Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания
GAS-DISTRIBUTING MECHANISM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к клапанным механизмам газораспределения двухтактных или четырехтактных дизельных или бензиновых и газовых с распределенным впрыском двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом и без такового с повышенным наполнением цилиндра свежим зарядом.
2. Уровень техники
Современные двигатели внутреннего сгорания для автомобилей отличаются многоклапанной конструкцией газораспределительного механизма. Увеличение количества клапанов позволяет увеличить наполняемость цилиндра свежим зарядом, а значит и мощность двигателя при том же рабочем объеме. Наибольшее гидравлическое сопротивление имеет сечение между впускным или выпускным клапаном и седлом клапана головки цилиндра. Пропускная способность зависит от хода клапана, длины окружности контактной поверхности и количества клапанов. Увеличение площади самого клапана приводит к увеличению усилия на открытие клапана и увеличению давления контактных поверхностей клапана и седла, причем в квадратичной зависимости от радиуса, хотя площадь сечения газового канала и его пропускная способность имеет линейную зависимость от радиуса клапана. Поэтому конструкция двигателя развивается в сторону увеличения количества клапанов, причем часть клапанов - впускные, часть - выпускные.
Известен патент РФ 2515686, в котором техническая проблема увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом решается: во-первых, открытием одного большого цилиндрового клапана и выпуском отработавших газов через открытые выпускные поворотные заслонки, находящиеся в выпускном канале, при этом впускные заслонки, находящиеся во впускном канале - закрыты, во-вторых открытием дополнительного клапана, размещенного внутри полого большого клапана, и сообщающего цилиндр с дополнительным впускным каналом через окна пустотелого клапана, и открытием впускных заслонок и закрытием выпускных заслонок. Продувка цилиндра происходит через открытый малый клапан, открытый большой клапан и открытые выпускные заслонки. Необходимо отметить, что в изобретении предложена лишь принципиальная кинематическая схема конструкции и неизвестно, каким образом обеспечивается управление заслонками-жалюзи. При попытке разработать конкретную конструкцию возникнет ряд сложностей, которые необходимо преодолевать. Например, двигатели легковых автомобилей ограничены габаритом по высоте, это объясняется ограниченностью подкапотного пространства. Управляемые разными кулачками распредвала коромысла, управляющие двумя клапанами, невозможно выполнить соосными, тогда как клапаны расположены соосно. Основной же недостаток одноклапанной конструкции - это большое усилие открытия клапана в такте выпуска и большое давление в пятне контакта между клапаном и седлом в начале такта рабочего хода, при ограниченной пропускной способности, меньшей, чем в многоклапанной конструкции с той же площадью клапанов.
Аналогична данному изобретению конструкция прототипа патента РФ 2032815 с подобными недостатками, отличие в том, что отсутствуют поворотные заслонки и дополнительный канал.
Известно изобретение РФ 2465469, в котором техническая проблема увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом решается улучшенной продувкой цилиндра путем открытия дополнительного выпускного клапана через дополнительный выпускной канал с уменьшенным сопротивлением (без турбонаддува). Недостатком данной конструкции является уменьшенное наполнение цилиндра свежим зарядом, так как оно происходит через один впускной клапан. Кроме того затруднительно увеличить количество основных впускных и выпускных клапанов.
Известны изобретения РФ 2345228 и РФ 2286466, в которых техническая проблема увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом решается уменьшением сопротивления движения газов открытием одного большого клапана в такте выпуска и поворотом выпускной заслонки и повторным открытием (судя по форме кулачка) этого же клапана в такте впуска и поворотом впускной заслонки. Основной недостаток одноклапанной конструкции - это большое усилие открытия клапана в такте выпуска и большое давление в пятне контакта между клапаном и седлом в такте рабочего хода, при ограниченной пропускной способности, меньшей, чем в многоклапанной конструкции при той же площади клапанов. Кроме того, такая конструкция не позволяет выполнять продувку цилиндра, в результате наполняемость свежим зарядом уменьшается за счет большего количества остающихся отработавших газов.
