ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ПРИВОДА КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ КЛАПАНА Российский патент 2008 года по МПК F01L9/02 

Изобретение относится к машиностроению, а более точно касается двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано в автомобилях, мотоциклах, бульдозерах, сельхозтехнике, различных агрегатах, генераторах и т.д.

Известны исполнительные механизмы привода клапанов ДВС, с возможностью возвратно-поступательного движения впускных или выпускных клапанов, под давлением жидкости гидравлической системы (патент US №5694893А, МПК F01L 9/02, опубл. 1997, заявка RU №2003109677, МПК F01L 9/02, опубл. 10.10.2004).

В патенте US 5694893 А применена следующая схема исполнительного механизма привода клапанов:

- клапан приводится в движение поршнем исполнительного механизма под воздействием усилия, развиваемого давлением жидкости гидравлической системы, и пружиной, герметичное уплотнение полости цилиндра двигателя достигается применением в исполнительном механизме дополнительного клапана, предназначенного для передачи давления, возникающего в цилиндре двигателя, в гидравлическую полость исполнительного механизма, а также применением подпружиненного седла клапана. Точное позиционирование клапана при приближении его к седлу, а также регулировка его скорости достигается внешним управлением подачей жидкости в гидравлическую полость исполнительного механизма.

В заявке RU №2003109677 применена следующая схема исполнительного механизма привода клапанов:

- клапаны приводятся в движение поршнем исполнительного механизма под воздействием усилия, развиваемого давлением жидкости гидравлической системы, герметичное уплотнение полости цилиндра двигателя достигается давлением жидкости гидравлической системы, а также перекрытием гидравлических магистралей. Регулировка скорости движения клапана осуществляется внешним управлением подачей жидкости в гидравлический цилиндр исполнительного механизма, торможение клапана при его подсадке в седло обеспечивают гидравлические тормоза.

Известные исполнительные механизмы привода клапана, использующие для перемещения поршня исполнительного механизма и соответственно клапана давление жидкости гидравлической системы, не могут эффективно реализовать преимущества схемы исполнительного механизма (И.М.) с гидравлическим принципом работы. Это связано с тем, что:

1. Регулирование скорости движения клапана осуществляется внешними устройствами, которые осуществляют дозирование поступления жидкости в гидравлический цилиндр И.М.

Для точного соблюдения требуемого алгоритма движения клапана в этих И.М. требуются очень быстродействующие и высокоточные дозирующие устройства, использующие к тому же большое количество дополнительных датчиков и дорогих программ управления, что приводит к резкому возрастанию сложности газораспределительного механизма в целом и, как следствие, снижению его надежности и сильному удорожанию. Это приводит к экономической нецелесообразности применения этих И.М. в двигателях с обычным расположением клапанов (внутренним). Поэтому эти исполнительные механизмы применяются в «урезанном» варианте в двигателях с внешним расположением клапанов, в которых несоблюдение точного алгоритма движения клапана не приводит к поломке двигателя (клапан в таких двигателях не может встретиться с поршнем ни при каких обстоятельствах).

2. В представленных механизмах не решена проблема плавной безударной посадки клапана в седло, хотя в них применяются специальные устройства, призванные решить эту проблему.

В патенте US №5694893А для снижения нагрузок, возникающих при встрече клапана с седлом, служит подпружиненное седло, что, во-первых, не избавляет от удара, а лишь снижает его последствия, во-вторых, такое взаимодействие клапана с седлом создает повышенный уровень шума и вибраций, в-третьих такое решение сложно и дорого в производстве, в-четвертых - оно ненадежно.

В заявке RU №2003109677 используется более прогрессивное решение, но оно также обладает существенными недостатками, не позволяющими полностью решить проблему. Для снижения скорости встречи клапана с седлом там используется гидравлический тормоз, недостатки которого следующие:

1. Гидравлический тормоз начинает действовать в непосредственной близости клапана от седла и для того, чтобы погасить кинетическую энергию системы «поршень И.М. - устройство соединения - клапан», имеет очень высокую степень замедления, кроме того, он действует резко, т.е. торможение начинается единовременно без постепенного нарастания усилия, что практически, при работе механизма, приводит к резкому изменению скорости системы и, как следствие, гидравлическому удару в деталях самого тормоза и динамическим ударам в системе «поршень И.М. - устройство соединения - клапан» - это приводит к нежелательным резонансным колебаниям, снижению качества торможения и ресурса механизма. Гидравлический тормоз уменьшает энергию удара при взаимодействии клапана с седлом, но в то же время, сам, являясь источником повышенных нагрузок, не решает задачу плавной безударной посадки клапана.

