CN1285461A - 柔性时间截面流体控制装置 - Google Patents

Abstract

柔性时间截面流体控制装置能实现节流柔性控制。本发明主要由:节流阀(阀门)、流体通道、节流控制阀、传动及控制组件等组成。节流阀与节流控制阀间的相对运动,可柔性控制节流过程中的:开/闭的有效相位、时间、有效升程及涡流强度。具有控制方便,损失少;应用于内燃机进、排气系统、燃料供给系统的泵或阀中,可改善冷启动、动态性能;使部分负荷工况及额定工况均具有优良的经济、动力性能、低排放指标,且便于实现EGR控制。

Description

柔性时间截面流体控制装置

本发明适用于流体节流控制领域，主要涉及柔性时间截面流体控制装置(本发明中所指的时间截面定义为：Ω=∫fdt，f为流体通道截面积，dt为时间微分元)，特别是气门式内燃机的进、排气系统中进、排气阀，燃料供给系统中的泵和阀，以及其它阀门式流体节流控制装置。对发动机的气门有效相位、工作时间、有效升程及流体进入汽缸的涡流强度进行柔性控制，能使发动机在不同的工况下获得最优性能指标。

目前，内燃机的气门控制机构中大多采用固定的气门定时、相位和升程，相应的凸轮型线参数的确定通常采用折中设计方案。它代表了某些特定的有限的工况点上的优化方案，而大多数发动机均必须在速度与负荷宽广的范围内工作，因而其不可能兼顾全域工况的综合性能指标，导致存在内燃机的经济、动力性能较差，冷启动受温度影响大、废气排放严重污染环境、加速过程燃烧不良等诸多问题。在众多的试验研究工作中除了优化进、排通道及换气机构的几何参数、采用4气门技术、合理布置气门位置，优化燃烧室结构等外，通过可变气门相位、可变工作时间和可变升程来实现是一条重要途径。

在中外专利文献中，有许多对相位、工作时间及升程其中之一或全部加以改变的例子。与传统气门定时相比较，可变气门定时(VVT)机构明显改善发动机的动力性能以及燃油经济性具有巨大潜力，经济性能改善16％左右，功率提高20％左右。内燃机工作者已提出并实施了许多方案，旨在优化流动过程，改善流体动态特性，但限于制造成本、运行可靠性、机构的复杂性、系统的适用范围等诸多因素，目前只有少数功能简单的系统应用于内燃机产品中。

美国汽车工程师学会(SAE)第970251号(1997年)论文中，德国Berg M等人设计了“△控制--机械全柔性气门控制机构”，其通过在气门顶部附加一个三角形凸轮及牵引杆或挺柱机构和锁紧凸轮等，实现对气门升程、开启时间和相位角连续调整。试验中取得了令人满意的效果，同时，低速下噪声明显降低。但机构及其控制较复杂：其三角形凸轮及其驱动控制机构的通用性较差，对确定几何参数的机构其控制模式不可能进行动态调整；且由于附加机构受力大且复杂，导致增设零部件磨损严重；驱动耗功大；明显影响该机构调节效果的因素较多，它包括：凸轮轴座和机油温度以及发动机转速对斜滑阀的调节作用的影响等负面因素。

迈克尔．B．赖利发明的中国专利号94193867．0，“内燃机所用可变阀门的升程装置”，以改变摇臂和指状从动件的枢轴位置来实现。枢轴及摇臂或指状从动件均有与该枢轴匹配的齿牙枢轴滚动跨过一根固定齿条以改变阀门升程与凸轮升程的比率。调整间隙对于枢轴的所有位置均可是恒定的，或可随枢轴的位置而改变。由枢轴支承导板与一个固定的齿条刻划的枢轴运动轨迹，可为一环形或接近此环形的弧形。改变调节间隙与枢轴位置之间的关系产生出受控的相位变化及工作时间变化。该装置附加零部件较多，机构复杂等，存在以下缺陷：由于依赖变动摇臂某个支承点的方式实现位移的缩小或放大，因而为克服气门弹簧力摇臂的受力的大小将随支承点的运动而变化，从而导致齿条的磨损不均匀，尤其是在气门最大升程时磨损最为严重；由于摇臂传动比的变化引起阀门间隙随之变化；对于确定的摇臂和驱动凸轮，其摇臂传动比及阀门升程比率受限于零件的几何参数，从而限制其调节作用范围；由于附加零部件受力大、运动阻力大、传动环节多等而影响其动态响应特性。

