RU2799408C2

RU2799408C2 - Electrical valve actuator for internal combustion engine

Info

Publication number: RU2799408C2
Application number: RU2021104725A
Authority: RU
Inventors: Матс ХЕДМАН
Original assignee: Хедман Эрикссон Патент Аб
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2023-07-05

Abstract

FIELD: internal combustion engines.

SUBSTANCE: proposed is a method and device for electronic control of a valve actuator in an engine having at least one cylinder (1) with at least one engine valve. The actuator contains a solenoid (A), a plunger (5) and a spring (6), at least one engine valve contains a valve disc (10), a valve stem (11) and a valve spring (4). A distance (7) is provided between the lower end of the plunger and the upper end of the valve stem, while air is supplied to the combustion chamber (3) or exhaust gases are discharged from the combustion chamber (3) by means of a valve through a channel (2) in the cylinder, and the valve drive is made with the possibility of engine valve opening. Opening of the engine valve is initiated upon actuation of the solenoid, subsequent acceleration of the plunger causes its lower end to strike the upper end of the valve stem to initiate valve opening. The opening movement of the plunger continues until the plunger reaches its stop in the solenoid, while the opening movement of the motor valve continues when the upper end of the valve stem is separated from the lower end of the plunger, and until the opening movement is stopped by the force of the valve spring, after which the motor valve begins its return to the seat of the valve.

EFFECT: effective performance.

7 cl, 14 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству привода клапана со свободным управлением с электрическим приведением в действие для управления и регулирования потока газа в двух- или четырехтактных двигателях.The present invention relates to a method and apparatus for driving an electrically actuated freely operated valve for controlling and regulating gas flow in two or four stroke engines.

Клапаны со свободным управлением обеспечивают увеличение эффективности и существенное уменьшение выбросов, то есть, более чистый выхлопной газ. Приводы клапана также могут быть выполнены с пневматическим или гидравлическим приведением в действие.Freely operated valves provide increased efficiency and a significant reduction in emissions, i.e. cleaner exhaust gas. The valve actuators may also be pneumatically or hydraulically actuated.

Целью изобретения является разработка новой технологии привода. Электромеханический привод клапана с электрическим управлением, который имеет простую конструкцию, является энергосберегающим и выполнен с возможностью быстрого открывания и закрывания клапана двигателя в головке цилиндра двигателя. Эта цель достигается благодаря изобретению посредством признаков, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.The aim of the invention is to develop a new drive technology. The electrically operated electromechanical valve actuator, which is simple in structure, energy saving, and capable of quickly opening and closing the engine valve in the engine cylinder head. This object is achieved by the invention by means of the features set forth in the appended claims.

Технология использует соленоид и пружину клапана двигателя, которая обычно удерживает клапан в закрытом состоянии, и использует называемый так в этом документе “ударный эффект” при открывании клапана двигателя.The technology uses a solenoid and an engine valve spring that normally holds the valve closed, and uses what is referred to in this document as a “bump effect” when the engine valve opens.

Известная проблема при использовании соленоидов для открывания клапанов двигателя заключается в том, что они должны быть прочными для преодоления силы механической пружины, пружины клапана двигателя, которая удерживает клапан в закрытом состоянии. Одним из недостатков большой прочности является то, что перемещающаяся железная сердцевина, плунжер, которая должна преодолевать закрывающую силу пружины клапана двигателя, становится большой и тяжелой. Вес железной сердцевины и пружины клапана вместе с силой пружины клапана исключают возможность обеспечения скоротечности, то есть, малого времени, проходящего от состояния закрытого клапана до его полного открывания и повторного закрывания. Настоящее изобретение отличается тем, что масса железной сердцевины ни на что не влияет в большей части продолжительности процесса. Поскольку железная сердцевина в основном не является частью перемещения клапана двигателя, обеспечена значительно уменьшенная продолжительность. Технология использует вес железной сердцевины и преобразует этот известный недостаток в преимущество, в “ударный эффект”.A known problem with using solenoids to open engine valves is that they must be strong to overcome the force of the mechanical spring, the engine valve spring, that holds the valve closed. One disadvantage of high strength is that the moving iron core, the plunger, which must overcome the closing force of the engine valve spring, becomes large and heavy. The weight of the iron core and the valve spring, together with the force of the valve spring, precludes the possibility of transience, that is, the short time elapsed from the closed state of the valve to its full opening and re-closing. The present invention is characterized in that the mass of the iron core does not affect anything for most of the duration of the process. Since the iron core is essentially not part of the engine valve travel, a significantly reduced duration is provided. The technology uses the weight of the iron core and converts this well-known disadvantage into an advantage, into a “shock effect”.

