CN115263483B - 凸轮、凸轮轴及发动机 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种凸轮、凸轮轴及发动机，属于发动机技术领域。该凸轮包括基圆和凸轮桃，凸轮桃具有包括依次间隔排布的气门开启点、第一正时点、第二正时点和气门关闭点，第一正时点对应气门逐渐开启至气门开启间隙为1mm的工况，第二正时点对应气门逐渐关闭至气门开启间隙为1mm的工况；第一正时点和第二正时点之间的包角为180°～190°，第二正时点对应的曲轴转角为500°～530°，气门最大升程不小于9.5mm。本公开能够降低泵气损失、提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放、避免发动机产生爆震的问题。
Description
技术领域
本公开属于发动机技术领域，特别涉及一种凸轮、凸轮轴及发动机。
背景技术
凸轮轴是发动机中的重要部件，其用于控制气门的开启和关闭。
在相关技术中，凸轮轴主要包括轴体和多个凸轮，凸轮包括基圆和凸轮桃，基圆与轴体同轴相连，使得多个凸轮间隔排布在轴体上。凸轮轴在旋转的过程中，凸轮桃拨动挺柱，挺柱推动推杆，从而控制气门的开启和关闭。
凸轮的型线设计对于气门的开启和关闭非常重要，在相关技术中，对于凸轮的型线设计要求较为宽松，设计出来的凸轮在配置于发动机后，使得发动机的压缩比和膨胀比基本相同，能够做到很高的升功率，而且在各转速下发动机都能提供较好的动力输出。然而，发动机的压缩比和膨胀比基本相同，会导致发动机的泵气损失大、燃油效率差、氮氧化合物的排放容易超标，并且，发动机还容易产生爆震的问题。
发明内容
本公开实施例提供了一种凸轮、凸轮轴及发动机，能够降低泵气损失、提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放、避免发动机产生爆震的问题。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种凸轮，包括基圆和凸轮桃，所述凸轮桃具有包括依次间隔排布的气门开启点、第一正时点、第二正时点和气门关闭点，所述第一正时点对应气门逐渐开启至气门开启间隙为1mm的工况，所述第二正时点对应气门逐渐关闭至气门开启间隙为1mm的工况；
所述第一正时点和所述第二正时点之间的包角为180°～190°，所述第二正时点对应的曲轴转角为500°～530°，气门最大升程不小于9.5mm。
在本公开的一种实现方式中，所述第一正时点和所述第二正时点之间的包角为185°。
在本公开的另一种实现方式中，所述第二正时点对应的曲轴转角为510°。
在本公开的又一种实现方式中，所述气门最大升程为9.5mm。
在本公开的又一种实现方式中，所述凸轮的气门开启侧的型线和气门关闭侧的型线的丰满系数为0.55。
在本公开的又一种实现方式中，所述基圆的半径为17mm～17.5mm，所述凸轮的最大升程为5mm～6mm。
在本公开的又一种实现方式中，所述凸轮桃具有开启缓冲段和关闭缓冲段；
所述开启缓冲段的起点为所述气门开启点，所述开启缓冲段的升程为0.05mm～0.09mm；
所述关闭缓冲段的终点为所述气门关闭点，所述关闭缓冲段的升程为0.15mm～0.2mm。
在本公开的又一种实现方式中，所述基圆与所述凸轮桃为一体式结构件；
所述基圆的圆心与所述凸轮桃的径向中心重合于凸轮中心，所述凸轮桃与所述基圆相交的两个端点分别为所述气门开启点和所述气门关闭点。
本公开实施例提供了一种凸轮轴，包括轴体和多个前文所述的凸轮；
所述凸轮的基圆与所述轴体同轴相连，所述凸轮沿所述轴体的轴向间隔排布。
本公开实施例提供了一种发动机，包括前文所述的凸轮轴。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本公开实施例提供的凸轮能够应用于发动机，随着凸轮的转动，凸轮桃上的气门开启点、第一正时点、第二正时点和气门关闭点将依次与挺柱相抵，从而驱动气门处于不同的工况。在气门开启点与挺柱相抵时，气门准备开启，随着凸轮转动，气门逐渐开启，在第一正时点与挺柱相抵时，气门的开启间隙为1mm，随着凸轮转动，气门逐渐开启至最大开启间隙，之后转而逐渐关闭，在第二正时点与挺柱相抵时，气门的开启间隙为1mm，随着凸轮转动，气门进一步地逐渐关闭，在气门关闭点与挺柱相抵时，气门完全关闭，随着凸轮转动，气门开启点再次与挺柱相抵，气门再次准备开启，以此往复。
