Двс с магнитными клапанами (5 видео)

Содержание

Автомобильный двигатель без распределительного вала
Двигатель без клапанных пружин: особенности мотора с магнитными клапанами
Доработка ГБЦ: магниты вместо пружин клапана
Перспективы двигателя с магнитными клапанами
Что в итоге
📸 Видео

Видео:Изобретение из Мордовии ГРМ в ДВС без клапанных пружин Without valvate springsСкачать

Автомобильный двигатель без распределительного вала

Кандидат технических наук Д. СОСНИН.

Исторически сложилось так, что отечественное автомобилестроение развивалось в попытках догнать западных коллег. По-настоящему оригинальные модели (к ним относится, скажем, “Победа”) можно пересчитать по пальцам. И все же интересные разработки, внедрение которых позволило бы нашим автомобилестроителям успешно конкурировать с зарубежными, появляются. Предлагаем вниманию читателей рассказ о необычном механизме, предложенном доцентом кафедры “Электротехника и электрооборудование” Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) Д. А. Сосниным. Устройство позволяет отказаться от применения в двигателе привычного распределительного вала и в то же время гибко управлять фазами газораспределения и величиной хода клапанов.

ТАМ, ГДЕ ЭЛЕКТРОНИКА ПАСУЕТ

Любой автомобилестроитель стремится к тому, чтобы двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на его машинах работали в оптимальном режиме: обеспечивали максимальную мощность, равномерность крутящего момента, минимальный расход топлива, наименьшую токсичность выхлопных газов. Однако пока этого никому не удалось добиться в полной мере, поскольку улучшение одних характеристик приводит к ухудшению других. В последнее время, правда, достигнут существенный прогресс благодаря применению автоматизированного управления работой двигателя с широким использованием электроники.

При составлении программы для системы управления двигатель на специальном испытательном стенде вводят в устойчивый режим работы и последовательно корректируют все параметры так, чтобы для данного режима они обеспечивали наилучшие выходные характеристики. То же проделывают при других режимах. Результаты записывают в постоянную память электронного блока в виде многомерной диаграммы, с помощью которой в дальнейшем формируются управляющие сигналы по каждому из параметров.

Например, в комплексной электронной системе “Motronic” (ФРГ), которая управляет впрыском топлива и зажиганием, пять таких диаграмм: для корректировки угла опережения зажигания, времени впрыска топлива, положения клапана рециркуляции (устройства, возвращающего часть выхлопных газов в цилиндр для лучшего дожигания топлива), времени накопления энергии в катушке зажигания и положения дроссельной заслонки. В качестве входных параметров в этой системе используются частота вращения коленчатого вала, крутящий момент и температура двигателя, а также напряжение аккумуляторной батареи. На выходе контролируют соответствие оборотов двигателя крутящему моменту и содержание окиси углерода в выхлопных газах.

К сожалению, в автомобиле есть система, которая не поддается регулированию даже самой изощренной автомобильной электроникой. Это газораспределительный механизм с жесткой кинематической связью между коленчатым и распределительным валами.

Специалисты считают, что классический двигатель достаточно совершенен и если иногда плохо работает, то лишь потому, что “задыхается от собственного выхлопа”; стоит дать двигателю побольше кислорода, позволить “дышать полной грудью”, и ему не будет альтернативы.

Помочь двигателю можно, если бы удалось сдвигать моменты открытия и закрытия клапанов, в первую очередь впускных. Вспоминается, как еще в начале 70-х годов прошлого века автогонщики прибалтийских

республик выигрывали состязания, добиваясь частоты вращения коленчатого вала до 3000 об/мин на холостом ходу и до 8000 об/мин на полном газу. Впоследствии выяснилось, что они раздобыли шаблон распределительного вала, наплавляли кулачки и затем вручную доводили их форму. С такими распредвалами двигатели выдавали высокие характеристики (мощность и крутящий момент), но только на больших оборотах. Для спортивных машин это хорошо, но для “частных” — неприемлемо. Тем не менее такой факт говорит о заметной роли запаздывания или опережения фазы клапанов.

Читайте также: Клапан тарелка стержень сухарь

Как же заставить клапан открываться и закрываться в тот момент, который соответствует оптимальной работе двигателя? Ясно, что нужно управлять фазами газораспределения в зависимости от частоты вращения, положения и нагрузки коленчатого вала. Традиционный кулачковый распредвал не позволяет решить эту задачу.

В небольших пределах соотношение фаз газораспределения можно регулировать с помощью механических, электромеханических, гидравлических, пневматических приводов клапанов. Но наиболее перспективным считается электромагнитный привод, управляемый электроникой. С его помощью можно не только оптимизировать работу двигателя, но и расширить его функциональные возможности. Так, четырехцилиндровый двигатель при изменении порядка срабатывания клапанов можно заставить действовать как двух- или трехцилиндровый; он более равномерно работает при переменных нагрузках, потребляет меньше топлива на максимальных оборотах при заданной мощности. Не будет у такого двигателя проблем с изменением направления вращения коленчатого вала.

