Блог

Aug 27, 2023

Команда Empa разработала кулачок с электрогидравлическим приводом

Исследователи из Empa разработали бескулачковый привод с электрогидравлическим приводом.

Исследователи из Empa разработали бескулачковый клапанный механизм с электрогидравлическим приводом, который позволяет совершенно свободно регулировать ход и время, и в то же время является надежным и экономичным. Новая технология экономит до 20% топлива в типичных для легковых автомобилей условиях эксплуатации с низкой нагрузкой.

Клапанный механизм FlexWork был установлен на серийно выпускаемом двигателе и уже несколько месяцев успешно работает на испытательном стенде.

Чертеж привода клапана FlexWork в разрезе. Изображение: Эмпа.

Клапанный механизм является «органом дыхания» двигателей внутреннего сгорания: он управляет всасыванием свежего воздуха и отводом выхлопных газов (газообменом). Сегодня в серийном производстве для этой цели используются только распредвалы с механическим приводом, часто оснащенные дополнительным механизмом, некоторые из которых достаточно сложны. Это позволяет изменить характер движения клапанов, заданный распределительным валом, что невозможно без увеличения трения. В то же время гибкость несколько ограничена. Что необходимо, помимо прочего, для адаптации к изменяющимся свойствам топлива, так это быстрые перемещения клапанов даже на низких скоростях, адаптация хода и широкое изменение фаз газораспределения в зависимости от цилиндра.

Патрик Солтик и его команда из лаборатории автомобильных силовых агрегатов компании Empa вместе со специалистом по гидравлике Вольфгангом Шнайдером изобрели и разработали электрогидравлический клапанный механизм, который значительно более гибок, чем сегодняшняя технология серийного производства.

Клапаны приводятся в действие гидравлически и управляются электрически через электромагнитную катушку. Как только подается управляющий ток, открывается специально разработанный гидравлический клапан, позволяющий гидравлической жидкости открыть газообменный клапан на желаемую степень за миллисекунды, противодействуя пружине. При отключении тока газообменный клапан снова закрывается под действием пружины и подает большую часть гидравлической энергии, необходимой для открытия, обратно в гидравлическую систему.

Основной принцип работы клапанного механизма — как для впускной, так и для выпускной стороны — представляет собой асимметричный гидравлический маятник, который можно описать как систему масс-пружин. Следовательно, продолжительность открытия газообменных клапанов TOpen, то есть время от нулевого подъема до окончательного подъема, зависит от жесткости k пружин газообменных клапанов и массы MSystem всех движущихся компонентов.

…Особенность системы FlexWork заключается в том, что при высоких оборотах двигателя профили подъема клапанов аналогичны профилям с кулачковым приводом; однако на низких оборотах двигателя градиент открытия и закрытия очень крутой.

Система обеспечивает значительно более низкую потребность в энергии в широком рабочем диапазоне по сравнению с системами с приводом от распределительного вала. Вместе с оптимизированным газообменом расход топлива испытуемого двигателя с искровым зажиганием примерно на 20% ниже, чем при обычном клапанном управлении с помощью дросселя в сочетании с распредвалами в типичном для легковых автомобилей диапазоне малых нагрузок.

Путем выбора рабочих параметров время открытия и закрытия, а также подъем клапана для каждого цилиндра можно выбирать совершенно неограниченно. Это означает, что каждый режим работы двигателя можно изменять от цикла к циклу, например, с помощью интеллектуального управления нагрузкой, путем выбора количества остаточного газа, остающегося в цилиндре (рециркуляция отработавших газов), или путем отключения ненужных цилиндров без ведома водителя.

Это делает двигатель легко адаптируемым к новым возобновляемым видам топлива: например, кислородсодержащее топливо, такое как метанол или этанол, позволяет большему количеству остаточного газа оставаться в цилиндре. Природный газ, биогаз и синтез-газ, вырабатываемые с помощью энергии ветра и солнца, обладают повышенными антидетонационными свойствами, и клапанный механизм также может гибко реагировать на это.

Кроме того, сравнительно легко могут быть реализованы альтернативные концепции сгорания, например, гомогенное самовоспламенение: топливно-воздушная смесь воспламеняется в нужный момент без искр зажигания путем установки правильных условий ближе к концу сжатия. Смесь сгорает практически без загрязнения.