ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С МАСЛЯНЫМ КОНТУРОМ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH OIL CIRCULATION AND METHOD OF OPERATING SUCH AN ENGINE

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, имеющему клапанный механизм, включающий в себя клапан для каждого отверстия цилиндра и клапанный привод для управления клапанами, а также масляный контур и насос для снабжения клапанного механизма моторным маслом через питающий трубопровод. Изобретение также относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания описанного типа.
Способ указанного типа используется в двигателях внутреннего сгорания, выполняющих функцию средства приведения в движение в моторных транспортных средствах. В рамках данного изобретения понятие «двигатель внутреннего сгорания» относится не только к дизельным двигателям и двигателям с искровым зажиганием, а также к гибридным двигателям внутреннего сгорания.
Благодаря прерывистому характеру процесса сгорания в современных двигателях внутреннего сгорания необходимым является отвод выхлопных газов, выделяющихся в результате сгорания топлива, из по меньшей мере одного цилиндра, и повторная подача воздуха для горения или заряда горючей смеси.
В процессе замены рабочей смеси продукты сгорания выводятся через выпускные отверстия цилиндров, а заполнение камеры сгорания, точнее, введение свежей смеси или свежего воздуха в камеру сгорания, осуществляется через впускные отверстия. Выпускные отверстия и впускные отверстия в данном описании обозначены как «отверстия», то есть для них будет использоваться общий термин. Для управления процессом замены рабочей смеси в четырехтактных двигателях практически всегда используют исключительно подъемные клапаны, которые в процессе работы двигателя внутреннего сгорания совершают вибрирующие возвратно-поступательные движения и таким способом открывают или закрывают впускные или выпускные отверстия.
Необходимый для приведения в движение клапанов клапанный механизм вместе с клапанами будет обозначен как «клапанный привод». Функцией клапанного привода является открывание и закрывание впускных и выпускных отверстий в нужное время с быстрым обеспечением наибольших сечений потока, чтобы поддерживать на минимальном уровне потери на дросселирование поступающего и выводимого потоков газа, а также для того, чтобы гарантировать лучшее заполнение камеры сгорания свежей смесью и эффективный, а точнее, полный, отвод выхлопных газов из камеры. В соответствии с известными решениями, в цилиндрах часто выполняют два или более впускных и выпускных отверстий. По меньшей мере два цилиндра двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению также имеют по крайней мере два выпускных отверстия и по меньшей мере два впускных отверстия.
Обычно используемые подъемные клапаны, как правило, являются подвижными, то есть перемещаемыми, вдоль своей продольной оси между открытым и закрытым положением для открывания или закрывания отверстия цилиндра. Для приведения в действие клапана, с одной стороны, предусмотрены пружинные механизмы для перемещения клапана в закрытое положение, и, с другой стороны, используется клапанный привод для открытия клапана в противодействие закрывающему воздействию клапанных пружин.
В клапанный привод входит кулачковый вал, на котором расположено множество кулачков, и который (например, с помощью цепного привода) приводится во вращение коленчатым валом таким образом, что кулачковый вал и вместе с ним кулачки вращаются в два раза медленнее, чем коленчатый вал.
Принципиально различают нижние и верхние кулачковые валы, рассмотренные по отношению к разделяющей плоскости между головкой цилиндров и блоком цилиндров.
Нижние кулачковые валы подходят для приведения в действие как так называемых клапанов с верхней головкой (нижнерасположенных), так и для приведения в действие верхнерасположенных клапанов при помощи толкателей и рычагов, например, балансиров или качающихся рычагов. Если нижерасположенные клапаны открываются, поднимаясь вверх, то верхнерасположенные клапаны, напротив, открываются при движении вниз. При этом толкатель обычно используется в качестве промежуточного элемента, который должен приходить в сцепление с кулачком кулачкового вала по меньшей мере во время открывания и закрывания.
Верхние кулачковые валы, напротив, применяются исключительно для приведения в действие верхнерасположенных клапанов, при этом клапанный привод с верхним кулачковым валом снабжен балансиром, качающимся рычагом или толкателем, выступающим в качестве дополнительного элемента клапанного привода. Балансир при этом вращается вокруг неподвижного центра вращения и при отклонении кулачком поднимает клапан в открытое положение против закрывающего усилия клапанных пружин. При использовании качающегося рычага, который может вращаться около расположенного в середине центра вращения и входит в зацепление с кулачком одним своим концом, клапан расположен на противоположном конце рычага. При использовании верхних кулачковых валов предпочтительно сократить подвижную массу клапанного привода, в частности, за счет отсутствия толкателя, чтобы сделать сам привод более жестким, то есть менее эластичным.
В рамках настоящего изобретения промежуточные элементы клапанного привода, а именно, конструктивные элементы клапанного механизма, расположенные в силовом потоке между кулачком и клапаном, будут обозначены как «следящий элемент кулачка», то есть для них будет использоваться общий термин.
