Газораспределительный механизм поршневого двигателя внутреннего сгорания с управляемой высотой подъема клапана

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к двигателям внутреннего сгорания.
В двигателях с искровым зажиганием управление мощностью происходит преимущественно за счет изменения наполнения цилиндров свежим зарядом с помощью дроссельной заслонки, расположенной во впускной системе на некотором расстоянии от входа в цилиндр. При прикрытии дроссельной заслонки (при понижении мощности) скорость движения газа по впускному трубопроводу затухает, что приводит к заметному снижению уровня газодинамического состояния газовой смеси к моменту зажигания, и, как следствие, к недостаточной скорости турбулентного горения. Для повышения интенсивности горения приходится вынужденно создавать более активную богатую смесь, что заметно снижает коэффициент полезного действия (КПД) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) от химического недогорания топлива.
Чтобы получить наиболее высокий уровень газодинамики желательно управлять наполнением путем дросселирования потока на входе в цилиндр за счет изменения проходного сечения впускного клапана. В этом случае при уменьшении наполнения наилучшим образом сохраняется интенсивность газодинамики к началу сгорания.
Известные газораспределительные механизмы (ГРМ) с системами управления наполнением за счет изменения высоты подъема и длительности открытия впускного клапана можно разделить на механические, гидромеханические и электромагнитные (см. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 2: Динамика и конструирование: Учеб. для вузов: В 3 кн./Под ред.: В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. - 2005. - 399, [1] с.: ил. - Библиогр.: с. 396; RU 2187004 C1, МПК 7 F02В 23/08, 2002; RU 2232906 C1, МПК 7 F02В 23/08, 2004).
За аналоги можно принять ГРМ с механическими системами управления высотой подъема клапана. В таких системах в классическую конструкцию газораспределительного механизма между кулачком распределительного вала и клапанным комплектом устанавливаются промежуточные детали с пружинами для обеспечения безударной работы механизма. Наличие дополнительных пружин усложняет конструкцию, снижает надежность механизма.
Наиболее близким техническим решением является механическая система BMW Valvetronic, принятая за прототип, внедренная в производство двигателей. Однако она имеет достаточно усложненную конструкцию привода впускного клапана по сравнению с традиционными системами газораспределения и включает дополнительные вал, рычаги и пружины электромагнитные (см. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 2: Динамика и конструирование: Учеб. для вузов: В 3 кн./Под ред.: В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. - 2005. - 399, [1]с.: ил. - Библиогр.: с. 396).
Задача изобретения - повышение коэффициента полезного действия двигателей с искровым зажиганием при работе на частичных нагрузках.
Поставленная задача достигается тем, что предложен газораспределительный механизм с управляемой высотой подъема клапана, состоящий из распределительного вала с кулачком и клапанного комплекта, причем между кулачком и клапанным комплектом установлен на оси рычажный толкатель с дугообразной верхней поверхностью, концентричной начальной окружности кулачка, и с роликом на этой поверхности, имеющим возможность перемещения при помощи вилки, которая установлена на опорах распределительного вала с возможностью поворота относительно его оси.
Предлагаемый газораспределительный механизм (ГРМ) с управляемой высотой открытия клапана не имеет дополнительных пружин и требует сравнительно несложных конструктивных изменений традиционного привода открытия клапанов в механизмах газораспределения с верхним раздельным расположением впускного и выпускного распределительных валов.
В предлагаемом ГРМ между кулачком впускного распределительного вала и клапанным комплектом (включая гидрокомпенсатор) установлен на оси рычажный толкатель с дугообразной верхней поверхностью, концентричной начальной окружности кулачка, и ролик, который перемещают по верхней поверхности рычажного толкателя вилкой, поворачиваемой относительно оси распределительного вала.
Предлагаемая полезная модель поясняется изображениями, где:
1 - кулачок впускного распределительного вала,
2 - ролик,
3 - ось,
4 - рычажный толкатель,
5 - клапанный комплект,
6 - вилка,
7 - опоры распределительного вала.
На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый механизм, включающий кулачок 1 впускного распределительного вала, ролик 2, рычажный толкатель 4, установленный на оси 3, и клапанный комплект 5. Ролик 2 перемещают по толкателю 4 вилкой 6, установленной на опорах 7 распределительного вала (фиг. 5, фиг. 6). Кулачок, ролик и расстояние от оси качания рычажного толкателя до оси клапана выполнены в натуральную величину. Диаметр начальной окружности кулачка, равный 32 мм, выбран с ориентиром на кулачки распределительных валов четырехцилиндровых малолитражных двигателей. Высота вершины кулачка - 4 мм и диаметр ролика - 8 мм выбраны по конструктивным соображениям. При этих размерах графически на фиг. 2 - фиг. 4 определены перемещения клапана в зависимости от положения ролика. При перемещении ролика по рычажному толкателю на углы от -8 до +10° относительно среднего положения высота подъема клапана меняется от 3 мм (минимальный подъем) до 8,5 мм (максимальный подъем). Такое изменение подъема клапана позволит в широком диапазоне изменять коэффициент наполнения двигателя, приемлемом для управления мощностью в широком диапазоне.
В предлагаемом ГРМ изменение высоты подъема клапана сопровождается смещением начала открытия и окончания закрытия клапана при неизменной длительности его открытия. При направлении вращения распределительного вала, показанного на фиг. 2 - фиг. 4, когда кулачок набегает на рычажный толкатель со стороны его сводного конца, увеличение высоты подъема клапана сопровождается смещением начала его открытия в сторону запаздывания до максимальной величины 18° поворота распределительного вала, что соответствует 36° поворота коленчатого вала при четырехтактном цикле. Такое смещение фазы открытия впускного клапана в сторону запаздывания можно использовать для организации рабочего процесса по циклу Аткинсона. При запаздывании закрытия впускного клапана с увеличением наполнения будет происходить заброс газов из цилиндра во впускную трубу, что приведет к понижению давления и температуры в конце сжатия, и, в итоге, к снижению вероятности возникновения детонации при больших нагрузках двигателя. В то же время при малых наполнениях (небольших нагрузках двигателя) уменьшение проходного сечения клапанной щели приведет к увеличению интенсивности газодинамики и, как следствие, к возможности стабильного и быстрого сжигания более экономичной бедной смеси и получения более высокого КПД двигателя. Такой процесс более эффективен для двигателей с наддувом.
При вращении распределительного вала в сторону, противоположную показанному направлению вращения на фиг. 2 - фиг. 4, когда кулачок набегает на рычажный толкатель со стороны оси, можно организовать рабочий процесс двигателя по циклу Миллера. С увеличением высоты подъема клапана (с увеличением наполнения цилиндра) происходит более раннее его открытие и закрытие. При больших наполнениях закрытие клапана происходит до прихода поршня в нижнюю мертвую точку. В этом случае после закрытия клапана давление и температура в цилиндре по мере движения поршня вниз будут понижаться по законам политропного расширения, и при последующем сжатии такой газовой смеси будут получены более низкие давления и температуры к моменту зажигания, что снизит склонность двигателя к детонации. Это позволит повысить степень сжатия по условиям детонации и получить более высокий КПД таких двигателей по сравнению с двигателями, работающими по циклу Отто. Кроме того, при малых наполнениях уменьшение сечения клапанной щели даст возможность сжигать более эффективно бедные смеси за счет более интенсивной газодинамики и дополнительно повысить КПД таких двигателей, работающих по циклу Миллера.
Полезная модель позволяет повысить коэффициент полезного действия двигателей с искровым зажиганием при работе на частичных нагрузках.