CN113153476B - 汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法 - Google Patents

汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构及其控制方法，其包括进气凸轮轴I、进气凸轮轴II、排气凸轮轴、发动机曲轴正时带轮、行星轮系、蜗轮蜗杆机构以及步进电机；其中，所述进气凸轮轴I上安装有正时带轮I；所述排气凸轮轴上安装有正时带轮II；所述正时带轮I、正时带轮II和发动机曲轴正时带轮通过正时齿带连接并传动；所述进气凸轮轴I、进气凸轮轴II之间通过所述行星轮系连接并传动；所述蜗轮蜗杆机构安装于行星轮系的一侧，其包括一蜗轮以及一和蜗轮相啮合的蜗杆；所述蜗轮连接并驱动行星轮系；所述步进电机连接并驱动蜗杆。本发明具有更大的延迟关闭进气相位调整范围，并采用便于控制的电动调节方式。

Description

汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法
【技术领域】
本发明涉及一种汽油发动机的组成机构，具体涉及一种汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构及其控制方法，属于汽车驱动系统技术领域。
【背景技术】
目前，车用高速汽油发动机配气机构一般采用双进气门、双排气门、双凸轮轴机构，进气门和排气门分别由各自对应的凸轮轴驱动进行打开和关闭，以完成发动机正常工作所需的气缸进气和排气要求。
为了提高发动机高速运转所需的进气充分和排气干净的要求，提高发动机的功率，主流发动机的配气机构一般都配有相应的进、排气相位调整机构，如VVT机构、本田VTEC机构、宝马 VANOS技术等，常用的方法是随着发动机转速的提高加大进气门提前开启角或气门升程以减少进气阻力、加大排气门提前开启角以减少排气阻力。随着新能源汽车技术和产业的发展，特别是混动车辆对内燃机的热效率提出了更高的要求，如丰田混动车采用阿特金森技术进一步提高发动机热效率等。
但是，以上技术都存在相应的技术缺陷：如由于进气凸轮本体机械形状的限制，气门机构在加大气门提前开启角度的同时，必然会减小气门延迟关闭的角度，气门保持开启的曲轴转角保持不变，而进气门开启总时间必然会随着转速的提高而减小，进气效率提高有限。而采用延迟关闭气门方式的丰田阿特金森技术同样由于气门开启的曲轴转角不变，虽然实现了气缸可变压缩比，但是由于进气门开启时间延迟过大，进气量不够导致输出功率大幅下降。且以上技术主要是采用电液控制方式实现，对制造精度要求较高，同时液压控制方式的能源效率较差，影响发动机整体的燃油效率。
因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构及其控制方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构，其具有更大的延迟关闭进气相位调整范围，并采用便于控制的电动调节方式。
本发明的另一目的在于提供一种汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法。
为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构，其包括进气凸轮轴I、进气凸轮轴II、排气凸轮轴、发动机曲轴正时带轮、行星轮系、蜗轮蜗杆机构以及步进电机；其中，所述进气凸轮轴I上安装有正时带轮I；所述排气凸轮轴上安装有正时带轮II；所述正时带轮I、正时带轮II和发动机曲轴正时带轮通过正时齿带连接并传动；所述进气凸轮轴I、进气凸轮轴II之间通过所述行星轮系连接并传动；所述蜗轮蜗杆机构安装于行星轮系的一侧，其包括一蜗轮以及一和蜗轮相啮合的蜗杆；所述蜗轮连接并驱动行星轮系；所述步进电机连接并驱动蜗杆。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构进一步设置为：所述行星轮系包括行星轮、太阳轮以及行星架；所述行星轮的外侧设置外齿圈；所述进气凸轮轴I的一端安装有一圆柱齿轮；所述圆柱齿轮和外齿圈相啮合；所述太阳轮和蜗轮刚性连接；所述行星架刚性连接并驱动进气凸轮轴II。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构进一步设置为：所述进气凸轮轴I、进气凸轮轴II、排气凸轮轴三者呈相互平行设置。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构进一步设置为：所述进气凸轮轴I通过气门摇臂驱动每个气缸的一个进气门推杆；所述进气凸轮轴II通过气门摇臂驱动每个气缸的另一个进气门推杆；所述排气凸轮轴通过气门摇臂驱动每个气缸的两个排气门推杆。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构进一步设置为：所述进气凸轮轴I、进气凸轮轴II、排气凸轮轴均设置有凸轮，所述凸轮抵接于气门摇臂上。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构进一步设置为：所述进气凸轮轴I的正时带轮I与发动机曲轴正时带轮的传动比为2:1。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构进一步设置为：在所述涡轮蜗杆机构自锁时，由所述圆柱齿轮和行星轮系组成的进气凸轮轴I与进气凸轮轴II之间的传动系的总传动比设置为-1。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构还设置为：所述蜗轮蜗杆机构为具有自锁功能的蜗轮蜗杆机构。
