CN1543533A - 对内燃机气缸盖内菌形换气门行程控制的旋转致动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对内燃机气缸盖内换气门进行行程控制的旋转致动装置，包括一个旋转摆动马达(8)，用于驱动一个控制换气门的具有凸轮型面(6′)的控制盘，其中，旋转摆动马达(8)按照菌形气门(2)关闭弹簧(4)与一个和关闭弹簧反方向作用作为气门打开弹簧被预紧的螺旋扭力弹簧(21)的协同工作进行控制。本发明的目的是获得控制盘(6)稳定的终端位置。为达到此目的规定，控制盘(6)借助分开的第一和第二旋转止挡定位在菌形气门(2)的关闭位置和打开位置，以及借助预紧地作用在一个单独设在支承控制盘(6)的轴(7)上的杠杆(12)上的气门打开弹簧(21)防止旋转地保持在各自的原始位置；以及，总是借助向旋转摆动马达(8)较小的供电量或借助协调一致的止挡造成的回弹运动越过各自的原始位置，进一步的供电借助旋转摆动马达的其惯性矩根据气门关闭弹簧(4)与螺旋扭力弹簧(21)之间的能量交换选择的转子保持为显著降低的水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种对内燃机气缸盖内菌形换气门行程控制的旋转致动装置。
背景技术
为了降低内燃机消耗和为了减少废气内有害物含量以及进一步为了影响内燃机在全部转速范围的扭矩变化过程，已知一些气门机构，其中进气门和排气门的打开及关闭时间以及进气门可变的气门行程借助受通用特性曲线控制的电致动器造成。
例如法国专利公开文件FR 2 608 675 A1公开和介绍了一种活塞式发动机，它有一个包括多个控制凸轮的气门机构用于一个气缸的一些同类菌形气门，这些凸轮借助一台受通用特性曲线控制的电动机驱动，其目的是针对基准气缸改变菌形气门相对于曲轴的打开和关闭时间。因为在此已知的具有各自的凸轮的气门机构中，在打开菌形气门时必须克服气门关闭弹簧的力，所以使电动机或旋转致动器要消耗很大的电流，这是配备此类内燃机的汽车的车上电网沉重的负担。
电气设备或车上电网的这种巨大的电流负载，已知可通过一种具有用于内燃机换气门或菌形气门行程控制的行程致动器的气门机构采取措施显著降低，即，为菌形气门各自的气门关闭弹簧配设一个气门打开弹簧，其目的是在换气门的行程控制时，弹簧能量在互相反向作用地配置的弹簧之间振荡，从支持在相关的行程致动器内的电磁力，如由德国专利文件DE 30 24 109 C2已知的那样。这种用于换气门行程控制设计为质量-弹簧振荡系统的行程致动器，其缺点尤其是结构高度很大。
最后，由US 5,873,335已知一种旋转致动装置，其中，一个由电动机驱动的普通结构方式的控制凸轮，一方面与由气门关闭弹簧加载的菌形气门配合工作，以及另一方面与一根垂直于菌形气门布置的在一个所谓气门打开弹簧的作用下在凸轮上滑动运动地作用的挺杆连接。虽然在此已知的气门机构中弹簧能量的这种已知的振荡也用于降低旋转致动器电能的消耗，然而在此已知的旋转致动装置中存在的缺点尤其在于，在菌形气门关闭时由于在预紧的气门打开弹簧作用下处于顶部区内的挺杆造成控制凸轮的位置不稳定，在少量偏离控制凸轮上凸轮顶点时，挺杆产生一个沿旋转方向或逆旋转方向的扭矩，它必须通过受控制的电旋转致动器各自的反扭矩补偿，尤其在内燃机停车时这会导致车上电网的持续负载。
发明内容
本发明的目的是改进一种用于在内燃机气缸盖内菌形换气门行程控制的旋转致动装置，使得当内燃机停车换气门或菌形气门处于终端位置时，具有凸轮型面的控制盘被绝对保持，与此同时电动机没有电流流过，但另一方面为了离开被保持的位置只须向电旋转致动器输入比较少量直至零的电能。
