CN1139178A - 偏心轮(凸轮)式液压气门机构 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及一种四冲程发动机配气机构，与大正时轮同轴设置偏心轮或凸轮，在其径向***设置液压机构的主油缸柱塞，主油缸有正时泄荷孔，副油缸设置有溢流孔，并设置有补偿油道，与偏心轮或凸轮同心设置气门正时调整盘并可相对其旋转一定角度，主油缸设置在正时调整盘上。本发明配气机构较为完善、可靠，并使正时调整性提高，结构设计较为简单，减小了整体体积重量且设计安装自由方便。

Description

偏心轮(凸轮)式液压气门机构
本发明属于四冲程发动机配气正时技术领域，主要提出一种四冲程发动机的偏心轮、凸轮式液压气门机构。
现在使用中的发动机配气正时机构均采用将发动机曲轴2∶1减速的凸轮轴带动摇臂、挺杆等一套复杂的机械结构控制气门开启机构完成配气工作，根据凸轮轴和摇臂之间的位置变化，目前气门机构主要采用的形式为；下置式凸轮，顶置式凸轮及下置式凸轮通过液压挺杆传递等，以上结构为发动机目前常规使用技术，现有四冲程发动机由于机械传递位置特定，使得开启气门的摇臂、挺杆等不能分布在一片凸轮的周围而只能采用多片凸轮轴的形式，从而使得凸轮轴的加工难度增加；由于机械位置的设置固定不易改变，一般只有根据发动机的用途按不同工况设计气门开启时间，一旦确定就不再改变，所以现有采用以上气门机构的四冲程发动机的配气开启相位角基本上是不同的，目前情况下由于高科技的发展及电子技术的广泛应用，虽然在发动机不同工况下能取出调整控制信号，但由于机械结构调整的难度很大，应用较为困难，目前国外在少数高级汽车上据调整信号对气门配气正时的调整形式有调整凸轮线形即可变凸轮等。上述由凸轮带动摇臂、挺杆来确定气门开启的机构尚存在以下不足：(1)、多片凸轮的凸轮轴制造工艺复杂，加工难度大且成本高；(2)、由于凸轮线形陡，摇臂易磨损、冲击力大造成寿命较短；(3)、配气***传动连接关系、易磨损造成间隙积累、噪音大(为发动机的主要噪音源)；(4)、配气机构传递件多，并有一定体积，故设计安装受到限制，造成发动机体积大、重量大、成本较高；(5)、气门开启时间完全受凸轮轴制约，不易随工况变化而相应的改变配气相位，加之凸轮磨损就会导致正时变化，降低配气效率。另外现有机构不易于设置多气门机构。
本发明提出的目的即在于改变现有的凸轮摇臂式机械机构，提出一种偏心轮(凸轮)式液压气门机构，从而使配气控制可靠性提高且易于调整，并使其具有结构较为简单、设计安装自由方便的特点，其体积和重量都进一步合理适用，使用寿命得到延长。
本发明完成其上述任务所采取的技术方案是；在与发动机曲轴2∶1减速传递的大正时轮上同轴设置偏心轮，设置由主油缸和付油缸构成的具有微循环功能和内部油路排气功能的液压气门机构，其中主油缸的主柱塞设置在偏心轮或凸轮的径向平面***，轴心线穿过偏心轮的旋转中心，在主油缸的主柱塞下止点与上止点之间缸壁上开置有控制气门开启位置用的正时泄荷孔，正时泄荷孔的泄荷油道与储油池连通；用以在偏心轮旋转到特定的角度即气门需开始开启时主柱塞顶端和正时泄荷孔平齐并能刚好封闭正时泄荷孔，装有气门杆和气门弹簧的付油缸缸壁上开置有通过油路与储油池相通的溢流孔，付油缸柱塞即付柱塞与气门杆连接，在气门至最大开度时付柱塞上端和溢流孔平齐并使溢流孔开始溢流，相应设置有对油路中损失的液压油进行补偿的具有单向阀的补偿油道。
其对主油缸柱塞的驱动也可由凸轮来完成，即采取凸轮来取代偏心轮。
