ПРИВОД КЛАПАНОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVE GEAR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к устройству четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с клапанным газораспределением.
Уровень техники
Широко известен механизм газораспределения, включающий один или пару распределительных валов с кулачками, управляющих работой установленных в головке цилиндра впускных и выпускных клапанов, непосредственно или через промежуточные детали в виде толкателей, штанг, коромысел (кн. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1980 г., с. 99-103). Высота и профиль кулачка определяют момент открытия клапана, продолжительность открытого состояния, величину проходного сечения для газов. Для возвращения клапана в закрытое состояние служит одна или пара пружин сжатия, насаженных на стержень клапана.
Недостатками механического привода клапанов являются повышенное шумообразование, существенные затраты энергии на преодоление сопротивления пружин при открывании клапана, снижающие КПД двигателя, и повышенный износ деталей механизма.
Известен электромагнитный привод клапанов газораспределения двигателя внутреннего сгорания (иначе ДВС), содержащий корпус магнитопровода, обмотки электромагнитов, взаимодействующий с ними якорь, жестко связанный со штоком клапана, и систему управления обмотками, включающую источник высокого напряжения.
В аналогичном устройстве по патенту СН 690830, МПК F01L 9/00, опубл. 31.01.2001, якорь выполнен в виде постоянного магнита, закрепленного на конце стержня (штока) клапана.
Существенным недостатком упомянутых аналогов является расположение электропроводки и источников высокого напряжения в непосредственной близости от высокотемпературной зоны камеры сгорания и системы подачи топлива, что снижает безопасность работы двигателя, повышает требования к изоляции элементов конструкции.
Наиболее близким аналогом для заявляемого технического решения является бесконтактный привод газораспределительных клапанов двигателя внутреннего сгорания, раскрытый в патенте на полезную модель UA 75426, МПК F01L 9/00, опубл. 26.11.2012 г. Упомянутый бесконтактный привод основан на взаимодействии постоянных магнитов, один из которых - кольцевой, закреплен на распределительном валу, а второй - цилиндрический - на конце стержня клапана с ориентацией одного из полюсов в сторону распределительного вала. Работа клапана, смена его открытого и закрытого положений, осуществляется за счет смены магнитных сил притяжения и отталкивания при повороте распределительного вала, вместе с которым поворачивается кольцевой магнит, выполняющий функции кулачка в известных механизмах.
Использование принципа взаимодействия постоянных магнитов позволило исключить из конструкции привода пружины и связанные с ними проблемы шумообразования, потери мощности и низкой износостойкости.
Существенным недостатком известной конструкции по патенту UA 75426 является наличие строгой зависимости работы клапана от угла поворота распределительного вала на 180°, при котором происходит смена магнитных полюсов кольцевого магнита, выполненного с диаметральной намагниченностью. Это существенно ограничивает возможности использования упомянутого привода, который может быть применен только для управления одним клапаном либо синхронно перемещающимися клапанами.
В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания с системой привода распределительных валов от коленвала упомянутая конструкция по патенту UA 75426 неработоспособна, так как не обеспечивает возможности согласования работы впускного и выпускного клапанов с работой поршня двигателя, а также возможности перекрытия клапанов в начале второго и в конце четвертого тактов, что необходимо для качественной очистки камеры цилиндра от продуктов сгорания и ее качественного наполнения свежим зарядом (см. кн. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1980 г., с. 21-23).
Другим отрицательным моментом конструкции по патенту UA 75426 является наличие большого взаимного влияния силовых полей кольцевых магнитов, что ведет к ошибкам срабатывания клапанов.
Раскрытие изобретения
Заявляемое изобретение направлено на разработку надежной работоспособной конструкции привода клапанов газораспределения, основанной на принципе взаимодействия постоянных магнитов, которая может быть использована в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания.
Достигаемый положительный технический результат заключается в создании вышеупомянутой конструкции, обеспечивающей возможность согласования работы впускного и выпускного клапанов с движением поршня цилиндра и возможность перекрытия клапанов, при использовании известной системы привода распределительных валов от коленвала.
Другой положительный технический результат заключается в том, что в конструкции привода практически полностью исключено взаимное влияние рядом расположенных постоянных магнитов распределительного вала (валов), что обеспечивает высокую надежность работы устройства и точность срабатывания клапанов.
