CN107060935B - 一种液压可变气门装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液压可变气门装置，包括凸轮，以及自外向内依次套装的外壳、衬套、活塞套和单杆活塞；衬套、活塞套和单杆活塞同轴并可沿轴向移动；单杆活塞无杆端与活塞套形成一液压腔，在活塞套随凸轮的移动过程中，该液压腔或密闭或与外部高压油源相通或与外部低压油源相通；通过调节外部高压油源压力以及衬套的初始位置，可以改变所述液压腔中液压流体的运动规律，从而实现气门的可变。本发明取消了昂贵的电液伺服系统，保证气门运动灵活可变的基础上可明显降低成本，有利于可变气门技术的工程化应用。

Description

一种液压可变气门装置

技术领域

本发明属于发动机技术领域，尤其是涉及一种发动机可变气门液压执行机构。

背景技术

内燃机至今仍然是热效率最高、单位体积和单位重量功率最大的原动机，应用非常广泛，然而随着世界能源的逐渐短缺以及环境资源的不断恶化，我们需要内燃机满足更严格的排放法规。传统内燃机采取固定型线的凸轮轴驱动气门，这使得内燃机的排放与油耗并不能在所有的工况点达到最佳，因此，大多新型内燃机都采用可变气门技术控制排放，降低油耗。

可变气门技术目前主要分为基于凸轮轴的可变配气技术及无凸轮配气技术。前者主要改变机械结构，因此结构简单，响应速度快，但是因为保留了凸轮，其气门只是相对可变，并不能任意可变。而无凸轮配气技术则可以任意的改变气门正时、升程及持续期。就驱动方式来分，无凸轮配气技术分为电磁驱动、电气驱动、电机驱动、电液驱动等方式。相对于电磁驱动的能耗大，电气驱动的响应速度低及不稳定，电机驱动的系统复杂等缺点，电液驱动的无凸轮配气技术结构相对简单、响应速度较快。然而它也有不可避免的缺点：高转速下液压系统流量不够，气门达到最大升程处及落座处速度快、冲击力大。因此主要用于柴油机这种转速较低的发动机上，除此之外，还必须要采用昂贵的电液伺服系统及相对复杂的控制技术来精确的控制气门行程避免落座冲击，而且在多缸机上需要多套电磁阀系统，大大增加了发动机的成本。因此，研究灵活可变而成本又相对较低适用于多缸机的可变气门系统势在必行。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种液压可变气门装置，通过改变外部高压油源以及衬套轴向初始位置，控制液压流体的运动，最终实现气门的可变。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种液压可变气门装置，包括凸轮机构，以及自外向内依次套装的外壳、衬套、活塞套和单杆活塞；所述的衬套、活塞套和单杆活塞同轴；

所述外壳上端开口，其侧壁设有高压通道和低压通道，其下端设有气门开口；

所述衬套的侧壁设有一对与所述高压通道和低压通道分别连通的第二通道和第一通道，所述衬套沿轴向方向与所述外壳间隙滑动配合；

所述凸轮机构中的凸轮与所述活塞套的上端接触，所述活塞套随所述凸轮的型线沿轴向方向与衬套间隙滑动配合；

所述活塞套的侧壁上设有一第三通道；该第三通道随着所述活塞套的上下移动与所述第二通道或第一通道中的一个连通或全部断开；

所述单杆活塞沿轴向方向与所述活塞套间隙滑动配合，其活塞杆上套设有所述气门预紧弹簧并与所述气门固定连接，所述气门与所述气门开口相配合；

所述单杆活塞的活塞面积设为S；所述气门预紧弹簧提供一初始预紧力F，所述气门预紧弹簧的刚度系数设为K，所述低压通道油压压力小于F/S，所述高压通道油压压力大于等于[F+K(L1-L2)]/S。

进一步的，所述外壳内设有控制齿轮，所述衬套的外表面设有一组竖直方向与所述控制齿轮啮合的外齿，所述控制齿轮带动所述衬套沿所述外壳内壁上下滑动。

进一步的，所述外壳内还设有一齿轮轴，所述齿轮轴与所述控制齿轮固定连接。

进一步的，所述活塞套的外回转表面设有环形凹槽，所述第三通道设置在所述环形凹槽的内底面上，并与所述活塞套的内部连通，所述环形凹槽随着所述活塞套的上下移动与所述第二通道或第一通道中的一个连通或全部断开。

