УСТРОЙСТВО ПРИВОДА КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVE DRIVE

Область техники
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в конструкции газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В общем случае, газораспределительный механизм предназначен для обеспечения своевременной подачи в цилиндры двигателя воздуха или топливно-воздушной смеси (в зависимости от типа двигателя) и выпуска из цилиндров отработанных газов [1]. Например, на широко распространенных четырехтактных поршневых двигателях внутреннего сгорания применяются клапанные газораспределительные механизмы, устройство таких механизмов включает: клапаны, привод клапанов, распределительный вал, привод распределительного вала.
Предшествующий уровень техники
Широко известны впускные и выпускные клапаны механического принципа действия, которые открываются толкающими усилиями кулачков распределительного вала, а закрываются под воздействием возвратной запорной пружины. Недостатком таких устройств является сложность конструкции из-за упругих возвратных запорных пружин (в некоторых устройствах установлено по две возвратно запорных пружины), повышенная шумность работы от наличия динамического взаимодействия кулачков с толкателями, наличия сил трения скольжения между кулачками и толкателями, а также значительных нагрузок на детали и механизмы, обеспечивающие работу газораспределительного механизма, снижающих коэффициент полезного действия автомобиля.
Известны и являются перспективными, в части возможности управления двигателем от электронной автоматики, электромагнитные приводы газораспределительных клапанов [2], однако существенным недостатком таких устройств также является наличие возвратной запорной пружины, для преодоления усилия которой необходима значительная тяговая сила, что делает габаритные размеры электромагнита и индуктивность недопустимо большими, а потребление энергии от бортовой сети автомобиля - значительным.
Известны беспружинные десмодромные газораспределительные механизмы [3] с принудительным открытием и закрытием клапанов, применяемые в двигателях с целью обеспечения надежной работы на высоких оборотах. Принудительное открытие и закрытие клапанов осуществляется от самостоятельных кулачков. Десмодромный механизм имеет ряд существенных недостатков, сдерживающих его широкое применение: высокая стоимость конструкции, обусловленная прецизионной точностью сопрягаемых деталей, сложность технического обслуживания, обусловленная наличием большого количества движущихся частей, склонных к износу. Применение таких механизмов может быть оправдано для специальных целей, например для использования в гоночных автомобилях («Mercedes-Benz W196», «O.S.C.A. Barchetta», «Mercedes-Benz 300 SLR») и мотоциклах («Ducati»).
Известны изобретения [4, 5, 6], направленные на решение задач усовершенствования перечисленных механизмов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является раскрытый в патенте UA 75426 на полезную модель бесконтактный привод клапана ДВС [7]. Данное устройство содержит распределительный вал, толкатель, выполненный из цилиндрического постоянного магнита, полюса которого расположены диагонально. Техническим результатом является снижение шума при работе двигателя, улучшение работы и увеличение долговечности устройства.
Раскрытие изобретения
Устройство привода клапана ДВС основано на использовании силовых магнитных полей постоянного магнита.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей привода клапана ДВС для обеспечения надежной работы на высоких оборотах, создание оригинальной конструкции привода клапана ДВС, обеспечивающего повышение эффективности системы газораспределения, снижение потребления топлива, повышение коэффициента полезного действия двигателя и автомобиля в целом, повышение технологичности изготовления и применения унифицированного устройства, снижение нагрузки в целом на детали и механизмы, обеспечивающие работу газораспределительного механизма, что влечет за собой снижение потребления топлива, снижение токсичности выхлопных газов, повышение крутящего момента ДВС.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве привода клапана ДВС, содержащем головку блока цилиндров, распределительный вал, установленный с возможностью вращения в головке блока цилиндров, кулачковый механизм, толкатель клапана, клапан и тарелку клапана, согласно изобретению распределительный вал, выполнен сборным, состоящим из штока с жестко установленными на нем посредством переходных втулок кулачками, каждый из которых представляет собой сборку, состоящую из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок, имеющих на площади прилегания к магниту пазы для фиксации магнита, выполняющих функцию рабочей поверхности кулачка, причем рабочие поверхности накладок кулачка, имея от постоянного магнита кулачка намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями накладок сборного ролика, который состоит из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание, и боковых накладок, имеющих на площади прилегания к магниту пазы для фиксации магнита, выполняющих функцию рабочей поверхности ролика, которые также имея от постоянного магнита намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения ролика, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями боковых накладок кулачка, при этом ролик толкателя встроен в толкатель клапана через ось вращения ролика, а толкатель клапана содержит устройство крепления клапана.
Кроме того, боковые накладки кулачка и ролика выполнены из ферромагнитного материала, а распределительный вал, переходные втулки, толкатель клапана и ось вращения ролика изготовлены из немагнитного материала.
