CN103161536A - 提高内燃机气门平均开度的中心圆弧型凸轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出在内燃机中应用一种使气门早期全开和晚迟回闭的凸轮机构，整体提高气门的平均开度，深度强化进排气效率。内容包括提供一种轻负荷弹性气门和一种中心圆弧型凸轮。通过提高气门的安装初紧弹性及降低气门开启的阻力弹性，进一步增强气门密封性同时为内燃机运转减负。实际效果是：发动机内阻减小，运转轻松、提速加快、进气增多、爆发力强，水温降低、燃烧更充分。尤其对多气门布置的发动机效果更为显著。可因此在增大功率10-20％的同时减少供油20-30％。成为内燃机动力技术的又一重大突破。

Description

提高内燃机气门平均开度的中心圆弧型凸轮机构

技术领域

本发明涉及一种在内燃发动机中提高气门平均开度的结构。特别是提供一种使气门早期升至全开和晚迟回闭的正时凸轮机构，内容包括一种轻负荷弹性气门和一种中心圆弧型凸轮，作用是为机组运转减负和强化进排气效率，大幅提升发动机的净功率。

背景技术

内燃发动机是用曲轴动力驱动正时凸轮来控制气门开闭。在进气行程中，是由活塞抽吸空气进入汽缸喷油燃烧，膨胀气体推动活塞移动做功产生动力，然后再排出燃烧废气。衡量发动机功率大小的参数是“排量″。发动机排量＝汽缸工作容积×汽缸数量。在理论上；汽缸容积越大，吸气就越多，输出功率就越大。但实际情况是：吸气过程要受到气门的开闭工况的直接影响，真正容纳空气的效率很低。控制气门开度的是凸轮，所以；凸轮的轮廓形状也能够决定内燃机功率。

内燃机气门是一种弹性气门，气门在配气机构中的主要作用是密封和控制流量。在四冲程发动机中曲轴每旋转两周，进排气门各完成一次开闭。决定气门弹性的是弹簧，当前内燃机气门采用的弹簧是一种等螺距圆柱型螺旋压缩弹簧，这是一种定刚度弹簧，最大弹力＝刚度常数×气门升程。由于弹性是随压缩量的变化直线增大，凸轮驱动气门的阻力也巨大，所以；可称其为强力弹性气门。

我们将气门的弹性作用可分为两阶段，第一阶段是气门安装保持一定张紧度的初紧弹性，第一阶段弹性决定气门与缸盖间之间的密封性，密封越好、引擎动力越大。第二阶段是凸轮顶开气门的压缩弹性，第二阶段弹性越大，凸轮驱动气门耗能就越大，在强力弹性气门中，如果要降低能耗，气门的密封性能就会减弱。

为了说明当今内燃机凸轮顶压气门所消耗的能量究竟有多大，举一实验示例并作出分析：一种六缸柴油发动机气门的安装初紧力为90N，气门升程为15mm，凸轮顶压气门升至全开时的作用力为350N。根据这一结果推导；在该机上共并联有12个气门，驱动凸轮机构每完成一次工作循环，最大功耗能就要超过4000N。如果曲轴每分钟旋转数千转，驱动凸轮需要提供过多大能量？因为气门的弹性强度涉及到巨大的能量消耗问题，所以；当今内燃机气门的弹性强度是否科学合理，应该重新审视。

内燃发动机如果内耗过大，输出动力就会减低。当今内燃机的效能低、油耗高与机组内部耗能过大有关，要改变内燃机动力应首先开展减负。由于配气机构的原理和结构特殊，牵一而发动全身，特别是涉及气门弹性强度方面，稍有不当就会造成相关部件的损坏。因风险较大，所以，关于变革气门弹性强度方面的技术讨论相对较少。

配气相位是以曲轴转角来反映凸轮顶压气门开闭时，活塞在汽缸内的位置变化情况。在进气过程中；活塞由上止点到下止点曲轴旋转180度，气门完成一次开闭凸轮同步转动90度。当今内燃机凸轮采用的是一种渐开线凸轮，轮廓曲线形状呈桃子形，俗称桃子(轴)轮，凸轮在90度转角内，至45度时气门升至全开，越过45度气门就开始关闭。整个过程中气门处于最大开度的时间只有一瞬间。可以认为；当今内燃机气门实际是一种半掩式气阀门，不仅通过气流小，而且使活塞在吸气时要遭受极强的真空阻力，尤其在发动机高速运转时，气门开闭频率高，时间又非常短暂，所以，由桃子凸轮机构控制的进排气；效率低、内阻大，发动机也就油耗高、动力差。