此目的通过权利要求1达到。
采用本发明以有利的方式在控制盘处于各终端位置时可靠地避免过调，以及，通过机械的终端止挡还避免为达到或保持控制盘的终端位置向旋转摆动马达单独供电流。在旋转致动装置工作时，在旋转摆动马达中直至一个预定的旋转摆动频率，通过小的供能使转子旋转以越过第一原始位置，以及除此之外储存的气门打开弹簧的压紧功转换为转子的旋转功能，其中，转子从控制盘的基圆阶段一直加速到达到凸轮工作面起始处凸轮斜坡面的区域。随着达到凸轮斜坡面，气门打开弹簧的能量已基本转换，此时与转子旋转固定地连接的控制盘达到了最大转速。菌形换气门被打开，为此所需的能量取自转子的旋转功能以及转子的转速开始降低。当菌形换气门达到最大打开行程时，转子转速趋近于零，以及与转子旋转固定地连接的控制盘到达第二终端旋转止挡。在这里，气门打开弹簧还可以施加一个小的正力矩，用于第二旋转位置或第二原始位置的保持。这样做的优点在于，气门打开位置可按照马达的要求保持。
为了关闭菌形换气门，向旋转摆动马达短时供入反向能量用于离开第二原始位置，接着，旋转摆动马达的转子通过凸轮工作面被菌形气门舒张的关闭弹簧加速，并与此同时开始压紧气门打开弹簧。在换气门关闭过程中转子达到最大速度和功能，气门打开弹簧借助此动能通过与转子的轴连接的杠杆压紧，其中，控制盘已经沿凸轮基圆与气门机构的传动元件配合工作。转子的旋转运动直至预定的旋转摆动频率通过挡靠在第一终端旋转止挡上终止，由此达到的原始位置通过按本发明作用在杠杆上的气门打开弹簧保持。
在按本发明的旋转致动装置工作并离开预定的轴旋转摆动频率时，总是被保持的原始位置借助一种通过互相碰撞并协调一致的止挡之一的弹性变形造成的回弹运动越过，回弹运动使轴和转子沿回弹运动的方向加速，使旋转摆动马达为了离开各被保持的原始位置基本上无需供给能量。
本发明的另一个优点在于，在上述包括换气门打开和关闭的循环期间，可随时供给由于系统中摩擦和在换气阀上的气体功所需要的能量。
按本发明一种优选的设计，控制盘包括半个凸轮型面，凸轮型面在用于打开和关闭的凸轮顶与凸轮基圆之间有一个设有斜坡面的凸轮工作面，控制盘与之沿直径相反的区域内有一个沿周向延伸的基圆段，与此基圆段连接一个基本上沿径向朝凸轮顶峰区定向的止挡，用于设在马达或气缸盖一侧的第一终端旋转止挡。
采用上述设计以有利的方式获得一种有“半个”凸轮和组合在内的止挡的质量小的控制盘。此外，采用这种包括设在凸轮基圆与凸轮工作面之间的斜坡面的控制盘，可通过旋转摆动马达附加的控制器有利地影响在此区域内的气门加速度，以获得有利的声学效果。
按本发明的另一项设计，与控制盘毗邻并与轴旋转固定地连接的杠杆，在其自由端装有一个具有环形导轮由滚动轴承支承的滚轮，用圆钢丝制造并通过螺旋线状的线圈定位在气缸盖内/上作为气门打开弹簧的螺旋扭力弹簧预紧的自由弹簧臂，借助滚轮在杠杆的摆动范围内导引；以及，在菌形气门关闭时贴靠在第一终端旋转止挡上的控制盘，在此原始位置借助弹簧臂的一个向滚轮加载的折角端段保持。
通过按本发明使用螺旋扭力弹簧作为气门打开弹簧，可以在结构空间小和有比较自由的配置可能性的情况下，以有利的方式获得一种结构尺寸小并有相应弹簧力的弹簧。因为按更有利的方式它同时用作止挡保持装置，所以按另一项建议规定，端段相对于弹簧臂以这样的方式折角，即，使得在滚轮上造成一个朝打开菌形气门的方向作用的小的分力。由此以有利的方式减小旋转摆动马达的起动供能。
按另一项建议这也适用于第二终端旋转止挡，按此建议规定，端段相对于螺旋扭力弹簧的弹簧臂也可以这样的方式折角，即，当菌形气门在第二终端旋转止挡达到的最大打开行程时，在旋转摆动马达的转子上作用一个趋近于零的扭矩。
