CN201723263U - 用于内燃机的电控液压可变气门机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，旨在通过控制高压介质的工作来实时调整进排气门配气定时和升程。该机构包括高压缸体(1)、低压缸体(2)、执行机构、阻尼机构以及电磁阀座和电磁阀，其中的高压缸体(1)、低压缸体(2)、电磁阀座(4)和阻尼机构的阻尼缸体(3)之间固定密封连接；执行机构装在高压缸体(1)和低压缸体(2)上；高压缸体(1)和低压缸体(2)用于提供高、低压油工作环境；执行机构由主活塞(6)和辅助活塞(7)组成；阻尼机构由阻尼缸体(3)、缓冲罐(16)和第一单向阀(17)组成，电磁阀座(4)和高速电磁阀(5)用于控制高压油在高压缸体(1)内的工作状态。

Description

用于内燃机的电控液压可变气门机构

技术领域

本实用新型涉及一种可变气门机构，该可变气门机构可以改变进排气门的配气相位以及气门的最大升程量。

背景技术

近年出现的均质压燃，即可控自燃(CAI)燃烧模式具有极低的NOx排放和改善燃油经济性的优势和潜力，正在受到国际内燃机界广泛重视，被认为是未来极有吸引力的汽油机技术之一。

CAI燃烧模式在理论上可以通过多种方式实现，但是前期的研究结果表明，利用缸内废气再循环(EGR)是在汽车发动机上实现CAI燃烧的最为有效的方法和途径。缸内废气再循环的实现，必须依赖于可变配气机构，它实现了进排气门的柔性操作，从而实现不同的内部EGR策略。

本实用新型主要根据以上背景进行了电控液压可变配气机构的开发。配气机构是内燃机的重要组成部分，它的功能是实现发动机的换气过程，根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除废气。其结构是否合理将直接影响内燃机的经济性能、噪声、振动及工作可靠性等。目前绝大多数活塞式内燃机采用传统的机械驱动凸轮结构来驱动进排气门，其气门的升程、配气定时都是固定不变的。但是，随着燃油经济性和降低有害排放物的要求日趋严格，其已不能满足现代发动机的要求，于是提出可变配气相位技术。可变配气相位技术可以优化气门的定时、升程、持续时间和其它运行参数，使得其可以在内燃机整个工作范围内，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善内燃机进、排气性能，较好地满足高转速和低转速，大负荷和小负荷时的动力性、经济性以及废气排放的要求。

已知的一种电磁驱动可变气门机构，可以实现气门相位和升程的变化，它由微处理器控制电磁阀的无凸轮轴全可变气门机构，可以按照工况的变化全程调整气门的运动参数，实现对气门的升程、运动速度和开启持续时间的独立控制，但是，电磁驱动可变气门机构，落座冲击比较大。

还有一种已知的电气驱动可变配气相位机构，与液体相比，空气的粘度低、运动惯性小，有利于提高电气驱动可变配气相位机构的响应速度；但空气的可压缩性更高，难以精确控制。因此，空气作为传动介质的优越性并不明显。寻找合适的传动介质是提高此类气门驱动机构性能的关键。

此外，已知一种电液驱动无弹簧可变配气相位机构。该机构有高压油源和低压油源各一个，气门顶部装有一个双作用的液压柱塞，柱塞上部的油腔既可以与高压油源相连通又可以与低压油源相连通；柱塞下部的油腔一直与高压油源相连通。柱塞上部的承压面积明显大于柱塞下部的承压面积。通过柱塞顶面与底面的压力差来控制气门的开启与关闭。

发明内容

本实用新型目的是提供一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，该机构响应迅速，可以实现单循环内气门二次开启，能够有效地减缓开启和落座冲击，而且可以防止气门回弹，能够连续改变气门的驱动相位，并且容易实现气门升程的调整。

