CN110234848B - 使用直通轴摇杆臂进行的可变进气门关闭 - Google Patents

使用直通轴摇杆臂进行的可变进气门关闭 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种使用根据本公开的一个示例的直通轴切换摇杆臂的方法。所述切换摇杆臂包括外臂和内臂以及辊轴。所述内臂围绕枢轴枢转地联接到所述外臂并具有支撑内辊的内衬套。所述内衬套限定内径。所述辊轴延伸穿过所述内衬套并限定外径。所述内衬套的所述内径与所述辊轴的所述外径接合，从而阻止所述内臂相对于所述外臂进一步枢转，以限定摇杆臂行程约束。所述方法包括基于所述直通轴切换摇杆臂来设计第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，使得在所述第一凸轮曲线和所述第二凸轮曲线之间的升程差保持在所述摇杆臂行程约束内。

Description

使用直通轴摇杆臂进行的可变进气门关闭
技术领域
本申请涉及切换内燃机的摇杆臂。
背景技术
切换摇杆臂允许通过在两个或更多个状态之间交替来控制气门致动，通常涉及多个臂，诸如内臂和外臂。在一些情况下，这些臂接合不同的凸轮凸角，诸如低升程凸角、高升程凸角和无升程凸角。切换摇杆臂可被实现为通常称为可变气门正时(VVT)或可变气门致动(VVA)的系统的一部分，以改善燃料经济性、减少排放并改善驾驶员在一定速度范围内的舒适度。需要用于以适合于内燃机操作的方式来切换摇杆臂模式的机构。
发明内容
提供了一种使用根据本公开的一个示例的直通轴切换摇杆臂的方法。切换摇杆臂包括外臂、内臂和辊轴。内臂围绕枢轴枢转地联接到外臂并具有支撑内辊的内衬套。内衬套限定内径。辊轴延伸穿过内衬套并限定外径。内衬套的内径与辊轴的外径接合，从而阻止内臂相对于外臂进一步枢转，以限定摇杆臂行程约束。该方法包括基于直通轴切换摇杆臂来设计第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，使得在第一凸轮曲线和第二凸轮曲线之间的升程差保持在摇杆臂行程约束内。
根据附加特征，第一凸轮曲线对应于代表抛物线形状的升程曲线，并且第二凸轮曲线对应于代表抛物线形状并具有增加气门升程持续时间的关闭尾部部分的升程曲线。在另一种构型中，第一凸轮曲线对应于代表抛物线形状的升程曲线，并且第二凸轮曲线对应于代表抛物线形状并具有增加气门升程持续时间的打开引导部分的升程曲线。在另一个示例中，第一凸轮曲线对应于代表抛物线形状的升程曲线，并且第二凸轮曲线对应于代表抛物线形状并具有均增加气门升程持续时间的打开引导部分和关闭尾部部分两者的升程曲线。
切换摇杆臂被构造用于在(i)其中第一凸轮具有实现进气门提前关闭(EIVC)气门致动策略的第一凸轮曲线的第一布置，和(ii)其中第二凸轮具有实现进气门延迟关闭(LIVC)气门致动策略的第二凸轮曲线的第二布置中的选择性和替代操作。第一凸轮曲线和第二凸轮曲线被形成为使得在第一凸轮曲线和第二凸轮曲线之间的升程差保持在摇杆臂行程约束内。在一个示例中，形成第一凸轮曲线和第二凸轮曲线包括形成具有进气门提前关闭曲线的第一凸轮和具有高动力进气曲线的第二凸轮。在另一个示例中，形成第一凸轮曲线和第二凸轮曲线包括形成具有进气门提前关闭曲线的第一凸轮和具有进气延迟关闭曲线的第二凸轮。进气延迟关闭曲线可包括增加气门升程持续时间的关闭尾部部分。第二凸轮可包括正常进气曲线和高动力进气关闭曲线中的一者。
