МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F01L1/16 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и может быть использовано при проектировании механизмов газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с непосредственным приводом клапанов.

В настоящее время резко возросшие требования к акустическим качествам автомобилей предопределили необходимость создания низкошумных конструкций двигателей, в которых одним из наиболее интенсивных источников шума и высокочастотных вибраций является газораспределительный механизм (ГРМ).

ГРМ обеспечивает впуск в камеры сгорания цилиндров ДВС свежих порций горючей смеси и выпуск из них в окружающую среду продуктов сгорания - отработавших газов. Эти процессы осуществляются в соответствии с принятым для конкретного двигателя порядком работы данного числа цилиндров с заданными фазами газораспределения, определяющими оптимальные условия наполнения и очистки цилиндров во всем эксплуатационном рабочем диапазоне двигателя. Наиболее широкое применение получили ГРМ на базе концепции привода клапана с промежуточным одноплечим рычагом и с прямолинейно движущимся толкателем (непосредственным приводом клапанов). В таком техническом решении речь идет о ГРМ с непосредственным приводом клапанов, когда кулачок распределительного вала воздействует на перемещения клапана непосредственно через толкатель с регулировочной шайбой для установки оптимальных зазоров в сочленениях узла. Такие приводы широко известны из патентной литературы, см. заявку Германии N 4129637, МПК F 01 L 1/02, 1993; заявку Японии (JP)A N 62-174510, МПК F 01 L 1/14, 1987; заявку Японии (JP)B N 3-41645, МПК F 01 L 1/12, 1991; заявки ЕПВ(ЕР) A1 N 0515772, МПК F 01 L 3/10, 1992; 0520861, МПК F 01 L 1/14, 1992; 0523691, МПК F 01 L 1/14, 1993.

В отличие от широко распространенного в двигателестроении привода ГРМ, когда рабочая поверхность кулачка распредвала воздействует на торец клапана через дополнительную промежуточную деталь (элемент кинематической цепи) - коромысло или рычаг, непосредственный привод обеспечивает более жесткую, с меньшим числом промежуточных элементов и надежную в работе кинематическую и динамическую связь между кулачком и клапаном, что позволяет также уменьшить уровень вибраций и шума от взаимодействующих деталей привода. В частности, анализ результатов сравнительных испытаний ГРМ двигателя ВАЗ-2105 (с рычажным приводом клапанов) и ГРМ двигателя ВАЗ-2108 (с непосредственным приводом клапанов) показывает, что общие уровни шума, излучаемого ГРМ ДВС ВАЗ-2108 на 4...12 дБА ниже значения уровней двигателя ВАЗ-2105, см. "Автомобилестроение", экспресс-информация, N 10, 1987, филиал ЦНИИТЭИавтопрома, Тольятти, с. 13-18. В частности, недостаточная устойчивость рычага клапана, установленного на шаровой опоре и торце клапана, позволяет ему в процессе работы совершать поперечные колебания, отрицательно влияющие на акустические качества ГРМ.

В качестве прототипа принято устройство механизма газораспределения двигателя ВАЗ-2108, см. В.А. Вершигора и др. "Автомобиль ВАЗ-2108", М., ДОСААФ СССР, 1986, с. 42-57, рис. 16.

Рассматриваемый ГРМ с непосредственным приводом, с прямолинейно движущимся толкателем, смонтирован в головке цилиндров ДВС и, в частности, содержит впускные и выпускные клапаны, стержни которых возвратно-поступательно перемещаются в направляющих втулках, пружины клапанов с деталями их крепления и толкатели, возвратно-поступательно перемещающиеся в направляющих отверстиях головки цилиндров. Толкатели снабжены регулировочными шайбами, являющимися промежуточным элементом кинематической связи между кулачком распредвала и непосредственно толкателем. Последние находятся в контакте с кулачками вращающегося распределительного вала, привод которого осуществляется бесконечным зубчатым ремнем, кинематически связанным с приводным шкивом коленчатого вала ДВС.

