CN100350135C - 可变配气机构及旋转燃烧室和气门装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变配气机构及旋转燃烧室和气门装置，其可变配气机构由运动转换装置及其致动置和行星轮系组成，该机构能够连续调整进、排气门的启、闭四个关键相位角及相位，改变气门开启的持续角和增大开启位置的时间，用以增大流经气门的气体流量，改善燃烧条件，增加内燃机输出功率。其所控制的旋转燃烧室和气门装置是一种集燃烧室、进气门、排气门为一体的旋转体，在旋转过程中，燃烧室和进、排气门在设定位置上进气相应工作，完成内燃机工作循环。

Description

可变配气机构及旋转燃烧室和气门装置

本发明系1996年7月15日、专利申请号为96115471.3名称为“旋转燃烧室暨气门装置和可变配气机构”的分案申请，本发明具体涉及一种可变配气机构及旋转燃烧室和气门装置，该机构能够连续地调整进、排气阀的开启和关闭四个关键相位角和配气相位。

目前大多数内燃机一直沿用固定的配气相位，固定配气相位使得内燃机工作转速在接近其设计值时，才能达到理想的性能指标，否则整个性能指标均低于理想指标，其结果会使油耗增加，排气污染加重，内燃机工作粗暴。

普通内燃机燃烧室是固定的，它的进、排气门形状如同一根长杆图钉，由凸轮轴驱动，以设定的规律做往复机械运动、开启或关闭进、排气门，使燃料或燃气在燃烧室内燃烧做功，推动内燃机运转。现有进、排气门的运动基本是通过一直所延用的凸轮轴来控制。

上述进、排气门及其驱动机构存在如下主要几方面缺点：

一、排气门长时间暴露在高温燃气中，周期性地受热，故在燃烧室端部存在高温热面，容易引起早燃而产生爆震；

二、现行气门机构结构复杂，运动部件多，容易引起机械噪声和振动，驱动气门机构的功率损失大；

三、在高速运转时，为保证气门关闭，必须采用高强度气门弹簧，结果容易导致气门驱动机构零件弹性变形，使气门运动不正确。

由于现有固定配气机构和普通往复式进、排气阀装置，存在以上所述不足之处，促使人们为解决上述问题进行了努力，值得庆幸的是如今人们已找到了解决这类问题的途径。采用可变配气相位技术替代固定配气相位技术似乎已成该技术领域发展的必然趋势，而旋转燃烧室和气门装置，以其独特的结构显示了它的优良的技术性能。

国内《(车用发动机》杂志1996年第1期第1-6页在“可变气门定时研究的回顾及展望”一文中介绍了几种可变气门定时(Varabl Valve Timing)机构(本文以下简称VVT机构)，该机构控制原理可分为直接控制气阀式和凸轮传动式两种。凸轮传动式VVT机构是在凸轮轴和传动原件上做些变化，气门定时变化范围小，主要适用于改善发动机扭矩特性等场合。直接控制气阀式VVT机构一般用机械式、液压式或电气式作用方式来直接控制气阀的运动。由于直接控制气阀式VVT机构结构复杂、体积大、耗能多、可靠性差和造价高等原因，至今还没有其负荷由该机构来调节的内燃机产品，尽管该文章向人们推荐液压式控制机构，但其也存在着液压动作太慢的问题，当内燃机转速达到4000转/分以上时，反应迟钝；另外，上述液压式或电气式VVT机构故障率高，发生故障后配气机构即无法工作，可靠性差。

同样，国内《小型内燃机》杂志1994第第23卷第4期第56-61页介绍了一种圆柱回转阀的研制情况；该杂志1996年第25卷第1期第51-61页又介绍了几种采用旋转式进排气阀的发动机。上述旋转式进排气阀以轴流式设计为主，对改善发动机整体工作性能确有一定作用，但其密封性及其燃烧室布置仍不十分尽如人意。