При использовании толкателя в качестве следящего элемента кулачка толкатель прикреплен к концу подъемного клапана, удаленному от камеры сгорания, так, что толкатель принимает участие в колебательных возвратно-поступательных движениях клапана, когда кулачок приходит в сцепление с толкателем в области носика кулачка и отклоняет его.
Когда кулачок находится в сцеплении с толкателем, кулачок скользит своей рабочей поверхностью по касательной к поверхности толкателя. Для облегчения скольжения и уменьшения износа обеих деталей область соприкосновения между кулачком и толкателем зачастую смазывается маслом. Благодаря взаимному движению обоих конструктивных элементов относительно друг друга между кулачком и толкателем образуется стойкая смазочная пленка.
Износ кулачка и толкателя является недостатком не только с точки зрения срока службы этих деталей, но и в отношении работоспособности клапанного привода. Эрозия материала кулачка и/или толкателя оказывает влияние на клапанный зазор, на ход клапана и фазы газораспределения, то есть на углы поворота коленчатого вала, под которыми клапан открывается или закрывается.
Снабжение клапанного привода маслом осуществляется посредством масляного контура, в котором насос подает моторное масло через питающий трубопровод к клапанному приводу. Сам насос может получать моторное масло из масляной ванны, например, через впускной трубопровод, проходящий от масляной ванны к насосу, и должен обеспечивать достаточно большую скорость подачи, то есть достаточно большой расход, для создания достаточно высокого давления масла в масляном контуре. В частности, подшипники по меньшей мере одного кулачкового вала должны смазываться маслом.
Для крепления и опоры кулачкового вала предусмотрены по меньшей мере два подшипника, которые, в случае верхних кулачковых валов, расположены внутри или на поверхности головки цилиндров. Как правило, подшипники состоят из двух частей и включают в себя гнездо подшипника и соединяемую с гнездом подшипника крышку подшипника. При этом крышка и гнездо подшипника могут представлять собой отдельные компоненты или выполнены за одно целое с головкой цилиндров или крышкой. В качестве промежуточных элементов между кулачковым валом и подшипниками могут располагаться вкладыши подшипника.
В собранном состоянии каждое гнездо подшипника соединено с соответствующей крышкой подшипника. Всякий раз гнездо подшипника и крышка подшипника образуют (при необходимости взаимодействия с вкладышами подшипника в качестве прокладочного элемента) отверстие для входа пальца кулачкового вала. В отверстия обычно подается моторное масло, таким образом, создается идеальная смазочная пленка, наподобие пленки между внутренней поверхностью каждого отверстия и соответствующим пальцем кривошипа вращающегося коленчатого вала.
Как правило, масляный контур предназначен также для снабжения маслом остальных точек потребления, например, коленчатого вала, шатунных подшипников или балансировочного вала (если имеется), причем, термин "точки потребления" в данном описании использован в том смысле, что эти компоненты исполнения и поддержания своих функций требуют потребления или снабжения моторным маслом. Аналогично, точкой потребления в этом смысле является система масляного охлаждения, которая смачивает днище поршня для охлаждения посредством впрыска моторного масла снизу, то есть со стороны картера. Гидравлически управляемый регулятор кулачкового вала или другие конструктивные элементы клапанного механизма, к примеру, для гидравлической регулировки зазоров в клапанах, также нуждаются в моторном масле и должны им снабжаться.
Что касается отверстий по меньшей мере одного цилиндра двигателя внутреннего сгорания, то может быть целесообразным сделать одно из таких отверстий подсоединяемым, чтобы в случае необходимости его можно было отсоединить, то есть прекратить задействовать так, чтобы во время замены рабочей смеси отверстие оставалось закрытым.
Если одному из цилиндров двигателя внутреннего сгорания подается только малое количество свежего воздуха во время замены рабочей смеси, например, при низкой частоте вращения и/или малой нагрузке, может быть предпочтительным прекратить задействовать одно из по меньшей мере двух впускных отверстий, чтобы с помощью меньшего общего проходного сечения и, за счет этого, более высокой скорости потока обеспечить более интенсивную подачу рабочей смеси в цилиндр.
Также может быть желательным прекратить задействовать отверстия на выпускной стороне, например, в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющем два параллельно расположенных турбокомпрессора на выхлопных газах, цилиндры которого имеют два выпускных отверстия. При этом выхлопные трубопроводы первых выпускных отверстий цилиндров объединяются в первый выпускной коллектор, а выхлопные трубопроводы вторых выпускных отверстий цилиндров объединяются во второй выпускной коллектор до того, как эти коллекторы соединятся с турбиной турбокомпрессора на выхлопных газах.
