Способ активного регулирования газораспределения в двигателе внутреннего сгорания и распределительный вал для его реализации

 

Изобретение относится к области машиностроения и повышает надежность привода клапанов двигателей внутреннего сгорания и изменения фаз газораспределения. Способ активного регулирования газораспределения в двигателе внутреннего сгорания, каждый цилиндр которого оснащен как минимум тремя клапанами, включает угловые смещения кулачков распределительного вала, пропорциональные числу оборотов и нагрузке двигателя, причем кулачки одноименных клапанов общего цилиндра смещают в противоположных направлениях автономно от поворота коленчатого вала и независимо между собой. В составном распределительном валу рабочий профиль составлен из пакета втулок, кинематически связанных посредством шпонок с центральным стержнем, несущим приводное зубчатое колеса и упор. При этом центральный стержень с регулируемым упором установлен с возможностью продольных перемещений относительно зубчатого колеса и связан с приводом подачи, втулки кулачков выполнены в виде коаксиальных частей, связанных винтовым шлицевым соединением, направление сопрягаемых винтовых шлицев втулок для одноименных клапанов общего цилиндра разное, шаг спирали винтовых пар шлицевого соединения частей кулачковых втулок для одноименных клапанов выполнен разным, шлицевое соединение в виде винтовой пары выполнено только на одной кулачковой втулке для одноименных клапанов общего цилиндра. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к распределительным механизмам для двигателей с изменяемым потоком рабочего тела, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания с устройствами для изменения фаз распределения и продолжительности открытия и закрытия клапанов.

Для повышения мощностно-экономических показателей двигателей внутреннего сгорания, развития номинальной мощности, необходимо обеспечить наилучшее наполнение цилиндров горючей смесью и наиболее полную очистку цилиндров от отработавших газов. Динамичные впуск и выпуск обеспечиваются установкой на каждом цилиндре кратного числа одноименных клапанов (см. , например, "Авторевью", N 6, 1997 г. с. 11, где описан цилиндр V-образного шестицилиндрового мотора автомобиля Mersedes E4MATTC с 3 клапанами).

В этих высокофорсированных по частоте вращения двигателях, нуждающихся в регулировании фаз газораспределения для получения стабильных пусковых качеств и расширения рабочего диапазона частот вращения, при сборке и наладке двигателя осуществляют поворот распределительного вала относительно приводной звездочки, а затем скрепляют с муфтой, оснащенной набором резьбовых регулировочных отверстий (см. патент США N 3734073, кл. F 01 L 1/34, 1973 г.) Известен способ активного регулирования фаз газораспределения и длительности открытия, закрытия впускных и выпускных клапанов во время работы двигателя, выбранный в качестве прототипа (1).

Этот способ содержит операции синхронного поворота кулачков одноименных клапанов в противоположные стороны относительно поворота коленчатого вала, чем достигается требуемое перекрытие клапанов. Способ позволяет увеличить длительность периода открытия клапанов при увеличении частоты вращения коленчатого вала за счет того, что клапаны (впускной и выпускной одного распредвала) открываются раньше и соответственно раньше закрываются, а управляемые другим распредвалом позже открываются и соответственно позже закрываются.

Таким образом, суммарное угловое смещение кинематически связанных распределительных валов относительно своих приводов увеличивает длительность фаз впуска и выпуска при увеличении частоты вращения двигателя.

Известный способ обеспечивает автоматическую точную установку фаз газораспределения, что улучшает показатели по мощности, экономичности двигателя и по его запуску за счет расширения рабочего диапазона частот вращения, уменьшения оборотов холостого хода и пусковых оборотов.

Однако продолжением указанных преимуществ способа являются следующие недостатки: одновременно с необходимым угловым смещением кулачка клапана впуска в сторону опережения поворотом распредвала, синхронно с углом поворота коленчатого вала, на равный угол в ту же сторону смещается кулачок клапана выпуска, в сторону запаздывания, что сокращает перекрытие клапанов и как следствие ухудшает продувку цилиндров. В итоге увеличивается расход топлива и содержание вредных веществ в выхлопе.

