ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ОСЕВОГО СМЕЩЕНИЯ ГАЗООБМЕННОГО КЛАПАНА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ACTUATING UNIT FOR AXIAL DEFLECTION OF GAS-EXCHANGING VALVE IN COMBUSTION ENGINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к исполнительному механизму для осевого смещения объекта. В частности, настоящее изобретение относится к исполнительному механизму клапана для двигателей внутреннего сгорания, причем предполагается, что исполнительный механизм используется для приведения одного или более впускных клапанов или выпускных клапанов, которые управляют подачей и отведением, соответственно, воздуха по отношению к цилиндру двигателя внутреннего сгорания. Следовательно, исполнительный механизм согласно изобретению является особенно подходящим для приведения клапанов двигателя, посредством этого, исключая потребность в одном или более кулачковых валах в двигателе внутреннего сгорания.
Исполнительный механизм согласно изобретению содержит диск поршня исполнительного механизма, шток поршня исполнительного механизма, который неподвижно присоединен к диску поршня исполнительного механизма и выступает из него в осевом направлении, и который, вместе с диском поршня исполнительного механизма, образует поршень исполнительного механизма, объем цилиндра, причем диск поршня исполнительного механизма разделяет упомянутый объем цилиндра на первую часть и вторую часть и, в осевом направлении, выполнен с возможностью возвратно-поступательного смещения в упомянутом объеме цилиндра между неактивным положением и активным положением, схему текучей среды под давлением, выполненную с возможностью управляемого сообщения по текучей среде с первой частью объема цилиндра, и первую гидравлическую схему, содержащую заполненное жидкостью пространство, причем шток поршня исполнительного механизма выполнен с возможностью осевого смещения по отношению к упомянутому заполненному жидкостью пространству в соответствии с осевым смещением диска поршня исполнительного механизма в объеме цилиндра.
Уровень техники
Исполнительные механизмы типа, упомянутого в качестве введения, известны, например, из Патента США № 7121237. В этом документе описан исполнительный механизм для приведения клапана двигателя, причем шток поршня исполнительного механизма имеет гидравлическое тормозное устройство в области его свободного конца, причем это гидравлическое тормозное устройство взаимодействует с механическим упором в корпусе исполнительного механизма. Цель этого гидравлического тормозного устройства заключается в уменьшении скорости перемещения клапана двигателя непосредственно перед тем, как клапанная головка клапана двигателя соприкоснется с гнездом клапана в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, и, посредством этого, достижении управляемого закрывающего перемещения, чтобы щадить составляющие детали и уменьшать износ и диссонанс. При закрывании клапана двигателя, шток поршня исполнительного механизма должен соприкасаться с механическим упором в корпусе исполнительного механизма, когда клапан двигателя соприкасается со своим гнездом, для достижения правильного торможения клапана двигателя и поршня исполнительного механизма в соответствии с закрыванием клапана двигателя.
Крайне важно, чтобы взаимное расстояние между гидравлическим тормозным устройством штока поршня исполнительного механизма и клапанной головкой клапана двигателя было таким же, как взаимное расстояние между механическим упором и гнездом клапана двигателя. Проблема известных исполнительных механизмов заключается в том, что шток поршня исполнительного механизма не достигает своего механического упора в корпусе исполнительного механизма, и при этом удерживающий эффект изменяется или вовсе не возникает.
Поскольку клапан двигателя во время работы подвержен воздействию высоких температур, его шток клапана претерпевает изменения размеров, что непосредственно влияет на описанное выше условие. К тому же, производственные затраты возрастают, если при производстве составляющих деталей соблюдаются узкие размерные допуски. В качестве альтернативы, используются не такие узкие размерные допуски, но это ведет к необходимости использования шайб или тому подобного для регулировки взаимных положений деталей. К тому же, составляющие детали изнашиваются во время работы, что дополнительно влияет на взаимные положения деталей.
