СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АКТУАТОРОМ КЛАПАНА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F01L9/21 F16K11/12 F01L9/30 F01L9/40 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для свободно управляемого электрически приводимого в действие актуатора клапана для регулирования потока газа в 2- или 4-тактных двигателях.

Уровень техники

Свободно управляемые клапаны предоставляют возможность улучшенной эффективности и значительно сниженных выбросов, т.е., более чистых выхлопных газов. Актуаторы клапанов для таких свободно управляемых клапанов могут приводиться в действие пневматически или гидравлически.

Сегодняшние актуаторы клапанов для свободно управляемых клапанов двигателе часто имеют высокое потребление энергии и/или сложную конструкцию и/или имеют трудности при быстром закрывании и открывании клапана, т.е., чтобы добиваться короткой продолжительности действия.

Сущность изобретения

Целью изобретения является осуществление новой технологии актуатора в форме электрически управляемого актуатора электромеханического клапана, который является принципиально простым по своей конструкции, энергоэффективным, и который приспособлен для быстрого открывания и закрывания клапана двигателя в головке цилиндров двигателя. Эта цель достигается посредством обеспечения изобретения отличительными признаками, описанными в патентной формуле.

Согласно первому аспекту изобретения, предоставляется способ для электрического управления актуатором клапана в 2-тактном или 4-тактном двигателе сгорания, когда актуатор содержит первый соленоид с первым толкателем и второй соленоид со вторым толкателем. Двигатель имеет, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним свободно управляемым клапаном двигателя, содержащим тарелку клапана с соответствующим штоком клапана и пружиной клапана, и где воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из, камеры сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана, по меньшей мере, через один канал в цилиндре, при этом актуатор клапана является приводимым в действие, чтобы открывать клапан двигателя. Способ характеризуется тем, что и первый, и второй соленоид приводятся в действие во время открытия клапана двигателя.

В вариантах осуществления первый и второй толкатели вместе действуют на шток клапана во время первоначального открывающего перемещения клапана двигателя.

В вариантах осуществления первый и второй соленоиды размещаются последовательно, предпочтительно так, что первый толкатель, во время первоначального открывающего перемещения клапана двигателя, действует на второй толкатель, который, в свою очередь, действует на шток клапана. Пружина клапана предпочтительно выполняется с возможностью поддерживать клапан двигателя закрытым, т.е., прикладывать усилие к клапану двигателя в таком направлении, что тарелка клапана прижимается в направлении седла клапана. В таком варианте осуществления соленоиды вместе действуют на клапан во время открытия, чтобы преодолевать усилие пружины клапана.

Технология подразумевает использование, по меньшей мере, двух соленоидов и пружины клапана двигателя, которые традиционным образом удерживают клапан двигателя закрытым, и использование называемого здесь "эффекта мягкого молотка", когда клапан двигателя должен быть открыт.

Первый и второй толкатели, каждый, снабжается упором, определенным как позиция, в которой соответствующий соленоид оказывает максимальное усилие на толкатель.

В вариантах осуществления, например, два соленоида размещаются последовательно друг за другом, при этом первый соленоид имеет короткий ход и большую силу уже при активации по сравнению со вторым соленоидом, который имеет длинный ход и является слабым при активации. Другими словами, первый соленоид имеет более короткий ход и большую силу по сравнению со вторым соленоидом. Силы обоих соленоидов, т.е., усилие, с которым соответствующий толкатель может действовать, увеличиваются, когда соответствующий толкатель перемещается дальше внутрь магнитного поля до тех пор, пока они полностью не будут окружены своим соответствующим магнитным полем. По меньшей мере, два соленоида активируются вместе. Толкатель первого соленоида нажимает на толкатель второго соленоида с большим и даже большим усилием во время своего относительно короткого хода, что, тем самым, ведет к упомянутому эффекту мягкого молотка. Толкатель второго соленоида соединяется с, или опирается на, штоком клапана для клапана двигателя и воздействует с толкающим усилием на него вместе с толкателем первого соленоида. Когда толкатель первого соленоида достигает своего упора, толкатель второго соленоида проникает достаточно далеко внутрь своего магнитного поля, так что толкатель с большим и увеличивающимся усилием воздействует на шток клапана во время дальнейшего перемещения толкателя по направлению к упору, пока упор не будет достигнут, когда клапан двигателя полностью открывается.

