POROWNANIE ROZRZi\DOW SILNlKA Z KRZYWKt\ MECHANICZNi

Journal of Kones. Combustion Engines, VolB, No 3-4, 2001
POROWNANIE ROZRZi\DOW SILNlKA Z KRZYWKt\
MECHANICZNi\ I ELEKTRONICZNi\
Zbigniew Kossowski
Osrodek Badawczo Rozwojowy CENARO w Lodzi
Jan Aleksander Wajand
Krzysztof Zbierski
Politechnika Lodzka
Streszczenie. W artykule porownano ze soba dwa typy napedu zaworow rozrzadu silnika a
mianowicie naped zaworu za pomoca krzywki elektronicznej z napedem za pomoca krzywki
mechanicznej, Nowe pojecie .krzywki elektronicznej", bedacej w istocie elektromagnetycznym
silownikiem sterowanym elektronicznie, wprowadzili autorzy przez analogie do krzywki
mechanicznej umieszczonej na wale rozrzadu. Przedstawiono schematy oraz modele
porownywanych napedow, Do porownania przyjeto rozmaite wielkosci charakteryzujace przede
wszystkim ruch zaworu. Na podstawie przeprowadzonego porownania stwierdzono, ze ewentualne
zastosowanie "elektronicznej krzywki" daloby zupelnie nowe mozliwosci sterowania silnikiem
powodujac istotna poprawe jego parametrow,
1. Wprowadzenie
Prace [1, 5, 6, 7] przedstawiaja prototypowe, elektromagnetyczne napedy zaworow
rozrzadu tlokowych silnikow spalinowych. Ich konstrukcje oparte SIt na takim samym lub
podobnym schemacie elektromagnetycznym. Charakterystyczne dla nich jest zakonczenie
zaworu zwora, umieszczona miedzy dwoma cewkami elektromagnesu w taki sposob, ze
dwie sprezyny polaczone ze zwora utrzyrnuja zawor w polozeniu otwartym w polowie jego
skoku, oczywiscie gdy prad nie doplywa do zadnej cewki elektromagnesu, Po doplywie
pradu do gornej cewki nastepuje zamkniecie zaworu. Wylaczenie pradu powoduje
przemieszczenie sie zaworu do polowy jego skoku, a doplyw pradu do dolnej cewki
powoduje pelne otwarcie zaworu, Po wylaczenie zasilania pradem dolnej cewki nastepuje,
pod dzialaniern sprezyny, powrot zaworu do polowy skoku i zamkniecie jego, jak juz
powiedziano, po zasileniu pradem gornej cewki. Ruch zaworu wymuszany jest tu takze
przez sprezyny, podobnie jak w klasycznym, krzywkowym rozrzadzie, Stad bardziej scisla
nazwa tego napedu - elektromechaniczny.
Z doniesien prasowych wynika, ze pierwsze samochody z elektromagnetycznym
rozrzadem powinny pojawic sie okolo 2005 roku.
Inny elektromagnetyczny naped zaworow, koncepcji autorow, przedstawiono w [2, 3,
4], ktorego sposob pracy oparty jest na odmiennym schemacie elektromagnetycznym, w
ktorym nie rna sprezyn wymuszajacych ruch zaworu. Jego charakterystyczna cecha jest
ruchoma, cylindryczna cewka polaczona z zaworem i poruszajaca sie w szczelinie miedzy
rdzeniem a nabiegunnikami posiadajacymi stale magnesy. Cewka podzielona jest na dwie
czesci - gorna i dolna, nawiniete w przeciwnych kierunkach. Dzieki temu przeplyw pradu
powoduje powstanie sily 0 jednakowym zwrocie zarowno w gornej jak i jej dolnej czesci.
Zwrot wytwarzanej sily zalezy od kierunku przeplywu pradu, tak wiec uzyskuje sie
zarowno sile zamykajaca i otwierajaca zawor bez potrzeby stosowania sprezyn jak w
rozwiazaniach,
Z
punktu
widzenia
schematu
poprzednio
omowionych
elektromagnetycznego jest to naped magnetoelektryczny.
