CN112282884A - 一种全可变配气执行装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种全可变配气执行装置及其控制方法，包括液压系统、液压缸、气阀、三位四通比例阀，液压缸包括壳体，壳体上方安装上端盖，壳体下方安装下端盖，壳体的上部柱腔里安装LVDT线轴，LVDT线轴缠绕线圈绕组，LVDT线轴的空心圆柱里设置LVDT铁芯，壳体的下部柱腔里安装活塞组件，活塞组件的活塞上方为上油腔，活塞组件的活塞下方为下油腔，活塞组件的活塞杆伸出下端盖外部并连接气阀。本发明取消了气阀弹簧，可以在响应速度不变的情况下降低油源压力，解决了基于气阀弹簧提供落座动力时系统高能耗的问题。本发明将现有装置的多个电磁阀用一个三位四通比例阀代替，系统的集成度大幅提高的同时，控制复杂度降低、系统响应速度进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种配气装置及控制方法，具体地说是内燃机配气装置及控制方法。
背景技术
随着人们对于环境保护愈加重视，排放法规向着日趋严格的方向发展。内燃机作为人类生产生活的主要动力来源，是各项排放法规的主要实施对象，内燃机行业面临大幅节能减排的严峻挑战。作为内燃机正常工作三要素之一的空气，主要受配气系统进行控制。传统内燃机使用固定式凸轮轴驱动气阀，导致气阀运动规律单一，无法满足全工况下的不同配气需求。为满足全工况下的配气需求，发展出了可变配气技术。该技术可以实现在内燃机运行过程中，改变气阀运动规律，从而使多个乃至整个工况下都能得到理想的气阀型线。应用可变配气技术对于提高内燃机效率，降低有害物质排放等方面具有显著效果。
全可变配气技术作为可变配气技术的一种，能够做到气阀各项运动参数的灵活可变，能够针对整个工况做出相应的调节，是未来可变配气技术的主要发展方向。作为全可变配气关键技术的全可变配气执行装置，必须做到能够控制气阀运动速度、气阀的开启与关闭，并能在一定范围内任意改变气阀的最大升程。
发明内容
本发明的目的在于提供可以实现较高的气阀运动速度，控制复杂度降低、系统响应速度进一步提高的一种全可变配气执行装置及其控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种全可变配气执行装置，其特征是：包括液压系统、液压缸、气阀、三位四通比例阀，所述三位四通比例阀包括P口、T口、A口和B口，所述液压系统包括油箱、高压管路、低压回油管路，油箱通过高压管路连接P口，油箱通过低压回油管路连接T口，所述液压缸包括壳体，壳体上方安装上端盖，壳体下方安装下端盖，壳体内部为直径不同的上部柱腔和下部柱腔，上部柱腔里安装LVDT线轴，LVDT线轴缠绕线圈绕组，LVDT线轴的中心为空心圆柱且上端封闭的结构，空心圆柱里设置LVDT铁芯，下部柱腔里安装活塞组件，活塞组件的活塞上方为上油腔，活塞组件的活塞下方为下油腔，壳体上设置上腔油口和下腔油口，上腔油口位于上油腔处并连接A口，下腔油口位于下油腔处并连接B口，活塞组件的活塞杆伸出下端盖外部并连接气阀。
本发明一种全可变配气执行装置还可以包括：
1、下腔油口上方的下部柱腔设置下限位凸台，防止活塞堵塞下腔油口，活塞组件顶部加工有突出的圆台，圆台顶部开有用于固定LVDT铁芯的螺纹孔，圆台直径大于LVDT线轴空心圆柱直径，从而形成活塞运动的上限位结构，防止活塞堵塞上腔油口。
2、线圈绕组包括一个初级线圈、两个对置的次级线圈，初级线圈通高频正弦信号，作为LVDT的激励信号，两个对置的次级线圈对称分布于初级线圈的上下两侧，通过两个次级线圈之间的压差反应出铁芯的位置。
