CN113550805A - 一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，包括电磁摆动执行器、摆杆、转动轴组件、气门连接件。通过该电磁驱动配气机构可将电磁摆动执行器的往复摆动转变为气门的直线运动，每个气门都由一套独立的系统进行驱动。该机构可通过控制摆动执行器来调整摆杆的摆动角度，进而调节气门的升程；可通过控制摆动执行器来调整摆杆的摆动角速度，进而调节气门开启或关闭的过渡时间。本发明具有体积小、响应时间短、气门升程可控等优点，可根据实际工况调整气门升程与气门正时，从而达到发动机低油耗、小体积、高输出动力的效果。

Description

一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构

技术领域

本发明属于汽车无凸轮发动机配气机构领域，具体涉及一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构。

背景技术

如今，随着世界各国的排放法规日益严格，石油等能源面临枯竭，人们对于提高汽车燃油经济性与保护环境的要求越来越强烈，传统的凸轮轴发动机气门驱动机构已经无法满足节能减排的需求。与传统的凸轮驱动配气机构相比，电磁驱动配气机构能够根据发动机的实际工况，实时调整气门的开启、关闭时刻以及气门升程，有效的提高发动机的动力性、经济性以及大大的降低有害气体排放等。

凸轮驱动配气机构技术成熟、结构简单、工作可靠、应用范围广。但是凸轮轴一旦安装就被固定，尽管有添加的各种机械和液压的外加装置，但是驱动气门全可变技术依然受到机械凸轮的限制，无法满足节能减排的需求。

电磁驱动配气机构取消了传统的凸轮驱动配气机构中的凸轮轴和从动件，通过电磁式的驱动方式实现气门机构的自主电控。如今已有的电磁驱动配气机构控制灵活、气门启闭迅速，但结构尺寸过大且电能损耗较大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，替代现有凸轮驱动配气机构，摆脱传统发动机凸轮轴的限制，使得每个气门都能被独立驱动，从而实现气门的全可变驱动。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，包括电磁摆动执行器、摆杆、转动轴组件、气门连接件。其中，摆动执行器作为控制气门的动力源，用于提供动力；摆杆作为执行机构，通过转动轴摆动运动传递到气门连接件上；气门连接件用于连接摆杆与气门，同时将摆杆的摆动运动转换为气门的直线运动，实现控制气门开闭的目的。

进一步地，摆杆的横截面为方形，一端与摆动执行器固连，另一端转动连接一个圆柱形凸起，圆柱形凸起垂直于摆杆的侧壁，上述侧壁为沿摆杆中心轴线延伸的侧壁，圆柱形凸起与气门连接件滑动连接；转动轴组件一端与摆杆连接，且转动轴组件与摆杆中心轴线垂直，使得摆杆沿气门运动方向所在的平面运动。

进一步地，摆动执行器包括外壳、动子线圈盒、定子轭和两块扇形永磁体，动子线圈盒、定子轭和两块扇形永磁体均设置于外壳内，动子线圈盒侧壁与摆杆固连的一端无盖板，两块扇形永磁体分别与外壳的前壁面和后壁面贴合；定子轭为扇形，位于外壳中心，且平行等间隔设置于两块扇形永磁体之间，动子线圈盒为长方体，沿竖直中心轴线方向开有长通孔，动子线圈盒设有矩形线圈绕组，定子轭贯穿动子线圈盒中心的长通孔，定子轭与长通孔之间留有间隙，两者不接触；两块扇形永磁体与动子线圈盒之间也留有间隙，相互不接触，动子线圈盒的侧壁与摆杆固连，保证摆杆摆动时，两者无相对滑动。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）采用电磁驱动配气机构，使每个气门都能独立的被电磁摆动执行器控制，可根据发动机的实际工况对气门正时与气门升程实现自由控制，实现气门的全可变运动，降低功耗，提高燃油经济性。

