CN107143393A - 一种内燃机液压可变气门机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液压可变气门机构，包括凸轮、外壳、衬套、单杆活塞和液压活塞；衬套、单杆活塞和液压活塞同轴并可沿轴向移动；液压活塞内部自上而下依次设有一通道和一单向通道；单杆活塞与液压活塞形成一液压腔，在液压活塞随凸轮的移动过程中，该液压腔或密闭或与外部低压油源直接或间接相通；通过调节液压活塞的旋转角度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

一种内燃机液压可变气门机构

技术领域

本发明属于发动机气门结构技术领域，尤其是涉及一种内燃机液压可变气门机构。

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内燃机液压可变气门机构，通过改变衬套与液压活塞的相对位置，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：

一种内燃机液压可变气门机构，包括凸轮、外壳、衬套、单杆活塞和液压活塞；所述外壳上端开口，底端设有气门口，所述衬套沿轴向方向与所述外壳的内侧壁间隙滑动配合，所述衬套的初始位置可调；所述液压活塞和单杆活塞均沿轴向方向与所述衬套的内侧壁间隙滑动配合，且上下设置，中间形成液压腔；

所述外壳的侧壁设有第一通道，所述衬套侧壁设有第二通道，在所述衬套的初始位置调节过程中，所述第二通道与所述第一通道始终相通；

所述液压活塞上表面与所述凸轮接触，所述液压活塞内部自上而下依次设有第三通道和单向通道；在随所述凸轮的型线移动过程中，所述液压活塞沿轴向方向与所述衬套内壁间隙滑动配合，从而使所述第二通道可与所述液压腔直接相通或相断，所述第二通道内液压流体可通过所述单向通道流进所述液压腔，所述液压腔可通过所述第三通道与所述第二通道相通或相断；

所述单杆活塞的活塞杆上套有气门弹簧并与气门固定相连，所述气门与所述外壳底部的气门口配合，所述气门弹簧可提供一预紧力；

所述第一通道外接一低压油源，所述低压油源压力与所述单杆活塞截面积的乘积小于所述气门弹簧的预紧力；

所述液压活塞可沿自身轴线旋转，旋转角度可调，所述第二通道与所述第三通道之间的流通截面积随之改变。

进一步的，所述外壳内设有横向控制齿轮，所述液压活塞的外表面设有一组水平方向与所述横向控制齿轮啮合的外齿，通过所述横向控制齿轮带动所述液压活塞沿衬套内壁作旋转运动，调节角度。

进一步的，所述外壳内设有纵向控制齿轮，所述衬套的外表面设有一组竖直方向与所述纵向控制齿轮啮合的外齿，通过所述纵向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，所述单向通道左端与液压活塞的外回转表面相通，单向通道下端与液压活塞的下表面相通，液压流体只能从单向通道左端流向单向通道下端；第三通道左端与液压活塞的外回转表面相通，第三通道下端与液压活塞的下表面相通。

进一步的，当所述单向通道左端压力大于下端压力时，所述单向通道处于开通状态；当所述单向通道左端压力小于下端压力时，所述单向通道处于关闭状态。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的内燃机液压可变气门机构，通过调节所述液压活塞的旋转角度以及所述衬套的初始位置，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是本发明液压可变气门机构初始状态(凸轮未驱动可变气门机构)下的示意图；

图2是本发明液压可变气门机构中气门即将开启时的示意图；

图3是本发明液压可变气门机构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机构中气门落座时的示意图；

图5是本发明液压可变气门机构中气门开启时刻可调时的示意图；

图6是本发明液压可变气门机构中衬套与液压活塞配合(即气门升程及关闭时刻可调)的示意图。

附图标记说明：

1.凸轮，2.横向控制齿轮，3.纵向控制齿轮，4.衬套，5.单杆活塞，6.气门弹簧，7.气门，8.第二通道，9.第一通道，10.壳体，11.液压活塞，12.单向通道，13.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。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明一种内燃机液压可变气门机构，如图1至图6所示，包括凸轮1、外壳10、衬套4、单杆活塞5和液压活塞11；所述外壳10上端开口，底端设有气门口，所述衬套4沿轴向方向与所述外壳10的内侧壁间隙滑动配合，所述的衬套4、单杆活塞5和液压活塞11同轴，所述液压活塞11和单杆活塞5均沿轴向方向与所述衬套4的内侧壁间隙滑动配合，且上下设置，中间形成液压腔；

