RU2153082C2 - Internal combustion engine valve hydraulic drive - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; transport and industrial engines. SUBSTANCE: hydraulic drive has hydraulic pump and pressure accumulator, pressure and return main lines placed in communication in turn with slave hydraulic cylinder by spool distributor controlled by electromagnetic. Piston of slave hydraulic cylinder acts onto valve of internal combustion engine to open the valve. To preclude impact contact of valve with piston of internal combustion engine at operation irregularities in drive control system, additional plunger-spool is provided which is moved by cam camshaft ensuring synchronous operation of valve and crank-and-connecting rod mechanisms. Damping chamber formed by ring recess in hydraulic cylinder and ring projection on its piston provides definite limitation of valve maximum lift smooth seating of valve on its seat. EFFECT: improved characteristics of internal combustion engines. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к клапанным механизмам газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС), обладающим возможностью перенастройки фаз газораспределения. The invention relates to the field of engine construction, in particular to valve timing of internal combustion engines (ICE), with the ability to reconfigure the valve timing.

Известны гидравлические приводы клапанов ДВС [1-14], содержащие индивидуальные гидроцилиндры с установленными в них рабочими поршнями, оказывающими силовое воздействие непосредственно на стержень клапана ДВС, приводимыми в действие гидравлическими устройствами, создающими давление рабочей жидкости на рабочий поршень, с электромагнитными и гидромеханическими элементами управления. Known hydraulic valve actuators of internal combustion engines [1-14], containing individual hydraulic cylinders with working pistons installed in them, exerting a force on the valve stem of the internal combustion engine, driven by hydraulic devices that create a working fluid pressure on the working piston, with electromagnetic and hydromechanical control elements .

В этих устройствах не обеспечен достаточный уровень безотказности, поскольку максимальное перемещение рабочего поршня вместе с клапаном ДВС, определяемое соотношением усилия клапанной пружины и кинетической энергии подвижных частей, не является постоянным и может вызвать недопустимую перегрузку клапанной пружины и избыточный подъем клапана. Кроме этого, не в полной мере достигается эффективность рабочего процесса ДВС, поскольку не предусматривается изменение фаз газораспределения в достаточно широких пределах. In these devices, a sufficient level of reliability is not provided, since the maximum movement of the working piston together with the internal combustion engine valve, determined by the ratio of the valve spring force and the kinetic energy of the moving parts, is not constant and can cause unacceptable valve spring overload and excessive valve lift. In addition, the efficiency of the internal combustion engine working process is not fully achieved, since it is not envisaged to change the gas distribution phases within wide enough limits.

Известен гидравлический привод клапанов ДВС [15], содержащий резервуар с рабочей жидкостью, гидронасос с редукционным клапаном, аккумулятор давления, сообщающийся с напорной магистралью, сливную магистраль, управляемый электромагнитом подпружиненный золотник-распределитель и гидроцилиндр с рабочим поршнем, находящимся в контакте с клапаном ДВС. Known hydraulic valve actuator ICE [15], containing a reservoir with a working fluid, a hydraulic pump with a pressure reducing valve, a pressure accumulator communicating with the pressure line, a drain line, an electrically driven spring-operated spool valve and a hydraulic cylinder with a working piston in contact with the ICE valve.

Однако указанный привод также не обладает требуемой безотказностью и долговечностью. В нем не предусмотрено четкого ограничения максимального хода рабочего поршня в пределах допустимой нагрузки на клапанную пружину. Не обеспечивается надежной синхронизации перемещения клапанов с работой кривошипно-шатунного механизма (КШМ). При возможных сбоях в работе электромагнитов и золотников-распределителей возможны зависание клапана и его ударный контакт с поршнем ДВС в верхней мертвой точке (ВМТ). Устройство не обеспечивает также плавной безударной посадки клапанов в свои седла. However, the specified drive also does not have the required reliability and durability. It does not provide for a clear limitation of the maximum stroke of the working piston within the permissible load on the valve spring. Reliable synchronization of valve movement with the operation of the crank mechanism (KShM) is not provided. In case of possible malfunctions in the operation of electromagnets and valve spools, the valve may freeze and its shock contact with the internal combustion engine piston at top dead center (TDC). The device also does not provide a smooth, shock-free landing of valves in their seats.

