CN107355276A - 一种高液压驱动的可变气门机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高液压驱动的可变气门机构，包括凸轮、外壳、衬套、单杆活塞、液压活塞和气门；衬套、单杆活塞和液压活塞同轴并可沿轴向移动；单杆活塞与液压活塞之间形成一液压腔，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高压油源相通；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

一种高液压驱动的可变气门机构
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的高压流体驱动的可变气门机构。
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高液压驱动的可变气门机构，通过改变外部高压油源压力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：
一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于：包括凸轮、外壳、衬套、单杆活塞、液压活塞和气门；
所述外壳上端开口，所述衬套可沿轴向方向与所述外壳内侧壁间隙滑动配合；所述衬套的侧壁设有第二通道，所述外壳的侧壁设有第三通道，所述衬套的初始位置可调，调节过程中，所述第二通道与所述第三通道始终连通；
所述凸轮与所述液压活塞上端接触，随着所述凸轮的转动，所述液压活塞与衬套内壁间隙滑动配合；
所述外壳下部设有活塞腔，所述活塞腔顶部设有第一通道，底部设有气门开口，所述单杆活塞沿轴向方向与所述活塞腔的内壁间隙滑动配合；所述液压活塞下表面与活塞腔上表面之间形成液压腔；所述单杆活塞的活塞杆套有气门弹簧并与所述气门固定连接，所述气门与气门开口配合；
所述液压活塞内部自上而下依次设有单向液压通道和第四液压通道；所述单向液压通道左端以及所述第四液压通道左端均与所述液压活塞的外回转表面相通，所述单向液压通道下端以及所述第四液压通道下端均与所述液压腔相通；
在所述液压活塞的上下移动过程中，所述第二通道与所述液压腔、单向液压通道左端以及所述第四液压通道左端实现相连或断开；当所述单向液压通道处于开通状态时，液压流体只能从所述液压腔流向所述第二通道；
所述第三通道外接一高压油源，所述高压油源压力与所述第一液压通道的截面积的乘积小于所述气门弹簧的预紧力，所述高压油源压力与所述单杆活塞的截面积的乘积大于所述气门弹簧的预紧力。
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，所述衬套内部设有贯通上下端面的第一气道。
进一步的，所述高压油源可通过溢流阀或节流阀来调节所需要的供油压力。
进一步的，所述单向液压通道左端以及所述第四液压通道左端之间的距离小于第二通道的宽度。
进一步的，所述单杆活塞内部设有柱塞、柱塞弹簧和第二气道，所述柱塞与所述柱塞弹簧上下设置，其所在通道与所述第一液压通道连通，并通过所述第二气道与所述活塞腔连通；所述柱塞可以沿所述单杆活塞内壁上下滑动。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明高液压驱动的可变气门机构通过改变外部高压油源压力以及衬套轴向初始位置，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是本发明初始状态(凸轮未驱动可变气门机构)的示意图；
图2是本发明中气门即将开启时的示意图；
图3是本发明中气门最大升程及关闭时刻可调时的示意图；
图4是本发明中气门维持在最大升程处的示意图；
图5是本发明中气门即将回落时的示意图；
图6是本发明中气门刚关闭时的示意图；
图7是本发明中柱塞运动时的示意图；
图8是本发明中衬套与液压活塞配合(即气门开启时刻可调)的示意图；
图9是本发明中单杆活塞的放大示意图。
附图标记说明：
1.凸轮，2.控制齿轮，3.衬套，4.第一气道，5.单杆活塞，6.气门弹簧，7.气门，8.第一液压通道，9.第二液压通道，10.第三液压通道，11.外壳，12.液压活塞，13.第四液压通道，14.单向液压通道；15液压腔；51.第二气道，52.柱塞弹簧，53.柱塞。