Hara．S．的美国专利US5452694，“配气相位改变装置”；Haas M.的德国专利DE4404145，“配气相位改变装置”及Spath MJ．的美国专利US5431133，“气门升程改变装置”等的共同特点是在凸轮轴上为驱动每个气门配置了两组或三组凸轮，分别对应于发动机高、中、低速时的配气要求，在实践中可满足部分要求，取得了良好的效果。但由于调节作用是分段式进行的，因而其适应性受到限制，不可能在全域工况范围内达到最佳、且需要增设相应的机构用于完成从一个凸轮到另一个凸轮的过渡机构及由于运动环节增加而导致间隙变化而增设的间隙补偿器，同时由于输入量的不连续而影响性能输出指标。

可变气门控制机构的另一种实现方式是通过液压系统来寻找最佳气门控制策略，在此方法中，凸轮顶杆使密封的液压油或经过一个固定的小孔、或经过一个受控小孔而流出。对被动式结构方式而言，其结果是阀门在发动机低速时打开得不大或时间不长，而在高速时流出的液体又不足以使阀门的运动不同于常规系统。积极的控制方式可使升程和工作时间得到精确控制，其结果是由于单是阀门运动就足可控制进气过程，常规节流将被废弃。此系统在美国汽车工程师学会(SAE)第930820号论文(Urata与其他人等)中描述过。该系统的缺陷包括：阀门开启工作可靠性较差，由于油液随温度而粘度变化导致机械运转变动，系统复杂。尽管安装了该系统的发动机显示出低速时转矩明显改进，安装在汽车上燃料节省7％。然而机械系统对于一系列要求的优势是显而易见的。

以上列举的专利及文献所涉及的可变气门定时机构的共同之处是：气门的升程是绝对变化值(即是气门实际运动位移)；引起最大升程变化的力仍然直接作用在气门杆顶部，受力大、易磨损；由于增加的运动副在调节过程中将引起气门间隙随之变化，从而影响发动机性能；需要增设间隙补偿器；机构复杂、成本高。

本发明的目的在于：降低低速、部分负荷的燃料消耗；降低低速、部分负荷排气污染；改善内燃机的冷启动性能；提高功率、扭矩；降低怠速；使内燃机在不同转速下获得最佳扭矩特性；在全域转速和负荷范围内具有优良的性能指标。

本发明的目的是这样实现的：在常规的发动机进、排气门(节流阀)及气门座圈处增设了节流控制阀，同时增设了相应的辅助及控制机构。节流控制阀与进、排气门及气门座圈有一公共轴线(注：本文中的“公共轴线”等同于“轴线”)；进、排气门沿公共轴线上下(注：本文中定义：朝关闭阀门方向的运动为“上”；朝开启阀门方向的运动为“下”)运动(也可作旋转运动)，节流控制阀也可沿公共轴线上下或同时作旋转运动；进、排气门与节流控制阀之间存在各自独立的相对运动，由于其相对位置的特殊性，使之形成了在全域内可控的柔性时间截面(对于气门式内燃机而言： $\mathrm{\Ω}=\∫\mathrm{fdt}=\frac{1}{6n}\∫\mathrm{fd\φ},$ f为流体通道截面积；n为发动机转速；dt为时间微分元；dφ为曲轴转角微分元)，即可获得进、排气有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度在其整个运动范围内连续可变，大大地改善进气品质，从而明显改善发动机性能指标。

与现有技术比较本发明具有以下优点：

1)节流控制方便，节流损失少；

2)开启及关闭相位可柔性调整；

3)升程可连续调整；

4)开启及关闭时间可柔性调整；

5)流体涡流强度可柔性调整；

6)便于实施软件实时控制。

本发明是通过独立的相对运动方式改变气门相位、工作时间、升程及流体涡流强度。气门及其驱动机构运动仍保持原方式，增设了节流控制阀和相应的辅助机构，其工作原理完全不同于现行的可变气门定时机构的原理，对于气门式内燃机，可在全域工况内实施柔性控制换气(或流体运动)过程，可满足重要的操作要求包括：

