CN110656995B - 一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，包括双作用电磁铁、电磁直线作动器和发动机气门；双作用电磁铁包括电磁铁端盖、电磁铁壳体、电磁铁线圈骨架、电磁铁线圈、上永磁环、下永磁环、导磁环、动铁和连杆；电磁直线作动器包括作动器外壳、作动器上端盖、作动器铁芯、作动器线圈骨架、作动器线圈、永磁体；作动器线圈骨架设置在作动器铁芯与永磁体之间的间隙，其下端连接气门，上端通过连接板与双作用电磁铁动铁及连杆相连接；气门由双作用电磁铁和电磁直线作动器协同驱动开启或关闭，当开启面临较大缸内气体压力时，二者同时工作实现气门的快速开启，此外还具备在行程端部的自锁能力，不需要保持电流从而降低***能耗。

Description

一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构

技术领域

本发明主要涉及一种内燃机技术，特别是应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构。

背景技术

可变配气技术是提升内燃机动力性、经济性以及排放性能的重要技术手段。在传统内燃机中，凸轮轴配气机构所提供的气门相位和升程是固定不变的，仅能在某些工况下达到效率最佳。而以凸轮轴为基础的可变配气机构虽然能够实现配气正时或者气门升程的调节，但是仍旧受到凸轮型线的约束，可调幅度不大，热效率改善效果不明显。全可变配气机构取消了凸轮轴，以直线伺服的方式来直接单独的驱动每一个气门，实现气门相位和升程在全工况范围内连续可变的全柔性化调节，具备大幅提升内燃机热效率的潜能。

目前主流的全可变配气机构技术方案主要有电磁驱动可变配气机构、电液驱动可变配气机构以及电气驱动可变配气机构等。其中基于电磁直线作动器的电磁驱动配气机构是一种易于实现的技术路线，但是在气门保持关闭或开启的阶段，需要加载一定的电流以维持其开闭状态，这将会导致***能耗增加。此外，在应用于内燃机排气***时，电磁驱动配气机构还面临着驱动力不足的问题：燃烧过后排气门开启所面临的气体压力会达到0.6MPa甚至更高，这将对气门开启速度产生较大影响，严重时甚至无法及时开启，造成内燃机性能恶化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备较大开启力，且能够实现端部自锁的复合式电磁驱动全可变配气机构，所述发动机气门由双作用电磁铁和电磁直线作动器协同驱动开启或关闭。

实现本发明的技术解决方案为：一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，包括双作用电磁铁、电磁直线作动器和发动机气门。双作用电磁铁包括电磁铁线圈骨架、电磁铁线圈、动铁、连杆、电磁铁端盖、电磁铁壳体、所述电磁铁端盖外壁与电磁铁壳体为过渡配合，之间依次设置有上永磁环，导磁环和下永磁环；所述上永磁环，导磁环和下永磁环内侧壁面与电磁铁端盖和电磁铁壳体所形成空腔内设有动铁，动铁与连杆刚性连接；上永磁环，导磁环和下永磁环外侧壁面与电磁铁端盖和电磁铁壳体所形成的空腔内设有固定的电磁铁线圈骨架，电磁铁线圈缠绕在电磁铁线圈骨架上。

进一步改进在于，连接座设置于电磁铁壳体下端，电磁直线作动器设置于连接座下端，电磁直线作动器包括作动器外壳、作动器上端盖、作动器铁芯、作动器线圈骨架、作动器线圈和永磁体，所述永磁体紧贴于作动器外壳的内侧壁面，所述作动器线圈骨架设在作动器铁芯与永磁体之间的间隙，所述作动器线圈缠绕在作动器线圈骨架上。

进一步改进在于，所述发动机气门设置于作动器线圈骨架下端，作动器线圈骨架上端通过连接板与动铁及连杆相连接，可沿轴向作往复运动。

进一步改进在于，电磁铁端盖、电磁铁壳体、电磁铁线圈骨架、电磁铁线圈、上永磁环、下永磁环、导磁环、动铁、连杆、作动器外壳、作动器上端盖、作动器铁芯和作动器线圈骨架均为同轴回转体。

进一步改进在于，所述连接板上下两侧分别设置有上弹簧和下弹簧。

进一步改进在于，电磁铁端盖、电磁铁壳体、导磁环、动铁、作动器外壳、作动器上端盖和作动器铁芯材质均为软磁材料。

进一步改进在于，上永磁环和下永磁环磁极方向均为轴向且方向相反。

进一步改进在于，电磁铁壳体、作动器外壳及作动器上端盖分别通过螺钉紧固在连接座上下两端，连接座为非导磁材料。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

