УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОВОГО ОБМЕНА В ПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2015 года по МПК F01L13/00 F01L9/02 F01L1/14 F02D13/02 

Изобретение относится к устройству управления для газового обмена в поршневом двигателе согласно преамбуле пункта 1 формулы изобретения.

Уровень техники

Современные поршневые двигатели с компрессионным зажиганием главным образом обеспечены нагнетателем, обычно турбонагнетателем. Использование турбонагнетателя особенно предпочтительно, так как он использует энергию отработавших газов двигателя. При этом, возможно увеличивать производительность и эффективность двигателя. Однако, на практике турбонагнетатель, компрессор которого работает с газовой турбиной на отработавших газах, имеет тенденцию терять эффективность в малонагруженных рабочих условиях двигателя.

Работа турбонагнетателя испытывает влияние характеристик и адаптации взаимодействующих компрессора и турбины. Использование высоких перепадов давления в компрессоре, т.е. использование, по существу, высокого питающего давления во впускной системе двигателя, благоприятно. Работа части компрессора турбонагнетателя ограничивается, с одной стороны, пределом, который соответствует максимальной пропускной способности компрессора и, с другой стороны, так называемым запасом по помпажу. Помпаж компрессора причиняет вред работе двигателя, так как давление и поток воздуха для горения, подаваемого в двигатель, будет уменьшаться, как только возникает помпаж в компрессоре.

Важный вопрос, относящийся в работе турбонагнетаемого поршневого двигателя, заключается в фазах клапанного распределения. В качестве примера устройства для выполнения изменений газораспределения клапана представлен документ WO 9830787 A1. Это известное устройство для управления клапанами в двигателе внутреннего сгорания делает возможным задержку открытия клапана двигателя и закрытия клапана меньше, делая время открытия клапана короче. Согласно этому документу, это может быть использовано и впускным и выпускным клапанами, но этот документ не позволяет раскрыть конкретные применения такого устройства.

С другой стороны, WO 2008/000899A1 показывает конструкцию для регулирования момента закрытия газообменного клапана двигателя внутреннего сгорания, делая возможным обеспечивать задержку закрытия клапана, чтобы выполнять условия различных нагруженных ситуаций двигателя, особенно малонагруженных ситуаций, посредством чего цилиндры не обеспечиваются достаточным воздухом для самозажигания во время хода сжатия. Это особенно подтверждается двигателями, которые нагнетаются высоким давлением, как, например, двигателями с двухступенчатым турбонагнетателем во время запуска двигателя и во время изменения нагрузок. В двигателях этого типа используются более высокие давления в совокупности с формами более острого или короткого кулачкового выступа, получая нагнетание, возникающее за более короткое время, соответственно. Затем, время открытия впускных клапанов при нормальной нагрузке двигателя не является достаточно долгим для таких специальных ситуаций, из-за чего функция задержки должна быть осуществима выборочно.

Другая проблема, относящаяся к малонагруженным ситуациям, в работе турбонагнетаемого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания типов, названных выше, заключается в том, что клапаны и компоненты, относящиеся к нему, могут перенагреваться из-за неэффективной очистки цилиндра.

Задачей изобретения является обеспечение устройства управления для газового обмена в поршневом двигателе, которое решает вышеуказанные и другие проблемы известного уровня техники. Также задачей изобретения является обеспечение простого и надежного решения, которое улучшает газовый обмен цилиндра поршневого двигателя при необходимости лучше выполнять условия различных нагруженных ситуаций и улучшает эффективность и надежность двигателя в зависимости от точного типа двигателя и обстоятельств в каждом случае.

Сущность изобретения

Задачи изобретения могут быть представлены по существу как раскрыто в пункте 1 формулы изобретения и более конкретно в других пунктах формулы изобретения.

Основная идея изобретения заключается в обеспечении более эффективной очистки цилиндра, используемого при необходимости. Согласно изобретению устройство управления включает средства для регулирования времени открытия впускного клапана, при этом указанные средства выполнены с возможностью взаимодействовать с поршневым устройством, включенным в это устройство. Посредством улучшенной очистки помпаж может быть исключен в ситуациях предельной нагрузки. В малонагруженных ситуациях, с другой стороны, изобретение обеспечивает более эффективное охлаждение клапанов и компонентов, относящихся к нему.