2. Гидравлический тормоз обладает узким рабочим диапазоном, т.е. эффективное замедление клапана он способен осуществить только для конкретной скорости движения клапана, на которую он настроен, при изменении скорости, будет происходить либо недотормаживание с сокращением времени посадки клапана в седло и соответствующим увеличением нагрузок, либо перетормаживание с увеличением времени посадки клапана в седло, что при работе двигателя накладывает существенные ограничения на возможность регулирования фаз газораспределения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является заявка ЕР №0652355, МПК F01L 9/02, опубл.1994.

Из которой известен исполнительный механизм привода клапана (впускного или выпускного) ДВС, содержащий закрепленный на головке блока цилиндров двигателя гидравлический цилиндр, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном, и в полости цилиндра установлены гидравлические демпферы, каждый демпфер содержит камеру сжатия, состоящую из двух частей и сообщенную с полостью гидравлического цилиндра посредством каналов и клапанов.

Из этого же источника известен способ управления скоростью движения впускного или выпускного клапана ДВС, исполнительный механизм привода которого содержит закрепленный на головке блока цилиндров двигателя гидравлический цилиндр, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном газораспределения, и гидравлические демпферы, причем каждый демпфер снабжен камерой сжатия, связанной с полостью гидравлического цилиндра посредством каналов и клапанов и состоящей из двух частей, заключающийся в том, что регулируют скорость движения поршня привода клапана.

Однако известное устройство и, соответственно, способ недостаточно эффективны.

Задача изобретения - повышение эффективности.

Поставленная задача в части устройства достигается тем, что в исполнительном механизме привода впускного или выпускного клапана ДВС, содержащем закрепленный на головке блока цилиндров двигателя гидравлический цилиндр, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном, и в полости цилиндра установлены гидравлические демпферы, каждый демпфер содержит камеру сжатия, состоящую из двух частей и сообщенную с полостью гидравлического цилиндра посредством каналов и клапанов, демпфер содержит сопла, выполненные с возможностью направления потока жидкости вдоль оси поршня или под углом к ней, при этом стенки сопл отклонены под углом относительно радиуса окружности поршня привода.

Механизм снабжен пневмогидравлической камерой, разделенной мембраной на газовую и гидравлическую полости, и последняя соединена с полостью гидравлического цилиндра.

Камера сжатия состоит из профилированной поверхности поршня привода и профилированной стенки гидравлического цилиндра.

Связь поршня привода и клапана осуществлена посредством штока клапана, а также резьбового соединения.

Шток поршня клапана двигается в направляющей, при этом зазор между штоком и его направляющей соединен каналом с полостью гидравлического цилиндра.

Крепление гидравлического цилиндра к головке блока цилиндров осуществлено посредством подвижного соединения, с возможностью изменения высоты расположения гидравлического цилиндра относительно головки блока.

Поставленная задача решается также тем, что в способе управления скоростью движения впускного или выпускного клапана ДВС, исполнительный механизм привода которого содержит закрепленный на головке блока цилиндров двигателя гидравлический цилиндр, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном газораспределения, и гидравлические демпферы, каждый демпфер снабжен камерой сжатия, связанной с полостью гидравлического цилиндра посредством каналов и клапанов и состоящей из двух частей, заключающемся в том, что регулируют скорость движения поршня привода клапана, демпфер снабжают соплами, направляют поток жидкости из сопл вдоль оси поршня привода или под углом к ней и задают скорость вращения поршня посредством отклонения стенок сопел под углом относительно радиуса окружности поршня привода.

Дополнительно скорость движения поршня регулируют в зависимости от его положения в гидравлическом цилиндре посредством перекрытия каналов.

Скорость движения поршня клапана в зависимости от направления его движения регулируют посредством клапанов.

Контроль скорости и направления движения поршня осуществляют с помощью датчика.

Используют маловязкую жидкость, обладающую смазывающими свойствами.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 изображен общий вид исполнительного механизма привода клапана, закрепленного на головке блока цилиндров ДВС с обычным (внутренним) расположением клапана;

на фиг.2 - пример использования исполнительного механизма на ДВС с внешним расположением клапана;

на фиг.3 - схема, поясняющая принцип работы отклоняемых стенок сопел гидравлического демпфера;

на фиг.4 - схема, поясняющая принцип сопел гидравлического демпфера.

