ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И АВТОМОБИЛЬ С ТАКИМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE WITH SUCH INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение касается двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере один, приводимый в действие через кулачковый вал и передаточный механизм, выпускной клапан на каждый цилиндр, при этом между кулачковым валом и выпускным клапаном расположен гидравлический элемент для компенсации зазора клапана в передаточном механизме, а также имеющий устройство торможения двигателем, имеющее моторный тормоз, использующий подпор отработавших газов (далее – ОГ), для создания противодавления отработавших газов, и декомпрессионный тормоз, с помощью которого по меньшей мере в фазе торможения двигателем по меньшей мере один выпускной клапан может удерживаться в открытом состоянии.
Из выложенных заявок EP 2 143 894 A1 и EP 2 143 896 A1 известны двигатели внутреннего сгорания и устройства для торможения двигателем и механизмы для компенсации зазора клапана. При этом всегда гидравлический механизм для компенсации зазора клапана расположен в клапанном мосте. При этом механизм для компенсации зазора клапана имеет примыкающий к напорной камере поршень, причем эта напорная камера посредством обратного клапана гидравлически соединена с напорным трубопроводом, имеющим постоянное давление. От напорной камеры отходит разгрузочный трубопровод, который через управляемый разгрузочный клапан впадает в масловыпускное отверстие. В клапанном мосте расположен также гидравлический узел дополнительного управления клапаном устройств управления двигателем, управляющая напорная камера которого соединена по потоку с напорной камерой управляемого разгрузочного клапана. Управляющая напорная камера через масляный канал находится в соединении по потоку с управляющим напорным трубопроводом в прижиме, причем прижим через упорный поршень контактирует с клапанным мостом на стороне, обращенной от выпускных клапанов. Многочисленные, расположенные в клапанном мосте гидравлические поршни и напорные трубопроводы приводят к необходимости высоких издержек обработки и изготовления, при этом клапанный мост структурно ослабляется, и поэтому необходимо его соответственно массивное конструктивное исполнение.
Устройства торможения двигателем, описанные в названных публикациях, представляют собой в каждом случае смешанную форму моторного тормоза, использующего подпор ОГ, и декомпрессионного тормоза, который, в частности, называется также EVB (англ. сокращение для «exhaust valve brake»). При этом гидравлический узел дополнительного управления клапаном встроен с одной стороны в клапанный мост соединительного механизма, одновременно приводящий в действие два выпускных клапана. Питание маслом гидравлического узла дополнительного управления клапаном осуществляется посредством уже имеющегося масляного контура данного двигателя внутреннего сгорания. У этого вида устройств торможения двигателем применение гидравлических устройств для компенсации зазора клапана требует дополнительных мер во избежание неконтролируемого накачивания устройства для компенсации зазора клапана во время режима торможения двигателем, что могло бы привести к тяжелым повреждениям двигателя. В EP 2 143 894 A1 и EP 2 143 896 A1 это осуществляется таким образом, что напорная камера гидравлического устройства для компенсации зазора клапана во время режима торможения двигателем разгружается от давления через управляемый разгрузочный клапан. Известная из уровня техники система, имеющая многочисленные масляные отверстия и гидравлические поршни в клапанном мосте, имеет тот недостаток, что клапанный мост структурно ослабляется, и это приводит к необходимости его увеличенных размеров.
В выложенной заявки DE 10 2012 100 962 A1 описана возможность комбинирования гидравлического компенсатора зазора клапана с разгрузочным клапаном и вместе с тем одновременной реализации устройства торможения двигателем и не требующего технического обслуживания клапанного механизма, имеющего только гидравлический компенсатор зазора клапана. Декомпрессионный тормоз образуется при этом гидравлическим элементом для компенсации зазора клапана. Однако, во избежание нежелательного поддержания открытого состояния выпускного клапана гидравлическим компенсатором зазора клапана по окончании режима торможения двигателем, наряду с обычными компонентами гидравлического компенсатора зазора клапана, нужны еще следующие компоненты для работы тормоза: разгрузочный трубопровод, имеющий управляемый разгрузочный клапан, включая управляющий трубопровод, а также прижим, имеющий регулировочный винт.
Принцип действия этого варианта осуществления аналогичен принципу действия EVB-устройства торможения двигателем, описанного в выложенных заявках EP 2 143 894 A1 и EP 2 143 896 A1, и может описываться следующим образом: когда дроссельная заслонка ОГ закрывается, давление ОГ в выпускном канале перед сжатием (нижней мертвой точкой) возрастает так сильно, что выпускной клапан кратковременно нажимается волной давления соседнего цилиндра. Постоянно испытывающий давления масла системы смазки двигателя поршень гидравлического компенсатора зазора клапана препятствует повторному закрытию клапана. Остается небольшой ход, благодаря чему при такте сжатия в двигателе часть сжатого воздуха уже может вытекать из цилиндра. По достижении верхней мертвой точки это открытие сохраняется. Давление на движущийся при этом вниз поршень существенно уменьшается, тормозная мощность улучшается. При дросселировании ОГ для торможения может использоваться как движение поршня двигателя вверх, так и вниз. Одновременно в режиме торможения двигателем включается разгрузочный клапан, который освобождает разгрузочное отверстие в камеру высокого давления гидравлического компенсатора зазора клапана. Но сначала это разгрузочное отверстие еще закрывается прижимом. При начале такта выталкивания вследствие движения коромысла освобождается разгрузочное отверстие, масло вытекает и разгружает поршень. Поэтому «выдвинутый» поршень гидравлического компенсатора зазора клапана может снова возвращаться назад и снова полностью закрывать выпускной клапан.
