CN102852581B - 可变气门正时装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变气门正时装置，用于控制车辆发动机的气门的开启和关闭正时，包括：凸轮轴，用于驱动气门的开启和关闭；驱动凸轮轴的旋转驱动部件，其能够与发动机曲轴同步转动，并且可与凸轮轴相对转动；相位调节机构，用于改变旋转驱动部件与凸轮轴之间的相对旋转相位，以允许至少调节气门的开启正时；其中相位调节机构包括电机，其仅与所述凸轮轴传动连接，在需要提前开启气门时，电机驱动凸轮轴相对于旋转驱动部件向前转动，从而提前开启气门。利用本发明的可变气门正时装置，可以实现气门的持续开启，在高转速高负荷工况下，相比现有技术进气量更大；可以减轻配气机构整体重量，并且可以通过对缸盖***较小的改动即可实现，通用性强。

Description

可变气门正时装置

技术领域

本发明涉及汽车领域，更具体地说，涉及可变气门正时装置。

背景技术

从现有技术中已知，发动机转速越高，气缸一个工作循环周期内进气的时间就越短。高转速大负荷时要求有更多的进气量提高发动机的燃烧效率，从而使发动机有较高的动力输出；低转速小负荷时则不需要过多的进气量就能满足发动机需求，从而实现良好的燃油经济性。因此，越来越多的车辆发动机采用可变气门正时(VVT)技术来改变进气门和排气门的气门正时。

传统的VVT技术通过调节气门提前开启可以在一定程度上提高发动机的动力和燃油经济性，但是气门正时***并没有改变气门开启的持续时间，单位时间内的进气量改善不大，因此对于发动机的性能帮助也不大。现在市场上的的i-VTEC***，通过增加第三根摇臂和第三个凸轮来同时实现气门的正时和升程可变，增加高速时单位时间的进气量，从而发动机动力更强。但这种技术的应用缺陷是机构复杂，动力输出不够线性。其他的连续可变气门升程技术，虽然动力输出平顺性有所提升，但是执行元件却越加复杂。

综合分析市场上几种气门升程可变技术，均是以凸轮轴为动力源，驱动复杂的运动副，通过机械运动改变气门升程，此类机构结构复杂，零部件众多，势必增加整机重量；运动繁琐，不可避免地造成摩擦损失；过多的位置需要冷却润滑，对油路的设计有着近乎苛刻的要求；为装配这种机构，缸盖***需要进行大面积修改，通用性差。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术中的至少一个缺陷。本发明的另一个目的在于提供一种新颖的可变气门正时方法和装置。本发明的再一个目的在于提供一种实现气门持续开启的可变气门正时方法和装置。

为了实现上述至少一个目的，按照本发明的一个方面，本发明提供了一种可变气门正时装置，用于控制车辆发动机的气门的开启和关闭正时，该装置包括：

凸轮轴，用于驱动所述气门的开启和关闭；

用于驱动所述凸轮轴的旋转驱动部件，所述旋转驱动部件能够与发动机曲轴同步转动，并且，所述旋转驱动部件与所述凸轮轴可相对转动；

相位调节机构，用于改变所述旋转驱动部件与所述凸轮轴之间的相对旋转相位，以允许至少调节所述气门的开启正时；

其中，所述相位调节机构包括电机，所述电机的电机轴仅与所述凸轮轴传动连接，在需要提前开启气门时，所述电机驱动所述凸轮轴相对于所述旋转驱动部件向前转动，从而提前开启所述气门。

所述气门可以为进气门或排气门。

在一个实施例中，所述旋转驱动部件可以布置成通过与所述凸轮轴直接接触来驱动所述凸轮轴。

优选地，所述相位调节机构还可以包括设于所述凸轮轴上的单向传动结构，所述电机的电机轴通过所述单向传动结构与所述凸轮轴传动连接，使得所述电机能够驱动所述凸轮轴向前转动，但所述凸轮轴的向前转动不能反拖所述电机轴转动。

