CN103953415B - 基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆压电效应的新型压电式无级可变气门机构，主要包含电位转换器、行程放大器、充油装置及气门装置等。理论上，基于单片机程序控制可以实现任何电压信号型线的输入，从而实现任何形状的气门升程曲线，因此，可以对气门正时、气门升程、气门型线等各种气门运动参数进行独立灵活的控制。该发明应用于进气门时可实现内燃机压缩比的连续可变，应用于排气门时可以实现膨胀比的连续可变；通过压缩比和膨胀比的优化，可实现在降低压缩功的同时增加膨胀功，提高内燃机的热效率。本发明解决了传统基于纯机械式、液压式、电磁式可变气门机构的固有缺陷，并具有控制独立灵活、结构简单、制造成本低等特点。

Description

基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构

技术领域

本发明涉及内燃机的配气机构，尤其涉及一种压电式无级可变气门机构。

背景技术

随着汽车保有量的急剧增加，由汽车带来的环境问题和能源问题也日益严峻。各国相继制定更严格的排放法规，促进了内燃机高效清洁燃烧技术的发展，而进排气控制技术是实现高效清洁燃烧的基础。内燃机可变气门正时和升程技术是实现进排气相位控制的一种有效方法。可变气门技术可以实现在不同工况下进气惯性的最佳利用并降低排气推出功损失，因此可以提高充量系数，增加进气量，实现更充分的燃烧，降低泵气损失，提高动力性经济性的同时降低排放。

目前主要有纯机械式、液压式、电磁式等三种方法来实现可变气门技术。纯机械式可变气门技术主要通过一系列的齿轮和凸轮来改变气门的运动规律，其响应速度快，性能可靠，但是噪声较大，结构不紧凑，无法实现气门正时的连续可变以及气门正时和升程的同时控制，因而不能满足内燃机所有工况的要求。液压式可变气门技术通过控制高低压电磁阀的开启与关闭，改变控制室内的压力，从而实现气门定时及升程同时连续可变，而且可以改变气门的运动速度，控制自由度大，但存在着控制延迟、响应速度慢等问题，不适合精确的相位控制。电磁式可变气门技术主要能够控制两个电磁极的通电时间来实现气门可变，其结构简单，可以同时实现配气定时、最大升程和升程曲线的独立控制，但是气门落座时的冲击较大，发动机的可靠性及气门的寿命降低，能耗较高。因此，针对目前气门可变技术的固有缺点，开发一种具有新型控制原理的可变气门技术以实现气门正时及升程的灵活独立控制显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构，采用压电晶体控制方法实现了内燃机气门正时的灵活控制。主要应用于对内燃机配气相位的控制、内燃机压缩比连续可调控制或内部EGR率控制等领域。

为了解决上述技术问题，本发明一种基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构的技术方案是：该装置包括气门装置、电位转换器、行程放大器和充油装置；所述气门装置包括气门弹簧、中间体和小活塞；所述电位转换器包括压电晶体，所述压电晶体的一端固定有承压板，所述压电晶体的另一端固定有顶板，所述压电晶体上、且靠近顶板处设有接线柱，所述接线柱由两根导线组成，分别连接在压电晶体的两个表面，产生逆压电效应，所述接线柱与外部控制电压信号线相连；所述行程放大器包括壳体，所述壳体的内表面沿轴向依次包括大直径的圆柱内表面、圆锥内表面和小直径的圆柱内表面，所述大直径的圆柱内表面中装配有大活塞，所述大活塞与所述承压板连接，所述小活塞装配在所述小直径的圆柱内表面中，所述壳体内由大活塞的下表面、圆锥内表面和小活塞的上表面形成一圆锥形的行程放大腔，所述大活塞与小活塞的面积不相等，以实现行程放大；所述充油装置包括设置在行程放大器的壳体上的一个液体入口和一个液体出口，所述液体入口和液体出口上均分别设有一限压阀；所述限压阀包括本体，所述本体上设有泄压孔和调压螺栓，所述本体的一端连接有密封球座，所述密封球座上设有进油孔，所述密封球座与所述调压螺栓之间设有密封球和限压弹簧；所述液体入口上的限压阀按照限压阀的进油孔朝外的方向来安装，所述液体出口上的限压阀按照限压阀的进油孔朝内的方向来安装。

