CN101539042A - 一种可实现无级调节的气门升程控制机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于内燃机的可实现无级调节的气门升程控制机构，所述的气门升程控制机构还包括连接臂(4)，偏心轴(5)，组合摇臂(7)，导向块(8)，扭力弹簧(3)，滚针轴承I(14)，滚针轴承II(17)，连接轴(18)，蜗轮蜗杆结构(31)，连接臂(4)安装在偏心轴(5)上，组合摇臂(7)通过连接臂(4)把偏心轴(5)和组合摇臂(7)连接到一起，偏心轴(5)通过蜗轮蜗杆结构(31)与步进电机(21)连接，扭力弹簧(3)固定在导向块(8)上，扭力弹簧(3)的旋转臂(25)安装在组合摇臂(7)上，组合摇臂下表面(35)设为弧面结构。本发明可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。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机领域，更具体地说，本发明是涉及一种可实现无级调节的气门升程控制机构。
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发动机工程师的设计目标。而配气机构的影响着发动机的混合气的形成和燃烧排放等性能。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。随着发动机转速和负荷的改变，对阀系的最佳特性需求是不同的。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，需要较小的气门升程。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，以满足发动机复杂的工况对气门升程的不同需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单，可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，大大降低泵气损失，同时提高低速时缸内滚流充气运动的气门升程控制机构。
本发明为一种可实现无级调节的气门升程控制机构，所述的气门升程控制机构的凸轮轴安装与发动机缸盖的轴承座上，发动机缸盖上装有液压挺杆，液压挺杆上有指型摇臂，发动机缸盖上装有气门和气门弹簧，所述的气门升程控制机构还包括连接臂，偏心轴，组合摇臂，导向块，扭力弹簧，滚针轴承I，滚针轴承II，连接轴，蜗轮蜗杆结构，所述的连接臂安装在偏心轴上，组合摇臂通过连接臂把偏心轴和组合摇臂连接到一起，所述的偏心轴通过蜗轮蜗杆结构与步进电机连接，所述的扭力弹簧固定在导向块上，扭力弹簧的旋转臂安装在组合摇臂上，组合摇臂下表面设置为弧面结构。
所述的导向块可以作为单独的零件通过螺栓链接安装于发动机缸盖的支撑上面，也可以与发动机缸盖铸成一个整体。
所述的组合摇臂由两个单独的摇臂组成，其上有三个滚针轴承，分别是两个滚针轴承II和一个滚针轴承，组合摇臂设置出凹槽，组合摇臂上设置弹簧安装槽，组合摇臂的两个单独的摇臂通过连接轴连接在一起，滚针轴承I安装在导向块的导向槽中。
所述的连接臂套装在偏心轴上，偏心轴通过两端的轴颈设置在发动机缸盖上，所述的连接臂套装在连接轴上。
所述的导向块上设置螺纹孔，紧固螺栓将扭力弹簧固定在导向块上，所述的扭力弹簧的旋转臂安装在组合摇臂的弹簧安装槽上。
所述的组合摇臂与指型摇臂的指型摇臂滚轮相接触的组合摇臂下表面设置为一段凹下的弧面与凸起的弧面圆滑过渡的结构。
所述的偏心轴上安装有蜗轮，蜗轮和蜗杆之间构成一对蜗轮蜗杆运动，蜗杆与步进电机之间构成紧固链接。
所述的偏心轴上安装有信号轮，缸盖上装有起到检测偏心轴的转角的作用的角度传感器。
所述的连接臂通过安装孔套装在偏心轴上，所述的连接臂通过销孔套装在连接轴上，偏心轮的旋转角度可以设计为180度的范围之内。
所述的组合摇臂的滚针轴承II与凸轮轴贴合。
本发明的技术方案的有益效果显著，归纳如下：
1、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，同时气门正时前移，适合汽油发动机的进气门早关的配气策略；
2、采用偏心轴控制，偏心轴的旋转角度可以从0度到180度，调节范围大，ECU对偏心轴的角度进行精确的控制从而满足不同的发动机工况对气门升程控的需求；
