Механизм газораспределения поршневого двигателя внутреннего сгорания
MECHANISM OF GAS DISTRIBUTION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTON

Изобретение относится к двигателестроению и в первую очередь к ДВС с электромагнитным механизмом газораспределения.
Известен механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в котором используется электромагнитный привод клапанов с двумя противоположно действующими смыкающими электромагнитами, общим тяговым якорем, установленным на клапанном стержне, и двумя демпфирующими пружинами (см. патент ФРГ №2630512, М.кл. F02D 13/02, опубл. 1976 г.).
Основными недостатками указанной конструкции являются:
- громоздкость электромагнитов и достаточно высокое потребление электроэнергии из бортовой сети автомобиля;
- невысокая эксплуатационная надежность ввиду невозможности исключения ударов клапана об седло;
- практическая нереализуемость использования механизма для управления клапаном выпуска из-за необходимости развития больших тяговых усилий электромагнита в момент открытия клапана.
Известен механизм газораспределения поршневого двигателя внутреннего сгорания с электрогидравлическим управлением (см. патент СССР №775359, кл. F01L 25/08, F01L 9/00, опубл. 1980 г.). Несмотря на то, что механизм позволяет осуществлять привод и управление работой как впускного, так и выпускного клапанов, он обладает рядом недостатков, из-за которых он не нашел практического применения, а именно:
- необходимость применения гидравлической и электромагнитной систем, что существенно усложняет конструкцию и эксплуатацию;
- ненадежность работы, обусловленную возможностью замерзания жидкости зимой;
- возможный отказ в работе из-за возникновения кавитации или гидравлических ударов, особенно в быстроходных ДВС.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является механизм газораспределения поршневого ДВС, включающий клапан впуска, клапан выпуска, седла и направляющие клапанов, установленные в головке блока цилиндра двигателя, электромагнитный привод с пневмоамортизатором для каждого клапана, открывающие и закрывающие электромагниты, размещенные в корпусах, якоря электромагнитного привода и верхние и нижние камеры (см. патент ФРГ 197.33.186 А1, кл. F01L 9/04, опубл. 1999 г.).
Недостатки известного технического решения заключаются в том, что электромагнитный привод обладает большими габаритами и затратами электроэнергии, особенно для клапана выпуска. Кроме того, этот привод требует использования для организации системы амортизации и торможения внешнего воздушного источника, а также сложного алгоритма работы управления электромагнитными клапанами, что в конечном итоге приводит к усложнению конструкции и снижению надежности всего механизма газораспределения поршневого двигателя.
Достигаемая задача - упрощение конструкции и повышение надежности устройства механизма газораспределения ДВС за счет разгрузки электромагнитного привода от действия газовых усилий в сочетании с устройством внутренней пневматической амортизации.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в механизме газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащем клапан впуска, клапан выпуска, седла и направляющие клапанов, установленные в головке блока цилиндра двигателя, электромагнитный привод с пневмоамортизатором для каждого клапана, открывающие и закрывающие электромагниты, размещенные в корпусах, якоря электромагнитного привода и верхние и нижние камеры, якоря электромагнитного привода выполнены в виде пневмопоршней, разделяющих корпуса с электромагнитами на верхние и нижние камеры, в каждой из которых выполнено окно, соединяющее камеру с атмосферой, при этом диаметр пневмопоршня выполнен на 20-30% больше среднего посадочного диаметра седла соответствующего клапана, а, кроме того, верхняя камера электромагнитного привода клапана выпуска подключена к цилиндру двигателя с помощью электромагнитного клапана и трубопровода с рубашкой охлаждения, а электромагнитный привод клапана впуска снабжен электромагнитным клапаном, который подключен к окну нижней камеры.
На чертеже показана конструктивная схема, поясняющая устройство механизма газораспределения поршневого ДВС.
Механизм включает клапан впуска 1, клапан выпуска 2, седло 3 клапана впуска 1, седло 4 клапана выпуска 2, направляющие втулки 5 и 6, расположенные в головке 7 блока цилиндра 8 двигателя, электромагнитный привод клапана впуска в виде открывающего электромагнита 9 и закрывающего электромагнита 10, размещенных в корпусе 11, и якоря электромагнитного привода, выполненного в виде пневмопоршня 12, диаметр которого на 20-30% больше посадочного диаметра седла 3 и который делит полость корпуса 11 на верхнюю камеру 13 и нижнюю камеру 14, в каждой из которых выполнены соответствующие окна 15 и 16. Кроме того, электромагнитный клапан впуска снабжен электромагнитным клапаном 17, который подключен к окну 16 нижней камеры 14, а электромагнитный привод клапана выпуска выполнен в виде открывающего электромагнита 18 и закрывающего электромагнита 19, размещенных в корпусе 20, и якоря электромагнитного привода в форме пневмопоршня 21, диаметр которого на 20-30% больше посадочного диаметра седла 4 и который делит полость корпуса 20 на верхнюю камеру 22 и нижнюю камеру 23, в каждой из которых выполнены окна соответственно 24 и 25, сообщающие камеры с атмосферой. При этом верхняя камера 22 электромагнитного привода клапана выпуска подключена к цилиндру 8 двигателя с помощью электромагнитного клапана 26 и трубопровода 27, который имеет рубашку 28 охлаждения, которая может быть подключена к системе охлаждения двигателя.