所述单向传动结构可以包括飞轮、单向轴承或电磁离合器。

在一个实施例中，所述凸轮轴的内部具有沿所述凸轮轴的轴向方向延伸的空腔，所述旋转驱动部件为内轴的形式，并从所述凸轮轴的一个端部进入所述凸轮轴的空腔内并在其内延伸；所述凸轮轴的内壁与所述旋转驱动部件的外壁中的一个上具有卡槽，所述凸轮轴的内壁与所述旋转驱动部件的外壁中的另一个上具有能够伸入所述卡槽内的凸起，所述卡槽和所述凸起的尺寸构造成使得所述凸轮轴与所述旋转驱动部件之间能够通过所述凸起在所述卡槽内移动而进行相对转动，并且能够通过相互抵靠而由所述旋转驱动部件驱动所述凸轮轴。

优选地，所述卡槽的尺寸相对于所述旋转驱动部件的转动中心呈现为基本上60度角，所述凸起的尺寸相对于所述旋转驱动部件的转动中心呈现为基本上30度角。

优选地，所述旋转驱动部件的内部设有沿所述旋转驱动部件的轴向方向延伸的油道，并且所述旋转驱动部件还具有从所述油道通向所述旋转驱动部件外部的油腔。

优选地，所述凸轮轴的两端设有油封。

在一个实施例中，所述旋转驱动部件上设有正时链轮，用于由所述发动机的曲轴驱动进行同步转动。

按照本发明的另一方面，提供了一种可变气门正时方法，用于控制车辆发动机的气门的开启和关闭正时，所述方法包括：

提供凸轮轴，用于驱动所述气门的开启和关闭；

提供用于驱动所述凸轮轴的旋转驱动部件，所述旋转驱动部件能够与发动机曲轴同步转动，并且，所述旋转驱动部件与所述凸轮轴可相对转动；

提供相位调节机构，用于改变所述旋转驱动部件与所述凸轮轴之间的相对旋转相位，以允许至少调节所述气门的开启正时；

其中，在需要提前开启气门时，由所述相位调节机构驱动所述凸轮轴相对于所述旋转驱动部件向前转动；

当所述凸轮轴旋转到使得所述气门处于基本上最大升程的位置时，由所述相位调节机构将所述凸轮轴保持在当前位置，从而将所述气门保持为所述基本上最大升程；

所述凸轮轴在所述当前位置保持一段预定时间之后，由所述旋转驱动部件驱动所述凸轮轴继续转动。

所述气门可以为进气门或排气门。

在一个实施例中，可以由所述相位调节机构通过液压驱动的方式来改变所述旋转驱动部件与所述凸轮轴之间的相对旋转相位。

在一个实施例中，由所述相位调节机构通过电机驱动的方式来改变所述旋转驱动部件与所述凸轮轴之间的相对旋转相位。其中，所述相位调节机构可以包括电机，通过将所述电机的电机轴仅与所述凸轮轴传动连接，从而在需要提前开启气门时，由所述电机驱动所述凸轮轴相对于所述旋转驱动部件向前转动，从而提前开启所述气门。

优选地，所述相位调节机构还包括设于所述凸轮轴上的单向传动结构，通过将所述电机的电机轴经由所述单向传动结构与所述凸轮轴传动连接，使得所述电机能够驱动所述凸轮轴向前转动，但所述凸轮轴的向前转动不能反拖所述电机轴转动。

在一个实施例中，可以通过使得所述旋转驱动部件与所述凸轮轴直接接触来驱动所述凸轮轴。

在一个实施例中，在所述凸轮轴的内部提供沿所述凸轮轴的轴向方向延伸的空腔，所述旋转驱动部件为在所述空腔内延伸的内轴的形式，在所述凸轮轴的内壁与所述旋转驱动部件的外壁中的一个上提供卡槽，在所述凸轮轴的内壁与所述旋转驱动部件的外壁中的另一个上提供能够伸入所述卡槽内的凸起；通过所述凸起与所述卡槽的接触，而由所述旋转驱动部件驱动所述凸轮轴，并且，通过所述凸起在所述卡槽内移动，而使得所述凸轮轴相对于所述旋转驱动部件转动。