Таким образом, и при этом решении дополнительно к классическому гидравлическому компенсатору зазора клапана для работы тормоза необходимы вышеназванные компоненты в виде разгрузочного трубопровода, имеющего управляемый разгрузочный клапан, включая управляющий трубопровод и прижим, имеющий регулировочный винт.
Таким образом, задачей изобретения является реализовать как моторный тормоз, так и автоматический компенсатор (регулятор) зазора клапана усовершенствованным образом. В частности, в основе изобретения лежит задача реализации более простого, более экономичного и более компактного моторного тормоза, а также автоматического компенсатора зазора клапана.
Эти задачи решаются с помощью устройства с признаками независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и применения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения и поясняются подробнее в последующем описании с частичной ссылкой на фигуры.
По общим аспектам изобретения предоставляется устройство, в частности двигатель внутреннего сгорания, имеющее по меньшей мере один, приводимый в действие через кулачковый вал и передаточный механизм, выпускной клапан на каждый цилиндр. При этом между кулачковым валом и выпускным клапаном расположен гидравлический элемент для компенсации (регулирования) зазора клапана в передаточном механизме. Гидравлический элемент для компенсации зазора клапана может включать в себя поршень, примыкающий к напорной камере, и напорный маслопровод, впадающий в напорную камеру через нагруженный усилием пружины обратный клапан.
Гидравлические элементы для компенсации зазора клапана в машинах внутреннего сгорания собственно известны и служат для того, чтобы, в частности, компенсировать изменяющиеся в течение срока эксплуатации продольные размеры клапанов смены заряда рабочей смеси так, чтобы в фазе основной окружности кулачка, приводящего в действие клапан, было обеспечено надежное закрытие клапана. При этом, с другой стороны, подъем кулачка должен без потерь передаваться на клапан и при этом преобразовываться в движение хода клапана. Ниже предполагается, что принцип действия таких гидравлических элементов для компенсации зазора клапана, которые расположены в силовом потоке клапанного управления, в частности двигателя внутреннего сгорания, известен.
Двигатель внутреннего сгорания включает в себя также устройство для ограничения частоты вращения, которое выполнено, чтобы деактивировать впрыск топлива выше предопределенной частоты вращения, ограничиваемой регулятором.
Двигатель внутреннего сгорания включает в себя также устройство торможения двигателем, имеющее известный сам по себе моторный тормоз, использующий подпор ОГ, для создания противодавления ОГ. Моторный тормоз, использующий подпор ОГ, может, например, включать в себя расположенную в выпускном тракте управляемую или регулируемую подпорную заслонку. При закрытии заслонки давление подпора на стороне, противоположной направлению течения, повышается, и так, действуя на приводной двигатель автомобиля, создает тормозное действие.
Устройство торможения двигателем включает в себя также декомпрессионный тормоз, с помощью которого по меньшей мере в одной фазе торможения двигателем по меньшей мере один выпускной клапан может удерживаться в открытом состоянии. Декомпрессионный тормоз инициируется управлением посредством повышенного противодавления ОГ при по меньшей мере частично закрытой заслонке тормоза, при котором целенаправленно вызывается «прыгание» выпускных клапанов.
В настоящем случае особенность заключается в том, что декомпрессионный клапан образован при этом гидравлическим элементом для компенсации зазора клапана. Другими словами, моторный тормоз, использующий подпор ОГ, и гидравлический элемент для компенсации зазора клапана сконструированы так, что сумма действующих на выпускной клапан сил в режиме торможения двигателем приводит к открытому положению выпускного клапана. Действующие на выпускной клапан силы включают в себя, с одной стороны, силу клапанной пружины выпускного клапана, создаваемую со стороны камеры сгорания силу давления газа, которые действуют каждая в направлении закрытия выпускного клапана, действующую в передаточном механизме силу трения и, с другой стороны, создаваемую моторным тормозом, использующим подпор ОГ, силу давления ОГ, создаваемую элементом для компенсации зазора клапана силу давления масла и силу упругости возвратной пружины гидравлического элемента для компенсации зазора клапана, которые действуют каждая в направлении, противоположном направлению закрытия. Таким образом, в режиме торможения двигателем сила, создаваемая гидравлическим элементом для компенсации зазора клапана, вместе с создаваемой моторным тормозом, использующим подпор ОГ, силой давления ОГ действует на выпускной клапан и приводит к тому, что выпускной клапан прижимается в открытое положение и/или удерживается в открытом положении. Таким образом, гидравлический компенсатор зазора клапана принимает на себя двойную функцию. С одной стороны, с его помощью традиционным образом реализуется не требующий технического обслуживания клапанный механизм, с другой стороны, в режиме торможения двигателем он применяется для повышения мощности торможения, при которой посредством гидравлического клапанного механизма в фазе торможения двигателем по меньшей мере один выпускной клапан может удерживаться открытым, так что гидравлический клапанный механизм также принимает на себя функцию декомпрессионного тормоза. Это экономит количество деталей и расходы.
