CN104791045A - 相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构，是一种往复活塞式内燃机的气门驱动和控制机构。利用二个调相器控制二个通过一对齿轮传动的偏心轮轴的转动的相位差的调节，加上一个平均杆的平均作用，产生一个可变冲程长度的往复运动，并用一个行星齿轮系统令这个往复运动可以无级别调整到特定的角度，驱动一个摆动的凸轮套管，行星齿轮中的太阳轮有一个控制器，控制往复运动的位移，调相器和控制器可以联合运作独立控制气门打开持续时间的曲轴角度和气门打开的升程大小，实现气门二个重要参数的独立连续无级别调整，能够精确满足内燃机气门的驱动需求。

Description

相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构

技术领域

本发明涉及一种相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构，是往复活塞式内燃机领域中驱动气门的机构之一，能够使气门的正时和升程各自独立调节。

背景技术

内燃机的气门驱动采用连续可变气门正时可以提高内燃机气缸的充气率，提高功率和效率，降低气缸工作温度，降低内燃机的污染排放。内燃机的进气门驱动采用连续可变气门升程技术可以提高内燃机的进气效率，降低油耗，提高内燃机对油门的响应速度。

公开号CN101149000A名为内燃机的可变气门驱动机构的专利中，气门的正时和升程是相互关联的，即气门打开的持续时间与气门打开的升程是成比例关系，但由此带来的问题是不能很好兼顾可变气门正时和可变气门升程这两种调节的优点。

公开号CN101858233A名为包含变速摆机构的全可变气门正时方法和机构的专利中，虽然可以做到连续可调气门持续开启时间，但是所示方法和机构的体积比较庞大，部分部件应力比较大，磨损也比较大。而且含有弹簧，不能很好适应特别高的转速下机构具有足够快的相应，可能造成机构运动失去控制，不能应用与转速高于每分钟转速1万转的内燃机气门驱动。

公开(公告)号：CN102733879A调相器型全可变气门正时机构虽然可以调整气门的正时，但调整的结果令气门产生非对称的开闭曲线，这在某些高压缩比的内燃机上可能会产生故障，而且不能调整气门升程。可以利用这个专利技术的部分特征来实现气门正时和升程的独立可调。

发明内容

本专利为改进上述不足作出新的解决方案，一种相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构，包含：偏心轮轴A，一端有链轮与内燃机的曲轴通过链条相连接，转速是曲轴的二分之一，并有一个齿轮和调相器；偏心轮轴B，一端有一个齿轮，这个齿轮与偏心轮轴A的齿轮啮合，二个齿轮的齿数比1∶1；凸轮套管，含有二个凸轮，各与一个驱动气门的滚轮摇臂上的滚轮接触，凸轮套管内部有齿轮；行星齿轮组，行星齿轮为数个小齿轮，小齿轮中心轴固定在行星齿轮架上，太阳轮的轴连接一个控制器，而外齿轮就是所述凸轮套管内部的齿轮；平均杆，中部有延伸出的轴通过一个垫块固定在气缸盖上的直线滑槽中，平均杆二端各有一个连杆C连接偏心轮轴A和B上的偏心轮，将偏心轮产生的运动合成一个直线往复运动，而所述行星齿轮架通过一个连杆D与平均杆的中间位置连接，将直线往复运动变成行星齿轮架的摆动；直线滑槽的方向与连杆D的方向大致相当。

附图说明

图1是总体示意图，示出了相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构各主要部件之间的位置和连接关系。

