TWI568920B - 可變閥揚程機構 - Google Patents

Description

可變閥揚程機構

本發明係關於一種可變閥揚程機構，尤指一種適用於機車引擎系統之可變閥揚程機構。

近年來，由於世界各國環保法規的嚴格要求與能源危機的問題，因此各汽機車製造廠積極地研發低污染、低油耗與高性能的引擎。傳統上固定汽門正時的引擎在各負載下將漸漸無法滿足以上的需求。

因此，許多有關於可變汽門正時的相關專利紛紛出現，如中華民國證書號186952、189156、189157、189158、189159、189109號皆揭露有一種可變閥揚程機構，係使用複數凸輪軸在不同時機切換凸輪組，藉以調整進汽門閥與汽缸頭入口之距離(亦即揚程)，其細節如下所述。

請參閱圖5，係習知可變閥揚程機構之分解圖。圖中所出示之一種可變閥揚程機構主要由一凸輪軸935、一第一凸輪926、一第二凸輪934、一排氣凸輪936、一搖臂軸916、一第一搖臂99、一第二搖臂913、一排氣搖臂937以及 一切換機構980所構成。

其中，第一凸輪926、第二凸輪934和排氣凸輪936均設置於凸輪軸935上，而第一凸輪926和第二凸輪934具有不同的揚程，第一凸輪926之揚程較大，亦即閥作動時其進氣量較大，而第二凸輪934之揚程較小，亦即閥作動時其進氣量較小。第一搖臂99及第二搖臂913皆設置於搖臂軸916上，其中第一搖臂具有一第一頂出部991，用以與第一進氣閥938連接；第二搖臂913具有一第二頂出部931，用以與第二進氣閥939連接。切換機構980係設置在第二搖臂913內，用以使第二搖臂913與第一搖臂99結合或分開，由一油壓缸(圖未示)、一活塞92、一彈性構件93以及一油壓通路(圖未示)所構成，其係以一油封蓋91封閉該油壓缸。

然而，上述該技術係藉由二凸輪分別搭配二進氣搖臂，並採用兩段式之閥開啟揚程之調整方式，其僅具備有複數階段式可變汽門正時之功能，無法針對汽門相位(汽門開或關的角度)、汽門重疊角(汽門開啟的角度)或汽門揚程(汽門關閉至開啟之位移)進行連續性的切換汽門正時，故仍無法提供引擎最佳的馬力輸出。

發明人緣因於此，本於積極發明之精神，亟思一種可以解決上述問題之可變閥揚程機構，幾經研究實驗終至完成本發明。

本發明之主要目的係在提供一種可變閥揚程機構，其用於一引擎上，利用偏心控制進氣搖臂之方式，同時偵測一偏心軸旋轉角度，藉以回饋控制汽門之開啟揚程，達到一種連續可變汽門正時，提升引擎性能及降低油耗與汙染。

為達成上述目的，本發明之可變閥揚程機構係改變傳統進氣搖臂之機構設計，提供一種包含連續可調進氣門閥之控制系統，而該可變閥揚程機構設置於一引擎之一汽缸頭中，該汽缸頭具有一容置空間，容置一凸輪軸座。其中，本發明之可變閥揚程機構包括有一凸輪軸、一偏心軸、一進氣搖臂、一進氣門閥以及一控制系統。

所述凸輪軸設置於凸輪軸座上，套設有一進氣凸輪，係以該凸輪軸座作為樞轉中心來旋轉。偏心軸耦接一電動馬達，可藉由電動馬達驅動調整偏心軸之偏心位置。而在偏心軸上套設有進氣搖臂，其末端與進氣凸輪相抵接，可隨著凸輪之相位變化而有相對應之高低起伏。此外，進氣門閥穿設於一位在容置空間內之進氣門閥彈簧座中，作為汽缸頭進氣量之控制機構，包括有一門閥部及一頂出部，頂出部與進氣搖臂具有一可變量之汽門間隙，藉以控制進氣門閥之進氣量及進氣時機。

此外，所述控制系統包括有一參數控制器、一馬達控制器及一角度位置感知器。參數控制器接收引擎轉速及 油門之狀態資訊並電耦接馬達控制器，可提供偏心軸偏心位置之初始期望值，而角度位置感知器偵測電動馬達之相位變化，發出一回饋訊號至與角度位置感知器電耦接之馬達控制器，用以回授控制進氣門閥之開啟揚程，調整至最佳的汽門重疊角與揚程。

