Соленоидный (электромагнитный) клапан. Устройство и принцип действия. Магнитные клапаны двигателя


Система электромагнитов под названием Electromagnetic Valve Actuator заменит ДВС

Все двигатели внутреннего сгорания, за исключением тех, в которых используется прямой впрыск, наделены так называемыми клапанами. На каждый рабочий цилиндр приходится как минимум 2 клапана (впускной и выпускной), либо 4. Кулачок распределительного вала в нужный момент надавливает на клапан, вследствие чего происходит открывание последнего. На самом деле, подобная схема не лишена недостатков.

Главным недостатком является то, что фаза открытия клапана при использовании кулачкового механизма всегда остается постоянной. Эту фазу можно регулировать, но при работе двигателя она не изменится. Было выяснено, что с изменением частоты оборотов меняется и оптимальное значение фазы. Но двигатель с управляемой фазой открытия клапанов не может быть создан, если не отказаться от идеи использования кулачкового механизма.

Электромагнитные клапаны

Заменить кулачковый механизм можно электромагнитом и пружиной, возвращающей клапан на место в процессе его закрытия. Как показали исследования, проведенные российскими инженерами, одной пружины окажется мало – нужен второй электромагнит, запирающий.

Фирма Renault разработала систему электромагнитных приводов, которую можно использовать вместо кулачковых механизмов. Разработка получила название Electromagnetic Valve Actuator (EVA), и, разумеется, она найдет применение в серийных двигателях Renault. На каждый клапан бензинового мотора, оснащенного устройством EVA, приходится два электромагнита: открывающий и запирающий. В отсутствие напряжения бортсети все клапаны должны быть закрыты, поэтому конструкция дополнена пружинами. Каждая из пружин удерживает клапан в исходном состоянии.

Недостатки системы EVA

Оказалось, что электромагниты, применяемые вместо кулачкового механизма, потребляют значительную мощность. Удерживая клапан в открытом положении, электромагнит расходует 70 Ватт. Сила тока, подводимая к каждому электромагниту, будет находиться в пределах 6 Ампер, но умножив эту цифру на число клапанов, мы получим чудовищное значение. В компании Renault решили так: двигатели, оборудованные системой EVA, должны комплектоваться электрооборудованием, рассчитанным на 48 Вольт. Что, как можно понять, сейчас является проблемой.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

autozam.ru

Электромагнитный привод клапанов | Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

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.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Устройство привода клапана двигателя внутреннего сгорания

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Устройство привода клапана (14) двигателя внутреннего сгорания содержит головку (1) блока цилиндров, распределительный вал (2), установленный с возможностью вращения в головке (1) блока цилиндров, кулачковый механизм, толкатель (11) клапана, клапан (14) и тарелку (13) клапана. Распределительный вал (2) выполнен сборным, состоящим из штока с жестко установленными на нем посредством переходных втулок (3) кулачками. Каждый кулачок представляет собой сборку, состоящую из постоянного магнита (4), имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок (5), имеющих на площади прилегания к магниту (4) пазы (6) для фиксации магнита (4). Боковые накладки (5) выполняют функцию рабочей поверхности кулачка. Рабочие поверхности накладок (5) кулачка, имея от постоянного магнита (4) кулачка намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями накладок (7) сборного ролика. Сборный ролик состоит из постоянного магнита (9), имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок (7), имеющих на площади прилегания к магниту пазы (8) для фиксации магнита (9). Боковые накладки (7) выполнят функцию рабочей поверхности ролика, которые имея от постоянного магнита (9) намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси (10) вращения ролика, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями боковых накладок (5) кулачка. Ролик толкателя встроен в толкатель (11) клапана через ось (10) вращения ролика. Толкатель (11) клапана содержит устройство (12) крепления клапана. Технический результат заключается в снижении нагрузки на детали устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в конструкции газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В общем случае, газораспределительный механизм предназначен для обеспечения своевременной подачи в цилиндры двигателя воздуха или топливно-воздушной смеси (в зависимости от типа двигателя) и выпуска из цилиндров отработанных газов [1]. Например, на широко распространенных четырехтактных поршневых двигателях внутреннего сгорания применяются клапанные газораспределительные механизмы, устройство таких механизмов включает: клапаны, привод клапанов, распределительный вал, привод распределительного вала.

Предшествующий уровень техники

Широко известны впускные и выпускные клапаны механического принципа действия, которые открываются толкающими усилиями кулачков распределительного вала, а закрываются под воздействием возвратной запорной пружины. Недостатком таких устройств является сложность конструкции из-за упругих возвратных запорных пружин (в некоторых устройствах установлено по две возвратно запорных пружины), повышенная шумность работы от наличия динамического взаимодействия кулачков с толкателями, наличия сил трения скольжения между кулачками и толкателями, а также значительных нагрузок на детали и механизмы, обеспечивающие работу газораспределительного механизма, снижающих коэффициент полезного действия автомобиля.

Известны и являются перспективными, в части возможности управления двигателем от электронной автоматики, электромагнитные приводы газораспределительных клапанов [2], однако существенным недостатком таких устройств также является наличие возвратной запорной пружины, для преодоления усилия которой необходима значительная тяговая сила, что делает габаритные размеры электромагнита и индуктивность недопустимо большими, а потребление энергии от бортовой сети автомобиля - значительным.

Известны беспружинные десмодромные газораспределительные механизмы [3] с принудительным открытием и закрытием клапанов, применяемые в двигателях с целью обеспечения надежной работы на высоких оборотах. Принудительное открытие и закрытие клапанов осуществляется от самостоятельных кулачков. Десмодромный механизм имеет ряд существенных недостатков, сдерживающих его широкое применение: высокая стоимость конструкции, обусловленная прецизионной точностью сопрягаемых деталей, сложность технического обслуживания, обусловленная наличием большого количества движущихся частей, склонных к износу. Применение таких механизмов может быть оправдано для специальных целей, например для использования в гоночных автомобилях («Mercedes-Benz W196», «O.S.C.A. Barchetta», «Mercedes-Benz 300 SLR») и мотоциклах («Ducati»).

Известны изобретения [4, 5, 6], направленные на решение задач усовершенствования перечисленных механизмов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является раскрытый в патенте UA 75426 на полезную модель бесконтактный привод клапана ДВС [7]. Данное устройство содержит распределительный вал, толкатель, выполненный из цилиндрического постоянного магнита, полюса которого расположены диагонально. Техническим результатом является снижение шума при работе двигателя, улучшение работы и увеличение долговечности устройства.

