CN110159387A - 曲柄摇杆可变气门升程装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲柄摇杆可变气门升程装置，包括驱动气门组件的曲柄摇杆机构；曲柄摇杆机构的曲柄段一端固定铰接，另一端与一连杆铰接，曲柄摇杆机构的摇杆段为作用在气门组件上的摇臂，摇臂一端铰装在滑块上，摇臂的另一端与连杆铰接，通过曲柄摇杆机构控制摇臂以滑块上的铰点为支点摆动实现控制气门开启；滑块与推动滑块导向移动的推动单元连接，推动单元驱动滑块和摇臂一同移动，以使摇臂的摆动角度发生连续变化。本发明在摇臂式气门机械结构的基础上调整摇臂为滑动结构，并且利用曲柄摇杆机构取代驱动凸轮控制摇臂，适应发动机不同工况的气门升程和气门打开时间角同时连续可变，使发动机在全转速范围内提供最佳的气门升程和气门打开时间角。

Description

曲柄摇杆可变气门升程装置

技术领域

本发明涉及一种发动机配气机构，具体涉及一种曲柄摇杆可变气门升程装置。

背景技术

对于大多数发动机，其进排气门升程是固定不可变的，也就是凸轮轴的凸轮型线只有一种。这就造成了该升程不可能使发动机在高速区和低速区都得到良好响应。传统发动机的气门升程——凸轮型线设计是对发动机在全工况下的平衡性选择，其结果是发动机既得不到最佳的高速效率，也得不到最佳的低速扭矩，使进气损失出现和燃油消耗过多。

可变气门升程(VVL)的采用，使发动机在高速区和低速区都能得到满足需求的气门升程,从而改善发动机高速功率和低速扭矩。现有的可变气门升程的实现包括两种结构形式，一种是采用多个凸轮来控制进气摇臂，切换至不同高度的凸轮实现气门的不同开度控制，这种气门升程变化只能通过凸轮的数量来控制，一般是两组凸轮或者三组凸轮，没办法做到气门升程的连续无级变化；另一种是通过液压单元直接驱动气门的开闭，这种方式能够实现气门升程的无级连续变化，但是液压单元的设置使得发动机机构结构更加复杂，需要对现有发动机气门结构进行较大的结构改动，并且工作没有凸轮和摇臂控制的机械结构可靠。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有可变气门升程技术，提供一种曲柄摇杆可变气门升程装置。

本发明采用如下技术方案实现：

曲柄摇杆可变气门升程装置，包括驱动气门组件50的曲柄摇杆机构；

所述曲柄摇杆机构的曲柄段一端固定铰接，另一端与一连杆20铰接，

所述曲柄摇杆机构的摇杆段为作用在气门组件50上的摇臂30，所述摇臂30一端铰装在滑块40上，所述摇臂30的另一端与连杆20铰接，通过曲柄摇杆机构控制摇臂30以滑块上的铰点为支点摆动实现控制气门开启；

所述滑块40与推动滑块导向移动的推动单元70连接，所述推动单元70驱动滑块40和摇臂30一同移动，以使摇臂30的摆动角度发生连续变化。

进一步的，所述曲柄段为一偏心轮10，所述偏心轮10通过偏心轮轴11转动装配在一固定位置，所述连杆20铰接在偏心轮10上的非旋转轴心位置，所述偏心轮10的旋转轴心到连杆与偏心轮铰接位置的偏心段构成曲柄摇杆机构的曲柄段。

