Механизм для привода кулачкового вала четырехтактного двигателя внутренного сгорания Советский патент 1988 года по МПК F01L1/352 

fS

t1

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания а именно к механизмам для привода кулачков газораспределения .

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД двигателя.

На фиг.1 показан двигатель вид спереди; .на фиг,2 - то же частичдагй разрез 5 на фиг.3 - схема, показывающая кинематику деталей двигателя; на фиг.4 - график дврокения клапанов дви гателя; на фиг.5 - фазы открытия-закрытия клапанов 5 вьтолпеяных в соответствии с изобретением; на фиг.6 - работа шестицилиндрового однорядного двигателя; на фиг,7 - работа первого цилиндра однорядного двигателя; на фиг.8 - работа трехцилиндрового дви

то же. что на.

гателя; на фиг,

фиг. 6,, но при связи двух ЦИ.ЯИНДрОБ

с шейкой коленчатого вапа; на то же, что на фиг.8, ко для кулачкового вала на ряд цилиндров о

Четырехтактный двигатель 1 вкл/т- реннего cropai-шя (фигЛ-3) имеет одну группу из четырех распо.ложенных в ряд ЦИЛИНДРОВ; калодый из которых содержит поршень., соединенный с Б;О- ленчатым валок 2, цилиндр име. ет впускной и выпускной к.папакы 4 причем все восемь клапа.ь:о;з расположены так э что могут б)ыть последовательно открыты посредством соответственных коромысел и кулачков, Все ку Лачки установлены на одном способном вращаться кулачковом валу 3„

Кулачковый вал 3 гсраводктся во вращение от коленчатого вала 2 пос- :редством механизма п;ривода кулачков :;одержаш.его планетарную зубчатую передачу 5 5 состо. JKrs центральной 1яестераи 6, прикрепленной к приводному колесу 7, которое, в свою очередь, связано с приводной звездочкой 3 на коленчатом валу 2 посредством :зубчатого ремня или цепи 9 Центральная шестерня 6 находк:тся .п зацепле- шзи с несколькими (на показано трр;) планетарными шестернями (сател- литаг-ет) 10,11 и , з С - 1 аноялен1гыми на водила 13 j которое г рикреплено к ;;улачковЬмз, валу 3. Сателлиты lOsii и 12 находятся также в зацеплении с убчатым колесом 14 внутреннего за- цепления. Передаточное отношение зубчатой передачк 5 таково., что частота

вращения кулачкового вала равна половине частоты вращения коленчатого вала,.

Зубчатое колесо 14 соединено с одним концом звена 15, другой конец которого присоединен к кривошипног- у колесу 16 посредством скользящей муфты 17 (фиг,1 и 3), Кривошипное колесо 16 находится в зацеплении с зубча тын ремнем или цепью 9 и приводится во вра1чение от коленчатого вала 2 с частотой, равной удвбенной частоте

0

0

вращения коленчатого вала. Звено 15

,- несет на себе шарнир 18, способный скользить вдоль по звену J5. Этот шартшр закреплен также с возможностыс скольжения на рычаге 9 управления, который имеет на одном конце шарнир,

р прикрепленный к двигат 2лю с возможностью перемещения рычага на угол об между положениями; показанными на фиг.З штрихпунктирной и сплоткой ли- гшями. Сам шарнир 18 может скользить

5 по направляющей 20, расположенной по .ЛИНИИ; соединяющей центры зубчатого колеса 14 и кривошипного колеса 16,

Механизм работает спедующим образом.

, .Когда рычаг 19 управления (фиг.З) занимает положение, показанное на фкг.З штрихиунктирной линией, скользящий шарнир 18 находится в конце эвена 15 около зубчатого колеса 14 . внутреннего зацепления. При этом враЬ щателъное движение кривошипного колеса 16 вызывает незначительное движе- 1-ше или вообще не вызывает никакого дЕжкения зубчатого колеса 14, пос- кольку звено 15 просто качается от ностлтельно своего конца, в данном случае5 неподвизкного Следовательно, зубчатая передача 5 сообп ает кулачковому валу круговое движение с пос- гоян.ной фазой относительно коленчатого вала с частотой, равной частоте вращения коленчатого вала.