Турбина турбокомпрессора может быть выполнена подсоединяемой, а выпускные отверстия соответствующего выпускного коллектора могут быть задействуемыми (активируемыми или подсоединяемыми) выпускными отверстиями. Только при больших количествах выхлопных газов задействуемые выпускные отверстия открываются в ходе замены рабочей смеси, таким образом активируя подсоединяемую турбину подачей выхлопных газов. За счет этого улучшаются эксплуатационные характеристики двигателя внутреннего сгорания, особенно при малых количествах выхлопных газов, то есть при малых нагрузках или низких оборотах.
В основном, за счет прекращения задействования отверстия уменьшается трение или потери при трении клапанного привода, благодаря чему уменьшается расход топлива.
Отверстие может быть выполнено с возможностью задействования, в то время как гидравлически активируемый толкатель может использоваться в качестве следящего элемента кулачка, соединенного с масляным контуром, причем толкатель активируется под воздействием давления масла или отключается при отсоединении от масляного контура.
Согласно уровню техники (см., например, публикацию US 2010/0186694), для соединения гидравлически активируемого толкателя с масляным контуром или его отсоединения используют электрически управляемые электромагнитные клапаны. При этом электромагнит, который открывает электромагнитный клапан при подаче напряжения, управляется с помощью системы управления двигателя. Высокие издержки таких электрически управляемых и приводимых в действие клапанов стали препятствием для их широкого распространения в серийном производстве. Другой недостаток заключался в комплексном управлении и в том обстоятельстве, что при отказе или дефекте электромагнита открытие клапана не совершается.
На основе всего вышесказанного задачей настоящего изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с клапанным механизмом и масляным контуром для снабжения клапанного механизма моторным маслом, в котором по меньшей мере одно задействуемое отверстие которого переключается с помощью более экономичных средств в отличие от уже известных технических решений.
Другая частная задача изобретения заключается в разработке способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания подобного типа.
Первая частная задача решается с помощью двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере один цилиндр с по меньшей мере двумя выпускными отверстиями для отвода выхлопных газов и по меньшей мере двумя впускными отверстиями для подачи воздуха для горения, из которых по меньшей мере одно является задействуемым отверстием, а также клапанный механизм, включающий в себя клапан для каждого отверстия и клапанный привод для управления клапанами, причем клапанный привод содержит по меньшей мере один кулачковый вал с множеством кулачков и множеством следящих элементов кулачков, причем каждый следящий элемент кулачка располагается в силовом потоке между кулачком и клапаном таким образом, что при вращении кулачкового вала клапан совершает вибрирующие возвратно- поступательные движения. Двигатель также снабжен масляным контуром и насосом для снабжения клапанного механизма моторным маслом через питающий трубопровод.
Отличительными признаками двигателя по изобретению является выполнение следящего элемента кулачка по меньшей мере одного задействуемого отверстия гидравлически активируемым и соединенным с масляным контуром, а также использование масляного насоса с переменным объемом подачи, позволяющего регулировать давление масла в питающем трубопроводе ниже по потоку насоса.
В соответствии с изобретением следящий элемент кулачка по меньшей мере одного задействуемого отверстия является гидравлически соединяемым и, в отличие от известных технических решений, может не только соединяться с масляным контуром, но и обладать большей долговечностью. Задействование или прекращение задействования отверстия осуществляется увеличением или уменьшением давления масла, воздействующего на подсоединяемый следящий элемент кулачка отверстия, вследствие чего подсоединяемый следящий элемент кулачка активируется или деактивируется.
Для регулировки и изменения давления масла в питающем трубопроводе масляного контура в соответствии с изобретением предусмотрен насос с переменным объемом подачи, то есть такой насос, с помощью которого может регулироваться давление масла на выходе насоса, то есть ниже по потоку насоса.
Присоединение гидравлически активируемого следящего элемента кулачка к масляному контуру или изоляция от него с целью активации или деактивации следящего элемента кулачка или задействуемого отверстия не является обязательным. Это позволяет обойтись без электрически управляемых магнитных клапанов, используемых в известных решениях. Отсутствие электромагнитных клапанов позволяет избежать высоких издержек и других указанных недостатков, связанных с электромагнитными клапанами.
Таким образом, решается первая задача, лежащая в основе изобретения, а именно, создание двигателя внутреннего сгорания по меньшей мере одно задействуемое отверстие которого переключается с помощью более экономичных средств, по сравнению с уже известными техническими решениями.
Двигатель внутреннего сгорания по изобретению имеет также дополнительные преимущества перед известными решениями.
Если активируемыми являются несколько следящих элементов кулачка, они могут быть рассчитаны на различное давление масла, то есть каждый отдельный следящий элемент кулачка активируется при различном давлении масла. Если цилиндр двигателя внутреннего сгорания оснащен, например, тремя выпускными отверстиями, возможно, начиная с одного задействуемого отверстия, при возрастании давления масла подсоединять (то есть задействовать) следующее выпускное отверстие, а затем третье выпускное отверстие. Активируемые следящие элементы кулачков различных цилиндров также могут быть рассчитаны на различное давление масла.
