CN101737113A - 一种多驱动力耦合的发动机电动气门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多驱动力耦合的发动机电动气门，包括衔铁、两个电磁线圈、永磁体、弹簧、内磁轭、外磁轭、气阀；永磁体的两侧分别设置内磁轭和外磁轭，电磁线圈对称设置在永磁体的上方和下方，衔铁位于永磁体和通电后的电磁线圈形成的闭合磁场回路内，在衔铁上设置弹簧，衔铁可在永磁体产生的磁力、电磁线圈通电后产生的电磁力和弹簧产生的弹簧力的作用下做往复直线运动，衔铁的下端设置有气阀。衔铁与气阀间通过弹性元件连接，该弹性元件的预紧力大于衔铁的驱动力，衔铁的下方设置限位环。本发明的电动气门可以实现在发动机运行中实时优化调节发动机配气相位，即气门的开启、关闭时刻以及气门升程，具有驱动力大、能耗小的优点。

Description

一种多驱动力耦合的发动机电动气门

技术领域

本发明属于机电一体化的发动机部件，特别是一种多驱动力耦合的发动机电动气门。

背景技术

应用电磁驱动气门取代常规发动机中的凸轮驱动气门，实现发动机进、排气阀开启/关闭时刻、升程及其运动规律随发动机工况(转速、负荷)独立的、连续可变的、实时的优化调节，能够显著提升发动机，特别是由节气门调节负荷的发动机(如汽油机、天然气发动机)的节能环保性能以及动力性能。所谓的“无凸轮发动机(Cam-lessEngine)”，多年来一直是国际汽车技术领域的研究热点，也是提高发动机节能环保性能的重要技术发展方向。

常规发动机进、排气配气相位、升程由凸轮型线确定，无法实时调节，近年来虽然已出现了数种形式的可变配气相位/升程的发动机产品，日本本田公司的可变气门正时和升程系统(i-VTEC)、日本丰田公司的可变正时系统(VVT-i)等均已投放市场而得到实际应用，但这类仍未放弃凸轮驱动的机构有着较大局限性，由于保留了凸轮，使其调节能力仍受到凸轮型线的限制，因而对性能的提升也有限。其中具有代表性的是德国FEV公司研究的电磁驱动气门，这类电磁驱动气门由上下两个电磁线圈组成，当上端电磁线圈通电后，与衔铁相连的气门即被吸向上端，反之当下端电磁线圈通电后，与衔铁相连的气门即被吸向下端，实现气门的上下运动。其主要存在的问题是：气门开始运动时，由于气隙较大而使电磁驱动力较小，而当气门接近运动结束时，由于气隙较小而使电磁驱动力较大从而导致气门落座速度过大，难以获得所需要的力特性。若通过增加弹簧力来改善力特性，又使得气阀的保持电流增加。

总之，现有技术存在的缺陷为：(1)气门的驱动力不足导致过渡时间过长或装置体积过大，难以实用化；(2)气门落座速度难以控制在允许的范围之内，从而导致气门撞击；(3)力特性不理想导致保持电流增加，即能耗增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种驱动力大、能耗小的多驱动力耦合发动机电动气门。该电动气门可以实现在发动机运行中实时优化调节发动机配气相位，即气门的开启、关闭时刻以及气门升程。

实现本发明目的的技术方案为：多驱动力耦合的发动机电动气门，包括衔铁、两个电磁线圈、永磁体、弹簧、内磁轭、外磁轭、气阀；永磁体的两侧分别设置内磁轭和外磁轭，电磁线圈对称设置在永磁体的上方和下方，衔铁位于永磁体和通电后的电磁线圈形成的闭合磁场回路内，在衔铁上设置弹簧，衔铁可在永磁体产生的磁力、电磁线圈通电后产生的电磁力和弹簧产生的弹簧力的作用下做往复直线运动，衔铁的下端设置有气阀。本发明应用电磁驱动气门取代常规发动机中的凸轮驱动气门，实现发动机进、排气阀开启/关闭时刻、升程及其运动规律随发动机工况(转速、负荷)独立的、连续可变的、实时的优化调节，能够显著提升由节气门调节负荷的发动机(如汽油机、天然气发动机)的节能环保性能以及动力性能。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)气门在开始运动时具有较大的驱动力，使气门开启/关闭过渡时间短，实测可小于4毫秒；(2)气门落座时有较低的落座速度以降低撞击；(3)能耗小，气门落座后基本不需要保持电流。

附图说明

图1为本发明的电动气门的结构图。

图2为本发明的电动气门内永磁体的磁场回路示意图。

图3为本发明的电动气门内电磁线圈的磁场回路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明的一种多驱动力耦合的发动机电动气门，包括衔铁、第一电磁线圈2、连杆3、永磁体4、弹簧5、内磁轭6、外磁轭7、气阀11；永磁体4的两侧分别设置内磁轭6和外磁轭7，永磁体4的上方和下方对称设置第一电磁线圈2、第二电磁线圈13，衔铁位于永磁体4和通电后的电磁线圈2、13形成的闭合磁场回路内，衔铁上设置弹簧5，衔铁可在永磁体4产生的磁力、电磁线圈2通电后产生的电磁力和弹簧5的弹力的作用下做往复直线运动，衔铁的下端设置有气阀11。衔铁的位置可有多种，只需满足衔铁位于永磁体和通电后的电磁线圈形成的闭合磁场回路内，均可实现本发明的目的。

