Rozrząd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle ...

of 25 /25
Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego KRZYSZTOF ZBIERSKI, MARIUSZ SMOCZYSKI Politechnika Łódzka, Instytut Pojazdów, Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn W artykule omówiono istot bezkrzywkowego rozrzdu czterosuwowego silnika spalinowe- go oraz aktualny stan bada w dziedzinie rozrzdów bezkrzywkowych. Skupiono si przede wszystkim na rozrzdach elektrycznych, eksponujc elektryczny rozrzd magnetoelektryczny, skonstruowany wg polskiej koncepcji. Ten rozrzd porównano z mechanicznym rozrzdem krzywkowym posługujc si ich właciwociami kinematycznymi i dynamicznymi. Dziki temu wykazano na przykładzie rozrzdu magnetoelektrycznego, e rozrzd bezkrzywkowy ma wiele zalet, jakich nie posiadaj najbardziej nowoczesne mechaniczne rozrzdy krzywkowe. 1. Wprowadzenie Istota rozrzdu bezkrzywkowego czterosuwowego silnika spalinowego polega na wprawianiu w ruch zaworów rozrzdu za pomoc bezkrzywkowych napdów stero- wanych elektronicznie. W stosunku do mechanicznego rozrzdu krzywkowego zast- puj one wał rozrzdu lub ten wał i spryny zaworowe. Rol napdu bezkrzywkowe- go spełnia na ogół siłownik elektryczny, hydrauliczny, a nawet pneumatyczny. Od- miany bezkrzywkowego napdu zaworu, na tle mechanicznego napdu krzywkowego, przedstawiono na rysunku 1. Napd bezkrzywkowy moe by napdem zarówno o jednostronnym działaniu ze spryn powodujc powrotny ruch zaworu rozrzdu i czsto zapewniajc wymagany docisk zaworu do jego gniazda (rys. 1.a), jak i dwu- stronnym działaniu bez spryny (rys. 1.b). W obydwu odmianach napdów bezkrzywkowych ich elementy przesuwne umo- liwiaj wywieranie okrelonej siły na zawór równie po zaprzestaniu jego ruchu. Oznacza to uzyskanie okrelonego przestoju zaworu w stanie jego otwarcia równo- znacznego z powikszeniem czaso- i niekiedy ktoprzekroju zaworu. Po zamkniciu zaworu jego przestój równoznaczny jest z wytworzeniem docisku zaworu do jego gniazda, gdy nie zapewnia tego spryna zaworowa lub gdy w ogóle nie ma takiej spryny (rys. 1.b). Silniki z rozrzdami bezkrzywkowymi badane s aktualnie przez zagraniczne orodki naukowo-badawcze, takie jak: AVL, Siemens, Bosch, Lotus, Chrysler, BMW, Aura, Renault i inne [1÷8]. Badania te prowadzone s przede wszystkim na silnikach ARCHIWUM MOTORYZACJI 3, pp. 247-271 (2007)

Embed Size (px)

Transcript of Rozrząd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle ...

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego

    na tle rozrzdu krzywkowego

    KRZYSZTOF ZBIERSKI, MARIUSZ SMOCZYSKI

    Politechnika dzka, Instytut Pojazdw, Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn

    W artykule omwiono istot bezkrzywkowego rozrzdu czterosuwowego silnika spalinowe-

    go oraz aktualny stan bada w dziedzinie rozrzdw bezkrzywkowych. Skupiono si przede

    wszystkim na rozrzdach elektrycznych, eksponujc elektryczny rozrzd magnetoelektryczny,

    skonstruowany wg polskiej koncepcji. Ten rozrzd porwnano z mechanicznym rozrzdem

    krzywkowym posugujc si ich waciwociami kinematycznymi i dynamicznymi. Dziki temu

    wykazano na przykadzie rozrzdu magnetoelektrycznego, e rozrzd bezkrzywkowy ma wiele zalet, jakich nie posiadaj najbardziej nowoczesne mechaniczne rozrzdy krzywkowe.

    1. Wprowadzenie

    Istota rozrzdu bezkrzywkowego czterosuwowego silnika spalinowego polega na wprawianiu w ruch zaworw rozrzdu za pomoc bezkrzywkowych napdw stero-wanych elektronicznie. W stosunku do mechanicznego rozrzdu krzywkowego zast-puj one wa rozrzdu lub ten wa i spryny zaworowe. Rol napdu bezkrzywkowe-go spenia na og siownik elektryczny, hydrauliczny, a nawet pneumatyczny. Od-

    miany bezkrzywkowego napdu zaworu, na tle mechanicznego napdu krzywkowego, przedstawiono na rysunku 1. Napd bezkrzywkowy moe by napdem zarwno o jednostronnym dziaaniu ze spryn powodujc powrotny ruch zaworu rozrzdu i czsto zapewniajc wymagany docisk zaworu do jego gniazda (rys. 1.a), jak i dwu-stronnym dziaaniu bez spryny (rys. 1.b).

    W obydwu odmianach napdw bezkrzywkowych ich elementy przesuwne umo-liwiaj wywieranie okrelonej siy na zawr rwnie po zaprzestaniu jego ruchu. Oznacza to uzyskanie okrelonego przestoju zaworu w stanie jego otwarcia rwno-znacznego z powikszeniem czaso- i niekiedy ktoprzekroju zaworu. Po zamkniciu zaworu jego przestj rwnoznaczny jest z wytworzeniem docisku zaworu do jego

    gniazda, gdy nie zapewnia tego spryna zaworowa lub gdy w ogle nie ma takiej spryny (rys. 1.b).

    Silniki z rozrzdami bezkrzywkowymi badane s aktualnie przez zagraniczne orodki naukowo-badawcze, takie jak: AVL, Siemens, Bosch, Lotus, Chrysler, BMW, Aura, Renault i inne [18]. Badania te prowadzone s przede wszystkim na silnikach

    ARCHIWUM MOTORYZACJI

    3, pp. 247-271 (2007)

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 248

    samochodw osobowych, z wyran jak dotd przewag bada silnikw z rozrzdami elektrycznymi, a dokadniej elektromechanicznymi. Rwnie w Polsce prowadzone sbadania bezkrzywkowego elektrycznego rozrzdu, ale opartego na innej koncepcji nielektromechaniczna. W rozrzdzie tym zawory wprawiane s w ruch za pomoc si-ownikw magnetoelektrycznych bez udziau spryn zaworowych [911].

    Rys. 1. Odmiany bezkrzywkowych napdw zaworu rozrzdu na tle mechanicznego napdu krzywkowe-go: a napd bezkrzywkowy jednostronnego dziaania,

    b napd bezkrzywkowy dwustronnego dziaania, c napd krzywkowy. Fig. 1. Types of camless valve timing drives against a background of cam valve timing drive:

    a) single-acting, b) double-acting, c) cam drive.

    Dalej przedstawiono koncepcje i waciwoci wymienionych rozrzdw elek-trycznych, a cilej elektrycznych napdw zaworw oraz analiz porwnawcz ki-nematyki i dynamiki rozrzdu bezkrzywkowego na tle rozrzdu krzywkowego.

    2. Koncepcje i waciwoci bezkrzywkowych elektrycznych rozrzdw

    Koncepcja elektromechanicznego napdu zaworu rozrzdu powstaa we wcze-snych latach rozwoju silnikw spalinowych, bo ju w 1920 roku [12]. Nie zastosowa-no jej jednak w tamtych i w pniejszych latach, ze wzgldu na inne wymagania sta-wiane wczesnym silnikom oraz na brak odpowiednich technologii w dziedzinie bu-

    dowy elektromagnesw i ich elektronicznego sterowania. Na rysunku 2 przedstawiono

    schemat takiego napdu zaworu rozrzdu. Zawr 1 przymocowany jest do zwory elek-tromagnesu 4, ktra dziki sprynom 5 i 6 moe pozostawa w pewnych odlego-ciach od cewek elektromagnesu 2 i 3, gdy nie dopywa do nich prd. Zawr rozrzdu znajduje si wwczas w pooeniu rodkowym S nazywanym potwartym lub

    Napd krzywkowy (wa rozrzdu)

    Napd bezkrzywkowy (jednostronnego dziaania)

    Napd bezkrzywkowy

    (dwustronnego dziaania)

    c)a) b)

    Zawr rozrzdu

    Spryna zaworowa

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 249

    pzamknitym. Zasilanie prdem grnej cewki 2 powoduje przycignicie do niej zwory 4 i zamknicie zaworu rozrzdu 1. Zasilanie prdem dolnej cewki 3 powoduje przycignicie do niej zwory 4 i cakowite otwarcie zaworu rozrzdu. Poniewa w napdzaniu zaworu rozrzdu maj istotny udzia spryny 5 i 6, std jego cisa nazwa napd elektromechaniczny.

