УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F01L1/34 F02D13/02 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в механизмах газораспределения двигателей внутреннего сгорания и, в частности, в устройствах для регулирования фаз газораспределения ДВС.

Известно устройство для регулирования фаз газораспределения четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащее кулачок, закрепленный на кулачковом валу двигателя, коромысло с плечом, передающее движение от кулачка к стержню клапана, регулировочный элемент, закрепленный на оси, параллельный оси кулачка, телескопический гидравлический элемент, смещающее устройство и пружину, связывающую коромысло и регулировочный элемент, причем смещающее устройство выполнено за одно целое с гидравлическим элементом и размещено на коромысле между последним и регулировочным элементом.

Коромысло размещено на оси регулировочного элемента, а плечи коромысла и регулировочного элемента в области контакта с кулачком выполнены с поверхностями неравной кривизны (см. авт. св. N 1629574, кл. F 01 L 1/34, 1988 г.).

Известное устройство позволяет изменить лишь высоту открытия клапана и не может изменять угол начала и конца его открытия, т.к. не изменяет положение кулачка относительно коленчатого вала двигателя, что снижает возможности регулирования фаз газораспределения.

Известно устройство, позволяющее изменять угловое положение распределительного вала, а значит, и кулачка относительно коленчатого вала при изменении скоростного режима двигателя, содержащее соосноразмещенные шестерню, связанную с коленчатым валом двигателя, и распределительный вал с корпусом, соединенные между собой элементом связи, включающим ось и профильную поверхность, обеспечивающую изменение фаз двигателя (см. патент США N 4955330, кл. 123/90.17, 1989 г.).

Описанное устройство является прототипом к данному изобретению. Недостатком описанного устройства являются нестабильность характеристик вследствие прямого регулирования, а значит низкая надежность работы всего элемента связи.

Предложенное устройство для регулирования фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания лишено отмеченных недостатков.

Сущность изобретения заключается в том, что в предложенном устройстве для регулирования фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащем узел управления подачей и сливом рабочего тела, соосно расположенные элемент привода (звездочку или шкив), соединенные цепью (приводным ремнем) с коленчатым валом двигателя, и распределительный вал, связанные между собой механизмом регулирования фаз, выполненным в виде расположенных в корпусе механизма, жестко связанного с элементом привода (распределительным валом) четырех рабочих поршней со срезанными на всей длине поршня или частично боковыми плоскостями, в которых выполнены профилированные пазы, а через них проходят штифты, которые жестко связаны с распределительным валом (элементом привода), причем профилированный паз состоит из наклонного рабочего участка, обеспечивающего собственно изменение фаз при перемещении поршней, переходящего в примерно горизонтальный участок, который у одной пары противолежащих поршней выполнен в наружной части, а у второй пары во внутренней части поршней, что обеспечивает при одновременной подаче рабочего тела ко всем поршням попарно-последовательное перемещение поршней, а следовательно, увеличение угла изменения фаз при прочих равных условиях, а корпус механизма выполнен в виде диска с четырьмя радиальными цилиндрическими поршневыми колодцами со срезанными с обеих сторон на наружной части диска боковыми плоскостями, образующими сквозные прорези, причем на диске с обеих сторон закреплены плоские шайбы, обеспечивающие уплотнения боковых плоскостей поршней в радиальных колодцах, кроме того, механизм регулирования фаз снабжен имеющим свободу перемещения подпружиненным с двух сторон золотником, торцевые полости которого соединены с внутренней и наружной полостями поршневых колодцев.

Описанная совокупность существенных признаков позволяет уменьшить габариты, повысить быстродействие и надежность работы всего механизма регулирования фаз за счет снижения потребного давления рабочего тела.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для регулирования фаз газораспределения ДВС с креплением корпуса механизма к звездочке.

На фиг. 2 разрез по линии А-А.

На фиг. 3 представлены конфигурация пазов, выполненных на поршнях устройства, и их взаимное расположение.

На фиг. 4 представлена конфигурация поршня с частично срезанными боковыми плоскостями.

На фиг. 5 представлена конструктивная схема устройства для регулирования фаз с креплением корпуса механизма к распределительному валу.

Устройство для регулирования фаз газораспределения ДВС содержит соосно размещенные звездочку 1, связанную с коленчатым валом двигателя (на чертеже не показан), и распределительный вал 2 с каналами 3 и 4 подвода (отвода) рабочего тела.