另外，WO88/08920公开了一种旋转配气器，其球形旋转阀位于汽缸上方，有耳轴与配气器一起转动，气阀上有进、排通道，有密封条使配气器和炉膛(汽缸)组成密闭空间。上述球形旋转阀只具有进排气功能，而不具有燃烧室功能。其燃烧室属于传统的柴油机(狄塞尔内燃机)燃烧室，该燃烧室设置在活塞上，形成的燃烧室不能旋转。同样，CN2186301Y所公开的一种内燃机的配气机构中，其旋转气阀为半球壳形，只具备进排气功能，所形成的燃烧室同样不能随旋转阀一同旋转，燃烧室始终处在高温状态下容易产生热点导致爆震。阀们在传动机构带动下作往复转动，仍然会产生往复运动带来的惯性和冲击负荷，对其传动齿轮的冲击更大，除此之外，上述燃烧室还存在结构设计不够紧凑，燃烧室组成面较多、面容比较大，散热损失较大问题。

本发明克服了上述现有技术之不足，其目的在于提供一种可变配气机构及旋转燃烧室和气门装置，该机构既可与本发明所述的旋转燃烧室和气门装置配套使用，又可与现有往复式进、排气阀配套使用。

本发明的目的是通过发下技术手段实现的。

对于可变配气(VVT)机构来说，较小的进、排气重叠度使怠速稳定，降低部份负荷时的油耗，减少碳氢化合物的污染；大的进、排气重叠度可提高满负荷的扭矩，做到低能耗、低污染，高效率。在四冲程内燃机中影响发动性能的有四个关键位置，即排气门开、排气门关、进气门开、进气门关的相位角。理想的VVT系统应能按照需要灵活地调节它们的相位和气门的相位角，同时调节气门，增大气流流通面积。本发明采用的可变配气机构，其特征在于该机构由运动转换装置及致动装置所组成，其中所说的运动转换装置采用内表面加工有螺旋形花键槽和外表加工有直线花键槽的运动转换部件D，由该部件D插装在螺旋形花键轴h上组成螺旋形花键付，由该部件D与套装在部件D外面的直线花键套b组成直线花键付，部件D上装有回位弹簧S，所说的致动装置由轴向凸轮E与滚轮d组成，滚轮d设置在上述部件D上，轴向凸轮E可沿轴线作直线运动或绕轴线作旋转运动。在上述运动转换部件D与螺旋形花键轴h和直线花键套b之间装有滚珠G，可组成滚动螺旋形花键付和滚动直线花键付。

上述致动装置中的凸轮E可选择外轮凸轮Ea与内轮Eb套装在一起，组成一体。

上述致动装置可采用直线伺服电机M替代机械凸轮E和滚轮d，由伺服电机M通过止推轴承N与上述运动转换部件D相连接(参见图2-2)。

上述可变配气机构中，其运动转换装置一端装有行星轮系(参见图2-1)，该行星轮系由内齿轮B、行星轮C、中心轮A和行星架H组成，内齿轮B作为运动输入端，其外圈通过链条或同步皮带与内燃机主轴相接，中心轮A与旋转进排气阀2的旋转轴6相联，行星架H连接行星轮C，花键轴h与上述行星架H同轴相联，直线花键套b与内齿轮B同轴相联。

上述可变配气机构可与旋转燃烧室和气门装置相配套，其特征在于所说的配气机构的输出轴一端连接有气门装置，该气门装置的进排气阀是一旋转球体，球体表面加工有凹形燃烧室，旋转进排气阀装配在气缸盖内，位于气缸上方，旋转轴带动进排气阀转动，旋转进排气阀上设有进、排气通道，球体的凹形燃烧室在内燃机压缩、燃烧膨胀时与气缸相接组成密闭空间。

本发明采用的气门装置将燃烧室和进气门、排气门做成一体，其外形为一球体，该球体夹在气缸盖部件之间，并和旋转轴连在一起。球体中设置有进气道和排气道。在吸气工作时，使气缸内与进行气装置连通；在排气工作时，则使气缸内与排气装置连通。球体表面凹形燃烧室，在内燃机压缩、燃烧膨胀时与气缸相接组成密闭空间，使燃料在燃烧膨胀过程中推动活塞做功，即按照各种工况，球体旋转到各对应位置上，使内燃机进行相对应的工作，完成其整个工作循环。上述凹形燃烧室可选用球冠状或碗状等结构形式。

