Механизм для привода кулачкового вала четырехтактного двигателя внутренного сгорания

 

Изобретение позволяет упростить конструкцию и повысить кпд двигателя . Кулачковый приводной механизм содержит ср-во для вращения кулачкового вала 3, вращательный момент которого являetcя сочетанием кругового движения вокруг его оси вращения, которое имеет заданное фазовое соотношение с круговым движением коленчатого вала, и колебательного движения вокруг его оси вращения для опережения и запаздывания углового положения кулачков относительно клапанов, с которыми они взаимодействуют , и средство для изменения амплитуды колебательного движения, Скорость кругового движения кулачкового вала равна половине скорости коленчатого вала 2. Соединения между . приводным элементом и кулачковым валом содержат планетарную зубчатую передачу , солнечную и планетарнута шестерни . Сочетание колебательного движения с круговым движением кулачкового вала приводит к уменьшению периодов , в течение которых одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. 1 3.п. ф-лы, 10 ил. (О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОа1АЛИСТИЧЕСНИ

РЕСПУБЛИК

7408 А З 5ц 4 F 01 L 1/34

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3521654/25-06 (86) РСТ/VS 82/00442 (09.04.82) (22) 10.12.82 (31) 8111692 (32) 13.04.81 (33) GB (46) 30.06. 88. Бюл. Р 24 (71) Форд Мотор Компани (VS) (72) Томас Тцио-Хей Ма (GB) (53) 621 43. 038. 7 (088. 8) (56) Патент Великобритании

9 1522405, кл. F I В, опублик. 1978. (54) МЕХАНИЗМ ДЛЯ ПРИВОДА КУЛАЧКОВОГО ВАЛА ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение позволяет упростить конструкцию и повысить КПД двигателя. Кулачковый приводной механизм содержит ср-во для вращения кулачкового вала 3, вращательный момент которого является сочетанием кругового движения вокруг его оси вращения, которое имеет заданное фазовое соотношение с круговым движением коленчатого вала, и колебательного движения вокруг его оси вращения для опережения и запаздывания углового положения кулачков относительно клапанов, с которыми они взаимодействуют, и средство для изменения амплитуды колебательного движения.

Скорость кругового движения кулачкового вала равна половине скорости коленчатого вала 2. Соединения между . приводным элементом и кулачковым валом содержат планетарную зубчатую передачу, солнечную к планетарную шестерни. Сочетание колебательного движения с круговым движением кулачкового вала приводит к уменьшению периодов, в течение которых одновременно открыты впускной и выпускной клапаны.

1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1407408 будет постепенно увеличиваться. Колебания зубчатого колеса 14 заставят сателлиты 12 кататься туда и обратно по центральному колесу, в результате чего будет изменяться их угловое положение и осуществляться передача колебательного движения зубчатого колеса с внутренним зацеплением кулачковому валу 3 через водило.

Составное колебательно-круговое движение кулачкового вала графически показано на фиг.4. На фиг.4а показана фаэовая зависимость между перемещениями (закрытием и открытием) впускных и выпускных .клапаноэ и вращением коленчатого вала 2 в течение одного полного оборота коленчатого вала, причем угол поворота коленчатого вала отложен в градусах па аси абсцисс, а перемещение впускных и выпускных клапанов в миллиметрах отлажено по оси ординат. Кривые А и В соответственно показывают перемещения выпускных и впускных клапанов, когда зубчатое колесо 14 не подвергается колебанию, Выпускной клапан начинает о открываться за 50 до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки (НМТ),и опять закрывается примерно о через 35 после того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ).

Таким образом, выпускной клапан ото крыт на протяжении 265 поворота коленчатого вала 2, Впускной клапан нао чинает открываться примерно на 35 раньше, чем поршень достигнет ВМТ, о и закрывается примерно через 50 после тога, как поршень достигнет НИТ. Таким образом, впускной клапан также открыт на протяжении 265 поворота коленчатого вала.

