Клапан регулировки потока охлаждающей среды для охлаждения поршней
VALVE FOR ADJUSTMENT OF COOLING MEDIUM FLOW FOR COOLING PISTONS

Изобретение относится к клапану регулировки потока охлаждающей среды для охлаждения группы поршней и к устройству охлаждения группы поршней.
Для охлаждения поршней могут использоваться масляные форсунки. Масляные форсунки могут распылять масло на нижнюю сторону поршня для его охлаждения.
Из DE 10 2005 022 460 A1 известен способ эксплуатации системы охлаждения поршня двигателя внутреннего сгорания. Масляная форсунка с сопловым клапаном соединена с системой подачи масла. Открытие соплового клапана происходит под действием давления масла. Масляный насос закачивает смазочное масло в масляный канал и подает смазочное масло в масляную форсунку. Масляная форсунка деактивируется по необходимости за счет изменения давления масла в системе подачи масла. В качестве соплового клапана установлен шариковый клапан, на который воздействует усилие пружины.
В US 5,819,692 A раскрывается система смазки двигателя с трубообразным клапанным элементом, расположенным в главном масляном проходе. В зависимости от необходимости охлаждения поршня клапанный элемент управляет потоком масла в ответвляющихся проходах, соединенных с распылительными форсунками. Клапанный элемент приводится в действие термостатическим силовым элементом.
Данное изобретение основано на системе с центральным клапаном для группы форсунок. Задачей данного изобретения является создание альтернативного или улучшенного клапана без недостатков, присущих решениям в соответствии с современным уровнем развития технологий. В частности, клапан должен обеспечивать охлаждение поршня по необходимости и не потреблять излишней приводной мощности насоса рабочей среды.
Поставленная задача достигается созданием клапана и устройства согласно независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные дополнительные варианты осуществления изобретения перечислены в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании.
В частности, данный клапан может иметь вид дроссельного клапана. Клапан предназначен для регулировки потока охлаждающей среды от источника охлаждающей среды к группе форсунок для охлаждения группы поршней двигателя внутреннего сгорания. Клапан включает канал, соединяющий источник охлаждающей среды с группой форсунок. Клапан включает клапанный элемент, выполненный с возможностью движения, в частности, перемещения для изменения сечения потока в канале. Клапанный элемент выполнен с возможностью движения, в частности, перемещения в первое положение, в котором клапанный элемент не влияет на сечение потока.
В полностью открытом состоянии клапан не потребляет излишней приводной мощности насоса рабочей среды. Это происходит потому, что клапанный элемент в полностью открытом состоянии клапана находится в первом положении, в котором клапанный элемент никак не влияет на сечение потока. Т. е. клапанный элемент не приводит к потере давления при полном открытии клапана.
В частности, движение клапанного элемента может зависеть от давления охлаждающей среды. Клапан может обеспечивать охлаждение поршней по мере необходимости благодаря его открытию в зависимости от давления охлаждающей среды. В условиях сравнительно большой мощности, развиваемой двигателем, насос подает больше охлаждающей среды с более высоком давлением. При необходимости клапан может открываться больше, обеспечивая улучшенное охлаждение поршней.
Также, например, возможно, чтобы клапанный элемент был выполнен с возможностью движения, в частности, перемещения в зависимости от температуры охлаждающей среды.
Также возможно, чтобы клапанный элемент был выполнен с возможностью поворота. Например, клапанный элемент может быть выполнен в виде затвора, в частности, в виде дроссельной заслонки. Предпочтительно, чтобы этот затвор был подпружиненным. В частности, в первом положении клапанный элемент может быть расположен в клапанном кармане канала.
В частности, клапан может быть расположен в поршневом блоке и/или в главном канале охлаждающей среды, которые находятся выше по потоку относительно группы форсунок.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения клапанный элемент в первом положении обеспечивает поток охлаждающей среды через канал, в основном, без потери давления. При этом имеется в виду, что сам клапанный элемент в первом положении не приводит к потере давления протекающей через канал охлаждающей среды. В частности, в первом положении клапанного элемента ни один из участков клапанного элемента не находится на пути движения потока охлаждающей среды.
Предпочтительно, чтобы сечение потока канала в первом положении клапанного элемента было максимальным.
