CN109488405B - 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、变冲程驱动及辅助制动领域。它包括由凸轮轴通过花键驱动的第一轴套、制动凸轮、切换机构和制动摇臂等。第一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，制动凸轮设置在第一轴套、凸轮轴等处。通过控制切换机构和制动摇臂，本发明实现发动机二冲程驱动、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，达到提高车辆的动力性、经济性、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、变冲程驱动及辅助制动领域。

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。因其能够有效提高发动机动力输出、降低油耗和排放，变冲程驱动技术、停缸技术等备受关注。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。而发动机制动时，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的附件之一的大背景下，实现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。在低速大扭矩驱动工况下，采用二冲程驱动模式，以满足高动力输出的要求；在其他驱动工况下，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、二冲程驱动模式、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。

由于现有实用化的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）为了达到发动机高动力、低油耗、低排放和高效分级制动的运行，需要配气机构实现二冲程驱动、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。（b）为了满足车辆对响应性的要求，特别是保证动力输出不中断，四冲程驱动模式和二冲程驱动模式之间要做到无缝切换。（c）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进气门组件和排气门组件等。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。

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。

制动凸轮设置在轴套或通过花键设置在凸轮轴上，或增设第二凸轮轴，制动凸轮通过花键设置在第二凸轮轴上，或增设第二凸轮轴和第二轴套，第二凸轮轴通过花键带动第二轴套旋转，制动凸轮设置在第二轴套上。

复位弹簧驱使制动摇臂与制动凸轮接触。

进气摇臂驱动进气门组件，排气摇臂通过排气气门桥驱动第一排气门组件，排气摇臂通过排气气门桥、制动传动块驱动第二排气门组件。

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。

制动摇臂具有两种工作状态。

制动摇臂处于有效状态时，制动摇臂驱动制动传动块。

制动摇臂处于失效状态时，制动摇臂不驱动制动传动块。

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。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，制动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，第二杆输出端驱动制动传动块。

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。

进气四冲程凸轮至少在进气冲程具有凸起。排气四冲程凸轮至少在排气冲程具有凸起。进气二冲程凸轮至少在每个下止点附近具有凸起。排气二冲程凸轮至少在每个下止点附近具有凸起。制动凸轮在每个上止点附近具有凸起。

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。

当发动机需要二冲程驱动模式运行时，轴套处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内供给燃料。

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

当发动机需要四冲程紧急制动模式运行时，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，工作气缸采用其他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、制动凸轮、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，制动凸轮设置在轴套、凸轮轴等处。（a）通过控制切换组件和制动摇臂，实现发动机二冲程驱动、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，达到提高车辆的动力性、经济性、排放性、安全性和运输能力。（b）模式间无缝切换，满足车辆对响应性的要求，这尤其是对二冲程驱动模式与四冲程驱动模式之间切换时满足响应快速且动力输出连续至关重要。（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、制动摇臂；51D、制动支点；51E、制动传动块；51K、复位弹簧；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；62B、制动凸轮；71、进气门组件；72A、第一排气门组件；72B、第二排气门组件；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、制动凸轮62B、进气门组件和排气门组件等。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至少在每个下止点附近具有凸起。排气二冲程凸轮622至少在每个下止点附近具有凸起。制动凸轮62B在每个上止点附近具有凸起。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，进气四冲程凸轮614和排气四冲程凸轮624均在每个下止点附近具有凸起，制动凸轮62B在每个上止点附近具有凸起的实施例。

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。

制动凸轮62B设置在轴套102或通过花键设置在凸轮轴101上。或增设第二凸轮轴，制动凸轮62B通过花键设置在第二凸轮轴上。或增设第二凸轮轴和第二轴套，第二凸轮轴通过花键带动第二轴套旋转，制动凸轮62B设置在第二轴套上。图1和图2为制动凸轮62B设置在轴套102上的结构示意图。图3和图4分别为相应的轴套102和第二轴套202的展开示意图。制动凸轮62B至少在每个上止点附近具有凸起。

