Russian Federation
Kazan, Kazan, Russian Federation
Improving the characteristics of the internal combustion engine of an agricultural vehicle is possible by using a hydraulic actuator of the electronically controlled gas distribution valves. The drive ensures the opening of the engine valves by the pistons of the hydraulic cylinders when oil is pumped into them, the valves are closed using valve springs when the oil is drained from the hydraulic cylinders. The advantages of the hydraulic drive are: the ability to turn off the engine cylinders, an increase in the speed of opening and closing the valves of the gas distribution mechanism, no need to adjust the thermal clearances, a constant speed of the valves landing on the saddles. The hydraulic drive is integrated into the engine lubrication system. The working body of the hydraulic drive is engine oil with a pressure of 8 MPa, created by a separate pump. The physical and mathematical model of a hydraulic valve drive in the Simulink environment takes into account hydraulic pressure losses, various inertial effects, elastic-deformation interaction between drive elements, and inductance of solenoid valve coils. The experimental setup includes: a KAMAZ 740 engine, a hydraulic drive for two valves of one cylinder head, measuring equipment. The results of the experiments were recorded using a high-speed movie camera. The determination of the kinematic characteristics of the valves of the gas distribution mechanism was carried out by processing the video frames of the shooting at a known frequency of their fixation. The results of experiments coincide with the results of calculations. The speed of movement of the engine valves, thanks to the use of a hydraulic actuator, is significantly increased compared to the use of a traditional mechanical actuator. The time delay between the supply of an electrical signal to the electromagnetic valves and the response of the hydraulic drive to it is determined. The results obtained make it possible to start creating a serial hydraulic valve drive that improves engine parameters by intensifying and controlling the gas exchange of the engine cylinder with the environment
gas distribution mechanism, hydraulic drive, modeling, experiment
Введение. В настоящее время технический парк сельскохозяйственной техники Российской Федерации сильно изношен. Средняя энергообеспеченность сельхозугодий в 2÷4 раза меньше чем в США, Франции, Китае [1]. Количество тракторов, комбайнов, автомобилей сельскохозяйственного назначения на 1 га пашни значительно уступает ведущим мировым игрокам [2]. Приобретение новых единиц сельхозмашин затруднено в связи с высокими ценами и экономической войной, объявленной странами Запада. В таких условиях актуальным является поддержание парка сельхозмашин в исправном состоянии и проведение их модернизации для улучшения потребительских свойств.
Себестоимость сельскохозяйственной продукции зависит от расходов на обслуживание, ремонт и эксплуатацию сельскохозяйственной техники, а так же от ее производительности. Одним из ключевых элементов автомобилей и тракторов сельскохозяйственного назначения на сегодняшний день является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Улучшение характеристик ДВС способно повысить конкурентоспособность продукции аграрного сектора.
Перспективным направлением модернизации ДВС является замена традиционного механического привода клапанов газораспределительного механизма (ГРМ) на альтернативные приводы с электронным управлением: электромагнитные [3], гидравлические [4, 5], пневматические [6]. При использовании электромагнитных и пневматических приводов сложно обеспечить плавную безударную посадку клапанов на седла. Поэтому авторами выбран гидравлический привод с электронным управлением [7]. Гидравлический привод способен интенсифицировать газообмен цилиндра двигателя с окружающей средой и реализовать управление его интенсивностью на всех рабочих режимах ДВС.
Целью работы является разработка гидравлического привода клапанов ДВС автомобиля сельскохозяйственного назначения, обеспечивающего интенсификацию и управление газообменом цилиндра двигателя с окружающей средой.
Условия, материалы и методы. Авторами выбрана схема, обладающая простотой реализации на ДВС традиционной конструкции (рис.1) [8, 9].
Схема позволяет оставить конструкцию блока цилиндров и головки двигателя без изменений. Идеологически схема близка к аккумуляторной системе топливопитания Common Rail [10].
