CN108590799A - 一种液压驱动的全可变配气机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液压驱动的全可变配气机构，包括凸轮、移动凸台、液压活塞、外壳、第一电磁阀卸油控制组件、液压柱塞、气门、高压油源和单向阀，移动凸台置于液压活塞上的压力室内；改变压力室内油量可以改变移动凸台伸出液压活塞顶面的高度，进而改变气门升程，外壳、液压活塞和液压柱塞之间形成液压活塞腔；液压活塞驱动活塞腔内的液压油进而驱动液压柱塞带动气门运动，通过改变活塞腔内液压油的压力和流动状态，可以实现气门相位可变。本发明实现了配气相位和升程的全可变，对于改善内燃机的经济性和排放性有重要的意义。

Description

一种液压驱动的全可变配气机构

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种液压驱动的全可变配气机构。

背景技术

能源与环境问题是当今汽车工业所面临的两个重要问题。研发能耗低、污染小的高效节能环保的发动机是目前发动机研发的主要方向，其中，可变配气相位技术已成为提高发动机动力性和经济性的重要技术之一。

传统发动机采用固定的气门升程曲线，同时采用调节节气门开度来控制进入气缸内的混合气的量。但是存在的问题有，一是固定的气门升程曲线不能满足不同工况下进气的需要。理想的配气相位是低速时具有较小的进气迟闭角，高速时具有较大的进气迟闭角。二是在中小负荷工况下节气门开度小，内燃机的泵气损失将显著增加，若能取消节气门，则能降低泵气损失。因此，为满足不同工况下内燃机的进气要求，可变气门技术应运而生。

中国专利公开了“一种高液压驱动的可变气门机构”的装置(申请公布号：CN107355276A)，该装置包括凸轮，外壳，衬套，液压活塞，单杆活塞和气门。衬套可通过齿轮齿条上下移动改变初始位置，外部高压油源的压力可调节，该结构避免了使用电液伺服系统的同时实现了气门的可变。但是油道设计过于复杂且在液压活塞内部设置单向液压通道较困难。

中国专利公开了“一种电磁控制液压驱动式全可变气门机构”的装置(申请公布号：CN 107100689 A)，该装置包括控制阀下部，阀芯，电控节流阀，控制阀上部，电磁线圈，电控调压阀，气门，低压油路系统和高压油路系统。该装置电磁阀通电打开高压油路，高压油驱动气门开启；反之电磁阀断电，则低压油路开启，气门落座。该机构实现了全可变气门运动参数控制。但是系统需要额外增设高压油泵提供高压油，增加了机构的复杂度。

中国专利公开了“一种配气定时连续可变的内燃机配气系统”的结构(公开号：CN1804383A)，该装置包括气门组件，液压缸组件，液压缸出口控制装置，液压缸进口控制装置和凸轮轴传动组件。气门的开启和升高由凸轮上升段控制，气门的下降由液压缸内液体的排泄时刻决定。液体的排泄时刻由转子和转子套上油孔相对决定，改变油孔相对位置即可改变气门关闭时刻。该机构转子轴与凸轮轴同轴，因此气门关闭时刻的调节范围相对较小，且不能独立的改变气门升程。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种液压驱动的全可变配气机构，既可改变气门升程，又使得气门开启持续期的调节范围广。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种液压驱动的全可变配气机构，包括凸轮、移动凸台、液压活塞、外壳、第二电磁阀卸油组件、液压柱塞、气门、高压油源和单向阀；

所述外壳内设有依次连通的第一孔、第二孔和第三孔，位于中间的第二孔的孔径小于另外两个通孔的孔径，所述液压活塞和液压柱塞均为圆柱状，所述液压活塞与第一孔滑动密封配合，所述液压柱塞与第三孔滑动密封配合，所述液压活塞的底端面、外壳的内壁以及液压柱塞的上端面之间构成活塞腔；所述活塞腔内设有液压活塞回位弹簧，所述液压活塞回位弹簧的顶端与液压活塞的底端面固定连接，所述液压活塞回位弹簧的底端与第一孔底端的限位面固定连接；所述液压柱塞的底端面与气门固定连接，气门杆上设有气门弹簧，所述气门弹簧的顶端与液压柱塞的底端面固定连接；

