ПРИВОД КЛАПАНА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВЕДЕНИЕМ В ДЕЙСТВИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H01F7/16 F01L9/20 F01L9/21 F01L9/30 F01L9/40 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству привода клапана со свободным управлением с электрическим приведением в действие для управления и регулирования потока газа в двух- или четырехтактных двигателях.

Клапаны со свободным управлением обеспечивают увеличение эффективности и существенное уменьшение выбросов, то есть, более чистый выхлопной газ. Приводы клапана также могут быть выполнены с пневматическим или гидравлическим приведением в действие.

Целью изобретения является разработка новой технологии привода. Электромеханический привод клапана с электрическим управлением, который имеет простую конструкцию, является энергосберегающим и выполнен с возможностью быстрого открывания и закрывания клапана двигателя в головке цилиндра двигателя. Эта цель достигается благодаря изобретению посредством признаков, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.

Технология использует соленоид и пружину клапана двигателя, которая обычно удерживает клапан в закрытом состоянии, и использует называемый так в этом документе “ударный эффект” при открывании клапана двигателя.

Известная проблема при использовании соленоидов для открывания клапанов двигателя заключается в том, что они должны быть прочными для преодоления силы механической пружины, пружины клапана двигателя, которая удерживает клапан в закрытом состоянии. Одним из недостатков большой прочности является то, что перемещающаяся железная сердцевина, плунжер, которая должна преодолевать закрывающую силу пружины клапана двигателя, становится большой и тяжелой. Вес железной сердцевины и пружины клапана вместе с силой пружины клапана исключают возможность обеспечения скоротечности, то есть, малого времени, проходящего от состояния закрытого клапана до его полного открывания и повторного закрывания. Настоящее изобретение отличается тем, что масса железной сердцевины ни на что не влияет в большей части продолжительности процесса. Поскольку железная сердцевина в основном не является частью перемещения клапана двигателя, обеспечена значительно уменьшенная продолжительность. Технология использует вес железной сердцевины и преобразует этот известный недостаток в преимущество, в “ударный эффект”.

Далее изобретение описано со ссылкой на показанные варианты осуществления. На Фиг. 1-14 схематично показаны варианты осуществления, в которых компьютерная система управления двигателем с требуемыми датчиками для определения величины угла поворота коленчатого вала и электронными устройствами для считывания величины угла поворота коленчатого вала и управления требуемыми соленоидами, и так далее, считаются уже присутствующими и, следовательно, необходимость в их иллюстрировании отсутствует. Также отсутствует необходимость в иллюстрировании какой-либо свечи зажигания или топливной форсунки, и это же относится к камере сгорания, окруженной стенками цилиндра и поршнем.

На Фиг. 1 показано исходное положение при выключенном двигателе и при виде в частичном разрезе со стороны головки 1 цилиндра с каналом 2 для подачи воздуха с топливом или без топлива к камере 3 сгорания, находящейся за обычной тарелкой 10 клапана, или выпускания выхлопных газов из нее. Клапан двигателя состоит из тарелки клапана со штоком 11 клапана. Клапан двигателя удерживается в закрытом состоянии обычным образом с использованием пружины 4, и обычная шайба 8 пружины удерживает пружину на месте с некоторым предварительным натяжением. К тому же, показан соленоид A с железной сердцевиной или плунжером 5. Пружина 6 удерживает плунжер 5 в исходном положении, когда соленоид A не приведен в действие. Между верхним концом штока 11 клапана и нижним концом плунжера 5 существует расстояние 7, также называемое расстоянием ускорения. Несмотря на то, что это не показано на чертежах, следует понимать, что плунжер имеет большую массу. Когда плунжер полностью или частично находится в соленоиде, часть плунжера, находящаяся в соленоиде, окружена обмоткой из медной проволоки. Когда на обмотку подается электричество, образуется магнитное поле, которое притягивает или отталкивает плунжер. В этом случае, плунжер притягивается посредством окружающего магнитного поля, но в объеме изобретения лежит и противоположный случай. Плунжер выполнен с упором в соленоиде, представляющим собой естественный упор в положении, в котором его сила максимальна. Несмотря на то, что это не проиллюстрировано, следует понимать, что такой упор присутствует.

