ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к конструкции двигателя внутреннего сгорания, в частности к клапанному приводу для впускных и выпускных отверстий.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания используют для приведения в движение моторного транспортного средства. В рамках настоящего описания термин «двигатель внутреннего сгорания» включает в себя дизельные двигатели, двигатели с принудительным зажиганием, а также гибридные двигатели внутреннего сгорания, т.е. двигатели, работающие с гибридным способом зажигания, или двигатели внутреннего сгорания, имеющие соединяемый с приводом электродвигатель, получающий мощность от двигателя или передающий ему дополнительную мощность.
В состав двигателя внутреннего сгорания входит один блок цилиндров и по крайней мере одна головка блока цилиндров, соединенные друг с другом с образованием цилиндров, т.е. камер сгорания. В процессе замены рабочей смеси продукты сгорания выводятся по крайней мере через одно выпускное отверстие, а заполнение камеры сгорания горючей смесью или свежим воздухом осуществляется через по крайней мере одно впускное отверстие цилиндра. Из уровня техники известно, что в четырехтактных двигателях для управления сменой заряда почти всегда применяются только подъемные клапаны, перемещаемые вдоль своей продольной оси между закрытым и открытым положениями, и выполняющие колебательные возвратно-поступательные движения во время работы двигателя внутреннего сгорания, открывая или закрывая впускные или выпускные отверстия.
Требующийся для работы клапанов приводной механизм вместе с клапанами называется клапанным механизмом или клапанным приводом. При этом задача клапанного привода заключается в своевременном открывании и закрывании впускных и выпускных отверстий цилиндров. Быстрое открывание позволяет достигать максимально возможных поперечных сечений потока для поддержания на низком уровне дроссельных потерь во входящих и выходящих газовых потоках и обеспечения оптимального заполнения цилиндров свежей горючей смесью и эффективного, т.е. полного, вывода отработанных газов.
Для приведения в действие клапана, с одной стороны, может быть предусмотрена клапанная пружина для предварительного натяжения клапана в направлении закрытого положения и, с другой стороны, может быть предусмотрено устройство привода клапана для его открывания против действия силы предварительного натяжения указанной пружины.
В состав клапанного механизма входят: по крайней мере один кулачковый вал с кулачком для каждого клапана и по крайней мере по одному следящему элементу кулачка (толкателю) для каждого клапана, расположенному в силовом потоке между кулачковым валом и соответствующим клапаном.
В рамках настоящего описания промежуточные элементы устройства привода клапана, т.е. элементы клапанного механизма, расположенные в силовом потоке между кулачками и клапанами, обозначены как следящие элементы кулачка.
Как правило, для впускных и выпускных клапанов предусмотрен кулачковый вал, который, приводится во вращение от коленчатого вала, например, с помощью фрикционного привода, таким образом, что кулачковый вал и вместе с ним кулачки вращаются с половиной угловой скорости коленчатого вала. По положению относительно плоскости, разделяющей головку цилиндров и блок цилиндров, принципиально различают нижний и верхний кулачковые валы.
Нижние кулачковые валы предназначены для приведения в действие как так называемых боковых клапанов, так и для приведения в действие верхних клапанов при помощи толкающих стержней и рычагов, используемых в качестве следящих элементов кулачка, т.е. балансиров или качающихся рычагов. Если боковые клапаны открываются, когда их толкают вверх, то верхние клапаны, напротив, открываются с помощью движения вниз. При этом обычно в качестве следящего элемента кулачка используют толкатель, который, по крайней мере, во время открывания или закрывания должен зацепляться с кулачком кулачкового вала.
Верхние кулачковые валы, напротив, применяют исключительно для приведения в действие верхних клапанов, при этом клапанный механизм с верхним кулачковым валом оснащен дополнительным компонентом, таким как балансир, качающий рычаг или толкатель, в качестве следящего элемента кулачка. Балансир вращается вокруг неподвижной точки и при отклонении кулачком перемещает клапан в сторону открытого положения, против действия силы предварительного натяжения клапанных пружин. При использовании качающегося рычага, который может поворачиваться вокруг центральной точки, рычаг одним своим концом входит в зацепление с кулачком, а клапан при этом располагается на противоположном конце рычага.
