СИСТЕМА ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА КЛАПАНОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ELECTRO-HYDRAULIC VALVE CONTROL SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно, к механизмам газораспределения с электрогидравлическим приводом клапанов, применяемых в двигателях внутреннего сгорания.
Известен механизм газораспределения с электрогидравлическим приводом клапанов для двигателей внутреннего сгорания, содержащий гидроцилиндр с плунжером, взаимодействующим с подпружиненным клапаном двигателя, электромагнитный клапан, поочередно сообщающий верхнюю камеру гидроцилиндра с источником подачи рабочей жидкости под высоким давлением при подъеме клапана и со сливной магистралью при его посадке (см. патент РФ 775359).
Основным недостатком указанной конструкции является отсутствие возможности регулирования фаз газораспределения и высоты подъема клапана при изменении режима работы двигателя внутреннего сгорания.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является система электрогидравлического привода клапанов двигателя внутреннего сгорания, включающая гидроцилиндр с верхней камерой управления, плунжер, установленный в гидроцилиндре и взаимодействующий с клапаном двигателя, гидронасос с напорной масляной магистралью, подключенной к верхней камере управления, редукционный клапан для поддержания постоянным давления масла после гидронасоса и магистраль слива масла в картер двигателя (см. патент РФ 2171898).
Несмотря на то, что электрогидравлическая система повышает долговечность и безопасность механизма газораспределения за счет безударной посадки клапана на седло, ее отличает существенная конструктивная сложность, громоздкость гидропривода, ненадежность электромеханического устройства, а также узкая область управления фазами газораспределения и изменения хода клапана.
Достигаемая задача - повышение экономических и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания за счет оптимального управления фазами газораспределения и регулирования хода клапана.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в системе электрогидравлического привода клапанов двигателя внутреннего сгорания, включающей гидроцилиндр с верхней камерой управления, плунжер, установленный в гидроцилиндре и взаимодействующий с клапаном двигателя, гидронасос с напорной масляной магистралью, подключенной к верхней камере управления, редукционный клапан для поддержания постоянным давления масла после гидронасоса и магистраль слива масла в картер двигателя, плунжер выполнен заодно с клапаном двигателя и делит гидроцилиндр на верхнюю и нижнюю камеры управления, при этом площадь плунжера, через которую передается усилие давления масла, в обеих камерах равны, в нижней камере выполнен уступ для ограничения избыточного хода клапана при его открытии и смонтированы два электромагнитных клапана, один из которых подключен выше уступа для периодического слива масла из камеры в картер двигателя, а второй подключен ниже уступа для периодической подачи масла в камеру из напорной масляной магистрали после гидронасоса, причем в верхней камере выполнены окно и жиклер, подсоединенные к напорной масляной магистрали посредством трубопровода с гидроаккумулятором и регулятора давления «после себя», поддерживающего в трубопроводе с гидроаккумулятором давление масла ниже, чем давление масла в напорной масляной магистрали, создаваемое гидронасосом, а на гидроцилиндре установлен бесконтактный датчик контроля хода клапана.
На фиг. 1 дана конструктивная схема, поясняющая устройство и работу системы электрогидравлического привода клапанов для двигателей внутреннего сгорания, а на фиг. 2-5 даны диаграммы, отражающие закон регулирования фаз газораспределения и изменения хода клапана.
В соответствии с фиг. 1 электрогидравлический привод клапанов для двигателей внутреннего сгорания включает корпус гидроцилиндра 1 с установленным плунжером 2. Плунжер 2 делит объем гидроцилиндра 1 на нижнюю камеру управления 3 и верхнюю камеру управления 4, при этом площадь плунжера 2 в нижней камере управления 3 и площадь плунжера 2 в верхней камере управления 4, через которые передаются усилия от давления масла, равны. Плунжер 2 через шток 5 механически соединен с клапаном 6, а через шток 7, диаметр которого равен диаметру штока 5, взаимодействует с бесконтактным датчиком 8, контролирующим перемещение штока 7, а следовательно, и клапана 6. Бесконтактный датчик 8 крепится на корпусе гидроцилиндра 1.
