ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН С УСТРОЙСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F01L9/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к газораспределительным механизмам, и может быть использовано в приводах клапанов механизма газораспределения.

Известна конструкция механизма газораспределения с непосредственным воздействием кулачкового вала на тарелку клапана через цилиндрический толкатель, состоящая из клапана, тарелки клапана, двух сухарей, двух клапанных пружин, цилиндрического толкателя, кулачкового вала, ременного (или цепного) механизма привода кулачкового вала [1]
Недостатками данной конструкции являются высокая потребляемая мощность привода, невозможность изменения фаз газораспределения, шумность работы, необходимость проведения регулировочных работ во время эксплуатации.

Известна конструкция механизма газораспределения с изменяющимися фазами открытия клапанов, содержащая возвратно-вращательно движущейся кулачок, клапан, расположенное между ними вставное коромысло, приводимое в движение гидроцилиндром. Изменение момента открытия и закрытия клапанов и их хода осуществляется путем воздействия автоматического регулятора на оси вращения вставных коромысел. Сигнал, характеризующий частоту вращения, поступает от датчика давления, установленного на выходе из масляного насоса, приводимого двигателем, а сигнал, характеризующий нагрузочный режим, поступает от датчика давления воздуха во впускном трубопроводе [2]
Недостатками данного технического решения являются невысокая надежность, сложность конструкции устройства управления клапаном, наличие регулировочных работ в период эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является исполнительный механизм привода клапана газораспределения [3]
Недостатками данного механизма являются невысокая надежность, вызванная большими динамическими и термическими нагрузками, возникающими при его эксплуатации, а также невозможность изменения фаз газораспределения в зависимости от режима работы двигателя.

Динамические нагрузки обусловлены ударом одного якоря о другой в момент открытия клапана, ударом клапана о седло в момент его закрытия, отсутствием демпфирующих устройств, а также наличием выступов, являющихся ограничителем движения второго якоря. Термические нагрузки обусловлены плотным стыком между первым электромагнитом и головкой цилиндров двигателя, а также наличием сплошного клапана-якоря, который в свою очередь приводит к нагреву электромагнитного устройства. Отсутствие устройства изменяющего фазы газораспределения, в зависимости от режима работы двигателя ограничивает функциональные возможности привода и область применения.

Таким образом, перечисленные недостатки снижают надежность работы известного механизма и ухудшают его эксплуатационные качества.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей электромагнитного привода клапана с устройством управления.

Это достигается тем, что предлагаемый механизм выполнен по типу соленоидного электромагнита, корпус с сердечником которого составляют кинематическую поступательную пару. В данной конструкции торможение, а в итоге и полная остановка якорей при вхождении их в корпус, происходит посредством силы электромагнитного поля, создаваемого катушками электромагнита.

Для смягчения удара клапана о седло при обратном движении сердечника под действием пружины клапана при обесточивании тяговых обмоток в механизме имеется электромагнитное демпфирующее устройство. Это устройство выполнено в виде подпружиненного плавающего якоря, расположенного на оси сердечника между основными тяговыми якорями. Параметры демпфирующего устройства в процессе эксплуатации практически не меняются. Это достигается постоянством магнитного поля, создаваемого малой катушкой и воздействующего на якорь во время его движения.

В предлагаемой конструкции термическое влияние от двигателя на электромагнит снижено за счет удаления обмоток электромагнита от поверхности головки цилиндров и изоляции сердечника от клапана термоизоляционной прокладкой.

