CN105909332B - 无极可变升程气门摇臂机构及相应气门装置 - Google Patents

Abstract

一种无极可变升程气门摇臂机构及相应气门装置，摇臂机构用于和气门装置的气门杆联动配合，控制气门装置的气门通道的大小；该摇臂机构包括曲柄连杆组件、曲柄轴位置调节组件、气门摇臂、摇臂驱动组件；曲柄连杆组件包括曲柄、曲柄轴、连杆及连杆复位拉簧；曲柄为一偏心轮，其偏心孔连接于曲柄轴上，曲柄轴的位置由曲柄轴位置调节组件无极调整；连杆为一偏心套，套在偏心轮外部；连杆复位拉簧一端连接连杆，另一端连接于一个固定点；气门摇臂为一个以连杆的偏心部为中间支点的杠杆，气门摇臂左端与气门杆上端铰接，右端与摇臂驱动组件驱动配合。本发明在顶置凸轮升程不变，气门启闭的时机与活塞曲柄的相位关系不变的条件下实现气门升程无极可调。

Description

无极可变升程气门摇臂机构及相应气门装置

技术领域

本发明涉及活塞式发动机配气相位机构，具体涉及一种无极可变升程气门摇臂机构及相应的气门装置。

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，这一套动作可以看作是人体吸气和呼气的过程。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。我们可以将发动机的气门比作是一扇门，门开启的大小和时间长短，决定了进出的人流量。门开启的角度越大，开启的时间越长，进出的人流量越大，反之亦然。同样的道理用于发动机上，就产生了气门升程和正时的概念。气门升程就好像门开启的角度，气门正时就好像门开启的时间。以立体的思维观点看问题，角度加时间就是一个空间的大小，它也决定了在单位时间内的进、排气量。可变气门正时技术几乎已成为当今发动机的标准配置，为了进一步挖掘传统内燃机的潜力，工程人员又在此基础上研发出可变气门升程技术，当二者有效的结合起来时，则为发动机在各种工况和转速下提供了更高的进、排气效率。提升动力的同时，也降低了油耗水平。

可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下扭矩充沛，而高转速时马力强劲。低转速时系统使用较小的气门升程，这样有利于增加缸内紊流提高燃烧速度，增加发动机的低速扭矩，而高转速时 使用较大的气门升程则可以显著提高进气量，进而提升高转速时的功率输出。

实现可变气门升程的方法目前国际上有如下几种典型的方式：

1、本田i-VTEC技术。

本田的可变气门升程系统的结构和工作原理是利用第三根摇臂和第三个凸轮实现气门升程变化。当发动机在中、低转速时，三根摇臂处于分离状态，普通凸轮推动主摇臂和副摇臂来控制两个进气门的开闭，气门升程较小。此时虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间是分离的，所以两边的摇臂不受它控制，也不会影响气门的开闭状态。发动机达到某一个设定的转速时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由高角度凸轮驱动，这时气门的升程和开启时间都相应的增大了，使得单位时间内的进气量更大，发动机动力也更强。

本田的i-VTEC技术的缺陷在于：不可以连续调整，是一种两段式可变气门升程系统。

2、宝马的Valvetronic技术。

BMW的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴，一个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很巧妙的改变了进气门升程的大小。当凸轮轴运转时，凸轮会驱动中间推杆和摇臂来完成气门的开启和关闭。当电机工作时，蜗轮蜗杆机构会首先驱动偏心轴发生旋转，然后中间推杆和摇臂会产生联动，偏心轴旋转的角度不同，最终凸轮轴通过中间推杆和摇臂顶动气门产生的升程也会不同。

