CN1516779A - 可变阀动装置 - Google Patents

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Abstract

一种特别用于内燃机的可变阀动装置，其中凸轮轴的控制凸轮通过旋转连接杠杆对作用于阀门，以调节阀门行程。阀门行程能从最大升程连续变化到零升程，而阀门间隙保持不变。

Description

可变阀动装置
技术领域
本发明特别为内燃机提供一种可变阀动装置，在该装置中一凸轮轴的控制凸轮通过一对旋转连接杠杆作用于一阀门以调整阀门行程，阀门行程能够从最大值连续变化到0，而阀门间隙保持不变。
背景技术
在现有技术中描述了几种可变阀动装置，其目的都是调整阀门的动作，并尽可能连续地调整，如对阀门行程和阀门速度的连续调整，以使发动机的换气在特殊工作条件下达到最佳。一些最相关的专利是：US5899180，US5373818，US5205247，US5732669，US5056476，US6145485，US6032624，US4502426，US5937809，US6029618，US5996540，US5988125，US6055949，US6123053，US6019076，US5003939和US5365895。
现有技术中连续可变阀动装置的优点是已知的，其负面效果是额外的成本、较小的转速范围、需要更大弹性的弹簧、组装和维修复杂、高度超高、摩擦损失和噪音等。
为获得小的阀门行程，可考虑去掉节流阀，这会减少消耗，减轻污染，改善性能，特别是在部分载荷情况下，不会降低功率的输出。
在本发明中，需要的附加部件很少，在一些实现方式中，每个阀门只需两个附加部件，加上每排阀门的控制杆，其重量轻，特别是那些要快速运动的部件，尺寸小，所以发动机的高度低，不需要特别精确的结构。保证凸轮从动件与控制凸轮接触的回复力主要由阀门弹簧产生，所以不需要额外的回复力大的弹簧，产生的对气门顶杆或阀门摇臂的推力较小，特别是在长阀门行程和高转速的情况下，因为阀门行程可以从最大值变到0，摩擦也较小，因此前述系统中的节流阀是不必要的。
最接近的现有技术是Fischer的美国专利US5899180，其中伺服一排阀门的控制杆的旋转以连续方式改变了阀门速度和行程。在该专利中，摇臂的一端有一转辊，转辊围绕凸轮轴的控制凸轮转动。摇臂的另一端由一转轴旋转支撑。当该转轴沿一轨迹运动时，由于控制杆的旋转，使阀门的行程和速度连续变化。转辊沿着一段圆弧运动，当该圆弧相对于摇臂上的转辊的圆弧接触面改变位置时，阀门行程和阀门速度发生变化。当两个圆弧相互“垂直”时，阀门行程变长；当两圆弧“平行”时，导致阀门行程变小。所以通过旋转控制杆，可以控制一排阀门的行程和速度。
发明内容
在本发明中也有一控制杆，该控制杆固定在发动机上，围绕一个轴旋转。对于一排的每个阀门有两个杠杆，即阀门杠杆和控制杠杆，在一端旋转连接。控制杠杆的另一端旋转支撑于控制杆上，以绕可移动轴转动，就象美国专利US5899180中带转辊的摇臂一样。阀门杠杆的另一端旋转连接于阀门的摇臂或气门顶杆，也就是连接于阀门移位装置。凸轮从动件被凸轮轴的控制凸轮推动，迫使连接控制杠杆和阀门杠杆的旋转连接点沿圆弧摆动，圆弧的中心是控制杆上的可移动轴。连接阀门杠杆和阀门摇臂或气门顶杆的旋转连接点可沿一轨迹移动，如果是摇臂，则轨迹为圆弧，如果是气门顶杆，则轨迹为直线。根据两条轨迹的相对位置，一个旋转连接点连接控制杠杆和阀门杠杆，一个旋转连接点连接阀门杠杆和摇臂或气门顶杆，阀门行程从最大值连续变化到零。两条轨迹越平行，阀门行程就越长。
通过选取控制杠杆和阀门杠杆的有效长度，以及选取控制杆转轴的位置，就可得到不变的阀门间隙和从最大值到零连续调节的阀门行程。
为保证凸轮从动件与控制凸轮接触，特别是在短阀门行程和极短阀门行程情况下，可插入一个附加的弹簧元件来辅助这种接触。在长阀门行程情况下，必需的回复力是来自阀门弹簧，因此上述弹簧元件可以保持不动。
本发明描述的系统结合可变阀门调速系统，提供了一个完全可控的可变阀动装置系统。
附图说明
图1示出了所述可变阀动装置的一个实施例。
图2示出了图1所示装置的分解图。
图3示出了图1的各种部件的装配和互连关系。
