УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE FOR CONTROL OVER DRIVE OF VALVE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в механизмах газораспределения двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), в частности, в устройствах для регулирования фаз газораспределения и хода клапана.
Из описания к патенту на изобретение RU 2153586, МПК7 F01L 1/14, F02D 13/06, опубл. 27.07.2000 г. известен механизм управления клапаном газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий полый цилиндр, подводящий, дренажный и сливной каналы, подпружиненный питающий клапан и подпружиненный плунжер, частично размещенный в рабочей полости цилиндра с возможностью перемещения, наконечник, выполненный в виде стакана с днищем и скрепленный с цилиндром, подпружиненный поршень, размещенный внутри наконечника и образующий надпоршневую и подпоршневую полости. Техническим результатом изобретения является исключение нарушения фаз газораспределения и величины хода газораспределительного клапана, особенно на режимах повышенных нагрузок.
Из описания к патенту на изобретение RU 2133348, МПК7 F01L 1/34, 1/24, опубл. 20.07.1999 г. известно устройство для регулировки фаз газораспределения, состоящее из корпуса, втулки, подпружиненного штока с запорным клапаном и дополнительным плунжером внутри, позволяющим открывать запорный клапан во время работы двигателя. Изобретение направлено на повышение точности регулировки фаз газораспределения в различных условиях эксплуатации двигателя.
Кроме того, из описания к патенту на изобретение RU 2126892, МПК6 F01L 1/34, F02D 13/02, опубл. 27.02.1999 г. известен способ активного регулирования газораспределения в ДВС и распределительный вал для его реализации, направленное на повышение надежности привода клапанов ДВС и изменения фаз газораспределения.
В качестве прототипа, как наиболее близкое по технической сущности, рассматривается устройство управления клапанами механизма газораспределения, которое описано в патенте на изобретение RU 2286468, МПК7 F01L 9/02, опубликованное 10.08.2004 г., содержащее функционально связанные с каждым клапаном механизма газораспределения гидравлические исполнительные механизмы, каждый из которых имеет по одному воздействующему на клапан механизма газораспределения управляющему поршню и по две ограниченные этим управляющим поршнем рабочие полости, среди которых первая рабочая полость, создаваемое в которой давление обеспечивает перемещение клапана механизма газораспределения в направлении закрытия, постоянно заполнена находящейся под давлением рабочей жидкостью, а вторая рабочая полость, создаваемое в которой давление обеспечивает перемещение клапана механизма газораспределения в направлении открытия, выполнена с возможностью попеременного создания в ней давления рабочей жидкости и сброса из нее давления рабочей жидкости с помощью первого и второго управляющих клапанов, снабженных электроприводом. Предусмотрена возможность подачи общего электрического управляющего сигнала на объединенные предпочтительно в единый клапанный блок вторые управляющие клапаны для пары исполнительных механизмов, управляющих срабатыванием двух клапанов механизма газораспределения, используемых в качестве впускных или выпускных клапанов одного из цилиндров ДВС. Данное изобретение направлено на снижение затрат при изготовлении устройства.
К недостаткам указанных устройств необходимо отнести ограниченный диапазон регулировок хода клапана и невозможность отключения клапана в процессе работы двигателя, в течении времени, необходимого для совершения распределительным валом одного полного оборота. Указанные ограничения негативно влияют на коэффициент наполнения камеры сгорания, на эффективность КПД двигателя, на показатели удельного расхода топлива и токсичности выхлопных газов. Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в устранении указанных недостатков.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном устройстве управления приводом клапана ДВС, содержащем распределительный вал с кулачками, механизм привода клапана, устройство состоит из рычага-толкателя с подвижной скобой, штока-сердечника электромагнита хода клапана, направляющей привода клапана, управляющего гидроцилиндра, и из управляющего электромагнита регулировки фаз газораспределения, рычаг-толкатель содержит ролик, кинематически связанный с кулачком распределительного вала, подвижная скоба соединена с сердечником управляющего электромагнита регулировки фаз газораспределения, рычаг-толкатель выполнен с возможностью контакта с клапаном, с другой стороны рычаг-толкатель через ось, размещенную в сквозном пазу штока-сердечника, соединен с направляющей привода клапана, которая размещена в управляющем гидроцилиндре, причем на поршень управляющего гидроцилиндра опирается шток-сердечник, а между направляющей привода клапана и штоком-сердечником установлена пружина.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где
на фиг.1 показан общий вид устройства управления,
на фиг.2 показан разрез А-А, устройства управления,
на фиг.3 показан разрез В-В, место контакта подвижной скобы с опорой-компенсатором и положение регулировочного штока,
на фиг 4 показаны графики, характеризующие зависимость величины хода клапана от величины угла поворота коленчатого вала при различных режимах работы ДВС,
на фиг.5 показаны графики, характеризующие зависимость величины хода клапана от величины угла поворота коленчатого вала при полной нагрузке на различных режимах работы ДВС.
