CN108894839B - 一种二四冲程发动机可变气门系统 - Google Patents

一种二四冲程发动机可变气门系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二四冲程发动机可变气门系统，包括凸轮轴、第一凸轮、第二凸轮、液压缸、气门和凸轮相位调节机构；第一凸轮与第二凸轮并列套于凸轮轴，且至少有一个为活动凸轮；液压缸顶部并列设有第一液压腔和第二液压腔，第一液压腔和第二液压腔的内部分别设有可上下滑动第一柱塞和第二柱塞；气门顶端与活塞固定连接，活塞可沿液压缸内壁间隙滑动；通过控制凸轮相位调节机构，可以使第一凸轮与第二凸轮至少实现凸轮相位部分重叠以及凸轮相位沿凸轮轴轴心对称分布两种状态，最终实现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。

Description

一种二四冲程发动机可变气门系统
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其是涉及一种二四冲程发动机可变气门系统。
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。
已经公知的是，发动机同一转速下，4冲程模式可比2冲程模式具有更大的气门开启持续期以及更高的气门升程。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二四冲程发动机可变气门系统，通过改变两个凸轮的相对位置，可以实现2/4冲程互换功能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种二四冲程发动机可变气门系统，包括凸轮轴、第一凸轮、第二凸轮、液压缸、气门和凸轮相位调节机构，所述第一凸轮与第二凸轮并列套于所述凸轮轴上，且所述第一凸轮与第二凸轮中至少有一个可绕凸轮轴旋转，可绕凸轮轴旋转的凸轮中设置所述凸轮相位调节机构，所述凸轮相位调节机构使所述第一凸轮与第二凸轮至少实现凸轮相位部分重叠以及凸轮相位沿所述凸轮轴的轴心对称分布两种状态；所述液压缸的顶部并列设有第一液压腔和第二液压腔，所述第一液压腔和第二液压腔的内部分别设有第一柱塞和第二柱塞；所述第一凸轮与第二凸轮在随凸轮轴旋转过程中分别驱动第一柱塞和第二柱塞上下滑动；所述气门的顶端与活塞固定连接，所述气门中部套有带预紧力的气门弹簧，所述气门底部与气门座接触配合；所述活塞可沿液压缸的内壁间隙滑动。
进一步的，所述凸轮相位调节机构包括所述凸轮轴内部设置的双杆液压缸和设置在可绕凸轮轴旋转的第一凸轮或第二凸轮中的双凹槽，当所述双杆液压缸中的一个液压杆与所述双凹槽中一个凹槽配合时，使所述第一凸轮与第二凸轮实现凸轮相位部分重叠状态；当所述双杆液压缸的另一个液压杆与所述双凹槽的另一个凹槽配合时，使所述第一凸轮与第二凸轮实现凸轮相位沿所述凸轮轴的轴心对称分布状态。
进一步的，所述液压缸的侧壁设有单向液压通道，外接低压油源。
进一步的，所述第一凸轮与所述第二凸轮的形状一致。
进一步的，所述凸轮轴的转速与发动机的转速比为1比2。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)本发明所述的二四冲程发动机可变气门系统，通过控制凸轮相位调节机构，可以使第一凸轮与第二凸轮至少实现凸轮相位部分重叠以及凸轮相位沿凸轮轴轴心对称分布两种状态，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。
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冲程工况下气门关闭时的示意图；
图2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3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4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5是本发明实施例中液压缸的俯视图；
图6是图1中两凸轮与凸轮轴配合的主剖视图；
