кулачковый механизм привода клапана двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

Кулачковый механизм привода клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащий кулачок и толкатель, отличающийся тем, что кулачок выполнен из двух роликов радиусами R₁ и R₂, оси которых жестко соединены, и между поверхностями роликов имеется расстояние I, рабочая поверхность толкателя имеет первый участок, выполненный в виде дуги с радиусом R₃=R ₁+2 R₂+ I с центром в точке (О; О), которая является центром ролика большего диаметра, второй участок, выполненный с радиусом R ₄, при этом R₄>R ₂ (1,01 R₂...4 R₂ ) с центром в точке, лежащей на прямой, соединяющей центры двух роликов, а угол , между этой прямой и вертикальной осью Y, проходящей через центр большого ролика кулачка, составляет 40-120°, третий участок, выполненный в виде дуги с радиусом R ₅ с центром, лежащим на оси Y, причем R ₅ R₃ и четвертый участок, представляющий собой прямую.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может применяться в двигателях внутреннего сгорания, в частности механизмах газораспределения двигателей внутреннего сгорания, когда требуется получить возвратно-вращательное или возвратно-поступательное движение ведомого звена по заданному закону.

Из Европейской заявки №0292185, кл. F01L 33/22, опубл. 1988 г. известен толкатель кулачкового механизма привода клапана ДВС, снабженный цилиндрической направляющей и рабочей поверхностью с периферийной и средней частями.

Основным недостатком такого толкателя является ограничение по скорости его подъема в зависимости от угла поворота кулачка, накладываемое диаметром рабочего торца толкателя. Обычно зона контакта кулачка, работающего в паре с таким толкателем, на участках наибольшей скорости подъема полностью не умещается в пределах рабочей поверхности толкателя и выходит на его край.

Ограничение скорости подъема толкателя приводит к ограничению наибольшего подъема клапана или к нежелательному расширению угловой фазы его открытия.

Известно устройство толкателя кулачкового механизма привода клапана двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2257479, МПК ⁷ F01L 1/14, 2004.02.16), снабженное цилиндрической направляющей и рабочей поверхностью с периферийной и средней частями, периферийная часть рабочей поверхности выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине от 140 до 170°, а средняя часть - плоской, при этом периферийная часть рабочей поверхности скруглена в месте перехода к плоской средней части.

Выполнение периферии рабочей поверхности толкателя в виде тупого усеченного конуса увеличивает допустимую скорость подъема толкателя без выхода зоны контакта кулачка на край его рабочей поверхности, что, в свою очередь, расширяет возможности оптимизации закона движения клапана с целью повышения мощности и экономичности двигателя. Скругление перехода периферийной конической части рабочей поверхности толкателя к его плоской средней части уменьшает контактные напряжения в этой зоне. Уменьшаются также потери на трение и износ кулачка, толкателя и направляющего гнезда.

К недостатку данного устройства необходимо отнести недостаточно высокие скорости отпирания клапана.

Известен также толкатель кулачкового механизма привода клапана (патент РФ №20075600, МПК⁶ F01L 1/14, 1994.01.28), имеющий граненую направляющую поверхность, предотвращающую его вращение. При этом рабочая поверхность, сопряженная с кулачком, может быть выполнена цилиндрической, что значительно расширяет возможности оптимизации профиля кулачка и газораспределения.

К недостаткам данной конструкции также необходимо отнести ограниченные скорости отпирания клапана, что связано с формой кулачка и толкателя, которые взаимодействуют по стандартной схеме.

Существующие механизмы газораспределения позволяют открывать клапан (впускной и выпускной) за 60-70° поворота распределительного вала, также за 60-70° поворота распредвала закрывается клапан (впускной и выпускной).

Период работы клапана составляет от 120 до 140° поворота распределительного вала (как впускного, так и выпускного). На современных двигателях внутреннего сгорания используют 3, 4, 5 клапанов на 1 цилиндр

(2 _впуск-1_вып (3); 2 _впуск-2_вып (4); 3 _впуск-2_вып (5).

Для повышения наполняемости цилиндра свежими потоками воздуха используют большее число впускных клапанов на 1 цилиндр.

Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) необходимо следующее:

1. Снизить сопротивления на входе. Для этого необходимо, чтобы впускной клапан отпирался быстрее обычного привода клапана, быстро запирался, а между отпиранием и запиранием находился в открытом состоянии. Это позволит понизить сопротивление на входе, что, в свою очередь, приведет к более полному наполнению цилиндра свежим притоком, что приведет к увеличению мощностных параметров.

2. Увеличить продуваемость цилиндра, что приведет к образованию в цилиндре более качественной рабочей смеси.

Продуваемость - промежуток времени, когда и впускной, и выпускной клапаны одновременно открыты (впускной - на стадии открытия, выпускной - на стадии закрытия). В этот момент свежий приток через впускной клапан будет проходить через цилиндр в выхлопную трубу. Этот эффект позволяет очищать цилиндр лучше от отработавших газов. Чем чище рабочая смесь от отработавших газов, тем более полно она сгорает, а значит, повышается КПД двигателя.

