CN109469527A - 一种多模式配气机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多模式配气机构及其控制方法，属于发动机配气机构、停缸及辅助制动领域。它包括由凸轮轴通过花键驱动的轴套、切换机构和排气摇臂等。轴套设置有进气二冲程凸轮、进气四冲程凸轮、排气二冲程凸轮、排气四冲程凸轮等。本发明通过在轴套切换阶段，保持制动摇臂处于失效状态，实现了制动摇臂对应凸轮的非公共基圆段内切换轴套；通过控制切换机构和制动摇臂，实现发动机四冲程分级驱动、四冲程分级制动和二冲程分级制动等多种模式的灵活切换，达到提高车辆的经济性、排放性、安全性和运输能力；各缸配气机构交替布置，结构紧凑，满足小缸间距发动机布置要求。

Description

一种多模式配气机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种多模式配气机构及其控制方法，属于发动机配气机构、停缸及辅助制动领域。

背景技术

随着发动机保有量的急剧增加，能源与环境问题以及行车安全性问题已成为制约我国可持续发展的重大问题之一。因其能够有效降低发动机油耗和排放，停缸技术备受关注。发动机小型化（Down-size）和低速化（Down-speed）已成为公认的节能减排的发展趋势；对于发动机制动，缸径越小、转速越低，制动效果越差。在车辆自身制动能力不断减弱、货运要求不断增长、道路环境复杂多变、车辆安全性越来越受到人们的重视、越来越多的国家将辅助制动系统列为车辆必备附件的大背景下，实现发动机高效分级制动模式势在必行。

针对上述问题，申请人提出了在驱动-制动全工况范围内分区优化发动机性能的多模式发动机。在驱动工况下，采用四冲程分级驱动模式，以满足低油耗和低排放的要求；在车辆小负载制动工况下，采用四冲程分级制动模式，满足车辆轻载、下短坡或缓坡时的要求；在车辆大负载制动工况下，采用二冲程分级制动模式，满足车辆重载、下长坡或陡坡时的要求，实现高效分级制动要求；在车辆主制动和/或其他制动系统失效等紧急情况下，采用不同的紧急制动模式，满足紧急情况的制动要求。基于此，多模式发动机的实现关键在于可实现发动机四冲程分级驱动模式、四冲程分级制动模式和二冲程分级制动模式等多种模式间灵活切换的多模式配气机构的开发。

由于已实用化可变配气机构大多用于四冲程驱动模式的发动机，不能满足多模式发动机的要求，因此开发一套可靠性高、结构简单紧凑且满足多模式发动机要求的配气机构势在必行。

发明内容

本发明的目的在于：通过设计一种多模式配气机构及其控制方法，用于实现：（a）为了达到发动机低油耗、低排放和高效分级制动的运行，需要配气机构实现四冲程分级驱动、四冲程分级制动、二冲程分级制动等多种模式。（b）为了满足多缸发动机的布置要求，需要本发明结构紧凑。

本发明所采用的技术方案是：这种多模式配气机构包括凸轮轴、轴套、切换机构、排气摇臂、排气门组件和进气门组件等。凸轮轴通过花键带动轴套旋转。轴套设置有进气二冲程凸轮、进气四冲程凸轮、排气二冲程凸轮、排气四冲程凸轮、第一切换槽和第二切换槽。

进气摇臂与进气门组件对应，排气摇臂与排气门组件对应。

轴套具有两个轴向位置。

轴套处于第一位置时，进气四冲程凸轮驱动进气摇臂，排气四冲程凸轮驱动排气摇臂。轴套处于第二位置时，进气二冲程凸轮驱动进气摇臂，排气二冲程凸轮驱动排气摇臂。

轴套从第一位置向第二位置切换时，第一切换机构工作。轴套从第二位置向第一位置切换时，第二切换机构工作。

排气摇臂为制动摇臂，复位弹簧驱使制动摇臂与相应的凸轮接触。

制动摇臂具有两种工作状态：制动摇臂处于有效状态时，制动摇臂驱动对应的气门组件；制动摇臂处于失效状态时，制动摇臂不驱动对应的气门组件；

非制动摇臂始终驱动对应的气门组件。

第一切换机构和第二切换机构为切换组件，切换组件至少包括可伸缩的销。所述销的伸缩状态由电磁、液压或气体控制。

制动摇臂至少包含锁定式或开关支点式结构。

锁定式制动摇臂具有第一杆、第二杆以及设置在第一杆与第二杆之间的锁定机构，凸轮驱动第一杆的输入端，第一杆输出端驱动第二杆输入端，第二杆输出端驱动对应的气门组件。锁定机构具有有效和失效两种状态。