Следует заметить, что шток поршня исполнительного механизма, кроме гидравлического тормозного устройства, также выполняет другие функции там, где его положение по отношению к корпусу исполнительного механизма используется в других целях, для установки размера первой части объема цилиндра, для регулировки сообщения по текучей среде с первой частью объема цилиндра, и так далее.
Описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение упомянутых выше недостатков известных ранее исполнительных механизмов и на создание улучшенного исполнительного механизма. Основная задача изобретения заключается в разработке улучшенного исполнительного механизма типа, определенного во введении, который обеспечивает то, что шток поршня исполнительного механизма всегда принимает четко заданное неактивное положение, когда исполнительный механизм находится в положении покоя.
Согласно изобретению по меньшей мере основная задача решается посредством создания исполнительного механизма, который определен во введении и имеет признаки, определенные в независимом пункте формулы изобретения. Кроме того, предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению разработан исполнительный механизм типа, определенного во введении, который отличается тем, что поршень исполнительного механизма содержит вторую гидравлическую схему, причем заполненное жидкостью пространство первой гидравлической схемы находится в сообщении по текучей среде с внутренней полостью во второй гидравлической схеме, когда диск поршня исполнительного механизма находится в упомянутом неактивном положении, причем упомянутая внутренняя полость частично ограничена позиционирующим поршнем, который, в осевом направлении, выполнен с возможностью возвратно-поступательного смещения по отношению к поршню исполнительного механизма и который выполнен с возможностью надавливания на упомянутый газообменный клапан во второй части объема цилиндра, причем вторая гидравлическая схема содержит клапан, который выполнен с возможностью предотвращения потока текучей среды из внутренней полости, причем шток поршня исполнительного механизма имеет свободный конец, который выполнен так, чтобы по меньшей мере частично упираться в стопорную поверхность в заполненном жидкостью пространстве, когда диск поршня исполнительного механизма находится в неактивном положении, причем находящаяся под давлением площадь позиционирующего поршня, которая обращена к внутренней полости, меньше или равна находящейся под давлением площади свободного конца штока поршня исполнительного механизма.
Соответственно, настоящее изобретение основано на понимании того, что, посредством подвижного позиционирующего поршня по отношению к поршню исполнительного механизма может быть обеспечено то, что шток поршня исполнительного механизма всегда занимает заданное неактивное положение, когда клапан двигателя закрыт и исполнительный механизм неактивен.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, шток поршня исполнительного механизма, в области своего свободного конца, имеет гидравлическое тормозное устройство, которое выполнено с возможностью уменьшения скорости перемещения поршня исполнительного механизма перед тем, как свободный конец штока поршня исполнительного механизма соприкоснется со стопорной поверхностью.
Дополнительные преимущества и особенности изобретения можно увидеть в других зависимых пунктах формулы изобретения, а также в последующем подробном описании предпочтительных вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
Упомянутые выше и другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты из последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид сбоку в разрезе исполнительного механизма согласно первому варианту осуществления, причем поршень исполнительного механизма находится в неактивном положении;
Фиг. 2 - схематичный вид сбоку в разрезе исполнительного механизма, показанного на Фиг. 1, на котором показан поршень исполнительного механизма в активном положении;
Фиг. 3 - увеличенный вид части исполнительного механизма с Фиг. 1 и 2, на котором показана внутренняя полость второй гидравлической схемы;
Фиг. 4 - схематичный вид сбоку в разрезе исполнительного механизма согласно второму варианту осуществления, причем поршень исполнительного механизма показан в неактивном положении; и
Фиг. 5 - схематичный вид сбоку в разрезе исполнительного механизма, показанного на Фиг. 4, на котором показан поршень исполнительного механизма в активном положении.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение относится к исполнительному механизму, в целом обозначенному позицией 1, для осевого смещения объекта. Ниже в этом документе изобретение описано, в качестве примера и без ограничения, со ссылкой на применение, в котором исполнительный механизм 1 используется для приведения одного или более газообменных клапанов, таких как впускные клапаны или выпускные клапаны, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Сначала обратимся к Фиг. 1 и 2, на которых показан первый вариант осуществления исполнительного механизма 1 согласно изобретению. Исполнительный механизм 1 содержит корпус 2 исполнительного механизма, цилиндр 3, ограничивающий объем цилиндра или камеру, диск 4 поршня исполнительного механизма, который, в осевом направлении, выполнен с возможностью возвратно-поступательного смещения в упомянутом объеме цилиндра между неактивным положением (Фиг. 1) и активным положением (Фиг. 2). Диск 4 поршня исполнительного механизма разделяет упомянутый объем цилиндра на первую, верхнюю часть 5 и вторую, нижнюю часть 6.