其中，當引擎於低轉速時，可減少偏心軸之一垂直方向偏心距以提升汽門間隙，藉此降低進氣門閥之開啟揚程。亦即，進氣搖臂將會位於一低揚程位置，其與進氣門閥之間存在較大之汽門間隙，使得頂出部較難以頂推進氣門閥，而有較小之開啟揚程。

換言之，當引擎於高轉速時，可增加偏心軸之一垂直方向偏心距以降低汽門間隙，藉此提升進氣門閥之開啟揚程。亦即，進氣搖臂將會位於一高揚程位置，其與進氣門閥之間存在較小之汽門間隙，使得頂出部較易於頂推進氣門閥，而有較大之開啟揚程。

所述可變閥揚程機構之偏心軸與凸輪軸可為平行設置。藉此，在凸輪抵頂進氣搖臂的過程中，若兩者之轉軸為平行排列時，較易掌控彼此的位置關係，可精準地控制汽門間隙。

所述進氣搖臂可更包括一回復彈簧，確保進氣搖臂一直抵頂進氣閥門，減少該搖臂與閥門間作動撞擊聲。

以上概述與接下來的詳細說明皆為示範性質是 為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

1‧‧‧引擎

2‧‧‧汽缸頭

20‧‧‧容置空間

202‧‧‧套管

201‧‧‧凸輪軸座

21‧‧‧進氣門閥彈簧座

22‧‧‧排氣門閥彈簧座

23‧‧‧汽缸頭蓋

231‧‧‧通孔

3‧‧‧凸輪軸

31‧‧‧進氣凸輪

32‧‧‧排氣凸輪

40‧‧‧電動馬達

41‧‧‧偏心軸

411‧‧‧偏心距

42‧‧‧搖臂軸

43‧‧‧螺旋齒輪組

431‧‧‧大螺旋齒輪

432‧‧‧小螺旋齒輪

51‧‧‧進氣搖臂

510‧‧‧進氣搖臂

511‧‧‧回復彈簧

52‧‧‧排氣搖臂

521‧‧‧回復彈簧

60‧‧‧汽門間隙

601‧‧‧高揚程位置

602‧‧‧低揚程位置

61‧‧‧進氣門閥

611‧‧‧門閥部

612‧‧‧頂出部

62‧‧‧排氣門閥

621‧‧‧門閥部

622‧‧‧頂出部

7‧‧‧控制系統

71‧‧‧參數控制器

72‧‧‧馬達控制器

73‧‧‧角度位置感知器

91‧‧‧油封蓋

913‧‧‧第二搖臂

916‧‧‧搖臂軸

92‧‧‧活塞

926‧‧‧第一凸輪

93‧‧‧彈性構件

931‧‧‧第二頂出部

934‧‧‧第二凸輪

935‧‧‧凸輪軸

936‧‧‧排氣凸輪

937‧‧‧排氣搖臂

938‧‧‧第一進氣閥

939‧‧‧第二進氣閥

980‧‧‧切換機構

99‧‧‧第一搖臂

991‧‧‧第一頂出部

圖1係本發明較佳實施例之可變閥揚程機構之剖視圖。

圖2係本發明較佳實施例之可變閥揚程機構之分解圖。

圖3係本發明較佳實施例之可變閥揚程機構之控制系統流程圖。

圖4係本發明較佳實施例之可變閥揚程機構之閥開啟揚程-曲軸旋轉角度之關係圖。

圖5係習知可變閥揚程機構之分解圖。

請參閱圖1及圖2，係本發明較佳實施例之可變閥揚程機構之剖視圖及分解圖。圖中出示一種可變閥揚程機構，設置於一引擎1之一汽缸頭2中，該汽缸頭2具有一容置空間20，容置一凸輪軸座201。該可變閥揚程機構包括有：一凸輪軸3、一偏心軸41、一進氣搖臂51、一進氣門閥61及一控制系統7(圖未示)。其中，可變閥揚程機構係設置於引擎1之進氣端，而在排氣端則設有：一搖臂軸42、一排氣搖臂52及一排氣門閥62，其係為傳統閥揚程機構，用以控制汽缸頭2排氣時之汽門正時。

在本實施例中，凸輪軸3設置於凸輪軸座201 上，套設有一進氣凸輪31及一排氣凸輪32。而所述之進氣凸輪31及一排氣凸輪32分別抵頂進氣搖臂51及排氣搖臂52之末端邊緣處，該進氣搖臂51套設於電耦接一電動馬達40之偏心軸41上，且在該偏心軸41上另套有一回復彈簧511，使得進氣搖臂51一直抵頂該進氣門閥61，達到開啟及關閉進氣閥門之作用；而排氣搖臂52則設置於一搖臂軸42上，搖臂軸42穿設於凸輪軸座201之一套管202中，且在搖臂軸42上另套有一回復彈簧521，其功效同上所述。在本實施例中，所述回復彈簧511,521皆為一扭轉彈簧，用以提供所需之回轉扭矩。