1)设计方案可应用于传统挺杆方式、顶置凸轮轴式及其它方式驱

动阀门式内燃机；

2)设计方案可应用于每一汽缸单个进气阀和/或排气阀，或每一

汽缸多个进气阀和/或排气阀；

3)机械结构简单，增加零件数少，无需增大发动机的外形尺寸；

4)硬件及软件控制过程是在发动机运转过程中动态实现的，且可

实施全域控制；

5)独立的相对运动方式柔性地改变气门有效相位、工作时间和有

效升程及流体涡流强度，能实施硬件编程控制，同时可最大限

度地发挥软件控制的优越性，使发动机的工作模式更具多样

性、可选择性、驱动消耗功率小；

6)冷启动性能可得到明显改善，可实现顺序启动，启动耗功降低；

7)加速性能进一步提高；

8)排放指标得到改善，便于EGR(废气再循环)控制；

9)部分负荷工况及额定工况均具有优良的经济性能；

10)可取消现行发动机的蝶阀式节气(板)门，功率、扭矩得到进

一步提高；

11)发动机怠速低，稳定性好；

12)本发明适合用于用不同方式使活阀动作的时间截面及流体涡流

强度柔性改变的其它设计方案中。

以下以气门式内燃机进、排气换气控制为例设计附图；

图1是现行普遍采用的内燃机进、排气门处结构简图；

图2是本发明的内燃机进、排气门处关闭时结构简图；

图3是本发明的内燃机冷启动过程中进、排气门处结构简图；

图4是本发明的内燃机运行过程中进、排气门处结构简图；

图5是本发明的节流控制阀(或执行元件)及变型结构简图；

图6是本发明的气门有效升程随曲轴转角变化曲线及控制区域图。

以下结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1所示，是现行普遍采用的内燃机进、排气门处结构简图，主要由：气门凸轮驱动机构1，气门锁夹2，气门弹簧座3，气门弹簧6，弹簧垫14，气门导管8，汽缸盖10，气门11，流体通道12，气门座13等组成。来自气门凸轮驱动机构1的力作用在气门11顶部，压缩气门弹簧6，开启气门11，由于压差的存在，气体被强制在汽缸盖10内的流体通道12中运动，完成进气或排气过程；当气门凸轮驱动机构1力逐渐减少、撤除后，气门11在气门弹簧6力的作用下关闭气门11。由于气门凸轮驱动机构1及其它机构的几何参数已经确定，因而气门11开启和关闭的定时、相位和升程均已固定，其设计代表了某些特定工况点上兼顾综合指标的折中方案。

图2所示，是本发明的内燃机进、排气门处关闭时结构简图，主要由：气门凸轮驱动机构1，气门锁夹2，气门弹簧座3，节流控制阀弹簧4，控制阀构件5，气门弹簧6，传动及控制组件7，气门导管8，节流控制阀9，汽缸盖10，气门11，流体通道12，气门座13等组成。气门导管8、节流控制阀9、气门11、气门座13等安装在同一轴线(即公共轴线)上；节流控制阀9受节流控制阀弹簧4力的作用可沿轴线在气门导管8内作上下运动，也可在控制阀构件5力的作用下沿轴线作旋转运动；气门11可在节流控制阀9内上下及旋转运动，这样，节流控制阀9、气门11相对于气门导管8和气门座13内壁存在独立的相对运动，其相对运动构成有效柔性时间截面；节流控制阀9下部的环形筒17与气门11的裙部及气门座13内壁配合良好；气门凸轮驱动机构1的力直接作用在气门11顶部；传动及控制组件7通过控制阀构件5可限制节流控制阀9的运动位置(包括上下运动及旋转运动位置，节流控制阀9上下运动可控制气门11开启的有效升程等；节流控制阀9旋转运动可控制流体通道12在气门11处的截面积或控制气体进入汽缸时的涡流强度)，其手动或自动实现方式可以是：机械方式、液压或气动控制方式、电力电磁控制方式；在附图中以液压控制方式为例。

图3所示，是本发明的内燃机冷启动过程中进、排气门处结构简图，气门凸轮驱动机构1的力直接作用在气门11顶部，通过气门锁夹2和气门弹簧座3，压缩气门弹簧6，气门11沿轴线向下运动；节流控制阀弹簧4的力通过控制阀构件5作用在节流控制阀9上，节流控制阀9可随气门11沿公共轴线向下运动或旋转运动，节流控制阀9的位置由传动及控制组件7控制，节流控制阀9下部的环形筒17上设计有节流通道15，其位置和截面积经优化得出；由于汽缸内与外界存在气压差，气体被强制在汽缸盖10内的流体通道12中运动，经由节流通道15进入汽缸内，完成启动时的进气过程；当气门凸轮驱动机构1力逐渐减少、撤除后，气门11在气门弹簧6力的作用下逐渐关闭气门11；关闭过程中节流控制阀9的环形筒17底部在气门11的裙部向上运动力的作用下，压缩节流控制阀弹簧4，复位到原起始位置。在启动过程中，排气门11处的节流控制阀9的运动位置尽可能地增大排气阻力，以便在着火前的循环中将一定量的未然混合气留在汽缸内，改善下一个循环的着火环境，直至顺利启动。

