CN108843457B - 一种变排量发动机缸内状态控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变排量发动机缸内状态控制系统，能够解决变排量发动机处于停缸模式时大量机油被吸入气缸而造成的闪沸、排放恶化等问题。包括：凸轮摇臂系统、气门系统、摇臂连接系统、机油输送系统和机油压力调节器。气门系统通过设置在排气口处的排气门开启或关闭排气口，凸轮摇臂系统包括：气门轴、凸轮、中间轴和摇臂，气门轴用于推动排气门运动以开启排气口，凸轮与固接在中间轴支撑块一端的中间轴配合，气门轴与中间轴支撑块的另一端连接，中间轴支撑块能够绕气门轴转动；摇臂通过摇臂连接系统与中间轴支撑块相连；根据机油输送管路输出的机油压力控制中间轴支撑块与摇臂的连接或断开，机油压力调节器用于控制机油输送管路输出的机油压力。

Description

一种变排量发动机缸内状态控制系统

技术领域

发明涉及一种缸内状态控制系统，具体涉及一种变排量发动机缸内状态控制系统，属于内燃机控制技术领域。

背景技术

对于变排量发动机，停缸技术是指内燃机在低载荷工况下使部分气缸停止工作，提高其余气缸的载荷，从而降低泵气损失和热损失，提高热效率的一种变排量技术，是大幅降低内燃机油耗和排放的最有前景的技术之一。现阶段的变排量发动机主要通过切断气门凸轮与气门之间的启动路径来达到特定气缸的停止运行。

但是在发动机实际运行中，当变排量发动机处于停缸工作模式时，停止工作气缸的气门保持关闭，而活塞仍往复运动，使得活塞运行到下止点时气缸内压力极低(约0.05bar)，在高温强真空环境下，此工况下长时间运行时，大量机油从活塞与缸壁间隙进入气缸并发生闪沸雾化，导致排气门重启时大量机油进入排气管，造成机油氧化和排放增加等问题。因此，抑制机油闪沸汽化，延长停缸时间对节油效果和降低排放具有决定性意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种变排量发动机缸内状态控制系统，通过机油压力控制器来切断气门与凸轮之间的启动路径，能够有效解决变排量发动机处于停缸模式时大量机油被吸入气缸而造成的闪沸、排放恶化等问题。

在变排量发动机每个气缸的排气口处均设置一套该控制控制系统；所述所述的变排量发动机缸内状态控制系统包括：凸轮摇臂系统、气门系统、摇臂连接系统、机油输送管路和机油压力调节器；

所述气门系统通过设置在所述排气口处的排气门开启或关闭排气口，所述排气门上设置有用于使所述排气门回位以闭合排气口的气门弹簧；

所述凸轮摇臂系统包括：气门轴、凸轮、中间轴和摇臂，所述气门轴用于推动所述排气门运动以开启排气口，所述凸轮与固接在中间轴支撑块一端的中间轴配合，所述气门轴与中间轴支撑块的另一端连接，所述中间轴支撑块能够绕气门轴转动；

所述摇臂通过摇臂连接系统与所述中间轴支撑块安装有中间轴的一端相连；所述摇臂连接系统与所述机油输送管路连接，根据机油输送管路输出的机油压力控制所述中间轴支撑块与所述摇臂的连接或断开，当所述机油输送管路输出低压油时，所述中间轴支撑块通过所述摇臂连接系统与所述摇臂连接为一体，此时所述凸轮运动，带动所述中间轴支撑块与所述摇臂整体绕所述摇臂连接系统与所述机油输送管路的连接处转动，使得排气门动作开启排气口；当所述机油输送管路输出高压油时，所述中间轴支撑块与所述摇臂断开连接，所述凸轮运动时，带动所述中间轴支撑块绕气门轴转动，排气门不动作；