为解决上述问题，2005年日本发明了一种可变气门控制装置，该技术的主要原理作用是：在发动机低速运转时，通过控制曲轴与凸轮轴之间的位置距离来降低气门的开度以提供较少的燃气。当发动机高速运转时，控制装置就恢复气门开度，提供较多的燃气，以此方法实现内燃机经济运行。可变气门技术不涉及气门弹性和凸轮轮廓形状变化，也就不能整体提升气门的平均开度。可变式气门的不足之处是：一，低速时降低气门开度也必然影响发动机低速动力，二，整体降低平均开度必然会整体增大活塞的真空阻力，三，可变气门控制装置使发动机内部结构复杂化，使用成本增高。

发明内容

本发明在于提高内燃机气门的平均开度。提供一种使内燃机气门早期全开并延迟关闭的凸轮机构。内容涉及一种轻负荷弹性气门和一种中心圆弧型凸轮。以此提高进排气效率、降低内阻、增强动力、节省燃油。

实现气门早期全开涉及到气门必须快速升降，凸轮在瞬间转至凸顶会引发弹性应力集中，机构因此要承受巨大的弹性载荷，这极易导致轮轴的折断和从动部件的损坏。这是业内认为不能突破的禁区，为此；关键技术在于如何能够消除气门的巨大弹性阻力。

根据本发明建立的气门弹性作用两阶段理论：起密封作用的安装初紧弹性应该越大越好，顶压气门开启的压缩弹性阻力应该越小越好。由于顶开气门是凸轮提供动力，关闭气门则是利用压缩弹簧的储能。所以；只要能确保气门自动返程，就是机构实际所需最大压缩弹性。

气门的安装初紧弹力储能较小，不能保证其安全回位，必须要在此基础上继续增大弹性。根据实验得知；最大压缩弹性设置为初紧弹性的1.6倍左右时，配气机构就能够基本保持发动机的正常运行。但在进一步测定中：将最大压缩弹性力设置在初紧弹力的2.1倍区间，发动机就进入到一种最佳运转状态，表现出空前的轻快有力。综合多种其它因素后，可以认为：气门的最大压缩弹性应为初紧弹力的2.1-2.6倍。

根据上述实践，可以对两种气门的弹性负荷作一比对：如前所述六缸柴油发动机，所测气门的初紧弹力为90N，升程为15mm，按照弹性作用两阶段理论：所述六缸柴油发动机气门的最大压缩弹性力实际只需210N，而不是350N，降低内阻40％左右。

但是；如果仍采用定刚度圆柱型压缩弹簧，其刚度系数不变，当最大压缩弹性力定为210N时，初紧弹性就会随之降为53N，气门与缸盖之间就无法密封。因此，要实施轻负荷必需采用一种变刚度压缩弹簧。

轻负荷弹性气门的压缩弹力＝初紧弹力+渐增弹力，式中的“渐增弹力”的增量，主要限于满足气门自动返程。变刚度弹簧的特点是可以满足机构不同阶段的实际需求，而且改变弹簧刚度的方式很多可供选择。在实际中，采用改变弹簧中径的方法比较切合实际。为简化设计，可将螺旋弹簧的螺距定为等螺距。

减轻气门弹性负荷之后，同时也解决了弹性应力集中的问题，使内燃机气门实施早期全开的方案成为可行。

根据以上论述，提出以下具体方案：

1：在进气相位中，将凸轮转角提早到15-30度就使气门升至全开，再延续到60-75度才使气门开始回闭。

2：凸轮的轮廓曲线形成方法是：在相位坐标顺时针转角15-30度，以坐标中心或基圆圆心到凸顶的距离(气门升程)为半径，在相位坐标45度线上左右转15-30度画一条圆弧，这条圆弧就作为凸顶的轮廓曲线，称为中心半径圆弧轮廓曲线，简称：“中心圆弧”，中心圆弧两端对应“中心”或“圆心”的夹角为30-60度。如此，气门处于全开的时间就得以大幅度延长。

