CN109469526A - 多级可变气门升程装置 - Google Patents

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Abstract

一种多级可变气门升程装置，其设置在发动机的进气部和排气部并且包括：移动凸轮部件，其连同凸轮轴一起旋转并且在凸轮轴的轴向方向上可移动地设置并且形成多个凸轮和凸轮引导突出部，所述多个凸轮用于实现彼此不同的气门升程；操作单元，其选择性地引导所述凸轮引导突出部使得所述移动凸轮部件在所述凸轮轴的轴向方向上移动；控制器，其控制所述操作单元的操作；以及气门打开/关闭单元，其通过与多个凸轮中的任一个凸轮接触而打开/关闭。

Description

多级可变气门升程装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月7日在韩国知识产权局所提出的韩国专利申请号10-2017-0114241的权益，并通过引用将其全文纳入本文。
技术领域
本申请涉及多级可变气门升程装置，更具体地涉及能够通过简单结构实现多级气门升程的多级可变气门升程装置。
背景技术
通常地，内燃机发动机在燃烧室中接收燃料和空气并且通过燃料和空气的燃烧产生动力。通过驱动凸轮轴从而操作进气门，并且当进气门打开时空气流入燃烧室中。此外，通过驱动凸轮轴从而操作排气气门，并且当排气气门打开时废气从燃烧室中排出。
然而，进气门/排气门的最佳操作取决于发动机的每分钟转数(RPM)。亦即，用于气门的升程或打开/关闭气门的适当的时间取决于发动机的RPM。为了根据发动机的RPM合适地操作气门，如上所述，已经研究了根据发动机的RPM而以不同的升程来操作气门的VVL(可变气门升程)装置。
然而，如果在具有均质混合物压缩点火类型的发动机中仅使用常规可变气门升程装置来改变气门升程，则运行区域的扩大、精确的燃烧控制、NOx的减少、燃烧噪声等方面的改进可能不会令人满意。
公开于背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对本申请背景技术的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本申请提供一种多级可变气门升程装置，其优点在于通过简单的结构来满足运行区域的扩大、精确的燃烧控制、NOx的减少、燃烧噪声等方面的改进等。
根据本申请的实施方案的多级可变气门升程装置可以设置在发动机的进气部和排气部。
多级可变气门升程装置可以包括：移动凸轮部件，其连同凸轮轴一起旋转并且在凸轮轴的轴向方向上可移动地设置并且形成多个凸轮和凸轮引导突出部，所述多个凸轮用于实现彼此不同的气门升程；操作单元，其选择性地引导所述凸轮引导突出部使得所述移动凸轮部件在所述凸轮轴的轴向方向上移动；控制器，其控制所述操作单元的操作；以及气门打开/关闭单元，其通过与多个凸轮中的任一个凸轮接触而进行打开/关闭。
所述进气部的多个凸轮可以包括：进气部第一凸轮，其设置成具有使得进气门的打开正时从完成排气的正时产生延迟进的相位；进气部第二凸轮，其设置成具有用于在完成排气的正时之后打开进气门的相位；以及进气部第三凸轮，其设置成具有用于从完成排气的正时使得进气门的打开正时提前的相位。
所述操作单元可以包括螺线管和引导部，所述螺线管通过所述控制器操作，所述凸轮引导突出部插入所述引导部中，并且所述引导部根据所述螺线管的操作而选择性地突出从而引导所述凸轮引导突出部。
所述进气部第一凸轮、进气部第二凸轮和进气部第三凸轮可以具有以相同形状形成的凸轮凸角。
所述排气部的多个凸轮可以包括：排气部第一凸轮，其具有以与进气部第一凸轮相同形状形成的凸轮凸角；排气部第二凸轮，其具有高凸轮凸角和副凸轮凸角，所述高凸轮凸角用于实现比排气部第一凸轮的凸轮凸角高的气门升程，所述副凸轮凸角用于在进气门的打开过程中打开/关闭排气门；以及排气部第三凸轮，其具有扩展凸轮凸角，所述扩展凸轮凸角用于打开/关闭排气门，与所述排气部第一凸轮的凸轮凸角和所述排气部第二凸轮的高凸轮凸角相比，使得排气门的打开时间更长。
相比于通过所述进气部第二凸轮的凸轮凸角实现的进气门的升程，所述副凸轮凸角可以以低升程打开/关闭排气门。
相比于通过所述进气部第三凸轮的凸轮凸角实现的进气门的升程，所述扩展凸轮凸角可以以高升程打开/关闭排气门。
当所述进气部第一凸轮与所述进气部的气门打开/关闭单元接触时，所述排气部第一凸轮可以与所述排气部的气门打开/关闭单元接触，并且从关闭排气门至通过所述进气部第一凸轮的凸轮凸角打开进气门之间可以存在时间差。