Технической задачей изобретения является повышение безотказности работы гидравлического привода клапанов ДВС при регулируемой продолжительности открытого состояния клапанов путем ограничения максимального хода рабочего поршня, надежного обеспечения синхронности перемещения клапана и работы КШМ, исключающей ударный контакт клапанов с поршнем, а также повышение долговечности механизма за счет достижения плавной безударной посадки клапана в свое седло. An object of the invention is to increase the uptime of the hydraulic drive of the internal combustion engine valves with adjustable duration of the open state of the valves by limiting the maximum stroke of the working piston, reliably ensuring synchronized movement of the valve and the operation of the crankshaft, eliminating the impact contact of the valves with the piston, and also increasing the durability of the mechanism by achieving a smooth shock-free landing the valve in its seat.

Технический результат достигается тем, что в устройство "Гидравлический привод клапанов ДВС", содержащий резервуар с рабочей жидкостью, гидронасос с редукционным клапаном, аккумулятор давления, сообщающийся с напорной магистралью, сливную магистраль, управляемый электромагнитом подпружиненный золотник-распределитель и гидроцилиндр с рабочим поршнем, находящимся в контакте с клапаном ДВС, в напорную и сливную магистрали дополнительно встроен подпружиненный плунжер-золотник, опирающийся на кулачок распределительного вала ДВС. The technical result is achieved by the fact that in the device "Hydraulic valve actuator" containing a reservoir with a working fluid, a hydraulic pump with a pressure reducing valve, a pressure accumulator in communication with the pressure line, a drain line, an electromagnet controlled electromagnet, a spring-loaded spool and a hydraulic cylinder with a working piston located In contact with the internal combustion engine valve, a spring-loaded spool-plunger, based on the cam of the internal combustion engine camshaft, is additionally integrated in the pressure and drain lines.

Кроме этого на внутренней поверхности гидроцилиндра выполнена кольцевая выточка, а на наружной поверхности рабочего поршня в ее центральной части образован кольцевой поясок, наружный диаметр которого равен большему диаметру кольцевой выточки гидроцилиндра. Высота последней равна сумме высоты кольцевого пояска на поршне и максимального хода клапана ДВС, причем в верхней и нижней частях кольцевой выточки гидроцилиндра выполнены каналы диаметром, равным части хода клапана ДВС, сообщающиеся со сливной магистралью. In addition, an annular undercut is made on the inner surface of the hydraulic cylinder, and an annular girdle is formed on the outer surface of the working piston in its central part, the outer diameter of which is equal to the larger diameter of the annular undercut of the hydraulic cylinder. The height of the latter is equal to the sum of the height of the annular zone on the piston and the maximum stroke of the ICE valve, with channels with a diameter equal to the part of the ICE valve stroke communicating with the drain line in the upper and lower parts of the annular groove of the hydraulic cylinder.

В стенке рабочего поршня по обе стороны от кольцевого пояска на расстоянии, соответствующем максимальному ходу клапана ДВС, образованы по меньшей мере по одному дросселирующему отверстию. At least one throttling hole is formed in the wall of the working piston on both sides of the annular girdle at a distance corresponding to the maximum stroke of the ICE valve.

На чертеже представлен гидравлический привод клапана ДВС, содержащий резервуар 3 с запасом рабочей жидкости, гидронасос 2 с редукционным клапаном 3, аккумулятор давления 4, который сообщается с напорной магистралью 5, сливную магистраль 6, соединенную с резервуаром 1, управляемый электромагнитом 7 золотник-распределитель 8, гидроцилиндр 9, в котором установлен рабочий поршень 10, находящийся в контакте с клапаном 31. The drawing shows a hydraulic valve actuator of the internal combustion engine, containing a reservoir 3 with a supply of working fluid, a hydraulic pump 2 with a pressure reducing valve 3, a pressure accumulator 4 that communicates with a pressure line 5, a drain line 6 connected to the tank 1, controlled by an electromagnet 7, a spool distributor 8 , a hydraulic cylinder 9 in which a working piston 10 is mounted in contact with the valve 31.

