ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛА ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ НА РАБОТУ ГИДРОПРИВОДНОГО ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА

Аннотация: Обсуждается влияние характеристик управляющего электрического сигнала электронного блока управления на движение клапанов двигателя внутреннего сгорания с гидроприводным газораспределительным механизмом.

Ключевые слова: гидравлический привод газораспределительного механизма, электронный блок управления, электромагнитный клапан, управляющий сигнал.

Применение электронноуправляемого гидравлического привода газораспределительного механизма (ЭУГ ГРМ) двигателей внутреннего сгорания позволяет расширить возможности управления организацией процессов газообмена в цилиндрах двигателя по сравнению с традиционным ГРМ. Как следствие  улучшение энергетических, экономических и экологических характеристик двигателя.

В предложенном приводе, клапанами двигателя управляет поршень силового гидроцилиндра . За счет создания давления масла в гидроцилиндре поршень, воздействуя на клапан, открывает его, сжимая клапанную пружину. Слив масла из гидроцилиндра приводит к закрытию клапана под действием пружины. Масло в гидроцилиндры поступает из общей для двигателя рампы, куда оно направляется насосом. Для снижения пульсаций давления к рампе присоединен гидроаккумулятор. Ограничению подъема клапана сверх штатного, способствует слив масла из гидроцилиндра через отверстия в его стенке.

Своевременная подача масла в гидроцилиндр и слив масла из него обеспечиваются электромагнитными клапанами (ЭМК). Управляющие сигналы на ЭМК поступают от экспериментального электронного блока управления (ЭБУ) в состав которого входят: источник питания, блок управления, внешний персональный компьютер (ПК), блоки усилителей, исполнительные механизмы (ЭМК), датчики, светодиоды.

Применен импульсный источник питания. В качестве управляющего блока системы управления используется программируемая логическая интегральная схема, отвечающая требованиям решаемой задачи по количеству каналов управления (цифровым и аналоговым), а также по скоростным качествам. ПК со средой программирования LabView позволяет связываться и программировать блок управления. Для возможности удобного управления ЭУГ ГРМ разработано программное обеспечение, которое позволяет проводить индивидуальную настройку формы и длительности электрических импульсов, подаваемых на ЭМК. Для управления ЭМК используются два блока усилителей. Первый блок подает сигналы на питающие ЭМК, второй  управляет сливными ЭМК. Для контроля управляющего сигнала применяются светодиоды, включенные параллельно в цепь питания каждого ЭМК. Основным требованием к ЭМК является высокое быстродействие, небольшие габариты и прочность конструкции (давление масла 7÷10 МПа). Примененный ЭМК представляет нормально закрытый клапан золотникового типа с управляющим электромагнитом. С целью увеличения быстродействия ЭМК проведено форсирование напряжения его питания с 24 до 70 В.

Далее представлены результаты экспериментального определения характеристик электрического сигнала ЭМК, обеспечивающих работу привода ГРМ. Эксперименты проводились на исследовательском стенде, где головка цилиндров двигателя приподнята над блоком цилиндров, образуя зазор, равный 30 мм, для проведения киносъемки перемещения клапанов.

Определение перемещения клапанов двигателя осуществлялось по данным скоростной цифровой киносъемки с помощью программы Vegas Pro 10.0. Начало подачи электрического сигнала на ЭМК регистрируется по началу свечения светодиода. Начало движения клапана двигателя фиксируется по результатам покадрового просмотра видеофайлов. Перемещение клапана определяется по соответствию его положения шкале линейки, прикрепленной к головке цилиндра двигателя непосредственно рядом с клапаном.

Для управления ЭМК формируется сигнал, состоящий из стартового импульса и периода удержания. Стартовый импульс обеспечивает открытие золотника ЭМК, а период его удержания представляет серию импульсов определенной скважности – сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Сначала проведены опыты по определению минимальной длительности стартового импульса, при которой, за счет открытия ЭМК, гидроцилиндр заполняется маслом и поршень гидроцилиндра, перемещаясь, заставляет клапан двигателя подняться на штатную высоту. При этом ШИМ сигнала отсутствовала. При подаче стартового импульса ЭМК открывается с определенной задержкой, что приводит к задержке подъема клапана двигателя. В итоге клапан двигателя перемещается на некоторое расстояние x (рис.1, где   угол поворота коленчатого вала). После прекращения сигнала ЭМК отсекает подачу масла в гидроцилиндр, и клапан двигателя «медленно» закрывается клапанной пружиной ввиду утечек масла через поршневой зазор гидроцилиндра. Видно, что при закрытии клапана наблюдается затухающий колебательный процесс перемещения клапана, что связано с инерционными свойствами системы «поршень гидроцилиндра-клапанная пружина-масло в гидроцилиндре».

Выяснено, что минимально необходимая длительность стартового импульса для подъема клапана на штатную величину составляет 13 мс.

При сокращении длительности импульса высота подъема клапана уменьшается. Таким образом, изменяя длительность стартового импульса можно управлять величиной подъема клапана.

Затем проведены опыты для определения характеристик ШИМ сигнала, необходимых для удержания ЭМК в открытом состоянии. Определено, что при скважности сигнала, равной 0,28, клапан двигателя закрывается, что свидетельствует о закрытии ЭМК. По мере увеличения скважности скорость закрытия клапана двигателя снижается. Следовательно, не хватает энергии электромагнита для удержания золотника ЭМК в открытом состоянии, и он находится в промежуточном состоянии. При скважности сигнала, более 0,55, клапан двигателя удерживается в течении подачи ШИМ сигнала в открытом состоянии, что говорит об открытом положении ЭМК. Выяснено, что величина скважности ШИМ сигнала, более определенной, слабо сказывается на работе клапана двигателя при изменении частоты вращения коленчатого вала в диапазоне 800÷2400 мин-1.

В процессе удержания клапана двигателя в открытом состоянии наблюдаются его колебания, которые практически не затухают (рис.2). После прекращения управляющего сигнала золотник закрывает питающий ЭМК. Клапан двигателя перемещается в сторону закрытия за счет утечек масла из гидроцилиндра через поршневой зазор. Затем, после подачи управляющего сигнала на сливной ЭМК, происходит быстрая посадка клапана двигателя на седло (см. рис. 2) за счет возвратного действия клапанной пружины и слива масла из гидроцилиндра.

 Для выявления природы колебаний клапана двигателя в открытом состоянии на ЭМК подавался управляющий сигнал с ШИМ различной периодичности (3÷6 мс). При этом частота колебаний клапана двигателя оставалась неизменной. По-видимому, частота колебания клапана соответствует собственной частоте колебания системы «поршень гидроцилиндра – клапан двигателя», а не колебаниям золотника ЭМК.