Далее изобретение описано со ссылкой на показанные варианты осуществления. На Фиг. 1-14 схематично показаны варианты осуществления, в которых компьютерная система управления двигателем с требуемыми датчиками для определения величины угла поворота коленчатого вала и электронными устройствами для считывания величины угла поворота коленчатого вала и управления требуемыми соленоидами, и так далее, считаются уже присутствующими и, следовательно, необходимость в их иллюстрировании отсутствует. Также отсутствует необходимость в иллюстрировании какой-либо свечи зажигания или топливной форсунки, и это же относится к камере сгорания, окруженной стенками цилиндра и поршнем.The invention will now be described with reference to the embodiments shown. On FIG. 1-14 schematically show embodiments in which an engine control computer system with the required sensors for determining the crank angle value and electronic devices for reading the crank angle value and controlling the required solenoids, and so on, are considered to be already present and, therefore, there is no need to illustrate them. There is also no need to illustrate any spark plug or fuel injector, and the same applies to a combustion chamber surrounded by cylinder walls and a piston.

На Фиг. 1 показано исходное положение при выключенном двигателе и при виде в частичном разрезе со стороны головки 1 цилиндра с каналом 2 для подачи воздуха с топливом или без топлива к камере 3 сгорания, находящейся за обычной тарелкой 10 клапана, или выпускания выхлопных газов из нее. Клапан двигателя состоит из тарелки клапана со штоком 11 клапана. Клапан двигателя удерживается в закрытом состоянии обычным образом с использованием пружины 4, и обычная шайба 8 пружины удерживает пружину на месте с некоторым предварительным натяжением. К тому же, показан соленоид A с железной сердцевиной или плунжером 5. Пружина 6 удерживает плунжер 5 в исходном положении, когда соленоид A не приведен в действие. Между верхним концом штока 11 клапана и нижним концом плунжера 5 существует расстояние 7, также называемое расстоянием ускорения. Несмотря на то, что это не показано на чертежах, следует понимать, что плунжер имеет большую массу. Когда плунжер полностью или частично находится в соленоиде, часть плунжера, находящаяся в соленоиде, окружена обмоткой из медной проволоки. Когда на обмотку подается электричество, образуется магнитное поле, которое притягивает или отталкивает плунжер. В этом случае, плунжер притягивается посредством окружающего магнитного поля, но в объеме изобретения лежит и противоположный случай. Плунжер выполнен с упором в соленоиде, представляющим собой естественный упор в положении, в котором его сила максимальна. Несмотря на то, что это не проиллюстрировано, следует понимать, что такой упор присутствует.On FIG. 1 shows the initial position with the engine off and in partial sectional view from the side of the cylinder head 1 with a channel 2 for supplying air with or without fuel to the combustion chamber 3 located behind the conventional valve plate 10, or exhaust gases from it. The engine valve consists of a valve disc with a valve stem 11. The engine valve is held closed in the usual manner using a spring 4 and a conventional spring washer 8 holds the spring in place with some preload. Also, solenoid A is shown with an iron core or plunger 5. Spring 6 holds plunger 5 in its rest position when solenoid A is not actuated. Between the upper end of the valve stem 11 and the lower end of the plunger 5 there is a distance 7, also called the acceleration distance. Although not shown in the drawings, it should be understood that the plunger has a large mass. When the plunger is completely or partially in the solenoid, the part of the plunger in the solenoid is surrounded by a copper wire winding. When electricity is applied to the winding, a magnetic field is created that attracts or repels the plunger. In this case, the plunger is attracted by the surrounding magnetic field, but the reverse case is also within the scope of the invention. The plunger is made with a stop in the solenoid, which is a natural stop in the position in which its force is maximum. Although not illustrated, it should be understood that such emphasis is present.

