КЛАПАН РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ С УПОРОМ, ОГРАНИЧИВАЮЩИМ ХОД ДИАФРАГМЫ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к устройствам управления рециркуляцией отработавших газов двигателей различных транспортных средств.
Для снижения количества окислов азота в отработавших газах широко используется дозированная подача отработавших газов из выпускной системы во впускную систему двигателя на определенных режимах его работы. Одним из основных элементов подобных систем является клапан рециркуляции отработавших газов (КРОГ) с пневматическим приводом запорного элемента. КРОГ устанавливается непосредственно на выпускном коллекторе двигателя и соединяет выпускной и впускной коллекторы двигателя. При эксплуатации КРОГа предъявляются повышенные требования к его безотказной работе при циркуляции через клапан отработавших газов с температурой от 300 до 500 C°. Так же по мере развития двигателестроения ужесточаются требования к массогабаритным характеристикам клапана.
Известен клапан двигателя внутреннего сгорания [патент на ПМ №13064], имеющий диафрагменный механизм, скрепленный с корпусом клапана. Диафрагменный механизм соединен со штоком, движущимся в направляющей втулке, при этом на конце штока имеется запорный элемент, перекрывающий при движении штока вниз впускной канал клапана. Клапан имеет следующие недостатки: использование длинной направляющей втулки под шток, целиком расположенной в корпусе клапана, что приводит к существенному увеличению габаритов и веса корпуса клапана. Кроме того, использование длинной втулки, предъявляет более высокие требования к точности изготовления пары втулка-шток, так как при длительной эксплуатации клапанного механизма такой конструкции при высокой температуре отработавших газов возрастает вероятность застревания штока во втулке и заклинивания клапана, в т.ч. из-за неравномерного нагрева верхней части корпуса клапана, в котором расположена втулка.
Также известен клапан рециркуляции отработавших газов, описанный в публикации [Автомобиль «Газель» ГА3-33021: устройство и техническое обслуживание. Иллюстрированный альбом, Г.А.Ширяев, Г.Ф.Анисимов, Л.Д.Кальмансон и др.; Под редакцией Ю.В. Кудрявцева - Москва: Издательство «За рулем», 1997, стр.35]. В вышеуказанной публикации описан КРОГ с диафрагменным механизмом, скрепленным через тонкостенную крышку с корпусом клапана. Использование тонкостенной крышки в конструкции КРОГа снижает габариты и вес клапана, но приводит к тому, что диафрагма и шток с закрепленным на нем запорным элементом движутся с большой амплитудой возвратно-поступательных движений, что при длительной эксплуатации существенно увеличивает вероятность перекоса штока в направляющем отверстии крышки, в т.ч. из-за более быстрого изменения его геометрических параметров вследствие износа, под воздействием трения между стенками отверстия и штока. Кроме того становится возможным постоянно повторяющееся сжатие пружины до соприкосновения ее витков (посадка на витки), что будет приводить к ускоренному износу пружины. Также это способствует вытягиванию материала диафрагмы, что приводит к изменению режимов срабатывания КРОГа, вследствие чего увеличиваются выбросы окислов азота с отработавшими газами в атмосферу.
В основу полезной модели (обоих вариантов) поставлена задача создания клапана рециркуляции отработавших газов с увеличенным сроком безотказной работы.
Дополнительной задачей полезной модели (обоих вариантов) является сохранение заданных габаритов и массы клапана рециркуляции отработавших газов.
Поставленная задача в первом варианте решается путем создания клапана рециркуляции отработавших газов, имеющего диафрагменный механизм, скрепленный через крышку и прокладку с корпусом клапана. Корпус клапана имеет в верхней части полость, сообщающуюся с впускным и выпускным каналами. С диафрагменным механизмом соединен шток, который сквозь направляющее отверстие в крышке выходит в полость корпуса клапана, при этом шток соединен с запорным элементом, с возможностью перекрытия запорным элементом впускного канала клапана при движении штока вниз.
Новым, отличающим первый вариант от прототипа является выполнение в центре крышки упора, выступающего в полость расположенную в верхней части корпуса. В центре крышки с выступающим упором имеется сквозное направляющее отверстие, через которое проходит шток, с возможностью ограничения его хода при соприкосновении запорного элемента с упором.
Во втором варианте, новым является то, что со стороны полости корпуса клапана к крышке примыкает упор, неподвижно установленный между крышкой и корпусом. Упор имеет в центре отверстие, соосное направляющему отверстию крышки. При этом сквозь данные отверстия проходит шток, с возможностью ограничения его хода при соприкосновении запорного элемента с упором.
Использование в клапанном механизме упоров, выполненных по предлагаемым в полезной модели вариантам, как за одно целое с крышкой, так и из двух отдельных деталей позволяет сократить ход штока, что снижает величину деформации пружины со снижением механической нагрузки на ее витки и уменьшает растяжение материала диафрагмы. Кроме того, предотвращается возможность «посадки пружины на витки», т.е. соприкосновения витков пружины между собой при сильном сжатии. Таким образом, увеличивается срок безотказной службы клапанного механизма с сохранением заданных характеристик.
Использование упора, расположенного под крышкой, внутри полости корпуса (по двум вариантам реализации), позволяет дополнительно стабилизировать шток, соединенный с клапанным механизмом, обеспечивая его бесперебойное возвратно поступательное движение, кроме того, это позволяет сохранить габариты и вес клапана.
В обоих вариантах допускается выполнять полость в верхней части корпуса преимущественно цилиндрической формы, а крышки в виде тела вращения. Такая форма полости упрощает литье корпуса клапана. Выполнение крышки в виде тела вращения также упрощает ее изготовление.
По первому варианту возможно выполнение выступающего из крышки упора преимущественно цилиндрической формы.
