CN113107636B - 两段式液压挺柱、两段式可变气门升程机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两段式液压挺柱及含有其的两段式可变气门升程机构，两段式液压挺柱用于与两段式凸轮轴上的高、低凸轮配合，包括外挺柱、内挺柱、移动销；内挺柱置于外挺柱内部，外挺柱和内挺柱通过移动销的移动实现锁止联动或解锁分离，在外挺柱上设置有移动销锁止油道和移动销解锁油道，两油道分别连通至移动销的两端。本发明通过采用锁止油道和解锁油道的双油道设计，使移动销的工作方式变为油压锁定，油路换向解锁的方式，具有解锁快捷、可靠性高的优点。本发明还公开了一种两段式可变气门升程机构的控制方法，该方法基于发动机转速、供油液油温、油压对机构进行控制，可适应多种不同工况，在多种不同工况下均能实现高性能的控制。

Description

两段式液压挺柱、两段式可变气门升程机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及发动机动力和液压技术领域，特别是涉及一种两段式液压挺柱、两段式可变气门升程机构及其控制方法。

背景技术

配气机构是发动机的主要组成部分之一，其主要作用是依照发动机的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，从而使新气顺利进入气缸，废气及时排出气缸。传统配气机构的气门正时和气门升程是固定的，只能保证发动机某一工况下的最佳性能，难以兼顾所有工况对气门正时和气门升程的要求。故可变气配气相位技术因其性价比高、提升内燃机燃烧效率效果显著而被广泛应用。采用可变气门技术的内燃机相比传统内燃机具有改善怠速稳定性、提高充气效率、实现可变有效压缩比、提高发动机功率、优化膨胀比、减少燃油消耗率、实现内部EGR等优点。

可变气门升程机构可分为连续式可变气门升程机构和阶段式可变气门升程机构。连续式可变气门升程机构复杂，成本较高，且控制困难，尽管可以实现气门升程的连续可变，但对系统的稳定性要求很高，目前只有少数公司，如宝马Valvetronic，日产VVEL，菲亚特Multiair等实现了这一技术。阶段式可变气门升程机构结构简单，且研究时间较长，技术成熟，成本较低，目前应用较多，如奥迪AVS,本田VTEC,保时捷Variocam plus等均有不同形式的应用。阶段式气门升程机构可配合电动正时机构工作，为优化后的汽油机或柴油机带来更大的应用空间。

目前的阶段式可变气门升程机构，以两段式的为例，一般包括两段式液压挺柱及与其配合的两段式凸轮轴，两段式液压挺柱包括外挺柱、内挺柱、移动销；两段式凸轮轴上的高、低凸轮与两段式液压挺柱的外、内挺柱直接接触配合；外挺柱和内挺柱通过移动销的移动实现锁止联动或解锁分离。但目前的两段式可变气门升程机构还存在如下缺陷：

1、两段式液压挺柱中，移动销的工作方式多样，但移动销多采用油压锁定，弹簧回位解锁的方式。这可能会造成移动销卡住或疲劳断裂或弹簧故障时，导致弹簧无法解锁的情况发生。

2、两段式液压挺柱中，移动销的供油头部采用平头设计，切换时平顺性差，锁止时的冲击较大，且解锁回位时对移动销的冲击较大。

3、相似技术只能完成升程的简单切换，而没有考虑适应不同工况的控制方法，适用工况单一。

由此可见，上述现有的两段式液压挺柱、两段式可变气门升程机构及其控制方法，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的两段式液压挺柱、两段式可变气门升程机构及其控制方法，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种解锁快捷、解锁可靠性高且切换平顺的两段式液压挺柱及两段式可变气门升程机构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种两段式液压挺柱，用于与两段式凸轮轴上的高、低凸轮配合，包括外挺柱、内挺柱、移动销；所述外挺柱用于与高凸轮直接接触，内挺柱用于与低凸轮直接接触，内挺柱置于外挺柱内部，外挺柱和内挺柱通过移动销的移动实现锁止联动或解锁分离，在所述外挺柱上设置有移动销锁止油道和移动销解锁油道，所述移动销锁止油道和移动销解锁油道连通至移动销的两端。

作为本发明的进一步改进，所述移动销包括内挺柱移动销和外挺柱移动销，所述液压挺柱还包括内挺柱固定套、外挺柱固定套；所述内挺柱固定套设置在内挺柱与内挺柱移动销之间并与内挺柱固定连接；所述外挺柱固定套设置在外挺柱移动销与外挺柱之间并与外挺柱固定连接；所述外挺柱固定套上设置有与移动销锁止油道连通的进油孔。