对于多气缸发动机，在一定数量的节流控制阀9环形筒17上设有节流通道15，而其余节流控制阀9上不设有节流通道15；这样，没有节流通道15的节流控制阀9的汽缸在启动过程中进气量极少，而只有设有节流通道15的节流控制阀9的汽缸才能发火，这样，由于压缩耗功减少，从而启动更容易，并可实现硬件编程或软件控制顺序发火。

如果本发明在仅用于改善冷启动问题时，则可用手动方式低成本地实现它。在启动过程中时，将节流控制阀9设定在适当位置，达到最佳节流效果，能使内燃机顺利启动，启动完毕后，将节流控制阀9设定在不起作用状态，此时相当无此装置存在。

图4所示，是本发明的内燃机运行过程中进、排气门处结构简图，传动及控制组件7根据发动机的状态参数(包括转速、负荷、温度及环境参数等)手动或自动控制节流控制阀9的位置，包括：上下运动及旋转运动位置，节流控制阀9上下运动，可控制气门11开启的有效相位、工作时间及有效升程；节流控制阀9旋转运动可控制流体通道12在气门11处的截面积或控制气体进入汽缸时的涡流强度。当在额定负荷及超负荷运行时，节流控制阀9不起节流作用，即不沿公共轴线上下运动，但可沿公共轴线作旋转运动，用来控制进入汽缸的气流涡流强度，以改善发动机性能；当低于额定负荷下运行时，节流控制阀9可沿轴线上下运动，以控制气门11开启的有效时间截面，相应减少进气量。负荷大则有效时间截面大，反之则小；节流控制阀9沿轴线的旋转运动，同样可控制进入汽缸的气流涡流强度；对于发动机在动态负荷运行时，可分级手动控制节流控制阀9的运动位置；或应用软件控制节流控制阀9的运动位置，自动寻求最优工作状态，具有极大灵活性，实现多模式运行(启动模式、经济模式、低排放模式、超负荷模式等)。对于多进气门、多排气门发动机，在同一汽缸内，可根据不同进气涡流强度及进气量的需要来编程控制各个节流控制阀9的状态。

多气缸发动机中，在一定数量的节流控制阀9环形筒17上设有节流通道15，而其余节流控制阀9上不设节流通道15；这样，没有节流通道15的节流控制阀9的汽缸在启动过程中进气量极少，而只有设有节流通道15的节流控制阀9的汽缸才能发火，这样，由于压缩耗功减少，可实现在低负荷运行时，关闭一定数量的工作汽缸。该方案对于采用电子燃油喷射的多缸发动机效果尤为明显。

节流控制阀9的应用可取消化油器式发动机、电子燃油喷射发动机或其它燃料发动机的进气管内的节流板(蝶形阀)，在同等条件下大大提高了各进气门处的压力，从而改善了进气品质，提高功率、经济、动力等性能，同时获得发动机怠速低，稳定性好等指标。该方案对于增压发动机效果尤为显著。

应用于排气阀中，节流控制阀9在排气过程中的位置直接影响排气阻力，通过控制残余在汽缸内的废气量，利用废气改善排气品质，实现缸内直接EGR控制；在冷启动过程中，控制节流控制阀9与气门11的有效截面积，使一定量的未燃混合气强制留在缸内，以便提高下一循环的压缩温度，使启动顺利。

图5所示，是本发明的节流控制阀(或执行元件)及变型结构简图，图5(a)、图5(b)、图5(c)是节流控制阀9的几种变形。节流控制阀9可沿公共轴线上下运动，以控制气门11开启的有效时间截面；节流控制阀9沿公共轴线的旋转运动，以控制进入汽缸的气流涡流强度。

图5(a)所示，节流控制阀9的上部成圆柱套16状，顶部与控制阀构件5配合，外圈与气门导管8配合，内孔与气门11配合；下部环形筒17上设计有节流通道15，节流控制阀9上部的圆柱套16与下部环形筒17通过叶片形筋18连接。环形筒17与叶片形筋18构成流体通道19，叶片形筋18的弧线部分与气门11的裙部弧线部分吻合；环形筒17的外部与气门座13内孔配合。

图5(b)所示，节流控制阀9的上部成圆柱套16状，并设有长槽20，用来与传动及控制组件7连接，外圈与气门导管8配合，内孔与气门11配合；下部成圆筒21状，圆筒21的壁面上部设计有通口22，通口22与气道相连，圆筒21的壁面下部设计有节流通道15，圆筒21的底部与气门11的裙部底部吻合；圆筒21的外部与气门座13内孔配合。