При настройке рычага 19 управления (фиг.3) на колебание зубчатого колеса 14 аналогичные колебания совершает и кулачковый вал 3. Фазовая зависимость этих колебаний от вращения коленчатого вала показана на фиг.4б, откуда видно, что частота колебаний равна удвоенной частоте вращения коленчатого вала, следовательно, за каждый оборот коленчатого вала происходят два цикла колебаний. Кривые С и Р, показанные на фиг.4а штрихпунктирными линиями, соответственно показывают перемещения выпускного и впускного клапанов, когда вращательное движение кулачкового вала,.создаваемое коленчатым валом, сочетается висимссть между вращением коленчатого вала и колебаниями кулачкаэага вала. На фиг.5а показан палнъг або †. с

30 рат кулачкоэсга вала на 360 . Поскольку кулачкаэый вал вращается с частотой, равной половине частоты вращения коленчатагG вала, коленчатый вал поворачивается при этом на 720 . В течение этого периода проис35 ,ходят четыре полных цикла колебании.

Колебания приводят к уменьшению угла поворота коленчатого вала, на протяжении которого выпускной или впускной клапан открыты (паказана стрелка40 ми на фиг.5a).

Как показана на фиг.5в, паршеш..

25 с колебаниями. Колебания изменяют круговое движение кулачковага вала, в результате чего выпускной клапан о открывается примерно эа 30 да НМТ с и закрывается примерно через 20 за

ВМТ, а впускной клапан открывается о примерна за 20 да BMT и закрывается с примерна через 30 на НМТ. Таким об-разом, каждый клапан открыт на протяо жении 230 повсрата коленчатого вала.

Путем изменения амплитуды колебаний можно изменять периоды, на протяжеHHH которых впускной и BIillóñêíîé клапаны открыты.

На фиг.5 показано влияние колебаний кулачксэаго вала Hp впускные и выпускные клапаны для трех других цилиндров двигателя — фазовая зависимость между открытием впускных клапанов соответственна первого, второго, третьего и четвертога пилиндрсв, Заштрихованные участки соответствуют открытию выпускных клапанов, неэаштрихаванные — открытию впускных клапанов. На фиг.5е наказана фазовая завторого цилиндра двигателя смещен па фазе относительна первого цилиндра о на 180 (при двух полных оборотах коленчатого вала, необходимых для завершения одного рабочего цикла двигателя). Следовательно, выпускной и впускной клапаны открываются через о

180 IIocJIe открытия клаганаэ IZEpBQ го цилиндра. Поскольку колебания, сообщаемые кулачкаваму валу, имеют частоту, равную удвоенной частоте вращения коленчатого вала, сдвиг па фазе клапаноэ второго цилиндра относительно клапанов первого цилиндра равен одному полному циклу колебания. Следовательно, колебания изменяют угол поворота коленчатого вала, на пратя1407408 женин которого клапаны второгo цилиндра открыты, на точно такую,;е величину, как для клапанов HepBQIQQ цилиндра.

Как показано на фиг.5с, третий т цилиндр смещен по фазе:Ia 540 относительно первого цилиндра и нbi 360 относительно BTUponо цилиндра. CJIp JIG вательно, выпускной и впускной клапя- 10 ны открываются через 540" и 360 после открытия клапанов первого и второГО цилиндров сООтве гственнО. зти сдвиги фаз соответствуют трем и двум полным циклам колебаний. Такиь обраI т

3oM кОлебания изменяют уГлы IIQBopo" та коленчатого вала, ня протяжении

КОТОРЫХ OTKPbITbi КЛЯГ!ЯНЫ .: РЕТЬ ЕГО ЦИ

ЛИНДРЯ р HB ТОЧНО ТЯКУЮ >INC ВЕ.ЛИЧИНУ р как для первого и второго ш.пинцров.

Лналогично,. т(як НОкяз яно ня фих ., 5d . поскольку четвертый цию инцр имеет сдвиг по фазе на 360 80 тт 180

ОТНОСИТЕЛЬНО ПЕР В01 C ., Б ТОт;ОГО И Ч Е,."вертого цилиндров соответственно, каждый из которых ccoTBeтcTByBТ целому числу цикло колеб-ний, период открытия выпускного и впускного клаПЯНОВ ЧЕТВЕРТОГО ттИЛИНДРЯ таЗМЕНЯЕТСЯ так же, как у клапанов других трех цилиндров.

