CN100510352C - 用于内燃机的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制内燃机中的气门运动的装置。设计了具有凸轮曲线的凸轮轴(45，20)，通过摇臂(15，43)，该凸轮轴与气门机构(30，44)相互作用，以便借助于气门弹簧(13)来操作进气门或排气门。气门机构(30，44)包括正时传动装置(21-25，26)，其允许气门机构的返回运动在进气门(12)或排气门的闭合阶段受到控制，而与凸轮曲线的形状无关。有弹性元件布置在摇臂(15，43)和一固定点之间，使得在凸轮轴旋转时，摇臂持续地跟随凸轮曲线。气门弹簧的力被调节到气门机构的运动质量和抵消气门闭合的力。由弹性元件所施加的力被调节到摇臂的质量，以便于使气门机构的能量损失降到最小。摇臂轴和摇臂之间相应的中心接触点(40，41，47，49)在摇臂(15，43)和气门机构(30，44)分离开或未分离开的期间彼此相对移动，以便保证所述摇臂轴(45，20)的润滑。

Description

用于内燃机的装置

技术领域

本发明涉及一种控制内燃机中的气门运动的装置，其有至少一个进气门和至少一个排气门，用于气缸内的控制燃烧室和进气系统或排气系统之间的连接；旋转凸轮轴，其具有包括上升坡道和下降坡道的凸轮曲线，该凸轮轴被设计成通过摇臂与气门机构(30，44)相互作用，以便借助于气门弹簧来操作进气门或排气门，气门机构包括正时传动装置，其允许气门机构的返回运动在进气门或排气门的闭合期间受到控制，而与凸轮曲线的下降坡道的形状无关。

背景技术

在车辆用的内燃机中，有时希望能够在不同的操作模式之间转换。例如，通过改变发动机进气行程期间的进气门的关闭点，可以在传统的对称循环和非对称循环(如所谓的Miller循环)之间转换。能够在这些不同的操作模式之间转换的优点在于，例如以下事实，发动机的有效压缩比可以改变，从而使效率最优，且使废气排放最小。为此，可变气门正时因而是必需的。SE 523622描述了这种已知设备的例子。根据SE 523622的装置允许气门机构的返回运动在进气门或排气门的闭合阶段期间受到控制，而与凸轮曲线的下降坡道无关。借助于液压可调装置(它抵消气门弹簧的闭合力)，正时传动装置用以使气门闭合延迟一段可调时间间隔。当在Miller循环模式下运行时，根据SE523622的装置按着传统的机械气门系统作用，也就是当气门返回到它的闭合位置时，恢复了在气门打开期间存储在气门弹簧中的能量的较大部分，因为在气门的闭合期间，气门弹簧的力向凸轮轴施加了驱动力矩。当根据SE 523622的装置并未在Miller循环模式下运行时，在气门弹簧的闭合力的作用下，气门闭合被延迟了一段可调时间间隔，其中该闭合力抵消了液压装置的力。这意味着，当连接了液压装置以延迟气门闭合时，来自车辆发动机的能量将在气门闭合中被耗散在液压装置中，其中通过凸轮轴和摇臂，能量被耗费在张紧气门弹簧上(在气门打开期间)。

US 6439195公开了位于发动机上的固定点和摇臂之间的弹簧82的设备，且目的是保证摇臂辊和它相对的凸轮轴凸轮之间的连续接触。弹簧82的力和凸轮轴施加的相对力在摇臂上产生了竖直向上的力(参见US 6439195的图1)。这意味着，摇臂轴4和摇臂2在大体上处于摇臂轴的圆周的非常底部处有限的表面范围内接触。在旋转循环期间，由于摇臂仅前后转动少许角度，因此在所述接触表面上建立润滑膜比较困难(与转动很多转的轴相比)。这种设计结构下的润滑问题可能在整个凸轮曲线上出现，也就是不仅当摇臂辊跟随凸轮轴的基圆时出现润滑问题，当摇臂辊跟随凸轮的形状时也出现润滑问题。有限的接触表面还可能导致集中磨损，结果组成部分可能具有更有限的使用寿命。根据US 6439195，弹簧82在设备中的位置还使得所述弹簧的组装和维护工作更加困难。

