CN113047920A - 气门组件、内燃机、汽车及内燃机循环控制方法 - Google Patents

气门组件、内燃机、汽车及内燃机循环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气门组件、内燃机、汽车及内燃机循环控制方法，包括缸体、驱动机构、气门和弹性元件，缸体内设置有燃烧室，以及与燃烧室连通的气孔；气门与缸体滑动连接，气门的一端用于封闭或打开气孔；驱动机构包括驱动元件和凸轮轴，驱动元件用于驱使凸轮轴旋转，且驱动元件能够调节凸轮轴的转速，凸轮轴的外周向面与气门的另一端抵持，凸轮轴用于驱使气门沿第一方向滑动；弹性元件用于驱使气门沿第二方向滑动，第二方向与第一方向相反。本发明的气门组件能够按需求改变气门的升程。

Description

气门组件、内燃机、汽车及内燃机循环控制方法
技术领域
本发明涉及内燃机领域，尤其涉及一种气门组件、内燃机、汽车及内燃机循环控制方法。
背景技术
相关技术中，气门的升程由于结构的限制，难以按需求变化，导致内燃机无法改变进气量或出气量，性能提升受限。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种气门组件，能够按需求改变气门的升程。
本发明还提出一种具有上述气门组件的内燃机。
本发明还提出一种具有上述内燃机的汽车。
本发明还提出一种内燃机循环控制方法。
根据本发明的第一方面实施例的气门组件，包括：
缸体，所述缸体内设置有燃烧室，以及与所述燃烧室连通的气孔；
气门，所述气门与所述缸体滑动连接，所述气门的一端用于封闭或打开所述气孔；
驱动机构，所述驱动机构包括驱动元件和凸轮轴，所述驱动元件用于驱使所述凸轮轴旋转，且所述驱动元件能够调节所述凸轮轴的转速，所述凸轮轴的外周向面与所述气门的另一端抵持，所述凸轮轴用于驱使所述气门沿第一方向滑动；
弹性元件，所述弹性元件用于驱使所述气门沿第二方向滑动，所述第二方向与所述第一方向相反。
根据本发明实施例的气门组件，至少具有如下有益效果：气门与缸体滑动连接，气门的一端用于封闭或打开气孔，气门的另一端与凸轮轴的外周向面抵持，凸轮轴用于驱使气门沿第一方向滑动，弹性元件用于驱使所述气门沿第二方向滑动，第二方向与第一方向相反，由此，驱动元件配合弹性元件，可控制气门封闭或打开气孔，以及控制气孔的开度(即气孔打开的大小程度)；由于凸轮轴是由驱动元件独立控制的，即使凸轮轴的外周向面的形状已确定，也可通过控制凸轮轴的相位，来控制气门的升程，气门在需要的时候可打开气孔，改变进气量或出气量，提升内燃机的性能。
根据本发明的一些实施例，所述气孔为进气孔，所述气门为进气门；或者，所述气孔为出气孔，所述气门为排气门。
根据本发明的一些实施例，所述凸轮轴的外轮廓线包含半正弦波曲线。
根据本发明的第二方面实施例的内燃机，包括上述的气门组件，还包括控制单元、曲轴、曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器，所述曲轴与所述缸体转动连接，所述曲轴位置传感器和所述凸轮轴位置传感器均与所述控制单元电连接，所述控制单元用于控制所述凸轮轴的转速。
根据本发明实施例的内燃机，至少具有如下有益效果：曲轴位置传感器可实时反馈曲轴的相位，凸轮轴位置传感器可实时反馈凸轮轴的相位，控制单元接收到曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器的电信号之后，可根据曲轴的相位，调整凸轮轴的转速，从而配合内燃机的冲程，改变进气量或出气量，提升内燃机的性能。
根据本发明的第三方面实施例的汽车，包括上述的内燃机。
根据本发明实施例的汽车，至少具有如下有益效果：通过使用上述的内燃机，有利于提升汽车的动力性能。
根据本发明的第四方面实施例的内燃机循环控制方法，在气门的一个升程周期中，包括以下控制步骤：使所述气门在设定的升程静止一段设定的时间，以改变进气量或排气量。
根据本发明实施例的内燃机循环控制方法，至少具有如下有益效果：气门在设定的升程静止一段设定的时间后，可改变进气量或排气量，提升内燃机的性能。
