CN105257357B - 双压电晶体电控快速气门气门可变正时及气门可变升程装置及控制方法 - Google Patents
双压电晶体电控快速气门气门可变正时及气门可变升程装置及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双压电晶体电控液压快速VVT及VVL装置，包括第一、二压电晶体控制机构、进气门机构、液压机构和发动机ECU；使用压电晶体控制机构作为气门可变技术的核心，两个压电晶体控制机构连通液压腔和进气门驱动机构，同时液压缸与一活塞相连，省略进气门一侧凸轮轴，利用排气门侧的凸轮轴推动活塞，进而通过液压腔驱动进气门，实现精确的气门控制，ECU根据工况的不同调节两个压电晶体的形变，分别实现VVT、VVL。通过上述方式，本发明能够将VVT和VVL技术巧妙的融合，同时压电晶体的快速响应特性以及电控技术的柔性控制，能够更好的使气门动作与运行工况相匹配，提高发动机工作的经济性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机领域，特别是涉及内燃机工作过程控制，具体的说是一种涉及电控快速气门可变正时(VVT)及气门可变升程(VVL)装置。
背景技术
发动机的配气相位机构负责向气缸提供汽油燃烧做功所必须的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出，从工作原理上讲，配气相位机构的主要功能是按照一定的时限来开启和关闭各气缸的进、排气门，从而实现发动机气缸换气补给的整个过程。对于没有可变气门技术的普通发动机而言，进排气们开闭时间及升程都是固定的，内燃机的配气相位不能根据内燃机的转速而改变，这种固定不变的气门正时及升程很难顾及到发动机在不同转速工况时的工作需要。因此为了满足发动机全工况的工作要求，就要设计可变气门，提升发动机的动力表现，使燃烧更有效率。
VVT技术改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放。VVL技术可以在发动机不同转速、不同负荷时匹配合适的气门升程，使得发动机在低转速、小负荷时使用较小的气门升程，改善冷启动和降低油耗。高转速、大负荷时使用较大的气门升程，减少气门节流损失，提高充气效率，提高发动机在高转速、大负荷时的功率输出并能降低发动机的燃油消耗，提高燃油经济性，降低HC,NOx的排放。
目前，VVT和VVL技术已经在内燃机领域得到了广泛应用，如本田的i-VTEC系统就是典型的VVL技术在汽车中的应用，实现了复杂的气门升程变化，但是增加第三根摇臂和第三根凸轮轴的机构使其机械系统更加复杂，而且分段式的气门调节方式使其动力输出不够线性；BMW的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了偏心轴，步进电机和中间推杆等部件，该系统借由步进电机的旋转，再在一系列机械传动后巧妙的改变进气门升程的大小，但是只能在一定范围内改变升程大小，而且如何在正确的时间使气门升程处于正确的位置是该技术的难点；奥迪的AVS系统以及丰田的VVTL-i技术等都是代表性的可变气门技术，但是由于机械控制系统本身存在的误差和磨损，这些系统仍然存在不足，因此气门可变技术的控制需要向电控技术倾斜，如菲亚特的Multiair电控液压进气系统，使用了电控液压控制系统来驱动气门的正时和升程，却取消了进气门一侧凸轮轴，排气门侧的凸轮轴通过液压机构来驱动进气门，但是结构比较复杂，而且利用ECU控制一个电磁阀同时实现VVT和VVL也在一定程度上增加了控制的难度。
发明内容
本发明主要解决的问题是实际运行中发动机气门正时和升程的无极可调，通过利用排气侧凸轮轴和活塞、液压机构实现正常的配气相位，利用两个压电晶体控制机构分别实现VVT和VVL，减小了电控机构控制的难度，压电晶体的快速响应特性使气门变化更迅速，增强了发动机对不同工况的适应能力，而且机械结构的安排减小了配气机构的惯性，减小了高速运转时的能量损失。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程装置，包括第一压电晶体控制机构、第二压电晶体控制机构、进气门机构、液压机构和发动机ECU；所述第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构的结构相同且分别设置一圆柱壳体内的两侧；所述液压机构设置在第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构之间；所述圆柱壳体的中部设有一个通孔；所述进气门机构包括气门挺杆；所述气门挺杆的一端伸入至所述圆柱壳体内；所述第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构均分别包括依次设置的压电晶体堆、位移放大器、放大腔室和第一活塞，所述位移放大器的腔室直径大于放大腔室的直径，所述压电晶体堆与所述位移放大器之间以及所述位移放大器和所述第一活塞之间均分别设置有回位弹簧；所述位移放大器的腔室与所述放大腔室贯通；所述第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆与所述圆柱壳体的一侧固定；在所述圆柱壳体内、且在与所述第二压电晶体控制机构相邻的一端设有一挡板，所述挡板的一侧与所述第二压电晶体控制机构中的第一活塞固定，所述挡板的另一侧与所述气门挺杆固定；所述液压机构包括一个封闭的液压腔，所述液压腔由设置在所述圆柱壳体内、且可移动的第一挡板和第二挡板之间的空间构成，所述第一挡板与所述第一压电晶体控制机构中的第一活塞连接；所述第二挡板与所述第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆连接；所述圆柱壳体外、且位于排气门的一侧设有凸轮轴，所述凸轮轴通过摇臂带动一第二活塞,所述第二活塞带动一设置在一液压缸内的圆形推板，所述圆形推板具有与所述液压缸相同的直径，所述液压缸与所述液压腔贯通；所述第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆和所述第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆均与发动机ECU联接。