图5(c)所示，节流控制阀9的上部成圆柱套16状，并设有长槽20，用来与传动及控制组件7连接，外圈与气门导管8配合，内孔与气门11配合，下部环形筒17上不设节流通道15，节流控制阀9上部的圆柱套16与下部环形筒17通过单叶片形筋18连接，环形筒17与叶片形筋18构成流体通道19，叶片形筋18的弧线部分与气门11的裙部弧线部分不吻合；环形筒17的外部与气门座13内孔配合。

图6所示，是本发明的气门有效升程随曲轴转角变化曲线及可控区域图，有效相位控制范围为：φ∈(0，θ)，θ为气门开闭角；时间控制范围：t∈(0，θ/6n)；有效升程控制范围：△H∈(0，H_max)，H_max为气门11最大实际升程。

图6(a)所示，是气门有效升程△H等于气门11实际升程H₁时的变化曲线及可控区域图，此时节流控制阀9升程H₂为0，可控区域也为0，发动机运行在额定或超负荷状态。此时节流控制阀9对有效相位，工作时间及有效升程不起控制作用，但可通过旋转节流控制阀9运动控制进气涡流强度。

图6(b)所示，是气门有效升程△H为0时的变化曲线及可控区域图，此时节流控制阀9升程H₂等于气门11的实际升程H₁，整个区间为可控区域，发动机运行在低负荷或冷启动状态。此时节流控制阀9对有效相位，工作时间及有效升程起控制作用，并可通过旋转节流控制阀9运动控制进气涡流强度。

图6(c)所示，是气门有效升程△H=气门11实际升程H₁-节流控制阀9升程H₂时的变化曲线及可控区域图，此时△H大于0，节流控制阀升程H₂受传动及控制组件7控制，可控区域不为0，发动机运行在中低负荷状态。此时节流控制阀9对有效相位，工作时间及有效升程起控制作用，并可通过旋转节流控制阀9运动控制进气涡流强度。

Claims (10)

1．用于流体节流控制的柔性时间截面流体控制装置，能柔性(连续)改变流体通道的截面积和阀门(阀门包括：气门和其它流体阀)开启及关闭的有效相位、工作时间、有效升程和流体运动的涡流强度。主要由：阀门驱动机构、节流控制阀驱动及控制机构，导向管(套)、阀门、节流控制阀、流体通道体、流体通道、阀门座等组成，通过阀门与节流控制阀间的相对运动来控制流体通道的截面积和阀门开启及关闭的有效相位、工作时间、有效升程和流体运动的涡流强度；

2．如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的节流控制阀、阀门均安装在导向管(套)、阀门座、流体通道体及其流体通道内；节流控制阀的一部分或全部成环形筒(套)状，节流控制阀与导向管(套)、阀门、阀门座配合；

3．如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：节流控制阀与阀门、导向管(套)、阀门座、流体通道同轴线(公共轴线)；节流控制阀和阀门可沿公共轴线上下运动和转动，彼此之间存在相对运动；

4．如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀由一个形状似环形筒(套)的构件制成；

5．如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀由两个或以上的不同尺寸的环形筒(套)通过叶片(筋)同轴相连，或制成一体，环形筒(套)内沿轴线方向设有一片以上的叶片(筋)；环形筒(套)的小尺寸端的内径与阀门杆部配合，外径与导向管(套)内孔配合；大尺寸端的外径与阀门座内孔配合，底部与阀门的伞状裙体接触(配合)；

6．如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀由两个或以上的不同尺寸的环形筒(套)通过端面园盘同轴相连，或制成一体；环形筒(套)的小尺寸端的内径与阀门杆部配合，外径与导向管(套)内孔配合；大尺寸端的外径与阀门座内孔配合，底部与阀门的伞状裙体接触(配合)；

7．如权利要求2、4、5和6所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀的环形筒(套)的壁面下部设有一个或以上的孔或开口；

8．如权利要求2、4、5和6所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀的环形筒(套)的壁面下部不设孔或开口，环形筒(套)底部与阀门的伞状裙体(配合)接触时可起密闭作用；

9．如权利要求2、4和6所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀的环形筒(套)的壁面上设有通口，作为与流体通道体内的流体通道的连接通道口，当节流控制阀旋转时，该通道口与流体通道的连通截面积将是变化的；

10．如权利要求1、2和3所述的装置，其特征在于：所述阀门与节流控制阀的运动受阀门驱动机构、节流控制阀驱动及控制机构控制；其运动是周期性的，工作频率范围为0至无穷大。

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