КЛАПАННЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE VALVE GEAR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а конкретно к конструкциям клапанных механизмов двигателей внутреннего сгорания.
Многие современные типы двигателей внутреннего сгорания (дизелей) содержат в составе выпускных клапанных механизмов устройства для вращения клапана (УВК) различных конструкций. Они предназначены для повышения надежности клапанов клапанных механизмов двигателей внутреннего сгорания. Известно множество их разновидностей.
Известно устройство вращения «Ротокап» (патент США №2397502, МПК F01L 1/32, публ. 1946 г.). Последующие усовершенствования конструкции этого известного устройства вращения в настоящее время в составе клапанных механизмов используются на некоторых типах судовых дизелей и на дизелях других видов транспорта.
Известные типы УВК «Ротокап» содержат тарельчатую пружину Бельвиля и несколько подпружиненных шариков, расположенных в концентрических канавках переменной глубины, выполненных в корпусе устройства. Пульсирующие повороты клапана, связанного с корпусом УВК, происходят в моменты нажатия клапанного коромысла, т.е. при открывании клапана, когда шарики, сжимая возвратные пружинки, скатываются по углубляющимся концентрическим канавкам, спрямляя коническую пружину Бельвиля. При закрывании клапана шарики под действием возвратных пружинок мгновенно возвращаются в исходное положение. При этом (при закрывании) вращения клапана не происходят, а пружина Бельвиля принимает исходную коническую форму.
Известным устройствам вращения «Ротокап» присущи ряд недостатков, обуславливающих недостатки клапанных механизмов двигателей. Они сложны по своему устройству, трудоемки и дороги в изготовлении, не подлежат регулировке, имеют практически нулевую ремонтопригодность и низкую надежность. Их работа лишь в малой степени улучшает условия работы выпускного клапана: за счет вращения в периоды открывания клапана выравнивается температурное поле клапанной тарелки, предотвращается ее коробление, а также улучшаются условия смазки штока клапана во втулке, уменьшается его износ, предотвращаются зависания. Технический эффект использования в составе клапанного механизма двигателя известного УВК «Ротокап» имеется лишь при работе дизелей на легких сортах топлива. Однако при работе на средне- и высоковязких мазутах известные УВК неэффективны, т.к. они не устраняют в этих случаях главных причин частых отказов и прогораний выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания - интенсивных отложений. Они не уменьшают при таком использовании слоя нагара на рабочих поверхностях клапана и седла и поэтому не снижают интенсивную натрий-ванадиевую коррозию, происходящую на них.
Эти недостатки частично устранены в составе известного клапанного механизма для двигателя внутреннего сгорания путем использования в нем устройства для вращения клапана газораспределения храпового типа (см. а.с. СССР №1104308, МПК F01L 1/32, 1984 г.) Этот известный клапанный механизм для двигателя внутреннего сгорания является наиболее близким техническим решением заявляемому.
Известный клапанный механизм для двигателя внутреннего сгорания содержит тарельчатый клапан со штоком в направляющей втулке, размещенной в крышке цилиндра двигателя, возвратную пружину клапана, опирающуюся на упорный шарикоподшипник, размещенный на крышке цилиндра двигателя, а над ней - упорную тарелку клапана, жестко соединенную со штоком клапана фиксирующими сухариками, а также включает устройство вращения клапана храпового типа, содержащее ведомое косозубое храповое колесо, закрепленное на упорной тарелке клапанной пружины, -ведомая часть - и находящийся с ним в непосредственном зацеплении стержневой подпружиненный толкатель с осью качания, закрепленной на кронштейне, прикрепленном к крышке цилиндра двигателя. Свободный рабочий конец толкателя имеет спрофилированный по зубу храпового колеса упорный зуб треугольного профиля - ведущая часть.
В работе вращение клапана производится за счет чередующихся ударно-толчковых воздействий упорного зуба толкателя последовательно на зубья храпового колеса при каждом закрывании клапана. При открывании клапана он вместе с упорной тарелкой пружины и храповым колесом опускается и упорный конец подпружиненного толкателя перескакивает на следующий зуб храпового колеса. При закрывании клапана зуб толкателя, перемещаемый по дуге в исходное верхнее положение, толчкообразно воздействует на очередной зуб и заставляет поворачиваться храповое колесо и, следовательно, жестко соединенный с ним (через упорную тарелку пружины и ее фиксирующие на штоке клапана сухарики) сам клапан, причем на угол, кратный числу зубьев храпового колеса. Чередующиеся пульсирующие повороты клапана, происходящие в периоды его опускания на седло, осуществляют процесс самоприработки, самообновления, постоянной полировки рабочих поверхностей клапана и седла, сброс с них излишков оседающего нагара, оставляя лишь тончайший активный слой, предотвращающий натрий-ванадиевую коррозию. Непрерывное вращение клапана в одну сторону еще и выравнивает температуру в клапанной тарелке, предотвращая коробление тарелки клапана, а также зависание клапана во втулке.