Таким образом, описяйьый pе..тптм применим к двигателям с любым чипом цилиндров, при усттовии если пторшни находятся в фазе с кяждыт. другим ип-;.т смещены по фазе цруг olносит"=-1ьно друга на 180 (или целое кратное ему) . Следовательно, в таком двигателе все клапяны могут Cbròь гриве екьт в действие от общего коленчато1О ваЛаю

В четырехтяктном двигателе, имеющем и поршней смещенных по фазе друг относительно,цруга ня одянакоВуш BETIIIHИНу, CJIB:: I А Ilo .=-тэ Е LIB i ió) любыми двумя IioplllHRм.i по этною „- . 10 к двум полным обсротам коле -. Чатого ва"ла необходимым для зыполнеттия четьт-рехтактного цикла двигателя, будет составлять 720 /и (или u: — ëoå крат-. о .ное этому углу) поворота колен.-.:a Tnr o вала. Приведение в дейтствие кл панов каждого цилиндра -.акже будет смеще.но по фазе друг относительно другa на эту величину. Чтобы ко::ебяп»я одн

:наково влияли на все клапаны, сдвиг

А по фазе должен соо гветсгвоват ь це= лому числу HQJIHbix цикпов колебания.

В бОльшинстве случаев сдттi-Г . 1 сОст тj I

lr. 0 тт» ветствует одному полному циклу колебания. Следовательно, для каждого

Зб0 цикла коленчатого вала в таких случаях должно быть 360/А = 360/720 n =

= n/2 колебаний. Частота колебаний должна быть равна частоте вращения коленчатого вала, умноженной на n/ 2.

Двигатель, в котором кулачковый вал приводит в действие клапаны двух пилиндров, т.е. когда n = 2, тоже работает удовлетворительно, когда сдвиг

А по фа.зе между двумя цилиндрами соответствует двум полным циклам коле=анин. В этом случае частота колебаний равна частоте вращения коленча-:.о=: О вала, умноженной на п. Когда коленчаibIH вал приводит в действие один ттт-ЬЛИНДВ (Il = ), УДОВЛЕтВОРИтЕЛЬНЫЕ результаты могут быть получены, если меха.низм привода кулачков будет обеспечивать четыре полных цикла колебания, .когда частота колебаний равна частоте вращения коленчатого вала, умноженной на 2п. Таким образом, для механизма привода кулачков, предназначенного для приведения во вращение купачкового вала, приводящего в действие кляпань п цилиндров, частота колебаний должна быть равна частоте вращения коленчатого Bала, умноженной на f, где f = 2п,, когда n = 1; — и/2 или и, когда n = 2, и f

= и/2,, когда п = 3 или более. ..1= фиг.6 показана работа шестици;,rirIäpoBQão однорядного двигателя. В этом двигателе кажцый поршень смещен по фазе относительно других на фазо-.

1J эый угол А =. 120 . Чтобы колебания з сочетании с кругозым движением ку-г»xoBQno вала обеспечивали одинакот1ОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПЕрИОца ОтКрЫткя КЛала тов в каждом цилиндре, частоту колебаний (п/2) повышают дс величины, равной частоте вращения коленчатого

=:аля, умноженной на 6/2 или 3.

11я фиг.6 выпускной клапан первого .-,.- ;ли IJIpà показан заштрихованным участком. Открытие и закрытие выпуск:-.Ого клапана в каждом цикле происхоо дит с опережением примерно на 20, a

oTKpûTHå и закрытие впускного клапао

-я — c запаздыванием примерно на 20 .

Таким образом, хотя в каждом цикле период., в течение которого каждый

:<лапая открыт, не изменяется, период, -.,"= eние кoтoрогo открыты одновре»1енна оба (впускной H выпускной) кла..тя1тЫ., уМЕНЬШаЕтСя. ТяКОЕ УМЕНЬШЕНИЕ

1407408 тивный режим работы кулачкового вала ряда из трех цилиндров, показанных на фиг.8. В этом случае фазовая завиповышает КПД по топливу при низких оборотах двигателя и низких нагрузках.

Участки, показанные на фиг.бв, иллюстрируют работу второго цилинд5 ра, работающего со сдвигом по фазе относительно первого цилиндра, равным 120 . Поскольку сдвиг фаз между двумя цилиндрами соответствует целому числу циклов колебаний, влияние колебаний на работу впускного и выпускного клапанов второго цилиндра будет точно таким же, как влияние на работу клапанов первого цилиндра.

Поскольку все остальные цилиндры сдвинуты по фазе относительно других о на 120 или кратньм ему угол), влияние колебаний будет одинаковым во всех цилиндрах. 20

Диаграмма на фиг.7 иллюстрирует работу другого варианта в применении к двигателю, в котором кулачковый вал приводит в действие. два цилиндра, расположенных друг относительно дру- 25 га. со сдвигом на фазовый угол A=360

В этом случае частота колебаний равна частоте вращения коленчатого вала, умноженной на n/2 = 2/2 = 1. Показан-. ные на фиг.7а площадки иллюстрируют работу клапанов первого цилиндра.

