МЕХАНИЗМ ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F02D13/02 F01L1/344 

Техническое решение относится к бензиновым двигателям внутреннего сгорания, в том числе с непосредственным впрыском топлива, и касается их распределительных механизмов, а именно механизмов изменения фаз газораспределения.

В бензиновых двигателях автомобилей целесообразно использовать механизмы изменения фаз газораспределения без изменения продолжительности открытия клапанных механизмов. Они позволяют повысить крутящий момент, развиваемый двигателем, до 15% в диапазоне малой и средней частоты вращения вала двигателя, обеспечить более высокую литровую мощность, повысить стабильность работы двигателя на холостом ходу.

Известно изменение угловых соотношений между коленчатым валом и кулачковым распределительным валом, например, использованием винтовой передачи (выданные в США патенты № 2107070, № 3109417 и № 3401572). В патентах, выданных в США, №№ 4231330, 4535731 представлено описание ДВС, впускные клапаны которого управляются одним кулачковым валом, а выпускные - другим. Каждый из этих валов имеет привод от коленчатого вала через шестерню и подпружиненный промежуточный элемент, имеющий по крайней мере одну спиральную канавку, ограниченный продольно контактными поверхностями на кулачковом валу и испытывающий давление смазки. Такого же типа устройство описано в европейской заявке № 0112494, DE № 3247916, при этом подвод смазки осуществлен через электромагнитный клапан, управляемый компьютером. Убыстрение моментов открытия/закрытия клапанов двигателя предусмотрено в JP 2833128 В2, а в устройстве по JP 2839672 В2 использован управляющий клапан для регулирования подачи смазки и обеспечено удаление воздушных пузырей из нее.

К упомянутым основным элементам механизма изменения фаз газораспределения принадлежат и устройства по патентам в США №№ 5377639, 5474038, в которых подвод смазки выполнен коаксиально, а отличия в основном касаются деталей, предотвращающих ее утечку. Эти устройства велики по размерам, сравнительно сложны и недостаточно надежны. Гораздо проще устройства по заявкам DE №№ 19724989, 19725130 и 19726362, хотя и в этом случае основное внимание уделено предотвращению утечки смазки.

Известен механизм изменения фаз газораспределения, содержащий установленную на распределительном валу муфту неподвижную, на которой размещена муфта подвижная с подпружиненным поршнем и передней опорой, при этом поршень имеет возможность продольного смещения и поворота относительно муфт под действием давления смазки, подаваемой в полость, ограниченную поверхностями муфт, поршнем и опорой (патент в США № 5588404). В этом механизме муфта неподвижная выполнена составной, а соединение муфты подвижной и опоры выполнено по наружной поверхности, при этом опора взаимодействует с элементом муфты неподвижной по наружной поверхности и имеет сложный участок ее фиксации в продольном направлении. В свою очередь поршень выполнен также составным, основной элемент которого имеет две кольцевые проточки. Тем самым конструкция этого механизма сравнительно сложна, что может привести к неудовлетворительному ее функционированию. Тем более, что подача смазки осуществлена через аксиально выполненные в распределительном валу и муфте неподвижной отверстия, которые при сборке могут не совпасть в продольном направлении, что существенно затруднит подачу смазки. Несмотря на смещение упомянутых отверстий от оси распределительного вала, сравнительно велик путь смазки до полости, образованной муфтой неподвижной и поршнем. Поскольку предусмотрены дополнительные поршень и пружина, то это может повлиять на надежность работы механизма.

Многообразие конструкций механизма изменения фаз газораспределения не привело, однако, к созданию простого надежного и малого по габариту устройства.

В качестве прототипа принят механизм изменения фаз газораспределения, содержащий корпус с внутренними винтовыми шлицами, имеющий привод от вала двигателя, ступенчатый поршень с наружными винтовыми шлицами для связи с корпусом, имеющий внутренние шлицы, ступицу поршня с наружными шлицами для связи с поршнем, имеющую крупный фланец, сопряженный с корпусом и соединенный с распределительным валом двигателя, пружину, размещенную между поршнем и фланцем ступицы, болт для крепления ступицы поршня к распределительному валу, расположенный внутри осевого отверстия в ступице и образующий с ней осевой канал, сообщающийся с клапаном управления механизмом (выданный в США патент № 5558053, НКИ 123/90.17, МКИ F 01 L 1/344, опубликован 24.09.96 г.).

У этого механизма тоже сложная конструкция, имеющая относительно большие радиальные габариты. К тому же, подача смазки под давлением в этом механизме производится только в полость у свободного торца поршня. Это может приводить к нежелательным колебательным перемещениям поршня с большой амплитудой, что сопровождается неприятным стуком.

Задача - упрощение конструкции механизма изменения фаз газораспределения при улучшении его функционирования и обеспечении компактности.

