CN101446218B - 一种新型的可变升程配气系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于机动车内燃机领域的新型的可变升程配气系统，所述的新型的可变升程配气系统包括液压挺柱(1)，气门(2)，摇臂(3)，所述的可变升程配气系统还包括传动齿轮(7)，调节杆(9)，步进电机(10)，凸轮轴(6)设置在摇臂(3)和调节杆(9)之间，凸轮轴的凸轮与摇臂(3)和调节杆(9)接触，调节杆(9)与传动齿轮(7)连接，所述的传动齿轮(7)与步进电机(10)啮合。采用本发明的技术方案，其所带来的有益效果主要包括：实现气门正时随工况的需要而改变，最大化优化发动机性能；结构简单、紧凑，设计合理；发动机应用该机构改动量小，适合在生产产品的升级。

Description

一种新型的可变升程配气系统

技术领域

本发明涉及机动车内燃机领域，更具体地说，本发明是涉及一种新型的可变升程配气系统。

背景技术：

随着油价的攀升和日益严格的排放法规，低污染、低油耗、大功率、大扭矩的发动机就是我们的追求目标。而配气机构严重的影响着发动机的燃烧特性和排放特性能。控制发动机充量交换过程的气门，其特性参数主要有三个：气门开启相位、气门开启持续角度(气门保持开启持续的曲轴转角)和气门升程。这三个特性参数对发动机的性能、油耗和排放有重要的影响。通常将气门开启相位和气门开启持续角度统称为气门正时。随着发动机转角和负荷的改变，对特性参数的最佳选择是不同的。为了提高功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门的升程；为了提高低速扭矩，要提早关闭进气门；为了改善启动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减少气门叠开角。在传统的发动机中，由于这三个特性参数在发动机运行过程中不能改变，往往将气门正时设计成高速全负荷工况最为有利，以便求得最大的标定功率。近年来由于更注重油耗和排放，所以将气门正时和升程设计成可变的，以满足各种工况的需求。

目前国际上已有少数汽车厂商实现了这种气门升程可变的技术，比如本田公司的I-VTEC系统、INA公司的可变挺柱机构和伊顿公司的可变摇臂机构。随着先进发动机技术的发展和新时代对发动机的性能要求，低油耗和高性能的发动机将是扩大汽车市场的利器。现在使用的全可变机构也都是最近几年才有的新技术，他们也是通过一系列机械或者液压的机构来实现气门升程连续可变的功能，但是目前国外的气门机构需要专门的一级控制臂，其机构比较复杂，所需的调控扭矩较大，调控过程中运动副增多导致磨擦损失也比较大，因而对燃油经济性的改善非常有限，控制起来的精度也不高。

发明内容

本发明一种新型的可变升程配气系统，其所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种能实现气门升程完全可变，满足发动机不同工况对气门升程和开启时间的要求，可以配合传统的可变气门正时机构，实现升程、包角、重叠角的柔性变化。ECU可以对可变升程配气系统实行精确的闭环控制的新型的可变升程配气系统。

本发明为一种新型的可变升程配气系统，包括液压挺柱，气门，摇臂，所述的可变升程配气系统还包括传动齿轮，调节杆，步进电机，所述的凸轮轴设置在摇臂和调节杆之间，所述的凸轮轴的凸轮与摇臂和调节杆接触，所述的调节杆与传动齿轮连接，所述的传动齿轮与步进电机啮合。

所述的摇臂设置为一级摇臂和二级摇臂，一级摇臂设置为V型结构，所述的凸轮轴的凸轮面与一级摇臂滚子贴合，所述的二级摇臂的一端与气门贴合，另一端与液压挺柱贴合。

所述的V型结构一级摇臂的两个摇臂端头和V型结构的底部位置均安装一级摇臂滚子。

所述的凸轮轴的凸轮面与一级摇臂摇臂端头的一级摇臂滚子贴合。

所述的一级摇臂V型结构的底部的一级摇臂滚子与二级摇臂的中部位置贴合。

所述的调节杆上设置两个凸起块，所述的两个凸起块与调节杆组成框形结构。

所述的调节杆的端部与传动齿轮连接，所述的调节杆的端部与传动齿轮之间通过平键设置为固定连接的结构。

所述的调节杆的凸起块与凸轮轴的凸轮凸面贴合。

所述的步进电机设置出斜齿轮结构；所述的传动齿轮为直齿齿轮，所述的步进电机的斜齿轮与传动齿轮的直齿啮合。

所述的步进电机与发动机曲轴转速传感器和凸轮位置传感器连接，所述的发动机曲轴转速传感器和凸轮位置传感器通过ECU控制。

采用本发明的技术方案，其所带来的有益效果主要包括：

1、本发明可以配合传统的可变气门正时机构，实现升程、包角、重叠角的柔性变化，ECU可以对可变升程配气系统实行精确的闭环控制；

2、本发明适用于气门升程完全可变的配气机构，分为两级摇臂机构，步进电机可以对调节杆进行旋转，从而改变一级摇臂在二级摇臂顶曲面上的接触点的变化，实现摇臂比的变化，从而使气门升程可变。