Подобно тому, как и в шестицилиндровом двигателе, абсопютные периоды, в течение которых выпускной и впускной клапаны открыты, не изменяются, а пе35 риод, в течение которого одновременно открыты оба клапана уменьшается, что повышает КПД по топливу при низких оборотах двигателя и низких нагрузках.

Двигатели этого типа способны работать в соответствии с изобретением и с механизмом привода кулачков, в котором частота колебательного движения равна удвоенной час-оте враше45 ния коленчатого вала. В этом случае изменения в работе выпускных и впускных клапанов будут точно такими же, как показаны на фиг. 4.

Описание работы двигателей, имею50 х кулачковый вал, приводящий в действие два цилиндра. приемлево как для двухцилиндровых двигателей, так и для четырехцилиндровых, в которых цилиндры расположены по два,например, горизонтально оппозитными (противолежащими) парами, причем клаliàíû каждой пары приводит в ".åéñòâèå свой кулачковый вал.

На фиг.8 показана диаграмма pa5o-ты трехцилиндрового двигателя. Однорядчые трехцилиндровые двигатели встречаются редко, но шестицилиндровые двигатели, в которых цилиндры расположены двумя рядами по три цилиндра в каждом ряду, обычно имеют два отцельных кулачковых вала. На фиг.8 показана работа одного такого ряда цилиндров. В обоих случаях три цилиндра будут смещены по фазе друг относительно друга на фазовый угол

240 и частота колебаний будет равна частоте вращения коленчатого вала. умноженной на v/2 = 3/2 =- 1,5.

Впияние ко, ебаний на це цилинцр (фиг.Sa) сказывается в уменьшении периодов, в течение которых одно-временно открыты выпускной и впускной клапа:ж, без уменьшения индивидуальных периодов открытия соответственных клапанов, Можно также видеть (фиг.8в) что 240, на которые сдвинут по фазе второй цилиндр относ:..-— тельно первого, соответствует целому числу циклов колебания. Следовательно, будут иметь место такие же изменения периоцов открытия н закрытия клапанов во втором цилиндре. То же самое будет справецливо и цля третье"c цилиндр а.

HG фиг.9 показан альтернативный режим работы кулачкового вала ряда из трех цилиндров, показанных на фиг.8. В этом случае изменена фазовая зависимость колебаний от вращения коленчатого вала. Так,на фиг.8 колебательное движение начинают, чтобы обеспечить опережение моментов открытия и закрытия клапанов, в точке

В„ которая совпадает с БМТ какоголибо из цилинцров. При изменении фаз колебаний так, чтобы точка В находилась в начале открытия впускного клапана или близко к нему, открытие и закрытие выпускных клапанов происходит раньше на одну и ту же величину, а моменты открытия и закрытия впускных клапанов остаются теми же. Таким образом, хотя моменты открытия и закрытия сколь-нибудь существенно не изменяется, период, в течение которого оба клапана открыты, тем не менее уменьшается.

На фиг.!О показан другой альтерна8 10 ет собой понижающую передачу с передаточным отношением 2f : 1, в резуль тате чего частота вращения кулачкового вала равна половине частоты вращения коленчатого вала.

Изобретение обеспечивает конструк" цию двигателя с переменными фазами клапанного газораспределения при использовании только одного кулачкового вала, снабженного предлагаемым механизмом привода.

Формула и з о б р е т е н и я!. Механизм для привода кулачково

ro вала четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, имеющего один или несколько блоков из и цилиндров, поршень, соединенный с коленчатым валом н имеющий возможность возвратно-поступательного движения в каждом цилиндре, при этом поршень находится в фазе с любым другим поршнем в блоке, которому он принадлежит, или смещен по фазе на фазовый угол А или на целое кратное число указанных углов, и кулачковый вал, на котором установлен с возможностью вращения ряд кулачков для привода впускных и/или выпускных клапанов каждого цилиндра в блоке, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения КПД, кулачковый приводной механизм содержит средство для вращения кулачкового вала, вращательжФ момент которого является сочетанием кругового движения вокруг его оси вращения, которое имеет заданное фазовое соотношение с круговым движением коленчатого вала, и колебательного движения вокруг его оси вращения для опережения и запаздывания углового положения кулачков относительна клапанов, с которыми они взаимодействуют, при этом колебательное движение имеет заданное фазовое соотношение с коленчатым валом, и средство для изменения амплитуды колебательного движения, в результате чего может меняться синхронизация открытия и закрытия клапанов, причем скорость кругового движения кулачкового вала равна половине скорости коленчатого вала и частота колебаний кулачкового вала составляет f частей от частоты вращения коленчатого вала, где f =, когда и = 1; f = и или