为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其包括如下控制方法：
1)发动机怠速运行时，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至最大值，并予以实时调节以控制发动机怠速稳定；
2)小油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至较大值，适当加大气缸有效压缩冲程的长度，以提高发动机功率输出；
3)中油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至中间适当值，进一步加大气缸有效压缩冲程的长度，进一步加大发动机功率输出；
4)大油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至较小值，进一步加大气缸有效压缩冲程的长度，进一步加大发动机功率输出；
4)最大(满)油门时，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至最小值，使其与另一个进气门相同，气缸两个进气门同步打开进气及关闭，有效进气和压缩冲程均达到最大值，以保证发动机最大功率输出。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)具有阿特金森循环的优点：其由于采用两个进气门独立控制，本发明可以在保证发动机一个进气门提前开启角度不变的情况下，根据油门大小控制指令，调节另一个进气门关闭延迟角，从而可以控制实际参与压缩冲程的进气量，实现对发动机功率的控制，同时由于实际压缩冲程短，做功冲程长，有利于提高发动机的热效率，达到与阿特金森循环异曲同工的效果。
(2)具有对发动机实际进气量的控制作用，采用本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构，则发动机油门控制系统可以取消节气门部件。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构可以在不影响一个进气门提前开启角度的情况下，大范围调节另一个进气门延迟关闭角，使得参与工作的气缸有效进气量及有效压缩冲程得到大范围调节，可以达到与节气门相同的对进气量控制作用。发动机控制系统可以省去节气门装置，有利于降低成本和控制复杂度。
(3)更低的发动机怠速转速和更高的有效功率输出
由于本发明无需节气门控制，从而使得发动机进气通道的进气阻力降低，真空度减低，减小了气缸进气冲程的下行阻力和功耗，理论上发动机具有更好的运行平稳性和更高的有效功率输出。
【附图说明】
图1是本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的原理图。
图2是本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的剖面图。
图3是图2中沿A向的示意图。
图4是图2中B-B的示意图。
图5是图2中C-C的示意图。
图6是本发明在不同油门时，进气门相位变化趋势图。
图7是本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制原理图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图1至附图7所示，本发明为一种汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构，其由进气凸轮轴I1、进气凸轮轴II2、排气凸轮轴3、发动机曲轴正时带轮4、行星轮系5、蜗轮蜗杆机构6以及步进电机7等几部分组成。
其中，所述进气凸轮轴I1上安装有正时带轮I11；所述排气凸轮轴3上安装有正时带轮II31。所述正时带轮I11、正时带轮II31 和发动机曲轴正时带轮4通过正时齿带8连接并传动。所述进气凸轮轴I1的正时带轮I11、排气凸轮轴3的正时带轮II31与发动机曲轴正时带轮4的传动比为2:1。所述正时齿带8上抵接有一张紧轮81，以对正时齿带8进行张紧。当然，所述正时带轮I11、正时带轮II31和发动机曲轴正时带轮4之间也可以采用链传动。
所述进气凸轮轴I1、进气凸轮轴II2之间通过所述行星轮系5 连接并传动。且所述进气凸轮轴I1、进气凸轮轴II2、排气凸轮轴 3三者呈相互平行设置。
所述蜗轮蜗杆机构6安装于行星轮系5的一侧，其为具有自锁功能的蜗轮蜗杆机构6。所述蜗轮蜗杆机构6包括一蜗轮61以及一和蜗轮61相啮合的蜗杆62；所述蜗轮61连接并驱动行星轮系5；所述步进电机7连接并驱动蜗杆62，并联动蜗轮61，蜗轮 61再驱动行星轮系5。
进一步的，所述行星轮系5由行星轮51、太阳轮52以及行星架53等几部分组成。其中，所述行星轮51的外侧设置外齿圈54；所述进气凸轮轴I1的一端安装有一圆柱齿轮12；所述圆柱齿轮 12和外齿圈51相啮合而实现传动。所述太阳轮52和蜗轮61刚性连接，在不进行配气相位调节时，太阳轮52为锁止状态。所述行星架53刚性连接并驱动进气凸轮轴II2。在所述涡轮蜗杆机构自锁时，由所述圆柱齿轮12和行星轮系5组成的进气凸轮轴I1与进气凸轮轴II2之间的传动系的总传动比设置为-1。
