Технические науки/ 4.Транспорт

магистр, Летвинко П.С., магистрант, Гельметдинов З.З.

Костанайский Государственный Университет имени А.Байтурсынова, Казахстан

Преимущество применения резонансных электромагнитных
механизмов для индивидуального управления

клапанами ГРМ ДВС.

Сборка привода клапана ГРМ ДВС (газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания) зависит в основном от налагаемых на него требований. В ходе работы ДВС для клапана определяют два условных положения - открытое или закрытое. Соответственно, ИП (индивидуальный привод) так же должен иметь не менее двух фиксированных положений. Для обеспечения гибкого управления процессами, протекающими в ДВС, ИП клапана ГРМ должны иметь достаточно малое время переключения. Последнее определяется из значения номинальных оборотов вращения двигателя и является исходным данным при проектировании приводов. Согласно техническим требованиям на электромеханический клапан ГРМ двигателей ВАЗ время полного открытия и полного закрытия клапана должно составлять 0.005 с.

Так же, помимо периода переключения узлов ДВС, согласуется скорость посадки клапана ГРМ. В первую очередь это необходимо для уменьшения износа седла клапана и возникающего при этом шума. Далее приведены показатели скорости посадки клапана для седел из различных видов металла: седло из чугуна — 0.3-0.4м/с; седло из стали — 0.5-0.бм/с; стальное стеллитированное седло — 0.7-0.8м/с.

Отсюда следует, что привод клапана ГРМ должен обеспечивать перемещение клапана ГРМ в два крайних положения с определенными временем и скоростью в конце хода.

Обеспечить два крайних положения клапана ГРМ можно любым ЭМ (электромагнит), и в самой простой конструкции, состоящих из электромагнита и возвратной пружины. К ЭМ подобного типа можно отнести конструкции, построенные на тяговых электромагнитах клапанного, прямоходового или броневого вида с внешним притягивающимся или внедряющимся якорем. Но в подобных ЭМ для получения более высокого быстродействия при переключении с ходом подвижной детали, имеющей величину всего в несколько (до десяти) миллиметров, необходимо получить достаточно большую значение электромагнитной силы, т.е. при значительных величинах воздушного зазора необходимо обеспечивать существенные величины магнитодвижущей силы обмоток. Это ведет к повышению общих габаритов ЭМ и, кроме того электромагнитная сила должна быть достаточно большой по всему пути хода якоря, что сказывается на значительном нагреве обмоток. Помимо этого, из-за существенного превышения электромагнитной силы над противодействующей якорь приобретает высокую скорость при достижении одного из крайних положений, результатом является сильный удар, вызывающий повышенные акустический шум и механический износ. Необходимые требования по быстродействию могут быть достигнуты ЭМ, представляющим собой сложную электромеханическую систему, состоящую из одного или двух электромагнитов и общего якоря, с пружинами с обеих сторон, представляющего тем самым пружинный маятник. В подобных механизмах сила, созданная электромагнитом, используется исключительно для баланса сил сопротивления движению и удержания якоря в мертвых точках, перемещение якоря происходит благодаря энергии, накопленной в пружинах. В такого рода конструкции движение якоря производится с собственной частотой пружинного маятника, что обеспечивает достижение более высокого быстродействия. Принимая силы сопротивления движению равными нулю, получим время переключения резонансного ЭМ как корень из отношения суммы масс движущихся деталей механизма к эквивалентной жесткости пружин.

Подобные свойства позволяют уменьшить потребляемую мощность и повысить массогабаритные значения резонансного ЭМ в отношении к классическим в несколько раз. На рис.1 показаны схемы механических систем обычного и резонансного ЭМ, состоящие из подвижного элемента, демпфирующих устройств и жестких пружин.

Рис.1. Механические системы классического (слева) и резонансного (справа) ЭМ

На рис.2 приведены соответствующие вышеуказанным схемам механические характеристики пружин сплошной линией и мощностные характеристики электромагнита пунктирной линией, обеспечивающие одинаковое время срабатывания. Исходя из графиков получаем что, в случае электромагнита одностороннего действия при максимальном зазоре необходимо достаточно большое электромагнитное воздействие, приближенное по значению к величине Р*.

Рис.2. Тяговая и механическая характеристики классического (слева) и резонансного (справа) ЭМ

В диссертационной работе приводится оценка затрат энергии при различных значениях площади сечения магнитопровода, которая показывает что затраты энергии в резонансном ЭМ, при одинаковых условиях, значительно меньше. На рис.3 представлены зависимости потребляемой мощности от времени, необходимого для переключения электромагнита одностороннего действия и резонансного электромагнита. На сегодняшний день сформировались несколько исполнений конструкций резонансных ЭМ, работающих на основе подобных принципов и отличающихся некоторыми деталями, позволяющими улучшить различные характеристики ЭМ. Наиболее часто встречающаяся в литературе схема конструкции магнитосистемы состоит из двух электромагнитов, расположенных симметрично относительно друг друга, имеющих общий якорь, совершающий поступательное или вращательное движение (рис.4).

Рис.3. Потребляемая мощность при переключении классического (сплошная линия) и резонансного ЭМ (пунктирная линия)

Рис.4. Резонансные ЭМ с двумя симметрично расположенными электромагнитами

Следующим этапом в процессе уменьшения потребляемой мощности в резонансном ЭМ является применение конструкций, которые состоят из поляризованных электромагнитов. Образцы подобных систем приведены на рис.5.

Рис.5. Резонансные ЭМ с поляризованной магнитной системой

В такого рода конструкциях постоянный магнит генерирует магнитное поле, которое в свою очередь обеспечивает удержание якоря привода в крайних точках без подключения напряжения к обмоткам электромагнита, что позволяет значительно снизить потребляемую мощность ЭМ на низких оборотах двигателя внутреннего сгорания. Однако такое исполнение ЭМ обладает одним существенным недостатком - при переключении управляющей катушкой должен создаваться поток для компенсации действия постоянного магнита.

Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод, о том, что использование резонансных ЭМ имеет огромное преимущество в сравнении с другими ЭМ, используемыми для индивидуального управления клапанами ГРМ ДВС. Так же необходимо отметить что, для обеспечения требуемого быстродействия, использование резонансных ЭМ, по сравнению с тяговыми ЭМ клапанного, прямоходового или броневого типов с внешним притягивающимся или внедряющимся якорем, позволяет значительно уменьшить массу и габариты привода, уменьшить потребляемую мощность ЭМ. Это обусловлено тем, что время переключения такого рода механизмов определяется параметрами жесткости пружин и массой его движущихся частей. Так же отчетливо прослеживается тенденция модернизации существующих конструкций резонансных ЭМ в сторону уменьшения потребляемой мощности, путем применения в магнитной системе постоянных магнитов.

Литература:

1. Электромагниты и постоянные магниты.1972 Сливинская А.Г.

2. Сливинская А.Г., Гордон А.В. Электромагниты со встроенными выпрямителями. Москва: Издательство "Энергия", 1970 год.

3. Бессонов Л.А. Электрические цепи со сталью. Москва-Ленинград: ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, 1948 год.

4. Попов В.К. Электропривод. Пособие для механиков и технологов. Ленинград-Москва: Издательство МАШГИЗ, 1946 год.