Указанные средства для регулирования выполнены с возможностью увеличения времени открытия впускного клапана до тех пор, пока пиковая фаза открытия впускного клапана остается по меньшей мере неизменной. При этом, возможно увеличивать только начало открывания впускного клапана для улучшенной очистки, но в других отношениях впускной клапан может быть открыт обычно. Также в результате, возможная функция задержки для закрытия клапана может быть использована, как требуется, независимо от очистки.

В практическом применении кулачковое устройство обеспечено выступом такой асимметричной конструкции, что он имеет первый участок, продолжающийся вдоль кулачкового профиля кулачкового устройства от его пика на расстояние, которое, по существу, длиннее второго участка, продолжающегося в противоположном направлении от этого пика, соответственно. Далее начальная часть первого участка выступа предпочтительно может быть выполнена с возможностью определять увеличенное время открытия впускного клапана.

Дополнительно, направляющий элемент обеспечен вспомогательным поршнем, выполненным с возможностью перемещения между направляющим элементом и поршневым устройством, и вместе с направляющим элементом, определяющим камеру, которая может быть выборочно наполнена гидравлической средой для определения времени открытия впускного клапана в каждом случае. При этом, функция увеличенного времени может быть выбрана, как требуется, а также отключена.

Для того чтобы использовать камеру, часть корпуса обеспечена впускным каналом и выпускным каналом, разнесенными на расстоянии вдоль перемещения направляющего элемента и размещенными в свою очередь в сообщении с указанной камерой посредством дополнительного тракта, выполненного в направляющем элементе.

В зависимости от выбранного времени открывания впускного клапана вспомогательный поршень представляет собой наконечник, разнесенный на расстоянии от либо поршневого устройства, либо направляющего элемента, когда впускной клапан находится в его закрытом положении. Для выбора увеличенного времени открывания впускного клапана указанная камера наполняется гидравлической средой во время закрывания впускного клапана. В этом случае, появится зазор между вспомогательным поршнем и направляющим элементом для определения увеличенного времени и увеличенной очистки до тех пор, пока давление в камере не уменьшится, при этом схема смещения клапана повторяет профиль кулачка, определенный пиком выступа.

Питающий трубопровод, содержащий впускной канал и тракт, может быть обеспечен невозвратным клапаном, чтобы обеспечивать то, что в камере остается достаточное давление и чтобы обеспечивать дополнительный вариант для реализации функции увеличенного времени.

Часть дистального конца поршневого устройства относительно направляющего элемента выполнена так, что вместе с частью корпуса она определяет камеру с гидравлической средой, которая может быть выборочно наполнена для управления закрытием впускного клапана независимо от средств для регулирования времени открытия впускного клапана. Как отмечено выше, при этом функция задержки, фактически известная, для закрытия клапана может быть обеспечена и использована, как требуется, независимо от очистки.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано путем лишь примера со ссылкой на сопровождающие схематические чертежи, на которых:

Фигура 1 показывает поршневой двигатель и структурную схему этого клапанного механизма,

Фигуры 2-6 показывают вариант выполнения устройства управления согласно изобретению на отдельных последовательных этапах работы в режиме, обеспечивающем увеличение времени открытия впускного клапана,

Фигуры 2а-6а показывают варианты выполнения соответствующих Фигур 2-6,

Фигуры 7-9 показывают вариант выполнения Фигур 2-6 на отдельных последовательных этапах в другом режиме, не включающем увеличение времени открывания впускного клапана, и

Фигура 10 показывает относительные кривые открывания впускного и выпускного клапанов согласно изобретению.

Подробное описание чертежей

Фигура 1 показывает схематический вид поршневого двигателя 1, насколько он имеет отношение к пониманию изобретения. Газовый обмен цилиндров (не показаны) в поршневом двигателе 1 осуществляется под управлением газообменными клапанами, т.е. впускными клапанами и выпускными клапанами, размещенными на головке 2 цилиндра. Показаны только впускные клапаны 3, при этом они работают посредством клапанных механизмов 6, которые обычно направляются кулачковыми профилями 5' кулачковых устройств 5, размещенных на кулачковом валу 4 двигателя. Передающее усилие соединение между каждым клапанным механизмом 6 и соответствующим кулачковым устройством 5 реализуется устройством 7 управления.