进一步的，所述偏心轮轴11装配于偏心轮10的非轴心位置。

进一步的，所述连杆20端部具有滑套在偏心轮10外圆周的套环，并通过该套环实现连杆以偏心轮的轴心为铰接中心铰接装配。

进一步的，所述滑块40导向装配于固定的滑槽60内。

在本发明的连续可变气门升程装置中，所述推动单元70采用丝杆机构、齿轮齿条机构、曲柄滑块机构、凸轮机构、电动推杆或者液压推杆。

本发明通过调整曲柄摇杆机构的摇臂铰接支点位置实现摇臂摆动幅度的连续变化，由于摇臂直接控制气门的升程，最终实现气门升程的高灵敏和大范围调节。摇臂通过转轴于滑块铰接，通过推动单元推动滑块，从而使滑块在滑槽中来回运动，调整摇臂端部的铰接位置。摇臂摆动的铰接支点发生变化使摇臂的摆动幅度变化的同时，由于曲柄摇杆机构的运动特性，还会使得摇臂驱动气门升程的打开时间同时发生变化，最终实现气门升程和气门打开时间角同时连续可变。

本发明的曲柄摇杆机构采用偏心轮结构作为曲柄，同时利用连杆上的套环于偏心轮的外圆周装配，使得整个曲柄摇杆机构的驱动结构更紧凑，占用发动机的空间更小。

综上所述，本发明的曲柄摇杆可变气门升程装置是在摇臂式气门机械结构的基础上调整摇臂为滑动结构，并且利用曲柄摇杆机构取代驱动凸轮控制摇臂，适应发动机不同工况的气门升程和气门打开时间角同时连续可变，使发动机在全转速范围内提供最佳的气门升程和气门打开时间角，提高了发动机的进排气效率，提升了发动机的经济学、动力性和排放性能，整体还是以摇臂气门的机械结构，不需要大幅度改变现有发动机的气门结构，曲柄摇杆机构结构紧凑，不会过多占用发动机顶部安装空间，机械结构成本较低，工作可靠。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的曲柄摇杆可变气门升程装置整体结构示意图。

图2为实施例中的曲柄摇杆可变气门升程装置控制气门升程增大的状态示意图。

图3为实施例中的曲柄摇杆可变气门升程装置控制气门升程减小的状态示意图。

图4为实施例中的曲柄摇杆可变气门升程装置分解示意图。

图5为实施例中的曲柄摇杆可变气门升程装置的气门升程变化几何原理图。

图6为实施例中的曲柄摇杆可变气门升程装置的气门打开时间角变化几何原理图。

图7、图8为实施例中的曲柄摇杆可变气门升程装置的气门变化几何示意图。

图中标号：10-偏心轮，11-偏心轮轴，20-连杆，21-套环，30-摇臂，31-销轴，40-滑块，41-转轴，50-气门组件，51-气门挺柱，52-气门，60-滑槽，70-推动单元。

具体实施方式

实施例

参见图1-4，图示中的曲柄摇杆可变气门升程装置为本发明的具体实施方案，具体包括偏心轮10、偏心轮轴11、连杆20、摇臂30、滑块40、气门组件50、滑槽60和推动单元70。气门组件50包括气门挺柱51和气门52，分别安装在发动机各个气缸的进气口和排气口，常态下为关闭状态，通过下压气门组件50来打开气门。本实施例中的气门组件50采用的是摇臂式气门机械结构控制开启，其中摇臂30一端铰接作为杠杆支点，摇臂30具有以该铰接点为中心进行摆动的旋转自由度，摇臂30的另一端直接作用在气门组件50的气门挺柱51顶部，摇臂30同时与连杆20和偏心轮10构成一个曲柄摇杆机构，利用曲柄摇杆机构的运动特性，驱动摇臂30向下间歇摆动，将气门挺柱51向下压，进而推动下方的气门52向下移动，实现气门的开启，摇臂30的摆动角度控制气门52的开启升程，也就是气门进气的开度。在本实施例的摇臂式气门结构中，将摇臂30和滑块40移动设置，通过推动单元70移动摇臂30的铰接支点位置改变摇臂30对气门组件的杠杆作用，实现气门的连续可变升程控制。