Для независимого регулирования хода одноименных клапанов известны устройства, обеспечивающие автоматическое изменение фаз газораспределения в двигателе внутреннего сгорания в достаточно широких пределах за счет размещения подвижных промежуточных конструктивных элементов и механизмов (кулачков, муфт, кулис, эксцентриков и т.п.) между кулачками распредвала и клапанами (см. например, изобретения по а.с. N 151530, опубл. в бюл. N 21-62 и N 335426, опубл. 11.04.72 в бюл. N 13, кл. F 01 L 1/34 и патентам Швейцарии N 390617, опубл. в 1965 г., кл. 46 /01 и РФ N 355815 фирмы "Фиат", опубл. 16.10.72 в бюл. N 31, F 01 L 1/02).

К недостаткам указанных и подобных устройств следует отнести малую надежность, поскольку они содержат подвижные элементы, находящиеся в зоне ударных нагрузок, сложность настройки и регулировки. Обязательное присутствие этих промежуточных элементов, особенно в многоцилиндровых конструкциях является серьезным препятствием к форсированию двигателей по частоте вращения.

Отмеченные недостатки устранены в механизме газораспределения четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, описанном в патенте РФ N 2011853, опубл. 30.04.94 в бюл. N 8 по кл. F 01 L 1/34, который содержит многоклапанную (три и более) головку блока цилиндров и привод с двумя параллельными распределительными валами, управляющими впускными и выпускными клапанами посредством кулачков, и устройством одновременного углового поворота обоих распределительных валов относительно привода при изменении частоты вращения в противоположные стороны, так как кулачки одноименных клапанов установлены на разных валах и жестко сблокированы с кулачками другого назначения (наименования). Между коленчатым валом и распределительными валами смонтированы промежуточные механизмы регулирования их поворота - центробежные муфты.

Однако на практике применение описанного устройства в автомобилях представляется проблематичным из-за его громоздкости. Изобретение может быть использовано в качестве стенда для испытаний и отработки газораспределения и режимов работы двигателя внутреннего сгорания с регулированием фаз. Технологические возможности по точной установке требуемых фаз впуска и выпуска ограничены жесткой связью кулачков разноименных клапанов, поэтому в двигателе не достигается максимальная мощность из-за неудовлетворительной продувки цилиндров, так как перекрытие клапанов снижено.

Компактным устройством для точного регулирования фаз газораспределения автономно от поворота коленчатого вала является составной распределительный вал для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, содержащий несущий приводное колесо стержень с размещенными на нем втулками, имеющими кулачковые выступы. Кулачковые втулки соединены с центральным стержнем при помощи сменных ступенчатых шпонок, каждая из которых имеет заданный угол смещения ступени, входящей в стержень, по отношению к ступени, входящей во втулку. В осевом направлении кулачковые втулки зафиксированы резьбовым упором стержня в пакет (2).

Это изобретение выбрано в качестве прототипа для предложенного устройства из числа аналогов как более близкое по технической сущности и достигаемому результату: независимому смещению кулачков распределительного вала на различные заданные углы поворота.

Недостатком известного устройства является дискретный выбор углов смещения кулачков, ступенчатое регулирование фаз газораспределения на неработающем двигателе вручную. Описанный составной вал имеет ограниченные технологические возможности по изменению углов перекрытия клапанов и длительности фаз газораспределения, так как его назначение заключается лишь в подборе во время ремонта и наладки двигателя необходимых шпонок ступенчатой формы переменного профиля, посредством которых изменяется пространственное положение кулачковых втулок относительно центрального стержня, жестко кинематически связанного с коленчатым валом.

