Електромеханічний привід клапана двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається у бік головки

Реферат: Винахід належить до електромеханічних приводів клапана двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається у бік головки. Привід містить електромагніт із якорем і якірним стержнем, пружину стискання, розташовану співвісно до стержня клапана в напрямному його стакані, і яка діє у бік відкриття клапана, і кулачок, який повертається навколо осі, що перетинає вісь стержня клапана під прямим кутом. З боку, протилежного профільованій поверхні кулачка, кулачок має хвостовик, який шарнірно пов'язаний з якірним стержнем електромагніта соленоїдного типу. Вісь електромагніта перпендикулярна до осі стержня клапана, а точка або лінія контакту кулачка із днищем напрямного стакана клапана, в який опирається його стержень, в закритому положенні клапана або співпадає з віссю клапана, або зміщена відносно неї у бік електромагніта на відстань, яка визначає потрібну силу електромагніта для утримання клапана в закритому положенні. Винахід дозволяє зменшити енергоспоживання електромагніту на привод клапана, а отже зменшити його габарити; зменшити висоту головки циліндрів. Також, дається можливість отримати потрібний закон відкриття і закриття клапана. UA 112496 C2 (12) UA 112496 C2 UA 112496 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до машинобудування, а саме до механізмів газорозподілу двигунів внутрішнього згоряння. Одним із перспективних напрямків розвитку двигунів внутрішнього згоряння на сучасному етапі, особливо автомобільних, є застосування в їх клапанних механізмах газорозподілу електромагнітних і електромеханічних приводів клапанів, які дозволяють зміняти фази газорозподілу в залежності від режиму роботи двигуна і, таким чином, підвищити його економічність і знизити токсичність [Газораспределительные клапаны с электромагнитным приводом. / М. Митин, Д. Соснин / /Ремонт & Сервис. - 2007. - № 2. - С. 62; патент SU 1636570, МПК F01L 9/04, Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания. - опубл. 23.03.1991, Бюл. № 11; патент RU 2374545, МПК F16K 31/8, Однокатушечный быстродействующий поляризованный электромагнитный привод с прямоходовым якорем. опубл. 27.11.2009]. Однак ці відомі механізми, як і інші з електромагнітним приводом, призначені для керування класичними клапанами, які відкриваються у бік циліндра і основний недолік яких - зменшення площі прохідного перетину клапана і великий гідроопір газовим потокам, що їх обтікають. Цих недоліків позбавлені клапани, що відкриваються у бік головки циліндра, але відомі механізми не можуть бути застосованими для їх керування, оскільки на тактах стискування, згоряння та розширення вони не забезпечують герметичності таких клапанів у зв'язку із великою силою тиску газів з боку циліндра, яка сягає 3….5 кН і більше. Серед механізмів привода клапанів двигуна внутрішнього згоряння, що відкриваються назовні, тобто у бік головки циліндра, також відомі механізми з електромеханічним приводом, наприклад, за патентом US 5709178 А, МПК F01L 9/04, Electronically controlled outwardly opening valve system for an engine - опубл. 20.01.1998. Механізм привода клапанів складається з соленоїдного електромагніта, вісь якого паралельна осям клапанів і який керує відкриттям і закриттям клапанів через кулачковий механізм. Утримання клапанів в закритому положенні на тактах стискування, згоряння і розширення відбувається за рахунок клапанних пружин стиснення, розташованих співвісно до клапанів, і за допомогою системи гідрокомпенсації сили тиску газів з боку робочого циліндра на клапан. Система гідрокомпенсації включає до свого складу поршень підсилювача, який своєю робочою поверхнею контактує із порожниною робочого циліндра двигуна, а з другого боку пов'язаний із плунжером підсилювача. Робоча поверхня плунжера підсилювача контактує із гідравлічною порожниною, яка через зворотний клапан поєднується із