所述机油压力调节器用于控制所述机油输送管路输出的机油压力，发动机正常工作模式，当需要开启排气口时，所述机油压力调节器向所述机油输送管路输出低压油；当需要关闭排气口时，所述机油压力调节器向所述机油输送管路输出高压油；在发动机停缸模式下，当停止工作的气缸内的压力传感器检测到缸内压力低于设定值时，所述机油压力调节器向所述机油输送管路输出低压油。

所述摇臂连接系统包括：摇臂连接销和摇臂连接弹簧；在所述中间轴支撑块安装有中间轴一端的端面上设置有摇臂连接销座，所述摇臂连接销一端位于设置在所述摇臂上的安装座内，另一端设置有与所述摇臂连接销座上的凹槽配合的锁块，当所述锁块位于凹槽内时，所述中间轴支撑块与所述摇臂连接为一体；

所述摇臂连接销位于所述安装座内的一端与设置在安装座端部的摇臂连接弹簧座之间设置有具有预紧力的摇臂连接弹簧；所述摇臂连接销的圆周面上设置有环形的机油流通槽，当机油流通槽内的机油压力小于所述摇臂连接弹簧的弹力时，所述中间轴支撑块通过摇臂连接系统与所述摇臂连接为一体；当机油流通槽内的机油压力大于所述摇臂连接弹簧的弹力时，所述锁块从凹槽内脱离，所述中间轴支撑块与所述摇臂断开连接。

有益效果：

(1)将该缸体状态控制系统设置在变排量发动机的排气口处，不仅能够在发动机正常工作模式控制进气门的开启和闭合，还能够在发动机停缸模式下调整处于停缸状态的气缸内的压力，有效解决变排量发动机处于停缸模式时大量机油被吸入气缸而造成的闪急沸腾、排放恶化等问题，抑制机油闪沸汽化，延长停缸时间对节油效果和降低排放具有决定性意义。

(2)将该缸体状态控制系统设置在变排量发动机的进气口处，能够在发动机正常工作模式控制进气门的开启和闭合。

(3)中间轴通过球轴承与凸轮配合，能够避免摩擦磨损造成对气门升程的影响。

(4)凸轮与中间轴的配合面为曲面，能够避免凸轮与中间轴轴产生位移偏差造成气门的异常开闭，可大幅提高进排气稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的缸内状态控制系统的工作示意图；

图3为中间轴支撑块示意图；

图4为摇臂示意图；

图5为凸轮防抖设计示意图；

图6为本发明气门升程示意图；

图7为本发明的实施效果示意图。

其中：1-中间轴，2-中间轴支撑块，3-气门轴，4-排气门，5-气门弹簧座，6-气门弹簧，7-凸轮，8-摇臂，9-摇臂连接销，10-摇臂连接弹簧座，11-摇臂连接弹簧，12-中间轴回位装置，13-球顶式机油输送管，14-机油压力控制器、15-摇臂连接销座

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种变排量发动机缸内状态控制系统，用于控制发动机缸内压力状态，以解决变排量发动机气缸停止喷油时由于活塞仍然往复运动而形成的高温低压环境使得润滑油从活塞与气缸壁的间隙进入气缸产生闪沸而使排放恶化问题。

如图1所示，该控制系统包括：凸轮摇臂系统、气门系统、摇臂连接系统、机油输送系统和机油压力控制系统。在变排量发动机每个气缸的排气口处均设置一套该系统，用于控制排气门的启闭。