进一步讲，所述行程放大腔内充满有不可压缩的液体。位于行程放大器壳体液体入口处的限压阀中的限压弹簧的预紧力大于气门弹簧在工作中的最大弹力；位于行程放大器壳体液体出口处的限压阀中的限压弹簧的预紧力能保证该限压阀中的密封球与密封球座接触密封即可。即：行程放大器液体入口的油压可以通过安装在其中的限压阀的限压弹簧的预紧力来控制，通过调节安装在行程放大器液体出口中的限压阀的限压弹簧的预紧力来控制工作中最大油压，以实现保护功能。

本发明压电式无级可变气门机构主要采用压电晶体的逆效应原理以及行程放大原理实现气门正时、升程和升程曲线的灵活控制。压电晶体的逆效应是指在压电材料表面施加电场(电压)，因电场作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长，电压的连续变化会导致压电材料长度的连续变化，是一个电能转变成机械能的过程；行程放大的原理是指在一个充满液体的密闭容器中，如果容器有两个可移动的表面A和B，其面积分别为A1和A2，假设A表面移动距离为x₁，在不可压缩液体的作用下液体总体积的变化为零，则表面B会产生一个相应的位移x₂，且令行程放大系数则表面A的位移会在行程放大器的作用下放大K倍。

在本发明压电式无级可变气门机构中，将电压转化成位移的功能由压电晶体完成；将压电晶体的位移进行放大的功能由行程放大腔实现。

根据压电晶体的逆效应原理，在接线柱上外接一定的电压V，压电晶体内部会形成电场，则压电晶体的长度会产生相应的改变(缩短或升长)，压电晶体的位移最终会作用在行程放大腔上，通过形成放大腔对位移的放大作用，被放大的位移作用在气门上，实现对气门的控制；由压电晶体通电时刻决定气门开启时刻，电压的高低决定气门升程的大小，电压的变化速率决定气门运动速度，通电时间长短决定气门开启持续期，因此，通过控制压电晶体的电压输入，可以实现对气门正时、气门升程和气门升程型线的独立控制。

本发明可以接收任何电压信号型线的输入，从而实现任何形状的气门升程曲线，因此，可以对气门正时、气门升程、气门型线等各种气门运动参数进行独立灵活的控制。该发明可以保证内燃机在任何工况下都工作在最优的气门型线下，实现进排气惯性的最佳利用，降低泵气损失，改善内燃机的经济性。该发明应用于进气门时可实现内燃机压缩比的连续可变，应用于排气门时可以实现膨胀比的连续可变；通过压缩比和膨胀比的优化，可实现在降低压缩功的同时增加膨胀功，提高内燃机的热效率。本发明解决了传统基于纯机械式、液压式、电磁式可变气门机构的固有缺陷，并具有控制独立灵活、结构简单、制造成本低等特点。

附图说明

图1是本发明压电式无级可变气门机构的立体图；

图2是图1所示可变气门机构的主视图；

图3是图1所示可变气门机构的主剖视图；

图4是图1所示可变气门机构的右视图；

图5是图1所示可变气门机构的右剖视图；

图6是图1中所示压电晶体的立体图；

图7是图1中所示限压阀的主剖视图；

图8是图1中所示行程放大器的主剖视图；

图9是图8所示行程放大器的俯视图；

图10是图1中所示顶板的立体图；

图11是图5中所示承压板的立体图。

图中：

1-顶板2-接线柱3-压电晶体

4、9-限压阀5-小活塞6-中间体

7-弹簧气门8-行程放大器10-大活塞连接螺栓

11-顶板固定螺栓12-顶板连接螺栓13-承压板

14-承压体连接螺栓15-大活塞16-大活塞密封圈

17-小活塞密封圈30-挺柱31-挺柱连接孔

32-挺柱固定面33-压电晶体固定面41-密封球座

42-密封球43-限压弹簧44-本体

45-调压螺栓46-泄压孔47-进油孔

80-圆锥内表面83-放大器螺栓孔84-液体入口

85-小直径的圆柱内表面86-大活塞密封槽87-小活塞密封槽

88-大直径的圆柱内表面89-液体出口101-顶板螺栓孔

102-顶板连接孔103-顶板固定面130-承压板螺栓孔

131-承压体连接孔132-承压体固定面

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。

本发明基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构，包括气门装置、电位转换器、行程放大器和充油装置。