На Фиг. 2 показан клапан двигателя во все еще закрытом положении, например, перед запуском двигателя. Соленоид A приводится в действие, и плунжер 5 ускоряется, при этом перемещаясь вдоль расстояния 7 к точке, в которой он ударяет верхний конец штока 11 клапана, посредством чего кинетическая энергия плунжера практически мгновенно передается штоку клапана, “ударный эффект”.

На Фиг. 3 показан клапан двигателя в начале открывающего перемещения. Наибольшая часть кинетической энергии плунжера передана клапану двигателя, перемещение которого к открытому положению происходит с большим ускорением. Перемещение плунжера продолжается далее на небольшом расстоянии до достижения плунжером его естественного упора в соленоиде.

На Фиг. 4 показан клапан двигателя в полностью открытом положении, в котором он меняет направление перемещения. Следует понимать, что единственной перемещающейся массой на этом этапе является наименьшая масса, состоящая из клапана двигателя с его штоком, шайбы пружины и пружины. Достигнута наименьшая продолжительность. Перемещающаяся масса пружины как правило составляет около одной трети веса пружины.

На Фиг. 5 видно, что шток клапана двигателя достигает плунжера до или во время начала перемещения к его исходному положению, когда клапан двигателя должен закрыть канал 2. Кратковременная подача соответствующей энергии на соленоид замедляет перемещение клапана двигателя, посредством чего обеспечено мягкое возвращение к седлу клапана двигателя.

На Фиг. 6 показан клапан двигателя, возвращенный в его исходное положение, показанное на Фиг. 1. Тем не менее, плунжер все еще находится в соприкосновении со штоком клапана.

На Фиг. 7 видно, что плунжер также возвращен в его исходное положение с помощью пружины 6.

На Фиг. 8-14 показан в основном такой же способ, как на Фиг. 1-7, за исключением того, что в центральном пространстве, предусмотренном внутри наружной механической пружины 9, расположена короткая механическая пружина 4. Пружина 4 является существенно более жесткой (сильной) и имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины, чем пружина 9, которая показана как существенно менее жесткая (более слабая). Целью этого устройства является обеспечение значительно уменьшенной продолжительности. Когда плунжер ударяет шток клапана, как видно на Фиг. 9, расстояние 7 исчезает, и клапан двигателя перемещается с существенно большей скоростью, чем когда это же происходит согласно Фиг. 2. Когда шайба 8 пружины ударяет пружину 4, наибольшая часть кинетической энергии клапана двигателя передается, как видно на Фиг. 11, пружине 4, которая быстро останавливает открывающее перемещение и преобразует перемещение в закрывающее перемещение, как видно на Фиг. 12. Можно сказать, что клапан двигателя отскакивает от пружины 4, которая не должна быть обязательно образована, как показано здесь, механической пружиной и может быть образована другим типом пружины.

В первом варианте осуществления предложен способ электрического управления приводом клапана в двухтактном или четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, причем привод содержит соленоид (A), плунжер (5) и пружину (6), причем двигатель имеет по меньшей мере один цилиндр (1) по меньшей мере с одним клапаном двигателя со свободным управлением с тарелкой (10) клапана с соответствующим штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана, причем между нижним концом плунжера и верхним концом штока клапана предусмотрено расстояние (7), и причем воздух подается в камеру (3) сгорания или выхлопные газы выпускаются из камеры (3) сгорания за нижней частью штока клапана с тарелкой клапана по меньшей мере через один канал (2) в цилиндре, причем привод клапана выполнен с возможностью открывания клапана двигателя, причем способ отличается тем, что открывание клапана двигателя начинается после приведения в действие соленоида, причем последующее ускорение плунжера приводит его нижний конец в соударение с верхним концом штока клапана для начала открывания клапана.