Раскрытие изобретения

Устройство привода клапана ДВС основано на использовании силовых магнитных полей постоянного магнита.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей привода клапана ДВС для обеспечения надежной работы на высоких оборотах, создание оригинальной конструкции привода клапана ДВС, обеспечивающего повышение эффективности системы газораспределения, снижение потребления топлива, повышение коэффициента полезного действия двигателя и автомобиля в целом, повышение технологичности изготовления и применения унифицированного устройства, снижение нагрузки в целом на детали и механизмы, обеспечивающие работу газораспределительного механизма, что влечет за собой снижение потребления топлива, снижение токсичности выхлопных газов, повышение крутящего момента ДВС.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве привода клапана ДВС, содержащем головку блока цилиндров, распределительный вал, установленный с возможностью вращения в головке блока цилиндров, кулачковый механизм, толкатель клапана, клапан и тарелку клапана, согласно изобретению распределительный вал, выполнен сборным, состоящим из штока с жестко установленными на нем посредством переходных втулок кулачками, каждый из которых представляет собой сборку, состоящую из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок, имеющих на площади прилегания к магниту пазы для фиксации магнита, выполняющих функцию рабочей поверхности кулачка, причем рабочие поверхности накладок кулачка, имея от постоянного магнита кулачка намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями накладок сборного ролика, который состоит из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок, имеющих на площади прилегания к магниту пазы для фиксации магнита, выполняющих функцию рабочей поверхности ролика, которые также имея от постоянного магнита намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения ролика, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями боковых накладок кулачка, при этом ролик толкателя встроен в толкатель клапана через ось вращения ролика, а толкатель клапана содержит устройство крепления клапана.

Кроме того, боковые накладки кулачка и ролика выполнены из ферромагнитного материала, а распределительный вал, переходные втулки, толкатель клапана и ось вращения ролика изготовлены из немагнитного материала.

Данное устройство содержит жестко закрепленные кулачки, каждый из которых представляет собой сборку, состоящую из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание и разноименные полюса (N и S) вдоль оси вращения, изготовленного с возможностью работы в условиях высокой температуры (рабочая температура магнита 180 градусов по Цельсию) в форме эксцентрика, и боковых накладок в форме эксцентрика, на площади прилегания к магниту накладки имеют пазы (углубление) для фиксации магнита, изготовленные из ферромагнитного материала, обладающие высокой магнитной проницаемостью, выполняющие функцию магнитного поля на рабочую поверхность кулачка и функцию рабочей поверхности кулачка. Сборный ролик толкателя состоит из постоянного магнита, изготовленного с возможностью работы в условиях высокой температуры (рабочая температура магнита 180 градусов по Цельсию) в форме кольца, и боковых несущих кольцевых накладок, на площади прилегания к магниту накладки имеют пазы (углубление) для фиксации магнита, изготовленных из ферромагнитного материала, обладающих высокой магнитной проницаемостью, также выполняющих функцию магнитного поля на рабочую поверхность ролика, и функцию рабочей поверхности ролика, встроенного в толкатель клапана через ось вращения ролика, при этом толкатель клапана и ось вращения ролика, изготовлены из немагнитных материалов, и толкатель клапана содержит устройство крепления тарелки клапана.

Причем рабочие поверхности боковых ферромагнитных накладок кулачка, обладая высокой магнитной проницаемостью и имея от постоянного магнита кулачка намагниченные разноименные полюса (N и S), расположенные вдоль оси вращения распределительного вала, и рабочие поверхности боковых ферромагнитных накладок ролика, также обладая высокой магнитной проницаемостью и имея от постоянного магнита ролика намагниченные разноименные полюса (S и N), расположенные вдоль оси вращения ролика, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи между собой.

Сборный кулачок распределительного вала, а также сборный ролик толкателя клапана со встроенным постоянным магнитом, имеющим аксиальное намагничивание и разноименные полюса (N и S - S и N) вдоль оси вращения, через боковые несущие ферромагнитные накладки, обладающие высокой магнитной проницаемостью, соответственно магнитной силой постоянного магнита, постоянно притягиваются друг к другу исключительно разноименными полюсами, выполняют две функции, а именно, вращаясь между собой, кулачок, набегая на ролик толкателя клапана, обеспечивает открытие клапана, а затем, сбегая с ролика толкателя клапана, закрывает клапан под действием мощных магнитных сил постоянных магнитов, что функционально заменяет действие возвратно запорной пружины. Таким образом, обеспечивается своевременное открытие и закрытие клапана с минимальными механическими потерями.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где изображен разрез устройства привода клапана ДВС, расположение полюсов постоянных магнитов кулачка и ролика, расположение полюсов постоянных магнитов на площади прилегания магнита к боковым накладкам, направление магнитных полей в ферромагнитных накладках кулачка и ролика, а также расположение полюсов на рабочих поверхностях накладок кулачка и ролика, где

1 - головка блока цилиндров,

2 - распределительный вал,

3 - переходные втулки,

4 - постоянный магнит кулачка,

5 - боковые накладки кулачка,

6 - паз (углубление) для фиксации магнита кулачка,

7 - боковые накладки ролика,

8 - паз (углубление) для фиксации магнита ролика,

9 - постоянный магнит ролика,

10 - ось вращения ролика,

11 - толкатель,

12 - крепление клапана,

13 - тарелка клапана,

14 - клапан,

15 - направляющая втулка клапана.

Устройство привода клапанов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания содержит головку блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания 1, где в подшипниках скольжения, выполненных в виде разъемных опор, расположен сборный распределительный вал 2, на оси которого посредством переходных втулок 3 жестко закреплены сборные кулачки, состоящие из постоянного магнита в форме эксцентрика 4, имеющего аксиальное намагничивание с разноименными полюсами (N и S) вдоль оси вращения, и боковых накладок кулачка 5, имеющих паз 6 для фиксации магнита, обладающих высокой магнитной проницаемостью, выполняющих функцию магнитного поля на рабочую поверхность кулачка и функцию рабочей поверхности кулачка.

Боковые накладки кулачка 5, обладающие высокой магнитной проницаемостью, с помощью магнитных сил разноименных полюсов (N и S) постоянного магнита 4 находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с боковыми накладками ролика 7, имеющими пазы 8 для фиксации магнита, также обладающими высокой магнитной проницаемостью, с помощью магнитных сил разноименных полюсов (S и N) постоянного магнита 9, имеющего аксиальное намагничивание магнитного поля вдоль оси вращения ролика, встроенного через ось 10 в толкатель 11, имеющего крепление клапана 12 с тарелкой клапана 13, обеспечивая постоянную магнитную и кинематическую связь между собой, в целом выполняют функцию возвратно-поступательного движения толкателя 11 клапана 14 через направляющую втулку 15, проводят своевременное открытие и закрытие клапана 14.

