ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК F01L9/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в приводе впускного или выпускного клапанов газораспределения двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен механизм привода клапанов ДВС, с возможностью возвратно-поступательного движения впускных или выпускных клапанов, под давлением жидкости гидравлической системы (патент US №5694893 А, МПК F01L 9/02, опубл. 1997), в котором 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. 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.

Известна электрогидравлическая система управления клапанами двигателя внутреннего сгорания (патент RU №2171898, МПК F01L 9/02, опубл. 10.08.2001), включающая масляную нагнетательную магистраль, гидронасос, перепускной и переливной гидравлические клапаны, гидроцилиндр с корпусом, крышкой и поршнем с юбкой, электромеханический гидрораспределитель-преобразователь, содержащий корпус, шток-золотник, жестко соединенный со штоком подвижный капиллярный элемент и выпускное отверстие, причем корпус гидроцилиндра размещен в головке блока цилиндров двигателя, а крышка гидроцилиндра совмещена с корпусом гидрораспределителя, при этом выпускное отверстие гидрораспределителя смещено во внешнюю сторону за пределы пятна контакта юбки поршня гидроцилиндра с крышкой, а в верхней части корпуса гидроцилиндра с внутренней стороны вдоль оси симметрии штока-золотника в направлении выпускного отверстия гидрораспределителя выполнен продольный паз с переменной площадью горизонтального сечения.

Известен клапанный газораспределительный механизм и способ клапанного газораспределения двигателя внутреннего сгорания (патент RU №2251005, МПК F01L 9/02, опубл. 27.04.2005), в котором 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. Известное устройство не решает проблем плавной безударной посадки клапана в седло. Гидравлический тормоз начинает действовать в непосредственной близости клапана от седла и для того, чтобы погасить кинетическую энергию системы «поршень исполнительный механизм (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. Кроме того 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.

Известна заявка ЕР №0652355, МПК F01L 9/02, опубл. 1994, в которой исполнительный механизм привода клапана (впускного или выпускного) ДВС, содержит 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.

Известен исполнительный механизм привода клапана двигателя внутреннего сгорания и способ управления скоростью движения клапана (патент №2338075, МПК F01L 9/02, опубл. 10.04.2006), наиболее близкий к заявляемому устройству, и принятый за прототип, содержащий 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. Однако известное устройство не решает задачу плавной безударной посадки клапана, что повышает износ клапана и седла и повышает уровень шума при работе двигателя.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в уменьшении шума при работе двигателя, снижение износа и повышение надежности и долговечности клапана, седла и поршня двигателя, за счет предотвращения их соударения.

Технический результат (вариант 1) достигается тем, что в исполнительном механизме гидравлического привода клапанов ДВС, содержащем закрепленный на головке блока цилиндров двигателя корпус гидроцилиндра, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном ДВС, питающий канал и канал слива рабочего тела, новым является то, что в верхней части корпуса гидроцилиндра выполнены, по меньшей мере, два ряда отверстий, по меньшей мере, один из которых расположен выше положения поршня в верхней мертвой точке, сообщающих полость гидроцилиндра с каналом слива рабочего тела, поршень представляет собой цилиндр с перемычкой меньшего диаметра в средней его части и имеет внутреннюю полость, открытую в верхней части, в перемычке выполнены радиальные окна, сообщающие внутреннюю полость поршня с питающим каналом, при расположении поршня в нижней мертвой точке его верхняя цилиндрическая часть перекрывает питающий канал.

В верхней части корпуса гидроцилиндра выполнена кольцевая полость, охватывающая ряды отверстий и сообщенная с каналом слива, а в его средней части выполнена кольцевая полость, охватывающая радиальные окна и сообщенная с питающим каналом.

Технический результат (вариант 2) достигается тем, что в исполнительном механизме гидравлического привода клапана ДВС, содержащем, закрепленный на головке блока цилиндров двигателя корпус гидроцилиндра, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном ДВС, питающий канал и канал слива рабочего тела, новым является то, что в верхней части корпуса гидроцилиндра выполнены, по меньшей мере, два ряда отверстий, по меньшей мере, один из которых расположен выше положения поршня в верхней мертвой точке, сообщающих полость гидроцилиндра с каналом слива рабочего тела, поршень представляет собой цилиндр, имеет внутреннюю полость, открытую в верхней части, в его средней по высоте части выполнены радиальные окна, сообщающие внутреннюю полость поршня с питающим каналом, при расположении поршня в нижней мертвой точке радиальные окна сообщают питающий канал с полостью головки блока цилиндров ДВС.

