CN101012762A - 发动机可变气门配气机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机可变气门配气机构，包括气门、气门弹簧和气门传动组，气门由气门头部和气门杆组成，气门头部与气缸头锥面密封，所述气门头部位于燃烧室外，气门头部从燃烧室外向燃烧室内运动将气门关闭。本发明既可以由气门传动组和电磁阀配合对气门进行控制，也可以全部用电磁阀对气门进行控制。本发明具有如下优点：1.可以在现有基础上缩小燃烧室体积，从而增大气体压缩比，提高发动机效率。2.由于气门的全部工作范围在燃烧室外，不用考虑气门头部与活塞顶部产生重叠工作区，故燃烧室的高度可以降低，能进一步缩小燃烧室体积，提高压缩比。3.可以加大缸头换气通道，提高换气率。

Description

发动机可变气门配气机构

技术领域

本发明涉及一种发动机可变气门配气机构。

背景技术

发动机配气机构的功能是按照发动机的工作循环、工作次序和配气相位的要求，定时启闭进、排气门，以便及时完成换气行程，并在压缩和做功行程中保证汽缸的密封性。四冲程发动机多采用气门式配气机构，气门式配气机构主要由气门组和气门传动组两部分组成，气门组又包括气门、气门座、气门导管和气门弹簧等基本零部件。气门是气门组的核心部件，其作用是控制汽缸与进排气门相通或关闭，即控制进、排气道的开闭，它由菌形的气门头部和圆柱形的气门杆部组成，气门头部与气缸头上的气门座紧密贴合依靠锥面密封。在气门杆尾端固定有弹簧座，弹簧座上设有气门弹簧，气门的关闭就是靠气门弹簧完成的，并保证气门关闭时与气门座或气门座圈能够紧密贴合。气门传动组主要包括凸轮轴、挺柱、推杆和摇臂等零部件，其功用是通过机械传动，将作用力传递给气门杆尾端，以控制各缸进、排气门的开启和关闭及开闭时间、持续时间和开闭速度等。

目前所有发动机的气门安装方式均如图1所示，气门头部9位于燃烧室7内，气门杆10穿过进、排气道，气门杆尾端位于气缸头4外，气门弹簧位于气缸头4和弹簧座之间并预紧，在弹簧力的作用下，气门头部9从燃烧室7内向燃烧室7外运动将气道关闭。本说明书将这种气门头部位于气缸头内、气门头部向外运动将气道关闭的方式称为内置配气式。这种内置式配气机构存在以下不足：1、由于气门头部位于燃烧室内，必然要占据燃烧室一定的空间，使燃烧室有效使用空间变小。为了消除这种影响，燃烧室就要适当做得大一些，而燃烧室体积的增大会降低气体压缩比，进而影响发动机效率和增大排放污染。2、为了避免气门头部与工作中的活塞顶部产生重叠工作区，因此在凸轮机构和活塞都正常运转的情况下气门不能在某一位置长期停留，不能实现自由断缸。3、由于气门密封面在环形燃烧室内侧，气门头部直径大小受到限制，进而影响进、排气道横截面积大小，从而将影响发动机的经济性和可靠性。

发动机配气优化过程还包括断缸和气门定时。现有的发动机断缸是由双级式液压气门挺柱，由动力系控制计算机通过电磁阀控制机油在挺杆的内部压力来实现的。它的不足之处在于：要求精度高，挺柱卡环与推杆座之间的距离大约为0.02～0.045in，在带有可调式气门摇臂的发动机上，这个距离是在确定气门间隙为零后，通过旋转摇臂调整螺母来确定，调整螺母拧得太紧会使推杆“沉入”挺柱。在这种情况下，发动机运转会导致气门推杆、摇臂受损。

而现有发动机可变定时气门机构是用两根凸轮来实现的，它有两种实现方案：1、可变气门正时和升程电子控制系统(VTEC)。这个系统在低速和高速时使用两根不同的凸轮轴，它能在发动机低速和高速时具有可变性，不足之处是发动机在中速时却不能实现可变定时；2、用两根凸轮分别驱动进气门和排气门，通过机械方式分别改变这两根凸轮轴与曲轴的相对位置关系来实现配气定时的改变。它的缺点是难于实现进、排气门的开启和关闭时刻独立调控，而且结构复杂，成本高，难以推广。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种能够减小燃烧室体积和高度并能增大气门头部直径的发动机可变气门配气机构。