Гидравлический привод клапанов ГРМ позволяет:
-менять моменты открытия и закрытия клапанов ГРМ в зависимости от режима работы ДВС, что позволяет оптимизировать газообмен цилиндров с окружающей средой;
-обеспечивать плавную посадку клапанов на седла с оптимальной скоростью, не зависящей от скоростного режима работы ДВС, благодаря чему повышается надежность и ресурс работы клапанного механизма;
-отказаться от трудоемкой операции по регулировке тепловых зазоров в клапанном механизме;
-производить отключение отдельных цилиндров ДВС, работающих при частичных нагрузках [11, 12].
Объектом исследований являлся гидравлический привод клапанов ГРМ аккумуляторного типа с гидроцилиндрами одностороннего действия и электронным управлением.
В качестве рабочего тела в приводе используется моторное масло, которое забирается насосом 2 из поддона двигателя 1. Для предотвращения повреждения элементов гидросистемы при значительном повышении давления в магистралях нагнетания используется аварийный клапан 3.
Из насоса масло по нагнетательной магистрали поступает в масляную рампу 4 и далее по питающим магистралям поступает в гидроцилиндры. Для стабилизации давления в рампе на постоянном уровне, используется редукционный клапан 15. Он согласует потребление масла гидроцилиндрами и его подачу насосом за счет слива избытков масла в поддон двигателя. К рампе присоединен гидроаккмулятор 5. Его наличие так же стабилизирует давление и снижает требуемую производительность масляного насоса.
Подачей масла в гидроцилиндры управляют питающие электромагнитные клапаны (ЭМК) 6. При подаче электрического сигнала от электронного блока управления (ЭБУ), питающий ЭМК открывается, и пропускает масло в гидроцилиндр впускного 13 или выпускного клапанов 14.
При нагнетании масла в гидроцилиндр, его поршень 10 движется вниз. Днище поршня давит на торец стержня капана ГРМ, обеспечивая его открытие. Подача масла завершается в момент закрытия ЭМК или в момент перекрытия пояском поршня питающего окна 12, в зависимости от того что произойдет раньше. Таким образом, поясок является ограничителем максимального хода поршня. После окончания подачи масла в гидроцилиндр его поршень останавливается, и следует этап удержания клапана ГРМ в открытом состоянии.
Закрытие клапана ГРМ происходит под действием клапанной пружины при сливе масла из полости гидроцилиндра. Слив масла происходит при открытом сливном ЭМК 8. Масло из гидроцилиндра вытесняется по сливным магистралям в сливную рампу 11 и далее в поддон двигателя. Скорость подъема поршня определяется расходом масла из гидроцилиндра. По мере подъема поршня верхняя кромка его юбки частично перекрывает сливное окно 9, что ограничивает слив и обеспечивает плавную посадку клапана ГРМ на седло.
Исследование гидравлического привода осуществлялось в два этапа. Первый этап заключался в моделировании работы гидравлического привода клапанов в среде Simulink (рис. 2). Второй этап включал проведение натурного эксперимента на двигателе.
Из блоков библиотеки Simulink создана модель гидропривода двух клапанов ГРМ одного цилиндра.
Модель учитывает следующие особенности функционирования гидравлического привода клапанов ГРМ ДВС:
-наличие гидравлических путевых и местных потерь давления в питающих и сливных магистралях гидроцилиндров;
-инерционность поршней гидроцилиндров и клапанов ГРМ;
-возможность разрыва кинематической связи между поршнем гидроцилиндра и
клапаном ГРМ;
-силы трения между поршнем и стенками гидроцилиндра, между стержнем клапана и направляющей втулкой;
-упруго-деформационное взаимодействие между седлом и клапаном ГРМ;
-упруго-деформационное взаимодействие между торцом поршня гидроцилиндра и стержнем клапана ГРМ;
-наличие индуктивности катушек ЭМК и инерционность их запорных элементов;
-податливость стенок магистралей нагнетания и рампы.