В верхней части корпуса гидроцилиндра имеется кольцевая полость, охватывающая ряды отверстий и сообщенная с каналом слива, а в его средней части имеется кольцевая полость, охватывающая радиальные окна и сообщенная с питающим каналом.

На фиг. 1 представлен продольный разрез исполнительного механизма гидравлического привода клапана ДВС при положении поршня в верхней мертвой точке (вариант 1).

На фиг. 2 представлен продольный разрез исполнительного механизма гидравлического привода клапана ДВС при положении поршня в нижней мертвой точке (вариант 1).

На фиг. 3 представлен продольный разрез исполнительного механизма гидравлического привода клапана ДВС при положении поршня в верхней мертвой точке (вариант 2).

На фиг. 4 представлен продольный разрез исполнительного механизма гидравлического привода клапана ДВС при положении поршня в нижней мертвой точке (вариант 2).

Исполнительный механизм гидравлического привода клапана ДВС содержит корпус 1, полость которого образует гидроцилиндр. Корпус 1 закреплен на головке блока цилиндров двигателя (на фигуре не показан). В полости гидроцилиндра с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень 2, связанный с клапаном 3 ДВС. Верхняя мертвая точка поршня 2 гидроцилиндра соответствует закрытому клапану 3 ДВС. Нижняя мертвая точка поршня 2 гидроцилиндра соответствует максимально открытому клапану 3 ДВС. В верхней части корпуса 1 гидроцилиндра выполнены два ряда отверстий 4 и 5 расположенные равномерно по окружности. Отверстия 4 расположены ниже положения верхнего торца поршня 2 в верхней мертвой точки и перекрываются им при его максимальном подъеме. Отверстия 5 расположены выше положения верхнего торца поршня 2 в верхней мертвой точке и не перекрываются им. Отверстия 4 и 5 сообщают полость гидроцилиндра с кольцевой полостью слива 6, охватывающей верхнюю часть корпуса 1 гидроцилиндра и соединенной с каналом слива рабочего тела (масла) 7. В средней части корпуса гидроцилиндра имеется кольцевая полость питания 8, соединенная с питающим каналом 9.

По первому варианту поршень 2 выполнен с переменным по высоте диаметром и состоит из верхнего и нижнего цилиндров одинакового диаметра, в средней части соединенных цилиндрической перемычкой меньшего диаметра. Поршень 2 имеет внутреннюю полость 10, открытую в верхней части. В цилиндрической перемычке поршня 2 выполнены радиальные окна 11, сообщающие кольцевую полость питания 8 с внутренней полостью 10 поршня 2. Нижняя часть поршня 2 имеет цилиндрический толкатель 12 для контакта с клапаном 3 ДВС. При расположении поршня 2 в нижней мертвой точке (фиг. 2), его верхняя цилиндрическая часть перекрывает кольцевую полость питания 8 и следовательно питающий канал 9. Это достигается за счет того, что расстояние между нижним торцом верхней цилиндрической части поршня 2 и нижней границей полости питания 8. при положении поршня 2 в верхней мертвой точке, равно ходу L клапана 3 ДВС. Такое взаимное положение элементов гидроцилиндра корпуса 1 и поршня 2 обеспечивает перекрытие канала питания 9 и полости питания 8 при положении поршня 2 в нижней мертвой точке в момент достижения клапаном 3 ДВС максимального подъема (равного ходу L клапана 3 ДВС).