所述外壳10的侧壁设有第一通道9，所述第一通道9外接一低压油源；所述衬套4的侧壁设有与第一通道9连通的第二通道8，在所述衬套的初始位置调节过程中，所述第二通道8与所述第一通道9始终相通；

所述液压活塞11内部自上而下依次设有第三通道和单向通道，单向通道12左端与液压活塞11的外回转表面相通，单向通道12下端与液压活塞11的下表面相通，液压流体只能从单向通道12左端流向单向通道12下端；第三通道13左端与液压活塞11的外回转表面相通，第三通道13下端与液压活塞11的下表面相通；

所述液压活塞11上表面与所述凸轮1接触，随着凸轮1的转动，液压活塞11随凸轮1的型线沿轴向方向与衬套4内壁间隙滑动配合；在随所述凸轮1的型线移动过程中，所述第二通道8可与所述液压腔直接相通或相断，所述第二通道8内液压流体可通过所述单向通道12流进所述液压腔，所述液压腔可通过所述第三通道13与所述第二通道8相通或相断；

所述液压活塞11可绕自身轴线作旋转运动，当液压活塞11旋转时，可以改变第三通道13与第二通道8的相对位置，进而改变第三通道13与第二通道8之间的流通截面积；

所述液压活塞11下方有一单杆活塞5，所述单杆活塞5可沿轴向方向与衬套4内回转表面间隙滑动配合，该单杆活塞5下端的活塞杆上套有气门弹簧6并与气门7固定连接，所述气门弹簧6可提供一预紧力，所述气门7与气门口相配合；所述第一通道9外端与外部低压油源连通，所述低压油源压力与所述单杆活塞截面积的乘积小于所述气门弹簧的预紧力；

所述外壳10内设有横向控制齿轮2，液压活塞11的外表面设有一组水平方向与横向控制齿轮2啮合的外齿，横向控制齿轮2带动液压活塞11沿衬套4内壁作旋转运动，从而实现第三通道13与第二通道8之间的流通截面积可变；

所述外壳10内设有纵向控制齿轮3，所述外壳10内壁上下滑动衬套4的外表面设有一组竖直方向与纵向控制齿轮3啮合的外齿，纵向控制齿轮3带动衬套4沿外壳10内壁上下滑动，从而实现所述衬套4的初始位置可调。

本发明内燃机液压可变气门机构的工作过程如下：

在图1中，假设凸轮1顺时针转动，此时凸轮1凸起端与液压活塞11上表面无接触，凸轮1未驱动可变气门机构，单杆活塞5与液压活塞11之间形成的液压腔分别经过第二通道8、第一通道9与低压油源相通，由于低压油源作用于单杆活塞5的液压力小于气门弹簧6的预紧力，因此气门7处于关闭状态。值得注意的是，如果低压油源作用于单杆活塞5的液压力大于气门弹簧6的预紧力，则气门7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7相撞，机构损坏。

当凸轮1继续顺时针转动，直至凸轮1凸起端与液压活塞11上表面接触时，凸轮1开始驱动可变气门机构，液压活塞11沿轴向下移，液压活塞11与单杆活塞5之间形成的液压腔体积减小，该液压腔中的液压流体从第二通道8、第一通道9流进低压油源，由于此时单杆活塞5上表面所受的液压油作用力仍小于气门预紧弹簧6的初始预紧力，因此气门7仍处于关闭状态。

当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞11继续下移，直至液压活塞11下沿与第二通道8下沿相平时，如图2所示，液压活塞11与单杆活塞5之间形成一封闭液压腔，该液压腔的油压在凸轮1旋转带动下将迅速升高，对单杆活塞5无杆端的作用力大于气门弹簧6的预紧力时，液压活塞11和单杆活塞5一起运动，气门7逐渐开启。

当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞11继续下移，直至第三通道13的左端与第二通道8相通时，如图3所示，液压腔经过第三通道13、第二通道8与低压油源相通，液压腔体积逐渐减小，在凸轮1的运动规律基础上气门7升程变小。

当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞11到达最低点然后上移，直至气门7关闭时，如图4所示，此时凸轮1将继续顺时针转动，液压腔内压力急剧降低，且其压力低于外界低压油源压力时，液压流体从第一通道9、第二通道8、单向通道12流进液压腔，液压活塞11继续与凸轮1接触，防止脱离，从而可以准备下一循环。