其中凸轮摇臂系统包括：凸轮7、中间轴1、中间轴支撑块2(包含摇臂连接销座15)、摇臂8、气门轴3和中间轴回位装置12。凸轮摇臂系统用于将凸轮7传达的气门开启信号传递给中间轴1，并根据机油压力控制摇臂8与中间轴1的通断。中间轴支撑块2的结构如图3所示，其左端加工有用于和气门轴3连接的连接孔，右端加工有用于和中间轴1连接的连接孔，且在右端端面上设置有摇臂连接销座15。摇臂8的结构如图4所示，摇臂8的左端设置有用于和气门轴3连接的连接孔，右端设置有用于安装摇臂连接系统的安装座，中部偏左位置设置有用于和中间轴1配合的弧形槽。其连接关系为：摇臂8和中间轴支撑块2并排设置，使摇臂8端部的气门轴3连接孔和中间轴支撑块2端部的气门轴3连接孔同轴对接形成气门轴安装孔，中间轴1端部的中间轴1连接孔与摇臂8中部的弧形槽位置相对。气门轴3通过球轴承安装在气门轴安装孔内，中间轴支撑块2能够绕气门轴3转动；当发动机处于正常工作模式时，气门轴3作为旋转轴受到大量摩擦，通过使用球轴承避免了摩擦磨损造成对气门升程的影响。中间轴1贯穿中间轴支撑块2和摇臂8，其中中间轴1通过中间轴支撑块2右端的连接孔与中间轴支撑块2固接，中间轴1伸出中间轴支撑块2部分的外圆周面上套装有球轴承，该球轴承的上方设置有用于推动中间轴1向下运动的凸轮7；该球轴承的下方设置有中间轴回位装置12，本实施例中中间轴回位装置12采用回位弹簧，用于向中间轴1提供向上的作用力，使中间轴1始终与凸轮7紧密接触。且中间轴1与摇臂8上的弧形槽配合，当中间轴支撑块2绕气门轴3转动时，中间轴1在摇臂8上的弧形槽内滑动。

在实际发动机运行中，由于汽车运行时经常发生较强震动，这使得凸轮7与中间轴1产生位移偏差造成了气门的异常开闭，进排气稳定性受到影响；本实施例中，凸轮7与中间轴1之间设置有球轴承，凸轮7与该球轴承的接触面为如图5所示的弧形面，且在弧形接触面上，球轴承1上的弧形面的曲率大于凸轮7上弧形面的曲率，以实现凸轮防抖，由此可大幅提高进排气稳定性。

气门系统用于开启或关闭排气口，包括：排气门4、气门弹簧座5和气门弹簧6，设置在排气口处用于开启或关闭排气口的排气门4设置在凸轮摇臂系统中的气门轴3的下方，当气门轴3向下推动排气门4时，排气口开启。排气门4上设置有用于向排气门4提供向上作用力的气门弹簧6，气门弹簧6套装在排气门4上，其一端与固接在排气门4上的气门弹簧座5相连，为压缩端，另一端与外部固定面连接，为固定端。当气门轴3向下运动时，推动排气门4与气门弹簧座5向下方运动，此时排气口开启，气门弹簧座5压缩气门弹簧6，使气门弹簧6处于压缩状态；当气门轴3不再受向下的作用力向上运动时时，受压的气门弹簧6推动气门弹簧座5和排气门4向上运动，使排气口随着气门轴3上升相应关闭。气门弹簧6的刚度远小于中间轴回位装置12的弹簧刚度，使得气门弹簧6易压缩。

摇臂连接系统用于根据机油压力来控制中间轴1与摇臂8的通断，包括：摇臂连接销9、摇臂连接弹簧11和摇臂连接弹簧座10。摇臂连接销9设置在摇臂8右端的安装座内，与中间轴支撑块2右端的摇臂连接销座15相对。摇臂连接销9与摇臂连接销座15的相对端设置有凸起的锁块，该锁块与摇臂连接销座15上的凹槽配合，当锁块位于凹槽内时，使得中间轴支撑块2与摇臂8连接为一体(即将中间轴1与摇臂8连接为一体)。摇臂连接销9的另一端与设置在安装座端部的摇臂连接弹簧座10之间设置有摇臂连接弹簧11，摇臂连接弹簧11具有预紧力，处于压缩状态，用于保证中间轴支撑块2与摇臂8连接的可靠性。摇臂连接销9的圆周面上设置有环形的机油流通槽，当机油流通槽内的机油压力不足以克服摇臂连接弹簧11的弹力时，中间轴支撑块2通过摇臂连接销9与摇臂8相连接；当机油压力升高到足以克服摇臂连接弹簧11弹力时，摇臂连接销9与摇臂连接销座2断开连接。