图2是平均杆的示意图，示出了平均杆及其相关部件的关系，以及限位用的直线滑槽。

图3是平均杆的示意图，示出了平均杆中间的轴和滑块。

图4是可变冲程的原理，二个具有无级别可调相位差的正弦波的平均值就是一个无级别可调的正弦波。

图5是全可变气门正时和升程独立可调的原理示意图，显示控制凸轮摆动的终点位置和摆动角度就可独立控制正时和升程二个参数。

图6是行星齿轮组的分解示意图，显示控制器通过行星齿轮组来控制凸轮套管的角度位置。

图7是安装示意图，显示主要部件在内燃机气缸盖上的安装方式。

具体实施方式

下面将参考附图来叙述一个例示性实施例。在这个实施例中省略了部分外围部件例如链条和液压管路，这些是公知的部件，省略其作用的叙述。

参考附图1，总体示意图，气门1、2各自有气门弹簧3、4，各自由滚轮摇臂7、6驱动，滚轮摇臂6有液压挺柱5，滚轮摇臂7也如此。凸轮11、12分别驱动滚轮摇臂7、6，凸轮11、12固定在同一个凸轮套管8上，凸轮套管8、行星齿轮架10、控制器9三者共轴，偏心轮轴17、18一端分别有调相器合并齿轮19、20，二个偏心轮轴上的偏心轮分别连接有连杆C15、16，连杆C15、16分别连在平均杆14的二端，平均杆14的中端通过连杆D13与行星齿轮架相连。偏心轮轴18的调相器上有一个链轮21，内燃机的曲轴通过链条连接这个链轮驱动了偏心轮轴18，并通过啮合的齿轮19、20驱动偏心轮轴17。齿轮19、20的齿数一样，因此等速率反转。调相器19、20的作用是调节齿轮19、20与偏心轮轴17、18的角度关系，使得二个轴上的二偏心轮的角度关系可以改变，或者相同，或者相差一个可调的角度。而控制器9可以控制行星齿轮组的太阳轮转动，从而偏转凸轮11、12的角度。偏心轮轴17、18的转速是曲轴的二分之一，通过偏心轮轴18一端的链轮21的齿数来设定。

参考附图2，平均杆的示意图。可以参考链轮21的位置来理解平均杆14的位置。连杆D13余平均杆14近乎垂直，气缸盖上的滑槽23的方向是与连杆D13近似，滑槽内可见滑块22的一部分。 

参考附图3，平均杆的示意图，示出了平均杆中间的轴24和滑块22。滑块22套在轴24上，轴24通过滑块22与图2中的滑槽23接触，滑块22的目的是降低轴对滑槽23的压强，从而减少磨损，延长寿命。也可见，轴24同时也是连杆D13和平均杆14的连接销，同时限位这二根连杆。可以参考链轮21的位置来理解平均杆14和连杆D13的位置关系。

参考附图4，可变冲程的原理，二个具有无级别可调相位差的正弦波的平均值就是一个无级别可调的正弦波。虚线是二个具有相位差的正弦波，一个是2sin(x)，另一个是2sin(x+2)，实线就是这二个正弦波求平均值之后的数值造成的波，也就是sin(x)+sin(x+2)。可见正弦波的算数平均值依然是正弦波，只是因为相位差的缘故，波的幅度有变化，合成波的波峰在二个虚线正弦波的交点上，因此波幅比虚线正弦波更小。虚线正弦波的相位差从零到π，实线正弦波的波峰正好从1到0。对于图1到3的机构而言，恰好是运用这个原理来改变直线冲程的距离，而且可以连续无级别改变，并且没有杠杆系统的可变支点的麻烦，整个系统不过是调节二个偏心轮轴17、18的相位差而已，每个偏心轮轴不需要从0连续改变到π，因为各自具有一个调相器，二者合成一个π的相位差，每个调相器只需改变π/2即可，降低了调相器的设计难度。