Несмотря на преимущества, которыми непосредственный привод ГРМ с прямолинейно движущимся толкателем обладает по сравнению с приводом, имеющим промежуточный качающийся рычаг привода клапанов, его акустические свойства, в соответствии с ужесточением норм по охране окружающей среды от акустического загрязнения, могут быть и далее улучшены. Проблема заключается в том, что жесткая кинематическая цепь: тарелка клапана (входящая непосредственно в камеру сгорания), его седло, направляющая втулка (в которой стержень клапана совершает направленное возвратно-поступательное движение), торец клапана, толкатель и кулачок распределительного вала, также жестко смонтированного на головке цилиндров, является хорошим проводником потока вибраций, который возбуждается в результате осуществляемого в камере сгорания рабочего процесса, в основном, как вследствие процессов набегания и сбегания участков кулачка, так и в процессах посадки и подъема клапана (тарелки) в седло. Вибрации, генерируемые в зонах перечисленных элементов привода передаются через тело головки цилиндров на примыкающие к ней внешние корпусные детали двигателя, которые вследствие этого подвергаются соответствующему вибрационному возбуждению, возбуждают прилегающую к своим внешним поверхностям окружающую воздушную среду и преобразуются в звуковую энергию (энергию излучаемых упругих волн в частотном диапазоне 20...20000 Гц), что в конечном счете приводит к формированию соответствующего акустического качества двигателя и автомобиля в целом. Наиболее интенсивно при этом излучают шум тонкостенные, динамически подвижные, с низкой изгибной жесткостью и развитой поверхностью излучения крышки и панели, например кожух ограждения привода ГРМ, крышка головки цилиндров и др. Ситуация по интенсификации динамического возбуждения усугубляется и неизбежным наличием зазоров (технологических, тепловых, эксплуатационных) в кинематической цепи элементов привода ГРМ, которые изначально имеются и дополнительно увеличиваются в процессе эксплуатации привода, в результате механического износа его элементов и возникновении перекосов в установке элементов привода, которые усиливают развитие динамических ударных процессов в ГРМ. В этом случае это приводит к прогрессивному износу элементов ГРМ, их повышенному шуму и, в ряде случаев, значительному нарушению нормальной эксплуатации, диагностируемому как дефект.

Задача изобретения предполагает снижение шума привода ГРМ, улучшение условий его работы и увеличение долговечности в эксплуатации.

Решение технической задачи заключается в преднамеренном введении в неразрывную кинематическую цепь элементов привода ГРМ дополнительного демпфирующего элемента с высоким коэффициентом потерь, позволяющего с одной стороны сохранить неразрывность кинематической цепи элементов привода, а с другой - в значительной степени ослабить (прервать) замкнутый циркулирующий поток вибрационной энергии в зонах, сосредоточенных в непосредственной близости от источников непосредственного динамического возбуждения (седло клапана - тарелка клапана и опорная поверхность толкателя во взаимодействии со стержнем клапана).

Сущность изобретения заключается в том, что в известном механизме газораспределения с непосредственным приводом клапанов двигателя внутреннего сгорания, содержащем смонтированные на головке цилиндров, по крайней мере, один газораспределительный клапан с элементами крепления упругого пружинного устройства, направляющие втулки стержней клапанов, кулачковый распределительный вал и имеющий форму перевернутого стакана толкатель, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между свободным торцом стержня клапана и кулачком распределительного вала, между торцом стержня клапана и дном (опорной поверхностью) внутренней полости толкателя установлен дополнительный демпфирующий элемент с высоким коэффициентом потерь, выполненный из металлического прессованного пористого сетчатого материала. Поверхность демпфирующего элемента, контактирующая с торцом клапана, может иметь сферическую форму, с центром сферы, лежащим по оси клапана. Возможен вариант изготовления футеровки внутренней полости толкателя клапана в виде единой детали из высокодемпфирующего упомянутого выше материала, сопрягаемой с внутренней поверхностью толкателя клапана (как по опорной, так и цилиндрической поверхности толкателя).

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 показан привод ГРМ ДВС: на фиг. 2 показан вариант выполнения демпфирующего элемента в виде плоского диска; на фиг. 3 показан вариант выполнения демпфирующего элемента со сферической контактной поверхностью; на фиг. 4 показан стакан толкателя с внутренним встроенным (запрессованным) футерующим элементом из металлического, пористого прессованного сетчатого материала.

Рассматриваемый привод механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания содержит, фиг. 1, смонтированные на головке цилиндров 1, по крайней мере, один газораспределительный клапан 2 с элементами крепления 3 пружинного устройства 4, кулачковый распределительный вал 5 и имеющий форму стакана толкатель 6, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между торцом 7 стержня клапана 2 и кулачком 8 распределительного вала 5. Между торцом 7 стержня клапана 2 и дном 9 толкателя 6 установлен дополнительный демпфирующий элемент с высоким коэффициентом потерь 10, выполненный из металлического прессованного пористого сетчатого материала. Поверхность демпфирующего элемента 10, контактирующая с торцом 7 стержня клапана 2, может иметь сферическую форму, как это показано на фиг. 3, с центром "Ц" сферы, лежащей по оси О-О стержня клапана 2. Возможет вариант, когда внутри корпуса толкателя соосно размещена футеровка в виде единой детали 11 из высокодемпфирующего упомянутого выше материала, как это показано на фиг. 4. Деталь 11 имеет форму, аналогичную форме стакана толкателя, плотно прилегает к его внутренним стенкам и дну и имеет гарантированный зазор с пружинным устройством.