本实施例控制气门组件50的曲柄摇杆机构中，包括曲柄段、连杆和摇杆段，曲柄段一端固定铰接，另一端与连杆一端铰接，摇杆段一端铰接，并以该铰接点为摇杆段驱动气门的杠杆支点，摇杆段另一端与连杆的另一端铰接，曲柄段为主动驱动件，旋转动力驱动曲柄段连续转动，通过曲柄摇杆机构的运动特性，动力传递到摇杆段使摇杆段以杠杆支点来回摆动运动，向下摆动驱动气门组件向下打开，向上摆动松开气门组件使气门关闭。

本实施例中为了使曲柄摇杆机构的安装结构更加紧凑，采用偏心轮10作为曲柄摇杆机构的曲柄段，偏心轮10可以是旋转轴心与偏心轮的几何轴心重合，然后将曲柄摇杆机构的连杆20铰接在非旋转轴心位置，偏心轮10的旋转轴心到连杆与偏心轮铰接位置的偏心段构成曲柄摇杆机构的曲柄段。也可以如本实施例的图1中所示，将偏心轮轴11装配在相对偏心轮10几何轴心偏心的位置，偏心轮10以偏心轮轴11的轴心为旋转轴心，这样偏心轮10的旋转轴心与偏心轮10的几何轴心分开设置，然后将偏心轮10的几何轴心作为与连杆20铰接的铰接中心，偏心轮10的旋转轴心到几何轴心的偏心段构成本实施例的曲柄摇杆机构的曲柄段。偏心轮10的驱动可以通过单独的动力系统，也可通过传动系统连接到发动机的输出轴。

具体如图4所示，偏心轮10为具有圆形的外圆周，连杆20的端部具有滑套在偏心轮10外圆周的套环21，并通过该套环21实现连杆20以偏心轮10的几何轴心为铰接中心铰接装配，相当于以偏心轮10的外圆周作为铰轴与连杆铰接装配，使得曲柄段的装配更紧凑。

摇臂30的端部和连杆20之间通过销轴31铰接，摇臂30的另一端通过转轴41铰接安装在滑块40上。滑块40导向装配在固定设置的滑槽60内，滑槽60限定了滑块40的移动方向，推动单元70从滑槽60的另一端推动滑块40沿滑槽60移动，由于摇臂30另一端是与连杆20和作为曲柄的偏心轮10连接，具备一定的移动量，因此摇臂30可以随滑块40一同移动，摇臂30在具备摆动自由度的同时还具备了直线移动自由度。

推动单元70驱动滑块40直线往复移动以调整摇臂30的杠杆支点，实际应用中可以采用丝杆机构、齿轮齿条机构、曲柄滑块机构、电动推杆、凸轮机构或者液压推杆等直线往复运动机构实现，本实施例在此不一一赘述。

本实施例只需要通过滑块40调整摇臂30的杠杆支点位置，曲柄摇杆机构的偏心轮10通过偏心轮轴11转动装配在一个固定位置，通过连杆20的配合驱动摇臂30来回摆动下压，最终推动气门组件50打开，而气门组件50的关闭则是在失去摇臂30的下压作用力后，通过气门组件与发动机缸体之间安装的回位弹簧实现。

连续可变气门升程的原理是通过推动单元70驱动滑块40和摇臂30整体来回移动，如图2和图3所示，以调整摇臂30的杠杆铰接支点，随着作为摇杆的摇臂30铰接支点的位置改变，整个曲柄摇杆机构的工作状态发生变化，进而实现气门开启升程的连续变化。

以下结合图5-8中的气门升程装置工作示意简图详细说明摇臂30的铰接支点变化与气门升程变化之间的几何数学关系。

由于气门52关闭状态的位置一定，在推动滑块40过程中摇臂30的最大摆角极限位置发生变化，从而导致气门52的升程变化。由于滑块40移动位置为连续变化，所以气门52的升程也连续变化。如图5和图6所示的曲柄摇杆机构原理，设曲柄(偏心轮10的旋转轴心到几何轴心的距离)长为a，连杆(偏心轮10的几何轴心到销轴31的轴心的距离)长为b，摇臂30(销轴31的轴心到转轴41的轴心的距离)长为c，支架(转轴41的轴心到偏心轮10的旋转轴心的距离)长为d，支架长d由X和Y确定，而气门升程H由R角确定。所以，数学关系如下：

