МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ЗОЛОТНИКОВОГО ТИПА

Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к газораспределительным механизмам двигателей внутреннего сгорания (ДВС) поршневого типа, используемых в различных отраслях машиностроения, в т.ч. в автомобилестроении, тракторостроении и т.п.
Несмотря на то, что газораспределительные механизмы клапанного типа на практике имеют достаточно широкое распространение, т.к. обеспечивают хорошую долговечность, они уступают газораспределительным механизмам золотникового типа по увеличению мощности ДВС, поскольку в них при открытии впускного и выпускного каналов создается эффект дополнительного аэродинамического сопротивления при сгибании кромки клапана.
В ГРМ золотникового типа этот недостаток отсутствует, благодаря чему обеспечивается лучшее наполнение рабочего цилиндра горючей смесью, и в настоящее время наблюдается повышенный интерес к ГРМ золотникового типа, однако из-за несовершенства приводов вращательного движения золотника они большей частью используются в двухтактных ДВС для улучшения продувки (к примеру: ЕР 0140514, 1985 г.; RU 2059085, 1996 г.).
Известен газораспределительный механизм (ГРМ) для четырехтактного ДВС, содержащий дисковый золотник, рабочая поверхность которого примыкает к рабочей поверхности головки блока цилиндров и выполнена в виде полусферы с осью вращения соосной с осью цилиндра, и привод золотника в котором осуществляется от коленчатого вала через многозвенный механизм с усложненой кинематикой, включающей в себя конические зубчатые передачи, червячные передачи и зубчатые передачи с неравномерным шагом зубчатых цилиндрических колес (US 2457206, 1948 г.).
Недостатком такого ГРМ является шумность в работе при повороте зубчатых передач с неравномерным шагом, малая долговечность в результате ударных нагрузок, а также низкий уровень технологичности при изготовлении многозвенного приводного механизма.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели, является ГРМ золотникового типа по патенту RU 92476 U1, 2010 г., имеющий золотник, выполненный в виде диска, прижатого пружиной к рабочей плоскости головки блока цилиндров, с осью вращения, совпадающей с осью цилиндра, и отверстием, предназначенным для открытия впускного и выпускного каналов головки блока цилиндров, а также привод золотника, связанный с коленчатым валом ДВС и приводным валиком, на котором закреплен диск золотника.
В прототипе привод каждого золотника выполнен в виде кинематически связанного с коленчатым валом ДВС постоянно вращающегося барабана с профильным пазом которого взаимодействует рычаг с цевкой, установленный на противоположном диску конце приводного валика.
Известно, что для увеличения мощности двигателя на больших оборотах необходимо более раннее открытие выпускного отверстия, т.е. до прихода поршня в нижнюю мертвую точку и более позднее закрытие впускного отверстия, т.е. после прихода поршня в нижнюю мертвую точку - так называемое растягивание фаз газораспределения, что обеспечивает улучшение наполнения цилиндра рабочей смесью на больших оборотах и, как следствие, увеличивает мощность. В прототипе такого эффекта достичь невозможно из-за отсутствия регулировки фаз газораспределения (растягивания фаз газораспределения), что следует отнести к недостаткам прототипа.
Задача, реализуемая настоящей полезной моделью, направлена на создание эффективных ГРМ для четырехтактных ДВС с увеличенной мощностью при неизменных габаритах, повышенным КПД.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели, состоит в улучшении наполнения рабочих цилиндров рабочей смесью путем обеспечения работы ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения.
Сущность полезной модели заключается в том, что механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания золотникового типа, содержащий золотник в виде поджатого к рабочей плоскости головки блока цилиндров поворотного диска с отверстием, предназначенным для открытия впускного и выпускного каналов головки блока цилиндров, расположенного на приводном валике, установленном по оси цилиндра, и привод золотника, связанный с коленчатым валом двигателя, в отличие от известных аналогов, имеет блок управления, получающий сигнал от датчика угла поворота коленчатого вала и снабженный накопительными конденсаторами, привод золотника в нем выполнен магнитоэлектрическим и с возможностью рекуперации электрической энергии, и включает в себя обладающий минимальным моментом инерции магнитоэлектрический двигатель со статором, составленным из двух коаксиальных частей, установленных с зазором, и ротором в виде помещенной в этом зазоре обмотки, подключаемой выводами к накопительным конденсаторам, с выходным звеном, например в виде грибка, шляпка которого служит основанием для крепления обмотки, а ножка имеет два наружных выступа и соединена, например шлицами, с приводным валиком, а также содержит возвратные пружины, установленные относительно выходного звена, таким образом, что одними концами они закреплены в головке блока цилиндров или в ее крышке, и другими - свободными концами взаимодействуют с наружными выступами звена, при этом магнитоэлектрический двигатель снабжен датчиком поворота ротора и подключен к блоку управления.
