CN111894695A - 一种基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，包括旋转电机、曲柄移动导杆机构和气门组件，通过该传动机构将旋转电机的旋转运动转换为气门的直线运动，每个气门都由独立的一套驱动机构进行驱动，通过增加或减少气门开启时旋转电机的角度来改变气门的升程，通过增加或减少旋转电机的角速度来改变气门开启和关闭的过渡时间。本发明具有响应时间短，气门升程控制灵活，气门的落座速度可控等优点，从而可以实现全可变气门机构的功能，达到发动机低油耗、低排放、高动力输出的目的。
Description
技术领域
本发明属于发动机气门驱动领域，具体涉及一种基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构。
背景技术
随着各国经济的迅速发展，车辆保有量的急剧增加，能源与环境问题已成为制约我国可持续发展的重要问题之一，发动机配气相位固定不变的缺点越来越突出。与固定配气相位相比，可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时动力性、经济性、废气排放的要求，整体提高发动机综合性能。
凸轮调相机构由于对原动机改动小，机构原理简单，成本低，因而使用广泛。凸轮调相机构通过操纵机械装置是凸轮轴相对曲轴的转角改变，进而改变配气相位，调节进排气重叠角和进气门关闭角，影响发动机的性能。这种结构的缺点是气门的开启持续期和升程无法改变。最具代表性的为BMW公司开发的VANOS气门正时系统，双凸轮轴可变气门正时系统改变凸轮线型，采用在不同的工况下，提供不同的凸轮线型驱动气门。这种方法由于本身的限制，只能实现有极调节，结构较复杂。
无凸轮驱动取消了气门机构中的从动件和凸轮轴，以电液式或电磁式等其它方式驱动气门，属于真正意义上的全可变配气相位机构，其中电磁式驱动气门响迅速，调节能力强，但落座速度大，使用寿命不高。另外作者苏炎玲在《内燃机无凸轮电液驱动配气机构的设计与控制研究》一文中采用了电液式驱动气门，该系统通过电磁阀和单向阀与高压源和低压源相连，通过控制高压和低压液体的流入和流出控制室来改变液压活塞上端面承受的压力，从而控制液压活塞带动气门运动，其中电液式驱动气门具有柔性调节的优点，但其介质为液体，受温度影响较大，且响应速度不够高，液压系统存在泄露问题。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，替代了现有气门驱动机构，摆脱了传统凸轮轴的约束，使得每个气门都能够被独立的旋转电机驱动，从而实现气门的全可变运动。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，包括旋转电机、气门组件和曲柄移动导杆机构，旋转电机作为控制气门的动力源，用于提供动力；气门组件连接一个气门，用于控制气门的开启闭合；曲柄移动导杆机构用于连接旋转电机和气门组件。
其中所述曲柄移动导杆机构包括旋转臂和气门连接件，旋转电机的输出轴与旋转臂顶端固连，保证旋转电机转动时，两者无相对滑动；气门连接件中心设有一个长条形通孔，气门连接件底部设有与长条形通孔中心轴线垂直的二阶阶梯孔，所述二阶阶梯孔中自上向下依次为第一阶孔和第二阶孔，第二阶孔直径大于第一阶孔直径，气门伸入第一阶孔，两者间隙配合，第二阶孔用于固连气门组件，所述长条形通孔的中心轴线方向垂直于气门的运动方向，旋转臂末端置于气门连接件的长条形通孔之中，R2为旋转臂末端突出轴的半径，R3为气门连接件中长条形通孔内两个半圆的半径，其中R2＝R3，保证旋转臂末端与气门连接件的长条形通孔不产生平行于气门方向的相对运动，气门连接件的通孔方向垂直于气门的运动方向。
其中所述的气门组件包括气门锁夹和气门卡座；气门卡座内壁为圆锥形结构，与气门锁夹外壁的圆锥形结构精确匹配，气门卡座与第二阶孔固连，气门锁夹设置于第二阶孔内，且位于气门尾部的凹槽与气门卡座之间。
由于气门连接件与气门卡座固连，气门连接件一方面给气门卡座提供一个垂直向上的力，另一方面给气门锁夹提供一个垂直向下的力，同时由于气门锁夹外壁和气门卡座内壁的圆锥形结构，使得气门锁夹与气门的凹槽形成相对牢固的夹紧型配合，从而保证气门连接件能够带动气门快速运动。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)采用无凸轮轴驱动技术，可以对气门相位和升程进行自由灵活的控制，同时每个气门都能够被独立的旋转电机驱动，可实现气门的全可变运动，优化配气定时，减少发动机泵气损失，改善燃烧过程。
