RU2157896C2

RU2157896C2 - Device for control of valve timing

Info

Publication number: RU2157896C2
Application number: RU98123276A
Authority: RU
Inventors: В.В. Синица
Original assignee: Синица Владислав Владимирович
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: manufacture of engines; manufacture of four-stroke engines with drive of valve gear via rocker arms (BA3-2101 to 07). SUBSTANCE: proposed device has housing, bush, spring-loaded rod with shut-off valve; edge of rod are rounded-off and diaphragm and flexible filler are additionally mounted in high-pressure area. Proposed construction of hydraulic supports of valve gear rocker arms makes it possible to use camshafts with "wide" valve timing for higher power at high speed of engine without impairing engine parameters at idling. Valve timing and valve lift are controlled smoothly at rise of rotational speed of crankshaft (pressure of oil in lubrication system) due to pliability of hydraulic support rod (hydraulic compensator) at low speed and its immobility at high speed. Device is self-adjustable for definite sizes of valve gear irrespective of their wear and thermal expansion, as well as irrespective of viscosity characteristics of oil. EFFECT: enhanced efficiency and reliability. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использована на четырехтактных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в частности на двигателях с приводом клапанов через коромысла (ВАЗ 2101...07). The invention relates to the field of engine building and can be used on four-stroke internal combustion engines (ICE), in particular on engines with valve drive through rocker arms (VAZ 2101 ... 07).

Известен герметично закрытый гидравлический компенсатор зазора (заявка Японии N 3-50085, F 01 L 1/24, ИСМ N 12, 92 г., B-64, стр. 24), состоящий из корпуса, плунжера, запорного клапана и диафрагмы, а также легко сжимающихся упругих элементов, размещенных в области низкого давления для компенсации объема масла и герметизации. Known hermetically sealed hydraulic gap compensator (Japanese application N 3-50085, F 01 L 1/24, ISM N 12, 92, B-64, p. 24), consisting of a housing, a plunger, a shut-off valve and a diaphragm, and also easily compressible elastic elements placed in the low pressure region to compensate for the oil volume and sealing.

Данное устройство не имеет возможности плавной регулировки фаз газораспределения (ФГР). This device does not have the ability to continuously adjust the valve timing (FGR).

Известно устройство для изменения ФГР в процессе работы двигателя (Свидетельство на полезную модель N 5211 от 16 октября 1997 г.), состоящее из корпуса, втулки, подпружиненного штока с запорным клапаном и дополнительным дренажным отверстием, которое может быть перекрыто плавающей подпружиненной шайбой в различные моменты времени в зависимости от давления масла в магистрали смазки двигателя. A device is known for changing the FRG during engine operation (Certificate for Utility Model N 5211 of October 16, 1997), consisting of a body, a sleeve, a spring-loaded stem with a shut-off valve and an additional drain hole that can be blocked by a floating spring-loaded washer at various times time depending on the oil pressure in the engine lubrication line.

Недостатком этого устройства является необходимость установки первоначального положения плавающей шайбы с помощью регулировочных шайб для каждого клапана в отдельности, т.к. имеется большой разброс технологических допусков на изготовление деталей клапанного механизма. Все это приводит к увеличению трудоемкости сборки двигателей с такими устройствами, особенно в условиях конвейерного производства. The disadvantage of this device is the need to set the initial position of the floating washer using shims for each valve separately, because There is a wide range of technological tolerances for the manufacture of valve mechanism parts. All this leads to an increase in the complexity of assembling engines with such devices, especially in the conditions of conveyor production.

Известно устройство для компенсации зазоров клапанов (заявка Германии N 3935027, ИСМ вып. 64, N 4, 1992 г., стр. 22), состоящее из корпуса, втулки, главного подпружиненного штока с запорным клапаном и дополнительного поршня с пружиной, сжатие которой ограничено концевым упором на втулке для дополни тельного поршня (прототип). A device for compensating valve clearances (German application N 3935027, ISM issue 64, N 4, 1992, p. 22) is known, consisting of a housing, a sleeve, a main spring-loaded rod with a shut-off valve and an additional piston with a spring, the compression of which is limited end stop on the sleeve for an additional piston (prototype).

