CN100510329C - 一种用于液压自由活塞发动机的配气系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液压自由活塞发动机的配气系统与方法，进油油道、出油油道分别与液压油源系统连通，第一、第二开关电磁阀和柱塞套安装在机体上，第一开关电磁阀分别与进油油道、第三油道连接，第二开关电磁阀分别与出油油道、第三油道连接，第三油道与柱塞套内油路通道连通，柱塞安装在柱塞套内，柱塞对应挺柱滚轮，推杆放置在挺柱内，推杆通过铰链和摇臂连接，摇臂连接气门桥，气门桥连接着两个气门，在气门上分别卡套有一根气门弹簧。采用了本发明的技术方案，不仅能够在不使用旋转部件的情况下驱动气门，而且能够有效地改善发动机的充气效率。

Description

一种用于液压自由活塞发动机的配气系统与方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种用于液压自由活塞发动机的配气系统和方法。

背景技术

传统的配气机构是由发动机曲轴通过正时齿轮驱动的配气凸轮轴旋转，配气凸轮轴上的凸轮来驱动气门传动组动作，从而带动气门组动作。这种气门机构气门的开启和关闭过程由凸轮轴上的凸轮型线来保证，气门开启和关闭时刻是通过曲轴与凸轮轴上的一对正时齿轮的准确定位来完成的。

电子控制液压驱动无凸轮配气机构是基于一种新型的动力装置—液压自由活塞发动机的基础上研究发明的。液压自由活塞发动机是将往复活塞式内燃机与柱塞式液压泵集成为一体的一种新型的发动机。与传统的曲轴式发动机在结构上的主要不同点在于：该发动机没有了曲柄连杆机构，即没有了旋转机构。由于没有了旋转机构，该种发动机配气机构的驱动和正时若采用传统发动机的配气凸轮轴驱动则很难实现，故此需要一种无凸轮轴的配气机构来实现该发动机的换气过程。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于液压自由活塞发动机的配气系统与方法，不仅能够在不使用旋转部件的情况下驱动气门，而且能够有效地改善发动机的充气效率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，包括进油油道12、出油油道13、第一开关电磁阀2、第二开关电磁阀3、第三油道15、柱塞套4、柱塞5、挺柱7、推杆8、摇臂9、气门桥19、两根气门弹簧10和两个同名气门11，所述进油油道、所述出油油道分别与所述液压自由活塞发动机的液压油源系统1连通，用于提供、回流高压油，所述第一开关电磁阀、所述第二开关电磁阀和所述柱塞套安装在机体16上，所述第一开关电磁阀的一端与所述进油油道连接，另一端与所述第三油道连接，所述第二开关电磁阀的一端与所述出油油道连接，另一端与所述第三油道连接，所述第三油道的另一端与所述柱塞套内油路通道连通，所述柱塞安装在所述柱塞套内，所述柱塞的一端对应所述挺柱的滚轮，所述推杆的下端放置在所述挺柱内，所述推杆的上端通过铰链和所述摇臂一端连接，所述摇臂另一端连接所述气门桥的上端，所述气门桥下端连接着所述两个同名气门，在所述气门上分别卡套有一根所述气门弹簧。

还包括气门间隙调整螺钉18，所述间隙调整螺钉位于所述推杆上，用于调整所述推杆的长度。

所述柱塞呈T型，上端截面直径比下端大。

所述气门弹簧上端通过弹簧座圈安装在所述气门尾端，下端顶在气缸盖17。

所述柱塞的直径与所提供高压油压力和气门弹簧刚度之间的关系为 $\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·P=F,$ 其中，d表示柱塞直径，P表示高压油压力，F表示气门弹簧力；

所述柱塞的长度与气门最大升程和导向所需最小高度之间的关系为s＝h_max·λ，l≥1.5d，其中h_max表示气门最大升程，s表示柱塞升程，λ表示摇臂比，l表示柱塞正常导向所需最小长度，d表示柱塞直径，柱塞长度为max{s，l}；