Устройство управления приводом клапана ДВС, установленное в головке блока цилиндров 1, содержит распределительный вал 2 с кулачками 3, механизм привода клапана. При этом устройство управления состоит из рычага-толкателя 4 с подвижной скобой 5, штока-сердечника 6 электромагнита 7 хода клапана, направляющей 8 привода клапана, управляющего гидроцилиндра 9 и из управляющего электромагнита 10 регулировки фаз газораспределения, рычаг-толкатель 4 содержит ролик 11, кинематически связанный с кулачком 3 распределительного вала 2, подвижная скоба 5 соединена с сердечником 12 управляющего электромагнита 10 регулировки фаз газораспределения, рычаг-толкатель 4 выполнен с возможностью контакта с клапаном 13, с другой стороны рычаг-толкатель 4 через ось 14, размещенную в сквозном пазу штока-сердечника 6, соединен с направляющей 8 привода клапана, которая размещена в управляющем гидроцилиндре 9, причем на поршень 15 управляющего гидроцилиндра 9 опирается шток-сердечник 6, а между направляющей 8 привода клапана и штоком-сердечником 6 установлена пружина 16.
Для уменьшения изгибающих усилий, действующих на подвижную скобу 5 при подъеме кулачка 3, в головке блока цилиндров 1 установлены опора-компенсатор 17 и регулировочный шток 18, предназначенный для регулировки зазора «а» при перемещении подвижной скобы 5.
Для подачи масла в нижней части управляющего гидроцилиндра 9 выполнена распределительная магистраль 19, сообщающаяся с отводящим 20 и подводящим 21 каналами электромагнитного клапана 22, регулирующего давление в управляющем гидроцилиндре 9.
Далее рассматривается принцип работы устройства управления одним впускным клапаном газораспределения, при этом все сказанное ниже соответственно справедливо и в отношении управления остальными клапанами.
Первоначально рассматривается работа устройства управления приводом клапана двигателя внутреннего сгорания регулирующая ход клапана газораспределения.
В показанном на фиг.1 начальном или исходном положении электромагнитный клапан 22, регулирующий давление в управляющем гидроцилиндре 9, находится в открытом положении, соответственно все остальные управляющие приводы обесточены. При прокручивании стартером маховика коленчатого вала (не показаны) в гидравлической системе возрастает давление, которое начинает преобладать в распределительной магистрали 19 и подпоршневой полости управляющего гидроцилиндра 9. Одновременно с этим, электронным блоком управления двигателя после оценки показаний датчиков (не показаны), контролирующих состояние систем двигателя и окружающей среды, и в зависимости от их значений, формируются управляющие сигналы, выдаваемые на электрические входы устройств (не показаны), задействованных в пуске двигателя для приведения этих устройств в рабочее состояние. При этом в случае, когда значение давления в управляющем цилиндре 9 недостаточно для открытия клапана 13, на электрический вход электромагнита 7 хода клапана так же подается управляющий сигнал. Дальнейшее изменение управляющих сигналов, корректирующих величину перемещения хода клапана 13, осуществляется с момента завершения первого цикла газораспределения.