3、结构简单、工艺性好、紧凑，设计合理。发动机应用该机构改动量小，适合现有的产品的升级和新产品的应用；
4、用在汽油机上，实现无节气门工况运行，大大的降低泵气损失，同时提高低速时缸内滚流充气运动，提高发动机低端扭矩，降低油耗，同时可以保留节气门，提高怠速稳定性；
5、可以用到柴油机上，满足柴油机对可变气门的要求，降低排放；
6、可以用到均值压燃冲量的HCCI发动机上满足HCCI发动机对进气量的需求。
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做出简要的说明：
图1是本发明所述的可变气门升程配气机构的部件结构示意图；
图2是气门升程处于最大位置时的结构示意图；
图3是气门升程处于最小位置时的结构示意图；
图4是该机构的气门升程曲线示意图；
图5是移除了组合摇臂的结构示意图；
图6是组合摇臂的结构示意图；
图7是偏心轴控制系统的结构示意图；
图8是扭力弹簧的结构示意图；
图9是本发明实例的凸轮轴的机构示意图；
图10是本发明实例的连接臂的机构示意图；
图11是本发明实例的导向块的机构示意图；
图12是本发明实例的组合摇臂的前视结构示意图；
图13是另外一个简化的发明实例的结构示意图图；
图中标记为：1、凸轮轴；2、紧固螺栓；3、扭力弹簧；4、连接臂；5、偏心轴；6、液压挺杆；7、组合摇臂；8、导向块；9、发动机缸盖；10、指型摇臂；11、气门弹簧；12、气道；13、气门；14、滚针轴承I；15、凹槽；16、弹簧安装槽；17、滚针轴承II；18、连接轴；19、角度传感器；20、信号轮；21、步进电机；22、蜗轮；23、轴颈；24、蜗杆；25、旋转臂；26、凸轮；27、轴颈；28、安装孔；29、销孔；30、导向槽；31、圆弧；32、指型摇臂滚轮；33、工作曲线；34、偏心轮；35、组合摇臂下表面；36、蜗轮蜗杆结构；37、螺纹孔。
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，本发明为一种可实现无级调节的气门升程控制机构，所述的气门升程控制机构的凸轮轴1安装与发动机缸盖9的轴承座上，发动机缸盖9上装有液压挺杆6，液压挺杆6上有指型摇臂10，发动机缸盖9上装有气门13和气门弹簧11，所述的气门升程控制机构还包括连接臂4，偏心轴5，组合摇臂7，导向块8，扭力弹簧3，滚针轴承I 14，滚针轴承II 17，连接轴18，蜗轮蜗杆结构31，所述的连接臂4安装在偏心轴5上，组合摇臂7通过连接臂4把偏心轴5和组合摇臂7连接到一起，所述的偏心轴5通过蜗轮蜗杆结构31与步进电机21连接，所述的扭力弹簧3固定在导向块8上，扭力弹簧3的旋转臂25安装在组合摇臂7上，组合摇臂下表面35设置为弧面结构。
所述的导向块8可以作为单独的零件通过螺栓链接安装于发动机缸盖9的支撑上面，也可以与发动机缸盖9铸成一个整体。
所述的组合摇臂7由两个单独的摇臂组成，其上有三个滚针轴承，分别是两个滚针轴承II 17和一个滚针轴承14，组合摇臂7设置出凹槽15，组合摇臂7上设置弹簧安装槽16，组合摇臂7的两个单独的摇臂通过连接轴18连接在一起，滚针轴承I 14安装在导向块8的导向槽30中。
所述的连接臂4套装在偏心轴5上，偏心轴5通过两端的轴颈23设置在发动机缸盖9上，所述的连接臂4套装在连接轴18上。
所述的导向块8上设置螺纹孔37，紧固螺栓2将扭力弹簧3固定在导向块8上，所述的扭力弹簧3的旋转臂25安装在组合摇臂7的弹簧安装槽16上。
所述的组合摇臂7与指型摇臂10的指型摇臂滚轮32相接触的组合摇臂下表面35设置为一段凹下的弧面与凸起的弧面圆滑过渡的结构。
所述的偏心轴5上安装有蜗轮22，蜗轮22和蜗杆24之间构成一对蜗轮蜗杆运动，蜗杆24与步进电机21之间构成紧固链接。
所述的偏心轴5上安装有信号轮20，缸盖上装有起到检测偏心轴5的转角的作用的角度传感器19。
所述的连接臂4通过安装孔套装在偏心轴5上，所述的连接臂4通过销孔套装在连接轴18上，偏心轮34的旋转角度可以设计为180度的范围之内。
所述的组合摇臂7的滚针轴承II 17与凸轮轴1贴合。
本发明的核心在于配合发动机的运行工况对气门的正时、升程和持续期实现无级调节一种先进的内燃机配气机构。本发明的具体实施方式实例，如图1所示。