图7是图1中两凸轮与凸轮轴配合的左剖视图；
图8是图4中两凸轮与凸轮轴配合的左剖视图。
附图标记说明：
1.凸轮轴，2.第一凸轮，3.第二凸轮，4.液压缸，5.第二柱塞，6.活塞，7.气门，8.气门座，9.气门弹簧，10.单向液压通道，11.第一柱塞，12.第一液压腔，13.第二液压腔，14.双杆液压缸，15.双凹槽。
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8所示，本发明实施例二四冲程发动机可变气门系统，包括凸轮轴1、第一凸轮2、第二凸轮3、液压缸4、气门7和凸轮相位调节机构；
所述第一凸轮2与所述第二凸轮3并列套于所述凸轮轴1，且所述第一凸轮2与所述第二凸轮3至少有一个为活动凸轮，可相对于所述凸轮轴1旋转，本实施例中只有第一凸轮2为活动凸轮；所述凸轮轴1转速与发动机转速比为1比2；
所述液压缸4顶部并列设有第一液压腔12和第二液压腔13，所述第一液压腔12和所述第二液压腔13的内部分别设有可上下滑动第一柱塞11和第二柱塞5；
所述气门7顶端与活塞6固定连接，所述气门7中部套有带预紧力的气门弹簧9，所述气门7底部与气门座8接触配合；
所述活塞6可沿所述液压缸4内壁间隙滑动；
所述凸轮相位调节机构使所述第一凸轮2与所述第二凸轮3至少实现凸轮相位部分重叠以及凸轮相位沿所述凸轮轴1轴心对称分布两种状态。
所述凸轮轴1内部设有双杆液压缸14，活动凸轮即本实施例的所述第一凸轮2内部设有双凹槽15，所述凸轮相位调节机构由所述双杆液压缸14和双凹槽15组成。
当所述双杆液压缸14其中一个液压杆与所述双凹槽15其中一个凹槽配合时，可以使所述第一凸轮2与所述第二凸轮3实现凸轮相位部分重叠状态。当所述双杆液压缸14另一个液压杆与所述双凹槽15另一个凹槽配合时，可以使所述第一凸轮2与所述第二凸轮3实现凸轮相位沿所述凸轮轴1轴心对称分布状态。
具体的，所述双凹槽15为中间深两边浅的T型凹槽结构，当所述双杆液压缸14中的短液压杆与所述双凹槽15中的浅的凹槽配合时，所述第一凸轮2与第二凸轮3实现凸轮相位部分重叠状态；当所述双杆液压缸14的长液压杆与所述双凹槽15的深的凹槽配合时，所述第一凸轮2与第二凸轮3实现凸轮相位沿所述凸轮轴的轴心对称分布状态。
所述凸轮轴1转速与发动机转速为1比2；
所述第一凸轮2与所述第二凸轮3形状一致；
所述液压缸4侧壁设有单向液压通道10，外接低压油源，从而可以保证油液随时补充，避免液压缸内因油液泄露导致所述两个柱塞与所述两个凸轮分离；
本发明的工作过程如下：
在图7中，所述第二凸轮3与所述凸轮轴1固定，所述第一凸轮2为活动凸轮，设所述凸轮轴1逆时针转动，通过所述凸轮相位调节机构使所述双杆液压缸14中上端液压杆伸出与所述双凹槽15中近所述凸轮轴1端凹槽互相配合，此时所述凸轮轴1将带动所述第二凸轮3一起逆时针转动，并使所述第一凸轮2和所述第二凸轮3处于重叠状态。
在图1中，所述第一凸轮2和所述第二凸轮3都处于基圆状态，所述气门7在所述气门弹簧9的预紧力作用下，处于关闭状态；在图2中，所述第一凸轮2和所述第二凸轮3都处于凸起状态，同时驱动所述第一柱塞11和所述第二柱塞5，进而通过所述液压缸4内部液压力驱动所述活塞6克服所述气门弹簧9的预紧力，使气门7远离所述气门座8，实现气门7的开启。由于所述凸轮1转速与发动机转速比为1比2，且所述凸轮1每转一圈，所述气门7开启关闭一次，因此图1和图2都为四冲程模式。与此同时，由于所述第一凸轮2和所述第二凸轮3处于重叠状态，通过所述第一柱塞11和所述第二柱塞5的共同运动，最终使所述气门7的最大升程大于所述第一凸轮2或所述第二凸轮3的最大升程，且使所述气门7的开启持续期大于所述第一凸轮2或所述第二凸轮3的开启持续期。
当需要二四冲程转换时，如图8所示，一方面通过所述凸轮相位调节机构使所述双杆液压缸14中上端较短的液压杆缩回，此时所述第一凸轮2相对于所述凸轮轴1处于活动状态，所述凸轮轴1继续逆时针旋转而所述第一凸轮2由于所述第一柱塞11的阻挡而保持位置相对不变；另一方面通过所述凸轮相位调节机构使所述双杆液压缸14中下端较长的液压杆适时伸出，与所述双凹槽15中远离所述凸轮轴1端凹槽互相配合，此时所述凸轮轴1将带动所述第一凸轮2一起逆时针转动，并使所述第一凸轮2和所述第二凸轮3沿所述凸轮轴1轴心对称分布。