Данное устройство содержит жестко закрепленные кулачки, каждый из которых представляет собой сборку, состоящую из постоянного магнита, имеющего аксиальное намагничивание и разноименные полюса (N и S) вдоль оси вращения, изготовленного с возможностью работы в условиях высокой температуры (рабочая температура магнита 180 градусов по Цельсию) в форме эксцентрика, и боковых накладок в форме эксцентрика, на площади прилегания к магниту накладки имеют пазы (углубление) для фиксации магнита, изготовленные из ферромагнитного материала, обладающие высокой магнитной проницаемостью, выполняющие функцию магнитного поля на рабочую поверхность кулачка и функцию рабочей поверхности кулачка. Сборный ролик толкателя состоит из постоянного магнита, изготовленного с возможностью работы в условиях высокой температуры (рабочая температура магнита 180 градусов по Цельсию) в форме кольца, и боковых несущих кольцевых накладок, на площади прилегания к магниту накладки имеют пазы (углубление) для фиксации магнита, изготовленных из ферромагнитного материала, обладающих высокой магнитной проницаемостью, также выполняющих функцию магнитного поля на рабочую поверхность ролика, и функцию рабочей поверхности ролика, встроенного в толкатель клапана через ось вращения ролика, при этом толкатель клапана и ось вращения ролика, изготовлены из немагнитных материалов, и толкатель клапана содержит устройство крепления тарелки клапана.
Причем рабочие поверхности боковых ферромагнитных накладок кулачка, обладая высокой магнитной проницаемостью и имея от постоянного магнита кулачка намагниченные разноименные полюса (N и S), расположенные вдоль оси вращения распределительного вала, и рабочие поверхности боковых ферромагнитных накладок ролика, также обладая высокой магнитной проницаемостью и имея от постоянного магнита ролика намагниченные разноименные полюса (S и N), расположенные вдоль оси вращения ролика, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи между собой.
Сборный кулачок распределительного вала, а также сборный ролик толкателя клапана со встроенным постоянным магнитом, имеющим аксиальное намагничивание и разноименные полюса (N и S - S и N) вдоль оси вращения, через боковые несущие ферромагнитные накладки, обладающие высокой магнитной проницаемостью, соответственно магнитной силой постоянного магнита, постоянно притягиваются друг к другу исключительно разноименными полюсами, выполняют две функции, а именно, вращаясь между собой, кулачок, набегая на ролик толкателя клапана, обеспечивает открытие клапана, а затем, сбегая с ролика толкателя клапана, закрывает клапан под действием мощных магнитных сил постоянных магнитов, что функционально заменяет действие возвратно запорной пружины. Таким образом, обеспечивается своевременное открытие и закрытие клапана с минимальными механическими потерями.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где изображен разрез устройства привода клапана ДВС, расположение полюсов постоянных магнитов кулачка и ролика, расположение полюсов постоянных магнитов на площади прилегания магнита к боковым накладкам, направление магнитных полей в ферромагнитных накладках кулачка и ролика, а также расположение полюсов на рабочих поверхностях накладок кулачка и ролика, где
1 - головка блока цилиндров,
2 - распределительный вал,
3 - переходные втулки,
4 - постоянный магнит кулачка,
5 - боковые накладки кулачка,
6 - паз (углубление) для фиксации магнита кулачка,
7 - боковые накладки ролика,
8 - паз (углубление) для фиксации магнита ролика,
9 - постоянный магнит ролика,
10 - ось вращения ролика,
11 - толкатель,
12 - крепление клапана,
13 - тарелка клапана,
14 - клапан,
15 - направляющая втулка клапана.
Устройство привода клапанов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания содержит головку блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания 1, где в подшипниках скольжения, выполненных в виде разъемных опор, расположен сборный распределительный вал 2, на оси которого посредством переходных втулок 3 жестко закреплены сборные кулачки, состоящие из постоянного магнита в форме эксцентрика 4, имеющего аксиальное намагничивание с разноименными полюсами (N и S) вдоль оси вращения, и боковых накладок кулачка 5, имеющих паз 6 для фиксации магнита, обладающих высокой магнитной проницаемостью, выполняющих функцию магнитного поля на рабочую поверхность кулачка и функцию рабочей поверхности кулачка.
Боковые накладки кулачка 5, обладающие высокой магнитной проницаемостью, с помощью магнитных сил разноименных полюсов (N и S) постоянного магнита 4 находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с боковыми накладками ролика 7, имеющими пазы 8 для фиксации магнита, также обладающими высокой магнитной проницаемостью, с помощью магнитных сил разноименных полюсов (S и N) постоянного магнита 9, имеющего аксиальное намагничивание магнитного поля вдоль оси вращения ролика, встроенного через ось 10 в толкатель 11, имеющего крепление клапана 12 с тарелкой клапана 13, обеспечивая постоянную магнитную и кинематическую связь между собой, в целом выполняют функцию возвратно-поступательного движения толкателя 11 клапана 14 через направляющую втулку 15, проводят своевременное открытие и закрытие клапана 14.
Осуществление изобретения
Работа устройства привода клапанов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом.
Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала с помощью привода, который осуществляет его вращение в два раза медленнее коленчатого вала (за один цикл работы двигателя конкретный клапан открывается только один раз). В качестве привода распределительного вала используется ременная, цепная и зубчатые передачи. Распределительный вал, как основная деталь газораспределительного механизма, служит для синхронизации впуска или выпуска и тактов работы двигателя. Составной частью распределительного вала являются его кулачки, количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя.
