UA111426C2

UA111426C2 - Control mechanism of the outward-opening valve of an internal combustion engine

Info

Publication number: UA111426C2
Application number: UAA201412594A
Authority: UA
Inventors: Вадим Борисович Пода
Original assignee: Національний Аерокосмічний Університет Ім. М.Є. Жуковського "Харківський Авіаційний Інститут"
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2016-04-25

Abstract

Винахід належить до механізму керування клапаном двигунів внутрішнього згоряння, що відкривається назовні. Механізм містить електромагнітний привод клапана із якорем, пов'язаний зі стержнем клапана гідравлічний поршень, який з одного боку контактує із гідравлічною порожниною, що поєднується із джерелом рідини високого тиску через зворотний клапан і порожниною низького тиску, а з другого із навколишнім середовищем. Також механізм містить гідрокомпенсатор, який складається з нижнього газового поршня, робоча порожнина циліндра якого пов'язана із газовою порожниною робочого циліндра двигуна, верхнього гідравлічного поршня, робоча порожнина циліндра якого пов'язана із гідравлічною порожниною клапана, і штанги, що поєднує ці поршні. Також, механізм містить електромагнітний привод, розташований співвісно до стержня клапана, його якір закріплений жорстко на стержні клапана. Гідравлічний поршень клапана також жорстко безпосередньо закріплений на стержні клапана таким чином, що він разом із гідравлічною порожниною розташований вздовж стержня клапана нижче рівня дії електромагнітного привода. Гідравлічна порожнина поєднується із джерелом рідини високого тиску і порожниною низького тиску за допомогою триходового крана, який керується електроприводом і розташований між гідравлічною порожниною і зворотним клапаном. Гідрокомпенсатор розташований таким чином, що неробочі поверхні його поршнів і штанга контактують із охолоджуючою рідиною двигуна.The invention relates to a mechanism for controlling the valve of an internal combustion engine that opens outwards. The mechanism comprises an electromagnetic actuator of the valve with an anchor connected to the valve stem by a hydraulic piston, which on one side contacts a hydraulic cavity, which is combined with a source of high pressure fluid through a non-return valve and a cavity of low pressure, and on the other with the environment. The mechanism also comprises a hydrocompensator consisting of a lower gas piston, the working cavity of the cylinder of which is connected to the gas cavity of the cylinder of the engine, the upper hydraulic piston, the working cavity of the cylinder of which is connected to the hydraulic cavity of the valve, and the rods connecting the pistons. Also, the mechanism comprises an electromagnetic actuator arranged coaxially to the valve stem, its anchor fixed rigidly to the valve stem. The hydraulic piston of the valve is also rigidly fastened directly to the cores of the valve so that it, along with the hydraulic cavity, is located along the valve stem below the action level of the electromagnetic actuator. The hydraulic cavity is combined with the high-pressure fluid source and the low-pressure cavity by means of a three-way valve, which is driven by an actuator and located between the hydraulic cavity and the non-return valve. The compensator is arranged so that the non-working surfaces of its pistons and rod are in contact with the engine coolant.

Description

Винахід належить до машинобудування, а саме до механізмів газорозподілу двигунів внутрішнього згоряння.The invention belongs to mechanical engineering, namely to gas distribution mechanisms of internal combustion engines.

В всіх сучасних і попередніх конструкціях двигунів внутрішнього згоряння використовуються газорозподільні механізми із механічним приводом клапанів, які відкриваються у бік робочого циліндра двигуна і включають кулачковий розподільний вал, що приводиться від колінчастого вала двигуна, а також коромисла, важелі, пружини та інші деталі в залежності від конструкції механізму Ідив., наприклад, Двигатели внутреннего сгорания. В З кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др. - М.:All modern and earlier internal combustion engine designs use valvetrains with mechanically actuated valves that open toward the engine's working cylinder and include a camshaft driven from the engine's crankshaft, as well as rocker arms, levers, springs, and other parts depending on mechanism designs See, for example, internal combustion engines. In Z book Book 2. Dynamics and design: Textbook for universities / V.N. Lukanin, I.V. Alekseev, M.G. Shatrov and others - M.:

Вьсш. шк., 2007. - 400 с.|.Vsh. Shk., 2007. - 400 p.|.

Але ці механізми не дозволяють керувати клапанами, які відкриваються назовні, тобто у бік головки циліндра, і не можуть забезпечити герметичність таких клапанів на тактах стискування, згоряння та розширення. Крім того, вони не здатні без додаткових пристроїв змінювати фази відкриття і закриття клапанів і висоту їх відкриття в залежності від режиму роботи двигуна.But these mechanisms do not allow you to control the valves that open outward, that is, towards the cylinder head, and cannot ensure the tightness of such valves during the compression, combustion and expansion strokes. In addition, they are not able to change the opening and closing phases of the valves and the height of their opening depending on the engine operating mode without additional devices.

Для можливості керування фазами відкриття і закриття клапанів, які відкриваються у бік робочого циліндра, а також висотою їх відкриття у широкому діапазоні існують пропозиції щодо механізмів, які використовують електромагнітний привод клапанів (Газораспределительнье клапаньі с злектромагнитньм приводом. / М. Митин, Д. Соснин // Ремонт 4 Сервис. - 2007. -For the possibility of controlling the opening and closing phases of the valves that open towards the working cylinder, as well as the height of their opening in a wide range, there are proposals for mechanisms that use an electromagnetic valve drive (Gazoraspredelitelnye klapanye s zlektromagnitnym privodom. / M. Mytin, D. Sosnin / / Repair 4 Service. - 2007. -