优选地，所述凸轮轴相对于所述旋转驱动部件的最大转动角度为基本上30度角。

在一个实施例中，可以在所述旋转驱动部件上提供与所述发动机传动连接的正时链轮，从而由所述发动机的曲轴驱动所述旋转驱动部件进行同步转动。

本发明可以的可变气门正时装置和方法可以改变气门的开启持续时间，从而实现不同工况下进气量和/或排气量的不同。而且，本发明在不使用现有的VVT***时就能实现发动机正时控制，相比其他改变发动机进气量技术具有如下优势：

1)气门开启持续时间可调，最大调节范围30°凸轮轴转角；

2)高转速、高负荷工况下，相比可变气门升程技术，进气量更大；

3)OCV阀油压只需保证凸轮轴内外轴润滑，机油消耗率低，机油泵负载低；

4)发动机正时可以直接由ECU控制，精度更高；

5)发动机正时调节可以由高频步进电机执行，响应快，且不受负荷影响；

6)可以减轻配气机构整体重量；

7)缸盖***可以通过较小的改动即可满足本发明配气机构布置，通用性强。

附图说明

图1是按照本发明的可变气门正时装置的一个实施例；

图2是图1所示可变气门正时装置沿A-A向的剖视图；

图3是图2中I部的局部放大图；

图4是按照本发明的可变气门正时方法的一个实施例获得的气门升程曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细描述。

图1示出了本发明的用于控制车辆发动机的气门的开启和关闭正时的可变气门正时装置的一个实施例。该可变气门正时装置包括凸轮轴6。凸轮轴6上设有若干凸轮3，凸轮轴6在转动时通过凸轮3来驱动发动机气门(未示出)的开启和关闭。

旋转驱动部件7用于驱动该凸轮轴6。旋转驱动部件7上设有正时链轮1，正时链轮1通过正时链条或正时皮带(未示出)与发动机的曲轴连接。这样，旋转驱动部件7则可以在发动机曲轴的驱动下与曲轴同步转动。

结合图1和图2看得更清楚，凸轮轴6为外轴的形式，其内部具有沿其轴向方向L延伸的空腔，而旋转驱动部件7为内轴的形式，从凸轮轴6的一个端部进入该空腔内并在该空腔内延伸。这样，凸轮轴6和旋转驱动部件7总体上形成为沿轴向方向L套装的外轴和内轴的形式。

旋转驱动部件7与凸轮轴6之间可沿周向相对转动。如图3所示，凸轮轴6的内壁上具有卡槽10，旋转驱动部件7的外壁上具有伸入卡槽10内的凸起9。卡槽10和凸起9的尺寸构造成使得凸轮轴6与旋转驱动部件7之间能够通过凸起9在卡槽10内沿周向移动而进行相对转动。并且，当凸起9沿周向抵靠卡槽10的一端时，旋转驱动部件7能够通过与凸轮轴6直接接触来驱动凸轮轴6转动。在其它实施例中，可以在旋转驱动部件7的外壁上设置卡槽，而在凸轮轴6的内壁上设置凸起。

在图3所示实施例中，卡槽10的尺寸设置成相对于旋转驱动部件7的转动中心呈现为基本上60度角，凸起9的尺寸设置成相对于旋转驱动部件7的转动中心呈现为基本上30度角。这样，凸轮轴6和旋转驱动部件之间的旋转相位最大相差基本上为30度。

相位调节机构包括电机11以及设置在凸轮轴6上的单向传动结构5。电机11可以通过单向传动结构5来驱动凸轮轴6沿其原有转动方向加速转动，从而使得凸轮轴6相对于旋转驱动部件7沿向前的方向转动，从而改变旋转驱动部件7与凸轮轴6之间的相对旋转相位，以允许至少调节气门的开启正时。在需要提前开启气门时，电机11驱动凸轮轴6相对于旋转驱动部件7向前转动，即沿旋转驱动部件7的转动方向向前转动，从而提前开启所述气门。需要注意的是，在这里，电机11仅与凸轮轴6传动连接，并不与旋转驱动部件7及其正时链轮1有任何形式的传动连接。具体地，如图1所示，电机11的电机轴12通过传动链条或传动皮带13与单向传动结构5连接。在一个实施例中，该电机11可以是步进电机。