Особое преимущество изобретения заключается в том, что гидравлический компенсатор зазора клапана может быть выполнен в виде классического, соответственно, традиционного гидравлического компенсатора зазора клапана, т.е. может реализовываться в виде гидравлического компенсатора зазора клапана, который не имеет дополнительных средств для обеспечения возможности ускоренной разгрузки от давления напорной камеры гидравлического компенсатора зазора клапана, чтобы обеспечивать более быстрое закрытие выпускного клапана по окончании режима торможения двигателем.
Чтобы гарантировать, чтобы выпускные клапаны по окончании режима торможения двигателем перед режимом со сжиганием топлива были снова полностью закрыты, и чтобы таким образом гарантировать надежный переход из режима торможения двигателем в режим со сжиганием топлива, передаточный механизм, моторный тормоз, использующий подпор ОГ, и гидравлический элемент для компенсации зазора клапана сконструированы так, что предельная частота вращения, начиная с которой в режиме торможения двигателем в фазе основной окружности кулачка происходит возникновение зазора между выпускным клапаном и принадлежащим ему седельным (седловым) кольцом клапана, на величину некоторой разности выше частоты вращения, ограничиваемой регулятором.
В частности, передаточный механизм, моторный тормоз, использующий подпор ОГ, и гидравлический элемент для компенсации зазора клапана могут быть сконструированы так, чтобы сумма действующих на выпускной клапан в направлении закрытия сил в фазе основной окружности кулачка только при частоте вращения двигателя внутреннего сгорания, которая ниже предопределенной предельной частоты вращения, будет больше, чем сумма сил, действующих в направлении открытия, так что выпускной клапан в фазе основной окружности кулачка при частоте вращения двигателя внутреннего сгорания, которая ниже предельной частоты вращения, удерживается в закрытом положении, а при частоте вращения двигателя внутреннего сгорания, больше или равной предельной частоте вращения, движется в открытое положение. Направлением открытия является то направление, в котором выпускной клапан движется из закрытого положения в открытое положение, соответственно, то направление, в котором выпускной клапан отодвигается от принадлежащего ему седельного кольца клапана, соответственно, то направление, в котором выпускной клапан придвигается к поршню цилиндра, соответственно, дну цилиндра. Направление закрытия противоположно ему.
Другими словами, силы, создаваемые компонентами двигателя внутреннего сгорания, которые действуют на выпускной клапан, устанавливаются так, чтобы прыгание клапана, соответственно, вибрирование клапана с целью повышения действия моторного тормоза могло возникать только выше частоты вращения, ограничиваемой регулятором.
Это гарантирует, что диапазоны частоты вращения, в которых соответственно могут возникать режим со сжиганием топлива и прыгание клапана, будут отделены друг от друга. Таким образом, по окончании фазы торможения двигателем режим со сжиганием топлива может возобновляться только тогда, когда выпускной клапан, удерживаемый в открытом состоянии в рамках функционирования декомпрессионного тормоза, из открытого положения снова перешел в закрытое положение.
При этом под «фазой основной окружности кулачка» должна, в частности, пониматься угловая область кулачкового узла, в которой кулачковые контуры всех отдельных кулачков кулачкового узла занимают один общий уровень основной окружности. Также под «фазой основной окружности кулачка» должна, в частности, пониматься угловая область кулачкового узла, в которой принадлежащий кулачковому узлу газообменный клапан закрыт - в случае отсутствия декомпрессионного тормоза. Декомпрессионный клапан служит для того, чтобы в фазе основной окружности кулачка целенаправленно осуществлять открытие газообменных клапанов, в частности выпускных клапанов, чтобы создавать возможность использования совершенной работы сжатия для торможения. При этом путем целенаправленного открытия газообменного клапана давление в цилиндре снижается так, что в последующем такте расширения кулачковому валу может отдаваться только лишь уменьшенная работа.
Силы двигателя внутреннего сгорания, действующие на выпускной клапан в направлении закрытия, включают в себя предпочтительно силу клапанной пружины выпускного клапана и создаваемую камерой сгорания силу давления газа. Силы, действующие в направлении открытия, включают в себя предпочтительно создаваемую моторным тормозом, использующим подпор ОГ, силу давления ОГ, создаваемую элементом для компенсации зазора клапана силу давления масла и силу упругости возвратной пружины гидравлического элемента для компенсации зазора клапана.