Осуществление изобретения

Работа устройства привода клапанов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом.

Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала с помощью привода, который осуществляет его вращение в два раза медленнее коленчатого вала (за один цикл работы двигателя конкретный клапан открывается только один раз). В качестве привода распределительного вала используется ременная, цепная и зубчатые передачи. Распределительный вал, как основная деталь газораспределительного механизма, служит для синхронизации впуска или выпуска и тактов работы двигателя. Составной частью распределительного вала являются его кулачки, количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя.

При вращении распределительного вала намагниченные боковые ферромагнитные накладки кулачка, находясь разноименными полюсами (N и S - S и N) в постоянной магнитной и кинематической связи с намагниченными боковыми ферромагнитными накладками ролика толкателя клапана, вращаясь между собой, осуществляя возвратно-поступательное движение толкателя клапана и клапана в целом, производят своевременное открытие и закрытие клапана.

Заявленное изобретение позволяет использовать магнитную силу притяжения разноименных полюсов (S и N) постоянных магнитов для постоянного контакта между кулачком распределительного вала и роликом толкателя клапана при его открытии и закрытии, а также избавиться от упругих пружин газораспределительного механизма, что в свою очередь в целом снизит нагрузку с деталей и механизмов, которые обеспечивают работу газораспределительного механизма ДВС, при этом повысить механический КПД двигателя.

Постоянный магнит изготавливают из железа, стали, чугуна и других сплавов железа, магнит всегда имеет два магнитных полюса: северный (N) и южный (S). Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти поля взаимодействуют между собой. Наиболее сильное магнитное поле постоянного магнита у его полюсов.

В заявленном устройстве постоянное и неразрывное магнитное взаимодействие кулачка 4 с роликом 7 происходит за счет разноименных полюсов магнитов, а именно направленного их аксиального намагничивания (фиг. 2). Аксиальная намагниченность (от английского axial - осевая) - это намагниченность через ось вращения, для дисков - это намагниченность через центральную ось вращения. Это значит, что вектор намагниченности проходит через толщину, то есть одна сторона плоскости магнита - северный полюс, а другая поверхность - южная. Для простоты, можно называть аксиальную намагниченность - через толщину. Большинство магнитов намагничены аксиально, чтобы достичь максимальной площади соприкосновения магнита с металлической поверхностью, а значит, и лучшего сцепления.

Ферромагнетики - это вещества, изготовленные из железа, никеля, кобальта и др., которые имеет высокую магнитную проницаемость, то есть обладают самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий магнитного поля. Ферромагнетики, в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков, являются сильномагнитными веществами, внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

Согласно гипотезе французского ученого Ампера внутри вещества существуют элементарные электрические токи (точки Ампера), которые образуются вследствие движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси. При движении электронов возникают элементарные магнитные поля. При внесении куска железа во внешнее магнитное поле все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле. Так кусок железа становится магнитом.

За счет выполнения кулачка и ролика с постоянным магнитом с аксиальным направлением намагничиваемой поверхности, а также боковых ферромагнитных накладок, которые имеют высокую магнитную проницаемость, то есть обладая малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством, магнитное поле концентрируется в основном по стенкам ферромагнитных накладок, а именно на рабочие поверхности кулачка и ролика, которые расположены друг к другу разноименными полюсами, в результате происходит постоянное достаточно прочное их сцепление между собой.

Поэтому следует отметить, что для исключения нарушения и искажения направления магнитных полей постоянных магнитов, концентрируемых на рабочих поверхностях ферромагнитных накладок сборных кулачков и сборных роликов, а также потерь величины магнитных сил, распределительный вал, переходные втулки, толкатель, ось вращения ролика должны быть изготовлены из немагнитного материала, то есть с отрицательной магнитной восприимчивостью (диамагнетик).

Также следует отметить, что в зависимости от необходимости получения величины магнитных сил сцепления между рабочими поверхностями боковых ферромагнитных накладок сборных кулачков и сборных роликов толкателей установленные в сборных кулачках постоянные магниты могут быть выполнены в форме колец, кулачок или ролик, как в целом, так и по отдельности, могут быть выполнены с использованием постоянных магнитов или только ферромагнитного материала.

Эксплуатация предложенного устройства удобна, оптимальна и позволяет использовать унифицированную систему магнитного привода клапанов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания в течение долгого времени.

Конструкция устройства за счет внесения минимальных изменений в конструкцию ДВС может применяться во всех ДВС и позволяет переоснастить в условиях ремонтного салона уже существующие двигатели любых марок. Предполагается использование в ДВС любых производителей в автомобилестроении, судостроении и т.д.

Источники информации

1. Учебник по двигателям внутреннего сгорания. Часть 1. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа. Под ред. М.Г. Круглова. 3-е издание, переработанное и дополненное.

2. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. Учебник для студентов вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 2000.

3. Интернет. Материал из Википедии. Газораспределительный механизм своевременного распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов.

4. Патент RU 2328605. «Система привода клапанов двигателя». МПК F01L 13/00, приоритет от 21.04.2004.

5. Патент RU 2298108. «Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания». МПК F02D 13/02, приоритет от 04.05.2005.

6. Патент RU 2325540. «Кулачковый механизм привода клапана двигателя внутреннего сгорания». МПК F01L 31/22, приоритет от 29.05.2006.

7. Полезная модель, патент UA 75426 U (Государственное учреждение «Луганский Национальный Университет имени Тараса Шевченко»), МПК F01L 9/00, приоритет от 26.11.2012.

1. Устройство привода клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащее головку блока цилиндров, распределительный вал, установленный с возможностью вращения в головке блока цилиндров, кулачковый механизм, толкатель клапана, клапан и тарелку клапана, отличающееся тем, что распределительный вал выполнен сборным, состоящим из штока с жестко установленными на нем посредством переходных втулок кулачками, каждый из которых представляет собой сборку, состоящую из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок, имеющих на площади прилегания к магниту пазы для фиксации магнита, выполняющих функцию рабочей поверхности кулачка, причем рабочие поверхности накладок кулачка, имея от постоянного магнита кулачка намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями накладок сборного ролика, который состоит из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок, имеющих на площади прилегания к магниту пазы для фиксации магнита, выполняющих функцию рабочей поверхности ролика, которые также имея от постоянного магнита намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения ролика, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями боковых накладок кулачка, при этом ролик толкателя встроен в толкатель клапана через ось вращения ролика, а толкатель клапана содержит устройство крепления клапана.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что накладки кулачка и ролика выполнены из ферромагнитного материала.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что распределительный вал, переходные втулки, толкатель клапана и ось вращения ролика изготовлены из немагнитного материала.

www.findpatent.ru

К ВОПРОСУ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПРИВОДЕ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Мишин Е.А.,Пономарев А.И.,Голубина С.А.

Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана

Номер: 7-5

Год: 2016

Страницы: 57-61

Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук
Аннотация к статье

В данной работе показано, что установка электромагнитного привода газораспределительный клапанов на двигатель внутреннего сгорания способствует возможности гибкого адаптированного управления клапанами.

Текст научной статьи

В поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) все рабочие процессы превращения химической энергии сжигаемого топлива в механическую работу коленчатого вала происходят внутри двигателя за счет возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах [1]. Главным устройством, обеспечивающим штатную работу поршневого ДВС, является его газораспределительный механизм (ГРМ). В ГРМ современных поршневых двигателей используется механический цепной или ременный привод впускных и выпускных клапанов через распределительный вал от коленчатого вала ДВС. Клапаны механического принципа действия (рис. 1) открываются толкающими усилиями кулачков распределительного вала, а закрываются под воздействием возвратной запорной пружины. Такие клапаны содержат в своем составе возвратную запорную пружину 1, собственно клапан, состоящий из клапанной головки 2 и клапанного стержня 3, гнездо с посадочной фаской 4 для клапанной головки и направляющую втулку 5 для клапанного стержня. Основные преимущества механических клапанов [1]: • простота конструктивной реализации и компактность ГРМ; • функциональная надежность ГРМ; • минимальный уровень ударных вибраций в ГРМ и, как следствие, бесшумность его работы. Основной недостаток механического клапана это его управление от кулачка 6 распределительного вала 7, когда распредвал кинематически постоянно (жестко) связан с коленчатым валом двигателя. Такая кинематическая схема привода исключает возможность гибкого адаптированного управления клапанами, что препятствует дальнейшему совершенствованию ДВС. Рисунок 1 - Устройство механического привода клапанов Последние десятилетия все ведущие разработчики двигателей внутреннего сгорания для автомобилей активно совершенствуют газораспределительный механизм, чтобы улучшить наполнение цилиндров двигателя. Широко применяются решения по увеличению числа клапанов на один цилиндр. Серийно выпускаются автомобили с четырьмя клапанами. 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. Интерес к исследованиям в этой области определяется возрастающими требованиями к экономичности, токсичности, приспособляемости моторов. Наиболее перспективным для работы в ГРМ с управлением от электронной автоматики является клапан с непосредственным электромагнитным приводом (рис. 2), который открывается электромагнитом 8, 9, 10 при подаче на него управляющего электрического сигнала, а закрывается - возвратной пружиной 1 [1]. При подаче постоянного управляющего напряжения на обмотку 9 электромагнита его магнитопровод, состоящий из неподвижного ярма 8 и магнитопроводящей шайбы (подвижного якоря) 10, смыкается и магнитопроводящая шайба 10 своим ходом «вниз» толкает клапанный стержень 3, тем самым открывая запорный узел 2, 4 клапана. После прекращения действия постоянного управляющего напряжения ток в обмотке 9 электромагнита прерывается, магнитное поле в магнитопроводе 8, 10 исчезает, магнитопроводящая шайба 10 под действием возвратной пружины 1 поднимается «вверх» и запорный узел 2,4 электроклапана закрывается. Рисунок 2 - Устройство клапана с электромагнитным управлением Имеется также несколько другая система, в которой электромагнитный привод клапанов представляет собой подпружиненный клапан, помещенный между двумя электромагнитами, которые удерживают его в крайних положениях: закрытом или полностью отрытом [2]. Принцип работы системы показан на рисунке 3. Рисунок 3 - Устройство клапана с управлением двумя электромагнитами 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. 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. 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 (рис. 4). Рисунок 4 - Графики параметров режима работы клапанного механизма К электромагнитному приводу клапана предъявляются следующие требования [3]: 1. Средняя мощность на перемещение клапана для четырехцилиндрового двигателя при 6000 об/мин и максимальном подъеме клапана не должна превышать 2…3 кВт; 2. Средняя скорость перемещения клапана: 3 см/с при 600 об/мин; 30 см/с при 6000 об/мин; 3. Время перемещения клапана из минимального положения в 5 % от максимально возможного подъема до положения в 95 % должно быть в пределах 3…4 мс. 4. Зазор между клапаном и якорем колеблется в пределах 0…0,5 мм в зависимости от температурного расширения клапана. С помощью такой системы можно не только четко управлять временем открытия каждого клапана, но и обеспечивать получение максимальной мощности или максимального крутящего момента. 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. К тому же возможность управления движением клапана и его высотой открытия позволяет отказаться от дроссельной заслонки. 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 целом это приводит и к уменьшению размеров двигателя. Но конструкций, пригодных для внедрения в серийное производство, пока нет. Этому есть ряд причин, и главная - это неприемлемо большие габаритные размеры силовых тяговых электромагнитов, громоздкость и шумность срабатывания которых обусловлена необходимостью получения достаточно большой тяговой силы при ограниченном токе потребления. Приходится наматывать большое число витков, чтобы обеспечить катушке электромагнита требуемую намагничивающую силу при малом токе. Но, как известно, это приводит к образованию значительной индуктивности катушки, а значит, к ограничению скорости срабатывания электромагнита. Стремление повысить быстродействие понижением индуктивности за счет уменьшения числа витков приводит к необходимости пропорционального увеличения тока управления электромагнитом и, как следствие, - к излишнему расходу электроэнергии на работу электромагнитного клапана. Однако, в настоящее время производители легковых автомобилей должны перейти на напряжение бортовой сети 36 В, с генератором, обеспечивающим напряжение 42 В. При увеличении напряжения в три раза электрический ток, необходимый для питания устройств управления клапанами, становится намного меньше, и размер соленоидов значительно уменьшается. Это позволяет создать устройство с размерами близкими к размерам обычного механизма с двумя распределительными валами в головке и клапанными пружинами. Разработчики полагают, что компромисс может быть найден с применением специальных конструкций магнитопроводных цепей в электромагнитном клапане, созданных на основе новейших высокоэффективных ферромагнитных материалов. Нет сомнения в том, что в ближайшие годы начнут широко внедряться системы электронного управления процессами газораспределения в автомобильных поршневых ДВС с использованием электромагнитных клапанов.

publikacia.net

Соленоидный (электромагнитный) клапан. Устройство и принцип действия

Основными задачами соленоидного (электромагнитного) клапана в двигателе автомобиля являются: обеспечение точного времени начала впрыска топлива относительно угла поворота коленчатого вала двигателя на различных режимах работы, продолжительности впрыска и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя.