Под действием создаваемого в управляющем гидроцилиндре 9 давления и в соответствии со значением управляющего сигнала, выдаваемого электронным блоком управления двигателя на электрический вход электромагнита 7 хода клапана, шток-сердечник 6 и поршень 15 управляющего гидроцилиндра 9, преодолевая усилие пружины 16, направляющая 8 привода клапана перемещается на заданную величину. Кулачок 3 распределительного вала 2 начинает набегать на ролик 11 и передавая усилие на рычаг-толкателя 4, приводит в движение направляющую 8 привода клапана, преодолевая усилие пружины 16 направляющей 8 привода клапана до момента равенства усилий возвратной пружины 23 клапана 13 и пружины 16 направляющей 8 привода клапана. После этого начинается открытие клапана 13 на величину, соответствующую пусковому режиму двигателя. В период открытия клапана 13 усилие возвратной пружины 23 клапана 13 возрастает, приводя в движение направляющую 8 привода клапана, преодолевая усилие пружины 16 направляющей 8 привода клапана. Величина этих взаимных перемещений зависит от модулей упругости вышеупомянутых пружин, значения давления в управляющем гидроцилиндре 9, соотношения плеч «b» и «с» (см. фиг.1) рычага-толкателя 4, а также, значения управляющего сигнала и момента времени, в который этот сигнал выдается на электрический вход электромагнита 7 хода клапана. Изменение усилия, создаваемого пружиной 16 направляющей 8 привода клапана, посредством перемещения штока-сердечника 6, вызванного работой электромагнита 7 хода клапана, в момент, когда ролик 11 находится на тыльной поверхности кулачка 3 распределительного вала 2 приводит к заданным перемещениям клапана 13.
mm
Далее рассматривается работа устройства управления приводом клапана ДВС при различных режимах работы двигателя и, соответственно, при различных характеристиках заданных перемещений. Характеристики заданных перемещений клапана 13 представлены на фиг.4 в виде графиков, где показана зависимость величины хода клапана H от величины угла поворота коленчатого вала φ°.
Например, в режиме пуска двигателя в качестве оптимальных рассматриваются зависимости, показанные на графиках В, С и F.
На холостом ходу работа устройства управления приводом клапана ДВС происходит аналогично описанной в режиме пуска двигателя. Работа устройства управления приводом клапана ДВС на минимальном холостом ходу двигателя характеризуется зависимостями А и K. Они идентичны характеристике хода клапана В, но отличаются тем, что максимальный подъем клапана 13 не совпадает с максимальной скоростью поршня (не показан) при такте впуска. Если характеристики В, С и F могут быть получены без участия электромагнита 7 хода клапана, то А и F получаются только при помощи электромагнита 7 хода клапана и программного обеспечения электронного блока управления двигателя.
mm
Далее рассматривается зависимость величины хода клапана H от величины угла поворота коленчатого вала φ° при работе устройства управления приводом клапана ДВС на минимальном холостом ходу двигателя. Положение поршня 15 управляющего гидроцилиндра 9 соответствует большему усилию пружины 16 направляющей 8 привода клапана, чем усилию возвратной пружины 23 клапана 13, находящемуся в закрытом положении на величину, соответствующую ходу клапана 13 на минимальном холостом ходу. При этих условиях клапан 13 сразу начнет открываться, когда кулачок 3 распределительного вала 2 начинает набегать на ролик 11. Когда ход клапана 13 достигнет необходимой величины, электронный блок управления двигателя одновременно подает управляющий сигнал на электромагнитный клапан 22, регулирующий давление в управляющем гидроцилиндре 9 и на электромагнит 7 хода клапана, сердечник 24 электромагнитного клапана 22, регулирующего давление в управляющем гидроцилиндре 9, закрывает распределительную магистраль 19 и давление в управляющем гидроцилиндре падает. В это время шток-сердечник 6 электромагнита 7 хода клапана толкает поршень 15 управляющего гидроцилиндра 9, уменьшая усилие пружины 16 направляющей 8 привода клапана, и тогда под действием пружины 25, электромагнитный клапан 22 начнет закрываться. После закрытия электромагнитного клапана 22 датчик хода клапана 26 подает сигнал электронному блоку управления двигателя, который в свою очередь подает управляющий сигнал электромагнитному клапану 22 регулирования давления в управляющем гидроцилиндре 9 электромагнитный клапан 22 открывается, перекрывая отводящий канал 20, и давление в управляющем гидроцилиндре 9 достигает требуемой величины, возвращая поршень 15 управляющего гидроцилиндра 9 и если требуется, шток-сердечник 6 электромагнита 7 хода клапана в исходное состояние для осуществления очередного такта впуска.