3、活塞组件活塞侧壁面与壳体下部柱腔壁面之间为配合面，从而构成间隙密封结构，活塞侧壁开有等距的窄槽，用于减弱泵油效应，增强间隙密封的密封效果。
4、高压管路、低压回油管路通过溢流管路连接，溢流管路上设置逆流阀，高压管路上设置滤清器、液压泵、蓄能器。
5、LVDT线轴为截面呈工字形。
6、下端盖与活塞组件之间安装有平衡弹簧，平衡弹簧平衡活塞组件以及气阀的质量，使液压缸上部柱腔、下部柱腔均未通高压油时气阀处于关闭状态而不会自行开启，同时，为活塞组件向下运动过程中提供阻尼，以减小重力及惯性对活塞组件运动的干扰。
本发明一种全可变配气控制方法，其特征是：三位四通比例阀包括a位、0位、b位三个不同的状态位，不同位置时的连接方式以及流向为：a位时A口流向T口，P口流向B口；0位时切断所有通路；b位时P口流向A口，B口流向T口；三位四通比例阀处于a位时液压缸的上油腔接通低压回油管路，同时下油腔接通高压管路；0位时上油腔与下油腔同时被封闭；b位时上油腔接通高压管路，同时下油腔接通低压回油管路；
三位四通比例阀受电压范围为正、负10伏的输入信号控制，正向电压时比例阀处于b位，负向电压时处于a位，0伏时处于0位；电压值非零时，比例阀的阀口开度受电压绝对值的大小控制；
初始状态时气阀在平衡弹簧的推动下保持坐落状态，此时三位四通比例阀的控制信号保持0伏，当控制信号变为正向电压时，当上油腔的压力升高至克服平衡弹簧推力时，气阀向下运动实现气阀的开启，通过控制该正向电压的大小调节高压油进入上油腔的速度，即可改变气阀的运动速度实现气阀开启速度可变；
当气阀开启到预定升程后，将控制信号的电压变为0伏，此时比例阀切换到0位，使得上油腔与下油腔同时封闭，活塞组件与气阀处于静止状态，即气阀处于升程维持阶段；
在达到气阀关闭时刻后，将控制信号转变为负向电压，比例阀随即切换至a位，高压油冲入下油腔并推动气阀向上运动，气阀升程减小，通过改变负向电压的绝对值大小改变气阀的关闭速度。
本发明一种全可变配气控制方法还可以包括：
1、气阀落座缓冲控制方式为，气阀落座之前，将负向电压设置成接近于0的电压值，将三位四通比例阀的阀口开度降至很小，即可控制气阀的落座速度使其满足缓冲要求。
本发明的优势在于：
1、本发明所设计的全可变配气装置应用时取消了气阀弹簧，可以使用较低的油源压力实现较高的气阀运动速度，有利于大幅降低系统能耗，进一步提高响应速度，大幅降低了对于液压系统的要求。
2、本发明所设计的全可变配气装置在下端盖与活塞组件之间设置平衡弹簧，用于平衡活塞组件及气阀的重力，可以为气阀开启提供适当阻尼作用，减小重力及惯性对气阀运动的影响，同时由于刚度较小，兼顾了系统能耗的降低。
3、本发明设计的全可变配气装置内部集成了LVDT位移传感器，应用过程中不需要额外考虑位移传感器的布置，同时使用单个三位四通比例阀代替多个电磁阀的复杂设置，不仅使控制对象得到精简，还使得装置整体的体积大幅缩减，进一步提高了系统集成度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为活塞组件处于上极限位时的液压缸状态；
图3为活塞组件处于下极限位时的液压缸状态；
图4为气阀型线与控制信号之间的对比图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明全可变配气执行装置及其驱动控制附属组件，主要包括：上端盖1、LVDT线轴2、线圈绕组3、密封圈4、LVDT铁芯5、活塞组件6、壳体7、平衡弹簧8、下端盖9、上腔油口10、下腔油口11、三位四通比例阀12、蓄能器13、溢流阀14、液压泵15、滤清器16、油箱17。图中的液压系统18作为该执行装置的油源为其提供能量输入。三位四通比例阀12作为该执行装置的核心控制部件。液压缸19作为执行装置的能量转换装置，将液压能转换为驱动气阀运动的动能，同时内部集成有LVDT(线性可变差动变压器)位移传感器，LVDT传感器由LVDT线轴2、线圈绕组3与LVDT铁芯5组成，可以为控制系统提供气阀的位移信号反馈。