根据附加特征，该方法包括将切换摇杆臂构造用于在(i)具有第一短持续时间关闭角度和第一长持续时间关闭角度的第一气门；和(ii)具有第二短持续时间关闭角度和第二长持续时间关闭角度的第二气门上的选择性和替代操作。两个切换摇杆臂可被构造用于在每缸四气门发动机上同时使用，以获得三个可用的气门打开持续时间。内衬套的内径大于辊轴的外径。在一个示例中，内衬套的内径和辊轴的外径具有2.4mm的差值。在另一个示例中，内衬套的内径和辊轴的外径具有3mm的差值。切换摇杆臂的闩锁销包括在(i)其中外臂和内臂围绕枢轴一起旋转的锁定位置；和(ii)其中内臂围绕枢轴相对于外臂枢转的解锁位置之间移动的闩锁销。
根据下文提供的详细描述，本公开的另外的应用领域将变得显而易见。应当理解，详细描述和具体示例仅用于说明性目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
应当理解，附图中元件的所示边界仅代表边界的一个示例。本领域普通技术人员将理解，单个元件可设计为多个元件，或者多个元件可设计为单个元件。示出为内部特征的元素可实现为外部特征，反之亦然。
此外，在下面的附图和描述中，在整个附图和描述中分别用相同的附图标号表示类似的部件。附图可能未按比例绘制，并且为了便于说明，夸大了某些部件的比例。
图1是示例性直通辊轴切换摇杆臂和示例性凸轮的分解透视图；
图2A是图1的切换摇杆臂和凸轮的示意图，示出了示例性气门和液压间隙调节器；
图2B是沿图1的线2B-2B的截面图；
图3A是根据本公开的一个示例使用图2B的摇杆臂并结合实现进气门提前关闭策略的凸轮的气门升程与曲柄角的曲线图；
图3B是用于实现图3A的进气门提前关闭策略的凸轮；
图4A是根据本公开的另一个示例使用图2B的摇杆臂并结合实现进气门延迟关闭策略的凸轮的气门升程与曲柄角的曲线图；
图4B是用于实现图4A的进气门延迟关闭策略的凸轮；
图5A是根据本公开的又一个示例使用图2B的摇杆臂并结合实现进气门延迟关闭策略的凸轮的气门升程与曲柄角的曲线图；
图5B是用于实现图5A的进气门延迟关闭策略的凸轮；
图6是根据本公开的再一个示例使用图2B的摇杆臂并结合实现进气门延迟关闭策略的凸轮的气门升程与曲柄角的曲线图；
图7A是使用图2B的摇杆臂并结合第一气门和第二气门上的各种长持续时间和短持续时间的气门升程与曲柄角的曲线图；并且
图7B是示出使用图2B的摇杆臂的三个持续时间选项的表。
具体实施方式
为了方便地描述附图，将在以下描述中使用某些术语，这些术语将不是限制性的。本文使用的术语“向上”、“向下”和其他方向术语将被理解为具有其正常含义，并且在正常观察附图时将指代那些方向。如本文所用，术语“抛物线”用于表示代表抛物线形状的升程曲线。应当理解，其用于涵盖升程曲线，该升程曲线可包括大致平坦的顶部部分或纯抛物线的其他变型。
首先参考图1至图2B，示出了根据本公开的一个示例构造的切换摇杆臂10。从以下讨论中将应当理解，切换摇杆臂10是直通辊轴切换摇杆臂，其可用于进气门延迟关闭(LIVC)和进气门提前关闭(EIVC)气门致动策略两者，以及排气再循环(EGR)。根据应用修改凸轮曲线，以使用共同的切换摇杆臂10来实现期望的气门致动策略。就这一点而言，可提供相同的切换摇杆臂10以实现各种气门致动策略。
切换摇杆臂10通常包括枢转地连接在枢轴16处的外臂12和内臂14。辊轴20横向延伸穿过外臂12并支撑一对外辊26。内臂14包括支撑内辊32的内衬套30。辊轴20延伸穿过内衬套30。辊轴20限定外径40。内衬套30限定内径42。如本文将应当理解的，通过辊轴20的外径40和内衬套的内径42的相互作用，切换摇杆臂10提供止动功能或摇杆臂行程约束。仅作为示例，切换摇杆臂10在辊轴20的外径40和内衬套30的内径之间包括2.4mm的差值。在其他构型中，可提供3.0mm的差值或摇杆臂行程约束。对于1.68的摇杆比率，具有2.4mm的间隙将在气门60处产生4mm的运动。同样，应当理解，本公开的教导内容可同样地应用于具有其他尺寸的切换摇杆臂。