Упрощение конструкции механизма изменения фаз газораспределения при улучшении его функционирования и обеспечении компактности обеспечено путем рационального выполнения его элементов и оптимального их размещения. Для этого в механизме изменения фаз газораспределения, содержащем корпус с внутренними винтовыми шлицами, поршень с наружными винтовыми шлицами для связи с корпусом, имеющий внутренние шлицы, ступицу поршня с наружными шлицами для связи с поршнем, имеющую фланец, соединенный с распределительным валом, пружину, размещенную между поршнем и фланцем ступицы, болт для крепления ступицы поршня к распределительному валу, расположенный внутри осевого отверстия в ступице и образующий с ней осевой кольцевой канал, сообщающийся с клапаном управления механизмом, на ступице поршня между ее шлицами и фланцем выполнена цилиндрическая поверхность, сопряженная с цилиндрической поверхностью, выполненной внутри поршня, и отделенная от шлицев кольцевой канавкой, на дне которой выполнено поперечное отверстие, сообщающее полость у свободного торца поршня с кольцевым каналом.

При таком выполнении механизм изменения фаз газораспределения имеет простую и компактную конструкцию со сравнительно небольшими радиальными размерами, позволяющими удобно разместить его в двигателе внутреннего сгорания.

Полость у свободного торца поршня закрыта кольцевой стенкой, расположенной в корпусе между его шлицами и крышкой и размещенной на ступице поршня между ее шлицами и головкой болта.

Упомянутая кольцевая стенка может быть выполнена из полимерного материала.

Поршень имеет возможность упора торцом в кольцевую стенку, при этом в поршне между его внутренними шлицами и упомянутой цилиндрической поверхностью, контактирующей со ступицей, выполнен уступ, имеющий возможность контакта с уступом на ступице, расположенным у ее цилиндрической поверхности.

На ступице около уступа на ней расположен контактирующий с поршнем уплотнительный элемент, разобщающий кольцевую канавку в ступице и полость, расположенную между поршнем и фланцем ступицы.

Полость между поршнем и фланцем ступицы ограничена внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, сопряженной с фланцем ступицы.

Во фланце ступицы выполнено сквозное продольное отверстие, сообщающее полость между поршнем и фланцем ступицы с клапаном через канал в распределительном валу. При наличии этого отверстия поршень имеет возможность продольного и углового перемещения относительно корпуса и ступицы в сторону крышки под действием силы от давления смазки, подаваемой в полость у его подпружиненного торца, действующей совместно с силой от сжатия пружины.

Описанная подача смазки существенно улучшает функционирование механизма изменения фаз газораспределения и повышает надежность работы, поскольку позволяет понизить шумность его работы благодаря демпфирующему действию смазки в зазорах в шлицевых соединениях и между торцом поршня и кольцевой стенкой, а также повысить быстродействие работы механизма изменения фаз газораспределения путем увеличения силы, действующей на поршень со стороны его подпружинивания, вследствие действия силы, создаваемой давлением смазки.

На фигуре 1 представлен механизм изменения фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания, продольный разрез.

На фигуре 2 показан этот механизм при смещенном положении его поршня, продольный разрез.

На фигуре 3 изображена видоизмененная конструкция механизма изменения фаз газораспределения, продольный разрез.

На фигуре 4 показана упомянутая конструкция механизма при смещенном положении поршня, продольный разрез.

Механизм изменения фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания содержит корпус 1 (фиг.1) в виде трубы со ступенчатой поверхностью, в котором выполнены внутренние винтовые шлицы 2. На корпусе имеется зубчатый венец 3 в виде звездочки для цепного или ременного его привода от коленчатого вала двигателя. Внутри корпуса 1 установлен поршень 4 с наружными винтовыми шлицами 5 для связи с корпусом винтовым шлицевым соединением. В поршне 4 выполнены прямые внутренние шлицы для его связи посредством шлицевого соединения со ступицей 6, имеющей наружные прямые шлицы 7. Ступица 6 поршня 4 имеет фланец 8, соединенный штифтом 9 с кулачковым впускным распределительным валом 10 двигателя. Между поршнем 4 и фланцем 8 размещена пружина 11 сжатия, служащая для возврата поршня в исходное положение при его обратном перемещении от фланца 8. В ступице 6 внутри сквозного осевого отверстия в ней расположен болт 12, предназначенный для крепления ступицы к распределительному валу 10. На свободном конце ступицы 6 между ее шлицами 7 и головкой 13 болта 12 размещена сплошная кольцевая стенка 14, расположенная в корпусе 1 между его шлицами 2 и крышкой 15, имеющей с корпусом резьбовое соединение. Кольцевая стенка 14 и фланец 8 ступицы 6 являются опорами корпуса 1. То есть корпус 1 установлен на фланце 8 ступицы и на упомянутой кольцевой стенке 14. Для крепления кольцевой стенки 14 около нее на стержне болта 12 расположена контактирующая с ней сплошная плоская или коническая шайба 16, отделенная от головки 13 болта 12 упругой разрезной шайбой 17. Наружный диаметр кольцевой стенки 14 равен диаметру поверхности 18 (фиг.3) фланца 8 ступицы 6, с которой сопряжена внутренняя цилиндрическая поверхность 19 корпуса 1. Причем поршень 4 сопряжен по наружному диаметру с поверхностью 19 корпуса, с которой сопряжена ступица 6 поршня.

