CN102061951A - 具有带有差异气门升程的同心凸轮轴的发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有带有差异气门升程的同心凸轮轴的发动机。一种凸轮轴组件可包括第一轴、第二轴、第一凸角和第二凸角。所述第二轴可与第一轴同轴且能相对于第一轴旋转。所述第一凸角可与第一轴固定以便一起旋转且适合于开启与发动机燃烧室连通的第一气门。第一凸角可限定具有第一角范围的第一气门开启区域。所述第二凸角可与第二轴固定以便一起旋转且适合于开启与发动机燃烧室连通的第二气门。第二凸角可限定具有第二角范围的第二气门开启区域，第二角范围大于第一角范围。

Description

具有带有差异气门升程的同心凸轮轴的发动机
技术领域
本发明涉及发动机气门机构，且更具体地涉及具有差异气门升程的同心凸轮轴组件。
背景技术
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且不必构成现有技术。
内燃机可燃烧气缸中的空气和燃料混合物，从而产生驱动扭矩。流入和流出气缸的空气和燃料流可以由气门机构控制。气门机构可包括凸轮轴，凸轮轴致动进气门和排气门，从而控制进入气缸的空气和燃料以及离开气缸的排气的定时和量。
发明内容
一种凸轮轴组件可包括第一轴、第二轴、第一凸角和第二凸角。所述第二轴可与第一轴同轴且能相对于第一轴旋转。所述第一凸角可与第一轴固定以便一起旋转且适合于开启与发动机燃烧室连通的第一气门。第一凸角可限定具有第一角范围的第一气门开启区域。所述第二凸角可与第二轴固定以便一起旋转且适合于开启与发动机燃烧室连通的第二气门。第二凸角可限定具有第二角范围的第二气门开启区域，第二角范围大于第一角范围。
一种发动机组件可包括发动机结构、第一气门、第二气门、第一气门升程组件、第二气门升程组件以及凸轮轴组件。所述发动机结构可限定燃烧室以及与所述燃烧室连通的第一口和第二口。第一气门可由发动机结构支撑且可选择性地开启和关闭第一口。第二气门可由发动机结构支撑且可选择性地开启和关闭第二口。第一气门升程组件可与第一气门接合，第二气门升程组件可与第二气门接合。凸轮轴组件可由发动机结构旋转地支撑，且可包括第一轴、第二轴、第一凸角和第二凸角。所述第二轴可与第一轴同轴且能相对于第一轴旋转。所述第一凸角可与第一轴固定以便一起旋转且与第一气门升程机构接合。第一凸角可限定具有第一角范围的第一气门开启区域。所述第二凸角可与第二轴固定以便一起旋转且与第二气门升程机构接合。第二凸角可限定具有第二角范围的第二气门开启区域，第二角范围大于第一角范围。
方案1.一种凸轮轴组件，包括：
第一轴；
第二轴，所述第二轴与第一轴同轴且能相对于第一轴旋转；
第一凸角，所述第一凸角与第一轴固定以便一起旋转且适合于开启与发动机燃烧室连通的第一气门，第一凸角限定具有第一角范围的第一气门开启区域；和
第二凸角，所述第二凸角与第二轴固定以便一起旋转且适合于开启与发动机燃烧室连通的第二气门，第二凸角限定具有第二角范围的第二气门开启区域，第二角范围大于第一角范围。
方案2.根据方案1所述的凸轮轴组件，其中，第一凸角包括限定第一角范围的第一开始点和第一结束点，第二凸角包括限定第二角范围的第二开始点和第二结束点，当第二凸角处于第一位置时，第二开始点在凸轮轴组件的旋转方向上位于距第一开始点至少5度处。
方案3.根据方案2所述的凸轮轴组件，其中，第二凸角能在与凸轮轴组件的旋转方向相反的旋转方向上从第一位置旋转至第二位置。
方案4.根据方案3所述的凸轮轴组件，其中，当第二凸角处于第一位置时，第一结束点和第二结束点彼此相差5度以内。
方案5.根据方案3所述的凸轮轴组件，其中，当第二凸角处于第二位置时，第一开始点在凸轮轴组件的旋转方向上超过第二开始点。
方案6.根据方案1所述的凸轮轴组件，其中，第二角范围比第一角范围大至少5％。
方案7.根据方案1所述的凸轮轴组件，其中，第二角范围比第一角范围大至少5度。
方案8.根据方案1所述的凸轮轴组件，其中，第一凸角和第二凸角是进气凸角。
方案9.根据方案1所述的凸轮轴组件，其中，第二轴被旋转地支撑在第一轴内。
方案10.一种发动机组件，包括：
发动机结构，所述发动机结构限定燃烧室以及与所述燃烧室连通的第一口和第二口；
第一气门，第一气门由发动机结构支撑且选择性地开启和关闭第一口；