Системы клапанных механизмов с использованием пружин широко известны из уровня техники. Один пример раскрыт в публикации патента США №6,293,239 от 25.09.2001 г., которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога полезной модели.
Далее будет рассмотрена проблема, на решение которой направлена полезная модель, на примере толкателя, используемого в качестве следящего элемента кулачка. При использовании толкателя его устанавливают на конец подъемного клапана, удаленный от камеры сгорания, в результате чего толкатель принимает участие в колебательных возвратно-поступательных движениях клапана, когда при вращении кулачкового вала кулачок находится в зацеплении с толкателем своей периферийной поверхностью в области носика кулачка вдоль линии контакта.
К контуру кулачка предъявляют большие требования. С одной стороны, кулачок, как было упомянуто выше, должен обеспечивать быстрое открывание и закрывание клапанов и, следовательно, быстрое создание максимально возможного поперечного сечения потока. С другой стороны, необходимо учитывать, что клапанный механизм является эластичной материальной системой, подверженной высоким ускорениям и замедлениям из-за колебательных движений, в частности, клапана и толкателя. По этой причине необходимо избегать отрыва кулачка от толкателя при больших скоростях.
Когда кулачок находится в зацеплении с толкателем, он скользит рабочей поверхностью вдоль линии контакта на поверхности толкателя. При этом вращательное движение кулачка приводит к возвратно-поступательному движению толкателя. Для облегчения скольжения и минимизации износа обеих деталей зону контакта между кулачком и толкателем обычно смазывают маслом, в результате чего в наиболее благоприятном случае образуется прочная смазочная пленка. Однако на практике, как правило, возникает не жидкостное трение, а неоднородное трение с большей или меньшей долей сухого трения.
Износ кулачка и толкателя является недостатком не только ввиду срока службы этих деталей, но и также с точки зрения работоспособности клапанного механизма. Истирание материала рабочей поверхности кулачка и/или толкателя с одной стороны оказывает влияние на клапанный зазор, а с другой стороны влияет на ход клапана и фазы газораспределения, то есть на углы поворота коленчатого вала, при которых клапан открывается или закрывается.
Кроме того, трение между кулачками и толкателями переходит в мощность трения двигателя внутреннего сгорания и составляет существенную ее долю. При этом необходимо учитывать, что прижимное усилие между кулачками и толкателями должно с достаточной степенью надежности предотвращать отрыв кулачка от толкателя даже при больших скоростях. Предварительное натяжение пружины клапана определяет прижимное усилие и, следовательно, величину трения, предварительно прижимает клапан в направлении закрытого положения и обеспечивает силовой поток или силовое замыкание между кулачковым валом и относящимися к нему клапанами. Следовательно, усилие предварительного натяжения пружины клапана должно быть большим, чтобы выдерживать критический режим эксплуатации клапанного механизма при высоком количестве оборотов двигателя внутреннего сгорания. Однако при малом количестве оборотов слишком большое усилие предварительного натяжения значительно превышает фактически требуемое усилие предварительного натяжения и создает ненужную повышенную мощность трения.
Таким образом, общая цель при проектировании клапанного механизма заключается в достижении минимального износа при соприкосновении кулачков и толкателей или кулачков и их следящих элементов. Кроме этого, при разработке двигателей внутреннего сгорания всегда стараются одновременно со снижением мощности трения уменьшить расход топлива.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является уменьшение трения клапанного привода и минимизация его износа.