（2）在本发明的电磁驱动配气机构中采用电磁摆动执行器驱动气门，能够提高响应速度，提高系统的利用率，减小体积，通过在摆杆上连接位置传感器或编码器得到气门的精确位置。

附图说明

图1为本发明的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构的主视图。

图2为本发明的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构的摆动执行器的内部结构示意图。

图3为本发明的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构的示意图，其中右侧为气门连接件的局部剖视放大图。

图4为本发明的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构的俯视图。

图5为本发明的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构的工作过程简化示意图，其中（a）为气门开启时该机构的简化示意图，图（b）为气门处于中间位置时该机构的简化示意图，图（c）为气门关闭时该机构的简化示意图。

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，本发明所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，取代了传统的凸轮驱动配气机构，彻底摆脱了凸轮外廓曲线的限制，使每个气门都能被电磁摆动执行器独立控制，实现气门的可变正时与可变升程。

所述的应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，包括电磁摆动执行器1、摆杆2、转动轴组件3、气门连接件4，摆动执行器1作为控制气门5开启与关闭的动力源，用于提供动力；摆杆2作为执行机构，通过转动轴组件3将摆动运动传递给气门连接件4，气门连接件4作为传动机构，将摆杆2的摆动运动转变为气门5的直线运动，每个气门连接件4连接一个气门5，用于控制气门的开闭。

所述摆动执行器1包括外壳、动子线圈盒1-2、定子轭1-3和两个扇形永磁体1-1。动子线圈盒1-2、定子轭1-3和两块扇形永磁体1-1均设置于外壳内，动子线圈盒1-2侧壁与摆杆2固连的一端无盖板。两个扇形永磁体1-1分别与摆动执行器1外壳的前壁面与后壁面贴合，定子轭1-3位于摆动执行器1内部正中心，且平行等间隔设置于两块扇形永磁体1-1之间，定子轭1-3两端分别与摆动执行器1外壳的内壁固连。动子线圈盒1-2为长方体，且沿竖直中心轴线方向开有矩形通孔，动子线圈盒1-2设有矩形线圈绕组，定子轭1-3贯穿于动子线圈盒1-2中心的矩形通孔且与之保持均匀的间隙，使得两者不接触，扇形永磁体1-1与动子线圈盒1-2也存在间隙，使得两者不接触。两个扇形永磁体1-1产生磁场，通过对动子线圈盒1-2中的矩形绕组通电，在磁场的作用下动子线圈盒1-2受到安培力的作用从而开始运动，通过控制通电电流的大小与方向来控制动子线圈盒1-2的运动加速度与方向，从而控制气门5的开闭时长与升程。

进一步地，沿半径方向，定子轭1-3的长度小于扇形永磁体1-1的长度。

结合图3，所述气门连接件4包括摆杆接头12、气门接头13、气门卡环8、两片气门卡片7，摆杆接头12的底部与气门接头13固连，摆杆接头12沿其中心轴方向自前侧壁向后侧壁开有一个长条形通孔，气门接头13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而下依次为第一阶孔和第二阶孔，两个阶孔均为圆柱形孔，第一阶孔直径小于第二阶孔，第二阶孔内壁为螺纹，气门5伸入第一阶孔，两者间隙配合，第二阶孔内设有气门卡环8、气门卡片7，通过气门卡环8和气门卡片7固连气门连接件4与气门5。气门卡片7内壁顶端有一半圆形凸起，与气门杆顶端的凹槽夹紧装配，气门卡片7外壁为圆锥形结构；气门卡环8外壁为圆柱形，且带有螺纹，与第二阶孔内壁螺纹连接，气门卡环8内壁为圆锥形结构，与气门夹片7的外壁圆锥形结构精准匹配。所述长条形通孔的中心轴线方向垂直于气门5的运动方向，摆杆2端部的圆柱形凸起置于摆杆接头12的长条形通孔中，通孔中安装有一个与通孔形状相同的衬套6，长条形衬套6的厚度h等于摆杆接头12中长条形通孔内两个半圆的半径R4减去摆杆2端部圆柱形凸起的半径R2，保证摆杆2右端与摆杆接头12的长条形通孔不产生平行于气门运动方向的相对运动，摆杆接头12的通孔方向垂直于气门5的运动方向。