Дополнительные отличия предлагаемого механизма заключаются в том, что в нем:
- по меньшей мере внутренняя часть статора является постоянным магнитом, например, выполнена из материала неодим-железа-бора;
- диск золотника имеет выпуклую форму с уменьшающимся к периферии сечением;
- магнитоэлектрический двигатель внешней частью статора и соосным приводному валику стержнем, несущим внутренную часть статора, закреплен в крышке головки блока цилиндров;
- выводы обмотки выполнены в виде спирали;
- обмотка выполнена одно- или многосекционной;
- обмотка выполнена на каркасе из композиционного материала, например типа кевлар;
- каждая из возвратных пружин выполнена спиральной.
Предлагаемая совокупность существенных признаков полезной модели обеспечивает увеличение мощности в четырехтактных ДВС за счет растягивания фаз газораспределения при увеличении частоты вращения коленчатого вала и за счет того, что поворот золотника осуществляется не механическим приводом, как в известных аналогах, а магнитоэлектрическим двигателем и возвратными пружинами, которые в процессе работы кинетическую энергию золотника, получаемую на ходе открытия, переводят в потенциальную при сжатии и отдают обратно при растяжении. В результате затраченная энергии не пропадает, а возвращается на этапе закрытия - это позволяет, переключив магнитоэлектрический двигатель в режим генератора электроэнергии, сохранить ее в накопительных конденсаторах блока управления и в последующем цикле использовать на поворот золотника в сторону открытия. Следовательно, обеспечение возвратно-поворотных движений золотника может осуществляться при минимальном использовании энергии штатной электросистемы автомобиля, что в совокупности с достигнутым расширением фаз на больших оборотах и обеспечивает увеличение мощности и общего КПД двигателя. При этом наличие блока управления приводом золотника позволяет обеспечивать самый оптимальный алгоритм растягивания фаз газораспределительного механизма.
Для пояснения сущности полезной модели представлены чертежи, где:
на фиг.1 дан общий вид механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, в разрезе; на фиг 2 - разрез по А-А на фиг.1 (по возвратным пружинам); на фиг.3 - общий вид золотника с приводным валиком.
Механизм газораспределения золотникового типа расположен в головке блока цилиндров 1 и в крышке головки блока цилиндров 2 и золотник в нем выполнен в виде диска 3 с отверстием 4, которое соединяет рабочий цилиндр 5 с впускным каналом 6 на такте впуска и с выпускным каналом 7 на такте выпуска. Диск 3 закреплен на приводном валике 8, соосном с рабочим цилиндром 5, на другом конце валика установлена тарельчатая пружина 9, прижимающая диск к рабочей поверхности головки блока цилиндров 1. Диск имеет выпуклую форму с уменьшающимся к периферии сечением для обеспечения максимальной прочности при минимальном моменте инерции.
Для привода валика 8 во вращательно-колебательное движение имеется магнитоэлектрический двигатель с коаксиальным статором, выполненным из наружной части 10, например, в виде кольца, закрепленного в крышке головки блока цилиндров 2, и внутренней части 11, являющейся постоянным магнитом, выполненным, например, из неодим-железа-бора, закрепленной на неподвижном стержне 12.
Ротор состоит из выходного звена 13, имеющего, например, вид грибка, шляпка 14 которого служит для закрепления обмотки 15, а ножка выполнена с выступами 16 и 17 на внешней поверхности и на внутренней ее поверхности выполнены шлицы 18 для передачи крутящего момента от ротора на приводной валик 8. Для обеспечения минимального момента инерции и жесткости, обмотка ротора 15 выполняется на тонком каркасе из композиционного материала, который имеет тонкую втулку 19, выполняющую роль верхнего подшипника скольжения. Втулка 20 выполняет роль нижнего подшипника ротора.
Выводы 21 обмотки ротора выполнены в виде спирали и подключаются к электронному блоку управления 22, в котором имеются конденсаторы для накопления электрической энергии. Блок управления 22 получает информацию от датчика угла поворота коленчатого вала 23 и от датчика угла поворота ротора 24. Диск 25 датчика угла поворота ротора установлен на выходном звене 13.