进一步的，所述第一通道下沿到所述第二通道上沿的距离设为L1，所述环形凹槽上沿到下沿的距离设为L2，所述L2小于所述L1。

进一步的，所述凸轮机构包括凸轮和凸轮驱动机构，所述活塞套随所述凸轮的型线沿轴向方向与衬套间隙滑动配合，所述凸轮驱动机构驱动所述凸轮沿轴心转动。

相对于现有技术，本发明所述的液压可变气门装置具有以下优势：

(1)本发明所述的液压可变气门装置，通过调节所述高压通道内的油压以及衬套的初始位置，可以改变所述液压腔中液压流体的运动规律，从而实现气门的灵活可变，且取消了昂贵的电液伺服系统，不需要在每一个工作循环下都对液压系统进行操作，而是在气门运动规律需要改变的工况下才对液压参数进行调整，保证气门运动灵活可变的基础上可明显降低成本，有利于可变气门技术的工程化应用，尤其适用于多缸柴油机。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的液压可变气门装置初始状态(凸轮未驱动可变气门装置)下的示意图；

图2是本发明液压可变气门装置中气门即将开启时的示意图；

图3是本发明液压可变气门装置中气门升程及关闭时刻可调时的示意图；

图4是本发明液压可变气门装置中气门开启时刻可调时的示意图；

图5是本发明液压可变气门装置所用符号的示意图。

附图标记说明：

1-凸轮；2-活塞套；3-齿轮轴；4-控制齿轮；5-环形凹槽；6-单杆活塞；7-衬套；8-外壳；9-气门预紧弹簧；10-气门；11-第二通道；12-高压通道；13-低压通道；14-第一通道；15-第三通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至5所示，本发明包括凸轮机构，以及自外向内依次套装的外壳8、衬套7、活塞套2和单杆活塞6；的衬套7、活塞套2和单杆活塞6同轴；

外壳8上端开口，其侧壁设有高压通道12和低压通道13，其下端设有气门开口；

衬套7的侧壁设有一对与高压通道12和低压通道13分别连通的第二通道11和第一通道14，衬套7沿轴向方向与外壳8间隙滑动配合；

凸轮机构中的凸轮1与活塞套2的上端接触，活塞套2随凸轮1的型线沿轴向方向与衬套7间隙滑动配合；

活塞套2的侧壁上设有一第三通道15；该第三通道15随着活塞套2的上下移动与第二通道11或第一通道14中的一个连通或全部断开；

单杆活塞6沿轴向方向与活塞套2间隙滑动配合，其活塞杆上套设有气门预紧弹簧9并与气门10固定连接，气门10与气门开口相配合；

单杆活塞6配合安装在活塞套2内，其活塞杆由活塞套2的下端伸出，套设有气门预紧弹簧9并与气门10固定连接，该气门10通过气门预紧弹簧9与气门开口相配合。

外壳8内设有控制齿轮4，衬套7的外表面设有一组竖直方向与控制齿轮4啮合的外齿，控制齿轮4带动衬套7沿外壳8内壁上下滑动。

外壳8内还设有一齿轮轴3，齿轮轴3与控制齿轮4固定连接。

活塞套2的外回转表面设有环形凹槽5，第三通道15设置在环形凹槽5的内底面上，并与活塞套2的内部连通，环形凹槽5随着活塞套2的上下移动与第二通道11或第一通道14中的一个连通或全部断开。

第一通道14下沿到第二通道11上沿的距离设为L1，环形凹槽5上沿到下沿的距离设为L2，L2小于L1。

凸轮机构包括凸轮1和凸轮驱动机构，活塞套2随凸轮1的型线沿轴向方向与衬套7间隙滑动配合，凸轮驱动机构驱动凸轮1沿轴心转动。

该外壳8上的高压通道12的外端与外部的高压油源连通，该高压油可通过常用溢流阀或节流阀来调节所需要的供油压力，该高压通道12的内端连通至所述外壳8的内回转表面。

该外壳8的低压通道13的外端与外部的低压油源联通，该低压通道13连通至外壳8的内回转表面。

该外壳8内的齿轮轴3带动控制齿轮4旋转，进而通过外齿带动衬套7沿轴向方向与外壳8间隙滑动配合。

该衬套7侧壁上的第二通道11和第一通道14的外端连通至衬套7的外回转表面，内端连通至衬套7的内回转表面，在衬套7静止或移动过程中，第二通道11与高压通道12始终相通，第一通道14与低压通道13始终相通。

活塞套2随凸轮1的型线沿轴向方向与衬套7间隙滑动配合，活塞套2上环形凹槽5上沿至下沿的竖直距离L2小于衬套7上第二通道11上沿至第一通道14下沿的竖直距离L1，第三通道15的外端与环形凹槽5连通，内端连通至活塞套2内回转表面。