Дополнительно на фиг. 1 показаны камера сгорания 12, направляющая втулка 13 и регулировочная шайба 14.

Работает привод обычным образом.

В процессе вращения распределительного (кулачкового) вала рабочая поверхность толкателя с одной стороны находится в динамическом взаимодействии со скользящей контактирующей поверхностью кулачка распредвала, а с другой - в динамическом взаимодействии с опорной поверхностью торца стержня клапана. Вследствие конкретных инерционных упругомассовых характеристик сопрягаемых деталей механизма, наличия эксплуатационных и тепловых зазоров, упругих деформаций в зонах контактирования, отклонений геометрических форм профиля кулачка, некруглости отверстий втулок клапанов и толкателей, частичных несоосностей отверстий втулок и отверстий толкателей с перемещаемыми в них стержнями клапанов и толкателями клапанов, а также вследствие возникающих в структуре головки цилиндров статических, динамических и тепловых деформаций, усугубляющих дополнительные искажения геометрических форм и размеров сопрягаемых движущихся элементов в составе ГРМ, возникают интенсивные динамические процессы, обуславливающие генерирование интенсивных вибраций и шума, характеризующих виброакустическое качество ГРМ и двигателя в целом. В наибольшей степени генерируемые механизмом вибрации и шум определяются конкретным профилем кулачка в зоне (момент) закрытия клапана, смещением клапана относительно его седла в момент посадки, зазорами в направляющих втулках клапанов, зазорами в отверстиях под толкатели, характеристиками внешнего трения при контактном взаимодействии толкателя и кулачка, площадью поверхности клапанной крышки и эффективностью ее виброизоляции от структуры головки цилиндров, условиями смазки кулачковой пары, величинами зазоров между кулачками и регулировочными шайбами.

В основе изобретения заложена идея конструктивного выполнения демпфирующего элемента из материала, обладающего определенными физико-механическими свойствами, что и позволяет решить обозначенную выше техническую проблему.

Исходным материалом для изготовления предлагаемых шумовибродемпфирующих элементов является проволочная металлическая сетка, укладываемая в несколько слоев (размеры ячеек, диаметр и материал проволоки подбирается в соответствии с конкретными конструктивными особенностями узла) и обрабатываемая прессованием в вакууме до получения монолитной структуры, которая является тем не менее частично газопроницаемой и которая обеспечивает реализацию шумовибродемпфирующих процессов за счет сухого трения между контактными поверхностями деформируемых волокон в процессе изгибных микродеформаций структуры в целом. В процессе такого деформационного трения происходит преобразование виброакустической колебательной энергии в тепловую, что в конечном счете приводит к снижению шума и вибраций двигателя.

За счет введения в зону действия непосредственного динамического источника возбуждения двигателя - механической системы распределительный вал - газораспределительный клапан высокоэффективного приемника и преобразователя вибрационного и шумового возбуждения, энергия этого возбуждения эффективно преобразуется в тепловую энергию структурой демпфирующего элемента 10 или 11, за счет возникновения в микропористой волокнистой структуре материала названных элементов сдвиговых деформаций и трения между волокнами структуры. Передача динамического возбуждения к внешним тонкостенным структурам корпусных деталей ДВС, являющихся основными источниками его шумового излучения, существенно ослабляется.

В процессе действия преимущественно вертикальных (вдоль оси O-O) нагрузок на демпфирующие элементы 10 и 11 из металлического пористого сетчатого материала со стороны торца 7 стержня клапана 2 и кулачка 8 распредвала 5, прессованная сетчатая структура этих элементов по своей толщине и поверхности будет деформироваться в различной степени, что будет в свою очередь вызывать относительные сдвиговые микродеформации одного сетчатого (волокнистого) слоя относительно другого. Как известно, процесс сдвиговых деформаций слоев (волокон) вибродемпфирующих материалов характеризуется наиболее эффективным рассеиванием вибрационной энергии путем ее преобразования в тепловую в процессе трения между соприкасающимися волокнами и слоями. Таким образом, "успокоение" вибрирующего узла привода механизма газораспределения осуществляется без жесткой, с относительно высокой вибропередачей, связки на стенки головки 1 цилиндров двигателя, со значительным преобразованием этой вибрационной энергии в тепловую в самой волокнистой структуре виброшумодемпфирующих элементов 10 и 11.