4：采用一种直径更大的变刚度螺旋压缩弹簧；提高气门的安装初紧弹力，进一步增强气门与缸盖之间的密封性。同时，降低气门的压缩弹性，减轻驱动耗能。

5：一种弹簧所涉及的技术参数和技术要求内容太多，为简化设计；变刚度弹簧的技术参数和技术要求，采取借用原机或同类型内燃机参比方式进行调整，其变化内容主要涉及：弹簧钢丝直径、弹簧中径、和弹簧的几何形状。未提及更改的技术参数和技术要求都作为技术保留，在此不另加论述。

6：腰鼓型弹簧和圆锥型弹簧都很适应轻负荷弹性气门的工作特性，还可以在其基础上作出其它变形。

附图说明

图1是中心圆弧型凸轮控制轻负荷弹性气门的凸轮机构示意图；

图2是配气相位中凸轮的轮廓曲线形状图。

图3是提高气门开度后的内燃机气门开度曲线。

图4轻负荷弹性气门的弹力变化特性曲线。

图5圆锥型螺旋压缩弹簧组成的轻负荷弹性气门。

在图1、2、4、5中：1、气门；2、缸盖；3、弹簧；4、弹簧座；5、锁片；6、凸轮；7、凸顶；8、中径线；9、基圆；10、中心圆弧线；11、轻负荷弹性气门的特性线。

具体实施方式

下面结合附图具体说明：

在图1中的凸轮机构主要由：气门1、缸盖2、弹簧3、和凸轮6等构件组成。气门1弹性区分为一种安装初紧弹性和一种张开压缩弹性。为进一步提高气门1与缸盖2之间的密封性，在机构中增强了初紧弹性。为减轻凸轮6驱动负荷，采用降低气门1的压缩弹性。具体采用的弹簧3是一种变刚度螺旋压缩弹簧，弹簧特性为渐增型，其最大压缩弹力控制为初紧弹力的2.1-2.6倍。由于气门1弹性大大减弱，因此称为轻负荷弹性气门1。

图中腰鼓型弹簧3的中径变化是从两端向中间逐渐增大，中径线8呈两条对称圆弧线，中径的大小相差6-12mm.，圆弧中径线8也可以演变成直线。在安装时；上端连接弹簧座4进行压缩，然后由锁片5将气门1卡住，与缸盖之间形成固定的初紧力。腰鼓型弹簧3的压缩变形是从中间逐渐移向两端，弹性呈渐增式变化。

机构中的凸轮6是一种中心圆弧式凸轮6。因气门1的弹性负荷减弱，其快速升降可能导致弹性应力集中的危害因素消除，它的曲面凸顶7轮廓因此可设计成一条中心圆弧线10，使凸轮6在配气相位中转角15-30度就能达到凸顶7，从而实现气门1的早期全开和延迟回闭，早期全开和延迟回闭既增大内燃机的进气量同时又减轻了活塞的吸气阻力。

增强初紧弹性可采用增大弹簧3钢丝直径方式，同比原机定刚度弹簧的直径加大0.2-0.5mm，使其在3.5-4.5mm之间。也可以采用加大弹簧3螺距的方式，不过，初紧弹性原本设置较大的机型应保持不变。

图2是以曲轴转角画出的配气相位坐标，图中坐标的中心与凸轮6基圆9的圆心重合。基圆9到凸顶7的距离为气门1升程。凸顶7的曲线轮廓是以基圆9圆心或坐标中心到凸顶7的距离作为半径画出的一条弧线，夹角∠BOC为30-60度，弧线两端对应园心的直线长度相等。所以，称其为中心圆弧线10，凸轮6也因此称为中心圆弧型凸轮。

图3是表示由中心圆弧式凸轮6控制轻负荷弹性气门1开闭的开度变化曲线。横坐标表示凸轮6在配气相位中完成一次开闭的90度转角，纵坐标表示气门1的升程高度。开度曲线形状如同一梯形，顶部直线示意气门1处于最大开度。