凸轮轴1安装与发动机缸盖9的轴承座上，发动机缸盖9上装有液压挺杆6，液压挺杆6上有指型摇臂10，发动机缸盖9上装有气门13和气门弹簧11。导向块8可以作为单独的零件通过螺栓链接安装于发动机缸盖9的支撑上面，也可以与发动机缸盖9铸成一个整体。
缸盖上安装有偏心轴5，偏心轴5上有轴颈23，如图7所示。连接臂4安装在偏心轴5之上，组合摇臂7通过连接臂4把偏心轴5和组合摇臂7链接到一起。如图6所示，组合摇臂7由两个单独的摇臂组装而成，其上有三个滚针轴承，分别是滚针轴承17和滚针轴承14，组合摇臂7进行了结构优化，凹槽15起到减轻组合摇臂的重量的作用；组合摇臂7上有弹簧安装槽16，两个单独的摇臂通过连接轴18链接在一起。滚针轴承14安装在导向块8的导向槽30中，导向块8上有一螺纹孔37，紧固螺栓2将扭力弹簧3固定在导向块8上。
扭力弹簧3的旋转臂25安装在组合摇臂7的弹簧安装槽16上起到使组合摇臂7储存能量和扭矩的作用。通过上面描述的链接关系，动力从凸轮轴(1)传递到组合摇臂7上，当偏心轴5处于一个固定的位置时，组合摇臂5的旋转中心是滚针轴承14的中心，组合摇臂7在旋转的过程当中，使扭力弹簧3发生旋转，储存能量，推动指型摇臂10的旋转，从而使气门开启。气门弹簧11同样起回位和储存能量的作用。
如图7所示，偏心轴5上安装有信号轮20，缸盖上装有角度传感器19起到检测偏心轴5的转角的作用。
同时，偏心轴上安装有蜗轮22，蜗轮22和蜗杆24之间构成一对蜗轮蜗杆运动，蜗杆24与步进电机21之间构成紧固链接。
当发动机的运行工况需要最大的气门升程时，偏心轴5处于如图2所示的位置，具有最小的偏心量。凸轮轴1的动力经过组合摇臂7的传递，直接由曲线33传递到指型摇臂10再传递到气门13。此时，气门具有最大的气门升程和包角(指的是气门11从开启1mm到关闭1mm时对应的曲轴或者凸轮轴转角)，如图4所示的最大的气门升程曲线图。当发动机的运行工况需要最小的气门升程的时，ECU监测到发动机的相关数据会把角度指令发给步进电机21，步进电机动作带动蜗杆24的运动从而把运动传递到蜗轮22的旋转运动，蜗轮22和偏心轴5之间构成刚性链接从而使偏心轴5发生旋转，偏心轴5的旋转会带动连接臂4拖动组合摇臂7在导向块8的导向槽30中移动，组合摇臂7在扭力弹簧3的作用下始终保持与凸轮轴1之间构成凸轮连接。
如图5所示，导向槽的中心实际上就是指型摇臂9在气门0位置时的指型摇臂的滚针轴承的中心。这一运动实际上使组合摇臂7绕着指型摇臂9的滚针轴承中心旋转了一个角度。由于组合摇臂7的支点的位置变化，实际上使凸轮接触组合摇臂(7)的滚针轴承17的接触点发生了变化，使气门开启和关闭的包角减小。这样，动力经过凸轮2传递的过程中，组合摇臂7先走过一段圆弧31才经过工作曲线33，所以，凸轮同样的升程传递到气门上先走过一段圆弧实现了升程的屏蔽，气门升程和包角都变小，经过偏心轮34旋转180度后气门的升程曲线如图4所示。这样的气门升程曲线更加适合于汽油机的进气门早关的配气策略，在配合传统的可变气门正时机构更好满足发动机性能对气门升程曲线的要求。
当发动机的运行工况需要适中的较大气门升程时，只需要通过控制偏心轮的偏心量来实现，ECU会根据偏心轴的目标旋转角度与目前的角度做比较，发出指令使偏心轴旋转。在本发明实例中，为了保证非常精确的调控精度，偏心轮的偏转角度设计为180度；这样，在发动机处于部分负荷工况下，只需调整偏心轮的偏转角度来达到控制缸内的进气量的要求。节气门可以完全打开，这样部分负荷下的节流损失就会大大较小，无节气门负荷运行工况不仅可以提高发动机的燃油经济性，在配合传统的可变气门正时的机构下可以实现提高怠速稳定性和低端扭矩的目的。本发明实例在汽油机上采用保留节气门设计的技术方案，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，极大的降低泵气损失，实现无节气门工况燃烧。同时在冷启动和极少工况下采用节气门调节负荷，提高发动机的怠速稳定性，降低HC排放，提高系统安全性和稳定性。
同时也可以应用到柴油发动机上来满足柴油机对发动机气门升程曲线的要求。
本发明的核心在于利用简单的偏心机构和导向块和带弧段的组合摇臂来实现组合摇臂的支点位置的变化，从而调节凸轮轴实际作用在气门上的升程来达到气门可变气门升程的目的。凡是通过类似的方式同样受到本专利的保护。
