Механізм привода клапана двигуна внутрішнього згоряння

Реферат: UA 98133 U UA 98133 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до машинобудування, а саме до механізмів газорозподілу двигунів внутрішнього згоряння. Відомі й широко використовуються в двигунах внутрішнього згоряння механізми для керування відкриттям і закриттям клапанів газорозподілу, які відкриваються у бік робочого циліндра двигуна і включають кулачковий розподільний вал, що приводиться від колінчастого вала двигуна, а також коромисла, важелі, пружини та інші деталі в залежності від конструкції механізму (див., наприклад, Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др. - М.: Высш. шк., 2007. - 400 с.). Але ці механізми не дозволяють керувати клапанами, які відкриваються у бік головки циліндра (клапанами зворотної дії), і не можуть забезпечити герметичність таких клапанів на тактах стискування, згоряння та розширення. Для керування клапанами зворотної дії, що відкриваються у бік головки циліндра, відомі механізми, які застосовують для приведення клапанів гідравлічні приводи, гідророзподільники, пристрої для гідрогальмування (патент РФ № 2251005, МПК F01 L 9/02, Клапанный газораспределительный механизм и способ клапанного газораспределения двигателя внутреннего сгорания. - опуб. 27.04.2005; патент РФ №2338075, МПК FOIL 9/02, Исполнительный механизм привода клапана двигателя внутреннего сгорания и способ управления скоростью движения клапана. - опуб. 10.11.2008). Однак такі газорозподільні механізми на основі гідроприводів мають досить складну конструкцію, низьку надійність, велику інерційність системи за рахунок достатньо великої в'язкості рідини і практичну неможливість або значне ускладнення щодо одержання необхідного закону відкриття та закриття клапанів. Окрім того, залишкова стискуваність рідини не дозволить досягнути достатньої герметичності клапанів, а постійний перерозподіл рідини в гідросистемі приведе до досить великих витрат рідини, а відтак, до збільшення затрат енергії двигуна на приведення гідронасоса. Найбільш близьким аналогом запропонованій корисній моделі за технічною суттю та сукупністю ознак є механізм привода клапана двигуна внутрішнього згоряння (а. с. СССР № 4 1312196, МКИ F 01 L 9/04, Механизм газораспределения для двигателя внутреннего сгорания). Згідно з фіг. 2 винаходу механізм привода складається з випускного клапана зворотної дії, що відкривається у бік головки циліндра, пружини стискання, яка через двоплечий важіль тисне на стержень клапана у напрямку його закриття, а також, механізм утримання клапана в закритому положенні, який виконаний у вигляді електромагнітної засувки, що розташована в кільцевій проточці стержня клапана. Відкриття випускного клапана в кінці такту розширення відбувається за рахунок спрацьовування на відкриття консольної електромагнітної засувки і надмірного тиску газів з боку робочого циліндра двигуна на головку клапана, а закриття - пружиною стискання. Відомий винахід має наступні недоліки: не дозволяє відкривати впускні клапани, оскільки в кінці такту випуску з боку робочого циліндра майже відсутній надмірний тиск газів на головку клапана; не дозволяє одержати потрібний закон відкриття клапана; утримання клапана в закритому положенні консольною засувкою ненадійно, оскільки під час процесу згоряння на клапан і засувку діє велика сила від тиску газів з боку циліндра (для автомобільних двигунів середньої потужності вона ставить 3…5 кН); потребує великої точності виготовлення у місці сполуки засувки із кільцевою проточкою на стержні клапана, внаслідок чого під час експлуатації і зношення поверхонь контакту точність швидко порушується і механізм або втратить працездатність, або клапан втратить герметичність; не передбачений вузол або пристрій для компенсації теплового розширення клапана. В основу корисної моделі поставлена задача розробки механізму привода клапана двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається у бік головки циліндра, у якому за рахунок конструкції механізму забезпечується підвищена надійність роботи як випускного, так і впускного клапанів, потрібні фази і закон відкриття і закриття клапана і зниження навантажень на окремі деталі механізму. Задача вирішується за рахунок того, що в механізмі привода клапана двигуна внутрішнього згоряння, який містить клапан, що відкривається у бік головки циліндра, пружину стискання, двоплечий важіль і механізм утримання клапана в закритому положенні, відповідно до корисної моделі механізм привода клапана має розподільний вал із профільованим кулачком, який розташований вище двоплечого важеля і контактує поверхнею кулачка з одним із плечей важеля, в той час як протилежне плече важеля шарнірно пов'язане із стержнем клапана, а механізм утримання клапана в закритому положенні виконаний у вигляді фіксуючого вала із кулачком, який має профіль у вигляді кільцевого сектора з кутом, що дорівнює куту початкового кола кулачка розподільного вала, обертається із такою ж швидкістю, як і розподільний вал, 1 UA 98133 