所述液压活塞的上端开口，所述移动凸台为T字形，所述移动凸台的下部竖轴与液压活塞的上端口滑动密封配合，所述移动凸台的底端面与液压柱塞的上端口之间构成压力室，所述移动凸台能在压力室内的液压油的作用下伸出液压活塞的顶面一段高度，随着所述凸轮的转动，所述凸轮能与所述移动凸台的上端面接触，并使移动凸台随着凸轮的转动而上下运动；

所述外壳上设有第二高压进油通道，所述第二高压进油通道依次通过第三管路和第二管路与高压油源连通，在第三管路和第二管路的连接处设有单向阀，所述液压活塞的一侧壁上设有与压力室连通的第一高压进油通道，所述液压活塞运动到第一高压进油通道与第二高压进油通道连通时，使得压力室与高压油源连通；

所述外壳上设有第三高压油道和第三低压油道，所述第三高压油道通过第一管路与高压油源连通，液压活塞在运动过程中未遮蔽第三高压油道时，高压油源向活塞腔内注入压力油，第三低压油道与第二卸油管路连通，所述第二卸油管路上设有第二电磁阀卸油组件；

初始状态时，第三高压油道与活塞腔连通，所述液压活塞下降过程中会逐渐断开活塞腔与第三高压油道的连通，使得活塞腔密封，随着液压活塞向下运动，挤压活塞腔内的高压油，推动液压柱塞向下运动，从而推动气门向下运动，所述活塞腔始终与第三低压油道的连通，所述第二电磁阀卸油组件与控制器连接，在液压柱塞向下运动过程，控制器根据发动机的工况控制第二电磁阀卸油组件的启闭，所述第二电磁阀卸油组件开启，活塞腔卸油，气门向上运动；当液压活塞向下运动到最低点后，继续向上运动使第三高压油道、第二高压进油孔与活塞腔连通时，所述控制器控制第二电磁阀卸油组件关闭。

优选地，所述液压活塞的另一侧壁上设有与压力室连通的第一低压油通道，第一低压油通道的高度低于第一高压进油通道的高度，所述外壳上还设有第二低压油道，第二低压油道与第一卸油管路连通，所述第一卸油管路上设有第一电磁阀卸油组件，所述液压活塞运动到第一低压油通道与第二低压油道连通并需要改变气门的升程时，控制器根据发动机的工况控制第一电磁阀卸油组件的启闭，所述第一电磁阀卸油组件开启，压力室卸油，移动凸台下降，所述第一电磁阀卸油组件关闭，压力室停止卸油，移动凸台的位置保持不变。

优选地，所述第一孔的内壁上设有衬套，所述液压活塞与衬套滑动密封配合，所述衬套上设有第一高压进油孔、第二高压进油孔和第一低压油孔，所述第一高压进油孔与第二高压油道连通，所述第二高压进油孔与第三高压油道连通，所述第一低压油孔与第二低压油道连通。

优选地，所述移动凸台与液压活塞之间、液压活塞与衬套之间、液压柱塞与第三孔的孔壁之间均设密封圈。

优选地，所述衬套的上端面设有油堵。

优选地，所述高压油源为汽车发动机的机油泵。

优选地，还包括缓冲块，所述缓冲块设置于所述第三孔的顶壁内，液压柱塞运动到最顶端时与缓冲块接触。

优选地，所述移动凸台的上端面上设有缓冲垫。

本发明的有益效果：

1.本发明油路设计简洁，并且进油控制原理简单，使高压油进入压力室内，通过改变压力室内油量，或者通过改变高压油源的压力，改变移动凸台伸出液压活塞顶面的高度，即改变移动凸台的升程，从而改变了凸轮起作用的有效段，实现了气门升程的可变；

2.本发明的高压油源是由发动机本身机油泵提供的液压油，通过简洁的油路设计使高压油进入压力室以及活塞腔，无需额外增设高压油泵，避免了增加机构的复杂度；

3.本发明控制气门运动的活塞腔内的高压油可在凸轮运动的任何时刻卸除，即卸油组件不受凸轮轴的影响，从而关闭气门的时刻不受凸轮型线的影响，气门开启持续期的调节范围广。

