ZMIENNE FAZY ROZRZt\DU-NOWE ROZWIJ\ZANIA I SILNIK

Journal of Kones. Combustion Engines, VoIB, No 3-4, 2001
ZMIENNE FAZY ROZRZt\DU-NOWE ROZWIJ\ZANIA
I SILNIK BADAWCZY DO BADANIA ICU WPLYWU
Dr in:i:. Wieslaw Kozaczewski
Przemyslowy Instytut Motoryzacji
03-301 Warszawa ul. Jagiellonska 55
telefon (22) 675 5606 fax (22) 811 60 28
1.
Wst~p
W okresie rozwoju tlokowych silnikow spalinowych
do samochodow
wyznaczane byly rozne priorytety w zaleznosci od mozliwosci technologicznych i
zapotrzebowania spolecznego, W poczatkowym okresie tych silnikow podstawowym
parametrem byla osiagana moe silnikow, Mozliwe do opanowaniaw tym okresie predkosci
obrotowe silnikow 0 zaplonie iskrowym nie przekraczaly na ogol 2000 obr/min a stopnie
sprezania nie przekraczaly 6. Silniki te posiadaly z reguly rozrzad dolnozaworowy. W
dazeniu do podniesienia mocy jednostkowych poprzez podniesienie sprawnosci
napelnienia dla unikniecia trudnosci w opanowaniu sil bezwladnosci wystepujacych w
zaworowych ukladach rozrzadu, probowano roznych systemow rozrzadu takich jak
(walcowymi i stozkowyrni )
rozrzady suwakowe z suwakami obrotowymi
umieszczonymi w glowicy silnika jak i z suwakami w postaci koncentrycznych tulei
cylindrowych (np. suwak Knight'a). wykonujacychruch zlozony. Mozliwosc podnoszenia
predkosci obrotowej silnikow uwarunkowana byla w pierwszym rzedzie mozliwoscia
opanowania sil bezwladnosci w zaworowym ukladzie rozrzadu, Trudnosci te doprowadzily
do powstania rozrzadu desmodromicznego w ktorym zarowno otwieranie zaworow jak ich
zamykanie wymuszone bylo dzialaniem krzywek walu lub walow rozrzadu.
Z drugiej strony stwierdzono, ze 0 mozliwosci osiagniecia odpowiedniej
sprawnosci napelnienia przy zalozonych predkosciach obrotowych decyduja zjawiska
falowe w ukladzie dolotowym i wylotowym silnika. Dla zapewnienia optymalnej
sprawnosci napelnienia przy roznych predkosci obrotowych konieczne jest dobranie chwili
i czasu jego otwarcia. Prawie od poczatku rozwoju silnikow spalinowych wiedziano, ze
fazy rozrzadu sa optymalizowane dla okreslonej predkosci obrotowej silnika, ale
mozliwosci technologiczne nie pozwalaly na zmiane faz rozrzadu podczas pracy silnika.
Dopiero na poczatku lat 90-tych pojawily sie rozwiazania, w ktorych rnozliwe bylo
przesuniecie fazy otwarcia zaworu wzgledem polozenia walu korbowego, jednak przy
zaehowaniu stalosci dlugosci otwareia zaworu liezonego katem obrotu walu korbowego
oraz stalego wzniosu zaworow.
