кулачок привода клапана

Формула изобретения

Кулачок привода клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий поверхности подъема и опускания, образованные второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и участка отрицательных значений, при этом участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений и конце участка отрицательных значений, а значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, отличающийся тем, что значения второй производной в точках стыка смежных отрезков в начальной части участка положительных значений, протяженность которой задана, по модулю максимальны также при выполнении дополнительного ограничения на производную второго порядка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в механизме газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Известен кулачок привода клапана (Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. М. Машиностроение, 1981, с. 171 185), профиль которого определяется заданным законом движения толкателя. При этом неразрывная кривая второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка состоит из одного или нескольких участков, каждый из которых описывается заданной аналитической зависимостью.

Недостатком такого кулачка является фиксированная форма кривой второй производной или ее участков значительной протяженности, что препятствует совершенствованию процессов газообмена в двигателе при ограничениях на максимальное положение значение второй производной и снижает эффективность кулачка, определяемую площадью под кривой перемещения толкателя. Кроме того, разрывность кривой третьей производной от перемещения толкателя по углу поворота кулачка в точках стыка участков отрицательно сказывается на динамических качествах клапанного привода.

Жестко заданная форма кривой второй производной на участке ее положительных значений препятствует также эффективному использования газодинамических явлений в процессе газообмена, в частности инерционного наддува. В то же время известно, что одной из особенностей развития двигателестроения в настоящее время является широкое использование газодинамических явлений во впускной и выпускной системах для повышения удельной мощности за счет увеличения коэффициента наполнения. Так для повышения эффективности инерционного наддува профиль впускных кулачков делают таким, чтобы проходное сечение впускных кулачков в первой части хода поршня было незначительным. В результате этого в цилиндре образуется разряжение 0,03 0,04 МПа. Около середины хода поршня клапан быстро открывается и воздух с большой скоростью (до 200 м/с) поступает в цилиндр.

Под действием динамического напора столба воздуха увеличиваются плотность и масса заряда, а давление в цилиндре в конце наполнения может повыситься до 0,2 МПа. Опыты, проведенные на различных четырехтактных двигателях, показали, что при использовании инерционных явлений удельная мощность двигателя повышается примерно на 25 30 при сохранении неизменным удельного расхода топлива (Д.Н.Вырубок, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. /Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. М. Машиностроение, 1983, с. 194).

Известен также кулачок клапанного привода (авт.св. СССР N 335425, кл. F 01 L 1/08, 1972), имеющий поверхность подъема и поверхность опускания, каждая из которых образована кривой второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, состоящей из участка положительных и участка отрицательных значений. При этом кривая третьей производной непрерывна в пределах участка основного движения толкателя (не включающего сбег и участок верхнего выстоя). Кроме того, с целью увеличения площади под кривой перемещения толкателя, предусмотрен его верхний выстой.

Недостатком известного кулачка привода клапана является следующее. На стыке участков движения и верхнего выстоя толкателя имеются разрывы третьей производной, что может привести к повышенным динамическим нагрузкам. Кроме того, участок положительных значений второй производной имеет жестко заданную форму, так как описывается полуволной синусоиды. Это ограничивает возможности совершенствования процессов газообмена, так как, например, увеличение площади под кривой перемещения толкателя при неизменных фазах газораспределения или сужение фаз при неизменной площади под кривой перемещения может привести к значительному росту максимального значения второй производной и повышенным динамическим нагрузкам.

Следует также отметить, что и здесь жестко заданная форма кривой второй производной на участке ее положительных значений препятствует эффективному использованию газодинамических явлений в процессе газообмена, в частности, инерционного наддува.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кулачок клапанного привода (Патент РФ N 1740711, кл. F 01 L 1/08, 1992), содержащий поверхности подъема и опускания, образованные кривой второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и участка отрицательных значений. При этом с целью повышения эффективности и снижения динамических нагрузок, участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений и конце участка отрицательных значений, а значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков.

Недостатком данного кулачка является невозможность эффективного использования в процессе газообмена газодинамических явлений, в частности, инерционного наддува. Это объясняется тем, что максимизация значений второй производной в точках стыка смежных отрезков обеспечивает быстрое открытие клапана сразу после начала его движения.

Задачей изобретения является формирование профиля кулачка, обеспечивающего повышение эффективности инерционного наддува.

Техническим результатом изобретения является ограничение перемещения клапана в начальной части хода поршня от верхней к нижней мертвой точке на такте впуска.