上述措施适用于此旋转致动装置，直至达到与转子连接的轴的一个预定的旋转摆动频率。
按本发明的另一项设计，第一终端旋转止挡当内燃机停车时可用作静止止挡，以及，在内燃机运行时为了提高原动力，在控制盘的第一原始位置的范围内，借助一台规定作为旋转致动器的旋转摆动步进电机，通过挡靠在弹簧臂端段上的滚轮造成一种动态的原始定位。在这里，旋转摆动步进电机的供电可以这样进行，即，使克服了弹簧臂端段的作用有些远离终端旋转止挡后固定的控制盘获得一个稳定的位置，在发出打开换气门的打开信号时迅速越过此位置，这适用于直至预定的旋转摆动频率。
此外，采用本发明可采取措施实现第二旋转止挡在结构上有利的设计，为此，螺旋扭力弹簧的弹簧臂端段在其自由端带有一个与滚轮共同作用限制菌形气门打开行程的弹性止挡钩，作为第二终端旋转止挡，以及，控制盘在所属的凸轮顶部必要时有一个与轴同轴的圆弧。通过此圆弧，以有利的方式保证为第二原始位置提供同样的起动条件。
本发明除了一种有最大气门开度和关闭的气门机构外，还能以有利的方式实现一种有可变行程的气门机构，为此还建议，为了实现菌形气门的一种可变的行程，借助控制器实施交替旋转运动的旋转摆动式步进马达至少可沿气门打开方向按一种微步进模式工作。此外，转子在正电流后可通过负电流制动，以及在部分行程时它可通过相应的转子扭矩固定。
为了在这里能保持比较低的能量需求，按本发明规定，针对菌形气门取决于工作点的部分行程，弹簧臂作用在杠杆上的预紧力可借助于螺旋扭力弹簧相对于气缸盖的位置变化有控制地改变。
对于低摩擦的气门机构还建议，控制盘与滚柱摇杆配合工作；以及，滚柱摇杆通过液压式气门间隙补偿元件支靠在气缸盖上。按另一项设计，旋转摆动步进马达用作内燃机一个气缸上多个同类菌形气门的旋转致动器。最后，除了滚柱摇杆外，摇杆和/或杯形挺杆必要时与液压式气门间隙补偿元件结合可以作为另一个传动元件。
附图说明
下面借助附图表示的实施例说明本发明。其中：
图1旋转致动装置端面图；
图2此旋转致动装置透视图，包括作用在杠杆滚轮上使之加速的螺旋扭力弹簧的弹簧臂。
具体实施方式
在一个对图中未表示的内燃机的一个没有详细表示的气缸盖3内的菌形换气阀2进行行程控制的旋转致动装置1中，一个由气门关闭弹簧4加载的菌形气门2，在传动元件5作为中间连接的情况下，借助控制盘6进行控制行程，其中，与轴7旋转固定地连接的控制盘6与一台受通用特性曲线控制尤其电的旋转摆动马达8处于驱动连接状态。此旋转摆动马达8按照气门关闭弹簧4与一个通过控制盘6与气门关闭弹簧4反向作用的预紧的气门打开弹簧9的协同动作进行控制。
为了达到当内燃机不工作菌形气门2处于终端位置时控制盘被绝对保持，与此同时旋转摆动马达8不供电；以及，除此之外为了离开此被保持的位置可向旋转摆动马达8供给比较少的能量，规定，控制盘6在菌形气门2的关闭位置和在其打开位置，借助分开的第一和第二终端旋转止挡10和11定位，并通过预紧地作用在一根单独设在轴7上的杠杆12上的气门打开弹簧9，防转动地保持处于各自的原始位置10’、11’，以及，通过向旋转摆动马达8供电，实现越过各自的原始位置10’、11’，在各压紧的弹簧4、9内储存的能量，通过适当选择旋转摆动马达8转子的惯性矩，用于支持菌形气门2的打开和关闭，与此同时显著减少供电。
控制盘6有凸轮型面6’，它在用于打开和关闭气门的凸轮顶13与凸轮基圆14之间，包括一个设计为斜坡面的凸轮工作面15，控制盘6在与之沿直径相反的区域内有一个沿周向延伸的基圆段14’，与之相连的是一个基本上沿径向朝凸轮顶部定向的止挡16，用于设在马达或气缸盖一侧的第一旋转止挡10。