В одном из вариантов осуществления изобретения клапанный элемент двигается с ростом давления охлаждающей среды в направлении первого положения, увеличивая сечение потока. В качестве альтернативы или дополнительно клапанный элемент двигается с уменьшением давления охлаждающей среды в противоположном первому положению направлении, уменьшая сечение потока. Тем самым, при высоких значениях давления среды клапан позволяет проходить большему объему среды, обеспечивая улучшенное охлаждение поршней.
В другом варианте осуществления изобретения клапанный элемент в первом положении находится за пределами канала. Это обеспечивает отсутствие нежелательного влияния клапанного элемента в первом положении на потерю давления в канале, как это происходило бы в случае с подпружиненными шариковыми обратными клапанами.
В одном из вариантов осуществления изобретения канал имеет отверстие (клапанного элемента), через которое клапанный элемент может двигаться, в частности, перемещаться. Тем самым, клапанный элемент может быть перемещен через отверстие в канал для уменьшения сечения потока в канале. С другой стороны, клапанный элемент может быть перемещен через отверстие из канала для увеличения сечения потока в канале.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения клапан представляет собой золотниковый клапан. Иными словами клапанный элемент имеет вид (приводимого в действие давлением) поршня.
В другом варианте осуществления изобретения клапанный элемент содержит управляющую поверхность, предпочтительно продолжающуюся вертикально относительно оси перемещения клапанного элемента. Охлаждающая среда воздействует на управляющую поверхность для перемещения клапанного элемента так, что клапанный элемент перемещается в зависимости от давления охлаждающей среды.
В одном из вариантов исполнения клапан является проходным клапаном. Для этого вход и выход расположены в общем направлении или, соответственно, канал клапана продолжается прямолинейно.
В дополнительном варианте осуществления изобретения управляющая поверхность расположена в камере для управляющей среды, находящейся за пределами канала. Подающий канал направляет охлаждающую среду вверх по потоку относительно клапанного элемента в камеру для управляющей среды. Это позволяет, например, реализовать у проходного клапана перемещение клапанного элемента так, чтобы клапанный элемент мог полностью выходить из канала.
В другом варианте исполнения клапан является угловым клапаном. В угловом клапане вход и выход располагаются под углом, в частности, под прямым углом друг относительно друга. Канал проходит под углом.
В дополнительном варианте осуществления изобретения управляющей поверхностью является торцовая поверхность клапанного элемента. Это позволяет, например, реализовать у углового клапана перемещение клапанного элемента так, чтобы клапанный элемент мог полностью выходить из канала.
В другом варианте осуществления изобретения клапан включает дренажный канал для вытекающей из канала (например, через отверстие клапанного элемента в канале и/или через камеру для управляющей среды) охлаждающей среды.
В одном из вариантов осуществления изобретения на клапанный элемент воздействует в противоположном первому положению предварительное усилие, в частности, упругого элемента (например, спиральной пружины). Тем самым, с ростом давления среды клапан открывается, противодействуя усилию упругого элемента.
В другом варианте осуществления изобретения клапанный элемент выполнен с возможностью движения, в частности, перемещения между первым положением и вторым положением, в котором сечение потока является минимальным или нулевым. В вариантах, в которых сечение потока во втором положении минимизируется, но не перекрывается полностью, создаются условия для постоянной подачи небольшого количества охлаждающей среды к форсункам. В вариантах, в которых сечение потока во втором положении является нулевым, поток охлаждающей среды к форсункам может полностью блокироваться.
В одном из вариантов осуществления изобретения второе положение ограничено упором клапанного элемента. Упор может быть частью отверстия клапанного элемента в канале.
Изобретение также относится к устройству охлаждения группы поршней двигателя внутреннего сгорания. Данное устройство включает группу форсунок, выполненных без собственных клапанов. Устройство включает источник охлаждающей среды, в частности, масляный насос. Устройство включает также клапан согласно представленному здесь описанию, связанный текучей средой ниже по потоку с источником охлаждающей среды и выше по потоку с группой форсунок.
Данное устройство обеспечивает те же преимущества, что и раскрытый здесь клапан. Форсункам не нужны собственные клапаны, так как клапан устройства выполнен как центральный клапан для всех форсунок. По сравнению с решениями, предусматривающими собственный клапан для каждой форсунки, этот вариант обладает значительно более простой и в меньшей степени подверженной выходу из строя конструкцией.