Кроме того, исполнительный механизм 1 содержит шток поршня исполнительного механизма, в целом обозначенный позицией 7, который неподвижно присоединен к диску 4 поршня исполнительного механизма и выступает из него в осевом направлении, и который, вместе с диском поршня исполнительного механизма, образует поршень исполнительного механизма. В показанном варианте осуществления, шток 7 поршня исполнительного механизма имеет первую, утолщенную часть 8, которая выполнена на расстоянии от диска 4 поршня исполнительного механизма и которая герметично закрывает отверстие в корпусе 2 исполнительного механизма, и вторую, утонченную часть 9, которая проходит между утолщенной частью 8 и диском 4 поршня исполнительного механизма и соединяет их.
Исполнительный механизм 1 также содержит схему текучей среды под давлением, в целом обозначенную позицией 10, выполненную с возможностью управляемой подачи газа или газовой смеси в первую часть 5 объема цилиндра для начала импульса давления, и выполненную с возможностью управляемого отведения газа или газовой смеси из первой части 5 объема цилиндра для окончания упомянутого импульса давления.
Схема 10 текучей среды под давлением соединена с источником (HP) текучей среды под давлением и сливом (LP) текучей среды под давлением. Источником текучей среды под давлением может быть компрессор, принадлежащий двигателю, со вспомогательным баком или просто резервуар высокого давления. Сливом текучей среды под давлением может быть любая точка с меньшим давлением, чем давление, которое образуется в источнике текучей среды под давлением, например, атмосфера или трубопровод, который ведет обратно к компрессору.
В показанном варианте осуществления, исполнительный механизм 1 содержит тело 11 первого клапана с прямым или непрямым электрическим управлением, причем это тело 11 первого клапана расположено в контуре 10 текучей среды под давлением для управления потоком текучей среды под давлением в контуре 10 текучей среды под давлением. Под электрическим управлением понимается управление посредством электромагнитного устройства, посредством пьезоэлектрического устройства, и тому подобного. В предпочтительном варианте осуществления исполнительный механизм 1 дополнительно содержит так называемый управляющий клапан 12 в форме трехходового клапана, причем управляющий клапан 12 выполнен с возможностью приведения посредством электромагнита 13. Управляющий клапан также может быть пьезоэлектрическим клапаном, или другим подобным клапаном с электрическим управлением. Управляющий клапан 12 выполнен с возможностью попеременного открывания в активационный проход 14 для сообщения по текучей среде с источником (HP) текучей среды под давлением, и со сливом (LP) текучей среды под давлением, соответственно. К тому же, в активационном проходе 14 расположен верхний конец тела 11 первого клапана, на который может воздействовать поток текучей среды под давлением от источника текучей среды под давлением для смещения тела 11 первого клапана вниз. Управляющий клапан 12 предпочтительно поджимается в первом направлении (направо) посредством пневматической пружины, механической пружины или тому подобного, вследствие чего активация электромагнита 13 смещает управляющий клапан 12 во втором направлении (налево), и когда электромагнит 13 отключается, управляющий клапан 12 возвращается посредством поджимания в другом направлении (направо). Таким образом, на чертеже показано, что тело 11 первого клапана предусмотрено с непрямым электрическим управлением. В случае, если электромагнит 13 действует непосредственно на тело 11 первого клапана, тело 11 первого клапана предусмотрено с прямым электрическим управлением, то есть, в этом варианте осуществления, управляющий клапан и активационный проход отсутствуют.
