywką elektroniczną nadając jej logo: Ecam. Docisk zaworu do jego gniazda za pomocą siły elektromagnetycznej nazwano sprężyną elektroniczną, tym razem przez analogię do sprężyny zaworowej występującej w mechanicznym rozrządzie silnika spalinowego. k p czas skok zaworu n n n Rys.. Graficzna interpretacja sposobów regulacji napełniania silnika spalinowego, regulacja skokiem zaworu, regulacja czasem otwarcia zaworu (p regulacja początkiem otwarcia zaworu, k regulacja końcem otwarcia zaworu) Fig.. Graphic interpretation of engine charge regulation. Sposoby regulacji napełniania silnika spalinowego Założono regulację napełniania silnika za pomocą: skoku zaworu dolotowego; sposób regulacji oznaczony symbolem, czasu otwarcia zaworu dolotowego; sposób regulacji oznaczony symbolem, przy czym regulacja może odbywać się za pomocą zmiany początku otwarcia zaworu p, oraz za pomocą zmiany końca otwarcia zaworu k. Graficzną interpretację sposobów regulacji napełniania przedstawiono na rysunku. Dla uproszczenia przyjęto prostokątny przebieg wzniosu zaworu. W sposobach regulacji napełniania nie zaznaczono zmiennych faz rozrządu, ponieważ ich swobodny wybór wynika z możliwości zmiany początku otwarcia zaworów wylotowego i dolotowego, co szczegółowo

4 zostanie wyjaśnione w dalszej części artykułu.. Weryfikacja sposobów regulacji napełniania silnika Weryfikację sposobów regulacji napełniania silnika przeprowadzono na stanowisku badawczym pokazanym na rysunku. Jej obiektem był jednocylindrowy silnik o zapłonie iskrowym wyposażony w dwuzaworową głowicę z magnetoelektrycznym rozrządem. Nominalna moc silnika wykonanego w pierwotnej wersji z wałem rozrządu wynosiła kw przy prędkości obrotowej 000 obr/min. Silnik spalinowy napędzany był przez trójfazowy, indukcyjny silnik elektryczny 5, zasilany z przemiennika częstotliwości 6, nazywanego popularnie falownikiem. Silnik elektryczny spełniał także funkcję hamulca w połączeniu z przemiennikiem i układem hamującym 7, który składał się z czopera i opornika Zadawanie czasów otwarcia i zamknięcia zaworów odbywa się następująco. Gdy obracająca się w prawo tarcza wyzwalająca znajdzie się w położeniu widocznym na rysunku, wówczas początek tarczy (punkt A) rozpoczyna generowanie w czujniku sterującym prostokątnego sygnału napięciowego, który przesyłany jest do układu sterującego. Odpowiedzią układu sterującego na ten sygnał jest przesłanie, po upływie czasu w odmierzonego od punktu A, określonego napięcia zasilającego do cewki (rys. ), powodującego otwarcie zaworu wylotowego. Należy tu zwrócić uwagę, że czujnik sterujący i tarcza wyzwalająca są tak ustawione na wale korbowym silnika, że punkt A tej tarczy znajduje się w pewnej odległości kątowej przed. Zamknięcie zaworu wylotowego następuje po upływie zadanego czasu otwarcia zaworu wylotowego Tw. Gdy tarcza wyzwalająca obróci się o 80 stopni, wówczas jej punkt B rozpocznie generowanie w czujniku sterującym kolejnego prostokątnego sygnału, od którego zbocza oznaczonego również punktem B odmierzony zostaje czas, tym razem, d określający początek otwarcia zaworu dolotowego. Czas trwania otwarcia zaworu dolotowego określa zadany czas. Kolejny obrót tarczy wyzwalającej o 60 stopni, nie powoduje otwarcia żadnego zaworu, gdyż sygnał napięciowy generowany przez czujnik nie jest wykorzystywany przez procesor do otwierania zaworów, zgodnie z programem sterującym. Dopiero po tym obrocie znowu otwierają się zawory, ale już podczas następnego cyklu pracy silnika. Zaznaczenie na omawianym rysunku czasów otwarcia zaworów Tw i krótszych od czasów trwania suwów silnika, wyniknęło z konieczności uzyskania dobrej czytelności rysunku. W rzeczywistości czasy te, oraz czasy w i d, mogą mieć dowolne wartości dzięki czemu można zmieniać fazy rozrządu. Regulację napełniania silnika za pomocą skoku i czasu otwarcia zaworu dolotowego sprawdzono dla całego zakresu prędkości obrotowych silnika spalinowego napędzanego za pomocą silnika elektrycznego, oraz w zakresie początkowych prędkości obrotowych i częściowych obciążeń pracującego silnika. W tablicy zestawiono, przykładowo dla kilku początkowych prędkości obrotowych napędzanego silnika spalinowego, wartości parametrów regulacyjnych zaworu dolotowego. Jak widać przy niezmiennym maksymalnym skoku zaworu -, czasy d i maleją ze wzrostem prędkości obrotowej, natomiast odpowiadające im kąty pozostają niezmienne. Należy wyjaśnić, że posługiwanie się tu jednostką napięcia prądu elektrycznego, zarówno w odniesieniu do wzniosów jak i czasów otwarcia zaworów, było konieczne ze względu na zadawanie określonych napięć procesorowi układu sterującego. W przypadku zastosowanej metodyki badań nie było więc potrzeby posługiwania się liniowymi i czasowymi jednostkami. W tablicy przedstawiono natomiast wartości parametrów regulacyjnych magnetoelektrycznego rozrządu przy prędkości obrotowej silnika wynoszącej 800 obr/min. Tu w przypadku regulacji napełnienia za pomocą skoku zaworu pozostaje stały czas, któremu przy prędkości obrotowej równej 800 obr/min odpowiada napięcie 0,6 V. Podobnie