其中，所述之凸輪軸3、偏心軸41及搖臂軸42皆為平行設置，藉此，在進氣凸輪31及一排氣凸輪32分別抵頂進氣搖臂51及排氣搖臂52的過程中，若各轉軸皆為平行排列時，較易掌控彼此的位置關係，可精準地控制頂推之距離，進而易於控制閥開啟揚程。

接著，在引擎1之汽缸頭2內固設有一進氣門閥彈簧座21及一排氣門閥彈簧座22，其座體外圍係以彈性材質製成，提供門閥開啟後之回復力。在本實施例之進氣側，係將一進氣門閥61穿設於進氣門閥彈簧座21中，作為汽缸頭2進氣量之控制機構，包括有一門閥部611及一頂出部612，該頂出部612與進氣搖臂51具有一可變量之汽門間隙60，該汽門間隙60除了可作為控制閥開啟揚程之外，也可做為熱漲冷縮之控制餘隙；而在排氣側，係將一排氣門閥62穿設於排氣門閥彈簧座22中，作為汽缸頭2排氣量之控制機 構，包括有一門閥部621及一頂出部622，頂出部622緊鄰排氣搖臂52，其間微小間隙，可做為在熱漲冷縮時門閥能夠完成關閉。

上述容置空間20以及汽缸頭2內之零件結構係以一汽缸頭蓋23包覆於其上，並以複數鎖附件將其鎖附於該汽缸頭2上，而在本實施例中，汽缸頭蓋23具有一通孔231，係將偏心軸41穿設於其中，連接內部之進氣搖臂51，並將電動馬達40固定在汽缸頭蓋23上。此外，電動馬達40與偏心軸41係以一螺旋齒輪組43，包括有一大螺旋齒輪431與一小螺旋齒輪432，在本實施例中係為一正交螺旋齒輪組，將電動馬達40所提供之樞轉動能傳遞至偏心軸41上，用以調整偏心軸41軸心之所在位置。其中，本實施例所採用之螺旋齒輪組43除了能嚙合帶動偏心軸41軸心之作用外，同時兼具有防逆輪、防耗電過熱的情況產生。亦即，當電動馬達40驅動偏心軸41於適當的位置時，馬達控制器72不通電給電動馬達40，藉由螺旋齒輪組43之自鎖作用，使得偏心軸41固定不轉動。

接著，請參閱圖3，係本發明較佳實施例之可變閥揚程機構之控制系統流程圖。如圖所示，本發明可變閥揚程機構之控制系統7包括有一參數控制器71、一馬達控制器72、一角度位置感知器73、一電動馬達40與一偏心軸41之偏心距411。參數控制器71電耦接馬達控制器72，並依據油門開啟度、引擎轉速與引擎溫度，計算出最佳期望位置給馬達控制器72，用以控制與該電動馬達40耦接之偏心軸41之 軸心位置。請同時參閱圖1，偏心軸41之軸心位置與原管徑中心位置之間之垂直方向間距稱之為偏心距411，偏心距411之距離大小與汽門間隙60、可變閥揚程息息相關。其中，當引擎於低轉速時，係減少偏心軸41之一偏心距411以提升汽門間隙60，藉此降低進氣門閥61之開啟揚程。反之，當引擎於高轉速時，係增加偏心軸41之一偏心距411以降低汽門間隙60，藉此提升進氣門閥61之開啟揚程。此外，本實施例更設有一角度位置感知器73，係設置於大螺旋齒輪431之外表面上，偵測電動馬達40之相位變化，發出一回饋訊號至與角度位置感知器73電耦接之馬達控制器72，用以回授控制進氣門閥61之開啟揚程。

換言之，請再次參閱圖1，如圖中以實線繪製之進氣搖臂51所示，位於一高揚程位置601，其與進氣門閥61之間存在較小之汽門間隙60，使得頂出部612較易於頂推進氣門閥61，而有較大之開啟揚程。反之，如圖中以虛線繪製之進氣搖臂510所示，位於一低揚程位置602，其與進氣門閥61之間存在較大之汽門間隙60，使得頂出部612較難以頂推進氣門閥611，而有較小之開啟揚程。藉此，透過驅動電動馬達40微調偏心軸41之偏心距411，達到一種連續可變汽門正時，提升引擎性能及降低油耗與汙染。