.После того, так рычаг 19 управле- 1-ик будет перемещен в обратном направлении на угол об 5 вращение кривошипного колеса 16 вызовет переменно- возвратзаге колебания зубчатого колеса 14 с частотой, равной удвоенной частоте враще1жя коленчатого вала 2, т., е.. с такой же частотой, с какой вращается кривошипное колесо 16. При т 2ремелдении рычага 19 управления к по.)7ол;ению5 показанному на фиг.З сп,г;ои1ной линией, амплитуда колебаний

будет постепенно увеличиваться. Колебания зубчатого колеса 14 заставят сателлиты 12 кататься туда и обратно по центральному колесу, в результате чего будет изменяться их угловое положение и осуществляться передача колебательного движения зубчатого колеса с внутренним зацеплением кулачковому валу 3 через водило.

Составное колебательно-круговое движение кулачкового вала графически показано на фиг.4. На фиг.4а показана фазовая зависимость между перемещениями (закрытием и открытием) впускных и выпускных клапанов и вращением коленчатого вала 2 в течение одного полного оборота коленчатого вала, причем угол поворота коленчатого вала отложен в градусах по оси абсцисс, а перемещение впускных и выпускных клапанов в миллиметрах отложено по оси ординат. Кривые А и В соответственно показывают перемещения выпускных и впускных клапанов, когда зубчатое колесо 14 не подвергается колебанию. Выпускной клапан начинает открываться за 50 до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки (НМТ),и опять закрывается примерно

чг о

через J5 после того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ) Таким образом, выпускной клапан открыт на протяжении 265° поворота коленчатого вала 2, Впускной клапан начинает открываться примерно на 35 раньше, чем поршень достигнет ВКТ, и закрывается примерно через 50° после того, как поршень достигнет НМТ. Таким образом, впускной клапан также открыт на протяжении 265 поворота коленчатого вала.

При настройке рычага 19 управления (фиг.З) на колебание зубчатого колеса 14 аналогичные колебания совершает и кулачковый вал 3. Фазовая зависимость этих колебаний от вращения коленчатого вала показана на фиг.4б, откуда видно, что частота колебаний равна удвоенной частоте вращения ко

ленчатого вала, следовательно, за каждый оборот коленчатого вала происходят два цикла колебаний. Кривые С и D, показанные на фиг.4а штрихпунк- тирньоти линиями, соответственно показывают перемещения выпускного и впускного клапанов, когда вращательное движение кулачкового вала,-создаваемое коленчатым валом, сочетается

10

15

25

jn07408-

с колебаниями. Колебания изменяют круговое движение кулачкового вапа, в результате чего вьтускной клапан открывается примерно за 30° до IMT и закрывается примерно через 20 за ВМТ, а впускной клапан открывается примерно за 20 до ВМТ и закрывается примерно через 30 на НМТ. Таким образом, каждый клапан открыт на протяжении 230 поворота коленчатого вала. Путем изменения амплитуды колебаний можно изменять периоды, на протяжении которых впускной и выпускной клапа-Щ51 открыты.

На фиг.З показано влияние колеба- нитД кулачкового вала на впускнь.ш и выпускные клапаны для трех других цилиндров двигателя - фазовая зависимость между открытием впускш-.ix клапанов соответственно первого, второго, третьего и четвертого цилиндров, Заштр ;хованнь е участки соответствуют открытию выпускных клапанов, незаштрихованные - открытию впускных клапанов. На фиг.5е показана фазовая зависимость между вращением коленчатого вала и колебаниями кулачкового

n

0

5

0

5

0

5

вала. На фиг.За показан полный обог рот кулачкового вала на

тыи вал 720°,

360. Поскольку кулачковый вал вращается с частотой, равной половине частоты вращения коленчатого вала, коленча- поворачивается при этом на течение этого периода проис- , ходят четыре полных цикла колебаний. Колебания приводят к уменьшению угла поворота коленчатого вала, на протяжении которого выпускной или впускной клапан открыть; (показано стрелками на фиг,5а).

Как показано на фиг.Зв, поршень второго цилиндра двигателя смещен по фазе на

ленчатого вала, нeoбxoди 5ыx для завершения одного рабочего цикла двигателя) . Следовательно, выпускной и впускной клапаны открываются через 180 после открытия клапанов первого цилиндра. Поскольку колебания, сообщаемые кулачковому валу, имеют частоту, равную удвоенной частоте вращения коленчатого вала, сдвиг по фазе клапанов второго цилиндра относительно клапанов первого цилиндра равен одному полному циклу колебания. Следовательно, колебания изменяют угол поворота коленчатого вала, на протяотноситэльно первого цилиндра 80 (при двух полных оборотах кожении которого клапата.1 второго цилиндра открыты, на точно такзпо ясе ве личину, как клапанов nepsoj o ци - линдра.