当采用的凸轮其线形使主柱塞开始运动的时间提前于气门按配气相位要求的开启时间时，也即使特定气门处在完全闭合至开启这段时间内作用于主柱塞的这一段凸轮的外廓曲线相对于旋转中心有变径的外廓曲线时采用在主柱塞的上止点与下止点之间的主油缸缸壁上开置有正时泄荷孔的油路，以使主柱塞有一段空行程，利用正时泄荷孔的泄荷作用调整气门配气时间和位置。
当采用的凸轮其线型使主柱塞开始运动的时间与气门按配气相位要求的开启时间对应时，也即特定气门处在完全闭合至开始开启这段时间内作用于主柱塞的这一段凸轮的外廓曲线相对旋转中心而言为等径的外廓曲线时主油缸缸壁为封闭结构，即采用不开置正时泄荷孔的油路。
为进一步提高气门正时配气的可调性，可设置气门正时调整盘，其与偏心轮、凸轮同心安装并可相对偏心轮、凸轮转动一定角度，主油缸装置在正时调整盘上，使气门正时调整盘相对偏心轮、凸轮旋转方向即顺向或逆向转过一个特定的角度，使主柱塞的轴线与偏心轮、凸轮最高点径线重合的时间发生变化，从而改变打开气门的配气时间。
依据发动机工作过程，在偏心轮或凸轮的径向平面***根据进、排气时间要求可以适当角度依次设置一个或多个主油缸，以分别驱动相对应的付油缸柱塞动作使气门开启和关闭，进行进气、排气。
可设置一个偏心轮、凸轮，也可以一定角度同轴并排设置多个偏心轮、凸轮。
可与偏心轮、凸轮同心设置一个或多个气门正时调整盘。
可在一个正时调整盘上按发动机的气门工作顺序以不同角度设置一个或多个主油缸。
可与一个主油缸配置一个或多个付油缸，主柱塞动作可同时带动多个付住塞动作控制多个相同功用的气门同时进气或排气。
可由一个付柱塞推动一个或同时推动多个气门杆工作，达到多个相同功用的气门同时进气或排气。
本发明气门机构具有以下特点；
(1)、本发明采用偏心轮、凸轮驱动的液压传动气门机构，通过调整偏心轮、凸轮和气门主柱塞的相对位置，采用偏心轮、凸轮和正时孔、溢流孔同时匹配控制，使配气结构更加完善、可靠，并使气门机构的正时可调性提高。
2、偏心轮、凸轮液压传动机构，使得一片偏心轮或凸轮即可控制多组气门，结构较为简单可靠，减小了整体结构的体积和重量，并且设计安装自由方便，降低了制造和使用成本。
(3)、其结构设计减少了现有气门机构的无用功率损耗及磨损，延长了配气机构的使用寿命并减少维护保养的工作量。
(4)、可以方便的发展多气门，根据液压传递原理可以用一个主活塞控制两个及两个以上相同功用的气门开闭，适应了发展多气门的发展趋势。
(5)、由于液压传递过程中液体定时循环流动，减少了液体不循环而产生的积气现象，使气门可在恶劣的工作环境下(高温、高频、高速)都能可靠的工作。
本发明实施例给出以下附图；
附图1为本发明实施例1结构示意图。
附图2、3、4为配气机构工作过程示意图。
附图5为单缸配置进排气门的示意图。
附图6为单缸具有两套进排气门的示意图。
附图7为单缸具有两套进排气门的另一示意图。
附图8为多缸发动机时主油缸设置的示意图。
附图9为实施例2结构示意图。
实施例1：
如附图1所示结构：小正时轮2装在曲轴3的输出轴上，与大正时轮1相连，小正时轮2与大正时轮1的齿数比为1∶2，偏心轮28与大正时轮1装在同一轴上，气门正时调整盘29与偏心轮同心设置在大正时轮***，并可绕偏心轮中心“O”旋转一定角度，主油缸23装置在气门正时调整盘29上其轴心线穿过偏心轮旋转中心，在气门正时调整盘上可根据发动机缸数情况装适当数目的主油缸，也可同心并排安装多个正时调整盘，主柱塞27在回位弹簧26作用下与偏心轮紧密贴合，主柱塞27下止点与上止点之间的主油缸缸壁上开置有控制气门开启位置用的正时泄荷孔25，正时泄荷孔25的泄荷油道22与油池24相连，用以在使偏心轮未旋转至特定位置即气门未到开始开启时，偏心轮此时的旋转使主柱塞的向上位移使压力油从正时泄