Учет наличия индуктивности осуществлялся путем ограничения скорости изменения тока в катушках ЭМК. Принято допущение о постоянной скорости нарастания и уменьшения тока на этапах открытия и закрытия ЭМК. Так как сила тока и сила тяги электромагнита пропорциональны, то при моделировании принято допущение о трапециевидном характере изменения силы тяги электромагнитного привода.
Так как натурные эксперименты проводились при атмосферном давлении в цилиндре, то газовая сила, действующая на клапан, не учитывалась.
В качестве способа решения выбран неявный метод трапеций ode23t - метод с переменным шагом по времени. Этот метод наряду с многошаговым методом переменного порядка ode15s обеспечивал устойчивый счет, но выигрывал последний по расчетному времени.
Расчетный временной интервал принят исходя из условий достижения повторяемости срабатываний клапанов ГРМ, вызываемой стабилизацией давления в питающей рампе.
Численное исследование проводилось при следующих основных параметрах:
-рабочее давление – 8МПа;
-объем гидроаккумулятора – 0,5 дм3;
-рабочий объем насоса – 10,5 см3;
-диаметр гидроцилиндров – 16 мм;
-внутренний диаметр трубопроводов – 8 мм;
-расчетная частота вращения коленчатого вала – 800об/мин;
-углы открытия питающих ЭМК выпускного / впускного клапанов – 150/320;
-углы открытия питающих ЭМК выпускного / впускного клапанов – 335/485.
Для проведения натурного эксперимента собран исследовательский стенд (рис. 3) на базе двигателя КАМАЗ 740.30 и стенда холодной обкатки ДВС. Одна головка двигателя установлена на блок цилиндров через дистанционные втулки 6 высотой 30 мм. В поршне цилиндра под головкой выполнено резьбовое отверстие, в которое ввернута шпилька 7 высотой 30 мм. В зазоре между головкой и блоком крепилась измерительная линейка с ценой деления в 1 мм. На головку установлен модуль, состоящий из корпуса и располагаемых в нем двух гидроцилиндров 23. На двигателе крепились питающая 15 и сливная рампы 13, планка с питающими и сливными ЭМК 18-21 (HYDAC WK08L-01-C-N-24DG), гидроаккумулятор 17, манометр 16 и соединительные трубопроводы. В качестве насоса 12 использован штатный насос гидроусилителя рулевого управления, привод которого осуществлялся штатным образом от коленчатого вала двигателя. Для вращения коленчатого вала двигатель КАМАЗ 740.30 установлен на стенд холодной обкатки ДВС. Регулировка давления в питающей рампе достигалась путем воздействия на сливной вентиль 14. Для визуальной фиксации моментов подачи питания на ЭМК использована планка 4, на которой установлены четыре светодиода подключенные параллельно катушкам ЭМК. Питание на ЭМК подавалось экспериментальной электронной системой управления. Моменты включения и выключения ЭМК синхронизировались с последовательностью рабочих процессов ДВС с помощью сигналов датчика положения вала ТНВД и датчика положения коленчатого вала.
Положение клапанов ГРМ определялось с помощью высокоскоростной видеосъёмки скоростной цифровой кинокамерой Vision Resarch Phantom Flex 4K. Ракурс скоростной киносъемки выбирался так, чтобы в кадр попадали клапаны двигателя, измерительная линейка и сигнальные светодиоды, расположенные на головке цилиндров. Кинокамера размещалась таким образом, чтобы оптическая ось объектива была направлена практически параллельно привалочной плоскости головки цилиндра.
Полученный видеоматериал обрабатывался с целью выявления закона перемещения клапана по времени. Просмотр видеокадров позволял получить величину хода клапана. Номер кадра при известной скорости съемки (3000 кадров в секунду) давал координату времени.
Результаты и обсуждение. Согласно численным исследованиям установление давления в рампе наблюдается спустя 0,3 сек с момента запуска. Начиная с четвертого срабатывания клапанов ГРМ наблюдается повторяемость.