Под предлагаемым изобретением конструктивным исполнением (расчетом) двигателя внутреннего сгорания для адаптации предельной частоты вращения, начиная с которой происходит возникновение зазора между выпускным клапаном 1 и седельным кольцом клапана, понимается такая целесообразная адаптация этих влияющих величин, соответственно, сил. При этом, в зависимости от конструктивного исполнения, предельная частота вращения, начиная с которой возникает прыгание клапана, может смещаться в направлении больших или меньших значений.
Например, смещение предельной частоты вращения в направлении больших значений может достигаться с помощью по меньшей мере одной из следующих мер: уменьшение давления ОГ, напр., путем сокращения пребывания подпорной заслонки в закрытом положении; повышение давления газа в камере сгорания; уменьшение давления масла, которое действует на гидравлический компенсатор зазора клапана; уменьшение силы упругости возвратной пружины гидравлического компенсатора зазора клапана; повышение силы клапанной пружины; или повышение трения в клапанном механизме. С помощью по меньшей мере одной из этих мер может достигаться смещение возникновения зазора в направлении больших частот вращения двигателя.
Таким образом предельная частота вращения, начиная с которой в режиме торможения двигателем в фазе основной окружности кулачка происходит прыгание выпускного клапана, может устанавливаться на значение, которое на некоторое желаемое значение разности выше частоты вращения, ограничиваемой регулятором.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления не предусмотрен разгрузочный трубопровод, исходящий от напорной камеры элемента для компенсации зазора клапана и соединяемый посредством управляемого разгрузочного клапана с потребителем давления. Один из особенно предпочтительных вариантов этого варианта осуществления также предусматривает, что не предусмотрен прижим, который выполнен, чтобы освобождать выпускное отверстие разгрузочного трубопровода только в начале такта выпуска. В частности, не предусмотрен прижим, к которому прилегает передаточный механизм в конечном положении. Благодаря этому могут экономиться расходы на эти дополнительные части и необходимое для этого конструктивное пространство.
В одном из предпочтительных примеров осуществления механический передаточный механизм включает в себя клапанный мост и выполненный в виде коромысла или поводка клапанный рычаг, который приводится в движение с помощью кулачкового вала и через клапанный мост действует на выпускные клапаны.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления поршень, обратный клапан и пружина гидравлического элемента для компенсации зазора клапана могут быть расположены между клапанным рычагом и клапанным мостом. Однако, в зависимости от конструкции клапанного механизма, возможны и другие места встраивания, соответственно, конструктивные формы гидравлического компенсатора зазора клапана. Например, гидравлический компенсатор зазора клапана может быть расположен между штангой толкателя и коромыслом, будучи интегрирован в тарельчатый толкатель или клапанный толкатель.
Гидравлический элемент для компенсации зазора клапана предпочтительно выполнен так, что продолжительность времени закрытия по существу соответствует продолжительности обусловленного утечками процесса возврата отведенного поршня гидравлического элемента для компенсации зазора клапана, вызываемого в конце режима торможения двигателем снижением силы давления ОГ, действующей на выпускной клапан. Это, например, происходит тогда, когда гидравлический элемент для компенсации зазора клапана не имеет дополнительных средств, чтобы обеспечить возможность ускоренной разгрузки от давления напорной камеры гидравлического компенсатора зазора клапана. У такого элемента для компенсации зазора клапана клапанная пружина и давление газа камеры сгорания, после снятия силы давления ОГ, служат для того, чтобы гидравлический элемент для компенсации зазора клапана снова отжимался назад в исходное положение. При «отжатии назад» масло выжимается из камеры высокого давления через зазор утечки, что соответствует уменьшению объема масла в камере высокого давления гидравлического компенсатора зазора клапана.
Под временем закрытия выпускного клапана понимается промежуток времени между открытием моторного тормоза, использующего подпор ОГ, что соответствует концу режима торможения двигателем, и закрытым положением выпускного клапана, удерживаемого в открытом состоянии с помощью гидравлического элемента для компенсации зазора клапана в режиме торможения двигателем. Время закрытия может, например, измеряться экспериментально на испытательном стенде.
По этому варианту осуществления решающим для возврата выпускного клапана в закрытое положение по окончании режима торможения двигателем и вместе с тем также для значения времени закрытия является по существу падение силы газа, создаваемой моторным тормозом, использующим подпор ОГ, а не изменение силы масла, создаваемой элементом для компенсации зазора клапана. Продолжительность времени закрытия может, таким образом, по существу зависеть от вызываемого при открытии моторного тормоза, использующего подпор ОГ, в конце режима торможения двигателем уменьшения силы давления ОГ, действующей на выпускной клапан,
По одному из аспектов изобретение касается также автомобиля, в частности, автомобиля промышленного назначения, имеющего двигатель внутреннего сгорания, как описано в этом документе.