На торце распределительного вала закреплен (или выполнен с ним заодно целое) фланец 5 с выточкой 6. Корпус механизма выполнен в виде круглого диска 7, имеющего по бокам цилиндрические выступы 8 и 9, один из которых входит в выточку 6 фланца 5, а второй в аналогичную выточку 10 торцевой крышки 11.

В диске 7 выполнено четное количество (например 4) радиальных цилиндрических торцевых колодцев 12, при этом боковые плоскости диска 7 от цилиндрических выступов 7 и 9 до наружного диаметра диска 7 симметрично вскрываются поршневыми колодцами 12, образуя достаточно широкие сквозные прорези 13 в теле диска 7.

В каждом из поршневых колодцев 12 расположен цилиндрический поршень 14 со срезанными боковыми плоскостями 15. Через боковые плоскости 15 поршней 14 проходят сквозные профилированные пазы 16, в которых размещены штифты 17, закрепленные с одной стороны во фланце 5 распределительного вала 2, с другой в торцевой крышке 11. Крышка 11 с помощью болтов 18 и распорных втулок 19, установленных в овальных прорезях 20 диска 7, крепится к фланцу 5, причем высота распорных втулок обеспечивает возможность свободного проворота диска 7 между фланцем 5 и торцевой крышкой 11.

По бокам диска 7 установлены плоские шайбы 21, которые вместе с диском 7 и наружной крышкой 22 жестко соединены болтами 23 со звездочкой 1.

В центральной части диска 7 установлен золотник 24 с отверстиями 25, соединяющими внутренние полости поршневых колодцев 12 с каналом 3 подвода (отвода) рабочего тела. Золотник 24 с торцев поджат пружинами 26 и 27.

В диске 7 выполнены каналы 28,29, обеспечивающие подвод (отвод) рабочего тела через проточку 30 к наружной части поршневых колодцев 12, и каналы 31, соединяющие каналы 29 и внешнюю полость 32 золотника 24.

На фиг. 3 показаны профили пазов 16, состоящие из наклонных участков 33 и примерно горизонтальных участков 34, а также их взаимное расположение в каждой паре противолежащих поршней 14.

На фиг. 4 показан поршень 14, у которого боковые плоскости 15 срезаны так, что оставлен с внутренней стороны поршня цилиндрический участок 35, входящий во внутреннюю цилиндрическую часть поршневого колодца 12 диска 7.

На фиг.5 показан вариант конструктивной схемы механизма, в котором диск 7 жестко закреплен на распределительном валу 2, а штифты 17, проходящие через профилированные пазы 16 поршней 14, жестко закреплены в звездочке 1 и входят в отверстия 36 крышки 37, которая с помощью болтов 38 и распорных втулок 39 крепится к звездочке 1, причем высота распорных втулок 39 позволяет звездочке 1 с крышкой 37 свободно поворачиваться относительно диска 7. Возможным вариантом является консольное закрепление штифтов 17 только в звездочке 1.

Работает устройство для регулирования фаз газораспределения следующим образом.

При вращении коленчатого вала двигателя и связанной с ним цепью (на чертеже не показаны) звездочки 1 вместе с ней вращается диск 7 с расположенными в его поршневых колодцах 12 поршнями 14, при этом через штифты, закрепленные во фланце 5, торцевой крышке 11 и проходящие через профилированные пазы 16 поршней 14, вращение передается на распределительный вал 2 и обеспечивается вполне определенное угловое положение распределительного вала 2 относительно звездочки 1, а следовательно, и определенные фазы газораспределения двигателя.

При изменении оборотов двигателя или при изменении нагрузки, когда возникает потребность в изменении фаз газораспределения, узел управления (на чертежах не показан) подает рабочее тело, например, по каналам 4, 28, 29 и проточке 30 в наружные полости радиальных поршневых колодцев 12, одновременно обеспечивая слив рабочего тела из внутренних полостей поршневых колодцев 12 через отверстия 25 в золотнике 24 и каналы 3.

Это приводит к созданию перепада давлений рабочего тела на торцах поршней 14, в результате чего последние перемещаются к центру вращения.

