ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения.
Известен газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания с гидравлическим приводом по заявке WO 2012/011832, содержащий впускные и выпускные тарельчатые клапаны, соединяющие и разъединяющие впускные и выпускные каналы с камерой сгорания двигателя, плунжерные втулки тарельчатых клапанов с плунжерами тарельчатых клапанов, гидропривод с кулачковым валом, содержащим кулачки, управляющие впускными и выпускными тарельчатыми клапанами, и с плунжерами, каждая плунжерная втулка каждого из которых соединена трубопроводом с по крайней мере одной плунжерной втулкой тарельчатого клапана, и соединяющие их трубопроводы. Гидропривод, плунжерные втулки тарельчатых клапанов с плунжерами тарельчатых клапанов и соединяющие их трубопроводы расположены в одной полости, образованной головкой блока цилиндров двигателя и крышкой головки блока цилиндров, имеющей сливные каналы для масла, причем крышка головки блока цилиндров выполнена с возможностью ограничения перемещения плунжерных втулок тарельчатых клапанов. Внутренняя полость гидропривода связана с полостью, образованной головкой блока цилиндров двигателя и крышкой головки блока цилиндров. Питающий трубопровод от масляного насоса двигателя проходит через отверстие в головке блока цилиндров двигателя, причем на нижней его части расположен отсечной клапан, а его крепление выполнено негерметичным и расположено в верхней части головки блока цилиндров двигателя. Над гидроприводом образована полость с клапаном двойного действия, связанная дроссельными отверстиями, по крайней мере, с плунжерными втулками, расположенными выше уровня плунжерных втулок тарельчатых клапанов. В каждой из плунжерных втулок гидропривода выполнена полость с подводящим каналом, оканчивающаяся седлом впускного клапана, выполненного в виде шарика, и ограниченная плунжером, причем площадь сечения диаметрального и осевого зазоров между шариком и стенками полости составляет 0,4-0,6 от площади сечения подводящего канала. В верхней части плунжерных втулок тарельчатых клапанов выполнены полости, связанные дроссельными отверстиями с по крайней мере одним из рабочих объемов, образованных плунжерными втулками тарельчатых клапанов и плунжерами тарельчатых клапанов, и ограниченные сверху плоскостью крышки головки блока цилиндров. Недостатком конструкции является невозможность совмещения привода ГРМ с приводом ТНВД, что усложняет конструкцию двигателя из-за наличия двух раздельных приводов. Расположение ГРМ частично выше плунжерных втулок усложняет выведение из системы воздуха.
Известен гидроприводной газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания по патенту US 4612883, содержащий тарельчатые клапаны, совершающие возвратно-поступательные движения для управления соединением впускных и выпускных каналов с камерой сгорания двигателя, гидравлические поршни, связанные с упомянутыми тарельчатыми клапанами, удаленно расположенный привод для подачи рабочей жидкости к упомянутым поршням и насос для подачи рабочей жидкости под давлением к приводу. Привод содержит корпус с камерой, плунжерные втулки, каждая из которых соединена с гидравлическим поршнем тарельчатого клапана для подачи к нему жидкости, плунжеры, расположенные в упомянутых плунжерных втулках, для сжатия жидкости, клапанное устройство, содержащее золотник, подвижно расположенный на упомянутом плунжере и внутри плунжерной втулки, для соединения и разъединения полости в плунжерной втулке над золотником и плунжером с камерой в корпусе гидропривода. Также имеется привод циклического перемещения золотника, отделяющего упомянутую полость в плунжерной втулке от камеры в корпусе гидропривода, и перемещения плунжера в плунжерной втулке для подачи жидкости под давлением к поршню тарельчатого клапана и приведения в действие последнего. Этот привод содержит также первую относительно слабую пружину, расположенную между плунжером и золотником для воздействия на золотник в сторону закрытия, и вторую относительно сильную пружину, действующую на плунжер и золотник. Каждый поршень и верхняя часть тарельчатого клапана размещены в индивидуальном корпусе, расположенном на головке блока цилиндров двигателя. К недостаткам данного технического решения можно отнести разделение конструкции на отдельные приводы каждого клапана, что приводит к необходимости наличия большого количества уплотняемых стыков и к сложности монтажа системы и удаления попавшего в систему воздуха. Кроме того, в системе не предусмотрена компенсация уменьшения объема масла при его охлаждении, что приводит к засасыванию в систему воздуха.