2. Nowe rczwlazania
W ostatnim okresie , kiedy rozwoj silnikow jest zdeterminowany wymaganiami
wynikajacymi z norm 0 dopuszezaInej emisji substaneji toksyeznyeh wzroslo
zainteresowanie wykorzystaniem regulacji faz rozrzadu do ograniczania emisji tych
substaneji poprzez wykorzystanie reeyrkulaeji wewnetrznej. Poza tym przy wykorzystaniu
zmiennyeh faz rozrzadu oraz zmiennego wzniosu zaworow mozliwe jest wykorzystanie
tyeh parametrow do regulaeji napelnienia silnika zamiast przepustniey. Przeniesienie
funkcji regulacji ilosci doprowadzanego do cylindra czynnika, w celu regulacji
182
generowanej przez silnik mocy z przepustnicy na zawory, umo:i:liwia znaczna poprawe
sprawnosci silnika. Ta ostatnia mozliwosc jest szczeg61nie istotna z punktu widzenia
obnizenia zuzycia paliwa oraz emisji dwutlenku wegla. Szczeg61nie w ostatnim okresie,
dazenie do wprowadzenia norm
okreslajacych dopuszczalna emisje
--I;
dwutlenku
wegla,
spowodowalo
./ -t
znaczny
wzrost
zainteresowania
wykorzystaniem regulowanych faz
rozrzadu, Spowodowalo to powstanie
nowych rozwiazan umozliwiajacych
sterowanie zar6wno fazami rozrzadu
jak i wzniosami zawor6w.
Najbardziej
interesujacymi
rozwiazaniami jest
mechaniczne
rozwiazanie opracowane przez BMW
oraz elektromagnetyczne sterowanie
zaworami opracowane r6wnolegle
przez BMW i FEY. Rozwiazanie
pokazane
jest
na
rysunku
1
opracowanym na podstawie zdjec
wykonanych
na
wystawie
towarzyszacej
XX
Rys 1. Mechanizm sterowania wzniosem i fazami
Miedzynarodowemu
Kongresowi
otwarcia zoworu opracowany przez BMW
7
Silnikowemu w Wiedniu. W mechanizmie tym
zaw6r 1 uruchamiany jest dzwignia z
5
hydraulicznym regulatorem luzu zaworowego
2. Krzywka warn rozrzadu 3 nie dziala jednak
bezposrednio na dzwignie zaworu, ale poprzez
rolke 5 zamocowana w dzwigni posredniej 4. Dzwignia ta zawieszona jest na czopie
(~2:i-4
mimosrodowym walka regulacyjnego 7.
Dzwignia
4 utrzymywana jest w stalym
kontakcie z krzywka warn rozrzadu sprezyna 6.
Przez przemieszczenie punktu obrotu dzwigni
1
4 mo:i:na zmienic wznios zaworu i
jednoczesnie fazy jego otwarcia. Mechanizm
ten jednak nie pozwala na niezalezna zamiane
fazy rozrzadu przy zachowaniu stalego
otwarcia zaworu.
Drugim rozwiazaniem jest uklad
elektromagnetycznego sterowania zaworami
pokazany schematycznie na rysunku 2. Zaw6r
I z zamocowana do niego kotwica 2 podparty
i
jest dwoma sprezynami 3 w taki spos6b, ze
Rys
2.
Schemat
mechanizmu
kotwica znajduje sie
w r6wnych
odleglosciach od rdzeni elektromagnes6w 4 i elektromagnetycznego sterowania zoworami
5 z cewkami 6 i 7. Dzieki temu zmniejszono
~~~-_._~
3
183
odleglosc pomiedzy zwora zwiazana z zaworem , a elektromagnesem, co jes
krytyczne ze wzgledu na to, ze sila przyciagajaca kotwice do rdzenia elektromagnesr
zmniej sza sie proporcjonalnie do kwadratu odleglosci szerokosci szczeliny pomiedzj
rdzeniem , a kotwica. W ten sposob przy okreslonych parametrach cewki elektromagnesu
parametrach zasilania sil~ dzialajaca na kotwice zwiekszono czterokrotnie. Na wystawie
towarzyszacej 20 Miedzynarodowemu Kongresowi Silnikowemu w Wiedniu w 1999 roki
zaprezentowano model silnika wyposazonego w ten tym ukladu rozrzadu, Dotychczas nie
wprowadzono do produkcji silnika z elektromagnetycznym sterowaniem zaworow
Prawdopodobnie spowodowane jest to niepewnoscia w zakresie niezawodnosci takiegc
mechanizmu. W przypadku rozsynchronizowania sie mechanizmu sterowania zaworam
nastepuje awaria silnika z reguly rownowazna z reguly z calkowityrn zniszczeniem silnika.