Соленоидный клапан можно разделить на две группы – соленоидную и клапанную. Клапанная группа состоит из игольчатого клапана 2, корпуса 12 клапана составляющего одно целое с корпусом насоса и пружины клапана 1.

Рис. Соленоидный (электромагнитный) клапан для легковых автомобилей:1 – пружина клапана; 2 – игольчатый клапан; 3 – камера высокого давления; 4 – камера низкого давления; 5 – компенсационная шайба; 6 – катушка; 7 – упор; 8 – штекер; 9 – щель для прохода топлива; 10 – уплотнительная плоскость корпуса клапана; 11 – уплотнительная плоскость клапана; 12 – корпус; 13 – накидная гайка; 14 – магнитный диск; 15 – магнитный сердечник; 16 – якорь; 17 – уравнительная пружина

Уплотнительная плоскость 10 корпуса клапана имеет конусообразную форму. Посадочная поверхность клапана 11 имеет точно такую форму, однако угол конуса клапана немного больше угла конуса его корпуса. Когда клапан закрыт и прижат к корпусу, корпус и клапан соприкасаются только по линии седла клапана, благодаря чему достигается очень хорошее уплотнение клапана. Клапан и его корпус составляют прецизионную пару и очень плотно подогнаны друг к другу.

Магнит состоит из ярма магнитопровода и подвижного якоря 16. Ярмо состоит из магнитного сердечника 15, катушки 6 и штекеров выводных контактов 8. Якорь соединен с клапаном. Между магнитным ярмом и якорем в исходном положении имеется зазор.

Принцип действия соленоидного (электромагнитного) клапана

Электромагнитный клапан имеет два пе­реключаемых положения – «клапан открыт» и «клапан закрыт». Клапан открыт, когда нап­ряжение питания на катушку не подается. Клапан закрывается при подаче напряжения питания от задающего каскада ЭБУ.

Клапан открыт. Под усилием пружины 1 клапан 2 прижимается к упору 7, в результате чего обеспечивается проход топлива через щель для прохода топлива 9 между иглой и корпусом в области седла клапана. При этом камеры высокого 3 и низкого 4 давления соеди­нены между собой. В этом исходном поло­жении топливо может как втекать в камеру высокого давления, так и вытекать из нее.

Клапан закрыт. Когда наступает момент впрыска топли­ва, на катушку клапана подается напряже­ние питания от задающего каскада ЭБУ. Ток срабатывания вызы­вает магнитный поток в элементах магнит­ного контура (магнитный сердечник и якорь), который генерирует силу магнитно­го притяжения для перемещения якоря к статору. В результате движение якоря оста­навливается иглой при ее посадке на седло в корпусе. При этом между якорем и стато­ром остается небольшой воздушный зазор. Клапан теперь закрыт, и при движении плунжера насос-форсунки вниз осущес­твляется впрыск топлива.

Сила магнитного притяжения использует­ся не только для подтягивания якоря, но и для преодоления силы действия пружины клапа­на и, соответственно, удерживания якоря. Кроме того, сила магнитного притяжения прикладывается к уплотнительным поверх­ностям седла для удерживания их в контакте друг с другом. Якорь удерживается в данном положении до тех пор, пока на катушку клапа­на подается напряжение питания.

Чем сильнее магнитный поток, тем ближе располагается к статору якорь. После зак­рытия клапана можно уменьшить ток до удерживающего уровня. Клапан, таким об­разом, остается закрытым, а потери мощ­ности и, следовательно, выделение тепла, оказываются минимальными.

Для прекращения процесса впрыска топ­лива должна быть прекращена подача напря­жения на катушку клапана, в результате чего магнитный поток исчезает, как и сила магнитного притяжения, и пружина перемещает иглу клапана в ее ис­ходное положение на упоре. Проход топлива через седло клапана открывается.

Видео: Обзор электромагнитных клапанов

ustroistvo-avtomobilya.ru

Электромагнитный привод клапана двигателя внутреннего сгорания

 

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТШЛЙ ПРИВОД КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ , содержащий корпус с крьавкой, якорь, первый и второй переключающие магниты и пружинную систему, выполненную в виде первой и второй пружин , причем пружины, якорь и магниты размещены в корпусе под крьппкой, якорь размещен на клапане, одноименные магниты и пружины - по сторонам якоря, первый и второй магниты выполнены так, что усилия их воздействия на якорь соответственно пря закрытом и открытом -положениях клапана больше, чем усилия от пружин, а пругжины выполнены с такими характеристиками , что место положения равновесия их сил на якорь соответствует положению клапана между открытым и закрытым состояниями, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, привод содержит натяжное устройство, размещенное в корпусе под крышкой и связанное с пружинами, причем натяжное устройст во выполнено в виде сервопривода для смещения равновесного положения пружинной системы. 2.Привод по п. 1, отличающийся тем, что в нем выполнены по меньшей мере два упора ограничения перемещения натяжного устройства , причем первый упор натяжного устройства размещен так, что равновесное положение пружинной системы находится между положениями переключения магнитов, а второй упор размещен так, что равновесное положение пружилной системы совпадает с одним из положений переключения магнитов. 3.Привод по пп. 1и 2, о т л ичающийся тем, что натяжное устройство выполнено в виде электрического сервопривода, имеющего электромагнит с натяжной катушкой и натяжным якорем. 4.Привод по п. 3, отличающийся тем, что электромагнит выполнен .с возможностью включения в положении прижатия к первому упору и с возможностью выключения - в положении прижатия к второму упору. 5.Привод по п. 4, отличасл ел ющийся тем, что электромагнит выполнен таким образом, что время со 4 со его возГуждения больше, чем время возГгуждения переключакацих магнитов. 6.Привод по пп. 1-5, отличающийся тем, что-якорь свд-г заи с клапаном через дополнительно установленные пружинные элементы высокой жесткости. 7.Привод по пп. 1-6, отличающийся тем, что он снабжен демпфирующими элементами, размещен- : ными между якорем и клапаном.