开关支点式制动摇臂具有摇臂体以及设置在摇臂体上的制动支点或设置在固定支架上的制动支点。制动支点至少包含液压活塞式制动支点或锁定式制动支点。制动支点具有有效和失效两种状态。

当相邻两个气缸的点火间隔大于切换槽的切换区间时，所述两个相邻气缸的轴套还可共用切换机构。

当发动机需要四冲程驱动模式运行时，轴套处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

当发动机需要停缸模式运行时，轴套处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第一类四冲程制动模式运行时，轴套处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第二类四冲程制动模式运行时，轴套处于第一位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要二冲程制动模式运行时，轴套处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要二冲程紧急制动模式运行时，轴套处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

对于多缸机，非工作气缸采用停缸模式，工作气缸采用驱动模式或制动模式。

对于多缸机，在制动模式下，各气缸采用相同或不同的制动模式。

本发明的有益效果是：这种多模式配气机构主要包括由凸轮轴通过花键驱动的轴套、切换机构和制动摇臂等。轴套设置有进气二冲程凸轮、进气四冲程凸轮、排气二冲程凸轮、排气四冲程凸轮等。（a）通过设置制动摇臂，且在制动摇臂对应轴套切换阶段内，保持制动摇臂处于失效状态，实现了制动摇臂对应凸轮的非公共基圆段内切换轴套。（b）通过控制切换组件和制动摇臂，实现四冲程分级驱动、四冲程分级制动、二冲程分级制动等多种模式的切换，达到发动机低油耗、低排放和高效分级制动。（c）对于小缸间距的多缸机，本发明采用两根凸轮轴上分别布置相邻气缸的轴套，满足其布置要求；（d）对于相邻两个气缸的点火间隔大于切换槽的切换区间的发动机，两个相邻气缸的轴套还可共用切换机构，减少切换机构的数量，降低成本。

附图说明

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

图1是多模式配气机构第一示意图。

图2是多模式配气机构第二示意图。

图3是轴套展开示意图。

图4是共用切换机构的相邻气缸轴套展开示意图。

图5是多缸机用多模式配气机构示意图。

图中：101、凸轮轴；102、轴套；301、第一切换槽；302、第二切换槽；401、第一切换机构；402、第二切换机构；51、进气摇臂；52、排气摇臂；53、制动支点；612、进气二冲程凸轮；614、进气四冲程凸轮；622、排气二冲程凸轮；624、排气四冲程凸轮；71、进气门组件；72、排气门组件；N1、第一号气缸；N2、第二号气缸；101-M1、M1缸凸轮轴；102-M1、M1缸轴套；101-M2、M2缸凸轮轴；102-M2、M2缸轴套。

具体实施方式

本发明涉及一种多模式配气机构。它包括凸轮轴101、轴套102、进气摇臂51、排气摇臂52、第一切换机构401第二切换机构402、排气门组件72和进气门组件71等。凸轮轴101通过花键带动轴套102旋转。轴套102设置有进气二冲程凸轮612、进气四冲程凸轮614、排气二冲程凸轮622、排气四冲程凸轮624、第一切换槽301和第二切换槽302。进气摇臂51与进气门组件71对应，排气摇臂52与排气门组件72对应。

进气四冲程凸轮614至少在进气冲程具有凸起；排气四冲程凸轮624至少在排气冲程具有凸起；进气二冲程凸轮612和排气二冲程凸轮622中，至少有一个凸轮在压缩上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进排气上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进气-压缩下止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在膨胀-排气下止点附近具有凸起。图1和图2给出了进气四冲程凸轮614在进气冲程具有凸起，排气四冲程凸轮624在排气冲程具有凸起，进气二冲程凸轮612在每个下止点附近具有凸起，排气二冲程凸轮622在每个上止点附近和每个下止点附近均具有凸起的示例。

轴套102具有两个轴向位置。轴套102处于第一位置时，进气四冲程凸轮614驱动进气摇臂51，排气四冲程凸轮624驱动排气摇臂52。轴套102处于第二位置时，进气二冲程凸轮612驱动进气摇臂51，排气二冲程凸轮622驱动排气摇臂52。

轴套102从第一位置向第二位置切换时，第一切换机构401工作，与第一切换槽301配合完成切换。轴套102从第二位置向第一位置切换时，第二切换机构402工作，与第二切换槽302配合完成切换。

