CN108412574B - 一种机械式可变气门机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械式可变气门机构，包括凸轮、衬套和柱塞，所述凸轮底部分别与所述柱塞的顶部、所述衬套的顶部互相配合，所述衬套自外向内依次套接所述柱塞套和柱塞，所述柱塞套表面与所述柱塞、所述衬套相对滑动，所述柱塞套的上表面接触连接控制杆，所述控制杆分别与所述衬套中部通孔、所述柱塞中部通孔互相配合；所述柱塞套底部连接至气门，所述气门顶部与衬套之间设有衬套弹簧、与所述柱塞之间设有柱塞弹簧，所述气门内部设有气门弹簧。本发明所述的机械式可变气门机构，通过改变控制杆的水平运动位移，可以改变控制杆的凸台与衬套中部通孔和柱塞中部之间的配合规律，最终改变所述气门的运动规律，实现2/4冲程可变。

Description

一种机械式可变气门机构

技术领域

本发明属于发动机领域，尤其是涉及一种机械式可变气门机构。

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与经济性指标。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，大大增加了发动机的成本。因此，需要针对发动机具体的用途来采用合适的可变气门技术。

已经公知的是，如发明专利(名称：多模式2冲程/4冲程内燃发动机；专利号：200880102440.0)中所描述的，通过将发动机冲程从4冲程运行切换到2冲程运行可以使得燃烧频率被翻倍,甚至在每一循环的输出功相同时也实现发动机功率的翻倍。由此，有必要针对上述需求，研究耗能低而又灵活可变的气门机构，以实现2/4冲程互换功能。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种机械式可变气门机构，以提供一种用于实现2/4冲程互换功能，耗能低、灵活可变的气门机构。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种机械式可变气门机构，包括凸轮、控制杆、衬套、气门、柱塞套和柱塞，所述柱塞外部套接所述柱塞套，所述柱塞套外部套接所述衬套，并可相对所述柱塞、所述衬套上下滑动，所述柱塞套底部固定连接至所述气门，所述气门顶部与所述衬套底部之间设有衬套弹簧、与所述柱塞底部之间设有柱塞弹簧，所述凸轮为中间设有第一型线、两端分别设有一个第二型线的中心对称结构，所述控制杆的外表面设有若干环形凹槽，所述环形凹槽把所述控制杆的外表面分成凸台与凹槽，所述凸台与所述柱塞套的上表面接触连接，所述衬套顶部沿径向设有第一通孔，所述柱塞的中部沿径向设有第二通孔，所述控制杆穿过所述第一通孔、所述第二通孔可沿所述衬套、所述柱塞水平运动，当所述凸台与所述第二通孔接触配合时，所述凹槽与所述第一通孔无接触，所述第一型线通过所述柱塞、所述控制杆和所述柱塞套驱动所述气门上下运动；当所述凸台与所述第一通孔接触配合时，所述凹槽与所述第二通孔无接触，所述第二型线通过所述衬套、所述控制杆和所述柱塞套驱动所述气门上下运动；同一时间，所述凸台只能与所述第一通孔、所述第二通孔中的一个配合。

进一步的，所述气门内部设有气门弹簧。

进一步的，所述凸轮每转一圈，所述第一型线底部与所述柱塞的顶部互相配合一次，可以使所述气门开启关闭一次。

进一步的，所述凸轮每转一圈，所述第二型线底部与所述衬套的顶部互相配合两次，可以使所述气门开启关闭两次。

进一步的，所述第一型线为单桃形，所述第二型线为双桃形。

进一步的，所述控制杆连接至第一步进电机和第二步进电机。

进一步的，所述衬套弹簧的最大弹力小于所述气门弹簧的预紧力。

进一步的，所述柱塞弹簧的最大弹力小于所述气门弹簧的预紧力。

进一步的，所述凸轮转速与发动机转速比为1：2。

相对于现有技术，本发明所述的机械式可变气门机构具有以下优势：

(1)本发明所述的机械式可变气门机构，通过改变控制杆的水平运动位移，可以改变控制杆的凸台与衬套第一通孔和柱塞第二通孔之间的配合规律，最终改变所述气门的运动规律，实现2/4冲程可变。

(2)本发明所述的机械式可变气门机构，不需要在每一个工作循环下都对控制机构进行操作，而是在冲程需要改变的工况下才进行调整，控制简单，有利于可变气门技术的工程化应用。

(3)本发明所述的机械式可变气门机构，凸轮为中间设有第一型线、两端设有一个第二型线的中心对称结构，从而大幅减小凸轮对气门的侧向力，有效防止机油泄露并降低气门的摩擦损失。