На Фиг. 2 показан клапан двигателя во все еще закрытом положении, например, перед запуском двигателя. Соленоид A приводится в действие, и плунжер 5 ускоряется, при этом перемещаясь вдоль расстояния 7 к точке, в которой он ударяет верхний конец штока 11 клапана, посредством чего кинетическая энергия плунжера практически мгновенно передается штоку клапана, “ударный эффект”.On FIG. 2 shows the engine valve in a still closed position, for example before starting the engine. Solenoid A is actuated and the plunger 5 accelerates while moving along a distance 7 to the point where it strikes the upper end of the valve stem 11, whereby the kinetic energy of the plunger is almost instantly transferred to the valve stem, the “impact effect”.

На Фиг. 3 показан клапан двигателя в начале открывающего перемещения. Наибольшая часть кинетической энергии плунжера передана клапану двигателя, перемещение которого к открытому положению происходит с большим ускорением. Перемещение плунжера продолжается далее на небольшом расстоянии до достижения плунжером его естественного упора в соленоиде.On FIG. 3 shows the motor valve at the beginning of the opening movement. The largest part of the kinetic energy of the plunger is transferred to the motor valve, which moves to the open position with great acceleration. The movement of the plunger continues further at a short distance until the plunger reaches its natural stop in the solenoid.

На Фиг. 4 показан клапан двигателя в полностью открытом положении, в котором он меняет направление перемещения. Следует понимать, что единственной перемещающейся массой на этом этапе является наименьшая масса, состоящая из клапана двигателя с его штоком, шайбы пружины и пружины. Достигнута наименьшая продолжительность. Перемещающаяся масса пружины как правило составляет около одной трети веса пружины.On FIG. 4 shows the engine valve in the fully open position, in which it reverses direction of travel. It should be understood that the only moving mass at this stage is the smallest mass, consisting of the engine valve with its stem, spring washer and spring. The shortest duration has been reached. The moving mass of the spring is typically about one third of the weight of the spring.

На Фиг. 5 видно, что шток клапана двигателя достигает плунжера до или во время начала перемещения к его исходному положению, когда клапан двигателя должен закрыть канал 2. Кратковременная подача соответствующей энергии на соленоид замедляет перемещение клапана двигателя, посредством чего обеспечено мягкое возвращение к седлу клапана двигателя.On FIG. 5, it can be seen that the motor valve stem reaches the plunger before or during the start of travel to its home position, when the motor valve should close port 2. Momentary application of appropriate energy to the solenoid slows the movement of the motor valve, thereby ensuring a gentle return to the motor valve seat.

На Фиг. 6 показан клапан двигателя, возвращенный в его исходное положение, показанное на Фиг. 1. Тем не менее, плунжер все еще находится в соприкосновении со штоком клапана.On FIG. 6 shows the engine valve returned to its original position shown in FIG. 1. However, the plug is still in contact with the valve stem.

На Фиг. 7 видно, что плунжер также возвращен в его исходное положение с помощью пружины 6.On FIG. 7 it can be seen that the plunger is also returned to its original position with the help of spring 6.

