具有落座缓冲功能的旋转柱塞式内燃机全可变配气机构

技术领域

本发明涉及的是一种内燃机，具体地说是内燃机的配气机构。

背景技术

内燃机作为交通运输、工程机械、农业机械、渔业船舶等领域的主导动力设备，发展至今已有百余年的历史，它以热效率较高、适应性好、技术成熟可靠、功率范围广等优点得到人们的极大认可。但在其广泛应用的同时也带来了诸如污染物排放严重等问题。因此，为实现节能减排、减振降噪等目标，各大企业及高校研究人员陆续开展相关创新技术研究。其中，作为现代内燃机关键设备之一的可变配气系统更是受到了众多研究者的青睐。传统的配气机构主要由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气阀弹簧、气阀和气阀座组成，具有结构简单、响应速度快、可靠性高等优点。但其劣势也是显而易见的，面临着传动机构体积较大、冲击较为剧烈以及振动噪声较大等问题，而这其中最为关键的就是配气参数的不变性，这就限制了发动机不能在任意工况下将其性能发挥到极致。可变气门技术可根据发动机转速及负荷，合理控制气门开启时间、关闭时间及气门升程大小，提升发动机进、排气性能，满足发动机在不同转速及负荷的功率输出、燃油消耗及尾气排放的要求，提升发动机综合性能。

在众多类型的可变配气机构中，电液驱动可变配气机构更是以其较高的灵活性和可靠性脱颖而出，然而目前所研究的电液驱动可变配气机构中依旧存在着配气参数变化范围小、配气相位与气门最大升程不能实现独立灵活的可控与气门落座冲击较大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供能够在较大转速范围内实现配气参数实时可变且能够降低气门落座冲击的具有落座缓冲功能的旋转柱塞式内燃机全可变配气机构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明具有落座缓冲功能的旋转柱塞式内燃机全可变配气机构，其特征是：包括执行器、高压油轨、两位三通电磁阀、油箱，高压油轨的入口通过定量泵连接油箱，高压油轨的出口连通两位三通电磁阀，两位三通电磁阀连接执行器。

本发明还可以包括：

1、所述执行器包括缸体、柱塞杆，缸体里设置柱塞腔，柱塞杆头部安装柱塞，柱塞杆和柱塞安装在柱塞腔里，柱塞上方形成柱塞上腔，柱塞与缸体形成柱塞中腔，柱塞下方形成柱塞下腔。

2、柱塞杆下端部设置与齿条啮合的螺纹，齿条连接步进电机，柱塞杆下方设置气门，气门上安装气门弹簧。

3、缸体里设置缓冲腔和泄油孔道，柱塞位于最下方位置时，柱塞将泄油孔道与柱塞下腔隔断，柱塞位于其它位置时，泄油孔道与柱塞下腔相通；缓冲腔里设置缓冲柱塞，缓冲柱塞上方设置缓冲腔弹簧，缓冲柱塞下方形成缓冲腔下腔，缓冲腔下腔与泄油孔道相通。

4、柱塞里设置相通的轴向阻尼孔和径向阻尼孔。

5、气门开启动作过程中，柱塞向下运动，下行动作停止瞬间，柱塞侧面将泄油孔道封死，柱塞下腔中的一部分液压油被挤压至缓冲腔下腔，一部分液压油被锁死在柱塞下腔，气门下行动作在被锁死在柱塞下腔中的液压油压力的作用下结束。

6、当需要调节升程时，步进电动机带动柱塞杆旋转，柱塞下端面为斜面结构，通过齿条带动柱塞进行旋转时，改变柱塞上封住泄油孔道的位置，即改变柱塞的纵向有效位移。

本发明的优势在于：

1、本发明可以实现气门正时与气门最大升程的独立控制。

2、本发明所占体积较小、结构简单、加工制造方便，仅使用一个两位三通电磁阀就实现了对气门正时的任意调节。

3、通过旋转柱塞来控制柱塞纵向有效位移(柱塞从初始位置纵向移动直到将泄油孔道堵住的距离)，用这种方法来灵活的控制升程。

4、在气门落座过程中表现出的液压节流效果，使气门落座时具有较低的落座速度，相对其他可变配气装置大大减小了气门落座冲击，降低了发动机由于气门落座冲击而产生的振动和噪声。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的可变配气机构执行器的结构示意图；

图3为可变配气机构执行器柱塞上突起圆柱体结构局部放大示意图；

图4a为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时下行工作过程示意图a，图4b为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时下行工作过程示意图b，图4c为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时下行工作过程示意图c，图4d为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时下行工作过程示意图d；

图5a为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时上行工作过程示意图a，图5b为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时上行工作过程示意图b，图5c为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时上行工作过程示意图c，图5d为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最大时上行工作过程示意图d；

图6a为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时下行工作过程示意图a，图6b为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时下行工作过程示意图b，图6c为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时下行工作过程示意图c，图6d为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时下行工作过程示意图d；

图7a为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时上行工作过程示意图a，图7b为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时上行工作过程示意图b，图7c为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时上行工作过程示意图c，图7d为可变配气机构执行器柱塞旋转至气门升程最小时上行工作过程示意图d。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-7d，本发明一种具有落座缓冲功能的旋转柱塞式内燃机全可变配气机构，包括可变配气机构执行器及液压系统。