Недостатком данного устройства является необходимость обеспечения особой точности изготовления дополнительного поршня в виду возможной разгерметизации области высокого давления, а также его возможный перекос и наличие стука об упор. The disadvantage of this device is the need for special precision manufacturing of an additional piston in view of the possible depressurization of the high-pressure region, as well as its possible distortion and the presence of a knock on the stop.

Поставлена задача создать устройство для изменения ФГР, не зависящее от вязкостных характеристик масла, с целью унификации деталей, упрощения конструкции и обеспечения герметичности области высокого давления. The task is to create a device for changing the FGR, independent of the viscosity characteristics of the oil, in order to unify the parts, simplify the design and ensure the tightness of the high-pressure region.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройстве для регулировки ФГР, состоящем из корпуса, втулки, подпружиненного штока с запорным клапаном согласно изобретению кромки штока выполнены скругленными, а в области высокого давления дополнительно установлена мембрана и упругий элемент-заполнитель. This goal is achieved due to the fact that in the device for adjusting the FRG, consisting of a housing, a sleeve, a spring-loaded rod with a shut-off valve according to the invention, the stem edges are rounded, and a membrane and an elastic filler are additionally installed in the high-pressure region.

При этом мембрана выполнена в виде пакета, а легко сжимающийся упругий элемент заполняет весь рабочий объем; рабочая область ограничена мембраной и формообразующим донышком и сообщается с внешней средой. In this case, the membrane is made in the form of a package, and an easily compressible elastic element fills the entire working volume; the working area is limited by a membrane and the forming bottom and communicates with the external environment.

Данное устройство представлено на фиг. 1, 2. This device is shown in FIG. 12.

Устройство для регулировки ФГР состоит из втулки 1, которая установлена в корпус двигателя 2. Через эластичную герметизирующую прокладку 3 к корпусу двигателя 2 прижат корпус 4 устройства для регулировки ФГР за счет передачи усилия от втулки 1 через уплотнительное кольцо 5 и стопорную пластину 6. Внутри втулки 1 размещен шток 7 с шаровой опорой под рокер газораспределительного механизма (не показан). Нижние кромки штока 7 имеют скругленные кромки для устранения заклинивания. The device for adjusting the FRG consists of a sleeve 1, which is installed in the engine housing 2. Through an elastic sealing gasket 3 to the engine body 2, the housing 4 of the device for adjusting the FRG is pressed by transmitting force from the sleeve 1 through the o-ring 5 and the locking plate 6. Inside the sleeve 1 there is a rod 7 with a ball bearing under a rocker of a gas distribution mechanism (not shown). The lower edges of the stem 7 have rounded edges to eliminate jamming.

Запорный шарик 8 поджат к седлу клапана на уступе штока 7 пружинкой 9, опирающейся на стаканчик 10, который в свою очередь прижат к уступу штока 7 силовой пружиной 11. В совокупности запорный шарик 8, пружинка 9 и стаканчик 10 вместе образуют запорный клапан, хотя его конструкция может быть и любой другой. The locking ball 8 is pressed against the valve seat on the ledge of the rod 7 by a spring 9 resting on the cup 10, which in turn is pressed against the ledge of the rod 7 by the power spring 11. Together, the locking ball 8, the spring 9 and the cup 10 together form a shutoff valve, although it the design can be any other.

