МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее, к газораспределительным механизмам (ГРМ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) поршневого типа, используемых в различных отраслях машиностроения, в частности, в автомобилестроении.
Использование ГРМ дискового золотникового типа имеют преимущества по сравнению с ГРМ клапанного типа по увеличению мощности ДВС, однако, из-за несовершенства приводов вращательного движения дискового золотника они являются излишне сложными по конструкции и требуют большого числа деталей, выполненных с высокой точностью, что в первую очередь снижает надежность механизма, а также требует регулярное квалифицированное обслуживание. Также существующие механизмы привода не позволяют полноценно воплотить все возможности дисковых золотников, таких как, возможность посредством блока управления на основании сигналов датчиков осуществлять такты впуска и выпуска, а так же продувку в соответствии с заложенным производителем алгоритмом, не позволяют максимизировать сечения впускных и выпускных окон с целью расширить рабочий диапазон оборотов двигателя, увеличив максимальную мощность, максимально снизить шумность работы двигателя за счет снижения скорости движения отработавших газов через выпускное окно (в клапанных механизмах газораспределения за счет малой пропускной способности клапана движение отработавших газов при высоких оборотах двигателя способно превышать скорость звука, что создает значительный шум), а также за счет малого числа движущихся деталей двигателя (в нашем случае движение осуществляют только золотники, связанные с валом шагового электродвигателя).
Известен ГРМ золотникового типа по патенту на полезную модель RU №92476, имеющий золотник, выполненный в виде диска, прижатого пружиной к рабочей плоскости головки блока цилиндров, с осью вращения, совпадающей с осью цилиндра, и отверстием, предназначенным для открытия впускного и выпускного каналов головки блока цилиндров. В данном аналоге привод каждого золотника выполнен в виде кинематически связанного с коленчатым валом ДВС постоянно вращающегося барабана, с профильным пазом которого взаимодействует рычаг с цевкой, установленный на противоположном диску конце приводного валика.
Известно, что для увеличения мощности двигателя на больших оборотах необходимо более раннее открытие выпускного отверстия, т.е. до прихода поршня в нижнюю мертвую точку и более позднее закрытие впускного отверстия, т.е. после прихода поршня в нижнюю мертвую точку - так называемое растягивание фаз газораспределения, что обеспечивает улучшение наполнения цилиндра рабочей смесью на больших оборотах и, как следствие, увеличивает мощность. В аналоге такого эффекта достичь невозможно из-за отсутствия регулировки фаз газораспределения (растягивания фаз газораспределения), что следует отнести к его недостаткам.
В качестве прототипа взят механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания золотникового типа, описанный в материалах патента на полезную модель RU №123462. Данный ГРМ содержит золотник в виде поджатого к рабочей плоскости головки блока цилиндров поворотного диска с отверстием, предназначенным для открытия впускного и выпускного каналов головки блока цилиндров, расположенного на приводном валике, установленном по оси цилиндра. Привод золотника выполнен магнитоэлектрическим и с возможностью рекуперации электрической энергии, и включает в себя магнитоэлектрический двигатель со статором, составленным из двух коаксиальных частей, установленных с зазором, и ротором в виде помещенной в этом зазоре обмотки, подключаемой выводами к накопительным конденсаторам, с выходным звеном, например, в виде грибка, шляпка которого служит основанием для крепления обмотки, а ножка имеет два наружных выступа и соединена, например, шлицами с приводным валиком, а также содержит возвратные пружины, установленные относительно выходного звена таким образом, что одними концами они закреплены в головке блока цилиндров или в ее крышке, и другими свободными концами взаимодействуют с наружными выступами звена. При этом магнитоэлектрический двигатель снабжен датчиком поворота и подключен к блоку управления, снабженному накопительными конденсаторами.
Недостатки прототипа.
При работе ГРМ золотник делает поворот на определенный угол, далее происходит отключение питания обмотки двигателя и под действием возвратной пружины он возвращается в первоначальное положение. При высокой частоте вращения двигателя будет возникать запаздывание работы возвратной пружины, то есть золотник не будет успевать возвращаться в первоначальное положение и закрывать впуск, либо выпуск, что будет приводить к падению мощности. Данная проблема решается установкой более жестких пружин, но требует применения приводного двигателя золотника с большим крутящим моментом, а значит и с большим энергопотреблением.