Мо 2. - С. 62; патент 5) 1636570, МПК РОТІ 9/04, Газораспределительньіїй механизм двигателя внутреннего сгорания. - опубл. 23.03.1991, Бюл. Мо 11; патент ВО 2374545, МПК РЕ16К 31/8,Mo 2. - P. 62; patent 5) 1636570, IPC ROTI 9/04, Gas distribution mechanism of the internal combustion engine. - publ. 23.03.1991, Bull. Mo 11; patent VO 2374545, IPC RE16K 31/8,

Однокатушечньій бьстродействующий поляризованньй злектромагнитньй привод с прямоходовьм якорем. - опубл. 27.11.2009). Однак відомі механізми з електромагнітним приводом для клапанів, що відкриваються у бік циліндра, не можуть бути застосованими для керування клапанами, що відкриваються назовні, оскільки на тактах стискування, згоряння та розширення вони не забезпечують герметичності таких клапанів у зв'язку із великою силою тиску газів з боку циліндра, яка сягає 3...5 кН і більше.Single-coil high-speed polarized electromagnetic drive with forward armature. - publ. 27.11.2009). However, known mechanisms with an electromagnetic drive for valves that open towards the cylinder cannot be applied to control valves that open outward, because during the compression, combustion and expansion strokes, they do not ensure the tightness of such valves due to the large pressure force of the gases from the side of the cylinder, which reaches 3...5 kN and more.

Серед механізмів керування клапанами двигунів внутрішнього згоряння, що відкриваються назовні, також відомі механізми з електромагнітним приводом, наприклад один із варіантів патенту НО 2439339, МКП РГОТІ 9/02, Исполнительньій механизм регулируемого клапана с пневмоусилителем - опубл. 10.01.2012. Механізм з наведеного патенту має у своему складіAmong the mechanisms for controlling the valves of internal combustion engines that open to the outside, mechanisms with an electromagnetic drive are also known, for example, one of the variants of the patent NO 2439339, MKP RGOTI 9/02, Исполнительный механизм регулиромего валанпа с pneumousilitelem - publ. 10.01.2012. The mechanism from the given patent has in its composition

Зо електромагнітний привод, що розташований співвісно із стержнем клапана і складається з двох електромагнітів (соленоїдів) і якоря, пов'язаного із стержнем клапана, а також пружину стискання. Відкриття клапана відбувається за рахунок подачі напруги на верхній електромагніт, який притягує до себе якір, стискуючи пружину. Закриття клапана відбувається за рахунок пружини з знезструмленим верхнім електромагнітом. На тактах стискування, згоряння і розширення, які відбуваються у циліндрі, клапан утримується в закритому положенні пружиною, а також додатково може утримуватися за допомогою нижнього електромагніта.It is an electromagnetic actuator located coaxially with the valve stem and consisting of two electromagnets (solenoids) and an armature connected to the valve stem, as well as a compression spring. The opening of the valve occurs due to applying voltage to the upper electromagnet, which attracts the armature to itself, compressing the spring. The closing of the valve occurs due to a spring with a de-energized upper electromagnet. During the compression, combustion and expansion strokes that occur in the cylinder, the valve is held in the closed position by a spring, and can additionally be held by the lower electromagnet.

Така конструкція механізму керування клапаном, що відкривається назовні, у припустимих габаритах пружини і нижнього електромагніта не дозволить забезпечити герметичність клапана під час наведених тактів у зв'язку з великою силою тиску газів з боку циліндра на головку клапана, а верхній електромагніт також повинен мати неприпустимі габарити для подолання сили стискування пружини (особливо для автомобільних і подібних їм транспортних двигунів із системою електропостачання з напругою 12 В). Крім того, такий механізм не може забезпечити зміну висоти відкриття клапана.Such a design of the valve control mechanism, which opens outwards, in the permissible dimensions of the spring and the lower electromagnet, will not allow to ensure the tightness of the valve during the given cycles due to the large force of gas pressure from the side of the cylinder on the valve head, and the upper electromagnet must also have unacceptable dimensions to overcome the compressive force of the spring (especially for automotive and similar transport engines with a 12 V power supply system). In addition, such a mechanism cannot provide a change in the opening height of the valve.

Найбільш близьким аналогом запропонованому винаходу за технічною суттю та сукупністю ознак є механізм керування клапаном двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається назовні за патентом 05 5709178 А, МПК ГО! 9/04, ЕГЕСТВОМІСА І М СОМТВОЇ ГЕО ОТМАВОЇ МThe closest analog to the proposed invention in terms of its technical essence and set of features is the valve control mechanism of an internal combustion engine that opens outwards according to patent 05 5709178 A, IPC GO! 9/04, EGESTVOMISA I M SOMTVOI GEO OTMAVOI M