本发明的技术方案是这样实现的：发动机可变气门配气机构，包括气门、气门弹簧和气门传动组，气门由气门头部和气门杆组成，气门头部与气缸头锥面密封，其特征在于：所述气门头部位于燃烧室外，气门头部从燃烧室外向燃烧室内运动将气门关闭。

由摇臂和电磁阀配合控制气门开闭的方案主要有两种：方案1-在气缸头上设有摇臂支撑和气门支撑，摇臂通过摇臂转轴设于摇臂支撑上，气门支撑上设有气门导管，气门杆穿过气门导管并在气门杆末端设有弹簧座，所述气门弹簧套于气门杆上并位于弹簧座和气门支撑之间，气门传动组的驱动凸轮和气门杆分位于摇臂转轴两侧并位于摇臂同侧。它还包括电磁阀及与电磁阀配对的顶杆，顶杆上设有顶杆回位弹簧和与电磁阀对应的铁芯，顶杆在电磁阀吸合下可作用于摇臂上，顶杆和凸轮同时位于摇臂及摇臂转轴的两侧。

方案2-在气缸头上设有摇臂支撑和气门支撑，摇臂通过摇臂转轴设于摇臂支撑上，气门支撑上设有气门导管，气门杆依次穿过气门导管和摇臂并在气门杆末端设有限位螺母，所述气门弹簧套于气门杆上并位于气门头部和气门支撑之间，气门传动组的驱动凸轮和气门杆分位于摇臂转轴同侧，气门杆末端和驱动凸轮分位于摇臂两侧。它还包括电磁阀及与电磁阀配对的顶杆，顶杆上设有顶杆回位弹簧和与电磁阀对应的铁芯，顶杆在电磁阀吸合下可作用于摇臂上，顶杆和凸轮同时位于摇臂及摇臂转轴的同侧。

全部由电磁阀控制气门开闭的方案为：发动机可变气门配气机构，包括气门，气门由气门头部和气门杆组成，气门头部与气缸头锥面密封，其特征在于：在气缸头上设有气门支撑，气门支撑上设有气门导管，气门杆穿过气门导管并在气门杆末端设有分别控制气门导通和关闭的两电磁阀，在气门杆上设有与电磁阀对应的铁芯，所述气门头部位于燃烧室外，气门头部从燃烧室外向燃烧室内运动将气门关闭。

上述电磁阀也可用液压装置来代替。

本发明的技术特点在于将气门头部从现有的位于燃烧室内移到燃烧室外，再由气门传动组或/和电磁阀对其开闭进行控制，结构简单，在现有结构上改动不大。相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、由于气门头部位于燃烧室外，不会对燃烧室体积有任何影响，其实际体积就是其有效使用体积，因此可以在现有大小的基础上缩小燃烧室体积，从而增大气体压缩比，提高发动机效率，降低排放污染。

2、由于气门的全部工作范围在燃烧室外，不用考虑气门头部与活塞顶部产生重叠工作区，故燃烧室的高度可以降低，能进一步缩小燃烧室体积，提高压缩比。发动机的压缩比越大，当压缩冲程结束时汽缸内的温度和压力就越高，混合气体燃烧产生的燃气膨胀具有的压力就越大，热量损失越小，发动机的效率就越高。为了降低因温度过高而产生爆燃，可以加大废气吸入量，从而再次降低排放污染。

3、可以将气门密封面加大(特别是斜置气门发动机)，从而加大缸头换气通道，提高换气率。原气门密封面在燃烧室内，而本发明在燃烧室外，外圈的面积显然比内圈更大，所以本发明的气门头部工作面直径可以加大，甚至达到原气门头部实际直径一样大。通道截面积越大，换气性能越高，特别是加大进气门直径，对于发动机的经济性、可靠性特别是高速性很有利，可以使发动机的功率增加。

4、利用电磁阀可实现关闭式气门断缸和开启式气门断缸(包括选择断缸和全断缸)。

5、可以使发动机整个定时配置(包括气门定时和喷油定时或点火定时)调控到与其工况相适应的最佳方案以及获得理想的断缸状况，使发动机在所有的工况下充分发挥其潜力，使其达到最佳状况，获得最佳性能。