Следует также учитывать, что, зачастую, давление в масляном контуре изменяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения двигателя, причем, как правило, при увеличении или уменьшении нагрузки и частоты вращения соответственно увеличивается или уменьшается давление масла. Подобный способ изменения давления масла при соответствующем конструктивном решении активируемого следящего элемента кулачка может использоваться для его переключения, которое предпочтительно должно соответствовать изменениям нагрузки и/или частоты вращения, то есть должно приспосабливаться к изменяющейся нагрузке и/или частоте вращения.
Другие предпочтительные варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания по изобретению будут рассмотрены в связи с зависимыми пунктами формулы изобретения.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых при возрастании давления масла гидравлически активируемый следящий элемент кулачка, который при вращении кулачкового вала вызывает возвратно-поступательное движение соответствующего клапана, переключается в отсоединенное состояние, когда превышено заданное значение давления масла, причем в отсоединенном состоянии следящий элемент кулачка препятствует возвратно-поступательному движению соответствующего клапана при вращении кулачкового вала.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых при возрастании давления масла гидравлически активируемый следящий элемент кулачка, препятствующий возвратно-поступательному движению соответствующего клапана при вращении кулачкового вала, переключается в присоединенное состояние, когда превышено заданное значение давления масла, причем в присоединенном состоянии следящий элемент кулачка вызывает возвратно-поступательное движение соответствующего клапана при вращении кулачкового вала.
Обе вышеописанные конструктивные формы объединяют в себе два принципиально возможных принципа управления или приведения в действие гидравлически активируемого следящего элемента кулачка с помощью давления масла: активируемый следящий элемент кулачка при превышении заданного значения давления масла либо активируется, либо деактивируется.
Оба вышеописанных варианта выполнения требуют конструктивно различных следящих элементов кулачка: в первом случае следящий элемент кулачка при возрастании давления деактивируется, а во втором случае следящий элемент кулачка при возрастании давления активируется.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых следящие элементы кулачков клапанного привода представляют собой толкатели, а по меньшей мере один гидравлически активируемый следящий элемент кулачка представляет собой гидравлически активируемый толкатель.
Если используется кулачковый вал с верхним расположением, и следящим элементом кулачка является толкатель, то отсутствие штанги толкателя сокращает подвижную массу клапанного механизма, и сам клапанный механизм становится более жестким, то есть менее эластичным.
Кроме того, гидравлически активируемые толкатели уже доступны, поэтому двигатель внутреннего сгорания по изобретению может быть оснащен уже имеющимися на рынке толкателями, или имеющимися толкателями, лишь незначительно измененными для соответствия целям изобретения.
Предпочтительными также являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один гидравлически активируемый толкатель состоит из двух отдельных, но соединенных между собой конструктивных элементов, которые во присоединенном состоянии толкателя жестко соединены друг с другом, а в отсоединенном состоянии являются подвижными друг относительно друга.
Для соединения могут использоваться, например, штифт, болт или регулирующий золотник, находящиеся под давлением масла в масляном контуре, и которые при превышении заданного значения давления масла линейно перемещаются против возвратной силы пружины таким образом, что соединяют оба конструктивных элемента толкателя друг с другом, то есть блокируют их.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых в качестве насоса использован лопастной насос со смещающимся эксцентриситетом.
Так же, как и поршневой насос, лопастной насос работает по принципу вытеснения, но, в отличие от него, он работает не в колебательном режиме, то есть прерывистым способом, а вращательно, а значит непрерывно, что может рассматриваться как преимущество. В выполняющем функцию статора полом цилиндре вращается другой цилиндр, выполняющий функцию ротора, при этом ось вращения ротора расположена эксцентрично по отношению к статору. В роторе расположено множество радиальных, поступательно смещающихся заслонок, разделяющих пространство между статором и ротором на множество отсеков.
Подача насоса может изменяться за счет смещения эксцентриситета ротора, при этом увеличение подачи будет приводить к повышению давления масла на выходе насоса. Смещение эксцентриситета может осуществляться с помощью системы управления двигателем с использованием электрически управляемого клапана, открывающего или закрывающего нагнетательный масляный трубопровод для лопастного насоса. Поверхность, находящаяся под действием масляного давления, при приведении клапана в действие увеличивается или уменьшается, вследствие этого силе натяжения возвратной пружины противодействует большая или меньшая сила давления масла, таким образом, изменяется эксцентриситет.
В связи с этим предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых эксцентриситет лопастного насоса регулируется с помощью системы управления двигателем или электрически регулируемого магнитного клапана.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых используется шестеренный насос.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых ниже по потоку насоса в питающем трубопроводе расположен фильтр и/или масляный охладитель.
