CN102305222B - 带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置及其储能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，由与发动机气门执行机构连接的供油回路和蓄能器回路构成。供油回路由油箱、第一溢流阀、电机、油泵和一三位四通电磁阀组成，该三位四通电磁阀为一U型中位机能电磁阀；蓄能器回路由液压缸、蓄能器、单向阀和第二溢流阀组成。通过控制电磁阀的换向，可以实现气门上升时气门弹簧与蓄能器吸收能量；回落途中气门弹簧与蓄能器释放能量；落座时气门弹簧释放能量，蓄能器吸收能量，从而最终实现气门加速上升-缓慢上升-加速下降-缓慢下降-平稳落座的运动特性。本发明能够在气门最大升程处及落座处都能起到有效缓冲且具有降低能耗作用。与传统液压可变气门执行机构相比，结构简单、控制简单。

Description

带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置及其储能方法

技术领域

本发明涉及一种发动机可变气门液压执行机构，具体设计一种需要蓄能器进行回程缓冲的液压系统。

背景技术

内燃机至今仍然是热效率最高、单位体积和单位重量功率最大的原动机，应用非常广泛，然而随着世界能源的逐渐短缺以及环境资源的不断恶化，我们需要内燃机满足更严格的排放法规。传统内燃机采取固定型线的凸轮轴驱动气门，这使得内燃机的排放与油耗并不能在所有的工况点达到最佳，因此，大多新型内燃机都采用可变气门技术控制排放，降低油耗。

可变气门技术目前主要分为基于凸轮轴的可变配气技术及无凸轮配气技术。前者主要改变机械结构，因此结构简单，响应速度快，但是因为保留了凸轮，其气门只是相对可变，并不能任意可变。而无凸轮配气技术则可以任意的改变气门正时、升程及持续期。就驱动方式来分，无凸轮配气技术分为电磁驱动、电气驱动、电机驱动、电液驱动等方式。相对于电磁驱动的能耗大，电气驱动的响应速度低及不稳定，电机驱动的系统复杂等缺点，电液驱动的无凸轮配气技术结构相对简单、响应速度快。然而它也有不可避免的缺点：气门达到最大升程处及落座处速度快、冲击力大，气门磨损严重，能耗比较大。因此具有缓冲作用及能量回收装置的可变气门液压执行机构是未来研究的方向。蓄能器具有辅助动力源、吸收脉动和吸收冲击的作用。因此，如果能把蓄能器应用于可变气门系统当中，就可以在有效降低落座冲击力，减缓落座速度的同时回收一部分液压能量。但是，蓄能器一般固有频率较低，因此，除把蓄能器作为辅助动力源外，国内外鲜有把蓄能器作为电液可变气门缓冲装置的报道。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种带蓄能器缓冲作用的电液可变气门系统，本发明实现了采用容量很小的蓄能器来提高整个系统的频率，从而解决了因采用液压技术驱动的可变气门在最大升程处及落座处冲击力大，能量利用率低的难题，本发明液压系统由供油回路、蓄能器回路和发动机气门机构组成。气门逐渐开启，活塞下行时，蓄能器和气门弹簧吸收能量；气门逐渐关闭，活塞下行时，蓄能器和气门弹簧释放能量，区别于传统液压缸需要的回油能量，一定程度上相当于柱塞缸，在满足系统需求的前提下，能量利用率提高；在气门彻底关闭前，通过控制电磁阀，关闭进出油口，使蓄能器回收能量以降低落座速度，减缓液压冲击力。提前关闭进出油口，气门落座速度降低，推迟关闭进出油口，气门落座速度增大。