Проблемой с использованием соленоидов для открытия клапанов двигателя является то, что они должны быть сильными, чтобы преодолевать усилие механической пружины, пружины клапана двигателя, которая удерживает клапан закрытым. Недостатком является то, что с большой силой идет большой размер и вес подвижного железного сердечника, толкателя, чье усилие должно преодолевать закрывающее усилие пружины клапана двигателя. Вес железного сердечника и пружины клапана вместе с усилием пружины клапана противоречит возможности короткой продолжительности действия, т.е., короткого времени от момента, когда клапан закрыт, до момента, когда он полностью открывается и еще раз закрывается. В вариантах осуществления способ содержит то, что, когда толкатель первого соленоида достигает своего упора в первом соленоиде, толкатель второго соленоида продолжает воздействовать на шток клапана до тех пор, пока толкатель второго клапана не достигнет своего упора во втором соленоиде. В этом варианте осуществления масса железного сердечника в первом соленоиде не будет затрагиваться в течение значительной части продолжительности действия. Посредством этого способа в значительной степени короткая продолжительность действия делается возможной.

Отход от изобретения не происходит посредством размещения другого соленоида последовательно с вышеописанными двумя соленоидами. Например, дополнительный соленоид может быть размещен перед вышеупомянутым первым соленоидом. Предпочтительно, этот соленоид имеет, в значительной степени, более короткий ход и, в значительной степени, является более сильным по сравнению с вышеупомянутым первым соленоидом.

В вариантах осуществления первый и/или второй соленоид приводится/приводятся в действие непосредственно перед тем, как клапан двигателя достигает седла клапана, так что момент закрытия задерживается. Активация предпочтительно имеет короткую продолжительность, т.е., в течение предварительно определенного периода времени. Активация предпочтительно начинается в предварительно определенное время, прежде чем клапан двигателя достигает седла клапана.

Согласно второму аспекту изобретения, предоставляется устройство для электрического управления актуатором клапана в 2-тактном или 4-тактном двигателе сгорания, где актуатор содержит первый соленоид с первым толкателем и второй соленоид со вторым толкателем, при этом двигатель имеет, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним свободно управляемым клапаном двигателя, содержащим тарелку клапана с соответствующим штоком клапана и пружиной клапана, и где воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из, камеры сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана, по меньшей мере, через один канал в цилиндре, при этом актуатор клапана выполняется с возможностью приводиться в действие, чтобы открывать клапан двигателя. Устройство характеризуется тем, что и первый, и второй соленоид приводятся в действие во время открытия клапана двигателя. В вариантах осуществления устройство формируется как система управления двигателем.

Согласно третьему аспекту изобретения, предоставляется актуатор клапана для 2-тактного или 4-тактного двигателя сгорания, где актуатор клапана содержит первый соленоид с первым толкателем и второй соленоид со вторым толкателем, при этом двигатель сгорания имеет, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним свободно управляемым клапаном двигателя, содержащим тарелку клапана с соответствующим штоком клапана и пружиной клапана, при этом воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из, камеры сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана, по меньшей мере, через один канал в цилиндре, при этом актуатор клапана выполняется с возможностью приводиться в действие, чтобы открывать клапан двигателя. Актуатор клапана характеризуется тем, что первый и второй соленоиды выполняются с возможностью приводиться в действие во время открытия клапана двигателя.

Согласно четвертому аспекту изобретения, предоставляется компоновка клапана для 2-тактного или 4-тактного двигателя сгорания, имеющего, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним свободно управляемым клапаном двигателя, содержащим тарелку клапана с соответствующим штоком клапана и пружиной клапана, при этом воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из, камеры сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана, по меньшей мере, через один канал в цилиндре, при этом компоновка клапана содержит актуатор клапана согласно третьему аспекту изобретения и упомянутый свободно управляемый клапан двигателя. В вариантах осуществления компоновка клапана также содержит устройство согласно второму аспекту изобретения.

Согласно пятому аспекту изобретения, предоставляется 2-тактный или 4-тактный двигатель сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, по меньшей мере, с одним свободно управляемым клапаном двигателя, содержащим тарелку клапана с соответствующим штоком клапана и пружиной клапана, при этом воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из, камеры сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана, по меньшей мере, через один канал в цилиндре. Двигатель сгорания дополнительно содержит актуатор клапана согласно третьему аспекту изобретения. В вариантах осуществления двигатель сгорания также содержит устройство согласно второму аспекту изобретения.

Вышеописанные варианты осуществления способа являются применимыми также в качестве соответствующих вариантов осуществления второго, третьего, четвертого и пятого аспектов изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет теперь описано с помощью вариантов осуществления, где фиг. 1-4 схематично показывают актуатор, когда клапан двигателя открывается с помощью так называемого "эффекта молотка", описанного в ранее зарегистрированной патентной заявке. Далее в данном документе описываются фиг. 5-10, относящиеся к настоящему изобретению.

