УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ В ПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2014 года по МПК F01L1/255 F01L1/08 F01L13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству управления газообменом в поршневом двигателе в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.

Уровень техники

В работе четырехтактного двигателя внутреннего сгорания существуют ситуации, когда цилиндры не обеспечены достаточным количеством воздуха для возникновения самовоспламенения во время такта сжатия. Это особенно справедливо в отношении двигателей с наддувом высокого давления, например двигателей с двухступенчатым турбонаддувом, во время запуска двигателя и при изменении нагрузки. В двигателях такого типа более высокое давление в комбинации с использованием более острых или более коротких форм рабочего выступа кулачка соответственно приводит к более быстрому выполнению наддува. Следовательно, время открытия впускных клапанов при нормальной нагрузке двигателя недостаточно долгое для таких особых ситуаций.

С другой стороны, в целях сведения к минимуму выбросов дизельных двигателей установка фаз распределения впускных клапанов должна быть такой, чтобы впускной клапан был закрыт значительно ранее достижения поршнем нижней мертвой точки, в то время как давление наддува соответственно возрастает для получения достаточного количества воздуха в цилиндре. Такой тип регулировки, однако, проблематичен при низкой нагрузке двигателя, когда давление наддува турбокомпрессора все еще относительно низкое.

Одним из решений в таких специальных ситуациях может быть усиленная подача поступающего воздуха во время фазы открытия впускного клапана. Другое решение заключается в обеспечении задержки закрытия впускного клапана для продления времени открытия впускного клапана в случае необходимости. Одно из решений для такой системы переменного закрытия впускных клапанов (VIC) раскрыто в публикации WO 2008/000899.

Задачей изобретения является дальнейшее совершенствование устройства управления газообменом в поршневом двигателе, которое может применяться, в частности, в двигателях с двухступенчатым турбонаддувом и решает вышеупомянутые проблемы, проявляющиеся в работе таких двигателей при низких нагрузках на двигатель и при запуске двигателя.

Раскрытие изобретения

Задачи изобретения могут быть, по существу, выполнены, как описано в пункте 1 и в других пунктах. Согласно изобретению, кулачковое устройство включает в себя профиль кулачка, имеющий участок, расположенный под основной окружностью профиля кулачка, при этом указанный участок профиля кулачка выполнен с возможностью управления газообменом через впускной клапан. Тем самым может быть обеспечен конструктивно простой и надежный способ управления, с тем чтобы компенсировать дефицит воздуха, особенно при низких нагрузках и при запуске двигателя. При применении острых форм рабочего выступа кулачка это преимущество используется для обеспечения эффективной задержки закрывающего движения впускного клапана на ранней стадии фазы его закрытия при упомянутых особых ситуациях. В этом случае изобретение может с успехом быть использовано путем придания требуемой формы профилю кулачка для установки окончания эффекта задержки.

Участок профиля кулачка под основной окружностью предпочтительно выполнен с возможностью использования для увеличения подачи воздуха через впускной клапан. При таком вспомогательном наддуве воздуха может отсутствовать необходимость в увеличении общего времени открытия впускного клапана. Однако в этом случае может быть необходимым предусмотреть отдельное кулачковое устройство с профилем кулачка, который будет работать независимо от служащего для подъема впускного клапана.

Поршневое устройство соединено с передачей усилия с распределительным валом по меньшей мере в направлении открытия впускного клапана. Корпус и поршневое устройство вместе образуют первую камеру, в которую может избирательно подаваться гидравлическая среда для обеспечения задержки закрытия впускного клапана.

В этом случае участок профиля кулачка под основной окружностью может быть предпочтительно выполнен с возможностью использования для управления сбросом давления в первой камере.

Первая камера может быть соединена со второй камерой через канал, при этом отверстие канала во вторую камеру избирательно регулируется направляющим элементом, расположенным во второй камере между кулачковым устройством и поршневым устройством.

Направляющий элемент выполнен с возможностью непосредственного воздействия на поршневое устройство только в направлении открытия впускного клапана. Таким образом, обратное перемещение поршневого устройства может быть предпочтительно использовано для контролирования функции задержки.