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розташований відносно розподільного вала таким чином, що профіль його кулачка спрямований протилежно профілю кулачка розподільного вала, і контактує з одним із плечей другого двоплечого важеля, протилежне плече котрого шарнірно пов'язане із стержнем клапана, а центральна опора другого двоплечого важеля виконана у вигляді гідрокомпенсатора теплового зазору, плунжер якого шарнірно пов'язаний з важелем, і розташована таким чином, що відстань від її осі до осі обертання фіксуючого вала більше, ніж відстань до осі клапана. Застосування розподільного вала із профільованим кулачком, який розташований вище двоплечого важеля і контактує поверхнею кулачка з одним із плечей важеля, протилежне плече якого шарнірно пов'язане із стержнем клапана, дозволяє одержати потрібний закон відкриття і закриття клапана, або зміни площі його прохідного перетину, забезпечити потрібні фази відкриття і закриття клапана і зміну цих фаз в залежності від режиму роботи двигуна у разі застосування розподільного вала, що має механізм керування фазами газорозподілу. Це також дозволяє значно підвищити надійність роботи механізму привода клапана і двигуна в цілому. Механізм утримання клапана в закритому положенні, виконаний у вигляді фіксуючого вала із кулачком, який має профіль у вигляді кільцевого сектора з кутом, що дорівнює куту початкового кола кулачка розподільного вала, обертається із такою ж швидкістю, як і розподільний вал, розташований відносно розподільного вала таким чином, що профіль його кулачка спрямований протилежно профілю кулачка розподільного вала і контактує з одним із плечей другого двоплечого важеля, протилежне плече котрого шарнірно пов'язане із стержнем клапана, має значно більшу надійність роботи ніж будь-яка засувка з точки зору навантажень, що діють на деталі механізму, і з точки зору забезпечення надійного відкриття і закриття клапана і утримання його у закритому положенні протягом довгострокової експлуатації двигуна. Виконання центральної опори другого двоплечого важеля у вигляді гідрокомпенсатора теплового зазору, плунжер якого шарнірно пов'язаний з важелем, також забезпечує надійність роботи механізму привода клапана з точки зору компенсації теплового розширення деталей механізму під час роботи і компенсації зношення контактуючих поверхонь деталей механізму впродовж експлуатації. Виконання другого двоплечого важеля різноплечим таким чином, що вісь центральної його опори розташована від осі обертання фіксуючого вала на відстані більше, ніж відстань до осі клапана, разом із застосуванням пружини стискання, яка діє на клапан у напрямку його закриття, дозволяє розподілити навантаження на деталі механізму утримання клапана в закритому положенні і таким чином зменшити навантаження на фіксуючий вал механізму. До позитивних якостей корисної моделі слід також віднести незначне ускладнення конструкції головки циліндрів існуючих двигунів внутрішнього згоряння за рахунок додаткового застосування таких деталей як кулачкові вали та важелі, які є характерними у всіх класичних механізмах газорозподілу двигунів внутрішнього згоряння. На фіг. 1 і 2 поданий запропонований механізм привода клапана відповідно у закритому і відкритому положеннях клапана. Механізм привода складається з клапана 1 зворотної дії, який відкривається у бік головки 2 робочого циліндра 3. На стержні клапана вище його напрямної втулки 4 нерухомо закріплена нижня тарілка 5 пружини стискання 6. Пружина стискання 6 розташована співвісно до стержня клапана і верхніми своїми витками опирається на корпус 7 пружини, закріплений на головці 2 циліндра. На верхній частині стержня клапана закріплений наконечник 8 клапана у вигляді вилки, який має в нижній своїй частині діаметр, більший ніж діаметр стержня клапана, і нижньою поверхнею знаходиться у контакті з одним із плечей двоплечого важеля 9, який виконаний, наприклад, у вигляді вилки, що охоплює стержень клапана. Протилежне плече важеля 9 за допомогою ролика 10 постійно знаходиться у контакті з поверхнею профільованого кулачка розподільного вала 11, який розташований вище важеля 9. Механізм утримання клапана в закритому положенні складається з фіксуючого вала 12, вісь якого паралельна осі розподільного вала 11, та другого двоплечого важеля 13. Фіксуючий вал 12 має кулачок 14 у вигляді кільцевого сектора з кутом, що дорівнює куту початкового кола кулачка розподільного вала 11, кінематично пов'язаний із розподільним валом і має такі ж оберти як і розподільний вал. Відносно розподільного вала 11 фіксуючий вал 12 повернутий таким чином, що профіль його кулачка 14 завжди спрямований у бік, протилежний профілю кулачка розподільного вала. Двоплечий важіль 13 одним плечем контактує із профілем кулачка 14 фіксуючого вала 12, а протилежним шарнірно пов'язаний з наконечником 8 стержня клапана. Центральною опорою важеля 13 править гідрокомпенсатор 15 теплового зазору, плунжер 16 якого шарнірно пов'язаний з важелем. Гідрокомпенсатор розташований таким чином, що відстань від його осі до осі обертання фіксуючого вала 12 більше, ніж відстань до осі клапана, тобто двоплечий важіль 13 виконаний різноплечим із меншим плечем з боку клапана. 