На наружной поверхности рабочего поршня образован кольцевой поясок 12, а на внутренней поверхности гидроцилиндра выполнена кольцевая выточка 13, причем в верхней и нижней частях кольцевой выточки гидроцилиндра выполнены каналы 14, сообщающие ее со сливной магистралью 6. В стенке пустотелого рабочего поршня 10 имеются дросселирующие отверстия 15. An annular belt 12 is formed on the outer surface of the working piston, and an annular undercut 13 is made on the inner surface of the hydraulic cylinder, and channels 14 are made in the upper and lower parts of the annular undercut of the hydraulic cylinder, communicating it with the drain line 6. There are throttling holes 15 in the wall of the hollow working piston 10 .

Напорная 5 и сливная 6 магистрали подключены к подпружиненному плунжеру-золотнику 16, опирающемуся на кулачок распределительного вала 17, имеющего жесткую кинематическую связь с коленчатым валом ДВС. Клапан ДВС 11 имеет пружину 18. Pressure 5 and drain 6 lines are connected to a spring-loaded plunger-spool 16, based on the cam of the camshaft 17, which has a rigid kinematic connection with the crankshaft of the ICE. The valve of the engine 11 has a spring 18.

Гидравлический привод клапанов ДВС работает следующим образом. The hydraulic valve drive of the internal combustion engine operates as follows.

Приводимый от ДВС гидронасос 2 закачивает рабочую жидкость из резервуара 1 в аккумулятор давления 4, максимальное давление в котором поддерживается редукционным клапаном 3. При этом выход жидкости из аккумулятора давления 4 к золотнику-распределителю 8 перекрывается подпружиненным плунжером-золотником 16, а выточка на плунжере-золотнике обеспечивает сообщение полости гидроцилиндра 9 со сливной магистралью 6, в связи с чем пружина 18 удерживает клапан 11 в закрытом состоянии. При набегании кулачка распределительного вала 17 на плунжер-золотник 16 последний перекрывает один из выходов жидкости из гидроцилиндра 9 в сливную магистраль 6, и золотник-распределитель 8 сообщается с аккумулятором давления 4 через напорную магистраль 5. При подаче синхронизированного с положением КШМ электропитания в обмотку электромагнита 7, золотник-распределитель 8 полностью изолирует гидроцилиндр 9 от сливной магистрали 6 и соединяет его только с напорной магистралью 5, в которую подана жидкость из аккумулятора давления 4. Под действием давления жидкости рабочий поршень 10 перемещается и, воздействуя на клапан 11, открывает его. При этом рабочая жидкость через дросселирующие отверстия 15 заполняет полости между кольцевым пояском 12 на рабочем поршне и кольцевой выточкой 13 в гидроцилиндре 9. В связи с тем, что эти полости сообщаются со сливной магистралью через каналы 14, диаметр которых существенно больше диаметра дросселирующих отверстий 15, то давление в этих полостях остается близким к давлению в сливной магистрали и не препятствует перемещению рабочего поршня. The hydraulic pump 2 from the internal combustion engine pumps the working fluid from the reservoir 1 into a pressure accumulator 4, the maximum pressure of which is supported by a pressure reducing valve 3. At the same time, the fluid outlet from the pressure accumulator 4 to the spool 8 is blocked by a spring-loaded spool 16, and the recess on the plunger the spool provides communication of the cavity of the hydraulic cylinder 9 with the drain line 6, in connection with which the spring 18 holds the valve 11 in the closed state. When the camshaft cam 17 runs onto the spool plunger 16, the latter closes one of the fluid outlets from the hydraulic cylinder 9 to the drain line 6, and the spool valve 8 communicates with the pressure accumulator 4 through the pressure line 5. When a power supply synchronized with the position of the crankshaft is supplied to the electromagnet winding 7, the spool valve 8 completely isolates the hydraulic cylinder 9 from the drain line 6 and connects it only to the pressure line 5, into which liquid is supplied from the pressure accumulator 4. Under action m liquid pressure working piston 10 moves and acting on the valve 11 opens it. In this case, the working fluid through the throttling holes 15 fills the cavities between the annular belt 12 on the working piston and the annular recess 13 in the hydraulic cylinder 9. Due to the fact that these cavities communicate with the drain line through channels 14, the diameter of which is significantly larger than the diameter of the throttling holes 15, the pressure in these cavities remains close to the pressure in the drain line and does not impede the movement of the working piston.