所述可变配气执行器包括缸体13、安装底座15、柱塞腔、具有倾斜下端面和突起圆柱体结构的柱塞22、柱塞杆31、泄油孔29、缓冲腔、缓冲腔弹簧26、缓冲腔柱塞27、液压堵头、步进电动机总成17，突起圆柱体结构内部具有的径向阻尼孔33和轴向阻尼孔32，柱塞杆31的下端设置外螺纹，齿条与柱塞杆31 的外螺纹相互啮合，进(回)油管连接执行器的进(回)油口14，并在油管上设置两位三通电磁阀12，电磁阀由ECU9控制。

柱塞腔被柱塞22分为柱塞上腔24、柱塞中腔23和柱塞下腔21，缓冲腔具有一个缓冲腔下腔28，柱塞下腔21与缓冲腔下腔28通过一个泄油孔道29连通；

柱塞22上端面突起圆柱体结构内部的径向阻尼孔33和轴向阻尼孔32相连通，柱塞22下端面为倾斜截面，截面与柱塞22轴向具有一定的倾斜角度。

柱塞22上端面具有一个突起圆柱体结构，其直径与柱塞上腔24直径相等且小于柱塞22直径。

步进电动机总成17包括步进电动机与齿条，步进电动机受ECU9控制带动齿条直线运动，同时，由于齿条与柱塞杆31下端外螺纹啮合，因此齿条会带动柱塞杆31实现周向旋转运动。

液压系统包括：油箱1、过滤器2、液压油泵5、电动机4、蓄能器6、高压油轨7，高压油轨7上设置稳压阀及压力传感器8，ECU9采集压力传感器8 的压力信号，同时高压油轨7上的溢流口通过溢流阀3连接油箱。

系统初次工作前，需要通过在泄油孔道堵头安装位置30向柱塞下腔21、缓冲腔下腔28与泄油孔道29中加注液压油，使容腔内充满液压油，并在25、 30两处安装液压油堵头，系统未启动时，柱塞22处于初始位置，即柱塞22上端面的突起圆柱体结构在气门弹簧18的作用下完全插入柱塞上腔24内，电磁阀12处于将缸体13与油箱1连通状态。

柱塞旋22转至气门升程最大位置处，当需要气门19开启时，电动机4带动液压泵5，将液压油从油箱1中泵出，中间的过滤器2过滤掉其中的杂质，保证进入油路的液压油的清洁，蓄能器6保证液压油路压力的稳定，减少压力波动，之后高压油流入高压油轨7，在其上安装有压力传感器8，实时传输压力信号到电子控制单元ECU9，油轨上安装有高压溢流阀3，当油压过高时溢流阀 3开启，起限制系统压力作用，电子控制单元9控制电磁阀12两位的切换，电磁阀12切换至缸体与高压油连通时，高压油进入到液压缸13中，使柱塞上腔 24压力升高，当液压油作用在柱塞22上的力大于气门回复弹簧18的预紧力时，推动柱塞22向下运动，从而使气门19开启，上述过程即为图4.a、图4.b、图 4.c所示过程。

当需要气门19关闭时，电磁阀12切换至缸体13与油箱1连通位置，在气门弹簧18的作用下，气门19向上运动，从而推动柱塞22向上运动，将柱塞中腔23与柱塞上腔24中的大部分液压油通过进(回)油口排回油箱1，柱塞22 和气门19回到初始位置，完成一个循环，上述过程即为图5a、图5b、图5c、图5d所示过程。

在控制气门19开启与关闭的过程中，电子控制单元9接受来自曲轴端的转速信号，根据不同的转速匹配不同的电磁阀12位置切换时刻，来实现配气机构正时可变。

气门19开启动作过程中，柱塞22向下运动，下行动作停止瞬间，柱塞22 侧面将泄油孔道29完全封死(即图4.d所示位置)，柱塞下腔21中的一部分液压油被挤压至缓冲腔下腔28，一部分液压油被锁死在了柱塞下腔21，由于这部分被锁死在柱塞下腔21中的液压油的存在，使得气门下行动作结束。所以，当需要调节升程时，电子控制单元ECU9向步进电动机驱动器16发出驱动信号，使得步进电动机总成17带动柱塞杆31旋转，由于柱塞22下端面的斜面结构，通过齿条带动柱塞22进行旋转时，可改变柱塞上封住泄油孔道29的位置，也就是改变了柱塞22的纵向有效位移(柱塞从初始位置纵向移动直到将泄油孔道堵住的距离)，柱塞22有效位移距离越长，气门的升程也就越大，通过传感器接收到的转速信号来匹配不同的升程，实现升程的柔性可调。

设计执行器结构时，在柱塞22上端面设计了一个突起圆柱体结构，其内部具有相互连通的径向阻尼孔33和轴向阻尼孔32，所以柱塞22从突起圆柱体刚进入柱塞上腔的位置(图5c阻尼孔发挥作用位置)到柱塞22回到初始位置(图 5d上行终点位置)这一气门落座过程中，存留在柱塞中腔23的液压油在压力作用下只能通过径向阻尼孔33和轴向阻尼孔32流回油箱1，在这一过程中由于液压油流通面积的突减而表现出的液压节流效果，降低了气门落座的速度以及冲击力，起到了一定的缓冲减震的作用。

图6、图7分别为旋转柱塞至气门升程最小时位置时的工作过程，整个过程与上述图4、图5工作过程相同。