В цилиндре 8 двигателя установлен поршень 29, совершающий возвратно-поступательное движение.
Работа механизма газораспределения поршневого ДВС происходит следующим образом. При подходе поршня 29 к НМТ по команде от системы управления подается питание на катушку открывающего электромагнита 18 и команда на открытие электромагнитного клапана 26. После открытия электромагнитного клапана 26 верхняя камера 22 электромагнитного привода клапана выпуска 2 сообщается с полостью цилиндра 8. В результате рабочий газ поступает в верхнюю камеру 22 по трубопроводу 27, где он охлаждается за счет теплообмена с жидким агентом, поступающим в рубашку 28 из системы двигателя. Давление в верхней камере 22 мгновенно становится равным давлению рабочего газа в цилиндре 8 двигателя, но так как диаметр якоря электромагнита 21, жестко связанного с клапаном выпуска 2, больше на 20-30% среднего посадочного диаметра седла 4, то возникает первоначальное усилие, под действием которого клапан выпуска 2 отрывается от седла 4 в сторону открытия.
После отрыва клапана выпуска 2 от седла 4 давление газа в цилиндре 8 и верхней камере 22 резко падает до атмосферного и дальнейшее движение клапана выпуска 2 ускоренно продолжается под действием усилия открывающего электромагнита 18, передаваемого через якорь электромагнита, выполненного в виде пневмопоршня 21. Ускоренное движение клапана будет продолжаться до тех пор, пока пневмопоршень 21 не перекроет окно 25, выполненное в корпусе 20 нижней камеры 23. Дальнейшее движение клапана выпуска 2 начинает тормозиться за счет повышения давления воздуха в замкнутом объеме нижней камеры 23. Под действием давления воздуха, действующего на площадь пневмопоршня 21, возникает усилие, противодействующее усилию от действия открывающего электромагнита 18 и силы инерции, возникающей от приведенной массы движущегося клапана выпуска 2. Это противодействие приводит к снижению скорости движения клапана выпуска 2 и одновременно сопровождается утечкой воздуха из нижней камеры 23 в атмосферу через окно 25 из щелевого зазора между пневмопоршнем 21 и корпусом 20, что обеспечивает в конечной стадии открытия безударную посадку пневмопоршня 21 на поверхность открывающего электромагнита 18.
В дальнейшем клапан остается в открытом положении под действием усилия открывающего электромагнита 18 до тех пор, пока из системы управления приходит команда, по которой закрывается электромагнитный клапан 26, отключается открывающий электромагнит 18 и включается закрывающий электромагнит 19, под действием усилия которого происходит ускоренное движение клапана в сторону посадки, которое будет продолжаться до тех пор, пока якорь электромагнитного привода 21 не перекроет окно 24 в верхней камере.
Дальнейший процесс посадки клапана сопровождается снижением скорости, так как за счет повышения давления газа в верхней камере 22 возникает усилие на пневмопоршень 21, компенсирующее силу инерции клапана и усилие от закрывающего электромагнита 19. В то же время происходит утечка газа из объема верхней камеры 22 через щелевой зазор между пневмопоршнем 21 и корпусом 20 в атмосферу через окно 24, что приводит к амортизации механического соударения клапана при его посадке на седло 4.
Конструкция и работа клапана впуска 1 во многом идентична клапану выпуска 2, но имеет два принципиальных отличия.
Во-первых, на клапане впуска 1 на момент открытия практически отсутствует усилие от давления рабочего газа в цилиндре 8 двигателя, что позволяет осуществить открытие и закрытие клапана только за счет усилий открывающего электромагнита 9 и закрывающего электромагнита 10, сохранив при этом принцип внутренней пневматической амортизации и торможения в верхней камере 13 и нижней камере 14.
Во-вторых, благодаря тому, что электромагнитный привод снабжен электромагнитным клапаном 17, который подключен к окну 16 нижней камеры 14, у привода появляется новое свойство, а именно, возможность управления величиной хода впускного клапана 1 в процессе его работы. Так, например, если электромагнитный клапан 17 будет находиться по команде от системы управления в открытом положении, то величина степени открытия будет соответствовать максимальному ходу клапана. В том случае, если электромагнитный клапан 17 будет находиться в закрытом положении, то тогда будет происходить минимальное открытие клапана впуска 1. С помощью программного управления электромагнитным клапаном 17 можно обеспечить необходимую степень открытия клапана впуска 1 в зависимости от режима работы ДВС.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить плавную посадку клапана на седло, что значительно увеличивает ресурс работы механизма газораспределения, снизить затраты электроэнергии на электромагнитный привод, осуществить пневматическую систему амортизации за счет сжатия воздуха, используя якорь электромагнитного привода в качестве пневмопоршня, что позволяет существенно упростить конструкцию предлагаемого механизма газораспределения и системы управления.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».