第一切换机构401和第二切换机构402为切换组件，切换组件至少包括可伸缩的销。所述销的伸缩状态由电磁、液压或气体控制。

传统轴套切换区间必须是轴套上所有凸轮的公共基圆段。本发明存在至少一个轴套上所有凸轮的公共基圆段较小，无法满足轴套切换要求的情况，对此，需要将排气摇臂52设为制动摇臂，并且设置复位弹簧驱使制动摇臂与相应的凸轮接触。在相应轴套切换阶段，保持制动摇臂处于失效状态，实现了制动摇臂对应凸轮的非公共基圆段切换轴套。

制动摇臂具有两种工作状态。制动摇臂处于有效状态时，制动摇臂驱动对应的气门组件；制动摇臂处于失效状态时，制动摇臂不驱动对应的气门组件。

以图1和图2所示实施例为例，进气二冲程凸轮612、进气四冲程凸轮614、排气二冲程凸轮622、排气四冲程凸轮624的公共基圆段非常小，无法满足第二轴套202的切换要求。通过将排气摇臂52设成制动摇臂，在相应轴套切换阶段，保持排气摇臂52处于失效状态，实现了排气二冲程凸轮622的非公共基圆段切换轴套。即根据进气二冲程凸轮612、进气四冲程凸轮614、排气四冲程凸轮624的公共基圆段，确定最大可切换区间。

制动摇臂至少包含锁定式或开关支点式结构。锁定式制动摇臂具有第一杆、第二杆以及设置在第一杆与第二杆之间的锁定机构，凸轮驱动第一杆的输入端，第一杆输出端驱动第二杆输入端，第二杆输出端驱动对应的气门组件。锁定机构具有有效和失效两种状态。开关支点式制动摇臂具有摇臂体以及设置在摇臂体上的制动支点或设置在固定支架上的制动支点。制动支点至少包含液压活塞式制动支点或锁定式制动支点。制动支点具有有效和失效两种状态。图1和图2给出了具有设置在固定支架上的制动支点的开关支点式排气摇臂示意图。

根据凸轮与摇臂的接触点的周向位置、凸轮轴的旋转方向以及切换机构的周向位置，确定切换槽的切换区间。上述任意一种条件改变时，需要调节其他条件。因此，在实际情况下，需要根据实际机型来确定凸轮的公共基圆段、凸轮轴的旋转方向和凸轮输出点的周向位置，调整切换槽的切换区间和切换机构的周向位置。

本发明列出的实施方案中，凸轮轴101为顺时针旋转，图3为轴套201的展开图。此外，第一切换槽301和第二切换槽302可以相互分离；通过合并二者的公共导向段，可将二者合并成一体，如图3。

当相邻两个气缸的点火间隔大于切换槽的切换区间时，这两个相邻气缸的还可以共用同一组切换机构（2个），其好处是减少了切换机构的数量，降低了成本，其弊端是这两个轴套的轴向位置只能均处于第一位置，或者均处于第二位置。以点火顺序为1-4-2-6-3-5的直列6缸机的1缸和2缸的第一轴套为例，左侧N1为第一号气缸，右侧N2为第二号气缸，两气缸的轴套共用第一切换机构401和第二切换机构402；第一切换机构401作用在第一号气缸N1的第一切换槽301和第二号气缸N2的第一切换槽301上；同样，第二切换机构402作用在第一号气缸N1的第二切换槽302和第二号气缸N2的第二切换槽302上。图5为轴套展开示意图。

注意：图3和图4中切换槽均只画出了切换区间段，没有画出过渡段。

图5是多缸机用多模式配气机构示意图。对于小缸间距的多缸机，本发明采用两根凸轮轴上分别布置相邻气缸的轴套，满足其布置要求。

通过控制切换组件和排气摇臂，本发明可实现多种模式。

当发动机需要四冲程驱动模式运行时，轴套102处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

当发动机需要停缸模式运行时，轴套102处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第一类四冲程制动模式运行时，轴套102处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第二类四冲程制动模式运行时，轴套102处于第一位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要二冲程制动模式运行时，轴套102处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要二冲程紧急制动模式运行时，轴套102处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

上述各种制动模式，可实现发动机不同制动功率的输出。根据车辆需要来选取上述模式。

发动机在驱动模式下，燃油燃烧做正功，发动机输出动力驱动车轮运行。发动机在四冲程紧急制动模式，燃烧在压缩上止点前燃烧做负功；发动机在二冲程紧急制动模式，燃烧在每个上止点前燃烧做负功，发动机产生阻力实现车辆紧急情况下的缓速和制动。本发明所述紧急制动模式主要针对车辆主制动系统失效、其他辅助制动系统失效或制动功率不足等情况，用于车辆缓速和制动等，保证车辆安全。