джерелом рідини високого тиску, наприклад, з системою мащення двигуна. Із гідравлічною порожниною також контактують плунжери клапанів, які шарнірно пов'язані із стержнями клапанів. Таким чином, сила тиску газів на клапан з боку робочого циліндра компенсується силою тиску на плунжер клапана з боку гідравлічної порожнини і утримання клапанів в закритому положенні стає можливим тільки за рахунок сили стискування клапанних пружин, або додатково також завдяки електромагнітній силі електромагніта. Під час відкриття клапанів тиск рідини в гідравлічній порожнині знижують, скидаючи частину рідини до порожнини низького тиску, наприклад, до картеру двигуна. Основними недоліками електромеханічного привода клапанів за визначеним вище патентом є: складна його конструкція, що знижує надійність його роботи; шарнірне сполучення стержнів клапанів з їх плунжерами гідрокомпенсації, що може привести до руйнування шарнірів під впливом великої сили стискання, а отже також знижує надійність роботи привода; висока витрата рідини для системи гідрокомпенсації, що підвищує витрати енергії двигуна на привод гідронасоса, а отже знижує позитивну потужність двигуна. Найбільш близьким аналогом запропонованому винаходу за технічною сутністю та сукупністю ознак є варіант виконавчого механізму клапана, що відкривається у бік головки, з електромагнітним приводом за патентом RU 2439339, МКП F01L 9/02, Исполнительный механизм регулируемого клапана с пневмоусилителем - опубл. 10.01.2012. Механізм з наведеного патенту має у своєму складі електромагнітний привід, що розташований співвісно із стержнем клапана і складається з двох електромагнітів і якоря, стержень якого пов'язаний із стержнем клапана, а також пружину стискання. Відкриття клапана у бік головки циліндра відбувається за рахунок подачі напруги на верхній електромагніт, який притягує до себе якір, стискуючи пружину. Закриття клапана відбувається за рахунок пружини з знеструмленим верхнім електромагнітом. На тактах стискування, згоряння і розширення, які відбуваються у циліндрі, клапан утримується в закритому положенні пружиною, а також додатково може утримуватися за допомогою нижнього електромагніту. Відомий привід клапана, крім того, також має пневмопідсилювач, який складається із циліндра і розташованого в ньому поршня, який поєднується зі стержнем клапана. Порожнина пневмопідсилювача з одного боку поршня поєднується каналом з перехідним каналом клапана, а з другого - із зовнішнім середовищем. 1 UA 112496 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пневмопідсилювач сприяє відкриттю клапана завдяки наявності підвищеного тиску газу на його поршень з боку перехідного каналу клапана. Основним суттєвим недоліком такого механізму є те, що при використанні його в механізмах газорозподілу двигунів транспортних засобів, зокрема автомобільних і подібних їм, із системою електропостачання з напругою 12 В для забезпечення герметичності клапана, що відкривається у бік головки, на тактах стискування, згоряння та розширення електромагніт повинен мати велику потужність а отже непомірно великі габарити для того, щоб утримувати клапан в закритому положенні або щоб подолати силу стискання пружини, яка повинна бути, як відзначалося вище, не менше ніж 3…5 кН. Так, наприклад, відомо, що і при використанні електромагнітного привода для класичних клапанів, що відкриваються у бік циліндра, в автомобільних двигунах з сучасною системою електропостачання з напругою 12 В проблемою є також великі розміри електромагнітів, в той час, як для відкриття таких клапанів їх електромагнітна сила повинна становити усього лише 0,4…0,5 кН. При використанні перспективних автомобільних систем електропостачання з напругою 42 В, розміри електромагніта в наведеному аналогу також будуть недопустимо великими. Крім того, розташування електромагніта співвісно до клапана значно збільшує висоту двигуна. До недоліків відомого привода клапана слід також віднести безпосереднє