根据本发明的一些实施例，所述设定的升程为所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的吸气冲程的第一设定时间点，结束于所述内燃机的吸气冲程的第二设定时间点。
根据本发明的一些实施例，所述设定的升程为所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的吸气冲程的第一设定时间点，并结束于所述内燃机的压缩冲程的第三设定时间点。
根据本发明的一些实施例，所述设定的升程小于所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的吸气冲程的第四设定时间点，结束于所述内燃机的吸气冲程的第五设定时间点。
根据本发明的一些实施例，所述设定的升程为所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的排气冲程的第六设定时间点，结束于所述内燃机的排气冲程的第七设定时间点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例的气门组件的示意图；
图2为图1中气门组件的驱动机构的剖视图；
图3为本发明实施例的内燃机的控制示意图；
图4为图1中气门组件的凸轮轴的升程-相位曲线；
图5为传统内燃机的气门的升程-时间曲线；
图6为图3中内燃机的凸轮轴的各相位-时间曲线的集合；
图7为图3中内燃机的凸轮轴的相位-时间曲线；
图8为与图7中的凸轮轴配合的气门的升程-时间曲线；
图9为图3中内燃机的凸轮轴的另一相位-时间曲线；
图10为与图9中的凸轮轴配合的气门的升程-时间曲线；
图11为图3中内燃机的凸轮轴的又一相位-时间曲线；
图12为与图11中的凸轮轴配合的气门的升程-时间曲线。
附图标记：缸体100、本体110、缸盖120、罩盖130、驱动机构200、转轴211、驱动元件210、接头220、凸轮轴230、控制单元300、曲轴位置传感器400。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图1和图2，根据本发明实施例的气门组件，包括缸体100、驱动机构200、气门和弹性元件。缸体100内设置有燃烧室，以及与燃烧室连通的气孔。气门与缸体滑动连接，气门的一端用于封闭或打开气孔。驱动机构200包括驱动元件210和凸轮轴230，驱动元件210用于驱使凸轮轴230旋转，且驱动元件210能够调节凸轮轴230的转速，凸轮轴230的外周向面与气门的另一端抵持，凸轮轴230用于驱使气门沿第一方向滑动。弹性元件用于驱使气门沿第二方向滑动，第二方向与第一方向相反。
结合上述，气门与缸体100滑动连接，气门的一端用于封闭或打开气孔，气门的另一端与凸轮轴230的外周向面抵持，凸轮轴230用于驱使气门沿第一方向滑动，弹性元件用于驱使气门沿第二方向滑动，第二方向与第一方向相反。由此，驱动元件210配合弹性元件，可控制气门封闭或打开气孔，以及控制气孔的开度(即气孔打开的大小程度)。由于凸轮轴230是由驱动元件210独立控制的，即使凸轮轴230的外周向面的形状已确定，也可通过控制凸轮轴230的相位，来控制气门的升程，气门在需要的时候可打开气孔，改变进气量或出气量，提升内燃机的性能。
具体的，气门沿第一方向滑动时，气孔打开，气门沿第二方向滑动到一定位置时，气孔关闭。此时，弹性元件一般选择压缩弹簧，压缩弹簧套设在气门上，气门沿第一方向滑动时，弹簧被压缩，弹簧恢复形变时，弹簧驱使气门沿第二方向滑动，关闭气孔。此外，弹性元件也可选择橡胶柱。
相反的，气门也可以沿第一方向滑动到一定位置，关闭气孔，气门沿第二方向滑动时，打开气孔。此时，弹性元件选择拉伸弹簧，拉伸弹簧的一端与壳体100连接，拉伸弹簧的另一端与气门连接。气门沿第一方向滑动时，弹簧被拉伸，弹簧恢复形变时，弹簧驱使气门沿第二方向滑动，打开气孔。
具体的，缸体100包括本体110、缸盖120和罩盖130，本体110内设置有一端开口的容置槽，缸盖120封闭容置槽的开口后，即形成燃烧室。缸盖120设置有开口，气门滑动设置在开口中，气门的一端呈喇叭状，从而封闭开口。罩盖130通过紧固件固定于缸盖120，罩盖130用于保护驱动元件210。
