СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ВАЛА ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, А ТАКЖЕ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ТАКОЙ СИСТЕМОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ВАЛА
CAMSHAFT SYSTEM OF RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SUCH CAMSHAFT SYSTEM

Изобретение относится к системе распределительного вала поршневого двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, с одним фазорегулируемым впускным распределительным валом и, по меньшей мере, одним фазорегулируемым выпускным распределительным валом, а также к поршневому двигателю внутреннего сгорания с такой системой распределительного вала.
Из DE 19527503 А1 известно определение в поршневых двигателях внутреннего сгорания углового положения коленчатого и распределительного валов с помощью подходящих сенсорных систем. В этом отношении следует сослаться, в частности, на расположение маркерных дисков с соответствующими датчиками. В этой публикации отсутствует ссылка на поршневые двигатели внутреннего сгорания с двумя распределительными валами, в частности на поршневые двигатели внутреннего сгорания с двумя фазорегулируемыми распределительными валами.
Из DE 102008032026 А1 известен сенсорный блок распределительного вала для определения абсолютного положения распределительного вала поршневого двигателя внутреннего сгорания с маркерным диском. Маркерный диск содержит распределенное по его окружности некоторое число триггеров, которые обеспечивают точность распознавания угла менее 20 градусов поворота распределительного вала. В этой публикации отсутствует ссылка на поршневые двигатели внутреннего сгорания с двумя фазорегулируемыми распределительными валами.
Из DE 10156780 А1 известен поршневой двигатель внутреннего сгорания с впускным распределительным валом и выпускным распределительным валом, причем только выпускной распределительный вал выполнен фазорегулируемым, и ему придан так называемый маркерный диск быстрого запуска. В этой публикации отсутствует ссылка на поршневые двигатели внутреннего сгорания с двумя фазорегулируемыми распределительными валами.
В основе изобретения лежит задача создания системы распределительного (кулачкового) вала для поршневого двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, с одним фазорегулируемым впускным распределительным валом и, по меньшей мере, одним фазорегулируемым выпускным распределительным валом, а также поршневого двигателя внутреннего сгорания с такой системой распределительного вала, которые обеспечивали бы быстрый запуск поршневого двигателя внутреннего сгорания, были бы недорогими в реализации и одновременно обеспечивали бы повышенную точность при определении положения распределительного вала.
Эта задача решается согласно изобретению посредством признаков независимых пунктов формулы.
У предложенной системы распределительного вала для поршневого двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, с одним фазорегулируемым впускным распределительным валом и, по меньшей мере, одним фазорегулируемым выпускным распределительным валом, по меньшей мере, одному фазорегулируемому выпускному распределительному валу придан блок маркерного диска быстрого запуска, а, по меньшей мере, одному фазорегулируемому впускному распределительному валу придан блок прецизионного маркерного диска, причем блок прецизионного маркерного диска имеет более высокое разрешение, чем блок маркерного диска быстрого запуска.
Под блоком маркерного диска быстрого запуска в этой связи следует понимать блок, который формирует сигнал (характеристику сигнала), обеспечивающий в связи с сигналом (характеристикой сигнала) блока датчика коленчатого вала однозначную привязку рабочего такта каждого цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания. В случае четырехцилиндрового двигателя это может осуществляться, в частности, за счет того, что комбинация сигналов блока маркерного диска быстрого запуска и блока датчика коленчатого вала (например, определение проходящей мимо датчика боковой стороны зубца или иной метки) однозначная. Более подробная ссылка дана ниже в сочетании с примером осуществления изобретения.
1
Под блоком маркерного диска быстрого запуска в этой связи следует понимать, в частности, комбинацию маркерного диска быстрого запуска с n сегментами и взаимодействующего с этим маркерным диском быстрого запуска датчика, который выполнен для сокращения времени запуска поршневого двигателя внутреннего сгорания за счет того, что он в процессе запуска поршневого двигателя внутреннего сгорания предоставляет надежную информацию о положении выпускных клапанов. Такие блоки маркерного диска быстрого запуска известны из уровня техники. Изобретение исходит из того, что фазорегуляторы впускного распределительного вала и выпускного распределительного вала при запуске поршневого двигателя внутреннего сгорания известным образом блокированы в однозначных опорных положениях, благодаря чему с помощью названного блока маркерного диска быстрого запуска известно не только положение выпускного распределительного вала, но и положение впускного распределительного вала.