因此，在根据SE523622的设备中的本发明的目的是使张紧气门弹簧所需要的能量的恢复最大化，并且保证摇臂轴/摇臂轴承的润滑，并且延长组成部分的使用寿命。本发明的另一个目的是有助气门设备的组装和维护工作。

发明内容

将参照根据本发明的装置描述根据本发明目的的实现。从属权利要求描述了根据本发明装置的优选实施例和进展。

根据本发明的装置包括一种控制内燃机中的气门运动的装置，其有至少一个进气门和至少一个排气门，用于控制气缸内的燃烧室和进气系统或排气系统之间的连接；旋转凸轮轴，其具有包括上升坡道和下降坡道的凸轮曲线，该凸轮轴被设计成通过摇臂与气门机构相互作用，以便借助于气门弹簧来操作进气门或排气门，气门机构包括正时传动装置，其允许气门机构的返回运动在进气门或排气门的闭合期间受到控制，而与凸轮曲线的下降坡道形状无关，并且其中正时传动装置被设计成使得气门的闭合能够借助于液压可调力而延迟一可调时间间隔，该液压可调力抵消了气门弹簧的闭合力，且摇臂和气门机构在延迟期间被分离开，使得它们之间没有力的交换。本发明的特征在于，有弹性元件布置在摇臂和内燃机上的某固定点之间，使得在所述凸轮轴旋转时，所述摇臂持续地跟随所述凸轮曲线，且气门弹簧的力被调节到所述气门机构的运动质量和抵消气门闭合的力，且由弹性元件所施加的力被调节到所述摇臂的质量，以使所述气门机构的能量损失降到最小。

根据本发明的装置获得的优点是，气门机构的能量损失降到最小。而且，保证了摇臂辊/滑动接触和凸轮轴之间的接触被保持。另外获得的优点是，系统液压中更为有利的压升和压降的压力波动。

在根据本发明的装置的一个有利实施例中，气门弹簧的力被降到最小，且弹性元件施加的弹性力达到最大。这个的优点是，气门机构的能量损失能够被进一步降到最小。

在根据本发明的另一有利实施例中，弹性力的和比抵消由所述气门机构的运动质量、抵消气门闭合的力以及所述摇臂的质量之和所施加的力而需要的力大。这进一步有助于减小能量损失。

摇臂轴和摇臂之间形成有接触表面，以便在气门设备的相应状态中保持力的平衡。在摇臂和气门机构彼此分开的时间期间以及摇臂和气门机构未分开且对彼此施加力的时间期间，所述摇臂和摇臂轴之间的接触表面中分别形成有第一和第二中心点。在根据本发明的另一实施例中，所述第一中心点和第二中心点基本上彼此移动。这起到了以下作用：保证了所述摇臂轴和所述摇臂之间接触的所有滑动表面受到润滑。接触表面可以改变的事实意味着，在滑动表面上获得更好的力的分散。更均匀地分散了磨损，从而提高组成部分的使用寿命。

在根据本发明的另一实施例中，弹性元件所施加的力和摇臂辊和凸轮轴之间的接触表面中的相对力彼此相对基本上直接地指向，使得作用于摇臂上的力降到最小。在这种情况下，两个状态的接触表面能够进行彼此最大的移动(接触表面的中心点移动180度)，这有助于使力的分散达到最大程度，且提高了摇臂轴/摇臂轴承的润滑。

在根据本发明的装置的另一实施例中，所述弹性元件被布置在摇臂的顶部，以便有助于组装和维护。

本发明的其他实施例在所附的从属权利要求中阐述。

附图说明

下面将参照示例实施例更详细描述本发明，附图中显示了示例实施例，在附图中：

图1为显示根据本发明的气门机构中的进气门运动的曲线图；

图2-4显示了根据本发明第一示例实施例的气门机构在多个可能状态中的三个状态下的示意图；

图5显示了根据本发明第二示例实施例的另一气门机构在多个可能状态中的一个状态下的示意图。

具体实施方式

图1的曲线图显示了根据本发明，进气门在内燃机中是如何作用的。发动机设计成使得它能够在第一操作模式和其他操作模式之间转换，第一操作模式对应于图1中的实线10，其他操作模式对应于图1中的线11a和11c。这里，根据实线10的进气门跟随着凸轮轴凸轮曲线上的上升坡道和下降坡道，根据一个示例实施例，该凸轮曲线被设计成以Miller循环方式驱动内燃机，其具有最大的进气气门闭合提前量。线10b代表固定的凸轮曲线。根据现有技术的状态，固定的凸轮曲线可以描述正常的气门闭合，提前的气门闭合或者延迟的气门闭合。