Известный клапанный механизм для двигателя внутреннего сгорания может быть использован на мало- и среднеоборотных (до 600 об/мин) судовых дизелях, работающих на средне- и высоковязких мазутах. Однако у 4-тактных двигателей с частотой вращения коленвала достаточно высокой - до 600 об/мин - совершается 300 двойных ходов выпускного клапана в минуту, т.е. происходит по 5 динамичных толчков в секунду толкателя по зубьям храпового колеса, т.о. более 400000 толчков за сутки работы. Опыт эксплуатации и проведенные исследования показали, что при такой высокой оборотности двигателя использование известной зубчатой храповой муфты в составе известного клапанного механизма является предельным. Усталостные напряжения, возникающие в упорном зубе толкателя известного механизма, ограничивают его (зуба) и механизма в целом долговечность. На современных же форсированных по оборотности двигателях известный клапанный механизм для двигателя внутреннего сгорания храпового типа использования практически не нашел из-за снижения показателей долговечности.
Технической задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является устранение данных недостатков, а именно повышение долговечности и безотказности клапанного механизма для двигателя внутреннего сгорания при безусловном сохранении его известных достоинств в улучшении условий работы механизма в высокодинамичных режимах работы двигателя. Это, в свою очередь, позволит расширить область использования создаваемых более надежных клапанных механизмов для двигателя внутреннего сгорания за счет применения их на современных двигателях повышенной и высокой оборотности.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном клапанном механизме для двигателя внутреннего сгорания, содержащем тарельчатый клапан со штоком в направляющей втулке, размещенной в крышке цилиндра двигателя, возвратную пружину, опирающуюся на упорный шарикоподшипник, размещенный на крышке цилиндра двигателя, а над ней - упорную тарелку пружины, жестко соединенную со штоком клапана фиксирующими сухариками, и устройство вращения клапана, включающее ведущую и ведомую части, первая из которых содержит стержневой подпружиненный толкатель со свободным рабочим концом и осью качания, неподвижно закрепленной на кронштейне, установленном на крышке цилиндра двигателя, а вторая часть содержит ведомое кольцо с контактной поверхностью, закрепленное на упорной тарелке пружины, в отличие от него в заявляемом на внутренней поверхности ведомого кольца выполнена концентрическая канавка, и контактная поверхность образована этой канавкой. Свободный рабочий конец стержневого толкателя посредством прецизионного узла соединен с роликом, помещенным в концентрическую канавку ведомого кольца с возможностью прямого и обратного хода. Прецизионный узел выполнен в виде пары из плунжера и втулки с донышком. Причем плунжер установлен во втулку на разжимающейся пружине, а на его конце закреплен упомянутый ролик. При этом втулка жестко закреплена на свободном конце данного подпружиненного толкателя, а в ее донышке выполнено сквозное калиброванное отверстие для оптимизации перепада давлений дросселируемого воздуха в надплунжерном пространстве при прямом и обратном ходе ролика.
Поставленная техническая задача достигается заменой жесткого вида зацепления с ударным характером взаимодействия силовых элементов храповой зубчатой муфты на мягкое фрикционное перекатывание ведущего элемента - ролика по ведомому элементу - концентрической канавке ведомого кольца, при котором возникновение чрезмерных напряжений в элементах устройства исключается.