为了解决上述技术问题，本发明带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置予以实现的技术方案是：由与发动机气门执行机构连接的供油回路和蓄能器回路构成，所述供油回路由油箱、第一溢流阀、电机、油泵和一三位四通电磁阀组成，所述三位四通电磁阀与所述油泵连接，所述油泵通过所述电机带动，并从所述油箱吸油；所述第一溢流阀设置在所述油泵与所述三位四通电磁阀之间的油路上；所述三位四通电磁阀的中位机能为U型，所述三位四通电磁阀的右位机能单独进油，所述三位四通电磁阀的左位机能单独回油；所述蓄能器回路由液压缸、蓄能器、单向阀和第二溢流阀组成，所述液压缸的进油口与所述三位四通电磁阀连接，所述液压缸的回油口、所述蓄能器和所述单向阀依次连接至所述三位四通电磁阀，其中所述单向阀与所述蓄能器之间通过所述第二溢流阀通往所述油箱；所述发动机气门执行机构包括气门和气门弹簧，所述气门与所述液压缸的活塞杆之间设有一间隙。

本发明带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，其中，所述液压缸活塞杆直径与活塞直径之比大于0.8，以保证蓄能器工作容积小，频率响应高。所述蓄能器的有效工作容积大于液压缸下腔容积。在所述蓄能器蓄液量小于液压缸下腔容积之前时第二溢流阀不溢流。所述蓄能器的最高允许压力等于或大于所述第二溢流阀的溢流压力。所述气门与所述液压缸的活塞杆之间的间隙小于1mm。

本发明利用上述电液可变气门装置实现蓄能包括以下情形：

当所述三位四通电磁阀处于右位时，液压油从所述三位四通电磁阀依次流经所述液压缸、所述蓄能器、所述第二溢流阀至油箱；

当所述三位四通电磁阀处于中位时，液压油从所述液压缸依次流经所述电磁阀、所述单向阀至所述蓄能器构成一回路，与此同时，还有一路液压油从所述第二溢流阀溢出；

当所述三位四通电磁阀处于左位时，液压油从所述蓄能器流经所述液压缸至所述三位四通电磁阀，所述气门开启和关闭时，所述蓄能器均起到缓冲作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，其结构简单，便于控制，由于采用了蓄能器提供回油，因此不需要额外的回油，可以降低能耗；本发明利用蓄能器进行缓冲，液压冲击很小，不需要额外的缓冲装置；本发明电液可变气门装置实现蓄能及缓冲的方法是通过控制一三位四通电磁阀不同的转换时刻，以控制气门的落座速度，进而控制气门落座缓冲型线，使发动机在各个转速下的气门落座缓冲型线都能够满足需求。

附图说明

附图是本发明带蓄能器缓冲作用的电液可变气门系统结构示意简图。

图中：

1——第一溢流阀            2、4、6、7——油箱        3——电机

5——油泵                  8——第二溢流阀           9——气门

10——气门弹簧             11——位移传感器          12——活塞杆

13——液压缸               14——蓄能器              15——单向阀

16——电磁阀               P1——液压缸无杆腔压力    A1——活塞面积

P2——液压缸有杆腔压力     A2——活塞杆面积

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图所示，本发明一种带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，由与发动机气门执行机构连接的供油回路和蓄能器回路构成。

所述供油回路由油箱、第一溢流阀1、电机3、油泵5和一三位四通电磁阀16组成，所述三位四通电磁阀16与所述油泵5连接，所述油泵5通过所述电机3带动，并从所述油箱吸油；所述第一溢流阀1设置在所述油泵与所述三位四通电磁阀之间的油路上；所述三位四通电磁阀16的中位机能为U型，所述三位四通电磁阀16的左位机能单独回油，所述三位四通电磁阀16的右位机能单独进油。

所述蓄能器回路由液压缸13、蓄能器14、单向阀15和第二溢流阀8组成，所述蓄能器14的有效工作容积大于液压缸13下腔容积。在所述蓄能器14蓄液量小于液压缸13下腔容积之前时第二溢流阀8不溢流。所述蓄能器14的最高允许压力等于或大于所述第二溢流阀8的溢流压力。所述液压缸13的进油口与所述三位四通电磁阀16连接，所述液压缸13的回油口、所述蓄能器14和所述单向阀15依次连接至所述三位四通电磁阀16，其中所述单向阀15与所述蓄能器14之间通过所述第二溢流阀8通往所述油箱。

所述发动机气门执行机构包括气门9和气门弹簧10，所述气门9与所述液压缸的活塞杆12之间设有一气门间隙，该间隙小于1mm。所述液压缸活塞杆直径与活塞直径之比大于0.8.。