所述进气凸轮轴I1通过气门摇臂9驱动每个气缸91(每个气缸91有两个进气门、两个排气门)的一个进气门推杆92；所述进气凸轮轴II2通过气门摇臂9驱动每个气缸91的另一个进气门推杆92。所述排气凸轮轴3通过气门摇臂9驱动每个气缸91的两个排气门推杆93。具体的说，所述进气凸轮轴I1、进气凸轮轴II2、排气凸轮轴3均设置有凸轮21，所述凸轮21抵接于气门摇臂9 上，并驱动气门摇臂9。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构进一步设置一防护罩9；所述防护罩9遮蔽于正时齿带8外，以保护防护罩9内的各个部件。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的工作原理如下：每个气缸91的两个进气门92分别由进气凸轮轴I1、进气凸轮轴II2驱动，这就使得两个进气门92可以进行不同的配气相位控制。
在发动机小油门时，加大由进气凸轮轴II2驱动的进气门延迟关闭角，使得实际参与压缩的气体量及有效压缩行程减少，发动机输出功率减小；随着发动机油门加大时，逐步减小进气凸轮轴 II2驱动的进气门延迟关闭角β，使得实际参与压缩的气体量及有效压缩行程加大，发动机输出功率逐步加大；当发动机油门达到最大时，进气凸轮2驱动的进气门延迟关闭角达到最小，与由进进气凸轮轴I1驱动的进气门延迟角相等，相当于两个进气门进气控制相位相同，这时气缸实际进气量和有效压缩行程达到最大，发动机输出功率达到最大。
不同油门时，进气门的相位变化趋势图如附图6所示。图中内圈阴影所示圆弧角度为进气凸轮轴I1驱动的气门开启的曲轴相位X，也是当大油门工况时，进气凸轮轴II2驱动的气门开启的曲轴相位X。中间虚线所示圆弧角度为某中间油门时，进气凸轮轴II2驱动的气门开启的曲轴相位Y；外圈阴影所示圆弧角度为某小油门工况下，进气凸轮轴II2驱动的气门开启的曲轴相位Z。
由图可见，发动机油门变化时，通过改变由进气凸轮轴II2驱动的气门进气相位，使得由两个进气门共同进气的工作气缸在进气阶段的气门开启总角度大小发生变化。小油门工况时，两个进气门开启总进气冲程曲轴转角加大(＞＞180°)，使得气缸有效压缩冲程(两个进气门全关闭状态)曲轴转角减小，发动机有效压缩比减小，而做功冲程曲轴转角基本不变，能有效提高发动机热效率(模拟阿特金森循环)。
综上所述，本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法如下：
1)发动机怠速运行时，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机7将由进气凸轮轴II2控制的气门92延迟关闭相位调至最大值，并予以实时调节以控制发动机怠速稳定；
2)小油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机 7将由进气凸轮轴II12控制的气门92延迟关闭相位调至较大值，适当加大气缸压缩冲程的长度，以提高发动机功率输出；
3)中油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机 7将由进气凸轮轴II12控制的气门92延迟关闭相位调至中间适当值，进一步加大气缸压缩冲程的长度，进一步加大发动机功率输出；
4)大油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机 7将由进气凸轮轴II12控制的气门92延迟关闭相位调至较小值，进一步加大气缸压缩冲程的长度，进一步加大发动机功率输出；
5)最大(满)油门时，驱动步进电机7将由进气凸轮轴II12 控制的气门92延迟关闭相位调至最小值，使其与另一个进气门92 相同，气缸两个进气门92同步打开进气及关闭，有效进气和压缩冲程均达到最大值，以保证发动机最大功率输出。
采用本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构后，气缸91实际有效进气量由进气凸轮轴II2通过实时控制相应进气门延迟关闭的相位大小进行调节，因此，可以取消节气门对发动机进气量进行控制，大大减小了小油门工况下进气管高真空度，使得小油门工况下活塞进气冲程消耗能量大大减小，发动机低油门工况运转更加平稳，动力输出加大，发动机热效率得到较大提高。
本发明的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的设计原理如下：
1)正时带轮传动系传动比与齿数设计
在无需配气相位调节时，进气凸轮轴I1与进气凸轮轴II2(行星架转速nH)传动比计算及参与传动齿轮的齿数设计方法如下。
设圆柱齿轮12齿数Z1，外齿圈54的外齿数为Z2，太阳轮52 齿数Z3，行星轮51齿数Z4，行星架53转速nH，圆柱齿轮1转速 n1，外齿圈54转速n2，太阳轮52的转速n3＝0；有：
Figure BDA0003039401920000101
行星架53与外齿圈54的传动比为：
Figure BDA0003039401920000111
进气凸轮轴I1与外齿圈54的传动比为：
i2.1＝-z1/z2
进气凸轮轴I1与进气凸轮轴II2的传动比为：