поєднання якірного стержня електромагніта із стержнем клапана, що не дозволяє одержати потрібний закон відкриття і закриття клапана. Щодо пневмопідсилювача прототипу, він може бути ефективним лише для впускних клапанів і тільки для двигунів із наддуванням, в яких тиск на головку клапана з боку циліндра в момент відкриття клапана буде менше, ніж з боку впускного каналу клапана. Однак і в цьому разі, згідно опису аналога, сила тиску газів на поршень пневмопідсилювача спрямована завжди у бік відкриття клапана, що потребує ще більшу силу для утримання клапана в закритому положенні. В основу винаходу поставлена задача розробки електромеханічного привода клапана двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається у бік головки циліндра, у якому за рахунок конструкції забезпечується зменшення габаритів електромагніта за рахунок зниження його потужності, зменшення енергоспоживання на привод клапана, зменшення висоти двигуна, а також потрібний закон відкриття і закриття клапана. Задача вирішується за рахунок того, що в електромеханічному приводі клапана двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається у бік головки, який містить електромагніт із якорем і якірним стержнем, а також пружину стискання, розташовану співвісно до стержня клапана, відповідно до винаходу стержень клапана через днище напрямного стакана, в якому розміщена пружина стискання, контактує з кулачком по його профільованій поверхні, встановленим з можливістю повертатися навколо осі, що перетинає вісь стержня клапана під прямим кутом, з протилежного профільованій поверхні боку, кулачок має хвостовик, який шарнірно пов'язаний з якірним стержнем електромагніта соленоїдного типу, вісь якого перпендикулярна до осі стержня клапана, точка або лінія контакту кулачка із днищем напрямного стакана клапана в закритому його положенні або співпадає з віссю клапана, або зміщена відносно неї у бік електромагніта на відстань, визначену потрібною силою електромагніта для утримання клапана в закритому положенні. Застосування кулачка, який має профільовану поверхню, що контактує із стержнем клапана через днище напрямного стакана, і який має можливість повертатися навколо осі, що перетинає вісь стержня клапана під прямим кутом, дозволяє отримати потрібний закон відкриття і закриття клапана. Розташування осі повертання кулачка таким чином, що вона перетинає вісь клапана під прямим кутом, а точка або лінія контакту кулачка із днищем напрямного стакана клапана в закритому його положенні або співпадає з віссю клапана, або зміщена відносно неї у бік електромагніта, а також шарнірне поєднання кулачка за допомогою хвостовика, що розташований з боку, протилежному профільованій поверхні кулачка, з якірним стержнем електромагніта соленоїдного типу дає можливість значно зменшити електромагнітну силу електромагніта, або потужність, яку він споживає для утримання клапана в закритому положенні і на його відкриття, а отже зменшити габарити електромагніта і його енергоспоживання на привід клапана. Розташування електромагніта таким чином, що його вісь перпендикулярна до осі стержня клапана дозволяє зменшити висоту головки циліндрів двигуна, а отже і його висоту в цілому. На фіг. 1 і 2 зображений запропонований електромеханічний привід клапана відповідно у закритому і відкритому положеннях клапана. 2 UA 112496 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Електромеханічний привід клапана двигуна внутрішнього згоряння складається з клапана 1, що відкривається у бік головки 2 робочого циліндра 3 двигуна. Співвісно до стержня клапана розташована пружина стискання 4, яка опирається на нижню 5 і верхню 6 тарілки пружини. В закритому положенні клапана пружина 4 стиснута і діє на клапан 1 в напрямку його відкриття. Стержень клапана через днище напрямного стакана 7 клапана, в якому розміщена пружина стикання 4, контактує з кулачком 8 по його профільованій поверхні. Кулачок 8 розташований на осі або