切换摇杆臂10包括在锁定位置和解锁位置之间移动的闩锁销50。当闩锁销50处于解锁位置时，内臂14围绕枢轴16相对于外臂12自由地枢转(如图1所示向下)。偏压构件18将内臂14相对于外臂12偏压回到图1所示的位置。当闩锁销50处于锁定位置时，闩锁销50与内臂14接合并防止内臂14相对于外臂12枢转，使得内臂14和外臂12作为单个主体围绕枢轴16一起旋转。
出于示例性目的，示出了凸轮100，用于与切换摇杆臂10配合。凸轮100包括内凸轮102和一对外凸轮104。内凸轮102被构造成与内辊32接合，而外凸轮104被构造成与外辊26接合。同样，如本文所用，内凸轮102和外凸轮104被形成为使得在第一凸轮曲线和第二凸轮曲线之间的升程差保持在摇杆臂行程约束内。
当切换摇杆臂10处于锁定构型时，切换摇杆臂10可例如在单个发动机循环中执行两个气门事件，例如，响应于作用在外辊26上的该对凸轮104的排气门60的正常气门升程，以及响应于作用在内辊32上的附加凸轮102的排气门的附加气门升程(例如，以提供EGR)。
当切换摇杆臂10处于解锁构型时，切换摇杆臂10可例如在一个发动机循环中执行单个气门事件。例如，切换摇杆臂10可响应于作用在外辊26上的该对凸轮104来执行排气门的正常气门升程。响应于作用在内辊32上的附加凸轮102的排气门60的附加气门升程不会发生，因为内臂14相对于外臂12枢转，并且因此没有力施加在气门60上。
内臂14相对于外臂12可用的枢转的量可由在辊轴20的外径40和内衬套30的内径42之间大小的差值来限定。当内臂14在枢转之后返回到其起始位置时，内衬套30被辊轴20止动在正确位置，以使得闩锁销50能够与内臂14接合。
根据本公开，通过修改凸轮100的相应凸轮曲线，相同的切换摇杆臂10可用于进气门延迟关闭(LIVC)和进气门提前关闭(EIVC)气门致动策略两者以及排气再循环(EGR)。下面的讨论考虑了凸轮100的各种不同构型，同时使用相同的切换摇杆臂10根据期望的应用来实现LIVC或EIVC。可以理解，当仅需要一个可在广泛车辆应用中实现的摇杆臂以用于不同气门控制策略时，可实现成本效益。
现在转到图3A和图3B，凸轮100A可与切换摇杆臂10一起用于EIVC策略。对于一些情况，内燃机的大部分寿命周期都在部分负荷(EIVC)条件下操作。凸轮100A可被设计成具有传统的抛物线EIVC凸轮曲线，而正常凸轮曲线将被修改以适应摇杆臂组件10的限制。就这一点而言，凸轮100A包括进气提前关闭曲线102A和高动力进气曲线104A。进气提前关闭曲线102A用于切换摇杆臂10上的两个升程中的一者。如上所述，发动机的大部分寿命周期将使用进气提前关闭曲线102A操作。
高动力进气曲线104A用于切换摇杆臂10上的两个升程中的另一者。出于比较目的，还示出了传统的正常进气曲线106A。出于本讨论的目的，示出了具有3mm气门升程(在摇杆臂10的设计约束内)的参考迹线108A。参考迹线108A不遵循任何凸轮曲线，而是仅示出数学约束。3mm表示在进气提前关闭曲线102A和传统的正常进气曲线106A(或高动力进气曲线104A)之间允许的最大差值。值得注意的是，正常进气曲线104A还包括“关闭尾部”部分110A。关闭尾部部分110A出现在代表抛物线形状的升程曲线的后缘上，并模仿参考迹线108A的尾端并且增加传统正常进气曲线106A上对于大约490至540度的共同曲柄角的气门升程的持续时间。设想了其他角度。同样，应当理解，对于所提供的示例，在进气提前关闭曲线102A和正常进气曲线104A之间的最大差值必须低于3mm，如上述摇杆臂10的几何限制所要求的那样。
切换摇杆臂10可与具有凸轮曲线的凸轮一起使用，该凸轮曲线被优化用于在最大工作循环窗口或发动机操作期间的操作(或者在上述示例中，进气提前关闭曲线102A)。相对于保持在上述3mm标准内所需的发动机进排气和气门曲线的性能，可作出一些妥协。然而，该妥协是合理的，因为在这些时间期间发动机将以最低限度操作。