本发明一种双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程控制方法，利用上述双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程装置，并包括以下情形：
一、在不需要改变气门升程和正时时，发动机ECU控制不给第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆供电，排气门侧的凸轮轴通过摇臂推动第二活塞移动，压缩液压腔和液压缸中的液压油，推动第二压电晶体控制机构整体移动，带动气门挺杆移动，实现常规状态下发动机的配气正时，即常规模式；
二、在发动机负荷变化，需要改变气门升程时，在上述情形一的基础上，发动机ECU控制不给第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆供电，同时，发动机ECU控制加载在第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆两端的电压值，使第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆发生形变，经过第一压电晶体控制机构中的位移放大器和放大腔的作用，第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆的微小形变通过第一压电晶体控制机构中的第一活塞反馈到液压腔一侧的第一挡板，推动液压腔和第二压电晶体控制机构整体移动，从而使气门升程发生变化，即VVL模式；
三、在一个气门开启的周期内，需要改变气门正时时，在上述情形一的基础上，发动机ECU控制不给第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆供电，同时，发动机ECU控制加载在第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆两端的电压值，使第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆发生形变，经过第二压电晶体控制机构中的位移放大器和放大腔的作用，第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆的微小形变通过第二压电晶体控制机构中的第一活塞反馈到与气门挺杆固定的挡板，推动气门挺杆移动，在一个发动机循环内改变气门开启和关闭时间，从而实现在一个周期内气门开启多次，即VVT模式；
四.在发动机某些特殊工况下，需要同时改变气门正时和升程时，在上述情形一的基础上，发动机ECU同时控制加载在第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆两端的电压值，使第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆均发生形变，从而同时改变气门正时和升程，即VVT和VVL模式。
总之，本发明使用两个压电晶体控制机构连通液压腔和进气门驱动机构，同时液压缸与一第二活塞相连，省略进气门一侧凸轮轴，利用排气门侧的凸轮轴推动第二活塞，进而通过液压腔驱动进气门，实现精确的气门控制，ECU根据工况的不同调节两个压电晶体的形变，分别实现VVT、VVL。通过上述方式，本发明能够将连续可变气门正时和连续可变气门升程技术巧妙的融合，同时压电晶体的快速响应特性以及电控技术的柔性控制，能够更好的使发动机运行状态与运行工况相匹配，提高发动机工作的经济性和稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
省略了进气门侧的凸轮轴，摆脱了传统气门机械驱动形式，利用排气门侧凸轮轴结合电子控制技术联合驱动气门运动来实现可变气门，从而减少了机械系统之间的摩擦和惯性，适于内燃机单循环内气门根据工况瞬态变化，适用于HCCI、GDI等发动机的气门工作要求；开创性的结合压电晶体和液压技术来实现对气门正时和气门升程的柔和控制；液压腔空间封闭，液压油不需额外补充，减少了液压油的浪费，降低使用成本；既可以实现传统发动机气门运动模式，也可以实现VVT、VVL，同时还可以融合VVT/VVL技术协同工作，VVT和VVL结合使用，互相补充，使发动机能够适应多种工况，大大拓宽了发动机运转范围；双压电晶体控制机构分别实现VVT、VVL的形式减小了电控技术的难度，压电晶体的快速响应特性不仅能够降低气门可变的响应时间，而且系统只需要根据发动机的运行工况改变压电晶体两端的电压即可实现对气门升程的无极可调和气门正时可调。
附图说明
图1是本发明一种双压电晶体电控快速气门可变正时(VVT)及气门可变升程(VVL)装置结构示意图；
图2是本发明中压电晶体控制机构示意图；
图3(a)是本发明中液压机构液压腔部分示意图；
图3(b)是本发明中液压机摇臂部分示意图。
图中：1、8-压电晶体堆，2、9-位移放大器，3、10-放大腔室，4、11-第一活塞，5-第一挡板，6-液压腔，7-第二挡板，12、13、14、15-回位弹簧，16-第二活塞，17-摇臂，18-凸轮轴，19、20-位移放大器腔室，21-圆形推板,22-液压缸，23-挡板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明一种双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程装置，包括第一压电晶体控制机构、第二压电晶体控制机构、进气门机构、液压机构和发动机ECU。所述第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构的结构相同且分别设置一圆柱壳体内的两侧；所述液压机构设置在第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构之间；所述圆柱壳体的中部设有一个通孔；所述进气门机构包括气门挺杆；所述气门挺杆的一端伸入至所述圆柱壳体内。