Описанные выше варианты осуществления и признаки изобретения могут комбинироваться друг с другом любым образом. Другие подробности и преимущества изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Показано:
фиг.1: клапанный механизм, имеющий гидравлический компенсатор зазора клапана, по одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг.2: иллюстрация сил, действующих в режиме торможения двигателем на выпускные клапаны клапанного механизма с фиг.1;
фиг.3: иллюстрация перехода из режима торможения двигателем к режиму со сжиганием топлива по одному из вариантов осуществления изобретения; и
фиг.4: иллюстрация областей, в которых может возникать прыгание клапана.
Одинаковые и функционально эквивалентные элементы на всех фигурах обозначены одними и теми же ссылочными обозначениями.
Общеизвестна защита двигателя внутреннего сгорания от недопустимо высоких частот вращения путем встраивания устройства для ограничения частоты вращения. Ограничение частоты вращения достигается путем отключения впрыска топлива выше некоторой предварительно заданной максимальной частоты вращения. Для этого в данном устройстве впрыска имеется соответствующая функция управления. Поэтому двигатель внутреннего сгорания включает в себя в настоящем случае устройство 10 для ограничения частоты вращения, которое выполнено, чтобы деактивировать впрыск топлива выше некоторой предопределенной частоты n1 вращения, ограничиваемой регулятором.
На фиг.1 показан также клапанный механизм 11, имеющий гидравлический компенсатор (регулятор) 6 зазора клапана двигателя внутреннего сгорания по одному из вариантов осуществления изобретения. Двигатель внутреннего сгорания включает в себя не изображенный 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания, который имеет по меньшей мере по одному впускному клапану (не изображено) и два выпускных клапана 1 на каждый цилиндр.
Управление впускными и выпускными клапанами 1 возможно с помощью (не изображенного) кулачкового вала. Кулачковый вал может находиться внизу или вверху относительно коромысла 3. Фиг.1 соответствует версии с кулачковым валом, находящимся вверху (не показано), в области управления двух выпускных клапанов 1 одного цилиндра. Коромысло 3 установлено с возможностью вращения на головке 7 блока цилиндров на опорный кронштейн 9 на опорной оси с помощью подшипника скольжения.
Коромысло 3, в свою очередь, воздействует на клапанный мост 4. Клапанный мост 4 служит для управления двумя расположенными осепараллельно друг другу выпускными клапанами 1 одного цилиндра (не изображен) двигателя внутреннего сгорания (не изображена). Каждый из выпускных клапанов 1 установлен своим штоком 1a в головке 7 блока цилиндров (изображено очень схематично) с возможностью движения в осевом направлении и с помощью закрывающей пружины (возвратная пружина) 5, которая одним концом опирается на поверхность 7a головки блока цилиндров, а другим концом на закрепленную на штоке 1a выпускного клапана тарелку 1b пружины, подвергается воздействию определенной силы F3 предварительного напряжения (см. также фиг.2) в направлении C закрытия. При этом каждая из двух закрывающих пружин 5 может быть выполнена либо в виде только одной спиральной пружины, либо двух коаксиальных друг другу спиральных пружин.
Между коромыслом 3 и клапанным мостом 4 расположен гидравлический элемент 6 для компенсации зазора клапана, так что коромысло через гидравлический элемент 6 для компенсации зазора клапана и сочлененную подобно шаровому шарниру опорную чашку 8 воздействует на клапанный мост 4 и вместе с тем на выпускные клапаны 1.
Выполненный собственно известным образом гидравлический элемент 6 для компенсации зазора клапана имеет примыкающий к напорной камере поршень и впадающий в напорную камеру через нагруженный усилием пружины обратный клапан напорный маслопровод (соответственно не изображены). Поршень, обратный клапан и пружина гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана расположены между клапанным рычагом 3 и клапанным мостом 4.
Гидравлический элемент 6 для компенсации (регулирования) зазора клапана служит для того, чтобы, в частности, компенсировать износ (клапан врабатывается в седло клапана) в течение срока службы двигателя, так чтобы в фазе основной окружности кулачка, приводящего в действие выпускной клапан 1, было обеспечено надежное закрытие клапана.
Выпускные клапаны 2 цилиндров впадают в выпускной тракт двигателя внутреннего сгорания, в который по возможности близко к двигателю собственно известным образом встроен моторный тормоз, использующий подпор ОГ, для создания противодавления ОГ. Он может быть образован дроссельной заслонкой или тарельчатым клапаном, или задвижкой. В большинстве случаев применяется дроссельная заслонка. Моторный тормоз, использующий подпор ОГ, включая его органы управления и/или регулирования, образует часть устройства торможения двигателем и служит во время процессов торможения двигателем для по меньшей мере частичного перекрытия выпускного тракта и для вызываемого этим выше по потоку подпора ОГ. Другой частью устройства торможения двигателем является декомпрессионный тормоз для повышения мощности торможения двигателем, который в настоящем случае образуется гидравлическим элементом 6 для компенсации зазора клапана.