实现本实用新型上述目的的上述方案结合附图说明如下：

一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，包括高压缸体1、低压缸体2、执行机构、阻尼机构以及电磁阀座和电磁阀，所述的高压缸体1、低压缸体2、电磁阀座4和阻尼机构的阻尼缸体3之间固定密封连接，所述的执行机构装在高压缸体1和低压缸体2上；所述的高压缸体1用于提供高压油工作环境，该高压缸体包括用于储存高压油的高压腔8和提供进出高压缸体1的高压油通道，高压腔8采用单作用活塞缸结构，高压缸体1的高压油通道与电磁阀座4的高压油道相连通；所述的低压缸体2用于提供低压油工作环境，低压缸体2包括使得低压油缓慢流出迅速流入的低压腔10、限制辅助活塞7位移的限位环11、限制主活塞下体15位移进而控制气门升程的限位台肩12和用于低压油的流量控制的第一、二节流阀13、25；所述的执行机构由主活塞6和辅助活塞7组成，主活塞6采用分段式结构，由主活塞上体14和主活塞下体15构成，辅助活塞7用于加快活塞响应性，执行机构由高压油驱动，用于开启或关闭进排气门；所述的阻尼机构由阻尼缸体3、缓冲罐16和第一单向阀17组成，阻尼缸体3用于提供低压油的工作路径，阻尼腔18用于储存低压油，通过油道与低压腔10相通，第一单向阀17用于控制低压油的流向，缓冲罐16用于储存适量的低压油使得阻尼腔18内低压油波动得到缓冲；所述的电磁阀座4用于连接高速电磁阀5和高压缸体1，电磁阀座4上设有提供高压油进出高压缸体的通道和高压油进口28和高压油出口29以及用于安装高速电磁阀5的两个高速电磁阀座孔；所述的高速电磁阀5，用于控制高压油在高压缸体1内的工作状态。

所述的高压腔8内表面设有导向面，该导向面与辅助活塞接触，所述的高压油通道分为第一主进油道19、第一主回油道20和第一辅助油道21，第一主进油道19安装有第二单向阀22，第一辅助油道21的上缘与辅助活塞7的上缘间距控制辅助油道的初始工作位置。

所述的第二单向阀22使得在第一辅助油道21被关闭后高压油的回油速度减缓，从而降低气门35的落座冲击。

所述的低压腔10内壁设有导向面，该导向面与主活塞下体15接触，低压腔与主油道23和第二辅助油道24两条低压油道相通，第二辅助油道24设有第二节流阀25，用于减缓主活塞对限位台肩12的冲击，主油道23设有第一节流阀13和第一单向阀17，第一单向阀17用于低压油只能从阻尼缸体3流入低压缸体2。

所述的低压缸体2上设有限位环11和限位台肩12，通过调整两者的高度改变气门升程。

所述的执行机构中的主活塞6为两段式结构，用于加快气门响应速度，主活塞6和辅助活塞7外表面均设有用于运动表面润滑的环状沟槽。

所述的执行机构中的主活塞下体15外径与辅助活塞7外径相同。

所述的阻尼机构中的阻尼腔18和缓冲罐16相连通，用于缓冲阻尼腔内的液压油波动和得阻尼腔内的液压油有效补充，缓冲罐16采用油气缓冲罐。

所述的高速电磁阀5为推挽式两位三通高速电磁阀，所述的电磁阀座，内部有对应于高压缸体油道的第二主进油道30，第二辅助油道31和第二主回油道32，在第二主进油道30上安装第二单向阀22。

本实用新型与现有技术相比具有以下技术效果：1.整体结构得到简化，与上述电液驱动无弹簧可变配气相位机构相比，取消了采用双作用活塞时的直线控制电机以及油路前端的滑阀，高压油直接作用于执行机构-活塞6和7上；2.采用了压缩系数低的工作介质，避免了工作介质压缩性大导致的气门响应性差；3.与电磁驱动可变气门机构相比，增加了阻尼腔18和缓冲罐16等缓冲装置，通过进回油道的合理设计以及单向阀在不同位置的安装，降低了气门运动和活塞运动的落座冲击；3.执行机构中增加了辅助活塞结构，增大了执行机构的初始受力面积，缩短了气门响应时间；4.主活塞采用分段式结构，与单体式机构相比活塞的响应性明显改善；此外，采用双作用活塞时，活塞两端的液压油压力波动可能导致气门升程变化，而采用单作用活塞时，这种状况有所改善。