上述球体的进气道和排气道设置有两种方式，一种是将两者分开设置，旋转轴是空心的，和球体联成一体，旋转轴两端的进、排气口分别和球体上的进、排气口相通，通过它们的气道同进、排气装置连通，如图1-1(a)、(b)、(c)、(d)所示。第二种是将进、排气道共用，靠球体转动，用单一的气道分别同进、排气装置接通，如图1-2(a)、(b)、(c)、(d)所示。

我们将第一种方式的装置称为I型，第二种则称为II型。两种方式都可用在四冲程内燃机上。其中II型亦可用在二冲程内燃机上，做为进气或排气门使用。

在使用燃油喷射的内燃机上，凹形燃烧室(图视为球冠状)顶部有一贯通的腔体，使装配在气缸盖上的喷油嘴可通过腔体向燃烧室喷入燃油。如图1-1和图1-2所示。腔体形状按具体使用情况来设计。

上述旋转燃烧室和气门装置具有如下优点：

以汽油为燃料的内燃机，通常在燃料中加入添加剂以提高辛烷值，防止由于气门上的热点而引起的早燃。在旋转燃烧室的内燃机中，燃烧室和气门是转动的，温度比较均匀，也比较低，没有热点，不会有早燃而引起的“爆震”，甚至在高压缩比的情况下也是如此，所以，低辛烷值的汽油在高压缩比的情况下也可以使用，这样，就可以降低燃烧费用。

旋转燃烧室的气门没有往复运动的惯性和冲击负荷，同时，运动件比较少，因此，内燃机的嗓声和振动以及消耗在气门机构上磨擦用功能都比较低。它能使内燃机在高速下运行，也可以维持较低的转速，较低的怠速可消耗较少的燃料。

由于该装置的特点，它的进、排气口理论上可以做的几乎同气缸直径一样大，因此，它的气体流动阻力较小，内燃机在进、排气时所消耗的功率也较少。

球体的密封比较容易、可靠，如采用碳—陶瓷浮动密封件，可进一步使机油不与排气系统相接触，也不会通过进、排气门窜入燃烧室，由此可以降低排气污染。

上述可变配气机构具有如下优点：

本发明的VVT机构与现有其它方法比较，具有简单、可靠的特点，可以灵活、连续调整进、排气门开启或关闭的相位角和相位，并可用角位移的方法调节气门，增大气流流量。当VVT机构控制部分失灵时，气门装置仍可在原有工作状态下继续运行，不致于因此故障导致内燃机无法正常工作。

下面结合附图详细介绍本发明具体结构及其工作原理。

图1-1(a)、(b)、(c)、(d)为本发明分置式气道装置结构及其工作状态示意图。(a)工作状态、(b)排气状态、(c)、(d)进气状态。

图1-2(a)、(b)、(c)、(d)为本发明共用式气道装置结构及其工作状态示意图。(a)、(d)工作状态、(b)排气状态(图中腔体未剖视)、(c)进气状态。

图2-1为本发明机械式VVT机构示意图。

图2-2为本发明直线伺服电机VVT机构整体结构示意图。

图2-3为本发明机械式VVT机构中轴向凸轮曲面平面展示意图。

图2-4(a)、(b)为本发明VVT机构星轮系顺、逆时针旋转状态示意图。

图2-5为本发明VVT机构配气相位角位移示意图。

图2-6为本发明VVT机构配气相位图。

图2-7为本发明VVT机构气门启、闭角度及持续角的调整相位示意图。

图1-1所示的旋转燃烧室暨气门装置中，球体旋转进排气阀2设置在气缸盖3之间，位于气缸1上方。该气阀2的球体内设有分置式进、排气通道4，并在球体表面加工的球冠状凹形燃烧室，喷油嘴8通过供油腔体7向燃烧室5喷油。空心旋转轴6带动球体转动，使球体在转动中完成整个工作循环过程。