ОРЕМІМЕа МАЇГМЕ 5У5ТЕМ РОВ АМ ЕМСІМЕ - опубл. 20.01.1998. Згідно з описом патенту механізм керування складається з клапана, що відкривається назовні (у бік головки циліндра двигуна), який має пружину стискання, розташовану співвісно до стержня клапана, шарнірно пов'язану із стержнем клапана штангу, що штовхає, і гідравлічний поршень, що через хомут шарнірно пов'язаний зі штангою, що штовхає, і одною із своїх поверхонь контактує із зовнішнім середовищем, а другою із гідравлічною порожниною, що заповнена рідиною, наприклад, маслом із системи змащення двигуна. Гідравлічна порожнина має перепускний канал, в якому розташований зворотний клапан і за допомогою якого вона поєднується із джерелом високого тиску рідини (системою мащення двигуна), а також жиклерний канал, яким гідравлічна порожнина з'єднується із порожниною низького тиску, наприклад, картером двигуна. Крім того, гідравлічна порожнина клапана поєднана з робочою порожниною циліндра (каналу) гідравлічного поршня гідрокомпенсатора (підсилювача тиску рідини), який поєднується штангою з нижнім газовим його поршнем, робоча порожнина циліндра (каналу) якого поєднана із газовою 60 порожниною робочого циліндра двигуна. Гідрокомпенсатор має пружину стискування, яка розташована співвісно до його штанги і діє на гідрокомпенсатор у напрямку до гідравлічної порожнини. Верхній гідравлічний поршень гідрокомпенсатора в його верхньому положенні своєю боковою поверхнею перекриває жиклерний канал гідравлічної порожнини. Штанга клапана двигуна, що штовхає, також шарнірно пов'язана із кулачком кулачкового механізму, що контактує із штангою електромагніту (соленоїда) електромагнітного привода, пов'язаною з якорем привода, який і приводить в дію кулачок і таким чином через кулачковий механізм здійснює відкриття і закриття клапана двигуна за командою електронної системи керування двигуном. Під час процесів стискування, згоряння та розширення, що відбуваються у робочому циліндрі двигуна, клапан знаходиться в закритому положенні завдяки підвищеному тиску рідини з боку гідравлічної порожнини, яка діє на гідравлічний поршень клапана, і тиск в якій підвищується за допомогою гідрокомпенсатора, нижній поршень якого контактує із газовою порожниною робочого циліндра двигуна. Крім того, утримання клапана в закритому положенні відбувається також за рахунок соленоїда електромагнітного привода, його пружини і зворотної пружини клапана, яка поєднується із стержнем клапана через кулачковий механізм і штангу, що штовхає.OREMIMEa MAYIGME 5U5TEM ROV AM EMSIME - publ. 20.01.1998. According to the patent description, the control mechanism consists of a valve that opens outward (toward the engine cylinder head), which has a compression spring located coaxially with the valve stem, a push rod hinged to the valve stem, and a hydraulic piston that, through the collar is hinged to the push rod, and one of its surfaces is in contact with the external environment, and the other with a hydraulic cavity filled with a liquid, for example, oil from the engine lubrication system. The hydraulic cavity has a bypass channel in which the check valve is located and through which it is connected to a source of high pressure fluid (the engine lubrication system), as well as a jet channel, which connects the hydraulic cavity to a low-pressure cavity, for example, the engine crankcase. In addition, the hydraulic cavity of the valve is connected to the working cavity of the cylinder (channel) of the hydraulic piston of the hydraulic compensator (fluid pressure amplifier), which is connected by a rod to its lower gas piston, the working cavity of the cylinder (channel) of which is connected to the gas cavity of the working cylinder of the engine. The hydraulic compensator has a compression spring, which is located coaxially to its rod and acts on the hydraulic compensator in the direction of the hydraulic cavity. The upper hydraulic piston of the compensator in its upper position covers the jet channel of the hydraulic cavity with its side surface. The valve rod of the pushing engine is also hingedly connected to the cam of the cam mechanism, which is in contact with the rod of the electromagnet (solenoid) of the electromagnetic drive, which is connected to the armature of the drive, which actuates the cam and thus, through the cam mechanism, opens and closing the engine valve at the command of the electronic engine management system. During the processes of compression, combustion and expansion occurring in the working cylinder of the engine, the valve is in the closed position due to the increased pressure of the liquid from the hydraulic cavity, which acts on the hydraulic piston of the valve, and the pressure in which is increased by means of the hydraulic compensator, the lower piston of which is in contact with the gas cavity of the working cylinder of the engine. In addition, keeping the valve in the closed position is also due to the solenoid of the electromagnetic actuator, its spring and the return spring of the valve, which is combined with the valve stem through the cam mechanism and the push rod.

Відомий винахід має наступні суттєві недоліки: - наявність між електромагнітним приводом і стержнем клапана складного проміжного важільного кулачкового механізму і шарнірно пов'язаної із стержнем клапана штанги, що штовхає, а також велика кількість пружин значно ускладнюють конструкцію механізму керування клапаном, а отже суттєво знижують надійність його роботи, а також збільшують габарити і масу механізму; - розташування гідравлічного поршня клапана вище рівня дії на стержень клапана електромагнітного привода призводить до того, що на тактах стискування, згоряння та розширення стержень клапана по всій його довжині, штанга, що штовхає, та хомут, яким до штанги кріпиться гідравлічний поршень, будуть навантажені великою силою стискування, про що було сказано вище, - це може призвести до зруйнування деталей і шарнірного з'єднання між ними, або до втрати сталості стержня клапана і штанги, або до збільшення габаритів і мас цих деталей для забезпечення їх міцності і сталості; - в винаході не передбачено охолодження деталей гідрокомпенсатора, який в такому разіThe known invention has the following significant disadvantages: - the presence between the electromagnetic drive and the valve stem of a complex intermediate lever cam mechanism and a push rod hinged to the valve stem, as well as a large number of springs significantly complicate the design of the valve control mechanism, and therefore significantly reduce reliability its works, as well as increase the dimensions and weight of the mechanism; - the location of the hydraulic piston of the valve above the level of action on the valve stem of the electromagnetic actuator leads to the fact that during the strokes of compression, combustion and expansion of the valve stem along its entire length, the pushing rod and the clamp that fastens the hydraulic piston to the rod will be loaded with a large compression force, which was mentioned above - this can lead to the destruction of the parts and the hinged connection between them, or to the loss of stability of the valve stem and rod, or to an increase in the dimensions and mass of these parts to ensure their strength and stability; - the invention does not provide for cooling of hydraulic compensator parts, which in this case