По аналогии с клапанным механизмом газораспределения желательно предусмотреть возможность «перекрытия клапанов (у нас - окон)», при котором в конце такта выпуска отработавших газов впускной клапан (у нас - окно впускного канала) открывается чуть раньше, чем закрылся выпускной клапан (у нас - окно выпускного канала), что позволяет проводить более качественную очистку от отработавших газов, а так же за счет скорости отработавших газов увеличить наполнение цилиндра. В прототипе впускной и выпускной каналы расположены так что, "отверстие диска золотника" не дает возможности одновременно открыть впуск и выпуск, исходя из того, что впускной и выпускной каналы находятся на значительном расстоянии друг от друга и возвратные пружины выставляют отверстие золотника в положение, когда закрыты впуск и выпуск, а отверстие золотника расположено между ними).
За счет применения возвратных пружин будет возникать эффект пружинного маятника - диск будет вращаться под действием привода до определенного положения, а потом возвращаться под действием пружины в положение чуть дальше, чем первоначальное, так как сам золотник будет выполнять роль маховика, и пружина не может сразу принять первоначальное положение. При определенных частотах работы двигателя будет возникать резонанс с возможным открытием впускного либо выпускного трактов. Во избежание последствий такого эффекта потребуется уменьшение отверстия в самом диске золотника и отверстий впускного и выпускного каналов, что снизит пропускную способность впуска и выпуска, и, следовательно, понизит мощность двигателя. В прототипе предлагается использовать систему рекуперации, которая, предположительно, будет преобразовывать энергию вращения золотника в электричество для зарядки конденсаторов, однако, она так же будет замедлять движение золотника при высоких скоростях вращения двигателя, что повлечет несвоевременное закрытие впуска или выпуска и повлечет падение мощности двигателя.
Технической проблемой полезной модели является возможность коррекции фаз газораспределения, увеличение мощности двигателя, упрощение конструкции ГРМ.
Техническая проблема решается за счет того, что механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания содержит золотник в виде поджатого к рабочей плоскости головки блока цилиндров поворотного диска с окном, предназначенным для открытия окон впускного и выпускного каналов головки блока цилиндров, расположенного на валу, установленном соосно с осью цилиндра; привод золотника; датчик поворота коленчатого вала, подключенный к блоку управления; в качестве механизма привода золотника использован шаговый электродвигатель; блок управления соединен с датчиком угла поворота золотника; окно золотника представляет собой сквозное отверстие, ограниченное сектором менее 120°; профили окон впуска, выпуска и окна золотника идентичны; окна впуска и выпуска отстоят на 120° поворота золотника с обеспечением точного расположения окна золотника под ними при повороте.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 дан общий вид механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, в разрезе; на фиг 2 - разрез по А-А на фиг. 1 (по диску 2 золотника); на фиг. 3 - разрез по В-В на фиг. 1 (по впускному и выпускному каналу); на фиг. 4 - общий вид золотника.
Механизм газораспределения золотникового типа расположен в головке блока цилиндров 1, и золотник 2 в нем выполнен в виде диска на валу 3 с окном 4, которое соединяет рабочий цилиндр 5 с окном впускного канала 6 на такте впуска и с окном выпускного канала 7 на такте выпуска. Окно 4 диска золотника 2 представляет собой сквозное отверстие, ограниченное сектором менее 120° и идентично профилю окон впускного и выпускного каналов. При этом, чем большего размера будут окна 4 в золотнике 2 и окна впускного и выпускного каналов, тем больше будет пропускная способность ГРМ и большей мощности сможет достигать двигатель. Окна впускного 6 и выпускного 7 каналов расположены таким образом, что в момент выпуска окно золотника 2 расположено точно под окном выпускного канала, а при дальнейшем повороте золотника на 120° окно золотника будет расположено точно под окном впускного канала.