Торец 20 (фиг.2) поршня 4, обращенный к кольцевой стенке 14, выполнен плоским. При этом поршень 4 имеет возможность упора плоским торцом 20 в кольцевую стенку 14. Для предотвращения звонкого стука, который может возникнуть при ударе поршня в стенку 14, стенка 14 может быть выполнена из полимерного материала (фиг.3, 4) или около нее, напротив торца поршня может быть расположена проставка 21, сделанная из фторопласта (фиг.1).

Между ступицей 6 и болтом 12 образован кольцевой канал 22, сообщающийся с клапаном 23 управления механизмом через радиальное отверстие 24 в валу 10. На ступице 6 поршня между ее шлицами 7 и фланцем 8 выполнена цилиндрическая поверхность 25, сопряженная с цилиндрической поверхностью 26, выполненной в поршне 4 между его внутренними шлицами и торцом, обращенным к фланцу ступицы 6. Цилиндрическая поверхность 25 отделена от шлицев 7 технологической кольцевой канавкой 27. На дне канавки 27 выполнено поперечное отверстие 28, сообщающее кольцевой канал 22 через шлицы в поршне и его ступице 6 с полостью 29 у свободного торца поршня, закрытой кольцевой стенкой 14.

В поршне 4 между его внутренними шлицами и цилиндрической поверхностью 26, контактирующей со ступицей 6, выполнен уступ 30, имеющий возможность при смещении поршня 4 к фланцу 8 контакта с уступом 31 на ступице 6, расположенным у ее цилиндрической поверхности 25. На ступице 6 около уступа 31 на ней расположен уплотнительный элемент 32, контактирующий с поршнем 4 для разобщения кольцевой канавки 27 в ступице 6 с полостью 33 между поршнем 4 и фланцем 8 ступицы. Во фланце 8 ступицы 6 выполнено сквозное продольное отверстие 34, сообщающее полость 33 между поршнем и фланцем ступицы с клапаном 23 через канал 35 в распределительном валу 10.

Клапан 23 управления механизмом содержит подпружиненный золотник 36, расположенный в автономном корпусе 37, охватывающем распределительный вал 10. Золотник 36 имеет привод от соленоида (не показан), подключенного к электронному блоку, имеющему электрическую связь с датчиками нагрузки двигателя и частоты вращения его коленчатого вала.

При большой частоте вращения коленчатого вала двигателя поршень 4 занимает положение у кольцевой стенки 14. В этом случае происходит более позднее закрытие впускных клапанов, а именно в начале такта сжатия поршнем рабочей смеси.

При малой и средней частоте вращения коленчатого вала двигателя включается клапан 23, от которого после перемещения его золотника 36 смазочная жидкость через отверстие 24, кольцевой канал 22, канавку 27 и далее через зазоры в шлицах поршня 4 и его ступицы 6 поступает под давлением в полость 29 между поршнем и кольцевой стенкой 14. Под действием давления поступающей смазочной жидкости поршень 4 передвигается в сторону фланца 8 до наступления контакта уступа 30 в поршне с уступом 31 на ступице 6. При своем ходе поршень 4 вследствие его связи с корпусом 1 винтовым шлицевым соединением поворачивает корпус 1 в направлении, противоположном вращению распределительного вала 10, обеспечивая опережение впуска рабочей смеси в цилиндры двигателя без изменения его продолжительности. Это делается для того, чтобы впуск рабочей смеси в цилиндры двигателя при небольшой скорости ее потока завершился к моменту начала такта сжатия во избежание обратного ее выталкивания из цилиндров во впускной трубопровод поршнем двигателя при его ходе во время такта сжатия.