Зо буде нагріватися до високих температур завдяки контакту нижнього його поршня із гарячими газами робочого циліндра двигуна, що може привести до закипання рідини в гідравлічній порожнині в місці контакту із верхнім поршнем гідрокомпенсатора, а отже до порушення правильної роботи усього механізму; - наявність в гідравлічній порожнині жиклерного каналу, відкриття якого у порожнину низького тиску керується верхнім поршнем гідрокомпенсатора, що має пружину стискання, приводить до того, що під час відкривання клапана двигуна в гідравлічній порожнині тиск рідини буде дорівнювати тиску в джерелі рідини високого тиску з додаванням тиску, який забезпечується пружиною стискання гідрокомпенсатора - це приводить до збільшення гідроопору на відкриття клапана з боку його гідравлічного поршня, а отже до збільшення енерговитрат на відкриття клапана.Zo will heat up to high temperatures due to the contact of its lower piston with the hot gases of the working cylinder of the engine, which can lead to boiling of the liquid in the hydraulic cavity at the point of contact with the upper piston of the hydraulic compensator, and therefore to the violation of the correct operation of the entire mechanism; - the presence of a jet channel in the hydraulic cavity, the opening of which into the low-pressure cavity is controlled by the upper piston of the hydrocompensator, which has a compression spring, leads to the fact that when the engine valve is opened, the fluid pressure in the hydraulic cavity will be equal to the pressure in the high-pressure fluid source with the addition of pressure , which is provided by the compression spring of the hydraulic compensator - this leads to an increase in the hydraulic resistance to the opening of the valve from the side of its hydraulic piston, and therefore to an increase in the energy consumption for opening the valve.

В основу винаходу поставлена задача розробки механізму керування клапаном двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається назовні, у якому за рахунок конструкції забезпечується підвищення надійності його роботи, зниження енергоспоживання на привод механізму і зменшення його габаритів і маси.The invention is based on the task of developing an outward-opening valve control mechanism for an internal combustion engine, in which, due to the design, an increase in the reliability of its operation, a decrease in energy consumption for the drive of the mechanism, and a reduction in its dimensions and mass are ensured.

Задача вирішується за рахунок того, що в механізмі керування клапаном двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається назовні, який містить електромагнітний привод із якорем, пов'язаний зі стержнем клапана гідравлічний поршень, який з одного боку контактує із гідравлічною порожниною, що поєднується із джерелом рідини високого тиску через зворотний клапан, і порожниною низького тиску, а з другого із навколишнім середовищем, а також гідрокомпенсатор, який складається з нижнього газового поршня, робоча порожнина циліндра якого пов'язана із газовою порожниною робочого циліндра двигуна, верхнього гідравлічного поршня, робоча порожнина циліндра якого пов'язана із гідравлічною порожниною клапана, і штанги, що поєднує ці поршні, відповідно до винаходу електромагнітний привод розташований співвісно до стержня клапана, його якір закріплений жорстко на стержні клапана, гідравлічний поршень клапана також жорстко безпосередньо закріплений на стержні клапана таким чином, що він разом із гідравлічною порожниною розташований вздовж стержня клапана нижче рівня дії електромагнітного привода, а гідравлічна порожнина поєднується із джерелом рідини високого тиску і порожниною низького тиску за допомогою триходового крана, який керується електроприводом і розташований між гідравлічною порожниною і зворотним клапаном,The problem is solved due to the fact that in the valve control mechanism of an internal combustion engine, which opens outwardly, which contains an electromagnetic drive with an armature, a hydraulic piston connected to the valve stem, which is in contact with a hydraulic cavity on one side, which is combined with a source of high-pressure fluid of pressure through the non-return valve, and a low-pressure cavity, and from the second with the environment, as well as a hydrocompensator, which consists of a lower gas piston, the working cavity of the cylinder of which is connected with the gas cavity of the working cylinder of the engine, the upper hydraulic piston, the working cavity of the cylinder of which connected to the hydraulic cavity of the valve, and the rod connecting these pistons, according to the invention, the electromagnetic actuator is located coaxially with the valve stem, its armature is fixed rigidly to the valve stem, the hydraulic piston of the valve is also rigidly fixed directly to the valve stem in such a way that it together with hydraulic the cavity is located along the valve stem below the level of action of the electromagnetic actuator, and the hydraulic cavity is connected to the high-pressure fluid source and the low-pressure cavity by means of a three-way valve, which is controlled by the electric actuator and is located between the hydraulic cavity and the non-return valve,

гідрокомпенсатор розташований таким чином, що неробочі поверхні його поршнів і штанга контактують із охолоджуючою рідиною двигуна.the hydraulic compensator is located in such a way that the non-working surfaces of its pistons and rod are in contact with the engine coolant.

Розташування електромагнітного привода співвісно до стержня клапана з жорстким кріпленням його якоря до стержня клапана і кріплення гідравлічного поршня клапана також безпосередньо жорстко до стержня клапана дозволяє позбутися проміжних деталей із шарнірним з'єднанням між електромагнітним приводом, гідравлічним поршнем і клапаном, що збільшує надійність роботи усього механізму, зменшує його габарити і масу.The location of the electromagnetic actuator coaxially with the valve stem with the rigid attachment of its armature to the valve stem and the attachment of the hydraulic piston of the valve also directly rigidly to the valve stem allows you to get rid of intermediate parts with a hinged connection between the electromagnetic actuator, the hydraulic piston and the valve, which increases the reliability of the entire mechanism , reduces its size and mass.