При работе ГРМ, в процессе выборки зазоров в сочленениях деталей механизма, посадки и открытия клапана, набегания и сбегания участка рабочего профиля кулачка с регулировочной шайбы, возникают ударные процессы и импульсные динамические нагрузки на сочлененные детали привода, что и является пространственно распределенным многоточечным источником динамического возбуждения структуры головки цилиндров и, в особенности, ее присоединительной тонкостенной оболочки - клапанной крышки, являющейся вследствие этого наиболее мощным источником шумового излучения ГРМ. Таким образом, воспринимаемые тонкостенной динамически податливой структурой клапанной крышки вибрации от осуществления рабочих процессов кинематического и динамического взаимодействия деталей ГРМ, преобразуются в интенсивные изгибные деформации стенок этой крышки, как оболочки возбуждающей прилегающую к ней воздушную среду, в виде генерирования упругих звуковых волн, распространяемых в этой воздушной среде, т.е. излучаемого шума.

Особо следует отметить неблагоприятное действие зазоров (технологических, износных, температурных, между прямолинейно возвратно-поступательно движущимся толкателем клапана и соответствующим направляющим отверстием в головке цилиндров, а также между стержнем клапана и направляющей втулкой. Из-за наличия зазоров и действующих сил и моментов появляются соответствующие перекосы осей движущихся (толкателей, клапанов) и направляющих (отверстий, втулок) элементов привода, что в свою очередь вызывает появление соответствующих опрокидывающих моментов, отрицательно сказывающихся на акустических показателях, механических потерях, износах и в конечном итоге - надежности и долговечности ГРМ.

Введение высокодемпфирующего динамически податливого звена в зону контакта торца клапана и донышка толкателя позволяет частично компенсировать углы перекоса осей толкателя и направляющего отверстия, уменьшит, таким образом, величину опрокидывающего момента, вызывающего отрицательное воздействие на функционирование ГРМ, а также существенным образом сдемпфировать ударные вибрационные процессы при выборке зазоров в сочленении "торец клапана - донышко толкателя", при передаче виброимпульсов как от зоны "набегающего-сбегающего" кулачка распредвала, так и зоны посадки клапана в седло. Т.о. обеспечивается разрыв (ослабление) замкнутой циркулирующей передачи вибрационной энергии по кинематической цепочке сочлененных деталей привода ГРМ.

В податливом демпфирующем элементе происходит локальная компенсация перекоса торца клапана и перекоса контактной зоны донышка толкателя с ослаблением опрокидывающего момента, а также преобразование (рассеивание) энергии механических деформаций демпфирующей вставки в тепловую энергию за счет внутреннего трения волокнистой структуры пористого сетчатого материала.

Выполнение контактной зоны демпфирующего элемента сферической формы позволяет одновременно управлять как его упругодемпфирующими свойствами, так и ослаблением перекосов осей контактирующих элементов (клапана и толкателя).

Достоинством предлагаемых демпфирующих элементов 10 и 11 является еще и то, что материал, из которого они изготовлены, полностью сохраняет свои вибродемпфирующие характеристики в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации, в среде масляного тумана и картерных газов. Кроме того, их наличие также не влияет отрицательно на процесс теплоотвода (теплопередачи) для обеспечения эффективного охлаждения ДВС. Изменение температурного состояния двигателя от момента холодного запуска и до момента нагрева до рабочей температуры практически не вызывает изменения жесткостных, изолирующих и демпфирующих характеристик, как это, например, имеет место в полимерных материалах, что, таком образом, позволяет оптимизировать эти характеристики практически вне зависимости от температуры.

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и может быть использовано при проектировании механизмов газораспределения двигателей внутреннего сгорания с непосредственным приводом клапанов. Задача изобретения предполагает снижение шума привода газораспределительного механизма, улучшение условий его работы и увеличение долговечности в эксплуатации. Механизм газораспределения содержит смонтированные на головке 1 цилиндров, по меньшей мере, один газораспределительный клапан 2 с элементами крепления 3 пружинного устройства 4, кулачковый распределительный вал 5 и имеющий форму стакана толкатель 6, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между торцом стержня клапана и кулачком 8 распределительного вала. Между торцом стержня клапана и дном 9 толкателя установлен дополнительный демпфирующий элемент 10 с высоким коэффициентом потерь, выполненный из металлического прессованного пористого сетчатого материала. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. .

1. Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий смонтированные на головке цилиндров, по крайней мере, один газораспределительный клапан с элементами крепления пружинного устройства, кулачковый распределительный вал и имеющий форму стакана толкатель, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между торцом стержня клапана и кулачком распределительного вала, отличающийся тем, что между торцом стержня клапана и дном толкателя установлен демпфирующий элемент, выполненный из металлического прессованного пористого сетчатого материала. 2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что поверхность демпфирующего элемента, контактирующая с торцом стержня клапана, имеет сферическую форму, с центром сферы, лежащей по оси клапана. 3. Механизм по пп.1 и 2, отличающийся тем, что демпфирующий элемент выполнен в виде футеровочного стакана, размещенного внутри корпуса толкателя, соосно последнему, плотно контактирующего с его внутренней поверхностью и с гарантированным зазором с элементами пружинного устройства.