Bezkrzywkowy magnetoelektryczny rozrząd silnika spalinowego

Krzysztof Zbierski1
Zbigniew Kossowski2
1
Instytut Pojazdów Politechniki Łódzkiej
tel. 42 631 23 90
2
Centralny Ośrodek Badawczo Rozwojowy Maszyn Włókienniczych
„Polmatex-Cenaro” 90-608 Łódź, ul. Wólczańska 55/59
tel. 42 630 19 59, e-mail [email protected]
październik 2003
Bezkrzywkowy magnetoelektryczny rozrząd silnika
spalinowego
Każdy z nas chciałby jeździć samochodem z silnikiem:
− ekonomicznym,
− przyjaznym środowisku (ekologicznym),
− elastycznym.
Takie możliwości stwarza silnik z „uzmiennionym” rozrządem, pozwalającym na zmianę
faz i skoku zaworów w zależności od warunków pracy silnika. Nad takimi rozrządami pracuje
wiele przodujących firm samochodowych.
„Uzmiennienie” uzyskiwane jest na drodze:
− mechaniczno-elektrycznej,
− elektryczno-mechanicznej lub
− czysto elektrycznej.
Pierwsze układy mechaniczno-elektryczne stosowane są już od kilku lat w seryjnych
samochodach np. system Valve-Tronic firmy BMW zastosowany w 4-cylindrowym,
benzynowym silniku samochodu BMW 316ti.
Rys.1. Rozrząd Valve-Tronic.
1
W rozwiązaniu tym źródłem siły poruszającej zawory jest, jak w układzie klasycznym,
układ krzywkowy, ale o zmiennej, regulowanej elektrycznie geometrii.
Druga grupa, układy elektryczno-mechaniczne są obecnie testowane na silnikach
i samochodach doświadczalnych. Są to rozwiązania firm Siemens i FEV.
Schemat.
Widok.
1 – zawór
2,3 – górna i dolna cewka elektromagnesu
4 – zwora elektromagnesu
5,6 – górna i dolna sprężyna zaworu
Rys.2. Elektryczno - mechaniczny napęd zaworów firmy Siemens.
W obu tych konstrukcjach część sił potrzebnych do otwierania i zamykania zaworów
wytwarzana jest przez układ sprężyn, a część przez elektromagnesy.
Rozrząd magnetoelektryczny, będącym rozwiązaniem autorskim, należy do trzeciej grupy.
Wszystkie siły konieczne przy sterowaniu pracą zaworów wytwarzane są na drodze
elektrycznej, jako efekt wzajemnego oddziaływania pola magnetycznego i przewodnika
z prądem.
B
I
F
mr
Na przewodnik o długości L przez
który płynie prąd I umieszczony w polu
magnetycznym o indukcji B oddziałuje
siła elektromagnetyczna Fm
(siła Lorentza)
Fm = B ⋅ I ⋅ L
Rys.3. Model fizyczny magnetoelektrycznego napędu zaworów.
2
Wykorzystując powyższe zjawisko zaprojektowany został siłownik magnetoelektryczny do
napędu zaworów silnika spalinowego.
Schemat.
Widok.
7
4
6
3
5
2
8
9
1
1 – zawór,
2 – cewka,
3 – rdzeń,
4,5 – nabiegunniki,
6 – magnes stały,
7,9 – sprężyny doprowadzające prąd,
8 – uchwyt zaworu
Rys.4. Magnetoelektryczny napęd zaworów rozrządu.
Taka koncepcja rozrządu została zrealizowana i zastosowana w 1-cylindrowym
doświadczalnym silniku spalinowym.
Rys.5. Doświadczalny 1-cylindrowy silnik z magnetoelektrycznym rozrządem.
Działanie rozrządu zostało wstępnie sprawdzone na silniku bez obciążenia, a następnie
z obciążeniem silnikiem elektrycznym pracującym jako prądnica.
Wykorzystany do sterowania pracą zaworów napęd magnetoelektryczny może mieć
zastosowania w innych dziedzinach techniki, tam gdzie potrzebna jest duża szybkość
działania i dokładne sterowanie generowaną siłą, np. w automatyce, robotyce, budowie
aparatów elektrycznych i maszyn włókienniczych.
3