Розташування гідравлічного поршня клапана разом із його гідравлічною порожниною нижче рівня дії на клапан електромагнітного привода зменшує довжину стержня клапана, яка сприймає велику силу стискання, що діє на стержень клапана на тактах стискування, згоряння і розширення, які відбуваються в робочому циліндрі двигуна. Це дозволяє підвищити сталість стержня клапана, зменшити його діаметр і тим самим підвищити надійність роботи механізму і зменшити його масу за рахунок зменшення маси клапана. Зменшення маси клапана також важливе для зменшення інерційних сил, які виникають під час його роботи, що також сприяє підвищенню надійності роботи механізму.Locating the hydraulic valve piston with its hydraulic cavity below the valve actuation level of the solenoid actuator reduces the length of the valve stem, which receives the large compressive force acting on the valve stem during the compression, combustion, and expansion strokes that occur in the engine's working cylinder. This makes it possible to increase the durability of the valve stem, reduce its diameter, and thereby increase the reliability of the mechanism and reduce its weight by reducing the weight of the valve. Reducing the weight of the valve is also important for reducing the inertial forces that arise during its operation, which also contributes to increasing the reliability of the mechanism.

Поєднання гідравлічної порожнини одним каналом за допомогою триходового крана такого, що керується електроприводом, із джерелом рідини високого тиску і порожниною низького тиску, дозволяє: по перше, під час відкриття клапана з'єднувати краном гідравлічну порожнину клапана із порожниною низького тиску, наприклад картером двигуна, що зменшує тиск в гідравлічній порожнині майже до тиску навколишнього середовища і таким чином суттєво зменшує гідроопір на відкриття клапана, а отже і енерговитрати на його відкриття; по-друге, в кінці відкривання клапана перекривати гідравлічну порожнину від порожнини низького тиску і джерела рідини високого тиску, що приводить до зниження швидкості посадки якоря електромагнітного привода на електромагніт, який відкриває клапан, а це підвищує надійність роботи механізму, строк його роботи і знижує шумність роботи двигуна. Крім того, вибір моменту перекриття триходовим краном гідравлічної порожнини від порожнини низького тиску і джерела рідини високого тиску дозволяє проводити відкриття клапана на різну висоту в залежності від режиму роботи двигуна.The connection of the hydraulic cavity with one channel using a three-way valve, controlled by an electric drive, with a source of high-pressure liquid and a low-pressure cavity, allows: firstly, during the opening of the valve, to connect the hydraulic cavity of the valve with a low-pressure cavity, for example, the engine crankcase, which reduces the pressure in the hydraulic cavity almost to the ambient pressure and thus significantly reduces the hydraulic resistance to opening the valve, and therefore the energy costs for its opening; secondly, at the end of opening the valve, cover the hydraulic cavity from the low-pressure cavity and the high-pressure fluid source, which leads to a decrease in the landing speed of the armature of the electromagnetic drive on the electromagnet that opens the valve, and this increases the reliability of the mechanism, the duration of its operation and reduces noise engine operation. In addition, the selection of the moment when the three-way valve closes the hydraulic cavity from the low-pressure cavity and the high-pressure fluid source allows the valve to be opened at different heights depending on the engine operating mode.

Розташування гідрокомпенсатора в головці робочого циліндра таким чином, що неробочіThe location of the hydraulic compensator in the head of the working cylinder in such a way that it is not working

Зо поверхні його поршнів і штанга контактують із охолоджуючою рідиною двигуна, дозволяє знизити температуру верхнього гідравлічного поршня гідрокомпенсатора і запобігти закипанню рідини на його робочій поверхні, що підвищує надійність роботи механізму.From the surface of its pistons and the rod come into contact with the engine coolant, it allows to lower the temperature of the upper hydraulic piston of the compensator and prevent the liquid from boiling on its working surface, which increases the reliability of the mechanism.

На наведеному кресленні зображений устрій запропонованого механізму керування клапаном.The drawing shows the device of the proposed valve control mechanism.

Механізм керування складається з клапана 1, що відкривається назовні, тобто у бік головки 2 робочого циліндра 3. Клапан 1 має корпус 4, який кріпиться до головки 2 циліндра. Об'єм корпуса 4 герметичною перегородкою, крізь отвір якої проходить стержень клапана 1, поділяється на дві порожнини. В верхній порожнині корпуса 4 клапана розташований електромагнітний привод 5 клапана, який складається з двох електромагнітів б і 7, а також якоря 8, який знаходиться між електромагнітами і жорстко поєднаний із наконечником стержня клапана 1. В нижній порожнині корпуса 4 клапана розташований гідравлічний поршень 9 клапана, який, як і якір 8, жорстко поєднаний із стержнем клапана 1. Поршень 9 в свою чергу роз'єднує нижню порожнину корпуса 4 на гідравлічну порожнину 10, яка розташована з боку верхньої робочої поверхні поршня 9, і газову порожнину 11 з боку нижньої неробочої поверхні поршня 9. Площа робочої поверхні поршня 9 дорівнює, або трохи більше площі поверхні головки клапана 1, що контактує із порожниною робочого циліндра 3. Порожнина 11 поєднується із навколишнім середовищем, наприклад, за допомогою отворів 12 і містить пружину стискання 13, яка розташована співвісно до стержня клапана і з одного боку опирається на нижню неробочу поверхню поршня 9, а з другого боку на нижню кришку корпусу 4 клапана, в якій закріплена напрямна втулка клапана. Пружина 13 в максимальному верхньому відкритому положенні клапана 1 має силу попереднього стискання, яка дорівнює або майже дорівнює нулю. Гідравлічна порожнина 10 клапана заповнена рідиною, наприклад маслом із системи мащення двигуна і в верхній своїй частині безпосередньо під перегородкою корпусу 4 з'єднується каналом або трубопроводом із триходовим краном 14. Триходовий кран 14 керується за допомогою електропривода 15 і з'єднується також з порожниною низького тиску, наприклад, картером двигуна і з ресивером 16 рідини високого тиску. В свою чергу ресивер 16 через зворотний клапан 17 поєднується із джерелом рідини високого тиску, наприклад, із системою мащення двигуна.The control mechanism consists of a valve 1 that opens outward, that is, towards the head 2 of the working cylinder 3. The valve 1 has a body 4 that is attached to the head 2 of the cylinder. The volume of the body 4 is divided into two cavities by a hermetic partition, through the opening of which the valve stem 1 passes. In the upper cavity of the valve housing 4, there is an electromagnetic actuator 5 of the valve, which consists of two electromagnets b and 7, as well as an armature 8, which is located between the electromagnets and is rigidly connected to the tip of the valve stem 1. In the lower cavity of the valve housing 4, there is a hydraulic piston 9 of the valve , which, like the anchor 8, is rigidly connected to the valve stem 1. The piston 9, in turn, separates the lower cavity of the housing 4 into the hydraulic cavity 10, which is located on the side of the upper working surface of the piston 9, and the gas cavity 11 on the side of the lower non-working surface the surface of the piston 9. The area of the working surface of the piston 9 is equal to or slightly larger than the area of the surface of the valve head 1, which is in contact with the cavity of the working cylinder 3. The cavity 11 is connected to the environment, for example, by means of holes 12 and contains a compression spring 13, which is located coaxially to the valve stem and on one side rests on the lower non-working surface of the piston 9, and on the other side on the lower cover of the valve body 4, in which the valve guide sleeve is fixed. The spring 13 in the maximum upper open position of the valve 1 has a pre-compression force that is equal to or almost equal to zero. The hydraulic cavity 10 of the valve is filled with a liquid, for example, oil from the engine lubrication system, and in its upper part, directly under the housing partition 4, is connected by a channel or pipeline to a three-way valve 14. The three-way valve 14 is controlled by an electric drive 15 and is also connected to the cavity of the low pressure, for example, by the engine crankcase and with the receiver 16 of the high-pressure fluid. In turn, the receiver 16 through the non-return valve 17 is combined with a source of high-pressure liquid, for example, with the engine lubrication system.