На первый взгляд все выглядит очень просто, но почему-то на автомобилях электромагнитные клапана пока встречаются только в экспериментальных разработках.

Попытку реализовать идею электромагнитного клапана с гибким управлением предпринял в середине XX века профессор МАДИ В. М. Архангельский. Включение и выключение электромагнитов происходило при замыкании и размыкании контактов, связанных с кулачками распределительного вала. На место клапан возвращался пружиной.

В схеме Архангельского был предусмотрен центробежный регулятор на распределительном валу. При изменении частоты вращения он смещал положение кулачков и вызывал опережение открывания и закрывания клапанов. Таким образом, регулятор играл роль обратной связи. Это позволяло обходиться без программного управления, которого, кстати, тогда и не могло быть.

К сожалению, несмотря на изящество схемы, работоспособную конструкцию создать не удалось. Дело в том, что клапан должен быстро срабатывать и надежно закрываться, а поэтому требуется возвратная пружина с большой жесткостью. Соответственно нужен мощный электромагнит, который потребляет значительный ток из бортовой сети автомобиля. В те времена не было мощных полупроводниковых вентилей и металлические контакты при коммутации больших токов быстро выгорали. Наконец, при закрытии клапана возвратной пружиной происходил сильный удар головки клапана о гнездо, что вызывало шум при работе газораспределительного механизма и вело к частым поломкам клапанов.

Избавиться от многих недостатков, присущих клапану Архангельского, можно, если вместо одного электромагнита поставить два — открывающий и закрывающий. Подобная схема была разработана одним из студентов Тольяттинского государственного университета в дипломном проекте под руководством доктора технических наук профессора В. В. Ивашина.

В данном варианте конструкции пружины не нужны, и поэтому электромагниты могут быть меньших размеров и мощности — ведь большой ток потребляется лишь при закрывании и открывании клапанов, а для их удержания достаточна сила тока в десять раз меньше.

Но главное, теперь можно обойтись совсем без распределительного вала, поскольку задавать время срабатывания и силу тока через обмотку электромагнита может программируемый контроллер — электронное устройство, обычно на микропроцессоре, управляющее работой двигателя и других систем автомобиля.

В НАМИ под руководством кандидата технических наук А. Н. Терехина начали проводить исследовательские и конструкторские разработки газораспределительного механизма с электромагнитным приводом клапанов на базе двигателя М-412. В результате был создан действующий макет газораспределительного механизма с двухсторонними электромагнитами на восьми клапанах. Но с начала 1990-х годов финансирование прекратилось, и перспективная разработка затерялась в архивах.

Читайте также: Разрезной карман с клапаном

Несколько лет назад работы над новым газораспределительным механизмом были возобновлены на Волжском автозаводе под руководством главного конструктора АвтоВАЗа П. М. Прусова. Так, среди тем Всероссийского конкурса “Русский автомобиль” (см. “Наука и жизнь” № 12, 2002 г.) была объявлена “Разработка системы электромагнитного привода газораспределительных клапанов для 16-клапанного двигателя ВАЗ”. На конкурс были представлены два проекта, но оба совсем “не по делу”, и их даже не стали рассматривать.

Тем временем над усовершенствованием электромагнитного привода клапанов начали работать японские, американские и (с наибольшим успехом) немецкие автомобилестроители. Уже в 2002 году компания БМВ приступила к испытаниям на реальном 16-клапанном двигателе газораспределительного механизма с электромагнитным приводом всех клапанов.

Тогда же к разработке электромагнитных газораспределительных клапанов приступили на кафедре “Электротехника и электрооборудование” МАДИ (ГТУ).

Хотя на Западе нас не признавали конкурентами: мол, “отстали на 10 миль” (на жаргоне автогонщиков так говорят об отставших на два круга, что означает — слабаки), однако автором запатентована конструкция, которая решает большинство проблем, присущих электромагнитным приводам.

В ней вместо громоздких электромагнитов, установленных над клапанами, применены длинные соленоиды. Торможение сердечника в длинном соленоиде реализуется не жесткими упорами, а краевыми магнитными полями, и работа привода становится бесшумной. Кроме того, ход клапана может быть сколь угодно большим и регулируемым. Возвратно-поступательное движение от электромагнита к клапану передается через штангу и качающееся коромысло. Благодаря этому привод можно устанавливать не над блоком цилиндров, а на его боковой поверхности. В результате значительно уменьшается высота двигателя, а для охлаждения и смазки деталей привода используются штатные системы автомобиля.

Теперь дело за моторостроителями. Если удастся воплотить идею в металле, в России появится приемистый и экономичный автомобиль, который к тому же будет удовлетворять самым жестким требованиям по чистоте выхлопа.

Видео:Эксперимент с пружинами клапанов (#1)Скачать

Двигатель без клапанных пружин: особенности мотора с магнитными клапанами

Как известно, сегодня поршневой двигатель внутреннего сгорания практически достиг предела своего совершенства, то есть значительно улучшить или доработать различные версии силового агрегата данного типа не представляется возможным.