3. Уменьшить сопротивление на выходе отработавших газов, что приведет к повышению КПД двигателя.

Задачей заявляемого изобретения является повышение КПД двигателя за счет ускоренного отпирания клапанов, что обеспечивается созданием оптимальной формы поверхности кулачка и толкателя.

Поставленная цель достигается созданием таких поверхностей кулачка и толкателя, которые позволяют кулачку при незначительных поворотах переместить толкатель на значительные расстояния.

Проектирование кулачкового механизма было выполнено графическим методом, может быть выполнено по аналитическим зависимостям с применением ЭВМ.

Для этого был создан кулачек в форме двух роликов разного диаметра, оси которых жестко соединены, поверхность толкателя задается формой, которая обеспечивает взаимодействие кулачка с толкателем на участке их контакта таким образом, что перемещение толкателя начинается на участке контакта, удаленном от центра симметрии толкателя, при этом толкатель переместится на расстояние, достаточное для полного отпирания клапана.

Поставленная задача решается кулачковым механизмом привода клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащим кулачок и толкатель, отличающимся тем, что кулачок выполнен из двух роликов радиусами R₁ и R₂, оси которых жестко соединены, и между поверхностями роликов имеется расстояние l, рабочая поверхность толкателя имеет первый участок, выполненный в виде дуги с радиусом R₃=R ₁+2R₂+ l с центром в точке (О; О), которая является центром ролика большего диаметра, второй участок, выполненный с радиусом R ₄, при этом R₄>R ₂ (1,01R₂...4R₂ ) с центром в точке, лежащей на прямой, соединяющей центры двух роликов, а угол , между этой прямой и вертикальной осью Y, проходящей через центр большого ролика кулачка, составляет 40-120°, третий участок, выполненный в виде дуги с радиусом R ₅ с центром, лежащим на оси Y, причем R ₅ R₃, и четвертый участок, представляющий собой прямую.

Оси роликов кулачка жестко соединены между собой. Чем меньше радиус R₄, тем выше скорость отпирания клапана, но это условие ограничено явлением «биения».

Величина длины дуг всех четырех участков выбирается в зависимости от необходимых выходных параметров.

Длина l ₁ - не влияет на отпирание клапанов, служит для снятия «удара».

Длина l₂ - обратно пропорциональна радиусу R₄, косвенно определяет время отпирания клапана.

Длина l₃ - определяет переходную фазу (длительность открытого состояния клапана).

Длина l₄ - определяет время закрытия клапана.

На фиг.1 представлен общий вид кулачкового механизма, на фиг.2 схематично изображен кулачковый механизм со сложной поверхностью толкателя, на фиг.3 представлена работа стандартного кулачкового механизма на этапе отпирания; на фиг.4 - заявляемого; на фиг.5 представлена диаграмма фаз работы клапанов кулачковых механизмов стандартного и заявляемого.

Кулачковый механизм (см. фиг.2) состоит из кулачка, который, в свою очередь, состоит из двух роликов 1 и 2 радиусами R₁ и R ₂, оси которых жестко соединены между собой, между поверхностями роликов имеется зазор l, ролики установлены с возможностью вращения вокруг своих осей, причем ось большого ролика 1 может быть расположена на оси основного вала (распределительного вала), толкателя 3, имеющего сложную поверхность, контактирующую с кулачком. Толкатель 3 может быть выполнен в виде цилиндра и может быть прямоугольным, может быть рокерным.

При разработке контактной поверхности толкателя исходили из следующего.

Поверхность контакта толкателя 3 состоит из нескольких кривых, плавно переходящих одна в другую. Первый участок l₁, входящий в контакт с роликом 2 кулачка (меньшего радиуса R₂), выполнен в виде дуги с радиусом R₃=R ₁+2R₂+ l с центром в точке (О; О), являющейся осью вращения ролика 1 с большим диаметром и лежащей на вертикальной оси Y.

Второй участок l₂, отвечающий за отпирание клапана, выполнен с радиусом R₄, при этом R₄>R₂ (1,01R ₂...4R₂) с центром в точке, лежащей на прямой «а», соединяющей центры роликов, в положении, когда прямая «а» составляет с осью Y в третьем квадранте угол от 40 до 120° (с переходом в 4-ый квадрант).

Третий участок l₃, отвечающий за удержание клапана (переходная фаза), выполнен в виде дуги с радиусом R ₄ с центром, лежащим на оси Y, причем R ₄= от R₃ до , и может иметь обратную дугу.

Четвертый участок l₄ - «хвостовик», отвечающий за закрытие клапана, может представлять прямую или продолжение R ₅.

Все приведенные координаты задаются при проектировании, исходя из положения толкателя и роликов, изображенного на фиг.2, характеризующего начало контакта кулачка с толкателем, в первый момент контакта. Координаты упомянутых точек во время работы устройства будут меняться.