H＝(a+b)cos(R)-Y

(1)根据f(x)＝x+λ/x函数特性，f’(x)＝(x2-λ)/x2，，当λ为负时，f’(x)>0，即f(x)为增函数。

所以，令(a+b)2-c2<0，为增函数。

当X减少，即d减少，即f(d)减少，

所以，由arccos(x)减函数特性，X减少，第一项增大；

(2)根据arcos(1/x)函数在x>0的增函数特性，x减少，arccos(1/x)减少；

所以X减少，第二项arccos(Y/d)减少；

(3)由上得知，X减少，则R增大。

而H＝(a+b)cos(R)-Y，所以X减少，H减少。

气门打开时间角”指摆臂30使气门从打开到关闭时，偏心轮10绕旋转轴心转动的角度，如图7和图8中所示的α角。由于滑块40在改变摇臂30杠杆支点位置的X值时，会导致气门打开时间角α发生变化，其中根据图6，数学关系如下：

根据f(x)＝x+λ/x函数特性，f’(x)＝(x2-λ)/x2，，当λ为负时，f’(x)>0，即f(x)为增函数。

设置a<b，所以为减函数；

因为X减少时，f(k)增大。

所以根据arccos(x)减函数特性，X减少时，α减少。

从上计算过程可以看出，本实施例中的连续可变气门升程装置可以适应发动机不同工况的气门升程和气门打开时间角α连续可变的装置，解决气门升程不可变或必能连续可变的缺点，使发动机在全转速范围内提供最佳的气门升程和气门打开时间角α。提高发动机的进排气效率，提供发动机的经济学、动力性和排放性能。

以上仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明要求范围所做的均为变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (6)

1.曲柄摇杆可变气门升程装置，其特征在于：包括驱动气门组件(50)的曲柄摇杆机构；

所述曲柄摇杆机构的曲柄段一端固定铰接，另一端与一连杆(20)铰接，

所述曲柄摇杆机构的摇杆段为作用在气门组件(50)上的摇臂(30)，所述摇臂(30)一端铰装在滑块(40)上，所述摇臂(30)的另一端与连杆(20)铰接，通过曲柄摇杆机构控制摇臂(30)以滑块上的铰点为支点摆动实现控制气门开启；

所述滑块(40)与推动滑块导向移动的推动单元(70)连接，所述推动单元(70)驱动滑块(40)和摇臂(30)一同移动，以使摇臂(30)的摆动角度发生连续变化。

2.根据权利要求1所述的曲柄摇杆可变气门升程装置，所述曲柄段为一偏心轮(10)，所述偏心轮(10)通过偏心轮轴(11)转动装配在一固定位置，所述连杆(20)铰接在偏心轮(10)上的非旋转轴心位置，所述偏心轮(10)的旋转轴心到连杆与偏心轮铰接位置的偏心段构成曲柄摇杆机构的曲柄段。

3.根据权利要求2所述的曲柄摇杆可变气门升程装置，所述偏心轮轴(11)装配于偏心轮(10)的非轴心位置。

4.根据权利要求3所述的曲柄摇杆可变气门升程装置，所述连杆(20)端部具有滑套在偏心轮(10)外圆周的套环，并通过该套环实现连杆以偏心轮的轴心为铰接中心铰接装配。

5.根据权利要求1所述的曲柄摇杆可变气门升程装置，所述滑块(40)导向装配于固定的滑槽(60)内。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的曲柄摇杆可变气门升程装置，所述推动单元(70)采用丝杆机构、齿轮齿条机构、曲柄滑块机构、凸轮机构、电动推杆或者液压推杆。