根据所显示的凸轮曲线10和10b的操作方法意味着，进气门在进气阶段期间关闭较早，以致于容纳于气缸内气体的体积能够在活塞到达它的下死中心(进气阶段之后)之前膨胀。从而降低了气体体积的温度，使得随后的压缩和点燃能够在减小的温度水平下进行，这可以减小发动机废气的NO_x量。

在第二操作模式下，根据线11a的进气门跟随凸轮曲线的上升坡道，但是随后离开下降坡道，以致进气气门在较晚的点(曲轴角)处闭合。这里，线11a代表延长的循环(与10b相比)。当发动机在瞬时情况下和发动机操作范围的某些部分内操作时，该延长循环可以是有利的。

在第三操作模式下，根据线11c的进气门跟随凸轮曲线的上升坡道和下降坡道10b的第一部分，但是随后离开下降坡道，以致进气门在所示例子中比正常闭合稍晚的点处闭合。

在图2中示意显示的气门机构30定位于气缸盖中，且包括双进气门12，共用叉臂14和带有活塞杆21的液压活塞22。通过该叉臂，气门机构30以已知的方式由摇臂15致动，摇臂15枢转支撑于摇臂轴16上。在轴的一侧，摇臂15具有气门压臂17，而在另一侧具有凸轮从动件18，该从动件18具有摇臂辊19，其与上面的凸轮轴20相互作用。或者，位于发动机中较低水平处的凸轮轴可以通过气门挺杆和推杆(未示)而与摇臂相互作用。在所示示例实施例中，在凸轮从动件18上布置有突出部分26，弹性元件27(在所示示例实施例中为卷簧)与其一端作用于该突出部分26。弹性元件27的另一端作用于固定点28，其优选位于车辆内燃机上。摇臂15由弹性元件27以本领域已知方式作用，从而保持了摇臂辊19和凸轮轴20之间的接触。

在根据图2所示实施例和随后根据图3-5所示实施例中，凸轮20的转动方向为顺时针(参见图2的箭头)。

叉臂14由铰接接头(例如转向节接头，球接头或橡胶接头)安装在活塞杆21上。活塞杆21被支撑为可在气缸23内的活塞22作用下竖直移动。气缸的端部24提供对活塞杆21的密封，从而在活塞和端部之间形成了流体紧密空间25。该空间能够通过液压管线(未示出)和控制阀(未示出)而与压力泵(未示出)相通。

因此，气门机构通常跟随上升曲线10，10b，同时所述控制阀处于其未作用控制位置。在此位置上，未加压的液压流体能够自由地在空间25和容器(未示出)之间流动，同时叉臂14在摇臂和气门弹簧13的作用下沿着一个方向和其相对方向上下移动。

当发动机控制单元记录下是时候转换到另一操作模式时，使所述控制阀采取其作用位置，同时叉臂14的随后下压使得所述泵能够用来自容器的液压流体填充空间25。一旦向下运动完成，也就是当气门12完全打开时(见图3)，且叉臂14开始其向上运动时，在一段合适时间内防止叉臂向上移动，优选地在液压系统中的阀(未示)作用下。在控制阀又返回到其未作用位置时，在某合适点处开始叉臂的向上运动。这允许进气门12以合适的曲轴角闭合。图4显示了气门闭合延迟的状态。延迟可以对应于例如图1中的曲线11a或11c。在图4中，可以看到，在气门闭合的延迟中，叉臂14和摇臂15物理上分离开。因此，在延迟期间，叉臂和摇臂之间没有力的传递，且因此这种状态意味着有两个独立的部分质量系统，其中一个用气门机构30的移动部分(12，14，21，22)表示，而另一个用摇臂15(包括摇臂辊19)表示。