由于本发明各缸轴套独立可控，对于多缸机而言，所有气缸可分为非工作气缸和工作气缸，非工作气缸采用停缸模式，工作气缸采用驱动模式或制动模式，可实现分级控制发动机动力输出。如车辆需要较小动力时，即发动机处于低负荷运行状态，可采用四冲程分级停缸驱动技术，即采用一部分气缸采用停缸模式，其他气缸采用四冲程驱动模式，并且停缸率随着发动机负荷的改变而改变，可显著降低发动机的油耗和排放。再如一部分气缸采用停缸模式，其他气缸采用制动模式，可实现发动机根据车辆运行情况连续可调地输出制动功率。此外，在制动模式下，各气缸采用相同或不同的制动模式。各制动模式下，还可与EGR系统、涡轮增压系统、设置在排气管上的蝶阀等配合，获得不同的制动功率，实现发动机根据车辆运行情况连续可调地输出制动功率。

Claims (8)

1.一种多模式配气机构，它包括排气门组件（72）和进气门组件（71），其特征是：

凸轮轴（101）通过花键带动轴套（102）旋转；

轴套（102）设置有进气二冲程凸轮（612）、进气四冲程凸轮（614）、排气二冲程凸轮（622）、排气四冲程凸轮（624）、第一切换槽（301）和第二切换槽（302）；

进气摇臂（51）与进气门组件（71）对应，排气摇臂（52）与排气门组件（72）对应；

轴套（102）具有两个轴向位置；

轴套（102）处于第一位置时，进气四冲程凸轮（614）驱动进气摇臂（51），排气四冲程凸轮（624）驱动排气摇臂（52）；

轴套（102）处于第二位置时，进气二冲程凸轮（612）驱动进气摇臂（51），排气二冲程凸轮（622）驱动排气摇臂（52）；

轴套（102）从第一位置向第二位置切换时，第一切换机构（401）工作；轴套（102）从第二位置向第一位置切换时，第二切换机构（402）工作；

所述排气摇臂（52）为制动摇臂，复位弹簧驱使制动摇臂与相应的凸轮接触；

制动摇臂具有两种工作状态；

制动摇臂处于有效状态时，制动摇臂驱动对应的气门组件；

制动摇臂处于失效状态时，制动摇臂不驱动对应的气门组件；

非制动摇臂始终驱动对应的气门组件。

2.根据权利要求1所述的多模式配气机构，其特征是：第一切换机构（401）和第二切换机构（402）为切换组件，所述切换组件至少包括可伸缩的销；所述销的伸缩状态由电磁、液压或气体控制。

3.根据权利要求1所述的多模式配气机构，其特征是：所述制动摇臂至少包含锁定式或开关支点式结构；

所述锁定式制动摇臂具有第一杆、第二杆以及设置在第一杆与第二杆之间的锁定机构，凸轮驱动第一杆的输入端，第一杆输出端驱动第二杆输入端，第二杆输出端驱动对应的气门组件；锁定机构具有有效和失效两种状态；

所述开关支点式制动摇臂具有摇臂体以及设置在摇臂体上的制动支点或设置在固定支架上的制动支点；所述制动支点至少包含液压活塞式制动支点或锁定式制动支点；制动支点具有有效和失效两种状态。

4.根据权利要求1所述的多模式配气机构，其特征是：所述进气四冲程凸轮（614）至少在进气冲程具有凸起；排气四冲程凸轮（624）至少在排气冲程具有凸起；进气二冲程凸轮（612）和排气二冲程凸轮（622）中，至少有一个凸轮在压缩上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进排气上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进气-压缩下止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在膨胀-排气下止点附近具有凸起。

5.根据权利要求1所述的多模式配气机构，其特征是：当相邻两个气缸的点火间隔大于切换槽的切换区间时，所述两个相邻气缸的轴套还可共用切换机构。

6.根据权利要求1-5所述的多模式配气机构的控制方法，其特征是：

当发动机需要四冲程驱动模式运行时，轴套（102）处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料；

当发动机需要停缸模式运行时，轴套（102）处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料；

当发动机需要第一类四冲程制动模式运行时，轴套（102）处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料；

当发动机需要第二类四冲程制动模式运行时，轴套（102）处于第一位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料；

当发动机需要二冲程制动模式运行时，轴套（102）处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料；

当发动机需要二冲程紧急制动模式运行时，轴套（102）处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

7.根据权利要求6所述的多模式配气机构的控制方法，其特征是：对于多缸机，非工作气缸采用停缸模式，工作气缸采用驱动模式或制动模式。

8.根据权利要求7所述的多模式配气机构的控制方法，其特征是：对于多缸机，在制动模式下，各气缸采用相同或不同的制动模式。