所述单杆活塞6的活塞杆套有气门预紧弹簧9并与气门10固定相连。

所述单杆活塞6的活塞面积设为S；所述气门预紧弹簧9提供一初始预紧力F，所述气门预紧弹簧9的刚度系数设为K，本发明中需将所述低压油源压力设为小于F/S，将所述高压油源压力设为大于等于[F+K(L1-L2)]/S。

所述单杆活塞6可沿轴向方向与活塞套2间隙滑动配合；所述单杆活塞6无杆端与所述活塞套2形成一液压腔；在所述活塞套2随所述凸轮1的型线移动过程中，所述液压腔可依次经过所述第三通道15、所述环形凹槽5与所述第一通道14和所述第二通道11中的一个相通或全部断开；当所述液压腔对单杆活塞6的作用力大于所述初始预紧力F时，所述气门10处于开启状态，当所述液压腔对单杆活塞6的作用力小于所述初始预紧力F时，所述气门10处于关闭状态。

本发明的工作过程如下：

在图1中，假设凸轮1顺时针转动，此时凸轮1凸起端与活塞套2上表面无接触，凸轮1未驱动可变气门装置，活塞套2与单杆活塞6无杆端形成的液压腔分别经过第三通道15、环形凹槽5、第一通道14、低压通道13和低压油源相通，由于低压油源压力小于F/S，因此单杆活塞6上表面所受的低压油作用力小于气门预紧弹簧9的初始预紧力F，气门10处于关闭状态。值得注意的是，如果低压油源压力大于F/S，则气门10始终处于开启状态，将会在发动机运行过程中导致活塞与气门相撞，机构损坏。

当凸轮1继续顺时针转动，直至凸轮1凸起端与活塞套2上表面接触时，凸轮1开始驱动可变气门装置，活塞套2沿轴向下移，活塞套2与单杆活塞6无杆端形成的液压腔体积减小，该液压腔中的液压流体从第三通道15、环形凹槽5、第一通道14、低压通道13流进低压油源，由于此时单杆活塞6上表面所受的低压油作用力仍小于气门预紧弹簧9的初始预紧力F，因此气门10仍处于关闭状态。

当凸轮1继续顺时针转动，活塞套2继续下移，直至环形凹槽5上沿低于第一通道14下沿时，如图2所示，活塞套2与单杆活塞6无杆端形成一封闭液压腔，该液压腔的油压在凸轮1旋转带动下迅速升高，对单杆活塞6无杆端的作用力大于气门预紧弹簧9的初始预紧力F，活塞套2和单杆活塞6一起运动，气门10逐渐开启。

当凸轮1继续顺时针转动，活塞套2继续下移，直至环形凹槽5与第二通道11相通时，如图3所示，活塞套2与单杆活塞6无杆端形成的液压腔分别经过第三通道15、环形凹槽5、第二通道11、高压通道12和高压油源相通，此时如果单杆活塞6无杆端所受力大于此时气门预紧弹簧9的总弹簧力(F+K×气门升程)，则气门10在原有凸轮1型线的基础上升程加大；如果单杆活塞6无杆端所受力小于此时气门预紧弹簧9的总弹簧力(F+K×气门升程)，则气门10在原有凸轮1型线的基础上升程减小；通过调节高压油源的压力，改变单杆活塞6无杆端作用力，即可以实现气门升程的变化。值得注意的是，当高压油源压力小于等于[F+K(L1-L2)]/S时，即单杆活塞6无杆端所受力小于等于F+K(L1-L2)时，尽管凸轮1继续转动，但多余的液压油从活塞套2与单杆活塞6无杆端形成的液压腔流回高压源，气门升程保持不变，为L1-L2，因此为实现气门升程的可调，高压油源压力需大于等于[F+K(L1-L2)]/S。

当凸轮1继续顺时针转动，活塞套2到达最低点然后上移，直至环形凹槽5下沿高于第二通道11上沿但环形凹槽5上沿低于第一通道14下沿时，活塞套2与单杆活塞6无杆端又形成一封闭液压腔，该封闭液压腔的初始体积与高压油源压力有关，高压油源压力越高，该液压腔封闭的液体体积越多，高压油源压力越低，该液压腔封闭的液体体积越少。