附图说明

图1-现有技术结构示意图；

图2-本发明结构示意图；

图3-本发明实施例1结构示意图；

图4-本发明实施例2结构示意图；

图5-本发明实施例3结构示意图；

图6-本发明实施例4结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明发动机可变气门配气机构，包括气门1、气门导管2、气门弹簧3和气门传动组，气缸头4、气门1、活塞5和缸体6共同构成燃烧室7，在气缸头1上设有火花塞8(或喷油器)用以将燃烧室内的混合气点燃。气门1由气门头部9和气门杆10组成，气门头部9与气缸头4依然以锥面方式密封，由此将燃烧室7和进、排气道断开或导通。从图2可以看出，所述气门头部9位于燃烧室7外，气门头部9从燃烧室7外向燃烧室7内运动将气门关闭，图中示出了一个气门打开、一个气门关闭的状态。相对于现有的内置配气式结构，本发明将这种气门头部位于燃烧室外、气门头部从燃烧室外向燃烧室内运动将气门关闭的方式称为外置配气式结构。为了使气门能可靠地打开和关闭，并在恰当的时候使发动机断缸，本发明对气门有两种控制方式：1、以气门传动组和电磁阀配合对气门进行控制；2、全部用电磁阀对气门进行控制。下面分别对此进行介绍，其中各实施例均包含气门头部位于燃烧室外，气门头部从燃烧室外向燃烧室内运动将气门关闭这一技术特征。

一、以气门传动组和电磁阀配合对气门进行控制，主要有以下两种典型的实施例。气门传动组控制气门的开闭，电磁阀作为断缸用。

实施例1：在气缸头4上设有摇臂支撑11和气门支撑12，摇臂13通过摇臂转轴14设于摇臂支撑11上，气门支撑12上设有气门导管2，气门杆10穿过气门导管2并在气门杆末端设有弹簧座15，气门弹簧3套于气门杆10上并位于弹簧座15和气门支撑12之间。气门传动组的驱动凸轮16和气门杆10分位于摇臂转轴14两侧同时位于摇臂13的同侧，形成摇臂杠杆的两个作力点。电磁阀17及与电磁阀17配对的顶杆18位于摇臂13附近，顶杆18上设有顶杆回位弹簧19和与电磁阀17对应的铁芯，顶杆18在电磁阀17吸合下可作用于摇臂13上，顶杆18和凸轮16同时位于摇臂13及摇臂转轴14的两侧。如果没有凸轮及电磁阀的作用，在气门弹簧的作用下，气门将被打开。本实施例气门的开启由气门弹簧完成，气门的关闭由凸轮驱动的配气机构或电磁阀完成。

实施例2：在气缸头4上设有摇臂支撑11和气门支撑12，摇臂13通过摇臂转轴14设于摇臂支撑11上，气门支撑12上设有气门导管2，气门杆10依次穿过气门导管2和摇臂13并在气门杆末端设有限位螺母20(本实施例的限位螺母为锥形螺母)和锁紧螺母21，限位螺母20位于锁紧螺母21和摇臂13间。气门弹簧3套于气门杆10上并位于气门头部9和气门支撑12之间(由于在这种结构中气门头部可代替弹簧座，因此在实施例2中取消了弹簧座)，气门传动组的驱动凸轮16和气门杆10分位于摇臂转轴14同侧，气门杆末端和驱动凸轮16分位于摇臂13两侧。电磁阀17及与电磁阀配对的顶杆18位于摇臂13附近，顶杆18上设有顶杆回位弹簧19和与电磁阀对应的铁芯，顶杆18在电磁阀17吸合下可作用于摇臂13上，顶杆18和凸轮16同时位于摇臂13及摇臂转轴14的同侧。本实施例气门的开启由凸轮驱动的配气机构或电磁阀完成，气门的关闭由气门弹簧完成。

实施例1还有如下的变型形成实施例3，见图4，其本质一样：凸轮16和气门杆10分位于摇臂13两侧同时位于摇臂转轴14同侧，其余部分相同。由于电磁阀是在断缸时起作用，其目的是在凸轮转到下行程时代替凸轮持续作用于气门杆，直到断缸结束，因此电磁阀和凸轮在摇臂上的作用方式完全一致，只是凸轮间歇作力，而电磁阀持续作力而已，因此凸轮和电磁阀相对气门杆的位置可以完全一样，如图4那样，而图6的电磁阀也可以位于凸轮所在的位置。当然，图4中的电磁阀也可以和气门杆分位于摇臂转轴两侧同时位于摇臂的同侧。