由于所述第一正时点和所述第二正时点之间的包角为180°～190°，气门最大升程不小于9.5mm，所以使得第一正时点和所述第二正时点之间的包角减小，气门最大升程提高，发动机的膨胀比大于压缩比，能够降低泵气损失、提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放。并且，由于所述第二正时点对应的曲轴转角为500°～530°，所以使得进气门关闭角提前，能够适当对发动机的汽缸内混合物起到降温作用，有效避免爆震的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例提供的凸轮的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的气门升程曲线图；
图3是本公开实施例提供的凸轮轴的结构示意图。
图中各符号表示含义如下：
10、基圆；
20、凸轮桃；
210、气门开启点；220、第一正时点；230、第二正时点；240、气门关闭点；
100、轴体；200、凸轮。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
凸轮轴是发动机中的重要部件，其用于控制气门的开启和关闭。
在相关技术中，凸轮轴主要包括轴体和多个凸轮，凸轮包括基圆和凸轮桃，基圆与轴体同轴相连，使得多个凸轮间隔排布在轴体上。凸轮轴在旋转的过程中，凸轮桃拨动挺柱，挺柱推动推杆，从而控制气门的开启和关闭。
凸轮的型线设计对于气门的开启和关闭非常重要，在相关技术中，对于凸轮的型线设计要求较为宽松，设计出来的凸轮在配置于发动机后，使得发动机的压缩比和膨胀比基本相同，能够做到很高的升功率，而且在各转速下发动机都能提供较好的动力输出。然而，发动机的压缩比和膨胀比基本相同，会导致发动机的泵气损失大、燃油效率差、氮氧化合物的排放容易超标，并且，发动机还容易产生爆震的问题。
为了解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种凸轮，图1为该凸轮的结构示意图，参见图1，在本实施例中，该凸轮包括基圆10和凸轮桃20，其特征在于，凸轮桃20具有包括依次间隔排布的气门开启点210、第一正时点220、第二正时点230和气门关闭点240，第一正时点220对应气门逐渐开启至气门开启间隙为1mm的工况，第二正时点230对应气门逐渐关闭至气门开启间隙为1mm的工况。
第一正时点220和第二正时点230之间的包角为180°～190°，第二正时点230对应的曲轴转角为500°～530°，气门最大升程不小于9.5mm。
本公开实施例提供的凸轮能够应用于发动机，随着凸轮的转动，凸轮桃20上的气门开启点210、第一正时点220、第二正时点230和气门关闭点240将依次与挺柱相抵，从而驱动气门处于不同的工况。在气门开启点210与挺柱相抵时，气门准备开启，随着凸轮转动，气门逐渐开启，在第一正时点220与挺柱相抵时，气门的开启间隙为1mm，随着凸轮转动，气门逐渐开启至最大开启间隙，之后转而逐渐关闭，在第二正时点230与挺柱相抵时，气门的开启间隙为1mm，随着凸轮转动，气门进一步地逐渐关闭，在气门关闭点240与挺柱相抵时，气门完全关闭，随着凸轮转动，气门开启点210再次与挺柱相抵，气门再次准备开启，以此往复。
由于第一正时点220和第二正时点230之间的包角为180°～190°，气门最大升程不小于9.5mm，所以使得第一正时点220和第二正时点230之间的包角减小，气门最大升程提高，发动机的膨胀比大于压缩比，能够降低泵气损失、提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放。并且，由于第二正时点230对应的曲轴转角为500°～530°，所以使得进气门关闭角提前，能够适当对发动机的汽缸内混合物起到降温作用，有效避免爆震的问题。
除此之外，由于设计第一正时点220和第二正时点230之间的包角、第二正时点230对应的曲轴转角、气门最大升程，仅涉及到凸轮的型线设计，不需要改变配气机构的任何结构，所以设计优化成本很低。