第二气门，第二气门由发动机结构支撑且选择性地开启和关闭第二口；
第一气门升程组件，所述第一气门升程组件与第一气门接合；
第二气门升程组件，所述第二气门升程组件与第二气门接合；以及
凸轮轴组件，所述凸轮轴组件由发动机结构旋转地支撑，且包括：
第一轴；
第二轴，所述第二轴与第一轴同轴且能相对于第一轴旋转；
第一凸角，所述第一凸角与第一轴固定以便一起旋转且与第一气门升程机构接合，第一凸角限定具有第一角范围的第一气门开启区域；和
第二凸角，所述第二凸角与第二轴固定以便一起旋转且与第二气门升程机构接合，第二凸角限定具有第二角范围的第二气门开启区域，第二角范围大于第一角范围。
方案11.根据方案10所述的发动机组件，其中，第一凸角包括限定第一角范围的第一开始点和第一结束点，第二凸角包括限定第二角范围的第二开始点和第二结束点，当第二凸角处于第一位置时，第二开始点在凸轮轴组件的旋转方向上位于距第一开始点至少5度处。
方案12.根据方案11所述的发动机组件，其中，第二凸角能在与凸轮轴组件的旋转方向相反的旋转方向上从第一位置旋转至第二位置。
方案13.根据方案12所述的发动机组件，其中，当第二凸角处于第一位置时，第一结束点和第二结束点彼此相差5度以内。
方案14.根据方案12所述的发动机组件，其中，当第二凸角处于第二位置时，第一开始点在凸轮轴组件的旋转方向上超过第二开始点。
方案15.根据方案10所述的发动机组件，其中，第二角范围比第一角范围大至少5％。
方案16.根据方案10所述的发动机组件，其中，第一凸角和第二凸角是进气凸角。
方案17.根据方案10所述的发动机组件，其中，第二气门具有比第一气门更大的截面面积。
方案18.根据方案17所述的发动机组件，其中，第二气门的截面面积比第一气门的截面面积大至少10％。
方案19.根据方案10所述的发动机组件，还包括凸轮移相器，所述凸轮移相器包括由曲轴旋转地驱动的第一构件和能相对于第一构件旋转的第二构件，第一轴与第一构件固定以便一起旋转，第二轴与第二构件固定以便一起旋转。
方案20.根据方案19所述的发动机组件，其中，第二轴被旋转地支撑在第一轴内。
进一步的应用领域从下文提供的说明显而易见。应当理解的是，该发明内容中的说明和具体示例仅旨在用于说明的目的且并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
本文所述的附图仅仅用于图示目的，且不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图1是根据本发明的发动机组件的平面图；
图2是图1的发动机组件的示意性截面图；
图3是图1的发动机组件的进气口和排气口的示意图；
图4是图1所示的进气凸轮移相器和进气凸轮轴组件的透视图；
图5是图1所示的进气凸轮轴组件的分解透视图；
图6是图1的进气凸轮移相器处于提前位置的示意图；
图7是图1的进气凸轮移相器处于延迟位置的示意图；
图8是根据本发明的进气凸轮凸角处于提前位置的示意图；
图9是根据本发明的图8的进气凸轮凸角处于延迟位置的示意图；和
图10是根据本发明的气门开启曲线的曲线图。
在附图的几个视图中，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述本发明的示例。以下描述本质上仅仅是示例性的，且不旨在限制本发明、应用或使用。
参考图1-3，示出了发动机组件10。发动机组件10可包括：发动机结构12；旋转地支撑在发动机结构12上的进气和排气凸轮轴组件14、16；进气和排气凸轮移相器18、20；气门升程组件22；第一和第二进气门24、26；排气门28；活塞30和火花塞31。在该非限制性示例中，发动机组件10显示为具有发动机结构12的双顶置式凸轮轴发动机，发动机结构12包括旋转地支撑进气和排气凸轮轴组件14、16的气缸盖32。发动机结构12还可包括发动机本体34，发动机本体34与气缸盖32和活塞30协作以限定燃烧室36(图2)。
如图2和3所示，气缸盖32可限定用于每个燃烧室36的第一和第二进气口38、40以及第一和第二排气口42、44。第二进气口40可具有比第一进气口38更大的直径，因而具有更大的截面面积。通过非限制性示例，第二进气口40具有的截面面积(AP2)可以比第一进气口38的截面面积(AP1)大至少5％，更具体地比截面面积(AP1)大10％和30％之间。因而，第二进气口40可提供比第一进气口38大至少10％且具体地在20％和40％之间的流动容量。