参考附图5，全可变气门正时和升程独立可调的原理示意图，显示控制凸轮摆动的终点位置和摆动角度就可独立控制正时和升程二个参数。角A1和A4的共边是一个分界线，也是凸轮11的方向，凸轮11在角A1中是不能推动气门开启的，而进入角A4中就可以了。角A1和A4的具体方向和大小视乎凸轮11和滚轮摇臂7的具体设计。假设可调直线冲程造成凸轮11最大的摆动角就是角A1+A4，而偏心轮等效的曲轴角度是360，所以此时气门开启的持续时间就是360*A4/(A1+A4)。同理，当摆动角减小变成角A2+A3，气门打开的角度是角A3，那么气门的持续打开时间就是360*A3/(A2+A3)。注意，因为可调直线冲程是偏心轮轴的调相造成的，调相是连续的，所以可调直线冲程也是连续变化的，所以气门的持续开启时间也是连续可调的。图中，摆动终点位置分别为角A4和角A3，显然角度越大气门开启的升程越高，角A4＞角A3，于是气门升程也是角A4＞角A3，从角A4到角A3也是连续可变的，因此气门的升程也是可以连续改变的，气门的升程就是A4和A3所指代的。参考图1到图3其实，不是偏心轮轴17、18的调相器19、20和控制器9分别控制一个参数，而是调相器19、20负责控制直线冲程大小，这个直线冲程大小决定角A1+A4和角A2+A3，而控制器9决定角度开始和结束的位置，即控制角A1与A4的比例，也是控制角A2与A3的比例。而二个角度的和与二个角度的比例关系又总可以确定一个气门的升程和正时的数值的组合，不同的A1、A4和A2、A3确定二组气门升程和正时的组合数据。总的效果就是，不同的调相器19、20和控制器9联合控制就可以做到调升程不调正时，或者反之，或者二者皆调整，气门的升程和正时可以独立控制。

图5所述的凸轮11推动滚轮摇臂7的情况，凸轮11也可以用直线运动的类似作用的部件替代而具有相同的效果。因此总结图5所示的全可变气门正时和升程独立可调的原理或者本发明的机构的控制律就是：一个连续可变冲程长度或者摆动角度的运动，通过一个滚轮摇臂驱动气门时，具有关闭气门的冲程长度或者摆动角度，并且具有开启气门的冲程长度或者摆动角度，且冲程或者摆动跨越气门关闭和开启的界限，此时，通过连续改变冲程或者摆动的终点位置就可以改变气门的升程，通过改变冲程长度或者摆动角度的范围就可以改变气门持续打开所对应的曲轴角度，即气门正时连续可变，合并二者，可以精确并独立控制气门的升程和正时二个参数。简而言之，就是一个可以连续移动的连续可变冲程长度或者摆动角度 的运动可以转化成对二个相应参数的独立控制。

参考附图6，行星齿轮组的示意图，显示控制器通过行星齿轮组来控制凸轮套管的角度位置。凸轮套管8上有凸轮11和12，内部内部有外齿轮29。支撑体28是为了与凸轮套管8的内壁接触滑动，从而支撑控制器9的轴25，因此支撑体28是固定在轴25上。支撑体28伸出的一部分是行星齿轮组的太阳轮27，太阳轮27与众多行星齿轮26啮合，行星齿轮26又与外齿轮29啮合。行星齿轮26的轴30固定在行星齿轮架10上，行星齿轮架10的转动或者摆动也带动行星齿轮26等众多行星齿轮跟随运动。控制器9的作用体现在，当行星齿轮架10静止时，控制器9的轴25带动太阳轮27转动，通过行星齿轮26等众多行星齿轮转动，最终让外齿轮29和凸轮套管8转动一个角度，从而改变了凸轮11和12的位置。这种位置改变的意义，可以参考图5所示的控制原理。

参考附图7，安装示意图，显示主要部件在内燃机气缸盖上的安装方式。编号31到33、35到37都是内燃机气缸盖的活动部分，34和38是固定部分，32和33可以合并，36和37可以合并。33和34、37和38固定了凸轮套管8和控制器9，以及偏心轮轴18和齿轮和调相器20；31和32、35和36固定了偏心轮轴17和齿轮和调相器19。

相对于凸轮，偏心轮的好处是可承受负载比较大，而且可以省去机构产生回复运动的弹簧。为减小体积，可以降低连杆在行星齿轮架上的连接点到行星齿轮架轴线的距离，这样就可以以较小的往复运动产生较大的角度摆动，相应就可以减小偏心轮等相关部件的体积。