Учет индуктивности катушки ЭМК, инерционности золотника и упруго-деформационного характера удара запорного элемента об ограничители позволил получить следующую картину в ходе моделирования (рис. 4). Закон перемещения золотника имеет выгнутые передний и задний фронты, а также зоны колебаний при упруго деформационном ударе запорного элемента об ограничители.
Поочередное открытие питающих ЭМК выпускного, а за тем и впускного клапана приводит к сливу двух порций масла из питающей рампы (рис. 5). Это вызывает двухэтапное понижение давления в рампе. В период между сливами масла происходит плавное повышение давления, вызванное накачкой рампы и гидроаккумулятора маслом. После каждой из основных порций расхода наблюдается участок с незначительными колебаниями расхода и давления. Наличие двух таких участков обусловлено совместной работой редукционного клапана и ограничителя максимального хода поршня гидроцилиндра. Поршень после достижения позиции блокировки подачи масла начинает колебаться. При этом он однократно достигает положения, при котором через поясок поршня вновь открывает подачу масла в полость гидроцилиндра. После небольшого этапа дозарядки гидроцилиндра следует выталкивание из него порции масла, а после изменения направления движения поршня следует еще одна короткая дозарядка.
При открытии питающего ЭМК в гидроцилиндр из рампы начинает поступать масло (рис. 6). Это приводит к повышению давления в полости гидроцилиндра. Перепад давления на поршне гидроцилиндра создает силу давления, под действием которой, поршень начинает движение в сторону открытого конца гидроцилиндра. При этом, давя на торец стержня он обеспечивает открытие клапана ГРМ. Поршень, быстро набрав скорость, начинает двигаться практически равномерно. Этому соответствует период со слабо меняющимся давлением в гидроцилиндре.
При достижении хода поршня равному 14 мм, поясок поршня блокирует дальнейшую подачу масла, при этом, срабатывает ограничитель подъема. Дальнейшее движение поршня по инерции при отсутствии подвода масла приводит к резкому снижению давления в надпоршневом пространстве. Понижение давления ниже уровня давления насыщенных паров вызывает появление газовой фазы из жидкого масла. Сила давления вынуждает поршень гидроцилиндра тормозиться и начать движение в противоположную сторону.
Уменьшение объема надпоршневого пространства гидроцилиндра влечет повышение давления в нем. Это вызывает уменьшение и последующее исчезновение газовой фазы. Последующее движение поршня в сторону слабо сжимаемого масла вызывает резкое нарастание в надпоршневом пространстве. Сила давления меняет направление и заставляет поршень двигаться в противоположную сторону. Увеличение объема повторно вызывает разрыв сплошности масла, поршень вновь меняет направление движения. Таким образом поршень гидроцилиндра колеблется с амплитудой порядка 1,5÷2 мм и частотой собственных колебаний системы «клапан-поршень гидроцилиндра» около 238 Гц. Колебания продолжаются и после прекращения выделения газовой фазы. В силу малой диссипативной способности системы «поршень-гидроцилиндр» колебания поршня являются слабо затухающими по амплитуде и в период удержания клапана сохраняются.
Удержание клапана ГРМ заканчивается в момент открытия сливного ЭМК. Под действием силы упругости сжатой клапанной пружины поршень начинает вытеснять масло из гидроцилиндра. Он быстро разгоняется и начинает двигаться со слабо меняющейся
скоростью. По мере перемещения в сторону днища гидроцилиндра поршень юбкой начинает перекрывать сливные отверстия. Это вызывает увеличение гидравлического сопротивления сливной магистрали, что в свою очередь приводит к повышению давления в полости гидроцилиндра. Сила давления начинает тормозить поршень и обеспечивает его плавную остановку в крайней верхней позиции. По мере снижения скорости поршня уменьшается и скорость истечения масла, которая в свою очередь понижает гидравлическое сопротивление сливной магистрали. В результате давление в гидроцилиндре начинает уменьшаться. По мере потери скорости поршня гидроцилиндра клапан ГРМ совершает плавную посадку на свое седло со скоростью около 0,2 м/с.