复位弹簧51K驱使制动摇臂53与制动凸轮62B接触。

进气摇臂51驱动进气门组件71，排气摇臂52通过排气气门桥驱动第一排气门组件72A，排气摇臂52通过排气气门桥、制动传动块51E驱动第二排气门组件72B。

制动摇臂53具有两种工作状态。制动摇臂53处于有效状态时，制动摇臂53驱动制动传动块51E。制动摇臂53处于失效状态时，制动摇臂53不驱动制动传动块51E。

制动摇臂53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，制动凸轮62B驱动第一杆的输入端，第一杆输出端驱动第二杆输入端，第二杆输出端驱动制动传动块51E。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。图1和图2中，制动摇臂53采用开关支点式制动摇臂，制动支点51D设置在摇臂体上。

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。

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。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。当制动凸轮62B不设置在轴套102上时，轴套102切换区间为进气二冲程凸轮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的公共基圆段内。

当制动凸轮62B设置在轴套102上时，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、制动凸轮62B的公共基圆段非常小，无法满足切换要求。对于上述情况，本发明通过在相应轴套切换阶段，保持制动摇臂53处于失效状态，实现了制动凸轮62B的非公共基圆段切换轴套。即当制动凸轮62B设置在轴套102上时，根据进气二冲程凸轮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，确定最大可切换区间。

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为逆时针旋转，图3为轴套102的展开示意图。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4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。

对于小缸间距的多缸机，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，如图5。此外，本发明还可采用相邻气缸的制动凸轮分别交替设置在相邻气缸轴套上，即M1缸的制动凸轮还可以设置在M2缸的凸轮轴或者轴套上，实现制动摇臂可采用直摇臂、结构紧凑等需求。

通过控制切换组件和制动摇臂53，本发明可实现多种模式。

当发动机需要二冲程驱动模式运行时，轴套102处于第二位置，制动摇臂53处于失效状态，气缸内供给燃料。

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53处于失效状态，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53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53处于失效状态，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53处于有效状态，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53处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要四冲程紧急制动模式运行时，轴套102处于第一位置，制动摇臂53处于有效状态，气缸内供给燃料。

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53处于有效状态，气缸内供给燃料。

上述各种驱动模式可实现发动机不同驱动功率的输出。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 (7)

1.一种多模式配气机构，它包括排气门组件和进气门组件，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）；

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）至少在每个下止点附近具有凸起，排气二冲程凸轮（622）至少在每个下止点附近具有凸起；制动凸轮（62B）在每个上止点附近具有凸起；

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）；

制动凸轮（62B）设置在轴套（102），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）、制动凸轮（62B）具有无法满足切换要求的公共基圆段；

复位弹簧（51K）驱使制动摇臂（53）与制动凸轮（62B）接触；

进气摇臂（51）驱动进气门组件（71），排气摇臂（52）通过排气气门桥驱动第一排气门组件（72A），排气摇臂（52）通过排气气门桥、制动传动块（51E）驱动第二排气门组件（72B）；

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；

制动摇臂（53）具有两种工作状态；

制动摇臂（53）处于有效状态时，制动摇臂（53）驱动制动传动块（51E）；

制动摇臂（53）处于失效状态时，制动摇臂（53）不驱动制动传动块（51E）；

在轴套切换阶段，保持制动摇臂处于失效状态。

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（53）至少包含锁定式或开关支点式结构；

所述锁定式结构具有第一杆、第二杆以及设置在第一杆与第二杆之间的锁定机构，制动凸轮（62B）驱动第一杆的输入端，第一杆输出端驱动第二杆输入端，第二杆输出端驱动制动传动块（51E）；

所述开关支点式结构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。

4.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，所述相邻两个气缸的轴套共用切换机构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多模式配气机构的控制方法，其特征是：

当发动机需要二冲程驱动模式运行时，轴套（102）处于第二位置，制动摇臂（53）处于失效状态，气缸内供给燃料；

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（53）处于失效状态，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（53）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（53）处于失效状态，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（53）处于有效状态，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（53）处于有效状态，气缸内不供给燃料；

当发动机需要四冲程紧急制动模式运行时，轴套（102）处于第一位置，制动摇臂（53）处于有效状态，气缸内供给燃料；

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（53）处于有效状态，气缸内供给燃料。

6.根据权利要求5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。

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，在制动模式下，各气缸采用相同或不同的制动模式。

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