    Rys. 2. Schemat elektromechanicznego napdu zaworu rozrzdu: 1 zawr rozrzdu, 2, 3 grna i dolna cewka elektromagnesu, 4 zwora elektromagnesu, 5, 6 grna i dolna spryna zaworu rozrzdu,

    Z pooenie zamknite, O pooenie otwarte, S pooenie rodkowe. Fig. 2. Schematic diagram of electro-mechanic cam valve timing drive: 1 valve, 2, 3 top and bottom

    electromagnet coil, 4 armature of an elektromagnet, 5, 6 top and bottom valve spring,

    Z close position, O open position, S medial position.

    Z syntezy rozmaitych rozwiza elektrycznych napdw zaworw prezentowa-nych w wymienionych pracach oraz w [1315] wynika, e opatentowane, a przede wszystkim badane do chwili obecnej rozrzdy we wspomnianych orodkach, oparte sna koncepcji przedstawionej na rysunku 2. Rozmaite modyfikacje napdu elektrome-chanicznego w postaci umieszczenia w jego obwodzie magnetycznym dodatkowych

    magnesw staych nie zmieniaj przedstawionej koncepcji. Do grupy bezkrzywkowych elektrycznych rozrzdw naley rozrzd magnetoelek-

    tryczny. Przyjta nazwa rozrzdu magnetoelektrycznego pochodzi od zasady dziaania napdu zaworu polegajcej na oddziaywaniu pola magnesu trwaego na umieszczonw tym polu cewk, przez ktr pynie prd [9]. Koncepcja tego rozrzdu, a dokadniej napdu zaworu oparta jest na polskim wynalazku [16]. Napd ten nie posiada spryn zaworowych, w przeciwiestwie do napdw elektromechanicznych, a zatem odpo-wiada odmianie bezkrzywkowego napdu przedstawionej na rysunku 1.b. Zawr na-pdzany jest za pomoc siownika magnetoelektrycznego (rys. 3), skadajcego si z magnesu staego 5, nabiegunnikw 3 i 4, rdzenia 2, cewki 1 nawinitej na karkasie oraz sprystych elementw 6 doprowadzajcych prd do cewki. Karkas cewki 1 po-siada zcze 7 do poczenia jej z zaworem rozrzdu 8.

    O

    3

    2

    Z

    Z

    S

    1

    5

    4

    6

    OS

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 250

    Rys. 3. Schemat ukadu: napd zawr magnetoelektrycznego rozrzdu silnika spalinowego: 1 ruchoma cewka, 2 rdze, 3 i 4 nabiegunniki, 5 magnes stay, 6 spryste elementy prdowe,

    7 zcze zaworu rozrzdu, 8 zawr rozrzdu, s szczelina powietrzna. Fig. 3. Schematic diagram of set: drive valve for magneto-electric valve timing of combustion engine:

    1- moving coil, 2 core, 3, 4 pole pieces, 5 permanent magnet, 6 elastic current elements,

    7 valve connector, 8 valve, s air gap.

    Magnes stay, nabiegunniki i rdze s nieruchome i su do wytwarzania silnego pola magnetycznego w szczelinie midzy rdzeniem a nabiegunnikami. Magnes stay jest tak umieszczony, e w grnej czci linie pola przechodz od nabiegunnika do rdzenia, a w dolnej od rdzenia do nabiegunnika. Szczelina powietrzna s jest staa

    i musi by na tyle dua, by mg przesuwa si w niej przewodnik z prdem, czyli ruchoma cewka. Ruchoma cewka umieszczona jest w tej szczelinie i oddziauje na niistniejce tam silne pole magnetyczne. Cewka, poczona z zaworem rozrzdu, po-dzielona jest na dwie czci grn i doln nawinite w przeciwnych kierunkach (na rysunku 3 zaznaczone rnym kolorem wypenienia), co stanowi istot koncepcji magnetoelektrycznego napdu. Dziki temu przepyw prdu powoduje powstanie siy o jednakowym zwrocie zarwno w grnej, jak i w dolnej czci. Sia napdowa tzw. sia Lorentza, powstaje w wyniku oddziaywania pola magnetycznego na pyncy w cewce prd [9]. Poniewa pole magnetyczne wytworzone przez magnes stay istnie-je cay czas, to sia moe by generowana natychmiast po pojawieniu si prdu i znika natychmiast po jego wyczeniu. Dziki rwnomiernemu rozkadowi pola, powstajca podczas przepywu prdu, sia elektrodynamiczna prawie nie zaley od pooenia cew-ki, lecz od wartoci prdu. Zwrot wytwarzanej siy zaley od zwrotu prdu, tak wic za pomoc jednej cewki mona uzyska zarwno si zamykajc, jak i otwierajczawr. Sterujc przepywem prdu, steruje si zatem bezporednio wartoci i zwro-

    _ +

    napd

    (si

    ow

    nik

    )

    mag

    net

    oel

    ektr

    ycz

    ny

    8

    7

    5

    4

    3

    2

    1

    6

    s

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 251

    tem generowanej siy elektrodynamicznej napdzajcej dany zawr. Parametry ruchu zaworu mog by wic cile i prosto opisane. Widoczne na rysunku 3 spryste ele-menty prdowe 6, przeznaczone do doprowadzenia prdu do ruchomej cewki, nie wytwarzaj siy napdowej. Posiadaj one niewielkie sztywnoci i nie maj praktycz-nie istotnego udziau w zamykaniu i docisku zaworu do jego gniazda. S natomiast tak dobrane, aby utrzymyway zawr w pozycji zamknitej, gdy prd nie dopywa do cewki. Dziki tym elementom- wszystkie zawory pozostaj w pozycji zamknitej po zakoczeniu pracy silnika. Ze wzgldu na to, e spryste elementy prdowe 6 nie zapewniaj docisku zaworu do jego gniazda, docisk ten uzyskany jest za pomoc siy elektrodynamicznej, okresowo generowanej po zamkniciu zaworu. Poniewa w na-pdzie magnetoelektrycznym jest teoretycznie staa warto generowanej siy elektro-dynamicznej, niezalena od chwilowego pooenia zaworu, to zawr napdzany jest ze staym przyspieszeniem dodatnim i ujemnym. Obydwa przyspieszenia, co do war-

    toci bezwzgldnej, s sobie rwne. Rwnie teoretycznie staa jest warto czasu otwierania i zamykania zaworu przy danej wartoci natenia prdu przepywajcego przez uzwojenie cewki napdu, a zatem i siy wymuszajcej ruch zaworu niezalenie od wartoci obcienia i prdkoci obrotowej silnika. Nie ma tu potrzeby regulacji luzu zaworowego ze wzgldu na moliwo swobodnego wyduania si zaworu i cewki.

    W rozrzdzie bezkrzywkowym zawr moe przemieszcza si po torze P-1-M-Mmax-2maxKmax (rys. 4). Dziki temu uzyskuje si przestj zaworu w pooeniu jego penego otwarcia na odcinku M-Mmax, a zatem i zwikszenie wartoci czasoprzekroju zaworu. W miar wzrostu prdkoci obrotowej silnika czasoprzekrj niestety maleje, poniewa maleje odcinek M-Mmax. Przy zerowej wartoci tego odcinka przemieszcza-nie zaworu moe odbywa si tylko po torze P-1-M-2-K, ktremu odpowiada znacz-nie mniejszy czasoprzekrj. Dalsze zwikszanie prdkoci obrotowej, przy zaoeniu wymaganej wartoci okresu TZ, uniemoliwi uzyskanie zaoonej wartoci skoku za-woru H. Chcc uzyska przy wyszej prdkoci obrotowej przemieszczanie zaworu chocia po torze P-1-M-2-K, naleaoby zwikszy warto okresu TZ, ale niestety jest ona ograniczona. Taki sam efekt mona by uzyska przez zmniejszenie wartoci mas zaworu i ruchomego elementu napdu, czyli cewki, albo przez zwikszenie wartoci siy napdzajcej zawr lub przez zmian tych obydwu wartoci. Wwczas zmniejszy-yby si wartoci czasw otwierania (to) i zamykania (tz) zaworu, ale wzrosyby warto-ci przyspiesze, a tym samym obcie zaworu oraz cewki napdu, powodujc zmniejszenie niezawodnoci i trwaoci tych elementw. Zwikszyby si take pobr prdu zasilajcego cewk.