转动轴组件3包括深沟球轴承10和转动轴11，转动轴11一端与摆杆2的杆身固连，当摆杆2摆动时两者无相对滑动，另一端与深沟球轴承10的内圈固连，深沟球轴承10的外圈与发动机箱体固连。

转动轴组件3与气门连接件4将由摆动执行器1驱动的摆杆2的摆动运动转变为气门5的直线运动，摆杆2端部的圆柱形凸起置于气门连接件4中摆杆接头12的长条形通孔内的长条形衬套6中，此时摆杆2与气门连接件4无需其它的连接件，当气门5和摆杆2的轴向位置固定后，气门连接件4与摆杆2的位置也就固定了。

当摆杆2绕转动轴11摆动，其右端带动气门连接件4上下移动，从而实现气门5的开启或关闭，为保证摆杆2右端圆柱形凸起在摆杆接头12的长条形通孔中有足够的位置垂直于气门5的运动方向运动，气门5的最大位移为X，从转动轴11到摆杆2右端的长度为L2，则需保证摆杆接头12的长条形通孔长度。

由于摆杆接头12与气门接头13固连，气门接头13与气门卡环8固连，当气门上升时，气门接头13给气门卡环8提供一个垂直向上的力，由于气门卡环8内壁与气门卡片7外壁的圆锥形配合结构，使得气门卡环8提供给气门卡片7垂直向上的力，由于气门卡片7内壁的凸起与气门杆顶端的凹槽形成相对牢固的夹紧型配合，使得气门卡片7提供给气门5垂直向上的力，从而保证气门连接件4能够带动气门5快速运动。

结合图4，本发明所述的摆杆2的端部与摆动执行器1内的动子线圈盒1-2固连，保证摆杆2摆动时，两者无相对滑动，转动轴11的伸出端与摆杆2的杆身过渡配合，在转动轴11上套入两片垫片9，垫片9位于摆杆2的上、下两侧，在垫片9的四个角处分别采用螺栓连接，从而将摆杆2与转动轴11固连，保证摆杆2与转动轴3之间无相对滑动与相对转动。所述转动轴11的底端与轴承10的内圈过盈配合，轴承10选用深沟球轴承，轴承10外圈与轴承座固连，轴承座与发动机箱体固连，保证在气门运行时，轴承10外圈固定不动。

结合图5，本发明所述的应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，气门5开启时，该机构的工作过程简化示意图如图5a所示，摆杆2绕转动轴11顺时针摆动，通过摆杆2端部的圆柱形凸起带动气门连接件4及气门5向下运动，此时摆杆2端部的圆柱形凸起在气门连接件4的长条形衬套6内产生垂直于气门5运动方向的相对滑动，实现气门5的开启；气门关闭时，该机构的工作过程简化示意图如图5c所示，摆杆2绕转动轴11逆时针摆动，实现气门5的关闭。由于摆杆2可连接高精度的位置传感器或编码器，因此可通过控制摆动执行器1来驱动控制摆杆2的摆动角度与摆动角速度，就可以实现气门5开启与关闭的最大升程与时长等参数的精确控制。摆杆2的摆动角度θ与气门5的升程X的关系为：通过改变摆杆2摆动的角度即可改变气门5的升程。

以摆杆2垂直于气门5的运动方向的位置为气门5完全关闭的位置为例，当发动机处于进气行程时，首先ECU接收到进气门开启，排气门关闭的指令，接着给出该工况下气门5的升程曲线命令，控制驱动进气门的摆动执行器1内动子线圈盒1-2的通电电流大小与方向，从而控制摆动执行器1带动摆杆2绕旋转轴11顺时针摆动角度，再通过摆杆2端部的圆柱形凸起在摆杆接头12的衬套6内的相对滑动，将摆杆2的摆动转变为气门5及气门连接件4的直线运动，从而带动气门连接件4及气门5向下运动，实现进气门的开启，同时ECU控制驱动排气门的摆动执行器1带动摆杆2绕旋转轴11逆时针摆动相同角度，实现排气门的完全关闭。最后，空气和汽油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。