Изобретение также относится к транспортному средству, в частности, к транспортному средству хозяйственного назначения (например, грузовому автомобилю или автобусу). Такое транспортное средство включает раскрытый здесь клапан или раскрытое здесь устройство.
Также существует возможность применения описанного здесь клапана и/или устройства, например, для легковых автомобилей, двигателей большой мощности, транспортных средств повышенной проходимости, стационарных двигателей, судовых двигателей и т. д.
Описанные выше предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения можно комбинировать друг с другом в любом сочетании. Другие детали и преимущества данного изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них показаны:
Фиг. 1 Схематическое изображение устройства охлаждения поршней двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 2 Диаграмма, демонстрирующая две кривые охлаждения поршней в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя;
Фиг. 3 Клапан с выдвинутым клапанным элементом согласно первому варианту осуществления описанного здесь изобретения;
Фиг. 4 Клапан с втянутым клапанным элементом согласно первому варианту осуществления описанного здесь изобретения;
Фиг. 5  Клапан с выдвинутым клапанным элементом согласно второму варианту осуществления описанного здесь изобретения; и
Фиг. 6 Клапан с втянутым клапанным элементом согласно второму варианту осуществления описанного здесь изобретения.
Изображенные на фигурах варианты осуществления изобретения совпадают по меньшей мере частично, так что аналогичные или идентичные детали обозначены одинаковыми номерами позиций и в качестве пояснений к ним даются ссылки на описание других вариантов осуществления либо, соответственно, на другие фигуры во избежание повторений.
На фиг. 1 изображено устройство 10 охлаждения и смазки группы поршней 12 двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может быть установлен, к примеру, в транспортном средстве, в частности, в транспортном средстве хозяйственного назначения в качестве привода. Транспортным средством хозяйственного назначения может быть, в частности, автобус или грузовой автомобиль.
Устройство 10 включает резервуар 14 для рабочей среды, насос 16 рабочей среды, охладитель 18 рабочей среды, фильтр 20 рабочей среды, клапан 22; 122 и группу форсунок (форсунок охлаждения поршней) 24.
Резервуар 14 может иметь вид, например, масляного поддона двигателя внутреннего сгорания. Смазочная среда, например, масло, может использоваться в качестве охлаждающей среды устройства 10 охлаждения и смазки поршней 12.
Насос 16 всасывает охлаждающую/смазочную среду. Насос 16 может быть выполнен в виде масляного насоса. Насосом 16 может быть регулируемый насос. Создаваемый насосом 16 поток среды может быть направлен к охладителю 18 для охлаждения. Поток охлажденной среды может проходить через фильтр 20. Охлажденная и отфильтрованная среда подается вниз по потоку относительно фильтра 20 для смазки и охлаждения компонентов двигателя внутреннего сгорания, например, поршней 12.
Поток среды направляется к клапану 22; 122. Клапан 22; 122 выполнен в виде дроссельного клапана для регулирования потока среды. Клапан 22; 122 позволяет регулировать направляемый в форсунки поток среды. Клапан 22; 122 расположен выше по потоку относительно группы форсунок 24. В частности, клапан 22; 122 расположен выше по потоку относительно главного канала 26, разветвляющегося на несколько отдельных каналов 28. Отдельные каналы 28 направляют поток среды из главного канала 26 к форсункам 24. Клапан 22; 122 может быть расположен, например, в блоке охлаждения поршней двигателя внутреннего сгорания.
Форсунки 24 выполняют роль охладительных форсунок поршней. Форсунки 24 могут быть выполнены без собственных клапанов. Форсунки 24 распыляют охлаждающую среду снизу на поршни 12 так, что происходит охлаждение поршней 12 в процессе работы. В завершение распыленная охлаждающая среда возвращается обратно в резервуар 14. Тем самым, устройство 10 обеспечивает циркуляцию рабочей среды.
На фиг. 2 изображены две кривые охлаждения поршней в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
В принципе, необходимость охлаждения поршней двигателя внутреннего сгорания может зависеть от развиваемой двигателем мощности. Например, на каждый киловатт мощности двигателя может потребоваться подача смазочной среды интенсивностью в диапазоне 4–7 кг/ч для охлаждения поршней через форсунки.