Устройство 7 управления показано более подробно на Фигурах 2-6 и увеличенными на Фигурах 2а-6а, относящимися к ним. Устройство 7 управления содержит часть 8 корпуса, которая обычно прикреплена к корпусу двигателя. Поршневое устройство 9 размещено с возможностью перемещения внутри части 8 корпуса. Верхний конец поршневого устройства 9 размещен в передающем усилие соединении с клапанным механизмом 6 (не показан ближе). Это соединение может быть механическим или гидравлическим. Перемещения поршневого устройства 9 регулируются направляющим элементом 10, размещенным на нижнем конце поршневого устройства 9 внутри части 8 корпуса. Направляющий элемент 10 находится в зацеплении с и нагружается пружиной 11 по направлению к ролику 12, который принимает его наведение кулачковым профилем 5' кулачкового устройства 5. Таким образом, когда кулачковый вал 4 вращается, на Фигурах 2-6 против часовой стрелки, ролик 12 повторяет кулачковый профиль 5' кулачкового устройства 5, при этом изменения в кулачковом профиле 5' передаются так, чтобы влиять на открывание и закрывание впускного клапана 3.

Направляющий элемент 10 обеспечен вспомогательным поршнем 13, установленным с возможностью перемещения внутри него и который вместе с направляющим элементом 10 определяют камеру 14, в которую может быть выборочно подана гидравлическая среда для обеспечения увеличения времени открывания впускного клапана 3. Часть 8 корпуса обеспечена впускным каналом 15 и выпускным каналом 17, разнесенными на расстоянии вдоль перемещения направляющего элемента 10 и размещенными, в свою очередь, в сообщении с камерой 14 посредством тракта 16, выполненного в направляющем элементе 10. Питающий трубопровод обеспечен насосным средством 18, стопорным клапаном 19 и дополнительно невозвратным клапаном 20. Посредством стопорного клапана 19 питающий трубопровод может быть соединен или рассоединен с камерой 14, в зависимости от того, является ли целью использование функции увеличенного времени для открытия впускного клапана 3.

Кулачковый профиль 5' включает выступ 5'', продолжающийся вверх от основного контура, при этом выполненный с возможностью перемещения поршневого устройства 9 вверх на фигурах для обеспечения открытия впускного клапана 3. Согласно изобретению, вставка 5'' имеет такую асимметричную конструкцию, что она имеет первый участок 5''а, продолжающийся вдоль кулачкового профиля 5' кулачкового устройства от его пика в направлении вращения на расстояние, которое, по существу, длиннее второго участка 5''b, продолжающегося в противоположном направлении от пика выступа 5'', соответственно. Влияние конструкции выступа 5'', а также работа устройства управления будут объяснены далее.

Фигура 2 показывает устройство управления в состоянии, в котором впускной клапан 3 при соединении с ним только что был закрыт, при этом ролик 12 больше не подвергается воздействию выступа 5'' кулачка и особенно его участка 5''b. Для того чтобы использовать функцию увеличенного времени, гидравлическая среда, предпочтительно масло из определенной системы двигателя, подается через каналы 15 и 16 в камеру 14. В этом положении соединение между каналом 16 и камерой 14 определяется только через небольшой зазор 14а, который является частью камеры 14 и может быть более ясно виден на Фигуре 2а. Несмотря на то, что когда кулачковое устройство 5 поворачивается дополнительно в положение на Фигуре 3, камера наполняется гидравлическим маслом, заставляя вспомогательный поршень 13 перемещаться вверх на этих Фигурах, посредством чего его нижняя поверхность отцепляется от направляющего элемента 10, и его верхняя поверхность зацепляется с нижним концом поршневого устройства 9. В результате, когда ролик 12 дополнительно перемещается в положение участка 5''b выступа, он заставляет вспомогательный поршень 13 и поршневое устройство 9 перемещаться вверх. Далее положение поршневого устройства 9 выше нормального, т.е. когда функция увеличенного времени не используется, и разница определяется зазором между нижней поверхностью вспомогательного поршня 13 и направляющим элементом 10.

Как может быть видно на Фигуре 4, часть гидравлического масла оттесняется обратно в питающий трубопровод до того, как сообщение между каналами 15 и 16 прекратится, посредством чего зазор между нижней поверхностью вспомогательного поршня 13 и направляющим элементом 10 будет слегка уменьшен. Это относится к случаю, когда невозвратный клапан 20 не обеспечен. Роль невозвратного клапана 20 заключается в предотвращении гидравлического масла от оттеснения в питающий трубопровод, посредством чего зазор между нижней поверхностью вспомогательного поршня 13 и направляющим элементом 10 будет большим, и смещение впускного клапана 3 будет больше и возникает раньше, соответственно. В результате, к тому же очистка цилиндра будет более эффективной.