В практическом варианте осуществления направляющий элемент в окружающей поверхности имеет выпускную канавку. Когда выпускная канавка расположена в положении отверстия канала с помощью указанного участка профиля кулачка, расположенного под основной окружностью, производится сброс давления в первой камере.

Направляющий элемент подпружинен к кулачковому устройству. Тем самым обеспечивается надежное взаимодействие между профилем кулачка кулачкового устройства и средством подъема клапана.

Первая камера предпочтительно включает в себя стопорную поверхность, образующую самое нижнее положение поршневого устройства, при этом указанное положение выбрано так, чтобы между поршневым устройством и направляющим элементом оставался зазор при направлении участком профиля кулачка под основной окружностью. Таким образом может медленно восстанавливаться взаимный контакт между поршневым устройством и направляющим элементом так, чтобы обеспечить их плавную работу. С другой стороны, если функция переменного закрытия впускных клапанов (VIC) не используется, наличие стопорной поверхности гарантирует, что поршневое устройство не последует за профилем кулачка в положение участка профиля кулачка под основной окружностью и что взаимодействие между поршневым устройством и направляющим элементом останется аналогичным при всех обстоятельствах.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано более подробно, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 показаны поршневой двигатель и структурная схема его клапанного механизма, а

на фиг.2-6 показан вариант осуществления устройства согласно изобретению на отдельных последовательных этапах работы.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показана схема поршневого двигателя 1 внутреннего сгорания, поскольку она имеет отношение к пониманию изобретения. Газообмен в цилиндрах (не показаны) поршневого двигателя 1 проводится под управлением клапанов газообмена, т.е. впускных клапанов и выпускных клапанов, расположенных на головке 2 цилиндров. Показаны только впускные клапаны 3, и они управляются с помощью клапанных механизмов 6, которые, как правило, направляются профилями 5' кулачков кулачковых устройств 5, расположенными на валу 4 двигателя. Передача усилия между клапанным механизмом 6 и соответствующим кулачковым устройством 5 осуществляется посредством устройства 7 управления.

Более подробно устройство 7 управления представлено на фиг.2-6, при этом на фиг.2 оно показано в нерабочем положении, в котором соединенный с ним впускной клапан 3 закрыт. Устройство 7 управления содержит корпус 8, который обычно крепится к корпусу двигателя. Внутри корпуса 8 с возможностью перемещения расположено поршневое устройство 9. Верхний конец поршневого устройства 9 соединен с передачей усилия с клапанным механизмом 6 (подробно не показан). Это соединение может быть механическим или гидравлическим. Движения поршневого устройства 9 управляются направляющим элементом 10, расположенным на нижнем конце поршневого устройства внутри корпуса 8. Направляющий элемент 10 находится в зацеплении с пружиной 11, которой он поджат к ролику 12, направляемому профилем 5' кулачкового устройства 5. Таким образом, при вращении вала 4 - на фиг.2-6 это вращение направлено против часовой стрелки - ролик 12 следует за профилем 5' кулачка кулачкового устройства 5, и изменения в профиле 5' кулачка передаются таким образом, чтобы влиять на открытие и закрытие впускного клапана 3.

Профиль 5' кулачка имеет основную окружность 5а с радиусом R. От основной окружности продолжается выступ 5b кулачка, выполненный с возможностью перемещения поршневого устройства 8 на чертежах вверх для обеспечения открытия впускного клапана 3. Кроме того, профиль 5' кулачка включает в себя участок 5с, расположенный под основной окружностью 5а профиля 5' кулачка, имея при этом радиус меньше радиуса R. Естественно, участок 5с может не иметь постоянного радиуса. Влияние участка 5с на работу устройства 7 управления и впускного клапана 3 будет описано более подробно ниже.

Корпус 8 и поршневое устройство 9 вместе образуют первую камеру 13, в которую может избирательно подаваться гидравлическая среда для обеспечения задержки закрытия впускного клапана 3. Подающая линия снабжена отсечным клапаном 14 и обратным клапаном 15. Посредством отсечного клапана 14 подающая линия первой камеры 13 может подключаться или отключаться, в зависимости от наличия или отсутствия цели использования функции задержки для задержки закрытия впускного клапана 3. Благодаря обратному клапану 15 устройство управления не может вызвать никаких пульсаций в источнике гидравлической среды. Это важно, когда в качестве гидравлической среды используется смазочное масло.