2
Под блоком прецизионного маркерного диска в данном случае следует понимать, в частности, комбинацию прецизионного маркерного диска с n сегментами и взаимодействующего с ним датчика прецизионного маркерного диска, который имеет более высокое разрешение, чем блок маркерного диска быстрого запуска, и выполнен для предоставления во время работы поршневого двигателя внутреннего сгорания дополнительной информации о степени наполнения отдельных цилиндров за счет точного определения момента закрывания впускных клапанов через положение впускного распределительного вала. Это осуществляется за счет непрерывной обработки сигналов прецизионного маркерного диска посредством датчика прецизионного маркерного диска, в частности во время работы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Под «более высоким разрешением» в данном случае подразумевается то, что число сегментов прецизионного маркерного диска больше соответствующего числа сегментов маркерного диска быстрого запуска. Поэтому один оборот впускного распределительного вала «более высоко разрешен» с помощью блока прецизионного маркерного диска, т.е. разделен на меньшие отрезки, чем с помощью блока маркерного диска быстрого запуска.
Следует учесть также, что блок маркерного диска быстрого запуска и блок прецизионного маркерного диска используются для разных целей, а именно блок маркерного диска быстрого запуска – для максимально быстрого определения положения кривошипно-шатунного и распределительного механизмов поршневого двигателя внутреннего сгорания в процессе запуска с блокированными фазорегуляторами распределительных валов, с одной стороны, а блок прецизионного маркерного диска – для улучшения определения наполнения цилиндров во время работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, с другой стороны. Поэтому прецизионный маркерный диск разделен преимущественно на большое число одинаковой величины сегментов с равным шагом (единственным исключением нередко является опорная метка при отсутствии одного сегмента или с двойным сегментом), тогда как маркерный диск быстрого запуска имеет меньше сегментов нередко с неравным шагом. Блок маркерного диска быстрого запуска дополнительно обеспечивает определение положения выпускного распределительного вала во время работы двигателя, однако с меньшей точностью, чем блок прецизионного маркерного диска.
Предложенная система распределительного вала обладает тем преимуществом, что за счет соответствия расположения блока прецизионного маркерного диска фазорегулируемому впускному распределительному валу и соответствия расположения блока маркерного диска быстрого запуска фазорегулируемому выпускному распределительному валу обеспечиваются высокая точность определения положения впускного распределительного вала при одновременной способности быстрого запуска и за счет этого в большом числе эксплуатационных состояний – более точные и, тем самым, более эффективные впрыск и сгорание в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Поэтому изобретение представляет собой для поршневых двигателей внутреннего сгорания с двойным фазорегулированием (т.е. с фазорегулируемым впускным распределительным валом и фазорегулируемым выпускным распределительным валом) предпочтительный компромисс между стоимостью изготовления и точностью определения наполнения цилиндров поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Под термином «сегмент» в данном случае следует понимать любое средство для формирования и регистрации, по меньшей мере, двух разных сигналов, которое обеспечивает определение положения. Такими средствами являются, в частности, геометрически распознаваемые элементы (например, боковые стороны с расположенными между ними возвышенными и углубленными участками, зубцы, промежутки, прорези), магнитные поля и/или оптические метки, которые могут регистрироваться известными датчиками. Преимущественно используются сегменты и датчики, с помощью которых можно различать точно два разных состояния или сигнала (например, высоко/низко или 0/1).
В одном практичном варианте предложенной системы распределительного вала каждый сегмент маркерного диска быстрого запуска и/или прецизионного маркерного диска состоит из возвышенного участка е и углубленного участка v, причем возвышенные участки е и углубленные участки v соединены между собой радиально проходящими боковыми сторонами F. Под «радиально проходящими» необязательно понимается исключительно радиальное направление протяженности. Эта формулировка включает в себя также направления протяженности боковых сторон F, которые проходят частично в радиальном направлении, а частично в окружном направлении. Они могут отличаться от возвышенных участков е и углубленных участков v в последнем случае, в частности, тогда, когда возвышенные участки е и углубленные участки v проходят исключительно в окружном направлении.
В другом практичном варианте предложенной системы распределительного вала все возвышенные участки е и/или все углубленные участки v маркерного диска быстрого запуска и/или прецизионного маркерного диска расположены соответственно на окружности, расположенной концентрично вокруг оси D вращения соответствующего распределительного вала. Это имеет то преимущество, что направленный в радиальном направлении на маркерный диск быстрого запуска и/или прецизионный маркерный диск датчик должен регистрировать соответственно постоянное расстояние на описанных выше возвышенных участках е и на описанных выше углубленных участках v. Поэтому используются датчики простой конструкции и недорогие в изготовлении.
1
2
1
2
2
2
2
Далее в предложенной системе распределительного вала предпочтительно, если число сегментов n прецизионного маркерного диска составляет, по меньшей мере, (2*n-1). Преимущественно число сегментов n составляет либо (x*n), (x*n+1), либо (x*n-1), причем х обозначает положительное целое число, а n – число сегментов маркерного диска быстрого запуска.
2
Значение (x*n+1) возникает в том случае, если в качестве метки одного полного оборота прецизионного маркерного диска один сегмент «стандартной величины» разделить на два сегмента половинной величины, т.е. если метку реализовать за счет одного дополнительного возвышенного участка е.