Для оценки быстродействия привода расчетным методом был исследован скоростной диапазон доступных рабочих режимов, характерный для двигателя КАМАЗ-740 (800÷2000 об/мин). Исследование проводилось при фиксированных по углу поворота коленчатого вала фазах подачи питания на ключи управления ЭМК (рис. 7).
Скоростной режим работы ДВС не оказывает влияние на скорость открытия и закрытия клапанов ГРМ. Неизменной остается скорость посадки клапана на седло. От скорости вращения коленчатого вала зависит длительность периода удержания клапана. По мере увеличения скорости вращения коленчатого вала период удержания сокращается. Гидравлический привод клапанов позволяет получить значительную величину фактора «время-сечение» органов газораспределения при низкой частоте вращения коленчатого вала. По мере увеличения скоростного режима фактор «время-сечение» уменьшается.
Для отдельных скоростных режимов произведено наложение результатов расчетов на результаты натурного эксперимента (рис. 8).
С учетом погрешности измерения хода клапана по линейке с ценой деления в 1 мм результаты эксперимента и расчетов показали хорошее совпадение.
На рисунке 9 показан закон перемещения клапанов ГРМ полученный экспериментально при одинаковых фазах питания ЭМК. Полученные результаты указывают на работоспособность гидравлического привода клапанов ГРМ вплоть до 2000 об/мин.
Гидравлический привод обеспечивает скорость перемещения клапана, не зависящую от скоростного режима работы ДВС, в том числе и комфортную скорость посадки клапана на седло (около 0,2 м/с).
Результаты расчетов и натурных экспериментов указывают на трапециевидный характер перемещения клапанов ГРМ при использовании гидравлического привода с электронным управлением. Для двигателя типа КАМАЗ-740 с фазой открытого состояния клапана 240° поворота коленчатого вала и высотой подъема клапана 14 мм средняя скорость перемещения клапана составляет 0,56 м/с при 800 об/мин. С увеличением скоростного режима она будет пропорционально увеличиваться. Если этот параметр оценить для гидравлического привода (рис. 6), то средняя скорость составляет 1,2 м/с. До частоты вращения коленчатого вала около 1600 об/мин применение гидравлического привода клапанов обеспечивает увеличение средней скорости движения клапана относительно традиционного привода, а значит и увеличение фактора «время-сечение». Для компенсации снижения пропускной способности клапанов ГРМ при высокой частоте требуется увеличение рабочего давления в гидроприводе.
При подаче сигналов на ЭМК от ЭБУ требуется учет задержки срабатывания привода. Он обусловлен индуктивностью катушек, характеристикой запорных элементов, податливостью стенок элементов гидропривода, сжимаемостью жидкости, временем выбора зазора между поршнем и клапаном. Просмотр рисунков 4 и 6, позволяет оценить задержку срабатывания гидравлического привода относительно момента подачи электрического сигнала на ЭМК. Она составляет около 6 мс. На рисунке 9 величину запаздывания можно оценить по углу поворота коленчатого вала с момента подачи сигнала до момента начала движения клапана. Она составляет при 800 об/мин около 45° поворота коленчатого вала, что эквивалентно 9 мс. Различие между расчетным и экспериментальным значением объясняется различием между расчетными и реальными параметрами ЭМК в плане скорости
перемещения его запорного элемента и величины индуктивности его катушки, а также заранее неизвестной податливостью стенок элементов гидросистемы.
Выводы. Продемонстрирована работоспособность выбранного гидравлического привода, обеспечивающего управление моментами открытия и закрытия клапанов ГРМ. Достигнуто значительное увеличение скорости открытия и закрытия клапанов ГРМ на большинстве скоростных режимов работы ДВС, что интенсифицирует газообмен цилиндра двигателя с окружающей средой. Определены временные задержки между моментами подачи электрических сигналов на ЭМК и реакцией гидропривода.