Вышеупомянутые технические результаты достигаются благодаря тому, что в приводе клапанов газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащем два распределительных вала, включающих постоянные магниты, взаимодействующие с постоянными магнитами, жестко закрепленными на концах стержней впускных и выпускных клапанов с ориентацией одного из полюсов в сторону соответствующего распределительного вала, согласно заявляемому изобретению постоянные магниты каждого распределительного вала выполнены с осевой намагниченностью и установлены в диаметральных сквозных отверстиях, сформированных в теле вала, с ориентацией вектора намагниченности вдоль оси отверстия, при этом последнее (т.е. отверстие вала) выполнено с выходным поперечным сечением, обеспечивающим заданный сектор действия магнитного поля соответствующего полюса магнита.
Предлагаемое техническое решение, как и известное устройство по патенту UA 75426, основано на принципе взаимодействия постоянных магнитов, но при этом имеет существенные отличия от ближайшего аналога. В предлагаемой конструкции вместо кольцевых постоянных магнитов с диаметральной намагниченностью использованы постоянные магниты с осевой (аксиальной) намагниченностью, преимущественно выполненные в виде стержней, брусков или других элементов более сложной геометрической формы, характеризующихся наличием двух полюсов, расположенных на противоположных торцах (сторонах) магнита.
Другим существенным отличием от ближайшего аналога является то, что в каждом распределительном валу сформированы диаметральные сквозные отверстия для постоянных магнитов, которые установлены в этих отверстиях с ориентацией вектора намагниченности вдоль оси отверстия.
При таком размещении магнит практически полностью спрятан в теле вала, открыты только его полюса, расположенные в зонах выходных проемов сквозного отверстия, с одной стороны - положительный, с другой - отрицательный. Вне открытых торцевых участков магнита, его полюсов, линии силового поля магнита замыкаются через тело вала, вследствие того, что его магнитное сопротивление намного меньше сопротивления окружающего пространства.
Зона (область) действия каждого магнитного полюса определяется формой и размерами соответствующего выходного проема отверстия, его выходным поперечным сечением, обеспечивающим требуемую мощность и сектор действия.
Под «сектором» понимается зона действия магнитного поля в условной плоскости поперечного сечения вала. Величина упомянутого сектора соответствует углу поворота распределительного вала, в пределах которого осуществляется взаимодействие постоянных магнитов вала и клапана.
Открытие клапана происходит в результате взаимодействия одноименных полюсов постоянных магнитов распределительного вала и клапана. Продолжительность открытого состояния клапана определяется продолжительностью упомянутого взаимодействия.
В предлагаемой конструкции сектор действия каждого из полюсов магнита вала существенно ограничен, и его величина сопоставима с четвертью полного оборота распределительного вала, что, как известно, соответствует одному такту работы четырехтактного ДВС с приводом распределительных валов от коленвала (см. Двигатели внутреннего сгорания, под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение, 1980 г., с. 21-23).
При этом также известно, что продолжительность открытого состояния каждого из клапанов в четырехтактных ДВС соответствует длительности одного такта работы двигателя плюс время на перекрытие клапанов.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает широкие конструктивные возможности корректировки формы и размеров сквозного отверстия целиком или только его выходной части, что позволяет получить нужный (заданный) сектор действия для каждого полюса установленного в отверстии вала магнита, величина которого определяется, исходя из требуемого времени перекрытия клапанов, необходимого для качественной продувки камеры и для ее качественного заполнения свежим зарядом, с учетом параметров магнита.
Таким образом, предлагаемая конструкция привода обеспечивает возможность согласования работы впускного и выпускного клапанов с тактами работы двигателя (работой поршня) и возможность перекрытия клапанов, при использовании известной системы привода распределительных валов от коленвала.
Тело вала в предлагаемой конструкции выполняет, по сути, функцию экрана, практически полностью исключающего взаимное влияние рядом расположенных постоянных магнитов, что способствует надежной работе устройства, точности срабатывания клапанов и ослаблению процессов магнитного старения.
При этом за счет перераспределения магнитного поля внутри тела вала в зонах полюсов на открытых торцах магнита, установленного в отверстии вала, наблюдается существенное усиление действия силового поля магнита по сравнению с его исходными параметрами, т.н. «концентрация магнитных сил».
Конструктивно исполнение распределительного вала, управляющего работой впускных клапанов, не отличается от конструктивного исполнения распределительного вала, управляющего работой выпускных клапанов.
Валы устанавливают аналогично известным кулачковым валам с угловым смещением одного распределительного вала относительно другого, обеспечивающим заданную последовательность срабатывания клапанов.
Предлагаемая конструкция отличается простотой и технологичностью исполнения.
В конкретных примерах реализации устройства, сквозное отверстие вала может быть выполнено с постоянным по его длине поперечным сечением либо с расширением поперечного сечения на выходе.