Характеристика хода клапана, показанная на графике К фиг.4, осуществляется следующим образом. Открытие клапана 13 в фазе сбега профиля кулачка 3 осуществляется с помощью электромагнита 7 хода клапана. Шток-сердечник 6 по управляющему сигналу электронного блока управления двигателя начинает сжимать пружину 16 направляющей 8 привода клапана, замедляя движение направляющей 8 привода клапана вниз, до остановки. После этого начинается открытие клапана 13 до требуемой величины, происходит поворот рычага-толкателя 4 относительно точки контакта профиля кулачка 3 и ролика 11. Когда ход клапана 13 достигнет необходимой величины, электронный блок управления двигателем одновременно подает управляющий сигнал на электромагнитный клапан 22 управления давлением в управляющем гидроцилиндре 9 и электромагнит 7 хода клапана. Электромагнитный клапан 22 перекрывает распределительную магистраль 19, и давление в управляющем гидроцилиндре 9 падает. В это время шток-сердечник 6 электромагнита 7 хода клапана толкает поршень 15 управляющего гидроцилиндра 9, уменьшая усилие пружины 16 направляющей 8 привода клапана, и тогда под действием возвратной пружины 23 клапана, клапан 13 начинает закрываться. После закрытия клапана 13 датчик хода клапана 26 подает управляющий сигнал электронному блоку управления двигателем, который в свою очередь подает управляющий сигнал электромагнитному клапану 22, который открывается, перекрывая отводящий канал 20, и давление в управляющем гидроцилиндре 9 достигает требуемой величины, возвращая поршень 15 управляющего гидроцилиндра 9 и, если требуется, штока-сердечника 6 электромагнита 7 хода клапана в исходное состояние для осуществления очередного такта впуска.
При частичной нагрузке двигателя характеристики хода клапана показаны на графиках, представленных на фиг.4.: это D, E, F и G, то есть те характеристики, которые располагаются в пределах характеристики С. Такие характеристики могут быть получены как без участия электромагнита 7 хода клапана - например F, так и с ним - например D, E, G. Получение таких характеристик возможно в режиме полной нагрузки двигателя, например как представленной на фиг.4 - характеристики С, которая получена при максимальном давлении масла в управляющем гидроцилиндре 9. Поршень 15 управляющего гидроцилиндра сжимает пружину 16 направляющей 8 привода клапана до максимального усилия, которое превосходит усилие возвратной пружины 23 клапана 13 при максимальном ходе. Для сокращения времени перехода от частичных нагрузок при малых оборотах к максимальным нагрузкам (максимальный ход клапана) целесообразно применять электромагнит 7 хода клапана.
Режим отключения, в частности, впускного клапана 13 реализован следующим образом. Электромагнитный клапан 22 по управляющему сигналу электрического блока управления двигателем, посредством сердечника 24, перекрывает распределительную магистраль 19 и в управляющем гидроцилиндре 9 сбрасывается давление. Поршень 15 управляющего гидроцилиндра под действием пружины 16 направляющей 8 привода клапана перемещается в крайнее нижнее положение. При воздействии кулачка 3 на ролик 11 направляющая 8 привода клапана начнет перемещаться вниз, сжимая пружину 16 до полного хода поршня 15 управляющего гидроцилиндра. Ось 14 направляющей 8 привода клапана будет при этом перемещаться в сквозном продольном пазу 27 штока-сердечника 6. Максимальный ход направляющей 8 привода клапана зависит от подъема кулачка 3 и соотношения плеч рычага-толкателя 4, обозначенных на фиг.1 буквами «b» и «с», а так же от усилия пружины 16 направляющей 8 привода клапана, которое должно быть меньше усилия возвратной пружины 23 клапана 13, при закрытом положении клапана 13. Аналогичным образом можно отключить группу клапанов в цилиндрах двигателя для увеличения скорости воздуха или топливной смеси поступающей в цилиндр. Так же можно отключить все клапаны в одном или нескольких цилиндрах, с чередованием рабочих цилиндров или группы цилиндров в зависимости от необходимой мощности двигателя в данный момент работы, при этом электронный блок управления двигателя должен поддерживать необходимое количество работающих цилиндров в определенном диапазоне оборотов с минимальным удельным расходом топлива. Это позволит снизить токсичность и расход топлива, одновременно повысив мощность и крутящий момент двигателя.