Механізм керування клапаном також має у своєму складі гідрокомпенсатор 18, який бо складається з газового поршня 19 і гідравлічного поршня 20, що розташовані в своїх циліндрах або каналах, а також, штанги 21, яка поєднує ці поршні. Робоча порожнина циліндра (каналу) газового поршня 19 пов'язана за допомогою отвору з газовою порожниною робочого циліндра З двигуна. Робоча порожнина гідравлічного поршня 20 пов'язана, наприклад, трубопроводом із гідравлічною порожниною поршня 9 клапана через порожнину ресивера 16 і триходовий кран 14. Гідрокомпенсатор 18 розташований в головці 2 робочого циліндра двигуна таким чином, що його штанга 21 ії неробочі поверхні поршнів 19 ї 20, або неробочі порожнини їх циліндрів, контактують із охолподжуючою рідиною двигуна, що знаходиться в оболонці охолодження 22 головки 2 циліндра двигуна.The valve control mechanism also includes a hydraulic compensator 18, which consists of a gas piston 19 and a hydraulic piston 20 located in their cylinders or channels, as well as a rod 21 that connects these pistons. The working cavity of the cylinder (channel) of the gas piston 19 is connected by means of an opening with the gas cavity of the working cylinder of the engine. The working cavity of the hydraulic piston 20 is connected, for example, by a pipeline with the hydraulic cavity of the valve piston 9 through the cavity of the receiver 16 and the three-way valve 14. The hydraulic compensator 18 is located in the head 2 of the working cylinder of the engine in such a way that its rod 21 and the non-working surfaces of the pistons 19 and 20 , or the non-working cavities of their cylinders, contact with the engine coolant located in the cooling shell 22 of the head 2 of the engine cylinder.

Механізм керування клапаном працює таким чином.The valve control mechanism works as follows.

В моменти роботи двигуна, коли клапан 1 (впускний або випускний) знаходиться у відкритому стані, електромагніт 7 електромагнітного привода 5 заживлений керуючою напругою, завдяки чому якір 8 привода знаходиться в безпосередній близькості від ярма електромагніта 7.When the engine is running, when valve 1 (inlet or exhaust) is in the open state, the electromagnet 7 of the electromagnetic actuator 5 is energized by the control voltage, due to which the armature 8 of the actuator is in close proximity to the yoke of the electromagnet 7.

Гідравлічний поршень 9 клапана знаходиться у верхньому своєму положенні, а гідравлічна його порожнина 10 триходовим краном 14 від'єднана від порожнини рідини низького тиску (картера двигуна) і від ресивера 16 рідини високого тиску.The hydraulic piston 9 of the valve is in its upper position, and its hydraulic cavity 10 is disconnected by a three-way valve 14 from the cavity of the low-pressure fluid (engine crankcase) and from the receiver 16 of the high-pressure fluid.