5 w przypadku regulacji napełnienia za pomocą czasu otwarcia zaworu, pozostaje niezmienny skok zaworu, któremu w tym przypadku odpowiada napięcie,5 V Rys.. Stanowisko badawcze do weryfikacji sposobów regulacji napełniania silnika spalinowego, silnik spalinowy, układ sterujący, zasilacz układu sterującego, interfejs pomiarowy, 5 rejestrator przebiegów, 6 zespół zadawania wzniosów oraz czasów otwarcia i zamknięcia zaworów, 7 czujniki przemieszczeń zaworów, 8 tarcza wyzwalająca, 9 czujnik sterujący otwarciem zaworów, 0 zasilacz, czujnik zapłonu, zasilacz, czujnik ciśnienia gazów w cylindrze silnika, czujnik, 5 silnik elektryczny, 6 przemiennik częstotliwości, 7 układ hamujący Fig.. Test stand for engine charge regulation verification Podczas regulacji napełniania końcem otwarcia zaworu, oznaczonej przez k, założono takie same wartości napięć jak w przypadku regulacji początkiem otwarcia zaworu p. Regulacja (k) polega na wcześniejszym zamykaniu zaworu dolotowego przy niezmiennym początku jego otwarcia. Regulacja (p) polega na późniejszym otwieraniu zaworu dolotowego przy niezmiennym końcu jego otwarcia. Aby ją zrealizować musi być spełniony warunek: d + = const. Wynika z tego, że z malejącym czasem otwarcia zaworu, przy stałej prędkości obrotowej, musi rosnąć wartość d, a zatem zawór powinien być otwierany coraz później. Dla przedstawionego przypadku suma: d + = 0,7 V (Tab. ). Na rysunku 5 przedstawiono nałożone na siebie cztery przebiegi wzniosów zaworu dolotowego, (L.p. w Tab. ) dla regulacji oraz (k). Przebiegów dla regulacji (p) nie zamieszczono, ponieważ ich charakter jest taki sam jak przebiegów dla regulacji k, ale przy stałym końcu otwarcia. Jak widać, dla regulacji zmniejszającemu się napięciu zadawanemu procesorowi układu sterującego, odpowiadają coraz mniejsze skoki zaworu, a więc i coraz mniejsze czasoprzekroje zaworu. W miarę zmniejszania skoku zaworu pojawiają się w czasie przestoju zaworu zafalowania o zwiększającej się częstości i amplitudzie, które spowodowane są niestatecznym obszarem pracy prototypowego układu sterującego przy mniejszych, zadanych napięciach. Przy zastosowaniu układu sterującego nowszej generacji mogą być one oczywiście zminim alizowane. Dla omawianej regulacji w miarę zmniejszania się skoku zaworu następuje także pewne zmniejszanie się rzeczywistego czasu otwarcia zaworu w stosunku do zadanego, który był niezmienny i wynosił 0,6 V. Czas otwarcia zaworu w przypadku przebiegów i wynosi 8, ms, zaś dla przebiegu jest on

6 o,55 ms mniejszy. Zachodzi tu zatem, wprawdzie niewielkie, ale wcześniejsze zamykanie zaworu w miarę zmniejszania jego skoku. B czujnik zapłonu czujnik sterujący A tarcza wyzwalająca czas A B A B napięcie w Tw d czas ciśnienie w cylindrze wznios zaworu Hw czas Rys.. Schemat do wyjaśnienia metody zadawania czasów otwarcia i zamknięcia zaworów magnetoelektrycznego rozrządu Fig.. Explaining diagram of magnetoelectric camshaft valve timing Tab.. Wartości parametrów regulacyjnych magnetoelektrycznego rozrządu w zależności od prędkości obrotowej silnika (opis parametrów na rysunku ). Tab.. Magnetoelectric camshaft regulation parameter values vs. engine rotation speed. (parameter s description on fig..) L.p. n [obr/min] d 600,5 0,,0 900,5 0,9, 00,5 0,0 0,95 800,5 0, 0,6 Ta zmiana również wynika z rozwiązania układu sterującego i może być skorygowana, choć trudno w tej chwili powiedzieć czy okaże się to konieczne w przyszłości. W regulacji (k) obserwuje się, w miarę zmniejszania się czasu otwarcia zaworu, też pewną zmianę skoku, odpowiadającego napięciu,5 V. Widać to na przykładzie przebiegu. Im krótszy jest bowiem czas na otwarcie zaworu tym mniej czasu ma zawór na przemieszczenie się do swego