Как показано на фиг.5сs третий

.о

цилиндр смещен по фазе на 540 относительно первого цилиндра и на 360 относительно второго ци,линдра. Следовательно, вьтускной и впускной клапаны открываются через 540° и 360 после открытия клапанов пер)эого в: второго цилиндров соответсгвекно. Эти сдвиги фаз соответствуют трем и двум полным колебаний. Таким образом, колебания изменяют уг.пы поворота коленчатого зала, на протяжении которых открыты клапаны третьего цилиндра, на точно такую же величину; как для первого и второго шшиндров.

Аналогично, как показано на фиг.5d поскольку четвертый цих ивдр имеет сдвиг по фазе на 180° и 180 относительно первогс, второго и четвертого цилиндров соответственно,, каж,цьм из которых соответствует целому числу циклб колебаний, период открытия выпускного и впускного клапанов четвертого цил;индра изменяется так же 5 как у клапанов других трех цилиндров,

Таким образом, описа,Й1-гый релшм применим к двигателям с любым числом цилиндров, при условии если поршни находятся в фазе с кахщым другим к:ли смещены по фазе друг относитель то друга на 180 (или целое кратное ему) . Следовательно, в таком двтлгатев действие от общего коленчатого вала.

В четырехтактном .Бигатале, имеющем п поршней, смещенных по фазе друг относительно друг д на одинаковую величргну,, сдвиг А по Фазе межд.у любыми двумя поршняМ 1 по отношению к двум полньи оборотам коленчатот о вала, необходимьш для зьгполнения четырехтактного цикла двигателя, будет составлять 720°/п (ияи целое кратное этому углу) поворота коленчатого вала. Приведение в действие клапанов каждого цилиндра.также будет смещено по фазе друг относитехсьпо друга на эту дехшчину. Чтобы колебания одинаково влияли wa вса клапаны, сдвиг А по фазе должен соответствовать целому числу польых ьщклов колебания. В большинстве случаев сдвиг А соотitOl OS,6

ветствует одному полному циклу колебания. Следовательно, для каждого 360 цикла коленчатого вала в таких случаях должно быть 360/А 360/720 п п/2 колебаний. Частота колебаний

должна быть равна частоте вращения коленчатого вала, умноженной на п/2. Двигатель, в котором кулачковый

вал приводит в действие клапаны двух 1 илиндров, т,е, когда п 2, тоже работает щовлетворительно, когда сдвиг А по фазе между двумя цилиндрами соответствует двум полным циклам колец бания. В этом случае частота колебаний равна частоте вращения коленчатого вала, умноженной на п. Когда ко- ленчатьгй зал приводит в действие один цилиндр (п 1), удовлетворительные

Q результаты могут быть получены, если механизм привода кулачков будет обеспечивать четыре полных цикла колебания, когда частота колебаний равна частоте вращения коленчатого вала,

5 умноженной на 2п. Таким образом, для механизма привода кулачков, предназначенного для приведения во вращение кулачкового вала, приводящего в действие клапаны п цилиндров, частота

f колебаний должна быть равна частоте враще шя коленчатого вала, умноженной на f, где f 2п5 когда п 1 5 f п/2 или п, когда п 2, и f п/2., когда п 3 или более.

„ На фиг, 6 показана работа шестицилиндрового однорядного двигателя. В это,м двигателе каждый поршень смещен по фазе относительно других на фазовый угол А 120 . Чтобы колебания

„ 3 сочетании с круговым движением кулачкового вала обеспечивали одинаковое изменение периода открытия-клапанов в каждом диливдре, частоту колебаний (п/2) повьшают до величины, частоте вращения коленчатого зала, умноженной на 6/2 или 3.

На ф,иг.6 выпускной клапан первого дклиндра показан заштрихованным у-частком. Открытие и закрытие выпуск- ,ного клапана в каждом цикле происхо дит с опережением примерно на 20°, а открытие и закрытие впускного клапана с запаздьшанием примерно на 20 . Таким образом, хотя в каждом цикле период, в течение которого каждый

клапан открыт, не изменяется, период, п тачание которого открыты одновре- менпо обг (впускной и выпускной) клапаны,, уменьшается. Такое уменьшение

повьшает КПД по топливу при низких оборотах двигателя и низких нагрузках.

Участки, показанные на фиг.бв, иллюстрируют работу второго цилиндра, работающего со сдвигом по фазе относительно первого цилиндра, равным 120 . Поскольку сдвиг фаз между двумя цилиндрами соответствует целому числу циклов колебаний, влияние колебаний на работу впускного и выпускного клапанов второго цилиндра будет точно таким же, как влияние на работу клапанов первого цилиндра. Поскольку все остальные цилнвдры сдвинуты по фазе относительно других на 120 (или кратньй ему угол), влия ние колебаний будет одинаковым во всех цилиндрах.