液压缸19的壳体7内部有两个直径不同的柱腔，其中上部柱腔较大用于安装LVDT线轴2及线圈绕组3，LVDT线轴2为截面呈工字形，中心为空心圆柱且上端封闭的结构，空心圆柱用于安装LVDT铁芯5，线轴经过耐压设计，使其可承受油源的油压而不损坏。LVDT铁芯5是由电磁属性较好的电工纯铁加工制成，可以在线圈绕组使用高频激励信号时减小损耗，从而使LVDT获得更高的灵敏度以及动态响应频率。线圈绕组3包含一个初级线圈、两个对置的次级线圈，初级线圈通高频正弦信号，作为LVDT的激励信号。两个对置的次级线圈对称分布于初级线圈的上下两侧，用两个次级线圈之间的压差即可反应出铁芯的位置。密封圈4用于防止液压油经LVDT线轴2与壳体7之间的缝隙向外泄露。
壳体7下部直径较小的柱腔用于安装活塞组件6，活塞组件6的活塞部分侧壁面与壳体7下柱腔壁面之间为配合面，从而构成间隙密封结构，活塞侧壁开有等距的多个窄槽，用于减弱泵油效应，增强间隙密封的密封效果。装入活塞组件6后壳体7的下柱腔被分割成了两个容积可变的上油腔与下油腔。下部柱腔靠近下腔油口11的位置加工有限位凸台。防止活塞堵塞下腔油口11，导致系统失效情况的发生。活塞组件6顶部加工有突出的圆台，圆台顶部开有螺纹孔，用于固定LVDT铁芯5。同时，由于圆台直径大于LVDT线轴2空心圆柱直径，形成活塞运动的上限位结构，可以防止活塞堵塞上腔油口10。
壳体7与集成LVDT位移传感器以及活塞组件6组装完成后，即可将上端盖1和下端盖9与壳体7进行固定。上端盖1用于压紧LVDT线轴2，从而使密封圈4与被密封件之间紧密贴合，形成良好密封。下端盖9与壳体7之间同样装有密封圈，在活塞组件6的活塞杆与下端盖9之间装有组合密封圈，用于在活塞杆往复运动过程中形成良好的密封条件。下端盖9与活塞组件之间安装有平衡弹簧8，平衡弹簧8不同于气阀弹簧，其刚度远小于通常所用的气阀弹簧，设置平衡弹簧8目的在于平衡活塞组件6以及气阀的质量，使安装完成后液压缸上、下腔均未通高压油时气阀可以处于关闭状态而不会自行开启。同时，为活塞组件6向下运动过程中提供适当的阻尼，以减小重力及惯性对活塞组件运动的干扰。
活塞杆下端开有沟槽，方便与气阀进行连接，气阀阀杆与活塞杆之间通过连接组件进行连接，连接过程中应保证良好的对中度，以减小气阀所受到的径向分力大小。连接后气阀应与活塞组件6保持同步运动。
液压缸上腔油口10与三位四通比例阀12的A口相连，下腔油口11与B口相连，比例阀的P口、T口分别与油源的高压管路和低压回流管路连接。
电控单元通过改变三位四通比例阀12的控制信号，改变上、下油腔的油压，来改变活塞组件6同时也是气阀的运动规律。同时，通过集成LVDT位移传感器反馈回来的位移信号调整信号输出，保证气阀运动的准确性。
图1，给出的是液压系统18与三位四通比例阀12以及液压缸19之间的管路连接方式，同时显示了液压缸与气阀之间的相对安装位置。由于活塞组件6与气阀之间通过连接组件组装在一起，二者拥有相同的运动规律，可将活塞组件的运动视为气阀运动。
本装置所能实现的气阀最大运动区间，介于活塞组件上极限位置与下极限位置之间，附图2、3分别给出了活塞组件位于上极限位置与下极限位置时液压缸的状态。气阀完全落座后活塞组件顶部的圆台上表面与LVDT线轴之间保持3-5mm的距离，保证气阀最大有效升程时活塞组件不会与下限位凸台发生碰撞。