宝马的Valvetronic技术的缺陷在于：是连续可调的可变气门升程系统，但是增加的机构占用空间较大。

3、日产的VVEL技术。

英菲尼迪的VVEL系统的工作原理与BMW的Valvetronic类似，但在结构上稍有不同。VVEL系统使用一套螺套和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调。在系统工作时，电机通过ECU信号控制螺杆和螺套的相对位置，螺套则带动摇臂、控制杆等部件，最终改变气门升程的大小。摇臂通过偏心轮套在控制杆上，而控制杆可以在电机的带动下旋转一定角度。当发动机在高转速或者大负荷时，电机带动螺杆转动，套在螺杆上的螺套也会产生相应的横向移动，与螺套联动的机构使得控制杆逆时针或顺时针发生旋转。由于摇臂套在控制杆的偏心轮上，因此摇臂的旋转中心也会随之上升或下降，从而达到改变气门升程的目的。

日产的VVEL是连续可调的可变气门升程系统，但是增加的机构占用空间较大，摩擦副较多损耗功率。

发明内容

本发明旨在提供一种实现气门升程连续可调的配气结构，采用与现有技术几何原理完全不同的结构设计，克服现有技术的不足。

本发明的技术方案如下：

一种无极可变升程气门摇臂机构，用于和气门装置的气门杆联动配合，控制气门装置的气门通道的大小；其特征在于：该摇臂机构包括曲柄连杆组件、曲柄轴位置调节组件、气门摇臂、摇臂驱动组件；曲柄连杆组件包括曲柄、曲柄轴、连杆及连杆复位拉簧；曲柄为一偏心轮，其偏心孔连接于曲柄轴上，曲柄轴的位置由所述曲柄轴位置调节组件无极调整；连杆为一偏心套，套在偏心轮外部；连杆复位拉簧一端连接连杆，另一端连接于一个固定点；气门摇臂为一个以所述连杆的偏心部为中间支点的杠杆，气门摇臂左端与所述气门杆上端铰接，右端与所述摇臂驱动组件驱动配合。

作为具体的技术方案：所述曲柄轴位置调节组件包括蜗轮及蜗杆，蜗轮设置于气门杆右侧的一个固定转轴上，蜗杆与蜗轮外齿驱动配合。

作为具体的技术方案：所述摇臂驱动组件滚轮和凸轮，滚轮设置于气门摇臂的右端，凸轮设置于气门摇臂右端下方的一个固定转轴上，凸轮与滚轮抵触配合。

一种基于上述无极可变升程气门摇臂机构的气门装置，其特征在于：还包括气门座、气门杆及气门杆弹簧，所述气门座的下部开设有连通侧壁和底端的气门通道，上部开设有弹簧槽，弹簧槽下端通过一个气门杆过孔与气门通道连通；所述气门杆包括杆部、堵头、弹簧顶板、摇臂铰接块，杆部的下端固定连接堵头，上端固定连接弹簧顶板，中部穿设于气门座的气门杆过孔内，弹簧顶板的上端固定设置摇臂铰接块，所述气门摇臂左端支点与摇臂铰接块铰接；气门杆弹簧设置于气门座的弹簧槽内，向上抵顶弹簧顶板；堵头随杆部上下位移封堵或不同程度地打开气门座气门通道的下端开口。

发明提供了一种利用曲柄连杆作为杠杆铰支点的气门摇臂机构及相应的气门装置，通过调整曲柄轴心位置，控制曲柄连杆展开长度即摇臂中间支点变动幅度，进而改变气门摇臂在凸轮顶推下围绕中间支点的摆动幅度，实现气门升程的变动。曲柄轴心位置的变动是由伺服电机等驱动蜗杆蜗轮转动，带动处于蜗轮轴偏心位置上的曲柄轴心移动实现的。曲柄连杆的展开是由凸轮顶推摇臂带动的，回缩复位是靠一根拉簧拉动复位。本发明的有益效果是在顶置凸轮升程不变，气门启闭的时机与活塞曲柄的相位关系不变的条件下实现气门升程无极可调。本发明结构简单易于制造，与目前国际上实现可变气门升程的各种方法明显不同。

