КОМПЕНСАТОР ЗАЗОРА ДЛЯ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения и может найти применение в двигателях внутреннего сгорания. В частности в рамках настоящей заявки рассматривается конструкция гидравлического устройства для компенсации зазоров в клапанном механизме двигателя внутреннего сгорания (гидрокомпенсатор).
Размеры деталей работающего двигателя внутреннего сгорания вследствие нагрева увеличиваются. Чтобы это не привело к поломкам, ускоренному износу, ухудшению характеристик силовых агрегатов, между некоторыми деталями на этапе конструирования создают тепловые зазоры. При разогреве мотора за счет расширения деталей они «выбираются» (поглощаются). Тем не менее, по мере износа деталей их нагрева оказывается недостаточно для поглощения зазоров, что отрицательно сказывается на характеристиках двигателя.
Тепловой зазор в механизме привода клапанов напрямую влияет на работоспособность силового агрегата. Так как из-за износа деталей клапанные зазоры постоянно изменяются, еще в начале прошлого века в двигатель внедрили механизм их регулирования с помощью обычных гаечных ключей. Делать это следовало регулярно, а значит, повышалась трудоемкость техобслуживания и увеличивалась его стоимость. Гидрокомпенсаторы (ГК) позволяют избежать этих проблем. Они должны полностью поглощать зазоры между рабочими поверхностями распредвала и рокерами коромыслами, клапанами, штангами -независимо от температурного режима и степени износа деталей.
Устройство и принцип работы гидрокомпенсатора рассмотрим на примере гидротолкателя, установленного в головке блока цилиндров. Остальные типы гидрокомпенсаторов, хотя и отличаются по конструкции, но работают по тому же принципу. Гидротолкатель представляет собой корпус, внутри которого установлена подвижная плунжерная пара с шариковым клапаном. Корпус подвижен относительно направляющего седла, сделанного в головке блока цилиндров. Если ГК вмонтирован в рычаги привода клапанов (в рокеры или коромысла), его подвижной частью является только плунжер, выступающая часть которого выполнена в виде шаровой опоры или опорного башмака.
Основная часть ГК - плунжерная пара. Зазор между втулкой и плунжером составляет всего 5-8 мкм, что обеспечивает высокую герметичность соединения, при этом подвижность деталей сохраняется. В нижней части плунжера сделано отверстие для поступления масла, которое закрывается подпружиненным обратным шариковым клапаном. Между втулкой и плунжером установлена достаточно жесткая возвратная пружина.
Когда кулачок распредвала расположен тыльной стороной к корпусу толкателя, внешней сжимающей нагрузки нет и между корпусом и кулачком холодного двигателя имеется зазор (Н). Возвратная пружина выталкивает плунжер до тех пор, пока этот зазор не будет «выбран» - уменьшен практически до нуля. Одновременно масло из системы смазки двигателя через шариковый клапан и перепускной канал поступает во внутреннюю полость плунжера и заполняет ее.
По мере того, как вал поворачивается, кулачок начинает давить на корпус толкателя и перемещает его вниз, перекрывая масляные каналы - системы смазки двигателя и перепускной канал. Шариковый клапан при этом закрывается, и давление масла под плунжером увеличивается. Так как жидкость несжимаема, плунжерная пара начинает работать как жесткая опора, передавая усилие кулачка на шток клапана двигателя.
Хотя зазор в плунжерной паре очень мал, немного масла все же продавливается обратно через технологический зазор между плунжером и втулкой, поэтому толкатель опускается («проседает») на 10-50 мкм. Величина «просадки» зависит от оборотов вращения коленвала двигателя. Если они увеличиваются, за счет уменьшения времени нажатия на корпус гидротолкателя, снижаются утечки масла из-под плунжера.
