ВРАЩАЮЩИЙСЯ ЗОЛОТНИКОВЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ
ROTATING CONTROL VALVE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также других распределительных системах.
Золотниковый распределитель – устройство, направляющее поток газа или жидкости путём смещения окон подвижной части относительно окон в поверхности неподвижной части, по которой она скользит. Золотниковые распределители топлива гораздо более просты по конструкции, чем применяемые в ДВС кулачково-плунжерные /Гроэ Х., Русс Г. Бензиновые и дизельные двигатели. Изд-во «За рулем». М., 2013, с. 155-165/. Дело в том, что кулачковые устройства распределения являются тяжело нагруженными механизмами. Так, удельные давления в зоне контакта пары трения кулачок-толкатель могут достигать 15000 кГ/см, а скорость скольжения – 3-4 м/сек /Розенберг Ю.А., Виноградова И.Э. Смазка механизмов машин. Гос. научно-техническое изд-во нефтяной и горно-топливной литературы. М., 1960, с. 240/. Помимо износа, постоянные ударные нагрузки приводят к усталостным разрушениям. Плунжерные пары обладают инерционностью и теряют эффективность на высокочастотных режимах работы. Традиционные системы топливоподачи являются одним из основных источников шума ДВС.
Особенно эффективны золотниковые распределители с поступательно вращающимися золотниками благодаря отсутствию возвратно-поступательных колебательных движений, сопровождающихся инерционными нагрузками, амплитуды которых пропорциональны квадрату частоты. Между тем использование таких вращающихся золотниковых распределителей до сих пор сдерживалось следующим обстоятельством. С ростом частоты вращения золотника увеличивается окружная скорость на его наружной поверхности, и механизм скольжения сопрягающихся поверхностей (ротора и статора) осложняется значительным тепловыделением, трудностями смазки, износом сопрягающихся поверхностей и нарушениями плотности их взаимного прилегания. Следовательно, снижение частоты вращения золотниковых распределителей при сохранении функциональности открывает возможности их широкого внедрения.
Например, известен вращающийся золотниковый распределитель, входящий в /Крупский М.Г., Куянов Ю.Ф., Кузин В.Е., Гришин С.В. Устройство для подачи топлива в многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Патент на изобретение № 2075621, фиг.4. /, принятый за прототип. Этот распределитель включает в себя неподвижный статор и вращающийся ротор, расположенный внутри статора по его оси симметрии. Функция статора – равномерное размещение по окружности n окон для питания n-цилиндрового ДВС, а ротора – последовательное распределение топлива из его внутренней полости по окнам статора посредством только одного его окна. Топливо распределяется при вращении ротора-золотника через единственное его окно. Окна, или порты, статора и ротора выполнены в виде щелевых отверстий. Вращающийся ротор-золотник кинематически связан с коленчатым валом двигателя и синхронизирован с ним в соответствии с фазой подачи и порядком работы цилиндров. Таким образом, за один полный оборот ротора-золотника распределитель вырабатывает полный цикл раздачи топлива по всем цилиндрам. Что, в свою очередь, отвечает двум полным оборотам коленвала для четырехтактного ДВС. Следовательно, для системы питания по прототипу частота вращения ротора-золотника всего лишь в два раза медленнее частоты вращения коленвала.
Между тем частоты вращения коленчатых валов ДВС, особенно автомобильных, постоянно возрастают и в настоящее время достигают 5000 – 8000 об/мин. Это обусловлено исключительно особенностью функционирования ДВС, выраженной их «скоростной характеристикой»: максимумы вырабатываемых ДВС мощностей и крутящих моментов лежат в достаточно узких высокочастотных диапазонах оборотов коленвала /Автомобильный справочник BOSH. М.: Изд-во «За рулем», 2012. – 1280 с./.
Соответственно частоты вращения ротора-золотника также высоки и должны составлять 2500 – 4000 об/мин. Но высокие частоты вращения ротора вращающегося золотникового распределителя совершенно не требуются для его оптимального функционирования. Более того, они вредны и весьма опасны. Действительно, столь высокая частота вращения ротора-золотника такого точного и ответственного устройства, каким является распределитель системы питания, приводит к целому ряду причин, резко снижающих его функционально-эксплуатационные качества. Перечислим только некоторые из них.