Корпус 8 также выполнен с каналом 16, с помощью которого первая камера 13 может соединяться со второй камерой 17, образованной корпусом 8 и направляющим элементом 10 и в которой расположен нижний конец поршневого устройства 9. В этой второй камере 17 также расположена пружина 11.

Таким образом, на фиг.2 устройство 7 управления находится в нерабочем состоянии, и ролик расположен на основной окружности 5а профиля 5' кулачка. На фиг.3 кулачковое устройство 5 повернулось против часовой стрелки так, что выступ 5b приподнял ролик 12 на чертеже вверх. Таким образом направляющий элемент 12 и поршневое устройство 9 также переместились вверх и, как следствие, соответствующий впускной клапан 3 (не показан) открылся. Одновременно первая камера 13 была заполнена гидравлической средой.

На фиг.4 ролик 12 вернулся на основную окружность 5а. Благодаря гидравлической среде в первой камере 13 поршневое устройство 9 остается в своем верхнем положении, тем самым удерживая впускной клапан также в открытом положении. Как видно из фиг.4, зацепление между поршневым устройством 9 и направляющим элементом 10 таким образом разъединено.

На фиг.5 кулачковое устройство 5 повернулось дальше против часовой стрелки так, что ролик 12 вошел в участок 5с, расположенный под основной окружностью 5а профиля 5' кулачка. Как следствие, направляющий элемент 10 переместился на чертеже вниз так же, как выпускная канавка 10а в окружающей поверхности направляющего элемента 10 переместилась в положение канала 16, соединив соответственно первую 13 и вторую камеры 17. При этом давление в первой камере 13 также сброшено, и поршневое устройство 9 начинает перемещаться на чертеже вниз, что также обеспечивает закрытие впускного клапана. Выпускная канавка 10а имеет соединение (не показано) со второй камерой 17, которая, в свою очередь, соединена каналами 18 с масляным картером, обеспечивая смазку распределительного вала и соединенных с ним частей. Таким образом, в соответствии с изобретением участок 5с профиля 5' кулачка выполнен с возможностью управления газообменом через впускной клапан путем сброса давления для прекращения функции задержки, связанной с длительным открытием впускного клапана.

Наконец, на фиг.6, где ролик 12 все еще находится на участке 5с профиля 5' кулачка, сброс давления в первой камере 13 позволил поршневому устройству 9 переместиться вниз в положение, заданное стопорной поверхностью 13а, расположенной в первой камере 13. Как видно, поршневое устройство 9 и направляющий элемент 10 по-прежнему отсоединены. Только при возврате ролика 12 в основную окружность 5а профиля 5' кулачка при дальнейшем вращении вала 4 ролик 12 вместе с направляющим элементом 10 будет медленно перемещаться относительно поршневого устройства 9, направляемый соответственно выполненным профилем кулачка, и будет повторяться ситуация, представленная на фиг.2, и цикл повторится сначала. Стопорная поверхность 13а имеет большое значение для плавного функционирования и восстановления контакта между поршневым устройством 9 и направляющим элементом 10. Кроме того, если функция переменного закрытия впускных клапанов (VIC) по отношению к камере 13 не используется, наличие стопорной поверхности 13а гарантирует, что поршневое устройство не последует за профилем кулачка в положение участка кулачка под основной окружностью. Хотя перемещение поршневого устройства 9 остановлено стопорной поверхностью 13а, перемещение направляющего элемента 10 вместе с выпускной канавкой 10а продолжается, обеспечивая нормальное сообщение между камерой 13 и камерой 17.

С помощью изобретения дефицит воздуха при низких нагрузках и при запуске двигателя, который в значительной степени возникает из-за формы выступа кулачка, продолжающегося в направлении вращения распределительного вала, существенно меньше обычного, что компенсирует сокращенное время открытия впускного клапана, используемого в мощных двигателях с двухступенчатым турбонаддувом. Под мощными двигателями внутреннего сгорания здесь понимаются такие двигатели, которые используются, например, в качестве главных тяговых двигателей или вспомогательных двигателей на судах или на электростанциях для производства тепла и/или электроэнергии.