3. Konstrukcja silnika badawczego
Dla zbadania rnozliwosci jakie daje mechanizm zmiennosci faz rozrzadu w zakresu
zmniejszenia zuzycia paliwa oraz zmniejszenia emisji skladnikow toksycznych, v
Przemyslowym Instytucie Motoryzacji realizowany jest projekt badawczy finansowany prze
Komitet Badan Naukowych pod tytulem .Badanie wplywu zmiennosci faz rozrzadu i wzniosi
zaworow silnika 0 zaplonie iskrowym najego parametry ekologiczne i ekonomiczne",
Badania przeprowadzone zostana na badawczym silniku jednocylindrowym SB-3.5
Do badan wykorzystano glowice dwuzaworowa z dwoma walami rozrzadu. Do glowicy te
zaprojektowano nowa nasade glowicy . W nasadzie tej znajduje sie mechanizm pozwalajac
na zmiane polozenia okresow otwarc zaworow wzgledem polozenia walu korbowego oraz n
zmiane wzniosu zaworow na pracujacym silniku.
Na rysunku 3 pokazano konstrukcje mechanizmu rozrzadu silnika badawczego. Wa~
rozrzadu 1, sa napedzane pasem zebatym od walu korbowego. Kola napedzajace wal
rozrzadu 2 zamocowane sa na tulejach 3 posiadajacych srubowe wyfrezowania. Wa
rozrzadu osadzony we wnetrzu tulei posiada wzdluzny kanalek. Tuleje 3 polaczone sa
walami rozrzadu 1 kolkami osadzonymi w przesuwkach 4. Dzieki zmianie polozeni
przesuwek wzdluz tulei sterujace] mozna zmieniac polozenie katowe walu rozrzad
wzgledem walu korbowego. Dzieki temu mozliwe jest zmienianie polozenia okresu otwarci
zaworu wzgledem polozenia walu korbowego. Regulacja fazy otwarcia zaworu dolotowego
wylotowego jest niezalezna, Przy przesunieciu przesuwki sterujacej pomiedzy skrajnyrr
polozeniami uzyskuje sie przesuniecie fazy otwarcia zaworu 0 okolo 55° walu rozrzadu c
odpowiada przesunieciu fazy 0 okolo 110° OWK.
D1a umozliwienia zmiany w czasie pracy silnika wzniosu zaworow postanowion
wykorzystac uklad hydrauliczny opisany przez dr inz. K. Wislockiego . Krzywki walo:
rozrzadu nie dzialaja w tym ukladzie bezposrednio na popychacze zaworow, a poprzez ukla
hydrauliczny. Krzywka walu rozrzadu 1 dziala na tlok hydrauliczny 5. Pomiedzy tlokiern 5
popychaczem zaworu 6 znajduje sie olej. W chwili gdy tlok 5 zaczyna poruszac si~ ku dolov
spreza olej znajdujacy sie pomiedzy nim , a popychaczem zaworu. Z przestrzenia pod tlokiei
5 polaczona jest przestrzen cylindra regulatora 8 . W Cylindrze regulatora znajduje sie tlok
oparty na sprezynie 9. Sila sprezyny 9 jest tak dobrana, aby jej ugiecie nastepowalo pn
cisnieniu oleju mniejszym niz cisnienie konieczne do ugiecia sprezyn zaworowych. Prz
przemieszczaniu tloka 5 pod dzialaniem krzywki walu rozrzadu w przestrzeni pod nil
wzrasta cisnienie oleju. Jesli tlok regulatora 7 nie jest podparty sruba regulacyjna 10, to pc
wplywem wzrostu cisnienia nastepuje przemieszczanie tloka 7 bez unoszenia zawon
Dopiero gdy tlok regulatora oprze si~ 0 srube regulacyjna 10, nastepuje wzrost cisnienia ole;
do wartosci przy ktore] sila dzialajaca na popychacz przekroczy sil~ napiecia wstepneg
sprezyn zaworowych. Od tej chwili nastepuje otwieranie zaworu.
184
12,13.