Вал 3 золотника 2 соосен с осью рабочего цилиндра 5 и обеспечивает прижим диска золотника 2 к рабочей поверхности головки блока цилиндров 1 посредством пружины 8. Для привода вала 3 золотника 2 во вращательное движение применен шаговый электродвигатель 9, работающий в соответствии с командами блока управления 10, основывающимися на алгоритме, заложенном производителем, зависящем от показаний датчика угла поворота коленчатого вала 11. Для того, чтобы блок управления 10 с большей точностью мог соотносить положение поршня 12, определенное из показаний датчика угла поворота коленчатого вала 11 и положение окна 4 золотника 2, предусмотрен датчик угла поворота золотника 13. Датчик 13 предлагается разместить в верхней части вала 3 золотника 2, путем установки в шлицу на валу 3 диска, с которого датчик 13 будет считывать информацию о том, что окно 4 золотника 2 повернуто в положение, соответствующее осуществляемому такту в рабочем цилиндре 5.
Устройство работает следующим образом.
1. При выключенном ДВС, окна 4 золотников 2 повернуты в соответствии с тактами, на которых произошла остановка ДВС. При запуске ДВС, в рабочем цилиндре 5, в котором закончился такт выпуска отработавших газов, вал 3 золотника 2 под действием шагового электродвигателя 9, получившего сигнал от блока управления 10 на основании показаний датчика угла поворота коленчатого вала 11 и датчика угла поворота золотника 13, осуществляет поворот таким образом, что окно 4 золотника 2 четко располагается под окном впускного канала 6, поршень 12 начинает движение вниз, втягивая в рабочий цилиндр 5 топливно-воздушную смесь (либо воздух в случае непосредственного впрыска топлива). Происходит такт впуска.
2. При движении поршня 12 вниз и достижения им точки, заданной производителем, блок управления 10 подает команду на закрытие окна впускного канала 6 на шаговый электродвигатель 9, который осуществляет поворот вала 3 золотника на 120°. При этом окно 4 золотника займет положение под свечой зажигания (либо форсункой в случае непосредственного впрыска топлива) таким образом, что будут закрыты окно впускного канала 6 и окно выпускного канала 7, а поршень 12 сменит направление движения и станет двигаться вверх - происходит такт сжатия. Точками, заданными производителем, здесь и далее называют точки, соответствующие оптимальным моментам для открытия и закрытия окна впускного канала 6 и окна выпускного канала 7, или же моменту для зажигания, полученные производителем в процессе лабораторных испытаний.
3. При достижении поршнем 12 точки, заданной производителем (момента зажигания), по команде блока управления 10 происходит искрообразование (либо впрыск дизельного топлива) и воспламенение топливо-воздушной смеси. Под давлением горячих газов поршень 12 движется вниз. Совершается рабочий ход.
4. При движении поршня 12 вниз и достижения им точки, в которой, согласно алгоритму, заложенному производителем начинается выпуск, блок управления 10 подает команду на открытие окна выпускного канала 7 на шаговый электродвигатель 9, который осуществляет поворот золотника на 120° направлении его предыдущего движения. При этом окно золотника займет положение под окном выпускного канала 7. Поршень 12, достигнув нижней мертвой точки, сменит направление движения и станет двигаться вверх, вытесняя отработавшие газы из рабочего цилиндра 5. Осуществляется такт выпуска отработавших газов. В конце такта выпуска, согласно алгоритму, заложенному производителем, блок управления 10 дает команду шаговому электродвигателю 9 на открытие окна впускного канала 6 (постепенное или резкое зависит от настроек, заложенных производителем). На время перехода от окна выпускного канала 7 к окну впускного канала 6 окно 4 золотника 2 кратковременно (либо определенное производителем время) держит их одновременно открытыми (происходит «перекрытие окон»), тем самым производится продувка рабочего цилиндра 5 - происходит перекрытие фаз газораспределения. Это достигается за счет того, что размер сектора (стенку) между окнами впускного и выпускного каналов выполняют меньше, чем размер окна 4 диска золотника 2.
Реализация указанного технического решения позволяет:
осуществлять контролируемое блоком управления изменение фаз газораспределения в процессе работы двигателя, что обеспечивает улучшение наполнения цилиндра рабочей смесью во всем диапазоне оборотов двигателя и, как следствие, увеличивает мощность;
за счет обеспечения возможности «перекрытия окон» проводить более качественную очистку от отработавших газов, а так же за счет скорости отработавших газов увеличить наполнение цилиндра;
существенно упростить конструкцию ГРМ.