На Фиг. 8-14 показан в основном такой же способ, как на Фиг. 1-7, за исключением того, что в центральном пространстве, предусмотренном внутри наружной механической пружины 9, расположена короткая механическая пружина 4. Пружина 4 является существенно более жесткой (сильной) и имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины, чем пружина 9, которая показана как существенно менее жесткая (более слабая). Целью этого устройства является обеспечение значительно уменьшенной продолжительности. Когда плунжер ударяет шток клапана, как видно на Фиг. 9, расстояние 7 исчезает, и клапан двигателя перемещается с существенно большей скоростью, чем когда это же происходит согласно Фиг. 2. Когда шайба 8 пружины ударяет пружину 4, наибольшая часть кинетической энергии клапана двигателя передается, как видно на Фиг. 11, пружине 4, которая быстро останавливает открывающее перемещение и преобразует перемещение в закрывающее перемещение, как видно на Фиг. 12. Можно сказать, что клапан двигателя отскакивает от пружины 4, которая не должна быть обязательно образована, как показано здесь, механической пружиной и может быть образована другим типом пружины.On FIG. 8-14 show basically the same method as in FIG. 1-7, except that a short mechanical spring 4 is located in the central space provided inside the outer mechanical spring 9. The spring 4 is substantially stiffer (strong) and has a substantially higher spring rate than the spring 9, which is shown as significantly less rigid (weaker). The purpose of this device is to provide a significantly reduced duration. When the plunger strikes the valve stem, as seen in FIG. 9, the distance 7 disappears and the motor valve moves at a substantially higher speed than when the same occurs according to FIG. 2. When the spring washer 8 strikes the spring 4, most of the kinetic energy of the engine valve is transferred, as seen in FIG. 11, the spring 4 which quickly stops the opening movement and converts the movement into a closing movement, as seen in FIG. 12. It can be said that the valve of the engine rebounds from the spring 4, which need not necessarily be formed, as shown here, by a mechanical spring, but may be formed by another type of spring.

В первом варианте осуществления предложен способ электрического управления приводом клапана в двухтактном или четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, причем привод содержит соленоид (A), плунжер (5) и пружину (6), причем двигатель имеет по меньшей мере один цилиндр (1) по меньшей мере с одним клапаном двигателя со свободным управлением с тарелкой (10) клапана с соответствующим штоком (11) клапана и пружиной (4) клапана, причем между нижним концом плунжера и верхним концом штока клапана предусмотрено расстояние (7), и причем воздух подается в камеру (3) сгорания или выхлопные газы выпускаются из камеры (3) сгорания за нижней частью штока клапана с тарелкой клапана по меньшей мере через один канал (2) в цилиндре, причем привод клапана выполнен с возможностью открывания клапана двигателя, причем способ отличается тем, что открывание клапана двигателя начинается после приведения в действие соленоида, причем последующее ускорение плунжера приводит его нижний конец в соударение с верхним концом штока клапана для начала открывания клапана.In the first embodiment, a method is proposed for electrically controlling a valve actuator in a two-stroke or four-stroke internal combustion engine, the actuator comprising a solenoid (A), a plunger (5) and a spring (6), the engine having at least one cylinder (1) of at least with one valve of a freely operated motor with a valve disc (10) with a corresponding valve stem (11) and a valve spring (4), moreover, a distance (7) is provided between the lower end of the plunger and the upper end of the valve stem, and moreover, air is supplied to the chamber ( 3) combustion or exhaust gases are discharged from the combustion chamber (3) behind the lower part of the valve stem with the valve disc through at least one channel (2) in the cylinder, and the valve actuator is configured to open the engine valve, and the method is characterized in that the opening the valve of the engine begins after actuation of the solenoid, and the subsequent acceleration of the plunger causes its lower end to impinge on the upper end of the valve stem to begin opening the valve.

Во втором варианте осуществления предложен способ по первому варианту осуществления, дополнительно отличающийся тем, что перемещение плунжера продолжается до прерывания перемещения при достижении плунжером его упора в соленоиде, и тем, что открывающее перемещение клапана двигателя продолжается когда верхний конец штока клапана отделен от нижнего конца плунжера и до остановки перемещения посредством силы пружины клапана, посредством чего клапан двигателя начинает свое возвращение к седлу клапана.In the second embodiment, the method of the first embodiment is provided, further characterized in that the movement of the plunger continues until the movement is interrupted when the plunger reaches its stop in the solenoid, and in that the opening movement of the engine valve continues when the upper end of the valve stem is separated from the lower end of the plunger and until the movement is stopped by the force of the valve spring, whereby the engine valve begins its return to the valve seat.

