CN101315036A - 具有双推杆挺杆及独立的间隙调节器的发动机及气门机构 - Google Patents

Abstract

一种具有凸轮轴驱动的气门机构的多汽缸内燃发动机，所述气门机构具有位于发动机汽缸体内的凸轮轴，所述发动机包括至少两个进气门和/或排气门，且由公共凸轮轴凸角和凸轮从动件操作一对气门。该气门机构可以包括可独立操作的机械或液压间隙调节器。该凸轮从动件接触公共凸轮轴凸角及至少两个推杆，每个推杆都具有关联的单平面摇臂，该摇臂连接到安装在汽缸盖上的支点以驱动至少两个气门。

Description

具有双推杆挺杆及独立的间隙调节器的发动机及气门机构

技术领域

本发明涉及具有由定位在发动机汽缸体中的凸轮轴操作的进气门/排气门及关联的气门机构的多汽缸内燃发动机。

背景技术

现有的内燃发动机使用凸轮轴驱动的气门机构来操作进气门和排气门，而进气门和排气门控制发动机汽缸体和汽缸盖之间形成的燃烧室中的气体交换。通常通过凸轮轴相对于气门的位置对发动机进行分类，其中顶置凸轮气门机构由汽缸盖中气门上方的凸轮轴驱动，而推杆气门机构或“汽缸体内置凸轮”气门机构具有位于发动机汽缸体中的凸轮轴及使用推杆和摇臂操作的气门。

现有的每汽缸四气门的推杆式发动机每汽缸包括两个进气门和两个排气门。每对气门由桥接的气门机构一前一后地操作，该气门机构包括由单个推杆连接到摇臂的凸轮轴驱动的凸轮从动件(也称为挺杆或挺柱)，而摇臂驱动连接到该对气门(进气门或排气门)的桥。桥接的气门机构是成本高效的设计，这样的设计可以对很多应用实现可接受的性能，虽然两个桥接的气门的操作并不精确同步，因为对桥施加的力可能在气门之间并不完全平衡，气门可能具有稍有不同的弹簧力，且气门组件可能经历稍有不同的磨损。这会造成一个气门较晚开启和/或在气门关闭时，一个气门首先落座而使另一个气门以比预期速度高的速度较晚落座。另外，桥使气门杆端达到边缘负荷，从而更高的应力带来更高的磨损速率及潜在的噪声、振动及不平稳(NVH)问题。虽然单顶置凸轮(SOHC)系统及双顶置凸轮(DOHC)系统具有独立控制的气门以解决这些问题中的部分，但SOHC系统和DOHC系统与汽缸体内置凸轮设计相比明显更加昂贵且具有较大装配宽度。

发明内容

多汽缸内燃发动机具有凸轮轴驱动的气门机构，该气门机构具有位于发动机汽缸体内的凸轮轴，该内燃发动机包括由公共凸轮轴凸角及关联的凸轮从动件操作的至少两个气门，该凸轮从动件连接到至少两个推杆及摇臂以驱动该至少两个气门。

本发明的实施例包括具有独立的双液压间隙调节器并用于一前一后地驱动与单个汽缸关联的两个气门的挺杆。单平面冲压刚摇臂有助于装配每汽缸四气门发动机应用中的每个汽缸的两个从动件及四个推杆。

一种根据本发明用于驱动与具有位于发动机汽缸体内的凸轮轴的多汽缸内燃发动机的单个汽缸关联的至少两个气体交换气门的方法包括使用连接到公共凸轮从动件的至少两个对应的推杆及摇臂，基本上同时驱动该至少两个气体交换气门。该公共凸轮从动件可以独立地调节与每个推杆及摇臂关联的间隙。

本发明提供多种优点。例如，本发明提供具有专门的间隙调节器的实施例，这些间隙调节器用于与特定的挺杆关联的每个气门，以补偿热效应、磨损效应及公差效应并确保气门运动在发动机的整个寿命期间保持与设计目标非常接近。根据本发明的用于一前一后的气门操作并具有独立的间隙调节器的公共挺杆可以降低或消除与不能一起开启或关闭和/或具有不同于或高于预期落座速度的一对气门关联的噪声、振动及不平稳。本发明向每对气门提供耦合的同步运动，并允许单独补偿例如气门弹簧力差异、气门/落座磨损差异，及在使用气门桥设计时易于发生的由于摇臂力未作用在气门中心线之间的中点处而造成的差异。另外，本发明消除与桥接的气门机构实现关联的磨损机制，诸如桥的倾斜和转动造成桥/摇臂接口上增加的应力，进而造成桥和气门杆端之间不必要的接触。使用根据本发明的具有球/球窝枢轴的单平面冲压钢摇臂有助于装配，同时减少移动质量并增加气门驱动机构的固有频率。可以定位球/球窝枢轴点，使得一对气门中的一个摇臂明显长于另一个摇臂，但摇臂比基本上相同，以提供基本上相同的气门开启、气门关闭及峰值升程点。