Во втором варианте осуществления предложен способ по первому варианту осуществления, дополнительно отличающийся тем, что перемещение плунжера продолжается до прерывания перемещения при достижении плунжером его упора в соленоиде, и тем, что открывающее перемещение клапана двигателя продолжается когда верхний конец штока клапана отделен от нижнего конца плунжера и до остановки перемещения посредством силы пружины клапана, посредством чего клапан двигателя начинает свое возвращение к седлу клапана.

В третьем варианте осуществления предложен способ по второму варианту осуществления, дополнительно отличающийся тем, что верхний конец штока клапана достигает нижнего конца плунжера перед тем, как клапан двигателя достигает седла клапана, посредством чего обеспечено замедление закрывающего перемещения.

В четвертом варианте осуществления, предложен способ по третьему варианту осуществления, дополнительно отличающийся тем, что, непосредственно перед достижением клапаном двигателя седла клапана, соленоид приводится в действие на короткий соответствующий промежуток времени для замедления перемещения клапана двигателя, в результате чего тарелка клапана опускается в седло клапана с подходящей скоростью, например, с достаточно большой скоростью для предотвращения попадания сажи на седло клапана, но при этом с достаточно малой скоростью для предотвращения избыточного износа тарелки клапана и седла клапана.

В первом варианте осуществления предложено устройство для электронного управления приводом клапана в двухтактном или четырехтактном двигателе внутреннего сгорания и для выполнения способа по первому варианту осуществления способа, причем устройство отличается тем, что клапан двигателя выполнен с возможностью начала открывания после приведения в действие соленоида, посредством чего последующее ускорение плунжера приводит его нижний конец в соударение с верхним концом штока клапана для начала открывания клапана.

Во втором варианте осуществления предложено устройство по первому варианту осуществления, дополнительно отличающееся тем, что в пространстве в наружной механической пружине (9) расположена короткая механическая пружина (4), причем пружина (4) имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины по сравнению с пружиной (9).

В третьем варианте осуществления предложено устройство по первому варианту осуществления, дополнительно отличающееся тем, что пружина (4) является существенно более жесткой и имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины по сравнению с пружиной (9).

В четвертом варианте осуществления предложено устройство по второму или третьему вариантам осуществления, дополнительно отличающееся тем, что шайба (8) пружины выполнена с возможностью соударения с пружиной (4) для передачи кинетической энергии клапана двигателя пружине (4) для замедления и преобразования перемещения в закрывающее перемещение.

Изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, и могут быть выполнены изменения, находящиеся в объеме прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, могут быть выполнены любые комбинации описанных выше вариантов осуществления.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Предложены способ и устройство для электронного управления приводом клапана в двигателе, имеющем по меньшей мере один цилиндр (1) с по меньшей мере одним клапаном двигателя. Привод содержит соленоид (A), плунжер (5) и пружину (6), по меньшей мере один клапан двигателя содержит тарелку (10) клапана, шток (11) клапана и пружину (4) клапана. Между нижним концом плунжера и верхним концом штока клапана предусмотрено расстояние (7), при этом воздух подается в камеру (3) сгорания или выхлопные газы выпускаются из камеры (3) сгорания посредством клапана через канал (2) в цилиндре, причем привод клапана выполнен с возможностью открывания клапана двигателя. Открывание клапана двигателя начинается после приведения в действие соленоида, последующее ускорение плунжера приводит его нижний конец в соударение с верхним концом штока клапана для начала открывания клапана. Открывающее перемещение плунжера продолжается до достижения плунжером его упора в соленоиде, при этом открывающее перемещение клапана двигателя продолжается, когда верхний конец штока клапана отделен от нижнего конца плунжера, и до остановки открывающего перемещения посредством силы пружины клапана, после чего клапан двигателя начинает свое возвращение к седлу клапана. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ электрического управления приводом клапана в двухтактном или четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, причем привод содержит соленоид (A), плунжер (5) и пружину (6), при этом пружина (6) привода удерживает плунжер в исходном положении, когда соленоид не приведен в действие, причем двигатель имеет по меньшей мере один цилиндр (1) по меньшей мере с одним клапаном двигателя с тарелкой (10) клапана с соответствующим штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана, при этом между нижним концом плунжера и верхним концом штока клапана предусмотрено расстояние, и причем воздух подается в камеру (3) сгорания, или выхлопные газы выпускаются из камеры (3) сгорания за нижней частью штока клапана с тарелкой клапана по меньшей мере через один канал (2) в по меньшей мере одном цилиндре (1), при этом привод клапана выполнен с возможностью приведения в действие для открывания клапана двигателя, причем открывающее перемещение клапана двигателя начинается после приведения в действие соленоида, при этом последующее ускорение плунжера приводит его нижний конец в соударение с верхним концом штока клапана для начала открывания клапана, и причем открывающее перемещение плунжера продолжается до прерывания открывающего перемещения при достижении плунжером его упора в соленоиде, при этом открывающее перемещение клапана двигателя продолжается, когда верхний конец штока клапана отделен от нижнего конца плунжера, и до остановки открывающего перемещения посредством силы пружины клапана, посредством чего клапан двигателя начинает свое возвращение к седлу клапана.