Когда управляющий клапан 12 открывает поток текучей среды под давлением от источника текучей среды под давлением к активационному проходу 14, тело 11 первого клапана приводится в смещение в нижнее положение, показанное на Фиг. 1. Таким образом, тело 11 первого клапана открывает поток текучей среды под давлением в контуре текучей среды под давлением от источника текучей среды под давлением, с которым соединен контур 10 текучей среды под давлением, в первую часть 5 объема цилиндра. После этого импульс текучей среды под давлением воздействует на диск 4 поршня исполнительного механизма и смещает его в объеме цилиндра от положения, показанного на Фиг. 1, в положение, показанное на Фиг. 2, или за него. Таким образом, на Фиг. 1 показан момент, в который тело 10 первого клапана сместилось, но диск 4 поршня исполнительного механизма еще не начал перемещаться. Таким образом, на Фиг. 1 поршень исполнительного механизма остается в своем неактивном положении, и после этого начнет свое перемещение вниз для образования импульса давления.
На Фиг. 2 показано, что диск 4 поршня исполнительного механизма находится в своем активном положении, и утолщенная часть 8 штока 7 поршня исполнительного механизма закрыла контур 10 текучей среды под давлением для предотвращения продолжения подачи текучей среды под давлением от источника текучей среды под давлением к первой части 5 объема цилиндра. Также на Фиг. 2 показано, что управляющий клапан 12 смещен в другом направлении (направо) для обеспечения сообщения по текучей среде между сливом текучей среды под давлением и активационным проходом 14, и, посредством этого, тело 11 первого клапана, поджимаемое в направлении вверх посредством пневматической пружины, механической пружины или тому подобного, сместилось в верхнее положение для отведения газа из первой части 5 объема цилиндра для обеспечения обратного перемещения диска 4 поршня исполнительного механизма из его активного положения в его неактивное положение. Таким образом, когда происходит активация, диск 4 поршня исполнительного механизма возвращается в неактивное положение, показанное на Фиг. 1.
В показанных вариантах осуществления, исполнительный механизм 1 взаимодействует с клапаном двигателя, в целом обозначенным позицией 15, который имеет шток 16 клапана и клапанную головку 17. Шток 16 клапана проходит через неподвижную часть двигателя внутреннего сгорания и в цилиндр 3 исполнительного механизма 1, и, точнее, во вторую часть 6 объема цилиндра, и клапанная головка 17 выполнена с возможностью взаимодействия с гнездом 18 клапана для попеременного обеспечения и предотвращения, соответственно, прохождения газа/воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Клапан 15 двигателя выполнен с возможностью смещения в осевом направлении посредством исполнительного механизма 1, с помощью диска 4 поршня исполнительного механизма 1, непрямо воздействующего на верхний конец штока 16 клапана 15 для смещения клапана 15 из его закрытого положения (Фиг. 1) в его открытое положение (Фиг. 2). К тому же, двигатель внутреннего сгорания предпочтительно содержит обычную, показанную схематично, клапанную пружину 19, которая выполнена с возможностью приведения клапана 15 обратно из его открытого положения в его закрытое положение. Клапанная пружина 19 в ее нижнем конце воздействует прямо или непрямо на неподвижную часть двигателя внутреннего сгорания, а в ее верхнем конце на опору 20, или держатель клапанной пружины, которая присоединена к штоку 16 клапана в области его верхнего конца.