Наиболее близким техническим решением является механизм управления клапанами газораспределения двигателя внутреннего сгорания по патенту US 2306131. Этот механизм содержит впускные и выпускные клапаны газораспределения двигателя, плунжерные втулки с плунжерами, взаимодействующими с упомянутыми клапанами газораспределения, гидравлический привод для управления клапанами газораспределения посредством их плунжеров, заполненные маслом трубопроводы, соединяющие гидропривод с плунжерными втулками клапанов, масляный насос, подающий масло к гидроприводу из картера двигателя, и магистраль, соединяющую этот насос с гидроприводом. Гидропривод, в свою очередь, содержит кулачковый вал с двумя кулачками, две группы плунжерных втулок с плунжерами, взаимодействующими с упомянутыми кулачками, при этом указанные плунжерные втулки соединены упомянутыми выше трубопроводами с плунжерными втулками газораспределительных клапанов. Как и конструкция по патенту US 4612883 данная конструкция разделена на отдельные приводы каждого клапана, что также приводит к необходимости наличия большого количества уплотняемых стыков и к сложности монтажа системы и удаления попавшего в систему воздуха. Кроме того, в системе не предусмотрена компенсация уменьшения объема масла при его охлаждении, что приводит к засасыванию в систему воздуха.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков известных конструкций.
В частности, задачей изобретения является сокращение габаритов ДВС и упрощение его конструкции.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение автоматического вытеснения воздуха из гидропривода ГРМ.
Указанная задача решена в двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, головку блока цилиндров, распредвал, газораспределительный механизм (ГРМ), включающий в себя газораспределительные клапаны и плунжерные втулки газораспределительного механизма, гидропривод ГРМ, включающий в себя по меньшей мере два плунжера гидропривода, приводимых в движение распредвалом.
Согласно изобретению соосно с гидроприводом ГРМ установлен топливный насос высокого давления (ТНВД), включающий в себя по меньшей мере два плунжера, эксцентриковый вал которого соединен с распредвалом с возможностью совместного с ним вращения.
Предпочтительно соосно установленные ТНВД и гидропривод ГРМ расположены ниже уровня плунжерных втулок газораспределительных клапанов, что упрощает выведение воздуха из гидропривода ГРМ.
Предпочтительно каждая плунжерная втулка ГРМ по меньшей мере одного газораспределительного клапана соединена посредством разъемного соединения с головкой блока цилиндров и связана по текучей среде с соответствующим плунжером гидропривода через канал в головке блока цилиндров и соответствующий трубопровод. Это позволяет, например, повысить технологичность замены сальников клапанов.
Предпочтительно каналы в головке блока цилиндров, соединяющие плунжерные втулки тарельчатых клапанов с плунжерами гидропривода, расположены по существу горизонтально, не образуя воздушных пробок.
Предпочтительно эксцентриковый вал выполнен за одно целое с распредвалом, в частности, на распредвалу выполнен эксцентрик, образующий эксцентриковый вал.
Гидропривод газораспределительного механизма содержит корпус, в котором выполнена внутренняя полость, связанная по текучей среде с картером двигателя, причем в этой полости расположен распредвал; топливный насос высокого давления содержит корпус, в котором выполнена внутренняя полость, связанная по текучей среде сливным трубопроводом через штуцер с топливным баком, а эксцентриковый вал расположен в этой полости, при этом корпус гидропривода газораспределительного механизма расположен в корпусе топливного насоса высокого давления, а полости в указанных корпусах разделены манжетой, разделяя топливо и масло.