14
3
1
Rys 3. Konstrukcja mechanizmu rozrzqdu silnik
badawczego SB3-5 do badan wplywu faz i wznios
zawor6w na ekologie i ekonomie silnika
00
VI
Czesc skoku krzywki zostala wykorzystana na przepompowywanie oleju z przestrzeni
pod tlokiem 5 do cylindra regulatora. W zwiazku z tym wznios zaworu bedzie mniejszy niz
wznios krzywki warn rozrzadu, Przez wkrecanie sruby regulacyjnej mozna w takim ukladzie
zrnieniac mozliwe przemieszczania sie tloka regulatora a wiec i czynny wznios zaworu
podczas pracy silnika. Olej przeciekajacy pomiedzy cylindrem, a tlokiem regulatora
odprowadzany jest kanalem II do miski olejowej silnika. Uzupelnianie ilosci oleju w
ukladzie hydraulicznej regulacji wzniosu nastepuje przez zawory zwrotne z odrebnego
agregatu pompowego pobierajacego olej z miski olejowej. Dzieki temu zapewniono
mozliwosc zapelnienia ukladu sterowania zaworami przed uruchomieniem silnika.
Ustawienia wstepne silnika beda takie, ze przy maksymalnym wzniosie zaworu w
krancowym polozeniu przesuwki regulacyjnej w kierunku przyspieszenia otwarcia zaworu
dolotowego, odleglosc pomiedzy zaworem dolotowym, a denkiem tloka dochodzacego do
GMP nie bedzie mniejszy niz 1 mm. W takim polozeniu bedzie istniala mozliwosc
opozniania fazy otwarcia zaworu dolotowego. Natomiast wal rozrzadu sterujacy zaworem
wylotowym ustawiony zostanie tak aby minimalna odleglosc porniedzy zaworem , a denkiem
tloka dochodzacego do GMP w czasie suwu wydechu rowniez nie byl mniejszy niz 1 mm.
Przy takim polozeniu warn rozrzadu wydechu mozliwe jest jedynie przyspieszanie fazy
wydechu.
Silnik bedzie zasilany wtryskiem paliwa do kolektora dolotowego. Zastosowany
zostanie wtryskiwacz Magneti-Marelli. Poniewaz na obecnym etapie rozwoju silnik6w
zasilanych w ten sposob, dla spelnienia wymagan w zakresie toksycznosci spalin, mieszanka
zasilajaca powinna rniec sklad stechiometryczny, uklad sterowania czasem otwarcia
wtryskiwacza bedzie wspolpracowal z cyrkonowa sonda lambda utrzyrnujaca staly
stechiometryczny sklad mieszanki. Dla umozliwienia pracy silnika przy innych
wspolczynnikach nadmiaru powietrza uklad bedzie posiadal rnozliwosc recznego sterowania
czasem otwarcia wtryskiwacza.
D1a kazdych warunk6w pracy dobierany bedzie kat wyprzedzenia zaplonu tak aby
uzyskac maksymalny moment obrotowy przy nie przekroczeniu granicy detonacji. Dla
okreslania intensywnosci detonacji wykorzystany zostanie miernik spalania detonacyjnego
KNOCK-METER firmy AVL.
D1a kazdych warunk6w pracy prowadzone bedzie indykowanie silnika. Cisnienie w
kornorze spalania mierzone bedzie piezoelektrycznym czujnikiem cisnienia AVL. Rejestracja
wynik6w nastepowac bedzie przy uzyciu ukladu lNDIMETER 647 rowniez firmy AVL.
Zarejestrowane przebiegi cisnienia w cylindrze zostanie poddane obrobce programem INES
pozwalajacym na okreslenie przebiegu temperatury w cylindrze silnika oraz wydzielania
ciepla .
Zamierzamy prowadzic badania przy starych predkosciach obrotowych w granicach
1000+4000 obr/min przy zmiennych obciazeniach silnika.
Stanowisko badawcze
wyposazone bedzie w hamulec elektrowirowy Schenk z ukladem komputerowym sterowania i
akwizycji wynik6w pomiarow.