所述第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构的结构相同，以第一压电晶体控制机构为例说明其结构，如图2所示，所述第一压电晶体控制机构包括依次设置的压电晶体堆1、位移放大器2、放大腔室3和第一活塞4，所述压电晶体堆1的形变随加载在其两端的电压变化而变化，所述位移放大器2的腔室直径大于放大腔室3的直径，所述压电晶体堆1的微小形变通过放大部分反映到所述第一活塞4，所述压电晶体堆1与所述位移放大器2之间设置有回位弹簧15，所述位移放大器2和所述第一活塞4之间设置有回位弹簧14；所述位移放大器2的腔室与所述放大腔室3贯通。
如图1所示，所述第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆1与所述圆柱壳体的一侧固定。在所述圆柱壳体内、且在与所述第二压电晶体控制机构相邻的一端设有一挡板23，所述挡板23的一侧与所述第二压电晶体控制机构中的第一活塞11固定，所述挡板23的另一侧与所述气门挺杆固定。
如图1和图3(a)所示，所述液压机构包括一个封闭的液压腔6，所述液压腔6由设置在所述圆柱壳体内、且可移动的第一挡板5和第二挡板7之间的空间构成，所述第一挡板5与所述第一压电晶体控制机构中的第一活塞4连接；所述第二挡板7与所述第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆8连接。
如图1和图3(b)所示，所述圆柱壳体外、且位于排气门的一侧设有凸轮轴18，所述凸轮轴18通过摇臂17带动一第二活塞16,所述摇臂17采用“工”字型结构，增加摇臂的强度，摇臂连接销采用实体圆柱销，所述第二活塞16带动一设置在一液压缸22内的圆形推板21，所述圆形推板21具有与所述液压缸22相同的直径，所述液压缸22与所述液压腔6贯通；所述液压腔6与所述液压缸22是通过一通道相贯通，所述通道穿过所述圆柱壳体中部的通孔，所述液压缸23和液压腔9空间封闭，液压油体积一定，不需额外补充液压油量，减少浪费。
如图1所示，所述第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆1和所述第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆8均与发动机ECU联接。
利用上述双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程装置实现双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程，包括以下情形：
一、在不需要改变气门升程和正时时，发动机ECU控制不给第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆供电，排气门侧的凸轮轴18通过摇臂17推动第二活塞16移动，压缩液压腔6和液压缸22中的液压油，推动第二压电晶体控制机构整体移动，带动气门挺杆移动，进而推动进气门开闭，实现正常的进气门机构的开启相位及升程，使气门的运动状态能够准确的与发动机运行状态相适应，实现常规状态下发动机的配气正时，即常规模式；
二、在发动机负荷变化，需要改变气门升程时，在上述情形一的基础上，发动机ECU控制不给第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆8供电，同时，发动机ECU控制加载在第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆1两端的电压值，使第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆1发生不同程度的形变，经过第一压电晶体控制机构中的位移放大器2和放大腔3的作用，第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆1的微小形变通过第一压电晶体控制机构中的第一活塞4反馈到液压腔6一侧的第一挡板5，推动液压腔6和第二压电晶体控制机构整体移动，从而在进气门开启期间，使气门升程发生变化，即VVL模式；
三、在一个气门开启的周期内，需要改变气门正时时，在上述情形一的基础上，发动机ECU控制不给第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆1供电，同时，发动机ECU控制加载在第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆8两端的电压值，使第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆8发生不同程度的形变，经过第二压电晶体控制机构中的位移放大器9和放大腔10的作用，第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆8的微小形变通过第二压电晶体控制机构中的第一活塞11反馈到与气门挺杆固定的挡板23，推动气门挺杆移动，在一个发动机循环内，若压电晶体两端电压不断变化，则可以不断改变气门开启和关闭时间，甚至可以在一个周期内气门开启多次，改变气门正时，即VVT模式；
四、在发动机某些特殊工况下，需要同时改变气门正时和升程时，在上述情形一的基础上，发动机ECU同时控制加载在第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆两端的电压值，使第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆1均发生不同程度的形变，从而同时改变气门正时和升程，实现VVT和VVL的无级可调，即VVT和VVL模式。
尽管上面结合附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，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程装置，其特征在于：