1. Korotkikh YuS. [Ways to modernize the machine and tractor fleet of the agro-industrial complex in modern economic conditions]. Nauka bez granits. 2020; 5 (45). 90-95 p.
2. Agriculture of Tatarstan: features, products and interesting facts. [Internet]. [cited 2022, April 04]. Available from: https://fb.ru/article/327421/selskoe-hozyaystvo-tatarstana-osobennosti-produktsiya-i-interesnyie-faktyi/.
3. Gillella PK. Design and control of fully flexible valve actuation systems for camless engines. [Internet]. [cited 2022, April 04]. Available from: https://conservancy.umn.edu/handle/11299/143197/.
4. Kanghyun N, Kwanghyun Ch, Sang-Shin P, Seibum BCh. Design and performance evaluation of an electro-hydraulic camless engine valve actuator for future vehicle applications. [Internet]. Sensors. 2017; Vol. 17. 12. 2940. [cited 2022, April 04]. Available from: https://www.mdpi.com/1424-8220/17/12/2940. doihttps://doi.org/10.3390/s17122940.
5. Expanding Combustion Knowledge - Lotus AVT. [Internet]. [cited 2022, April 04]. Available from: https://lotusproactive.wordpress.com/2014/04/09/expanding-combustion-knowledge-lotus-avtsystem/?shared=email&msg=fail/.
6. Sharifullin S.N., Adigamov N.R., Topolyansky\P.A., Bainiyazova A.T. Classification of technologies for strengthening, coating and restoring parts of fuel equipment for diesel engines // Bulletin of the Kazan State Agrarian University. - 2019. - T. 14. - No. 3 (54). - S. 128-132. - DOIhttps://doi.org/10.12737/article_5db9737337f839.90239250. - EDN ZEGYAV.
7. Adigamov N.R., Negora A.V., Zimina L.A., Maksimov A.V. Gas distribution phases of hydraulically controlled valves of internal combustion engines // Bulletin of the Kazan State Agrarian University. - 2021. - T. 16. - No. 4 (64). - S. 47-52. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-47-52. - EDN UHOCMG.
8. Berezovskiy AB, Gataullin NA, Zimina LA. [Numerical study of a gas distribution mechanism with an electro-hydraulic drive]. Zhurnal avtomobil'nykh inzhenerov. 2015; 5 (94). 16-22 p.
9. Balabin VN. Nauchnye osnovy sozdaniya reguliruemykh privodov gazoraspredeleniya lokomotivnykh dvigatelei vnutrennego sgoraniya novogo pokoleniya: avtoref. dis. dokt. tekhn. nauk. [Scientific foundations for the creation of variable gas distribution drives for locomotive internal combustion engines of a new generation: dissertation for a degree of Doctor of technical sciences]. Moscow. 2010.
10. Grekhov LV, Gabitov II, Negovora AV. Konstruktsiya, raschet i tekhnicheskii servis toplivnoi apparatury sovremennykh dizelei: uchebnoe posobie. [Design, calculation and technical service of modern diesel fuel equipment: manual]. Moscow: Izd-vo Legion-Avtodata. 2013; 292 p.
11. Galiullin RR. [Regulation of the engine by turning off the cylinders - as a factor in increasing the efficiency of its work]. Traktory i s.kh. mashiny. 2007; 10. 11-13 p.
12. Improving the productivity and quality of restoring parts by electrolytic rubbing / N. R. Adigamov, A. R. Valiev, I. Kh. Gimaltdinov [et al.] // Technique and equipment for the village. - 2020. - No. 4 (274). - S. 34-38. - DOIhttps://doi.org/10.33267/2072-9642-2020-4-34-38. - EDN TFRKMK.