Исполнительный механизм привода клапана ДВС состоит из гидравлического цилиндра 8, с торцов которого установлены верхняя 14 и нижняя 24 стенки. Нижняя стенка 24 гидравлического цилиндра составляет также нижнюю стенку пневмогидравлической камеры 9, которая выполнена также в виде цилиндра, только большего диаметра, чем гидравлический цилиндр 8. В гидравлическом цилиндре 8 размещен поршень привода 13, который разделяет полость цилиндра на две полости 7 и 15. Поршень привода 13 может совершать возвратно-поступательные, а также вращательные движения относительно оси гидравлического цилиндра. Поршень 13 через шток 3 и резьбовое разъемное соединение 25 связан с клапаном 26, который двигается в направляющей 27. Шток 3 поршня 14 двигается в направляющей 1, внешняя сторона которой является подвижным резьбовым соединением, при помощи которого, а также гайки 2 исполнительный механизм привода крепится к головке блока цилиндров 28 ДВС.

В полости гидравлического цилиндра 8 размещены верхний и нижний гидравлические демпферы. Верхний демпфер состоит из камеры сжатия 21, сопел 18, канала 16 и клапана 17, нижний - из камеры сжатия 22, сопел 6, каналов 4 и клапанов 5. Сопла демпферов сконструированы и направлены таким образом, чтобы жидкость, вытекающая из них под давлением, оказывала на поршень реактивное воздействие.

Камеры сжатия верхнего и нижнего демпферов образуются сближением кольцевых выточек на поверхности поршня привода 13 и на поверхности торцевых стенок 14 и 24 гидравлического цилиндра 8, кольцевые выточки могут выполняться как одно целое вместе с материалами поршня и стенок или как отдельные элементы, закрепляемые на их поверхностях. Конструктивно камеры сжатия могут иметь различные формы и размеры, но всегда представляют собой совокупность двух частей - движущейся и неподвижной.

Пневмогидравлическая камера 9 по форме представляет собой цилиндр, внутри которого находится гидравлический цилиндр 8. Торцевые стенки цилиндра пневмогидравлической камеры 9 - общие с торцевыми стенками гидравлического цилиндра 8. Пневмогидравлическая камера 9 кольцевой мембраной 11 разделена на две полости - газовую 12 и гидравлическую 10. Кольцевым каналом 23, представляющим собой ряд отверстий в гидравлическом цилиндре 8, гидравлическая полость 10 пневмогидравлической камеры 9 соединена с полостью 7 гидравлического цилиндра 8.

Полость 15 гидравлического цилиндра 8 соединена посредством магистрали 20 с источником жидкости высокого давления, который периодически, в соответствии с программой управления, может подавать жидкость в эту камеру или отводить ее.

Для контроля за скоростью движения и положением поршня привода 13 и соответственно клапана 26 используют датчик скорости 19, который может работать на различных принципах работы, например лазерном или ультразвуковом. Датчик передает данные о положении поршня привода и скорости его движения в соответствующий управляющий блок, который дает команды на подачу или отвод жидкости из полости 15.

Рассмотрим схему работы исполнительного механизма привода клапана и реализацию способа управления его скоростью на примере применения данного механизма в ДВС с обычным (внутренним) расположением клапанов (Фиг.1).

Исходное состояние исполнительного механизма следующее: в полости 15 отсутствует давление, поршень 13 максимально поджат к верхней стенке 14 гидравлического цилиндра 8 посредством высокого давления газа в газовой полости 12 пневмогидравлической камеры 9, которое через мембрану 11 давит на жидкость, находящуюся в гидравлической полости 10 пневмогидравлической камеры 9, а далее через кольцевой канал 23 передается в полость 7 и давит на поршень 13. Клапан 26 находится в верхнем положении, т.е. закрыт.