二、全部用电磁阀对气门进行控制。

实施例4：发动机可变气门配气机构，包括气门1，气门1由气门头部9和气门杆10组成，气门头部9与气缸头4锥面密封。在气缸头4上设有气门支撑12，气门支撑12上设有气门导管2，气门杆10穿过气门导管2并在气门杆末端设有分别控制气门导通和关闭的两电磁阀17，在气门杆上设有与电磁阀对应的铁芯。同前面几个实施例一样，气门头部9位于燃烧室7外，气门头部9从燃烧室7外向燃烧室7内运动将气门关闭。本实施例中一个电磁阀控制气门的导通，一个电磁阀控制气门的关闭，故取消了气门弹簧和驱动凸轮等部件。

为了实现气门的装配，本发明可以将缸头分为燃烧室和配气装置机构(即摇臂支撑和气门支撑等)两部分。

本发明不但能够减小燃烧室体积和高度并能增大气门与气门座密封面，而且利用电磁阀可实现关闭式气门断缸和开启式气门断缸，实施例1和实施例3就是关闭式气门断缸，而实施例2为开启式气门断缸。断缸是指发动机除气门长时间停留在某一位置不进行工作，燃料供应装置(如：喷油器，化油器，天然气减压阀等)停止燃料供应，点火装置停止点火外，其它零部件仍然正常运行。

关闭式气门断缸是指断缸时气门处于全程关闭状态，它适用于有真空助力器的汽车，特别是在全断缸的情况下。其原理为(见图4或图6)：在凸轮达到上行程的最高位置时，电磁阀通电，使顶杆工作，代替凸轮顶住摇臂。在凸轮向下行程时，因电磁阀顶杆顶力大于气门弹簧的压力，弹簧无法伸展，气门就不会开启，摇臂也不会回位，造成凸轮空转而使气门在电磁阀通电过程中处于关闭状态。当需要恢复气门正常工作时，只需断掉电磁阀的电源。也可用液压装置或机械装置代替电磁阀。

进气门的关闭时机是在发动机做功冲程时，此时进气门关闭，进气凸轮在最大行程的顶点，让电磁阀通电，使气门固定不动。排气门的关闭时机是在发动机进气冲程中，此时排气门关闭，排气凸轮在最大行程的顶点，让电磁阀通电，使气门固定不动。

关闭式气门断缸，应按先断进气，后断排气的原则进行，否则在发动机进气冲程完成后，而排气门断缸已完成，会使产生的高温、高压气体无法排出，对发动机造成损坏。

开启式气门断缸是指气门在断缸时是处于全程开启状态，适用于没有真空助力器，而具有电喷燃料供应装置的车辆。其原理为(见图3)：在凸轮达到上行程的最高点时，气门开启，电磁阀通电，使电磁阀顶杆工作，代替凸轮顶住摇臂，在凸轮下行程时，由于电磁阀顶杆的顶力大于气门弹簧的伸展力，而使气门弹簧无法伸展，摇臂无法回位，气门也不会关闭，造成凸轮空转。在电磁阀不断电的过程中，气门一直处于开启状态。当气门需要恢复工作时，只须切断电磁阀电源。

只要在先断排气、后断进气的原则下，任何时候均可进行断缸。如先断进气会造成排气冲程中将高温气体排入进气道。

从理论上说，发动机在不同工况下运行时，应该分别具有与其工况相适应的最佳配置，这样才能够使发动机在所有的工况下充分发挥其潜力，使其达到最佳状况，获得最佳性能。例如，低速运行时排气门提前就应该小一些，以避免过大的膨胀功损失，而进气门的滞后也应该小一些，以免在进气流惯性耗尽之后进气门依然开着，以至充入气缸内新鲜充量被上行的活塞又驱出缸外，而造成充量损失。因此，理想的情况是：发动机的整个配置包括气门定时和喷油定时或点火定时可调，而且在任何工况下其定时配置都能调控到与其工况相适应的最佳方案，这样发动机对于各种用途的适用性将大为提高，其性能也大大优化。由于受到技术发展条件的制约，传统发动机还不能达到这一点，而本发明由于设置了电磁阀，电磁阀既可以与凸轮和弹簧组合，也可以完全由电磁阀组合(这种情况下可以不用凸轮驱动机构)控制气门的正常运行或断缸，用此控制方法再结合现有技术可以使发动机达到整个定时配置包括气门定时和喷油定时或点火定时可调以及断缸的理想情况。