Для возврата ротора в среднее положение используются спиральные пружины 26 и 27, закрепленные наружными концами в крышке головки блока цилиндров 2 или в головке блока цилиндров 1, внутренние свободные концы которых взаимодействуют с выступами 16 и 17 выходного звена 13 при повороте ротора в ту или другую сторону.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии, когда ДВС не работает, диск 3 золотника находится в среднем положении так, что отверстие 4 в диске открывает свечу зажигания для возможности воспламенения рабочей смеси.
При запуске ДВС стартером, когда поршень начинает движение вниз от верхней мертвой точки, от блока управления 22 подается электрический импульс на обмотку ротора 15. Длительность импульса определяется угловой скоростью коленчатого вала ДВС на основании сигнала от датчика угла поворота коленчатого вала 23. Блок управления 22 формирует длительность импульса таким образом, чтобы выступы 16 и 17 коснулись внутренних свободных концов возвратных пружин 26 и 27 примерно в середине хода поршня на впуск. Пружины 26 и 27 начинают сжиматься, и кинетическая энергия ротора и диска 3 золотника переходит в потенциальную энергию сжатых пружин 26 и 27. После этого пружины 26 и 27 начинают разжиматься, передавая накопленную потенциальную энергию ротору. В результате этого ротор начинает поворачиваться в сторону закрытия впускного канала 6. При этом блок управления 22 переключает электропривод в режим генератора электрической энергии, которая накапливается в конденсаторах. Блок управления 22 рассчитывает потребляемую мощность от электропривода в режиме генератора таким образом, чтобы впускной канал 6 закрылся в момент прихода поршня в нижнюю мертвую точку.
После этого поршень совершает такт сжатия, в конце которого проскакивает искра и воспламеняет рабочую смесь, поскольку отверстие золотника 4 открывает свечу зажигания. Далее начинается рабочий ход и двигатель совершает полезную работу по мере движения поршня от верхней мертвой точки к нижней.
Когда поршень начинает движение от нижней мертвой точки вверх, блок управления 22 подает электрический импульс на обмотку 15 в противоположной полярности и поворачивает ее в сторону открытия выпускного канала 7. Длительность импульса определяется угловой скоростью коленчатого вала на основании сигнала от датчика угла поворота коленчатого вала 23. Блок управления 22 формирует длительность импульса таким образом, чтобы выступы 16 и 17 коснулись внутренних свободных концов возвратных пружин 26 и 27 (примерно в середине хода поршня на выпуск). Пружины 26 и 27 начинают сжиматься в другую сторону и кинетическая энергия ротора и диска 3 золотника переходит в потенциальную энергию сжатых пружин 26 и 27. Далее пружины 26 и 27 разжимаются, передавая накопленную потенциальную энергию ротору, и ротор поворачивается в сторону закрытия выпускного канала 7. При движении диска 3 золотника в сторону закрытия, блок управления 22 подает на обмотку ротора 15 небольшой корректирующий импульс с таким расчетом, чтобы выпускной канал 7 закрылся в момент прихода поршня в верхнюю мертвую точку. При этом диск 3 продолжает поворачиваться по инерции в сторону открытия впускного канала 6. Блок управления 22 подает на обмотку ротора 15 небольшой корректирующий импульс с таким расчетом, чтобы выступы 16 и 17 коснулись внутренних свободных концов возвратных пружин 26 и 27 примерно в середине хода поршня на впуск. Пружины 26 и 27 начинают сжиматься, и кинетическая энергия ротора и диска 3 золотника переходит в потенциальную энергию сжатых пружин 26 и 27. После этого пружины 26 и 27 начинают разжиматься, передавая накопленную потенциальную энергию ротору. После этого ротор начинает поворачиваться в сторону закрытия впускного канала 6. В этом случае блок управления 22 переключает электропривод в режим генератора электрической энергии, которую накапливают в конденсаторах. Блок управления 22 рассчитывает потребляемую мощность от электропривода в режиме генератора таким образом, чтобы впускной канал 6 закрылся в момент прихода поршня в нижнюю мертвую точку.
По мере увеличения скорости вращения двигателя блок управления 22 корректирует управляющие импульсы с тем, чтобы закрытие впускного канала 6 происходило не в нижней мертвой точке, а несколько позднее, для лучшего наполнения цилиндра рабочей смесью.
По мере увеличения скорости вращения двигателя блок управления 22 корректирует управляющие импульсы таким образом, чтобы открывать выпускной канал 7 до прихода поршня в нижнюю мертвую точку, для того, чтобы улучшить освобождение цилиндра от отработавших газов. Аналогичные действия блок управления 22 совершает при запуске двигателя, когда температура охлаждающей жидкости не достигла заданной величины для ускоренного прогрева нейтрализатора отработанных газов.