当所述进气部第二凸轮与所述进气部的气门打开/关闭单元接触时，所述排气部第二凸轮可以与所述排气部的气门打开/关闭单元接触，并且当通过排气部第二凸轮的副凸轮凸角打开排气门同时通过进气部第二凸轮的正常凸轮凸角打开进气门时，在通过排气部第二凸轮的高凸轮凸角打开排气门的过程中排出的一部分排气可以被再次吸入。
当所述进气部第三凸轮与所述进气部的气门打开/关闭单元接触时，所述排气部第三凸轮可以与所述排气部的气门打开/关闭单元接触，并且自从通过所述排气部第三凸轮的扩展凸轮凸角开始打开排气门，在排气门完全关闭之前可以通过上述进气部第三凸轮的凸轮凸角开始打开进气门。
附图说明
图1为根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置的立体图。
图2至图4为根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置的操作图。
图5为显示根据本申请的示例性实施方案的第一凸轮的形状的图。
图6为显示根据本申请的示例性实施方案的第一凸轮所实现的气门升程曲线的图。
图7为显示根据本申请的示例性实施方案的第二凸轮的形状的图。
图8为显示根据本申请的示例性实施方案的第二凸轮所实现的气门升程曲线的图。
图9为显示根据本申请的示例性实施方案的第三凸轮的形状的图。
图10为显示根据本申请的示例性实施方案的第三凸轮所实现的气门升程曲线的图。
具体实施方式
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的并且不旨在限制本申请。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群体。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项目的任何和所有组合。在整个说明书中，除非明确地相反描述，术语“包括”和变化形式例如“包含”或“含有”应被理解为暗示包含所述元件但是不排除任何其它元件。此外，说明书中描述的术语“单元”、“-器”、“-件”和“模块”表示用于进行至少一种功能和操作的单元，并且可以通过硬件或软件及其组合实施。
此外，本申请的控制逻辑可以体现为计算机可读媒介上的永久性计算机可读媒体，包括通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读媒介的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光学数据储存设备。计算机可读媒介也可以分布在网络联接的计算机系统中使得计算机可读媒介以分布方式储存和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)。
下面将参考附图对本申请的示例性实施方案进行详细描述。
图1为根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置的立体图。
如图1所示，根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置包括：凸轮轴10；第一移动凸轮部件20，所述第一移动凸轮部件20包括多个具有不同形状的凸轮21、22和23并且具有第一凸轮引导突出部25，所述第一凸轮引导突出部25连同凸轮轴10一起旋转并且可在凸轮轴10的轴向方向上滑动；第二移动凸轮部件30，所述第二移动凸轮部件30包括多个具有不同形状的凸轮31、32和33并且具有第二凸轮引导突出部35，所述第二凸轮引导突出部35连同凸轮轴10一起旋转并且可在凸轮轴10的轴向方向上滑动；第一操作单元60，所述第一操作单元60选择性地伸出从而引导第一凸轮引导突出部25使得第一移动凸轮部件20第一方向上移动；第二操作单元90，所述第二操作单元90选择性地伸出从而引导第二凸轮引导突出部35使得第二移动凸轮部件30第二方向上移动；控制器12，所述控制器12设置成控制第一操作单元60和第二操作单元90的操作；和气门打开和关闭单元110和120，所述气门打开和关闭单元110和120与多个凸轮21、22、23、31、32和33中的任一者接触从而进行打开和关闭气门操作。
显示了第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30分别包括三个凸轮21、22和23以及31、32和33，但是本申请不限于此，而是第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30可以具有不同数量的凸轮。