При этом плунжеры топливного насоса высокого давления расположены в корпусе топливного насоса высокого давления в два ряда, причем в каждом ряду равномерно по окружности расположены преимущественно три плунжера, а ряды плунжеров смещены в окружном направлении один относительно другого на 60°, что увеличивает равномерность подачи топлива в гидроаккумулятор.
Предпочтительно распредвал установлен в подшипниках, внешнее кольцо одного из которых установлено в корпусе гидропривода газораспределительного механизма, а внешнее кольцо другого - в корпусе топливного насоса высокого давления, при этом между торцом распредвала и корпусом топливного насоса высокого давления образована полость, сообщенная по жидкой среде с топливоподкачивающим насосом, а к торцу внутреннего кольца подшипника, установленного в корпусе топливного насоса высокого давления посредством пружины прижата шайба, ограничивающая перетекание топлива из указанной полости, что уменьшает износ поворотных колец.
При этом указанная шайба предпочтительно выполнена из керамики.
На фиг. 1 представлен общий вид ДВС;
на фиг. 2 - ТНВД, совмещенный с гидроприводом ГРМ, общий вид в разрезе;
на фиг. 3 - поперечный разрез ТНВД;
на фиг. 4 - поперечный разрез гидропривода ГРМ;
на фиг. 5 - ТНВД, вид со стороны разводящих трубок;
на фиг. 6 - клапан плунжерной втулки привода ГРМ в открытом положении, вид в увеличенном масштабе.
Как показано на фиг. 1, двигатель внутреннего сгорания содержит блок 1 цилиндров, головку 2 блока цилиндров с подпружиненными пружинами 3 газораспределительными клапанами 4. Верхние части ножек клапанов 4 выполнены в виде плунжеров, на которых расположены плунжерные втулки 5, перемещения которых ограничено крышками 6. В цилиндрической расточке блока 1 цилиндров (фиг. 1, 2) установлен корпус 7 ТНВД, в котором расположен корпус 8 гидропривода ГРМ, закрепленные винтами 9 и 10 соответственно. Угловое ориентирование корпуса 7 (фиг. 2) ТНВД относительно блока 1 цилиндров обеспечивается штифтами 11, а корпус гидропривода ГРМ - штифтами 12. Для обеспечения герметичности между корпусом 7 ТНВД и блоком 1 цилиндров двигателя установлено уплотнительное кольцо 13. На подшипниках 14 и 15 установлен распредвал 16 с кулачками 17 (фиг. 4). На распредвалу 16 (фиг. 2) посредством шпонки 18 и винта 19 закреплено зубчатое колесо 20. С противоположной стороны на распредвалу 16 выполнен эксцентрик 21 (фиг. 2, 3), образующий эксцентриковый вал топливного насоса высокого давления. На эксцентрике 21 расположены поворотные кольца 22. Для отделения внутренней полости в корпусе 8 (фиг. 2) гидропривода, в которой расположен распредвал 16, связанной с картером двигателя (не показан), от внутренней полости в корпусе 7 ТНВД, в которой расположен эксцентрик 21, связанной через штуцер 23 (фиг. 5) с топливным баком (не показан), на распредвалу 16 (фиг. 2) установлена манжета 24.