    W miar wzrostu prdkoci obrotowej silnika zmniejsza si zatem swoboda dobie-rania koca wzniosu zaworu Kmax, ze wzgldu na teoretycznie sta warto czasu otwierania to i zamykania tz, a take zmniejszajcy si czas midzy zwrotnymi pooe-niami toka. To w konsekwencji, w pewnych warunkach pracy silnika, moe poci-gn za sob konieczno zmniejszenia wartoci skoku zaworu H, tak, jak w innych rozrzdach bezkrzywkowych.

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 252

    Rys. 4. Przebieg wzniosu zaworu z napdem magnetoelektrycznym w zalenoci od czasu obrotu wau

    korbowego silnika spalinowego: P pocztek wzniosu zaworu, K koniec wzniosu zaworu, H skok zaworu, TZ okres otwarcia zaworu, Tmax okres otwarcia zaworu z przestojem,

    Kmax koniec wzniosu zaworu z przestojem, M maksymalny wznios oraz pocztek przestoju zaworu, Mmax koniec przestoju zaworu, tr czas rozpdzania zaworu, th czas hamowania zaworu,

    to czas otwierania zaworu, tz czas zamykania zaworu, tp czas przestoju zaworu.

    Fig. 4. Valve lift course for magneto-electric drive dependence on crankshaft rotation time:

    P begin of valve lift, K end of valve lift, H valve lift, TZ valve open period,

    Tmax valve open period with shutdown, Kmax end of valve lift with shutdown,

    M maximal valve lift and begin of valve shutdown, Mmax end of valve shutdown,

    tr valve accelerating time, th valve breaking time, to valve opening time,

    tz valve closing time, tp valve shutdown time.

    Z porwnania omwionych dwch koncepcji elektrycznych rozrzdw wida, e oparte s one na rnych zasadach dziaania. Napd magnetoelektryczny jest prostszy w sterowaniu, bowiem ruch zaworu odbywa si pod wpywem zmieniajcej swj zwrot siy elektrodynamicznej. Pozwolio to wyeliminowa spryny zaworowe, a take regulacj luzu zaworowego.

    Oglnie charakterystycznymi waciwociami bezkrzywkowych rozrzdw ma-gnetoelektrycznego i elektromechanicznego s: teoretycznie staa warto czasu otwierania i zamykania zaworu przy danej warto-ci natenia prdu przepywajcego przez uzwojenia cewek napdw, czyli siy wymuszajcej ruch zaworu niezalenie od wartoci prdkoci obrotowej silnika,

    swobodne ksztatowanie przebiegw wzniosu zaworw, a zatem moliwo bez-stopniowego zmieniania wartoci wszystkich geometrycznych parametrw rozrz-du, co rwnoznaczne jest z moliwoci sterowania czasoprzekrojem, a take k-toprzekrojem zaworu, przy czym czasoprzekrj zaworu moe by wikszy od cza-soprzekroju zaworu z napdem krzywkowym.

    H

    P

    K

    toW

    znio

    s za

    wo

    ru

    h

    Kmax

    1 2

    tp

    tz

    TZ

    Tmax

    M Mmax

    tr th th tr

    Zawr rozrzdu

    spa-

    2max

    tr th

    tz

    Czas obrotu wau

    korbowego t

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 253

    Takich waciwoci nie posiadaj rozrzdy krzywkowe silnikw spalinowych. Dziki zastosowaniu bezkrzywkowego rozrzdu w silniku spalinowym, mona by uzyska: cig regulacj skoku oraz ktw otwarcia i zamknicia zaworw, wyeliminowanie przepustnicy z kanau dolotowego silnika o zaponie iskrowym,

    popraw momentu obrotowego silnika, zmniejszenie zuycia paliwa, zmniejszenie iloci szkodliwych skadnikw spalin, uproszczenie konstrukcji silnika,

    obnienie kosztw produkcji silnika, wewntrzn recyrkulacj spalin, doadowanie silnika metod Millera, dobr napenienia do spalania alternatywnych paliw,

    niezalene sterowanie poszczeglnymi zaworami, wyczanie z pracy dowolnych cylindrw, swobodne hamowanie silnikiem,

    nawrotno silnika, okresowe napenianie tylko jednego cylindra w celu utrzymania biegu jaowego

    silnika,

    uatwienie rozruchu silnika przez wyczenie sprania, uruchomienie silnika bez rozrusznika dziki pozostawieniu w jednym z cylindrw

    spronej mieszanki przy zamknitych zaworach, po wczeniu w nim zaponu, dwusuwowy cykl pracy silnika.

    3. Kinematyka krzywkowo i bezkrzywkowo napdzanego zaworu rozrzdu

    Do porwnania kinematyki krzywkowo i bezkrzywkowo napdzanego zaworu wykorzystano niektre wyniki bada dowiadczalnego jednocylindrowego silnika spalinowego o zaponie iskrowym, mogcego pracowa zarwno z rozrzdem magne-toelektrycznym, jak i rozrzdem krzywkowym. Znamionowa moc silnika z rozrzdem krzywkowym wynosia 3,3 kW przy 3000 obr/min [10, 17].

    Przebieg wzniosu zaworu napdzanego za pomoc krzywki harmonicznej zosta obliczony na podstawie znanej geometrii tej krzywki i dwigni poredniej. Przebieg wzniosu zaworu P-1-M-2-K napdzanego bezkrzywkowo za pomoc siownika ma-gnetoelektrycznego, widoczny na rysunku 4, jest przebiegiem parabolicznym odpo-

    wiadajcym krzywce Morina [18]. Charakteryzuje si on jednakowymi wartociami przyspiesze dodatnich oraz ujemnych, a przyspieszenia rednie i chwilowe s sobie rwne. Tor wzniosu zaworu h(t) skada si wic z czterech odcinkw parabol P-1, 1-M, M-2, 2-K [9, 11]. Gdy prdko pocztkowa zespou cewka zawr (rys. 4) w punkcie P rwna si zero, wwczas jego przemieszczenie h w punkcie 1 jest okre-lone zalenoci:

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 254

    2

    tph

    2

    r

    1

    = (1)

    gdzie:

    p przyspieszenie cewki,

    tr czas ruchu (rozpdzania) zespou od punktu P do punktu 1. Uwzgldniajc we wzorze (1), e h1 = hM/2, za hM=H (maksymalnemu wzniosowi zespou, a zatem i zaworu rozrzdu), otrzymuje si wzr na czas rozpdzania zespou:

    p

    Ht r = (2)

    Poniewa czas rozpdzania tr rwny jest czasowi hamowania zespou th, zatem okres otwarcia zaworu TZ rwny jest czterokrotnoci czasu rozpdzania zaworu tr.

    Na rysunku 5 przedstawiono, dla wspomnianego silnika dowiadczalnego przebieg wzniosu zaworu napdzanego bezkrzywkowo za pomoc siownika magnetoelek-trycznego. W celach porwnawczych naniesiono na tym rysunku take przebieg wzniosu zaworu z rozrzdem krzywkowym (wa krzywkowy z krzywkami harmo-nicznymi umieszczony w kadubie silnika).

    Rys. 5. Przebiegi wzniosu i przyspieszenia zaworu napdzanego bezkrzywkowo i krzywkowo: a) przy zachowaniu takiego samego skoku zaworu, b) przy zachowaniu takiego samego skoku i ktoprzekroju

    zaworu, 1 przebieg wzniosu zaworu napdzanego krzywkowo za pomoc krzywki harmonicznej, 2 przebieg wzniosu zaworu napdzanego bezkrzywkowo za pomoc siownika magnetoelektrycznego,

    h wznios zaworu, p przyspieszenie zaworu, tp czas przestoju zaworu (n=3000 obr/min).

    Fig. 5. Valve lift and acceleration courses for cam and camless drive: a) for identical valve lift b) for

    identical valve lift and angle-section, 1 for cam drive, 2 for camless magneto-electric drive,

    h valve lift, p valve acceleration, tp valve shutdown time (n=3000 r.p.m.).