总体而言，本发明采用了二个可以调整相位关系的偏心轮轴产生一个连续可调直线冲程运动，以及一个可以将此直线冲程运动转化为凸轮角向摆动和角向平移这种摆动的行星齿轮组，达到可以通过一个直线冲程+冲程位置的参数组合，获得一个气门升程和正时的参数组合的效果，从而让气门的升程和正时独立、连续的可调，实现对内燃机气门的最佳控制。

上述叙述仅仅是用于解释本发明的例示性实施例，它不是排他的或将本发明限制与其公开的具体形式。本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以做出各种改变以及其中的元素可用等同元素来替换。此外，可以做出很多修改以使特定情形或材料适用于本发明的主旨而不偏离实质范围。因此，本发明不限于作为构思实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括属于本发明范围的所有实施方式。在不偏离本发明的精神和范围内，本发明能够以具体解释和阐明的方式以外的其他方式实施。

Claims (5)

1.相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构，包含：偏心轮轴A，一端有链轮与内燃机的曲轴通过链条相连接，转速是曲轴的二分之一，并有一个齿轮和调相器；偏心轮轴B，一端有一个齿轮，这个齿轮与偏心轮轴A的齿轮啮合，二个齿轮的齿数比1∶1；凸轮套管，含有二个凸轮，各与一个驱动气门的滚轮摇臂上的滚轮接触，凸轮套管内部有齿轮；行星齿轮组，行星齿轮为数个小齿轮，小齿轮中心轴固定在行星齿轮架上，太阳轮的轴连接一个控制器，而外齿轮就是所述凸轮套管内部的齿轮；平均杆，中部有延伸出的轴通过一个垫块固定在气缸盖上的直线滑槽中，平均杆二端各有一个连杆C连接偏心轮轴A和B上的偏心轮，将偏心轮产生的运动合成一个直线往复运动，而所述行星齿轮架通过一个连杆D与平均杆的中间位置连接，将直线往复运动变成行星齿轮架的摆动；直线滑槽的方向与连杆D的方向大致相当。

2.如权利要求1所述相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构，其特征在于所述偏心轮轴A和B各自的调相器是液压或者电机系统，可以改变自身齿轮和所驱动的偏心论的转动的角度关系，所述控制器是液压或者电机系统，可以通过太阳轮和相对固定的行星齿轮去偏转所述外齿轮即所述齿轮套管。

3.如权利要求1所述相位差式独立可调全可变气门正时和升程机构，其特征在于这个机构的控制律如下：通过所述偏心轮轴A和B调相器改变自身齿轮和所驱动的偏心论的转动的角度关系，从而改变所述行星齿轮架的摆动的角度范围，并且利用所述控制器驱动太阳轮转动从而调整了凸轮套管的角度位置，根据独立可调全可变气门正时和升程的原理，使得气门的正时和升程各自独立可调。

4.如权利要求3所述的机构的控制律，其特征在于所述独立可调全可变气门正时和升程的原理是：一个连续可变冲程长度或者摆动角度的运动，通过一个滚轮摇臂驱动气门时，具有关闭气门的冲程长度或者摆动角度，并且具有开启气门的冲程长度或者摆动角度，且冲程或者摆动跨越气门关闭和开启的界限，此时，通过连续改变冲程或者摆动的终点位置就可以改变气门的升程，通过改变冲程长度或者摆动角度的范围就可以改变气门持续打开所对应的曲轴角度，即气门正时连续可变，合并二者，可以精确并独立控制气门的升程和正时二个参数。

5.一种产生可变冲程的机构，偏心轮A和偏心轮B各自通过连杆连接到平均杆二端上，平均杆中端有延伸出的轴通过一个垫块固定在直线滑槽中，偏心轮A和偏心轮B各自的齿轮相互啮合，齿数比1∶1；当偏心轮A和B的转速一致，转动角度相位改变时，平均杆中端所产生的直线冲程长度连续可调。