По второму варианту (Фиг. 3 и 4) поршень 2 представляет собой цилиндр и имеет внутреннюю полость 10, открытую в верхней части (фиг. 3). В средней по высоте части поршня 2 выполнены радиальные окна 11, сообщающие кольцевую полость питания 8 с внутренней полостью 10 поршня 2 и с питающим каналом 9. При расположении поршня 2 в нижней мертвой точке (фиг. 4) радиальные окна 11 выходят за пределы гидроцилиндра, и сообщают полость питания 8 и питающий канал 9 с полостью головки блока цилиндров ДВС, при этом осуществляется слив рабочего тела в область низкого давления. Это достигается тем, что -расстояние между нижней кромкой окна 11 и нижнем торцом корпуса 1 гидроцилиндра при положении поршня 2 в верхней мертвой точке равно ходу L клапана 3 ДВС. Такое взаимное положение элементов гидроцилиндра корпуса 1 и поршня 2 обеспечивает соединение внутренней полости 10 поршня 2 через радиальные окна 11 с полостью низкого давления головки блока цилиндров (на рисунке не показано) в нижней мертвой точке.

Работает исполнительный механизм гидравлического привода клапана ДВС следующим образом.

Питающий канал 9 соединяется с резервуаром (на фигуре не показан), в котором рабочее тело находится с высоким давлением. Длительность соединения определяется режимом работы электромагнитного питающего клапана (на фигуре не показан). При положении поршня 2 гидроцилиндра в верхней мертвой точке (фиг. 1), рабочее тело, например, масло по питающему каналу 9 поступает в кольцевую полость питания 8, далее через радиальные окна 11 во внутреннюю полость 10 поршня 2. Давление рабочего тела в полости гидроцилиндра возрастает, в результате чего поршень 2 перемещается вниз. Поршень 2 посредством толкателя 12 воздействует на клапан 3 ДВС и открывает его.

В положении поршня 2 в нижней мертвой точке (фиг. 2 вариант 1) верхняя цилиндрическая часть поршня 2 перекрывает кольцевую полость питания 8 и питающий канал 9, в результате подача рабочего тела (масла) в гидроцилиндр прекращается, что приводит к остановке поршня 2 в момент максимального открытия клапана 3 ДВС, когда между клапаном 3 ДВС и поршнем ДВС (на фигуре не показан) остается гарантированный зазор, что предотвращает механический контакт этих элементов и приводит к повышению надежности и долговечности работы гидравлического привода клапана 3 ДВС. Расстояние между нижним торцом верхней цилиндрической части поршня 2 и нижней границей кольцевой полости питания 8 гидроцилиндра при положении поршня 2 в верхней мертвой точке равно ходу L клапана 3 ДВС. Такое взаимное положение элементов корпуса 1 гидроцилиндра и поршня 2 обеспечивает перекрытие канала питания 9 и кольцевой полости питания 8 при положении поршня 2 в нижней мертвой точке в момент достижения клапаном 3 ДВС максимального подъема (равного ходу L клапана 3 ДВС).

После остановки поршня 2 гидроцилиндра в нижней мертвой точке, питающий канал 9 посредством, например, электромагнитного питающего клапана, отсекается от резервуара с высоким давлением рабочего тела. Для осуществления движения поршня 2 к верхней мертвой точке, канал слива 7 сообщается с полостью низкого давления головки блока цилиндров ДВС посредством, например, электромагнитного сливного клапана.

Через ряды отверстий 4 и 5 рабочее тело (масло) вытекает из полости гидроцилиндра в кольцевую полость слива 6 и далее по каналу слива 7 в полость с низким давлением. Поршень 2 гидроцилиндра поднимается и перекрывает нижний ряд сливных отверстий 4, при этом верхний ряд отверстий 5 остается открытым и рабочее тело сливается только через него. Ограничение расхода рабочего тела приводит к увеличению давления в полости гидроцилиндра, что приводит к торможению поршня 2 гидроцилиндра. В результате скорость движения поршня 2 гидроцилиндра, а следовательно, и связанного с ним клапана 3 ДВС снижается, что приводит к плавной безударной посадке клапана 3 ДВС на свое седло, при этом снижается шум при работе двигателя и повышается надежность и долговечность работы исполнительного механизма привода клапана 3 ДВС.