129
W celu wyjasnienia zasadnosci zastosowania w przyszlosci w silnikach spalinowych
elektromagnetycznych napedow zaworow rozrzadu dokonano porownania ich z
k1asycznym napedem zaworow za pomoca warn krzywkowego. Do porownania przyjeto
autorski, magnetoelektryczny naped, Na rysunku 1 przedstawiono schematy
porownywanych ze soba dwoch typow napedow zaworow rozrzadu silnika, a mianowicie
napedu zaworu za pomoca krzywki elektronicznej z napedem za pomoca krzywki
mechanicznej. Nie wynika z tego, ze jest on lepszy od napedow elektromechanicznych ale,
nie posiadajac w przeciwienstwie do nich sprezyn napedowych, jest "czystym" napedem
elektromagnetycznym, a nie swego rodzaju .Jrybryda' jak w przypadku napedu
elektromechanicznego.
a
b
+
5
4
2
3
.. ..
.. ..
6
1
Rys. I. Sehematy napedow zawor6w rozrzqdu silnika spaiinowego
a - naped z krzywkq elektronicznq; b - naped z krzywkq mechaniczna
E - krzywka elektroniezna, M - krzywka meehaniczna, I - zawor rozrzqdu, 2 - ruehoma
eewka, 3 - nabiegunnik ze stalym magnesem, 4 - rdzen, 5 - zlqcza prqdowe ruehomej
eewki, 6 - sprezyna zaworu
Autorzy, przez analogie do krzywki mechanicznej umieszczonej na wale rozrzadu,
wprowadzili dla napedu magnetoelektrycznego nowe pojecie .krzywki elektronicznej" Ecam, bedacej w istocie elektromagnetycznym silownikiem sterowanym elektronicznie
130
2. Modele napedew i sily dzialajace na zawor
Na rysunku 2 przedstawiono fizyczne modele porownywanych ze soba napedow oraz
sily obciazajace modele. Krzywke elektroniczna (rys.2a) zaznaczono tu symbolicznie w
postaci zamknietych Iinii indukcji magnetycznej. Na rysunku 3 pokazano natomiast
czasowe przebiegi tych sil. Nie uwzgledniono tu zmiennych sit dzialajacych na zawory,
pochodzacych od cisnienia gazow w cylindrze, gdyz w obu przypadkach sa one takie
same, a zatem do celow porownawczych mozna je byto pominac, Podobnie porninieto sily
tarcia. Sa one na odcinku prowadzenia zaworu dla obydwu przypadkow takie same. Roznic
sie one beda na odcinku wspolpracy krzywki mechanicznej z popychaczem oraz
elementow ruchomych krzywki elektronicznej. W obydwu napedach sily te sa bardzo
trudne
do
okreslenia
i niewielkie w stosunku do sit bezwladnosci oraz sily sprezyny.
b
a
y
Rys. 2. Modele fizyczne napedow zaworaw rozrzqdu tlokowego silnika spalinowego i si/y
dzialajqce na zawar
a - z krzywka elektronicznq, b - z krzywkq mechaniczna
m - masa zastepcza ruchomych elementow napedu, PM - sila od krzywki mechanicznej, PE sila elektromagnetyczna, Ps - sila nacisku sprezyny, Pb - sila bezwladnosci mas
ruchomych
Calkowita sill; obciazajaca zawor w przypadku napedu z krzywka rnechaniczna mozna
wyrazic rownaniem:
W rownaniu tym P, = m a
gdzie:
m - zredukowana masa elementow napedu bioracych udzial w ruchu,
.
.
a - przyspteszeme
Calkowita sill; obciazajaca zawor w przypadku napedu z krzywka elektroniczna mozna
wyrazic rownaniem:
131
a
b
1......•
P,
-
,.._. »> p,
.-i"--I>E
~:.--"'~::''';
----~---- [
:._- -1 czas
:
czas
:
wznios zaworu
..................
h,
.....