本发明电动气门的一种实施例如图1所示，衔铁包括上衔铁1、下衔铁8，上衔铁1与下衔铁8通过连杆3连接。上衔铁1位于第一电磁线圈2上方，下衔铁位于第二电磁线圈13下方。永磁体4为环形，永磁体4形成一经过内磁轭、下衔铁、外磁轭及上衔铁的闭合磁场回路，通电后的电磁线圈形成一经过内磁轭、永磁体、衔铁、外磁轭的闭合磁场回路；内磁轭6与外磁轭7为环形，连杆3位于内磁轭6的中心，弹簧5设置在连杆3与内磁轭6内孔形成的环形空间中，弹簧5的一端顶在衔铁上，另一端顶在内磁轭6内孔的阶梯平面上。下衔铁8的下方设置有限位环9。下衔铁8与气阀11间通过弹性元件10连接，该弹性元件10的预紧力大于下衔铁8的驱动力。弹性元件10为加预紧力的碟形弹簧。

当电动气门内永磁体4与通电后的电磁线圈的磁场回路分别如图2、图3所示的时候，电动气门的气阀11会向下运动，此时，永磁体4的磁场回路与位于永磁体4上方的通电后的第一电磁线圈2的磁场回路方向相同，两个磁场相互迭加，使磁场增强；同时，位于永磁体下方的通电后的第二电磁线圈13的磁场回路与永磁体的磁场回路方向相反，两个磁场相互迭加，从而抵消削弱；这时，上衔铁1受到的磁力大于下衔铁8受到的磁力，在磁力合力的作用下向下运动。在衔铁向下运动的过程中，位于永磁体4上方的弹簧被拉伸，位于永磁体4下方的弹簧被压缩，弹簧对衔铁的弹力与衔铁受到的磁力相互迭加，使衔铁在下降的过程中得到缓冲。在上述过程中，永磁体4磁场回路的方向取决于永磁体的极性；通电后电磁线圈磁场回路的方向取决于所施加的电流的方向。所以当通向电磁线圈的电流方向与原电流方向相反时，依照上述工作原理，衔铁会向上运动。

当衔铁位于中位时，弹簧力为零；而当衔铁位于上端或下端时，弹簧力达到最大值，方向指向中位。

气阀11与下衔铁8间通过弹性元件10连接，弹性元件10可为加预紧力的碟形弹簧，在正常工作时，驱动力小于弹性元件预紧力，气阀11与下衔铁8一体运动。当气阀落座时，即气阀与气阀座圈12接触时，衔铁部分可克服弹性元件10的弹性力继续向上运动一距离，弹性元件10起到吸收部分动能，减轻气阀落座带来的冲击影响，有利于提高气阀工作可靠性和降低噪声。

在实际应用过程中还可视需要布置位移传感器、外罩等附件，设计相应的控制系统等。同时本发明也可作为执行元件应用于需要高速、高精度的直线运动控制系统。

Claims (7)

1.一种多驱动力耦合的发动机电动气门，其特征在于，包括衔铁、两个电磁线圈[2、13]、永磁体[4]、弹簧[5]、内磁轭[6]、外磁轭[7]、气阀[11]；永磁体[4]的两侧分别设置内磁轭[6]和外磁轭[7]，电磁线圈[2、13]对称设置在永磁体[4]的上方和下方，衔铁位于永磁体[4]和通电后的电磁线圈[2、13]形成的闭合磁场回路内，在衔铁上设置弹簧[5]，衔铁可在永磁体[4]产生的磁力、电磁线圈[2、13]通电后产生的电磁力和弹簧[5]产生的弹簧力的作用下做往复直线运动，衔铁的下端设置有气阀[11]。

2.根据权利要求1所述的多驱动力耦合的发动机电动气门，其特征在于，衔铁包括上衔铁[1]、下衔铁[8]，上衔铁[1]与下衔铁[8]通过连杆[3]连接。

3.根据权利要求2所述的多驱动力耦合的发动机电动气门，其特征在于，上衔铁[1]位于第一电磁线圈[2]上方，下衔铁位于第二电磁线圈[13]下方。

4.根据权利要求3所述的多驱动力耦合的发动机电动气门，其特征在于，永磁体[4]、内磁轭[6]和与外磁轭[7]为环形，连杆[3]位于内磁轭[6]的中心，弹簧[5]设置在连杆[3]与内磁轭[6]内孔形成的环形空间中，弹簧[5]的一端顶在衔铁上，另一端顶在内磁轭[6]内孔的阶梯平面上。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于发动机电动气门驱动方法的电动气门，其特征在于，衔铁的下方设置限位环[9]。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于发动机电动气门驱动方法的电动气门，其特征在于，衔铁与气阀[11]间通过弹性元件[10]连接，该弹性元件[10]的预紧力大于衔铁的驱动力。

7.根据权利要求6所述的基于发动机电动气门驱动方法的电动气门，其特征在于，弹性元件[10]为加预紧力的碟形弹簧。

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