(2)采用旋转电机驱动方案能量转换效率更高，响应速度快，可应用成熟的位移传感器方案，通过电机转动轴连接相应的编码器来得到精确的气门位置。
附图说明
图1为本发明的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构的三维图。
图2为本发明的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构的示意图，其中图(a)为主视图，图(b)为图(a)的局部放大图。
图3为本发明的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构应用于发动机的示意图。
图4为本发明的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构中的移动导杆机构简化示意图，其中图(a)为气门关闭时移动导杆机构简化示意图，图(b)为气门处于中心位置时移动导杆机构简化示意图，图(c)为气门开启时移动导杆机构简化示意图。
具体实施方案
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
结合图1和图2，本发明所述的一种基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，替代了现有气门驱动机构，摆脱了传统凸轮轴的约束，使得每个气门都能够被独立的旋转电机1驱动，从而实现气门的全可变运动。
所述基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构包括旋转电机1、气门组件和曲柄移动导杆机构，旋转电机1作为控制气门4的动力源，用于提供动力；每个气门组件连接一个气门4，用于控制气门4的开启闭合；曲柄移动导杆机构，用于连接旋转电机1和气门组件。
其中所述曲柄移动导杆机构包括旋转臂2和气门连接件3，旋转电机1的输出轴与旋转臂2顶端固连，保证旋转电机1转动时，两者无相对滑动，转动轴的伸出端铣扁为D型轴，与旋转臂2顶端的D型孔过渡配合，另外通过拧紧螺栓，增大旋转臂与转动轴之间的预紧力，从而增大摩擦来保证转动轴和旋转臂2之间无相对滑动。气门连接件3中心设有一个长条形通孔，气门连接件3底部设有与长条形通孔中心轴线垂直的二阶阶梯孔，所述二阶阶梯孔中自上向下依次为第一阶孔和第二阶孔，第二阶孔直径大于第一阶孔直径，气门4伸入第一阶孔，两者间隙配合，第二阶孔用于固连气门组件，所述长条形通孔的中心轴线方向垂直于气门4的运动方向，旋转臂2末端置于气门连接件3的长条形通孔之中，旋转臂2末端突出轴的半径R2等于气门连接件3中长条形通孔内两个半圆的半径R3，保证旋转臂2末端与气门连接件3的长条形通孔不产生平行于气门方向的相对运动，气门连接件3的通孔方向垂直于气门4的运动方向；
旋转臂2和气门连接件3将旋转电机1的旋转运动转换为气门4的直线运动，旋转臂2末端置于气门连接件3的长条形通孔中，此时两者无需其它连接件，当气门4和旋转臂2的轴向位置固定后，气门连接件3和旋转臂2的位置也就固定了。
当旋转臂2绕输出轴转动，其末端带动气门连接件3上下移动，实现气门4的开启或关闭，为保证旋转臂2末端可在气门连接件3的长条形通孔中有足够的位置垂直于气门4方向运动，气门4的最大位移为X，旋转臂2转动半径为R1，则需保证气门连接件3的长条形通孔长度
所述气门组件包括气门锁夹5和气门卡座6；气门卡座6内壁为圆锥形结构，与气门锁夹5外壁的圆锥形结构精确匹配，气门卡座6与第二阶孔采用螺纹连接，气门锁夹5设置于第二阶孔内，且位于气门4尾部的凹槽与气门卡座6之间。
由于气门连接件3与气门卡座6采用螺纹连接，气门连接件3一方面给气门卡座6提供一个垂直向上的力，另一方面给气门锁夹5提供一个垂直向下的力，同时由于气门锁夹5外壁和气门卡座6内壁的圆锥形结构，使得气门锁夹5与气门4的凹槽形成相对牢固的夹紧型配合，从而保证气门连接件3能够带动气门4快速运动。