При вращении распределительного вала намагниченные боковые ферромагнитные накладки кулачка, находясь разноименными полюсами (N и S - S и N) в постоянной магнитной и кинематической связи с намагниченными боковыми ферромагнитными накладками ролика толкателя клапана, вращаясь между собой, осуществляя возвратно-поступательное движение толкателя клапана и клапана в целом, производят своевременное открытие и закрытие клапана.
Заявленное изобретение позволяет использовать магнитную силу притяжения разноименных полюсов (S и N) постоянных магнитов для постоянного контакта между кулачком распределительного вала и роликом толкателя клапана при его открытии и закрытии, а также избавиться от упругих пружин газораспределительного механизма, что в свою очередь в целом снизит нагрузку с деталей и механизмов, которые обеспечивают работу газораспределительного механизма ДВС, при этом повысить механический КПД двигателя.
Постоянный магнит изготавливают из железа, стали, чугуна и других сплавов железа, магнит всегда имеет два магнитных полюса: северный (N) и южный (S). Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти поля взаимодействуют между собой. Наиболее сильное магнитное поле постоянного магнита у его полюсов.
В заявленном устройстве постоянное и неразрывное магнитное взаимодействие кулачка 4 с роликом 7 происходит за счет разноименных полюсов магнитов, а именно направленного их аксиального намагничивания (фиг. 2). Аксиальная намагниченность (от английского axial - осевая) - это намагниченность через ось вращения, для дисков - это намагниченность через центральную ось вращения. Это значит, что вектор намагниченности проходит через толщину, то есть одна сторона плоскости магнита - северный полюс, а другая поверхность - южная. Для простоты, можно называть аксиальную намагниченность - через толщину. Большинство магнитов намагничены аксиально, чтобы достичь максимальной площади соприкосновения магнита с металлической поверхностью, а значит, и лучшего сцепления.
Ферромагнетики - это вещества, изготовленные из железа, никеля, кобальта и др., которые имеет высокую магнитную проницаемость, то есть обладают самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий магнитного поля. Ферромагнетики, в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков, являются сильномагнитными веществами, внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.
Согласно гипотезе французского ученого Ампера внутри вещества существуют элементарные электрические токи (точки Ампера), которые образуются вследствие движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси. При движении электронов возникают элементарные магнитные поля. При внесении куска железа во внешнее магнитное поле все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле. Так кусок железа становится магнитом.
За счет выполнения кулачка и ролика с постоянным магнитом с аксиальным направлением намагничиваемой поверхности, а также боковых ферромагнитных накладок, которые имеют высокую магнитную проницаемость, то есть обладая малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством, магнитное поле концентрируется в основном по стенкам ферромагнитных накладок, а именно на рабочие поверхности кулачка и ролика, которые расположены друг к другу разноименными полюсами, в результате происходит постоянное достаточно прочное их сцепление между собой.
Поэтому следует отметить, что для исключения нарушения и искажения направления магнитных полей постоянных магнитов, концентрируемых на рабочих поверхностях ферромагнитных накладок сборных кулачков и сборных роликов, а также потерь величины магнитных сил, распределительный вал, переходные втулки, толкатель, ось вращения ролика должны быть изготовлены из немагнитного материала, то есть с отрицательной магнитной восприимчивостью (диамагнетик).
Также следует отметить, что в зависимости от необходимости получения величины магнитных сил сцепления между рабочими поверхностями боковых ферромагнитных накладок сборных кулачков и сборных роликов толкателей установленные в сборных кулачках постоянные магниты могут быть выполнены в форме колец, кулачок или ролик, как в целом, так и по отдельности, могут быть выполнены с использованием постоянных магнитов или только ферромагнитного материала.
Эксплуатация предложенного устройства удобна, оптимальна и позволяет использовать унифицированную систему магнитного привода клапанов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания в течение долгого времени.
Конструкция устройства за счет внесения минимальных изменений в конструкцию ДВС может применяться во всех ДВС и позволяет переоснастить в условиях ремонтного салона уже существующие двигатели любых марок. Предполагается использование в ДВС любых производителей в автомобилестроении, судостроении и т.д.
Источники информации
1. Учебник по двигателям внутреннего сгорания. Часть 1. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа. Под ред. М.Г. Круглова. 3-е издание, переработанное и дополненное.
2. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. Учебник для студентов вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 2000.
3. Интернет. Материал из Википедии. Газораспределительный механизм своевременного распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов.
4. Патент RU 2328605. «Система привода клапанов двигателя». МПК F01L 13/00, приоритет от 21.04.2004.
5. Патент RU 2298108. «Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания». МПК F02D 13/02, приоритет от 04.05.2005.
6. Патент RU 2325540. «Кулачковый механизм привода клапана двигателя внутреннего сгорания». МПК F01L 31/22, приоритет от 29.05.2006.
7. Полезная модель, патент UA 75426 U (Государственное учреждение «Луганский Национальный Университет имени Тараса Шевченко»), МПК F01L 9/00, приоритет от 26.11.2012.