В корпусе 8 гидропривода ГРМ расположено два ряда по шесть гидротолкателей (в случае шестицилиндрового двигателя), управляющих соответственно впускными и выпускными клапанами ГРМ, состоящих из плунжерных втулок 25 (фиг. 4), закрепленных винтами 26 (фиг. 2), плунжеров 27 (фиг. 4), подпружиненных пружиной 28, и толкателей 29. Резиновое кольцо 30 обеспечивает герметичность стыка расточки в корпусе 7 ТНВД и плунжерной втулки 25. Для подвода масла от масляного насоса (на чертеже не показан) в блоке 1 (фиг. 2) цилиндров двигателя и в корпусе 7 ТНВД выполнены отверстия 31, а на корпусе 8 гидропривода ГРМ - кольцевая канавка 32. Для смазки толкателей 29 (фиг. 4) на корпусе 8 (фиг. 2) гидропривода ГРМ выполнены пазы 33, отверстия 34 и кольцевые канавки 35. Для возможности прокачки маслом полости гидропривода ГРМ в плунжерной втулке 25 (фиг. 6) установлен шариковый клапан 36, перекрывающий канал 37. Отверстие под клапан 36 выполнено таким образом, что в закрытом положении (при рабочем ходе плунжера 27) он прижимается к сферической стенке 38, перекрывая выход масла. В открытом положении клапан 36 прижат к противоположной стенке 39, которая лишь наполовину имеет сферическую форму, так что остается щель для прохода масла через канал 37 в полость гидропривода ГРМ с целью ее непрерывной прокачки. В корпусе 7 ТНВД (фиг. 2) выполнены отверстия 40 для прохода масла к разводящим трубкам 41, герметично закрепленным на корпусе 7 ТНВД резьбовыми втулками 42 и на головке 2 (фиг. 1) блока цилиндров резьбовыми втулками 43. В головке 2 блока цилиндров выполнены горизонтальные каналы 44 для прохода масла от гидропривода к плунжерным втулкам 5 газораспределительных клапанов 4, подпружиненных пружинами 3 через тарелки 45. Каждая плунжерная втулка 5 тарельчатых клапанов 4 связана с помощью разъемного соединения с головкой 2 блока цилиндров. Для этого плунжерная втулка 5 имеет выступ с каналом для прохода масла, нижний конец которого с уплотнительным кольцом установлен в расточке, выполненной в головке 2 блока цилиндров, причем канал для прохода масла направлен горизонтально или вверх. Перемещение плунжерных втулок 5 ограничено крышкой 6, через которую проходят винты 46, прижимающие форсунку 47 к головке 2 блока цилиндров.
В корпусе 7 ТНВД установлены два ряда по 3 плунжерных втулки 48 (фиг. 3), которые от осевого перемещения вверх удерживаются разрезным кольцом 49. Плунжеры 50 прижаты пружинами 51 к поворотным кольцам 22, выполненным, например, из твердого сплава ВК-8. Над каждой плунжерной втулкой 48 расположен клапан 52, подпружиненный пружиной 53, второй конец которой упирается в заглушку 54. Топливоподкачивающий насос (не показан) через штуцер 55 (фиг. 5) связан с полостью стакана 56 (фиг. 2), которая, в свою очередь, через каналы 57, 58, 59, 60 связана с надплунжерной полостью, а через канал 61 - с полостью 62, из которой через каналы 63 топливо подается к трущимся поверхностям поворотных втулок 22. Вытекание топлива из полости 62 ограничено подпружиненной керамической шайбой 64, прижатой к торцу внутреннего кольца подшипника 14, которое одновременно удерживает от осевого смещения поворотные кольца 22. Топливо, просочившееся через зазоры между эксцентриком 21 и поворотными кольцами 22, а также между торцом внутреннего кольца подшипника 14 и подпружиненной керамической шайбой 64, через штуцер 23 (фиг. 5) перетекает в топливный бак (не показан).
Золотник 65 (фиг. 2), установленный во втулке 66 с возможностью перемещения чашки 67, сжимая пружину 68 гидроаккумулятора и плавно перекрывая своей конусной частью отверстия 58, тем самым управляет производительностью ТНВД. Второй конец золотника 65 выходит в полость 69, которая вместе с каналами 70, 71, закрытыми заглушками 72 и разводящими трубками 73 образуют гидроаккумулятор ТНВД. Для герметизации полости стакана 56 установлено уплотнительное кольцо 74.
Для стравливания из системы воздуха в наивысших точках плунжерных втулок 5 (фиг. 1) клапанов 4 выполнены дроссельные отверстия (не показаны), выходящие в накопительные камеры 75.
В нижних втулках 25 (фиг. 4) гидротолкателей выполнены риски 76 (фиг. 2) для выхода воздуха при заполнении гидропривода маслом.