2
Значение (x*n-1) возникает в том случае, если в качестве метки одного полного оборота прецизионного маркерного диска отсутствует один возвышенный участок е (промежуток в качестве метки). Промежуток в качестве метки предпочтителен, в частности, тогда, когда предусмотренный датчик прецизионного маркерного диска не смог бы или не смог бы надежно считать дополнительную метку, т.е. когда с имеющимися метками разрешение предусмотренного датчика прецизионного маркерного диска полностью или в самой значительной степени полностью исчерпано.
2
Значение (x*n) возникает в том случае, если на прецизионном маркерном диске делается независимая от сегментов дополнительная метка. Дополнительная метка предпочтительна, в частности, тогда, когда она может надежно регистрироваться предусмотренным датчиком прецизионного маркерного диска.
Чтобы снизить стоимость изготовления прецизионного маркерного диска и, тем самым, стоимость предложенного блока распределительных валов, может быть предпочтительным, если прецизионный маркерный диск имеет больший наружный диаметр, чем маркерный диск быстрого запуска. В этом случае имеющий более высокое разрешение (т.е. больше сегментов) прецизионный маркерный диск может быть изготовлен с большими абсолютными значениями допуска, поскольку длина возвышенных и углубленных участков (при этом речь идет обычно об отрезках дуги окружности) возрастает с увеличением диаметра.
Изобретение относится также к поршневому двигателю внутреннего сгорания с описанной выше системой распределительного вала. На связанные с ним преимущества, уже описанные выше в связи с системой распределительного вала, дается еще раз ссылка. Под термином «поршневой двигатель внутреннего сгорания» выше подразумевались, в частности, четырехтактные двигатели внутреннего сгорания автомобилей с принудительным воспламенением рабочей смеси. Однако изобретение не ограничено ими, а может применяться, кроме того, в частности, также в других транспортных средствах, таких как судовые или авиационные двигатели, а также в стационарных двигателях.
2
2
В другом практичном варианте предложенного поршневого двигателя внутреннего сгорания он содержит z цилиндров, причем число n сегментов маркерного диска быстрого запуска (12) соответствует целочисленному кратному числа z цилиндров. Целочисленное кратное означает, в частности, также число n сегментов, точно соответствующее числу z цилиндров. За счет этого каждому отдельному цилиндру поршневого двигателя внутреннего сгорания на такте смены рабочей смеси или на рабочем такте соответствует такое же число обрабатываемых сигналов.
Далее предпочтительно, если предложенный поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит коленчатый вал, которому придан собственный блок маркерного диска коленчатого вала. В случае такого блока маркерного диска коленчатого вала речь идет преимущественно о маркерном диске с большим числом зубцов, выступов и/или прорезей, которые равномерно распределены по окружности, причем разрешение тем выше, чем больше зубцов, выступов и/или прорезей распределено по окружности. За счет комбинации сигналов, регистрируемых блоком маркерного диска коленчатого вала, и сигналов, регистрируемых блоком маркерного диска быстрого запуска, можно однозначно определить положение кривошипно-шатунного и распределительного механизмов поршневого двигателя внутреннего сгорания (при блокированных регуляторах распределительных валов). Это возможно с меньшей точностью также за счет комбинации сигналов блока маркерного диска быстрого запуска с блоком прецизионного маркерного диска (например, для аварийного хода).
Преимущественно коленчатый вал, по меньшей мере, один впускной распределительный вал и, по меньшей мере, один выпускной распределительный вал предложенного поршневого двигателя внутреннего сгорания соединены между собой общим распределительным механизмом и приводятся сообща. Это позволяет отказаться от отдельных приводных блоков и синхронизации этих приводных блоков.
Другие практичные варианты осуществления и преимущества изобретения описаны ниже в связи с чертежами. На чертежах изображают:
- фиг. 1: блок маркерного диска быстрого запуска и блок прецизионного маркерного диска предложенного поршневого двигателя внутреннего сгорания вместе с блоком прецизионного маркерного диска коленчатого вала.
K
A
E
На фиг. 1 в схематичном виде изображены ось D вращения коленчатого вала (не показан), ось D вращения выпускного распределительного вала (не показан) и ось D вращения впускного распределительного вала (не показан) рядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания (двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси).