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是本发明实施例处于4冲程工况下气门开启时的示意图；

图2是本发明实施例处于4冲程工况下气门关闭时的示意图；

图3是本发明实施例处于2冲程工况下气门开启时的示意图；

图4是本发明实施例处于2冲程工况下气门关闭时的示意图；

图5是本发明实施例中凸轮的主视图；

图6是本发明实施例中凸轮的侧视图；

图7是本发明实施例中凸轮的俯视图；

图8是本发明实施例中控制杆与控制机构配合的示意图；

图9是本发明实施例中衬套的主视图；

图10是本发明实施例中衬套的侧视图；

图11是本发明实施例中衬套的俯视图；

图12是本发明实施例中柱塞的主视图；

图13是本发明实施例中柱塞的侧视图；

图14是本发明实施例中柱塞的俯视图。

附图标记说明：

1-凸轮；101-第一型线；102-第二型线；2-控制杆；201-凸台；202-凹槽；203-第一步进电机；204-第二步进电机；3-衬套；301-第一通孔；4-衬套弹簧；5-气门；6-气门弹簧；7-柱塞套；8-柱塞弹簧；9-柱塞；901-第二通孔。

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。

一种机械式可变气门机构，如图1至图8所示，包括凸轮1、控制杆2、衬套3、气门5、柱塞套7和柱塞9，所述柱塞9外部套接所述柱塞套7，所述柱塞套7外部套接所述衬套3，并可相对所述柱塞9、所述衬套3上下滑动，所述柱塞套7底部固定连接至所述气门5，所述气门5顶部与所述衬套3底部之间设有衬套弹簧4、与所述柱塞9底部之间设有柱塞弹簧8，所述凸轮1为中间设有第一型线101、两端分别设有一个第二型线102的中心对称结构，从而大幅减小所述凸轮1对气门5的侧向力，有效防止机油泄露并降低气门5的摩擦损失；所述控制杆2的外表面设有若干环形凹槽，所述环形凹槽把所述控制杆2的外表面分成凸台201与凹槽202，所述凸台201与所述柱塞套7的上表面接触连接，所述衬套3顶部沿径向设有第一通孔301，所述柱塞9的中部沿径向设有第二通孔901，所述控制杆2穿过所述第一通孔301、所述第二通孔901可沿所述衬套3、所述柱塞9水平运动，当所述凸台201与所述第二通孔901接触配合时，所述凹槽202与所述第一通孔301无接触，所述第一型线101通过所述柱塞9、所述控制杆2和所述柱塞套7驱动所述气门5上下运动；当所述凸台201与所述第一通孔301接触配合时，所述凹槽202与所述第二通孔901无接触，所述第二型线102通过所述衬套3、所述控制杆2和所述柱塞套7驱动所述气门5上下运动；同一时间，所述凸台201只能与所述第一通孔301、所述第二通孔901中的一个配合。

所述气门5内部设有气门弹簧6。

所述凸轮1每转一圈，所述第一型线101底部与所述柱塞9的顶部互相配合一次，可以使所述气门5开启关闭一次。

所述凸轮1每转一圈，所述第二型线102底部与所述衬套3的顶部互相配合两次，可以使所述气门5开启关闭两次。

所述第一型线101为单桃形，所述第二型线102为双桃形。

所述控制杆2连接至第一步进电机203和第二步进电机204，通过调节控制杆2的水平运动距离，可以在柱塞9顶部配合第一型线101、衬套3顶部配合第二型线102之间实现切换，最终实现2/4冲程可变。。

所述衬套弹簧4的最大弹力小于所述气门弹簧6的预紧力。

所述柱塞弹簧8的最大弹力小于所述气门弹簧6的预紧力。

所述凸轮1转速与发动机转速比为1：2。一种机械式可变气门机构的工作过程为：

在图1和图2中，当所述控制杆2的凸台201与所述柱塞9的中部第二通孔901接触配合时，所述控制杆2的凹槽202与所述衬套3顶部的第一通孔301无接触；此时所述柱塞9、所述控制杆2、所述柱塞套7与所述气门5之间构成一刚性整体，在所述第一型线101与所述柱塞9的配合过程中，所述第一型线101克服所述气门弹簧6的预紧力，驱动气门5上下运动，实现气门的开启与关闭；而在所述第二型线102与所述衬套3的配合过程中，所述第二型线102克服所述衬套弹簧4的弹簧力，使所述衬套3沿所述柱塞套7外表面上下滑动，由于所述衬套弹簧4的弹簧力小于所述气门弹簧6的预紧力，因此所述衬套3的运动对气门5的运动规律无影响。由于所述凸轮1转速与发动机转速比为1：2，且所述凸轮1每转一圈，所述第一型线101与柱塞9的顶部接触配合一次，使气门5开启关闭一次，因此图1和图2都为四冲程模式。