所述出油油道的流量不小于第二开关电磁阀流量。

所述第一开关电磁阀、所述第二开关电磁阀和所述柱塞套通过螺纹安装在机体上。

所述柱塞套为管状结构，内孔为与柱塞配合圆柱表面，外部为阶梯轴式结构，外径较大的上部有外螺纹，并且以内孔圆为内切圆设置有内正六方凹坑，便于用扳手安装紧固螺纹，机体上相应位置有内螺纹，柱塞套通过螺纹安装于机体上。

一种用于液压自由活塞发动机的配气方法，包括以下步骤：

A、第一开关电磁阀得电打开，第二开关电磁阀关闭；

B、高压油经进油油道通过第一开关电磁阀进入柱塞套；

C、高压油推动柱塞沿着柱塞套向上运动；

D、柱塞推动挺柱向上运动，挺柱带动推杆向上运动；

E、推杆推动摇臂绕其轴线顺时针转动，摇臂另一端向下运动；

F、摇臂推动气门桥驱动两个同名气门向下运动，打开气门，套在气门的气门弹簧被压缩；

G、当气门开启到设定的最大升程时，第一开关电磁阀失电，进油油道关闭，气门保持开启状态；

H、当需要气门关闭时，第二开关电磁阀得电打开，柱塞套内高压油通过第二开关电磁阀经出油油道回流到油箱；

I、气门弹簧伸展带动气门落座，摇臂绕其轴线逆时针转动；

J、在摇臂的带动下，推杆、挺柱和柱塞回复原来位置。

步骤H中，第二开关电磁阀得电打开预定时间后又失电，柱塞套内部分高压油通过第二开关电磁阀经出油油道回流到油箱，经过预定时间后第二开关电磁阀再次得电打开，柱塞套内剩余高压油通过第二开关电磁阀经出油油道回流到油箱。

通过调整气门间隙调整螺钉，使得安装初始状态下挺柱滚轮与柱塞顶平面接触。

采用了本发明的技术方案，通过电子控制液压来驱动配气系统，可以避免了旋转部件，这对于没有旋转机构的发动机来说是很实用的，而且可以有效地改善发动机的充气效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中配气系统的原理图；

图2是本发明具体实施方式中配气系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明的总体思想是：利用液压力驱动的按一定规律运动的液压柱塞在柱塞套内的运动来代替传统配气机构中凸轮轴上凸轮的驱动力的作用，液压柱塞的运动规律是通过串联在液压回路中的开关电磁阀的动作来实现的。

图1是本发明具体实施方式中配气系统的原理图。如图1所示，液压油源系统1可用液压自由活塞发动机的输出液压能产生，开关电磁阀2和开关电磁阀3分别连接液压油源系统。当发动机活塞位于需要气门打开的位置时，给控制进油的开关电磁阀2通电，使其打开，高压油进入柱塞套4中，由于此时控制出油的开关电磁阀3处于关闭状态，所以，在高压油作用下，柱塞5就会克服气门弹簧10的弹力向上运动，推动挺柱7向上运动，挺柱推动推杆8向上运动，推杆向上运动使得摇臂9逆时针转动，压缩气门弹簧10，使气门11向下运动，气门打开，当气门达到设定的最大升程时，开关电磁阀2失电关闭，由于此时两个开关电磁阀均处于关闭状态，所以柱塞套内维持高压油压力，使得气门处于瞬时平衡状态，即气门处于最大升程处，当气缸内活塞运动到需要气门关闭时，给控制出油的电磁阀3通电，使其打开，柱塞套4内的高压油通过开关电磁阀3流回油箱，柱塞在气门弹簧10作用下回位，气门落座关闭，完成一次气门开启和关闭动作。

图2是本发明具体实施方式中配气系统的结构示意图。如图2所示，开关电磁阀2通过进油油道12与液压油源系统连接，开关电磁阀3通过出油油道13与液压油源系统连接，两个开关电磁阀通过螺纹连接的方式紧固于发动机机体16上，为快速大流量电磁阀，响应时间不大于3毫秒，流量不小于每分钟20升。进油油道12和出油油道13通过钻孔的方式布置于机体上相应的位置，高压进油油道的直径取决于气门弹簧力、推杆弹簧力和气门升程等因素。进油油道直径应大于电磁阀油道直径，防止产生节流作用，影响气门开启的实时性，同时进油油道直径也不能太大，会产生较大的容积效应，同样也会影响气门开启和关闭的实时性，出油油道的直径应大于进油油道的直径。另外出油油道的直径取决于所用电磁阀的流量，即油道流量不小于电磁阀流量。