机油输送系统用于将机油压力控制系统输出的机油输送到摇臂连接系统中，用以克服摇臂连接弹簧11弹力。包括：球顶式机油输送管13，球顶式机油输送管13的一端通过油管与机油压力控制系统连通，另一端与摇臂8连接后与摇臂连接销9上的机油流通槽连通，其中球顶式机油输送管13与摇臂8的连接面为球形面，使得连接为一体的中间轴支撑块2与摇臂8能够绕该连接处转动。机油流通槽为阶梯状结构，使用阶梯状结构大幅度降低正常运行时油压输送管顶部的机油泄露。

机油压力控制系统用来控制由机油输送系统送至摇臂连接系统的机油压力，进而控制中间轴与摇臂的连接情况，包括：机油压力调节器14，机油压力调节器14上设置有控制信号入口、机油入口和机油出口，机油出口通过油管与球顶式机油输送管13相连，机油入口通过油管与外部油箱相连，控制信号入口用于向机油压力调节器14输入控制信号，该控制信号包括低压油信号和高压油信号。通过机油压力调节器14输出的机油压力来控制摇臂连接销9与摇臂连接销座2的通断情况。

该系统的工作原理为：

发动机正常工作模式：通过向机油压力调节器14的控制信号入口输入低压油信号，机油压力调节器14通过机油出口输出低压油，使得机油压力调节器14提供给球顶式机油输送管13的压力不足以克服由摇臂连接弹簧座10压紧的摇臂连接弹簧11的弹力，摇臂连接销9与中间轴支撑块2上的摇臂连接销座2相连接，如图4左图所示。此时凸轮7旋转使得中间轴1带着中间轴支撑平块2向下方运动，由于中间轴支撑块2与摇臂8通过摇臂连接销9相连接，故摇臂8绕球顶式机油输送管13球顶逆时针旋转。气门轴3克服气门弹簧6的弹力推动气门弹簧座5与排气门4向下方运动，此时排气口开启。伴随凸轮7旋转，当凸轮7对中间轴1没有向下的作用力时，中间轴1受到中间轴回位装置12的作用力向上方运动，此时摇臂8绕球顶式机油输送管13球顶顺时针旋转，气门弹簧座5受到被压缩的气门弹簧6弹力作用随着气门弹簧6上升而上升，此时排气口关闭。

发动机停缸模式(部分气缸停止工作)：通过向机油压力调节器14的控制信号入口输入高压油信号，机油压力调节器14通过机油出口输出高压油，使得机油压力调节器14给球顶式机油输送管13的压力足以克服由摇臂连接弹簧座10压紧的摇臂连接弹簧11的弹力，摇臂连接销9与中间轴支撑块2上的摇臂连接销座2断开连接，如图4右图所示。此时凸轮7旋转使得中间轴1带着中间轴支撑块2向下方运动时，由于中间轴支撑块2与摇臂8之间的连接由于摇臂连接销9的断连而断开，且由于气门弹簧6的刚度远小于中间轴回位装置12的弹簧刚度，此时中间轴1带动中间轴支撑块2绕气门轴3顺时针旋转，排气门4没有升程，该气缸停止喷油与排气(此时其余气缸仍在工作)。在发动机停缸状态下，当停止工作的气缸内的压力传感器检测到缸内压力低于设定值时，向机油压力调节器14的控制信号入口输入低压油信号，机油压力调节器14通过机油出口输出低压油，使得机油压力调节器14提供给球顶式机油输送管13的压力不足以克服由摇臂连接弹簧座10压紧的摇臂连接弹簧11的弹力，使得摇臂连接销9与摇臂连连接座2重新连接，此时凸轮7旋转使得中间轴1带着中间轴支撑块2向下方运动，由于中间轴支撑块2与摇臂8通过摇臂连接销9相连接，故摇臂8绕球顶式机油输送管13球顶顺时针旋转。气门轴3克服排气门弹簧6弹力推动气门弹簧座5与排气门4向下方运动，排气口开启，由于变排量发动机所有气缸的排气通道连通，此时其它正常工作的气缸排出的已燃气体经过排气门4进入该气缸，使得该气缸内压力相应提高，使机油不易被吸进气缸中并雾化闪沸，极大改善了排放特性。