图4从不同视角示出了图1所示装置的主要部件。
图5示出了图1所示装置用于长阀门行程调节的凸轮轴的两个角度。
图6示出了图1所示装置用于中等长度阀门行程调节的凸轮轴的两个角度。
图7示出了图1所示装置用于极短或零阀门行程调节的凸轮轴的两个角度。
图8示出了图1所示装置动作的瞬时过程；在上排是用于长阀门行程调节的装置；在中间排是用于中等长度阀门行程调节的装置；在下排是用于短阀门行程调节的装置；每排中显示的五个阶段对应于凸轮轴总旋程的180度，每个阶段45度。
图9示出了图8的剖面图。
图10示出了由普通控制杆控制的一排8个阀门。例如，它们可以是排成一条线的4个进气阀或排气阀、16个阀门、四缸通用发动机。从三个不同视角观察的控制杆或调节装置单独在左边示出；在从右边起的第三个装配件中，控制杆转动以提供长阀门行程；在从右边起的第二个装配件中，控制杆或调节装置转动以提供中等长度的阀门行程；在右边的装配件中，控制杆或调节装置转动用于零阀门行程。
图11从另一个视角示出了图10所示的内容。
为更好理解本发明，图12示出了去掉阀门和气门顶杆后的图10和图11的装配图，图中示出了阀门杠杆、控制杠杆、普通控制杆或者调节装置和凸轮轴。
图13示出了另一个实施例。其中凸轮从动件是一个转辊，旋转支撑于阀门杠杆或控制杠杆。对于零阀门行程，控制杠杆的旋转轴处于由点划线描述的轨迹上的一个位置。该图示出了凸轮轴的两个不同角度。
图14、15、16示出了图13所示装置在调节装置其它三种条件下的情况，图14中的阀门行程很短，图15中的阀门行程为中等长度，图16中的阀门行程较长。装置剩余的动作与图1所示装置的动作类似。
图17和图18从另一个视角示出了图13至图16所示的装置。
图19示出了本发明关于凸轮轴的两个角度的另一个实施例，在该实施例中，移位阀门装置是一个摇臂。在阀门杠杆的末端，阀门杠杆旋转连接于摇臂，旋转连接点是圆柱形的表面，阀门杠杆围绕在摇臂上形成的相应圆柱轴颈旋转。另一个与现有技术不同的是凸轮从动件安装在阀门杠杆上。当凸轮从动件被固定在阀门杠杆上时，其形状是一个平面，但也可以是其它的形状。虽然如此，阀门间隙仍保持不变，而不管控制杆处于何种状态下，并且阀门行程能够从最大值变化到零。
图20示出了调整图19所示装置以提供更短阀门行程的情况。
图21和图22示出了图19和图20所示装置相应的剖面图。
图23从其它视角示出了图19至图22所示的装置。
图24示出了本发明的另一个实施例，在该实施例中有附加的弹簧元件，用于在一个短阀门行程里为辅助凸轮从动件与控制凸轮的接触提供所需的回复力。所示的装置就是图5、6和7中为简洁去掉了控制杆、添加了弹簧元件的装置。弹簧元件包括一个位于固定在发动机外罩(未示出)上的盒体内的弹簧和一个杆，弹簧按直线推动杆。在长阀门行程中，弹簧和杆位于其最远位置，不工作。对于短阀门行程，杆与控制杠杆连接，提供必须的回复力以保证凸轮从动件与控制凸轮接触；对于短阀门行程，来自弹簧元件的回复力加在来自阀门弹簧的回复力中。只有在零阀门行程下，所有的回复力才由附加的弹簧元件产生。如果根本没有用到零阀门行程，或者如果短阀门行程只用于低转速，则附加弹簧元件是不必要的。
图25从另一个视角示出了图24所示的装置。
具体实施方式
参阅图1-12所示的装置，1是凸轮轴，2是安装在凸轮轴1上的控制凸轮，3是一个圆柱形的凸轮从动件，安装在控制杠杆8上。所述控制杠杆8的末端17旋转支撑于控制杆7上，并围绕控制杆7的轴9旋转。控制杆7旋转支撑于发动机的框架(未示出)上，围绕发动机轴10上的一个固定点旋转。控制杠杆8的另一端11旋转连接阀门杠杆6，连接控制杠杆8和阀门杠杆6的旋转连接点包括一个位于阀门杠杆6末端的球头面12，该球头面12插入控制杠杆8的球形空腔11中。阀门杠杆6的另一端旋转连接气门顶杆5，或阀门4的阀门移位装置5。连接阀门杠杆6和气门顶杆5的旋转连接点包括一个位于阀门杠杆6末端的球头面13，该球头面13插入气门顶杆相应的球形空腔18中。阀门4有相应的阀座14，用于阀门关闭时暂歇。选取的控制杠杆8的有效长度、阀门杠杆6的有效长度和轴10到轴9的距离实质上是相等的。