1. Резко снижается функциональность и надежность устройства из-за значительного механического тепловыделения, трудностей смазки, износа сопрягающихся поверхностей и нарушений плотности их взаимного прилегания.
2. Высокая частота вращения ротора-золотника приводит к весьма малому промежутку времени прохождения его единственного порта через каждый порт статора, что не обеспечивает высокой надежности топливоподачи соответствующего цилиндра. При этом большая часть времени вращения ротора-золотника расходуется не на выполнение его главной функции – снабжение цилиндров топливом, а на непроизводительную холостую транспортировку своего единственного порта к очередному порту статора.
3. Единственный порт ротора-золотника традиционной системы питания по прототипу, последовательно обслуживающий несколько портов статора, по числу цилиндров ДВС, непрерывно испытывает весьма интенсивные высокочастотные гидроаэродинамические нагрузки, вызывающие тепловыделение и температурный уход механических свойств. Представляется рациональным добавить новые порты ротора-золотника, тем самым эту высокую гидроаэродинамическую нагрузку на один порт золотника поровну распределить между несколькими портами ротора, каждый из которых станет работать в щадящем режиме с пониженными нагрузками, что служит надежности и увеличению рабочего ресурса.
4. При выходе из строя, например, засорения этого единственного порта ротора-золотника полностью прекращается работа всей системы питания. Несколько портов ротора существенно повышает ее живучесть.
5. Высокая частота вращения ротора влечет повышенный износ подшипниковых узлов ротора и высокий уровень вибраций, снижающий точность устройства и приводящий к усталостным разрушениям.
Иначе говоря, если для коленчатого вала ДВС высокооборотность – необходимое эксплуатационное условие, то для роторного золотникового устройства его системы питания – существенный конструктивный недостаток. Комплекс этих проблем и привел к отказу от применения золотниковых роторных распределителей в пользу расточительных по конструкции кулачково-плунжерных систем питания.
Итак, как показано выше, вращающиеся золотники не приспособлены к высоким оборотам, и существенным недостатком прототипа является высокая частота вращения золотника.
Задачей заявляемого изобретения является многократное снижение частоты вращения ротора вращающегося золотникового распределителя за счет того, что полный цикл распределения питания по цилиндрам ДВС осуществляется за время не полного оборота ротора, а только за время весьма малого его поворота. Подобное решение было использовано применительно к системам зажигания и турбонаддува ДВС /Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение № 2362242. Приоритет 21.05.2008, Свияженинов Е.Д. Модернизация распределителя зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 6, 2014, Свияженинов Е.Д. Датчик-распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение № 2452066. Приоритет 17.05.2010, Свияженинов Е.Д. Модернизация классических роторных бесконтактных датчиков-распределителей зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 3, 2016, Свияженинов Е.Д. Наддув ДВС с резонансным топливовоздушным образованием. «Автомобильная промышленность». № 1, 2015/. Сопутствующим эффектом является достижение максимально возможного времени перекрытия портов ротора и статора, в течение которого топливо поступает в определенный цилиндр ДВС, вплоть до непрерывного его распределения по цилиндрам, а также повышение надежности и живучести системы питания вследствие использования многих портов ротора-золотника вместо одного. Это устраняет перечисленные выше проблемы внедрения вращающихся золотниковых распределителей.
Поставленная задача решается тем, что во вращающемся золотниковом распределителе питания n-цилиндрового ДВС статор содержит n равномерно расположенных по окружности портов (окон), а ротор состоит из вращающегося цилиндрического золотника с равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 портами (окнами), где m – любое натуральное число: m = 1, 2, 3,…. При этом топливо последовательно распределяется по всем цилиндрам в порядке их работы за время не полного оборота ротора-золотника, а только за время его поворота на угол 2π/(mn+1) или 2π/(mn-1) в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора (прямое распределение) или противоположном (обратное распределение), соответственно.