荷孔泄出至储油池24，而不致使付柱塞13动作使气门开始开启，据四冲程发动机配气原理，当偏心轮旋转到一个特定的角度时气门就开始打开，即在此角度下使主柱塞27顶端和正时泄荷孔平齐并能刚好将其封闭，主油缸23上部经主油路17与付油缸14上端相连，付油缸14中装有气门杆9，气门弹簧12，气门杆9与付柱塞13连接，付油缸缸壁上开置有与储油池相通的溢流孔16，在气门至最大开度时付柱塞上端与溢流孔平齐使溢流孔开始溢流，其作用是在付柱塞下行到气门所需最大开度时，压力油至溢流孔溢出至储油池，付柱塞13及气门复位弹簧12在此间达到平衡，相应在油路与储油池24之间设置具有单向阀19的补偿油道20，用以在主柱塞的回位力作用下管路中形成的负压力使单向阀19打开向油路中补充由正时泄荷孔25和溢流孔16泄流掉的液压油，由于主、付柱塞产生的吸油→溢油作用，使得油路产生了一种微循环(正常工作时即开启气门时不循环)，减少了存气，实际上等于气门每动作一次液压油路就进行了一次排气。
工作时偏心轮28通过旋转推动主柱塞27向上运动，这时因正时泄荷孔25的泄流作用，付柱塞13无动作(此时气门18在气门弹簧12的作用下闭合，当主柱塞行至正时泄荷孔并将其封闭时，管路中就产生压强，付柱塞13在此压强作用下向下运动，气门18开始打开，当付柱塞上顶端运行到溢流孔时，因泄流付柱塞13与气门弹簧力在此达到平衡，不再继续下行，按设计此时气门达到最大开度，当偏心轮继续转动，主柱塞在回位力作用下紧贴偏心轮开始下行，气门也开始关闭。
由于溢流孔的泄流，油路中损失了一部分液压油，当主柱塞下行到一定位置时(付柱塞上行至上至点时)，在回位力作用下管路中必形成一定的负压，此时单向阀19发生作用补偿油道20向油路中补充泄漏掉的液压油，从而使主柱塞顺利下行，当主柱塞行至主正时孔时，单向阀19失去作用，而改由正时泄荷孔直接从储油池24处补充液压油，使主柱塞回位更加可靠，并为下一个循环作好准备。
附图1中仅给出一个气门工作的结构示意，图中大小正时轮1、2、曲柄3、连杆4、活塞5、缸体6、燃烧室8、缸头10、火花塞11为现有发动机缸体的结构，与现有发动机缸体结构相同，没有改动。
如附图2、3、4所示结构，对通过偏心轮28、正时泄荷孔25、溢流孔16同时匹配控制气门正时开启的说明：
如图设通过偏心轮28旋转中心O沿最小半径作射线OY′，主柱塞27轴心线Y通过偏心轮旋转中心，当两线重合时夹角为0°，当偏心轮28旋转β角后，其主柱塞沿其轴心线方向上必被偏心轮带动产生一个△Y位移，在偏心轮旋转过程中△Y不时有增加或减少趋势，从图中可知每给定一个β角即确定了一个△Y值和它的变化趋势，根据四冲程发动机配气原理，规定好偏心轮28转到一个特定夹角α时，气门就开始打开，即只要在此角度下使主柱塞27顶端和正时泄荷孔25位置平齐并能刚好封闭时(此时△Y必须具有增加趋势)即可达到按设计打开气门的动作，同理，也可设计付油缸的气门在偏心轮旋转到一定角度时付柱塞开始泄流，气门不再继续打开(保持在一定位置上)，当继续旋转到偏心轮或凸轮(对称轴)OY′与轴心线OY重合时，(此时位置是主柱塞最高点在△Y刚具有减小趋势时则气门在回位力作用下开始闭合，偏心轮或凸轮继续旋转就使气门逐渐达到完全闭合的目的。
若在气门刚好完全闭合时其夹角为α2，则α2－α1＝α为进气或排气配气角度，此角度是与主柱塞开口位置与付柱塞与主柱塞直径之比综合而成的。
根据发动机工况或发动机的转速变化，配气相位也需相应改变，可使正时调整盘29相对偏心轮28旋转即逆向或顺向转过一个相应的变化角α，从而使主柱塞的轴线与偏心轮最高点径线重合的时间发生变化，从而改变打开气门的配气时间，正时调整盘可以一次调整后加以固定，也可按发动机工况要求由发动机调出控制信号而适时调整配气正时。