Исполнительный механизм 1 также содержит первый гидравлический контур, в целом обозначенный позицией 21, содержащий заполненное жидкостью пространство 22, шток 7 поршня исполнительного механизма, выполненный с возможностью осевого смещения по отношению к упомянутому заполненному жидкостью пространству 22 во взаимосвязи с осевым смещением диска 4 поршня исполнительного механизма в объеме цилиндра. Жидкость может течь в заполненное жидкостью пространство 22 через обратный клапан 23 и из заполненного жидкостью пространства 22 через управляемый клапан, которым, в показанном варианте осуществления, является первый клапан 11. Когда поршень исполнительного механизма смещается из неактивного положения (Фиг. 1) в активное положение (Фиг. 2), шток 7 поршня исполнительного механизма оставляет пространство для затекания жидкости в заполненное жидкостью пространство 22, и когда поршень исполнительного механизма смещается из активного положения в неактивное положение, жидкость выдавливается из заполненного жидкостью пространства 22.
Обратимся теперь также к Фиг. 3, на которой в увеличении показана часть исполнительного механизма согласно варианту осуществления, показанному на Фиг. 1 и 2. В исполнительном механизме 1 согласно изобретению, поршень исполнительного механизма содержит второй гидравлический контур, в целом обозначенный позицией 24, который, в свою очередь, содержит внутреннюю полость 25. Когда диск 4 поршня исполнительного механизма находится в упомянутом неактивном положении, заполненное жидкостью пространство 22 первого гидравлического контура 21 находится в сообщении по текучей среде с внутренней полостью 25 во втором гидравлическом контуре 24. Внутренний канал 26 выходит в первом конце во внутреннюю полость 25 и во втором конце в окружающую поверхность утолщенной части 8 штока 7 поршня исполнительного механизма. Таким образом, второй конец внутреннего канала 26 должен находиться в сообщении по текучей среде с заполненным жидкостью пространством 22, когда диск 4 поршня исполнительного механизма находится в неактивном положении, и, к тому же, упомянутое сообщение по текучей среде должно предпочтительно прерываться, когда диск 4 поршня исполнительного механизма находится в активном положении. Вторая гидравлическая схема 24 дополнительно содержит клапан 27, который выполнен с возможностью предотвращения потока текучей среды из внутренней полости 25 в заполненное жидкостью пространство 22. Предпочтительно, упомянутый клапан 27 представляет собой обратный клапан, который удерживается в положении, герметизирующем внутренний канал 26 посредством пружины 28 обратного клапана.
Внутренняя полость 25 частично ограничена позиционирующим поршнем 29, который, в осевом направлении, выполнен с возможностью возвратно-поступательного смещения по отношению к поршню исполнительного механизма, и который выполнен с возможностью воздействия на клапан 15 двигателя во второй части 6 объема цилиндра. Жидкость, присутствующая во внутренней полости 25 может немного затекать за позиционирующий поршень 29 во вторую часть 6 объема цилиндра.
Шток 7 поршня исполнительного механизма имеет свободный конец 30, который выполнен так, что он по меньшей мере частично упирается в стопорную поверхность 31 в заполненном жидкостью пространстве 22, когда диск 4 поршня исполнительного механизма находится в неактивном положении. В варианте осуществления согласно Фиг. 1-3, позиционирующий поршень 29 поджимается в направлении во вторую часть 6 объема цилиндра посредством пружины 32, расположенной во внутренней полости 25. Когда клапанная головка 17 клапана 15 двигателя достигает своего гнезда 18 и свободный конец 30 штока 7 поршня исполнительного механизма не упирается в упомянутую стопорную поверхность 31, тогда позиционирующий поршень 29 упирается в клапан 15 двигателя и пружина 32 давит на поршень исполнительного механизма в осевом направлении вверх до тех пор, пока свободный конец 30 штока 7 поршня исполнительного механизма не упрется в стопорную поверхность 31, тогда как жидкость сжимается и удерживается во внутренней полости 25. Соответственно, функция позиционирующего поршня 29 заключается в позиционировании поршня исполнительного механизма в правильное положение каждый раз, когда диск 4 поршня исполнительного механизма находится в неактивном положении.