图4是变刚度螺旋压缩弹簧组成轻负荷弹性气门1的弹性变化曲线。横坐标表示压缩气门1产生的移动变量，纵坐标表示凸轮6施加在气门1上载荷变量。特性线11显示：在初紧弹性载荷的基础上，压缩弹性载荷是随着气门1的移动张开平缓地渐增。

图5是弹簧3外形为圆锥型，形成了由变刚度圆锥型螺旋压缩弹簧3组成的轻负荷弹性气门，其中径线8为两条对称性非平行直线，其顶部连接弹簧座4，适用于中、小型内燃发动机。

通过减负及进排气效率提高，本发明使内燃机提速大大快、运转轻松、噪音低、升温慢，尤其对多气门发动机效果更为显著。可因此增大内燃机功率20-30％，这不仅实现了内燃机动力技术的变革，而且因促进燃烧使排放尾气的烟度指标也大幅降低，环保性能也随进入更高阶段。由于成本低、收效大，全面普及可节省大量的燃油及社会资源。

轻负荷弹性气门1技术也可以单独与原机桃子凸轮机构配合应用，但中心圆弧型凸轮6则必须配合轻负荷弹性气门1技术才能应用。形成气门1早期全开主要依靠凸顶7的中心圆弧型轮廓，所述核心技术内容只要作出改进都能产生一定效果，所以：不能认为本发明仅限于上述示例性实施例中所述的技术参数，而应在于所采用的整体技术方案，以及下列权利要求书中提到的技术特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内燃发动机正时凸轮机构，主要由气门(1)、缸盖(2)、弹簧(3)和凸轮(6)组成，机构中的气门(1)是一种弹性气门，气门弹性是由弹簧(3)的弹力特性所决定，气门(1)开闭是由凸轮(6)控制，其特征在于所述弹性气门(1)是一种轻负荷弹性气门，所述轻负荷弹性气门所用的弹簧(3)是一种变刚度螺旋压缩弹簧；其弹力特性线是一条渐增型曲线(11)，所述凸轮(6)是一种中心圆弧式凸轮，由其控制的气门(1)开闭；是早期升至全开、晚迟回程关闭。

2.根据权利要求1所述的正时凸轮机构，特征在于将所述弹性气门(1)的弹力区分为一种安装初紧弹力和一种张开压缩弹力，实施的是将初紧弹力增强、将压缩弹力减弱，在初紧弹力确定之后；将最大压缩弹力设置为初紧弹力的2.1-2.6倍。

3.根据权利要求2所述的正时凸轮机构，其特征还在于增强初紧弹力是将气门弹簧(3)的钢丝直径加大0.2-0.5mm，或者是采用加大弹簧(3)螺距。

4.根据权利要求1所述的正时凸轮机构，其特征在于所述变刚度螺旋压缩弹簧(3)是采用改变弹簧中径尺寸来改变压缩弹簧的刚度，外形主要为腰鼓型，其中腰鼓型弹簧(3)的中径线(8)为两条对称园弧线，两端小、中间大、大小径相差6-12mm.。

5.根据权利要求1所述的正时凸轮机构，其特征在于所述变刚度螺旋压缩弹簧(3)是采用改变弹簧中径尺寸来改变压缩弹簧的刚度，外形主要为圆锥型，圆锥型弹簧(3)的中径线(8)为两条对称性非平行直线。

6.根据权利要求1至5中任一所述的正时凸轮机构，特征在于所述中心圆弧式凸轮可由桃子型凸轮机构替换，所述轻负荷弹性气门(1)与桃子型凸轮机构组合。

7.根据权利要求1所述的正时凸轮机构，其特征在于中心圆弧式凸轮(6)控制轻负荷弹性气门(1)的早期全开，是凸轮(6)在配气相位规定的90度转角中，由零度转至15-30度就到达凸顶(7)位置，晚迟回闭是气门(1)全开持续到60-75度才回程关闭。

8.根据权利要求1或7所述的正时凸轮机构，其特征还在于所述中心圆弧式凸轮(6)的凸顶(7)曲线轮廓，是以基圆(9)园心到凸顶(7)之间的距离为半径画出的一条中心圆弧线(10)，夹角∠BOC为30-60度，弧线两端对应圆心的直线长度相等。

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