-- \ --
\ I -
A
B
Rys. 3. Czasowe przebiegi sil obciqzajqcych modele napedow zaworaw
a - z krzywkami mechanicznq i elektronicznq, b - z krzywkq elektronicmq
PM- sila ad krzywki mechanicznej, PE - sila elektromagnetyczna, Ps - sila nacisku
sprezyny, Ph - sila bezwladnosci mas ruchomych w napedzie mechanicznym, h« - przebieg
wzniosu zaworu napedzanego mechanicznie
Na rysunku 3a przedstawiono przykladowy przebieg sit: bezwladnosci Pb w napedzie
z krzywka mechaniczna, sprezyny zaworowej P, i wypadkowej od krzywki mechanicznej
PM, na tie przebiegu wzniosu zaworu h, napedzanego krzywka mechaniczna, Zaznaczono
na nim rowniez elektromagnetyczna sile PE, napedzajaca zawor w przypadku krzywki
elektronicznej. Dla wiekszej czytelnosci wykresu nie zaznaczono przebiegu sily
bezwladnosci masy ruchomej w napedzie elektromagnetycznym, ktory jest taki sam jak
przebieg sily elektromagnetycznej PE, tylko obrocony ° 180 stopni wzgledem osi czasu.
Mimo, ze przebiegi porownywanych ze soba sil dla obydwu nap«dow maja przede
wszystkim charakter jakosciowy, to starano silt je przedstawic w takich proporcjach, jakie
moga w rzeczywistosci wystapic. Widac zatem, ze dla uzyskania przebiegu wzniosu
zaworu, porownywalnego z przebiegiem krzywki mechanicznej, sila elektromagnetyczna
PE jest mniejsza od sily krzywki mechanicznej PM, przede wszystkim 0 wartosc sily
sprezyny P; Jej mniejsza wartosc wynika takze z faktu mniejszej masy ruchomej w osi
zaworu w porownaniu z napedem mechanicznym. Charakterystyczna dla przebiegow
krzywki elektronicznej jest mozliwosc uzyskania wzniosu zaworu posiadajacego prosty
odcinek AB (rys.3b). Jego wartosc moze bye zmieniana od pewnej maksymalnej do
minimalnej wartosci rownej zeru, jak w przypadku krzywki mechanicznej. Wiaze silt to
oczywiscie z koniecznoscia zasilania cewki wiekszym pradem, a zatem wieksza sil'l PE,
jak zaznaczono to na rysunku 3b. W przypadku uwzglednienia sit gazowych, szczegolnie
132
podczas otwierania zaworu wydechowego oraz sil tarcia, sily PM oraz PE musza bye 0 nie
zwiekszone, 0 ile wygenerowanie zwiekszonej sily napedowej w przypadku krzywki
mechanicznej odbywa sie automatycznie, 0 tyle w przypadku krzywki elektronicznej
nalezy jll impulsowo zasilic odpowiednio wiekszym pradem.
3. Wlasciwosci porownywanych
nap~dow
Ponizej zestawiono w tabeli 1 wlasciwosci porownywanych ze soba napedow z krzywka
elektroniczna i mechaniczna, Dla uproszczenia napedy te oznaczono jako: krzywke
elektroniczna w przypadku napedu magnetoelektrycznego oraz krzywke mechaniczna
w przypadku konwencjonalnego napedu rozrzadu z walem krzywkowym.
Tab. 1. Wlasciwosci napedow rozrzadu tlokowego silnika spalinowego
Krzywka elektroniczna
Krzywka mechaniczna
I
2
Ruch zaworu wymuszany jest przez sile
elektromagnetyczna powstajaca w wyniku
oddzialywania stalego pola magnetycznego
na przewodnik - cewke - w ktorym plynie
prad, Przeplyw okreslonej wartosci pradu
powoduje
powstanie
sily
elektromagnetycznej. Sib ta moze miec
zwrot zarowno dodatni jak I uJemny w
zaleznosci od kierunku przeplywu pradu, Za
pomoca sterowania e1ektronicznego mozna
ksztaltowac przebieg pradu w cewce a zatem
wplywac na ruch zaworu w trakcie pracy
silnika I wplywac na przebieg wzniosu
zaworu.