利用上述电液可变气门装置实现蓄能包括几种以下情形：

当所述三位四通电磁阀16处于右位时，液压油从所述三位四通电磁阀16依次流经所述液压缸13、所述蓄能器14、所述第二溢流阀8至油箱；

当所述三位四通电磁阀16处于中位时，液压油从所述液压缸13依次流经所述电磁阀16、所述单向阀15至所述蓄能器14构成一回路，与此同时，还有一路液压油从所述第二溢流阀8溢出；

当所述三位四通电磁阀16处于左位时，液压油从所述蓄能器14流经所述液压缸13至所述三位四通电磁阀16，所述气门9开启和关闭时，所述蓄能器14均起到缓冲作用。

本发明一种带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置的工作过程是：首先，气门9关闭时，活塞杆12静止，此时，三位四通电磁阀16处于中位，油泵5到液压缸13的进油油路截断，液压油从第一溢流阀1溢出。

当三位四通电磁阀16处于右位时，油泵5到液压缸13的进油油路打开，液压缸13无杆腔开始充油，液压缸13有杆腔开始排油，活塞杆12经过微小距离(即气门9与活塞杆12之间的微小间隙，该间隙小于1mm)后与气门9接触，克服气门弹簧10预紧力向下运动，气门9逐渐开启，此时蓄能器14进行充油，当充油压力超过第二溢流阀8的设定压力时，液压油从第二溢流阀8溢出，避免液压力过大保证系统安全。

设：活塞面积为A1，活塞杆面积为A2，液压缸无杆腔压力为P1，液压缸有杆腔压力为P2，随着活塞杆12下移，气门弹簧10的弹簧力逐渐加大，蓄能器14内部压力也逐渐升高，加速度从正开始变负，气门速度逐渐下降，当气门9达到预定最大升程时，令三位四通电磁阀16处于中位，油泵5到液压缸13的进油油路截断，液压缸13无杆腔与单向阀15、蓄能器14、液压缸13有杆腔构成回路，由于此时蓄能器14和第二溢流阀8共同作用，避免了传统电液可变气门系统由于油路突然关闭而导致液压缸13有杆腔压力P2瞬间过高的不利因素。同时，由于液压缸13活塞面积A1远大于活塞面积与活塞杆面积之差A1-A2，所以液压缸无杆腔压力P1×活塞面积A1能够迅速与液压缸有杆腔压力P2×(活塞面积A1-活塞杆面积A2)+气门弹簧10的弹簧力建立平衡关系。例如，当液压缸无杆腔压力P1×活塞面积A1大于液压缸有杆腔压力P2×(活塞面积A1-活塞杆面积A2)+气门弹簧10的弹簧力时，活塞向下微动，液压缸无杆腔压力P1变小，而液压缸有杆腔压力P2与气门弹簧10的弹簧力增大，因此平衡；当液压缸无杆腔压力P1×活塞面积A1小于液压缸有杆腔压力P2×(活塞面积A1-活塞杆面积A2)+气门弹簧10的弹簧力时，活塞向上微动，液压缸无杆腔压力P1变大，而液压缸有杆腔压力P2与气门弹簧10的弹簧力变小，如果还不平衡的话，直到通过单向阀15作用，使液压缸无杆腔压力P1＝液压缸有杆腔压力P2，然后，液压缸无杆腔压力P1和液压缸有杆腔压力P2共同增大，最后平衡，在平衡之前要保证第二溢流阀8的工作压力均大于液压缸无杆腔压力P1、液压缸有杆腔压力P2，如果未能保证第二溢流阀8的工作压力大于液压缸无杆腔压力P1和液压缸有杆腔压力P2，活塞将继续向上运动，直到气门弹簧10的弹簧力变得足够小，重新平衡。