Образование зазора при сходе кулачка с толкателя исключается благодаря действию возвратной пружины плунжера и давлению масла в системе смазки двигателя. Таким образом, гидрокомпенсатор обеспечивает отсутствие зазоров - за счет постоянной жесткой связи между элементами ГРМ. Из-за нагревания двигателя длина деталей самого гидрокомпенсатора несколько меняется, но он автоматически компенсирует и эти изменения.
Внедрение ГК позволило избежать регулировки зазоров клапанного механизма и сделать его работу более «мягкой»; уменьшить ударные нагрузки, то есть снизить износ деталей ГРМ и исключить повышенную шумность двигателя; более точно соблюдать длительность фаз газораспределения, что положительно сказывается на сохранности двигателя, его мощности и расходе топлива.
Так, известно гидравлическое устройство для компенсации зазоров в клапанном механизме двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус с отверстием, диафрагму с основанием и цилиндрическим выступом, подвижный гидроцилиндр, плунжер с маслоподающим каналом и шариковым обратным клапаном, распорную пружину, диафрагма с противоположной стороны от цилиндрического выступа имеет кольцевой поясок, плотно сопряженный с кольцевой проточкой корпуса, при этом основание диафрагмы связано с кольцевым пояском гибкой конической или цилиндрической кольцеобразной перемычкой (RU 2143565, F01L 1/25, опубл. 27.12.1999). Это решение принято в качестве прототипа для всех заявленных вариантов.
При всех своих преимуществах гидрокомпенсаторы обладают и недостатками, а двигатели, оборудованные ими, - некоторыми особенностями эксплуатации. Один из конструкционных недостатков простых гидрокомпенсаторов проявляется в некачественной работе холодного двигателя в первые секунды пуска, когда давление масла в системе смазки отсутствует или оно минимально.
Впускные и выпускные клапаны нагреваются до разной температуры, поэтому величины необходимых для них тепловых зазоров различны: для впускных клапанов - 0,15-0,25 мм, а для выпускных - 0,20-0,35 мм и даже больше. Если эти величины не соблюдены, последствия могут быть самыми разными:
- при "перетянутых" впускных/выпускных клапанах (зазор мал или его вообще нет) из-за неполного их закрытия снижается компрессия, что приводит к потере мощности, прогоранию тарелок клапанов и их седел, воспламенению топливо-воздушной смеси во впускном/выпускном коллекторе (при проникновении пламени), возникновению калильного зажигания (из-за перегрева кромок клапанов). Если клапан оказывается приоткрытым, при любом температурном режиме заметно ухудшаются пусковые характеристики двигателя;
- при увеличенных зазорах возникают повышенные ударные нагрузки, которые, воздействуя на детали ГРМ, снижают их ресурс. Кроме того, ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом, а это чревато снижением крутящего момента и мощности мотора.
Основные причины выхода из строя ГК - загрязнение масляных каналов двигателя и износ рабочих поверхностей обратного клапана и плунжерной пары, изготовленных с высокой степенью точности. При увеличении посадочного зазора в плунжерной паре повышается утечка масла из камеры высокого давления. Гидрокомпенсатор теряет "жесткость", поэтому эффективность передачи усилия кулачка на стержень клапана ГРМ снижается. То же самое происходит при износе обратного клапана камеры высокого давления. Неисправности системы смазки двигателя замедляют наполнение ГК маслом и не позволяют поглощать зазоры в ГРМ.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной долговечности компенсатора за счет исключения влияния износа рабочей поверхности в контакте с кулачком ГРМ и за счет обеспечения постоянного контакта этой рабочей поверхности с кулачком ГРМ.