Следовательно, требуемая частота вращения ротора-золотника снижается в mn+1 или mn-1 раз соответственно по сравнению с традиционным вращающимся золотником, снабженным только одним портом (окном) ротора и n портами (окнами) статора. Время замкнутого состояния, равное времени перекрытия портов (окон) статора и ротора, в течение которого топливо поступает в определенный цилиндр ДВС, увеличивается в это же число раз.
r
s
r
s
Таким образом, предложен вращающийся золотниковый распределитель, включающий неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, и скользящий по нему ротор, содержащий газообразную или жидкую среду под давлением, снабженный окнами, периодически перекрывающими окна статора. Ротор содержит mn+1 или mn-1 равномерно распределенных по окружности окон, где m=1, 2, 3, … - любое натуральное число, n - число окон статора, тогда полный цикл последовательного распределения среды ротора по окнам статора осуществляется за время не полного оборота ротора, а только за время его поворота на малый угол 2π/(mn+1) или 2π/(mn-1), соответственно в прямом или обратном направлении относительно направления вращения ротора, при этом должны быть выполнены условия: γ≤δ, где γ=γ+γ,γ,γ - угловые величины окон ротора и статора, δ - универсальная (зависящая только от чисел n, m) характеристика устройства - это угол, определяющийся соотношениями: δ=2π/(n·(mn+1)) - для прямого распределения, δ=2π/(n·(mn-1)) - для обратного распределения, причем при γ=δ достигается непрерывное во времени распределение, а при γ<δ - распределение дискретное.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема вращающегося золотникового распределителя системы питания двигателя внутреннего сгорания для m = 2, на фиг. 2-4, фиг. 5-7 – последовательность и схема работы портов (окон) вращающегося золотника для прямого и обратного распределения соответственно. Прямое распределение показано на фиг. 2-4, тогда как обратное – на фиг. 5-7. В качестве примера приведена схема прямого распределения для 4-цилиндрового двигателя, n = 4, и обратного распределения для 6-цилиндрового двигателя, n = 6. В обоих случаях используется ротор с последовательными значениями m = 1, 2, 3. На фиг. 8 представлены временные развертки поступления топлива в каждый из трактов цилиндров двигателя при непрерывном (а) и дискретном (б) распределении. На фиг. 9, 10 приведены частоты вращения роторов традиционного однопортового золотника по прототипу и mn+1, mn-1-портового соответственно по предлагаемой схеме устройства как функции частот вращения коленвала ДВС.
Схема вращающегося многопортового золотникового распределителя питания ДВС
r
s
Многопортовый золотниковый распределитель питания n-цилиндрового ДВС (фиг. 1) состоит из вращающегося ротора-золотника 1 с равномерно распределенными по окружности портами 2 угловой величины γ, отделяющего равномерно установленные по окружности статора 3 n портов 4 угловой величины γ от топлива под давлением, находящегося во внутренней полости ротора. Золотник 1 содержит mn+1 или mn-1 портов 2, где m – любое натуральное число: m = 1, 2, 3,…. Обозначим через γ полный (суммарный) угол портов ротора и статора:
r
s
γ=γ+γ.
r
s
При этом угол γ может быть как больше угла γ, (фиг. 1), так и меньше его. Соотношение углов γ и γ определяется конкретной реализацией устройства, в частности, шириной портов 3, 4, радиусом золотника 1, и совершенно не принципиально.
Золотник 1 содержит mn+1 портов 2 для реализации прямого распределения или mn-1 портов 2 – для обратного. Для обеспечения раздельного питания каждого цилиндра по времени, чтобы временные циклы поступления топлива в соседние порты статора не перекрывали друг друга, полный угол γ соответственно должен удовлетворять условиям:
γ  δ =  (при прямом распределении) ,
γ  δ =  (при обратном) ,
а число портов 4 статора 3, как указано выше, равно n, где n – число цилиндров ДВС.