кулачковому валу 9, вісь якого перпендикулярна до осі клапана, і знаходиться з нею в одній площині, і має можливість повертатися навколо осі вала 9. Кулачок 8 або кулачковий вал 9, разом з яким повертається кулачок, з боку, протилежного профільованій поверхні кулачка, має хвостовик 10, наприклад, у вигляді серги. Хвостовик 10 шарнірно пов'язаний із якірним стержнем 11 електромагніта 12 соленоїдного типу, наприклад, за допомогою пальця і дволапчастого вушка. Електромагніт 12 розташований таким чином, що його вісь перпендикулярна до осі клапана 1. Електромагніт 12, крім якірного стержня 11, містить якір 13, жорстко пов'язаний із стержнем 11, і ярмо 14. Стержень 11 електромагніта з кінця, протилежного шарнірному його поєднанню із хвостовиком 10, має обмежувач 15 руху стержня, виконаний, наприклад, у вигляді пружної шайби. В закритому положенні клапана точка або лінія контакту кулачка 8 із днищем напрямного стакана 7 або співпадає з віссю клапана, або зміщена відносно неї в бік електромагніта на відстань, яка не перевищує 2…З мм (на фіг. 1 це відстань е). Привід клапана працює наступним чином. В моменти роботи двигуна, коли клапан 1 циліндра (впускний або випускний) закритий (фіг. 1), електромагніт 12 знаходиться під напругою таким чином, що його стержень 11 займає крайнє праве положення, а якір 13 знаходиться в безпосередній близькості біля ярма 14 електромагніта або контактує з ним. Завдяки шарнірному поєднанню стержня 11 електромагніта з хвостовиком 10 кулачка 8 або кулачкового вала 9 кулачок 8 знаходиться у положенні, коли він контактує із днищем напрямного стакана 7 клапана точкою своєї профільованої поверхні, яка має найбільшу відстань від осі його повертання або точкою, яка має відстань, що близька до найбільшої. Так під час пускання холодного двигуна відстань від осі повертання кулачка 8 до точки контакту його із стаканом 7 може бути найбільшою і ця точка або лінія контакту може співпадати з віссю клапана, а якір 13 електромагніта контактувати з його ярмом 14. Під час роботи прогрітого двигуна внаслідок збільшення довжини стержня клапана через температурне розширення відстань від осі повертання кулачка до точки або лінії контакту із стаканом клапана буде менше найбільшої, а сама точка або лінія контакту зміститься від осі клапана в бік електромагніта на відстань є завдяки повертанню кулачка на деякий кут проти обертання годинникової стрілки. При цьому якір 13 електромагніта буде знаходитися на деякій відстані від ярма 14. Пружина 4 клапана в такому закритому його положенні стиснута. В закритому стані на клапан 8 в напрямку його відкриття діє сила тиску газів з боку робочого циліндра 3 і в тому ж напрямку сила стискання пружини 4. У разі, коли точка або лінія контакту кулачка 8 із стаканом 7 співпадає з віссю клапана, сумарна сила передається тільки на вісь повертання кулачка і сприймається цією віссю, або кулачковим валом завдяки тому, що вісь клапана перетинає вісь повертання кулачка. В цьому разі електромагнітна сила електромагніта 12 для утримання клапана в закритому положенні теоретично може дорівнювати нулю. Коли точка або лінія контакту кулачка 8 із стаканом 7 зміщена на відстань є від осі клапана, сумарна сила буде сприйматися віссю кулачка і утворювати момент відносно неї проти годинникової стрілки із плечем е. Цей момент компенсується протилежним моментом, який утворює електромагнітна сила електромагніта 12 із плечем, який дорівнює відстані від осі електромагніта до осі повертання кулачка. При цьому величина електромагнітної сили електромагніта для утримання клапана в закритому положенні буде менше сумарної сили тиску газів і пружини на величину, яка визначається відношенням відстані від осі електромагніта до осі повертання кулачка до відстані е. Відкриття клапана відбувається коли на обмотку електромагніта 12 подають електричний струм зворотного напрямку. Стержень 11 електромагніта разом із якорем 13 змішується вліво і завдяки шарнірному