第一进气门24可开启和关闭第一进气口38，第二进气门26可开启和关闭第二进气口40。因而，第二进气门26可大于第一进气门24。通过非限制性示例，第二进气门26具有的截面面积(AV2)可以比第一进气门24的截面面积(AV1)大至少10％，第二进气门26具有的直径(DV2)可以比第一进气门24的直径(DV1)大至少5％。更具体地，面积(AV2)可以比面积(AV1)大20％和40％之间，直径(DV2)可以比直径(DV1)大10％和20％之间。
如图4和5所示，进气凸轮轴组件14可包括：第一和第二进气凸角46、48；第一和第二轴50、52；以及燃料泵驱动凸角54。然而，应当理解的是，本发明同样适用于不包括燃料泵驱动凸角的凸轮轴组件。第一轴50可由发动机结构12旋转地支撑，第二轴52可旋转地支撑在第一轴50内。第一进气凸角46可定位在第一轴50上且与第一轴50固定以便一起旋转。第二进气凸角48可被旋转地支撑在第一轴50上且与第二轴52固定以便一起旋转。通过非限制性示例，第二进气凸角48可由销56联接至第二轴52，所述销56延伸通过第二进气凸角48中的孔58和第二轴52中的孔60。
如图6和7所示，进气凸轮移相器18可包括转子62、定子64和锁定机构66。定子64可由发动机曲轴(未示出)旋转地驱动，且转子62可被旋转地支撑在定子64内。转子62可包括径向延伸叶片68，其与定子64协作以限定与加压流体(例如，油)连通的液压提前腔室70和液压延迟腔室72。
第一轴50(从而第一进气凸角46)可与定子64固定以便一起旋转，第二轴52(从而第二进气凸角48)可与转子62固定以便一起旋转。转子62可从提前位置(图6)移动至延迟位置(图7)，以改变第二进气门26的开启定时。提前位置可对应于完全提前位置，延迟位置可对应于完全延迟位置。虽然显示为液压致动叶片移相器，但是应当理解的是，本发明并不限于这种设置。此外，虽然图6和7示出了进气凸轮移相器18处于完全提前位置和完全延迟位置，但是进气凸轮移相器18还可提供中间停放位置。通过非限制性示例，中间停放位置可包括锁定机构66在提前和延迟位置之间紧固转子62。
图8和9中示出了第一和第二进气凸角46、48。第一进气凸角46可限定第一气门开启区域74，第一气门开启区域74在第一开始(开启)点(O1)和第一结束(关闭)点(C1)之间具有第一角范围(θ1)。第二进气凸角48可限定第二气门开启区域76，第二气门开启区域76在第二开始(开启)点(O2)和第二结束(关闭)点(C2)之间具有第二角范围(θ2)。第二角范围(θ2)可大于第一角范围(θ1)。通过非限制性示例，第二角范围(θ2)可比第一角范围(θ1)大至少5％，更具体地比第一角范围(θ1)大10％和25％之间。因而，第二角范围(θ2)可比第一角范围(θ1)大至少5度，更具体地比第一角范围(θ1)大10度和25度之间。
进气凸轮移相器18可将第二进气凸角48从第一(提前)位置(图8)移动至第二(延迟)位置(图9)。在提前位置中，第一和第二开始点(O1、O2)可彼此旋转地偏移，第一和第二结束点(C1、C2)可彼此相差5度以内。更具体地，第一和第二结束点(C1、C2)可与彼此旋转地对齐。通过非限制性示例，第二开始点(O2)可在第一和第二进气凸角46、48的旋转方向(R)上位于第一开始点(O1)前面一定角度(θ3)。偏移角度(θ3)可以是至少5度，且更具体地在10度和25度之间。
在延迟位置中，第一和第二开始点(O1、O2)可彼此旋转地偏移，第一和第二结束点(C1、C2)也可彼此旋转地偏移。更具体地，第二开始点(O2)在旋转方向(R)上可位于第一开始点(O1)的后面。第二结束点(C2)在旋转方向(R)上也可位于第一结束点(C1)的后面。在进气凸轮移相器18提供中间停放位置的设置中，锁定机构66可将转子62紧固在第一和第二开始点(O1、O2)彼此旋转地对齐的位置。
图10示出了在操作期间第二进气门26相对于第一进气门24且相对于排气门28的移动。在图10所示的曲线图中，x轴表示进气和排气凸轮轴组件14、16的旋转角度，y轴表示气门升程。曲线(EA)表示排气凸轮轴组件16提前，曲线(ER)表示排气凸轮轴组件16延迟。曲线(I1)表示第一(固定)进气凸角46，曲线(I2A)表示第二(移相)进气凸角48提前，曲线(I2R)表示第二(移相)进气凸角48延迟。排气凸轮轴组件16和第二(移相)进气凸角48的提前和延迟位置可分别对应于完全提前和完全延迟位置。