2 UA 98133 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Механізм привода клапана працює наступним чином. В моменти роботи двигуна, коли клапан 1 циліндра (впускний або випускний) знаходиться у закритому положенні (фіг. 1), ролик 10 двоплечого важеля 9 обкатується по початковому колу кулачка розподільного вала 11 з мінімальною відстанню від осі ролика до осі розподільного вала і плече важеля 9, із яким він пов'язаний, знаходиться у крайньому верхньому положенні, а протилежне плече важеля 9, яке охоплює стержень клапана і контактує без натиску із нижньою поверхнею наконечника 8 клапана, - у крайньому нижньому положенні. У цей час одне плече важеля 13 опирається на поверхню профілю кулачка 14 фіксуючого вала 12 і знаходиться у крайньому верхньому положенні, а протилежне його плече, що шарнірно пов'язане із наконечником 8 клапана, знаходиться у крайньому нижньому своєму положенні. У такому стані силі тиску газів, що діють на головку клапана 1 з боку циліндра 3 і прагнуть відкрити клапан, протидіє сила тиску з боку плеча важеля 13, що пов'язаний із наконечником 8 клапана, а також сила стискання пружини 6, яка опирається на нижню свою тарілку 5, закріплену на стержні клапана. Оскільки сила стискання пружини 6 діє в тому ж напрямі, що і сила опору плеча важеля 13, сила, яка діє на важіль 13, стає менше, ніж сила тиску газів. На протилежне плече важеля 13 і на фіксуючий вал 12 діє ще менша сила завдяки тому, що вісь центральної опори важеля 13 знаходиться ближче до осі клапана, ніж до осі обертання фіксуючого вала 12. Розподіл цих сил залежить від жорсткості пружини 6 і співвідношення між плечима важеля 13. Збільшення довжини стержня клапана 1 за рахунок теплового його розширення під час нагрівання компенсується зменшенням висоти висування плунжера 16 гідрокомпенсатора 15, який виконує роль центральної опори важеля 13, а спрацьовування контактних поверхонь в механізмі удержання клапана в закритому положенні впродовж експлуатації компенсується збільшенням висоти висування плунжера гідрокомпенсатора. В момент, який відповідає початку відкриття клапана, ролик 10 важеля 9 набігає на випуклий профіль кулачка розподільного вала 11. Подальше обертання розподільного вала 11 приводить до збільшення відстані між віссю обертання розподільного вала і віссю ролика. Внаслідок цього протилежне плече важеля 9 натискує на нижню поверхню наконечника 8 клапана і, стискуючи пружину 6, починає відкривати клапан. У цей час довге плече важеля 13 втрачає контакт із профілем кулачка 14 фіксуючого вала 12 і наконечник 8 клапана повністю звільняється від тиску з боку важеля 13. Закриття клапана відбувається пружиною 6, коли ролик 10 важеля 9 починає скочуватися з профілю кулачка розподільного вала 11. Таким чином, запропонований механізм привода клапана двигуна внутрішнього згоряння дозволяє здійснювати відкриття, закриття і утримання в закритому положенні впускних і випускних клапанів зворотної дії, які відкриваються у бік головки циліндра. При цьому: забезпечуються потрібні фази і потрібний закон відкриття і закриття клапанів, що дозволяє одержати необхідні параметри роботи двигуна і знизити сили інерції мас деталей механізму, що рухаються; розподіляються навантаження на деталі механізму під час утримання клапана в закритому положенні, що зменшує напруження в деталях; компенсуються зазори, які можуть виникати в механізмі за рахунок зношення контактних поверхонь його деталей в процесі експлуатації. Усе це в комплексі підвищує надійність роботи механізму. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Механізм привода клапана двигуна внутрішнього згоряння, який містить клапан, що відкривається у бік головки циліндра, пружину стискання, яка діє у напрямку закриття клапана, двоплечий важіль і механізм утримання клапана в закритому положенні, який відрізняється тим, що має розподільний вал із профільованим кулачком, який розташований вище двоплечого важеля і контактує поверхнею кулачка з одним із плечей важеля, в той час як протилежне плече важеля шарнірно пов'язане із стержнем клапана, а механізм утримання клапана в закритому положенні виконаний у вигляді фіксуючого вала із кулачком, який має профіль у вигляді кільцевого сектора з кутом, що дорівнює куту початкового кола кулачка розподільного вала, обертається із такою ж швидкістю, як і розподільний вал, розташований відносно розподільного вала таким чином, що профіль його кулачка спрямований протилежно профілю кулачка розподільного вала, і контактує з одним із плечей другого двоплечого важеля, протилежне плече котрого шарнірно пов'язане із стержнем клапана, а центральна опора другого двоплечого важеля виконана у вигляді гідрокомпенсатора теплового зазору, плунжер якого шарнірно пов'язаний з важелем, і розташована таким чином, що відстань від її осі до осі обертання фіксуючого вала більше, ніж відстань до осі клапана. 3 UA 98133 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4