    0 3 6 9 12 15

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    1000

    800

    600

    400

    200

    0

    -200

    -400

    -600

    -800

    0 3 6 9 12 15

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    1000

    800

    600

    400

    200

    0

    -200

    -400

    -600

    -800

    t [ms] t [ms]

    wzn

    ios

    zaw

    oru

    h [

    mm

    ]

    prz

    ysp

    iesz

    enie

    zaw

    oru

    p [

    m/s

    2]

    p2 p2

    p1

    h2

    h1 h2

    h1

    a) b)

    p1

    tp

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 255

    Jak wida na rysunku 5.a, przebieg wzniosu zaworu dla krzywki harmonicznej 1, przy takim samym kcie otwarcia zaworu wynoszcym 248 obrotu wau korbowego i skoku zaworu rwnym 7 mm, ley na zewntrz przebiegu wzniosu zaworu napdza-nego za pomoc siownika magnetoelektrycznego. Oznacza to, e dla tego przypadku ktoprzekrj zaworu napdzanego za pomoc krzywki harmonicznej jest wikszy od ktoprzekroju zaworu napdzanego bezkrzywkowo za pomoc siownika magneto-elektrycznego. Rni si te pod wzgldem jakociowym i ilociowym przyspiesze-nia zaworw dla porwnywanych napdw krzywkowego i bezkrzywkowego. Chcc uzyska zatem takie same ktoprzekroje przy takim samym skoku, ruch zaworu nap-dzanego za pomoc siownika magnetoelektrycznego musi odbywa si z minimal-nym przestojem, jak pokazano to na rysunku 5.b. Taki wznios zaworu wymaga jednak

    wikszych przyspiesze podczas otwierania i zamykania zaworu. Ktoprzekroje zaworw z omawianymi napdami nie zmieniaj si wraz z prd-

    koci obrotow silnika spalinowego, zmieniaj si natomiast, co jest oczywiste, cza-soprzekroje (rys. 6).

    Rys. 6. Przebiegi wzniosw zaworu napdzanego za pomoc siownika magnetoelekrycznego (linie cige) i o za pomoc krzywki harmonicznej (linie przerywane) dla prdkoci obrotowych silnika od 600

    do 6000 obr/min z jednakowymi wskanikami wypenienia pola wzniosw; w legendzie podano odpowiednio prdko obrotow n, dodatnie przyspieszenia krzywki harmonicznej pH oraz przyspieszenia

    krzywki magnetoelekrycznej pM.

    Fig. 6. Valve lift courses for magneto-electric camless drive (continuous lines) and cam drive (dashed

    lines) calculated for 600 - 6000 engine r.p.m. with identical angle-section; there are in legend: engine

    rotation speed n, cam drive acceleration pH and magneto-electric camless drive acceleration pM.

    Wyranie wida jak czasoprzekroje zaworu malej w miar wzrostu prdkoci ob-rotowej silnika. Na rysunku 6 zaznaczono take wartoci maksymalnych przyspieszezaworu napdzanego za pomoc krzywki harmonicznej oraz siownika magnetoelek-

    0 10 20 30 40 50 60 70

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    wzn

    ios

    zaw

    oru

    h [

    mm

    ]

    czas obrotu wau korbowego t [ms]

    n = 6000 [obr/min]

    pH = 3544 [m/s2]

    pM = 2944 [m/s2]

    3000

    886

    736

    1800

    319

    265

    1200

    142

    118

    600

    35

    29

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 256

    trycznego. Wzniosy zaworu napdzanego za pomoc siownika magnetoelektrycznej tak dobierano, by uzyska dla kadej prdkoci obrotowej identyczne dla obu nap-dw ktoprzekroje. W przypadku napdu magnetoelektrycznego, s to mniejsze przy-spieszenia dodatnie. Krzywa wzniosu zaworu napdzanego za pomoc siownika ma-gnetoelektrycznego skada si teoretycznie z takich samych odcinkw parabol. Para-bole te mog by o rnych wspczynnikach. Wyjaniono to na rysunku 7 przedsta-wiajcym przebiegi wzniosu zaworu napdzanego za pomoc siownika magnetoelek-trycznego na tle przebiegu wzniosu zaworu napdzanego za pomoc krzywki harmo-nicznej. Zaoono tu prdko obrotow wau korbowego silnika wynoszc 1500 obr/min. Przy tej prdkoci obrotowej i kcie otwarcia zaworu 248 obrotu wau kor-bowego czas otwarcia zaworu wynosi 27,5 ms. Przebieg zaznaczony czarn przery-wan lini to przebieg wzniosu zaworu napdzanego za pomoc krzywki harmonicz-nej. Pozostae przebiegi to przebiegi wzniosu zaworu napdzanego za pomoc siow-nika magnetoelektrycznego. Przebiegi te maj rne zarysy uzyskane dziki rnym wartociom natenia prdu pyncego przez uzwojenie cewki napdu magnetoelek-trycznego, a w konsekwencji odpowiadaj im rne przyspieszenia zaworu.

    Rys. 7. Przebiegi wzniosu zaworu napdzanego za pomoc siownika magnetoelektrycznego (linie cige) na tle przebiegu wzniosu zaworu napdzanego za pomoc krzywki harmonicznej (linia przerywana) dla rnych przyspiesze; w legendzie podano odpowiednio przyspieszenia p oraz wskaniki wypenienia

    pola wzniosw w (n=1500 obr/min).

    Fig. 7. Valve lift courses for magneto-electric camless drive (continuous lines) valves against a

    background of classic cam drive (dashed lines) calculated for different accelerations; there are in legend:

    acceleration p and coefficient of valve lift area filling w (n=1500 r.p.m.).

    0 5 10 15 20 25 30

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    wzn

    ios

    zaw

    oru

    h [

    mm

    ]

    czas obrotu wau korbowego t [ms]

    p= 222 [m/s2] ; w=55 [%]

    37 ; 12

    74 ; 25

    113 ; 38

    151 ; 50

    2270 ; 87 1200 ; 82 600 ; 75

    184 ; 55

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 257

    Czasoprzekrj przebiegu zaznaczony czarn przerywan lini o maksymalnym przyspieszeniu dodatnim wynoszcym 222 m/s2 odpowiada czasoprzekrojowi zaworu napdzanego za pomoc krzywki harmonicznej. Pozostae przebiegi to przebiegi wzniosu zaworu napdzanego za pomoc siownika magnetoelektrycznego. Przebiegi lece wewntrz przebiegu wzniosu zaworu napdzanego krzywk harmoniczn od-powiadaj czciowym skokom zaworu uzyskiwane s dziki znacznie mniejszym wartociom siy napdowej, ale i uzyskiwane czasoprzekroje s znacznie mniejsze. Przebiegi wzniosu zaworu znajdujce si na zewntrz omwionych przebiegw majcoraz wiksze wartoci siy napdowej, a zatem coraz mniejsze wartoci czasu otwie-rania i zamykania zaworu. Tym przebiegom mog rwnie odpowiada przebiegi o rnych coraz mniejszych wartociach skokw zaworu. Przebieg wzniosu zaworu, ktrego przyspieszenie wynosi 2270 m/s

    2, ma najmniejsz warto wynoszc

    3,46 ms. Dziki takiemu przebiegowi wzniosu zaworu napdzanego za pomoc siow-nika magnetoelektrycznego, zasilanego prdem 60 A [11, 17], uzyskano najwikszy czasoprzekrj dla rozpatrywanej prdkoci obrotowej silnika spalinowego (znacznie wikszy od uzyskanego za pomoc krzywki harmonicznej).

    4. Dynamika krzywkowo i bezkrzywkowo napdzanego zaworu rozrzdu

    Omwione przebiegi wzniosu zaworu napdzanego za pomoc siownika magne-toelektrycznego przedstawione na tle przebiegw wzniosu zaworu napdzanego za pomoc krzywki harmonicznej dotyczyy wspomnianego silnika dowiadczalnego. Wynika z nich ograniczenie prdkoci obrotowej w rozrzdzie magnetoelektrycznym. Majc na celu wyjanienie tego ograniczenia posuono si dalej dynamicznymi mo-delami omawianych napdw, w pierwszym rzdzie modelem napdu krzywkowego. Mona go przedstawi w postaci liniowego modelu fizycznego o jednym stopniu swobody w ruchu prostoliniowym (rys. 8). W skad modelu wchodz: masa m (suma mas: zaworu rozrzdu z jego zamkiem, poowy masy spryny zaworowej oraz zredu-kowanych na o zaworu mas: popychacza, laski popychacza i dwigni zaworowej) reprezentujca waciwoci bezwadnociowe ukadu, niewaka spryna reprezentu-jca siy restytucyjne oraz tumik wiskotyczny reprezentujcy waciwoci tumice ukadu. Pooenie rodka cikoci masy m opisuje wsprzdna uoglniona x(t) [19]. Na mas m dziaaj siy zewntrzne: grawitacji G,

    bezwadnoci B, restytucyjna S,

    oporu R,

    gazowa P (od cinienia gazw w cylindrze silnika spalinowego), wymuszenia zewntrznego F.

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 258

    Rys. 8. Liniowy model fizyczny o jednym stopniu swobody w ruchu prostoliniowym

    krzywkowego napdu zaworu rozrzdu. Fig. 8. One-degree of freedom linear physical model for cam valve timing drive.

    Po zsumowaniu si zewntrznych otrzymano:

    0PRSBGF =+ (3)

    Poszczeglne siy mona opisa nastpujcymi zalenociami:

    gmG = , (4)

    gdzie:

    m masa zredukowana na o zaworu, g przyspieszenie ziemskie.