Функция гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана для повышения мощности торможения двигателем может описываться следующим образом:
когда дроссельная заслонка ОГ закрывается для режима торможения двигателем, создается действующая на выпускной клапан 1 сила F5 давления ОГ. При этом давление ОГ перед сжатием, в частности в такте всасывания перед нижней мертвой точкой и в нижней мертвой точке, возрастает так сильно, что выпускной клапан 1 кратковременно нажимается волной давления соседнего цилиндра, вследствие чего образуется зазор между выпускным клапаном 1 и седельным кольцом клапана, соответственно, возникает отверстие в выпускной канал 2. Это нажатие элемента 6 для компенсации зазора клапана поддерживается также первой компонентой силы F1, которая создается гидравлическим элементом 6 для компенсации зазора клапана вследствие давления масла, и второй компонентой силы F2, которая создается гидравлическим элементом 6 для компенсации зазора клапана благодаря возвратной пружине.
Нажатие выпускного клапана 1 вследствие двух описанных эффектов приводит к разгрузке гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана и, благодаря постоянному действующему давлению масла и силе упругости возвратной пружины гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана, следовательно, к подстройке гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана. При этом поршень гидравлического элемента для компенсации зазора клапана выдвигается. Это препятствует повторному закрытию клапана.
Остается небольшой зазор величиной V1 между выпускным клапаном 1 и седельным кольцом клапана, ниже кратко называемый зазором, вследствие чего при такте сжатия в двигателе часть сжатого воздуха уже может вытекать из цилиндра. Давление на поршень, снова движущийся после этого вниз (рабочий такт), существенно уменьшается. Благодаря этому улучшается мощность торможения двигателем. При дросселировании ОГ для торможения может использоваться как движение поршня двигателя вверх, так и движение вниз.
Частота вращения двигателя, начиная с которой происходит возникновение зазора между выпускным клапаном 1 и седельным кольцом клапана, и величина зазора, который в режиме торможения двигателя устанавливается между выпускным клапаном 1 и его седельным кольцом клапана, зависит от следующих влияющих величин:
a) давление ОГ, которое создает силу F5 газа, действующую на выпускной клапан 1;
b) давление газа в камере сгорания, которое создает силу F6 газа, действующую в направлении C закрытия,
c) давление масла, которое действует в гидравлическом компенсаторе зазора клапана, которое создает силe F1 давления масла;
d) сила F2 упругости возвратной пружины гидравлического компенсатора зазора клапана;
e) сила F3 упругости клапанных закрывающих пружин 5;
f) трение в клапанном механизме, которое создает силу F4 трения.
Действующие на выпускной клапан 1 силы F1-F6 изображены на фиг.2. Создаваемая моторным тормозом, использующим подпор ОГ, сила F5 и создаваемые элементом для компенсации зазора клапана силы F1 и F2 действуют обе в одинаковом направлении O (направление открытия), т.е. в направлении открытого положения выпускного клапана 1. Сила F3 упругости закрывающей пружины 5 (возвратной пружины) выпускного клапана и сила F6 газа, которая создается давлением в камере сгорания в цилиндре, действуют, в отличие от этого, в направлении C закрытия выпускного клапана.
Путем адаптации этих влияющих величин, соответственно, сил можно оказывать влияние на максимальные величины зазора и частоту вращения двигателя, начиная с которой происходит возникновение зазора между выпускными клапанами 1 и принадлежащими им седельными кольцами клапана. Оба выпускных клапана 1 прыгают, таким образом, вдвоем и удерживаются в открытом состоянии гидравлическим элементом 6 для компенсации зазора клапана, который соединен с двумя выпускными клапанами 1 посредством клапанного моста 4.
Под предлагаемым изобретением конструктивным исполнением (расчетом) двигателя внутреннего сгорания для адаптации предельной частоты вращения, начиная с которой происходит возникновение зазора между выпускным клапаном 1 и седельным кольцом клапана, понимается такая целесообразная адаптация этих влияющих величин, соответственно, сил. При этом, в зависимости от конструктивного исполнения, предельная частота вращения, начиная с которой возникает прыгание клапана, может смещаться в направлении больших или меньших значений.
Увеличение зазора между выпускным клапаном 1 и седельным кольцом клапана, соответственно, смещение предельной частоты вращения в направлении более низких значений частоты вращения двигателя может достигаться с помощью по меньшей мере одной из следующих мер: повышение давления ОГ; уменьшение давления газа в камере сгорания; повышение давления масла, которое действует в гидравлическом компенсаторе зазора клапана; повышение силы упругости возвратной пружины гидравлического компенсатора зазора клапана; уменьшение силы клапанной пружины; или уменьшение трения в клапанном механизме.
Однако если при разработке двигателя внутреннего сгорания на испытательном стенде констатируется, что зазор в фазе основной окружности кулачка возникает в режиме торможения двигателя уже ниже частоты вращения, ограничиваемой регулятором, т.е. предельная частота вращения является слишком низкой, в рамках конструктивного исполнения по меньшей мере аналогичным образом может предприниматься одна из следующих мер:
уменьшение давления ОГ, напр., путем уменьшения времени закрытия подпорной заслонки; повышение давления газа в камере сгорания; уменьшение давления масла, которое действует в гидравлическом компенсаторе зазора клапана; уменьшение силы упругости возвратной пружины гидравлического компенсатора зазора клапана; повышение силы клапанной пружины; или повышение трения в клапанном механизме. С помощью по меньшей мере одной из этих мер может достигаться смещение возникновения зазора в направлении больших частот вращения двигателя, соответственно, уменьшение зазора, так что предельная частота вращения может устанавливаться на надлежащее значение выше частоты вращения, ограничиваемой регулятором.