附图说明

图1为气门驱动机构前视图，气门处于关闭状态。

图2为图1气门驱动机构的俯视图。

图3为图1气门驱动机构的侧视图。

图4为前视图的剖视图，显示了图1的内部结构。

图5为图1仰视图的剖面图，显示了低压腔的主油道布置。

图6为图1仰视图的剖面图，显示了低压腔的辅助油道布置。

图7为该气门驱动机构在额定工作压力下，执行机构驱动气门时的响应性。

图8为该气门驱动机构在不同工作压力下，执行机构的响应延迟特性。

图中：1.高压缸体  2.低压缸体  3.阻尼缸体  4.高速电磁阀座  5.高速电磁阀  6.主活塞  7.辅助活塞  8.高压腔  10.低压腔  11.限位环  12.限位台肩  13.第一节流阀14.主活塞上体  15.主活塞下体  16.缓冲罐  17.第一单向阀  18.缓冲腔  19.第一主进油道  20.第一主回油道  21.第一辅助油道  22.第二单向阀  23.主油道  24.第二辅助油道  25.第二节流阀  28.高压油进口  29.高压油出口  30.第二主进油道  31.第二辅助油道  32.第二主回油道  33.液压工作站  34.控制单元  35.气门  36.气门弹簧  37.进排气通道

具体实施方式

下面结合附图所述实施例进一步说明本实用新型的的具体内容。

一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，包括高压缸体1、低压缸体2、执行机构、阻尼机构以及电磁阀座和电磁阀，所述的高压缸体1、低压缸体2、电磁阀座4和阻尼机构的阻尼缸体3之间固定密封连接，所述的执行机构装在高压缸体1和低压缸体2上。

执行机构包括主活塞上体、主活塞下体以及辅助活塞。主活塞上体和辅助活塞同轴装配，主活塞通过限位台肩保证与辅助活塞同时运动，两者一起装入高压腔内，由高压油驱动，主活塞下体装入低压腔内，由主活塞上体驱动。

本实用新型中，执行机构包括主活塞和辅助活塞，辅助活塞的外径较大，两者配对安装在高压腔内。

根据该布置，辅助活塞和主活塞上体配合加大了初始受力面积也使得执行机构的响应速度加快。同时，为提高执行机构的响应速度在保证执行机构正常工作的前提下使得高压腔的容积尽量小。

在本实用新型的最佳实施方式中，高压腔的导向面和辅助活塞导向面之间、辅助活塞与主活塞上体之间存在相对运动，以执行驱动主活塞下体的操作。主活塞上体上端伸出机构体，以执行气门升程的监控。

根据该布置，为防止高压油的泄露使得执行机构正常工作，需在辅助活塞与高压腔导向面之间，主活塞上体与辅助活塞之间以及主活塞与高压缸体之间采用密封措施，具体为，在辅助活塞与高压腔壁面之间以及主活塞上体与辅助活塞之间需配对研磨，同时设置均压环槽，采用油膜密封，主活塞上体与高压缸体之间采用密封圈密封。

在本实用新型的最佳实施方式中，低压腔的导向面和主活塞下体导向面之间存在相对运动，以执行打开或关闭气门的操作。主活塞下体下端伸出机构体，以执行进排气门的驱动。

根据该布置，为防止低压油的泄露使得执行机构正常工作，需在主活塞下体与低压腔壁面之间以及主活塞下体与低压缸体之间采用密封措施，具体为，在主活塞下体与低压腔壁面之间需配对研磨，同时设置均压环槽，采用油膜密封，主活塞下体与低压缸体之间采用密封圈密封。