После подачи жидкости в полость 15 под давлением, превышающим давлением газа в пневмогидравлической камере 9, поршень привода 13 начинает двигаться с ускорением в направлении нижней стенки 24. При этом открывается клапан 17, беспрепятственно пропуская жидкость из полости 15 по каналу 16 в камеру сжатия 21 верхнего демпфера, и, таким образом, верхний демпфер практически не оказывает сопротивление движению поршня привода 13. Клапаны 5 в нижнем демпфере закрыты. По мере приближения поршня привода 13 к нижней стенке 24 жидкость в камере сжатия 22 начинает сжиматься и выходить через сопла 6 в полость 7, скорость и энергия жидкости при этом зависят от скорости движения поршня привода. При низкой скорости движения поршня привода 13, скорости и энергии потока жидкости недостаточно для отклонения упругих стенок 32, и они направляют поток жидкости под большим углом к оси движения поршня (фиг.3а). При увеличении скорости движения поршня привода, соответственно увеличивается скорость и энергия потока жидкости, проходящей через каналы 31 и выбрасываемой соплами 6, при этом упругие отклоняемые стенки 32 начинают отгибаться под напором потока и изменять угол истечения потока, направляя его ближе к оси движения поршня (фиг.3б). При истечении потока жидкости из сопел, на поршень привода действует реактивная сила, направленная противоположно направлению движения поршня и, соответственно, замедляющая его скорость. Причем сила замедления будет тем больше, чем выше скорость движения поршня и чем меньше угол истечения жидкости относительно направления его движения. Таким образом, обеспечивается автоматическое регулирование силы замедления поршня привода в зависимости от скорости его движения и достигается плавная регулировка скорости его движения. Одновременно с этим, так как сопла отклоняются так же под углом к радиусу поршня привода, то он, под действием реактивной силы, совершает поворот вокруг своей оси, для обеспечения равномерного износа поршня привода и клапана 26. По мере дальнейшего продвижения поршня привода 13 к нижней стенке 24 уменьшается суммарная площадь сечения каналов 31 и вступает в действие сила гидравлического сопротивления, возникающая из-за разницы объема жидкости, выталкиваемой из камеры сжатия, и объема жидкости, который способны пропустить каналы 31 и, соответственно, сопла 6, причем, так как сечение площади каналов уменьшается постепенно, по мере приближения поршня к нижней стенке, то постепенно нарастает и сила гидравлического сопротивления, а значит, и сила и скорость замедления поршня. Поршень плавно замедляется. После полного перекрытия каналов 31 сопел 6, жидкость из камеры сжатия 22 перестает выходить и поршень 13 останавливается максимально близко к нижней стенке 24. Соответственно клапан 26 останавливается в открытом положении, отойдя от седла клапана 30 на максимальное расстояние. Клапан 17 верхнего демпфера закрывается.

При ходе поршня привода 13 жидкость, вытесняемая им из камеры сжатия 22 в полость 15, по каналам 23 поступает в гидравлическую полость 11 пневмогидравлической камеры 9, где сжимает газ, находящийся в газовой полости 12, и, соответственно, занимает его объем.

Каналы 4 служат для подвода жидкости в камеру сжатия 22 при обратном ходе клапана, а также для снятия давления жидкости в зазоре между штоком поршня 3 и его направляющей 2, передающегося из камеры сжатия 22 во время остановки поршня 13 и могущего привести к утечке жидкости из полости исполнительного механизма по этому зазору.

После начала отвода жидкости из полости 15 давление в ней уменьшается и поршень 13 под действием давления жидкости в полости 7, развиваемого давлением газа в пневмогидравлической камере 9, начинает двигаться в направлении стенки 14. При этом открываются клапаны 5, и жидкость по каналам 4 начинает поступать в камеру сжатия 22, таким образом, гидравлическое сопротивление демпфера уменьшается, обеспечивая максимальное ускорение поршня привода и соответственно клапана. После преодоления середины хода поршнем 13 плавно вступает в действие верхний демпфер, поток жидкости, вырываясь из сопел 19 и ударяясь в поверхность поршня, начинает замедлять скорость его движения. По мере дальнейшего продвижения поршень начинает перекрывать каналы 31 сопел 18, чем уменьшает действие реактивной силы, но одновременно плавно увеличивает действие силы гидравлического сопротивления, что приводит к еще более сильному замедлению, и поршень начинает плавно останавливаться. В это время клапан 26, связанный с поршнем 13, садится в седло 30, останавливая движение поршня 13. Клапан прижимается к седлу с усилием давления газа в пневмогидравлической камере, передаваемым поршню привода.

Полный цикл движения клапана закончен. Точно так же, исполнительный механизм привода работает и в двигателях с внешним расположением клапанов (фиг.2), за исключением того, что меняется порядок работы - при подаче давления в гидравлический цилиндр клапан прижимается к седлу, а при отводе, наоборот, отходит от седла.

Таким образом, совокупностью действия реактивной силы, силы гидравлического сопротивления и регулируемого перекрытия каналов задается необходимый скоростной алгоритм движения поршня привода и соответственно клапана. Так как каждый из этих параметров регулируется в отдельности, то достигается очень гибкая характеристика движения клапана, причем в автоматическом режиме подстраивающаяся к изменившимся внешним условиям. Сначала, для снижения скорости, в действие вступает реактивная сила потока жидкости, которая действует относительно слабо, но в то же время, достаточно чтобы начать замедление поршня, к тому же она обладает обратной связью по скорости (чем больше скорость поршня, тем больше энергия потока и сильнее замедление), затем вступает в действие сила гидравлического сопротивления, обладающая обратной связью по расстоянию (чем ближе подходит поршень к стенке, тем сильнее замедление), после этого каналы демпфера перекрываются, обеспечивая остановку поршня привода и соответственно клапана. Для обеспечения максимального ускорения при обратном ходе используются пружинные клапаны, которые открывают дополнительные каналы и пропускают жидкость в камеру сжатия демпфера.