当阀门4关闭时，选择控制轴7或调节装置7的位置，使得轴10实质上穿过连接控制杠杆8和阀门杠杆6的旋转连接点的中心。当凸轮轴1旋转时，推动凸轮从动件3移动。调节装置7的轴承16配合控制杠杆8的末端17，使控制杠杆8相对调节装置7的轴9正好有一个角度位移。通过两个旋转连接点，阀门杠杆在末端12被控制杠杆8推着从11到12，从13到18，并在末端13推动气门顶杆5仅沿直线运动，所以控制凸轮2的转动转换成控制杠杆8的角度摆动，然后通过阀门杠杆6转换成气门顶杆5和阀门4的直线摆动。为改变阀门行程，需满足控制轴7围绕轴10旋转。如果调节装置7的轴9被移置穿过连接阀门杠杆6和气门顶杆5的旋转连接点的中心，则阀门4的行程变为零。当本发明装置能同时达到上述要求时，就能获得实质上不变的阀门间隙和阀门行程连续地从最大值变到零。
阀门行程越长，惯性负载就越大。然而，在长阀门行程里，阀门杠杆6几乎与阀门杆保持平行，如图8上排显示，阀门杆为气门顶杆5提供较小的推力负荷。为保证凸轮从动件与控制凸轮接触，回复力可以由阀门弹簧产生。如果需要很短的或甚至零阀门行程，可以设置附加的弹簧以提供必要的保持凸轮从动件3与控制凸轮2接触的力，如图24和25所示。图中的弹簧能保持在中等和长阀门行程的动作中完全不工作。
在图3中，显示了将控制杠杆8装配到控制杆7或调整装置7上的方式。当控制杠杆8围绕控制杆的轴9旋转的旋转角度有限时，就不需要360度的轴承16和销17了。在图示方式中，对于一排的每个阀门，只要一个控制杠杆和一个阀门杠杆就足够了。对于整排阀门，只需要一个普通控制杆，球形旋转连接点也不是必需的，且也可以是圆柱形的等。
如果控制杠杆和阀门杠杆的有效长度，以及从轴9到轴10的距离都不等，而且装置工作依赖所选轴10的长度和位置时，阀门间隙可以不是不变的，可变阀门行程也可以不包括非常短的值。
气门顶杆5内显然可以有水压补偿组件。
图13至18所示装置的工作原理是类似的，凸轮从动件是一个转辊，安装在控制杠杆和阀门杠杆上。调节装置未示出，但轴9的轨迹如点划线所示。旋转连接点由销钉制成，一个用于气门顶杆5和阀门杠杆6之间的互连，一个用于阀门杠杆6和控制杠杆8之间的互连。
图19至23所示的装置是同一个装置，在该装置中，阀门移位装置5是一个摇臂。连接阀门杠杆6和摇臂5的旋转连接点包括一个位于阀门杠杆6末端的圆柱面，配合相应的摇臂的圆柱形空腔。凸轮从动件不是圆柱形的，然而阀门间隙可以是不变的，阀门行程可以连续从最大值变化到零。凸轮的形状可以不是平面的或圆柱形的。
如果期望根据阀门行程轻微地改变阀门间隙，则可以修改凸轮从动件的形状，或将轴10在理论上合理的位置进行细小的偏移，或者采用稍微不同的控制杠杆和阀门杠杆的有效长度。
如果是斜角或圆锥形的控制凸轮，则上述装置也可有一些小的修改以明显区别于相关技术。
如果需要分别调节一排的各个阀门，则可以设计调节装置以能够单独移置每个阀门的轴9。
虽然本发明进行了详细的描述和图示，但应清楚理解的是本发明不受图和实施例方式的局限，本发明的精髓和范围仅受附后的权利要求的限制。

Claims (15)

1、一种可变阀动装置，包括：
凸轮轴(1)；
安装在所述凸轮轴(1)上的控制凸轮(2)；
凸轮从动件(3)；
阀门(4)；
阀门移位装置(5)，用于移置所述阀门(4)；
位于所述凸轮从动件(3)和所述阀门移位装置(5)之间的阀门杠杆(6)，所述阀门杠杆(6)旋转连接所述移位装置(5)；
控制杠杆(8)，围绕轴(9)旋转，并在一旋转连接点旋转连接所述阀门杠杆(6)；
调节装置(7)，用于沿一轨迹移置所述轴(9)；
由此根据所述轴(9)沿所述轨迹的移置，所述阀门(4)的行程能够连续从最大值变化到最小值。
2、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：所述轴(9)在从固定点到所述发动机轴(10)的实质上固定的距离内移动；
因此，所述阀门(4)的行程通过所述轴(9)关于所述发动机轴(10)上的固定点的角位移控制。
3、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：所述轴(9)在从固定点到所述发动机轴(10)的实质上固定的距离内移动；