图1-2所示的旋转燃烧室暨气门装置中，旋转气阀2内的进、排气通道4设置方式为共用结构，其它结构没有变化。

图2-4(a)、(b)为本发明VVT机构行星轮系顺、逆时针旋转状态示意图。当H和A无相对运动时，即H和A锁定，A和C、B也无相对运动，即A和B也锁定，此时，A随B同步转动；当H相对于B做同向运动时，C的转动方向和B相反，并使C和A相向运动(即方向相反)，此时，A的转动方向和B的相同；由于H相对B做同向运动，A的转速大于B的转速，如图2-4(a)所示；当H的转动方向和B相反时，C的转动方向和B相同，A和C做相向运动，方向相反，并同B的方向相反；当A的转速和B的转速相同，方向相反时，A就变为绝对静止不动。周而复始，即：A与B同步转动——A相对B做加速转动——A相对B做减速转动——A静止不动，从而产生瞬间停止运动(即做间歇运动)。利用这一特性，可以使气门在开启持续角不变的情况下，在最大开启位置上保持较长的时间，使较多的气体流过气门，如图2-6所示。

综上所述，当H做相对于B的同向转动时，A相对于B就会产生同向的角位移，如图2-4(a)所示；当H做相对于B的反向运动时，A就会产生相对于B的反向角位移，如图2-4(b)所示。由于A和气门的机构相联，而B的运动来源于内燃机的主轴，A超前或滞后于B所产生的角位移就能够使气门的开启和关闭可提前、可滞后，从而使配气情况发生了变化。

调整H相对于B的转角QE大小，就可以改变气门配气相位的角位移大小，如图2-5所示。

要实现上述动作，必须有一套机构来完成规定的运动，如图2-1所示。h是螺旋形花键，D的内径是螺旋形花键套，二者和滚珠组成螺旋形花键付，它们可将轴向运动变为转动。D的外径是直花键，b是直花键套，二者和滚珠组成直花键付，它们之间只产生轴向的直线运动。h和H同轴相联，b和B同轴相联，当D在b内沿线运动时，h就会因为和D内套所组成的螺旋花键付而产生转动。又因为h和H相联、b和B相联，这就使得由h转动而带动H转动，H转动就会使A和B之间产生角位移，如图2-3和图2-4所示，这样就会使气门的运动发生变化。

A对B的角位移是通过调整H的转角来实现的，H的运动是通过D(包括h和b所组成的机构)来实现的，D的运动是由E来决定的。E是一轴向凸轮，d是D上的滚轮，和E配合使D做直线往复运动。d在凸轮E上产生的运动轨迹，是E按照进、排气规律及其它要求和本机构的特征而制定的。由此可见，A对B的相对运动(各运动参数，如：角位移的大小、角位移速度等)受控于E。改变E的轴向起始点，即沿轴线前移或后移一个位置，就可使A对B发生角位移，超前或滞后一个角度QE，如图2-5所示，使配气相位实现了可变，而且是连续可变的。

改变E的曲线形状，就会使A对B的角位移速度发生变化，若使A的角位移速度和B的角位速度在瞬间相同、方向相反，就会使机构输出端(A的轴)产生瞬间停滞现象(间歇运动)。这里，这种性质很重要，它可以使气门在开启程度最大时，产生瞬间停滞现象，在规定的转角内，在不改变气门开启持续角情况下，能使较多的气体经过气门，以增大气缸的充气系数，改善燃烧条件，减低排气背压，增加了内燃机的输出功率。当瞬间停滞运动完成后，A就会迅速回到原来相位上，与原相位同步运转。

该性质还可以使旋转燃烧室及其气门装置在做工状态时，燃烧室在规定位置上瞬间停止转动，进行诸如喷油、点火、燃烧等工作。

若延长凸轮上曲线启始点到终点的长度，就会使气门的开启持续角增加，如图2-7所示。改变气门开启的持续角是通过两个同轴、分片的轴向凸轮相对角位移来实现的，如图2-3所示。将Eb向前转动一个角度t，就会使气门开启持续角向前增加一个角度，反之亦然。也可使Ea和Eb同步绕轴线转动，改变E的起始角度，可以使瞬间停滞动作超前或滞后进行，这种变化是连续可调的。