Таким образом предельная частота вращения, начиная с которой в режиме торможения двигателем в фазе основной окружности кулачка происходит прыгание выпускного клапана, может устанавливаться на значение, которое на некоторое желаемое значение разности выше частоты вращения, ограничиваемой регулятором.
Таким образом может также регулироваться величина зазора, устанавливаемая посредством элемента 6 для компенсации зазора клапана, и вместе с тем желаемое повышение мощности торможения двигателем. Зазор при определенной частоте вращения двигателя всегда приближается к максимальному значению. Максимальное значение зазора устанавливается при равновесии сил приведенных выше влияющих величин. С возрастающей частотой вращения двигателя это максимальное значение повышается.
На фиг.3 поясняется принцип действия устройства для торможения двигателем и, в частности, переход из режима торможения двигателем в последующий режим со сжиганием топлива.
Кривая 12 обозначает примерное изменение частоты вращения в зависимости от времени. Перед моментом времени t1 транспортное средство находится в режиме торможения двигателем, в котором подпорная заслонка моторного тормоза, использующего подпор ОГ, закрыта. В этом состоянии создается действующая на выпускной клапан 1 сила F5 давления ОГ. Таким образом устанавливается первое тормозное действие двигателя. Повышение тормозного действия двигателя с помощью декомпрессионного тормоза, соответственно, прыгания клапана возникает, однако, только начиная с предельной частоты n2 вращения. Как было описано выше, компоненты двигателя внутреннего сгорания сконструированы так, что прыгание клапана происходит только выше предельной частоты n2 вращения. Предельная частота вращения установлена так, что она выше частоты n1 вращения, ограничиваемой ре0гулятором, на значение разности Δn. Таким образом, прыгание клапана, соответственно, действие декомпрессионного тормоза может возникать только тогда, когда был уже деактивирован режим со сжиганием топлива.
Таким образом, в режиме торможения двигателем перед моментом времени t1 устанавливается некоторый зазор между выпускным клапаном 1 и кольцом седла клапана. Этот зазор удерживается в открытом состоянии с помощью гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана. Давление на поршень, снова движущийся после этого вниз (рабочий такт), существенно уменьшается. Благодаря этому улучшается мощность торможения двигателем. При дросселировании ОГ для торможения может использоваться как движение поршня двигателя вверх, так и движение вниз.
В этом состоянии силы: сила F1 давления масла, сила F2 возвратной пружины гидравлического компенсатора зазора клапана, сила F5 давления ОГ, сила F3 клапанной пружины, сила F4 трения и создаваемая давлением в полости цилиндра сила F6 газа находятся в равновесии.
Особой задачей является переход от режима торможения двигателем в режим двигателя со сжиганием топлива. Должно быть обеспечено, чтобы выпускные клапаны 1 перед режимом двигателя со сжиганием топлива снова были полностью закрыты, чтобы препятствовать повышенному износу клапана/седельного кольца, соответственно, перегрузке клапанного механизма вследствие нахождения выпускных клапанов 1 в открытом состоянии в режиме со сжиганием топлива.
В настоящем случае это достигается путем целесообразно выбранной величины значения разности Δn=n2-n1, которая соответствует разности предельной частоты вращения и частоты вращения, ограничиваемой регулятором.
Сразу по окончании режима торможения двигателем в момент времени t1, в который открывается заслонка ОГ моторного тормоза, выпускной клапан 1 вследствие отведенного поршня гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана сначала еще открыт.
Однако при открытии заслонки ОГ в момент времени t1 сила F5 давления ОГ скачкообразно сильно уменьшается, и описанное равновесие сил при этом нарушается. Теперь сила F6 газа из полости цилиндра и решающим образом сила F3 клапанной пружины приводят к тому, что поршень гидравлического элемента 6 для компенсации зазора клапана снова возвращается в направлении исходного положения, и выпускные клапаны 1 снова могут полностью закрываться. Вследствие этого конструктивного исполнения декомпрессионного тормоза и действующих на выпускной клапан сил выпускной клапан закрывается снова не позднее, чем когда частота 12 вращения двигателя внутреннего сгорания снова опустится до предельной частоты n2 вращения (момент времени t2). Режим со сжиганием топлива в этот момент времени еще деактивирован. Только в момент времени t3, в который частота вращения двигателя снова достигает частоты n1 вращения, ограничиваемой регулятором, запускается режим со сжиганием топлива.