Указанный технический результат достигается тем, что в компенсаторе зазора для механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащем стаканообразной формы корпус, донная часть которого представляет собой снаружи рабочую поверхность для контакта с кулачком механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, при этом внутри корпуса размещена диафрагма с основанием и цилиндрическим выступом, подвижный гидроцилиндр, плунжер с маслоподающим каналом, и распорную пружину, внутри стаканообразной формы корпуса под стенкой его рабочей поверхности размещен постоянный магнит в виде диска или постоянный магнит в виде кольца прямоугольной формы в сечении или постоянный магнит в виде кольца трапецеидальной формы в сечении для формирования силы притяжения стаканообразной формы корпуса к кулачком механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - представлен первый пример исполнения гидрокомпенсатора;
фиг. 2 - представлен второй пример исполнения гидрокомпенсатора;
фиг. 3 - представлен третий пример исполнения гидрокомпенсатора;
фиг. 4 иллюстрирует контактное положение рабочей поверхности гидрокомпенсатора с кулачком ГРМ;
фиг. 5 - показана эпюра магнитного поля, показывающая наличие поля притяжения в зоне рабочей поверхности гидрокомпенсатора;
фиг. 6 - сканирование магнитных полей в зоне рабочей поверхности гидрокомпенсатора.
Настоящая полезная модель рассматривает конструкцию компенсатора зазора для механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания. Этот компенсатор содержит стаканообразной формы корпус 1, донная часть которого представляет собой снаружи рабочую поверхность 2 для контакта с кулачком 3 механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Внутри корпуса размещены диафрагма 4 с основанием и цилиндрическим выступом, в котором размещен подвижный гидроцилиндр 5, плунжер с маслоподающим каналом, и пружина 6 для поджатия корпуса к кулачку.
Данное описание конструкции компенсатора зазора для механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания дано в качестве примера. Для зачвленно полезно модели не суть важна внутренняя компоновка и конструкция самого компенсатора.
Как известно, между диафрагмой и плунжером установлена достаточно жесткая возвратная пружина. Назначение этой пружины - обеспечение контакта корпуса с кулачком ГРМ. Но эта же пружина оказывает влияние на износ, так как пара «корпус компенсатора-кулачок ГРМ» работает в режиме трения скольжения. Для обеспечения надежного контакта в этой паре жесткость пружины выбирают большей, чем необходимо в действительности с тем, чтобы сохранить этот контакт при наличии износа. Кроме того, несмотря на то, что для ГРМ ДВС подбирают пружины примерно одинаковых параметров, между ними все равно существует разница в жесткости, что сказывается на неравномерном износе компенсаторов. Снижение жесткости этой пружины позволило бы уменьшить усилие в паре скольжения, оставив пружине функцию гашения и компенсации перемещений при передаче усилий от кулачка через компенсатор на клапан головки цилиндра. Это так же позволило бы увеличить кпд этой пары и ее долговечность в режиме оптимального функционирования.
Для этой цели внутри стаканообразной формы корпуса 1 под стенкой его рабочей поверхности размещен постоянный магнит 7 в виде диска (фиг. 1) или постоянный магнит 7 в виде кольца прямоугольной формы в сечении (фиг. 2) или постоянный магнит 7 в виде кольца трапецеидальной формы в сечении (фиг. 3) для формирования силы притяжения F (фиг. 4) стаканообразной формы корпуса к кулачку 3 механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания.
Испытания, результаты которых приведены вы виде графических сканов на фиг. 5 и 6, показывают, что при применении постоянного магнита под рабочей поверхностью компенсатора возникает магнитное взаимодействие корпуса с кулачком, сила F которого направлена в сторону кулачка с притягиванием корпуса компенсатора. Таким образом, корпус компенсатора постоянно находится в контакте с кулачком, независимо от того, холодный двигатель или уже прогрет.Так как постоянный контакт в паре «корпус компенсатора - кулачок ГРМ» обеспечен, то пружина может быть ослаблена и ее действие на степень поджатия компенсатора может быть серьезно уменьшено.
Настоящая полезная модель промышленно применима, так как не требует серьезной переделки конструкции компенсатора. Постоянный магнит в той или иной форме исполнения (для разных моделей гидрокомпенсаторов) позволяет сформировать магнитное притяжение как усилие, заменяющее или частично компенсирующее усилие пружины поджатия.