三位四通比例阀12拥有三个不同的状态位，分别为a位、0位、b位，不同位置时的连接方式以及流向为：a位时A口流向T口，P口流向B口；0位时切断所有通路；b位时P口流向A口，B口流向T口。根据之前所述，三位四通比例阀12处于a位时液压缸的上油腔接通低压管路，同时下油腔接通高压管路；0位时上油腔与下油腔同时被封闭；b位时上油腔接通高压管路，同时下油腔接通低压管路。
三位四通比例阀12受电压范围为正负10伏的输入信号控制，正向电压时比例阀处于b位，负向电压时处于a位，0伏时处于0位。电压值非零时，比例阀的阀口开度受电压绝对值的大小控制。
初始状态时气阀在平衡弹簧8的推动下保持坐落状态，此时三位四通比例阀12的控制信号保持0伏，当控制信号变为正向电压时，根据以上所述，当上油腔的压力升高至可以克服平衡弹簧推力时，气阀开始向下运动实现气阀的开启，通过控制该正向电压的大小可以调节高压油进入上油腔的速度，即可改变气阀的运动速度实现气阀开启速度可变。
当气阀开启到一定升程后，将控制信号的电压变为0伏，此时比例阀切换到0位，使得上油腔与下油腔同时封闭，由于平衡弹簧8刚度很小加之持续时间很短，可以认为活塞组件6的活塞与壳体7之间没有泄露，活塞组件6与气阀处于静止状态，即气阀处于升程维持阶段。
在达到气阀关闭时刻后，将控制信号转变为负向电压，比例阀随即切换至a位，高压油冲入下油腔并推动气阀向上运动，气阀升程逐渐减小。同理改变负向电压的绝对值大小即可改变气阀的关闭速度。
本装置的气阀落座缓冲控制方式为，气阀接近落座时将负向电压设置成接近于0的电压值，将三位四通比例阀12的阀口开度降至很小，即可控制气阀的落座速度使其满足缓冲要求。
总结气阀运动的控制方式为：三位四通比例阀12的控制信号为正向电压时气阀开启，控制信号为0伏时气阀运动停止，控制信号为负向电压时气阀关闭，并且通过改变控制信号绝对值的大小可以改变气阀开启与关闭时的速度大小，完整气阀运动与控制信号之间的对比关系如附图4所示，本发明可以通过不同的控制信号实现气阀运动规律的灵活控制。应用于发动机中可以对全工况进行优化设计，满足任意的发动机配气需求。
Claims (9)
1.一种全可变配气执行装置，其特征是：包括液压系统、液压缸、气阀、三位四通比例阀，所述三位四通比例阀包括P口、T口、A口和B口，所述液压系统包括油箱、高压管路、低压回油管路，油箱通过高压管路连接P口，油箱通过低压回油管路连接T口，所述液压缸包括壳体，壳体上方安装上端盖，壳体下方安装下端盖，壳体内部为直径不同的上部柱腔和下部柱腔，上部柱腔里安装LVDT线轴，LVDT线轴缠绕线圈绕组，LVDT线轴的中心为空心圆柱且上端封闭的结构，空心圆柱里设置LVDT铁芯，下部柱腔里安装活塞组件，活塞组件的活塞上方为上油腔，活塞组件的活塞下方为下油腔，壳体上设置上腔油口和下腔油口，上腔油口位于上油腔处并连接A口，下腔油口位于下油腔处并连接B口，活塞组件的活塞杆伸出下端盖外部并连接气阀。
2.根据权利要求1所述的一种全可变配气执行装置，其特征是：下腔油口上方的下部柱腔设置下限位凸台，防止活塞堵塞下腔油口，活塞组件顶部加工有突出的圆台，圆台顶部开有用于固定LVDT铁芯的螺纹孔，圆台直径大于LVDT线轴空心圆柱直径，从而形成活塞运动的上限位结构，防止活塞堵塞上腔油口。
3.根据权利要求1所述的一种全可变配气执行装置，其特征是：线圈绕组包括一个初级线圈、两个对置的次级线圈，初级线圈通高频正弦信号，作为LVDT的激励信号，两个对置的次级线圈对称分布于初级线圈的上下两侧，通过两个次级线圈之间的压差反应出铁芯的位置。