    )t(xmB = (5)

    [ ]stG)t(xcS += (6) gdzie:

    stG ugicie statyczne spryny pod dziaaniem siy grawitacji G.

    c

    GstG = (7)

    )t(xkR = (8)

    m

    x(t)

    stG

    c k

    F(t)

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 259

    gdzie:

    k wspczynnik tumienia wiskotycznego.

    )t(pAP = (9)

    gdzie:

    A pole powierzchni grzybka zaworu rozrzdu, p(t) szybkozmienne cinienie gazu w cylindrze silnika spalinowego.

    Po podstawieniu odpowiednich wartoci si do (3) otrzymuje si:

    stGcG)t(F)t(pA)t(xc)t(xk)t(xm +=+++ (10)

    Po uwzgldnieniu (7) otrzymuje si:

    )t(F)t(pA)t(xc)t(xk)t(xm =+++ (11)

    W dynamicznym modelu napdu magnetoelektrycznego, z racji braku spryny zaworowej, wystpujcy czon cx(t) w rwnaniu (11) nie wystpi. Czon dotyczcy tumienia wiskotycznego k x (t) musi by zastpiony czonem bardziej rozbudowa-nym ze wzgldu na jednoczesne wystpowanie rnych postaci tumienia, nie tylko wiskotycznego.

    Uwzgldniajc powysze, rwnanie ruchu (11), dla zaworu napdzanego za po-moc siownika magnetoelektrycznego, posugujc si wygodniejszym zapisem do dalszych analiz, przyjmie posta:

    FPRB =++ (12)

    Posugujc si takim samym zapisem, rwnanie ruchu zaworu napdzanego za pomoc krzywki przyjmie posta:

    FSPRB =+++ (13)

    Jak wida, rnica midzy tymi rwnaniami polega na wystpowaniu siy spry-ny S w rwnaniu ruchu (13) zaworu napdzanego za pomoc krzywki. Brak siy spr-yny w rwnaniu ruchu (12) zaworu napdzanego za pomoc siownika magnetoelek-trycznyno uzasadnia si nastpujco.

    Sia spryny S odnosi si do siy sprystych, praktycznie niewakich, przewo-dw prdowych 6 (rys. 3), ktrych zadaniem poza doprowadzeniem prdu do uzwoje-nia cewki moe by utrzymanie zespou: cewka zawr w pobliu grnego pooenia (Z) jak na rysunku 3. Sia pochodzca od statycznego ugicia tych przewodw rw-noway si grawitacji G tego zespou o masie okoo 0,1 kg [11]. Sztywno przewo-dw prdowych jest na tyle maa, e maksymalna warto siy S jest rzdu 2 % w stosunku do wartoci maksymalnej siy elektrodynamicznej generowanej w nap-

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 260

    dzie magnetoelektrycznym. Ze wzgldu na sw ma warto sia S wystpujc w rwnaniu (3), pominita bdzie w obliczeniach siy napdowej.

    Oczywicie, jak dalej zostanie to wykazane inne bd wartoci si: bezwadnoci B oraz oporw tumienia R, a wic i wartoci si napdowych F w obydwu porwnywa-nych napdach zaworw. Wystpujce w rwnaniu (12) siy wymagaj odpowiednie-go komentarza, a mianowicie.

    Sia gazowa P

    Sia gazowa P dziaajca na zawr wylotowy w okresie jego otwarcia zaley od ci-nienia gazw spalinowych w cylindrze silnika i od pola powierzchni grzybka zaworu. Cinienie to ma najwiksz warto w pocztkowej chwili otwierania zaworu. W za-lenoci od rodzaju silnika spalinowego cinienie to moe mie wartoci podane w tabeli 1 [20, 21]. Dodatkowo obliczono siy gazowe P odpowiadajce tym cinie-niom. Obliczenie to przeprowadzono dla redniej rednicy grzybka zaworu wylotowe-go silnikw samochodw osobowych wynoszcej 27 mm, ktrej odpowiada rednica zaworu rozpatrywanego zespou cewka zawr napdu magnetoelektrycznego.

    Tabela 1. Przyblione cinienia poW i siy gazowe P w chwili otwierania zaworu wylotowego. Table 1. Pressures poW and gas forces P for exhaust valve opening time.

    Rodzaj silnika poW [MPa] P [N]

    Silniki o zaponie iskrowym 0,5 290

    Silniki o zaponie samoczynnym - niedoadowane 0,6 340

    Silniki o zaponie samoczynnym - doadowane 0,7 400

    Powysze wartoci si dziaajcych na grzybek zaworu wylotowego w chwili jego otwierania s wartociami rednimi. W rzeczywistoci na skutek pulsujcego cinienia gazw chwilowe wartoci si mog by wiksze od wymienionych.

    W miar otwierania si zaworu wylotowego warto cinienia gazw spalinowych stosunkowo szybko maleje i krtko po DMP osiga warto okoo 0,05 MPa. W za-lenoci od oporw przepywu warto ta moe ulega wahaniom. Na rysunku 9 przedstawiono przebieg cinienia w cylindrze silnika dowiadczalnego o zaponie iskrowym z krzywkowym rozrzdem dla znamionowych warunkw obcienia i prdkoci obrotowej wynoszcej 3000 obr/min. Na tym przebiegu zaznaczono oma-wiane wartoci cinienia, ktre odpowiadaj przyblionym wartociom literaturowym.

    Dla potrzeb przeprowadzanych oblicze przebieg ten przybliono liniami prosty-mi, przyjmujc najbardziej niekorzystne (najwiksze) wartoci cinienia gazw w cylindrze. Wartoci te zaznaczono na rysunku 9 lini przerywan.

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 261

    Rys. 9. Przebieg cinienia w cylindrze silnika dowiadczalnego z krzywkowym napdem zaworw dla znamionowych warunkw jego pracy; prdko obrotowa 3000 obr/min.

    Fig. 9. Gas pressure course for cam valve timing drive; 3000 r.p.m.

    Sia oporu tumienia R

    Sia oporu tumienia R wyraajca opory ruchu jest sum nastpujcych si oporu: oporu tarcia mechanicznego - opr tarcia mechanicznego moe powstawa midzy

    zewntrzn powierzchni trzonka zaworu 8 a wewntrzn powierzchni prowad-nika zaworu oraz midzy zewntrzn powierzchni rdzenia 2 a wewntrzn po-wierzchni karkasa ruchomej cewki 1 (rys. 3);

    oporu tarcia powietrza - jest to opr tarcia powietrza o wewntrzne i zewntrzne cianki szczeliny powietrznej i ruchomej cewki, a take o ostrokrawdziowe otwo-ry wentylacyjne w denku karkasa ruchomej cewki 1 (rys. 3). Opr ten jest propor-

    cjonalny do prdkoci cewki; oporu czoowego powietrza - opr czoowy powstaje w wyniku naporu powietrza

    na denko karkasa cewki i zaley od wielu czynnikw takich, jak: pole powierzch-ni denka, wspczynnik ksztatu, gsto powietrza, a przede wszystkim od kwa-

    DMP GMP

    Pocztek otwiera-nia zaworu wylo-

    towego

    Cinienie otoczenia

    54o OWK

    0,5

    MP

    a

    0,0

    5 M

    Pa

    Przyjty do oblicze przebieg cinienia

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 262

    dratu prdkoci cewki, ale istotny wpyw na jego zmniejszenie maj wspomniane otwory wentylacyjne;

    oporu tumienia elektrycznego spowodowanego opornoci cewki.

    Wymienione skadowe siy tumienia s trudne do ujcia liczbowego. Ich okrele-nie wymagaoby przeprowadzenia szczegowych analiz i bada, to jednak wykracza poza zakres niniejszej pracy. Dla analizowanego napdu magnetoelektrycznego, na podstawie wynikw jego dotychczasowych bada opory te oszacowano na okoo 111 N, przy 3000 obr/min. Stanowi one okoo 18 % maksymalnej siy elektrodyna-micznej generowanej w napdzie elektromagnetycznym [11, 22].

    Sia bezwadnoci B

    Sia bezwadnoci B dziaajca na zesp: cewka zawr o masie m ma teoretycz-ny przebieg zaznaczony grub czarn lini na rysunku 10. Przebieg taki jest prawdzi-wy przy zaoeniu, e na zesp nie dziaaj adne inne siy zewntrzne, jak tylko sia elektrodynamiczna F zaznaczona na wymienionym rysunku grub przerywan lini. Sia elektrodynamiczna bdca w tym przypadku si napdow jest lustrzanym odbi-ciem przebiegu siy bezwadnoci. Bezwzgldne wartoci dodatniej i ujemnej siy bezwadnoci s sobie rwne, co wynika z takich samych wartoci bezwzgldnych przyspieszenia dodatniego i ujemnego. Pod wpywem siy F zesp: cewka zawr

    bdzie porusza si ruchem prostoliniowym jednostajnie przyspieszonym lub jedno-stajnie opnionym [9].