结合图4，本发明所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，需要开启时，其简化示意图如图4c所示，旋转臂2正向转动，通过旋转臂2末端带动气门连接件3及气门向下运动，此时旋转臂2末端在气门连接件3的通孔中产生相对进气门运动方向垂直方向的相对滑动，实现气门4的开启；当气门需要关闭时，其简化示意图如图4a所示，旋转臂2反向转动，实现气门4的关闭。由于，旋转电机1可连接高精度的位置传感器，位移精度较高，因此通过控制旋转电机1的转动角度，就可以精确控制控制气门4的开启时长，最大升程等参数，得到理想的气门升程曲线。电机转过角度θ与气门升程X关系为：
通过改变电机转过的角度即可改变升程。
结合图3，用本发明所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构替换原有的凸轮轴及凸轮轴驱动机构，应用于某发动机，摆脱了传统凸轮轴的约束，使得每个气门4都能够被独立的旋转电机1驱动，从而实现气门4的全可变运动。其中旋转电机1与发动机缸头8通过L型电机支架7固连，L型电机支架7底部与缸头8通过螺栓连接，侧边与电机端盖通过螺栓连接，使得该机构位置得以固定。
以旋转臂2垂直于气门4运动方向为气门4完全关闭位置为例，当发动机工作到进气行程，此时ECU接收到进气门开启、排气门关闭指令，并且给出该工况下气门4的升程曲线命令，控制驱动进气门的旋转电机1带动旋转臂2正向转动角度
通过曲柄移动导杆机构的旋转臂2末端带动气门连接件3及气门4向下运动，实现进气门4的开启，同时ECU控制驱动排气门的旋转电机1带动旋转臂2反向转动相同角度，实现排气门4的完全关闭，空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸中，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。
发动机进气行程结束后，进入压缩行程，此时需要进、排气门均关闭，ECU接收到进气门关闭指令后控制驱动进气门的旋转电机1反向转动角度
实现进气门的关闭。此时需要保持气门4关闭状态，因此ECU需要控制旋转电机1存在一定的力矩，使得旋转电机1存在反向转动的趋势，从而保证气门4与气门座紧密接触。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，便于混合气的迅速燃烧并提高发动机的有效热效率。
压缩行程结束后，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的混合气点燃，燃烧的气体体积急剧膨胀，在气体压力的作用下，活塞通过连杆推动曲轴旋转做功，此时进、排气门仍旧关闭。ECU接收到进、排气门保持关闭指令，则控制对应的旋转电机1在气门4关闭对应的绝对位置不动，气门4保持在关闭位置不变。
做功行程结束后，排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，此时ECU接收到排气门开启指令，控制驱动排气门的旋转电机1带动旋转臂2正向转动，通过曲柄移动导杆机构旋转臂2末端带动气门连接件3及气门向下运动，实现排气门4的开启，此时膨胀过后的燃烧气体在其自身剩余压力和活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。
至此发动机经过进气、压缩、做功和排气四个行程完成一个工作循环。但在实际进气过程中。进气门早于上止点开启，迟于下止点关闭。排气过程中，排气门早于下止点开启，迟于上止点关闭，即进、排气门所占的曲轴转角均超过180°，进气门早开晚关的目的是为了增加进入气缸内混合气量和减少近期过程所消耗的功，排气门早开晚关的目的是为了减少气缸内的残余废气量和排气过程中消耗的功。
相比于传统凸轮轴驱动配气机构中进、排气门开启和关闭时刻固定不变和气门升程不变的缺点，本发明的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构能够摆脱凸轮轴的束缚，使得每个气门4都能够被独立的旋转电机1驱动，从而实现气门4的全可变运动，以保证在冷启动、怠速、小负荷、大负荷等不同工况下进、排气门开启和关闭时刻及气门升程的可调节，达到发动机低油耗、低排放、高动力输出的目的。