7 maksymalnego położenia i po osiągnięciu pewnego mniejszego skoku zmuszany jest przez układ sterujący do powrotu w kierunku swojego gniazda. To również może być skorygowane przez układ sterujący o innych właściwościach, ale należy się liczyć z większym przyspieszeniem jakie musiałby posiadać zawór, aby w tak krótkim czasie osiągnął maksymalny skok. Może to okazać się mało zasadne, gdyż dany czasoprzekrój może być wystarczający z punktu widzenia uzyskania koniecznego napełnienia cylindra w danych warunkach pracy silnika. Tab.. Wartości parametrów regulacyjnych magnetoelektrycznego rozrządu przy prędkości obrotowej silnika wynoszącej 800 obr/min Tab.. Magnetoelectric camshaft regulation parameter values for engine rotation speed 800 rpm L.p (k) (p) d d +,5 0,6 0,6 0, 0,7,0 0, 0, 0, 0,7,0 0, 0, 0, 0,7,5 0, 0, 0,5 0.7 Regulacja [mm] 7 [mm] [ms] [ms] Rys. 5. Przebiegi wzniosów zaworu dolotowego rozrządu magnetoelektrycznego, przy prędkości obrotowej silnika wynoszącej 800obr/min, dla regulacji napełnienia i (k) Fig. 5. Magnetoelectric camshaft inlet valve lift profiles for and charge regulation. Engine rotation speed 800 rpm 5. Podsumowanie Regulacja k jest korzystniejsza od regulacji, gdyż dzięki wcześniejszemu zamykaniu zaworu dolotowego można wpływać na zmniejszanie ujemnego pola pracy wykresu indykatorowego wolnossącego silnika. Do osiągnięcia tego sposobu regulacji napełniania dążą też producenci silników poprzez wspomnianą we wstępie modernizację mechanicznych rozrządów, co znalazło odzwierciedlenie w postaci rozrządu Valvetronik []. Taką regulację umożliwiają także badane rozrządy elektromechaniczne [,, 5, 6]. W omówionym magnetoelektrycznym rozrządzie można zastosować także mieszaną

8 regulację i, polegającą na stopniowanym przebiegu wzniosu zaworu i różnych czasach jego otwarcia. Taka regulacja pozwoliłaby najprawdopodobniej uzyskać optymalne czasoprzekroje z punktu widzenia parametrów pracy i wskaźników ekologicznych silnika. Dzięki mieszanej regulacji i odpowiedniej współpracy dwóch zaworów dolotowych można by uzyskać dynamiczne doładowanie silnika. Warto tu jeszcze zwrócić uwagę na fakt, że dzięki takim samym możliwościom sterowania zaworami wylotowymi prawdopodobna jest wewnętrzna recyrkulacja spalin, a zatem określona modyfikacja napełniania silnika zgodnie z wymaganiami ekologicznymi. Uwzględniając powyższe, można powiedzieć, że takich możliwości jak rozrząd magnetoelektryczny nie posiadają najbardziej nowoczesne rozrządy mechaniczne, a także badane w innych ośrodkach rozrządy elektromechaniczne. W artykule wykorzystano materiały z badań wykonanych w ramach projektu badawczego nr 9TD008, finansowanego przez Komitet Badań Naukowych. Literatura [] Flierl R., Hofmann R., Landerl CH., Melcher T., Steyer H.: Der neue BMW Vierzylinder Ottomotor mit VALVETRONIC. Teil I: Koncept und konstruktiver Aufbau. Motortechnische Zeitschrift 6/00. [] Kossowski Z., Wajand J., Zbierski K.: Układ napędu zaworów tłokowego silnika spalinowego. A () Biuletyn Urzędu Patentowego Nr /000. [] Langen P., Cosfeld R., Grudno A., Relf K.: Der Elektromechanisches Ventiltrieb als Basis zukünftiger Ottomotorkonzepte. BMW Group, München. Internationeles Wiener Motorensymposium, -5 Mai 000. [] Peterson K., Stefanopoulou A.: Electro-Mechanical Valve (EMV) Actuator Control for Camless Engines. University of Michigan. Automotive Engineering, January 00. [5] Salber W., Kemper H., Staay F., Esch T.: Der elektromechanische Ventiltrieb Systembaustein für zukünftige Antriebskonzepte. Teil,. Motortechnische Zeitschrift /000, /00. [6] Tai Ch., Stubbs A., Tsao T.: Modeling and Controller Design of Electromagnetic Engine Valve. Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of California, Los Angeles. Proceedings of the American Control Conference Arlington, VA June 5-7, 00.