3、本发明的一级摇臂上的摇臂滚子分别与凸轮轴、二级摇臂构成运动副，可以进一步降低摩擦，二级摇臂上的弧面是一条运动包络线，保证气门的完全关闭。

4、本发明保留节气门设计，通常的发动机运行工况，使节气门全开，最大限度榨取燃料的能量，降低泵气损失，无节气门工况燃烧。但在冷启动和部分工况下采用节气门调节负荷，提高系统稳定性。

5、实现气门升程完全可变，满足发动机不同工况对气门升程和开启时间的要求；配合采用气门正时机构，实现气门正时随工况的需要而改变，最大化优化发动机性能；结构简单、紧凑，设计合理；发动机应用该机构改动量小，适合在生产产品的升级。

附图说明

下面对本说明书中各幅附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：

图1是本发明所述的一种新型的可变升程配气系统的结构示意图；

图2是本发明的配气系统的气门升程处于最小位置时的结构示意图；

图3是本发明的配气系统的气门升程处于最大位置时的结构示意图；

图4是本发明的一级摇臂的结构示意图；

图5是本发明的可变正时和升程共同调节后的气门升程曲线示意图；

图6是本发明的二级摇臂的正视结构示意图；

图7是本发明的调节杆的结构示意图；

图中标记为：1、液压挺柱，2、气门；3、摇臂；4、一级摇臂；5、二级摇臂；6、凸轮轴；7、传动齿轮；8、平键；9、调节杆；10、步进电机；11、凸轮凸面；12、一级摇臂滚子；13、凸轮面；14、摇臂端头；15、凸起块。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：

如附图所示，本发明为一种新型的可变升程配气系统，包括液压挺柱1，气门2，摇臂3，所述的可变升程配气系统还包括传动齿轮7，调节杆9，步进电机10，所述的凸轮轴6设置在摇臂3和调节杆9之间，所述的凸轮轴的凸轮与摇臂3和调节杆9接触，所述的调节杆9与传动齿轮7连接，所述的传动齿轮7与步进电机10啮合。

所述的摇臂3设置为一级摇臂4和二级摇臂5，一级摇臂4设置为V型结构，所述的凸轮轴6的凸轮面13与一级摇臂滚子12贴合，所述的二级摇臂5的一端与气门2贴合，另一端与液压挺柱1贴合。

所述的V型结构一级摇臂4的两个摇臂端头14和V型结构的底部位置均安装一级摇臂滚子12。

所述的凸轮轴6的凸轮面13与一级摇臂4摇臂端头14的一级摇臂滚子12贴合。

所述的一级摇臂4的V型结构的底部的一级摇臂滚子12与二级摇臂5的中部位置贴合。

所述的调节杆9上设置两个凸起块15，所述的两个凸起块15与调节杆9组成框形结构。

所述的调节杆9的端部与传动齿轮7连接，所述的调节杆9的端部与传动齿轮7之间通过平键8设置为固定连接的结构。

所述的调节杆9的凸起块15与凸轮轴6的凸轮凸面11贴合。

所述的步进电机10设置出斜齿轮结构；所述的传动齿轮7为直齿齿轮，所述的步进电机10的斜齿轮与传动齿轮7的直齿啮合。

所述的步进电机10与发动机曲轴转速传感器和凸轮位置传感器连接，所述的发动机曲轴转速传感器和凸轮位置传感器通过ECU控制。

本发明的核心在于配合发动机的运行工况对气门的正时、升程和持续期自动调节一种先进的配气机构系统。

本发明的具体实施方式时，当发动机实际运行工况要求较高的气门升程和大的开启时间即气门从打开1mm到关闭1mm所对应的曲轴转角时，二级摇臂5处于一级摇臂4的靠右边位置，此时发动机具有较高的气门升程，可以满足发动机在高速高负荷时的大功率要求。节气门全开。具体的气门升程曲线如图5所示的高升程的气门升程曲线。

当工况要求较小的气门升程曲线时，ECU接受到发动机曲轴转速传感器和凸轮位置传感器等信号，输入到ECU，ECU自动计算步进电机需要前进或后退的步数，带动传动齿轮7旋转，传动齿轮7和调节杆9之间用平键8或销钉构成刚性链接。因此，传动齿轮7的动力经调节杆9传递到一级摇臂4机构，在二级摇臂5上滑动，从而改变气门的升程。通过结构的优化气门升程曲线升程可以实现从3到10mm的完全调节。

一级摇臂4经过优化设计，其上装有两个滚针轴承，目的是保证运动传递的平稳性和小的摩擦，同时本发明实例可以进一步调整机构使两气门由同一个一级摇臂来驱动，可以根据发动机的结构进行选择，从而实现优化设计。

当发动机运行工况需要气门升程由小变大时，步进电机接受到ECU提供的反馈信号，使步进电机向相反的方向移动一定步数，从而使一级摇臂4在二级摇臂5上的接触点向右移动，从而可以使气门升程变大。图2和图3分别是气门升程处于最小和最大两个极限位置的结构示意图。