另外当需要控制气门4的落座速度时，ECU可控制落座时旋转电机1转动的角速度ω，从而控制旋转臂2摆动的角速度ω，根据旋转臂2和气门连接件3组成的曲柄移动导杆机构，即可控制落座时气门4的速度v。两者的关系为：v＝ωR1cosθ。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，本发明针对无凸轮气门可变配气机构，采用旋转电机驱动气门运动，具有更高的能量传递效率，结构简单，且可摆脱传统凸轮轴的约束，使得每个气门都能够被独立的电机驱动，从而实现气门的全可变运动，达到发动机低油耗、低排放、高动力输出的目的。应当指出的是，本发明具体实现并不受上述方式的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，其特征在于：替代了现有气门驱动机构，摆脱了传统凸轮轴的约束，使得每个气门都能够被独立的旋转电机(1)驱动，从而实现气门的全可变运动，包括
旋转电机(1)，作为控制气门(4)的动力源，用于提供动力；
气门组件，连接一个气门(4)，用于控制气门(4)的开启闭合；
曲柄移动导杆机构，用于连接旋转电机(1)和气门组件。
2.根据权利要求1所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，其特征在于：所述曲柄移动导杆机构包括旋转臂(2)和气门连接件(3)，
旋转电机(1)的输出轴与旋转臂(2)顶端固连，保证旋转电机(1)转动时，两者无相对滑动；气门连接件(3)中心设有一个长条形通孔，气门连接件(3)底部设有与长条形通孔中心轴线垂直的二阶阶梯孔，所述二阶阶梯孔中自上向下依次为第一阶孔和第二阶孔，第二阶孔直径大于第一阶孔直径，气门(4)伸入第一阶孔，两者间隙配合，第二阶孔用于固连气门组件，所述长条形通孔的中心轴线方向垂直于气门(4)的运动方向，旋转臂(2)末端置于气门连接件(3)的长条形通孔之中，旋转臂(2)末端突出轴的半径R2等于气门连接件(3)中长条形通孔内两个半圆的半径R3，保证旋转臂(2)末端与气门连接件(3)的长条形通孔不产生平行于气门方向的相对运动，气门连接件(3)的通孔方向垂直于气门(4)的运动方向；
旋转臂(2)和气门连接件(3)将旋转电机(1)的旋转运动转换为气门(4)的直线运动，旋转臂(2)末端置于气门连接件(3)的长条形通孔中，此时两者无需其它连接件，当气门(4)和旋转臂(2)的轴向位置固定后，气门连接件(3)和旋转臂(2)的位置即固定。
3.根据权利要求2所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，其特征在于：当旋转臂(2)绕输出轴转动，其末端带动气门连接件(3)上下移动，实现气门(4)的开启或关闭，为保证旋转臂(2)末端可在气门连接件(3)的长条形通孔中有足够的位置垂直于气门(4)方向运动，气门(4)的最大位移为X，旋转臂(2)转动半径为R1，则需保证气门连接件(3)的长条形通孔长度
4.根据权利要求2所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，其特征在于：所述转动轴的伸出端铣扁为D型轴，与旋转臂(2)顶端的D型孔过渡配合，另外通过拧紧螺栓，增大旋转臂与转动轴之间的预紧力，从而增大摩擦来保证转动轴和旋转臂(2)之间无相对滑动。
5.根据权利要求2所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，其特征在于：所述气门组件包括气门锁夹(5)和气门卡座(6)；气门卡座(6)内壁为圆锥形结构，与气门锁夹(5)外壁的圆锥形结构精确匹配，气门卡座(6)与第二阶孔固连，气门锁夹(5)设置于第二阶孔内，且位于气门(4)尾部的凹槽与气门卡座(6)之间；
由于气门连接件(3)与气门卡座(6)固连，气门连接件(3)一方面给气门卡座(6)提供一个垂直向上的力，另一方面给气门锁夹(5)提供一个垂直向下的力，同时由于气门锁夹(5)外壁和气门卡座(6)内壁的圆锥形结构，使得气门锁夹(5)与气门(4)的凹槽形成相对牢固的夹紧型配合，从而保证气门连接件(3)能够带动气门(4)快速运动。
6.根据权利要求1所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，其特征在于：通过ECU控制旋转电机(1)摆动的角度大小来实现气门(4)升程可变，同时ECU可控制旋转电机(1)的角速度来实现气门(4)的过渡时间可变。
7.根据权利要求1所述的基于旋转电机驱动的无凸轮轴气门驱动机构，其特征在于：当气门(4)落座时ECU控制旋转电机(1)转动的速度变化，可以对气门(4)的落座速度进行控制。
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