i总＝iH2.i2.1
因为内燃机进气冲程的要求，在不进行配气相位调整时，进气凸轮轴1与进气凸轮轴2之间的理论传动比应该严格为：
|i总|＝1
所有只要取：圆柱齿轮1的齿数为：Z1＝Z4+Z3，外齿圈2的齿数为：Z2＝Z4+0.5Z3。或根据安装位置需要取以上两数除以可以被整除的公约数后，得到的合适齿数。
可见，只要将太阳轮52齿数Z3取为偶数，则相关参与传动齿轮的齿数设计取值不存在问题。
为了更好的说明参数设计及选择方法，示例如下：
示例1：如设，太阳轮52齿数Z3＝20，行星轮51参数Z4＝18，则由圆柱齿轮12和外齿圈54的齿数可取：Z1＝38，Z2＝18+10＝28，或Z1＝19，Z2＝14。
示例2：如设，太阳轮52齿数Z3＝20，行星轮51参数Z4＝16，则由圆柱齿轮12和外齿圈54的齿数可取：Z1＝36，Z2＝16+10＝26，或Z1＝18，Z2＝13。
2)蜗杆62与进气凸轮轴II2相位(转角)的传动比i涡.H太阳轮52与行星架53的传动比为(外齿轮静止)：
iH.3＝2(z3+z4)/z3
设涡轮蜗杆传动比为：i涡
有i涡.H＝i涡iH.3。
3)相位调整方法
设需要调整进气凸轮轴II2相位提前角为θ°，则按照设计传动比，有步进电机的转角指令值为：
δ电机＝i涡Hθ°。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (8)

1.汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：所述汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构包括进气凸轮轴I、进气凸轮轴II、排气凸轮轴、发动机曲轴正时带轮、行星轮系、蜗轮蜗杆机构以及步进电机；其中，所述进气凸轮轴I上安装有正时带轮I；所述排气凸轮轴上安装有正时带轮II；所述正时带轮I、正时带轮II和发动机曲轴正时带轮通过正时齿带连接并传动；所述进气凸轮轴I、进气凸轮轴II之间通过所述行星轮系连接并传动；所述蜗轮蜗杆机构安装于行星轮系的一侧，其包括一蜗轮以及一和蜗轮相啮合的蜗杆；所述蜗轮连接并驱动行星轮系；所述步进电机连接并驱动蜗杆；
其控制方法如下：
1)发动机怠速运行时，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至最大值，并予以实时调节以控制发动机怠速稳定；
2)小油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至较大值，适当加大气缸有效压缩冲程的长度，以提高发动机功率输出；
3)中油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至中间适当值，进一步加大气缸有效压缩冲程的长度，进一步加大发动机功率输出；
4)大油门工况，控制系统根据油门踏板信号，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至较小值，进一步加大气缸有效压缩冲程的长度，进一步加大发动机功率输出；
5)最大油门时，即满油门时，驱动步进电机将由进气凸轮轴II控制的气门延迟关闭相位调至最小值，使其与另一个进气门相同，气缸两个进气门同步打开进气及关闭，有效进气和压缩冲程均达到最大值，以保证发动机最大功率输出。
2.如权利要求1所述的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：所述行星轮系包括行星轮、太阳轮以及行星架；所述行星轮的外侧设置外齿圈；所述进气凸轮轴I的一端安装有一圆柱齿轮；所述圆柱齿轮和外齿圈相啮合；所述太阳轮和蜗轮刚性连接；所述行星架刚性连接并驱动进气凸轮轴II。
3.如权利要求1所述的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：所述进气凸轮轴I、进气凸轮轴II、排气凸轮轴三者呈相互平行设置。
4.如权利要求1所述的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：所述进气凸轮轴I通过气门摇臂驱动每个气缸的一个进气门推杆；所述进气凸轮轴II通过气门摇臂驱动每个气缸的另一个进气门推杆；所述排气凸轮轴通过气门摇臂驱动每个气缸的两个排气门推杆。
5.如权利要求4所述的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：所述进气凸轮轴I、进气凸轮轴II、排气凸轮轴均设置有凸轮，所述凸轮抵接于气门摇臂上。
6.如权利要求1所述的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：所述进气凸轮轴I的正时带轮I与发动机曲轴正时带轮的传动比为2:1。
7.如权利要求2所述的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：在所述蜗轮蜗杆机构自锁时，由所述圆柱齿轮和行星轮系组成的进气凸轮轴I与进气凸轮轴II之间的传动系的总传动比设置为-1。
8.如权利要求1所述的汽油机双进气大可变配气相位电动调整机构的控制方法，其特征在于：所述蜗轮蜗杆机构为具有自锁功能的蜗轮蜗杆机构。
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