Масляный охладитель предназначен для предотвращения перегрева масла, которое может отрицательно повлиять на такие качества масла, как смазочная способность, и привести к быстрому старению масла. В период прогрева двигателя масляный охладитель перекрывается за счет перепускного трубопровода или используется не по своему прямому назначению в качестве нагревателя масла.
Фильтр предназначен для того, чтобы удерживать частицы, особенно твердые частицы, возникающие в результате истирания, для защиты от повреждений расположенных после масляного контура компонентов (точек потребления).
В двигателях внутреннего сгорания описываемого типа по уже названным причинам предпочтительными являются варианты конструктивного исполнения, отличающиеся тем, что фильтр и/или масляный охладитель размещают выше по потоку клапанного механизма.
Давление масла в масляном контуре предпочтительно регулировать ниже по потоку возможного фильтра и/или масляного охладителя. Данный принцип основан на том, что давление на выходе насоса, то есть выше по потоку фильтра и/или масляного охладителя, не всегда позволяет сделать выводы о давлении масла ниже по потоку этих компонентов. Последнее, однако, является более значимым для точек потребления масляного контура. Если фильтр сильно перегружен, то есть сильно загрязнен, это давление может быть слишком низким, несмотря на то, что на выходе насоса присутствует высокое давление, по всей видимости, достаточное.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, который имеет по меньшей мере одну головку цилиндров, и по меньшей мере один соединенный с головкой цилиндров блок цилиндров, на двух коренных подшипниках которого размещается коленчатый вал, характеризующиеся тем, что питающий трубопровод вливается в главную масляную магистраль, которая соединяется с по меньшей мере двумя коренными подшипниками и снабжает их маслом.
Рассматриваемый двигатель внутреннего сгорания имеет один блок цилиндров и по меньшей мере одну головку цилиндров, которые могут соединяться или соединены с образованием по меньшей мере одного цилиндра, то есть камеры сгорания. Блок цилиндров имеет определенное количество цилиндрических отверстий для входа поршней и гильз цилиндра. Поршень каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания направляется таким образом, что он может двигаться аксиально в гильзе цилиндра и отграничивает вместе с гильзой цилиндра и головкой цилиндра камеру сгорания цилиндра. Днище поршня образует при этом часть внутренней стенки камеры сгорания и за счет поршневых колец делает камеру сгорания герметичной по отношению к блоку цилиндров или картеру двигателя таким образом, что газообразные продукты сгорания и воздух для горения не попадают в картер двигателя, а масло не попадает в камеру сгорания.
Поршень выполняет функцию передачи сил, возникающих за счет сгорания газов коленчатому валу. Для этой цели поршень через поршневой палец поворотным образом соединен с шатуном, который, в свою очередь, может вращаться на коленчатом валу.
Расположенный в картере двигателя коленчатый вал принимает энергию движения шатуна, складывающуюся из силы действия газов, возникающей вследствие сгорания топлива в камере сгорания, и из сил инерции, возникающих вследствие неравномерного движения частей двигательной установки. При этом колебательные возвратно-поступательные движения поршня преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Коленчатый вал при этом переносит крутящий момент на трансмиссию. Часть энергии, передаваемой коленчатому валу, как правило, используется для обеспечения работы вспомогательных агрегатов, таких как масляный насос и генератор, или предназначена для приведения в действие кулачкового вала и вместе с этим клапанного механизма.
Для установки и опоры коленчатого вала в картере предусмотрены по крайней мере два подшипника, которые, как правило, состоят из двух частей и включают в себя гнездо подшипника и соединяемую с гнездом подшипника крышку подшипника. Коленчатый вал имеет опору в области пальцев кривошипа, которые расположены вдоль оси коленчатого вала на расстоянии друг от друга и, как правило, выполнены в форме утолщенных уступов на валу. Для снабжения коренных подшипников маслом питающий трубопровод вливается в главную масляную магистраль, от которой по меньшей мере к двум коренным подшипникам проходят каналы, снабжающие их маслом.
Для образования так называемой главной масляной магистрали часто бывает предусмотрен главный питающий канал, расположенный вдоль продольной оси коленчатого вала. Главный питающий канал может проходить над или под коленчатым валом в картере или быть встроенным в коленчатый вал.
Для снабжения клапанного механизма маслом питающий трубопровод может проходить от главной масляной магистрали к головке цилиндров. В качестве альтернативы может быть предусмотрен питающий трубопровод, проходящий от насоса непосредственно в головку цилиндров, снабжающий постель кулачкового вала моторным маслом и затем, ниже по потоку, вливающийся в главную масляную магистраль. Все сказанное в отношении коленчатого вала аналогичным образом распространяется и на постель кулачкового вала.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых по меньшей мере один выполняющий функцию верхней части картера двигателя блок цилиндров соединен с выполняющей функцию масляной ванны нижней частью картера двигателя для сбора и накопления моторного масла на стороне, удаленной от головки цилиндров, причем всасывающий трубопровод проходит от масляной ванны к насосу для снабжения насоса моторным маслом из масляной ванны.