4.本发明提供的液压驱动的全可变配气机构具有较广的气门开启持续期调节范围，可取消汽油机节气门，实现无节气门负荷控制，降低发动机泵气损失，提高充气效率

附图说明

图1为本发明所述一种液压驱动的全可变配气机构的结构示意图；

图2为本发明所述凸轮旋转到气门开启后的示意图；

图3为本发明气门开启越过最大升程时的示意图；

图4为本发明所述衬套的结构示意图；

图5为图1中A处的局部放大图；

图6为图1中B处的局部放大图。

图中：

1.凸轮，2.移动凸台，201.缓冲垫，3.压力室，4.液压活塞，401.第一高压进油通道，402.第一低压油通道，5.衬套，501.第一高压进油孔，502.第一低压油孔，503.第二高压进油孔，504.油堵，6.外壳，601.第二低压油道，602.第三低压油道，603.缓冲块，604.第三高压油道，605.第二高压进油通道，7.第一电磁阀卸油组件，8.第二电磁阀卸油组件，9.液压柱塞，10.气门，1001.气门弹簧，11.高压油源，1101.第一管路，1102.第二管路，1103.第三管路，12.单向阀，13.活塞腔，1301.第二孔，1302.液压活塞回位弹簧，14.密封圈，15.第一卸油管路，16，第二卸油管路。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的一种液压驱动的全可变配气机构，包括凸轮1、移动凸台2、液压活塞4、衬套5、外壳6、第二电磁阀卸油组件8、液压柱塞9、气门10、高压油源11和单向阀12。

具体地，所述外壳6内设依次连通的第一孔、第二孔和第三孔，位于中间的第二孔1301的孔径小于另外两个通孔的孔径，所述液压活塞4和液压柱塞9均为圆柱状，所述第一孔的内壁上设有衬套5，所述液压活塞4与衬套5滑动密封配合，所述液压柱塞9与第三孔滑动密封配合，所述液压活塞4的底端面、外壳6以及液压柱塞9的上端面之间构成活塞腔13。

如图2所示，所述活塞腔13内设有液压活塞回位弹簧1302，所述液压活塞回位弹簧1302的顶端与液压活塞4的底端面固定连接，所述液压活塞回位弹簧1302的底端与第一孔底端的限位面固定连接；所述液压柱塞9的底端面与气门10固定连接，气门10上设有气门弹簧1001，所述气门弹簧1001的顶端与液压柱塞9的底端面固定连接。

所述液压活塞4的上端开口，所述移动凸台2为T字形，所述移动凸台2的下部竖轴与液压活塞4的上端口滑动密封配合，所述移动凸台2的底端面与液压柱塞4的上端口之间构成压力室3，所述移动凸台2能在压力室3内的高压油的作用下伸出液压活塞4的顶面一段高度，随着所述凸轮1的转动，所述凸轮1能与所述移动凸台2的上端面接触，并使移动凸台2随着凸轮1的转动而上下运动。

如图4和6所示，衬套5上设有与第一高压进油孔501、第二高压进油孔503和第一低压油孔502，所述外壳6上设有第二高压进油通道605，所述第二高压进油通道605依次通过第三管路1103和第二管路1102与高压油源11连通，在第三管路1103和第二管路1102的连接处设有单向阀12，所述液压活塞4的一侧壁上设有与压力室3连通的第一高压进油通道401，所述液压活塞4运动到第一高压进油通道401与第二高压进油通道605连通时，使得压力室3与高压油源11连通，高压油源11向压力室3内注入高压油。

如图2和图5所示，液压活塞4的另一侧壁上设有第一低压油通道402，第一低压油通道402的高度低于第一高压进油通道401的高度，所述外壳6上设有第二低压油道601，第二低压油道601与第一卸油管路15连通，所述第一卸油管路15上设有第一电磁阀卸油组件7，所述液压活塞4运动到第一低压油通道402与第二低压油道601连通并需要改变气门10的升程时，控制器根据发动机的工况控制第一电磁阀卸油组件7的启闭，所述第一电磁阀卸油组件7开启，压力室3卸油，移动凸台2下降，所述第一电磁阀卸油组件7关闭，压力室3停止卸油，移动凸台2的位置保持不变。