    Zaleno siy bezwadnoci od masy zespou i jego przyspieszenia okrela zmo-dyfikowane rwnanie (5):

    pmB = (14)

    gdzie:

    m masa zespou: cewka zawr,

    p przyspieszenie zespou: cewka zawr.

    Zakadajc warto skoku H i czasu rozpdzania tr mona z wzoru (2) obliczywymagane przyspieszenie p zespou: cewka zawr, a nastpnie si bezwadnoci dziaajc na ten zesp o masie m. Znajc natomiast si elektrodynamiczn w ma-gnetoelektrycznym napdzie zaworu, rwnowac si bezwadnoci, mona obliczyz wzoru (14) przyspieszenie zespou o danej masie m. Wstawienie obliczonej wartoci przyspieszenia do wzoru (2) umoliwi obliczenie okresu otwarcia zaworu i na jego podstawie oszacowanie moliwej do osignicia prdkoci obrotowej silnika spalino-wego. Pozostae wielkoci charakterystyczne dla magnetoelektrycznego napdu zawo-rw i przyjte do oblicze: okres otwarcia zaworu 248 OWK (jak w napdzie krzywkowym); skok zaworu 7 mm (jak w napdzie krzywkowym); masa zespou cewka zawr 100 g;

    maksymalna sia elektrodynamiczn 628 N, jak w pracy [17].

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 263

    Rys. 10. Teoretyczne przebiegi si bezwadnoci B i elektrodynamicznej F oraz wzniosu h, prdkoci v i przyspieszenia p zespou cewka zawr (inne oznaczenia jak na rys. 4).

    Fig. 10. Theoretical courses for body force B, electro-dynamic force F, lift h, speed v and acceleration p

    of coil valve set (another designations like fig. 4).

    Majc na uwadze odniesienie obliczonych przebiegw si dziaajcych na zawr wylotowy napdzany za pomoc siownika magnetoelektrycznego do przebiegw si dziaajcych na zawr wylotowy, ale napdzany mechanicznie za pomoc krzywki harmonicznej i spryny zaworowej, uwzgldniono w napdzie mechanicznym nast-pujce wielkoci charakterystyczne dla rozrzdu krzywkowego wspomnianego silnika dowiadczalnego: mas zredukowan na o zaworu wylotowego wynoszc 170 g; przebieg siy spryny zaworowej wynikajcy z jej sztywnoci wynoszcej

    9,5 N/mm oraz napicia wstpnego 65 N. Ponisze rozwaania ograniczono do zaworu wylotowego, gdy w chwili jego

    otwierania w komorze spalania istnieje znacznie wiksze cinienie gazw ni podczas zamykania zaworu dolotowego.

    p(t)

    0

    0P

    M

    K

    1 2

    t

    t

    B(t)

    F(t)

    B, F

    tr th tr th

    T

    h, v, p

    v(t)

    h(t)hM

    = H

    h1

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 264

    Na rysunku 11 przedstawiono wyznaczony przebieg wymaganej siy napdowej FM generowanej w napdzie magnetoelektrycznym zaworu wylotowego dla silnika pracujcego z prdkoci obrotow 3000 obr/min (zaznaczono go grub czarn lini).

    Rys. 11. Przebiegi si oraz wznios napdzanego magnetoelektrycznie zaworu wylotowego odniesione do si oraz wzniosu zaworu napdzanego krzywk; prdko obrotowa silnika 3000 obr/min:

    FM sia napdowa zaworu z rozrzdem magnetoelektrycznym; FK sia napdowa zaworu z rozrzdem krzywkowym; P sia gazowa; BM sia bezwadnoci; TM sia tumienia;

    FM nadwyka siy napdowej; hM wznios zaworu napdzanego magnetoelektrycznie; hK wznios zaworu napdzanego krzywk.

    Fig. 11. Courses of forces and valve lift for magneto-electric exhaust valve drive against a background of

    forces and valve lift for cam exhaust valve drive; 3000 r.p.m.:

    FM driving force for magneto-electric drive; FK driving force for cam drive; P gas force; BM body

    force; TM damping force; FM excess of driving force;

    hM valve lift for magneto-electric camless drive; hK valve lift for cam drive.

    Przebieg ten wynika z przebiegw si: bezwadnoci BM (cienka czarna linia), ga-zowej P (cienka przerywana linia) oraz tumienia TM, ktr przyjto dla uproszczenia sta w caym okresie otwarcia zaworu. Wymagany przebieg siy napdowej wynika z zaoonego przebiegu wzniosu zaworu hM (linia ciga czarna). Uzyskane w ten spo-sb siy odniesiono do mechanicznego napdu zaworu za pomoc krzywki harmo-nicznej (linie przerywane). Na rysunku 11 zaznaczono wic przebiegi siy napdowej w napdzie krzywkowym FK (linia przerywana czarna) oraz wzniosu zaworu hK (linia czarna przerywana). Mona zauway, e przebieg wzniosu zaworu w rozrzdzie ma-gnetoelektrycznym tak dobrano, aby zachowa identyczne parametry ktoprzekroju

    0 124 24862 1861000

    900

    800

    700

    600

    500

    400

    300

    200

    100

    0

    -100

    -200

    -3007

    0

    (13,78 ms)

    FM

    kt obrotu wau korbowego [OWK]

    siy

    [N

    ]

    wzn

    ios

    zaw

    oru

    h

    [mm

    ]

    GMP DMP

    FMmax - TM

    FMmax

    FM

    FK

    P BM hM

    hK

    1,31 ms

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 265

    i czasoprzekroju dla porwnywanych ukadw rozrzdu. Ze wzgldu na korzystniej-szy przebieg wzniosu zaworu napdzanego krzywk harmoniczn (rys.5a), konieczny okaza si krtki przestj zaworu napdzanego magnetoelektrycznie, a przyspieszenie zespou cewka zawr musz wynosi 736 m/s2. Maksymalna sia napdowa w chwili otwierania zaworu wylotowego wynosi wic okoo 475 N, za w okresie od DMP do GMP jest ona rzdu 100 N.

    Biorc pod uwag, e maksymalna, moliwa do uzyskania sia napdowa wynosi 628 N dla prdkoci obrotowej silnika wynoszcej 3000 obr/min dysponujemy nad-wyk siy napdowej FM wynoszc 153 N. Nadwyka ta moe zosta wykorzysta-na, bd dla szybszego otwarcia zaworu wylotowego (z maksymalnym moliwym przyspieszeniem 2270 m/s

    2), bd do otwarcia zaworu wylotowego dociskanego do

    gniazda z wiksz sia gazow P (wczeniejsze otwarcie zaworu wylotowego przy wikszym cinieniu gazw w cylindrze lub wykorzystanie napdu magnetoelektrycz-nego w silnikach bardziej obcionych). Dla silnika pracujcego przy takiej prdkoci obrotowej napd magnetoelektryczny daje wic du rozpito w sterowaniu fazami rozrzdu. Moliwe jest wic uzyskanie znacznie lepszej wymiany adunku.

    Na rysunku 12 pokazano analogiczne do rysunku 11 przebiegi si i wzniosw za-

    woru, ale dla silnika pracujcego z prdkoci obrotow 5250 obr/min. Dla tych wa-runkw, przy zastosowaniu maksymalnych moliwych do uzyskania przyspieszezespou cewka zawr wynoszcych 2270 m/s2 mona jeszcze uzyska porwnywal-ne do krzywki harmonicznej czasoprzekroje zaworu wylotowego. Wymagana sia

    napdowa FM w chwili otwierania zaworu wylotowego wynosi 628 N, jest wic rwna maksymalnej, moliwej do uzyskania w napdzie magnetoelektrycznym. Nie dyspo-nujemy ju wic adn nadwyk siy napdowej FM, tak jak to ma miejsce w przy-padku mniejszych prdkoci obrotowych silnika.

    Na rysunku 13 pokazano natomiast analogiczne do rysunkw 11 i 12 przebiegi si

    i wzniosw zaworu dla silnika pracujcego z prdkoci obrotow 6000 obr/min. Sia napdowa uzyskiwana w napdzie magnetoelektrycznym jest ju niewystarczajca dla uzyskania wzniosu, jak dla krzywki harmonicznej, a uzyskany czasoprzekrj zaworu

    wylotowego jest wyranie mniejszy ni dla napdu mechanicznego. Dla takiej prdko-ci obrotowej napd magnetoelektryczny rozrzdu mona wic zastosowa do silni-kw z mniejszym cinieniem gazw w chwili otwierania zaworu wylotowego (silniki mniej obcione lub z pniejszym otwieraniem zaworu wylotowego).