第一凸轮引导突出部25和第二凸轮引导突出部35以相反方向形成使得第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30分别在第一方向和第二方向上移动。例如，第一凸轮引导突出部25可以使第一移动凸轮部件20移动至图中的左侧，而第二凸轮引导突出部35可以使第二移动凸轮部件30移动至右侧。
第一操作单元60和第二操作单元90分别包括：第一螺线管61和第二螺线管91，所述第一螺线管61和第二螺线管91在控制器12的控制下被驱动；和第一引导部70和第二引导部100，所述第一引导部70和第二引导部100通过第一螺线管61和第二螺线管91而伸出并且允许第一凸轮引导突出部25和第二凸轮引导突出部35插入其中，从而使第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30移动。
第一操作单元60和第二操作单元90进一步分别包括销状件壳体78，第一引导部70和第二引导部100进一步包括主销状件71和101和副销状件74、76、104和106，所述主销状件71和101可旋转地设置在销状件壳体78中并且根据第一螺线管61和第二螺线管61和91的驱动而伸出，所述副销状件74、76、104和106可旋转地设置在销状件壳体78中并且与主销状件71和101接合从而连同主销状件71和101一起伸出。
在图1中，在一个销状件壳体78中设置一个主销状件71和101和两个副销状件74、76、104和106，但是主销状件71和101和副销状件74、76、104和106的数量并不限于此，而是可以与所述多个凸轮21、22、23、31、32和33的数量成比例地设置主销状件71和101和副销状件74、76、104和106。
可以在第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30上分别形成倾斜部27和37从而在第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30移动之后允许第一引导部70和第二引导部100恢复其初始位置。
第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30可以连接从而整体移动，并且第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30可以作为单独的一个移动凸轮部件40的形式整体形成。亦即，第一凸轮引导突出部25和第二凸轮引导突出部35可以使移动凸轮部件40在第一方向或第二方向上移动。此外，以具有统一半径的圆筒形状形成轴颈部42从而将第一移动凸轮部件20与第二移动凸轮部件30连接。
当主销状件71和101和副销状件74、76、104和106伸出使得第一凸轮引导突出部25和第二凸轮引导突出部35插在主销状件71和101与副销状件74、76、104和106之间时，第一移动凸轮部件20和第二移动凸轮部件30或移动凸轮部件40在凸轮轴10的轴向方向上移动，并且主销状件71和101和副销状件74、76、104和106可以沿着倾斜部27和37移动从而恢复至其初始位置。
图2至图4为根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置的操作图。
如图2所示，在根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置中，如果在气门打开/关闭单元110和120通过接触凸轮中的设置在图中相对右侧的第一凸轮21和31而打开/关闭气门的状态下发动机的负载增加，则控制器12操作第二操作单元90使得第二引导部100突出。然后，第二凸轮引导突出部35在被插在第二引导部100的主销状件101与左侧副销状件106之间的状态下被引导。然后，第二移动凸轮部件30和第一移动凸轮部件20朝向第二方向(朝向图中右侧)移动，并且如图3所示，气门打开和关闭单元110和120与凸轮中的中间凸轮22和32接触从而进行打开和关闭气门操作。通过该过程，气门升程改变，然后第二引导部100通过第二移动凸轮部件30中形成的倾斜部37恢复至其初始位置。
同时，当气门打开/关闭单元110和120与凸轮中的第一凸轮21和31接触时(参见图2)，凸轮帽130的右表面与第二移动凸轮部件30接触，所述凸轮帽130设置成围绕轴颈部42的外周围从而避免凸轮轴10由于凸轮21、22、23、31、32和33的旋转而脱离。因此，可以稳固地设置通过凸轮中的第一凸轮21和31而用于实现气门升程的移动凸轮部件40，并且凸轮轴的可靠性得以改进。