附图说明

图1为本发明实施例提供的气门摇臂机械机构的构成示意图。

图2为本发明实施例提供的气门摇臂机械机构的曲柄连杆的示意图。

图3为本发明实施例提供的气门摇臂机械机构的曲柄轴心位置调整过程的示意图。

图4为本发明实施例提供的气门摇臂机械机构运作时，当凸轮转动时，凸轮高程不断增加推动摇臂摆动的示意图。

图5为本发明实施例提供的气门摇臂机械机构运作时，凸轮的全部高程都会被转化为气门的开度的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的气门摇臂机构用于和气门装置的气门杆联动配合，控制气门装置的气门通道的大小，整个气门装置包括气门座1、气门杆2、气门杆弹簧3、气门摇臂5、曲柄连杆6、蜗轮7、蜗杆8及凸轮9。

气门座1的下部开设有连通侧壁和底端的气门通道，气门座1的上部开设有弹簧槽，弹簧槽下端通过一个气门杆过孔与气门通道连通。气门杆2包括杆部21、堵头22、弹簧顶板23、摇臂铰接块24，杆部21的下端固定连接堵头22，上端固定连接弹簧顶板23，中部穿设于气门座1的气门杆过孔内，弹簧顶板23的上端固定设置摇臂铰接块24。气门杆弹簧3设置于气门座1的弹簧槽内，向上抵顶弹簧顶板23。堵头22随杆部21上下位移时，封堵或打开气门座1气门通道的下端开口，并调节气门通道的下端开口打开的大小。

结合图2所示，曲柄连杆6包括曲柄61、曲柄轴62、连杆63及曲柄连杆复位拉簧64，与典型的曲柄连杆不同，本实施例中的曲柄61为一偏心轮，连杆 63为一梨形(或类似形状)的偏心套，套在偏心轮61外部。连杆复位拉簧64上端连接连杆63的下端，下端连接于一个固定点。蜗轮7设置于气门杆2右侧的一个固定转轴上，蜗杆8与蜗轮7外缘驱动配合。蜗轮7上开设有一个偏心孔，曲柄轴62将曲柄61上的偏心孔和蜗轮7的偏心孔连接。

气门摇臂5为一个中间支点相对较高、两端支点相对较低的非直杆，中间支点与连杆63上端偏心部铰接，左端支点与气门杆2的摇臂铰接块24铰接，右端支点设置滚轮并于与凸轮9抵触配合，凸轮9设置于右端支点下方的一个固定转轴上。

上述实施例提供的气门摇臂机构，通过调整曲柄61轴心位置，控制曲柄连杆6展开长度即气门摇臂5中间支点变动幅度，进而改变气门摇臂5在凸轮9顶推下围绕中间支点的摆动幅度，实现气门升程的变动。曲柄61轴心位置的变动是由伺服电机驱动蜗杆8带动蜗轮7转动，带动处于蜗轮轴偏心位置上的曲柄轴心移动实现的。曲柄连杆的展开是由凸轮9顶推气门摇臂5带动的，回缩复位是靠一根拉簧拉动复位。

具体的工作过程及原理说明如下：

结合图3所示，附图3表示了曲柄轴心位置调整的方法。当蜗杆转动时带动了蜗轮上偏心位置的曲柄轴61位移，实现曲柄轴心位置的无极调整。

结合图4所示，当凸轮9转动时，凸轮高程不断增加推动气门摇臂5摆动。由于气门杆弹簧3的作用力大于连杆复位拉簧64作用力，气门杆2不运动。此时，气门摇臂5是以其与气门杆的铰点为支点摆动的，中间支点随之移动并带动曲柄连杆6展开，直至连杆63与曲柄61成一条直线。此刻是曲柄连杆6的一个死点位置，之后中间支点到曲柄轴心的距离就不会再变大。此点过后，凸轮9的剩余高程将推动气门摇臂5打开气门。可以看出，气门打开的幅度将小 于凸轮9的设计高程。