Таким образом, на поршень действуют плавно сменяющие друг друга гидравлические силы, позволяющие сначала осуществить плавное снижение, а затем при обратном ходе, с необходимым ускорением, нарастание скорости движения поршня и соответственно клапана.

Предлагаемый исполнительный механизм и способ управления скоростью движения клапана позволяют эффективно реализовать преимущество схемы привода клапанов гидравлическими исполнительными механизмами - полное регулирование фаз газораспределения, включая переход двигателя на различные режимы работы, например двухтактный цикл, или отключение цилиндров.

Применение гидравлических демпферов в исполнительном механизме позволяет задавать требуемый алгоритм движения клапана без применения сложных управляющих устройств, а также обеспечивает плавную, безударную посадку клапана в седло.

Изобретение относится к двигателестроению и м.б. использовано в приводе впускного или выпускного клапана газораспределения двигателя. Исполнительный механизм содержит закрепленный на головке блока цилиндров двигателя гидравлический цилиндр, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном. В полости цилиндра установлены гидравлические демпферы. Каждый демпфер содержит камеру сжатия, состоящую из двух частей и сообщенную с полостью гидравлического цилиндра посредством каналов и клапанов. Демпфер содержит сопла, выполненные с возможностью направления потока жидкости вдоль оси поршня или под углом к ней. При этом стенки сопл отклонены под углом относительно радиуса окружности поршня привода. Приведен способ управления скоростью движения клапана. Такое выполнение позволяет регулировать фазы газораспределения и осуществлять перевод двигателя на различные режимы работы. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Исполнительный механизм привода впускного или выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащий закрепленный на головке блока цилиндров двигателя гидравлический цилиндр, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном, и в полости цилиндра установлены гидравлические демпферы, каждый демпфер содержит камеру сжатия, состоящую из двух частей и сообщенную с полостью гидравлического цилиндра посредством каналов и клапанов, отличающийся тем, что демпфер содержит сопла, выполненные с возможностью направления потока жидкости вдоль оси поршня или под углом к ней, при этом стенки сопл отклонены под углом относительно радиуса окружности поршня привода.2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что он снабжен пневмогидравлической камерой, разделенной мембраной на газовую и гидравлическую полости и последняя соединена с полостью гидравлического цилиндра.3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что камера сжатия состоит из профилированной поверхности поршня привода и профилированной стенки гидравлического цилиндра.4. Механизм по п.1, отличающийся тем, что связь поршня привода и клапана осуществлена посредством штока клапана, а также резьбового соединения.5. Механизм по п.4, отличающийся тем, что шток поршня клапана двигается в направляющей, при этом зазор между штоком и его направляющей соединен каналом с полостью гидравлического цилиндра.6. Механизм по п.1, отличающийся тем, что крепление гидравлического цилиндра к головке блока цилиндров осуществлено посредством подвижного соединения с возможностью изменения высоты расположения гидравлического цилиндра относительно головки блока.7. Способ управления скоростью движения впускного или выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания, исполнительный механизм привода которого содержит закрепленный на головке блока цилиндров двигателя гидравлический цилиндр, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном газораспределения, и гидравлические демпферы, каждый демпфер снабжен камерой сжатия, связанной с полостью гидравлического цилиндра посредством каналов и клапанов, и состоящей из двух частей, заключающийся в том, что регулируют скорость движения поршня привода клапана, отличающийся тем, что демпфер снабжают соплами, направляют поток жидкости из сопл вдоль оси поршня привода или под углом к ней, и задают скорость вращения поршня посредством отклонения стенок сопел под углом относительно радиуса окружности поршня привода.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно скорость движения поршня регулируют в зависимости от его положения в гидравлическом цилиндре посредством перекрытия каналов.9. Способ по п.7, отличающийся тем, что скорость движения поршня клапана в зависимости от направления его движения регулируют посредством клапанов.10. Способ по п.7, отличающийся тем, что контроль скорости и направления движения поршня осуществляют с помощью датчика.11. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют маловязкую жидкость, обладающую смазывающими свойствами.