当凸轮1继续顺时针转动，活塞套2上移，直至环形凹槽5上沿高于第一通道14下沿时，活塞套2与单杆活塞6无杆端形成的液压腔分别经过第三通道15、环形凹槽5、第一通道14、低压通道13和低压油源相通，该液压腔中的液压流体从第三通道15、环形凹槽5、第一通道14、低压通道13流进低压油源，该液压腔封闭的液体体积越多(高压油源压力越高)，气门回落时间越长，从而实现气门晚关，该液压腔封闭的液体体积越少(高压油源压力越低)，气门回落时间越短，从而实现气门早关。因此通过调节高压油源的压力可以实现气门升程和气门关闭时刻的同时改变。

通过调节控制齿轮4，如图4所示，假设控制齿轮4逆时针旋转，衬套7下移，第一通道14下沿到环形凹槽5上沿的初始距离变长，凸轮1需要顺时针转动更多角度才能使活塞套2与单杆活塞6无杆端形成封闭液压腔带动气门10开启，从而实现气门晚开；反之，当控制齿轮4顺时针旋转，衬套7上移，第一通道14下沿到环形凹槽5上沿的距离变短，凸轮1只需要顺时针转动更少角度即可使活塞套2与单杆活塞6无杆端形成封闭液压腔带动气门10开启，从而实现气门早开。

综上，通过调节高压油源的压力以及控制齿轮4的旋转角度(衬套7的初始位置)，即可实现灵活可变的气门运动规律。本发明取消了昂贵的电液伺服系统，不需要在每一个工作循环下都对液压系统进行操作，而是在气门运动规律需要改变的工况下才对液压参数进行调整，保证气门运动灵活可变的基础上可明显降低成本，有利于可变气门技术的工程化应用，尤其适用于多缸柴油机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种液压可变气门装置，其特征在于：包括凸轮机构，以及自外向内依次套装的外壳(8)、衬套(7)、活塞套(2)和单杆活塞(6)；所述的衬套(7)、活塞套(2)和单杆活塞(6)同轴；

所述外壳(8)上端开口，其侧壁设有高压通道(12)和低压通道(13)，其下端设有气门开口；

所述衬套(7)的侧壁设有一对与所述高压通道(12)和低压通道(13)分别连通的第二通道(11)和第一通道(14)，所述衬套(7)沿轴向方向与所述外壳(8)间隙滑动配合；

所述凸轮机构中的凸轮(1)与所述活塞套(2)的上端接触，所述活塞套(2)随所述凸轮(1)的型线沿轴向方向与衬套(7)间隙滑动配合；

所述活塞套(2)的侧壁上设有一第三通道(15)；该第三通道(15)随着所述活塞套(2)的上下移动与所述第二通道(11)或第一通道(14)中的一个连通或全部断开；

所述单杆活塞(6)沿轴向方向与所述活塞套(2)间隙滑动配合，其活塞杆上套设有所述气门预紧弹簧(9)并与所述气门(10)固定连接，所述气门(10)与所述气门开口相配合；

所述单杆活塞(6)的活塞面积设为S；所述气门预紧弹簧(9)提供一初始预紧力F，所述气门预紧弹簧(9)的刚度系数设为K，所述低压通道(13)油压压力小于F/S，所述高压通道(12)油压压力大于等于[F+K(L1-L2)]/S；

所述活塞套(2)的外回转表面设有环形凹槽(5)，所述第三通道(15)设置在所述环形凹槽(5)的内底面上，并与所述活塞套(2)的内部连通，所述环形凹槽(5)随着所述活塞套(2)的上下移动与所述第二通道(11)或第一通道(14)中的一个连通或全部断开；

所述第一通道(14)下沿到所述第二通道(11)上沿的距离设为L1，所述环形凹槽(5)上沿到下沿的距离设为L2，所述L2小于所述L1。

2.根据权利要求1所述的液压可变气门装置，其特征在于：所述外壳(8)内设有控制齿轮(4)，所述衬套(7)的外表面设有一组竖直方向与所述控制齿轮(4)啮合的外齿，所述控制齿轮(4)带动所述衬套(7)沿所述外壳(8)内壁上下滑动。

3.根据权利要求2所述的液压可变气门装置，其特征在于：所述外壳(8)内还设有一齿轮轴(3)，所述齿轮轴(3)与所述控制齿轮(4)固定连接。

4.根据权利要求1所述的液压可变气门装置，其特征在于：所述凸轮机构包括凸轮(1)和凸轮驱动机构，所述活塞套(2)随所述凸轮(1)的型线沿轴向方向与衬套(7)间隙滑动配合，所述凸轮驱动机构驱动所述凸轮(1)沿轴心转动。