Профилированные пазы 16 в поршнях 14 выполнены таким образом, что при радиальном перемещении поршней 14 происходит через штифты 17 изменение взаимного углового положения распределительного вала 2 с фланцем 5 относительно диска 7 со звездочкой 1, то есть изменение фаз газораспределения.

При необходимости изменения фаз газораспределения в обратную сторону узел управления подает рабочее тело по каналам 3 и сверлениям 25 в золотнике 24 во внутренние полости поршневых колодцев 12 с одновременным обеспечением слива из наружных полостей поршневых колодцев 12 через проточку 30, каналы 29, 28, 4. При этом поршни 14 под действием перепада давлений рабочего тела перемещаются к периферии диска, что соответственно приводит к изменению фаз газораспределения в обратную сторону.

Плоские шайбы 21, установленные по бокам диска 7, служат для уменьшения перетечек рабочего тела по боковым плоскостям поршней между внутренними и наружными полотями поршневых колодцев 12 в случае, если поршни срезаны боковыми плоскостями на всей длине.

В случае использования в качестве рабочего тела, например, масла из системы смазки двигателя в виду того, что давление, создаваемое в масляной системе двигателя, невелико (1,5-5 Бар), а крутящий момент на распределительном валу 2, создаваемый пружинами клапанов (на чертеже не показаны), направленный против вращения в период открытия клапанов двигателя (на чертеже не показаны), достигает величины 20 Нм и более и почти такой же величины, но в направлении вращения, при закрытии клапанов, фактическое перемещение поршней 14 в поршневых колодцах 12, а следовательно, и изменение фаз возможно только в те промежутки времени, когда направление крутящего момента на распределительном валу 2, создаваемого пружинами клапанов, совпадает с направлением смещения с помощью поршней 14 распределительного вала относительно звездочки 1, то есть процесс перемещения поршней 14 в поршневых колодцах 12 происходит отдельными короткими импульсами длительностью 3 8 мс (в зависимости от оборотов двигателя). При этом временные интервалы между импульсами в 1,5 2,5 раза длиннее, чем сами импульсы. Это приводит к значительному увеличению времени изменения фаз как за счет чистых потерь времени на промежутки между импульсами, так и за счет потери давления рабочего тела на разгон и "продавливание" столба рабочего тела от узла управления (на чертеже не показано) до торцев поршней 14 по подающим сливным каналам.

Для уменьшения гидравлических потерь и соответственно повышения быстродействия механизма служит подпружиненный с двух сторон золотник 24, левая торцевая полость которого непосредственно соединена с каналом 3 и через сверления 25 с центральными полостями поршневых колодцев 12, а правя каналами 31 соединяется с каналами 29 и далее через проточку 30 с наружными полостями поршневых колодцев 12. Таким образом, торцевые полости золотника гидравлически параллельно подключены к управляющим каналам 3 и 4 и к наружным и внутренним полостям поршневых колодцев 12. Это обеспечивает выполнение золотником 24 функций гидравлического аккумулятора двустороннего действия: в промежутки времени между импульсами движение поршней 14, подаваемое по напорной магистрали рабочее тело, например, по каналам 4, 28, 29 и проточку 30 в наружную полость поршневых колодцев 12 через каналы 31 воздействует на правый торец золотника 24, который сжимая пружину 26, перемещается влево, вытесняя соответствующий объем рабочего тела в канал 3 до тех пор, пока усилие сжатия пружины 26 не уравновесит усилие, создаваемое давлением рабочего тела на правый торец золотника. Таким образом происходит "зарядка" гидроаккумулятора. Как только начинается движение поршней 14, давление в нагнетающей магистрали (каналы 4, 28, 29) из-за гидравлических потерь падает, золотник 24 начинает перемещаться вправо, вытесняя масло в нагнетающий канал 29 и одновременно высвобождая дополнительный объем слева от торца золотника для вытекания рабочего тела из центральных полостей поршневых колодцев 12 через сверления 25. Таким образом, значительная часть "порции" рабочего тела, подаваемой за каждый импульс обеспечивается перемещением золотника 24 в течение этого импульса, что существенно повышает быстродействие механизма регулирования фаз.