Известно изобретение РФ 2227830, в котором техническая проблема увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом решается выполнением одного большого клапана по оси цилиндра и второго клапана - в виде узкого кольца вокруг первого клапана. Так как площадь сечения канала при открытом кольце - больше, чем центрального клапана, поэтому очевидно, что кольцо является впускным клапаном. При этом будет большое усилие на открытие большого центрального выпускного клапана и высокое давление между этим клапаном и седлом в такте рабочего хода. Другой недостаток - возможность открытия кольца с перекосом и последующим заклиниванием, так как кольцо открывается несколькими штоками (как минимум тремя), часть из которых должны управляться разными распределительными валами.
Известно изобретение РФ 2227830, в котором техническая проблема увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом решается уменьшением сопротивления движению газов открытием одного большого клапана и перемещением соосной полой втулки вниз в такте выпуска и вверх в такте впуска. Недостаток одноклапанной конструкции аналогичен предыдущим прототипам, кроме того штоки втулки необходимо перемещать абсолютно синхронно, иначе возможен перекос и заклинивание втулки, что будет усугубляться при ее нагреве и расширении. Кроме того, невозможна продувка цилиндра, и увеличивается вертикальный габарит головки цилиндра, что ограничивает применение такой конструкции для двигателей легковых автомобилей.
Известно изобретение РФ 2611702, в котором техническая проблема увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом решается уменьшением сопротивления движению газов открытием одного большого клапана, сообщающего цилиндр с общей полостью над цилиндром и открытием одного двухтарельчатого клапана, сообщающего полость над цилиндром сначала с выпускным коллектором, затем с впускным. Недостаток одноклапанной конструкции аналогичен предыдущим прототипам, кроме того тарельчатый клапан имеет повышенное сопротивление потоку газов. Применение тарельчатого клапана в цилиндре оправдано необходимостью герметизации камеры сгорания, в которой возникает большое давление, применение же двухтарельчатого клапана, для перенаправления потоков газов вне цилиндра не оправдано, так как давление значительно меньше, чем в цилиндре. Помимо этого не происходит продувка цилиндра.
В качестве аналога принимается патент US 2215579 А, опубликованный 24.09.1940 г. в котором перераспределение потоков газов происходит при помощи поворотной заслонки, управляемой кулачком, установленным на распределительном валу, передающим усилие через толкатель и рычаг на заслонку. Недостатком такого привода заслонки является отсутствие в конструкции возвратной пружины, из-за чего позиционирование заслонки в крайнем нижнем и среднем положении не будет достаточно надежным. Кроме того, в крайнем верхнем и нижнем положении заслонка не может примыкать герметично к окнам впускного и выпускного коллектора, иначе произойдет поломка механизма привода, поэтому неизбежны утечки отработавших газов во впускной коллектор или потери части зарядного воздуха - в ДВС с наддувом, или присосы отработавших газов в цилиндр, что снижает эффективность двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, многоклапанная конструкция, обеспечивающая сообщение цилиндра с впускным и выпускным коллектором при надежной его герметизации, предпочтительнее одного большого цилиндрового клапана. Одновременное открытие всех цилиндровых клапанов позволяет решить техническую проблему увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом, при этом применение одной поворотной заслонки для перераспределения потоков отработавших газов и свежего заряда способствует решению этой проблемы без существенного увеличения вертикального габарита головки цилиндра, при этом сохраняется возможность продувки цилиндра, что уменьшает остаток отработавших газов и позволяет применять ее для двухтактных двигателей. Необходимо пересмотреть конструкцию привода заслонки для обеспечения надежной работы газораспределительного механизма. Такая конструкция привода позволяет решить также техническую проблему расширения арсенала технических средств, предназначенных для газораспределения двигателей внутреннего сгорания.