В третьем варианте осуществления предложен способ по второму варианту осуществления, дополнительно отличающийся тем, что верхний конец штока клапана достигает нижнего конца плунжера перед тем, как клапан двигателя достигает седла клапана, посредством чего обеспечено замедление закрывающего перемещения.In the third embodiment, the method of the second embodiment is provided, further characterized in that the upper end of the valve stem reaches the lower end of the plunger before the motor valve reaches the valve seat, thereby slowing down the closing movement.

В четвертом варианте осуществления, предложен способ по третьему варианту осуществления, дополнительно отличающийся тем, что, непосредственно перед достижением клапаном двигателя седла клапана, соленоид приводится в действие на короткий соответствующий промежуток времени для замедления перемещения клапана двигателя, в результате чего тарелка клапана опускается в седло клапана с подходящей скоростью, например, с достаточно большой скоростью для предотвращения попадания сажи на седло клапана, но при этом с достаточно малой скоростью для предотвращения избыточного износа тарелки клапана и седла клапана.In the fourth embodiment, the method according to the third embodiment is provided, further characterized in that, just before the motor valve reaches the valve seat, the solenoid is actuated for a short appropriate period of time to slow down the movement of the motor valve, causing the valve disc to sink into the valve seat. at a suitable speed, for example, fast enough to prevent soot from getting on the valve seat, but slow enough to prevent excessive wear of the valve head and valve seat.

В первом варианте осуществления предложено устройство для электронного управления приводом клапана в двухтактном или четырехтактном двигателе внутреннего сгорания и для выполнения способа по первому варианту осуществления способа, причем устройство отличается тем, что клапан двигателя выполнен с возможностью начала открывания после приведения в действие соленоида, посредством чего последующее ускорение плунжера приводит его нижний конец в соударение с верхним концом штока клапана для начала открывания клапана.In a first embodiment, a device is provided for electronically controlling a valve actuator in a two-stroke or four-stroke internal combustion engine and for performing the method according to the first embodiment of the method, the device being characterized in that the engine valve is configured to start opening after the solenoid has been actuated, whereby the subsequent acceleration of the plunger causes its lower end to strike the upper end of the valve stem to begin opening the valve.

Во втором варианте осуществления предложено устройство по первому варианту осуществления, дополнительно отличающееся тем, что в пространстве в наружной механической пружине (9) расположена короткая механическая пружина (4), причем пружина (4) имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины по сравнению с пружиной (9).In the second embodiment, a device according to the first embodiment is proposed, additionally characterized in that a short mechanical spring (4) is located in the space in the outer mechanical spring (9), and the spring (4) has a significantly higher spring stiffness coefficient compared to the spring (9 ).

В третьем варианте осуществления предложено устройство по первому варианту осуществления, дополнительно отличающееся тем, что пружина (4) является существенно более жесткой и имеет существенно больший коэффициент жесткости пружины по сравнению с пружиной (9).In the third embodiment, the device according to the first embodiment is proposed, additionally characterized in that the spring (4) is significantly stiffer and has a significantly higher spring constant compared to the spring (9).

В четвертом варианте осуществления предложено устройство по второму или третьему вариантам осуществления, дополнительно отличающееся тем, что шайба (8) пружины выполнена с возможностью соударения с пружиной (4) для передачи кинетической энергии клапана двигателя пружине (4) для замедления и преобразования перемещения в закрывающее перемещение.In the fourth embodiment, a device according to the second or third embodiments is proposed, further characterized in that the spring washer (8) is configured to collide with the spring (4) to transfer the kinetic energy of the motor valve to the spring (4) to slow down and convert the movement into a closing movement .

Изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, и могут быть выполнены изменения, находящиеся в объеме прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, могут быть выполнены любые комбинации описанных выше вариантов осуществления.The invention is not limited to the described embodiments, and changes can be made that are within the scope of the appended claims. In addition, any combination of the embodiments described above may be performed.

Claims

1. A method for electrically controlling a valve actuator in a two-stroke or four-stroke internal combustion engine, wherein the actuator comprises a solenoid (A), a plunger (5) and a spring (6), while the actuator spring (6) holds the plunger in its original position when the solenoid is not actuated into operation, wherein the engine has at least one cylinder (1) with at least one engine valve with a valve disc (10) with a corresponding valve stem (11) and a valve spring (4), while between the lower end of the plunger and the upper end distance is provided for the valve stem, and moreover, air is supplied to the combustion chamber (3), or exhaust gases are discharged from the combustion chamber (3) behind the lower part of the valve stem with the valve disc through at least one channel (2) in at least one cylinder ( 1), wherein the valve actuator is configured to be actuated to open the motor valve, wherein the opening movement of the motor valve begins upon actuation of the solenoid, with subsequent acceleration of the plunger bringing its lower end into collision with the upper end of the valve stem to initiate valve opening. , and the opening movement of the plunger continues until the opening movement is interrupted when the plunger reaches its stop in the solenoid, while the opening movement of the engine valve continues when the upper end of the valve stem is separated from the lower end of the plunger, and until the opening movement is stopped by the force of the valve spring, whereby the motor valve begins its return to the valve seat.

2. The method of claim 1, wherein during the closing movement of the engine valve, the upper end of the valve stem reaches the lower end of the plunger before the engine valve reaches the valve seat, whereby the closing movement of the engine valve is retarded.

3. The method of claim 2, wherein just before the motor valve reaches the valve seat, the solenoid is actuated for a short, appropriate amount of time to slow down the movement of the motor valve, resulting in a soft return to the valve seat.

4. Two-stroke or four-stroke internal combustion engine, containing:

at least one cylinder (1) with at least one engine valve with a valve disc (10) with a corresponding valve stem (11) and a valve spring (4), wherein air is supplied to the combustion chamber (3) or exhaust gases are discharged from the chamber (3) combustion behind the bottom of the valve stem with the valve disc through at least one channel (2) in at least one cylinder (1), and

a valve actuator comprising a solenoid (A), a plunger (5) and a spring (6), wherein the actuator spring (6) is configured to hold the plunger in its original position when the solenoid is not actuated,

at the same time, a distance is provided between the lower end of the plunger and the upper end of the valve stem, and the valve actuator is configured to be actuated to open the engine valve, while the plunger (5) is configured to position its lower end with the possibility of colliding with the upper end of the valve stem motor to start the opening movement of the valve after actuating the solenoid,

moreover, the plunger is made with a stop in the solenoid, as a result of which the plunger can continue its opening movement until the plunger reaches said stop, and

wherein the engine valve is configured to continue its opening movement after the plunger reaches said stop, when the upper end of the valve stem is separated from the lower end of the plunger, and until the opening movement is stopped by the force provided by the valve spring (4), whereby the engine valve begins its return to the valve seat.

5. Two-stroke or four-stroke internal combustion engine according to claim 4, in which the valve spring contains an external mechanical spring (9) and an internal mechanical spring (4) located in the central space in the external mechanical spring (9), while the internal mechanical spring is shorter external mechanical spring, and the internal mechanical spring (4) has a significantly higher spring rate compared to the external mechanical spring (9).

6. A two-stroke or four-stroke internal combustion engine according to claim 5, wherein the inner mechanical spring (4) is substantially stiffer and has a substantially higher spring constant compared to the outer mechanical spring (9).

7. Two-stroke or four-stroke internal combustion engine according to claim 5 or 6, in which the spring washer (8) is configured to collide with the internal mechanical spring (4) to transfer the kinetic energy of the engine valve to the internal mechanical spring (4) to slow down and convert the opening move to a closing move.