与控制盘6毗邻并与轴7旋转固定地连接的杠杆12，在其自由端装有一个由滚动轴承支承具有环形导轮18的滚轮17，一个用圆钢丝制造并通过一个螺旋状的线圈20定位在气缸盖3内/上作为气门打开弹簧9的螺旋扭力弹簧21的自由的、预紧的弹簧臂19，借助滚轮17在杠杆12的摆动范围内导引。以及，在菌形气门2关闭时贴靠在第一终端旋转止挡10上的控制盘6，借助弹簧臂19的一个向滚轮17加载的折角端段22保持在此原始位置10’上，而且优选地直至轴7的一个预定的旋转摆动频率。
端段22相对于弹簧臂19可按这样的方式折角，即，使得在滚轮17上造成一个朝打开菌形气门2的方向作用的小的分力，在菌形气门2开始打开时，此分力使旋转摆动马达8易于起动。
此外，端段22相对于螺旋扭力弹簧21弹簧臂19的折角可按这样的方式进行，即，当菌形气门2在第二终端旋转止挡11达到的相关的打开行程时，在旋转摆动马达8的转子上作用一个趋近于零的扭矩。
还有，由舌形尖轨构成的第一旋转止挡10在内燃机停车时可以起静止止挡的作用。然后，当内燃机运行时，在控制凸轮6第一原始位置10’的范围内，可借助一台规定作为旋转致动器的旋转摆动式步进电机8，通过挡靠在弹簧臂端段22上的滚轮17造成一种动态的原始定位。
此外，第二终端旋转止挡11在结构上有利的简单设计可这样达到：令螺旋扭力弹簧21弹簧臂19的端段22，在其自由端带有一个与滚轮17共同作用限制菌形气门2相关的打开行程的弹性止挡钩25，作为第二终端旋转止挡11，以及，控制盘6在所属的凸轮顶部必要时有一个与轴7同轴的圆弧26，用于避免造成一个必须通过供能来克服的止动位置。
按本发明的旋转致动装置1的一个突出的优点还由此获得，即，离开轴7预定的旋转摆动频率后，借助一个通过相互撞击和协调一致的止挡10、16或25、17之一的弹性变形造成的回弹运动，分别被保持的原始位置10’、11’在各自的原始位置10’、11’获得轴7及与轴7连接的旋转摆动马达8转子的一个加速的反方向旋转运动，所以在远离轴7预定的旋转摆动频率时，为了越过总是被保持的原始位置10’、11’，基本上不必向旋转摆动马达8供能。
在本发明如附图所示的实施例中，终端旋转止挡10由刚性的舌形尖轨构成，它直至达到轴7预定的旋转摆动频率范围，如一个刚性的用于在轴一侧的止挡16的旋转止挡那样作用，以及，当越过轴7预定的旋转摆动频率时，它使此止挡16和轴7以及与轴连接的旋转摆动马达8的转子按回弹运动的方式弹性地反向转动。类似地，这同样适用于螺旋扭力弹簧21弹簧臂19上设计为弹性止挡钩25的终端旋转止挡11，在这里，在轴一侧的杠杆12上由滚动轴承支承的滚轮17则起在轴一侧的止挡的作用。
取代弹性的终端旋转止挡10，也可以将它设计为刚性，以及不仅终端旋转止挡10而且在控制盘6上协调一致的止挡16均设有淬火的止挡面，由此在以高的速度互相碰撞时同样引发回弹运动。
为了扩展旋转致动装置1的工作范围，借助控制器实施交替旋转运动的旋转摆动式步进马达8，为获得菌形气门2可变的行程，致少可沿气门打开方向按一种微步进模式工作。由此，可从菌形气门2的关闭位置出发达到任何期望的较小的气门行程。为了在这里保持比较小的旋转摆动步进马达8的能量需求，针对菌形气门2取决于工作点的部分行程，弹簧臂19作用在杠杆12上的预紧力，可借助于螺旋扭力弹簧21相对于气缸盖3的位置变化有控制地改变(图中未表示)。
按本发明的旋转致动装置1尤其从结构的观点看可按有利的方式将控制盘6与滚柱摇杆23组合，以及，滚柱摇杆23通过液压式气门间隙补偿元件或HVA24支靠在气缸盖3上。采用HVA24按已知的方式达到控制盘6与滚柱摇杆23无间隙地共同工作，其优点是，借助按本发明的旋转致动装置1也可以实现菌形气门2的最小部分行程。