В нижней камере управления 3 выполнен уступ 9 для ограничения избыточного хода клапана 6 при его открытии и смонтированы два электромагнитных клапана. Электромагнитный клапан 10 подключен выше уступа 9 и предназначен для периодического слива масла из нижней камеры управления 3 по магистрали 11 в картер 12 двигателя, а электромагнитный клапан 13, подключенный ниже уступа 9, обеспечивает периодическую подачу масла из напорной масляной магистрали 14 после гидронасоса 15, стабильное давление в которой поддерживается с помощью редукционного клапана 16 и гидроаккумулятора 17.
В верхней камере управления 4 выполнено окно 18 и жиклер 19, которые подсоединены к напорной масляной магистрали 14 посредством трубопровода 20, гидроаккумулятора 21 и регулятора давления «после себя» 22, поддерживающего в трубопроводе 20 давление масла ниже, чем давление масла, создаваемое гидронасосом 15 в напорной масляной магистрали 14.
Герметичность штоков 5 и 7 плунжера 2 осуществляется с помощью резиновых колец 23, установленных в корпусе гидроцилиндра 1.
Гидроцилиндр 1 в собранном виде монтируется на клапанной коробке 24, в которой установлено седло 25 для посадки клапана 6, и выполнен канал 26 для подвода рабочей смеси в случае управления клапаном впуска или отвода отработавших газов в случае управления клапаном выпуска.
Клеммная коробка 24 установлена на цилиндре 27 с размещенным в нем поршнем 28.
В состав системы электрогидравлического привода клапанов для двигателей внутреннего сгорания входит также электронная система управления. Работа системы электрогидравлического привода клапанов для двигателей внутреннего сгорания показана на фиг. 1-5 (электронная система на фиг. 1-5 не показана).
На фиг. 1 отражено положение клапана 6 в закрытом состоянии, которое обеспечивается за счет перепада давления (P1-Р2), действующего на плунжер 2, установленный в гидроцилиндре 1, где Р1 давление рабочей жидкости в нижней камере управления 3 при открытом электромагнитном клапане 13, создаваемое гидронасосом 15 и поддерживаемое в напорной магистрали 14 и гидроаккумуляторе 17 с помощью редукционного клапана 16, а Р2 - постоянно действующее давление в верхней камере управления 4, меньшее, чем Р1 и поддерживаемое с помощью редукционного клапана 22, подключенного к трубопроводу 20, при этом усилие, развиваемое на плунжере 2 от давления Р1 всегда превышает усилие, действующее на клапан 6 в момент его открытия.
Для открытия клапана 6 из системы электронного управления подается сигнал на закрытия электромагнитного клапана 13 и открытие электромагнитного клапана 10. В результате нижняя камера управления 3 отключается от гидронасоса 15 и сообщается по сливной магистрали 11 с картером 12 двигателя. Давление в нижней камере управления 3 падает и клапан 6, жестко связанный через шток 5 с плунжером 2, отрывается от седла 25 и начинает ускоренное движение под действием усилия, создаваемого давлением рабочей жидкости Р2 в верхней камере управления 4, и которое в момент отрыва клапана 6 от седла 25 всегда больше результирующего усилия от силы инерции, силы трения в уплотнениях 23 и усилия, создаваемого от давления газа в цилиндре 17 на клапан 6. Полное открытие клапана 6 с ускорением продолжается до тех пор, пока плунжер 2 не перекроет отверстие в нижней камер управления 3, через которое масло выдавливается через открытый электромагнитный клапан 10. В результате движение клапана 6 замедляется и прекращается сразу после закрытия электромагнитного клапана 10, которое происходит по сигналу от бесконтактного датчика 8, контролирующего перемещение штока 7, а следовательно и клапана 6. В любом случае движение клапана 6 заканчивается после того, как плунжер 2 сядет на уступ 9, выполненный в нижней камере управления 3, что устраняет возможность соударений клапана 6 и поршня 28 при его движении к ВНТ в цилиндре 27.