当三位四通电磁阀16处于左位时，液压缸13无杆腔开始回油，活塞杆12向上移动，气门逐渐关闭，此时蓄能器14进行放油，与气门弹簧10一起作用，活塞杆12加速上行，上行过程中，液压缸有杆腔压力P2逐渐降低。通过位移传感器11监测气门升程，当气门距离气门座一微小距离时(如1mm左右)，控制三位四通电磁阀16回到中位，此时液压缸13无杆腔与单向阀15、蓄能器14、液压缸13有杆腔重新构成回路。此时缓冲压力(液压缸无杆腔压力)P1大于液压缸有杆腔压力P2，一部分液压油通过单向阀15重新回到蓄能器14当中，冲击力降低，气门缓慢关闭，保证气门落座速度≤0.5m/s，如未能达到预定速度，可以通过提前或延后关闭进排油通路来实现。当气门9彻底关闭时，活塞杆12与气门9脱离，此时气门弹簧10的弹簧力不再起作用，活塞克服惯性运动，速度大幅下降。由于单向阀15的锁定作用，最终活塞杆稳定在气门间隙内，为下一循环作准备。

综上，本发明是一种能够在气门最大升程处及落座处都能起到有效缓冲且具有降低能耗作用的电液可变气门系统。通过控制一三位四通电磁阀16的换向，可以实现气门9上升时气门弹簧10与蓄能器14吸收能量；回落途中气门弹簧10与蓄能器14释放能量；落座时气门弹簧10释放能量，蓄能器14吸收能量，从而最终实现气门9加速上升——缓慢上升——加速下降——缓慢下降——平稳落座的运动特性。与传统液压可变气门执行机构相比，结构简单、控制简单。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，例如用柱塞缸代替液压缸13，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，由与发动机气门执行机构连接的供油回路和蓄能器回路构成，其特征在于：

所述供油回路由油箱、第一溢流阀（1）、电机（3）、油泵（5）和一三位四通电磁阀（16）组成，所述三位四通电磁阀（16）与所述油泵（5）连接，所述油泵（5）通过所述电机（3）带动，并从所述油箱吸油；所述第一溢流阀（1）设置在所述油泵与所述三位四通电磁阀之间的油路上；

所述蓄能器回路由液压缸（13）、蓄能器（14）、单向阀（15）和第二溢流阀（8）组成，所述液压缸（13）的进油口与所述三位四通电磁阀（16）连接，所述液压缸（13）的回油口、所述蓄能器（14）和所述单向阀（15）依次连接至所述三位四通电磁阀（16），其中所述单向阀（15）与所述蓄能器（14）之间通过所述第二溢流阀（8）通往所述油箱；

当所述三位四通电磁阀（16）处于右位时，液压油从所述三位四通电磁阀（16）进入所述液压缸（13）无杆端的同时，液压缸（13）有杆端的液压油从所述蓄能器（14）、所述第二溢流阀（8）流至油箱；

当所述三位四通电磁阀（16）处于中位时，液压油从所述液压缸（13）的无杆端依次按顺序流经所述电磁阀（16）、所述单向阀（15）、所述蓄能器（14）和所述液压缸（13）的有杆端，与此同时，还有一路液压油从所述第二溢流阀（8）溢出；

当所述三位四通电磁阀（16）处于左位时，液压油从所述蓄能器（14）流经所述液压缸（13）至所述三位四通电磁阀(16)，所述气门（9）开启和关闭时，所述蓄能器（14）均起到缓冲作用；

所述发动机气门执行机构包括气门（9）和气门弹簧（10），所述气门（9）与所述液压缸的活塞杆（12）之间设有一间隙。

2.根据权利要求1所述的带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，其特征在于：所述液压缸活塞杆直径与活塞直径之比大于0.8.。

3.根据权利要求1所述的带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，其特征在于：所述蓄能器（14）的有效工作容积大于液压缸（13）下腔容积。

4.根据权利要求1所述的带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，其特征在于：在所述蓄能器（14）蓄液量小于液压缸（13）下腔容积之前时第二溢流阀（8）不溢流。

5.根据权利要求1所述的带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，其特征在于：所述蓄能器（14）的最高允许压力等于或大于所述第二溢流阀（8）的溢流压力。

6.根据权利要求1所述的带蓄能器缓冲作用的电液可变气门装置，其特征在于：所述气门（9）与所述液压缸的活塞杆（12）之间的间隙小于1mm。

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