При этом детальная конструкция держится в секрете и не доступна широким массам, нет никаких предпосылок для начала серийного производства подобных ДВС, ставится под сомнение реальная работоспособность таких силовых установок и т.д.

Если же говорить об инновациях, которые пошли в серию, сегодня особый интерес представляют разве что бензиновые и дизельные двигатели Mazda SkyActiv. Однако на этом эволюция ДВС все равно не прекратилась. Далее мы рассмотрим, что такое двигатель, который имеет магнитные клапаны, а также какие преимущества в перспективе имеет данное решение.

Видео:Шокирующие новости автопрома Магнитные клапаны из ТорбеевоСкачать

Доработка ГБЦ: магниты вместо пружин клапана

Итак, давно известно, что потери полезной энергии на трение и приведение в действие различных механизмов и узлов в ДВС довольно значительные. Не трудно догадаться, если такие потери снизить, это будет означать, что силовая установка станет мощнее и экономичнее.

Такой подход в перспективе позволит увеличить КПД бензинового мотора на 10 или даже 12 процентов. Результат — бензиновый агрегат по топливной экономичности и ряду других показателей вплотную приблизится к дизельному.

Читайте также: Электромагнитный клапан для пара 220в нормально закрытый

Чтобы было понятнее, для начала необходимо рассмотреть принцип работы обычного механизма ГРМ с распредвалом и пружинами клапанов. В двух словах, механизм газораспределения работает так, что в результате вращения распределительного вала на клапан воздействует толкатель.

Это позволяет клапану открыться в строго заданный момент и оставаться открытым определенный промежуток времени. Также дополнительно имеется пружина, которая принудительно закрывает клапан сразу после того, как усилие от толкателя ослабевает.

Если к этому добавить, что большинство современных ДВС имеют два распредвала и 16 клапанов, становится понятно, что большую часть энергии мотор расходует именно для поддержания работы ГРМ.

Так вот, недавно появилась информация о том, что был создан двигатель, который вместо клапанных пружин получил магниты. Разработка принадлежит отечественным новаторам. Если коротко, вместо привычного распредвала с кулачками был установлен доработанный.

Такой вал получил особые магнитные эксцентрики. Эксцентрики притягивают клапан, обеспечивая постоянное зацепление. Получается, клапан «примагничен» к части вала, при этом в заданное время происходит открытие и закрытие клапана.

На практике, это позволяет достичь, в среднем, 30-40% экономии топлива на 100 км. пути, а также добиться прибавки мощности на 25-30%. Кстати, постройка такого двигателя была реализована на базе мотора ВАЗ Приора, а само изобретение создатели успешно запатентовали. Еще добавим, что в перспективе наличие магнитов на валу может позволить добиться еще более впечатляющих результатов.

Например, отдельные энтузиасты на профильных форумах обращают внимание на то, что если к мощным магнитам добавить еще и индукционные катушки, тогда вполне можно избавиться и от автомобильного генератора. Это значит, что двигателю не нужно будет крутить отдельный агрегат, то есть еще больше должен увеличиться показатель КПД двигателя.

Видео:Почему при ослабших пружинах клапанов идёт потеря мощности и увеличивается расход топлива?Скачать

Перспективы двигателя с магнитными клапанами

Вполне логично, что схема такого устройства ГРМ является достаточно перспективной. Однако для многих скептиков работоспособность данного решения является предметом для споров, надежность также вызывает определенные сомнения.

Начнем с того, что наибольшего внимания заслуживает сама реализация магнитного крепления, так как на высоких оборотах распредвала клапан может попросту потерять жесткую сцепку, что приведет к нарушениям работы ГРМ и даже может стать причиной непредвиденных поломок.

Единственный аргументом может служить само утверждение изобретателей, которые наглядно демонстрируют, что благодаря магнитам удается удерживать вес около 400 грамм. Этого вполне достаточно для нормальной работы механизма газораспределения с учетом любых оборотов и нагрузок.

Напоследок отметим, что магнит вполне может прийти в негодность через какое-то время (фактически, магнитное поле станет менее сильным и сцепка ослабнет). Такую возможность исключать не стоит, однако для того, чтобы произошло «размагничивание», необходимо много времени (несколько лет).

На практике привычный ГРМ также нуждается в обслуживании через определенный пробег (ослабевают пружины клапанов, изнашивается сам распредвал и т.д.). При этом в двигателе без клапанных пружин, который будет изначально экономичнее и мощнее, также можно сделать замену на новые магниты.

Видео:ПРИОРА БЕЗ КЛАПАННЫХ ПРУЖИНСкачать

Что в итоге

Как видно, относительно простое и доступное решение внедрить магниты в устройство клапанного механизма позволяет заметно улучшить характеристики ДВС. При этом также стоит отметить достаточно низкую себестоимость подобной инновации.