Ruch zaworu wymuszany jest przez sil~
krzywki
podczas
otwierania
1
sile
wspolpracujacej z nia sprezyny zaworowej
podczas zamykania. Przebieg wzniosu zaworu
zalezy od geometrii krzywki, ktora jest
niezmienna a zatem nie ma mozliwosci
ksztahowania przebiegu wzniosu zaworu w
trakcie pracy silnika.
Konieczny jest czujnik mierzacy rzeczywiste Nie jest potrzebny
czujnik
polozenie zaworu tak by korygowac rzeczywiste polozenie zaworu.
ewentualne odchylki od zaplanowanej
trajektorii.
Dowolna chwila otwarcia zaworu.
rruerzacy
Stala chwila otwarcia zaworu.
Niewielka korekta mozliwa jest przy
zastosowaniu dodatkowych, skomplikowanych
mechanizmow zmiany kata.
Mozliwosc rezygnacji z otwarcia zaworu.
Brak mozliwosci
zaworu.
rezygnacji
z
otwarcia
133
2
1
Stala chwila zarnkniecia zaworu.
Dowolna chwila zamkniecia zaworu.
Niewielka korekta mozliwa jest przy
zastosowaniu dodatkowych, skomplikowanych
mechanizmow zmiany kata,
Brak mozliwosci rezygnacji z zamkniecia
zaworu. Niewielka korekta mozliwa jest przy
0 ile me rna niebezpieczenstwa kolizji
zastosowaniu dodatkowych skomplikowanych
zaworu z tlokiem,
mechanizmow uchylania zaworu np. hamulce
g6rskie VEB.
Mozliwosc rezygnacji z zamkniecia zaworu
Mozliwosc plynnej regulacji skoku zaworu.
Staly skok zaworu.
Mozliwosc regulacji skoku przy zastosowaniu
skomplikowanych mechanizmow.
Mozliwosc
zaworu.
zmiany
przebiegu
Mozliwosc ogramczerua
przyspieszen w ukladzie,
wzniosu Brak mozliwosci zmiany przebiegu wzniosu
zaworu.
maksymalnych Brak mozliwosci ograniczenia maksymalnych
przyspieszen w ukladzie.
Mozliwosc wyhamowania zaworu prawie do Predkosc osiadania zalezy od geometrii
zerowej predkosci przed osiadaniem w krzywki, luzow zaworowych 1 predkosci
gniezdzie.
obrotowej silnika.
"Mif<kkie osiadanie" zmniejsza wymagania Wystepuja takze
wytrzymalosci trzonka zawor6w i gniazd.
osiadaniu.
odbicia
zawor6w
przy
Mozliwosc
regulacji
wsp61czynnika Staly wsp6kzynnik wypelnienia W.
wypelnienia W i wspolczynnika napelnienia
Niewielka korekta mozliwa jest przy
cylindra.
zastosowaniu dodatkowych, skomplikowanych
Celem podstawowym jest
uzyskanie rnechanizmow zmiany skoku.
okreslonego przebiegu wyrmany ladunku,
Przebieg
I
wspolczynnik
wzmosu
wypelnienia W jest narzedziem sluzacyrn
temu celowi. Taki sam wsp61czynnik
napelnienia mozliwy jest do uzyskania przy
roznych przebiegach wzniosu, a zatem przy
roznych wymaganych pradach sterujacych.
Mozliwe wiec bedzie wybranie takiego
przebiegu, kt6ry
zapewni optymalne
parametry pracy silnika przy najmniejszym
pradzie
sterujacym
a
zatem
przy
najmniejszych obciazeniach cieplnych 1
mechanicznych napedu,
134
1
2
Mozna generowac sily i przyspieszenia w obu Dla krzywki konwencjonalnej przyspieszenia
kierunkach bez koniecznosci stosowania dodatnie sa powodowane przez krzywke,
sprezyny dajacej przyspieszenia ujemne.
natomiast ujemne musi zapewnic sprezyna. Jej
sila musi bye wiec tak duza by zapewnila
odpowiednie ujemne przyspieszenia nawet dla
maksymalnej predkosci obrotowej silnika.