Каналы 77 (фиг. 4) служат для слива масла из полости гидропривода ГРМ в картер двигателя, поддерживая его уровень в корпусе 8 гидропривода ГРМ.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Приведенный во вращение двигателем через зубчатое колесо 20 (фиг. 2) распредвал 16 кулачками 17 (фиг. 4) через толкатель 29 перемещает плунжер 27, нагнетая масло через каналы 40 и трубопроводы 41 (фиг. 1, 2) в плунжерную втулку 5. При этом тарельчатые клапаны 4 перемещаются вниз, сжимая через сухари и тарелку 45 возвратные пружины 3. При дальнейшем вращении распредвала 16 (фиг. 4) кулачок 17 освобождает очередной толкатель 29, который под действием плунжера 27, приводимого в движение давлением масла, создаваемым пружинами 3 (фиг. 1) при перемещении тарельчатого клапана 4, вращает кулачковый вал 16 (фиг 4), возвращая ему часть энергии, затраченной на сжатие пружин 3 (фиг. 1). После посадки тарельчатого клапана 4 на седло перетекание масла по трубопроводу 41 прекращается, и дальнейшее движение плунжера 27 (фиг. 4) происходит под действием пружины 28. Поскольку часть масла при перемещении тарельчатого клапана 4 (фиг. 1) теряется, проходя через дроссельные отверстия (не показаны), выполненные в плунжерной втулке 5, а также зазоры в плунжерных парах, перемещение плунжера 27 (фиг. 4) в конце хода снижает давление в надплунжерной полости до величины давления, меньшего, чем создает масляный насос (не показан) двигателя. При этом масло через каналы 31, 33 (фиг. 2), открывая клапан 36 (фиг. 6), восполняет потери масла, поддерживая в гидросистеме давление масла, равное давлению, создаваемому масляным насосом (не показан), прокачивая гидросистему. Масло, протекающее через зазор между плунжерной втулкой 25 и плунжером 27, смазывает и охлаждает толкатель 29.
Вращение распредвала 16 (фиг. 3) с его эксцентриком 21 через поворотные кольца 22 перемещает плунжеры 50 ТНВД, вытесняя топливо через нагнетательные клапаны 52 в гидроаккумулятор. При этом положение золотника 65 (фиг. 2) обеспечивает максимальный проход топлива через каналы 57, 58, 59, 60 в полости над плунжерами 50 ТНВД, обеспечивая его максимальную производительность. Когда давление топлива в гидроаккумуляторе, состоящем из каналов 70, 71, трубопроводов 73 и полостей высокого давления в форсунках и полости 69 ТНВД, увеличится до номинального значения, золотник 65, сжимая через чашку 67 пружину 68 и аккумулируя при этом топливо, плавно перекрывает своим коническим участком радиальные каналы 58 во втулке 66, ограничивая поступление топлива в полости над плунжерами 50 ТНВД, снижая тем самым производительность ТНВД. При снижении давления в гидроаккумуляторе пружина 68 через чашку 67 перемещает золотник 65, увеличивая проходное сечение к радиальным каналам 58, увеличивая производительность ТНВД, поддерживая тем самым постоянное давление в гидроаккумуляторе. Движение золотника 65 под действием пружины 68 обеспечивает дополнительную подачу топлива в гидроаккумулятор при падении давления в нем и освобождает объем для топлива при избыточном давлении в гидроаккумуляторе, увеличивая тем самым емкость гидроаккумулятора.
При прокручивании коленвала ДВС масло от маслоподкачивающего насоса (не показан) через канал 31 (фиг. 2) поступает в кольцевую канавку 32, а затем через каналы 33, клапан 36 (фиг. 6), каналы 37 и 40, соединительные трубопроводы 41 (фиг. 1), каналы 44 и каналы, выполненные в плунжерных втулках 5, заполняет гидросистему, вытесняя при этом воздух через дроссельные отверстия, выполненные в плунжерных втулках 5. Поскольку каналы выполнены либо горизонтально, либо вверх по ходу заполнения системы маслом, воздушных пробок не образуется.