Уплотнитель 12 герметизирует область высокого давления в стыке между втулкой 1 и мембраной 13, которая в свою очередь поджата к донышку 14, а также уплотнитель 12 амортизирует посадку штока 7 на мембрану 13. Мембрана 13 необходима для создания и регулирования рабочего объема между ней и донышком 14, что достигается первоначальной ее деформацией и изготовлением, например, в виде пакета мембран. Рабочий объем может быть заполнен маслом и(или) легко сжимающимися упругими элементами. Донышко 14 имеет отверстия и сообщается с внешней средой через масло-подводящее отверстие в корпусе двигателя 2 и жиклер 15, который может быть нужен для создания гидравлического сопротивления посадке мембраны 13 на донышко 14. Маслоподводящее отверстие выполнено таким образом, чтобы обеспечивать надежный доступ масла в рабочую область, т.е. сообщается с системой смазки двигателя (через дополнительные трубочки аналогично корпусу 4 устройства) либо просверлено в углублении головки блока, и его объем по крайней мере равен объему вытесняемого масла из рабочей области. Заполнитель 16 располагается в рабочей области между мембраной 13 и донышком 14 для коррекции данного объема, амортизации стука и создания дополнительного упругого усилия. Заполнитель 16 может занимать весь рабочий объем, если он будет выполнен в виде легко сжимающихся упругих элементов. В случае обеспечения рабочего объема технологией сверления отверстия в корпусе двигателя 2 под втулку 1, то надобность в донышке 14 отпадает. The seal 12 seals the high pressure area at the junction between the sleeve 1 and the membrane 13, which in turn is pressed against the bottom 14, and the seal 12 absorbs the landing of the rod 7 on the membrane 13. The membrane 13 is necessary to create and control the working volume between it and the bottom 14 , which is achieved by its initial deformation and manufacture, for example, in the form of a package of membranes. The working volume can be filled with oil and (or) easily compressible elastic elements. The bottom 14 has openings and communicates with the external environment through the oil-inlet hole in the engine housing 2 and the nozzle 15, which may be needed to create hydraulic resistance to the membrane 13 landing on the bottom 14. The oil-supply hole is made in such a way as to ensure reliable access of oil to the working region i.e. communicates with the engine lubrication system (through additional tubes similarly to the housing 4 of the device) or drilled in the recess of the head of the unit, and its volume is at least equal to the volume of the displaced oil from the working area. The filler 16 is located in the working area between the membrane 13 and the bottom 14 to correct this volume, shock absorption and create additional elastic force. Aggregate 16 may occupy the entire working volume if it is made in the form of easily compressible elastic elements. If the working volume is provided with the technology of drilling holes in the motor housing 2 under the sleeve 1, then the need for the bottom 14 disappears.

Необходимость в формообразующем донышке 13 может быть обусловлена:
а) строгим обеспечением величины утопания Δh_шт штока 7 устройства (и пропорционального ему снижения подъема клапана ГРМ), которое определяется из соотношения Δh_шт= V_раб/πr², где r - радиус штока 7; V_раб - объем, ограниченный мембраной 13 и формообразующим донышком 14. Таким образом, упрощается модернизация устройства под различные виды двигателей, распределительных валов и др., когда варьируемым элементом является только формообразующее донышко 14;
б) технологией изготовления формообразующего донышка 14 вместе с заполнителем 16, а так же его удержанием в заданном объеме, чтобы не допустить попадания заполнителя 16 в систему смазки двигателя и перекрытия маслоподводящего отверстия;
в) оптимизацией прогиба мембраны 13 без критических точек пластической деформации.The need for a shaping bottom 13 may be due to:
a) strict provision for the value of the drowning Δh _pc rod 7 of the device (and the proportional decrease in the timing valve lift), which is determined from the ratio Δh _pc = V _slave / πr ² , where r is the radius of the rod 7; V _slave is the volume limited by the membrane 13 and the forming bottom 14. Thus, the modernization of the device for various types of engines, camshafts, etc., when the variable element is only the forming bottom 14, is simplified;
b) the manufacturing technology of the forming bottom 14 together with the aggregate 16, as well as its retention in a given volume, to prevent the aggregate 16 from getting into the engine lubrication system and overlapping the oil supply opening;
c) optimization of the deflection of the membrane 13 without critical points of plastic deformation.

Маслоподводящее отверстие служит для обеспечения надежного доступа масла в рабочую область и поддержания разности давлений в рабочей области и области высокого давления для де формирования мембраны 13. Чтобы самортизировать посадку мембраны 13 на дно рабочей области и тем самым снизить ее износ и производимый шум предусмотрен жиклер 15, который будет также необходим в случае разгерметизации области высокого давления для создания сопротивления проистекающему маслу. The oil-supplying hole serves to ensure reliable access of oil to the working area and to maintain the pressure difference in the working area and the high-pressure area for deforming the membrane 13. In order to depreciate the fit of the membrane 13 to the bottom of the working area and thereby reduce its wear and noise, a nozzle 15 is provided, which will also be necessary in case of depressurization of the high pressure region to create resistance to the leaking oil.

Работа устройства для регулировки ФГР основана на изменении давления масла в системе смазки двигателя от 0,5 атм при запуске до 3..4,5 атм при максимальных оборотах коленчатого вала двигателя, а также на изменении абсолютных скоростей движения механизмов. The operation of the device for adjusting the FGR is based on a change in the oil pressure in the engine lubrication system from 0.5 atm at start up to 3..4.5 atm at maximum engine crankshaft speed, as well as on a change in the absolute speeds of the mechanisms.