如图1所示，所述气门装置包括气门弹簧7、中间体6和小活塞5。

所述电位转换器的功能是将输入的电压控制信号转换成压电晶体的位移信号，所述电位转换器包括压电晶体3，所述压电晶体3的底端固定有承压板13，所述压电晶体3的顶端通过一挺柱30固定有顶板1，所述压电晶体3上、且靠近顶板1处设有接线柱2，所述接线柱2与外部控制电压信号线相连，如图2和图3所示，电位转换器的顶端通过顶板连接螺栓12与顶板1连接成一体，所述顶板1与压电晶体3之间依靠接触面来定位，在压电晶体3上设有平面(如可以通过铣偏形成)作为压电晶体固定面33，在顶板1上设有顶板连接孔102，在顶板1的底面设有与压电晶体3上的平面相对应的顶板固定面103，用顶板连接螺栓12将顶板1固定在压电晶体3的顶部，如图3和图10所示。

所述压电晶体3的底端通过承压板连接螺栓14与承压板13连接成一体，如图3和图5所示，所述承压板13与所述挺柱30之间通过面接触实现定位，如图6所示，位于压电晶体底端的挺柱30外表面上设有平面作为挺柱固定面32，挺柱30的端部设有挺柱连接孔31，如图11所示，在所述承压板13上设有承压板连接孔131和承压板螺栓孔130，所述承压板13的顶部设有与挺柱30上的平面相对应的承压板固定面132，用承压板连接螺栓14将承压板固定在压电晶体3底端的挺柱30上，所述接线柱2与外部控制电压信号线相连，由程序控制输入电压信号，可以实现任何输入电压信号型线，实现与之对应的任何气门升程型线。

所述行程放大器8的功能是将压电晶体3的位移信号进行放大，并输出到小活塞5上。所述行程放大器8包括壳体，所述壳体的内表面沿轴向依次包括大直径的圆柱内表面、圆锥内表面80和小直径的圆柱内表面85，所述大直径的圆柱内表面88中装配有大活塞15，所述大活塞15与所述承压板13通过连接，所述小活塞5装配在所述小直径的圆柱内表面中，所述壳体内由大活塞15的下表面、圆锥内表面80和小活塞5的上表面形成一圆锥形的行程放大腔，所述行程放大器8的上端面设有放大器螺栓孔83，如图8和图9所示，所述顶板1上设有6个顶板螺栓孔101，通过6个顶板固定螺栓11(穿过顶板螺栓孔101，并拧入放大器螺栓孔83)将所述顶板1与行程放大器8的壳体相连成一体，以实现压电晶体的顶端位置相对行程放大器8的位置固定不变，如图4所示。

所述充油装置的功能是为装配好的压电式无级可变气门机构的行程放大腔中充入不可压缩的液体(最好具有润滑作用)，并在液压过大时，自动泄压；所述充油装置包括设置在行程放大器的壳体上的一个液体入口84和一个液体出口89，所述液体入口84和液体出口89上均分别设有结构相同、安装方向相反的限压阀；如图7所示，所述限压阀包括本体44，所述本体44上设有泄压孔46和调压螺栓45，所述本体44的一端连接有密封球座41，所述密封球座41上设有进油孔47，所述密封球座41与所述调压螺栓45之间设有密封球42和限压弹簧43；所述液体入口84上的限压阀按照限压阀的进油孔47朝外的方向来安装，所述液体出口上的限压阀按照限压阀的进油孔47朝内的方向来安装，所述行程放大腔内充满有不可压缩的液体，行程放大器是基于不可压缩液体体积不变的原理实现位移放大这一功能，通过旋转调节螺栓45可以调节液体入口84处限压阀4的进口压力和液体出口89处限压阀9的出口压力，从而控制行程放大腔中不可压缩液体可承受的最大压力；在位于行程放大器壳体液体入口处的限压阀中的限压弹簧43的预紧力大于气门弹簧7在工作中的最大弹力；位于行程放大器壳体液体出口处的限压阀中的限压弹簧43的预紧力能保证该限压阀中的密封球42与密封球座41接触密封即可。如图3、图5和图8所示，所述大活塞15通过大活塞连接螺栓10和承压板螺栓孔130与大活塞15连接成一体；所述大活塞15的外回转面与大直径的圆柱内表面88配合，并通过大活塞密封槽86中的大活塞密封圈16实现密封；所述小活塞5的外回转表面与小直径的圆柱内表面85配合，并通过小活塞密封槽87中的小活塞密封圈17实现密封；所述大活塞15随着压电晶体3的长短变化在行程放大腔中上下运动，并通过行程放大腔内的不可压缩液体的传递作用，带动小活塞5运动。当工作过程中，不可压缩液体的最大压力大于设定的最大出口压力时，限压阀9中密封球42会开启，不可压缩液体的压力降低，从而实现对机械装置的过载保护作用。