Диаграмма на фиг.7 иллюстрирует работу другого варианта в применении к двигателю, в котором кулачковый вал приводит в действие два цилиндра расположенных друг относительно друО

га. со сдвигом на фазовый угол В этом случае частота колебаний равна частоте вращения коленчатого вала ут ноженной на п/2 2/2 К Показанные на фиг.Уа площадки иллюстрируют работу клапанов первого цилиндра. Подобно тому, как и в шестицилиндровом двигателе, абсолютные периоды, в течение которых выпускной и впускной клапаны открыты, не изменяются, а период, в течение которого одновременно открыты оба клапана уменьшается, что повьшает КПД по топливу при низких . оборотах двигателя и низких нагрузках.

Двигатели этого типа способны работать в соответствии с изобретением и с механизмом привода кулачков, в котором частота колебательного движения равна удвоенной частоте враш.е- -нкя коленчатого вала. В этом случае изменения в работе выпускных и впускных клапанов будут точно такими же, как показаны на фиг.4.

Описание работы двигателей, имеющих кулачковый вал, приводящий в действие два цилиндра, приемлево как для двухцилиндровых двигателей, так и для четырехцилиндровых, в которых цилиндры расположены по два,например горизонтально оппозитнык и (противооте жащими) парами, кричех клапаны каждой пары приводит :з действие свой ку лачковый вал.

074088

На фиг.8 показана диаграмма работы трехцштиндрового двигателя. Однорядные трехцилиндровые двигатели встречаются редко, но шестицилиндровые двигатели, в которых цилиндры расположены двумя ряда1чи по три ци- в каждом ряду, обычно имеют два отдельных кулачковых вала. На

Q фиг,8 показана работа одного такого ряда цилиндров. В обоих три цилиндра будут смещень по фазе друг относительно друга на фазовьп угол 240 и частота колебаний будет равна

5 частоте вращения коле иатого вала, умноженной на п/2 3/2 i,5.

Влияние колебаний на первьп цилиндр (фиг.За) сказывается в уменьшении периодов, в течение которых одно2Q временно открыты выпускной и впускной клапаны, баз т еньшения индивидуальных периодов открытия соответственных клапанов. Можно также видеть (фиг.Вв) что 240 , на которые сдви25 Щ т по фазе второй цилиндр относительно первого, соответствует целог-гу числу циклов колебания. Следовательно, бз дут 1.1меть место такие же изменения периодов открытия и закрытия

30 клапанов во втором цилиндре. То же самое будет справедливо и для третьего цилиндра.

На фиг.9 показан альтернативный режим работы кулачкового вала ряда из трех Ц1-ШИК.ДРОВ, показанных на фиг.8. В этом случае изменена фазовая зависимость колебаний от вращения коленчатого вала. Так,нафкг.8 колебательное дви:жение начинают, что35

40

бы обеспечить опережение моментов от45

крытпя и закрытия клапанов, в точке В, которая совпадает с ВМТ какого- либо из цилиндров. При изменении фаз колебаний так, чтобы точка В находилась в начале открытия впускного клапана или близко к нему, открытие и закрытие выпускных клапанов происходит раньше на одну и ту же вельгчищ , а моменты открытия и закрытия впускных клапанов остаются теми же. Таким образом, хотя моменты открытия и закрытия сколь-нибудь существенно не изменяется, период, в течение которого .оба клапана открыты, тем не менее уменьшается.

На фиг.10 показан другой альтерна- тивньй режим работы кулачкового вала ряда из трех цилиндров, показанных на фиг.8. В этом случае фазовая зави50

91407Д0810

имость колебаний от вращения коленча-ет собой понижакицую передачу с перетого вала изменена так, что точка Вдаточным отношением 2f : 1, в резулы

находится в месте, соответствующемтате чего частота вращения кулачковозакрытию выпускного слапана, илиго вала равна половине частоты враще

близко к нему. В результате моментыния коленчатого вала. открытия и закрытия впускного клана- Изобретение обеспечивает конструкна запаздывают на одну и ту же вели-цию двигателя с переменными фазами

чину, а моменты открытия и закрытияклапанного газораспределения при ис- выпускного клапана остаются неизмен- IQ пользовании только одного кулачковоными, следовательно, период, в тече-го вала, снабженного предлагаемым мение которого оба клапана открыты,ханизмом привода, уменьшается.