参考图3A，在中心凸轮102具有曲线106A或104A的情况下，摇杆臂10将必须被锁定以将中心摇杆臂14锁到外摇杆臂12。为了获得曲线102A，摇杆臂10必须解锁并允许中心摇杆臂14以与外摇杆臂12的速率不同的速率移动。在外摇杆臂12和中心摇杆臂14之间的运动将是Δ108A。如果曲线持续时间102A充分减少(作为示例，从520-320＝200到420-320＝100的持续时间)，则必须修改曲线104A以将108A保持在摇杆臂行程约束(在该示例中为3mm)之下。此外，必须添加关闭尾部110A以使得曲线104A具有540-320＝220的持续时间。
现在转到图4A和图4B，凸轮100B可与相同的切换摇杆臂10一起用于LIVC策略。对于一些情况，内燃机的大部分寿命周期都在部分负荷(LIVC)条件下操作。凸轮100B可被设计成具有传统的抛物线进气提前关闭曲线102B，而正常凸轮曲线将被修改以适应摇杆臂10的限制。就这一点而言，凸轮100B包括进气提前关闭曲线102B和进气延迟关闭曲线104B。进气提前关闭曲线102B用于切换摇杆臂10上的两个升程中的一者。同样，发动机的大部分寿命周期将使用进气提前关闭曲线102B操作。
进气延迟关闭曲线104B用于切换摇杆臂10上的两个升程中的另一者。出于比较目的，还示出了传统的正常进气曲线106B。出于讨论的目的，示出了具有3mm气门升程(在摇杆臂10的设计约束内)的参考迹线108B。参考迹线108B不遵循任何凸轮曲线，而是仅作为数学约束示出。3mm表示在进气提前关闭曲线102A和传统的正常进气曲线106A(或进气延迟关闭曲线104B)之间允许的最大差值。
值得注意的是，LIVC曲线104B还包括“关闭尾部”部分110B。关闭尾部部分110B模仿参考迹线108B的尾端并且增加传统正常进气曲线106B上对于大约490至540度的共同曲柄角的气门升程的持续时间。设想了其他角度。同样，应当理解，对于所提供的示例，在进气延迟关闭曲线104B和进气提前关闭曲线102B之间的最大差值必须低于3mm，如上述摇杆臂10的几何限制所要求的那样。
对于图4A，在中心凸轮102具有曲线106B或104B的情况下，摇杆臂10将必须被锁定以将中心摇杆臂14锁到外摇杆臂12。为了获得曲线102B，摇杆臂10必须解锁并允许中心摇杆臂14以与外摇杆臂12的速率不同的速率移动。在外摇杆臂14和中心摇杆臂12之间的运动将是Δ108A(对于102B相较于104B的情况)。
现在转到图5A和图5B，凸轮100C可与相同的切换摇杆臂10一起用于LIVC策略。凸轮100C可被构造成实现具有来自上述凸轮100B的替代曲线的LIVC策略。根据摇杆臂10的几何限制，凸轮100C可被设计成具有高动力LIVC曲线104C。LIVC曲线104C可以是高动力进气关闭曲线(摇杆臂10上的两个升程中的一者。LIVC曲线104C用于切换摇杆臂10上的两个升程中的一者。可通过抛物线凸轮曲线106C结合正常升程曲线并将其用于摇杆臂10上的两个升程中的另一者。
示出了具有3mm气门升程(在摇杆臂10的设计约束内)的参考迹线108C。参考迹线108C不遵循任何凸轮曲线，而是仅示出数学约束。3mm表示在传统的正常进气曲线106C和进气提前关闭曲线102C(或高动力LIVC曲线104C)之间允许的最大差值。
值得注意的是，高动力LIVC曲线104C还包括“关闭尾部”部分110C。关闭尾部部分110C出现在代表抛物线形状的升程曲线的后缘上，并模仿参考迹线108C的尾端并且增加对于大约490至540度的共同曲柄角的气门升程的持续时间。设想了其他角度。同样，应当理解，对于所提供的示例，在传统正常进气曲线106C和进气提前关闭曲线102C(或高动力LIVC曲线104C)之间的最大差值必须低于3mm，如上述摇杆臂10的几何限制所要求的那样。