Этот эффект достигается с помощью двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере один цилиндр с по меньшей мере одним выпускным отверстием для вывода отработанных газов через выхлопную систему и по меньшей мере одним впускным отверстием для подачи воздуха через впускную систему. Двигатель также содержит клапан для каждого отверстия, выполненный с возможностью перемещения между закрытым и открытым положениями для открывания или закрывания впускного или выпускного отверстия, и клапанную пружину для каждого клапана для предварительного натяжения клапана в направлении закрытого положения. Кроме того, двигатель содержит устройство клапанного привода для открывания клапана против действия силы предварительного натяжения клапанной пружины, которое содержит по меньшей мере один кулачковый вал с кулачками для каждого клапана и по меньшей мере один следящий элемент кулачка для каждого клапана, причем каждый следящий элемент кулачка расположен в силовом потоке между кулачковым валом и сопряженным с ним клапаном. Отличительным признаком полезной модели является наличие регулятора, который позволяет менять усилие предварительного натяжения пружины по крайней мере одного клапана.
В предложенном двигателе внутреннего сгорания с помощью соответствующего регулятора можно менять усилие предварительного натяжения пружины клапана, в частности, задавать его в соответствии с потребностями. Предпочтительно выбирать, т.е. задавать, такое усилие предварительного натяжения, при котором с достаточной степенью надежности можно избежать отрыва кулачка от его следящего элемента или разрыва силового потока при данной скорости вращения двигателя.
Усилие предварительного натяжения пружины клапана не должно быть рассчитано только на критический режим работы клапанного механизма при высоких оборотах двигателя и, следовательно, не является постоянно высоким, т.е. неоправданно высоким в широком диапазоне рабочих фаз двигателя внутреннего сгорания. Усилие пружины можно устанавливать в соответствии с фактическими требованиями, в частности, с текущей скоростью вращения двигателя, таким образом, существенно уменьшая мощность трения, создаваемую усилием предварительного натяжения или прижимным усилием.
В среднем понижение прижимного усилия между кулачком и его следящим элементом также сокращает износ компонентов клапанного механизма и, таким образом, надежность его функционирования. Это также оказывает положительное воздействие на фазы газораспределения и зазоры в клапанах.
Таким образом, с помощью предложенной конструкции двигателя внутреннего обеспечивается регулируемое снижение мощности трения клапанного механизма и его износ.
Предпочтительными являются варианты реализации, в которых по меньшей мере один следящий элемент кулачка является толкателем для каждого клапана. Толкатель может быть выполнен просто в виде гидравлически подключаемого следящего элемента кулачка, включаемого гидравлически. На толкатель подают масло под давлением, чтобы обеспечить передачу усилия от кулачка на клапан подключенным толкателем в качестве находящегося в силовом потоке следящего элемента кулачка, или отсоединяют от подачи масла, чтобы предотвратить передачу усилия от кулачка клапану разъединенным толкателем.
По меньшей мере один следящий элемент кулачка может быть выполнен в виде качающегося рычага или балансира. При использовании рычагов возникает достаточное монтажное пространство для расположения клапанного механизма в головке цилиндра.
Предпочтительными являются варианты реализации, в которых используют впускной кулачковый вал для по крайней мере одного впускного клапана, и выпускной кулачковый вал для по крайней мере для одного выпускного клапана.
Предпочтительными являются варианты реализации, в которых по меньшей мере один кулачковый вал является верхним кулачковым валом. Преимущество использования верхнего кулачкового вала заключается в том, что, в частности, при отсутствии толкающего стержня уменьшается подвижная масса клапанного механизма, и он становится более жестким, т.е. менее эластичным.
Предпочтительными являются варианты реализации, в которых для пружины по меньшей мере одного клапана предусмотрено по меньшей мере две опоры, на которых крепится клапанная пружина. Опора может быть выполнена в виде части регулятора и использоваться в предпочтительном варианте для изменения усилия предварительного натяжения.
По этой причине предпочтительными являются варианты реализации, в которых по меньшей мере одна опора является подвижной и может перемещаться при помощи регулятора для изменения усилия предварительного натяжения соответствующей клапанной пружины.