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。
如图1至图9所示，本发明高液压驱动的可变气门机构包括凸轮1、外壳11、衬套3、单杆活塞5、液压活塞12和气门7；所述衬套3、所述单杆活塞5和所述液压活塞12同轴设置；
所述外壳11上端开口，所述衬套3可沿轴向方向与所述外壳11内侧壁间隙滑动配合；所述衬套3的侧壁设有第二通道9，所述外壳11的侧壁设有第三通道10，所述衬套3的初始位置可调，调节过程中，所述第二通道9与所述第三通道10始终连通；所述外壳11下部设有活塞腔，所述活塞腔顶部设有第一通道8，底部设有气门开口，所述单杆活塞5沿轴向方向与所述活塞腔的内壁间隙滑动配合；所述液压活塞12下表面与活塞腔上表面之间形成液压腔15；
所述凸轮1与所述液压活塞12上表面接触，随着所述凸轮1的转动，所述液压活塞12随所述凸轮1的型线沿轴向方向与所述衬套3内侧壁间隙滑动配合；
所述液压活塞12内部自上而下设有单向液压通道14和第四液压通道13；所述单向液压通道14左端以及所述第四液压通道13左端均与所述液压活塞12的外回转表面相通，所述单向液压通道14下端以及所述第四液压通道13下端均与所述液压活塞12的下表面相通；
在所述液压活塞12的上下移动过程中，所述单向液压通道14左端以及所述第四液压通道13左端都可与所述第二通道9相连或断开；其中，当所述单向液压通道14下端压力大于单向液压通道14左端压力时，所述单向液压通道处于开通状态，液压流体只能从所述单向液压通道14流向所述第二通道9；当所述单向液压通道14下端压力小于等于单向液压通道14左端压力时，所述单向液压通道14处于关闭状态；
所述单杆活塞5下端的活塞杆上套有气门弹簧6并与所述气门7固定连接，所述气门7与气门开口互相配合，所述气门弹簧6提供一预紧力；
在气门关闭状态下，所述液压腔15通过所述第一液压通道8与所述单杆活塞5上表面的一部分相通，该部分面积等于所述第一液压通道8的截面积；在气门开启状态下，所述液压腔15通过所述第一液压通道8与所述单杆活塞5上表面全部相通；
所述第三液压通道10外端与外部高压油源连通，该高压油源可通过常用的溢流阀或节流阀来调节所需要的供油压力，该高压油源压力与所述第一液压通道8截面积的乘积小于所述气门弹簧6的预紧力，该高压油源压力与所述单杆活塞5截面积的乘积大于所述气门弹簧6的预紧力。
所述单杆活塞5内部设有柱塞53、柱塞弹簧52和第二气道51，柱塞53所述柱塞53与柱塞弹簧52上下设置，其所在通道与第一液压通道8连通，且通过第二气道51连通活塞腔；在来自液压腔15液压流体压力、柱塞弹簧52力以及气体压力(单杆活塞5下表面，为进气或排气压力)的综合作用下，所述柱塞53可以沿所述单杆活塞5内壁上下滑动。防止因液压腔15内液压流体压力过低产生气泡，影响可变气门机构运行规律。
所述外壳11内设有控制齿轮2，所述衬套3的外表面设有一组竖直方向与所述控制齿轮2啮合的外齿，所述控制齿轮2带动所述衬套3沿所述外壳11内壁上下滑动，从而实现衬套3初始位置可调。
所述衬套3内部设有贯通上下端面的第一气道4，当衬套3竖直方向设有第一气道4，可以保证衬套3在运动过程中，上下两个端面受力平衡，使控制齿轮2更容易控制衬套3。
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凸起端与液压活塞12上表面无接触，凸轮1未驱动可变气门机构，单杆活塞5上表面的一部分(此时该部分面积等同于第一液压通道8截面积)通过第一液压通道8、液压腔15、第二液压通道9、第三液压通道10与外界高压油源相通，此时液压流体对单杆活塞5向下的作用力等于液压流体压力与第一液压通道8截面积的乘积，由于该作用力小于气门弹簧6的预紧力，因此气门7处于关闭状态。
当凸轮1继续顺时针转动，直至凸轮1凸起端与液压活塞12上表面接触时，凸轮1开始驱动液压活塞12，液压活塞12沿轴向下移，液压腔15体积减小，液压流体从液压腔15中经过第二液压通道9、第三液压通道10流回外界高压油源，此时液压流体对单杆活塞5向下的作用力仍小于气门弹簧6的预紧力，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12继续下移，直至液压活塞12下沿与第二液压通道9下沿相平时，如图2所示，此时液压腔15处于封闭状态，该液压腔15内的油压在凸轮1旋转带动下迅速升高，对单杆活塞5向下的作用力开始大于气门弹簧6的预紧力，单杆活塞5逐渐向下移动，气门7逐渐开启。