Отметим, что если угол γ – частная характеристика конкретной технической реализации многопортового золотникового распределителя, определяющийся его геометрическими размерами, то угол δ, определяющийся соотношениями:
δ =  ,
δ =  –
принципиальная универсальная (зависящая только от чисел m, n) характеристика устройства, при которой достигается его наиболее эффективный режим функционирования, полностью исключающий непроизводительное (холостое) вращение золотника всего лишь для поворота очередного порта ротора к следующему порту статора (непрерывное распределение), что будет показано ниже.
На фиг. 2-4 изображена схема прямого распределения для 4-цилиндрового двигателя, n = 4, а на фиг. 5-7 – схема обратного распределения 6-цилиндрового двигателя, n = 6. В обоих случаях использован ротор с последовательными значениями m = 1, 2, 3.
Принцип работы многопортового вращающегося золотникового распределителя питания ДВС. Анализ прямого и обратного распределения
Для пояснения принципа работы многопортового ротора-золотника, а также анализа прямого и обратного распределения питания по цилиндрам ДВС, служат фиг. 2-7 соответственно. На фиг. 2-4 изображена схема прямого распределения для 4-цилиндрового двигателя, а на фиг. 5-7 – схема обратного распределения для 6-цилиндрового двигателя посредством многопортового ротора-золотника с указанием опорных углов.
Направление вращения ротора-золотника 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f. Далее f будет обозначать также частоту вращения ротора 1.
Передние края портов 2 ротора-золотника 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися лучами r (сплошные линии), а передние края портов 4 статора 3 – неподвижными лучами s (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам портов 2 ротора 1 и портов 4 статора 3.
Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из этих рисунков, состоит в том, что:
1. Последовательные углы между лучами r, s, i = 2, 3, 4… составляют (i–1)δ, т.е. образуют натуральную последовательность (1, 2, 3, …)δ.
2. Вращающееся устройство имеет осевую симметрию mn+1 или mn-1 порядка, т.е. при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой.
Именно эти два обстоятельства эффективно обеспечивают полный цикл равновременного (равномерного во времени) распределения питания не за полный период вращения ротора-золотника 1, как в традиционном распределителе, принятом за прототип, а только за mn+1 или mn-1 его часть.
Работает устройство следующим образом. Пусть в начальный момент времени передний край одного из mn+1 (фиг. 2-4) или mn–1 (фиг. 5-7) портов 2 ротора 1 совпадает с передней кромкой одного из n портов 4 статора 3 (фиг. 4). Порт ротора начинает перекрывать порт статора, и срабатывает подача в него топлива под давлением, пока задний край порта 2 ротора 1 не достигает задней кромки порта 4 статора 3, перекрытие портов закрывается, и поток топлива заканчивается, что происходит при повороте ротора на угол γ. Сразу после этого (непрерывное распределение, при γ = δ) или с некоторой задержкой во времени (дискретное распределение, при γ < δ), начинается подача топлива в следующий порт статора. Действительно, при повороте золотника 1 на угол δ =  (при прямом распределении) или на угол δ =  (при обратном) открывается поток топлива на соседний порт статора 3 по направлению или против вращения ротора 1. Конструктивным выбором угла γ относительно универсальной постоянной δ (зависящей лишь от чисел m, n) достигается требуемый вид фаз подачи топлива в цилиндры ДВС внутри цикла его питания.
Полный цикл распределения топлива по всем цилиндрам ДВС происходит не за полный период вращения золотника 1, как в традиционном распределителе, а только за mn+1 или mn-1 его часть, в силу осевой симметрии устройства mn+1 или mn-1 порядка, когда при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π /(mn+1) или на угол 2π /(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой. Поэтому при повороте ротора-золотника 1 на угол 2π /(mn+1) = nδ или на угол 2π/(mn-1) = nδ произойдет последовательное равновременное, т.е. равномерное по времени питание всех трактов цилиндров в прямом или обратном направлении. Таким образом, частота распределения при той же частоте вращения ротора 1 соответственно в mn+1 или mn-1 раз выше, чем в традиционном распределителе по прототипу. Следовательно, требуемая частота вращения mn+1-портового или mn–1-портового золотника 1 будет соответственно в mn+1 или в mn–1 раз меньше частоты вращения однопортового ротора-золотника, дающего ту же частоту распределения. Таким образом, золотник по предложенной схеме устройства выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты распределения в mn+1 или в mn–1 раз, и его частота вращения должна быть во столько же раз снижена. Но при сниженной частоте вращения золотника во столько же раз увеличивается время замкнутого состояния – время работы порта статора, пока мимо него проходит порт ротора.