如图3和图6所示，外壳6上设有第三高压油道604和第三低压油道602，第二高压进油孔503与第三高压油道604连通，所述第三高压油道604通过第一管路1101与高压油源11连通，液压活塞4在运动过程中未遮蔽第二高压进油孔503时，第二高压进油孔503与活塞腔13连通，高压油源11向活塞腔13内注入压力油，第三低压油道602与第二卸油管路16连通，所述第二卸油管路16上设有第二电磁阀卸油组件8。

所述液压活塞4下降过程中会逐渐断开活塞腔13与第三高压油道604的连通，使得活塞腔13密封，随着液压活塞4向下运动，液压柱塞9向下运动，从而推动气门10向下运动；所述活塞腔13始终与第三低压油道602的连通，所述第二电磁阀卸油组件8与控制器连接，在液压柱塞9向下运动过程，控制器根据发动机的工况控制第二电磁阀卸油组件8的启闭，所述第二电磁阀卸油组件8开启，活塞腔13卸油，气门10向上运动；当液压活塞4向下运动到最低点后，继续向上运动使第二高压进油孔503与活塞腔13连通时，所述控制器控制第二电磁阀卸油组件8关闭。

所述移动凸台2与液压活塞4之间、液压活塞4与衬套5之间、液压柱塞9与第三孔的孔壁之间均设密封圈14。

高压油源11为汽车发动机的机油泵。

本发明的工作原理：

当发动机工作时，需要改变移动凸台2的上升高度，则通过高压油源11、第三管路1103、第二管路1102、第二高压进油通道605、第一高压进油孔501和第一高压进油通道401向压力室3内通入高压油，压力室3内油量越多，移动凸台2上升的高度越高。控制器根据发动机的工况控制第一电磁阀卸油组件7的开启，使得压力室3卸油，从而移动凸台2下降，卸油越多，移动凸台2下降的位置越低；假设凸轮1顺时针旋转，当凸轮1处于基圆位置处，移动凸台2的底端面与压力室3的底壁接触时，凸轮1与移动凸台2上表面未能接触，二者之间形成高度差，该高度差为移动凸台2的最大升程，从而通过改变移动凸台2的位置改变气门10的最大升程。

如图1所示，初始状态时，第二高压进油孔503与活塞腔13连通，作用在液压柱塞9上的作用力等于高压油源11的压力乘以第二孔1301的横截面积，由于该作用力小于气门弹簧1001的预紧力，因此气门10处于关闭状态。当凸轮1开始旋转，高压油从油管1102经过单向阀12、第二高压进油通道605、第一高压进油孔501、第一高压进油通道401进入压力室3内，移动凸台2在高压油的作用下克服移动凸台2与压力室3内壁的摩擦力升起，当凸轮1旋转到与移动凸台2上表面接触时起，由于单向阀12的逆向封闭性，此时压力室3封闭，形成密闭的压力油腔，作用似刚体，凸轮1开始驱动移动凸台2向下运动，液压活塞4随着移动凸台2一起向下运动。

如图2所示，液压活塞4刚开始向下运动，但尚未遮蔽第二高压进油孔503，活塞腔13内的油压升高不明显，此时作用在液压柱塞9上的力稍微增大，但仍然小于气门弹簧1001预紧力，气门10保持关闭。

如图3所示，随着凸轮1继续转动，液压活塞4封闭第二高压进油孔503，此后活塞腔13密闭，活塞腔13内的油压迅速增大，由于高压油的不可压缩性，活塞腔13内的高压油通过第二孔1301作用在液压柱塞9上表面，驱动液压柱塞9带动气门10向下运动，此后气门10升程迅速增大，直到达到发动机在该工况下所需的升程。

