Электромагнитный привод клапанов ГРМ

Улучшение наполнения цилиндров можно достигнуть без увеличения числа клапанов, удлинения фазы впуска и увеличения подъема клапана, применяя электромагнитный привод клапана EVA (Electromagne­tic Valve Actuator). Такие системы в настоящее время интенсивно разрабатываются как в Европе, так и США.

Электромагнитный привод клапанов представляет собой подпружиненный клапан, который помещен между двумя электромагнитами, которые удерживают его в крайних положениях: закрытом или полностью открытом. Специальный датчик выдает блоку управления информацию о текущем положении клапана. Это необходимо для того, чтобы снизить до минимальной его скорость в момент посадки в седло.

Принцип работы систе­мы показан на рисунке. Как видно из схемы ра­боты этой системы, в системе управления кла­панами полностью отсутст­вует кулачковый вал со сво­им приводом, который заме­нен электромагнитами на каждый клапан.

Рис. Электромеханический привод клапана:
1 – электромагнит открытия клапана; 2 – якорь; 3 – электромагнит закрытия клапана; 4 – клапанная пружина

Якорь электромагнита образует комбинацию с двумя пружинами для открытия и закрытия клапана. Когда к электромагнитам не подводится электричес­кий ток, пружины клапана и электромагнита держат клапан в среднем положении, соответствующем половине хода клапана, при этом он полуоткрыт, что позволяет легко прокру­чивать коленчатый вал двигателя в начальной стадии пуска. При до­стижении необходимой час­тоты вращения от блока управления поступает сигнал и в верхний электромагнит открытия по­дается электрический ток, клапан закрывается. Одно­временно осуществляется впрыск топлива.

При открывании клапана прерывается подача напряжения в верхний электромагнит.

Рис. Изменение силы тока в электромагнитах

Энергия, накопленная в верхней пружине, движет клапан вниз до тех пор, пока накопленная энергия полностью не израсходуется. Для возможности дальнейшего перемещения клапана вниз напряжение подается в нижний электромагнит и якорь, втягиваясь под действием магнитного поля, открывает клапан. При этом, учитывая потери энергии пружины в конце ее движения, в нижний электромагнит кратковременно подается ток повышенной силы, до тех пор, пока клапан полностью не откроется.

Информация для блока управления поступает от датчи­ка, расположенного на ко­ленчатом валу и фиксирую­щего его угловое положение. Для каждого клапана ком­пьютер определяет начало его открытия и закрытия, а значит и ход, в зависимости от положения коленчатого вала. Ход клапана может изменяться от нулевой величины до максимальной в зависимости от режима работы двигателя.

Система EVA разработа­на так, чтобы почти вся энергия, необходимая для пере­мещения клапана, находи­лась в пружинах. Единствен­ным требованием, предъяв­ляемым к электрической си­стеме, является компенсация энергии демпфирования пру­жин и потерь на трение в на­правляющей клапана. Вели­чина этого трения низкая, так как нет боковых сил, дей­ствующих на клапан. Электроэнергия необходима лишь только для того, чтобы использовать ее в непосредственной близости от той точки, где полностью израсходована накопленная энергия пружины. Здесь к.п.д. электромагнита должен быть наибольший, поэтому зазор между якорем и электромагнитом устанавливают минимальный.

Привод EVA осуществ­ляет движение клапана за 2,42 мс и потребляет при этом 66 Вт на каждый клапан при частоте вращения 6000 мин-1.

Открытие и закрытие клапана производится в пре­делах долей градуса поворо­та коленчатого вала. Такая точность нужна при отсут­ствии дросселирования воз­душного заряда на впуске.

Фирма Renault предлагает несколько другую систему, в которой клапаны перемещаются между двумя пружинами, с соленоидами, кото­рые обеспечивают необходимое время открытия клапанов, но потребляют столько электричества, сколько требуется для преодоления собственных механических потерь. В предлагаемой системе нет распределительного вала и его привода. Электрическая энергия экономится за счет того, что при работе системы электрическая энергия расходуется только в момент открытия клапана, а закрывается клапан пружиной. Управление системой осуществляется электронной системой управления. Мощность, необходимая для работы этой сис­темы на холостом ходу и при малых нагрузках, составляет всего 300 Вт.

Рис. Электромагнитный привод клапанов фирмы Renault

С помощью такой системы можно не только четко управ­лять временем открытия каждого клапана, но и обес­печивать получение максимальной мощности или макси­мального крутящего момента (или очень малой и эко­номичной частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу). Система электромагнитного привода клапанов имеет и другие преимущества. Например, можно полностью отключать часть цилин­дров или переводить их на малую нагрузку, так что остальные будут работать более эффективно. Однако главное преимущество этой си­стемы заключается в том, что время и степень открытия кла­панов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя, в зависимости от условий движения. Кроме этого, конструкция самого двигателя упрощается, потому что отсутствует обычный привод газораспределительного механизма: цепи, зубчатые ремни, механизм натяже­ния, шестерни и распределительные валы. При этом значительно упрощается конструкция головки блока цилиндров и исчезает потребность в подаче к ней смазочного масла, в связи с отсутствием дросселирова­ния воздушного заряда во впускном коллекторе упро­щается и его конструкция. В целом это приводит и к уменьшению размеров дви­гателя. В головке блока ци­линдров исчезают обрабаты­ваемые многочисленные гнезда и установочные по­верхности. Все это сокраща­ет ее массу на 30 %.

Единственной и главной проблемой применения электромагнитного привода является обеспечение исполнительных устройств достаточной энергией и их большие размеры. По сравнению с обычным приводом клапанов мощность генератора при электромеханическом приводе клапанов должна быть повышена на 80%. Соленоиды должны открывать клапаны с той же скоростью, что и кулачки рас­пределительного вала, а в этом случае они получаются боль­шие и тяжелые. В действительности они будут такими, если их питать от 12-вольтовой электрической системы. Однако, в настоящее время производители легковых автомобилей должны перейти на напряжение бортовой сети 36 В, с генератором, обеспечивающим напряжение 42 воль­та (современные генераторы выдают 14 вольт, снабжая сис­тему напряжением 12 вольт). При увеличении напряжения в три раза электрический ток, необходимый для питания устройств управления клапанами, становится намного меньше, и размер соленоидов значительно уменьшается таким образом, что устройство может занимать место не больше, чем обычный механизм с двумя распределительными вала­ми в головке и клапанными пружинами.