При прекращении электропитания электромагнита 7 подпружиненный золотник-распределитель 8 перекрывает подачу высокого давления в гидроцилиндр 9 и сообщает его со сливной магистралью 6. Рабочий поршень 10 вместе с клапаном 11 продолжает двигаться по инерции, за счет чего перекрывается нижнее дросселирующее отверстие 15, а кольцевой поясок 12 начинает перекрывать каналы 14. Последнее вызывает интенсивное повышение давления в полости кольцевой выточки 13, оказывающее демпфирующее действие на подвижные массы и определяющее плавное, но четкое ограничение максимального перемещения рабочего поршня в установленных пределах. When the power supply to the electromagnet 7 ceases, the spring-loaded spool valve 8 shuts off the high pressure supply to the hydraulic cylinder 9 and communicates with the drain line 6. The working piston 10 together with the valve 11 continues to move by inertia, thereby closing the lower throttling hole 15, and the annular belt 12 begins to block the channels 14. The latter causes an intense increase in pressure in the cavity of the annular groove 13, which has a damping effect on the moving masses and determines a smooth but clear ogre a bounded maximum displacement of the working piston within specified limits.

После гашения кинетической энергии подвижных масс и остановки клапана 11 пружина 18 обеспечивает возвратное его движение, вытесняя рабочую жидкость через золотник-распределитель 8 в сливную магистраль 6. При этом нарастающее сопротивление выходу жидкости из уменьшающего объема верхней демпфирующей полости кольцевой выточки гидроцилиндра, обусловленное перекрытием каналов 14, вызывает рост давления в ней и обеспечивает плавную безударную посадку клапана 11 в свое седло. After quenching the kinetic energy of the moving masses and stopping the valve 11, the spring 18 provides its return movement, displacing the working fluid through the spool valve 8 into the drain line 6. At the same time, the growing resistance to liquid exit from the decreasing volume of the upper damping cavity of the hydraulic cylinder annular undercut due to channel overlap 14 , causes an increase in pressure in it and ensures a smooth, shock-free fit of valve 11 into its seat.

На завершающей стадии работы привода кулачок повернувшегося распределительного вала 17 дает возможность подпружиненному плунжеру-золотнику 16 переместиться вниз, что обеспечивает перекрытие напорной магистрали 5 и сообщение полости гидроцилиндра 9 со сливной магистралью 6, определяющее гарантированную посадку клапана 11 в свое седло. At the final stage of the drive operation, the cam of the turned camshaft 17 allows the spring-loaded piston-spool 16 to move downward, which ensures the pressure line 5 is closed and the cavity of the hydraulic cylinder 9 communicates with the drain line 6, which determines the guaranteed fit of valve 11 into its seat.

В данном приводе открывание клапана 11 осуществляется только при одновременном открытии прохода жидкости по напорной магистрали 5 в гидроцилиндр 9 плунжером-золотником 16 и золотником-распределителем 8, т. е. по логической схеме И. В то же время посадка клапана определяется использованием принципа ИЛИ, т. е. по сигналу любого из управляющих элементов - золотника-распределителя 8 или плунжера- золотника 16. Нормально продолжительность открытого состояния клапана 11 определяется моментом прекращения электропитания электромагнита 7, синхронизированным с положением КШМ, и возвращением золотника-распределителя 8 в исходное положение, при котором гидроцилиндр 9 сообщается со сливной магистралью 6. В случае, если срабатывание золотника-распределителя запаздывает, то сообщение гидроцилиндра 9 со сливной магистралью происходит за счет плунжера-золотника 16, жестко управляемого профилем кулачка распределительного вала 17. In this actuator, the valve 11 is opened only when the fluid passage through the pressure line 5 is simultaneously opened to the hydraulic cylinder 9 with a slide valve 16 and a distributor valve 8, i.e., according to logic I. At the same time, valve seating is determined using the OR principle, that is, by the signal of any of the control elements — the spool valve 8 or the plunger valve 16. Normally, the duration of the open state of the valve 11 is determined by the moment of power failure of the electromagnet 7, synchronized connected with the position of the crankshaft, and the return of the spool valve 8 to its original position, in which the hydraulic cylinder 9 communicates with the drain line 6. In the event that the spool valve is delayed, the message of the hydraulic cylinder 9 with the drain line is due to the plunger-spool 16, rigidly cam profile camshaft 17.