В центре крышки выполненной за одно целое с упором, по первому варианту также может использоваться цилиндрическая вставка, выполненная из износостойкого цветного металла, установленная по оси направляющего отверстия и соединенная неразъемно с крышкой. При этом в цилиндрической вставке выполнено сквозное направляющее отверстие для штока. Использование вставки из износостойкого цветного металла позволяет применить для изготовления крышки менее дорогостоящие материалы типа цинкового или алюминиевого сплава.
Дополнительно по второму варианту допускается изготавливать упор из тонкостенного металла, с формой близкой к пустотелому усеченному конусу с кольцевым буртиком и отверстием в центре. При этом кольцевой буртик ограничителя расположен в кольцевом уступе корпуса клапана и через прокладку прижат крышкой, образуя неподвижное соединение. Такая конструкция позволяет упростить сборку изделия.
По второму варианту крышку допускается полностью выполнять из износостойкого цветного металла.
По второму варианту из износостойкого цветного металла допускается выполнять только цилиндрическую вставку, устанавливаемую по оси направляющего отверстия и соединенную неразъемно с крышкой, при этом в цилиндрической вставке выполнено сквозное направляющее отверстие для штока.
Более подробно варианты реализации полезной модели раскрываются в приведенных ниже примерах и иллюстрируются рисунками.
На рис.1. изображен продольный разрез КРОГа с крышкой и упором, выполненными в качестве единой детали.
На рис.2. изображен аксонометрический вид снизу крышки с упором.
На рис.3. изображен продольный разрез КРОГа с крышкой и упором, выполненным из тонкостенного металла.
На рис.4. изображен частичный разрез тонкостенного упора (вид сбоку).
В примере 1 (Рис 1., 2.) раскрыт вариант исполнения КРОГа с крышкой, выполненной с упором в единой детали. КРОГ содержит корпус 1, в верхней части которого имеется цилиндрическая полость 2, соединяющая впускной канал 3 и выпускной канал 4, сообщенные с выпускной и впускной системами ДВС. Во впускном канале 3 расположено седло клапана 5. Корпус 1 КРОГа через прокладку (П) и крышку 6 соединен с корпусом 7 диафрагменного механизма с помощью винтовых соединений. Корпус 7 диафрагменного механизма КРОГа имеет неразъемное вальцевое соединение с крышкой диафрагменного механизма 8 и расположенным между ними краем мембраны 9. Мембрана 9 примыкает снизу к тарелке 10, на которую сверху опирается пружина сжатия 11, расположенная между тарелкой 10 и крышкой 8 диафрагменного механизма. К центральной части тарелки 10 крепится втулка 12, жестко фиксирующая центр мембраны 9. Снизу ко втулке 12 с помощью резьбового соединения крепится шток 13 с возможностью регулировки его положения. Шток 13 проходит через направляющее отверстие 14 крышки 6. К нижнему концу штока 13 прикреплен запорный элемент 15.
Крышка 6 сопряжена с упором 16 и вместе они составляют единую деталь. Упор 16 расположен в полости 2 корпуса клапана 1. В центре крышки 6 по оси N расположена цилиндрическая втулка 17 из латуни или бронзы (Рис 2.), внутренняя цилиндрическая полость которой образует направляющее отверстие 14.
У
В примере 2 (Рис 3., 4.) раскрыт вариант исполнения КРОГа, с крышкой 6 и упором 18, представляющими собой отдельные детали. В целом конструкция КРОГ аналогична описанной в примере 1. Крышка 6 выполнена с утолщением к центру, в центре крышки расположено направляющее отверстие 14. Упор 18 (Рис 4.) выполнен пустотелым из тонкостенного металла и имеет форму, близкую к усеченному конусу. Большее основание конуса, примыкающее к крышке 6, имеет кольцевой буртик 19. Крышка 6 закреплена на корпусе клапана 1 с помощью винтовых соединений, через прокладку 20. В корпусе 1 полость 2 со стороны крышки имеет кольцеобразный уступ под установку в нем буртика 19 упора 18. Упор 18 расположен соосно оси направляющего отверстия 14 крышки, при этом кольцевой буртик 19 ограничителя расположен в кольцевом уступе 21 корпуса клапана и прижат крышкой 6 образуя неподвижное соединение. Меньшее основание упора 18 имеет отверстие (О) соосное направляющему отверстию 14 крышки 6, сквозь которое свободно проходит шток 13.
КРОГ работает следующим образом.
При отсутствии в наддиафрагменной полости 22 разрежения под действием пружины 11 тарелка 10 вместе с диафрагмой 9 и штоком 13 находятся в нижнем положении и запорный элемент 15 перекрывает впускной канал 3, тем самым, закрывая переход отработавших газов из выпускного канала 4 в впускной канал 3. При подаче в наддиафрагменную полость 22 разрежения мембрана 9 прогибается, преодолевая сопротивление пружины сжатия 11 и перемещая вверх тарелку 10. Соединенные с тарелкой 10 шток 13 с запорным элементом 15 поднимаются и открывают впускной канал 3, допуская переход отработавших газов из выпускного канала 4 во впускной канал 3. Шток 13 поднимается до соприкосновения запорного элемента 15 с упором 18, не допуская сжатия пружины 11 до соприкосновения ее витков между собой и излишнего прогиба мембраны 9.
Применение предложенной конструкции позволило существенно увеличить продолжительность безотказной работы КРОГ. По результатам испытаний вероятность безотказной работы КРОГ составила не менее одного отказа на 1 млн. циклов «открытие-закрытие» при циркуляции через клапан отработавших газов двигателя с температурой от 300 до 500 C°.
Варианты конструкции клапана рециркуляции отработавших газов с упором, ограничивающим ход диафрагмы, прошли испытания и внедряются на предприятии-заявителе.