现在参考图6，凸轮(未示出)可与相同的切换摇杆臂10一起用于LIVC策略。凸轮可被构造成实现具有来自上述凸轮100B和100C的替代曲线的LIVC策略。根据摇杆臂10的几何限制，凸轮可被设计成具有修改的LIVC曲线104D。LIVC曲线104D可表示对于摇杆臂10的几何特征可能的最佳高动力进气曲线。LIVC曲线104D可用于摇杆臂10上的两个升程中的一者。还示出了正常升程曲线106D以及极低升程进气曲线102D。极低升程进气曲线102D可用于摇杆臂10上的两个升程中的另一者。
示出了具有3mm气门升程(在摇杆臂10的设计约束内)的参考迹线108D。参考迹线108D不遵循任何凸轮曲线，而是仅示出数学约束。3mm表示在最佳高动力进气曲线104D和极低升程进气曲线102D之间允许的最大差值。值得注意的是，LIVC曲线104D还包括“关闭尾部”部分110D和“打开引导”部分112D。打开引导部分出现在抛物线升程的打开部分处，并增加升程的持续时间。关闭尾部部分110C出现在抛物线升程的尾部部分处，并增加对于大约480度至560度的共同曲柄角的气门升程的持续时间。设想了其他角度。同样，应当理解，对于所提供的示例，在LIVC曲线104D和极低升程进气曲线102D之间的最大差值必须低于3mm，如上述摇杆臂10的几何限制所要求的那样。
图6被设计用于EIVC(102D)的极端情况，其中中心凸轮具有曲线104D(曲线106D仅作为参考以传达正常凸轮曲线)。摇杆臂10将必须被锁定以将中心摇杆臂锁到外摇杆臂。为了获得曲线102D，摇杆臂必须解锁并允许中心摇杆臂14以与外摇杆臂12的速率不同的速率移动。在外摇杆臂12和中心摇杆臂14之间的运动将是Δ108D。如果需要具有相同的起始点(气门打开点为320)，那么当凸轮位于基圆上并从曲线102D移位到曲线104D时，凸轮相位必须移动以将气门打开点置于320的相同位置而不是280的显示位置。
图7A和图7B示出了可使用摇杆臂10产生三个可能的气门持续时间的四个摇杆臂持续时间曲线选项。就这一点而言，使用给定汽缸上的两个摇杆臂10可能实现三个持续时间。该布置将需要独立控制每个摇杆臂的锁定装置。一个示例性锁定装置包括结合摇杆臂的电控切换的电闩锁或电子锁。其他示例包括液压和机械控制。因为每个摇杆臂可独立控制，所以与仅对于多个摇杆臂可包括单个螺线管的液压构型相比，可获得更多选项。应当理解，角度值仅仅是示例性的，并且可实现不同的凸轮几何形状，以在本公开的范围内获得其他打开和关闭角度。
虽然本公开示出了各种示例，并且虽然已经相当详细地描述了这些示例，但是本申请人并不旨在将要求保护的发明的范围制约或以任何方式限制于这样的细节。本领域技术人员将易于想到附加优点和修改。因此，本公开在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节和说明性示例。相应地，在不脱离本申请人要求保护的公开的精神或范围的情况下，可偏离此类细节。此外，前述示例是说明性的，并且没有单个特征或元件对于可在本申请或后续申请中要求保护的所有可能组合而言是必不可少的。

Claims (13)

1.一种设计直通轴切换摇杆臂的方法，所述直通轴切换摇杆臂包括外臂、内臂和辊轴，所述内臂围绕枢轴枢转地联接到所述外臂并具有支撑内辊的内衬套，所述内衬套限定内径，所述辊轴延伸穿过所述外臂并支撑一对外辊，所述辊轴延伸穿过所述内衬套并限定外径，其中所述内衬套的所述内径与所述辊轴的所述外径接合，从而阻止所述内臂相对于所述外臂进一步枢转，以限定摇杆臂行程约束，所述方法包括：