Особенность работы исполнительного механизма гидравлического привода клапана 3 ДВС по второму варианту заключает в следующем (фиг. 4). При движении поршня 2 в нижнюю мертвую точку, радиальные окна 11 сообщают питающий канал 9 и кольцевую полость питания 8 через внутреннюю полость 10 с полостью низкого давления головки блока цилиндров ДВС, при этом осуществляется слив рабочего тела (масла). Расстояние между нижней кромкой окна 11 и нижнем торцом корпуса 1 гидроцилиндра при положении поршня 2 в верхней мертвой точке равно ходу L клапана 3 ДВС. Такое взаимное положение элементов гидроцилиндра корпуса 1 и поршня 2 обеспечивает соединение внутренней полости 10 поршня 2 через радиальные окна 11 с полостью низкого давления головки блока цилиндров (на рисунке не показано) в нижней мертвой точке. Давление в полости гидроцилиндра снижается, что ограничивает ход поршня 2 гидроцилиндра, при этом клапан ДВС не ударяется о поршень двигателя, что также приводит к повышению надежности и долговечности работы исполнительного механизма привода клапана 3 ДВС.

Изобретение может быть использовано для привода газораспределительных клапанов двигателя внутреннего сгорания. Исполнительный механизм гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания содержит закрепленный на головке блока цилиндров двигателя корпус (1) гидроцилиндра, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень (2), связанный с клапаном (3) двигателя внутреннего сгорания. Имеются питающий канал (9) и канал (7) слива рабочего тела. В верхней части корпуса (1) гидроцилиндра выполнены, по меньшей мере, два ряда отверстий (4) и (5), по меньшей мере, один из которых расположен выше положения поршня (2) в верхней мертвой точке. Отверстия (4) и (5) сообщают полость гидроцилиндра с каналом (7) слива рабочего тела. Поршень (2) представляет собой цилиндр с перемычкой меньшего диаметра в средней его части и имеет внутреннюю полость (10), открытую в верхней части. В перемычке выполнены радиальные окна (11), сообщающие внутреннюю полость (10) поршня (2) с питающим каналом (9). При расположении поршня (2) в нижней мертвой точке его верхняя цилиндрическая часть перекрывает питающий канал (9). Раскрыт вариант выполнения исполнительного механизма гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в уменьшении шума, снижении износа и повышении долговечности клапана и седла. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Исполнительный механизм гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащий закрепленный на головке блока цилиндров двигателя корпус гидроцилиндра, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном двигателя внутреннего сгорания, питающий канал и канал слива рабочего тела, отличающийся тем, что в верхней части корпуса гидроцилиндра выполнены, по меньшей мере, два ряда отверстий, по меньшей мере, один из которых расположен выше положения поршня в верхней мертвой точке, сообщающих полость гидроцилиндра с каналом слива рабочего тела, поршень представляет собой цилиндр с перемычкой меньшего диаметра в средней его части и имеет внутреннюю полость, открытую в верхней части, в перемычке выполнены радиальные окна, сообщающие внутреннюю полость поршня с питающим каналом, при расположении поршня в нижней мертвой точке его верхняя цилиндрическая часть перекрывает питающий канал.

2. Исполнительный механизм гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что в верхней части корпуса гидроцилиндра выполнена кольцевая полость, охватывающая ряды отверстий и сообщенная с каналом слива, а в его средней части выполнена кольцевая полость, охватывающая радиальные окна и сообщенная с питающим каналом.

3. Исполнительный механизм гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащий, закрепленный на головке блока цилиндров двигателя корпус гидроцилиндра, в полости которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень, связанный с клапаном двигателя внутреннего сгорания, питающий канал и канал слива рабочего тела, отличающийся тем, что в верхней части корпуса гидроцилиндра выполнены, по меньшей мере, два ряда отверстий, по меньшей мере, один из которых расположен выше положения поршня в верхней мертвой точке, сообщающих полость гидроцилиндра с каналом слива рабочего тела, поршень представляет собой цилиндр, имеет внутреннюю полость, открытую в верхней части, в его средней по высоте части выполнены радиальные окна, сообщающие внутреннюю полость поршня с питающим каналом, при расположении поршня в нижней мертвой точке радиальные окна сообщают питающий канал с полостью головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания.

4. Исполнительный механизм гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания по п. 3, отличающийся тем, что в верхней части корпуса гидроцилиндра имеется кольцевая полость, охватывающая ряды отверстий и сообщенная с каналом слива, а в его средней части имеется кольцевая полость, охватывающая радиальные окна и сообщенная с питающим каналом.