（1）现有电磁驱动配气机构大都需要在气门保持开启或关闭阶段消耗一定的电能以维持其开闭状态，本发明结合电磁直线执行器高控制精度、快响应速度、运动规律柔性可调以及双作用电磁铁具有端部自持力的优势，在实现气门开闭时刻、开启持续期和开启升程连续柔性可控的同时，能够实现行程端部自锁，消除稳态铜损，从而降低***能耗。

（2）气门由双作用电磁铁和电磁直线作动器协同驱动开启或关闭，其中电磁直线作动器为主要驱动单元，双作用电磁铁为可选择性助力驱动单元。当气门开启面临气体压力较小时，仅电磁直线作动器通电工作，驱动气门运动。当气门开启面临气体压力较大时，二者同时工作产生较大的驱动力以克服气体压力干扰，实现气门快速开启，从而满足在内燃机排气***的应用需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中，1-电磁铁线圈骨架，2-上永磁环，3-动铁，4-连杆，5-上弹簧，6-连接座，7-下弹簧，8-永磁体，9-作动器线圈，10-作动器铁芯，11-作动器线圈骨架，12-发动机气门，13-作动器外壳，14-作动器上端盖，15-连接板，16-电磁铁壳体，17-下永磁环，18-导磁环，19-电磁铁线圈，20-电磁铁端盖。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例，结合附图1，一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，包括双作用电磁铁、电磁直线作动器和发动机气门12，所述发动机气门12由双作用电磁铁和电磁直线作动器协同驱动开启或关闭。双作用电磁铁包括电磁铁线圈骨架1、电磁铁线圈19、动铁3、连杆4、电磁铁端盖20、电磁铁壳体16、所述电磁铁端盖20外壁与电磁铁壳体16为过渡配合，之间依次设置有上永磁环2，导磁环18和下永磁环17；所述上永磁环2，导磁环18和下永磁环17内侧壁面与电磁铁端盖20和电磁铁壳体16所形成空腔内设有动铁3，动铁3与连杆4刚性连接；上永磁环2，导磁环18和下永磁环17外侧壁面与电磁铁端盖20和电磁铁壳体16所形成的空腔内设有固定的电磁铁线圈骨架1，电磁铁线圈19缠绕在电磁铁线圈骨架1上。连接座6设置于电磁铁壳体16下端，电磁直线作动器设置于连接座6下端，电磁直线作动器包括作动器外壳13、作动器上端盖14、作动器铁芯10、作动器线圈骨架11、作动器线圈9和永磁体8，所述永磁体8紧贴于作动器外壳13的内侧壁面，所述作动器线圈骨架11设在作动器铁芯与10永磁体8之间的间隙，所述作动器线圈9缠绕在作动器线圈骨架11上。

所述发动机气门12设置于作动器线圈骨架11下端，作动器线圈骨架11上端通过连接板15与动铁3及连杆4相连接，可沿轴向作往复运动。磁铁端盖20、电磁铁壳体16、电磁铁线圈骨架1、电磁铁线圈19、上永磁环2、下永磁环17、导磁环18、动铁3、连杆4、作动器外13、作动器上端盖14、作动器铁芯10和作动器线圈骨架11均为同轴回转体。所述连接板15上下两侧分别设置有上弹簧5和下弹簧7。电磁铁端盖20、电磁铁壳体16、导磁环18、动铁3、作动器外壳13、作动器上端盖14和作动器铁芯10材质均为软磁材料，上永磁环2和下永磁环17磁极方向均为轴向且方向相反，电磁铁壳体16、作动器外壳13及作动器上端盖14分别通过螺钉紧固在连接座6上下两端，连接座6为非导磁材料。

本发明提出一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，通过双作用电磁铁为电磁气门提供一定的端部保持力，从而具备在气门行程端部的自锁能力。此外，在面临较大气体压力时，双作用电磁铁与电磁直线作动器同时工作以克服气体压力干扰。

具体工作原理如下：

发动机气门12由双作用电磁铁和电磁直线作动器协同驱动开启或关闭，其运动规律可由电磁铁线圈19和作动器线圈9电流控制，其中电磁直线作动器为主要驱动单元，双作用电磁铁为可选择性助力驱动单元。

发动机气门12处于关闭状态时，电磁铁线圈19和作动器线圈9不需通电，动铁3、电磁铁端盖20、上永磁环2和导磁环18之间形成磁通回路，动铁3总会受到上永磁环2对其作用的指向上端的轴向力，并克服上弹簧5和下弹簧7的作用力，使气门在关闭状态下具有一定的端部保持力。