当发动机处于压缩行程时，首先ECU接收到进气门与排气门均关闭的指令，接着为驱动进气门的摆动执行器1内的动子线圈盒1-2通入大小相同，方向相反的电流，从而控制驱动进气门的摆动执行器1带动摆杆2绕旋转轴11逆时针摆动角度，实现进气门的关闭。同时，排气门5需要保持关闭状态，因此ECU控制驱动排气门的摆动执行器1存在一定的力矩，使摆杆2存在逆时针摆动的趋势，从而保证排气门与气门座紧密的接触。最后，通过活塞的移动，气缸容积减小，气缸内的混合气体不断被压缩，从而提高发动机的有效热效率与混合气体的燃烧速度，发动机压缩行程结束。

当发动机处于做功行程时，首先ECU接收到进气门与排气门保持关闭的指令，接着控制驱动进气门与排气门的摆动执行器1，使摆杆2在进、排气门关闭时所对应的位置保持不动，则进、排气门保持在关闭位置。当活塞位于压缩行程接近上止点位置时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内的气体压力和温度急剧上升，高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外做功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，发动机做功行程结束。

当发动机处于排气行程时，首先ECU接收到排气门开启，进气门依旧关闭的指令，接着给出该工况下气门5的升程曲线命令，控制驱动排气门的摆动执行器1带动摆杆2绕旋转轴11顺时针摆动，再通过摆杆2端部的圆柱形凸起在摆杆接头12的长条形衬套6内的相对滑动，将摆杆2的摆动转变为气门5及气门连接件4的直线运动，从而带动气门连接件4及气门5向下运动，实现排气门5的开启，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出，发动机排气行程结束。

四行程发动机按照进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程这四个行程的顺序不断循环往复运转的。在实际发动机进气过程中，进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭的，这是为了吸入更多的可燃混合气并减少进气过程中所消耗的功。在实际发动机排气过程中，排气门提前打开，延迟关闭，这是为了排出更多的废气。

另外，当控制气门5的落座速度时，可通过ECU控制摆动执行器1内动子线圈盒1-2通电电流的方向和大小，从而驱动控制摆杆2的角速度ω，摆杆2通过转动轴组件3驱动控制气门连接件4的移动速度，从而控制气门5的落座速度v。

本发明的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，摆脱了传统凸轮驱动配气机构的气门开闭时刻与升程不可变等的缺点，具有体积小、响应时间短、气门升程可控等优点，使每个气门5都能被独立的电磁摆动执行器驱动，从而实现气门的全可变驱动，达到发动机低油耗、小体积、高输出动力的目的。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，本发明针对无凸轮驱动配气机构，采用摆动执行器驱动摆杆，从而驱动气门运动，具有结构简单、体积小、效率高等优点，摆脱传统凸轮机构的结构约束，使每个气门都被独立的电磁执行器驱动，从而实现气门的可变正时与可变升程，达到发动机低油耗、小体积、高输出动力的目的。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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：替代了现有的凸轮轴气门驱动机构，使每一个进排气气门都能被独立的电磁摆动执行器驱动，从而实现气门的全可变驱动，包括：