Oznacza to, ze przy mniejszych predkosciach
ta sila jest zdecydowanie zbyt duza, a podczas
realizowania przyspieszen dodatnich sib
sprezyny jest w ogole nie potrzebna. Powoduje
to niepotrzebny wzrost zuzycia krzywki
i popychacza oraz straty mechaniczne.
Kontrolujac scisle wartosci chwilowe pradu
mozna doprowadzic do sytuacji, ze wartosci
maksymalne przyspieszen me beda prawie
odbiegac od wartosci srednich.
Analizujac rzeczywiste przebiegi przyspieszen
widac duza ich zmiennosc. Wartosci chwilowe
sa znacznie wieksze od wartosci srednich,
ktore teoretycznie mogly by bye wystarczajace
dla
uzyskania
wymaganego
przebiegu
wzniosu. Jednak wytrzymalosc mechanizmow
rozrzadu musi bye dostosowana do wielkosci
maksymalnych. Wymaga to zwiekszenia
wymiarow i mas elementow, lub stosowania
znaczme wytrzymalszych, ale t drozszych
elementow
Wartosci przyspieszen zaleza tylko od
wartosci pradu sterujacego, a nie zaleza od
predkosci obrotowej silnika. Tak wiec dla
uzyskania takiego samego przebiegu wzniosu
w funkcji kata dla roznych predkosci
obrotowych silnika nalezy stosowac rome
wartosci
pradu.
sterujacego.
Oczywiscie
..
. Ik . .
bi
pr~e l~g W.z~lOS~ me d .Jestdl wie ~SC~1l
na rze na, a ie y~:e.na~z~Ozkle~1 a uzys ~ma
wymaganego napemierua.
res ona wyrmane
ladunku mozna uzyskac stosujac rozne
strornosci I chwile otwierania i zamykania
zaworu. W pracach [7, 12, 16, 22]
przeprowadzone sa teoretyczne analizy
wplywu pararnetrow otwierania i zamykania
zaworow na prace silnika.
Zarowno predkosci jak i przyspieszenia zaleza
od predkosci obrotowej silnika (i warn
krzywkowego). Predkosc zaworu rosnie
proporcjonalnie do predkosci obrotowej
silnika,
natomiast
przyspieszenie
proporcjonalnie do drugiej potegi.
W'
jak 1 wspolczynnik
zmos
zaworu
,
wypelnienia nie jest zalezny od predkosci
obrotowej.
135
1
2
Niedokladnosc odczytu przez czujnik moze Niedokladnosci wykonania jak i Iuz zaworowy
powodowac nieprawidlowe dzialanie napedu. powoduja, ze rzeczywiste przebiegi sa rozne
od zakladanych, zwlaszcza w chwili zetkniecia
sie popychacza z krzywka, jak i w chwili
osiadania zaworu w gniezdzie.
Miedzy bieznia krzywki a slizgiem wystepuja
Nie wystepuje takie zjawisko.
duze naciski
0
charakterze dynamicznym.
Obciazenia te moga powodowac luszczenie
powierzchni (pitting).
Niewielka zmiana luzu zaworow w czesci
biernej - obszarze kasowania luzow powoduje
duza zmiane katow otwarcia I zamkniecia
zaworu, a dokladniej jego odszczelnienie.
Nie wystepuje takie zjawisko.
Mozliwosc
skuteczniejszego hamowania Ograniczona mozliwosc hamowania silnikiem.
silnikiem - praca siinika jako sprezarki.
Calkowita niezaleznosc sterowania kazdym z Brak mozliwosci niezaleznego sterowania
zaworow.
kazdym z zaworow,
Iiczba
czesci,
wspolpracujacych ze soba.
Zmniejszona
zwlaszcza Duza Iiczba czesci wspolpracujacych ze soba
powodujacych duze straty tarcia
Nie wystepuje zjawisko przkaszania zaworow. Wystepowanie sit przekaszajacych zawory w
prowadnicach powodowanych przez skladowa
poprzeczna,
Drgania warn korbowego nie maja wplywu na Drgania warn korbowego moga przenosic sie
dzialanie zaworow.
na zawory.