Так, в заявляемом клапанном механизме ведомая часть устройства выполнена в виде ведомого кольца с концентрической канавкой на его внутренней поверхности, и контактная поверхность образована этой канавкой. Это кольцо жестко закреплено на упорной тарелке возвратной пружины клапана, жестко соединенной с его штоком через фиксирующие сухарики. Стержневой подпружиненный толкатель воздействует на ведомую часть устройства не непосредственным образом, а через посредство ролика, перекатывающегося по канавке ведомого кольца. Связь ролика со стержневым подпружиненным толкателем осуществляется через прецезионный узел, выполненный в виде пары из плунжера и втулки и закрепленный на свободном рабочем конце стержневого подпружиненного толкателя. В его втулке выполнено сквозное калиброванное отверстие, предназначенное для оптимизации перепада давлений дросселируемого через это отверстие в надплунжерном пространстве воздуха при прямом и обратном ходе ролика. За счет этого в надплунжерном пространстве при сбегающем движении ролика по кольцу создается разрежение, а при набегающем движении - повышенное давление воздуха. В работе это создает различные по величине усилия прижатия ролика к ведомому кольцу при его движении в прямом и обратном направлениях, вследствие чего происходит поступательное вращение жестко скрепленного с ведомым кольцом через фиксирующие сухарики самого клапана, причем только в одном направлении - при его закрывании. (Используется известный принцип вращения обруча «Хула-Хуп»). Поскольку устройство вращения, входящее в состав заявляемого клапанного механизма, не содержит деталей, испытывающих при его работе высокодинамичных ударных, крутильных и изгибающих нагрузок, а взаимодействие силовых деталей устройства вращения, особенно в момент закрывания клапана, носит мягкий, гармонизированный характер, то показатели надежности устройства вращения улучшаются, достигают достаточно высоких значений, а известные его достоинства в улучшении условий работы в высокодинамичных режимах работы двигателей в силу наличия общности признаков с прототипом сохраняются. Следовательно, повышается надежность всего клапанного механизма в целом. Таким образом достигается поставленная техническая задача, а именно повышение долговечности и безотказности силовых элементов клапанного механизма для двигателя внутреннего сгорания при сохранении его известных достоинств улучшения условий работы механизма в высокодинамичных режимах работы двигателей. Это позволяет эффективно использовать заявляемый клапанный механизм на двигателях высокой оборотности и достигать эффекта самообновления выпускных клапанов при работе на любых сортах топлива, что весьма существенно.
На фиг.1 изображен клапанный механизм для двигателя внутреннего сгорания в сборе, вид сбоку в положении открытого клапана.
На фиг.2 - вид сверху в том же положении клапана.
На фиг.3 - фрагмент устройства вращения клапана в двух крайних положениях ролика на ведомом кольце.
Заявляемый клапанный механизм для двигателя внутреннего сгорания содержит тарельчатый клапан 1 со штоком 2, возвратную пружину 3 клапана с расположенным под ней упорным шарикоподшипником 4. Клапанный механизм содержит также устройство вращения клапана, состоящее из ведущей и ведомой частей. Ведомая часть устройства представляет собой ведомое кольцо 5, закрепленное на упорной тарелке 6 возвратной пружины с выполненной на его внутренней поверхности концентрической канавкой 7. Ведущая часть содержит стержневой подпружиненный толкатель 8 с осью качания 9, которая неподвижно установлена на кронштейне 10. Свободный рабочий конец стержневого подпружиненного толкателя 8 посредством прецизионного узла соединен с роликом 11, который помещен в концентрическую канавку 7 ведомого кольца 5, которая является контактной поверхностью, сопрягаемой с роликом 11, причем ролик 11 имеет возможность прямого и обратного хода (перекатывания) по канавке 7. Прецизионный узел выполнен в виде пары (фиг 2) из плунжера 12 и втулки 13, в которую на разжимающейся пружине 14 установлен плунжер 12 с закрепленным на его конце роликом 11 и которая имеет в донышке сквозное калиброванное отверстие 15. Причем втулка 13 жестко закреплена на свободном рабочем конце толкателя 8. Кроме того, заявляемый механизм включает: на фиг.1 позицией 16 обозначено седло клапана 1 в крышке цилиндра 17 двигателя и позицией 18 - опорный конец традиционного рычажного коромысла клапанного привода, сопряженный с подпятником 19 штока 2 клапана с тепловым зазором (не показано), установленным на торце штока клапана 1. Шток 2 клапана 1 расположен в его направляющей втулке 20, размещенной в крышке цилиндра 17 двигателя, на которой установлены также кронштейн 10 стержневого подпружиненного толкателя 8 и упорный шарикоподшипник 4 возвратной пружины 3 клапана 1. Причем упорная тарелка 6 возвратной пружины 3 клапана жестко соединена с его штоком 2 посредством фиксирующих сухариков 21.