Масляная ванна предназначена для сбора и накопления моторного масла, она является частью масляного контура. Кроме того, масляная ванна выполняет функцию теплообменника для снижения температуры масла в двигателе внутреннего сгорания до рабочей температуры. При этом находящееся в масляной ванне масло охлаждается за счет теплопроводности и конвекции с помощью проходящего вдоль наружной стенки масляной ванны воздушного потока.
Сам насос снабжается через всасывающую магистраль моторным маслом, подаваемым из масляной ванны. Для ограничения давления масла в масляном контуре может быть предусмотрен перепускной трубопровод, который ответвляется от питающего трубопровода ниже по потоку насоса, непосредственно после него, и вливается во всасывающую магистраль выше по потоку насоса. В перепускном трубопроводе расположен перепускной клапан, автоматически открывающийся при превышении заданного значения давления масла.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых питающий трубопровод масляного контура проходит через блок цилиндров ниже по потоку насоса, прежде чем попасть в головку цилиндров, а также варианты, в которых питающий трубопровод масляного контура проходит через головку цилиндров ниже по потоку насоса, прежде чем попасть в блок цилиндров.
Ниже по потоку насоса масло часто сначала подается к главной масляной магистрали для снабжения подшипников коленчатого вала, а затем попадает к головке блока цилиндров. Масло нагревается при прохождении через блок цилиндров, благодаря чему расположенная ниже по потоку со стороны головки блока цилиндров часть масляного контура снабжается уже разогретым в блоке цилиндров маслом, которое дальше нагревается в головке, перед тем, как окончательно возвращается.
Предпочтительными являются варианты конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания, в которых клапанный привод содержит впускной кулачковый вал для приведения в действие клапанов впускных отверстий и выпускной кулачковый вал для приведения в действие клапанов выпускных отверстий.
Вторая задача изобретения, а именно, разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания описанного типа, решается с помощью способа, характеризующегося тем, что для активации по меньшей мере одного гидравлически активируемого следящего элемента кулачка повышают давление масла в масляном контуре.
Все сказанное в отношении двигателя внутреннего сгорания по изобретению также распространяется на соответствующий способ его эксплуатации. В связи с этим будет целесообразно сослаться на описание соответствующего изобретению двигателя внутреннего сгорания и его различных вариантов.
Предпочтительными являются варианты способа эксплуатации двигателя, в которых для перехода во включенное состояние по меньшей мере одного гидравлически активируемого следящего элемента кулачка повышают давление масла в масляном контуре.
Предпочтительными являются варианты способа эксплуатации двигателя, в которых давление масла в масляном контуре повышают в том случае, если количество свежего воздуха превышает заданное значение.
В двигателе внутреннего сгорания без наддува количество свежего воздуха и количество выхлопных газов соответствует приблизительно частоте вращения и/или нагрузке двигателя внутреннего сгорания, независимо от используемого в отдельных случаях устройства регулирования нагрузки. В обычных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием и с количественным регулированием количество свежего воздуха возрастает с увеличением нагрузки даже при постоянной частоте вращения двигателя, в то время как количество свежего воздуха в обычных дизельных двигателях с качественным регулированием зависит исключительно от частоты вращения двигателя, потому что при изменении нагрузки и постоянной частоте вращения двигателя изменяется состав горючей смеси, но не ее количество.
Если двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению основан на количественном регулировании, при котором уровень нагрузки контролируется посредством количества свежей смеси, количество свежего воздуха может превышать соответствующее (то есть заранее определенное) количество свежего воздуха даже при постоянной частоте вращения, если нагрузка двигателя превышает определенное значение, так как количество свежего воздуха коррелирует с нагрузкой двигателя, причем количество свежего воздуха возрастает с ростом нагрузки и спадает с уменьшением нагрузки.
Напротив, если двигатель внутреннего сгорания основан на качественном регулировании, при котором нагрузка контролируется посредством состава свежей смеси и количество свежего воздуха изменяется исключительно вместе с частотой вращения двигателя, то есть прямо пропорционально частоте вращения, количество свежего воздуха превышает заранее определенное значение независимо от нагрузки в случае, если частота вращения двигателя внутреннего сгорания также превышает предварительно определенное значение.
Если двигатель внутреннего сгорания, кроме того, является двигателем с турбонаддувом, то необходимо дополнительно учитывать давление нагнетаемого воздуха со стороны впуска, которое может изменяться с нагрузкой и/или частотой вращения, а также оказывает влияние на количество свежего воздуха. Взаимосвязи, описанные выше в отношении количества свежего воздуха и нагрузки или частоты вращения, соответственно применяются только условно в общей форме. Таким образом, способ согласно изобретению связан в основном с количеством свежего воздуха, а не с нагрузкой или частотой вращения двигателя.