Далее рассматривается работа устройства управления приводом клапана ДВС при регулировании фаз газораспределения. В условиях, при которых электронным блоком управления двигателя не выдается управляющих сигналов на электрический вход управляющего электромагнита 10 регулировки фаз газораспределения, газообмен в двигателе осуществляется по базовой характеристике, показанной на графиках фиг.5 в виде зависимостей N, O, P, Q. Так как наружная 28 и внутренняя 29 пружины управляющего электромагнита 10 регулировки фаз газораспределения удерживают подвижную скобу 5 с роликом 11 в среднем положении, усилия пружин превосходят боковые усилия, действующие на ролик 11 при работе кулачка 3.
При подаче управляющего сигнала на электрический вход управляющего электромагнита 10 сердечник 12, преодолевая усилие наружной 28 пружины, втягивается управляющим электромагнитом 10 и рычаг-толкатель 4 с роликом 11 перемещается в продольном направлении; при этом происходит опережение открытия клапана на угол (e-d)/2, что соответствует характеристикам O, P, Q, R, показанным на фиг.5. При подаче управляющего сигнала с обратным значением рычаг-толкатель 4 и ролик 11, преодолевая усилие внутренней пружины 29 управляющего электромагнита 10, перемещается в противоположном продольном направлении; при этом происходит задержка открытия клапана на угол (e-d)/2, что соответствует характеристикам М, N, O, Р, показанным на фиг.5.
При подаче управляющего сигнала на электрический вход управляющего электромагнита 10, сердечник 12, преодолевая усилие наружной 28 пружины, втягивается электромагнитом 10 и рычаг-толкатель 4 с роликом 11 перемещается в продольном направлении; при этом происходит опережение открытия клапана на угол (e-d)/2. При отключении напряжения на электрическом входе управляющего электромагнита 10 в момент подхода кулачка 3 к максимальному подъему, наружная пружина 28 управляющего электромагнита 10 вернет подвижную скобу 5 в среднее положение, что будет соответствовать характеристикам O, P, Q, показанным на фиг.5.
При подаче управляющего сигнала на электрический вход управляющего электромагнита 10, сердечник 12, преодолевая усилие наружной 28 пружины, втягивается электромагнитом 10 и рычаг-толкатель 4 с роликом 11 перемещается в продольном направлении; при этом происходит опережение открытия клапана на угол (e-d)/2. Если в момент подхода кулачка 3 к максимальному подъему подать напряжение на электрический вход управляющего электромагнита 10, то под действием наружной пружины 28 управляющего электромагнита 10 и электромагнитных сил в сердечнике 12 подвижная скоба 5, минуя среднее положение, повернет ролик 11 на угол (e-d), что будет соответствовать характеристикам O, Р, показанным на фиг.5, то есть максимальной фазе.
Подобным образом могут быть получены и другие характеристики, например, M, N, O, P, Q, R, показанные на фиг.5, соответствующие минимальной фазе.
Кроме рассмотренных дискретных характеристик фаз газораспределения, система допускает множество характеристик в диапазонах, ограниченных графиками L и S, показанными на фиг.5, которые могут быть получены за счет изменения полярности и регулирования силы тока, подаваемой на электрический вход управляющего электромагнита 10.
Таким образом, использование изобретения позволяет получить оптимальные скорости воздушной или топливовоздушной смеси в различные моменты такта впуска за счет раннего или позднего открытия и закрытия клапана, в зависимости от оборотов и нагрузки двигателя, а также, в соответствии с этим, осуществить оптимальное количество впрысков топлива в определенные моменты для улучшения процесса сгорания.