4.根据权利要求1所述的一种全可变配气执行装置，其特征是：活塞组件活塞侧壁面与壳体下部柱腔壁面之间为配合面，从而构成间隙密封结构，活塞侧壁开有等距的窄槽，用于减弱泵油效应，增强间隙密封的密封效果。
5.根据权利要求1所述的一种全可变配气执行装置，其特征是：高压管路、低压回油管路通过溢流管路连接，溢流管路上设置逆流阀，高压管路上设置滤清器、液压泵、蓄能器。
6.根据权利要求1所述的一种全可变配气执行装置，其特征是：LVDT线轴为截面呈工字形。
7.根据权利要求1所述的一种全可变配气执行装置，其特征是：下端盖与活塞组件之间安装有平衡弹簧，平衡弹簧平衡活塞组件以及气阀的质量，使液压缸上部柱腔、下部柱腔均未通高压油时气阀处于关闭状态而不会自行开启，同时，为活塞组件向下运动过程中提供阻尼，以减小重力及惯性对活塞组件运动的干扰。
8.一种全可变配气控制方法，其特征是：三位四通比例阀包括a位、0位、b位三个不同的状态位，不同位置时的连接方式以及流向为：a位时A口流向T口，P口流向B口；0位时切断所有通路；b位时P口流向A口，B口流向T口；三位四通比例阀处于a位时液压缸的上油腔接通低压回油管路，同时下油腔接通高压管路；0位时上油腔与下油腔同时被封闭；b位时上油腔接通高压管路，同时下油腔接通低压回油管路；
三位四通比例阀受电压范围为正、负10伏的输入信号控制，正向电压时比例阀处于b位，负向电压时处于a位，0伏时处于0位；电压值非零时，比例阀的阀口开度受电压绝对值的大小控制；
初始状态时气阀在平衡弹簧的推动下保持坐落状态，此时三位四通比例阀的控制信号保持0伏，当控制信号变为正向电压时，当上油腔的压力升高至克服平衡弹簧推力时，气阀向下运动实现气阀的开启，通过控制该正向电压的大小调节高压油进入上油腔的速度，即可改变气阀的运动速度实现气阀开启速度可变；
当气阀开启到预定升程后，将控制信号的电压变为0伏，此时比例阀切换到0位，使得上油腔与下油腔同时封闭，活塞组件与气阀处于静止状态，即气阀处于升程维持阶段；
在达到气阀关闭时刻后，将控制信号转变为负向电压，比例阀随即切换至a位，高压油冲入下油腔并推动气阀向上运动，气阀升程减小，通过改变负向电压的绝对值大小改变气阀的关闭速度。
9.根据权利要求8所述的一种全可变配气控制方法，其特征是：气阀落座缓冲控制方式为，气阀落座之前，将负向电压设置成接近于0的电压值，将三位四通比例阀的阀口开度降至很小，即可控制气阀的落座速度使其满足缓冲要求。
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| CN205908328U (zh) * | 2016-08-24 | 2017-01-25 | 吉林大学 | 四气门发动机可变气门机构 |
| US20170167411A1 (en) * | 2015-12-10 | 2017-06-15 | Hyundai Motor Company | Variable valve apparatus |
| CN109339897A (zh) * | 2012-04-30 | 2019-02-15 | 伊顿公司 | 可变气门操作系统的监视和诊断 |
| CN110312849A (zh) * | 2017-02-17 | 2019-10-08 | 欧德克斯有限公司 | 挺杆 |
-
2020
- 2020-10-28 CN CN202011170173.XA patent/CN112282884A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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