发动机气门12开启面临气体压力较大时，电磁铁线圈19和作动器线圈9均通电工作，产生较大的驱动力以克服气体压力干扰；发动机气门12开启面临气体压力较小时，电磁铁线圈19不通电，作动器线圈9通电工作，驱动气门运动。

发动机气门12处于最大行程开启状态时，电磁铁线圈19和作动器线圈9不需通电，动铁3、电磁铁壳体16、下永磁环17和导磁环18之间形成磁通回路，动铁3总会受到下永磁环17对其作用的指向下端的轴向力，并克服上弹簧5和下弹簧7的作用力，使气门在最大行程开启状态下具有一定的端部保持力。

根据应用场合需求，可改变上弹簧5和下弹簧7的弹性系数，从而达到改善配气机构整体输出力特性、提高配气机构响应速度并实现落座缓冲的目的。本发明针对配备有电磁驱动全可变配气机构的内燃机（车用汽油机、柴油机或船用中高速柴油机等），采用双作用电磁铁与电磁直线作动器协同控制技术，相对于现有的可变技术而言，不仅具备在气门行程端部的自锁能力，可有效降低***能耗，而且在气门开启面临较大的气体压力时，能够提供足够的驱动力以克服缸内气体压力干扰，实现气门快速开启，满足在内燃机排气***的应用需求。

以上为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，其特征在于，包括双作用电磁铁、电磁直线作动器和发动机气门(12)，所述发动机气门(12)由双作用电磁铁和电磁直线作动器协同驱动开启或关闭；

双作用电磁铁包括电磁铁线圈骨架(1)、电磁铁线圈(19)、动铁(3)、连杆(4)、电磁铁端盖(20)、电磁铁壳体(16)、所述电磁铁端盖(20)外壁与电磁铁壳体(16)为过渡配合，之间依次设置有上永磁环(2)，导磁环(18)和下永磁环(17)；

所述上永磁环(2)，导磁环(18)和下永磁环(17)内侧壁面与电磁铁端盖(20)和电磁铁壳体(16)所形成空腔内设有动铁(3)，动铁(3)与连杆(4)刚性连接；

上永磁环(2)，导磁环(18)和下永磁环(17)外侧壁面与电磁铁端盖(20)和电磁铁壳体(16)所形成的空腔内设有固定的电磁铁线圈骨架(1)，电磁铁线圈(19)缠绕在电磁铁线圈骨架(1)上；

连接座(6)设置于电磁铁壳体(16)下端，电磁直线作动器设置于连接座(6)下端，电磁直线作动器包括作动器外壳(13)、作动器上端盖(14)、作动器铁芯(10)、作动器线圈骨架(11)、作动器线圈(9)和永磁体(8)，所述永磁体(8)紧贴于作动器外壳(13)的内侧壁面，所述作动器线圈骨架(11)设在作动器铁芯(10) 与永磁体(8)之间的间隙，所述作动器线圈(9)缠绕在作动器线圈骨架(11)上。

2.如权利要求1所述的一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，其特征在于，所述发动机气门(12)设置于作动器线圈骨架(11)下端，作动器线圈骨架(11)上端通过连接板(15)与动铁(3)及连杆(4)相连接，可沿轴向作往复运动。

3.如权利要求2所述的一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，其特征在于，电磁铁端盖(20)、电磁铁壳体(16)、电磁铁线圈骨架(1)、电磁铁线圈(19)、上永磁环(2)、下永磁环(17)、导磁环(18)、动铁(3)、连杆(4)、作动器外壳(13)、作动器上端盖(14)、作动器铁芯(10)和作动器线圈骨架(11)均为同轴回转体。

4.如权利要求3所述的一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，其特征在于，所述连接板(15)上下两侧分别设置有上弹簧(5)和下弹簧(7)。

5.如权利要求4所述的一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，其特征在于，电磁铁端盖(20)、电磁铁壳体(16)、导磁环(18)、动铁(3)、作动器外壳(13)、作动器上端盖(14)和作动器铁芯(10)材质均为软磁材料。

6.如权利要求5所述的一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，其特征在于，上永磁环(2)和下永磁环(17)磁极方向均为轴向且方向相反。

7.如权利要求6所述的一种应用于内燃机的复合式电磁驱动全可变配气机构，其特征在于，电磁铁壳体(16)、作动器外壳(13)及作动器上端盖(14)分别通过螺钉紧固在连接座(6)上下两端，连接座(6)为非导磁材料。

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