进一步地，所述外挺柱移动销的供油头部为半球型，所述外挺柱固定套采用平头套。

进一步地，所述外挺柱固定套上的进油孔位于下侧，当所述外挺柱移动销的供油头部与外挺柱固定套的平头部分贴紧时，所述进油孔与外挺柱移动销的供油头部之间具有毫米级的进油缝隙。

进一步地，所述进油缝隙为2mm；和/或，所述外挺柱移动销采用直径为4.1mm的圆形截面。

本发明还提供了一种两段式可变气门升程机构，包括两段式凸轮轴以及上述的两段式液压挺柱；所述两段式凸轮轴上的高、低凸轮与两段式液压挺柱的外、内挺柱直接接触配合；通过控制两段式液压挺柱的供油及卸油来实现两段式的相位切换。

进一步地，还包括油路系统，所述油路系统包括分别与移动销锁止油道和移动销解锁油道连接的两条油管，其中一条油管依次通过三位四通电磁阀及油泵连接至油箱，另一条油管通过所述三位四通电磁阀连接至油箱，通过电磁阀换向可实现油路换向。

本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种在多种工况下均可实现高性能控制的两段式可变气门升程机构的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种两段式可变气门升程机构的控制方法，当发动机高转速时，移动销解锁油道卸油，移动销锁止油道供油，外挺柱和内挺柱锁止联动，高凸轮起主要控制作用；当发动机低转速时，移动销解锁油道供油，移动销锁止油道卸油，外挺柱和内挺柱解锁分离，低凸轮起主要控制作用。

进一步地，所述控制方法还同时基于供油液油温和供油液油压进行协同控制。

进一步地，当发动机转速符合切换要求，且供油液油温40-60℃时，控制供油液油压大于1.6bar进行切换。

通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明的两段式液压挺柱，其中移动销采用锁止油道和解锁油道双油道设计，使其工作方式变为油压锁定，油路换向解锁的方式，具有解锁快捷，解锁可靠性增加的优点。

2、本发明的两段式液压挺柱，外挺柱移动销的供油头部为半球型，外挺柱固定套采用平头套，两者相互配合，不但可以增加供油容积，也可以在供油时在外挺柱移动销的供油头部形成一个环形的供油液压垫，使切换的平顺性更好，同时减少锁止时的冲击；还可以通过半球型减少解锁回位冲击。

3、本发明的两段式液压挺柱，在外挺柱固定套的进油孔与外挺柱移动销的供油头部之间具有毫米级的进油缝隙，配合半球型的供油头部，使得供油液无需充满整个腔体，仅进入少量即可推动移动销移动，具有锁止更快捷的优点；且由于腔体内的供油液是逐渐充满的，移动销产生的加速度是渐变的加速度，使得切换的平顺性更好。

4、本发明通过不同发电机转速下对高低凸轮的切换，改善了发动机的怠速稳定性、提高了充气效率、实现了可变有效压缩比、提高了发动机功率、优化了膨胀比、减少了燃油消耗率、实现了内部EGR。

5、本发明还增加了基于供油液温度和油压的控制方法，使得两段式可变气门升程机构可适应多种不同工况，在多种不同工况下均能实现高性能的控制，具有切换稳定且响应速度快的优点。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明一实施例中的两段式可变气门升程机构示意图；

图2是本发明一实施例中两段式液压挺柱剖视结构示意图；

图3是两段式可变气门升程机构的油路系统原理图；

图4是气门低升程时对应的液压挺柱状态；

图5是气门高升程时对应的液压挺柱状态；

图6是不同油温下切换时间影响规律图。

具体实施方式

本实施例提供了一种两段式可变气门升程机构，配合图1所示，包括两段式液压挺柱1及两段式凸轮轴2，两者配合并在油路系统的控制下控制气门3的升程；其中，两段式凸轮轴2上的高凸轮21与外挺柱11直接接触配合；两段式凸轮轴2上的低凸轮22与内挺柱12直接接触配合。