在液压活塞4下行的过程中，控制器可根据所需要的气门开启持续期随时开启第二电磁阀卸油组件8，从而使得活塞腔13、第三低压油道602与第二卸油管路16连通进行泄油，由于活塞腔13内油压降低，作用在液压柱塞9上的力不足以克服气门弹簧1001预紧力，气门10则在气门弹簧1001的作用下回位，并且由于活塞腔13不再密封，液压活塞4无法再通过活塞腔13内的液压油推动液压柱塞9向下运动，也就无法推动气门10向下运动，此时无论液压活塞4是保持位置不变还是继续向下运动，都不能带动活塞腔13内的高压油驱动气门10运动，气门10保持关闭。因此，通过改变第二电磁阀卸油组件8开启的时刻，来改变气门开启持续期。

凸轮1继续顺时针旋转，推动液压活塞4向下运动到最低点，再根据凸轮1型线的规律向上运动，当液压活塞4向上运动打开第二高压进油孔503时，控制器控制第二电磁阀卸油组件8关闭，使得活塞腔13与第二卸油管路16断开，高压油再次充满活塞腔13，活塞腔13内再次形成高压空间，为下次循环做准备。

在下次循环开始时，若高压油源11压力不变，则单向阀12两侧保持平衡，移动凸台2保持在上一循环的高度，气门10的最大升程不变；当高压油源11的压力增大，单向阀12两端存在压力差且压差能够打开单向阀12时，进入压力室3的高压油量变多，则移动凸台2伸出液压活塞4顶面的高度变高，则凸轮1与移动凸台2顶面的间隙变小，则凸轮1旋转时，有效升程段更早的接触到移动凸台2顶面，从而凸轮1型线的有效段更长，相对气门开启时间则提前，气门升程变大；反之，当气门10的最大升程需要减小，控制器控制第一电磁阀卸油组件7打开，从而压力室3与第一卸油管路15连通，压力室3内部分油卸出，使得压力室3的高压油量减少，移动凸台2伸出液压活塞4上表面的高度减小，则凸轮1与移动凸台2上表面的间隙增大。则凸轮1从基圆位置开始旋转运动时，对比压力室3未卸油的情况下，凸轮1相对较晚接触到移动凸台2顶面，从而凸轮1型线的有效段变短，气门10的开启时间延迟，气门10的升程变小。

因此，通过高压油源11的压力变化和改变移动凸台2的位置控制能够实现气门10升程的变化。

综上，通过调节第二电磁阀卸油组件8开启的时间和高压油源11进入压力室3内的油量，即可实现灵活可变的气门10运动规律。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，包括凸轮(1)、移动凸台(2)、液压活塞(4)、外壳(6)、第二电磁阀卸油组件(8)、液压柱塞(9)、气门(10)、高压油源(11)和单向阀(12)；

所述外壳(6)内设有依次连通的第一孔、第二孔和第三孔，位于中间的第二孔(1301)的孔径小于另外两个通孔的孔径，所述液压活塞(4)和液压柱塞(9)均为圆柱状，所述液压活塞(4)与第一孔滑动密封配合，所述液压柱塞(9)与第三孔滑动密封配合，所述液压活塞(4)的底端面、外壳(6)的内壁以及液压柱塞(9)的上端面之间构成活塞腔(13)；所述活塞腔(13)内设有液压活塞回位弹簧(1302)，所述液压活塞回位弹簧(1302)的顶端与液压活塞(4)的底端面固定连接，所述液压活塞回位弹簧(1302)的底端与第一孔底端的限位面固定连接；所述液压柱塞(9)的底端面与气门(10)固定连接，气门(10)的杆上设有气门弹簧(1001)，所述气门弹簧(1001)的顶端与液压柱塞(9)的底端面固定连接；

所述液压活塞(4)的上端开口，所述移动凸台(2)为T字形，所述移动凸台(2)的下部竖轴与液压活塞(4)的上端口滑动密封配合，所述移动凸台(2)的底端面与液压柱塞(4)的上端口之间构成压力室(3)，所述移动凸台(2)能在压力室(3)内的液压油的作用下伸出液压活塞(4)的顶面一段高度，随着所述凸轮(1)的转动，所述凸轮(1)能与所述移动凸台(2)的上端面接触，并使移动凸台(2)随着凸轮(1)的转动而上下运动；