凸轮轴6上的单向传动结构5用于使得电机11能够驱动凸轮轴6向前转动，但凸轮轴6的向前转动不能反拖所述电机轴转动。这样的单向传动结构5可以构成为类似于自行车上的飞轮的形式，或者单向轴承的形式，或者是具有电磁离合器的传动结构的形式。

为了确保旋转驱动部件7与凸轮轴6之间的润滑和/或冷却，旋转驱动部件7的内部设有沿其轴向方向延伸的油道14。并且，在旋转驱动部件7设有从油道14通向旋转驱动部件的外部的油腔8。该油腔8可以设置在旋转驱动部件7上与凸轮轴6的凸轮3相对应的位置。这样，机油可以通过油腔8进入到旋转驱动部件7与凸轮轴6之间的间隙位置，起到润滑和/或冷却的作用。可以在凸轮轴6的两端分别设有油封2，以防止机油的泄漏。

凸轮轴6上还可以设有相位信号轮，用于与相应的传感器配合使用，以提供凸轮轴6的旋转位置或相位。

该凸轮轴6可以是进气凸轮轴或排气凸轮轴，对应驱动发动机进气门或排气门的开启和关闭。

下面介绍图1-图3所示的可变气门正时装置进行气门正时的方法的一个实施例。

在不需要改变气门正时的时候，发动机的曲轴通过正时链轮1来驱动旋转驱动部件7同步转动。旋转驱动部件7的凸起9与凸轮轴6的卡槽10在周向上抵靠，从而由旋转驱动部件7驱动凸轮轴6同步转动，以完成每个冲程。由凸轮轴6上的凸轮3驱动发动机的气门进行开启和关闭。此时，由于单向传动结构5的特性，凸轮轴6的转动不会经由传动链条或传动皮带13拖动电机11的电机轴12转动。

ECU根据发动机各传感器的输入信号计算出每缸每循环最佳进气量、气门最佳开启时刻。在需要提前开启气门时，由ECU向电机11，如步进电机11输入驱动信号。电机11根据驱动信号的频率和数量做出响应，转动需要的角度。因电机11的转速远高于凸轮轴6的当前转速，因此电机11经由传动链条或传动皮带13和单向传动结构5驱动凸轮轴6加速转动，从而相对于旋转驱动部件7向前转动。该过程相当于对发动机的气门进行了正时调节。如图3所示，凸轮轴6相对于旋转驱动部件7的最大转动角度为基本上30度角，也就是说，满相位调节为30度。

当凸轮轴6旋转到使得气门处于基本上最大升程的位置时，电机11停止驱动凸轮轴6继续转动，但可以继续通电而将凸轮轴6保持在当前位置，从而将气门保持为在该基本最大升程处。同时，发动机的曲轴通过正时链轮1来驱动旋转驱动部件7继续转动，直至该旋转驱动部件7跟上凸轮轴6的当前保持位置，从而按照前述的方式继续驱动凸轮轴6同步转动。此时，电机11可断电。

由此可见，在旋转驱动部件7跟上凸轮轴6并继续驱动凸轮轴6之前，凸轮轴6已经在使得气门处于最大升程状态(即最大开启状态)的当前位置处保持了一段时间。因此，如果该凸轮轴6是进气凸轮轴，这样就能够极大地改善进气门的进气量，从而保证高负荷工况的动力性。

现有的大多数发动机上使用的VVT(可变气门正时)调节速度是0.0725°/ms(凸轮转角)，满调节相位是30°凸轮转角，计算得出满相位调节周期是413.8ms，此类VVT驱动器已能够满足发动机的相位调节设计需求。在本发明的实施例中，可以用一驱动频率600Hz、步进角0.75°的步进电机11，且该步进电机11与单向传动结构5的传动比为2:1，则计算得出满相位调节周期是133.3ms。由此可见这样的步进电机11的正时调节速度可以满足发动机对正时的需求。

图4示出了按照前述可变气门正时方法获得的气门升程曲线图。其中，图中的曲线41(用实线表示的曲线)表示调节后的气门升程曲线，曲线42(虚线以及该虚线右侧的实线)表示未调节的气门升程曲线。可以看出，对于调节后的气门升程曲线41，其气门开启时间提前，并且气门在最大升程处保持了一段时间。