配合图2所示，在本发明的一个实施例中，为了实现两种气门升程功能，两段式液压挺柱包括外挺柱11、内挺柱12、移动销(内挺柱移动销13和外挺柱移动销14)；内挺柱12置于外挺柱11内部；外挺柱11和内挺柱12通过移动销的移动实现锁止联动或解锁分离，在外挺柱11上设置有移动销锁止油道15和移动销解锁油道16，移动销锁止油道15和移动销解锁油道16分别连通至移动销的两端，移动销锁止油道15连通至外挺柱移动销14的一端，移动销解锁油道16联通至内挺柱移动销13的一端。

配合图3所示，油路系统包括分别与移动销锁止油道和移动销解锁油道连接的两条油管41、42，其中一条油管41依次通过三位四通电磁阀43及油泵44连接至油箱45，另一条油管42通过三位四通电磁阀43连接至油箱45，通过电磁阀换向可实现油路换向。

配合图4、5所示，在由高气门升程转换成低气门升程时，通过油路换向，使移动销解锁油道16供油，移动销锁止油道15卸油，油压推动依次推动内挺柱移动销13、外挺柱移动销14移动，从而内、外挺柱之间实现解锁分离，此时，外挺柱11在高凸轮21的作用下与内挺柱12之间发生相对运动，通过内外挺柱之间的弹簧可保证外挺柱11与高凸轮21始终接触，此时低凸轮22起主要控制作用。配合图2、5所示，当转换成高气门升程时，通过油路换向，移动销解锁油道16卸油，移动销锁止油道15供油，供油液从移动销锁止油道15进入，油压依次推动外挺柱移动销14、内挺柱移动销13移动，从而内、外挺柱之间实现锁止，形成一个整体共同运动(联动)，此时，内挺柱12失去与低凸轮22的接触，高凸轮21起主要控制作用。凸轮升程分别为6mm与10mm，即对应的气门升程可切换为6mm或10mm，调整凸轮初始安装位置也可实现高低凸轮间相位角0°CA到120°CA之间的变换。

在上述结构中，对于移动销的移动控制，本实施例采用了锁止油道和解锁油道双油道设计，通过电磁阀换向控制两段式液压挺柱的供油及卸油可实现两段式的相位切换，由于其工作方式变为油压锁定，油路换向解锁的方式，具有解锁快捷、解锁可靠性增加的优点。

配合图2所示，在本发明的另一实施例中，两段式液压挺柱还包括内挺柱固定套17、外挺柱固定套18；内挺柱固定套17设置在内挺柱12与内挺柱移动销13之间并与内挺柱13固定连接；外挺柱固定套18设置在外挺柱移动销14与外挺柱11之间并与外挺柱11固定连接；外挺柱固定套18上设置有与移动销锁止油道15连通的进油孔19。其中，外挺柱移动销14的供油头部为半球型，外挺柱固定套18采用平头套(即与半球型供油头部针对的部分为平面)。此种设计使得供油液仅进入少量即可推动外挺柱移动销移动，具有锁止更快捷的优点；也可以在供油时在外挺柱移动销的供油头部形成一个环形的供油液压垫，使切换的平顺性更好，同时减少锁止时的冲击；由于半球型的设计，还可以减少解锁回位冲击。

配合图2所示，外挺柱固定套18上的进油孔19位于下侧，当外挺柱移动销14的供油头部与外挺柱固定套18的平头部分贴紧时，进油孔19与外挺柱移动销14的供油头部之间具有毫米级的进油缝隙，优选地，考虑到装配尺寸，进油缝隙为2mm。由于上述毫米级的进油缝隙，使得腔体内的供油液是逐渐充满的，移动销产生的加速度是渐变的加速度，使得切换的平顺性更好。而其他方式的结构，腔体内的供油液是瞬时充满的，对移动销瞬时冲击力大，移动销的加速度也是瞬时的，切换的平顺性差。

由机构原理分析可知，移动销在气门以高升程运动时受到剪切力，可由

式1计算：

式中F为高升程下凸轮与从动件之间的最大接触力，A为移动销横截面积，设计移动销采用直径为4.1mm的圆形截面，经计算可得τ＝26Mpa，远小于其剪切强度(178Mpa)符合强度要求。

上述两段式可变气门升程机构可基于发动机转速进行控制。

在基于发动机转速进行控制时，当发动机高转速时，移动销解锁油道卸油，移动销锁止油道供油，外挺柱和内挺柱锁止联动，高凸轮起主要控制作用；当发动机低转速时，移动销解锁油道供油，移动销锁止油道卸油，外挺柱和内挺柱解锁分离，低凸轮起主要控制作用。