3. Раскрытие сущности изобретения
Головка 1 (Фиг. 1) цилиндра 8 имеет два и более цилиндровых клапана 5, полости головки разделены перегородкой 6 так, чтобы в каждую полость открывалось одинаковое количество клапанов 5. На входе в головку 1 из впускного коллектора 2 и на выходе в выпускной коллектор 3 установлена поворотная перепускная заслонка 7 на валу 4, которая, поворачиваясь, перекрывает или впускной коллектор 2, или выпускной 3. Каждый цилиндр имеет свою заслонку, но подключен к общим впускному и выпускному коллекторам. В процессе движения заслонка проходит около перегородки 6, обеспечивая, таким образом, разделение полостей. Вал заслонки закреплен в подшипниковых втулках перегородок 9.
Привод заслонки состоит из кулачка заслонки 24, являющегося частью распредвала 25 шайбы 12, вкручивающейся на мелкой резьбе в подвижную втулку 13, в которой размещен шток 15, предварительно поджатый шайбой 12 через пружину 14 и регулировочную шайбу 18, и, соединенный через серьгу 11 с рычагом 10 вала 4 поворотной заслонки 7. Между шайбой 12 и головкой 1 установлена возвратная пружина 16.
Жесткость пружины 14 должна быть больше жесткости пружины 16. Подвижная втулка 13 перемещается в неподвижной втулке 29.
В данном варианте существует возможность размещения свечи зажигания 19 или предкамеры (форкамеры), или форсунки дизеля, или форсунки бензинового или газового двигателя с непосредственным впрыском топлива в цилиндры в предусмотренном для этого канале 22. Для двигателей с распределенным впрыском топлива во впускной канал головки цилиндра топливная форсунка может быть установлена в предусмотренном для этого канале 20 головки 1 и клапанной крышки 23, при этом распылитель будет находиться в положении поз. 21. Для предотвращения попадания топлива на нагретый выпускной коллектор 3 при повреждении трубопровод подачи топлива 2 6 к форсунке должен быть выведен в противоположную от коллектора сторону двигателя, а для предотвращения попадания топлива на выпускной коллектор при истечении из канала 20 форсунки предусматривается дренажный канал 27. Канал трубопровода 26 проложен над распредвалами и снимается вместе с клапанной крышкой 23, а дренажный канал 27 является частью головки.
Заслонка 7 может быть выполнена вертикально, тогда перегородка
6 будет разделять полости клапанов в вертикальной плоскости, в утолщениях которой может располагаться полость для свечи зажигания или форсунки. Форсунка для двигателей с распределенным впрыском во впускной канал будет иметь два распылителя: в каждую полость над клапанами. При этом ось привода заслонки и канала форсунки 2 0 будут смещены относительно друг друга, а канал форсунки будет выполнен с наклоном. Кулачек заслонки переместится между кулачками цилиндровых клапанов.
Привод поворотной заслонки может быть реализован также от соленоидного клапана, управляемого микропроцессором двигателя по специальному алгоритму.
4. Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Представлен газораспределительный механизм в варианте с горизонтальным расположением поворотной заслонки. Представлен вариант с четырьмя цилиндровыми клапанами. На чертеже условно не показаны элементы системы смазки, зажигания, подачи топлива.
5. Осуществление изобретения:
В такте выпуска отработавших газов (Фиг. 1) поворотная заслонка
7 находится в верхнем положении, перекрывающем впускной коллектор 2, при этом полости всех клапанов соединены с выпускным коллектором 3. Открываются все цилиндровые клапаны 5 и отработавшие газы выходят из цилиндра через все клапаны 5 в выпускной коллектор. Клапаны, перегородка 6 и заслонка 7, при этом, нагреваются. Далее заслонка начинает движение вниз и фиксируется на определенное время вблизи перегородки 6, обеспечивая преимущественное движение потока воздуха из впускного коллектора 2 в выпускной 3 через клапаны и цилиндр 8, при этом происходит его продувка. Если двигатель оснащен турбонаддувом или компрессором с приводом от коленчатого вала, продувка происходит под действием компрессора, если не оснащен - под действием эжекции движущихся от цилиндра отработавших газов.