Это достигается тем, что у кулачка привода клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащего поверхности подъема и опускания, образованные второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и участка отрицательных значений, участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений и конце участка отрицательных значений, а значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, причем значения второй производной в точках стыка смежных отрезков в начальной части участка положительных значений, протяженность которой задана, по модулю максимальны также при выполнении дополнительного ограничения на производную второго порядка.

Данный технический результат достигнут за счет введения дополнительного по сравнению с прототипом ограничения на производную второго порядка от перемещения толкателя по углу поворота кулачка, которое действует лишь на начальной части участка положительных значений, протяженность которой задается. Это позволяет ограничить значения второй производной, а, следовательно, и перемещения толкателя на начальном участке его подъема. При этом наперед заданы величина этого дополнительного ограничения и протяженность части участка положительных значений второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, на которой упомянутое дополнительное ограничение действует.

На фиг. 1 представлена кривая второй производной s" от перемещения толкателя по углу поворота кулачка ,, образующая профиль его участка опускания; на фиг. 2 и 3 соответствующие кривые перемещения толкателя s по углу поворота кулачка и первой производной s" от перемещения толкателя по углу поворота кулачка v..

Кривая второй производной (фиг. 1) состоит из участка положительных 1, 2 и участка отрицательных 3, 4 значений. Участки 1 4 выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений 1, 2 (точка 1) и конце участка отрицательных значений 3, 4 (точка 4).

Значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, которые определены соотношением



где s⁽_i^k) производная k-го порядка (k > 2) в i-й точке стыка отрезков;

s⁽_i^k-1), s^(k-_i-1¹⁾ производные (k-1)-го порядка соответственно в i-й и (i-1)-й точках стыка отрезков;

_i, _i-1- углы поворота кулачка соответственно в i-й и (i-1)-й точках стыка отрезков.

Кроме того, на части участка положительных значений второй производной протяженностью ₁ (фиг. 1) действует дополнительное ограничение на производную второго порядка s"



Пример реализации предлагаемого технического решения. Участки положительных 1, 2 (фиг. 1) и отрицательных 3, 4 значений второй производной представляют собой кусочно-линейные функции, сформированные из отрезков пошагового с достаточно малым шагом 0,5^o по углу поворота кулачка, начиная соответственно от начала участка 1,2 положительных значений (точка 1) и конца участка 3, 4 отрицательных значений (точка 4), в которых заданы начальные условия: значения перемещения и его производных по углу поворота по (n-1) порядок включительно, где n наивысший порядок производной, на которую наложены ограничения (n 2).

В рассматриваемом примере реализации предлагаемого технического решения в точке 1 участка 1, 2 были заданы следующие начальные условия: s s" s" 0, s""" 800 мм /рад³, а в точке 4 участка 3, 4 были заданы следующие начальные условия: s 6 мм, s" 0, s" -22,5 мм/рад², s""" 0. При этом были наложены следующие ограничения на производные от перемещения толкателя по углу поворота кулачка:

-22,5 мм/рад² s" 800 мм/рад³;

-800 мм/рад³ s""" 800 мм/рад³;

-8000 мм/рад⁴ s"" 8000 мм/рад⁴.

В качестве дополнительного ограничения, действующего на участке ₁ 40^o (фиг. 1), было принято



Следует отметить, что задаваемые величины определяются индивидуально для каждого двигателя расчетным или экспериментальным путем из условия получения наибольшего коэффициента наполнения.

Максимизация площади под кривой перемещения толкателя достигается путем максимизации модулей значений второй производной в точках стыка отрезков на участке положительных 1, 2 и участке отрицательных 3, 4 значений второй производной с учетом ограничений на производные второго и более высоких порядков, вычисленных по приведенным соотношениям, а также вышеприведенного ограничения на вторую производную на заданной части участка положительных значений второй производной. При этом значения скорости и перемещения толкателя в точках стыка смежных отрезков определяются путем численного интегрирования таблично заданных функций соответственно ускорения и скорости.

Из сказанного следует, что формирование профиля кулачка аналогично используемому в прототипе и отличается только учетом на части участка положительных значений второй производной, протяженность которой задана, дополнительного ограничения на вторую производную от перемещения толкателя по углу поворота кулачка.

На фиг. 2 и 3 видно, что действующее в диапазоне изменения угла поворота кулачка от -92,5 до -52,5^o дополнительное ограничение на вторую производную приводит к незначительному перемещению толкателя, и, следовательно, впускного клапана, в первой части хода поршня. Затем клапан быстро открывается, что способствует, как было указано выше, повышению эффективности инерционного наддува.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:

средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроении;

для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных средств и методов;

средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.