Предпочтительными являются варианты способа эксплуатации двигателя, в которых при повышении нагрузки и/или увеличении частоты вращения двигателя возрастает давление масла в масляном контуре.
Предпочтительными являются варианты способа эксплуатации двигателя, в которых давление масла в масляном контуре возрастает тогда, когда нагрузка и/или частота вращения двигателя превышают заданное значение.
1
Предпочтительными являются варианты способа эксплуатации двигателя, в которых давление масла в масляном контуре увеличивают тогда, когда нагрузка и/или частота вращения двигателя превышают соответствующее заданное значение на протяжении предварительно определенного периода времени Δt.
Введение дополнительного условия для повышения давления масла направлено на предотвращение чрезмерно частого переключения, в частности переключения активируемого следящего элемента кулачка в случае, если нагрузка и/или частота вращения двигателя превышает заданное значение только на короткий промежуток времени, а затем снова снижается, или колеблется возле этого значения без его превышения, обуславливающего переключения активируемого следящего элемента кулачка.
Если нагрузка и/или частота вращения двигателя снова опускаются ниже заданных значений, то активируемый следящий элемент кулачка и соответствующее ему задействуемое отверстие снова переключаются.
По вышеизложенным причинам, предпочтительными являются варианты способа, в которых активируемый следящий элемент кулачка переключается, когда нагрузка и/или частота вращения двигателя становятся меньше заданного значения и находятся на этом уровне на протяжении предварительно определенного периода времени.
Предпочтительными являются варианты способа эксплуатации двигателя, в которых давление масла в масляном контуре возрастает тогда, когда увеличивается объем подачи насоса.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан двигатель внутреннего сгорания, содержащий: по меньшей мере один цилиндр с по меньшей мере двумя выпускными отверстиями для отвода выхлопных газов и по меньшей мере двумя впускными отверстиями для подачи воздуха для горения, из которых по меньшей мере одно выполнено как задействуемое отверстие; клапанный механизм, включающий в себя клапан для каждого отверстия и клапанный привод для управления клапанами, содержащий по меньшей мере один кулачковый вал с множеством кулачков и множеством следящих элементов кулачков, причем каждый следящий элемент кулачка расположен в силовом потоке между кулачком и клапаном таким образом, что при вращении кулачкового вала клапан совершает колебательные возвратно-поступательные движения; и масляный контур и насос для снабжения клапанного механизма моторным маслом через питающий трубопровод. Следящий элемент кулачка по меньшей мере одного задействуемого отверстия представляет собой гидравлически активируемый следящий элемент кулачка, соединенный с масляным контуром. Насос представляет собой насос с переменным объемом подачи, позволяющий регулировать давление масла в питающем трубопроводе ниже по потоку насоса. Гидравлически активируемый следящий элемент кулачка, который при вращении кулачкового вала вызывает возвратно-поступательные движения соответствующего ему клапана, переключается на отключенное состояние при превышении заданного значения давления масла, при этом отключенный следящий элемент кулачка препятствует возвратно-поступательным движениям соответствующего ему клапана при вращении кулачкового вала.
Предпочтительно, гидравлически активируемый следящий элемент кулачка, который при вращении кулачкового вала препятствует возвратно-поступательным движениям соответствующего ему клапана, переключается на подключенное состояние при превышении заданного значения давления масла, при этом подключенный следящий элемент кулачка вызывает возвратно-поступательные движения относящегося к нему клапана при вращении кулачкового вала.
Предпочтительно, следящие элементы кулачков клапанного привода представляют собой толкатели, а по меньшей мере один гидравлически активируемый следящий элемент кулачка представляет собой гидравлически активируемый толкатель.
Предпочтительно, по меньшей мере один гидравлически активируемый толкатель состоит из двух отдельных, но соединяемых между собой конструктивных элементов, которые в подключенном состоянии толкателя соединены друг с другом, а в отключенном состоянии толкателя являются подвижными друг относительно друга.
Предпочтительно, насос представляет собой лопастный насос со смещаемым эксцентриситетом.
Предпочтительно, эксцентриситет лопастного насоса выполнен с возможностью смещения с помощью системы управления двигателем и электрически управляемого магнитного клапана.
Предпочтительно, ниже по потоку насоса в питающем трубопроводе расположен фильтр и/или масляный охладитель.
Предпочтительно, выше по потоку клапанного механизма расположены фильтр и/или масляный охладитель.
Предпочтительно, двигатель содержит по меньшей мере одну головку цилиндров и по меньшей мере один соединенный с головкой цилиндров блок цилиндров, на двух коренных подшипниках которого размещен коленчатый вал, причем питающий трубопровод открывается в главную масляную магистраль, которая соединена с по меньшей мере двумя коренными подшипниками и снабжает их маслом.