Следует понимать, что изобретение не ограничивается приведенными выше примерами и может быть воплощено во многих других различных вариантах осуществления в пределах объема изобретения.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Устройство управления газообменом в поршневом двигателе установлено между кулачковым устройством (5) распределительного вала двигателя и впускным клапанным механизмом. Устройство (7) управления содержит корпус (8), в котором с возможностью перемещения расположено поршневое устройство (9). Корпус (8) и поршневое устройство (9) вместе образуют первую камеру (13), в которую может избирательно подаваться гидравлическая среда для обеспечения задержки закрытия впускного клапана (3). Кулачковое устройство (5) включает в себя профиль (5') кулачка, имеющий участок (5с), расположенный под основной окружностью (5а) профиля (5') кулачка. Участок (5с) профиля (5') кулачка под основной окружностью (5а) выполнен с возможностью использования для управления сбросом давления в первой камере (13). Поршневое устройство (9) выполнено с возможностью соединения с передачей усилия с распределительным валом (4) по меньшей мере в направлении открытия впускного клапана. Первая камера (13) соединена со второй камерой (17) через канал (16). Отверстие канала (16) во вторую камеру (17) избирательно регулируется направляющим элементом (10), расположенным во второй камере (17) между кулачковым устройством (5) и поршневым устройством (9). Направляющий элемент (10) перемещается посредством участка (5с) профиля (5') кулачка под основной окружностью (5а) в положение, в котором канал (16) во вторую камеру (17) открыт, а давление в первой камере (13) сброшено. Технический результат заключается в увеличении подачи воздуха во время открытия клапана. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство управления газообменом в поршневом двигателе, установленное между кулачковым устройством (5) распределительного вала (4) двигателя (1) и впускным клапанным механизмом (6), выполненным с возможностью открытия и закрытия впускного клапана (3) совместно с цилиндром двигателя, при этом устройство (7) управления содержит корпус (8), в котором с возможностью перемещения расположено поршневое устройство (9), причем корпус (8) и поршневое устройство (9) вместе образуют первую камеру (13), в которую может избирательно подаваться гидравлическая среда для обеспечения задержки закрытия впускного клапана (3), при этом кулачковое устройство (5) включает в себя профиль (5') кулачка, имеющий участок (5с), расположенный под основной окружностью (5а) профиля (5') кулачка, причем указанный участок (5с) профиля (5') кулачка под основной окружностью (5а) выполнен с возможностью использования для управления сбросом давления в первой камере (13), отличающееся тем, что поршневое устройство (9) выполнено с возможностью соединения с передачей усилия с распределительным валом (4) по меньшей мере в направлении открытия впускного клапана (3), при этом первая камера (13) соединена со второй камерой (17) через канал (16), а отверстие канала (16) во вторую камеру (17) избирательно регулируется направляющим элементом (10), расположенным во второй камере (17) между кулачковым устройством (5) и поршневым устройством (9), причем направляющий элемент (10) перемещается посредством участка (5с) профиля (5') кулачка под основной окружностью (5а) в положение, в котором канал (16) во вторую камеру (17) открыт, а давление в первой камере (13) сброшено.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющий элемент (10) выполнен с возможностью непосредственного воздействия на поршневое устройство (9) только в направлении открытия впускного клапана (3).

3. Устройство по п.1 или2, отличающееся тем, что направляющий элемент (10) в окружающей поверхности имеет выпускную канавку (10а), при этом выпускная канавка (10а) расположена в положении отверстия канала (16) с помощью указанного участка (5с) профиля (5') кулачка, расположенного под основной окружностью (5а) для сброса давления в первой камере (13).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что направляющий элемент (10) подпружинен (11) к кулачковому устройству (5).

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что первая камера (13) имеет стопорную поверхность (13а), образующую самое нижнее положение поршневого устройства (9), при этом указанное положение выбрано так, чтобы между поршневым устройством (9) и направляющим элементом (10) оставался зазор при направлении участком (5с) профиля (5') кулачка под основной окружностью (5а).