根据本发明，气门弹簧力调节到气门机构30的所述移动部分的质量，且调节到抵消气门闭合的力，诸如进气管道中的压力和当液压流体从空间25被排出时活塞22所施加的力。此外，根据本发明，弹性元件27所施加的力被调节到摇臂15的质量(包括摇臂辊19的质量)。为各个部分质量系统设计每个所述弹簧，这产生了图2-4所示类型的气门正时系统，其中能够使存储于张紧弹簧中以及恢复到凸轮轴上的能量恢复达到最大。

在本发明的一个实施例中，弹性力的总和大于具有相同的总运动质量的系统中所需要的力，但是在该系统中，气门机构30和摇臂总是物理上联接在一起(也就是没有部分质量系统的状态出现)。调节各个弹性力到相应的部分质量系统，这减小了气门弹簧能量的损失，所述气门弹簧能量未返回到凸轮轴，而是耗散在系统的液压部分中。

在根据本发明的装置的有利实施例中，气门弹簧可以做得尽可能“软”，但是仍然坚固得足以允许气门弹簧在所有操作条件下闭合气门。此外，根据本发明有利的是，使得弹性元件施加的力达到最大，但是考虑到了发动机的速度范围，而且不会使弹性元件产生自身振动。

图2、3和4显示了本发明的一个实施例，其中当气门机构30从延迟闭合下的状态(图4)转换到气门运动跟随凸轮曲线的状态(图3)时，通过布置弹性元件27，使得摇臂15和摇臂轴16之间的主接触表面能够充分地移动，从而与现有技术的情况相比，摇臂轴16的润滑得到了改善。在根据图3的状态下，气门12的运动跟随着凸轮曲线的形状。气门弹簧力的的大小和方向(未示)和弹性元件所施加的力的大小和方向(未示)以及摇臂辊19和凸轮轴20之间的接触表面中的相对力的大小和方向(未示)产生了在摇臂轴16和摇臂15之间的第一接触表面40上的一定大小和方向的力。在附图中，箭头用于标示相应接触表面的中心点。在所示实施例中，第一接触表面的中心点40几乎结束于图3中摇臂轴16的最底部处。在图4中，起动气门12的延迟闭合功能，且气门的运动因此并不跟随凸轮曲线的形状。这里，气门弹簧的力并未作用于摇臂15上。因此，获得了另一种力的平衡，这产生用于摇臂轴16和摇臂15之间的接触表面的第二中心点41，该第二中心点相比第一中心点40发生了相当大地移动。为了与现有技术的情况相比在润滑作用上带来明显的改善，需要在第一中心点40和第二中心点41之间的具有相当大的移动。参数(诸如摇臂轴和摇臂之间的间隙、摇臂/摇臂轴的尺寸、滑动支承表面的形状和润滑装置的设计等)之间的关系影响所需移动的大小，以便获得改善的润滑作用。

图5显示了根据本发明的气门机构44的另一实施例，其中当气门机构44处于所述的对应状态时(图3和图4)，所述用于摇臂轴42和摇臂43之间的接触表面的中心点被最大程度地移动(移动将近180度)。除了摇臂43的设计以及凸轮轴45和弹性元件46的位置之外，根据图5的气门装置基本上与根据图2、3和4的气门装置一致。

在图5所示的实施例中，弹性元件46所施加的力和摇臂辊与凸轮轴45之间的接触表面上的相对力相对彼此基本上直接地指向，以致于弹性元件46所施加的、作用于摇臂43上的力被降到最小。在图5所示状态下，气门机构44处于延迟的气门闭合作用被起动的位置。气门弹簧力因此不会作用于摇臂43上。在所示状态下，摇臂43大体上只受重力作用，这为第一接触表面提供了位于摇臂轴42最顶部的第一中心点47。

当气门机构44处于气门48的运动跟随凸轮曲线的状态时，气门弹簧力将作用于摇臂43上，产生了用于第二接触表面的第二中心点49，其基本上处于凸轮轴42的最底部。由此，该实施例为所述两个状态提供了位于摇臂轴和摇臂之间的接触表面内的所述中心点的最大移动。注意，图5还被用来显示下中心点49，尽管图5中的气门机构实际上并不在气门的运动跟随凸轮曲线的状态下，也就是需要一种状态以便于产生中心点49的位置。