Закриття клапана відбувається за командою електронної системи керування двигуном, яка відключає живлення електромагніта 7 електромагнітного привода 5 і подає живлення на електромагніт б привода. Одночасно електронна система двигуна подає сигнал на електропривод 15 триходового крана 14, який з'єднує гідравлічну порожнину 10 поршня 9 із ресивером 16 рідини високого тиску. Під дією електромагнітної сили, що діє на якір 8, і гідравлічної сили, яка діє на робочу поверхню поршня 9, клапан 1 починає зміщатися униз (у напряму закриття), стискуючи пружину 13. Внаслідок переміщення поршня 9 униз збільшується об'єм його гідравлічної порожнини 10. Це спричиняє падіння тиску рідини в ресивері 16 відносно до тиску в джерелі рідини високого тиску (системі мащення двигуна), внаслідок чого зворотний клапан 17 відкривається і рідина (масло) від джерела рідини високого тиску (із системи мащення двигуна) надходить до ресивера 16 і через відкритий кран 14 до порожнини 10 клапана 9. Повітря із газової порожнини 11 поршня 9 через отвори 12 витісняється поршнем 9 в порожнину головки 2 циліндра. Пружина стискання 13 має жорсткість, яка забезпечує припустиму швидкість посадки клапана 1 на його сідло, тобто виконує функцію демпфераThe closing of the valve occurs at the command of the electronic engine control system, which turns off the power supply of the electromagnet 7 of the electromagnetic drive 5 and supplies power to the electromagnet b of the drive. At the same time, the electronic engine system sends a signal to the electric drive 15 of the three-way valve 14, which connects the hydraulic cavity 10 of the piston 9 with the receiver 16 of the high-pressure liquid. Under the action of the electromagnetic force acting on the armature 8 and the hydraulic force acting on the working surface of the piston 9, the valve 1 begins to move down (in the direction of closing), compressing the spring 13. As a result of the downward movement of the piston 9, the volume of its hydraulic cavity increases 10. This causes a drop in the fluid pressure in the receiver 16 relative to the pressure in the high-pressure fluid source (engine lubrication system), as a result of which the check valve 17 opens and the fluid (oil) from the high-pressure fluid source (from the engine lubrication system) enters the receiver 16 and through the open tap 14 to the cavity 10 of the valve 9. The air from the gas cavity 11 of the piston 9 is forced through the holes 12 by the piston 9 into the cavity of the cylinder head 2. The compression spring 13 has a stiffness that ensures the permissible speed of landing of the valve 1 on its seat, that is, it performs the function of a damper

Зо клапана під час посадки його на сідло. Потрібний закон закриття клапана (зміни ефективної площі прохідного його перерізу) окрім підбору жорсткості пружини 13, у разі потреби, може забезпечуватися або швидкістю відкриття крана 14, або формою його вікна, що поєднує порожнину 10 із ресивером 16.From the valve when it is placed on the seat. The required law of closing the valve (changes in the effective area of its cross-section), in addition to selecting the stiffness of the spring 13, if necessary, can be provided either by the opening speed of the valve 14 or by the shape of its window connecting the cavity 10 with the receiver 16.

В закритому стані клапан 1 утримується переважно електромагнітом 6. Кран 14 при цьому поєднує гідравлічну порожнину 10 поршня 9 клапана із ресивером 16 і з робочою порожниною гідравлічного поршня 20 гідрокомпенсатора 18. Надмірний тиск газів, що утворюються у робочому циліндрі З під час роботи двигуна, діє на головку клапана 1, намагаючись відкрити клапан, і одночасно через отвір в головці 2 на робочу поверхню газового поршня 19 гідрокомпенсатора 18. Газовий поршень 19 передає силу тиску газів через штангу 21 гідравлічному поршню 20 гідрокомпенсатора, який підвищує тиск рідини в гідравлічній порожнині 10 поршня 9 клапана. За умов однакової площі робочих поверхонь поршнів 19 і 20 тиск рідини в гідравлічній порожнині 10 поршня 9 клапана буде таким же як і газів в порожнині робочого циліндра 3. Це приводить до того, що сила тиску газів на головку клапана 1 з боку циліндра буде компенсуватися силою тиску рідини на робочу поверхню поршня 9. Ці сили можуть дорівнювати одна одній, якщо площа робочої поверхні поршня 9 буде однаковою із площею головки клапана 1, яка контактує із порожниною циліндра 3, або трохи більше, якщо перша поверхня буде трохи більше другої. Такий розподіл сил, що діють на клапан, може бути також досягнутий за рахунок різних площ робочих поверхонь поршнів 19 і 20 гідрокомпенсатора 18. Таким чином, на тактах стискування, згоряння і розширення, які відбуваються в робочому циліндрі, клапан 1, що відкривається у бік головки циліндра, буде утримуватися у закритому положенні або тільки електромагнітом 6, електромагнітна сила якого буде дорівнювати тільки силі стискування пружини 13 або трохи більше неї, або разом електромагнітною силою електромагніта 6 та силою тиску рідини з боку поршня 9.In the closed state, the valve 1 is held mainly by the electromagnet 6. At the same time, the valve 14 connects the hydraulic cavity 10 of the piston 9 of the valve with the receiver 16 and with the working cavity of the hydraulic piston 20 of the hydraulic compensator 18. The excessive pressure of gases formed in the working cylinder З during engine operation acts on the valve head 1, trying to open the valve, and at the same time through the hole in the head 2 to the working surface of the gas piston 19 of the hydraulic compensator 18. The gas piston 19 transmits the force of gas pressure through the rod 21 to the hydraulic piston 20 of the hydraulic compensator, which increases the fluid pressure in the hydraulic cavity 10 of the piston 9 valve Under the conditions of the same area of the working surfaces of the pistons 19 and 20, the pressure of the liquid in the hydraulic cavity 10 of the piston 9 of the valve will be the same as that of the gases in the cavity of the working cylinder 3. This leads to the fact that the pressure force of the gases on the valve head 1 from the side of the cylinder will be compensated by the force of fluid pressure on the working surface of the piston 9. These forces can be equal to each other if the area of the working surface of the piston 9 is the same as the area of the valve head 1, which is in contact with the cylinder cavity 3, or slightly more if the first surface is slightly larger than the second. Such a distribution of the forces acting on the valve can also be achieved due to the different areas of the working surfaces of the pistons 19 and 20 of the hydraulic compensator 18. Thus, during the compression, combustion and expansion strokes that occur in the working cylinder, the valve 1, which opens to the side of the cylinder head, will be held in the closed position either only by the electromagnet 6, the electromagnetic force of which will be equal only to the compression force of the spring 13 or slightly more than it, or together by the electromagnetic force of the electromagnet 6 and the force of liquid pressure from the side of the piston 9.