В ситуации на Фигуре 5 канал 16 перемещен в положении канала 17, посредством чего устанавливается сообщение между камерой 14 и каналом 17, при этом давление в камере 14 уменьшается. В связи с этим, нормальным образом следует смещающее перемещение, при этом закрытие впускного клапана 3 возникает после того, как пик выступа 5'' достигнут (см. Фигуру 6) и будет дополнительно определен вторым участком 5''b выступа 5''. В этом случае, если требуется, закрытие впускного клапана может быть осуществлено независимо от увеличенного времени открывания впускного клапана. Это предпочтительно может быть выполнено посредством поршневого устройства 9. С этой целью камера 21, определенная поршневым устройством 9 вместе с частью 8 корпуса может быть использована, как камера давления путем, известным, как например, обеспечением ее впускным и выпускным каналами (показаны только схематически пунктирными линиями на Фигуре 2). Ссылка выполнена на документ WO 2008/000899A1, который сюда включен путем ссылки, описывая некоторые альтернативные пути осуществления такого устройства.

Как может быть понятно из вышеописанных Фигур 2-5, местоположение каналов 15 и 17, принимая во внимание, что смещающее перемещение направляющего элемента 10 влияет на время открывания впускного клапана 3. Поэтому, местоположение должно быть выбрано так, чтобы могло быть достигнуто требуемое время.

Как выше отмечено, режим, обеспечивающий увеличение времени открывания впускного клапана 3, может быть отключен, например, посредством стопорного клапана 19, посредством чего в камеру 14 гидравлическое масло не подается. Указанный цикл проиллюстрирован посредством Фигур 7-9. Как может быть видно на Фигуре 7, в этом случае имеется зазор между вспомогательным поршнем 13 и концевой частью поршневого устройства 9. Так, когда ролик 12 перемещается в положение участка 5''а выступа 5'', направляющий элемент 12 перемещается вверх и закрывает первый указанный зазор. Только в связи с этим, начинается перемещение вверх поршневого устройства 9. Таким образом, понятно, что эта задержка перемещения вверх поршневого устройства 9 представляет собой разницу между двумя режимами, т.е. используется или нет функция увеличенного времени.

Работа варианта выполнения на фигурах и его влияние на открытие и закрытие впускного клапана двигателя и на очистку цилиндра проиллюстрирована на Фигуре 10, показывающей относительные кривые открывания и выпускного клапана, и впускного клапана, как функции от угла поворота двигателя. На Фигуре 10 кривые А и А' представляют перемещение впускного клапана в результате смены режимов так, что кривая А представляет нормальный режим, а кривая А' - увеличенное время открывания впускного клапана. Кривая В представляет перемещение выпускного клапана, а кривая С - перемещение поршневого двигателя, относительно цилиндра в связи с данным впускным клапаном. В дополнение, линия D указывает верхнюю мертвую точку поршня двигателя. Как может быть видно, функция увеличенного времени обеспечивает более обширное перекрывание общего времени открывания впускного клапана и выпускного клапана, которое проиллюстрировано областью, оставшейся между кривыми А и А', представляет более эффективную очистку цилиндра.

Изобретение не ограничено вариантом выполнения, описанным выше, но может быть осуществлено многими другими различными путями в пределах объема приложенной формулы изобретения.