附图表示了一个为单个菌形气门2配设的旋转摆动式步进马达8，但它也可以用作内燃机一个气缸多个同类菌形气门2(尤其进气门)的旋转致动器，此时，单个旋转摆动步进马达8驱动一根轴7和按菌形气门2的数量设置的控制盘6。
除了滚柱摇杆23或牵引杆外，必要时与液压式气门间隙补偿元件相结合，也可以采用摇杆和/或杯形挺杆作为旋转致动装置1另一个传动元件5。
在此旋转致动装置1中，换气门的打开力尤其源于通过气门打开弹簧9与气门关闭弹簧4的协同动作产生的致动器转子旋转动能以及转子通过控制盘6与滚柱摇杆23的强制耦合。由此，尤其更好并更准确地打开排气门，此时基本上取消了排气门中对气门直径的限制。
采用按本发明的螺旋扭力弹簧杠杆运动学的运动学条件，旋转摆动步进马达8的转子在起动位置逆旋转方向压靠在止挡10上，由此使菌形气门2或换气门在控制盘6的凸轮基圆14内可靠地保持关闭以及为此也取消供电。在最大行程位置，通过凸轮中心或按选择同样逆旋转方向的凸轮接触力针对止挡11，所以气门2在最大行程位置同样无电流地保持稳定。
由上面所述的可知，在内燃机起动时，换气门或菌形气门2不必在曲轴转第一圈之前供电并被置于关闭位置，如在行程致动器中所要求的那样。由此需要较小的起动能量以及使车上电网负担较轻。
最后，应当注意，按本发明选择的螺旋扭力弹簧21通过低摩擦地支承在杠杆12上的滚轮17作用，并由此产生一种扭矩变化过程，这种扭矩变化过程可通过杠杆相对于控制盘6的角度有利地自由选择其随时间的变化。此外，借助此在设计按本发明的气门机构时要确定的杠杆12与控制盘6之间的角度，可以兼顾在换气门2部分行程时的能量需求，使得针对部分行程所需的负电流不达到极值。
旋转摆动马达也可以气动或液压地通过内燃机通用特性线控制或操纵。此外，旋转摆动马达也可设计为电动机或旋转磁铁。
Claims (14)
1.用于对内燃机气缸盖内菌形换气门进行行程控制的旋转致动装置，
-包括一个受通用特性曲线控制的、作为旋转致动器的旋转摆动式马达(8)，它有一个在终端旋转止挡(10、11)之间被交替操纵的转子，
-转子通过一根轴(7)和一个旋转固定地连接的具有分段式凸轮型面(6’)的控制盘(6)，用于对由气门关闭弹簧(4)加载的菌形气门(2)进行行程控制，其中
-还借助一个定位在气缸盖(3)内/上、具有一个以预紧力作用在一根与轴固定地设置的杠杆(12)上的弹簧臂(19)的螺旋扭力弹簧(21)，通过控制盘(6)朝气门打开方向对菌形气门(2)加载，以及
-此外，螺旋扭力弹簧(21)借助在这里以按下述方式减小后的力作用在与轴固定的杠杆(12)上的弹簧臂(19)，用于使与轴固定地设置的止挡(16、17)保持地贴靠在为菌形气门(2)的关闭位置或打开位置配设的终端旋转止挡(10、11)上，即，
-一方面，在比较少地供能的情况下，借助旋转摆动马达(8)，越过各被保持的原始位置(10’、11’)直至轴(7)或转子的一个预定的旋转摆动频率，以及，
-另一方面，在远离预定的旋转摆动频率时，借助一个通过相互撞击的相对应的止挡(10、16；11、17)之一的弹性变形造成的回弹运动，越过各被保持的原始位置(10’、11’)，在这种情况下，总是
-接着，借助旋转摆动马达(8)的其惯性矩根据气门关闭弹簧(4)与螺旋扭力弹簧(2)的能量交换选择得比较大的转子，实现进一步减少供能。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征为：旋转摆动马达(8)被供以电能或气动能或液压能。