W czasie pomiar6w mierzona bedzie rowniez emisja substancji toksycznych. Do
pomiar6w zawartosci t1enku wegla, niespalonych weglowodorow oraz tlenkow azotu uzyte
zostana analizatory HORIBA.
Badania prowadzone beda pod katem oszacowania wplywu zmiany faz rozrzadu na
emisje substancji toksycznych w spalinach oraz pod katem mozliwosci poprawienia
sprawnosci silnika przez wykorzystanie do regulacji napelnienia silnika nie przepustnicy ale
poprzez zmiane czynnego czasoprzekroju zaworu dolotowego. Wedlug rozwazan
teoretycznych poprzez ograniczenie napelnienia cylindra silnika, nie poprzez dlawienie
doplywu ladunku na skutek przymykania przepustnicy, ale poprzez zmiane skoku zaworu
oraz chwili jego otwarcia mozna zmniejszyc powierzchnie petli wymiany ladunku co w
istotny spos6b wplywa na poprawe sprawnosci silnika pracujacego przy obciazeniach
czesciowych, Rowniez poprzez wlasciwe dobranie wzniosu zaworu wylotowego oraz chwili
jego otwarcia mozna uzyskac tak zwana wewnetrzna recyrkulacje spalin co mozna
wykorzystac do obnizenia emisji t1enk6w azotu.
Literatura
1. Golovatal-Schnidt E., Scheidt M., Tenberge P. : A Self-Energizing Dual-PhaseShift Camschaft Timing Pulley. SAE Paper 930819.
2. Yasuhiro Urata, Hidezo Umlyama, Kiyoshi Shimizu, Yoshihiro Fujiyoshi, Hiroshi
Sono, Koichi Fukuo : A Study of Vehicle Equipped with Non-Throttling S.1.
Engine with Early Intake Valve Clising Mechanism. SAE Paoper 93 0820
3. Wilson N. D., Watkins A 1., Dopson C.: Asymetric Valve Startegies and Their
Effact on Combustion. SAE Paper 93821,
4. Kozaczewski W. : Potencjalne mozliwosci poprawy parametrow silnik6w 0
zaplonie iskrowym przez zastosowanie zmiennych faz rozrzadu. VI Konferencja
Naukowo-Techniczna AUTOPROGRES'93.
5. Kozaczewski W. :Mechanizmy sterowania fazami rozrzadu silnik6w 0 zaplonie
iskrowym. Inetrnational Scientific Conference on Internal Combustion Engines
KONES'93.
6. Kahrs M. : Hydraulische Verstellung fur variable Ventiltriebe. Motortechnische
Zeitschrift 7-8/1995.
7. Jong-Cheol Lee, Chun-Woo Lee, Nitkiewicz J. A : The Application of Lost
Motion VVT System to a DOHC SIEngine. SAE Paper 950816.
8. Stein R.A Galietti K.M. Leone TG.: Dual Equal VCT-A Variable Camschaft
Timing Strategy for Improved Fuel Economy and Emissions. SAE Paper 950975.
9. Esch T. Pischinger M. Gobel T : Luft- und Kraftstoffmessung bai Ottomotoren
mit variabler Ventilsteuerung. Motortechnische Zeitschrift 2/1996.
10. Kozaczewski W. : Jak spelnic przyszle normy toksycznosci 22th Inetrnational
Scientific Conference on Internal Combustion Engines KONES'96.
11. Boretti AA, Borghi M., Cantore G., Mattarelli E.: Numerical Optimization of
Racing Engine with Variable Intake adn Exhaust Geometry and Valve Actuation.
SAE Paper 962542.
12. Leone TG., Christenson E.1., Stein R.A: Comparison of Variable Camschaft
Timing Strategies at Part Load. SAE Paper 960584.
13. Kozak WI., Wislocki K.: Sterowanie skokiem zaworu w silniku spalinowym. 24th
International Scientific Conference on Combustion Engines KONES'98 WarsawGdansk September 13-16, 1998 str. 79.
187