Причинами для описания сначала упомянутых фиг. 1-4 является четкое различение между двумя изобретениями, различение между открытием клапана двигателя с помощью "эффекта молотка" и "эффекта мягкого молотка". Кроме того, описание фиг. 5-10 может быть упрощено, в то же время сохраняя ясность.

Подробное описание изобретения

В описании ниже предполагается, что существует компьютерная система управления двигателем с требуемыми датчиками для определения величины угла поворота коленчатого вала и электронной аппаратурой для считывания величины угла поворота коленчатого вала и управления требуемыми соленоидами и т.п. Эти компоненты, следовательно, не должны описываться. Это также применяется для существующих свечей зажигания, топливных инжекторов, камер сгорания, стенок цилиндра и поршня.

Фиг. 1 показывает первоначальную позицию во время выключенного двигателя с видом в частичном разрезе со стороны головки 1 цилиндра с каналом 2 для введения воздуха, с или без топлива, внутрь, или выпуска выхлопного газа из, камеры 3 сгорания мимо традиционной тарелки 10 клапана. Клапан двигателя состоит из тарелки клапана со штоком 11 клапана.

Клапан двигателя удерживается закрытым традиционным образом с помощью пружины 4, и традиционная пружинная шайба 8 удерживает пружину на месте с некоторым предварительным натяжением. Кроме того, показан соленоид A с железным сердечником, толкателем 5. Пружина 6 удерживает толкатель 5 в исходной позиции, когда соленоид A не приводится в действие. Существует расстояние 7, расстояние ускорения, между верхним фрагментом штока 11 клапана и нижним фрагментом толкателя 5. Хотя не иллюстрировано на чертеже, понятно, что толкатель имеет большую массу. Когда толкатель целиком или частично размещается в соленоиде, фрагмент толкателя, находящийся в соленоиде, окружается обмоткой медного провода. Когда электричество подается к обмотке, создается магнитное поле, которое притягивает или отталкивает толкатель. В этом случае, толкатель притягивается окружающим магнитным полем, но противоположное может случаться, в то же время все еще находясь в рамках изобретения. Толкатель снабжается существующим упором в соленоиде, являющимся естественным упором, где его усилие находится на его максимуме. Хотя не иллюстрировано, понятно, что такой упор присутствует.

Фиг. 2 показывает клапан двигателя в неподвижной закрытой позиции, например, прежде чем двигатель запускается. Соленоид A был приведен в действие, и толкатель 5 ускорился, в то же время перемещаясь на расстояние 7 до точки, где он ударяет верхний конец штока 11 клапана, в результате чего, кинетическая энергия толкателя почти мгновенно переносится на шток клапана, "эффект молотка".

Фиг. 3 показывает клапан двигателя в начале открывающего перемещения. Толкатель перенес большую часть своей кинетической энергии на клапан двигателя, чье перемещение по направлению к открытой позиции испытывает сильное ускорение. Перемещение толкателя продолжается на другое короткое расстояние, пока толкатель не достигнет своего естественного упора в соленоиде.

Фиг. 4 показывает клапан двигателя в полностью открытой позиции, где он вращается. Очевидно, что только подвижная масса на этой стадии является наименьшей возможной массой, состоящей из клапана двигателя с его штоком, пружинной шайбой и пружиной. Кротчайшая возможная продолжительность достигается. Является обычным, что подвижная масса пружины считается составляющей около одной трети веса пружины.

Фиг. 5-9, таким образом, касаются настоящего изобретения, и описание этих чертежей может быть упрощено в том, что, главным образом, добавленные отличительные признаки и функции по сравнению с фиг. 1-4, объясняются. Например, понятно, что головка цилиндра, тарелка клапана и т.д., которые присутствуют на вышеописанных чертежах, также присутствуют в описании чертежей ниже.

Фиг. 5 показывает два соленоида A и B. Толкатель 5 присутствует в соленоиде A, а толкатель 15 присутствует в соленоиде B. Толкатель 5 опирается на толкатель 15. Толкатель 15, в свою очередь, опирается на пружинную шайбу 8, которая прикрепляется к штоку 11 клапана. Пружина 4 натягивается по направлению к пружинной шайбе и удерживает непоказанную тарелку клапана в непоказанном седле клапана и т.д. Понятно, что только верхний фрагмент штока 11 клапана показан на фиг. 5-9, т.е., шток клапана показан отрезанным сразу под актуатором.