После завершения фазы открытия клапан 6 устойчиво остается в открытом положении до тех пор, пока из электронной системы управления не поступит сигнал на закрытие электромагнитного клапана 10 и открытие электромагнитного клапана 13. В результате давление в нижней камере управления 3 повышается до давления Р1, создаваемого гидронасосом 15, и клапан 6 под действием разности давлений (P1-Р2), действующей на плунжер 2, начинает с ускорением двигаться в сторону закрытия, что сопровождается выдавливанием рабочей жидкости из верхней камеры управления 4 через окно 18 и отверстие в жиклере 19 в трубопровод 20 и гидроаккумулятор 21. Однако, в конце хода скорость движения клапана замедляется, так как плунжер 2 перекрывает окно 18, и в конечной стадии клапан 6 мягко садится на седло 25, так как скорость выдавливания масла из камеры управления 4 через жиклер 19 замедляется из-за прогрессирующего гидравлического сопротивления.
Особенность предложенной системы электрогидравлического привода клапанов заключается в том, что она в совокупности с электронной системой управления позволяет регулировать в широком диапазоне фазы газораспределения и ход клапана как автономно, так и одновременно. Это достигается изменением времени срабатывания электромагнитного клапана 13, осуществляющего периодическую подачу масла под давлением Р1 в нижнюю камеру управления 3, и электромагнитного клапана 10, осуществляющего периодический сброс масла из нижней камеры управления 3 в картер 12 двигателя.
КЛ
ПКВ
1
2
1
2
На фиг. 2 - 5 в координатах h (ход клапана в мм) f - (поворот коленчатого вала в градусах) показаны варианты изменения закона движения клапана. Так, регулируя момент закрытия электромагнитного клапана 13 и открытия электромагнитного клапана 10, можно обеспечить опережение (угол f) или запаздывание (угол f) открытия клапана 6 (см. фиг. 2), а регулируя момент закрытия электромагнитного клапана 10 и открытия электромагнитного клапана 13, можно обеспечить опережение (угол f) или запаздывание (угол f) закрытия клапана 6 (см. фиг. 3), при этом ход клапана 6 в обоих случаях останется прежним.
O
MAX
2
1
На фиг. 4 графически отражено изменение хода клапана 6 в интервале от h до h, которое реализуется за счет изменения момента закрытия электромагнитного клапана 10 и, наконец, на фиг. 5 отражена возможность одновременного регулирования фаз газораспределения и хода клапана, в частности в соответствии с фиг. 5 клапан 6 открывается с запаздыванием на угол f, что достигается запаздыванием момента закрытия электромагнитного клапана 13 и открытия электромагнитного клапана 10, уменьшением хода клапана из-за раннего момента закрытия электромагнитного клапана 10, а опережение закрытия на угол f происходит за счет более раннего момента открытия электромагнитного клапана 13 и момента открытия электромагнитного клапана 10.
Система электрогидравлического привода клапанов по принципу работы и структуре является универсальной и может применяться как для управления клапаном впуска, так и выпуска, при этом для обеспечения работы клапанов выпуска она должна комплектоваться гидронасосом высокого давления, а клапанов впуска - гидронасосом с малым напором. Так, например, для клапана выпуска с посадочным седлом 40 мм и давлением 5 кгс/см, действующим на клапан со стороны поршня при диаметре плунжера 10 мм, требуется насос с напором не менее 12,0 МПа, в то время как для клапана впуска с такими же геометрическими параметрами требуется насос с напором на порядок меньше, что позволяет почти вдвое снизить мощность, отбираемую от двигателя внутреннего сгорания для работы и управления клапанами.
Таким образом, благодаря возможности регулирования в широком диапазоне фаз газораспределения и высоты подъема впускного клапана можно дозировать количество поступающей в цилиндр рабочей смеси и тем самым обеспечить:
- реальное повышение экономических и экологических характеристик электрогидравлического привода клапанов, начиная от режима холостого хода и до режима максимальной нагрузки, в том числе и на частичных нагрузках;
- оптимизацию работы каждого цилиндра;
- простое регулирование мощности за счет отключения рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания;
- реальную перспективу развития интеллектуальных двигателей внутреннего сгорания.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».