采用该控制系统后的发动机缸内压力状态与传统缸内压力状态对比如图7所示，无缸内状态控制系统时，发动机长时间运行后的最小缸压会低于机油饱和蒸气压，导致机油发生汽化；增加缸内状态控制系统后，缸内压力状态重整后能够保证最小缸压不低于机油饱和蒸气压，机油不发生汽化。将低压情况进行放大处理后可以发现，在进行了一次排气门重新开启后，缸内最低压力得到了提高，机油被吸入气缸的情况得到抑制；并且排气门重启后缸内压力高于机油饱和蒸气压，机油也不会发生气化反应。因此解决了长时间停缸工作中活塞运行到下止点时由于缸内的高温低压造成的机油从活塞与气缸壁之间缝隙进入气缸并发生闪沸使得发动机排放恶化加剧的问题。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，在变排量发动机每个气缸的进气口处均设置一套该系统，用于控制进气口的启闭。设置在进气门处的该系统仅在发动机正常工作模式下使用，用来控制进气口的启闭，在发动机停缸模式(部分气缸停止工作)，通过向机油压力调节器的控制信号入口输入低压油信号，机油压力调节器通过机油出口输出低压油，使得对应的进气口始终处于关闭状态。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，在变排量发动机每个气缸的排气口处均设置一套该控制系统；所述控制系统包括：凸轮摇臂系统、气门系统、摇臂连接系统、机油输送管路和机油压力调节器(14)；

所述气门系统通过设置在所述排气口处的排气门(4)开启或关闭排气口，所述排气门(4)上设置有用于使所述排气门(4)回位以闭合排气口的气门弹簧(6)；

所述凸轮摇臂系统包括：气门轴(3)、凸轮(7)、中间轴(1)和摇臂(8)，所述气门轴(3)用于推动所述排气门运动以开启排气口，所述凸轮(7)与固接在中间轴支撑块(2)一端的中间轴(1)配合，所述气门轴(3)与中间轴支撑块(2)的另一端连接，所述中间轴支撑块(2)能够绕气门轴(3)转动；

所述摇臂(8)通过摇臂连接系统与所述中间轴支撑块(2)安装有中间轴(1)的一端相连；所述摇臂连接系统与所述机油输送管路连接，根据机油输送管路输出的机油压力控制所述中间轴支撑块(2)与所述摇臂(8)的连接或断开，当所述机油输送管路输出低压油时，所述中间轴支撑块(2)通过所述摇臂连接系统与所述摇臂(8)连接为一体，此时所述凸轮(7)运动，带动所述中间轴支撑块(2)与所述摇臂(8)整体绕所述摇臂连接系统与所述机油输送管路的连接处转动，使得排气门(4)动作开启排气口；当所述机油输送管路输出高压油时，所述中间轴支撑块(2)与所述摇臂(8)断开连接，所述凸轮(7)运动时，带动所述中间轴支撑块(2)绕气门轴(3)转动，排气门(4)不动作；

所述机油压力调节器(14)用于控制所述机油输送管路输出的机油压力，发动机正常工作模式，当需要开启排气口时，所述机油压力调节器(14)向所述机油输送管路输出低压油；当需要关闭排气口时，所述机油压力调节器(14)向所述机油输送管路输出高压油；在发动机停缸模式下，当停止工作的气缸内的压力传感器检测到缸内压力低于设定值时，所述机油压力调节器(14)向所述机油输送管路输出低压油；