Давление масла подводится от системы смазки распределительного вала через трубочки (не показаны) и отверстия в корпусе устройства 4. Далее через отверстия во втулке 1 и штоке 7 масло подается во внутреннюю полость штока 7, которая при закрытом запорном шарике 8 разделяется на области высокого и низкого давления. Oil pressure is supplied from the camshaft lubrication system through tubes (not shown) and holes in the housing of the device 4. Then, through the holes in the sleeve 1 and stem 7, oil is supplied to the inner cavity of the rod 7, which, when the shut-off ball 8 is closed, is divided into high and low pressure.

При неработающем двигателе шток 7 садится на дно втулки 1, упираясь через уплотнитель 12 и мембрану 13 в донышко 14 (причем скругленные кромки штока 7 не вызывают необратимых деформаций этих деталей), под действием возвратных пружин клапана газораспределительного механизма (ГРМ) (не показаны), если соответствующий кулачок распределительного вала удерживает клапан ГРМ в открытом состоянии. Благодаря этому снижается усадка и увеличивается ресурс возвратных пружин ГРМ. When the engine is idle, the rod 7 sits on the bottom of the sleeve 1, abutting through the seal 12 and the membrane 13 to the bottom 14 (and the rounded edges of the rod 7 do not cause irreversible deformation of these parts), under the action of the return springs of the valve timing (not shown), if the corresponding camshaft cam holds the timing valve open. Due to this, shrinkage is reduced and the life of the timing return springs is increased.

На фиг.2 показана ситуация при запуске двигателя, когда клапаны ГРМ начинают совершать возвратно-поступательные движения, силовая пружина 11 и давление масла все время поджимают шток 7 к рокеру ГРМ, тем самым обеспечивая беззазорную работу клапанного механизма. Давление масла в магистрали частично разгружает усилие мембраны 13 и уменьшает рабочий объем между мембраной 13 и донышком 14 до расчетного значения. Усилие возвратных пружин клапана ГРМ через плечо рокера передается на шаровую опору штока 7. Преодолевая сопротивление силовой пружины 11, мембраны 13, заполнителя 16 и гидравлических потерь на трение перетекающего масла из одной полости в другую, шток 7 начинает двигаться вниз. Мембрана 13 почти бесшумно деформируется до облегания донышка 14 и заполнителя 16, и шток 7 останавливается. Figure 2 shows the situation when the engine starts, when the timing valves begin to reciprocate, the power spring 11 and the oil pressure all the time push the rod 7 against the timing rocker, thereby ensuring valve-free operation of the valve mechanism. The oil pressure in the line partially relieves the force of the membrane 13 and reduces the working volume between the membrane 13 and the bottom 14 to the calculated value. The force of the timing valve return springs through the rocker arm is transmitted to the ball bearing of the rod 7. Overcoming the resistance of the power spring 11, the membrane 13, the filler 16 and the hydraulic friction losses of the flowing oil from one cavity to another, the rod 7 starts to move down. The membrane 13 is almost silently deformed to fit the bottom 14 and the aggregate 16, and the rod 7 stops.

После этого клапан ГРМ совершает рабочий ход, но уже по "урезанной" на 0,2. . . 1 мм развертке кулачка (податливость штока 7 составляет 0,5...2 мм, что регулируется рабочим объемом между мембраной 13 и донышком 14), тем самым сужаются фазы газораспределения. Благодаря чему можно использовать распределительный вал с "широкими" фазами без каких-либо отрицательных последствий на экономичность и экологичность двигателя при небольших оборотах коленчатого вала, а при максимальных - увеличить мощность на 15...20%. After that, the timing valve makes a working stroke, but already on the "trimmed" by 0.2. . . 1 mm scan of the cam (the compliance of the rod 7 is 0.5 ... 2 mm, which is regulated by the working volume between the membrane 13 and the bottom 14), thereby narrowing the valve timing. Due to this, it is possible to use a camshaft with "wide" phases without any negative consequences on the economy and environmental friendliness of the engine at low crankshaft speeds, and at maximum - increase the power by 15 ... 20%.