Технической задачей, на решение которой направлена группа изобретений, объединенных общим замыслом, является разработка простого и надежного устройства для активного регулирования фаз газораспределения многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с кратным количеством одноименных клапанов на каждом цилиндре, обеспечивающего плавное в автоматическом режиме изменение продолжительности впуска топливной смеси и выпуска отработавших газов, адекватное нагрузке и автономное от поворота коленчатого вала, и дифференцированные опережения открытия и запаздывания закрытия одноименных клапанов для выбора необходимого их перекрытия. При этом должно быть обеспечено независимое друг от друга изменение опережения и запаздывания фазы газораспределения как впускных, так и выпускных клапанов.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе активного регулирования газораспределения в двигателе внутреннего сгорания, каждый цилиндр которого оснащен как минимум тремя клапанами, содержащем угловые смещения кулачков распределительного вала, пропорциональные числу оборотов и нагрузке двигателя, причем кулачки одноименных клапанов общего цилиндра смещают в противных направлениях, угловые смещения каждого кулачка, согласно изобретению, осуществляют автономно от поворота коленчатого вала и независимо между собой, а в известном распределительном валу двигателя внутреннего сгорания для реализации этого способа, рабочий профиль которого составлен из пакета втулок, кинематически связанных посредством шпонок с центральным стержнем, несущим приводное зубчатое колесо и упор, по предложению автора, центральный стержень с регулируемым упором установлен с возможностью продольных перемещений относительно зубчатого колеса и связан с приводом передачи, а втулки кулачков выполнены в виде коаксиальных частей, связанных винтовым шлицевым соединением, причем направление сопрягаемых винтовых шлицев втулок для одноименных клапанов общего цилиндра установлено противным, а шаг спирали винтовых пар шлицевого соединения частей кулачковых втулок для одноименных клапанов выполнен разным и, в частности, шлицевое соединение в виде винтовой пары выполнено только на одной кулачковой втулке для одноименных клапанов общего цилиндра.

Каждый из существенных признаков сам по себе известен, но в предложенной совокупности создают новизну качества, то есть при этом получен эффект суммы, а не сумма эффектов. Каждый из существенных признаков порознь необходим, а вместе достаточны для того, чтобы характеризовать группу изобретений в том качестве, которое проявляется в положительном техническом результате при реализации.

Отличительные признаки позволили простыми и надежными средствами оптимизировать фазы газораспределения на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания, снизить расход топлива и содержание вредных веществ в выхлопе за счет его более полного сгорания, что, в свою очередь, повысило мощность.

Конструктивные отличия распределительного вала обеспечили раздельную от поворота коленчатого вала систему регулирования фаз газораспределения автономным приводом осевой подачи центрального стержня, что позволило смещать кулачки одноименных клапанов общего цилиндра независимо друг от друга в противных направлениях и на разные углы.

Предложенная группа изобретений, способ и устройство для его реализации, не известна из доступных источников информации, явным образом не следует из уровня техники и промышленно применима в двигателях внутреннего сгорания для достижения качественно нового технического результата, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена конструкция составного распределительного вала, которая реализует предлагаемый способ регулирования фаз газораспределения. На чертеже условно изображен фрагмент предлагаемой конструкции с двумя кулачками одноименных клапанов общего цилиндра, в крайних рабочих положениях регулирования опережения и запаздывания фаз, соответственно фиг. 1 и фиг. 2.

Кулачки 1 и 2 одноименных клапанов двигателя внутреннего сгорания, каждый цилиндр которого имеет как минимум три клапана, установлены посредством шлицевого соединения 3 и 4, образуя винтовую пару противного направления, на коаксиальных им втулках 5 и 6 соответственно. Шаг спирали винтовых пар 1 - 3 и 2 - 4 может быть выполнен равным и разным, что определяет соответствующий угол смещения кулачков 1 и 2 при одинаковой осевой подаче втулок 5, 6.

Кулачки 1 и 2 смонтированы между приводным зубчатым колесом 7 и базирующей втулкой 8, опертых на подшипники 9 и установленных на соединительных втулках 10 и 11.

Колесо 7, кулачки 1, 2 и втулка 8 сблокированы в жесткий в осевом направлении пакет, образующий рабочий профиль распределительного вала.

Приводное колесо 7 кинематически связано с коленчатым валом (условно не показан). Соединительные втулки 5, 6, 10, 11 смонтированы посредством шпонки 12 на центральном стержне 13, несущем регулируемый упор 14, ограничивающий ход осевой подачи стержня 13, и с противоположной стороны вилку 15 кинематической связи с автономным приводом перемещений стержня 13 ( не показан).

Автоматическое регулирование фаз газораспределения и перекрытия клапанов по управляющим сигналам контрольной аппаратуры, в зависимости от числа оборотов и нагрузки двигателя, осуществляется следующим образом.

При осевом перемещении автономным приводом стержня 13 кулачки 1 и 2 поворачиваются под действием винтовых шлицев 3 и 4 втулок 5 и 6 в разные стороны, смещая время начала и конца впуска (и выпуска посредством другой пары аналогичных кулачков на общем с первыми стержне 13), увеличивая или уменьшая опережение и запаздывание открытия и закрытия клапанов.