基于所述直通轴切换摇杆臂来设计第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，使得在仍能够实现进气门提前关闭气门致动策略和进气门延迟关闭气门致动策略中的任一者的同时在所述第一凸轮曲线和所述第二凸轮曲线之间的升程差保持在所述摇杆臂行程约束内；以及
将所述直通轴切换摇杆臂构造用于在(i)其中第一凸轮具有实现进气门提前关闭气门致动策略的第一凸轮曲线的第一布置，和(ii)其中第二凸轮具有实现进气门延迟关闭气门致动策略的第二凸轮曲线的第二布置中的选择性和替代操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一凸轮曲线对应于代表抛物线形状的升程曲线，并且所述第二凸轮曲线对应于代表抛物线形状并具有增加气门升程持续时间的关闭尾部部分的升程曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一凸轮曲线对应于代表抛物线形状的升程曲线，所述第二凸轮曲线对应于代表抛物线形状并具有增加气门升程持续时间的打开引导部分的升程曲线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一凸轮曲线对应于代表抛物线形状的升程曲线，并且所述第二凸轮曲线对应于代表抛物线形状并具有均增加气门升程持续时间的打开引导部分和关闭尾部部分两者的升程曲线。
5.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一凸轮曲线和所述第二凸轮曲线包括形成具有进气门提前关闭曲线的第一凸轮和具有高动力进气曲线的第二凸轮。
6.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一凸轮曲线和所述第二凸轮曲线包括形成具有进气门提前关闭曲线的第一凸轮和具有进气延迟关闭曲线的第二凸轮。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二凸轮包括正常进气曲线和高动力进气关闭曲线中的一者。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述切换摇杆臂构造用于在(i)具有第一短持续时间关闭角度和第一长持续时间关闭角度的第一气门；和(ii)具有第二短持续时间关闭角度和第二长持续时间关闭角度的第二气门上的选择性和替代操作。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括将两个切换摇杆臂构造用于在每缸四气门发动机上同时使用，以获得三个可用的气门打开持续时间。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
提供所述直通轴切换摇杆臂，其中所述内衬套的所述内径大于所述辊轴的所述外径。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述内衬套的所述内径和所述辊轴的所述外径具有2.4mm的差值。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述内衬套的所述内径和所述辊轴的所述外径具有3mm的差值。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括提供闩锁销，所述闩锁销在(i)其中所述外臂和所述内臂围绕枢轴一起旋转的锁定位置；和(ii)其中所述内臂围绕所述枢轴相对于所述外臂枢转的解锁位置之间移动。
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