需要说明的是，作为本公开实施例中的比较基础，相关技术中，第一正时点220和第二正时点230之间的包角为250°，第二正时点230对应的曲轴转角为570°，气门最大升程为8mm。由此可见，本公开实施例中的第一正时点220和第二正时点230之间的包角较大，第二正时点230对应的曲轴转角较小，最大升程较大，能够降低泵气损失、提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放、避免发动机产生爆震的问题。
事实上，将第一正时点220和第二正时点230之间的包角设计较大，第二正时点230对应的曲轴转角设计较小，最大升程设计较大，除了能够具有上述有益效果之外，还可能会出现凸轮桃20的桃尖部位过尖，导致从动件(挺柱、顶杆等)失调问题。而经过多次实验可以证明，本公开实施例所提供的凸轮的型线设计，第一正时点220和第二正时点230之间的包角为180°～190°，第二正时点230对应的曲轴转角为500°～530°，气门最大升程不小于9.5mm不会出现上述问题。
第一正时点220和第二正时点230之间的包角、第二正时点230对应的曲轴转角、气门最大升程，是保证发动机的膨胀比大于压缩比的三个关键参数，下面分别对这三个参数进行说明。
在本实施例中，第一正时点220和第二正时点230之间的包角为185°。
在上述实现方式中，将第一正时点220和第二正时点230之间的包角设计为185°，能够在保证不出现从动件失调问题的前提下，尽可能将第一正时点220和第二正时点230之间的包角设计较大，从而降低泵气损失、提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放。
当然，在本实施例中，第一正时点220和第二正时点230之间的包角也能够是180°～190°范围内的其他数值，例如183°、184°、186°、187°等，本公开对此不作限制。
在本实施例中，气门最大升程为9.5mm。
在上述实现方式中，将气门最大升程设计的不小于9.5mm，能够在保证不出现从动件失调问题的前提下，尽可能将最大升程设计较大，从而降低泵气损失、提高燃油效率、降低氮氧化合物的排放。
当然，在本实施例中，气门最大升程也能够是不小于9.5mm范围内的其他数值，例如9.6mm、9.7mm等，本公开对此不作限制。
在本实施例中，第二正时点230对应的曲轴转角为510°。
在上述实现方式中，将第二正时点230对应的曲轴转角为510°，能够在保证不出现从动件失调问题的前提下，使得进气门关闭角提前，能够适当对发动机的汽缸内混合物起到降温作用，有效避免爆震的问题。
在本实施例中，凸轮的气门开启侧的型线和气门关闭侧的型线的丰满系数为0.55。
在上述实现方式中，气门开启侧的型线，指的是在气门开启过程中，凸轮与挺柱相抵的部分的型线，气门关闭侧的型线，指的是在气门关闭过程中，凸轮与挺柱相抵的部分的型线。
对于凸轮的丰满系数而言，理论上气门的升程曲线最好是矩形，即从开启时刻就达到最大升程，然后一直保持最大升程，到关闭时马上关闭，气门走一条矩形的轨迹，实际上气门开启关闭是要有一个缓冲渐变的过程的，类似于抛物线的形状，抛物线的面积除以矩形的面积就是丰满系数。丰满系数越大说明越接近矩形，充气效率越高。因此，在本实施例中，将凸轮的气门开启侧的型线和气门关闭侧的型线的丰满系数为0.55，能够有效的提高充气效率。
下面结合图1，继续对凸轮的结构进行介绍。
在本实施例中，基圆10与凸轮桃20为一体式结构件，基圆10的圆心与凸轮桃20的径向中心重合于凸轮中心，凸轮桃20与基圆10相交的两个端点分别为气门开启点210和气门关闭点240。
在上述实现方式中，将基圆10与凸轮桃20为一体式结构件，既能够保证凸轮的结构完整性，从而提高结构强度，又能够降低凸轮的制造难度，从而提高制造效率。而将基圆10的圆心与凸轮桃20的径向中心重合于凸轮中心，且将凸轮桃20与基圆10相交的两个端点分别为设计为气门开启点210和气门关闭点240，能够使得凸轮在转动的过程中，更好的去控制凸轮的转动角度和气门的开启间隙之间的关系，从而更好的设计凸轮的型线。
示例性地，基圆10的半径为17mm～17.5mm，凸轮的最大升程为5mm～6mm。
在上述实现方式中，通过确定设计基圆10的半径和凸轮的最大升程，能够有利于设计凸轮的型线，从而便于针对第一正时点220和第二正时点230之间的包角、第二正时点230对应的曲轴转角、气门最大升程设计试验，以确定较为优选的数值。
在本实施例中，凸轮桃20具有开启缓冲段和关闭缓冲段。