Показанная сплошной линией кривая A показывает пример фактического охлаждения поршней по традиционной схеме. Обозначенная штриховой линией кривая B отражает пример необходимого охлаждения поршней. В случае с кривой A применяется насос фиксированной производительности, при этом регулирования не происходит. Как видно, в диапазоне низких оборотов для поршней обеспечивается значительное охлаждение. В диапазоне от 600 до 1400 об/мин такие потребители как турбокомпрессор или подшипники (например, коренные и шатунные подшипники коленчатого вала) предполагают необходимое давление среды. Кривая B показывает, что заданная мощность охлаждения поршней, выраженная в килограммах на киловатт мощности двигателя, не изменяется во всем диапазоне оборотов двигателя.
Кроме того, при сравнении кривых A и B обращает на себя внимание тот факт, что традиционная система охлаждения поршней, в частности, в основном диапазоне от 1000 до 1400 об/мин, в котором осуществляется движение транспортного средства хозяйственного назначения, обеспечивает излишне мощное охлаждение поршней. Из этого вытекает необоснованно высокое энергопотребление со стороны насоса.
Раскрываемое здесь изобретение направлено, среди прочего, на приближение фактического охлаждения поршней к необходимому охлаждению. Со ссылкой на фиг. 1 предлагается расположить клапан 22; 122 в главном канале 26 или выше по потоку относительно него. Клапан 22; 122 выполнен в качестве центрального клапана для всех форсунок 24. Как подробно описано в представленных ниже вариантах осуществления изобретения, клапан 22; 122 выполнен для приведения потока (охлаждающей) среды к форсункам 24 в соответствие с фактической потребностью поршней 12 в охлаждении. Для этого клапан 22; 122 все больше открывается, например, с ростом давления среды, так что при более высоких значениях давления на форсунки 24 подается большее количество среды. Дополнительно предлагается создать клапан 22; 122 такой конструкции, которая не допускала бы его влияния на потери давления протекающей среды в полностью открытом состоянии. Это позволит избавиться от недостатков, которыми обладает подпружиненный шариковый обратный клапан, конструкция которого при его полном открытии оказывает значительное влияние на потерю давления в результате необходимости движения потока среды в обход его из-за расположения шарика обратного клапана в центре канала. Эта увеличенная потеря давления в случае использования шарикового обратного клапана должна быть компенсирована работой насоса, в результате чего потребляется дополнительная приводная мощность. В отличие от него клапан 22; 122 выполнен так, что при полном открытии клапана 22; 122 клапанный элемент не влияет на потерю давления. Тем самым, не нужно компенсировать потерю давления повышенным потреблением приводной мощности.
На фиг. 3 и 4 показан первый вариант осуществления клапана 22.
Клапан 22 включает канал 30 и клапанный элемент 32.
Канал 30 продолжается между входным отверстием 34 и выходным отверстием 36 прямолинейно. Тем самым, клапан 22 выполнен в виде проходного клапана.
Клапанный элемент 32 может быть перемещен в канал 30 для уменьшения сечения потока канала 30. Точно так же клапанный элемент 32 может быть перемещен из канала 30 для увеличения сечения потока канала 30. Клапанный элемент 32 действует как поршень. Тем самым, клапан 22 является золотниковым клапаном.
Перемещение клапанного элемента 32 происходит под давлением охлаждающей среды. Таким образом, клапанный элемент 32 представляет собой клапан, действующий от рабочей среды. В частности, из точки выше по потоку относительно клапанного элемента 32 охлаждающая среда направляется по подающему каналу 38 в камеру 40 управляющей среды клапана 22. Подаваемая в камеру 40 охлаждающая среда заполняет камеру 40 для управляющей среды и воздействует на управляющую поверхность 42 клапанного элемента 32. С ростом давления среды клапанный элемент 32 может перемещаться с противодействием усилию упругого элемента 44 клапана 22.
В частности, клапанный элемент 32 выполнен с возможностью перемещения между изображенным на фиг. 3 положением и положением, изображенным на фиг. 4. С ростом давления среды клапанный элемент 32 перемещается в направлении к изображенному на фиг. 4 положению. Со снижением давления среды клапанный элемент 32 перемещается в направлении к изображенному на фиг. 3 положению. На клапанный элемент 32 воздействует предварительное усилие упругого элемента 44, например, спиральной пружины, в направлении положения, показанного на фиг. 3. В частности, клапанный элемент 32 перемещается через отверстие 46 в канале 30 внутрь канала 30 или из канала. Изображенная на фиг. 4 форма области отверстия 46 обусловлена цилиндрической формой канала 30 и цилиндрической формой клапанного элемента 32, так что клапанный элемент 32 может перемещаться относительно канала 30, в основном, с герметизацией относительно отверстия 46.