При изменении фаз в другую строну процесс "зарядки" гидроаккумулятора будет происходить в левой полости золотника 24, а поступающий через сверления 25 объем рабочего тела будет складываться из непосредственного подаваемого из напорной магистрали 3 объема и из объема, вытесняемого золотником 24. При этом рабочее тело, вытесняемое поршнями из наружной полости поршневых колодцев 12 через проточку 30 по каналам 29, будет частично поступать в линию слива по каналам 28, а частично по каналам 31 в правую полость золотника 24, а затем, во время последующей остановки поршней так же вытесняться в линию слива при очередной "зарядке" аккумулятора.

Так как крутящий момент распределительного вала 2, как указывалось ранее, достигает величины 20 и более Нм, а крутящий момент, развиваемый механизмом даже при давлении рабочего тела в 6 10 Бар в несколько раз меньше, работа механизма регулирования фаз возможна только на углах наклона пазов 16 относительно осей поршней 14, равных или близких к углам самоторможения. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную величину угла поворота распределительного вала 2 относительно звездочки 1.

С помощью специальной профилировки пазов 16, изображенной на фиг. 3, можно значительно увеличить угол поворота распределительно вала 2 относительно звездочки 1 без увеличения габаритов механизма: профили поршней выполняются с одинаковыми наклонными участками 33, которые переходят в примерно параллельные торцам поршней участки 34, которые у одной пары противолежащих поршней расположены в наружной части поршня, у другой пары во внутренней. Благодаря этому в начале работает наклонный участок 33 паза 16 одной пары поршней 14 (вторая пара поршней 14 при этом совершает незначительное поступательное движение, так как ее перемещение ограничивается штифтами 17, находящимися в это время в примерно параллельных торцам поршней участках 34 пазов 16). Затем первая пара уходит на криволинейный участок 34 паза 16, а вторая на наклонный участок 33 паза 16. Таким образом происходит практически последовательное перемещение каждой пары поршней 14 в поршневых колодцах 12, что обеспечивает значительное увеличение угла поворота распределительного вала 2 относительно звездочки 1.

Таким образом, предложенное устройство для регулирования фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания позволяет уменьшить габариты, а также повысить быстродействие и надежность работы устройства за счет снижения потребного давления рабочего тела.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: механизм регулирования фаз выполнен в виде 4 рабочих поршней со срезанными боковыми плоскостями, с выполненными в них профилированными пазами и расположенными в них штифтами, причем профили пазов обеспечивают попарно-последовательное перемещение поршней. Корпус механизма выполнен в виде диска с цилиндрическими поршневыми колодками, который с обеих сторон частично срезан боковыми плоскостями, образующими в теле диска сквозные радиальные прорези, закрытые в наружной части диска плоскими шайбами. Механизм снабжен подпружиненным с двух сторон золотником, торцевые полости которого параллельно подключены к внутренним и наружным полостям поршневых колодцев. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для регулирования фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащее узел управления подачей и сливом рабочего тела, соосно расположенные элемент привода (звездочку или шкив), соединенный цепью (приводным ремнем) с коленчатым валом двигателя, и распределительный вал, связанные между собой механизмом распределения фаз, отличающееся тем, что механизм выполнен в виде расположенных в корпусе, жестко связанном с элементом привода (распределительным валом), четырех рабочих поршней со срезанными на всей длине поршня полностью или частично боковыми плоскостями, в которых выполнены профилированные пазы, а через них проходят штифты, которые жестко связаны с распределительным валом (элементом привода), причем профилированный паз состоит из наклонного рабочего участка, обеспечивающего собственно изменение фаз при перемещении поршней, переходящего в примерно параллельный торцам поршня участок, который у одной противолежащей пары поршней выполнен в наружной части поршня, а у другой во внутренней, что обеспечивает при одновременной подаче рабочего тела ко всем поршням попарно-последовательное перемещение поршней, а следовательно, увеличение угла изменения фаз при прочих равных условиях, а корпус механизма выполнен в виде диска с четырьмя радиальными цилиндрическими поршневыми колодцами, срезанными с обеих сторон на наружной части диска боковыми плоскостями, образующими радиальные прорези. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на диске с обеих сторон закреплены плоские шайбы, обеспечивающие уплотнение боковых плоскостей поршней в радиальных колодцах. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что механизм регулирования фаз снабжен подпружиненным с двух сторон золотником, имеющим свободу перемещения в обе стороны, торцевые плоскости которого соединены с внутренними и наружными полостями поршневых колодцев.