Клапанный механизм для двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. При работе двигателя открытие и закрытие клапана 1 под действием коромысла 18, надавливающего на шток клапана 2, и возвратной пружины 3 производится традиционным путем и энергия вращения клапана в момент его закрывания исходит от движения этих же деталей. Легкость вращательных движений клапана со штоком обеспечивается установленным на крышке цилиндра двигателя упорным шарикоподшипником, расположенным под возвратной пружиной 3 тарелки клапана. При этом циклические пульсирующие повороты его вращения осуществляются только в процессе посадки клапана 1 на его седло 16, а в периоды подъема клапана с седла повороты не происходят. Работа клапанного механизма разделяется на два периода, связанные с периодом открывания клапана и периодом его закрывания. В первом периоде - периоде открывания клапана - под воздействием коромысла 18, надавливающего на шток 2 с его сухариками 21, упорная тарелка 6, ведомое кольцо 5 вместе с роликом 11 и прецизионным узлом толкателя 8 перемещаются вниз. При этом ролик 11 описывает траекторию сложного движения и, помимо траектории вниз, он за счет толкателя 8 перекатывается по концентрической канавке 7 кольца слева направо (фиг 3). Под действием разжимающейся пружины 14 происходит частичное выдвижение плунжера 12 из втулки 13. Высокодинамичное движение прецизионно выполненного плунжера, происходящее за сотые доли секунды, вызывает разрежение в надплунжерном пространстве втулки 13, несмотря на подтекание дросселируемого воздуха через ее калиброванное отверстие 15. За счет этого при сбегающем ходе ролика 11 его силовое воздействие на ведомое кольцо 5 минимизируется. Это воздействие не в состоянии преодолеть суммарную силу сопротивления вращения: трений в подшипнике 4, в парах трения «шток клапана - его направляющая втулка» и «опорный конец рычажного коромысла 18 - подпятник 19 штока клапана», в связи с чем ролик 11 свободно скатывается по канавке 7, не приводя во вращение ведомое кольцо 5 и связанный с ним клапан 1 при его открывании. Затем после выдержки паузы - основной фазы газовыхлопа цилиндра двигателя - начинается второй период работы клапанного механизма - период закрывания клапана, когда коромысло 18 на подпятнике 19 освобождает клапан 1, и пружина 3 возвращает его и ведомое кольцо 5 в исходное верхнее положение. При этом прецизионный узел, движущийся со свободным концом стержневого подпружиненного толкателя 8 по дуге, перемещает теперь ролик 11 по этой канавке ведомого кольца 5 влево до того момента, пока клапан 1 не сядет на свое седло 16 и его осевое перемещение закончится. При этом движении происходит сжатие пружины 14 и воздуха в надплунжерном пространстве втулки 13, и их суммарная сила дополняет упорное воздействие стержневого подпружиненного толкателя 8 на ролик 11. Усиленное воздействие движущегося по восходящей траектории ролика 11 на ведомое кольцо 5, преодолевая указанные силы сопротивления, поворачивают его и вместе с ним закрывающийся, садящийся на седло клапан. (Здесь работает известный принцип вращения обруча «Хула-Хуп»). При этом диаметр сквозного калиброванного отверстия 15 - это регулировочный параметр для установки необходимой частоты вращения клапана, от его величины зависит создаваемый градиент сил прижатия перекатывающегося по канавке ролика в прямом и обратном направлениях.
Изложенный характер движений клапана обеспечивает при его посадке на седло процессы очистки от патогенного нагара, непрерывного самообновления и самополировки рабочих поверхностей (фасок) клапана и седла. При этом полирующим средством здесь становится сама образующаяся тончайшая активная прослойка сажи, всегда присутствующая между клапаном и седлом. Таким естественным путем, без применения дополнительных средств, технологий и затрат формируется трибосопряжение рабочих фасок, характеризующееся высоким классом чистоты и максимальным коэффициентом контактной теплоотдачи от клапана в крышку цилиндра двигателя. Это и обеспечивает наилучшую работоспособность трибосопряженного клапана, постоянно находящегося в таком состоянии и имеющего минимальный трибоизнос фасок.
Использование заявляемого клапанного механизма в качестве газовыпускного органа среднеоборотного двигателя внутреннего сгорания, в особенности при его работе на средне- и высоковязких сортах топлива, позволит перевезти этот орган из разряда недостаточно надежных узлов в число высоконадежных. Отличительным положительным свойством заявляемого клапанного механизма является достаточно высокая надежность и долговечность его главной составной части - устройства вращения клапана, что главным образом и приводит к существенному повышению надежности всего клапанного механизма в целом независимо от оборотности двигателя и сорта используемого топлива. Достигается же это, как изложено, применением мягкой безударной связи ведущей части с ведомой посредством установки между ними прецизионного узла с роликом на конце его подпружиненного плунжера, перекатывающегося по канавке ведомого кольца, воздействуя на последнее разными по величине усилиями на прямом и обратном ходу.