所述外壳(6)上设有第二高压进油通道(605)，所述第二高压进油通道(605)依次通过第三管路(1103)和第二管路(1102)与高压油源(11)连通，在第三管路(1103)和第二管路(1102)的连接处设有单向阀(12)，所述液压活塞(4)的一侧壁上设有与压力室(3)连通的第一高压进油通道(401)，所述液压活塞(4)运动到第一高压进油通道(401)与第二高压进油通道(605)连通时，使得压力室(3)与高压油源(11)连通；

所述外壳(6)上设有第三高压油道(604)和第三低压油道(602)，所述第三高压油道(604)通过第一管路(1101)与高压油源(11)连通，第三低压油道(602)与第二卸油管路(16)连通，所述第二卸油管路(16)上设有第二电磁阀卸油组件(8)；

初始状态时，第三高压油道(604)与活塞腔(13)连通，液压活塞(4)在运动过程中未遮蔽第三高压油道(604)时，高压油源(11)向活塞腔(13)内注入压力油，所述液压活塞(4)下降过程中会逐渐断开活塞腔(13)与第三高压油道(604)的连通，使得活塞腔(13)密封，随着液压活塞(4)向下运动，液压柱塞(9)向下运动，从而推动气门(10)向下运动，所述活塞腔(13)始终与第三低压油道(602)的连通，所述第二电磁阀卸油组件(8)与控制器连接，在液压柱塞(9)向下运动过程，控制器根据发动机的工况控制第二电磁阀卸油组件(8)的启闭，所述第二电磁阀卸油组件(8)开启，活塞腔(13)卸油，气门(10)向上运动；当液压活塞(4)向下运动到最低点后，继续向上运动使第三高压油道第二高压进油孔(604)与活塞腔(13)连通时，所述控制器控制第二电磁阀卸油组件(8)关闭。

2.根据权利要求1所述的液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，所述液压活塞(4)的另一侧壁上设有与压力室(3)连通的第一低压油通道(402)，第一低压油通道(402)的高度低于第一高压进油通道(401)的高度，所述外壳(6)上还设有第二低压油道(601)，第二低压油道(601)与第一卸油管路(15)连通，所述第一卸油管路(15)上设有第一电磁阀卸油组件(7)，所述液压活塞(4)运动到第一低压油通道(402)与第二低压油道(601)连通并需要改变气门(10)的升程时，控制器根据发动机的工况控制第一电磁阀卸油组件(7)的启闭，所述第一电磁阀卸油组件(7)开启，压力室(3)卸油，移动凸台(2)下降，所述第一电磁阀卸油组件(7)关闭，压力室(3)停止卸油，移动凸台(2)的位置保持不变。

3.根据权利要求2所述的液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，所述第一孔的内壁上设有衬套(5)，所述液压活塞(4)与衬套(5)滑动密封配合，所述衬套(5)上设有第一高压进油孔(501)、第二高压进油孔(503)和第一低压油孔(502)，所述第一高压进油孔(501)与第二高压油道(605)连通，所述第二高压进油孔(503)与第三高压油道(604)连通，所述第一低压油孔(502)与第二低压油道(601)连通。

4.根据权利要求3所述的液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，所述移动凸台(2)与液压活塞(4)之间、液压活塞(4)与衬套(5)之间、液压柱塞(9)与第三孔的孔壁之间均设密封圈(14)。

5.根据权利要求3所述的液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，所述衬套(5)的上端面设有油堵(504)。

6.根据权利要求1所述的液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，所述高压油源(11)为汽车发动机的机油泵。

7.根据权利要求1所述的液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，还包括缓冲块(603)，所述缓冲块(603)设置于所述第三孔的顶壁内，液压柱塞(9)运动到最顶端时与缓冲块(603)接触。

8.根据权利要求1所述的液压驱动的全可变配气机构，其特征在于，所述移动凸台(2)的上端面上设有缓冲垫(201)。