В изображенном на фиг. 3 положении клапанного элемента 32 сечение потока в канале 30 минимальное, но больше нуля. Благодаря этому поток охлаждающей среды к форсункам 24 (см. фиг. 1) полностью не прекращается. Однако в других вариантах осуществления изобретения также возможно, чтобы сечение потока в канале 30 уменьшалось вплоть до нуля.
В изображенном на фиг. 4 положении клапанного элемента 32 сечение потока в канале 30 максимальное. Здесь следует особенно подчеркнуть, что клапанный элемент 32 вообще не влияет на сечение потока в канале 30. Вместо этого клапанный элемент 32 располагается за пределами канала 30. Тем самым, при высоком давлении среды клапан 22 открывается полностью, а клапанный элемент 32 не влияет на потерю давления.
Клапан 22 дополнительно включает дренажный канал 48 для отвода среды. Через дренажный канал 48 может отводиться вытекающая из канала 30 и из камеры 40 среда.
В изображенном варианте исполнения клапанный элемент 32 не может закрываться дальше в изображенном на фиг. 3 положении, так как клапанный элемент 32 прилегает к упору 50 (см. фиг. 4). Упором 50 может быть кромка отверстия 46.
На фиг. 5 и 6 показан второй вариант осуществления изобретения для центрального клапана фиг. 1, обозначенного здесь для лучшего разграничения номером позиции 122.
Клапан 122 включает канал 130 и клапанный элемент 132. Клапан 122 также представляет собой золотниковый клапан, действующий от рабочей среды.
Канал 130 продолжается между входным отверстием 134 и выходным отверстием 136 под прямым углом. Тем самым, клапан 122 выполнен в виде углового клапана.
Принцип действия клапанного элемента 132 идентичен принципу действия клапанного элемента 32 клапана 22, показанного на фиг. 3 и 4. Клапанный элемент 132 выполнен с возможностью перемещения между изображенным на фиг. 5 положением и положением, изображенным на фиг. 6. В отличие от первого варианта осуществления изобретения клапанный элемент 132 содержит торцовую поверхность клапанного элемента 32, обращенную в направлении к входному отверстию 134 и являющуюся управляющей поверхности 142.
С ростом давления среды клапанный элемент 132 может перемещаться в противоположном действию усилия упругого элемента 144 направлении через отверстие 146 в канале 130 из канала 130. Вытекшая из канала 130 охлаждающая среда может быть отведена через дренажный канал 148.
Клапан 122 может быть использован, например, в форме вставного клапана для установки в глухое отверстие.
Данное изобретение не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, которые были описаны выше. Более того, возможно множество вариантов и модификаций, в которых также будет использована идея данного изобретения, и поэтому такие варианты будут входить в объем правовой охраны. В частности, данное изобретение претендует на защиту предмета и признаков из зависимых пунктов формулы изобретения вне зависимости от отсылки их к соответствующим пунктам формулы. В частности, признаки независимого пункта 1 формулы изобретения могут быть раскрыты независимо друг от друга. Дополнительно признаки зависимых пунктов формулы изобретения раскрываются независимо от всех признаков независимого пункта 1 и, к примеру, независимо от признаков касательно наличия и/или конструкции канала рабочей среды и/или клапанного элемента из независимого пункта 1.
Список номеров позиций
10 Устройство охлаждения поршней
12 Поршень
14 Резервуар для рабочей среды
16 Насос (источник охлаждающей среды)
18 Охладитель рабочей среды
20 Фильтр рабочей среды
22, 122 Клапан
24 Форсунка
26 Главный канал охлаждающей среды
28 Отдельный канал охлаждающей среды
30, 130 Канал рабочей среды
32, 132 Клапанный элемент (поршень)
34, 134 Входное отверстие
36, 136 Выходное отверстие
38 Подающий канал
40 Камера управляющей среды
42, 142 Управляющая поверхность
44, 144 Упругий элемент
46, 146 Отверстие клапанного элемента
48, 148 Дренажный канал
50 Упор.