На минимальных оборотах холостого хода и при пуске двигателя перекрытие фаз одноименных клапанов максимальное, поэтому длительность фаз впуска и выпуска минимальна, соответствующим образом угол смещения между кулачками 1 и 2 устанавливается наименьшим.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала обеспечивается более раннее открытие и закрытие впускного и выпускного клапанов за счет углового смещения в разные стороны кулачков 1, 2 распредвала посредством осевой подачи стержня 13 на требуемую линейную величину, однозначно определяющую угловые смещения кулачков 1, 2 (равные или разные в зависимости от шага спирали винтовых пар 1 - 3 и 2 - 4).

При увеличении числа оборотов двигателя происходит увеличение длительности фаз газораспределения, при этом длительность фазы впуска и выпуска превышает начальную длительность этих фаз.

При достижении частоты вращения коленчатого вала максимальной величины угловые смещения кулачков 1, 2 одноименных клапанов также являются наибольшими.

Опережением открытия и запаздыванием закрытия впускного клапана достигается увеличение продолжительности передачи горючей смеси топлива в цилиндр, что обеспечивает максимальное его наполнение и способствует повышению мощности двигателя.

Увеличение продолжительности выпуска отработавших газов обеспечивает их удаление в фазе опережения за счет повышенного давления в конце рабочего хода - улучшается продувка, то есть наиболее полная очистка цилиндров.

Для смещения кулачков 1, 2 в сторону уменьшения угла между ними стержень 13 подают в обратном направлении.

Описанный способ регулирования фаз газораспределения обеспечивает наилучшее наполнение цилиндров топливом и наиболее полную очистку цилиндров от отработавших газов, при этом двигатель развивает номинальную мощность.

Впускной клапан открывается в конце такта выпуска до прихода поршня в верхнюю мертвую точку, то есть с заданным опережением, а закрывается в начале такта сжатия после прихода поршня в нижнюю мертвую точку, то есть с необходимым запаздыванием, которые автоматически устанавливаются раздельным смещением кулачков 1, 2 и автономно от поворота коленчатого вала, в зависимости от числа оборотов и нагрузки двигателя, системой управления привода подачи стержня 13.

Таким образом группа изобретений решает поставленную задачу повышения мощностно-экономических показателей двигателя внутреннего сгорания по сокращению расхода горючего и снижению выброса вредных веществ за счет полноты сгорания горючего и улучшения продувки цилиндров, которые оптимизируются предложенными конструктивными усовершенствованиями распредвала, автоматически выполняемой последовательностью независимых операций регулирования режимов работы двигателя.

(56) 1. Патент РФ N 2011853, кл. F 01 L 1/34, 1994.

2. Авторское свидетельство N 219327, кл. F 01 L 1/04, 1968.

Формула изобретения

1. Способ активного регулирования газораспределения в двигателе внутреннего сгорания, каждый цилиндр которого оснащен как минимум тремя клапанами, содержащий угловые смещения кулачков распределительного вала, пропорциональные числу оборотов и нагрузке двигателя, причем кулачки одноименных клапанов общего цилиндра смещают в противных направлениях, отличающийся тем, что угловые смещения каждого кулачка осуществляют автономно от поворота коленчатого вала и независимо между собой.

2. Распределительный вал двигателя внутреннего сгорания для реализации способа по п.1, рабочий профиль которого составлен из пакета втулок, кинематически связанных посредством шпонок с центральным стержнем, несущим приводное зубчатое колесо и упор, отличающийся тем, что центральный стержень с регулируемым упором установлен с возможностью продольных перемещений относительно зубчатого колеса и связан с приводом подачи, а втулки кулачков выполнены в виде коаксиальных частей, связанных винтовым шлицевым соединением, причем направление сопрягаемых винтовых шлицев втулок для одноименных клапанов общего цилиндра установлено противным.

3. Распределительный вал по п.2, отличающийся тем, что шаг спирали винтовых пар шлицевого соединения частей кулачковых втулок для одноименных клапанов выполнен разным.

4. Распределительный вал по п.2, отличающийся тем, что шлицевое соединение в виде винтовой пары выполнено только на одной кулачковой втулке для одноименных клапанов общего цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2