    Na rysunku 14 przedstawiono przebieg wskanika wypenienia pola wzniosw zaworu wylotowego napdzanego za pomoc siownika magnetoelektrycznego dla rnych prdkoci obrotowych. Wida wyranie, e rozrzd magnetoelektryczny za-pewnia lepsz lub identyczn wymian adunku dla prdkoci obrotowych silnika nie wikszych ni 5250 obr/min. Naley take zwrci uwag, e dla maych prdkoci obrotowych silnika waciwoci rozrzdu magnetoelektrycznego pozwalaj uzyskaznacznie lepsze parametry wymiany adunku ni przy rozrzdzie krzywkowym (wskanik wypenienia pola wzniosw wynoszcy nawet 95% w stosunku do wartoci 55% dla rozrzdu krzywkowego).

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 266

    Rys. 12. Przebiegi si oraz wznios napdzanego magnetoelektrycznie zaworu wylotowego odniesione do si oraz wzniosu zaworu napdzanego krzywk; prdko obrotowa silnika 5250 obr/min

    (oznaczenia jak na rys. 11).

    Fig. 12. Courses of forces and valve lift for magneto-electric exhaust valve drive against a background

    of forces and valve lift for cam exhaust valve drive; 5250 r.p.m.

    (designations like fig. 11).

    Postpujc w analogiczny sposb oraz przyjmujc cinienia w cylindrze dla po-cztku otwarcia zaworu wylotowego w rnych silnikach (tabela 1), oszacowano ich prdkoci obrotowe, przy ktrych nie nastpi pogorszenie wymiany adunku wynika-jce z ogranicze rozrzdu magnetoelektrycznego. Obliczenia dla tych silnikw pro-wadzono przy zaoeniu takiego przebiegu wzniosu oraz przestoju zaworu, ktry gwa-rantowa zblione wartoci geometrycznych parametrw rozrzdu do tych, ktre mo-na uzyska dla klasycznego, krzywkowego rozrzdu silnika spalinowego, a ich wyniki zebrano w tabeli 2. Moliwe do uzyskania prdkoci obrotowe silnikw z magneto-elektrycznym napdem zaworw oszacowano dla silnikw o zaponie iskrowym na 5250 obr/min, a dla silnikw o zaponie samoczynnym na 3800-4500 obr/min (przy

    zaoeniu zachowania parametrw geometrycznych wymiany adunku w stosunku do silnika z rozrzdem napdzanym krzywk harmoniczn).

    0 124 24862 1861000

    900

    800

    700

    600

    500

    400

    300

    200

    100

    0

    -100

    -200

    -3007

    0

    (7,87 ms)kt obrotu wau korbowego [OWK]

    siy

    [N

    ]

    wzn

    ios

    zaw

    oru

    h

    [mm

    ]

    GMP DMP

    FMmax - TM FMmax

    FM

    FK

    P

    BM

    hM

    hK

    0,77 ms

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 267

    Rys. 13. Przebiegi si oraz wznios napdzanego magnetoelektrycznie zaworu wylotowego odniesione do si oraz wzniosu zaworu napdzanego krzywk; prdko obrotowa silnika 6000 obr/min

    (oznaczenia jak na rys. 11).

    Fig. 13. Courses of forces and valve lift for magneto-electric exhaust valve drive against a background of

    forces and valve lift for cam exhaust valve drive; 6000 r.p.m. (designations like fig. 11).

    Rys. 14. Przebieg wskanika wypenienia pola wzniosw zaworu napdzanego magnetoelektrycznie odniesiony do zaworu napdzanego krzywk harmoniczn.

    Fig. 14. Course of coefficient of valve lift area filling for magneto-electric exhaust valve drive against

    a background of coefficient of valve lift area filling for cam exhaust valve drive.

    0 124 24862 1861000

    900

    800

    700

    600

    500

    400

    300

    200

    100

    0

    -100

    -200

    -3007

    0

    (6,89 ms)kt obrotu wau korbowego [OWK]

    siy

    [N

    ]

    wzn

    ios

    zaw

    oru

    h [

    mm

    ]

    GMP DMP

    FMmax - TM FMmax

    FM

    FK

    P

    BM

    hM

    hK

    prdko obrotowa silnika n [obr/min]

    0 2000 4000 6000

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    wsk

    anik

    wy

    pe

    nie

    nia

    po

    la w

    znio

    sw

    w [

    %]

    5250

    55 %

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 268

    Tabela 2. Maksymalne prdkoci obrotowe silnikw z magnetoelektrycznym napdem zaworw. Table 2. Maximal engine rotation speed for magneto-electric valve timing drive.

    Rodzaj silnika pM [m/s2] n [obr/min]

    Silniki o zaponie iskrowym 2270 5250

    Silniki o zaponie samoczynnym - niedoadowane 1700 4500

    Silniki o zaponie samoczynnym - doadowane 1200 3800

    W prezentowanych powyej przebiegach si dla zaworu wylotowego napdzanego magnetoelektrycznie pominito okres, kiedy zawr ten jest zamknity. W przypadku zaworu napdzanego za pomoc krzywki docisk zaworu do jego gniazda realizowany jest za pomoc spryny zaworowej. W przypadku zaworu napdzanego za pomocsiownika magnetoelektrycznego w tych fragmentach cyklu pracy silnika, kiedy nadci-

    nienie gazw w cylindrze bdzie niewielkie i nie zapewni odpowiedniego docisku do zaworu do jego gniazda naley wymagany docisk zrealizowa przez wygenerowanie odpowiedniej siy w cewce zaworu. Dotyczy to rwnie okresu, kiedy w cylindrze bdzie panowao podcinienie wynikajce z zasysania wieego adunku. Naley wwczas rwnie wygenerowa w cewce zaworu si napdow, przeciwdziaajcotwieraniu zaworu wylotowego. Dotyczy to oczywicie rwnie zaworu dolotowego.

    Przebieg si docisku dla obu zaworw pokazano na rysunku 15. Okres docisku

    zaworu wynika z przebiegu cinienia czynnika roboczego w cylindrze p. Gdy wartotego cinienia jest mniejsza od wymaganego cinienia docisku pd (za danymi literatu-rowymi przyjto 0,07 MPa), konieczne jest wygenerowanie w magnetoelektrycznych napdach zaworw siy docisku. Jak wida na rysunku 15, okres docisku obejmuje, praktycznie rzecz biorc, suwy wymiany adunku. Oczywicie, gdy zawr jest otwar-ty, napd magnetoelektryczny musi generowa si wymuszajc ruch zaworu. Te siy napdowe reprezentuj krzywe FMW (dla zaworu wylotowego) oraz FMS (dla zaworu dolotowego). Szare fragmenty przebiegw tych si to okres wymuszenia ruchu za-

    woru, czarne to okres wymaganego docisku zaworu do jego gniazda . Dla porwna-

    nia na rysunkach naniesiono przebiegi si w sprynach SW i SS dla napdu krzyw-kowego. Wida, e zwaszcza dla zaworu dolotowego sia docisku w napdzie magne-toelektrycznym jest mniejsza ni sia docisku w napdzie krzywkowym (realizowana przez spryn zaworow).

    W chwili, kiedy realizowana jest faza przestoju otwartego zaworu, ze wzgldu na siy aerodynamiczne oddziaujce na grzybek zaworu, konieczne jest wygenerowanie w napdzie magnetoelektrycznym siy utrzymujcej zawr w pooeniu otwartym. Z powodu moliwych niewielkich zmian si oddziaujcych na zesp cewka zawr konieczne jest zapewnienie stabilnego, otwartego pooenia przez wykorzystanie sprzenia zwrotnego. Take w fazie docisku zamknitego zaworu do gniazda moli-we s lokalne zmiany cinienia gazw w cylindrze wymuszajce chwilowe zmiany siy docisku generowanej w napdzie magnetoelektrycznym.

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 269

    Rys. 15. Przebieg si napdowych zaworw w rozrzdzie magnetoelektrycznym: hM wzniosy zaworw napdzanych magnetoelektrycznie, hK wzniosy zaworw napdzanych krzyw-k, p cinienie gazw, pd wymagane cinienie docisku zaworu, FM sia napdowa dla napdu ma-

    gnetoelektrycznego, S sia spryny dla napdu klasycznego, W indeks dla zaworu wylotowego, S indeks dla zaworu dolotowego.