По окончании продувки заслонка продолжает движение вниз и фиксируется в нижнем положении, начинается такт впуска. Воздух проходит из впускного коллектора 2 через все клапаны 5 и поступает в цилиндр 8, при этом происходит впрыск топлива через распылитель 21 во впускной коллектор. Топливо-воздушная смесь охлаждает клапаны, заслонку, при этом, подогреваясь и улучшая испарение топлива. За счет того, что свежий заряд поступает через все цилиндровые клапаны, наполняемость цилиндра будет выше, чем в традиционных двигателях. Необходимо отметить, что подогрев смеси несколько ограничит наполняемость. По окончании такта впуска, все цилиндровые клапаны 5 закрываются, а заслонка возвращается в первоначальное положение, что должно происходить достаточно быстро во избежание значительного перетока газов между впускным и выпускным коллектором непосредственно.
Привод цилиндровых клапанов может осуществляться
непосредственно от распредвалов, как показано на Фиг. 1 через толкатели 28, или через коромысла, или в случае с нижним расположением распредвалов через толкатели, траверсы и коромысла. Толкатели 28 могут быть механическими или с гидравлической самокомпенсацией. Регулирование фаз газораспределения возможно при более раннем открытии клапанов, управляемых от одного распредвала, через которые будет происходить начало выпуска отработавших газов и более позднего закрытия клапанов, управляемых от другого распредвала, через которые будет происходить окончание впуска свежего заряда или воздуха.
Привод заслонки 7 осуществляется следующим образом. На одном из распредвалов, ближнем к заслонке, имеется специальный кулачок 24 с формой, обеспечивающей ее двухступенчатое движение. При повороте распредвала 25, кулачек 24 набегает на шайбу 12, перемещая подвижную втулку 13, которая через пружину 14 воздействует на шток 15, связанный с рычагом 10 заслонки 7 шарнирно через серьгу 11, сжимая пружину 16. При достижении заслонкой 7 нижнего положения, она упирается в уступы окна выпускного коллектора данного цилиндра и кулачок 24, продолжая движение, поджимает пружину 14, обеспечивая герметизацию полостей, разделяемых заслонкой, при этом предотвращается жесткий удар в механической цепочке от кулачка 24 до заслонки 7. Жесткость пружины 14 должна быть больше жесткости пружины 16. При дальнейшем повороте кулачка сначала разжимается пружина 14, затем начинается обратное движение заслонки под действием пружины 16.
Сопротивление движению заслонки незначительное, поэтому шайба 12 вкручивается в подвижную втулку 13 на мелкой резьбе, при этом регулируется зазор между кулачком и шайбой и предварительно поджимается пружина 14, которая дополнительно предотвращает откручивание шайбы 12. Усилие сжатия пружины 14 регулируется толщиной регулировочной шайбы 18.
Таким образом, результатом осуществления изобретения будет повышение максимальной мощности двигателя при том же рабочем объеме за счет повышения наполняемости цилиндра свежим зарядом как в случае с турбонаддувом, так и без, а также повышение КПД двигателя в режиме максимальной мощности за счет снижения гидравлических потерь на преодоление сопротивления движению отработавших газов и свежего заряда в самом «узком месте» - сопряжении цилиндровых клапанов и клапанного седла. Повышается также КПД бензиновых двигателей на всем диапазоне нагрузок за счет улучшения испарения топлива от нагретых деталей и условий сгорания смеси в цилиндре, что актуально для двигателей с непосредственным распределенным впрыском бензина во впускные каналы, так как форсунка располагается близко к цилиндру и время, отведенное на испарение топлива, ограничивает максимальную частоту вращения. При этом не происходит существенного увеличения вертикального габарита двигателя, что актуально для двигателей легковых автомобилей.