如图10所示，在第二进气凸角48处于提前位置时，第二进气门26的开启在第一进气门24的开启之前发生，且第二进气门26的关闭与第一进气门24的关闭对齐。当第二进气凸角48处于延迟位置时，第二进气门26的开启在第一进气门24的开启之后发生，且第二进气门26的关闭在第一进气门24的关闭之后发生。同样，如图10所示，改变第二进气门26和排气门28的开启和关闭定时可用于改变气门重叠状况。本发明提供气门定时的更大可变性，以在不同发动机操作条件下实现有益效果。
通过非限制性示例，在低发动机速度宽开启节气门(WOT)条件期间，第二进气凸角48可处于第一(提前)位置，以优化容积效率和扭矩。在环境冷启动条件期间，第二进气凸角48也可处于第一(提前)位置，以增加第二进气门26和排气门28的开启之间的重叠水平。增加的重叠通常可提供用于减少来自于发动机组件10的烃(HC)排放物。在部分负载发动机条件期间，第二进气凸角48可处于第二(延迟)位置，以提供第二进气门26的延迟关闭，用于减少发动机泵送损失并改进燃料经济性。
在中等速度和高速WOT操作条件期间，第二进气凸角48可处于中间位置(在提前和延迟之间)，以优化第二进气门26的关闭定时，用于改进容积效率并增加扭矩和功率。在轻负载条件(例如，怠速)期间，第二进气凸角48还可处于中间位置，以提供第二进气门26和排气门28之间的减少重叠，并减少有效压缩比以优化轻负载燃烧稳定性。

Claims (10)

1.一种发动机组件，包括：
发动机结构，所述发动机结构限定燃烧室以及与所述燃烧室连通的第一口和第二口；
第一气门，第一气门由发动机结构支撑且选择性地开启和关闭第一口；
第二气门，第二气门由发动机结构支撑且选择性地开启和关闭第二口；
第一气门升程组件，所述第一气门升程组件与第一气门接合；
第二气门升程组件，所述第二气门升程组件与第二气门接合；以及
凸轮轴组件，所述凸轮轴组件由发动机结构旋转地支撑，且包括：
第一轴；
第二轴，所述第二轴与第一轴同轴且能相对于第一轴旋转；
第一凸角，所述第一凸角与第一轴固定以便一起旋转且与第一气门升程机构接合，第一凸角限定具有第一角范围的第一气门开启区域；和
第二凸角，所述第二凸角与第二轴固定以便一起旋转且与第二气门升程机构接合，第二凸角限定具有第二角范围的第二气门开启区域，第二角范围大于第一角范围。
2.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，第一凸角包括限定第一角范围的第一开始点和第一结束点，第二凸角包括限定第二角范围的第二开始点和第二结束点，当第二凸角处于第一位置时，第二开始点在凸轮轴组件的旋转方向上位于距第一开始点至少5度处。
3.根据权利要求2所述的发动机组件，其中，第二凸角能在与凸轮轴组件的旋转方向相反的旋转方向上从第一位置旋转至第二位置。
4.根据权利要求3所述的发动机组件，其中，当第二凸角处于第一位置时，第一结束点和第二结束点彼此相差5度以内。
5.根据权利要求3所述的发动机组件，其中，当第二凸角处于第二位置时，第一开始点在凸轮轴组件的旋转方向上超过第二开始点。
6.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，第二角范围比第一角范围大至少5％。
7.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，第一凸角和第二凸角是进气凸角。
8.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，第二气门具有比第一气门更大的截面面积。
9.根据权利要求8所述的发动机组件，其中，第二气门的截面面积比第一气门的截面面积大至少10％。
10.根据权利要求1所述的发动机组件，还包括凸轮移相器，所述凸轮移相器包括由曲轴旋转地驱动的第一构件和能相对于第一构件旋转的第二构件，第一轴与第一构件固定以便一起旋转，第二轴与第二构件固定以便一起旋转。
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