所述固定距离实质上等于所述轴(9)与所述旋转连接点的中心之间的距离；
因此，所述阀门(4)的间隙是不变的，不依赖于所述阀门(4)的阀门行程。
4、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其中：
所述控制杠杆(8)的有效长度与从所述轴(9)到连接所述控制杠杆(8)和所述阀门杠杆(6)的旋转连接点的中心的距离相等；
所述阀门杠杆(6)的有效长度与从连接所述控制杠杆(8)和所述阀门杠杆(6)的旋转连接点的中心到连接所述阀门杠杆(6)和所述阀门移位装置(5)的旋转连接点的中心的距离相等；其特征在于：
所述控制杠杆(8)的有效长度实质上等于所述阀门杠杆(6)的有效长度；
因此，当所述轴(9)在连接所述阀门杠杆(6)和所述阀门移位装置(5)的旋转连接点的中心处被移置时，所述阀门(4)的行程为零。
5、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其中：
所述控制杠杆(8)的有效长度等于所述轴(9)与连接所述控制杠杆(8)和所述阀门杠杆(6)的旋转连接点的中心之间的距离；
所述阀门杠杆(6)的有效长度等于连接所述控制杠杆(8)和所述阀门杠杆(6)的旋转连接点的中心与连接所述阀门杠杆(6)和所述阀门移位装置(5)的旋转连接点的中心之间的距离；其特征在于：
所述轴(9)在从固定点到所述发动机轴(10)实质上固定的距离内移动；
所述控制杠杆(8)的有效长度实质上等于所述轴(9)与所述发动机轴(10)上的固定点之间的固定距离；
所述阀门杠杆(6)的有效长度实质上等于所述轴(9)与所述发动机轴(10)上的固定点之间的固定距离；
因此，所述阀门(4)的行程可根据所述轴(9)关于所述发动机轴(10)上的固定点的角位移，从最大值变化到零，而所述阀门(4)的间隙对于所述阀门(4)的每个行程来说实质上是不变的。
6、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：弹簧元件提供保持所述凸轮从动件(3)与所述控制凸轮(2)实质接触的力。
7、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：弹簧元件在短阀门行程中提供保持所述凸轮从动件(3)与所述控制凸轮(2)实质接触的力，而在长阀门行程中不工作。
8、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：所述调整装置(7)控制一个以上的阀门。
9、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：所述凸轮从动件(3)是一个转辊，旋转支撑于所述阀门杠杆(6)，或所述控制杠杆(8)，或同时两者。
10、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：
所述凸轮从动件(3)制成圆柱形表面，以保护所述控制杠杆(8)；
连接所述控制杠杆(8)和所述阀门杠杆(6)的旋转连接点的中心实质上位于所述圆柱形表面的轴上；
所述轴(9在从固定点到所述发动机轴(10)的固定距离内移动；
当所述阀门(4)关闭时，所述圆柱形表面的轴实质上位于所述发动机轴(10)上的固定点；
因此当所述轴(9)的位移变化时，所述阀门(4)的间隙实质上是不变的。
11、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：所述凸轮从动件(3)安装在所述阀门杠杆(6)上。
12、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：所述阀门杠杆(6)仅是一个推杆。
13、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：还有水压组件用于自动间隙补偿。
14、根据权利要求1所述的可变阀动装置，其特征在于：为了同时控制阀门的行程和速度，通过可变阀门调速系统驱动所述凸轮轴。
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