3.按照权利要求1和2所述的装置，其特征为：与回弹运动相对应的止挡(10、16；11、17)借助淬火的止挡面或借助各自的刚性、弹性的止挡(10、25)实现。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征为：
-控制盘(6)包括半个凸轮型面(6’)，
-凸轮型面在用于打开和关闭的凸轮顶(13)与凸轮基圆(14)之间有一个由斜坡面构成的凸轮工作面(15)，
-控制盘(6)在一个直径线上的区域内具有一个沿周向延长的基圆段(14’)，
-在此基圆段上连接一个基本上沿径向朝凸轮顶区域定向的止挡(16)，用于设在马达或气缸盖一侧的第一终端旋转止挡(10)。
5.按照权利要求4所述的装置，其特征为：
-与控制盘(6)毗邻并与轴(7)旋转固定地连接的杠杆(12)，在其自由端装有一个具有环形导轮(18)的由滚动轴承支承的滚轮(17)，
-用圆钢丝制造并通过一螺线状的线圈(20)定位在气缸盖(3)内/上的螺旋扭力弹簧(21)的预紧的自由弹簧臂(19)，在杠杆(12)的摆动范围内导引；以及，
-在菌形气门(2)关闭时，贴靠在第一终端旋转止挡(10)上的控制盘(6)，借助弹簧臂(19)的一个向滚轮(17)加载的折角端段(22)保持在此原始位置(10’)上。
6.按照权利要求5所述的装置，其特征为：
-端段(22)相对于弹簧臂(19)按这样的方式折角，即，
-使得在滚轮(17)上造成一个朝打开菌形气门(2)的方向作用的比较小的分力。
7.按照权利要求5所述的装置，其特征为：
-端段(22)相对于螺旋扭力弹簧(21)的弹簧臂(19)还以这样的方式折角，即，
-当菌形气门(2)在第二终端旋转止挡(11)达到相关的打开行程时，在旋转摆动马达(8)的转子上作用一个趋近于零的扭矩。
8.按照权利要求3所述的装置，其特征为：
-由弹性尖轨构成的第一终端旋转止挡(10)在内燃机停车时起静止止挡的作用；以及
-在内燃机运行时，在控制盘(6)的第一原始位置(10’)的范围内，借助一台规定作为旋转致动器的旋转摆动式步进电机(8)通过挡靠在弹簧臂端段(22)上的滚轮(17)造成一种动态的原始定位，直至一个预定的旋转摆动频率。
9.按照权利要求3所述的装置，其特征为：
-螺旋扭力弹簧(21)弹簧臂(19)的端段(22)，在其自由端带有一个与滚轮(17)共同作用限制菌形气门(2)相关的打开行程的弹性止挡钩(25)，作为第二终端旋转止挡(11)；以及
-控制盘(6)在所属的凸轮顶区域必要时有一个与轴(7)同轴的圆弧。
10.按照权利要求8所述的装置，其特征为：
-借助一个控制器实施交替旋转运动的旋转摆动步进马达(8)，为了达到菌形气门(2)的一种变化的行程，至少可沿气门打开方向按一种微步进工作方式运行。
11.按照权利要求4所述的装置，其特征为：
-控制盘(6)与一根滚柱摇杆(23)配合工作，以及，
-滚柱摇杆(23)通过一液压式气门间隙补偿元件(HVA 24)支靠在气缸盖(3)上。
12.按照权利要求8所述的装置，其特征为：旋转摆动式步进马达(8)用作内燃机一个气缸上多个同样菌形气门(2)的旋转致动器。
13.按照权利要求10所述的装置，其特征为：针对菌形气门(2)取决于工作点的部分行程，弹簧臂(19)作用在杠杆(12)上的预紧力可借助于螺旋扭力弹簧(21)相对于气缸盖(3)的位置变化有控制地改变。
14.按照权利要求4所述的装置，其特征为：
-摇杆和/或杯形挺杆必要时与一液压式气门间隙补偿元件(HVA)结合用作另一个传动元件(5)。
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