在图3中，所述第一凸轮2和所述第二凸轮3都处于基圆状态，所述气门7在所述气门弹簧9的预紧力作用下，处于关闭状态；在图4中，由于所述第一凸轮2和所述第二凸轮3沿所述凸轮轴1轴心对称分布，因此同一时间所述第一凸轮2和所述第二凸轮3只有一个处于凸起状态，即同一时间所述第一柱塞11和所述第二柱塞5有且只有一个向下运动，进而通过所述液压缸4内部液压力驱动所述活塞6克服所述气门弹簧9的预紧力，使气门7远离所述气门座8，实现气门7的开启。由于所述凸轮1转速与发动机转速比为1比2，且所述凸轮1每转一圈，所述气门7开启关闭两次，因此图3和图4都为二冲程模式。与此同时，由于所述第一凸轮2和所述第二凸轮3沿所述凸轮轴1轴心对称分布，以及所述第一凸轮2与所述第二凸轮3形状一致，通过所述第一柱塞11和所述第二柱塞5的单独运动，最终使所述气门7的最大升程等于所述第一凸轮2或所述第二凸轮3的最大升程，且使所述气门7的开启持续期等于所述第一凸轮2或所述第二凸轮3的开启持续期。
综上，通过控制凸轮相位调节机构，可以使所述第一凸轮2与所述第二凸轮3至少实现凸轮相位部分重叠以及凸轮相位沿所述凸轮轴1轴心对称分布两种状态，最终改变所述气门7的运动规律，实现二四冲程可变。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。
值得注意的是，实施例中两个凸轮也都可以是活动凸轮，通过采用两套凸轮相位调节机构控制两个凸轮可以更精确的实现每个冲程下所需要的气门运动规律，例如两个凸轮重叠位置可变，可以使四冲程下气门开启时刻、升程与开启持续期可调，两个凸轮凸起时刻可变可以使二冲程气门开启时刻可调。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
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)

1.一种二四冲程发动机可变气门系统，其特征在于：包括凸轮轴、第一凸轮、第二凸轮、液压缸、气门和凸轮相位调节机构，所述凸轮轴的转速与发动机的转速比为1比2；
所述第一凸轮与第二凸轮并列套于所述凸轮轴上，且所述第一凸轮与第二凸轮中至少有一个可绕凸轮轴旋转，可绕凸轮轴旋转的凸轮中设置所述凸轮相位调节机构，所述凸轮相位调节机构使所述第一凸轮与第二凸轮至少实现凸轮相位部分重叠以及凸轮相位沿所述凸轮轴的轴心对称分布两种状态；
所述液压缸的顶部并列设有第一液压腔和第二液压腔，所述第一液压腔和第二液压腔的内部分别设有第一柱塞和第二柱塞，活塞可沿液压缸的内壁间隙滑动；所述第一凸轮与第二凸轮在随凸轮轴旋转过程中，配合所述活塞与第一柱塞和第二柱塞之间的液压力分别驱动第一柱塞和第二柱塞实现上下滑动；
所述气门的顶端与活塞固定连接，所述气门中部套有带预紧力的气门弹簧，所述气门底部与气门座接触配合。
2.根据权利要求1所述的一种二四冲程发动机可变气门系统，其特征在于：所述凸轮相位调节机构包括所述凸轮轴内部设置的双杆液压缸和设置在可绕凸轮轴旋转的第一凸轮或第二凸轮中的双凹槽，所述双凹槽包括深度不同的两个凹槽，当所述双杆液压缸中的一个液压杆与所述双凹槽中一个凹槽配合时，使所述第一凸轮与第二凸轮实现凸轮相位部分重叠状态；当所述双杆液压缸的另一个液压杆与所述双凹槽的另一个凹槽配合时，使所述第一凸轮与第二凸轮实现凸轮相位沿所述凸轮轴的轴心对称分布状态。
3.根据权利要求2所述的一种二四冲程发动机可变气门系统，其特征在于：所述双凹槽为中间深两边浅的T型凹槽结构，当所述双杆液压缸中的短液压杆与所述双凹槽中的浅的凹槽配合时，所述第一凸轮与第二凸轮实现凸轮相位部分重叠状态；当所述双杆液压缸的长液压杆与所述双凹槽的深的凹槽配合时，所述第一凸轮与第二凸轮实现凸轮相位沿所述凸轮轴的轴心对称分布状态。
4.根据权利要求1所述的一种二四冲程发动机可变气门系统，其特征在于：所述液压缸的侧壁设有单向液压通道，外接低压油源。
5.根据权利要求1所述的一种二四冲程发动机可变气门系统，其特征在于：所述第一凸轮与所述第二凸轮的形状一致。
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