Соленоид B должен иметь ход, который соответствует тому, насколько клапан двигателя должен открываться (высота подъема), например, 8 мм. Ход толкателя 15 тогда равен 8 мм. Соленоид A будет иметь ход, который является значительно более коротким, например, 4 мм. Ход толкателя 5 тогда равен 4 мм. В целом, свойства соленоидов являются такими, что они являются слабыми в начале перемещения толкателей от края окружающего магнитного поля и становятся все более сильными, когда толкатель перемещается внутрь магнитного поля до упора в соленоиде, когда толкатель полностью окружается магнитным полем. Соленоид A имеет короткий ход и является, по сравнению с соленоидом B, сильным уже в начале срабатывания. Соленоид B отдельно может быть приведен в действие, чтобы толкать пружинную шайбу 8 посредством толкателя 15 и, тем самым, открывать клапан двигателя в некоторый момент времени. Но, по сравнению с A, B является слабым во время начала срабатывания, и открытие, таким образом, является медленным.

Изобретение характеризуется тем, что посредством приведения в действие соленоидов вместе, открытие клапана двигателя может иметь место более быстро и с меньшим общим потреблением электрической энергии по сравнению с тем, когда соленоид B отдельно будет использован для открытия клапана двигателя.

Фиг. 6 показывает, что оба соленоида A и B приводятся в действие. Пружина 4 с ускоряющейся быстротой начала сжиматься, поскольку общее усилие от толкателей 5 и 15 воздействует на пружинную шайбу 8. Непоказанная тарелка клапана очень быстро покинула непоказанное седло клапана. Большая и все более увеличивающаяся сила во время относительно короткого перемещения толкателя 5, воздействующая на толкатель 15, здесь называется "мягким молотком". Воздействие, которое имеет место в описании на фиг. 2, называемый "эффектом молотка", вызывает больший шум и большее механическое напряжение по сравнению с настоящим изобретением.

Фиг. 7 показывает позицию, где толкатель 5 достиг своего упора в соленоиде A, и толкатель может, следовательно, не воздействовать на толкатель 15, который продолжает смещаться в соленоиде B до тех пор, пока он не достигнет своего упора. Пружина 4 сжимается, и непоказанный клапан двигателя открывается. Соленоид B имеет свое наибольшее усилие и может удерживать непоказанный клапан двигателя в открытой позиции, пока он не должен быть закрыт.

Фиг. 8 показывает клапан двигателя во время закрывающего движения, вызванного деактивацией соленоида B. Пружина 4 должна быть растянута до некоторой степени, и толкатель 15 контактирует с толкателем 5, который удерживается в позиции, показанной в позиции на фиг. 7. Когда упомянутое контактирование выполняется, перемещение непоказанного клапана двигателя замедляется, и оба толкателя 5 и 15 продолжают работать вместе с перемещением клапана двигателя по направлению к полностью закрытой позиции.

Фиг. 9 показывает непоказанный клапан двигателя в закрытой позиции, как на фиг. 5. Непосредственно перед завершением закрытия соленоид A активируется на очень короткое время и, тем самым, замедляет закрывающее перемещение, приводя в результате к тому, что непоказанная тарелка клапана попадает в непоказанное седло клапана со скоростью, которая не вызывает повреждения этих деталей.

Фиг. 10 показывает соленоиды A и B с соответствующим толкателем 5, 15 в той же позиции, что и на фиг. 5. Отличием относительно фиг. 5 является то, что актуатор клапана показан здесь вместе с головкой 1 цилиндра с каналом 2 (верхним фрагментом) камеры сгорания 3, тарелкой 10 клапана и штоком 11 клапана в их полноте (соответствующим образом, что и на фиг. 1-4). Фиг. 10 может также рассматриваться как иллюстрирующая вариант осуществления компоновки клапана согласно четвертому аспекту изобретения, или альтернативно части варианта осуществления двигателя сгорания согласно пятому аспекту изобретения.

Изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, но модификации могут быть выполнены в рамках последующей формулы изобретения.