在本实用新型的最佳实施方式中，设计了辅助活塞来加快主活塞的响应性，然而在主活塞加速后期，过大的速度会造成主活塞和气门之间的冲击。

根据该布置，为防止执行机构开启气门的加速度过大需限制辅助活塞的位移，为此在低压缸体上设置限位环槽并安装高度合适的限位环，使得辅助活塞停止运动。更具体地，需采用限位环的材料为紫铜。

更具体地，根据上述布置，为了使主活塞按照设计的位移运动，在低压缸体上还设置了限位台肩。

在本实用新型的最佳实施方式中，在高压腔的主进油道上安装了单向阀来控制高压油的流向。更具体地，该单向阀只允许高压油流入高压腔内。

根据该布置，为减缓气门关闭时主活塞落座冲击在主进油道设置单向阀，使得在主活塞落座后期，辅助油道被关闭时只能通过主回油道回油，落座速度降低，落座冲击得到有效缓解。

在本实用新型的最佳实施方式中，在低压腔的主油道和辅助油道上分别安装了节流阀来控制低压油进入缓冲腔的流速。

根据该布置，为防止执行机构开启气门的速度过大在高压腔内形成真空区导致气门回弹需使气门开启过程后期主活塞的运动速度降低，为此，在低压缸体上设置节流阀限制低压油的流动速度，使得主活塞的后期运动速度降低。

阻尼机构包括阻尼缸体，缓冲罐和单向阀，阻尼缸体与低压缸体通过主油道和辅助油道连通低压腔和阻尼腔，缓冲罐通过螺纹连接与阻尼腔相连通，单向阀安装在主油道上。

根据该布置，为了防止主活塞打开气门时速度过快，低压腔的工作介质只能通过主油道和辅助油道的节流阀进入缓冲腔，而主活塞回位时，工作介质通过主油道的单向阀和节流阀以及辅助油道的节流阀同时回油，加快了回油速度，使得主活塞的回位响应加快。

根据上述阻尼机构的布置，缓冲腔内的液压油可以进入缓冲罐，由于空气的可压缩性，降低了缓冲腔内油面的波动。缓冲腔内的液压油可以补充低压腔内液压油的损失。

在本实用新型的最佳实施方式中，该驱动机构具有两个电磁阀座，分别用于控制进气门和排气门。每个电磁阀座包括两个高速电磁阀座孔、一个高压进油孔和一个回油孔。根据该布置，采用两个电磁阀使得高压油的流量增大，进出高压腔的速度加快，提高了执行机构的响应速度。

根据上述布置，高压进油孔和回油孔通过外部油管跟液压工作站相连，通过内部油道跟高压缸体的主进油道和主回油道相连。阀座内部油道既可以做进油油道也可以做回油油道，两位三通电磁阀控制上述油道与进油孔连通或者与回油孔连通。

下面接合附图进一步说明本实用新型的工作过程。

本实用新型工作原理：液压工作站33为高压缸体持续提供某一压力的高压透平油，电子控制单元34根据发动机的运行情况控制高速电磁阀5，高速电磁阀控制高压透平油进入或者流出高压缸体。工作介质进入高压缸体时推动主活塞6和辅助活塞7一起运动，辅助活塞的限位台肩接触低压缸体限位环11时，辅助活塞停止运动，主活塞继续运动直至气门35完全打开并保持一定时间，实现发动机的进气或者排气。工作介质流出高压缸体时，进气门或者排气门在气门弹簧36推动下回位并带动主活塞开始回位，到达一定位置后主辅活塞一起回位，直至气门完全落座于进排气通道37。