2. Способ по п. 1, в котором во время закрывающего перемещения клапана двигателя верхний конец штока клапана достигает нижнего конца плунжера перед тем, как клапан двигателя достигает седла клапана, посредством чего обеспечено замедление закрывающего перемещения клапана двигателя.

3. Способ по п. 2, в котором непосредственно перед достижением клапаном двигателя седла клапана соленоид приводится в действие на короткий соответствующий промежуток времени для замедления перемещения клапана двигателя, в результате чего обеспечено мягкое возвращение к седлу клапана.

4. Двухтактный или четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий:

по меньшей мере один цилиндр (1) по меньшей мере с одним клапаном двигателя с тарелкой (10) клапана с соответствующим штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана, причем воздух подается в камеру (3) сгорания или выхлопные газы выпускаются из камеры (3) сгорания за нижней частью штока клапана с тарелкой клапана по меньшей мере через один канал (2) в по меньшей мере одном цилиндре (1), и

привод клапана, содержащий соленоид (A), плунжер (5) и пружину (6), причем пружина (6) привода выполнена с возможностью удерживания плунжера в исходном положении, когда соленоид не приведен в действие,

при этом между нижним концом плунжера и верхним концом штока клапана предусмотрено расстояние, и причем привод клапана выполнен с возможностью приведения в действие для открывания клапана двигателя, при этом плунжер (5) выполнен с обеспечением расположения его нижнего конца с возможностью соударения с верхним концом штока клапана двигателя для начала открывающего перемещения клапана после приведения в действие соленоида,

причем плунжер выполнен с упором в соленоиде, в результате чего плунжер может продолжать его открывающее перемещение до достижения плунжером упомянутого упора, и

при этом клапан двигателя выполнен с возможностью продолжения его открывающего перемещения после достижения плунжером упомянутого упора, когда верхний конец штока клапана отделен от нижнего конца плунжера, и до остановки открывающего перемещения посредством силы, обеспеченной пружиной (4) клапана, посредством чего клапан двигателя начинает свое возвращение к седлу клапана.

5. Двухтактный или четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по п. 4, в котором пружина клапана содержит наружную механическую пружину (9) и внутреннюю механическую пружину (4), расположенную в центральном пространстве в наружной механической пружине (9), при этом внутренняя механическая пружина короче наружной механической пружины, причем внутренняя механическая пружина (4) имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины по сравнению с наружной механической пружиной (9).

6. Двухтактный или четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по п. 5, в котором внутренняя механическая пружина (4) является существенно более жесткой и имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины по сравнению с наружной механической пружиной (9).

7. Двухтактный или четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по п. 5 или 6, в котором шайба (8) пружины выполнена с возможностью соударения с внутренней механической пружиной (4) для передачи кинетической энергии клапана двигателя внутренней механической пружине (4) для замедления и преобразования открывающего перемещения в закрывающее перемещение.