相应增加凸轮的凸缘(曲线)数目，可使机构在转动一周内做相应数目的角位移和瞬间停滞运动，完成一个工作循环。

在旋转燃烧室及其气门装置上，用本机构可完成整个工作循环中气门的相位和气门的开、闭角度以及持续角的调整，如图2-7所示。并在设定的位置上做瞬间停滞运动，如图1-1和图1-2所示的位置。

上述VVT机构中的凸轮E与滚轮d组成的致动装置可由直线伺服电动机M来代替，如图2-2所示。这样，直接利用输入的指令信号来控制电动机M，完成所设定的动作，使其更容易实现自动控制，以大大提高内燃机的性能。图2-2所示的装置，在直线伺服电动M不能工作的情况下，仍可保证内燃机配气工作。

对于用凸轮轴的往复阀气门机构，本VVT机构以其特性，可以在凸轮转到顶点时，产生瞬间停止运动，在凸轮轴的包角内，使气门有较长的时间来保持最大的开启量；也可用A对B的位移来改变凸轮到达顶点位置的时间，或提前或滞后，当然，也可改变气门开启的持续角和相位。

本VVT机构也可用在有往复阀气门的两冲程内燃机上，用以控制气门的相位及开启、关闭的相位角和气门的最大开启量。

Claims (8)

1、一种可变配气机构，该机构由运动转换装置及致动装置所组成，其特征在于所述的运动转换装置采用内表面加工有螺旋形花键槽和外表加工有直线花键槽的运动转换部件[D]，该部件[D]插装在螺旋形花键轴[h]上组成螺旋形花键付，同时，该部件[D]与套装在部件[D]外面的直线花键套[b]组成直线花键付，部件[D]上装有回位弹簧[S]；所述的致动装置由轴向凸轮[E]与滚轮[d]组成，滚轮[d]设置在上述部件[D]上，轴向凸轮[E]可沿轴线作直线运动或绕轴线作旋转运动。

2、根据权利要求1所述的配气机构，其特征在于所述的运动转换部件[D]与螺旋形花键轴[h]和直线花键套[b]之间装有滚珠[G]，组成滚动螺旋形花键付和滚动直线花键付。

3、根据权利要求1所述的配气机构，其特征在于所述的致动装置中的凸轮[E]由外凸轮[Ea]与内凸轮[Eb]套装在一起组成。

4、根据权利要求3所述的配气机构，其特征在于所述的致动装置采用伺服电机[M]，由轴承[N]与上述运动转换部件[D]相联接。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的配气机构，其特征在于该机构的运动转换装置一端装有行星轮系，该行星轮系由内齿轮[B]、行星轮[C]、中心轮[A]和行星架[H]组成，内齿轮[B]作为运动输入端，其外圈通过链条或同步皮带与内燃机主轴相接，中心轮[A]与旋转进排气阀[2]的旋转轴[6]相联，行星架[H]连接行星轮[C]，花键轴[h]与上述行星架[H]同轴相联，直线花键套[b]与内齿轮[B]同轴相联。

6、根据权利要求1所述的配气机构，其特征在于所述的配气机构的输出轴一端连接有气门装置，该气门装置的进排气阀[2]是一旋转球体，该球体表面加工有凹形燃烧室[5]，旋转进、排气阀[2]装配在气缸盖[3]内，位于气缸[1]上方，由旋转轴[6]带动进、排气阀[2]转动，旋转进排气阀[2]上设有进、排气通道[4]，球体上的凹形燃烧室[5]在内燃机压缩、燃烧膨胀时与气缸[1]相接组成密闭空间。

7、根据权利要求6所述的配气机构，其特征在于所述的气门装置的气门为单一气道[4]，进、排气共用一个气道，球体旋转使气道[4]分别将气缸盖[3]上的进、排气口和气缸[1]内部相接通。

8、根据权利要求6或7所述的配气机构，其特征在于所述的球体顶部有和燃烧室[5]相贯通的腔体[7]，该腔体[7]用于喷射燃油或点火。

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