Реализация заявляемого изобретения не ограничивается приведенным частным случаем, когда центр вращения кулачка (центр ролика большего диаметра) находится на оси симметрии толкателя.

Кулачковый механизм привода клапана двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

На первом участке кулачок входит в контакт с толкателем, но не перемещает толкатель, так как высота кулачка равна радиусу первого участка R₃=R₁+2R ₂+ l и при движении кулачка по первому участку не происходит давления кулачка на поверхность толкателя.

При переходе на второй участок l₂ происходит взаимодействие ролика 2 кулачка и толкателя 3, которое обеспечивает перемещение толкателя 3 на расстояние, отпирающее клапан (впускной или выпускной) двигателя внутреннего сгорания на максимально заданное расстояние, равное 2R₂+ l.

На третьем участке при взаимодействии кулачка и толкателя происходит удержание толкателя на максимально заданном расстоянии, зависящем от 2R₂+ l.

При переходе на четвертый участок взаимодействия кулачка и толкателя толкатель перемещается в сторону запирания клапана.

Ускоренное отпирание клапана достигается тем, что зона взаимодействия кулачка и толкателя во время фазы отпирания находится на максимально удаленном расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр вращения кулачка, и имеет меньшею длину их взаимодействия, чем стандартные кулачковые механизмы.

На фиг.3 «а» и «б» представлен стандартный кулачковый механизм, состоящий из кулачка 1 и толкателя 3. На фиг.3 «а» показано начало фазы отпирания, а на фиг.3 «б» показан конец фазы отпирания.

Угол - угол поворота кулачка, при котором толкатель перемещается от начального положения до максимально заданного. Его значение равно 60-70°.

l - длина зоны взаимодействия кулачка и толкателя во время фазы отпирания.

На фиг.4 «а» и «б» представлен заявляемый кулачковый механизм, также состоящий из кулачка 1 и толкателя 3. На фиг.4 «а» показано начало фазы отпирания, а на фиг.4 «б» показан конец фазы отпирания.

Угол - угол поворота кулачка, при котором толкатель перемещается от начального положения до максимально заданного. Его значение равно 30-50°, что обеспечивает ускоренное отпирание клапана в сравнении с существующими аналогами.

l - длина зоны взаимодействия кулачка и толкателя во время фазы отпирании, которая также меньше, чем у аналогов.

На фиг.5 представлены графики, отображающие работу клапана стандартной системы 1 и заявляемого изобретения - 2.

По оси абсцисс отложены углы поворота кулачка вокруг своей оси в градусах, по оси ординат - высота подъема клапана, мм.

На графике 1 «а» - фаза отпирания клапана стандартной системы кулачкового механизма. Клапан отпирается до максимальной высоты подъема за 60-70° поворота кулачка.

1 «б» - фаза запирания клапана стандартной системы кулачкового механизма, клапан запирается за 60-70° поворота кулачка.

На графике 2 «а» - фаза отпирания клапана заявляемой системы кулачкового механизма. Клапан отпирается до максимальной высоты подъема за 30-50° поворота кулачка.

2 «в» - фаза запирания клапана заявляемой системы кулачкового механизма, клапан запирается за 30-50° поворота кулачка.

Из диаграммы видно, что фаза отпирания 2 «а» у заявляемого изобретения круче, т.е. степень отпирания (высота подъема клапана) выше за меньший угол поворота кулачка, чем у стандартного кулачкового механизма, фаза 2 «б» - фаза удержания клапана у заявляемого изобретения, которая обеспечивает удержание клапана на максимально заданном расстоянии на большом значении угла поворота кулачка - около 40°, также и при запирании клапана - фаза 2 «в» - происходит более резкое запирание, т.е. крутизна запирания клапана достаточно высокая за меньший угол поворота кулачка.

Применение заявляемого изобретения обеспечивает:

- уменьшение сопротивления на входе;

- увеличение продуваемости цилиндра;

- уменьшение сопротивления на выходе отработавших газов.

Все это приводит к повышению КПД двигателя:

- повышению мощности двигателя;

- повышению крутящего момента двигателя;

- снижению потребления топлива двигателя;

- снижению количества вредных веществ в отработавших газах.

Ускоренное отпирание клапана достигается тем, что зона взаимодействия кулачка и толкателя во время фазы отпирания находится на максимально удаленном расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр вращения кулачка, и имеет меньшею длину их взаимодействия, чем стандартные кулачковые механизмы.

Заявляемое изобретение обеспечивает эффективное управление клапанами двигателя внутреннего сгорания, создавая благоприятные условия для поступления свежей топливовоздушной смеси на впускных клапанах и удаления продуктов сгорания на выпускных клапанах.

За счет высокой степени наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом горючей смеси повышается мощность мотора.

Заявляемое изобретение просто в изготовлении, обеспечивает простой механизм повышения эффективности работы двигателя.