具体的，驱动机构200还包括接头220，接头220的一端通过花键与凸轮轴230连接，接头220的另一端与驱动元件210的转轴211螺纹连接，由此驱动元件210可驱使凸轮轴230旋转。此外，驱动元件210的转轴211也可通过联轴器与凸轮轴230连接。
驱动元件210可选择步进电机或伺服电机。
在本发明的一些实施例中，气孔为进气孔，气门为进气门。此时，气门组件用于进气，并且可改变进气量，以及控制进气的时间。
类似的，气孔可为出气孔，则气门为排气门。此时，气门组件用于出气，可加速废气的排放，减小泵气损失，进而提升内燃机的性能。
参照图4，图4的横坐标是凸轮轴230的相位(也即转动角度)，图4的纵坐标为气门的升程。凸轮轴230的外轮廓线包含半正弦波曲线。半正弦波曲线连续，凸轮轴230驱使气门运动时，运动平稳。其中，图4展示的是凸轮轴230驱使气门运动后，气门的升程随凸轮轴230的相位变化的曲线。
参照图1至图3，图3中的箭头指的是电信号的流向。根据本发明实施例的内燃机，包括上述的气门组件，还包括控制单元300、曲轴、曲轴位置传感器400和凸轮轴位置传感器，曲轴与缸体100转动连接，曲轴位置传感器400和凸轮轴位置传感器均与控制单元300电连接，控制单元300用于控制凸轮轴230的转速。
结合上述，曲轴位置传感器400可实时反馈曲轴的相位，凸轮轴位置传感器可实时反馈凸轮轴230的相位，控制单元300接收到曲轴位置传感器400和凸轮轴位置传感器的电信号之后，可根据曲轴的相位，调整凸轮轴230的转速，从而配合内燃机的冲程，改变进气量或出气量，提升内燃机的性能。
具体的，控制单元300可选择ECU(行车电脑)，或者单独使用一个单片机进行控制。
根据本发明实施例的汽车，包括上述的内燃机。通过使用上述的内燃机，有利于提升汽车的动力性能。
参照图5和图6，图5的横坐标是时间，图5的纵坐标为气门的升程，图5为传统内燃机的气门的升程-时间曲线。图6的横坐标是时间，图6的纵坐标是凸轮轴230的相位(也即转动角度)，图6为图3中内燃机的凸轮轴的各相位-时间曲线的集合，图6中的数字表示曲线的某些交点。根据本发明实施例的内燃机循环控制方法，在气门的一个升程周期中，包括以下控制步骤：使气门在设定的升程静止一段设定的时间，以改变进气量或排气量。气门在设定的升程静止一段设定的时间后，可改变进气量或排气量，提升内燃机的性能。
改变进气量或排气量，即增大或减少进气量，或者增大排气量。通过在内燃机的吸气冲程中增大进气量，并在压缩冲程将部分吸入的气体“回吐”至进气歧管，可实现阿特金森循环的效果，此时进气歧管与大气的压力差减小，泵气损失减小，内燃机燃烧效率得以提升。通过在内燃机的吸气冲程中减少进气量，可实现米勒循环的效果，提升内燃机燃烧效率。通过在内燃机的排气冲程增大排气量，加速废气排放，可减小内燃机的泵气损失，进而提升内燃机性能。
参照图6至图8，图7的横坐标是时间，图7的纵坐标是凸轮轴230的相位(也即转动角度)，且虚线1-2是指传统内燃机的凸轮轴230在一个气门升程周期内的相位变化曲线，实线1-3-4-2是指新奥拓循环中的凸轮轴230的相位变化曲线。图8的横坐标是时间，图8的纵坐标为气门的升程。在本发明的一些实施例中，设定的升程为气门的最大升程L1，且一段设定的时间开始于内燃机的吸气冲程的第一设定时间点t1，结束于内燃机的吸气冲程的第二设定时间点t2。
根据图8可知，实线1-3-4-2所围成的面积比虚线1-2所围成的面积大，内燃机可以吸入更多的气体，进而提升内燃机的动力性能。
参照图6、图9和图10，图9的横坐标是时间，图9的纵坐标是凸轮轴230的相位(也即转动角度)，且虚线1-2是指传统内燃机的凸轮轴230在一个气门升程周期内的相位变化曲线，实线1-3-5-2是指新阿特金森循环中的凸轮轴230的相位变化曲线。图10的横坐标是时间，图10的纵坐标为气门的升程。在本发明的一些实施例中，设定的升程为气门的最大升程L1，且一段设定的时间开始于内燃机的吸气冲程的第一设定时间点t1，并结束于内燃机的压缩冲程的第三设定时间点t3。也即，内燃机的压缩冲程开始时，气门仍处于打开状态。