Расширение функциональных возможностей электромагнитного клапана с устройством управления достигается тем, что в схему его устройства управления введено устройство, изменяющее фазы газораспределения. Изменение фазы газораспределения происходит за счет смещения двух дисков друг относительно друга под действием центробежного регулятора. При этом изменяется величина окна, образованного взаимным смещением двух секторов, имеющихся на дисках. Это окно соответствует фазе газораспределения на данном режиме работы двигателя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в предлагаемом объекте в момент закрытия клапана происходит смягчение его удара о седло, а возможность изменения фаз газораспределения расширяет его функциональные возможности.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства управления электромагнитного клапана; на фиг.2 графики изменения величины напряжения по времени в транзисторных усилителях (фиг.1); на фиг.3 показано взаимное расположение частей электромагнитного клапана в его открытом положении; на фиг.4 положение дисков датчика при фиксированном значении угла фазы газораспределения; на фиг.5 взаимное расположение частей электромагнитного клапана в момент его закрытия; на фиг.6 график изменения движения клапана в процессе его открытия и закрытия; на фиг.7 взаимное расположение частей электромагнитного клапана в его закрытом положении; на фиг.8 и 9 положение дисков датчика при изменении значения угла фазы газораспределения при максимальной и минимальной частотах вращения коленчатого вала двигателя соответственно; на фиг.10 и 11 разрезы С-С и D-D соответственно.

Устройство управления электромагнитным клапаном состоит из двух оптоэлектронных датчиков 1 и 2 устройства изменения фаз газораспределения, схемы обработки управляющих сигналов 3 и двух электронных ключей 4 и 5, соответствующих основным тяговым обмоткам 6 и малой демпфирующей обмотке 7 электромагнитного клапана.

Электромагнитный клапан (фиг. 3) содержит основные тяговые обмотки 6 и малую демпфирующую обмотку 7, намотанные на корпус 8 и расположенные в стакане 9, прикрепленном винтом 10 через термоизоляционную прокладку 11 к крышке 12 головки блока цилиндров двигателя. Два тяговых якоря 13 и 20 расположены соосно с клапаном 25 на немагнитном стержне 15. Между тяговыми якорями 13 и 20 помещен демпфирующий якорь 16 плавающего типа, подпружиненный успокоительной пружиной 14 и демпфирующей пружиной 17, причем последняя большей частью помещена в упорный стакан 18, который в свою очередь отделен от тягового якоря 20 регулировочной прокладкой 19. Сердечник электромагнита связан с клапаном 25 через термоизоляционную прокладку 21 посредством замка, состоящего из сухарей 22, тарелки 23 и возвратной пружины 24. Устройство гашения инерционных колебаний сердечника состоит из резиновой прокладки 26, стального кольца 27, успокоительной пружины 28 и центровочного кольца 29.

Устройство изменения фаз газораспределения (фиг.4) состоит из двух фотодиодов 30 и светодиодов 31. Между этими парами находятся два диска 32 и 33 с вырезанными секторами 34 и 35, 36 и 37 соответственно. Эти сектора образуют окна 40 и 41. Указанные диски установлены на валу 38 с приводом от центробежного регулятора фаз газораспределения. На валу 38 установлен штифт 39, проходящий через профильные прорези дисков 32 и 33 и приводимый в движение центробежными грузами (не показаны).

Устройство изменения фаз газораспределения работает следующим образом.

При вращении вала 38 (фиг.8) привода центробежного регулятора фаз газораспределения диска 32 и 33 вращаются с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала двигателя. При этом фаза газораспределения регулируется следующим образом. При изменении частоты вращения вала 38 центробежные грузики регулятора воздействуют на штифт 39, перемещая его. Если частота вращения двигателя изменяется в сторону, соответствующую максимальному значению, то штифт 39, двигаясь влево (по стрелке фиг.8), смещает диски 32 и 33 относительно друг друга таким образом, что секторы 34 и 36 образуют окно 40, соответствующее максимальному углу фазы газораспределения. Если частота вращения двигателя изменяется в сторону, соответствующую минимальному значению, то штифт 39, двигаясь вправо (по стрелке фиг.9), смещает диски 32 и33 относительно друг друга таким образом, что секторы 34 и 36 образуют окно 41, соответствующее минимальному углу фазы газораспределения.

Электромагнитный клапан с устройством управления работает следующим образом (например, при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя).

Диски 32 и 33 оптоэлектронного датчика 2, вращаясь между парами элементов 30 и 31 с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала двигателя, занимают положение, при котором окно 40 оказывается между этими элементами. При этом датчик 2 посылает импульс на схему обработки управляющих сигналов 3, которая посредством электронных ключей 4 и 5 одновременно подает напряжение на катушки 6 и 7 электромагнита.