在图3和图4中，利用第一步进电机203和第二步进电机204使所述控制杆2向左移动。此时，所述控制杆2的凸台201与所述衬套3顶部的第一通孔301接触配合，所述控制杆2的凹槽202与所述柱塞9的中部第二通孔901无接触；所述衬套3、所述控制杆2、所述柱塞套7与所述气门5之间构成一刚性整体，在所述第二型线102与所述衬套3的配合过程中，所述第二型线102克服所述气门弹簧6的预紧力，驱动气门5上下运动，实现气门的开启与关闭；而在所述第一型线101与所述柱塞9的配合过程中，所述第一型线101克服所述柱塞弹簧8的弹簧力，使所述柱塞9沿所述柱塞套7内表面上下滑动，由于所述柱塞弹簧8的弹簧力小于所述气门弹簧6的预紧力，因此所述柱塞9的运动对气门5的运动规律无影响。由于所述凸轮1转速与发动机转速比为1：2，且所述凸轮1每转一圈，所述第二型线102与衬套3的顶部配合二次，使气门5开启关闭二次，因此图3和图4都为二冲程模式。

综上，通过改变所述控制杆2的水平运动位移，可以改变所述凸台201与所述第一通孔301、所述第二通孔901之间的配合规律，最终改变所述气门5的运动规律，实现2/4冲程可变。本发明不需要在每一个工作循环下都对控制机构进行操作，而是在冲程需要改变的工况下才进行调整，控制简单，有利于可变气门技术的工程化应用。

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 (9)

1.一种机械式可变气门机构，其特征在于：包括凸轮(1)、控制杆(2)、衬套(3)、气门(5)、柱塞套(7)和柱塞(9)，

所述柱塞(9)外部套接所述柱塞套(7)，所述柱塞套(7)外部套接所述衬套(3)，并可相对所述柱塞(9)、所述衬套(3)上下滑动，所述柱塞套(7)底部固定连接至所述气门(5)，所述气门(5)顶部与所述衬套(3)底部之间设有衬套弹簧(4)、与所述柱塞(9)底部之间设有柱塞弹簧(8)，所述凸轮(1)为中间设有第一型线(101)、两端分别设有一个第二型线(102)的中心对称结构，所述控制杆(2)的外表面设有若干环形凹槽，所述环形凹槽把所述控制杆(2)的外表面分成凸台(201)与凹槽(202)，所述凸台(201)与所述柱塞套(7)的上表面接触连接，所述衬套(3)顶部沿径向设有第一通孔(301)，所述柱塞(9)的中部沿径向设有第二通孔(901)，所述控制杆(2)穿过所述第一通孔(301)、所述第二通孔(901)可沿所述衬套(3)、所述柱塞(9)水平运动，当所述凸台(201)与所述第二通孔(901)接触配合时，所述凹槽(202)与所述第一通孔(301)无接触，所述第一型线(101)通过所述柱塞(9)、所述控制杆(2)和所述柱塞套(7)驱动所述气门(5)上下运动；当所述凸台(201)与所述第一通孔(301)接触配合时，所述凹槽(202)与所述第二通孔(901)无接触，所述第二型线(102)通过所述衬套(3)、所述控制杆(2)和所述柱塞套(7)驱动所述气门(5)上下运动；同一时间，所述凸台(201)只能与所述第一通孔(301)、所述第二通孔(901)中的一个配合。

2.根据权利要求1所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述气门(5)内部设有气门弹簧(6)。

3.根据权利要求1所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述凸轮(1)每转一圈，所述第一型线(101)底部与所述柱塞(9)的顶部互相配合一次，使所述气门(5)开启关闭一次。

4.根据权利要求1所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述凸轮(1)每转一圈，所述第二型线(102)底部与所述衬套(3)的顶部互相配合两次，使所述气门(5)开启关闭两次。

5.根据权利要求1所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述第一型线(101)为单桃形，所述第二型线(102)为双桃形。

6.根据权利要求1所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述控制杆(2)连接至第一步进电机(203)和第二步进电机(204)。

7.根据权利要求2所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述衬套弹簧(4)的最大弹力小于所述气门弹簧(6)的预紧力。

8.根据权利要求2所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述柱塞弹簧(8)的最大弹力小于所述气门弹簧(6)的预紧力。

9.根据权利要求1所述的一种机械式可变气门机构，其特征在于：所述凸轮(1)转速与发动机转速比为1：2。