通过调节纵向控制齿轮3，如图5所示，假设纵向控制齿轮3逆时针旋转，衬套4下移，第二通道8下沿到液压活塞11下沿的初始距离变长，凸轮1需要顺时针转动更多角度才能使液压活塞11与单杆活塞5之间形成封闭液压腔带动气门7开启，从而实现气门晚开；反之，当纵向控制齿轮3顺时针旋转，衬套4上移，第二通道8下沿到液压活塞11下沿的初始距离变短，凸轮1只需要顺时针转动更少角度即能使液压活塞11与单杆活塞5之间形成封闭液压腔带动气门7开启，从而实现气门早开。

通过调节横向控制齿轮2，可以改变第三通道13与第二通道8的相对位置，如图6所示，进而改变液压腔流体从第三通道13流进第二通道8的流通截面积，实现可变节流，当流通截面积增大时，液压腔体积迅速减小，在凸轮1的运动规律基础上气门7升程快速变小，并提前关闭；当流通截面积减小时，液压腔体积缓慢减小，在凸轮1的运动规律基础上气门7升程缓慢变小，并延迟关闭。

综上，通过调节横向控制齿轮2以及纵向控制齿轮3的旋转角度，即通过调节所述液压活塞11的旋转角度以及所述衬套4的初始位置，可以改变所述液压腔中液压流体的运动规律，从而实现所述气门7的灵活可变。

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 (5)

1.一种内燃机液压可变气门机构，其特征在于：包括凸轮(1)、外壳(10)、衬套(4)、单杆活塞(5)和液压活塞(11)；所述外壳(10)上端开口，底端设有气门口，所述衬套(4)沿轴向方向与所述外壳(10)的内侧壁间隙滑动配合，所述衬套(4)的初始位置可调；所述液压活塞(11)和单杆活塞(5)均沿轴向方向与所述衬套(4)的内侧壁间隙滑动配合，且上下设置，中间形成液压腔；

所述外壳(10)的侧壁设有第一通道(9)，所述衬套(4)侧壁设有第二通道(8)，在所述衬套的初始位置调节过程中，所述第二通道(8)与所述第一通道(9)始终相通；所述液压活塞(11)内部自上而下依次设有第三通道(13)和单向通道(12)；

在所述液压活塞(11)随凸轮(1)的转动沿轴向方向与衬套(4)内壁间隙滑动配合过程中，所述第二通道(8)可与所述液压腔直接相通或相断；或使所述第二通道(8)通过单向通道(12)或第三通道(13)与所述液压腔间接相通或相断，相通时，所述第二通道(8)内液压流体通过所述单向通道(12)流进所述液压腔；

所述液压活塞(11)可沿自身轴线旋转，旋转角度可调，所述第二通道(8)与所述第三通道(13)之间的流通截面积随之改变；

所述单杆活塞(5)的活塞杆上套有气门弹簧(6)并与气门(7)固定相连，所述气门(7)与所述外壳(10)底部的气门口配合，所述气门弹簧(6)可提供一预紧力；所述第一通道(9)外接一低压油源，所述低压油源压力与所述单杆活塞(5)截面积的乘积小于气门弹簧(6)的预紧力。

2.根据权利要求1所述的内燃机液压可变气门机构，其特征在于：所述外壳(2)内设有横向控制齿轮(2)，所述液压活塞(11)的外表面设有一组水平方向与所述横向控制齿轮(2)啮合的外齿，通过所述横向控制齿轮(2)带动所述液压活塞(11)沿衬套(4)内壁作旋转运动，调节角度。

3.根据权利要求1所述的内燃机液压可变气门机构，其特征在于：所述外壳(2)内设有纵向控制齿轮(3)，所述衬套(4)的外表面设有一组竖直方向与所述纵向控制齿轮(3)啮合的外齿，通过所述纵向控制齿轮(3)带动所述衬套(4)沿所述外壳(2)内壁上下滑动。

4.根据权利要求1所述的内燃机液压可变气门机构，其特征在于：所述单向通道(12)左端与所述液压活塞(11)的外回转表面相通，所述单向通道(12)下端与所述液压活塞(11)的下表面相通，液压流体只能从所述单向通道(12)左端流向所述单向通道(12)下端；所述第三通道(13)左端与所述液压活塞(11)的外回转表面相通，所述第三通道(13)下端与所述液压活塞(11)的下表面相通。

5.根据权利要求4所述的内燃机液压可变气门机构，其特征在于：当所述单向通道(12)左端压力大于下端压力时，所述单向通道(12)处于开通状态；当所述单向通道(12)左端压力小于下端压力时，所述单向通道(12)处于关闭状态。