Вследствие этого механизм обеспечивает возможность изменения продолжительности открытого состояния клапана в широком диапазоне углов поворота коленчатого вала за счет варьирования моментом подачи напряжения на электромагнит 7, но в пределах, допустимых по условиям исключения ударного контакта 11 с поршнем ДВС и нарушения качества газообмена. Эти пределы задаются профилем и угловым положением кулачка 17. As a result of this, the mechanism makes it possible to change the duration of the valve’s open state in a wide range of angles of rotation of the crankshaft by varying the moment of voltage supply to the electromagnet 7, but within the limits allowed under the conditions of exclusion of shock contact 11 with the ICE piston and impaired gas exchange quality. These limits are set by the profile and angular position of the cam 17.

Таким образом, предлагаемый привод обеспечивает повышение эффективности ДВС за счет оптимального управления фазами газораспределения в широком поле эксплуатационных режимов, повышения его энергетических показателей при улучшении формы изменения кривой крутящего момента по внешней скоростной характеристике. В то же время четкое ограничение максимального открытия клапана, надежное обеспечение синхронности перемещения клапана и работы КШМ, исключающее ударный контакт клапана с поршнем, а также достижение плавной посадки клапана в свое седло гарантированно повысят безотказность и долговечность механизма. Thus, the proposed drive provides an increase in the efficiency of the internal combustion engine due to the optimal control of the gas distribution phases in a wide field of operating modes, increasing its energy performance while improving the shape of the change in the torque curve according to the external speed characteristic. At the same time, a clear limitation of the maximum valve opening, reliable synchronization of valve movement and KShM operation, eliminating the shock contact of the valve with the piston, as well as achieving a smooth fit of the valve in its seat, will guarantee a reliable and reliable mechanism.

ИСТОЧНИКИ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ИНФОРМАЦИИ
1. Гидравлический привод клапанов. Заявка ФРГ N 2840445, МКИ F 01 L 9/02.SOURCES OF USED INFORMATION
1. Hydraulic valve drive. Application of Germany N 2840445, MKI F 01 L 9/02.

2. Гидравлический механизм газораспределения. Заявка ФРГ N 3511820, МКИ F 01 L 9/02, F 01 L/12. 2. The hydraulic timing mechanism. Application of Germany N 3511820, MKI F 01 L 9/02, F 01 L / 12.

3. Гидромеханический привод клапанов ДВС. Заявка ФРГ N 3025664, МКИ F 01 L 9/02. 3. Hydromechanical valve drive ICE. The application of Germany N 3025664, MKI F 01 L 9/02.

4. Гидропривод газораспределительного механизма. Заявка ФРГ N 3806969, МКИ F 01 L 9/02, F 15 B 9/09. 4. The hydraulic timing mechanism. The application of Germany N 3806969, MKI F 01 L 9/02, F 15 B 9/09.

5. Гидравлический привод клапанов ДВС. Заявка ФРГ N 3815668, МКИ F 01 L 1/12, F 02 L 1/24. 5. The hydraulic valve drive of the internal combustion engine. The application of Germany N 3815668, MKI F 01 L 1/12, F 02 L 1/24.

6. Механизм газораспределения с гидравлическим приводом. Патент США N 4188925, МКИ F 01 L 9/02. 6. The timing mechanism with hydraulic drive. U.S. Patent No. 4,188,925, MKI F 01 L 9/02.

7. Гидравлический механизм привода клапанов. Патент США N 4612883, МКИ F 01 L 9/02. 7. Hydraulic valve drive mechanism. U.S. Patent No. 4,612,883, MKI F 01 L 9/02.

8. Гидравлическая система привода механизма газораспределения ДВС. Патент США N 4901684, МКИ F 01 L 1/34. 8. The hydraulic drive system of the engine timing engine. U.S. Patent No. 4,901,684, MKI F 01 L 1/34.