Відкриття клапана 1 відбувається також за командою електронної системи керування двигуном, яка відключає живлення електромагніта б і подає живлення на електромагніт 7 електромагнітного привода 5 і електропривод 15 триходового крана 14. Кран 14 становиться у позицію, при якій він роз'єднує гідравлічну порожнину 10 поршня 9 із ресивером 16 рідини високого тиску і поєднує її із порожниною рідини низького тиску, наприклад, з картером двигуна.Valve 1 is also opened at the command of the electronic engine control system, which turns off the power supply of the electromagnet b and supplies power to the electromagnet 7 of the electromagnetic drive 5 and the electric drive 15 of the three-way valve 14. The valve 14 is placed in the position at which it disconnects the hydraulic cavity 10 of the piston 9 with the receiver 16 of the high-pressure liquid and connects it to the cavity of the low-pressure liquid, for example, with the engine crankcase.

Під дією електромагнітної сили, що діє з боку електромагніта 7 на якір 8 клапана, сили бо стискання пружини 13 та завдяки силі надлишкового тиску газів з боку робочого циліндра З на головку клапана 1 останній починає переміщатися угору, витискуючи своїм поршнем 9 рідину із гідравлічної порожнини 10 через кран 14 у порожнину низького тиску. З метою недопущення жорсткої посадки якоря 8 на ярмо електромагніта 7 електронна система керування двигуном до моменту здійснення цієї посадки подає сигнал на електропривод 15 триходового крана 14, завдяки якому кран 14 від'єднує гідравлічну порожнину 10 від порожнини низького тиску і ресивера 16 рідини високого тиску. Таким чином, стиснута рідина в порожнині 10 стає демпфером для клапана 1 на відкритті і не дозволяє якорю 8, який з ним пов'язаний, жорстко сідати на ярмо електромагніта 7. Це значно підвищує надійність і строк служби механізму, а також знижує шумність роботи усього двигуна. За необхідністю відкриття клапана на неповну висоту в залежності від режиму роботи двигуна електронна система керування двигуном може подати керуючий сигнал на електропривод 15 триходового крана 14 на відокремлення порожнини 10 від порожнини низького тиску і ресивера 16 рідини високого тиску у будь який момент з початку відкриття клапана.Under the action of the electromagnetic force acting from the side of the electromagnet 7 on the armature 8 of the valve, the compression force of the spring 13 and due to the force of the excess pressure of the gases from the side of the working cylinder Z on the valve head 1, the latter begins to move upwards, squeezing liquid from the hydraulic cavity 10 with its piston 9 through the tap 14 into the low pressure cavity. In order to prevent a hard landing of the anchor 8 on the yoke of the electromagnet 7, the electronic engine control system before this landing sends a signal to the electric drive 15 of the three-way valve 14, thanks to which the valve 14 disconnects the hydraulic cavity 10 from the low-pressure cavity and the receiver 16 of the high-pressure liquid. Thus, the compressed liquid in the cavity 10 becomes a damper for the valve 1 when opening and does not allow the armature 8, which is connected to it, to sit firmly on the yoke of the electromagnet 7. This significantly increases the reliability and service life of the mechanism, as well as reduces the noise of the entire operation engine. If it is necessary to open the valve to an incomplete height, depending on the engine operating mode, the electronic engine control system can send a control signal to the electric drive 15 of the three-way valve 14 to separate the cavity 10 from the low-pressure cavity and the receiver 16 of the high-pressure liquid at any time from the beginning of the valve opening.

Таким чином, запропонований механізм керування клапаном двигуна внутрішнього згоряння, що відкривається назовні, дозволяє здійснювати відкриття, закриття і утримання в закритому положенні впускних і випускних клапанів, які відкриваються у бік головки циліндра.Thus, the proposed valve control mechanism of the internal combustion engine, which opens outward, allows opening, closing and holding in the closed position the intake and exhaust valves, which open towards the cylinder head.

При цьому забезпечується підвищення надійності роботи механізму, зниження енергоспоживання, зменшення його габаритів і маси, а також, можливість варіювати висотою відкриття клапана. Незначне енергоспоживання електромагнітного привода дозволяє застосовувати в ньому електромагніти припустимих габаритів і маси, які живляться від система електропостачання автомобільних і подібних їм двигунів із напругою 12 В.At the same time, an increase in the reliability of the mechanism, a decrease in energy consumption, a reduction in its dimensions and weight, as well as the possibility to vary the height of the valve opening are ensured. The low energy consumption of the electromagnetic drive allows the use of electromagnets of permissible dimensions and mass, which are powered by the power supply system of automobile and similar engines with a voltage of 12 V.

Claims

FORMULATION OF THE INVENTION 25 An outward opening valve control mechanism for an internal combustion engine comprising an armature solenoid valve actuator, a hydraulic piston connected to the valve stem and in contact with a hydraulic cavity on one side communicating with a high pressure fluid source via a non-return valve , and a low-pressure cavity, and from the second one with the environment, as well as a hydraulic compensator, which consists of a lower gas piston, the working cavity of the cylinder of which is connected with the gas cavity of the working cylinder of the engine, the upper hydraulic piston, the working cavity of the cylinder of which is connected with a hydraulic cavity of the valve, and a rod connecting these pistons, which is characterized by the fact that the electromagnetic actuator is located coaxially with the valve stem, its armature is fixed rigidly to the valve stem, the hydraulic piston of the valve is also rigidly 35 directly fixed to the valve stem in such a way that it together with the hydraulic por the flange is located along the valve stem below the level of operation of the electromagnetic actuator, and the hydraulic cavity is connected to the high pressure fluid source and the low pressure cavity by means of a three-way valve, which is controlled by the electric actuator and is located between the hydraulic cavity and the check valve, the hydraulic compensator is located in such a way that 40 non-working surfaces its pistons and rod are in contact with the engine coolant.