n/2, когда и = 2; Е = и/2, .когда n =

9 140740 имость колебаний от вращения коленчатого вала изменена так, что точка В, 1 находится в месте, соответствующем закрытию выпускного клапана, или близко к нему. В результате моменты

5 открытия и закрытия впускного клапана запаздывают на одну и ту же величину, а моменты открытия и закрытия выпускного клапана остаются неизменными, следовательно, период, в течение которого оба клапана открыты, уменьшается.

Изобретение может быть использоваНо также в двигателях, в которых кулачковый вал приводит в действие клапаны только для одного поршня, например в одноцилиндровых двигателях или

3 двухцилиндровых, в которых цилиндpbl ГopHsoHTBJIhHo опнозитны, 20

Работает кулачковый вал аналогично описанному за исключением того, что частота колебаний равна удвоенной частоте вращения коленчатого ваЛа. Изменения в работе впускного и 2б выпускного клапанов будут точно такими, как показано на фнг.4.

Таким образом,во всех вариантах

Изобретения результатом сочетания коЛебательного движения с круговым дви- щ жением кулачкового вала является уменьшение периодов, в течение которых одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Этот период можно увеличить путем сдвига фазы колебаний на половину цикла, что зависит от того, какой (длительный или короткий) период совместного открытия впускного и выпускного клапанов обеспечит при отсутствии колебательного движения одно круговое движение кулачкового вала.

Подобный механизм может быть использован для приведения во вращение коленчатого вала двигателей с большим или меньшим числом цилиндров. Однако, потребуется изменение размера приводного элемента и передаточного отношения понижающей зубчатой передачи для обеспечения колебаний с требуемой частотой при требуемой частоте кулачкового вала.

Приводной элемент приводят во вращение с частотой, равной частоте вращения коленчатого вала, умноженной на f, в результате чего частота сообщаемых колебаний будет равна частоте вращения коленчатого вала, умноженной на f, а зубчатая передача представляll l4

Э и больше, при этом кулачковый приводной механизм содержит приводной элемент, приводимый в действие коленчатым валом, и ряд соединений между приводным элементом и кулачковым валом для превращения вращательного движения приводного элемента в совпадающее вращение кулачкового вала и непрерывное колебательное движе ние кулачкового вала относительнб приводного элемента, наложенное на вращательное движение, причем соеди нения содержат планетарную зубчатую передачу, имеющую ряд зубчатых колес, включая зубчатое колесо с внутренним зацеплением, солнечную шестерню и планетарную шестерню, установленную с возможностью вращения на опоре планетарной шестерни, причем одно из соединений связывает одно из зубчатых колес с приводным элементом для совпадающего вращения, при этом имеется средство, соединяющее другую часть зубчатой передачи с кулачковым валом и связывающее приводной элемент с одним из зубчатых колес для автоматического и непрерывного коле07408 12 бательного движения упомянутого зубчатого колеса для непрерывного изменения относительной угловой ориента5 ции между одним из колес и другой частью зубчатой передачи для колебательного движения кулачкового вала относительно приводного элемента, при этом приводной элемент содержит кривошипное колесо, связанное при помощи соединяющего средства с одним из зубчатых колес, при этом имеются ось, установленная. с воэможностью смещения вдоль соединительного средства цля изменения колебательного движения одного из зубчатых колес, и средство для смещения оси.

2. Механизм по п.1, о т л и ч а ю-O шийся тем, что колесо, соединенное с приводным элементом, является солнечной шестерней, а зубчатое колесо, связанное с соединительным средством, является зубчатым колесом

25 с внутренним зацеплением, а часть зубчатой передачи, связанная с кулачковым валом, является опорой планетарной шестерни.

1407408

1407408

1407408

q3U 2 ° 70

Составитель Н.Патрахальцев

Техред М.Моргентал Корректор Н.Король

Редактор А.Лежнина

Заказ 3215/59 Тираж 492

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, М(— 35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4