摆动执行器（1），作为驱动气门（5）的动力源，提供驱动力；

转动轴组件（3），一端与摆杆（2）连接，另一端与发动机箱体连接，限制摆杆（2）沿气门（5）运动方向所在的平面运动；

摆杆（2），作为执行机构，将摆动执行器（1）提供的驱动力传递给气门连接件（4），从而驱动气门（5）的运动；

气门连接件（4），用于连接摆杆（2）与气门（5）。

2.根据权利要求1所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：摆杆（2）的横截面为方形，一端与摆动执行器（1）固连，另一端转动连接一个圆柱形凸起，圆柱形凸起垂直于摆杆（2）的侧壁，上述侧壁为沿摆杆（2）中心轴线延伸的侧壁，圆柱形凸起与气门连接件（4）滑动连接；转动轴组件（3）一端与摆杆（2）连接，且转动轴组件（3）与摆杆（2）中心轴线垂直，使得摆杆（2）沿气门（5）运动方向所在的平面运动。

3.根据权利要求2所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：摆动执行器（1）包括外壳、动子线圈盒（1-2）、定子轭（1-3）和两块扇形永磁体（1-1），动子线圈盒（1-2）、定子轭（1-3）和两块扇形永磁体（1-1）均设置于外壳内，动子线圈盒（1-2）侧壁与摆杆（2）固连的一端无盖板，两块扇形永磁体（1-1）分别与外壳的前壁面和后壁面贴合；定子轭（1-3）为扇形，位于外壳中心，且平行等间隔设置于两块扇形永磁体（1-1）之间，动子线圈盒（1-2）为长方体，沿竖直中心轴线方向开有长通孔，动子线圈盒（1-2）设有矩形线圈绕组，定子轭（1-3）贯穿动子线圈盒（1-2）中心的长通孔，定子轭（1-3）与长通孔之间留有间隙，两者不接触；两块扇形永磁体（1-1）与动子线圈盒（1-2）之间也留有间隙，相互不接触，动子线圈盒（1-2）的侧壁与摆杆（2）固连，保证摆杆（2）摆动时，两者无相对滑动。

4.根据权利要求3所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：沿半径方向，定子轭（1-3）的长度小于扇形永磁体（1-1）的长度。

5.根据权利要求3所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：转动轴组件（3）包括深沟球轴承（10）和转动轴（11），转动轴（11）一端与摆杆（2）的杆身固连，当摆杆（2）摆动时两者无相对滑动，另一端与深沟球轴承（10）的内圈固连，深沟球轴承（10）的外圈与发动机箱体固连。

6.根据权利要求5所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：气门连接件（4）包括摆杆接头（12）、气门接头（13）、气门卡环（8）、两片气门卡片（7），气门接头（13）固定在摆杆接头（12）底面；摆杆接头（12）沿其中心轴方向自前侧壁向后侧壁开有一个长条形通孔，摆杆（2）位于摆杆接头（12）的后方，且摆杆（2）上的圆柱形凸起伸入上述长条形通孔，沿长条形通孔滑动；自气门接头（13）底面中心向上开有二阶阶梯孔，所述二阶阶梯孔自上而下依次为第一阶孔和第二阶孔，第一阶孔直径小于第二阶孔直径，第二阶孔内壁为螺纹，气门（5）向上伸入第一阶孔，两者间隙配合，第二阶孔内设有气门卡环（8）、气门卡片（7），通过气门卡环（8）和气门卡片（7）固连气门连接件（4）与气门（5）。

7.根据权利要求6所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：所述长条形通孔的中心轴线方向垂直于气门（5）的运动方向，长条形通孔中设有衬套（6），衬套（6）保证摆杆（2）与气门连接件（4）的长条形通孔不产生平行于气门运动方向的相对运动。

8.根据权利要求7所述的一种应用于汽车发动机的电磁驱动配气机构，其特征在于：当摆杆（2）绕转动轴（11）摆动时，其端部带动气门连接件（4）上下移动，从而实现气门（5）的开启或关闭，为保证摆杆（2）的圆柱形凸起在气门连接件（4）的长条形通孔中有足够的位置垂直于气门（5）的运动方向运动，气门（5）的最大位移为X，从转动轴（11）中心到摆杆（2）的圆柱形凸起中心在同一投影面内的长度为L2，则需保证气门连接件（4）的长条形通孔长度。

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