Итак, частота распределения ν связана с частотой вращения ротора f следующими соотношениями: для прямого распределения
ν = f (mn+1),
для обратного распределения
ν = f (mn–1).
Случаю γ = δ отвечает непрерывное распределение питания, когда последовательные перекрытия окон ротора и статора происходят непрерывно, без разрывов во времени, или слитно, а случаю γ < δ – дискретная топливоподача, когда последовательные перекрытия окон ротора и статора происходят с определенными разрывами по времени, или раздельно, т.е. между этими последовательными перекрытиями окон содержится некоторая временная пауза. Аналогичным образом работает бесконтактная низкооборотная роторная система зажигания ДВС, изложенная в /Свияженинов Е.Д. Малооборотный датчик зажигания двигателя внутреннего сгорания. «Автомобильная промышленность». № 4, 2014, Свияженинов Е.Д. Фотоэлектрический малооборотный датчик зажигания двигателя внутреннего сгорания. «Автомобильная промышленность». № 4, 2015/.
Таким образом, помимо многократного снижения частоты вращения ротора-золотника, благодаря предложенной схеме конструктивно легко достигается и возможность непрерывного распределения – его важнейшее преимущество. При непрерывном распределении все время вращения ротора-золотника полностью расходуется только на совершение его главной функции – раздачу питания по трактам цилиндров ДВС. Непроизводительное холостое вращение ротора лишь для поворота его порта к очередному порту статора может быть полностью исключено.
Время замкнутого состояния (время перекрытия окон ротора и статора) составляет 1/(νn) в случае непрерывного распределения, когда γ = δ, и (γ/δ)/(νn) – в случае дискретного, при γ < δ.
При прохождении портов 2 ротора-золотника 1 относительно портов 4 статора 3 происходит их периодическое перекрытие, на основании чего выбирается требуемый вид фаз подачи топлива в цилиндры ДВС внутри цикла его питания. На фиг. 8 а представлены временные развертки подачи топлива на вход каждого из трактов цилиндров для прямого непрерывного распределения, а на фиг. 8 б – для дискретного.
В заключение отметим, что золотниковые распределители – гораздо более высокоточные и безынерционные, чем кулачковые, и менее расточительны по конструкции.
Пример расчета частоты вращения ротора многопортового золотникового распределителя питания ДВС.
Случаи прямого и обратного распределения
В качестве примера рассчитаем схему прямого распределения питания для 4-цилиндрового двигателя, n = 4, и обратного – для 6-цилиндрового двигателя, n = 6, посредством соответственно mn+1 или mn–1-портового золотника ротора и n-портового статора. В обоих рассматриваемых случаях используем значения параметра системы m = 1, 2, 3. Требуемая частота вращения ротора такого распределителя будет ровно в mn+1 или mn–1 раз ниже частоты вращения ротора однопортового распределителя по прототипу. Таким образом, если для традиционного распределителя питания, принятого за прототип, частота вращения ротора только в 2 раза ниже частоты вращения коленвала, то для предлагаемого – в 2(mn+1) или 2(mn–1) раз. На фиг. 9, 10 приведены частоты вращения соответственно mn+1 и mn–1-портового золотника по предлагаемой схеме устройства и однопортового золотника по схеме прототипа, как функции частоты вращения коленвала ДВС. Наглядно виден эффект мультипликации частоты распределения, проявляющийся в mn+1 или mn–1-кратном снижении требуемых частот вращения ротора многопортового золотникового распределителя питания.