当在图3的状态下发动机的负载进一步增加时，控制器12操作第二操作单元90并且第二引导部100伸出。然后，第二凸轮引导突出部35在被插入到第二引导部100的主销状件101与右侧副销状件104之间的状态下被引导。然后，第二移动凸轮部件30和第一移动凸轮部件20朝向第二方向(朝向图中右侧)再次移动，并且如图4所示，气门打开和关闭单元110和120与凸轮中的设置在图左侧的第三凸轮23和33接触从而进行打开和关闭气门操作。通过该过程，气门升程改变，然后第二引导部100通过第二移动凸轮部件30中形成的倾斜部37而恢复至其初始位置。
同时，当气门打开/关闭单元110和120与凸轮中的第三凸轮23和33接触时(参见图4)，凸轮帽130的左表面与第一移动凸轮部件20接触。因此，可以稳固地设置通过凸轮中的左侧凸轮23和33实现气门升程的移动凸轮部件40，并且凸轮轴的可靠性得以改进。
当在图4的状态下发动机的负载减小时，控制器12操作第一操作单元60并且第一引导部70伸出。所述移动凸轮部件40根据第一引导部70的伸出而朝向第一方向移动从而使得气门升程发生变化，这与上文描述的移动凸轮部件40朝向第二方向移动而造成的气门升程的变化相似(尽管所述移动凸轮部件40以相反的移动方向操作)，因此将省略其详细描述。
下文将参考图5至图10描述通过根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置所实现的气门升程。
同时，根据本申请的示例性实施方案的多级可变气门升程装置可以分别设置在发动机的进气部和排气部从而改变进气门的升程和排气门的升程。此外，在图5至图10中进气部通过“IN”表示并且排气部通过“EX”表示。
图5为显示根据本申请的示例性实施方案的第一凸轮的形状的图，并且图6为显示根据本申请的示例性实施方案的第一凸轮所实现的气门升程曲线的图。
如图5所示，进气部的第一凸轮21和31和排气部的第一凸轮21和31可以以正常凸轮形状形成从而具有以相同形状形成的凸轮凸角。在此，形成正常凸轮形状的凸轮凸角将被称为“正常凸轮凸角NL”。此外，进气部的第一凸轮21和31设置成具有用于延迟气门打开正时的相位。亦即，进气部第一凸轮21和31和排气部第一凸轮21和31设置成使得：在从开始通过排气部第一凸轮21和31的正常凸轮凸角NL打开排气门，并在完全关闭排气门的正时后经过设定时间，开始通过进气部第一凸轮21和31的正常凸轮凸角NL打开进气门。因此，如图6所示，在进气部和排气部的气门打开/关闭单元110和120与第一凸轮21和31接触从而打开/关闭气门的状态下(参见图2)，实现未重叠(underlap)，即，从排气气门完全关闭的正时至进气门开始打开的正时之间存在设定的时间差。
图7为显示根据本申请的示例性实施方案的第二凸轮的形状的图，并且图8为显示根据本申请的示例性实施方案的第二凸轮所实现的气门升程曲线的图。
如图7所示，进气部的第二凸轮22和32具有正常凸轮凸角NL并且排气部的第二凸轮22和32具有高凸轮凸角HL从而实现比正常凸轮凸角NL高的气门升程。就此而言，进气部第二凸轮22和32和排气部第二凸轮22和32设置成使得：在从开始通过排气部第二凸轮22和32的高凸轮凸角HL打开排气门，并在完全关闭排气门的正时开始通过进气部第二凸轮22和32的正常凸轮凸角NL打开进气门。此外，在排气部第二凸轮22和32处形成副凸轮凸角SL，在通过进气部第二凸轮22和32的凸轮凸角开始打开进气门的正时与完全关闭进气门的正时之间，与正常凸轮凸角NL相比，所述副凸轮凸角SL以较低的升程打开/关闭排气门。因此，如图8所示，在进气部和排气部的气门打开/关闭单元110和120与第二凸轮22和32接触从而将气门打开/关闭的状态下(参见图3)，实现再呼吸(rebreathing)，即，当通过排气部第二凸轮22和32的副凸轮凸角打开排气门同时通过进气部第二凸轮22和32的正常凸轮凸角NL打开进气门时，在通过排气部第二凸轮22和32的高凸轮凸角HL打开排气门的过程中排出的排气的一部分再次流入燃烧室中。再呼吸也被称为“内部排气循环”。同时，通过排气部第二凸轮22和32的高凸轮凸角HL打开排气门而排出的排气量可以大于通过排气部第一凸轮21和31的正常凸轮凸角NL打开排气门而排出的排气量。
图9为显示根据本申请的示例性实施方案的第三凸轮的形状的图，并且图10为显示根据本申请的示例性实施方案的第三凸轮所实现的气门升程曲线的图。