其气门配气正时调整盘的装置方式：首先按现有四冲程发动机配气原理，使主油缸以一定相互夹角固定在气门配气调整盘上，主柱塞轴心线与配气正时调整盘的旋转中心轴线相交且垂直，并使各主柱塞轴心线处在同一平面内，装置时将这一整体固定在偏心轮的支撑上(或称机体)，使主油缸其轴心线所形成的平面和偏心轮的径向平面重合且两者旋转中心重合，其固定方式可采用滑槽即调整盘上有圆周方向的导向槽，或支撑体上有凹下的圆槽，调整盘有凸起的圆柱套管等，使配气调整盘可相对偏心轮旋转一定角度。
附图5给出每个缸一套进、排气门时的示意：可采用一个偏心轮28，根据发动机每转两周偏心轮28转一周时进气门和排气门各工作一次的特点，将进、排气门的主油缸依次顺序排列在偏心轮周围的同一平面内，并使主柱塞轴线均通过偏心轮旋转中心，则OY′与各柱塞轴心线形成了不同的夹角，气门就可按设计好的时间依次打开和关闭，附图示意的为一个气门在闭合位置，一个气门在打开位置。
也可设置两个偏心轮，即将进、排气偏心轮以一定角度同轴并排设置，分别驱动各自的主轴塞动作带动付柱塞动作，同样可按设计好的时间依次打开和关闭气门。
附图6、7给出发动机每个缸具有两个或两个以上相同功用气门的示意，可由付油缸柱塞同时带动两个或两个以上气门杆工作，即付柱塞13通过摇臂挺杆32带动两个气门杆同时工作，其中31为摇臂轴，30为摇臂。达到两个以上相同功用的气门同时进气、排气的目的，也可由一个主油缸配置两个或两个以上的付油缸，每个付油缸推动一个气门杆工作，主柱塞动作同时带动两个或两个以上付柱塞动作控制相同功用的气门同步关闭或开启。
附图8给出多个缸体时主油缸设置的示意；同单缸时相同，可将所有缸的所有气门的主油缸均按需要的顺序和规定的角度排列好，即能形成一个偏心轮控制多组气门的目的，图中给出分别布置4个气门的一种形式，即为两缸发动机的4个气门的主柱塞，它们可以按次序分别驱动对应气门达到发动机工作的目的。
当然也可以采用按所需角度同轴并排设置多个偏心轮，同样方式在偏心轮的径向平面***按所需角度同时设置几个主油缸及主柱塞来驱动多个气门达到使发动机工作的目的。
上述结构中的偏心轮可采取凸轮取代，其气门控制机构同采用偏心轮时完全相同；当采用的凸轮其线型使主柱塞开始运动的时间提前于气门按配气相位要求的开启时间，也即特定气门处在完全闭合至开始开启这段时间内作用于主柱塞的这一段凸轮的外廓曲线相对其旋转中心而言有变径的外廓曲线时仍采用在主柱塞的上止点与下止点之间的主油缸缸壁上开置正时泄荷孔的油路。
采用偏心轮和上述凸轮结构时，在主柱塞向下回位时若主柱塞的回位力较强，即回位力大于油路中产生的负压力时，可以使主柱塞到达正时泄荷孔，这时由正时泄荷孔和溢流孔损失的液压油可全部改由正时泄荷孔及油道吸入加以补充，这时主柱塞可以顺利回到最低点而准备下一次开启气门的过程，在这种情况下可不设置单向阀补偿油路。
附图9给出采用凸轮结构时的另一种结构形式：当采用的凸轮28其线型使主柱塞27开始运动的时间与气门按配气相位要求的开启时间完全对应时，也即特定气门处在完全闭合至开始开启这段时间内作用于主柱塞的这一段凸轮的外廓曲线相对其旋转中心而言为等径的外廓曲线，采用在主油缸23缸壁上不开置正时泄荷孔的液压气门油路，即主油缸23的缸壁为封闭结构。此结构使得主柱塞27向上动作即产生压力使付柱塞动作推动气门开启进气或排气，当凸轮轴旋转时凸轮28和主柱塞27的接触点一旦到达了刚过等半径圆弧R处即推动主柱塞向上动作，主柱塞即推动付柱塞13开启气门，达到溢流孔16时付柱塞停止下行，溢流过后也即凸轮旋转到最高点后，主柱塞在回位力作用下开始下行，付柱塞13在刚回到上止位时由于溢流掉的那部分体积使得主柱塞27继续下行产生负压力，这时单向阀19打开向油路补充液压油，直至主柱塞达到最低点，然后凸轮继续旋转则开始下一次开启气门的动作。