图1中所示的电控液压可变气门机构开启-关闭气门35，该气门构成内燃机(汽车发动机)的进排气系统。气门弹簧36在一定方向上推动气门，关闭进排气通道37。

电控液压可变气门机构中，执行机构包括主活塞6和辅助活塞7，其中，主活塞6包括主活塞上体14和主活塞下体15，该主活塞在高压腔和低压腔之间往复直线运动，该辅助活塞在高压腔内往复直线运动，主活塞下体直接与气门35接触，用以开启-关闭驱动气门，气门弹簧36在气门开启时，保证主活塞受力平衡，维持一定的气门升程，在气门关闭时提供高压油流出高压腔8的驱动力，使得气门35顺利落座。

主活塞6和辅助活塞7在D1方向上运动时开启气门，由高压油驱动，在D2方向上运动时关闭气门，由气门弹簧驱动。

高速电磁阀5控制高压油进入或者流出高压腔8，高压油进入高压腔8时主活塞6和辅助活塞7一起在D1方向上运动，辅助活塞接触低压缸体2的限位环11时停止运动，主活塞在液压驱动力下继续运动，直至主活塞下体15接触低压缸体的限位台肩12时停止运动，高压油流出高压腔时，气门弹簧推动主活塞在D2方向上首先运动，主活塞上体14的台肩接触到辅助活塞7时，两者同时在D2方向上运动直至气门35落座。

高压油进入高压腔8时主活塞6和辅助活塞7同时开始运动，辅助活塞的使用加快了主活塞的响应速度，主活塞在D1方向运动后期，主活塞下体15停止运动之前受到低压缸内低压油的缓冲作用，降低了主活塞对限位台肩12的冲击；高压油流出高压腔时，活塞回位，在D2方向运动，回位运动后期高压油对主活塞和辅助活塞也有缓冲作用。下面对缓冲进行详细说明。

主活塞下体15刚进入低压腔10后，低压腔内的液压油经过主油道23和第二辅助油道24流向缓冲腔，在主油道上布置了第一单向阀17(此时单向阀关闭)和第一节流阀13，在辅助油道上布置了第二节流阀25，低压油向缓冲腔18的流速较快；活塞下体15进入低压腔后期，辅助油道被关闭，低压油的流量降低，流速变慢，起到缓冲作用；主活塞回位初期，缓冲腔内的低压油首先经过主油道23返回低压腔，此时单向阀打开，增加了回油速度，避免低压腔内产生真空度，阻碍主活塞回位，当第二辅助油道24打开后，回油速度更快。

主活塞6回位后期带动辅助活塞7一起运动，增加了回位阻力，高压油首先通过第一主回油道20和第一辅助油道21同时回油，第二辅助油道24被关闭以后高压油只能通过第一主回油道20进行回油，回油速度降低，阻力增大，缓冲了主活塞和辅助活塞的落座冲击。

缓冲腔18内的低压油与缓冲罐16内的低压油相连通，缓冲腔内的低压油流入或者流出时，缓冲罐内的低压油及时补充到缓冲腔内；该缓冲罐为油气缓冲罐，内部空气可以预防液压油剧烈波动。

高速电磁阀座4用于安装高速电磁阀5，并提供高压油进口28和高压油出口29，其内部油道分别于缸压缸体1的内部油道连通，具体为第二主进油道30与第一主进油道19相连通，第二辅助油道31与第一辅助油道21连通，第二主回油道32与第一主回油道20连通；液压工作站33为高压油进口28持续提供固定压力的高压油，高速电磁阀5控制高压油进入或者流出高压腔8。

高速电磁阀5为两位三通电磁阀，其工作状态由控制单元34进行控制，该控制单元根据操作人员的指令以及发动机工作状态向高速电磁阀发送工作指令，进而控制气门35的开启与否，达到相位调整的目的，进而实现不同EGR策略下的CAI燃烧。

本实用新型可应用于先进技术内燃机，包括汽车内燃机在内，其中气门的驱动相位和气门的最大升程可以改变。

Claims (9)