当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞12继续下移，直至第四液压通道13左端与第二液压通道9相通时，如图3所示，单杆活塞5上表面通过第一液压通道8、液压腔15、第四液压通道13、第二液压通道9、第三液压通道10与外界高压油源相通，此时液压流体对单杆活塞5向下的作用力等于液压流体压力与单杆活塞5截面积的乘积，由于该作用力大于气门弹簧6的预紧力，液压腔15体积逐渐增大，在凸轮1的运动规律基础上气门7升程迅速增大，直至气门7达到最大升程，在最大升程处时液压流体对单杆活塞5向下的作用力与气门弹簧6对单杆活塞5向上的作用力处于平衡状态。通过调节外界高压油源压力，可以改变液压流体压力，进而可以改变最大升程；例如当外界高压油源压力增大时，液压流体压力升高，气门7最大升程增大；当外界高压油源压力减小时，液压流体压力降低，气门7最大升程减小。
当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞12继续下移，直至第四液压通道13左端和单向液压通道14左端都与第二液压通道9相通时(因为所述单向液压通道14左端以及所述第四液压通道13左端之间的距离小于第二通道9的宽度)，如图4所示。如果此时气门7仍未达到最大升程，则液压流体继续经过外界高压油源、第三液压通道10、第二液压通道9和第四液压通道13流进液压腔15，气门升程继续增大；如果此时气门7达到最大升程，尽管液压活塞12继续下移，但液压流体从液压腔15经过第四液压通道13和单向液压通道14、第二液压通道9、第三液压通道10流进外界高压油源，气门升程维持不变。
当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞12继续下移，直至第二液压通道9只和单向液压通道14相通时，如图5所示。如果此时气门7仍未达到最大升程，即意味着液压腔15内的压力要低于外界高压油源压力，单向液压通道14处于断开状态，液压腔15处于封闭状态，气门7在液压活塞12的带动下继续下移，气门升程进一步增大；如果此时气门7达到最大升程，即意味着液压腔15内的压力与外界高压油源压力相当，活塞12继续下移会导致液压腔15内的压力继续升高并大于外界高压油源压力，此时单向液压通道14将处于开启状态，液压流体从液压腔15经过单向液压通道14、第二液压通道9、第三液压通道10流进外界高压油源，气门升程维持不变。
当凸轮1继续顺时针转动，凸轮1的凸起端经过最低点，液压活塞12上升时，液压腔15内的压力降低，单向液压通道14处于断开状态，液压腔15处于封闭状态，气门7将随着液压活塞12上升而上升，直至气门7刚处于关闭状态，如图6所示。在此过程中，第四液压通道13始终与第二液压通道9不相通，即第二液压通道9下沿始终高于第四液压通道13左端上沿。当气门最大升程较大时，气门回落时间越长，气门关闭的越晚；当气门最大升程较小时，气门回落时间也越短，气门关闭的越早。因此通过调节外界油源压力，不仅可以影响气门最大升程，还可以影响气门关闭时刻。
当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞12上升，直至第二液压通道9下沿与第四液压通道13左端上沿齐平时，如图7所示，由于此时气门7已处于关闭状态，且第四液压通道13仍未打开，将会导致液压腔15内的压力迅速降低，此时柱塞53将在外界进排气以及柱塞弹簧52的作用下开始上升，避免液压腔15内压力过低产生气泡，影响可变气门机构运行规律。
当凸轮1继续顺时针转动，液压活塞12上升，直至第二液压通道9与第四液压通道13相通，或者第二液压通道9直接与液压腔15相通时(如图1所示)，此时柱塞53将在高压液压流体的驱动下迅速下移，而气门仍处于关闭状态。
由此周而复转，准备进行下一个循环。