根据图10可知，实线1-3-5-2所围成的面积比虚线1-2所围成的面积大，在最大升程L1的持续时间更长，吸入的气体更多，根据阿特金森循环的特性，将“回吐”更多的气体至进气歧管，缩小进气歧管与大气的压力差，减小泵气损失，提升内燃机燃烧效率。
参照图6、图11和图12，图11的横坐标是时间，图11的纵坐标是凸轮轴230的相位(也即转动角度)，且虚线1-2是指传统内燃机的凸轮轴230在一个气门升程周期内的相位变化曲线，实线1-6-7-2是指新米勒循环循环中的凸轮轴230的相位变化曲线。图12的横坐标是时间，图12的纵坐标为气门的升程。在本发明的一些实施例中，设定的升程小于气门的最大升程L1，且一段设定的时间开始于内燃机的吸气冲程的第四设定时间点t4，结束于内燃机的吸气冲程的第五设定时间点t5。
根据图12可知，实线1-6-7-2所围成的面积比虚线1-2所围成的面积小，吸入气体量减少，压缩比减小，实现了米勒循环的效果，提升内燃机燃烧效率。
在本发明的一些实施例中，设定的升程为气门的最大升程L1，且一段设定的时间开始于内燃机的排气冲程的第六设定时间点，结束于内燃机的排气冲程的第七设定时间点。由此可加速废气排放，可减小内燃机的泵气损失，进而提升内燃机性能。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.气门组件，其特征在于，包括：
缸体，所述缸体内设置有燃烧室，以及与所述燃烧室连通的气孔；
气门，所述气门与所述缸体滑动连接，所述气门的一端用于封闭或打开所述气孔；
驱动机构，所述驱动机构包括驱动元件和凸轮轴，所述驱动元件用于驱使所述凸轮轴旋转，且所述驱动元件能够调节所述凸轮轴的转速，所述凸轮轴的外周向面与所述气门的另一端抵持，所述凸轮轴用于驱使所述气门沿第一方向滑动；
弹性元件，所述弹性元件用于驱使所述气门沿第二方向滑动，所述第二方向与所述第一方向相反。
2.根据权利要求1所述的气门组件，其特征在于，所述气孔为进气孔，所述气门为进气门；或者，所述气孔为出气孔，所述气门为排气门。
3.根据权利要求1或2所述的气门组件，其特征在于，所述凸轮轴的外轮廓线包含半正弦波曲线。
4.内燃机，其特征在于，包括权利要求1至3任一项所述的气门组件，还包括控制单元、曲轴、曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器，所述曲轴与所述缸体转动连接，所述曲轴位置传感器和所述凸轮轴位置传感器均与所述控制单元电连接，所述控制单元用于控制所述凸轮轴的转速。
5.汽车，其特征在于，包括权利要求4所述的内燃机。
6.内燃机循环控制方法，其特征在于，在气门的一个升程周期中，包括以下控制步骤：
使所述气门在设定的升程静止一段设定的时间，以改变进气量或排气量。
7.根据权利要求6所述的内燃机循环控制方法，其特征在于，所述设定的升程为所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的吸气冲程的第一设定时间点，结束于所述内燃机的吸气冲程的第二设定时间点。
8.根据权利要求6所述的内燃机循环控制方法，其特征在于，所述设定的升程为所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的吸气冲程的第一设定时间点，并结束于所述内燃机的压缩冲程的第三设定时间点。
9.根据权利要求6所述的内燃机循环控制方法，其特征在于，所述设定的升程小于所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的吸气冲程的第四设定时间点，结束于所述内燃机的吸气冲程的第五设定时间点。
10.根据权利要求6所述的内燃机循环控制方法，其特征在于，所述设定的升程为所述气门的最大升程，且所述一段设定的时间开始于所述内燃机的排气冲程的第六设定时间点，结束于所述内燃机的排气冲程的第七设定时间点。
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