    Fig. 15. Driving valve forces for magneto-electric valve timing drive:

    hM lift courses for magneto-electric drive, hK lift courses for cam drive,

    p gas pressure, pd pressure for valve holding down,

    FM driving force for magneto-electric drive, S spring force for cam drive,

    W exhaust valve index, S suction valve index.

    0 100 200 300 400 500

    7

    0

    -0.10

    0.10.20.30.40.5

    300

    200

    100

    0

    -100

    200

    100

    0

    -100

    kt obrotu wau korbowego [OWK]

    DMP DMPGMP

    siy

    [N

    ]si

    y [

    N]

    cin

    ien

    ie [

    MP

    a]

    h [

    mm

    ]

    FMS

    FMW

    SS

    SW

    p

    pd

    hMW hMS

    hKW hKS

  • K. Zbierski, M. Smoczyski 270

    Rysunek 15 pozwala take na szersze spojrzenie na fazy pracy rozrzdu magneto-elektrycznego i jego ukadu sterowania. Wida na nim konieczno sterowania zarw-no zaworem wylotowym, jak i dolotowym podczas caej wymiany adunku (dla wy-

    muszenia ruchu zaworw, bd zapewnienia ich docisku do gniazda).

    5. Podsumowanie

    Bezkrzywkowe rozrzdy elektryczne obok wymienionych zalet maj rwniepewne wady. Jedn z nich jest ograniczona warto siy napdzajcej zawory. Nie zmienia to jednak moliwoci zastosowania rozrzdu elektrycznego w przyszocio-wych silnikach spalinowych.

    Przedstawiony magnetoelektryczny napd zaworw silnikw spalinowych charak-teryzuje si wieloma waciwociami, ktrych nie posiadaj krzywkowe napdy zawo-rw. Najwaniejsz z nich jest moliwo bezstopniowego bezstopniowej zmiany wartoci geometrycznych parametrw rozrzdu, co jest rwnoznaczne z moliwocisterowania ktoprzekrojem oraz czasoprzekrojem zaworu. W pewnych warunkach pracy silnika moliwe jest uzyskanie wartoci ktoprzekroju oraz czasoprzekroju wikszych ni w przypadku zastosowania krzywkowych napdw rozrzdu.

    Gwn przyczyn ograniczenia zastosowania magnetoelektrycznego napdu za-worw do wikszoci silnikw czterosuwowych jest maksymalna, moliwa do uzy-skania w chwili obecnej elektrodynamiczna sia napdowa, limitujca minimalny czas moliwego otwarcia oraz zamknicia zaworu i decydujca o maksymalnej prdkoci obrotowej silnika.

    Prdkoci obrotowe silnikw, w ktrych mona zastosowa magnetoelektryczny napd zaworw bez pogorszenia warunkw wymiany adunku, oszacowano na: okoo 5250 obr/min w przypadku silnikw o zaponie iskrowym, 4500 obr/min w przypadku

    niedoadowanych silnikw o zaponie samoczynnym oraz 3800 obr/min dla doado-

    wanych silnikw o zaponie samoczynnym. Oczywicie, moliwa jest praca silnikw z wikszymi, ni podano powyej, prdkociami obrotowymi, jednak odbywa si ona bdzie kosztem pogorszenia wymiany adunku.

    Dla silnikw pracujcych z mniejszymi, ni podano powyej, prdkociami obro-towymi rozrzd magnetoelektryczny polepsza wymian adunku.

    Cechy charakterystyczne oraz uzyskiwane do tej pory obiecujce wyniki badazachcaj do dalszych prac nad magnetoelektrycznym napdem zaworw.

    Literatura

    [1] BACKHAUS R., BECKMAN K.: Motoren und Komponenten Elektromechanischer Ventiltrieb von

    Siemens. Motortechnische Zeitschrift 11/1999.

    [2] BIRCH S.: Renault research. Automotiv Engineering International 3/2000.

    [3] DENGER D., MISCHKER K.: Die elektrohydraulische Ventilsteuerung. Motortechnische Zeitschrift,

    12/2004.

    [4] FLIERL R., HOFMANN R., LANDERL CH., MELCHER T., STEYER H.: Der neue BMW Vierzylinder

    Ottomotor mit VALVETRONIC. Teil I: Koncept und konstruktiver Aufbau. Motortechnische Zeit-

    schrift 6/2001.

  • Rozrzd bezkrzywkowy czterosuwowego silnika spalinowego na tle rozrzdu krzywkowego 271

    [5] LANGEN P., COSFELD R., GRUDNO A., RELF K.: Der Elektromechanisches Ventiltrieb als Basis zu-

    knftiger Ottomotorkonzepte. BMW Group, Mnchen. 21 Internationales Wiener Motorensymposi-

    um, 4-5 Mai 2000.

    [6] PISCHINGER S., DILTHEY J., SALBER W., ADOMEIT PH.: Ladungsbewegung und Gemischbildung bei

    Ottomotoren mit voll variabler Ventilsteuerung. 22. Internationales Wiener Motorensymposium 26.-

    27. April 2001.

    [7] SALBER W., KEMPER H., STAAY F., ESCH T.: Der elektromechanische Ventiltrieb Systembaustein

    fr zuknftige Antriebskonzepte. Teil 1, 2. Motortechnische Zeitschrift, 12/2000, 1/2001.

    [8] VALKENBURGH P.: Technology update Electric valves. Aura Systems, Inc.: Road & Track EVA

    Article /1998. http://www.aurasysems.com/road.

    [9] ZBIERSKI K.: Theoretical basis of electromagnetic valve timing of combustion engine. Journal of

    Internal Combustion Engines. Kones 2004. Zakopane 2004.

    [10] ZBIERSKI K.: Wstpne badania studialnego silnika z rozrzdem elektromagnetycznym. Journal of

    Kones Internal Combustion Engines. Kones 2005, Polanica 2005.

    [11] ZBIERSKI K.: Napd magnetoelektryczny. Waciwoci cz. II. Napdy i sterowanie, 2/2007. [12] VOLKER F., SCHULZ & WILIAM E. SEITZ.: Gently does it. Engine technology international, Venture

    Scientifics, LLC, USA 1999.

    [13] HARA S., HIDAKA A., TOMISAWA N., NAKAMURA M., TODO T., TAKEMURA S., NOHARA T.: Applica-

    tion of variable valve event and timing system to automotive engines. SAE 2000 SP-1523.

    [14] PETERSON K., STEFANOPOULOU A.: Electro-mechanical valve (EMV) actuator control for camless

    engines. University of Michigan. Automotive Engineering, January 2002.

    [15] TAI CH.,TSAO T.: Quiet seating control design of on electromagnetic engine valve actuator. De-

    partment of Mechanical and Aerospace Engineering University of California, at Los Angeles,

    CA 90095.ASME 2001.

    [16] KOSSOWSKI Z., WAJAND J.A., ZBIERSKI K.: Ukad napdu zaworw tokowego silnika spalinowego.

    Biuletyn Urzdu Patentowego nr 21, Warszawa 2000. [17] ZBIERSKI K.: Badania bezkrzywkowego, magnetoelektrycznego rozrzdu silnika spalinowego. Spra-

    wozdanie z realizacji projektu badawczego Nr 4 T12D 018 26. Centralny Orodek Badawczo-Rozwojowy Przemysu Bawenianego Polmatex-Cenaro w odzi. d, 2006.

    [18] MATZKE W.: Projektowanie rozrzdu czterosuwowych silnikw trakcyjnych. Wydawnictwa Komu-

    nikacji i cznoci. Warszawa 1989. [19] BERE W. I INNI: Dynamika pojazdw i maszyn roboczych cikich. Wydawnictwo Politechniki

    Wrocawskiej, Wrocaw 1983.

    [20] NIEWIAROWSKI K.: Tokowe silniki spalinowe. Wydawnictwa Komunikacji i cznoci, Warszawa 1983.

    [21] WAJAND J., A., WAJAND J., T.: Tokowe silniki spalinowe rednio i szybkoobrotowe. Wydawnictwa

    Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000.

    [22] ZBIERSKI K., SMOCZYSKI M.: Napd magnetoelektryczny. Przebiegi si cz. III. Napdy i sterowa-nie, 5/2007.

    Camless valve timing of four-stroke combustion engine

    against a background of cam valve timing

    S u m m a r y

    The paper presents essence of four-stroke engine camless valve timing and up-to-date camless valve

    timing investigation state. It has been concentrated on electrical valve timing, especially magneto-electric

    valve timing, as Polish idea. This magneto-electric valve timing has been compared with cam valve tim-

    ing, using of their kinematics and dynamic properties. It has been shown on magneto-electric valve timing

    example, that camless valve timing has many good points in comparison with up-to-date cam valve tim-

    ing.