9. Гидравлический привод клапанов. Патент США N 4664070, МКИ F 02 D 13/04. 9. Hydraulic valve drive. U.S. Patent No. 4,664,070, MKI F 02 D 13/04.

10. Гидравлический привод клапанов ДВС. Патент США N 4724801, МКИ L 9/02. 10. The hydraulic drive of the internal combustion engine valves. U.S. Patent No. 4,724,801, MKI L 9/02.

11. Электрогидравлическое устройство управления клапанами ДВС. АС СССР N 756054, МКИ F 01 L 11/00. 11. Electro-hydraulic control device for internal combustion engine valves. AS USSR N 756054, MKI F 01 L 11/00.

12. Гидравлический привод клапана. Заявка Японии N 63111209, МКИ F 01 L 9/02. 12. Hydraulic valve actuator. Japanese application N 63111209, MKI F 01 L 9/02.

13. Механизм гидравлического привода клапанов. Заявка Японии N 63131809, МКИ F 01 L 9/02. 13. The mechanism of the hydraulic valve drive. Japanese application N 63131809, MKI F 01 L 9/02.

14. Электрогидравлическая система управления клапанами ДВС // Автомобильная промышленность.- N 3. -1996. - С. 11-12. 14. The electro-hydraulic control system of the internal combustion engine valves // Automotive industry.- N 3. -1996. - S. 11-12.

15. Гидравлический привод клапанов ДВС. Патент Великобритании N 1578019, МКИ F 01 L 9/02. 15. The hydraulic valve drive of the internal combustion engine. UK patent N 1578019, MKI F 01 L 9/02.

Claims (3)

1. Гидравлический привод клапанов ДВС, содержащий резервуар с рабочей жидкостью, гидронасос с редукционным клапаном, аккумулятор давления, сообщающийся с напорной магистралью, сливную магистраль, управляемый электромагнитом подпружиненный золотник-распределитель и гидроцилиндр с рабочим поршнем, находящимся в контакте с клапаном ДВС, отличающийся тем, что в напорную и сливную магистрали дополнительно встроен подпружиненный плунжер-золотник, опирающийся на кулачок распределительного вала ДВС. 1. The hydraulic drive of the internal combustion engine valves, comprising a reservoir with a working fluid, a hydraulic pump with a pressure reducing valve, a pressure accumulator communicating with the pressure line, a drain line, an electromagnet-controlled spring-loaded spool valve and a hydraulic cylinder with a working piston in contact with the internal combustion engine valve, characterized in that in the pressure and drain lines an additional spring-loaded plunger-spool, based on the cam of the ICE camshaft, is additionally integrated. 2. Гидравлический привод клапанов ДВС по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности гидроцилиндра выполнена кольцевая выточка, а на наружной поверхности рабочего поршня в ее центральной части образован кольцевой поясок, наружный диаметр которого равен большому диаметру кольцевой выточки гидроцилиндра, а высота последней равна сумме высоты кольцевого пояска на поршне и максимального хода клапана, причем в верхней и нижней частях кольцевой выточки гидроцилиндра выполнены каналы диаметром, равным части хода клапана ДВС, сообщающиеся со сливной магистралью. 2. The hydraulic drive of the internal combustion engine valves according to claim 1, characterized in that an annular undercut is made on the inner surface of the hydraulic cylinder, and an annular girdle is formed on the outer surface of the working piston in its central part, the outer diameter of which is equal to the large diameter of the annular undercut of the hydraulic cylinder, and the height of the latter equal to the sum of the height of the annular zone on the piston and the maximum valve stroke, and in the upper and lower parts of the annular undercut of the hydraulic cylinder channels are made with a diameter equal to the part of the engine stroke, Yeshaya with drain line. 3. Гидравлический привод клапанов ДВС по п.1, отличающийся тем, что в стенке рабочего поршня по обе стороны от кольцевого пояска на расстоянии, соответствующем максимальному ходу клапана ДВС, образованы по меньшей мере по одному дросселирующему отверстию. 3. The hydraulic drive of the internal combustion engine valves according to claim 1, characterized in that at least one throttling hole is formed in the wall of the working piston on both sides of the annular girdle at a distance corresponding to the maximum stroke of the internal combustion engine valve.