Позиционирующий поршень 29 имеет находящуюся под давлением площадь, то есть площадь, которая состоит из осевой проекции площади позиционирующего поршня, на которую воздействует жидкость во внутренней полости 25 для предотвращения вдавливания позиционирующего поршня 29 во внутреннюю полость 25. В варианте осуществления согласно Фиг. 1-3, находящаяся под давлением площадь позиционирующего поршня 25, которая обращена к внутренней полости 25, меньше или равна находящейся под давлением площади свободного конца 30 штока 7 поршня исполнительного механизма.
В показанных вариантах осуществления исполнительного механизма 1 согласно изобретению, шток 7 поршня исполнительного механизма имеет, в области своего свободного конца, гидравлическое тормозное устройство, которое выполнено с возможностью уменьшения скорости перемещения поршня исполнительного механизма перед тем, как свободный конец 30 штока 7 поршня исполнительного механизма соприкоснется с упомянутой стопорной поверхностью 31, и, таким образом, выполнено с возможностью уменьшения скорости перемещения клапана 15 двигателя перед тем, как клапан 15 двигателя соприкоснется со своим гнездом 18. Гидравлическое тормозное устройство состоит из геометрического сужения между штоком 7 поршня исполнительного механизма и заполненным жидкостью пространством 22, причем это геометрическое сужение уменьшается по мере приближения свободного конца 30 штока 7 поршня исполнительного механизма к упомянутой стопорной поверхности 31, посредством чего тормозящая сила увеличивается.
Теперь обратимся к Фиг. 4 и 5, на которых показан исполнительный механизм 1 согласно второму варианту осуществления. Будут описаны только отличия по отношению к первому варианту осуществления. В этом втором варианте осуществления, находящаяся под давлением площадь позиционирующего поршня 29, которая обращена к внутренней полости 25, больше, чем находящаяся под давлением площадь свободного конца 31 штока 7 поршня исполнительного механизма. В это же время, отсутствует потребность в пружине, которая отталкивает друг от друга позиционирующий поршень 29 и поршень исполнительного механизма, как требуется в варианте осуществления согласно Фиг. 1-3. Тем не менее, расположение второго конца внутреннего канала 26, который выходит в окружающую поверхность утолщенной части 8 штока 7 поршня исполнительного механизма, является крайне важным. Второй конец внутреннего канала 26 должен находиться в сообщении по текучей среде с заполненным жидкостью пространством 22, когда диск 4 поршня исполнительного механизма находится в неактивном положении, и к тому же упомянутое сообщение по текучей среде должно прерываться сразу после того, как диск 4 поршня исполнительного механизма покинул неактивное положение. Если внутренний канал 26 не прерывается, когда диск 4 поршня исполнительного механизма находится в активном положении, поршень исполнительного механизма поджимается вверх и, таким образом, предотвращает правильное закрывание клапана 15 двигателя.
Возможные модификации изобретения
Изобретение не ограничено описанными выше и показанными на чертежах вариантами осуществления, которые предназначены только для иллюстрирования в качестве примера. Настоящую заявку на патент следует понимать как открывающую все адаптации и изменения предпочтительных вариантов осуществления, описанных в этом документе, и, следовательно, настоящее изобретение определено прилагаемой формулой изобретения, и оборудование может быть соответственно изменено всеми возможными способами в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.
Также следует заметить, что вся информация в отношении таких терминов, как над, под, верхний, нижний и так далее, следует понимать/читать как ориентацию оборудования в соответствии с чертежами, которые ориентированы таким образом, чтобы ссылочные позиции могли быть прочитаны правильно. Соответственно, такие термины обозначают только взаимоотношения в показанных вариантах осуществления, причем эти взаимоотношения могут быть изменены, если оборудование согласно изобретению предусмотрено с другой конструкцией.
Следует заметить, что даже если явно не изложено, что признаки одного конкретного варианта осуществления могут быть объединены с признаками другого варианта осуществления, это следует при возможности понимать как очевидное.