通过下文中结合附图对优选实施例的详细说明，本发明的上述优点和其他优点及特征将变得显而易见。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的内燃发动机中具有双挺杆的气门机构；

图2是根据本发明的一个实施例的典型的每汽缸四气门的气门机构的透视图；

图3是根据本发明的一个实施例的典型的每汽缸四气门的气门机构的顶视图；

图4是示出根据本发明的一个实施例的具有用于操作一对气门的独立的液压间隙调节器的挺杆的截面图；及

图5是示出根据本发明的具有独立的液压间隙调节器的挺杆的另一个实施例的截面图。

具体实施方式

本领域技术人员应理解，参考附图中的任何一个示出和描述的本发明的各种特征可以和在一个或多个其他附图中示出的特性组合，来产生并未明确示出或描述的本发明的实施例。所示特征的组合提供了用于典型应用的典型实施例。然而，对特定的应用或实现来说，可能需要与本发明所授内容一致的特征的各种组合及修改。

图1-3示出根据本发明的典型实施例的内燃发动机及气门机构操作。多汽缸内燃发动机10总地具有常规的设计，除了如本文所述的各种气门机构组件。因此，不特别示出或描述与发动机及气门机构关联的各种常规特征。本领域技术人员应理解，本发明可用在各种类型和配置的发动机中，包括但不限于例如以“V”型配置或直列配置排列的压缩点火发动机及火花点火发动机。为描述本发明而示出的典型实施例包括每汽缸四气门压缩点火发动机。然而，本发明可以在具有同时由单个凸轮轴凸角控制的多个进气门/排气门的任何应用中使用。类似地，虽然本发明的典型实施例包括可独立操作的液压间隙调节器，但本发明还包括通过与单个挺杆或挺柱接合的两个推杆进行机械间隙调节的气门机构。

多汽缸内燃发动机10包括位于发动机汽缸体14内的凸轮轴12，且可以称为汽缸体内置凸轮发动机。每个汽缸16(仅示出其中之一)都包括通过连杆20连接到曲轴(未示出)的往复式活塞18。汽缸盖22固定到发动机汽缸体14上，并提供连接到汽缸盖22中与气体交换气门28关联的对应气口(未示出)的常规进气道和排气道(未示出)，气体交换气门包括进气门30、32及排气门36、38。汽缸盖22包括与气体交换气门28的操作关联的常规硬件，如气门导管、气门座等(未示出)。燃料喷射器40响应于由关联的发动机控制器提供的信号向汽缸16供给燃料。虽然在图1中示出了直喷式发动机，但本发明可以用在具有其他燃料喷射策略，如进气道喷射的发动机中。

发动机10包括气门机构50，用于控制空气和/或燃料(对进气道喷射发动机)进入汽缸16及燃烧气体的排出。气门机构50包括气门28、气门弹簧52、摇臂54、推杆56及挺杆58，挺杆有时也称为挺柱或凸轮从动件。如在图2中最佳地示出，凸轮轴12包括用于驱动气门28的凸角70。对每个汽缸16，凸轮轴12都包括用于操作关联的进气门30、32的凸角76，及用于操作关联的排气门36和38的凸角78。在图1-3中所示的本发明的典型实施例中，凸轮凸角76具有连接到对应的一对推杆88、90的关联的凸轮从动件或挺杆82，这一对推杆驱动对应的摇臂100、102来一前一后地驱动进气门32、30。类似地，凸轮凸角78具有连接到对应的一对推杆92、94的关联的凸轮从动件或挺杆84，这一对推杆驱动对应的摇臂106、108来驱动排气门38、36。如参考图4和5详述，每个挺杆82、84都包括可独立操作的液压间隙调节器，用于调节与一对关联的推杆、摇臂，及气门中的每个关联的间隙。