Предпочтительными являются варианты реализации, в которых по меньшей мере один клапан является подъемным клапаном, имеющим шток и совершающим при вращении кулачкового вала колебательное возвратно-поступательное движение в направлении своей продольной оси. Подъемные клапаны для наполнения и выпуска в данном случае особенно подходят в качестве органа управления, поскольку шток подъемного клапана в предпочтительном варианте дает возможность располагать пружину, например, спиральную пружину, таким образом, чтобы подъемный клапан предварительно был нагружен в направлении закрытого положения и это усилие предварительного натяжения можно было регулировать.
Если по меньшей мере один клапан является подъемным клапаном, то предпочтительно, чтобы второй опоры для пружины клапана служила пластина клапана, которая неподвижно соединена со штоком.
Предпочтительно, чтобы пластина клапана была расположена на конце штока, обращенного к устройству клапанного привода в противоположную сторону от цилиндра.
При использовании подъемного клапана предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна подвижная опора могла перемещаться с помощью регулятора относительно штока подъемного клапана вдоль продольной оси клапана для изменения усилия предварительного натяжения соответствующей клапанной пружины.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна подвижная опора имела пластинчатый элемент, имеющий отверстие для стержня.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна подвижная опора была расположена между второй опорой и цилиндром.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна подвижная опора образовывала часть ограничивающей поверхности нагнетательной камеры, в которую может подаваться масло. В данном случае эта опора подвергается воздействию масла, подаваемого под давлением в нагнетательную камеру, т.е. управляется и приводится в движение под воздействием давления масла в нагнетательной камере. Такое выполнение регулятора имеет также и другие преимущества.
С одной стороны, применение смазочного масла, т.е. моторного масла, в качестве рабочей жидкости является безвредным, например, в отличие от воды, приводящей к коррозии. С другой стороны, клапанный механизм, как правило, и без того снабжается маслом для смазывания, для чего в головке блока цилиндров, как правило, имеются специальные отверстия, что делает подачу масла принципиально возможной.
Гидравлически управляемая опора является сравнительно более экономичной альтернативой для выполнения регулятора, в частности по сравнению с электрическим регулятором, который в целом может рассматриваться в качестве варианта, но сложные электрические средства привода требуют управления двигателем.
Кроме этого, нагнетательная камера может быть соединена с масляным контуром двигателя внутреннего сгорания и таким образом снабжаться маслом, что обеспечивает ряд синергических эффектов.
При этом необходимо учитывать, что давление масла в масляном контуре двигателя внутреннего сгорания не является постоянным. Обычно масляный насос двигателя внутреннего сгорания приводится в действие с помощью фрикционной передачи от коленчатого вала, при этом в зависимости от скорости вращения коленчатого вала, т.е. числа оборотов двигателя, он подает большее или меньшее количество масла в контур. Давление масла при этом также меняется в зависимости от количества оборотов, а именно, таким образом, что при большем количестве оборотов создается более высокое давление масла, а при меньшем количестве оборотов - более низкое.
Меняющееся подобным образом давление масла связано предпочтительным образом с давлением масла в нагнетательной камере, необходимым для регулировки требуемого в данный момент усилия предварительного натяжения пружины клапана. Это связано с тем, что более высокое количество оборотов требует повышенного усилия предварительного натяжения для обеспечения силового замыкания в клапанном механизме, причем повышенное усилие предварительного натяжения создается повышенным давлением масла при повышенном количестве оборотов.
Таким образом, по вышеуказанным причинам предпочтительно, чтобы нагнетательная камера соединялась через впускной канал с масляным контуром двигателя внутреннего сгорания.
В связи с этим предпочтительно, чтобы нагнетательная камера была расположена между подвижной первой опорой и цилиндром.
Предпочтительно, чтобы во впускном канале был расположен обратный клапан, предотвращающий случайное падение давления масла в нагнетательной камере, в частности, под нагрузкой, т.е. при вращении кулачкового вала.