作为优选的方案，上述控制方法中，还同时基于供油液油温和供油液油压进行协同控制。

本发明通过实验发现，油温对气门升程的切换有一定的影响。配合图6所示，为发动机转速一定时，不同油温下关闭油道，切换所需的循环数和温度所绘制的图。可以看到，随着温度升高，切换速度逐渐增快，但在60℃之后，切换速度随温度升高降低。这是由于在60℃之前，油随着温度流动性增加，但推动移动销的趋势大于油从内外挺柱之间的缝隙泄露的趋势，故随着温度升高，切换速度变快。而在60℃之后，油从内外挺柱之间的缝隙泄露的趋势大于推动移动销的趋势，故呈现相反的趋势。

另外，本发明通过大量的实验发现，当供油液油压高于某一设定值1.6bar时，切换效果最好。

基于上述发现，本实施例提供了一种最优的控制方法，即当发动机转速符合切换要求(前述高低凸轮的切换控制)，且供油液油温40-60℃时，控制供油液油压大于1.6bar进行切换。此时，能实现稳定切换且切换响应速度更快。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种两段式液压挺柱，用于与两段式凸轮轴上的高、低凸轮配合，包括外挺柱、内挺柱、移动销；所述外挺柱用于与高凸轮直接接触，内挺柱用于与低凸轮直接接触，内挺柱置于外挺柱内部，外挺柱和内挺柱通过移动销的移动实现锁止联动或解锁分离，其特征在于，在所述外挺柱上设置有移动销锁止油道和移动销解锁油道，所述移动销锁止油道和移动销解锁油道连通至移动销的两端；

所述移动销包括内挺柱移动销和外挺柱移动销，所述液压挺柱还包括内挺柱固定套、外挺柱固定套；所述内挺柱固定套设置在内挺柱与内挺柱移动销之间并与内挺柱固定连接；所述外挺柱固定套设置在外挺柱移动销与外挺柱之间并与外挺柱固定连接；所述外挺柱固定套上设置有与移动销锁止油道连通的进油孔；

所述外挺柱移动销的供油头部为半球型，所述外挺柱固定套采用平头套；

所述外挺柱固定套上的进油孔位于下侧，当所述外挺柱移动销的供油头部与外挺柱固定套的平头部分贴紧时，所述进油孔与外挺柱移动销的供油头部之间具有毫米级的进油缝隙；

所述移动销锁止油道和移动销解锁油道用于连接油路系统的两条油管，其中一条油管依次通过三位四通电磁阀及油泵连接至油箱，另一条油管通过所述三位四通电磁阀连接至油箱，通过所述三位四通电磁阀换向可实现油路换向。

2.根据权利要求1所述的两段式液压挺柱，其特征在于，所述进油缝隙为2mm；

和/或，所述外挺柱移动销采用直径为4.1mm的圆形截面。

3.一种两段式可变气门升程机构，其特征在于，包括两段式凸轮轴以及权利要求1或2所述的两段式液压挺柱；

所述两段式凸轮轴上的高、低凸轮与两段式液压挺柱的外、内挺柱直接接触配合；通过控制两段式液压挺柱的供油及卸油来实现两段式的相位切换。

4.根据权利要求3所述的两段式可变气门升程机构，其特征在于，还包括油路系统，所述油路系统包括分别与移动销锁止油道和移动销解锁油道连接的两条油管，其中一条油管依次通过三位四通电磁阀及油泵连接至油箱，另一条油管通过所述三位四通电磁阀连接至油箱，通过所述三位四通电磁阀换向可实现油路换向。

5.一种权利要求3或4所述的两段式可变气门升程机构的控制方法，其特征在于，当发动机高转速时，移动销解锁油道卸油，移动销锁止油道供油，外挺柱和内挺柱锁止联动，高凸轮起主要控制作用；当发动机低转速时，移动销解锁油道供油，移动销锁止油道卸油，外挺柱和内挺柱解锁分离，低凸轮起主要控制作用。

6.根据权利要求5所述的两段式可变气门升程机构的控制方法，其特征在于，所述控制方法还同时基于供油液油温和供油液油压进行协同控制。

7.根据权利要求6所述的两段式可变气门升程机构的控制方法，其特征在于，当发动机转速符合切换要求，且供油液油温为40-60℃时，控制供油液油压大于1.6bar进行切换。

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