Выпускной распределительный вал связан с блоком 10 маркерного диска быстрого запуска, включающим в себя маркерный диск 12 быстрого запуска и датчик 14 маркерного диска быстрого запуска. Маркерный диск 12 быстрого запуска включает в себя четыре попеременно расположенных возвышенных участка е и углубленных участка v, которые соединены между собой проходящими исключительно в радиальном направлении боковыми сторонами F. Возвышенные участки можно назвать также «зубцами». Под «связан» в данном случае подразумевается то, что маркерный диск 12 быстрого запуска соединен без возможности проворота с выпускным распределительным валом. Это может осуществляться, в частности, за счет выполнения маркерного диска 12 быстрого запуска за одно целое с распределительным валом или за счет соединения без возможности проворота отдельного маркерного диска 12 быстрого запуска (как показано на фиг. 1) с распределительным валом. С помощью датчика 14 маркерного диска быстрого запуска определяется, находится ли в зоне измерения датчика 14 маркерного диска быстрого запуска как раз возвышенный участок е и/или углубленный участок v. На этой основе выводятся текущие положения выпускных клапанов. Как видно на фиг. 1, маркерный диск 12 быстрого запуска имеет четыре сегмента с неравным шагом, т.е. угловой диапазон углубленного участка v и угловой диапазон возвышенного участка е одного сегмента разные по величине.
Впускной распределительный вал связан с блоком 20 прецизионного маркерного диска, включающим в себя прецизионный маркерный диск 22 и датчик 24 прецизионного маркерного диска. Прецизионный маркерный диск 22 имеет 12+1(=13) попеременно расположенных возвышенных участков е и углубленных участков v, которые соединены между собой проходящими исключительно в радиальном направлении боковыми сторонами F. За счет «подсчета» и обработки сигналов посредством датчика 24 прецизионного маркерного диска можно ограничить текущее положение впускного распределительного вала. Обработка может осуществляться, например, известным образом путем измерения плотности магнитного потока за счет угла поворота впускного распределительного вала. Обработка используется для определения степени наполнения цилиндров поршневого двигателя внутреннего сгорания. Возвышенный участок е, который направлен на датчик 24 прецизионного маркерного диска и является частью дополнительного сегмента, служит в качестве опорной метки. Прецизионный маркерный диск 22 имеет, тем самым, двенадцать сегментов с равным (одинарным) шагом, причем за счет описанной выше опорной метки один сегмент с одинарным шагом был «расчленен» на два сегмента с половинным шагом.
Коленчатый вал связан с блоком 30 маркерного диска коленчатого вала, включающим в себя маркерный диск 32 коленчатого вала и датчик 34 маркерного диска коленчатого вала. Маркерный диск 32 коленчатого вала включает в себя большое число равномерно распределенных по окружности зубцов 36 и промежуток 38, служащий в качестве опорной метки.
В данном примере датчики 14, 24, 34 представляют собой известные датчики Холла. Специалисту надлежит использовать вместо этих датчиков 14, 24, 34 другие подходящие датчики, также и, в частности, тогда, когда сегменты вместо возвышенных участков е и углубленных участков v выполнены иначе (например, магнитные и/или оптические сегменты и соответствующие датчики).
На фиг. 1 приведены следующие размерные данные:
e1
d: диаметр в зоне возвышенных участков е прецизионного маркерного диска 22,
v1
d: диаметр в зоне углубленных участков v прецизионного маркерного диска 22,
e2
d: диаметр в зоне возвышенных участков е маркерного диска 12 быстрого запуска,
v2
d: диаметр в зоне углубленных участков v маркерного диска 12 быстрого запуска.
e1
v1
e2
v2
v2
e1
e2
e1
В показанном варианте использовались следующие размеры: d=80 мм, d=72 мм, d=60 мм. Размер d может быть подходящим образом согласован с точностью датчика 14 маркерного диска быстрого запуска. В показанном варианте d составляет около 50 мм. В предложенной системе предпочтительно, если d выбирается больше, чем d, поскольку разрешение прецизионного маркерного диска 22 выше, а требуемые допуски могут быть тем выше, чем больше выбирается d.
Обозначенные на прецизионном маркерном диске 22 углы α, β, γ составляют в показанном варианте α=25,5° (всего 11 раз), β=10,5° (всего 2 раза), а γ=4,5° (всего 13 раз, т.е. на каждом возвышенном участке). Таким образом, окружность прецизионного маркерного диска 22 разделена на 11 сегментов с углом по 30° и 2 сегмента с углом по 15°.
Раскрытые в данном описании, на чертежах и в формуле признаки изобретения могут быть существенными как по отдельности, так и в произвольных комбинациях для реализации изобретения в его различных вариантах. Изобретение не ограничено описанными вариантами. Оно может варьироваться в рамках формулы изобретения и с учетом знаний специалиста в данной области.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 – блок маркерного диска быстрого запуска
12 – маркерный диск быстрого запуска
14 – датчик маркерного диска быстрого запуска
20 – блок прецизионного маркерного диска
22 – прецизионный маркерный диск
24 – датчик прецизионного маркерного диска
30 – блок маркерного диска коленчатого вала
32 – маркерный диск коленчатого вала
34 – датчик маркерного диска коленчатого вала
36 – зубец
38 – промежуток между зубцами