Brak koniecznosci regulacji Iuzu zaworowego
Mozliwosc
spalin.
regulacji
stopnia
Koniecznosc regulacji Iuzu zaworowego.
recyrkulacji Regulacji stopnia recyrkulacji spalin jest
dodatkowe
specjalne
mozliwa
przez
mechanizmy.
mozliwosci
wyeliminowania
Mozliwosc wyeliminowania przepustnicy w Brak
przepustnicy w kanale dolotowym
kanale dolotowym.
Ulatwienie startu przez wylaczenie kompresji.
136
Wylaczenie kompresji
zaworu - odpreznika,
wymaga
osobnego
--- -- ----
I
2
Zwiekszone zapotrzebowanie na energie Brak zapotrzebowania na energie elektryczna.
elektryczna koniecznosc zasilania napieciem
24V lub 42Y.
>
Mozliwosc
komputerowego
sterowania Ograniczone mozliwosci
wszystkimi parametrami pracy silnika - praca sterowania praca zaworow.
zaworow, wtryskiem paliwa, zaplonem itp a takze hamulcami elektrycznymi.
komputerowego
4. Podsumowanie
Na podstawie przeprowadzonego porownania rozrzadow silnika z krzywka
mechaniczna
i elektroniczna, mozna stwierdzic, ze ewentualne zastosowanie w przyszlosci
elektronicznej krzywki w postaci magnetoelektrycznego silownika, daloby zupelnie nowe
mozliwosci sterowania silnikiem, powodujac istotna poprawe jego parametrow, Te
mozliwosci wynikaja, przede wszystkim, z nastepujacych trzech wlasciwosci
magnetoelektrycznego napedu zaworow, a mianowicie:
I. swobodnego doboru chwili otwarcia i zamkniecia zaworu,
2. bezstopniowej regulacji skoku zaworu,
3. w przyblizeniu prostokatnego przebiegu wzniosu zaworu.
Prace wykonano w ramach projektu badawczego Nr 9Tl2 D 020 18, finansowanego przez
Komitet Badan Naukowych w Warszawie.
Literatura
1. Backhaus R., Beckman K: Motoren und Komponenten - Elektromechanischer
Ventiltrieb von Siemens. Motortechnische Zeitschrift 11/1999.
2. Kossowski Zb., Wajand 1. A., Zbierski K: Uklad napedu zaworow tlokowego
silnika spalinowego. FWWctl!rgLgda.pl
3. Kossowski Zb., Wajand J.A., Zbierski K: Bezkrzywkowe napedzanie zaworow
rozrzadu tlokowego silnika spalinowego Journal of Kones Internal Combustion
Engines. Kones 2000, Naleczow 2000.
4. Kossowski
Zb.:
Badania
ruchu
zaworu
rozrzadu
wymuszanego
elektromagnetycznie. Praca doktorska, Politechnika Lodzka Filia w BielskuBialej Katedra Cieplnych Maszyn Tlokowych. Bielsko-Biala 2001.
5. Salber W., Kemper H., Van der Staay F., Esch T.: Der elektromechanische
Ventiltrieb - Systembaustein fur zukiinftige Antriebskonzepte. MTZ
Motortechnische Zeitschrift. Teil 1, Teil2 2000/12 i 2001/1.
6. Valkenburgh P.: Technology update - Electric valves. Aura Systems, Inc.: Road
& Track EVA Article /1998. htt.P.~L!.WIDY.cl!-!!mm.\lJ1lS.S:.9.!J1/LQil.Q
7. Volker F., Schulz & Wiliam E. Seitz.: Gently does it. Engine technology
international, Venture Scientifics, LLC, USA 1999.
137
ELECTRONIC AND MECHANICAL VALVE TIMING COMPARISION
Summary. In the article two types of valve timing were compared i.e. electronic cam valve drive
and conventional valve drive with camshaft. This new concept "electronic cam", that is in fact
rnagnetoelectric servo with electronic control, was introduced by authors with analogy to
mechanical cam situated on camshaft. Diagrams and models of compared drives were presented.
Different parameters of valve motion were taken into consideration. Basing on the comparison it
was found that practical application of electronic cam would give new possibilities to engine
control, resulting in considerable engine's parameter improvement.