图3中所示，本发明基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构中充入不可压缩液体过程如下：

大活塞15与小活塞5之间形成的圆锥形空腔即为行程放大腔，行程放大腔内必须充满不可压缩的液体才能实现行程放大的功能；行程放大腔两侧分别有限压阀4和限压阀9，限压阀4为不可压缩液体的入口，限压阀9为不可压缩液体的出口；限压阀9中限压弹簧43的预紧力必须大于气门弹簧在工作中的最大弹力，限压阀4中限压弹簧的预紧力只要能保证密封球能与密封球座接触密封即可。装配好各零部件，调节调压螺栓45使得限压阀4和限压阀9中弹簧预紧力满足要求，从限压阀4充入不可压缩液体，充满整个行程放大腔，则充入不可压缩液体的过程结束。

本发明基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构的工作过程如下：

在图1中，根据气门控制的需要，在接线柱2上输入对应的电压控制信号，压电晶体3根据电压的大小产生相应的位移x，在图3中，压电晶体3最终使大活塞15产生位移x，大活塞15通过挤压行程放大腔中的不可压缩液体，使得小活塞5的位移为Kx(K为行程放大器的放大系数)，小活塞5带动气门运动，使得气门位移为Kx，从而通过控制电压信号的大小控制气门的升程。

特定的气门升程型线对应着特定的电压信号型线；气门开启时刻与电压信号输入时刻对应；气门关闭时刻与电压信号变为零的时刻对应；气门开启持续期与电压信号持续时间对应；气门开启或关闭速度与电压信号变化速度对应；气门最大升程与输入电压信号的最大值对应。

输入电压信号可以通过程序控制，因而可以实现任何电压信号型线的输入，理论上可以得到任何形状的气门升程型线，即实现气门正时、气门升程、气门型线的独立灵活控制。

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，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构，包括气门装置，所述气门装置包括气门弹簧(7)、中间体(6)和小活塞(5)，其特征在于，

该机构还包括电位转换器、行程放大器和充油装置；

所述电位转换器包括压电晶体(3)，所述压电晶体(3)的一端固定有承压板(13)，所述压电晶体(3)的另一端固定有顶板(1)，所述压电晶体(3)上、且靠近顶板(1)处设有接线柱(2)，所述接线柱(2)与外部控制电压信号线相连；

所述行程放大器(8)包括壳体，所述壳体的内表面沿轴向依次包括大直径的圆柱内表面、圆锥内表面(80)和小直径的圆柱内表面，所述大直径的圆柱内表面中装配有大活塞(15)，所述大活塞(15)与所述承压板(13)连接，所述小活塞(5)装配在所述小直径的圆柱内表面中，所述壳体内由大活塞(15)的下表面、圆锥内表面(80)和小活塞(5)的上表面形成一圆锥形的行程放大腔；

所述充油装置包括设置在行程放大器的壳体上的一个液体入口和一个液体出口，所述液体入口和液体出口上均分别设有一限压阀；所述限压阀包括本体(44)，所述本体(44)上设有泄压孔(46)和调压螺栓(45)，所述本体(44)的一端连接有密封球座(41)，所述密封球座(41)上设有进油孔(47)，所述密封球座(41)与所述调压螺栓(45)之间设有密封球(42)和限压弹簧(43)；所述液体入口上的限压阀按照限压阀的进油孔(47)朝外的方向来安装，所述液体出口上的限压阀按照限压阀的进油孔(47)朝内的方向来安装。

2.根据权利要求1所述基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构，其特征在于，所述行程放大腔内充满有不可压缩的液体。

3.根据权利要求1或2所述基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构，其特征在于，位于行程放大器壳体液体入口处的限压阀中的限压弹簧(43)的预紧力大于气门弹簧(7)在工作中的最大弹力；位于行程放大器壳体液体出口处的限压阀中的限压弹簧(43)的预紧力能保证该限压阀中的密封球(42)与密封球座(41)接触密封即可。

4.根据权利要求1所述基于逆压电效应的压电式无级可变气门机构，其特征在于，所述顶板(1)通过6个顶板固定螺栓(11)与行程放大器(8)的壳体相连。