В результате ротор золотника вращается ровно в 2(mn+1) или 2(mn–1) раз медленнее коленвала, а не в два раза, как в прототипе. Устраняются проблемы механических вибраций и тепловыделения, а также износа подшипниковых узлов ротора. Многократно уменьшается тепловыделение, температурный уход механических характеристик и износ элементов системы питания ДВС. В mn+1 и mn–1 раз по сравнению с прототипом увеличивается время замкнутого состояния, что повышает надежность раздачи топлива по трактам цилиндров и, следовательно, надежность рабочего процесса в целом. Это обусловлено тем, что все время вращения ротора распределителя питания эффективно расходуется на совершение главной его функции – раздачу топлива, а непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота его единственного порта к портам статора полностью исключено.
Выводы. Технический результат
1. Использование mn+1 или mn–1-портового ротора-золотника вместо традиционного однопортового, по прототипу, при n-портовом статоре, где n – число цилиндров ДВС, снижает требуемую частоту вращения ротора-золотника соответственно в mn+1 или в mn–1 раз при той же частоте вращения коленвала ДВС. В первом случае последовательность распределения идет в прямом, а во втором – в обратном направлении относительно направления вращения ротора.
2. Увеличение натурального числа – параметра системы m = 1, 2, 3,… позволяет практически неограниченно снижать отношение частот вращений ротора-золотника и коленвала ДВС.
3. Многократное снижение частоты вращения ротора-золотника относительно частоты вращения коленвала весьма существенно для устранения тепловыделения, трудностей смазки, износа сопрягающихся поверхностей и нарушений плотности их взаимного прилегания, а также механических вибраций и динамических нагрузок на подшипниковые узлы ротора, что увеличивает механическую надежность устройства.
4. Малая частота вращения ротора датчика зажигания в mn+1 или в mn–1 раз соответственно увеличивает время замкнутого состояния и, следовательно, повышает функциональность поступления топлива по трактам цилиндров ДВС.
5. Возможность непрерывного распределения, при котором все время вращения ротора-золотника полностью расходуется только на совершение главной его функции – раздачу топлива по цилиндрам, – важнейшее преимущество предлагаемой схемы устройства. Непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота единственного порта ротора к очередному порту статора может быть абсолютно исключено.
6. Замена однопортового ротора распределителя по прототипу на mn+1 или mn–1-портовый ровно в такое же число раз снижает гидродинамическую нагрузку на порты ротора.
7. При выходе из строя, например, засорении порта ротора раздача топлива не испытывает отказ, т.е. предложенная многопортовая система питания приобретает живучесть, против однопортового.
Источники информации
1. Гроэ Х., Русс Г. Бензиновые и дизельные двигатели. Изд-во «За рулем». М., 2013, с. 155-165.
2. Розенберг Ю.А., Виноградова И.Э. Смазка механизмов машин. Гос. научно-техническое изд-во нефтяной и горно-топливной литературы. М., 1960.
3. Крупский М.Г., Куянов Ю.Ф., Кузин В.Е., Гришин С.В. Устройство для подачи топлива в многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Патент на изобретение № 2075621, фиг.4. (прототип).
4. Автомобильный справочник BOSH. М.: Изд-во «За рулем», 2012. – 180 с.
5. Свияженинов Е.Д. Распределитель зажигания двигателя внутреннего сгорания. Патент на изобретение № 2362242. Приоритет 21.05.2008.
6. Свияженинов Е.Д. Модернизация распределителя зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 6, 2014.
7. Свияженинов Е.Д. Модернизация классических роторных бесконтактных датчиков-распределителей зажигания ДВС. «Автомобильная промышленность». № 3, 2016.
8. Свияженинов Е.Д. Наддув ДВС с резонансным топливовоздушным образованием. «Автомобильная промышленность». № 1, 2015.
9. Свияженинов Е.Д. Малооборотный датчик зажигания двигателя внутреннего сгорания. «Автомобильная промышленность». № 4, 2014.
10. Свияженинов Е.Д. Фотоэлектрический малооборотный датчик зажигания двигателя внутреннего сгорания. «Автомобильная промышленность». № 4, 2015.