"СОЮЗ С08ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

5(5l) 01 1 1/02

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2l) 3295798/25-06 (22) 16.06.81 (31) Р 3024109,9 (32) 27,06.80 .(3З} ФРГ (46) 15.11.83. Бюл. Ф 42 (72) Франц Пишингер (Австрия) и Петер Кройтер (ФРГ) (71) франц Пишингер (Австрия) (53) 621 . 383 (088. 81 (56) 1, Заявка,ФРГ 11 - 2630512, кл. F 02 0 13/03, 1978. (54) (57) 1 . ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД

КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с крышкой, якорь, первый и второй переключающие магниты и пружинную систему, выполненную в виде первой н второй пружин, причем пружины, якорь и магниты размещены в корпусе под крыпкой, якорь размещен на клапане, одноимен- ные магниты и пружины — по сторонам якоря, первый и второй магниты выполнены так, что усилия их воздействия на якорь соответственно при закрытом и открытом положениях клапана больше, чем усилия от пружин, а пру-.. жины выполнены с такими характеристиками, что место положения равновесия их сил на якорь соответствует положению клапана между открытым и закрытым состояниями, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повьгшения экономичности, привод содержит натяжное устройство, размещенное в корпусе под крышкой и связанное с; пружинами, причем натяжное устройст во выполнено в виде сервопривода для- смещения равновесного положения пружинной системы.

„„SU„„1055343 A

2. Привод по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в нем выполнены по меньшей иере два упора ограничения перемещения натяжного устройства, причем первый упор натяжного устройства размещен так, что равновесное положение пружинной системы находится между положениями переключения магнитов, а второй упор размещен так, что равновесное положение пружинной системы совпадает с одним из положений переключения магнитов.

3. Привод по пп, 1 и 2., о т л ич а ю шийся тем, что натяжное устройство выполнено в виде электри- 5 ческого сервопривода, имеющего электромагнит с натяжной катушкой и натяж ным якорем.

4. Привод по п. 3, о т л и ч а— ю шийся тем, что электромагнит выполнен .с возможностью включения в положении прижатия к первому упору и с возможностью выключения — в положении прнжатия к второму упору. (,",")

5. Привод но п. 4, о т л и ч а ю шийся тем, что электромагнит (д выполнен таким образом, что время С, ) его возбуждения больше, чем время возбуждения переключающих магнитов. в

6. Привод по пн. 1-5, о т л и— ч а ю шийся тем, что..якорь связан с клапаном через дополнительно «ф» установленные пружинные элементы высокой жесткости.

7. Привод по пп. 1-6, о т л и— ч а ю щ и % с я тем, что он снабжен демпфирующими элементами, размещенными между якорем и клапаном.

1055343 изобретение относится к машиностроению, а именно к электромагнитным исполнительным органам для колебательно движущихся управляющих элементов в поршневых машинах, например двигателях внутреннего сгорания, в частности для плоских шиберов и тарельчатых и других клапанов.

Известны электромагнитные приводы fl) клапанов двигать ей внутреннего сго,рания, содержащие корпус с крышкой, якорь, первый и второй переключающие магниты и пружинную систему,,выполненную в виде первой и второй пружин, причем пружины, клапан и магниты размещены в корпусе под крыш- кой, якорь размещен на клапане, однотипные магниты и пружины - по сторонам якоря, первый и второй магниты выполнены так, что усилие их воздействия на якорь соответственно при закрытом и открытом положениях клапана больше, чем усилия от пружин, а пружины выполнены с такими характе-25 ристиками, что место положения равно-, весия их сил на якорь соответствует положению клапана между огкрытым и закрытым состояниями. Такой привод для клапанов смены газа в двигателях внутреннего сгорания состоит.из двух переключающих катушек, каждая из которых взаимодействует g якорем. Оба якоря укреплены на общем пжияделе, который воздействует иа.клапан. Клапан, как и прн кулачковом управле35 нии, имеет прижимную дружину, которая держит клапан в закрытом состоянии. Кроме того., предусмотрена еще одна пружина такой же жесткости, котбрая воздействует на один из якорей и в закрытом состоянии клапана ,натягивается якорем. Ддн переключения этого устройства всегда эапиты" вается один электромагнит, а другой

45 ,отключается. Вследствие натянутой пружинной системы шпиндель с якорем ускоряется до половины своего хода, при этом оба якоря имеют одинаковое, расстояние от принадлежащих.им пе" реключающих катушек. йереключающие 5О катушки при этом выполнены так, что они при запитке могут притянуть свой якорь из этого среднего положения против возрастающего усилия пружинной системы. В исходном положении 55 этого устройства оба якоря также ста" новятся в свое среднее положение, так что клапан совершает половниу своего хода и находится в о крытом положе" ини fl) .

Это устройство практически не может быть применено в двигателях внутреннего сгорания,, так как выключение двигателя внутреннего сгорания на длительный период, когда во всех цилиндрах клапаны открыты, может привести к корродированию внутренней поверхности цилиндров. Для запуска оборудованного таким образом двигателя внутреннего сгорания переключающие катушки для притягивания якоря на половину хода должны быть рассчитаны на большие усилия, что требует для многоцилиндрового двигателя большого расхода энергии при запуске. Кроме того, вследствие больших ускоряемых масс при двух втягиваемых якорях высокая собственная частота может быть достигнута лишь при высоких усилиях пружин, за счет чего потребные усилия магнитов и, значит, расход энергии сильно возрастают, Целью изобретения является повышение экономичности, уменьшение габа. ритов и упрощение конструкции.

Укаэанная цель достигается тем, что электромагнитный привод клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с крышкой, якорь, первый и второй переключающие магниты и пружинную систему, выполненную в виде первой и второй пружин, причем, пружины, якорь и магниты размещены в корпусе под крышкой, якорь размещен на клапане, рдноименные магниты и пружины — по .сторонам якоря, первый и второй магниты выполнены так, что усилия нх воздействия на якорь соответственно при закрытом и открытом положениях клапана больше, чем усилия от пружин, а пружины. выполнены с такими характеристиками, что место положения равновесия их сил на якорь соответствует положению клапана между открытым и закрытым состояниями, содержит натяжное устройство, размещенное в корпусе под крышкой и связанное с пружинамн, причем натяжное устройство вы-. полнено в вице сервопривода дпя смВ щения равновесного положения пружин- ной системы.

В нриводе могут быть выполнены по меньшей мере два упора ограничения перемещения натяжного устройства.

1 причем первый ynîð натяжного устройства размещен так, что равновесное

3 10553 положение пружинной системы находится между положениями переключения магнитов, а,второй упор размещен так, что равновесное положение пружинной системы совпадает с одним из положений переключения магнитов.

В приводе натяжное устройство выполнено в виде электрического сервопривода, имеющего электромагнит с натяжной катушкой и натяжным якорем. 10

Кроме того,в приводе электромагнит может быть выполнен с возможностью включения в положении прижатия к первому упору и с возможностью выключения — в положении прижатия к второму 1 упору.

В приводе электромагнит может быть выполнен таким образом, что время егс возбуждения больше, чем время возбуждения переключающих магнитов. 20

Якорь может быть связан с клапаном через дополнительно установленные пружинные элементы высокой жесткости.