在操作中，挺杆82接触凸轮轴12的凸角76。在凸轮轴12旋转时，凸角76升高挺杆82及关联的推杆88、90，而推杆在关联的摇臂100、102上施加对应的力。每个摇臂100、102在单个平面中围绕集成的球/球窝支点或枢轴点120旋转，而球由固定到汽缸盖22上的关联的支点126支撑，如现有技术中所知。摇臂100、102将推杆88、90的基本向上的运动转换为基本向下的运动，以便克服关联的弹簧52移动进气门30、32而开启进气口。在凸轮轴12继续旋转时，挺杆82跟随凸角76的廓线并开始基本向下的运动，使得关联的弹簧52关闭进气门30、32。对排气门36、38的驱动以类似方式基于凸角78的廓线进行。

如图1-3所示，一种根据本发明的用于操作发动机10及气门机构50的方法包括使用连接到公共凸轮从动件(82或84)的至少两个对应的推杆(88、90或92、94)及摇臂(100、102或106、108)，来基本上同时驱动至少两个气体交换气门，如进气门30、32或排气门36、38。如参考图4和5所示和所述，每个凸轮从动件82、84可以包括可独立操作的液压间隙调节器，用于独立地调节与每个推杆和摇臂关联的间隙。或者，可以对每挺杆两个推杆提供机械间隙调节，这可以容易地由现有的每汽缸四气门发动机提供。现有的机械间隙调节可以在摇臂的推杆端处使用螺钉调节器。推杆通常具有球杯端，而摇臂调节器螺钉具有用螺帽锁定在适当位置上的球端。

如在图3的典型气门机构50的顶视图中最佳地示出，本发明使用包括摇臂100、102、106及108的摇臂54，这些摇臂具有一体式主体，并具有在结构上集成的张开的部分，用于形成球窝，以便接合安装在支点120上的枢轴球(图1)。每个摇臂54使用具有较窄的宽度廓线的共面的冷成形或冲压钢结构，以有助于装配。如图3所示，气门30、32相对于推杆88、90定位在不同距离处并要求关联的摇臂100、102具有明显不同的长度。在本发明的一个实施例中，摇臂100约比摇臂102长40％。然而，使用根据本发明的具有球/球窝枢轴的薄型廓线共面摇臂允许适当定位球/球窝支点120、122，以提供基本上相同的摇臂比，从而为气门30、32产生基本上相同的气门运动。例如，计算机分析表明，在根据本发明的典型气门机构中的成对气门的气门升程廓线在摇臂长度相差约40％时彼此相差仅在0.025毫米(mm)内。如本领域技术人员所知，摇臂比基本上可以理解为是推杆88与支点120之间的距离相对于推杆88与气门32的气门杆之间的距离或支点120与气门32的气门杆之间的距离之比。摇臂比也可以用于指气门升程与凸轮升程之比。

图4和5示出根据本发明的具有至少两个独立的液压间隙调节器的挺杆的可选实施例。挺杆58和58’具有类似的结构和操作原理，从而下文中参考挺杆58所做的说明也可以应用于挺杆58’，同时注意不同之处。加撇号的参考标号(如58’)用于表示具有与参考未加撇号的参考标号所述类似的结构和操作的组件或部件。

挺杆58是包括滚子150的凸轮从动件或挺柱，安装滚子150，使其可以围绕固定到外壳或主体154上的轴152旋转。轴承156或类似的装置有助于滚子150在与对应的凸轮轴凸角接触时围绕轴152旋转。外壳154包括轴向的内腔，对应的套筒160、162固定在其中且每个套筒都具有封闭端及开口端。每个套筒160、162都包括位于其中的可轴向移动的柱塞166、168，以在封闭端和柱塞之间界定出可变容积的高压室170、172。止回阀174、176位于对应的高压室170、172内，用于控制从位于柱塞166、168内的贮存器186、188进入到高压室170、172中的液压液流量。例如，弹簧180、182作用于关联的柱塞166、168，以在液压减小时，如在发动机关闭时减小间隙。