Значение разности Δn=n2-n1 может, таким образом, целесообразно выбираться так, чтобы у выпускного клапана 1 оставалось достаточно времени, снова двигаться в закрытое положение по окончании режима торможения двигателем. Чем больше выбирается значение разности Δn, тем больше промежуток запаса времени между достижением закрытого положения и запуском режима со сжиганием топлива. Чем больше выбирается значение разности Δn, тем длиннее промежуток времени возврата частоты вращения с предельной частоты n2 вращения на частоту n1 вращения, ограничиваемую регулятором, в режиме без сжигания топлива по окончании режима торможения двигателем. Этот промежуток времени должен был бы быть больше, чем время закрытия выпускного клапана по окончании режима торможения двигателем. Надлежащее значение разности Δn может, например, находиться экспериментально путем опытов на испытательном стенде.
На фиг.4 проиллюстрированы области, в которых может возникать прыгание клапана. По оси ординат нанесены возможные положения заслонки ОГ, которая в настоящем случае может устанавливаться только в открытое положение и закрытое положение. В режиме торможения двигателем заслонка ОГ находится в закрытом положении, а в остальное время в открытом положении.
Ось абсцисс является осью частоты вращения, n0 обозначена частота вращения холостого хода, n1 - в свою очередь, частота вращения, ограничиваемая регулятором (называемая также верхней частотой вращения холостого хода), а n2 - предельная частота вращения. Режим двигателя со сжиганием топлива, благодаря устройству 10 для ограничения частоты вращения, возможен только в диапазонах частоты вращения от n0 до n1. В диапазонах частоты вращения больше n1 возможен только режим двигателя без сжигания топлива.
В диапазоне 13, который обозначает рабочие состояния транспортного средства, при которых подпорная заслонка двигателя открыта, не может возникать прыгание клапана, независимо от частоты вращения, так как противодавление ОГ и вместе с тем компонента F5 силы слишком низка, чтобы создавать прыгание клапана.
В диапазоне 14, который обозначает рабочие состояния транспортного средства, при которых подпорная заслонка двигателя закрыта, однако частота вращения ниже частоты n1 вращения, ограничиваемой регулятором, прыгание клапана тоже невозможно, так как в этом диапазоне создаваемое противодавление ОГ и вместе с тем компонента F5 силы слишком низка, чтобы создавать прыгание клапана.
В диапазоне 16, который обозначает рабочие состояния транспортного средства, при которых подпорная заслонка двигателя закрыта и частота вращения выше предельной частоты n2 вращения, возникает, таким образом, прыгание клапана, так как в этом диапазоне создаваемое противодавление ОГ и вместе с тем компонента F5 силы достаточно высока, чтобы создавать прыгание клапана. Однако в этом диапазоне не может происходить режим со сжиганием топлива, так как частота вращения выше частоты n1 вращения, ограничиваемой регулятором.
Диапазон 15, который обозначает рабочие состояния транспортного средства, при которых подпорная заслонка двигателя закрыта и частота вращения лежит между частотой n1 вращения, ограничиваемой регулятором, и предельной частотой n2 вращения, представляет собой переходный диапазон, который гарантирует, что в режиме торможения двигателем в фазе основной окружности кулачка открытый выпускной клапан 1 снова может закрываться, прежде чем снова начнется режим со сжиганием топлива. Таким образом, переходный диапазон 16 гарантирует, что клапан не будет находиться в открытом состоянии в режиме со сжиганием топлива в фазе основной окружности кулачка.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на определенные примеры осуществления, для специалиста очевидно, что могут выполняться разные изменения и в качестве замены использоваться эквиваленты без выхода из области изобретения. Дополнительно могут выполняться многие модификации, без выхода из соответствующей области. Следовательно, изобретение не должно быть ограничено раскрытыми примерами осуществления, а должно включать в себя все примеры осуществления, которые попадают в область прилагаемых пунктов формулы изобретения. В частности, изобретение претендует также на охрану предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения, независимо от пунктов формулы изобретения, на которые делалась ссылка.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Выпускной клапан
1a Шток
1b Тарелка пружины
2 Выпускной канал
3 Коромысло
4 Клапанный мост
5 Закрывающая пружина
6 Элемент для компенсации зазора клапана
7 Головка блока цилиндров
7a Поверхность головки блока цилиндров
8 Опорная чашка
9 Опорный кронштейн
10 Устройство для ограничения частоты вращения
11 Клапанный механизм
12 Изменение частоты вращения
13, 14 Диапазон без прыгания клапана
15 Переходный диапазон
16 Диапазон прыгания клапана
t1 Конец режима торможения двигателем
t2 Достижение предельной частоты вращения
t3 Начало режима со сжиганием топлива
F1 Сила давления масла гидравлического элемента для компенсации зазора клапана
F2 Сила упругости гидравлического элемента для компенсации зазора клапана
F3 Сила упругости закрывающей пружины
F4 Сила трения
F5 Сила газа от моторного тормоза, использующего подпор ОГ
F6 Сила газа от давления в камере сгорания в цилиндре
V1 Величина зазора между выпускным клапаном и седельным кольцом клапана