对气门正时的调节，如传统的发动机，升程和正时都根据ECU标定的工况图来选择合适的气门升程曲线，即ECU会根据不同工况驱动控制阀和步进电机的工作状态来达到气门升程曲线的无级调节。整个运行工况由于气门升程曲线是完全调节的，负荷的调节将不依赖传统的节气门，而是通过ECU根据转速、扭矩、负荷等信号来选择合适的气门升程曲线来调节喷油量。

二级摇臂5，正视图如图6所示，经过优化设计，其上面是一条包络线，以保证气门的完全关闭，即发动机凸轮轴在基圆位置时，步进电机的动作，可以保证气门始终在关闭状态。

本发明的应用实例的发动机的负荷控制是调节进气门的升程实现的，但同时还设有电子节气门，其主要完成以下功能：

1.辅助燃油蒸气挥发控制和曲轴箱强制通风为了从活性碳罐过滤器抽取燃油蒸气，从曲轴箱抽取串缸混合气，必须确保进气管中50kPa的恒定真空，此真空必须有电子节气门节流运行才能完成。

2.发动机的启动在发动机的冷启动过程中，温度在0～60°之间时，由节气门调节空气量以便快速暖机。当发动机的机水温达到80℃以上时，空气量的调节则由进气门来完成。

3.常规负荷调节功能当全变量气门控制失灵时，则有电子节气门完成发动机的紧急运行功能，即实行常规负荷调节功能。有些地区使用的汽油特别差，在工作中会产生大量的积碳，从而使发动机无法完成正常工作，遇到这种情况，可取消全变气门控制，用诊断仪将进气门的升程调到最大值处，此时与传统配气机构功用相同。

本发明的目的是提供一种结构简单并可以实现快速切换的的无级可变配气机构，应用于四气门汽油、柴油发动机上，其主要机构包括凸轮轴、可变气门正时机构，可变气门升程机构。而新型的机构，结果简单易于布置，采用步进电机实现精确的控制，采用本新型的配气机构可以实现在不同的工况下选择合适的气门开启时间、升程大小和正时，可以实现动力性和经济性、排放的全方面的匹配。

本发明的核心在于利用简单的配气机构实现气门升程、包角、正时的完全可变，可配合其他控制策略可以得到其他应用实例变体。如：无节气门运行工况的均质冲量压燃的HCCI发动机上，采用HCCI和SI两种工作模式的选择实现均质压燃和点燃的切换，进一步提高发动机的热效率。同时也可应用于柴油发动机上满足柴油机不同工况对进气气流运动和进气量的需要。也可以通过优化结构，采用多个步进电机进行分别控制，实现发动机排量的变换即停缸，如V6、V8上实现停缸策略进一步降低发动机油耗和排放。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型的可变升程配气系统，包括液压挺柱(1)，气门(2)，摇臂(3)，其特征在于：所述的可变升程配气系统还包括传动齿轮(7)，调节杆(9)，步进电机(10)，凸轮轴(6)设置在摇臂(3)和调节杆(9)之间，所述的凸轮轴的凸轮与摇臂(3)和调节杆(9)接触，所述的调节杆(9)与传动齿轮(7)连接，所述的传动齿轮(7)与步进电机(10)啮合。

2.根据权利要求1所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的摇臂(3)设置为一级摇臂(4)和二级摇臂(5)，一级摇臂(4)设置为V型结构，所述的凸轮轴(6)的凸轮面(13)与一级摇臂滚子(12)贴合，所述的二级摇臂(5)的一端与气门(2)贴合，另一端与液压挺柱(1)贴合。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的V型结构一级摇臂(4)的两个摇臂端头(14)和V型结构的底部位置均安装一级摇臂滚子(12)，

4.根据权利要求1或2所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的凸轮轴(6)的凸轮面(13)与一级摇臂(4)摇臂端头(14)的一级摇臂滚子(12)贴合。

5.根据权利要求1或2所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的一级摇臂(4)V型结构的底部的一级摇臂滚子(12)与二级摇臂(5)的中部位置贴合。

6.根据权利要求1所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的调节杆(9)上设置两个凸起块(15)，所述的两个凸起块(15)与调节杆(9)组成框形结构。

7.根据权利要求1或6所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的调节杆(9)的端部与传动齿轮(7)连接，所述的调节杆(9)的端部与传动齿轮(7)之间通过平键(8)设置为固定连接的结构。

8.根据权利要求1或6所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的调节杆(9)的凸起块(15)与凸轮轴(6)的凸轮凸面(11)贴合。

9.根据权利要求1所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的步进电机(10)设置出斜齿轮结构；所述的传动齿轮(7)为直齿齿轮，所述的步进电机(10)的斜齿轮与传动齿轮(7)的直齿啮合。

10.根据权利要求1或9所述的一种新型的可变升程配气系统，其特征在于：所述的步进电机(10)与发动机曲轴转速传感器和凸轮位置传感器连接，所述的发动机曲轴转速传感器和凸轮位置传感器通过ECU控制。

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