挺杆58包括具有下部柱塞构件或基座200、202及上部柱塞构件或连接件204、206的两部件柱塞166、168。上部柱塞构件204、206包括形成球窝的基本上凹陷的半球形几何形状，用于连接到具有基本上凸起的半球形端部或球形端部的对应的推杆。挺杆58’具有两部件柱塞166’、168’，其中上部构件或连接件210、212具有基本上凸起的半球形或球形端部，这样的端部适配用于连接到具有形成球窝的凹陷的半球形端部的对应的推杆。如图4和5所示，柱塞的上部构件包括用于通过对应的推杆中的通道向对应的摇臂供给润滑油的孔。

在操作中，独立的机械间隙调节器或液压间隙调节器基本上在变化的操作条件及环境条件下消除了气门机构组件之间的任何间隙或空隙，以提供一致且可靠的气门驱动，气门驱动包括可重复的气门开启和关闭时间及峰值升程值。在关联的推杆的长度由于温度变化或磨损而变化时，来自加压源的液压液通过外壳154中的横向孔220进入挺杆58并进入贮存器186、188。少量的液压液通过止回阀174、176进入高压室170、172，使柱塞166、168离开套筒160、162的封闭端移动，以消除连接件204、206与对应的推杆及摇臂之间的任何间隙或空隙。因此，由与滚子150接触时凸轮凸角旋转所产生的力通过外壳154传递给套筒160、162，并通过高压室170、172中的液压液传递给柱塞166、168。如果推杆长度由于热膨胀而增加，则液压液从柱塞166、168与套筒160、162之间的高压室170、172中非常缓慢地逸出，以减小包含在关联的高压室170或172内的容积。

与每个挺杆关联的间隙调节器独立于彼此操作，从而与使用单个推杆和间隙调节器的桥接实现相比，本发明可以更加精确地同步与挺杆关联的气门的驱动。因此，单种间隙补偿可以适应气门弹簧力、气门和/或气门座磨损、热效应等的变化，以对每对气门提供耦合的同步运动。

虽然已详细描述了用于实现本发明的最佳模式，但本领域技术人员应理解，用于实现本发明的各种可选设计和实施例由下述权利要求所界定。

Claims (23)

1.一种具有凸轮轴驱动的气门机构的多汽缸内燃发动机，所述气门机构具有位于发动机汽缸体内的凸轮轴，所述发动机包括至少两个由公共凸轮轴凸角操作的气门，所述发动机包括：

与所述公共凸轮轴凸角及至少两个推杆接触的凸轮从动件，每个推杆都与所述至少两个气门中的一个关联；及

与每个推杆关联的摇臂，用于驱动所述至少两个气门中的一个。

2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述凸轮从动件包括：

至少两个独立的间隙调节器，每个间隙调节器都与对应的推杆及摇臂关联。

3.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述凸轮从动件包括：

具有至少两个独立的液压间隙调节机构的滚子从动件，每个间隙调节机构都与对应的推杆及摇臂关联。

4.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述至少两个摇臂包括：

具有定义第一摇臂比的第一长度及第一枢轴点的第一摇臂，所述第一摇臂比对应于关联的推杆与所述第一枢轴点之间的距离相对于关联的气门杆与所述第一枢轴点之间的距离之比；及

具有定义第二摇臂比的第二长度及第二枢轴点的第二摇臂，所述第二摇臂比对应于关联的推杆与所述第二枢轴点之间的距离相对于关联的气门杆与所述第二枢轴点之间的距离之比，其中所述第一和第二长度明显不同，且所述第一和第二摇臂比基本上相同。

5.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述凸轮从动件包括：

外壳；

与凸轮轴凸角接触并可围绕安装在所述外壳中的轴旋转的滚子；

位于所述外壳中的第一内腔内并具有封闭端和开口端的第一套筒；

位于所述第一套筒内的第一柱塞，且所述第一柱塞在所述封闭端与第一柱塞之间界定出第一高压室；

位于所述第一柱塞与所述第一套筒之间并用于控制从所述第一柱塞进入所述第一高压室的液压液流量的第一止回阀，所述第一高压室中的液压液与柱塞弹簧一起操作，用于消除与第一推杆、第一摇臂及第一气门关联的间隙；

位于所述外壳中的第二内腔内并具有封闭端和开口端的第二套筒；

位于所述第二套筒内的第二柱塞，且所述第二柱塞在所述封闭端与第二柱塞之间界定出第二高压室；及

位于所述第二柱塞与所述第二套筒之间并用于控制从所述第二柱塞进入所述第二高压室的液压液流量的第二止回阀，所述第二高压室中的液压液与柱塞弹簧一起操作，用于消除与第二推杆、第二摇臂及第二气门关联的间隙。