Упомянутое расширение может быть выполнено путем снятия фаски по краю отверстия или выполнения проточки, которая, в отличие от фаски, выполненной по периметру отверстия, выполняется только на его части.
Величина сектора действия для разных полюсов одного магнита вала может отличаться, в связи с чем расширение может быть выполнено только на одном конце отверстия (см. пример ниже).
Для обеспечения требуемой мощности взаимодействия магнитов сквозные отверстия валов выполнены с вытянутой вдоль оси вала формой поперечного сечения.
В предпочтительных случаях реализации привода постоянный магнит клапана закреплен посредством металлического стакана-держателя, установленного на конце стержня клапана. В этом случает металлический корпус стакана-держателя, подобно распределительному валу, обеспечивает экранирование магнитного поля и его концентрацию на открытом полюсе магнита.
Преимущественное применение предлагаемого технического решения в двигателях с верхним расположением клапанов и распределительных валов.
Магнит может быть утоплен относительно края в отверстии вала, может - напротив - немного выступать из отверстия.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного осуществления, иллюстрированным чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - схема привода клапанов газораспределения двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 2а, фиг. 2б, фиг. 2в - примеры выполнения сквозных отверстий распределительного вала;
на фиг. 3 - сечение А-А с фиг. 2а, показано поперечное сечение отверстия с установленным в нем магнитом;
на фиг. 4 - сечение В-В с фиг. 2б;
на фиг. 5 - сечение С-С с фиг. 2в;
на фиг. 6а, фиг. 6б, фиг. 6в, фиг. 6г схематично показаны такты работы четырехтактного ДВС;
на фиг. 7 - сечение D-D с фиг. 1, приведен пример использования предлагаемого технического решения в двигателях с двумя клапанами на цилиндр, продольное сечение.
Осуществление изобретения
Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания, выполненный с использованием предлагаемого технического решения, включает впускной 1 и выпускной 2 клапаны, установленные посредством направляющих 3 в головке 4 блока цилиндров, и привод клапанов, содержащий два распределительных вала 5 и 6 с постоянными магнитами 7 и 8 соответственно (см. фиг. 1).
Каждый клапан 1 и 2 состоит из головки (тарелки) и стержня, на конце которого закреплен магнитодержатель 9 с постоянным магнитом 10, обращенным в сторону соответствующего распределительного вала одним из своих полюсов.
Магниты 7 и 8 выполнены в виде элементов с осевой намагниченностью и установлены в диаметральных сквозных отверстиях 11 распределительных валов (5, 6) с ориентацией вектора намагниченности вдоль оси отверстия, в результате чего их полюса расположены в выходных проемах отверстия 11, на противоположных сторонах вала.
В приведенном примере осуществления отверстие 11 имеет вытянутую вдоль оси распределительного вала (5, 6) форму поперечного сечения (см. фиг. 2), что позволяет обеспечить требуемую мощность взаимодействующих магнитных полей, не увеличивая при этом диаметр вала.
Форма и размеры выходного поперечного сечения отверстия 11 определяют область действия силового поля, размещенного в отверстии магнита, его сектор действия, величина которого задается, исходя из требуемой продолжительности открытого состояния клапана.
В одних случаях реализации устройства сквозное отверстие 11 может быть выполнено с постоянным по его длине поперечным сечением, одинаковым в средней части отверстия и на его выходе (см. фиг. 2а, 3).
В других случаях по краю отверстия 11 может быть выполнено расширение за счет фаски 12 (см. фиг. 2б, 4) или проточки 13 (фиг. 2в, 5), что позволяет расширить сектор α действия магнитного поля, установленного в отверстии магнита.
Упомянутое расширение может быть выполнено только с одной стороны отверстия, с той стороны, где расположен полюс магнита вала, одноименный с обращенным к валу полюсом магнита клапана, т.к. именно взаимодействие одноименных полюсов определяет продолжительность открытого состояния клапана.
Закрытие клапана происходит за счет притяжения магнита клапана к металлическому телу вала после прекращения действия сил отталкивания между ними. Наблюдается известный эффект притяжения между магнитом и металлическими элементами. Поэтому сектор действия второго полюса магнита вала уже не имеет существенного значения.
Конструктивно исполнение распределительного вала 5, управляющего работой впускных клапанов 1, не отличается от конструктивного исполнения распределительного вала 6, управляющего работой выпускных клапанов 2.