Предпочтительно, по меньшей мере один блок цилиндров, выполняющий функцию верхней части картера двигателя, на стороне, удаленной от головки цилиндров, соединен с масляной ванной, выполняющей функцию нижней части картера и предназначенной для сбора и накапливания моторного масла, причем всасывающий трубопровод проходит от масляной ванны к насосу для его снабжения моторным маслом из масляной ванны.
Согласно второму объекту изобретения создан способ эксплуатации вышеописанного двигателя внутреннего сгорания, согласно которому повышают давление масла в масляном контуре для деактивации по меньшей мере одного гидравлически активируемого следящего элемента кулачка.
Предпочтительно, повышают давление масла в масляном контуре для переведения по меньшей мере одного гидравлически активируемого следящего элемента кулачка в подключенное состояние.
Предпочтительно, давление масла в масляном контуре повышают при увеличении нагрузки и/или частоты вращения двигателя.
Предпочтительно, давление масла в масляном контуре повышают увеличением объема подачи насоса.
Далее изобретение будет описано более подробно на основе примерного варианта осуществления, показанного на единственном чертеже, на котором:
Фиг. 1 - схематический вид масляного контура первого варианта двигателя внутреннего сгорания с элементами клапанного механизма.
Так, на Фиг. 1 схематически показан масляный контур 1 первого варианта выполнения двигателя внутреннего сгорания с деталями клапанного механизма 2.
Для подачи моторного масла по масляному контуру 1 предусмотрен насос 3, при этом всасывающий трубопровод 15 проходит от масляной ванны 14, предназначенной для сбора и накапливания моторного масла, к насосу 3 для его снабжения моторным маслом из масляной ванны 14.
Насос 3 подает масло через питающий трубопровод 4 к расположенным в масляном контуре 1 точкам потребления 5. При этом масло проходит сначала через расположенный ниже по потоку насоса 3 фильтр 8, а также расположенный ниже по потоку фильтра 8 масляный охладитель 9 на хладагенте, который, как правило, деактивируется в период прогрева.
Ниже по потоку питающий трубопровод 4 вливается в главную масляную магистраль, от которой проходят каналы 10а к коренным подшипникам 12 коленчатого вала и шатунным подшипникам 11, для их снабжения маслом.
От главной масляной магистрали, расположенной в блоке цилиндров, питающий трубопровод 4 проходит к головке цилиндров и остальным точкам потребления 5, а именно - к расположенным со стороны впуска подшипникам 7а кулачкового вала и расположенным со стороны выпуска подшипникам 7b кулачкового вала, а также к кулачковым следящим элементам 6 клапанного механизма 2. В качестве следящих элементов 6 кулачков могут также использоваться гидравлически активируемые толкатели 6а, соединенные с масляным контуром 1 и предназначенные для создания задействуемых впускных или выпускных отверстий.
Активация или деактивация толкателей 6а осуществляется с помощью изменения давления масла, которое оказывает воздействие на толкатели 6а. При повышении или понижении давления масла толкатели 6а активируются или деактивируются.
Для регулировки давления масла в питающем трубопроводе 4 масляного контура 1 и подачи масла используется лопастный насос 3а, в котором в полом цилиндре, используемом в качестве статора, вращается используемый в качестве ротора другой цилиндр. Эксцентриситет оси вращения ротора может изменяться, благодаря чему также может регулироваться объем подачи насоса 3, 3а. Увеличение объема подачи приводит к увеличению давления масла на выходе насоса.
Смещение эксцентриситета осуществляют с помощью электрически управляемого насосного клапана 16, который в дополнение к открытому в течение длительного периода времени напорному трубопроводу 17а освобождает или запирает дополнительный нагнетательный масляный трубопровод 17b по отношению к лопастному насосу 3а, и который приводится в действие с помощью системы управления 18 двигателя. При приведении в действии клапана 16 снабжаемая маслом или находящаяся под давлением масла площадь увеличивается или уменьшается, и, таким образом, силе упругости противодействует большая или меньшая сила давления масла, что изменяет эксцентриситет.
Также предусмотрены возвратные трубопроводы 13, по которым под воздействием силы тяжести моторное масло возвращается обратно в масляную ванну 14.
Перечень ссылочных позиций
1 - масляный контур
2 - клапанный механизм
3 - насос
3а - лопастный насос
4 - питающий трубопровод
5 - точка потребления
6 - следящий элемент кулачка, толкатель
6а - гидравлически активируемый следящий элемент кулачка, гидравлически активируемый толкатель
7а - подшипник кулачкового вала со стороны впуска
7b - подшипник кулачкового вала со стороны выпуска
8 - фильтр
9 - масляный охладитель
10а - канал
11 - шатунный подшипник коленчатого вала
12 - подшипник коленчатого вала, коренной подшипник
13 - возвратный трубопровод
14 - масляная ванна
15 - всасывающий трубопровод
16 - насосный клапан
17а - напорный трубопровод
17b - напорный трубопровод
18 - система управления двигателя.