柱塞套4通过螺纹安装于机体16上，柱塞套为管状结构，内孔为高精度与柱塞配合圆柱表面，外部为阶梯轴式结构，外径较大的上部加工出外螺纹，并且以内孔圆为内切圆加工内正六方凹坑，便于用扳手安装紧固螺纹，机体上安装柱塞套相应位置加工出内螺纹，柱塞套通过螺纹安装于机体上，柱塞套轴向位置可以通过柱塞套底平面上的垫片厚度调整。

两个开关电磁阀油路通道分别和柱塞套4内油路通道通过加工在机体内部的油道15贯通，柱塞套4的位置应与挺柱7的滚轮相对应，柱塞5通过间隙配合安装于柱塞套4内，柱塞的直径根据所提供高压油压力和气门弹簧刚度计算求得，柱塞的直径与所提供高压油压力和气门弹簧刚度之间的关系为 $\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·P=F,$ 其中，d表示柱塞直径，P表示高压油压力，F表示气门弹簧力。

柱塞长度根据气门最大行程和导向所需最小高度决定，柱塞的长度与气门最大升程和导向所需最小高度之间的关系为s＝h_max·λ，l≥1.5d，其中h_max表示气门最大升程，s表示柱塞升程，λ表示摇臂比，l表示柱塞正常导向所需最小长度，d表示柱塞直径，柱塞长度为max{s，l}。

柱塞头部直径较柱塞下部大，便于和挺柱滚轮接触传递力，通过调整气门间隙调整螺钉18，使得安装初始状态保证挺柱滚轮和柱塞顶平面接触，推杆8下端放置于挺柱7内，上端通过气门间隙调整螺钉与摇臂9相连，摇臂另一端通过铰链与气门桥19铰接，气门桥可保证同步驱动两个同名气门11，气门弹簧10卡套在气门11外，气门弹簧上端通过弹簧座圈安装在气门尾端，下端顶住气缸盖17，保证气门快速落座。

电子控制液压驱动配气系统在液压自由活塞发动机上的具体实施步骤包括：当活塞运动到需要气门打开的位置时，控制进油的开关电磁阀2通电打开，高压油经进油油道12通过开关电磁阀2流经油道15进入柱塞套4内，由于此时开关电磁阀3处于关闭状态，使得高压油推动柱塞5沿柱塞套4克服气门弹簧10的弹力向上运动，柱塞5推动挺柱7向上运动，挺柱7带动推杆8向上运动，推杆8的作用下，摇臂9绕其轴线顺时针转动，使得摇臂桥19向下运动，克服气门弹簧10的弹力推动气门11向下运动，即打开气门。当气门开启到设定的最大升程时，开关电磁阀2失电关闭，此时由于开关电磁阀3处于关闭状态，所以整个油道15和柱塞套4内保持高压油压力不变，气门在高压油和气门弹簧的共同作用下处于平衡状态，即在气门处于开启状态。

当需要气门关闭时，给电磁阀3通电，使其打开，柱塞套内的高压油通过开关电磁阀3经出油油道13流回油箱，压力瞬时降低，气门在气门弹簧的作用下开始落座，同时摇臂绕其轴线逆时针转动，在摇臂的带动下，推杆、挺柱和柱塞回复原来位置。