При подаче напряжения на катушки 6 и 7 электромагнита основные тяговые якори 13 и 20 совместно с демпфирующим якорем 16 втягиваются в корпус 8. При этом сжимается пружина 24, а клапан 25 открывается. Возникающие при открытии клапана инерционные колебания сердечника гасятся при соприкосновении тарелки 23 (фиг.3) с резиновой прокладкой 26 стального кольца 27 и пружины 28.

Электромагнит удерживает клапан 25 в открытом положении силой магнитного поля, созданного катушками 6 и 7, в период времени, равный углу поворота дисков 32 и 33 (фиг.4), на угол ϕ, соответствующий углу фазы газораспределения двигателя.

При повороте дисков 32 и 33 на угол, превышающий угол ϕ, сингал с датчика 2 не поступает. При этом электронный ключ 4 запирается, а катушка 6 обесточивается. Однако в силу известного конструктивного решения, заложенного в управляющей схеме 3, электронный ключ 5 остается открытым, а катушка 7 под напряжением (U 12 В, фиг.2).

Под действием сжатой пружины 24 клапан с сердечником возвращаются в исходное положение. При этом якорь 16 удерживается магнитным полем катушки 7. Удержание якоря 16 происходит до момента соприкосновения его с торцом стакана 18. При этом пружина 17 сжимается. Так как пружина 24 продолжает разжиматься, а магнитное поле катушки 7 старается удержать якорь 16 в магнитном поле, происходит демпфирование жесткого удара клапана 25 о седло (фиг.6).

При повороте дисков 32 и 33 на угол ϕ + α окно 41 совмещается с оптоэлектронной парой 30 и 31. При этом датчик 1 (фиг.1) посылает импульс на схему обработки управляющих сигналов 3. Происходят запирание электронного ключа 5 и обесточивание катушки 7. Якорь 16 под действием пружин 14 и 17 возвращается в первоначальное положение, при этом клапан 25 плотно прижимается к седлу. Совершив полный оборот, диски 32 и 33 (фиг.4) занимают исходное положение. Цикл возобновляется.

При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя устройство изменения фаз газораспределения автоматически установит значение угла фазы, соответствующее данной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Процесс работы электромагнитного клапана повторяется.

Таким образом, использование в двигателях электромагнитного клапана с устройством управления позволяет свести к минимуму наличие регулировочных работ в системе газораспределения; исключить возникновение встречных жестких ударов деталей привода клапана, а также смягчить его удары о седло; изменять фазы газораспределения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Все это приводит к улучшению тягово-динамических и топливно-экономических характеристик двигателей внутреннего сгорания.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: электромагнитный клапан с устройством управления состоит из: устройства изменения фаз распределения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала ДВС, схемы обработки управляющих сигналов, обеспечивающих одновременное включение и последовательное отключение катушек электромагнита, электромагнитного клапана, выполненного в виде элементарной поступательно движущейся кинематической пары, элементы которой свободны в осевом поступательном движении относительно друг друга на участке, равном ходу клапана, и снабженного электромагнитным демпфирующим устройством, которое посредством магнитного поля, обеспечивает смягчение жесткого удара клапана при его посадке в седло. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН С УСТРОЙСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ, содержащий возвратную пружину, корпус, размещенные на нем обмотки, подвижный сердечник, состоящий из двух тяговых якорей, якоря демпфирующего устройства, демпфирующей и успокоительной пружин, немагнитного стержня и регулировочных прокладок, отличающийся тем, что подвижный сердечник и корпус составляют элементарную поступательную пару, на корпусе последовательно размещены тяговые, а между ними демпфирующая обмотки, сердечник выполнен из последовательно набранных тяговых и демпфирующего якорей и отделен от клапана термоизоляционной прокладкой. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что электромагнитное демпфирующее устройство выполнено в виде подпружиненного якоря электромагнита, расположенного на оси сердечника между основными тяговыми якорями. 3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в его конструкцию введено устройство, позволяющее изменять значение фазы газораспределения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.