根据相应的实施例，将弹性元件27或46布置于所述摇臂15、43中每个的上侧，这提供了弹性元件的位置，从组装和维护的角度看，该位置是有利的。在保养和维护中，通过打开覆盖气门设备的气门盖(未示)，便能够相对容易简单地接触到弹性元件。因此，与现有技术的情况相比，不需要拆卸目前的摇臂15或43。

活塞缸21-25的位置是可以变的。例如，参见SE 523622的图3-5。SE 523622的图5显示了一个变型，其中活塞缸借助于以一倾斜臂而连接于气门叉臂。

上面已经描述了根据本发明的装置应用于进气门。还可以将本装置应用于排气门。例如，本装置可以用于内部废气循环(所谓的内部EGR)，通过改变进气门和跟随排气行程的排气门之间的重叠的程度，排气门闭合顺序的变形能够影响内部EGR的量。

本发明一定不能认为限于上述示例实施例，有许多进一步的变型和修改是可行的，而不会背离所附权利要求的范围。例如，对于每个气门弹簧和弹性元件，可选择除了所示的螺旋卷簧之外类型的弹簧。

Claims (8)

1.一种控制内燃机中的气门运动的装置，其具有至少一个进气门(12，48)和至少一个排气门，用于控制气缸内的燃烧室和进气系统或排气系统之间的连接；旋转凸轮轴(20，45)，其具有包括上升坡道(10a)和下降坡道(10b)的凸轮曲线，该凸轮轴被设计成通过摇臂(15，43)与气门机构(30，44)相互作用，以便借助于气门弹簧(13)来操作进气门或排气门(12，48)，气门机构(30，44)包括正时传动装置(21-25，26)，其允许气门机构的返回运动在进气门(12，48)或排气门的闭合期间受到控制，而与凸轮曲线的下降坡道(10b)的形状无关，并且其中正时传动装置(21-25，26)被设计成使得气门的闭合能够借助于液压可调力而延迟一可调时间间隔，该液压可调力抵消了气门弹簧的闭合力，且摇臂(15，43)和气门机构(30，44)在延迟期间被分离开，使得它们之间没有力的交换，其特征在于，有弹性元件(27，46)布置在摇臂(15，43)和内燃机上的某固定点之间，使得在所述凸轮轴旋转时，所述摇臂持续地跟随所述凸轮曲线，且气门弹簧力被调节到所述气门机构(30，44)的运动质量和抵消气门闭合的力，且由弹性元件(27，46)所施加的力被调节到所述摇臂(15，43)的质量，以使所述气门机构(30，44)的能量损失降到最小。

2.权利要求1的装置，其特征在于，气门弹簧的力被降到最小，且弹性元件(27，46)所施加的弹性力达到最大。

3.权利要求1或2的装置，其特征在于，所述气门弹簧力与弹性元件(27，46)所施加的弹性力的和比抵消由所述气门机构(30，44)的运动质量、抵消气门闭合的力以及所述摇臂(15，43)的质量之和所施加的力而需要的力大。

4.权利要求1的装置，在摇臂(15，43)和气门机构(30，44)彼此分开的时间期间以及摇臂(15，43)和气门机构(30，44)未分开且对彼此施加力的时间期间，所述摇臂和摇臂轴之间的接触表面中分别形成第一和第二中心点，其特征在于，所述第一中心点(41，47)和第二中心点(40，49)基本上彼此移动，从而保证了所述摇臂轴(45，20)和所述摇臂(15，43)之间的接触表面的润滑，并且分散了磨损。

5.权利要求4的装置，其特征在于，弹性元件(46)所施加的力和摇臂辊(43)和凸轮轴(45)之间的接触表面中的相对力彼此相对基本上直接地指向，从而使得作用于摇臂(43)上的力降到最小。

6.权利要求1或2或4的装置，其特征在于，所述弹性元件(27，46)被布置在摇臂(15，43)的顶部，以便有助于组装和维护。

7.权利要求1或2或4的装置，其特征在于，在气门(12)从打开位置的返回运动期间，正时传动装置(21-25，26)允许从主动状态转换到被动状态。

8.权利要求1或2或4的装置，其特征在于，正时传动装置(21-25，26)包括液压活塞缸(21-25)，其与气门(12)机械连接并且能够借助于液压阀(26)来操作。

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