Изобретение относится к двигателестроению. Предлагается способ электрического управления актуатором клапана в 2-тактном или 4-тактном двигателе сгорания, причем актуатор содержит первый соленоид (А) с первым толкателем (5) и второй соленоид (В) со вторым толкателем. Соленоиды (А, В) размещены последовательно друг с другом. Двигатель имеет по меньшей мере один цилиндр (1) с по меньшей мере одним клапаном двигателя, содержащим тарелку (10) клапана со штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана. Воздух привносится внутрь или выхлопные газы выпускаются из камеры сгорания мимо нижней части штока (11) клапана с тарелкой (10) клапана через по меньшей мере один канал (2) в цилиндре. Актуатор клапана выполнен с возможностью приведения в действие для открывания клапана двигателя, преодолевая закрывающее усилие пружины клапана. Как первый, так и второй соленоиды приводятся в действие во время открытия клапана двигателя. Первый соленоид (А) имеет более короткий ход и большую силу по сравнению со вторым соленоидом (В). Также раскрыты устройство электрического управления актуатором клапана и двигатель сгорания. Технический результат заключается в более быстром открытии и закрытии клапана двигателя, а также уменьшении общего потребления электрической энергии. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ электрического управления актуатором клапана в 2-тактном или 4-тактном двигателе сгорания, причем актуатор содержит первый соленоид (А) с первым толкателем (5) и второй соленоид (В) со вторым толкателем (15), при этом упомянутые соленоиды (А, В) размещены последовательно друг с другом, причем двигатель имеет по меньшей мере один цилиндр (1) с по меньшей мере одним клапаном двигателя, содержащим тарелку (10) клапана с соответствующим штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана, выполненной с возможностью удерживания клапана закрытым, при этом воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из камеры сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана через по меньшей мере один канал (2) в цилиндре, причем актуатор клапана выполнен с возможностью приведения в действие для открывания клапана двигателя, преодолевая закрывающее усилие пружины клапана, при этом как первый, так и второй соленоиды приводятся в действие во время открытия клапана двигателя, причем первый соленоид (А) имеет более короткий ход и большую силу по сравнению со вторым соленоидом (В).

2. Способ по п. 1, при котором толкатели соответствующих соленоидов вместе воздействуют на шток клапана во время первоначального открытия клапана двигателя.

3. Способ по п. 2, при котором каждый из первого и второго толкателей снабжен упором, определенным в качестве позиции, в которой усилие соответствующего соленоида на толкателе находится на своем максимуме, при этом, когда первый толкатель достиг своего упора в первом соленоиде, второй соленоид продолжает воздействовать на шток клапана до тех пор, пока второй толкатель не достигнет своего упора во втором соленоиде.

4. Способ по любому из пп. 1-3, при котором первый соленоид (А) активируется непосредственно перед тем, как клапан двигателя достигает седла клапана, так что замедляется закрывающее перемещение.

5. Устройство электрического управления актуатором клапана в 2-тактном или 4-тактном двигателе сгорания, причем актуатор содержит первый соленоид (А) с первым толкателем (5) и второй соленоид (В) со вторым толкателем (15), при этом двигатель имеет по меньшей мере один цилиндр (1) с по меньшей мере одним клапаном двигателя, содержащим тарелку (10) клапана с соответствующим штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана, выполненной с возможностью удержания клапана закрытым, причем воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из камеры (3) сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана через по меньшей мере один канал (2) в цилиндре, при этом актуатор клапана выполнен с возможностью приведения в действие для открывания клапана двигателя, преодолевая усилие пружины (4) клапана, причем устройство выполнено с возможностью приведения в действие как первого, так и второго соленоидов во время открытия клапана двигателя, причем первый соленоид (А) имеет более короткий ход и большую силу по сравнению со вторым соленоидом (В).

6. Устройство по п. 5 в котором толкатель соответствующего соленоида выполнен с возможностью воздействия вместе на шток клапана во время первоначального открытия клапана двигателя.

7. Устройство по п. 6, в котором каждый из первого и второго толкателей снабжен упором, определенным как позиция, в которой усилие соответствующего соленоида на толкатель находится на своем максимуме, при этом второй толкатель выполнен с возможностью, после того как первый толкатель достиг своего упора в первом соленоиде, продолжения воздействия на шток клапана до тех пор, пока второй толкатель не достигнет своего упора во втором соленоиде.

8. Устройство по любому из пп. 5-7, в котором первый соленоид активируется непосредственно перед тем, как клапан двигателя достигает седла клапана, так что замедляется закрывающее перемещение.

9. Двигатель сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр (1) с по меньшей мере одним клапаном двигателя, содержащим тарелку (10) клапана с соответствующим штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана, выполненной с возможностью удерживания клапана закрытым, при этом воздух привносится внутрь, или выхлопные газы выпускаются из камеры сгорания мимо нижней части штока клапана с тарелкой клапана через по меньшей мере один канал (2) в цилиндре, причем двигатель сгорания содержит актуатор клапана, содержащий первый соленоид (А) с первым толкателем (5) и второй соленоид (В) со вторым толкателем (15), при этом соленоиды (А, В) размещены последовательно, причем актуатор клапана выполнен с возможностью приведения в действие для открывания клапана двигателя, преодолевая усилие пружины (4) клапана, при этом двигатель сгорания содержит устройство по любому из пп. 5-8.