当凸轮9转动过高程的极值点，高程不断减小，气门杆在气门杆弹簧3的作用下逐渐回弹带动气门摇臂5反向摆动。此时气门摇臂5摆动的动力由凸轮转换为气门杆弹簧3，支点变换到凸轮处。中间支点上的作用力不再指向曲柄连杆伸展的方向，连杆复位拉簧64开始将曲柄连杆拉出死点位置。随着凸轮高程的不断减小直至回零，气门摇臂5和曲柄连杆也都回到初始位置。

结合图2所示，当蜗杆8、蜗轮7调整曲柄轴心到最低点时，即使在气门摇臂5和气门杆2的初始位置也就是凸轮高程为零时，连杆63与曲柄61也是处在一条直线上。也就是说，凸轮9的全部高程都会被转化为气门的开度，如图5所示。因此，在曲柄轴心由低到高的无极调整中，气门的升程也可以不间断地由大到小得到调整，而且这些调整与凸轮的升程、气门的启闭时机等因素无关。也就是与现有的活塞式发动机配气机构有很好的相容性，非常易于推广。

由上可见，本实施例提供的气门摇臂机构具有以下特点：用曲柄连杆机构作为杠杆的铰支点，该曲柄连杆机构的曲柄轴心位置可以无极变动；曲柄转轴支点的变化是根据气门开启幅度的设计要求人为调整的自变量，而气门开启幅度则是它的因变量；无论怎样调整曲柄转轴的支点，气门摇臂机构运行时，顶置凸轮升程不变；无论怎样调整曲柄转轴的支点，气门摇臂机构运行时，气门启闭的时机与活塞曲柄的相位关系不变。

以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，基于本发明创新主旨的、未经创造性劳动的等效技术特征的替换，应当属于本申请揭露的范围。

Claims (3)

1.一种无极可变升程气门摇臂机构，用于和气门装置的气门杆联动配合，控制气门装置的气门通道的大小；其特征在于：该摇臂机构包括曲柄连杆组件、曲柄轴位置调节组件、气门摇臂、摇臂驱动组件；曲柄连杆组件包括曲柄、曲柄轴、连杆及连杆复位拉簧；曲柄为一偏心轮，其偏心孔连接于曲柄轴上，曲柄轴的位置由所述曲柄轴位置调节组件无极调整；连杆为一偏心套，套在偏心轮外部；连杆复位拉簧一端连接连杆，另一端连接于一个固定点；气门摇臂为一个以所述连杆的偏心部为中间支点的杠杆，气门摇臂左端与所述气门杆上端铰接，右端与所述摇臂驱动组件驱动配合，所述曲柄轴位置调节组件包括蜗轮及蜗杆，蜗轮设置于气门杆右侧的一个固定转轴上，蜗杆与蜗轮外齿驱动配合。

2.根据权利要求1所述的无极可变升程气门摇臂机构，其特征在于：所述摇臂驱动组件滚轮和凸轮，滚轮设置于气门摇臂的右端，凸轮设置于气门摇臂右端下方的一个固定转轴上，凸轮与滚轮抵触配合。

3.一种基于权利要求1至2任意一项所述无极可变升程气门摇臂机构的气门装置，其特征在于：还包括气门座、气门杆及气门杆弹簧，所述气门座的下部开设有连通侧壁和底端的气门通道，上部开设有弹簧槽，弹簧槽下端通过一个气门杆过孔与气门通道连通；所述气门杆包括杆部、堵头、弹簧顶板、摇臂铰接块，杆部的下端固定连接堵头，上端固定连接弹簧顶板，中部穿设于气门座的气门杆过孔内，弹簧顶板的上端固定设置摇臂铰接块，所述气门摇臂左端支点与摇臂铰接块铰接；气门杆弹簧设置于气门座的弹簧槽内，向上抵顶弹簧顶板；堵头随杆部上下位移封堵或不同程度地打开气门座气门通道的下端开口。