所述摇臂连接系统包括：摇臂连接销(9)和摇臂连接弹簧(11)；在所述中间轴支撑块(2)安装有中间轴(1)一端的端面上设置有摇臂连接销座(15)，所述摇臂连接销(9)一端位于设置在所述摇臂(8)上的安装座内，另一端设置有与所述摇臂连接销座(15)上的凹槽配合的锁块，当所述锁块位于凹槽内时，所述中间轴支撑块(2)与所述摇臂(8)连接为一体；

所述摇臂连接销(9)位于所述安装座内的一端与设置在安装座端部的摇臂连接弹簧座(10)之间设置有具有预紧力的摇臂连接弹簧(11)；所述摇臂连接销(9)的圆周面上设置有环形的机油流通槽，当机油流通槽内的机油压力小于所述摇臂连接弹簧(11)的弹力时，所述中间轴支撑块(2)通过摇臂连接系统与所述摇臂(8)连接为一体；当机油流通槽内的机油压力大于所述摇臂连接弹簧(11)的弹力时，所述锁块从凹槽内脱离，所述中间轴支撑块(2)与所述摇臂(8)断开连接。

2.如权利要求1所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，所述中间轴(1)通过套装在其上的滚动轴承与所述凸轮(7)配合。

3.如权利要求1所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，所述中间轴(1)与所述凸轮(7)的相对侧设置有中间轴回位弹簧，所述中间轴回位弹簧的刚度大于气门弹簧(6)的刚度。

4.如权利要求1所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，所述中间轴支撑块(2)的具体结构为：其一端加工有用于和气门轴(3)连接的连接孔，另一端加工有用于和中间轴(1)连接的连接孔；

所述摇臂(8)的具体结构为：其一端设置有用于和气门轴(3)连接的连接孔，另一端设置有用于安装摇臂连接系统的安装座，中部设置有用于和中间轴(1)配合的弧形槽；

所述中间轴支撑块(2)与所述摇臂(8)的连接关系为：所述摇臂(8)和中间轴支撑块(2)并排设置，使摇臂(8)端部的气门轴(3)连接孔和中间轴支撑块(2)端部的气门轴(3)连接孔同轴对接形成气门轴安装孔，中间轴(1)端部的中间轴(1)连接孔与摇臂(8)中部的弧形槽位置相对；所述气门轴(3)通过球轴承安装在气门轴安装孔内；所述中间轴(1)贯穿中间轴支撑块(2)和摇臂(8)，其伸出中间轴支撑块(2)部分通过套装的球轴承与凸轮(7)配合；且所述中间轴(1)位于摇臂(8)上的弧形槽内，当中间轴支撑块(2)绕气门轴(3)转动时，所述中间轴(1)在该弧形槽内滑动。

5.如权利要求1所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，所述机油输送管路为球顶式机油输送管(13)，所述球顶式机油输送管(13)的一端通过油管与机油压力控制系统连通，另一端与摇臂(8)连接后与摇臂连接销(9)上的机油流通槽连通；所述球顶式机油输送管(13)与摇臂(8)的连接面为球形面，使所述摇臂(8)能够绕该连接处转动。

6.如权利要求1所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，所述机油流通槽为阶梯状结构。

7.如权利要求1所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，所述凸轮(7)与中间轴(1)的配合面为弧形面，且在弧形接触面上，所述中间轴(1)上弧形面的曲率大于凸轮(7)上的弧形面的曲率。

8.如权利要求2所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，所述凸轮(7)与套装在中间轴(1)上的滚动轴承的配合面为弧形面，且在弧形接触面上，所述滚动轴承上弧形面的曲率大于凸轮(7)上的弧形面的曲率。

9.如权利要求1所述的变排量发动机缸内状态控制系统，其特征在于，在变排量发动机每个气缸的进气口处均设置一套该系统，用于控制进气口的启闭。

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