通过调节控制齿轮2，如图8所示，假设控制齿轮2逆时针旋转，衬套3下移，与图2相比，图8中第二通道9下沿到液压活塞12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腔15封闭从而带动气门7开启，最终实现气门晚开；反之，当控制齿轮2顺时针旋转，衬套3上移，第二通道9下沿到液压活塞12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使液压腔15封闭从而带动气门7开启，最终实现气门早开。
综上，通过调节高压油源的压力以及控制齿轮2的旋转角度(衬套3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 (7)

1.一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于：包括凸轮(1)、外壳(11)、衬套(3)、单杆活塞(5)、液压活塞(12)和气门(7)；
所述外壳(11)上端开口，所述衬套(3)可沿轴向方向与所述外壳(11)内侧壁间隙滑动配合；所述衬套(3)的侧壁设有第二通道(9)，所述外壳(11)的侧壁设有第三通道(10)，所述衬套(3)的初始位置可调，调节过程中，所述第二通道(9)与所述第三通道(10)始终连通；
所述凸轮(1)与所述液压活塞(12)上端接触，随着所述凸轮(1)的转动，所述液压活塞(12)与衬套(3)内壁间隙滑动配合；
所述外壳(11)下部设有活塞腔，所述活塞腔顶部设有第一通道(8)，底部设有气门开口，所述单杆活塞(5)沿轴向方向与所述活塞腔的内壁间隙滑动配合；所述液压活塞(12)下表面与活塞腔上表面之间形成液压腔(15)；所述单杆活塞(5)的活塞杆套有气门弹簧(6)并与所述气门(7)固定连接，所述气门(7)与气门开口配合；
所述液压活塞(12)内部自上而下依次设有单向液压通道(14)和第四液压通道(13)，所述单向液压通道(14)左端和所述第四液压通道(13)左端均连通至所述液压活塞(12)的外回转表面，所述单向液压通道(14)下端和所述第四液压通道(13)下端均连通至所述液压腔(15)；
在所述液压活塞(12)的上下移动过程中，所述第二通道(9)与所述液压腔(15)、所述单向液压通道(14)左端以及所述第四液压通道(13)左端实现相连或断开；当所述单向液压通道(14)处于开通状态时，液压流体只能从所述液压腔(15)流向所述第二通道(9)；
所述第三通道(10)外接一高压油源，所述高压油源压力与所述第一液压通道(8)的截面积的乘积小于所述气门弹簧(6)的预紧力，所述高压油源压力与所述单杆活塞(5)的截面积的乘积大于所述气门弹簧(6)的预紧力。
2.根据权利要求1所述一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于，所述外壳(11)内设有控制齿轮(2)，所述衬套(3)的外表面设有一组竖直方向与所述控制齿轮(2)啮合的外齿，所述控制齿轮(2)带动所述衬套(3)沿所述外壳(11)内壁上下滑动。
3.根据权利要求1所述一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于，当所述单向液压通道(14)下端压力大于单向液压通道(14)左端压力时，所述单向液压通道(14)处于开通状态。
4.根据权利要求1所述一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于，所述衬套(3)内部设有贯通上下端面的第一气道(4)。
5.根据权利要求1所述一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于，所述高压油源可通过溢流阀或节流阀来调节所需要的供油压力。
6.根据权利要求1所述一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于：所述单向液压通道(14)左端以及所述第四液压通道(13)左端之间的距离小于所述第二通道(9)的宽度。
7.根据权利要求1所述一种高液压驱动的可变气门机构，其特征在于：所述单杆活塞(5)内部设有柱塞(53)、柱塞弹簧(52)和第二气道(51)，所述柱塞(53)与所述柱塞弹簧(52)上下设置，其所在通道与所述第一液压通道(8)连通，并通过所述第二气道(51)与活塞腔连通；所述柱塞(53)可以沿所述单杆活塞(5)内壁上下滑动。
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