Привод может быть снабжен демпфи- 2 рующими элементами, размещенными между якорем и клапаном.

На фиг. 1 показан привод с клапаном для двигателя внутреннего сгорания разрез; на фиг. 2 — то же, пружины размещены внутри катушек; на фнг. 3 - то же, пружины охватывают катушки, иа фиг. 4 — то же, пружины расположены снаружи катушек; на фиг.5привод с пластинчатым шибером; на фиг. 6 - вариант крепления двойного якоря на клапане; на фиг. 7 — диаграммы зависимостей усилий от пружинной системы (a), от закрывающей о и от открывающей Ъ катушек вфункции 4 от перемещения клапана между положениями ."Закрыт" 1. и "Открыт" ф на фиг. 8 — зависимости скорости движения клапана Е и его ускорения Ф от того же перемещения клапана.

Предлагаемый привод может быть использован не только в двигателях внутреннего сгорания, а везде/где применяются колеблющиеся управляющие элементы, которые должны иметь толь. 50 ко два дискретных положения.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1-4) состоит из блока цилиндров 1, поршня 2 с поршневыми кольцами 3, уплотнения головки цилиндров

4, головки цилиндров 5 и из тарельчатого клапана 6, который направляется в направляющей 7 и герметизирует камеру сгорания 8 совместно с

43 4 кольцевым седлом клапана 9 относительно газового канала 10.

Исполнительный орган по изобретению для этого тарельчатого клапана

6 состоит из якоря 11, который укреплен на стебле клапана 6, и из двух переключающих магнитов или пе1 еключающих катушек 12 и 13, из которых переключающая катушка 12 является закрывающей, а переключающая катушка 13 — открывающей. На якорь 11 воздействует пружинная система, кот рая состоит из пружин 14 и 15 работающих на сжатие. Пружина 15 является известной клапанной пружиной, которая воздействует на тарельчатый клапан 6 с усилием в сторону закрывания. Пружина 14 расположена таким образом, что она воздействует на тарельчатый клапан 6 в сторону открывания.

Пружина 14 сжатия взаимодействует с натяжным якорем 16, который принадлежит натяжной катушке 17 и образует натяжное устройство. Натяжной якорь 16 (фиг. 1) контактирует с натяжной катушкой 17 так, что пружина 14 находится в сжатом состоянии. Для этого необходимо, чтобы натяжная катушка 17- была возбуждена.

Чтобы тарельчатый клапан 6 находился в положении, показанном на фиг.l, необходимо, чтобы закрывающая катушка 12 была возбуждена, а якорь ll удерживался около нее против усилия пружины 14, работающей на сжатие. Показанное на фиг..l положение исполнительного органа соответствует рабочему положению "Тарельчатый клапан

6 закрыт". В этом положении клапанная пружина 15 имеет наибольшую длину н, соответственно, с наименьшей силой воздействует на якорь 11.

Распорная гильза 18 и магнитная крьппка 19 служат для крепления переключающих катушек 12 и 13 и натяжной катушки 17 в головке цилиндров

5, которая крьппкой 20 закрыта сверху.

Работа устройства поясняется дн аграммами (фиг. 7 и 8).

На фиг. 7 по ординате отложены силы в направлении закрывания с положительным знаком и в направлении открывания -с отрицательным. На абсциссе отложен возможный ход тарельчатого клапана 6. На фиг. 8, по ордикате дополнительно показаны ускорение и скорость при открывании, ко1055343

t0 !

20

55 торые в направлении закрывания ьтложены с положительным знаками, Если исполнительный орган (фиг.l) выключен, т.е.. ни одна из катушек

12, )3 и 17 не запитана током, то натяжной якорь 16 находится в исходном положении; прилегает к магнитной крышке 19. В результате этого пружина 14, работающая на сжатие, расслаблена, так что посредством клапанной пружины 15 тарельчатый клапан 6 прижат якорем к закрывающей катушке 12.

Камера сгорания В закрыта.

Так как натяжная катушка имеет более высокую индуктивность, чем обе переключающие катушки, для включения исполнительного органа ток возбуждения подается на все три катушки одновременно. Вследствие меньшей индук тивности закрывающей катушки 12 в ней магнитное поле нарастает быстрее чем может притянуться натяжной якорь

16 натяжной катушкой 17., Поэтому якорь 1! остается притянутым к закрывающей катушке 12, тарельчатый клапан б остается закрытым, т.е. пружинная система (фиг. 7, кривая а) воздействует с отрицательным усилием в направлении закрывания на якорь

II, которое, однако, меньше, чем удерживающее усилие закрывающей катушки 12 (фиг. 7, кривая: б). В закрытом положении тарельчатого клапана б сила от открывающей катушки

13 в направлении закрывания практически равна нулю (фиг. 7, кривая в).

Для открывания тарельчатого клапана б закрывающая катушка 12 кратковременн выключается... При этом действует (фиг. 7) в направлении открывания полная сила пружинной

I ,системы, так что якорь 1) с тарельчатым клапаном 6 ускоряется в направлении открывания. Как видно из фиг.7 катушку 12 можно почти сразу снова включить, так как сразу после короткого хода тарельчатого клапана б сила притяжения катушки 12 станет меньше, чем открывающее усилие пружинной системы. На половике хода прак тически никакие силы не воздействуют на движущийся тарельчатый клапан б. Таким образом, вся имеющаяся в направлении закрывания клапана потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию. Это приводит к тому (фиг. 8), что тарельчатый ,клапан 6 с якорем,11 движется даль.— ше половины своего хо;;а (кривая ж), Скорость (кривая е) на половине хода имеет максимальное значение.

После перехода через половину хода клапанная пружина !4 задерживает движение, одновременно с увеличиваюшимся расстоянием от .половины хода возрастает сила открывающей катушки 13 на якорь 11, т.е. ускорение тарельчатого клапана б, а также его скорость, уменьшаются.

Ускорение, незадолго до достижения открйтого положения меняет свой знак, Тарельчатый клапан 6 приходит в положение открывания.с торможением

Вследствие этого устраняется резкий удар якоря II по открывающей катушке 13.

В устройстве, представленном на фиг. 2, пружины 14 и 15 расположены внутри катушек 12 и 13, тогда как .на фиг, 1 они расположены внутри взаимодействующих с переключающими катушками пакетами железных пластин.

На фиг, 3 пружины 14 и 15 охватывают переключающие катушки 12 и 13.

Натяжной якорь 16 служит для приема натяжной катушки 17 и переключающей катушки 12. Поэтому требуется, чтобы якорь 1! в своем исходном положении прижимался клапанной пружиной 15 к втулке 21, которая. удерживается в своем положении магнитной катушкой. 19.