Изобретение может быть использова-Формула изобретения Но также в двигателях, в которых ку- 15

лачковый вал приводит в действие кла- 1. Механизм для привода кулачково

паны только для одного поршня, напри-го вала четырехтактного двигателя

мер в одноцилиндровых: двигателях иливнутреннего сгорания, имеющего один

S двухцилиндровых, в которых цилинд-или несколько блоков из п цилиндров, ры горизонтально оппозитны. 20 поршень, соединенный с коленчатым

Работает кулачковый вал аналогич-валом и имеющий возможность возвратно описанному за исключением того,но-поступательного движения в каждом что частота колебаний равна удвоен-цилиндре, при этом поршень находится ной частоте вращения коленчатого ва-в фазе с любым другим поршнем в бло- Ла. Изменения в работе впускного и 25 ке, которому он принадлежит, или сме- аыпускного клапанов будут точно таки-щен по фазе на фазовый угол А или на ми, как показано на фиг.4..целое кратное число указанных углов.

Таким образом,во всех вариантахи кулачковый вал, на котором установизобретения результатом сочетания ко-лен с возможностью вращения ряд ку- дебательного движения с круговым дви- зо лачков для привода впускных и/или выжением кулачкового вала являетсяпускных клапанов каждого цилиндра в

уменьшение периодов, в течение кото-блоке, отличающийся тем,

рых одновременно открыты впускной ичто, с целью упрощения конструкции и

выпускной клапаны. Этот период можноповьшзения КПД, кулачковый приводной

увеличить путем сдвига фазы колеба-механизм содержит средство для вранйй на половину цикла, что зависитщения кулачкового вала, вращательный

от того, какой (длит(ьный или ко-момент которого является сочетанием

роткий) период совместного открытиякругового движения вокруг его оси

впускного и выпускного клапанов обес-вращения, которое имеет заданное фа- печит при отсутствии колебательного Q зовое соотношение с круговым движедвиження одно -круговое движение ку-нием коленчатого вала, и колебательлачкового вала.ного движения вокруг его оси вращеПодобный механизм может быть ис-ння для опережения и запаздывания угпользован для приведения во вращениелового положения кулачков относитель- юэленчатого вала двигателей с боль- g но клапанов, с которыми они взаимо- miiiM или меньшим числом цилиндров. Од- действуют, при этом колебательное

н;ако, потребуется изменение размерадвижение имеет заданное фазовое соотпииводного элемента и передаточногоношение с коленчатым валом, и средстотношения понижающей зубчатой переда-во для изменения амплитуды колеба- чи дпя обеспечения колебаний с тре- тельного движения, в результате чего

бзгемой частотой при требуемой часто-может меняться синхронизация открыте кулачкового вала.тия и закрытия клапанов, причем скоПриводной элемент приводят во вра- рость кругового движения кулачкового

щание с частотой, равной частоте вра вала равна половине скорости коленчащ€(ния коленчатого вала, умноженнойтого вала и частота колебаний кулачна f, в результате чего частота сооб-нового вала составляет f частей от

щаемых колебаний будет равна частотечастоты вращения коленчатого вала, вращения коленчатого вала, умноженной где f , когда п 1; f п или на f, а зубчатая передача представля- п/2, когда п 2; f п/2, логда п

8 1

Изобретение позволяет упростить конструкцию и повысить кпд двигателя. Кулачковый приводной механизм содержит ср-во для вращения кулачкового вала 3, вращательный момент которого являetcя сочетанием кругового движения вокруг его оси вращения, которое имеет заданное фазовое соотношение с круговым движением коленчатого вала, и колебательного движения вокруг его оси вращения для опережения и запаздывания углового положения кулачков относительно клапанов, с которыми они взаимодействуют, и средство для изменения амплитуды колебательного движения, Скорость кругового движения кулачкового вала равна половине скорости коленчатого вала 2. Соединения между . приводным элементом и кулачковым валом содержат планетарную зубчатую передачу, солнечную и планетарнута шестерни. Сочетание колебательного движения с круговым движением кулачкового вала приводит к уменьшению периодов , в течение которых одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. 1 3.п. ф-лы, 10 ил. (О

фиъ. 2

С

/

Фаг. J

Фие. ii

а

///j

///////

LL

/ /.

Й

L

d

550

a

Y/////

ZL

////////,

22

Z:LU

fe

UZ,

iZZZZZZ

v LZZZ../../.Zf

540°720

Фиг.5

900

Фиг.6

kzN,

I/

BfIT

n

Ly

5/IT

...... Л ..

i v/////7/7

фиг. 7

Фиг. ш