Предпочтительно, чтобы в качестве насоса в масляном контуре использовался пластинчатый насос. Пластинчатый насос, как и поршневой насос, работает по принципу вытеснения, не работает в переменном режиме, а непрерывно вращается, что может рассматриваться как преимущество. В выполняющем функцию статора полом цилиндре вращается другой цилиндр, выполняющий функцию ротора, причем 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.
Подачу насоса может регулировать с помощью изменения эксцентриситета ротора, при этом увеличение подачи будет приводить к повышению давления масла на выходе насоса. Изменение эксцентриситета может осуществляться с помощью системы управления двигателем с использованием электрически управляемого клапана, при этом клапан либо открывает нагнетательный масляный трубопровод для пластинчатого насоса, либо запирает, влияя на эксцентриситет ротора.
Регулируемый таким образом пластинчатый насос представляет собой масляный насос переменной производительности, отличающийся от описанных выше стандартных насосов, в которых объем подачи и давление масла из-за жесткого передаточного отношения фрикционного привода строго связаны с количеством оборотов двигателя, даже если (в насосах последнего типа) благодаря конструкции разрушена функциональная связь между количеством оборотов и объемом подачи или напором, когда превышено определенное количество оборотов.
Предпочтительно, чтобы пружина по меньшей мере одного клапана представляла собой спиральную пружину.
mot
Таким образом, усилие предварительного натяжения клапанной пружины по меньшей мере одного клапана увеличивают при увеличении числа оборотов n двигателя внутреннего сгорания. Усилие предварительного натяжения клапанной пружины повышают за счет увеличения давления находящегося в нагнетательной камере масла с помощью расположенного в масляном контуре масляного насоса.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение более подробно описывается на примерах со ссылкой на сопроводительные чертежи. На них показаны:
Фиг. 1 схематическое изображение деталей клапанного механизма на виде сбоку в частичном разрезе,
Фиг. 2 схематическое изображение масляного контура вместе с соединением клапанного механизма.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 схематически показаны детали клапанного механизма 1 двигателя внутреннего сгорания на виде сбоку в частичном разрезе.
Клапанный механизм 1 включает в себя подъемный клапан 3 со штоком 3-1, используемый в качестве клапана 2. На конце штока 3-1, направленного в сторону цилиндра 14, расположена тарелка 3-3 клапана. Подъемный клапан 3 может перемещаться между закрытым и открытым положениями для открывания или закрывания впускного и выпускного отверстий цилиндра 14 (не показан). При вращении кулачкового вала 5 подъемный клапан 3 совершает колебательное возвратно-поступательное движение вдоль своей продольной оси 3-2. Для предварительного натяжения клапана 2 в сторону закрытого положения предусмотрена клапанная пружина 4. На Фиг. 1 клапанный механизм 1 в качестве клапанной пружины 4 содержит спиральную пружину 4-1.
Клапанная пружина 4 опирается на две опоры 8-1, 8-2. Роль первой опоры 8-1 выполняет пластинообразный элемент 9-1 с отверстием 9-1′ для штока 3-1 подъемного клапана 3. Эта первая опора 8-1 может перемещаться относительно штока 3-1 подъемного клапана 3 вдоль продольной оси 3-2 клапана 2. Роль второй опоры 8-2 выполняет пластина 9-2 клапана, неподвижно соединенная со штоком 3-1 и расположенная на его конце, удаленном от цилиндра 14.
Для приведения клапана 2 в действие предусмотрено устройство 1-1 привода клапана, с помощью которого клапан 2 может быть открыт против действия усилия предварительного натяжения клапанной пружины 4. Устройство 1-1 привода клапана включает в себя кулачковый вал 5 с кулачком 5-1 и толкатель 6-1, выполняющий роль следящего элемента 6 кулачка и расположенный в силовом потоке между кулачком 5-1 и клапаном 2 на конце штока 3-1, удаленном от цилиндра 14. При вращении кулачкового вала 5 подъемный клапан 3 совершает возвратно-поступательные движения.
mot
Усилие предварительного натяжения пружины 4 клапана может быть изменено с помощью регулятора 7, в частности быть установлено в соответствии с требованиями текущих условий, т.е. в соответствии с текущим числом оборотов n двигателя внутреннего сгорания, для надежного предотвращения отрыва кулачка 5-1 от толкателя 6-1 или расцепления силового замыкания внутри клапанного механизма 1.