На фиг. 4 пружины 14 и 15 расположены снаружи переключающих катушек

12 и 13, кроме того, показано исходное положение исполнительного органа ао .изобретению. В этом положении натяжной якорь 16:расслабляющейся пружиной 14 прижимается к магнитной катушке 19. Поэтому на якорь Il действует почти полная сила клапанной пружины 15, так что якорь ll и тарельчатый клапан 6 остаются в закрытом положении.

На фиг. 5 исполнительный орган по изобретению изображен с плоским шибером.

На фиг. б показана возможность упругого крепления якоря ll на стебле управляющего элемента (тарельчатого клапана 6). Якорь 1! зажат между тарельчатыми пружинами 22 и 23. Тарельчатые пружины 22 и 23 находятся под начальным натягом и фиксируются на стебле тарельчатого клапана 6 стопорными кольцами 24 и 25, которые

1055343

kuz.1 контрятся от выпадания контровочными кольцами 26 и 27. Тарельчатые пружины 22 и 23 имеют высокую пружинкую жесткость, так что относительные

В .перемещения между стеблем тарельчато о клапана Ь и якорем Г1 задеипфированы трением тарельчатых пружин

22 и 23 по якорю 11.!

055343

1055343 ф.

f7

Т

2f и

1055343

77

72

Д

1055343

t6

0

fO f4

f2

11

И д 0

1055343

Усилие

ЛМ;ИМщу

Составитель Н.Патрахальцев

Техред, М.Тепер

Редактор. Л.Веселовская

Корректор О.Вилак

Заказ 9144/б1 Тираж 535

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Улар сию

Мваю

: У ф®Ч

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 лмъюу

> p>in

          

www.findpatent.ru

Магнитный клапан

 

МАГНИТНЫЙ КЛАПАН, содержащий корпус с седлом из немагнитного материала с установленными в нем регулируемыми постоянными магнитами, между которыми установлен запорный. орган с размещенным в нем постоянным магнитом, направленным разноимен7 ным полюсом к полюсу регулируемого магнита, расположенного со стороны седла, и одноименным полюсом к регулируемому магниту с противополож- : ной стороны седла, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования путем увеличения эффективности использования магнитных полей, в корпусе со стороны седла соосно с регулируемыми магнитами установлен неподвижный дополнительный постоянный магнит, направленный разноименньм полюсом к полюсу магнита запорного органа, а на торцах запорного органа выполнены кольцевые проточки с возможностью ввода в них полюсов регулируемых магнитов. 1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1)) (11) SU (51) 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ) К A8TOPGHOlVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3609361/25-08 (22) 23.06.83 (46) 23.09.85. Бюл. - 35 (72) В.В. Орлов и Г.Н. Ткаченко (53) 621.646(088.8) (56) Патент США II - 3495620, кл. 137-529, опублик. 1967.

Авторское свидетельство СССР

II(806965, кл. Р 16 К 31/08, 1981. (54)(57) МАГНИТНЫЙ КЛАПАН, содержащий корпус с седлом из немагнитного материала с установленными в нем регулируемыми постоянными магнитами, между которыми установлен запорный, орган с размещенным в нем постоянным магнитом, направленным разноименным полюсом к полюсу. регулируемого магнита, расположенного со сторойы седла, и одноименным полюсом к регулируемому магниту с противоположной стороны седла, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности регулирования путем увеличения эффективности использования магнитных полей, в корпусе со стороны седла соосно с регулируемыми магнитами установлен неподвижный дополнительный постоянный магнит, направленный раэноименным полюсом к полюсу магнита запорного органа, а на торцах запорного органа выполнены кольцевые проточки с возможностью ввода в них полюсов регулируемых магнитов.

1180627

Составитель И. Теравская

Редактор С. Патрушева Техред А.Бабинец Корректор И. Самборская

Заказ 5904/34 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в пневматических и гидравлических системах, работающих на агрессивных жидкостях. 5

Цель изобретения — повышение точности регулирования путем увеличения эффективности использования магнитных полей.

На чертеже показан электромагнит- 10 ный клапан, разрез.

Магнитный клапан содержит корпус 1 с седлом 2 из немагнитного материала, в котором установЛены регулируемые постоянные магниты 3 и 4, между которыми установлен запорный орган 5 с размещенным в нем постоянным магнитом б, направленным разно.именным полюсом к полюсу регулируемого магнита 3 и одноименным полюсом — 20 к полюсу регулируемого магнита 4.

В корпус 1 со стороны седла 2 соосно регулируемым магнитам 3 и 4 установлен дополнительный постоянный магнит 7, направленный разноименным 25 полюсом к полюсу магнита 6 запорного органа 5, а на торцах запорного органа 5 выполнены кольцевые проточки 8 с возможностью ввода в них полюсов регулируемых магнитов 3 и 4.

Вход рабочей среды осуществляется по входному каналу 9, а выход — по сливным каналам 10 и 11.

Клапан работает следующим образом.

В исходном положении при отсутст- З вии поступления среды в калапан эапорный орган 5 прижат к седлу 2 эа счет взаимодействия магнитов 3, 7 и б. При поступлении рабочей среды в корпус через канал 9 и достижении 40 определенного давления усилие, действующее на запорный орган 5, начинает превышать усилие магнитного поля между магнитами 3, 7 и 6, клапан открывается и рабочая жидкость по каналам 10 запорного органа 5 поступает в сливной канал 11.

При уменьшении давления рабочей жидкости со стороны входного канала

9 под воздействием магнитного поля магнитов 4 и 6 запорный орган 5 перемещается в сторону .закрытия и под действием магнитного поля магнитов 3, 7 и 6 прижимается к седлу 2.

Наличие неподвижного магнита 7 во взаимодействии с магнитом 6 гарантирует минимальное постоянное усилие прижима запорного органа 5 к седлу 2.

Подвижный магнит 3 определяет диапазон регулирования усилия прижима.

Наличие проточки 8 позволяет минимально сократить расстояние между магнитами 3 и 6, что определяет предельное усилие прижатия запорного органа 5 к седлу 2, а следовательно, максимальное давление рабочей жидкости, при котором срабатывает магнитный клапан.

Зффективность использования подобного клапана заключается в возможности поддержания чистоты агрессивной рабочей жидкости от попадания ионов посторонних металлов, например при ответственных гальванических процессах, а также в расширении возможности настройки клапана на необходимое давление срабатывания, клапан может использоваться как предохранительное устройство в блоке фильтрации агрессивной жидкости, которое срабатывает при загрязнении фильтрующих элементов и обеспечивает перепуск рабочей среды,

  

www.findpatent.ru