Claims (9)

1、发动机可变气门配气机构，包括气门(1)、气门弹簧(3)和气门传动组，气门(1)由气门头部(9)和气门杆(10)组成，气门头部(9)与气缸头(4)锥面密封，其特征在于：所述气门头部(9)位于燃烧室(7)外，气门头部(9)从燃烧室(7)外向燃烧室(7)内运动将气门关闭。

2、根据权利要求1所述的发动机可变气门配气机构，其特征在于：在气缸头(4)上设有摇臂支撑(11)和气门支撑(12)，摇臂(13)通过摇臂转轴(14)设于摇臂支撑(11)上，气门支撑(12)上设有气门导管(2)，气门杆(10)穿过气门导管(2)并在气门杆末端设有弹簧座(15)，所述气门弹簧(3)套于气门杆(10)上并位于弹簧座(15)和气门支撑(12)之间，气门传动组的驱动凸轮(16)和气门杆(10)分位于摇臂转轴(14)两侧并位于摇臂(13)同侧。

3、根据权利要求2所述的发动机可变气门配气机构，其特征在于：它还包括电磁阀(17)及与电磁阀配对的顶杆(18)，顶杆(18)上设有顶杆回位弹簧(19)和与电磁阀对应的铁芯，顶杆(18)在电磁阀(17)吸合下可作用于摇臂(13)上，顶杆(18)和凸轮(16)同时位于摇臂(13)及摇臂转轴(14)的两侧。

4、根据权利要求1所述的发动机可变气门配气机构，其特征在于：在气缸头(4)上设有摇臂支撑(11)和气门支撑(12)，摇臂(13)通过摇臂转轴(14)设于摇臂支撑(11)上，气门支撑(12)上设有气门导管(2)，气门杆(10)穿过气门导管(2)并在气门杆末端设有弹簧座(15)，所述气门弹簧(3)套于气门杆(10)上并位于弹簧座(15)和气门支撑(12)之间，气门传动组的驱动凸轮(16)和气门杆(10)分位于摇臂(13)两侧并位于摇臂转轴(14)同侧。

5、根据权利要求1所述的发动机可变气门配气机构，其特征在于：在气缸头(4)上设有摇臂支撑(11)和气门支撑(12)，摇臂(13)通过摇臂转轴(14)设于摇臂支撑(11)上，气门支撑(12)上设有气门导管(2)，气门杆(10)依次穿过气门导管(2)和摇臂(13)并在气门杆末端设有限位螺母(20)，所述气门弹簧(3)套于气门杆(10)上并位于气门头部(9)和气门支撑(12)之间，气门传动组的驱动凸轮(16)和气门杆(10)分位于摇臂转轴(14)同侧，气门杆末端和驱动凸轮(16)分位于摇臂(13)两侧。

6、根据权利要求4或5所述的发动机可变气门配气机构，其特征在于：它还包括电磁阀(17)及与电磁阀配对的顶杆(18)，顶杆(18)上设有顶杆回位弹簧(19)和与电磁阀对应的铁芯，顶杆(18)在电磁阀(17)吸合下可作用于摇臂(13)上，顶杆(18)和凸轮(16)同时位于摇臂(13)及摇臂转轴(14)的同侧。

7、发动机可变气门配气机构，包括气门(1)，气门(1)由气门头部(9)和气门杆(10)组成，气门头部(9)与气缸头(4)锥面密封，其特征在于：在气缸头(4)上设有气门支撑(12)，气门支撑(12)上设有气门导管(2)，气门杆(10)穿过气门导管(2)并在气门杆末端设有分别控制气门导通和关闭的两电磁阀(17)，在气门杆(10)上设有与电磁阀对应的铁芯，所述气门头部(9)位于燃烧室(7)外，气门头部(9)从燃烧室(7)外向燃烧室(7)内运动将气门关闭。

8、根据权利要求3或7所述的发动机可变气门配气机构，其特征在于：所述电磁阀(17)为液压装置。

9、根据权利要求6所述的发动机可变气门配气机构，其特征在于：所述电磁阀(17)为液压装置。

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