При установке вал 6 поворачивают относительно вала 5 на угол 90° в направлении вращения, что обеспечивает заданную последовательность срабатывания клапанов. Угловое смещение распределительных валов друг относительно друга выполняется аналогично кулачковым валам механического привода клапанов, поэтому подробно не рассматривается. Привод распределительных валов 5 и 6 осуществляется по обычной схеме от коленвала 14 посредством цепной, зубчатой или ременной передачи.
Газораспределительный механизм работает следующим образом (см. фиг. 6).
Рабочий цикл двигателя, включающий четыре такта, осуществляется за один полный оборот распределительного вала (5, 6), что соответствует двум полным оборотам коленвала 14.
В начале первого такта работы двигателя (впуска) камера 15 цилиндра очищена от продуктов сгорания, поршень 16 находится в положении, близком к верхней мертвой точке. К отрицательному полюсу магнита 10 впускного клапана 1 приближается одноименный полюс магнита 7, вращающегося вместе с распределительным валом 5.
Взаимодействие одноименных полюсов магнитов 7 и 10, отталкивающихся друг от друга, способствует открытию клапана 1, который сообщает надпоршневое пространство цилиндра (камеру 15) с впускным трубопроводом 17 (см. фиг. 6 (I)).
В то же время за счет вращения коленвала 14 шатун 18 перемещает поршень 16 к нижней мертвой точке. В процессе движения поршня 16 камера 15 цилиндра заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). При этом выпускной клапан 2 закрыт.
Открытое состояние впускного клапана 1 сохраняется на протяжении всего первого такта работы двигателя и некоторое время в начале второго такта - сжатия, что обеспечивает улучшение наполнения цилиндра свежим зарядом.
Продолжительность открытого состояния клапана 1 определяется величиной сектора α действия отрицательного полюса магнита 7, соответствующего углу поворота распределительного вала 5, на протяжении которого происходит взаимодействие постоянных магнитов 7 и 10.
В процессе дальнейшего вращения вала 5 взаимодействие одноименных полюсов магнита 7 вала 5 и магнита 10 клапана 1 прекращается и магнит 10 клапана 1 притягивается к металлическому телу вала 5 (действует эффект притяжения между металлическим телом и магнитом) (см. фиг. 6 (II)). Впускной клапан 1 закрывается. Поршень 16, перемещаясь вверх, сжимает газовую среду.
Выпускной клапан 2 на протяжении всего такта удерживается в закрытом состоянии давлением газов и за счет сил притяжения его магнита 10 к металлическому телу вала 6 и противоположному полюсу магнита 8.
В конце второго такта происходит воспламенение сжатой газовой среды.
Процесс сгорания топлива (третий такт) сопровождается расширением газовой среды и движением поршня 16 от верхней мертвой точки к нижней (фиг. 6 (III)). В это время впускной 1 и выпускной 2 клапаны надежно удерживаются в закрытом состоянии высоким давлением в цилиндре, а также за счет действия сил притяжения между разноименными полюсами, для клапана 1, и между валом и магнитом, для клапана 2.
К началу четвертого такта (см. фиг. 6 (IV)) отрицательный полюс магнита 8 распределительного вала 6, завершающего свой оборот, приближается к одноименному полюсу магнита 10 выпускного клапана 2. Взаимодействие одноименных полюсов упомянутых магнитов способствует открыванию выпускного клапана 2, который сообщает камеру 15 сгорания с выпускным трубопроводом 19, происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания.
Цикл работы повторяется.
Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными формами выполнения сквозных отверстий и используемых постоянных магнитов, приведенными в вышеизложенном примере осуществления.
Предлагаемое техническое решение может быть применено в схемах DOHC с двумя клапанами на цилиндр, а также с четырьмя и более клапанами на цилиндр. Увеличение количества клапанов на цилиндр способствует повышению интенсивности процессов заряда и очистки. В этом случае количество постоянных магнитов каждого распределительного вала увеличивается кратно (вдвое, вчетверо и т.д.) (см. фиг. 7). Постоянные магниты размещаются на каждом распределительном валу определенным образом в соответствии с принятым для данных двигателей порядком работы цилиндров.
Предлагаемый привод клапанов газораспределения может быть использован как при изготовлении новых двигателей, так и для модернизации уже выпущенных эксплуатируемых машин.
В результате использования предлагаемого технического решения достигается:
- повышение КПД двигателя за счет исключения потерь на трение и необходимости преодоления силы сопротивления пружин при открывании клапанов;
- существенное увеличение ресурса двигателя;
- снижение шумообразования;
- облегчение запуска двигателя;
- существенная экономия топлива и энергии;
- простота изготовления и высокая надежность работы.