1.一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，包括高压缸体(1)、低压缸体(2)、执行机构、阻尼机构以及电磁阀座和电磁阀，其特征在于，所述的高压缸体(1)、低压缸体(2)、电磁阀座(4)和阻尼机构的阻尼缸体(3)之间固定密封连接，所述的执行机构装在高压缸体(1)和低压缸体(2)上；

所述的高压缸体(1)用于提供高压油工作环境，该高压缸体包括用于储存高压油的高压腔(8)和提供进出高压缸体(1)的高压油通道，高压腔(8)采用单作用活塞缸结构，高压缸体(1)的高压油通道与电磁阀座(4)的高压油道相连通；

所述的低压缸体(2)用于提供低压油工作环境，低压缸体(2)包括使得低压油缓慢流出迅速流入的低压腔(10)、限制辅助活塞(7)位移的限位环(11)、限制主活塞下体(15)位移进而控制气门升程的限位台肩(12)和用于低压油的流量控制的第一、二节流阀(13、25)；

所述的执行机构由主活塞(6)和辅助活塞(7)组成，主活塞(6)采用分段式结构，由主活塞上体(14)和主活塞下体(15)构成，辅助活塞(7)用于加快活塞响应性；执行机构由高压油驱动，用于开启或关闭进排气门；

所述的阻尼机构由阻尼缸体(3)、缓冲罐(16)和第一单向阀(17)组成，阻尼缸体(3)用于提供低压油的工作路径，阻尼腔(18)用于储存低压油，通过油道与低压腔(10)相通，第一单向阀(17)用于控制低压油的流向，缓冲罐(16)用于储存适量的低压油使得阻尼腔(18)内低压油波动得到缓冲；

所述的电磁阀座(4)用于连接高速电磁阀(5)和高压缸体(1)，电磁阀座(4)上设有提供高压油进出高压缸体的通道和高压油进口(28)和高压油出口(29)以及用于安装高速电磁阀(5)的两个高速电磁阀座孔；所述的高速电磁阀(5)，用于控制高压油在高压缸体(1)内的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的高压腔(8)内表面设有导向面，该导向面与辅助活塞接触，所述的高压油通道分为第一主进油道(19)、第一主回油道(20)和第一辅助油道(21)，第一主进油道(19)安装有第二单向阀(22)，第一辅助油道(21)的上缘与辅助活塞(7)的上缘间距控制辅助油道的初始工作位置。

3.根据权利要求2所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的第二单向阀(22)使得在第一辅助油道(21)被关闭后高压油的回油速度减缓，从而降低气门(35)的落座冲击。

4.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的低压腔(10)内壁设有导向面，该导向面与主活塞下体(15)接触，低压腔与主油道(23)和第二辅助油道(24)两条低压油道相通，第二辅助油道(24)设有第二节流阀(25)，用于减缓主活塞对限位台肩(12)的冲击，主油道(23)设有第一节流阀(13)和第一单向阀(17)，第一单向阀(17)用于使低压油只能从阻尼缸体(3)流入低压缸体(2)。

5.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的低压缸体(2)上设有限位环(11)和限位台肩(12)，通过调整两者的高度以改变气门升程。

6.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的执行机构中的主活塞(6)为两段式结构，用于加快气门响应速度，主活塞(6)和辅助活塞(7)外表面均设有用于运动表面润滑的环状沟槽。

7.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的执行机构中的主活塞下体(15)外径与辅助活塞(7)外径相同。

8.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的阻尼机构中的阻尼腔(18)和缓冲罐(16)相连通，用于缓冲阻尼腔内的液压油波动和得阻尼腔内的液压油有效补充，缓冲罐(16)采用油气缓冲罐。

9.根据权利要求1所述的一种用于内燃机的电控液压可变气门机构，其特征在于，所述的高速电磁阀(5)为推挽式两位三通高速电磁阀，所述的电磁阀座，内部有对应于高压缸体油道的第二主进油道(30)，第二辅助油道(31)和第二主回油道(32)，在第二主进油道(30)上安装第二单向阀(22)。

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