为了防止气门落座冲击，可以采用两次分段关闭气门的方法关闭气门，即开关电磁阀3得电打开一段预定时间后又失电，柱塞套内部分高压油通过开关电磁阀3经出油油道13回流到油箱，经过一段预定时间后开关电磁阀3再次得电打开，柱塞套内剩余高压油通过开关电磁阀3经出油油道回流到油箱，这样完成一个气门开启和关闭的动作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，包括进油油道(12)、出油油道(13)、第一开关电磁阀(2)、第二开关电磁阀(3)，所述进油油道与所述液压自由活塞发动机的液压油源系统(1)连通，用于提供高压油，所述出油油道与所述液压自由活塞发动机的液压油源系统(1)连通，用于回流高压油，其特征在于，还包括第三油道(15)、柱塞套(4)、柱塞(5)、挺柱(7)、推杆(8)、摇臂(9)、气门桥(19)、两根气门弹簧(10)和两个同名气门(11)，所述第一开关电磁阀、所述第二开关电磁阀和所述柱塞套安装在所述液压自由活塞发动机的机体(16)上，所述第一开关电磁阀的一端与所述进油油道连接，所述第一开关电磁阀的另一端与所述第三油道的一端连接，所述第二开关电磁阀的一端与所述出油油道连接，所述第二开关电磁阀的另一端与所述第三油道的一端连接，所述第三油道的另一端与所述柱塞套内油路通道连通，所述柱塞安装在所述柱塞套内，所述柱塞的一端对应所述挺柱的滚轮，所述推杆的下端放置在所述挺柱内，所述推杆的上端通过铰链和所述摇臂一端连接，所述摇臂另一端连接所述气门桥的上端，所述气门桥下端连接着所述两个同名气门，在所述两个气门上分别卡套有一根气门弹簧。

2、根据权利要求1所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，其特征在于，还包括气门间隙调整螺钉(18)，所述间隙调整螺钉位于所述推杆上，用于调整所述推杆的长度。

3、根据权利要求1所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，其特征在于，所述柱塞呈T型，上端截面直径比下端大。

4、根据权利要求1所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，其特征在于，所述气门弹簧上端通过弹簧座圈安装在所述气门尾端，下端顶住气缸盖(17)。

5、根据权利要求1所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，其特征在于，所述柱塞的直径与所提供高压油压力和气门弹簧刚度之间的关系为 $\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·P=F,$ 其中，d表示柱塞直径，P表示高压油压力，F表示气门弹簧力；

所述柱塞的长度与气门最大升程和导向所需最小高度之间的关系为s＝h_max·λ，l≥1.5d，其中h_max表示气门最大升程，s表示柱塞升程，λ表示摇臂比，l表示柱塞正常导向所需最小长度，d表示柱塞直径，柱塞长度为max{s，l}；

所述出油油道的流量不小于第二开关电磁阀流量。

6、根据权利要求1所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，其特征在于，所述第一开关电磁阀、所述第二开关电磁阀和所述柱塞套通过螺纹安装在机体上。

7、根据权利要求6所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气系统，其特征在于，所述柱塞套为管状结构，柱塞套的内孔为与柱塞配合圆柱表面，柱塞套的外部为阶梯轴式结构，阶梯轴式结构的外径较大的上部有外螺纹，并且以内孔圆为内切圆设置有内正六方凹坑，便于用扳手安装紧固螺纹，机体上相应位置有内螺纹，柱塞套通过螺纹安装于机体上。

8、一种用于液压自由活塞发动机的配气方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、第一开关电磁阀得电打开，第二开关电磁阀关闭；

B、高压油经进油油道通过第一开关电磁阀进入柱塞套；

C、高压油推动柱塞沿着柱塞套向上运动；

D、柱塞推动挺柱向上运动，挺柱带动推杆向上运动；

E、推杆推动摇臂绕其轴线顺时针转动，摇臂另一端向下运动；

F、摇臂推动气门桥驱动两个同名气门向下运动，打开气门，套在气门的气门弹簧被压缩；

G、当气门开启到设定的最大升程时，第一开关电磁阀失电，进油油道关闭，气门保持开启状态；

H、当需要气门关闭时，第二开关电磁阀得电打开，柱塞套内高压油通过第二开关电磁阀经出油油道回流到油箱；

I、气门弹簧伸展带动气门落座，摇臂绕其轴线逆时针转动；

J、在摇臂的带动下，推杆、挺柱和柱塞回复原来位置。

9、根据权利要求8所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气方法，其特征在于，步骤H中，第二开关电磁阀得电打开预定时间后又失电，柱塞套内部分高压油通过第二开关电磁阀经出油油道回流到油箱，经过预定时间后第二开关电磁阀再次得电打开，柱塞套内剩余高压油通过第二开关电磁阀经出油油道回流到油箱。

10、根据权利要求8所述的一种用于液压自由活塞发动机的配气方法，其特征在于，通过调整气门间隙调整螺钉，使得安装初始状态下挺柱滚轮与柱塞顶平面接触。

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