包括第一压电晶体控制机构、第二压电晶体控制机构、进气门机构、液压机构和发动机ECU；
所述第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构的结构相同且分别设置一圆柱壳体内的两侧；
所述液压机构设置在第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构之间；
所述圆柱壳体的中部设有一个通孔；
所述进气门机构包括气门挺杆；所述气门挺杆的一端伸入至所述圆柱壳体内；
所述第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构均分别包括依次设置的压电晶体堆、位移放大器、放大腔室和第一活塞，所述位移放大器的腔室直径大于放大腔室的直径，所述压电晶体堆与所述位移放大器之间以及所述位移放大器和所述第一活塞之间均分别设置有回位弹簧；所述位移放大器的腔室与所述放大腔室贯通；所述第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆(1)与所述圆柱壳体的一侧固定；
在所述圆柱壳体内、且在与所述第二压电晶体控制机构相邻的一端设有一挡板(23)，所述挡板(23)的一侧与所述第二压电晶体控制机构中的第一活塞(11)固定，所述挡板(23)的另一侧与所述气门挺杆固定；
所述液压机构包括一个封闭的液压腔(6)，所述液压腔(6)由设置在所述圆柱壳体内、且可移动的第一挡板(5)和第二挡板(7)之间的空间构成，所述第一挡板(5)与所述第一压电晶体控制机构中的第一活塞(4)连接；所述第二挡板(7)与所述第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆(8)连接；
所述圆柱壳体外、且位于排气门的一侧设有凸轮轴(18)，所述凸轮轴(18)通过摇臂(17)带动一第二活塞(16),所述第二活塞(16)带动一设置在一液压缸(22)内的圆形推板(21)，所述圆形推板(21)具有与所述液压缸(22)相同的直径，所述液压缸(22)与所述液压腔(6)贯通；
所述第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆(1)和所述第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆(8)均与发动机ECU联接。
2.根据权利要求1所述双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程装置，其特征在于：所述液压腔(6)与所述液压缸(22)通过一通道相贯通，所述通道穿过所述圆柱壳体中部的通孔。
3.一种双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程控制方法，其特征在于，利用如权利要求1或2所述双压电晶体电控液压快速气门可变正时及气门可变升程装置，并包括以下情形：
一、在不需要改变气门升程和正时时，发动机ECU控制不给第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆供电，排气门侧的凸轮轴(18)通过摇臂(17)推动第二活塞(16)移动，压缩液压腔(6)和液压缸(22)中的液压油，推动第二挡板(7)和第二压电晶体控制机构整体移动，带动气门挺杆移动，实现常规状态下发动机的配气正时，即常规模式；
二、在发动机负荷变化，需要改变气门升程时，在上述情形一的基础上，发动机ECU控制不给第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆(8)供电，同时，发动机ECU控制加载在第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆(1)两端的电压值，使第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆(1)发生不同程度的形变，经过第一压电晶体控制机构中的位移放大器(2)和放大腔(3)的作用，第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆(1)的微小形变通过第一压电晶体控制机构中的第一活塞(4)反馈到液压腔(6)一侧的第一挡板(5)，推动液压腔(6)和第二压电晶体控制机构整体移动，从而在进气门开启期间，使气门升程发生变化，即VVL模式；
三、在一个气门开启的周期内，需要改变气门正时时，在上述情形一的基础上，发动机ECU控制不给第一压电晶体控制机构中的压电晶体堆(1)供电，同时，发动机ECU控制加载在第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆(8)两端的电压值，使第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆(8)发生不同程度的形变，经过第二压电晶体控制机构中的位移放大器(9)和放大腔(10)的作用，第二压电晶体控制机构中的压电晶体堆(8)的微小形变通过第二压电晶体控制机构中的第一活塞(11)反馈到与气门挺杆固定的挡板(23)，推动气门挺杆移动，在一个发动机循环内，若压电晶体两端电压不断变化，就可以不断改变气门开启和关闭时间，甚至可以在一个周期内气门开启多次，改变气门正时，即VVT模式；
四、在发动机某些特殊工况下，需要同时改变气门正时和升程时，在上述情形一的基础上，发动机ECU同时控制加载在第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆两端的电压值，使第一压电晶体控制机构和第二压电晶体控制机构中的两个压电晶体堆均发生不同程度的形变，从而同时改变气门正时和升程，实现VVT和VVL的无级可调，即VVT和VVL模式。
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