开启缓冲段的起点为气门开启点210，开启缓冲段的升程为0.05mm～0.09mm。
在上述实现方式中，开启缓冲段指的是气门刚刚开启时，凸轮与挺柱相抵的部分的型线，在这一段工况中，气门缓慢的逐渐开启。将开启缓冲段的升程为0.05mm～0.09mm，能够有效的提高发动机的充气效率。
关闭缓冲段的终点为气门关闭点240，关闭缓冲段的升程为0.15mm～0.2mm。
在上述实现方式中，关闭缓冲段指的是气门即将关闭时，凸轮与挺柱相抵的部分的型线，在这一段工况中，气门缓慢的逐渐关闭。将关闭缓冲段的升程为0.15mm～0.2mm，能够有效的提高发动机的充气效率。
基于前文的凸轮的各项参数，进行了模拟试验，得到了如下表格：
表1
在表1中，气门升程的最大值为9.5mm，当凸轮转角为165°时，凸轮与挺柱相抵的点为第一正时点220，当凸轮转角为258°时，凸轮与挺柱相抵的点为第二正时点230，二者之间的凸轮转角相差93°，也即凸轮旋转186°，挺柱的接触点由第一正时点220移动至第二正时点230。基于此，得到图2所示的气门升程曲线图，在图2中，纵坐标为气门升程，横坐标为曲轴转角，曲轴转角为对应的凸轮转角的两倍。
这样的型线设计参数定义，能够实现气门在短时间内获得最多的进气量，在传统凸轮型线设计基础上提升了充气效率，使得发动机的膨胀比大于压缩比，从而获得更多的动力，增大燃烧效率。并且，不同于相关技术中型线的进气门关闭角，此型线进气门关闭角设计提前，降低泵气损失，改善油耗，适当对汽缸内混合物起到降温作用，降低氮化物含量同时改善内燃机爆震。
本公开实施例提供了一种凸轮轴，图3为该凸轮轴的结构示意图，参见图3，该凸轮轴包括轴体100和图1所示的凸轮200。凸轮200的基圆10与轴体100同轴相连，凸轮200沿轴体100的轴向间隔排布。
由于该凸轮轴包括图1所示的凸轮200，所以该凸轮轴具备图1所示的凸轮200的全部有益效果，在此不再赘述。
本公开实施例提供了一种发动机，该发动机包括图3所示的凸轮轴。
由于该发动机包括图3所示的凸轮轴，所以该发动机具备图3所示的凸轮轴的全部有益效果，在此不再赘述。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种凸轮，包括基圆(10)和凸轮桃(20)，其特征在于，所述凸轮桃(20)具有包括依次间隔排布的气门开启点(210)、第一正时点(220)、第二正时点(230)和气门关闭点(240)，所述第一正时点(220)对应气门逐渐开启至气门开启间隙为1mm的工况，所述第二正时点(230)对应气门逐渐关闭至气门开启间隙为1mm的工况；
所述第一正时点(220)和所述第二正时点(230)之间的包角为186°，所述第一正时点(220)对应的凸轮转角为165°，所述第二正时点(230)对应的凸轮转角为258°，所述第二正时点(230)对应的曲轴转角为516°，所述凸轮的凸轮转角为212°时气门为最大升程，气门最大升程为9.5mm。
2.根据权利要求1所述的凸轮，其特征在于，所述凸轮的气门开启侧的型线和气门关闭侧的型线的丰满系数为0.55。
3.根据权利要求1所述的凸轮，其特征在于，所述基圆(10)的半径为17mm～17.5mm，所述凸轮的最大升程为5mm～6mm。
4.根据权利要求1所述的凸轮，其特征在于，所述凸轮桃(20)具有开启缓冲段和关闭缓冲段；
所述开启缓冲段的起点为所述气门开启点(210)，所述开启缓冲段的升程为0.05mm～0.09mm；
所述关闭缓冲段的终点为所述气门关闭点(240)，所述关闭缓冲段的升程为0.15mm～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的凸轮，其特征在于，所述基圆(10)与所述凸轮桃(20)为一体式结构件；
所述基圆(10)的圆心与所述凸轮桃(20)的径向中心重合于凸轮中心，所述凸轮桃(20)与所述基圆(10)相交的两个端点分别为所述气门开启点(210)和所述气门关闭点(240)。
6.一种凸轮轴，其特征在于，包括轴体(100)和多个权利要求1-5任一项所述的凸轮(200)；
所述凸轮(200)的基圆(10)与所述轴体(100)同轴相连，所述凸轮(200)沿所述轴体(100)的轴向间隔排布。
7.一种发动机，其特征在于，包括权利要求6所述的凸轮轴。
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