如图9所示，进气部的第三凸轮23和33具有正常凸轮凸角NL，并且排气部的第三凸轮23和33具有扩展凸轮凸角EL，所述扩展凸轮凸角EL用于打开/关闭排气门使得从排气门开始打开到排气门完全关闭的时间相比于正常凸轮凸角NL更长。此外，相比于进气部第二凸轮22和32的正常凸轮凸角NL，进气部第三凸轮23和33的正常凸轮凸角NL设置成具有用于提前气门打开正时的相位，并且排气部第三凸轮23和33的扩展凸轮凸角EL设置成具有与排气部第二凸轮22和32的高凸轮凸角HL相同的相位。因此，如图10所示，在进气部和排气部的气门打开/关闭单元110和120与第三凸轮23和33接触从而打开/关闭气门的状态下(参见图4)，实现长打开持续时间(long duration)，即，从排气门打开开始，并在排气门完全关闭之前进气门开始打开。同时，相比于进气部第三凸轮23和33的正常凸轮凸角，排气部第三凸轮23和33的扩展凸轮凸角EL可以实现高的气门升程。
根据本申请的示例性实施方案，由于通过选择的升程来运行气门从而分别实现未重叠、再呼吸以及长打开持续时间模式，因此对运行区域的扩大、精确的燃烧控制、NOx的减少、燃烧噪声等方面的改进可以令人满意。因此，由于发动机效率更高，因而可以改善燃料消耗。
虽然参考目前被视为是实际的示例性实施方案描述本申请，应理解本申请并不限于所公开的实施方案，相反，本申请旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围之内的各种修改形式和等效形式。

Claims (9)

1.一种多级可变气门升程装置，所述多级可变气门升程装置设置在发动机的进气部和排气部并且包括：
移动凸轮部件，其连同凸轮轴一起旋转并且在凸轮轴的轴向方向上能够移动地设置并且形成多个凸轮和凸轮引导突出部，所述多个凸轮用于实现彼此不同的气门升程；
操作单元，其选择性地引导所述凸轮引导突出部使得所述移动凸轮部件在所述凸轮轴的轴向方向上移动；
控制器，其控制所述操作单元的操作；以及
气门打开/关闭单元，其通过与多个凸轮中的任一个凸轮接触而进行打开/关闭，
其中所述进气部的多个凸轮包括：
进气部第一凸轮，其设置成具有使进气门的打开正时从完成排气的正时延迟的相位；
进气部第二凸轮，其设置成具有使得进气门在完成排气的正时之后打开的相位；以及
进气部第三凸轮，其设置成具有使得进气门的打开正时从完成排气的正时提前的相位。
2.根据权利要求1所述的多级可变气门升程装置，其中，所述操作单元包括螺线管和引导部，所述螺线管通过所述控制器操作，所述凸轮引导突出部插入所述引导部中，并且所述引导部根据所述螺线管的操作而选择性地突出从而引导所述凸轮引导突出部。
3.根据权利要求1所述的多级可变气门升程装置，其中，所述进气部第一凸轮、进气部第二凸轮和进气部第三凸轮具有以相同形状形成的凸轮凸角。
4.根据权利要求1所述的多级可变气门升程装置，其中，所述排气部的多个凸轮包括：
排气部第一凸轮，其具有实现与所述进气部第一凸轮相同升程的凸轮凸角；
排气部第二凸轮，其具有高凸轮凸角并具有副凸轮凸角，所述高凸轮凸角用于实现比所述排气部第一凸轮的凸轮凸角高的气门升程，所述副凸轮凸角用于在进气门的打开过程中打开/关闭排气门；以及
排气部第三凸轮，其具有扩展凸轮凸角，所述扩展凸轮凸角用于打开/关闭排气门，与所述排气部第一凸轮的凸轮凸角和所述排气部第二凸轮的高凸轮凸角相比，使得排气门的打开时间更长。
5.根据权利要求4所述的多级可变气门升程装置，其中，相比于通过所述进气部第二凸轮的凸轮凸角实现的进气门的升程，所述副凸轮凸角以低升程打开/关闭排气门。
6.根据权利要求4所述的多级可变气门升程装置，其中，相比于通过所述进气部第三凸轮的凸轮凸角实现的进气门的升程，所述扩展凸轮凸角以高升程打开/关闭排气门。
7.根据权利要求4所述的多级可变气门升程装置，其中，当所述进气部第一凸轮与所述进气部的气门打开/关闭单元接触时，所述排气部第一凸轮与所述排气部的气门打开/关闭单元接触，并且从关闭排气门至通过所述进气部第一凸轮的凸轮凸角打开进气门之间存在时间差。
8.根据权利要求4所述的多级可变气门升程装置，其中，当所述进气部第二凸轮与所述进气部的气门打开/关闭单元接触时，所述排气部第二凸轮与所述排气部的气门打开/关闭单元接触，并且当通过所述排气部第二凸轮的所述副凸轮凸角打开排气门同时通过所述进气部第二凸轮的正常凸轮凸角打开进气门时，在通过排气部第二凸轮的高凸轮凸角打开排气门的过程中排出的一部分排气被再次吸入。
9.根据权利要求8所述的多级可变气门升程装置，其中，当所述进气部第三凸轮与所述进气部的气门打开/关闭单元接触时，所述排气部第三凸轮与所述排气部的气门打开/关闭单元接触，并且自从通过所述排气部第三凸轮的扩展凸轮凸角开始打开排气门，在排气门完全关闭之前通过所述进气部第三凸轮的凸轮凸角开始打开进气门。
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