另外可以通过调整偏心轮和组合摇臂与指型摇臂的相对位置得到本发明的另一安装实例，如图13所示；本发明实例配合一些控制策略可以在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，提高发动机的动力性经济型和排放性。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，采用多个步进电机对多缸进行单独控制，实现发动机排量的变换即停缸，如在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具体方式的限制，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，或未经改动而将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1、一种可实现无级调节的气门升程控制机构，所述的气门升程控制机构的凸轮轴(1)安装与发动机缸盖(9)的轴承座上，发动机缸盖(9)上装有液压挺杆(6)，液压挺杆(6)上有指型摇臂(10)，发动机缸盖(9)上装有气门(13)和气门弹簧(11)，其特征在于：所述的气门升程控制机构还包括连接臂(4)，偏心轴(5)，组合摇臂(7)，导向块(8)，扭力弹簧(3)，滚针轴承I(14)，滚针轴承II(17)，18-连接轴(18)，蜗轮蜗杆结构(31)，所述的连接臂(4)安装在偏心轴(5)上，组合摇臂(7)通过连接臂(4)把偏心轴(5)和组合摇臂(7)连接到一起，所述的偏心轴(5)通过蜗轮蜗杆结构(31)与步进电机(21)连接，所述的扭力弹簧(3)固定在导向块(8)上，扭力弹簧(3)的旋转臂(25)安装在组合摇臂(7)上，组合摇臂下表面(35)设置为弧面结构。
2、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的导向块(8)可以作为单独的零件通过螺栓链接安装于发动机缸盖(9)的支撑上面，也可以与发动机缸盖(9)铸成一个整体。
3、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的组合摇臂(7)由两个单独的摇臂组成，其上有三个滚针轴承，分别是两个滚针轴承II(17)和一个滚针轴承(14)，组合摇臂(7)设置出凹槽(15)，组合摇臂(7)上设置弹簧安装槽(16)，组合摇臂(7)的两个单独的摇臂通过连接轴(18)连接在一起，滚针轴承I(14)安装在导向块(8)的导向槽(30)中。
4、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的连接臂(4)套装在偏心轴(5)上，偏心轴(5)通过两端的轴颈(23)设置在发动机缸盖(9)上，所述的连接臂(4)套装在连接轴(18)上。
5、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的导向块(8)上设置螺纹孔(37)，紧固螺栓(2)将扭力弹簧(3)固定在导向块(8)上，所述的扭力弹簧(3)的旋转臂(25)安装在组合摇臂(7)的弹簧安装槽(16)上。
6、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的组合摇臂(7)与指型摇臂(10)的指型摇臂滚轮(32)相接触的组合摇臂下表面(35)设置为一段凹下的弧面与凸起的弧面圆滑过渡的结构。
7、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的偏心轴(5)上安装有蜗轮(22)，蜗轮(22)和蜗杆(24)之间构成一对蜗轮蜗杆运动，蜗杆(24)与步进电机(21)之间构成紧固链接。
8、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的偏心轴(5)上安装有信号轮(20)，缸盖上装有起到检测偏心轴(5)的转角的作用的角度传感器(19)。
9、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的连接臂(4)通过安装孔套装在偏心轴(5)上，所述的连接臂(4)通过销孔套装在连接轴(18)上，偏心轮(34)的旋转角度可以设计为180度的范围之内。
10、按照权利要求1所述的可实现无级调节的气门升程控制机构，其特征在于：所述的组合摇臂(7)的滚针轴承II(17)与凸轮轴(1)贴合。
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