Регулятор 7 включает в себя нагнетательную камеру 10, в которую может быть подано масло через впускной канал 11, и которая расположена в головке 13 цилиндров и ограничена подвижным пластинообразным элементом 9-1, выполняющим роль первой опоры 8-1. Таким образом, нагнетательная камера 10 расположена между первой подвижной опорой 8-1 и цилиндром 14.
mot
Усилие предварительного натяжения клапанной пружины 4 можно менять, в частности повышать при увеличении количества оборотов двигателя n, а именно путем повышения давления масла в нагнетательной камере 10 с помощью масляного насоса, расположенного в масляном контуре двигателя внутреннего сгорания и сообщающегося через питающий трубопровод 11 с нагнетательной камерой 10.
На Фиг. 2 схематически показан масляный контур 12 двигателя 15 внутреннего сгорания с присоединенным клапанным механизмом 1. Пояснения приводятся в дополнение к Фиг. 1, поэтому приведенное ниже описание также будет относиться к Фиг. 1. Для одних и тех же компонентов используются одинаковые ссылочные позиции.
Приводимый в действие двигателем 15 внутреннего сгорания масляный насос 16 подает из масляной ванны 17 моторное масло через масляный контур 12 к различным потребителям, к которым также относится клапанный механизм и нагнетательная камера 10 регулятора. Предохранительный клапан 18 предназначен для ограничения давления в масляном контуре 12.
Нагнетательная камера 10 соединена через впускной канал 11 с масляным контуром 12 двигателя 15 внутреннего сгорания, причем для регулировки давления масла в камере 10 предусмотрен распределительный клапан 20. В первом рабочем состоянии 20-1 распределительного клапана 20 давление в камере 10 может увеличиваться за счет открывания соединения с масляным контуром 12. Для отсоединения камеры 10 от масляного контура 12 и сохранения давления в нагнетательной камере 10 распределительный клапан 20 предпочтительно переводят во второе рабочее состояние 20-2, причем установленный во впускном канале 11 обратный клапан 19 также препятствует оттоку масла, даже если распределительный клапан 20 находится в первом рабочем состоянии. В третьем рабочем состоянии 20-3 распределительного клапана 20 давление в камере 10 может уменьшаться с помощью отвода масла.
В зависимости от имеющегося в камере 10 давления масла пластинообразный элемент 9-1, который формирует часть ограничивающей поверхности камеры 10 и служит в качестве первой опоры 8-1, подвергается воздействию большей или меньшей силы и двигается против усилия клапанной пружины 4, что позволяет регулировать усилие предварительного натяжения клапанной пружины 4.
Перечень ссылочных позиций
1 Клапанный механизм
1-1 Устройство клапанного привода
2 Клапан
3 Подъемный клапан
3-1 Шток подъемного клапана
3-2 Продольная ось подъемного клапана
3-3 Тарелка клапана
4 Пружина клапана
4-1 Винтовая пружина
5 Кулачковый вал
5-1 Кулачок
6 Следящий элемент кулачка
6-1 Толкатель
7 Регулятор
8-1 Первая опора
8-2 Вторая опора
9-1 Пластинообразный элемент
9-1′ Отверстие
9-2 Пластина клапана
10 Нагнетательная камера
11 Впускной канал
12 Масляный контур двигателя внутреннего сгорания
13 Головка цилиндров
14 Цилиндр, камера сгорания
15 Двигатель внутреннего сгорания
16 Масляный насос
17 Масляная ванна
18 Предохранительный клапан
19 Обратный клапан
20 Распределительный клапан
20-1 Первое состояние
20-2 Второе состояние
20-3 Третье состояние
mot
n Количество оборотов двигателя внутреннего сгорания