在本发明中，凸轮轴6的凸轮3的型线只需满足发动机低负荷时的进气量即可，当负荷增加时，则电机11可以按照ECU的指令以前述的方式提前打开气门，增加进气时间。气门最大升程开启最长持续时间可以需满足发动机最高负荷的进气要求。

前文描述了本发明的可变气门正时装置的一个实施例，以及利用该可变气门正时装置实施的可变气门正时方法。应当理解，本发明的可变气门正时装置不局限于实施前述的可变气门正时方法，而是可以用于其它的可变气门正时方法，例如用于获得不同于图4的气门升程曲线。还应当理解，本发明的可变气门正时方法也不局限于用图1-图3所示的由电机驱动的可变气门正时装置来实现，而是可以由其它的可变气门正时装置来实现，只要满足如下特征即可：即，在需要提前开启气门时，相位调节机构驱动所述凸轮轴相对于所述旋转驱动部件向前转动；当所述凸轮轴旋转到使得所述气门处于基本上最大升程的位置时，由所述相位调节机构将所述凸轮轴保持在当前位置，从而将所述气门保持为所述基本上最大升程；所述凸轮轴在所述当前位置保持一段预定时间之后，由所述旋转驱动部件驱动所述凸轮轴继续转动。例如可以由现有的液压驱动的可变气门正时装置来实现，通过液压驱动的方式来改变旋转驱动部件与凸轮轴之间的相对旋转相位。

Claims (10)

1.一种可变气门正时装置，用于控制车辆发动机的气门的开启和关闭正时，包括：

凸轮轴，用于驱动所述气门的开启和关闭；

用于驱动所述凸轮轴的旋转驱动部件，所述旋转驱动部件能够与发动机曲轴同步转动，并且，所述旋转驱动部件与所述凸轮轴可相对转动；

相位调节机构，用于改变所述旋转驱动部件与所述凸轮轴之间的相对旋转相位，以允许至少调节所述气门的开启正时；

其中，所述相位调节机构包括电机，所述电机仅与所述凸轮轴传动连接，在需要提前开启气门时，所述电机驱动所述凸轮轴相对于所述旋转驱动部件向前转动，从而提前开启所述气门。

2.根据权利要求1所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述气门为进气门或排气门。

3.根据权利要求1所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述旋转驱动部件布置成通过与所述凸轮轴直接接触来驱动所述凸轮轴。

4.根据权利要求1所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述相位调节机构还包括设于所述凸轮轴上的单向传动结构，所述电机的电机轴通过所述单向传动结构与所述凸轮轴传动连接，使得所述电机能够驱动所述凸轮轴向前转动，但所述凸轮轴的向前转动不能反拖所述电机轴转动。

5.根据权利要求4所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述单向传动结构包括飞轮、单向轴承或电磁离合器。

6.根据权利要求1‐5中任一项所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述凸轮轴的内部具有沿所述凸轮轴的轴向方向延伸的空腔，所述旋转驱动部件为内轴的形式，并从所述凸轮轴的一个端部进入所述凸轮轴的空腔内并在其内延伸；

其中，所述凸轮轴的内壁与所述旋转驱动部件的外壁中的一个上具有卡槽，所述凸轮轴的内壁与所述旋转驱动部件的外壁中的另一个上具有能够伸入所述卡槽内的凸起，所述卡槽和所述凸起的尺寸构造成使得所述凸轮轴与所述旋转驱动部件之间能够通过所述凸起在所述卡槽内移动而进行相对转动，并且能够通过相互抵靠而由所述旋转驱动部件驱动所述凸轮轴。

7.根据权利要求6所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述卡槽的尺寸相对于所述旋转驱动部件的转动中心呈现为60度角，所述凸起的尺寸相对于所述旋转驱动部件的转动中心呈现为30度角。

8.根据权利要求6所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述旋转驱动部件的内部设有沿所述旋转驱动部件的轴向方向延伸的油道，并且所述旋转驱动部件还具有从所述油道通向所述旋转驱动部件外部的油腔。

9.根据权利要求8所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述凸轮轴的两端设有油封。

10.根据权利要求6所述的可变气门正时装置，其特征在于，所述旋转驱动部件上设有正时链轮，用于由所述发动机的曲轴驱动进行同步转动。