поєднанню його із хвостовиком 10 повертає кулачок 8. Під дією сили пружини 4 клапан починає відкриватися і впродовж усього процесу відкриття контактує своїм напрямним стаканом 7 з профільованою поверхнею кулачка 8, завдяки чому забезпечується потрібний закон відкриття клапана. В більшості двигунів в момент відкривання впускних і випускних клапанів тиск газів на їх головку з боку робочого циліндра перевищує тиск газів з боку впускного або випускного каналів клапанів. Тому в момент відкриття клапанів, як впускних так і випускних, що відкриваються у бік 3 UA 112496 C2 5 10 15 20 25 головки циліндра, на них в напрямку відкривання крім сили стиснутої пружини 4 діє сила тиску газів з боку циліндра. Таким чином, зміщення точки або лінії контакту кулачка 8 із стаканом 7 на відстань е від осі клапана у бік електромагніта може дозволяти проводити відкривання клапана шляхом знеструмлення електромагніта 12. У цьому разі поворот кулачка 8 і відкривання клапана буде відбуватися тільки за рахунок сили стискання пружини 4 і сили тиску газів. Виняток можуть ставити тільки впускні клапани двигунів з наддуванням, у яких в момент початку їх відкривання тиск газів на головку клапана з боку впускного каналу перевищує тиск газів з боку циліндра. Висота підняття клапана 1, кут повертання кулачка 8 і переміщення стержня 11 електромагніта обмежуються обмежувачем 15 на кінці стержня 11, який в кінці відкриття клапана упирається в корпус електромагніта 12 (фіг. 2). Виконання обмежувача 15, наприклад, у вигляді пружної шайби дозволяє знизити динамічні навантаження на деталі привода і шумність його роботи під час відкриття клапана. Закриття клапана відбувається за рахунок подачі на обмотку електромагніта 12 напруги з електричним струмом в напрямку втягування його стержня 11 і за законом, за яким спрофільована робоча поверхня кулачка 8, що контактує із напрямним стаканом 7 клапана. Допустима швидкість посадки клапана 1 на своє сідло забезпечується профілем робочої поверхні кулачка 8 и кінцевою силою стискання пружини 4. Оскільки величина сили попереднього стискання пружини 4 клапана у відкритому його стані може дорівнювати нулю або бути близької до нуля, а в кінці закриття клапана може не перевищувати 0,2 кН, потужність, яку споживає електромагніт на закриття клапана буде невеликою. Таким чином, запропонований електромеханічний привід дозволяє здійснювати відкриття, закриття і утримання в закритому положенні впускних і випускних клапанів двигуна внутрішнього згоряння, які відкриваються у бік головки циліндра. При цьому забезпечується зменшення габаритів електромагніта за рахунок зниження його потужності на утримання клапана в закритому положенні, на його відкриття і закриття, зменшення енергоспоживання на привід клапана, зменшення висоти двигуна, а також потрібний закон відкриття і закриття клапана. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 Електромеханічний привід клапана двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається у бік головки, який містить електромагніт із якорем і якірним стержнем, а також пружину стискання, розташовану співвісно до стержня клапана, який відрізняється тим, що стержень клапана через днище напрямного стакана, в якому розміщена пружина стискання, контактує з кулачком по його профільованій поверхні, встановленим з можливістю повертатися навколо осі, що перетинає вісь стержня клапана під прямим кутом, з протилежного профільованій поверхні боку, кулачок має хвостовик, який шарнірно пов'язаний з якірним стержнем електромагніта соленоїдного типу, вісь якого перпендикулярна до осі стержня клапана, точка або лінія контакту кулачка із днищем напрямного стакана клапана в закритому його положенні або співпадає з віссю клапана, або зміщена відносно неї у бік електромагніта на відстань, визначену потрібною силою електромагніта для утримання клапана в закритому положенні. 4 UA 112496 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5