При повышении частоты вращения вала двигателя, когда она становится достаточно большой, такой, что инерционный напор рабочей смеси во впускном трубопроводе получается значительным, выключается клапан 23 и его золотник 36 под действием возвратной пружины возвращается в начальное положение, при котором прекращается подача смазочной жидкости в полость 29 и происходит ее подача через канал 35 и отверстие 34 в полость 33 между поршнем 4 и фланцем 8 его ступицы 6. Под действием давления смазочной жидкости в полости 33 и силы от возвратной пружины 11 поршень 4 передвигается обратно в сторону кольцевой стенки 14. При подходе поршня 4 к кольцевой стенке 14 между его плоским торцом 20 и этой плоской стенкой за счет вязкости смазочной жидкости образуется демпфирующая гидравлическая подушка, тормозящая поршень 4, обеспечивая снижение скорости его сближения с кольцевой стенкой 14 для уменьшения энергии удара поршня о стенку 14. Причем выполнение стенки 14 из полимерного материала или наличие перед ней проставки из фторопласта исключает звонкий стук при упоре поршня 4 в эту стенку.

Созданный механизм изменения фаз газораспределения, обеспечивая надлежащее опережение впуска рабочей смеси в цилиндры двигателя при малом ее инерционном напоре, имеет простую и технологичную конструкцию. При этом, вследствие наличия у поршня внутри него цилиндрической поверхности, сопряженной с цилиндрической поверхностью, выполненной на его ступице между ее шлицами и фланцем, образующим одну из опор корпуса, другой опорой которого служит установленная на ступице кольцевая стенка, ограничивающая рабочую полость у поршня, сообщаемую с источником давления смазочной жидкости через шлицы и канавку на ступице, а также через отверстие на дне этой канавки и кольцевой канал, образованный внутри ступицы между ней и болтом, обеспечивающим крепление механизма к распределительному валу и одновременно фиксацию упомянутой кольцевой стенки, достигнуто сокращение габаритов механизма и тем самым обеспечена его компактность и снижена металлоемкость.

Механизм изменения фаз газораспределения бензинового двигателя внутреннего сгорания содержит корпус с внутренними винтовыми шлицами, имеющий привод от вала двигателя и поршень с наружными винтовыми шлицами для связи с корпусом и внутренними шлицами для связи со ступицей, имеющей фланец, соединенный с впускным распределительным валом. Возвратная пружина размещена между поршнем и фланцем. Болт для крепления ступицы к валу расположен внутри осевого отверстия в ступице, образуя с ней осевой кольцевой канал, сообщающийся с клапаном управления механизмом. На ступице поршня между ее шлицами и фланцем выполнена цилиндрическая поверхность, сопряженная с цилиндрической поверхностью, выполненной внутри поршня, и отделенная от шлицев кольцевой канавкой. На дне канавки выполнено поперечное отверстие, сообщающее полость у свободного торца поршня с кольцевым каналом. Полость закрыта кольцевой стенкой, расположенной в корпусе между его шлицами и крышкой и размещенной на ступице поршня между ее шлицами и головкой болта. Технический результат: уменьшение габаритов механизма и обеспечение его компактности. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Механизм изменения фаз газораспределения, содержащий корпус с внутренними винтовыми шлицами, имеющий привод от вала двигателя, поршень с наружными винтовыми шлицами для связи с корпусом и внутренними шлицами для связи со ступицей, имеющей фланец, соединенный с распределительным валом двигателя, пружину, размещенную между поршнем и фланцем ступицы, болт для крепления ступицы поршня к распределительному валу, расположенный внутри осевого отверстия в ступице и образующий с ней осевой кольцевой канал, сообщающийся с клапаном управления механизмом, отличающийся тем, что на ступице поршня между ее шлицами и фланцем выполнена цилиндрическая поверхность, сопряженная с цилиндрической поверхностью, выполненной внутри поршня, и отделенная от шлицев кольцевой канавкой, на дне которой выполнено поперечное отверстие, сообщающее полость у свободного торца поршня с кольцевым каналом.2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что полость у свободного торца поршня закрыта кольцевой стенкой, расположенной в корпусе между его шлицами и крышкой и размещенной на ступице поршня между ее шлицами и головкой болта.3. Механизм по п.2, отличающийся тем, что кольцевая стенка выполнена из полимерного материала.4. Механизм по п.2 или 3, отличающийся тем, что поршень имеет возможность упора торцом в кольцевую стенку, при этом в поршне между его внутренними шлицами и упомянутой цилиндрической поверхностью, контактирующей со ступицей, выполнен уступ, имеющий возможность контакта с уступом на ступице, расположенным у ее цилиндрической поверхности.5. Механизм по п.4, отличающийся тем, что на ступице около уступа на ней расположен контактирующий с поршнем уплотнительный элемент, разобщающий кольцевую канавку в ступице и полость, расположенную между поршнем и фланцем ступицы.6. Механизм по п.5, отличающийся тем, что полость между поршнем и фланцем ступицы ограничена внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, сопряженной с фланцем ступицы.7. Механизм по п.6, отличающийся тем, что во фланце ступицы выполнено сквозное продольное отверстие, сообщающее полость между поршнем и фланцем ступицы с клапаном через канал в распределительном валу.