Затем силовая пружина 11 и давление масла в магистрали снова поднимают шток 7 и рокер ГРМ до первоначального положения, а разность давления масла в полостях штока открывает запорный шарик 8. Причем, если запасенная мембраной 13 и заполнителем 16 потенциальная энергия больше, чем давление масла, то часть его вытесняется в область низкого давления штока 7 через зазоры между втулкой 1 и штоком 7. В противном случае масло заполняет свободный объем области высокого давления. Then, the power spring 11 and the oil pressure in the line again raise the rod 7 and the timing rocker to the initial position, and the difference in oil pressure in the rod cavities opens the locking ball 8. Moreover, if the potential energy stored by the membrane 13 and the filler 16 is greater than the oil pressure, then part of it is forced into the low-pressure region of the rod 7 through the gaps between the sleeve 1 and the rod 7. Otherwise, the oil fills the free volume of the high-pressure region.

С ростом оборотов коленчатого вала двигателя увеличивается давление в системе смазки. В результате область высокого давления увеличивается, а рабочий объем между мембраной 13 и донышком 14 соответственно уменьшается. При этом утопание штока 7 плавно уменьшается, а ход клапана ГРМ возрастает, чем и достигается изменение фаз газораспределения, т.е. увеличение открытого состояния клапана ГРМ с ростом оборотов коленчатого вала двигателя вне зависимости от вязкостных характеристик масла. With an increase in engine speed, the pressure in the lubrication system increases. As a result, the high-pressure region increases, and the working volume between the membrane 13 and the bottom 14 decreases accordingly. In this case, the drowning of the rod 7 gradually decreases, and the stroke of the timing valve increases, thereby achieving a change in the valve timing, i.e. an increase in the open state of the timing valve with an increase in engine revolutions, regardless of the viscosity characteristics of the oil.

При достижении оборотов и давления масла, близких к максимальным, мембрана 13 (под действием этого давления) практически полностью облегает донышко 14 и заполнитель 16. Шток 7 стоит "жестко", и клапан ГРМ "отрабатывает" всю развертку кулачка. Таким образом достигается расширение ФГР по оптимальному закону, увеличиваются мощность, крутящий момент и экономичность двигателя. Благодаря беззазорной работе ГРМ, его ресурс не снижается, однако в виду гидравлической податливости исключена возможность "запирания" клапана ГРМ. Причем устройство самонастраивается после установки на двигатель под конкретные размеры деталей ГРМ, независимо от их относительного расширения и износа, а также вязкостных характеристик масла. Первоначальная регулировка достигается за счет введения заполнителя 16 при сборке самого устройства в зависимости от жесткости силовой пружины 11 и мембраны 13. Последующая настройка параметров устройства под изменившиеся характеристики эксплуатации возможна удалением (добавлением) части (или всего) заполнителя 16. Благодаря использованию мембраны 13 исключены перекосы и разгерметизация области высокого давления. When reaching revolutions and oil pressure close to maximum, the membrane 13 (under the influence of this pressure) almost completely fits the bottom 14 and the filler 16. The rod 7 is "rigid", and the timing valve "fulfills" the entire sweep of the cam. Thus, the expansion of the FRG according to the optimal law is achieved, the power, torque and efficiency of the engine are increased. Due to the gap-free operation of the timing, its life is not reduced, however, due to hydraulic compliance, the possibility of "locking" the timing valve is excluded. Moreover, the device self-adjusts after installation on the engine for specific sizes of timing parts, regardless of their relative expansion and wear, as well as the viscosity characteristics of the oil. The initial adjustment is achieved by introducing a filler 16 when assembling the device itself, depending on the stiffness of the power spring 11 and the membrane 13. Subsequent adjustment of the device parameters to the changed operating characteristics is possible by removing (adding) part (or all) of the filler 16. The use of the membrane 13 eliminates distortions and depressurization of the high pressure region.

Claims

1. A device for controlling the valve timing, consisting of a housing, a sleeve, a spring-loaded stem with a shut-off valve, characterized in that the stem edges are rounded and a membrane and an elastic filler are additionally installed in the high-pressure region.

2. The device for regulating the FGR according to claim 1, characterized in that the membrane is made in the form of a package, and an easily compressible elastic element fills the entire working volume.

3. A device for regulating FGR according to claims 1 and 2, characterized in that the working area is limited by a membrane and a forming bottom.

4. The device for regulating the FGR according to claims 1 to 3, characterized in that the work area communicates with the external environment through the nozzle.