Изобретение может быть использовано в поршневом двигателе. Устройство управления для газового обмена в поршневом двигателе имеет кулачковое устройство кулачкового вала двигателя, взаимодействующее с впускным клапанным механизмом для открывания и закрывания впускного клапана цилиндра двигателя. Устройство управления содержит часть (8) корпуса, в котором размещено с возможностью перемещения поршневое устройство (9), соединенное с кулачковым устройством и клапанным механизмом. Направляющий элемент (10) размещен в части (8) корпуса между кулачковым устройством и поршневым устройством (9) с возможностью перемещения в ответ на перемещения кулачкового устройства. Устройство управления включает средства для регулирования времени открывания впускного клапана. Направляющий элемент (10) снабжен вспомогательным поршнем (13), размещенным с возможностью перемещения между направляющим элементом (10) и поршневым устройством (9) и вместе с направляющим элементом (10), определяющим камеру (14). Часть (8) корпуса снабжена впускным каналом (15) и выпускным каналом (17), разнесенными на расстоянии вдоль перемещения направляющего элемента (10) и размещенными, в свою очередь, в сообщении с указанной камерой (14) через тракт, выполненный в направляющем элементе (10) так, что для выбора увеличенного времени открывания впускного клапана, камера (14) наполняется гидравлической средой посредством впускного канала (15) во время закрывания впускного клапана, чтобы вызывать относительное перемещение вспомогательного поршня (13) по направлению к поршневому устройству (9). При этом гидравлическая среда выпускается из камеры (14) во время смещающего перемещения впускного клапана посредством выпускного канала (17). В результате чего смещение впускного клапана в пиковой фазе открывания впускного клапана остается, по существу, неизменным. Технический результат заключается в улучшении газообмена цилиндра. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство управления для газового обмена в поршневом двигателе, обеспеченное кулачковым устройством (5) кулачкового вала (4) двигателя (1) и взаимодействующее с впускным клапанным механизмом (6) с возможностью открывания и закрывания впускного клапана (3) в связи с цилиндром двигателя, причем устройство (7) управления содержит часть (8) корпуса, в котором размещено с возможностью перемещения поршневое устройство (9), находясь в передающем усилие соединении с кулачковым устройством (5) и клапанным механизмом (6), и направляющий элемент (10), размещенный в части (8) корпуса между кулачковым устройством (5) и поршневым устройством (9) с возможностью перемещения в ответ на перемещения кулачкового устройства (5), причем устройство управления включает средства для регулирования времени открывания впускного клапана, отличающееся тем, что направляющий элемент (10) обеспечен вспомогательным поршнем (13), размещенным с возможностью перемещения между направляющим элементом (10) и поршневым устройством (9), и вместе с направляющим элементом (10), определяющим камеру (14), при этом часть (8) корпуса обеспечена впускным каналом (15) и выпускным каналом (17), разнесенными на расстоянии вдоль перемещения направляющего элемента (10) и размещенными, в свою очередь, в сообщении с указанной камерой (14) через тракт (16), выполненный в направляющем элементе (10) так, что для выбора увеличенного времени открывания впускного клапана (3) указанная камера (14) наполняется гидравлической средой посредством впускного канала (15) во время закрывания впускного клапана (3), чтобы вызывать относительное перемещение вспомогательного поршня (13) по направлению к поршневому устройству (9), при этом гидравлическая среда выпускается из камеры (14) во время смещающего перемещения впускного клапана (3) посредством выпускного канала (17), посредством чего смещение впускного клапана (3) в пиковой фазе открывания впускного клапана остается по меньшей мере, по существу, неизменным.

2. Устройство управления по п.1, отличающееся тем, что кулачковое устройство (5) обеспечено выступом (5″) такой асимметричной конструкции, что он имеет первый участок (5″a), продолжающийся вдоль кулачкового профиля (5′) кулачкового устройства (5) от его пика в направлении вращения на расстояние, которое, по существу, длиннее второго участка (5″b), продолжающегося в противоположном направлении от пика, соответственно, причем начальная часть первого участка (5″a) выступа (5″) выполнена с возможностью определения увеличенного времени открывания впускного клапана (3).

3. Устройство управления по п.1 или 2, отличающееся тем, что в зависимости от выбранного времени открывания впускного клапана (3) вспомогательный поршень (13) представляет собой наконечник, разнесенный на расстоянии от либо поршневого устройства (9), либо направляющего элемента (10), когда впускной клапан (3) находится в его закрытом положении.

4. Устройство управления по п.1 или 2, отличающееся тем, что питающий трубопровод, содержащий впускной канал (15) и тракт (16), обеспечен невозвратным клапаном (20).

5. Устройство управления по п.1 или 2, отличающееся тем, что часть дистального конца поршневого устройства (9) относительно направляющего элемента (10) выполнена так, что вместе с частью (8) корпуса она определяет камеру (21) с гидравлической средой, которая может быть выборочно наполнена для управления закрыванием впускного клапана (3) независимо от средств для регулирования времени открывания впускного клапана.