上述控制系統所達到之連續可變汽門正時，可參照圖4所示，係本發明較佳實施例之可變閥揚程機構之閥開啟揚程-曲軸旋轉角度之關係圖。縱軸座標表示閥開啟揚程，橫軸座標表示曲軸旋轉角度。其中，本發明所採用四衝 程引擎之工作原理係依據汽缸內活塞移動的位置來區分，因此每隔180度依序到達一次上死點(T.D.C)或下死點(B.D.C)之位置，而由0度開始在每個區間內依序分為動力、排氣、進氣、壓縮四個工作行程，而在本發明中所改良之可變閥揚程機構著重在進氣行程的段區間內，達到連續可變汽門的重疊角與揚程。

其中，進氣行程利用活塞在下移時產生的吸力，將進氣歧管中原本靜止的氣體吸入汽缸之內。由於吸入的氣體需要有加速的過程，同時還需要克服歧管內的摩擦阻力，所以在實際使用時，也會將進氣門閥的開啟正時略為提前，同時將排氣門閥的關閉正時略為延後。此外，在本實施例中，強調利用偏心控制進氣搖臂之方式，同時偵測偏心軸旋轉角度，藉以回饋控制汽門之開啟揚程。如圖所示，進氣區間內在不同的偏心距的情況下，可提供各種連續之閥開啟揚程，並對應曲軸不同的旋轉角度，可繪出連續可變之曲線關係圖。藉此，當引擎在低轉速時，可降低閥開啟揚程，以避免多餘廢氣回流汽缸頭，改善低流動速率之油氣供應；隨著轉速的增加，進氣搖臂被移動到高揚程位置，除了可增加進氣量，獲得充足之油氣供應，同時重疊角的微幅增加也延長了進排氣閥門同時開啟的時間，馬力因此獲得提升，使得引擎性能更加強化，同時達到減少油耗、減少汙染等優點。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧引擎

2‧‧‧汽缸頭

20‧‧‧容置空間

21‧‧‧進氣門閥彈簧座

22‧‧‧排氣門閥彈簧座

3‧‧‧凸輪軸

31‧‧‧進氣凸輪

32‧‧‧排氣凸輪

40‧‧‧電動馬達

41‧‧‧偏心軸

411‧‧‧偏心距

42‧‧‧搖臂軸

43‧‧‧螺旋齒輪組

431‧‧‧大螺旋齒輪

432‧‧‧小螺旋齒輪

51‧‧‧進氣搖臂

510‧‧‧進氣搖臂

52‧‧‧排氣搖臂

521‧‧‧回復彈簧

60‧‧‧汽門間隙

601‧‧‧高揚程位置

602‧‧‧低揚程位置

61‧‧‧進氣門閥

611‧‧‧門閥部

612‧‧‧頂出部

62‧‧‧排氣門閥

621‧‧‧門閥部

622‧‧‧頂出部

Claims (6)

1. 一種可變閥揚程機構，設置於一引擎之一汽缸頭中，該汽缸頭具有一容置空間，容置一凸輪軸座，該可變閥揚程機構包括有；一凸輪軸，設置於該凸輪軸座上，套設有一進氣凸輪；一偏心軸，耦接一電動馬達；一進氣搖臂，套設於該偏心軸上，且與該進氣凸輪相抵接；一進氣門閥，穿設於一位在該容置空間內之進氣門閥彈簧座中，作為該汽缸頭進氣量之控制機構，包括有一門閥部及一頂出部，該頂出部與該進氣搖臂具有一可變量之汽門間隙；以及一控制系統，電連接該電動馬達，包括有一參數控制器、一馬達控制器及一角度位置感知器，該參數控制器接收引擎及油門之狀態資訊並電耦接該馬達控制器，而該角度位置感知器偵測該電動馬達之相位變化，發出一回饋訊號至與該角度位置感知器電耦接之該馬達控制器，該馬達控制器驅動該電動馬達，進而控制與該電動馬達耦接之該偏心軸之軸心位置，用以回授控制該進氣門閥之開啟揚程。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可變閥揚程機構，其中，當該引擎於低轉速時，係減少該偏心軸之一偏心距以提升該汽門間隙，藉此降低該進氣門閥之開啟揚程。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可變閥揚程機構，其中，當該引擎於高轉速時，係增加該偏心軸之一偏心距以降低該汽門間隙，藉此提升該進氣門閥之開啟揚程。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可變閥揚程機構，其中，該偏心軸與該凸輪軸係平行設置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之可變閥揚程機構，其中，該進氣搖臂更包括一回復彈簧。
6. 如申請專利範圍第5項所述之可變閥揚程機構，其中，該回復彈簧係為一扭轉彈簧。