6.如权利要求5所述的发动机，其特征在于，所述第一和第二柱塞中的每个包括：

与对应的止回阀接触的下部柱塞构件；及

位于所述下部柱塞构件与关联的推杆之间的上部柱塞构件，所述上部柱塞构件适配用于连接关联的推杆并具有用于向所述关联的推杆供给液压液的孔。

7.如权利要求6所述的发动机，其特征在于，所述上部柱塞构件包括用于连接到所述关联的推杆的基本上凸起的半球形端部中的孔。

8.如权利要求6所述的发动机，其特征在于，所述上部柱塞构件包括用于连接到所述关联的推杆的基本上凹陷的半球形端部中的孔。

9.一种用于多汽缸内燃发动机的气门机构，所述发动机具有位于发动机汽缸体内并通过单个凸轮轴凸角操作两个气门的凸轮轴，所述气门机构包括：

具有用于接触所述凸轮轴凸角的滚子并包括第一和第二间隙调节器的挺杆；

第一和第二摇臂，每个摇臂与所述两个气门中相应的一个关联；及

在相应的第一和第二间隙调节器与第一和第二摇臂之间延伸的第一和第二推杆。

10.如权利要求9所述的气门机构，其特征在于，所述两个气门是与所述汽缸中的一个关联的进气门。

11.如权利要求9所述的气门机构，其特征在于，所述两个气门是与所述汽缸中的一个关联的排气门。

12.如权利要求9所述的气门机构，其特征在于，所述第一和第二间隙调节器包括具有高压室的液压间隙调节器，所述高压室包含可变量的液压液，用于消除相应的推杆、摇臂，及气门组件的间隙。

13.如权利要求9所述的气门机构，其特征在于，还包括：

与所述第一和第二摇臂中的每个关联的支点，所述支点固定到所述发动机的汽缸盖上，并具有分别支撑对应的摇臂上关联的球窝或球并与其协作的球或球窝支点基座，使得所述摇臂在驱动对应的气门期间在所述摇臂的平面中围绕所述基座旋转。

14.如权利要求13所述的气门机构，其特征在于，所述第一和第二摇臂明显长度不同。

15.如权利要求14所述的气门机构，其特征在于，所述第一和第二摇臂具有基本上相同的摇臂比。

16.一种用于具有推杆气门机构的内燃发动机的挺杆，所述气门机构具有位于发动机汽缸体内的凸轮轴，所述挺杆包括：

外壳；

用于接触凸轮轴凸角的滚子，安装所述滚子，使其围绕安装在所述外壳中的轴旋转；及

至少部分地位于所述外壳内且具有一个适配用于连接对应的推杆的端部的第一和第二液压间隙调节器，所述间隙调节器包括可变容积的室，可以用液压液加注所述室以调节对应的推杆相对于所述外壳和滚子的轴向距离。

17.如权利要求16所述的挺杆，其特征在于，所述第一和第二间隙调节器包括基本上为半球形的端部，用于连接对应的基本上为半球形的推杆端部。

18.如权利要求17所述的挺杆，其特征在于，所述基本上为半球形的端部是凸起的。

19.如权利要求17所述的挺杆，其特征在于，所述基本上为半球形的端部是凹陷的。

20.如权利要求17所述的挺杆，其特征在于，所述第一和第二液压间隙调节器包括：

位于所述外壳中对应的内腔内并具有封闭端和开口端的套筒；

位于所述套筒内并可相对于所述套筒进行轴向运动的柱塞，所述柱塞在所述封闭端和柱塞之间界定出可变容积的高压室；及

位于所述柱塞与所述套筒之间的止回阀，用于控制从所述柱塞进入所述高压室的液压液流量。

21.一种用于驱动与多汽缸内燃发动机中的单个汽缸关联的至少两个气体交换气门的方法，所述发动机具有位于发动机汽缸体内的凸轮轴，所述方法包括：

使用连接到公共凸轮从动件的至少两个对应的推杆及摇臂，来基本上同时驱动所述至少两个气体交换气门。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述公共凸轮从动件独立地调节与每个推杆和摇臂关联的间隙。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述内燃发动机包括每汽缸四个气门，且所述驱动的步骤包括驱动两个进气门。

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