与本发明所提出的偏心轮，凸轮原理相同，也可采用与大正时轮同轴设置曲柄连杆、偏心连杆、偏心槽结构，其余液压气门机构同上述结构相同，但采用这些结构时，整个气门配气机构将变得较为复杂，相应其精度、准确性也势必受到影响。

Claims (10)

1、一种偏心轮(凸轮)式液压气门机构，本发明的特征是：在与发动机曲轴(3)2∶1减速传递的大正时轮(1)上同轴设置偏心轮、凸轮(28)，设置由主油缸(23)和付油缸(14)构成的具有微循环功能和内部油路排气功能的液压气门机构，其中主油缸(23)的主柱塞(27)设置在偏心轮、凸轮(28)的径向平面***，主柱塞(27)的轴心线通过偏心轮、凸轮的旋转中心；装有气门(18)和气门弹簧(12)的付油缸(14)缸壁上开置有溢流孔(16)，付柱塞(13)与气门杆(9)连接，在气门至最大开度时付柱塞(13)上端和溢流孔(16)平齐并使溢流孔(16)开始溢流，油路设置有对泄流掉的液压油进行补偿的具有单向阀(19)的补偿油道(20)。
2、根据权利要求1所述的的偏心轮(凸轮)式液压气门机构，其特征在于：采用偏心轮时在主油缸(23)缸壁上开置有控制气门开启位置用的正时泄荷孔(25)，正时泄荷孔(25)的泄荷油道与储油池(24)连通。
3、根据权利要求1所述的的偏心轮(凸轮)式液压气门机构，其特征在于；当采用的凸轮其线型使主柱塞(27)开始运动的时间提前于气门按配气相位要求的开启时间时，也即特定气门处在完全闭合至开始开启这段时间内作用于主柱塞(27)的这一段凸轮(28)的外廓曲线相对其旋转中心而言有变径的外廓曲线时，主油缸(23)缸壁上开置有控制气门开启位置用的正时泄荷孔(25)。
4、根据权利要求1所述的的偏心轮(凸轮)式液压气门机构，其特征在于：当采用的凸轮其线型使主柱塞(27)开始运动的时间与气门按配气相位要求的开启时间完全对应时，也即特定气门处在完全闭合至开始开启这段时间内作用于主柱塞(27)的这一段凸轮(28)的外廓曲线相对其旋转中心而言为等径的外廓曲线时，主油缸(23)的缸壁为封闭结构。
5、根据权利要求1或2或3或4所述的的偏心轮(凸轮)式液压气门机构，其特征在于：可在偏心轮、凸轮(28)的径向平面***根据进、排气时间要求以适当角度依次设置一个或多个主油缸(23)，以分别驱动相对应的付油缸(14)柱塞(13)动作使气门开启关闭，进行排气或进气。
6、根据权利要求1或2或3或4所述的的偏心轮(凸轮)式液压气门机构，其特征在于；可设置有气门正时调整盘(29)，其可为一个也可为同心设置的多个，其与偏心轮、凸轮(28)同心安装并可相对偏心轮、凸轮(28)旋转一定角度，主油缸(23)设置在气门正时调整盘(29)上，通过气门正时调整盘(29)相对偏心轮、凸轮(28)转动一定角度，使主柱塞(27)的轴线与偏心轮、凸轮(28)最高点径线重合的时间发生变化，从而调整打开气门的配气时间。
7、根据权利要求1或2或3或4所述的的偏心轮、(凸轮)式液压气门机构，其特征在于：可以一定角度同轴并排设置两个或两个以上的偏心轮或凸轮(28)。
8、根据权利要求1或2或3或4所述的的偏心轮、(凸轮)式液压气门机构，其特征在于：可由一个付柱塞(13)同时推动两个或两个以上的气门杆(9)工作，使两个或两个以上的相同功用的气门同时进气或排气。
9、根据权利要求1或2或3或4所述的的偏心轮、(凸轮)式液压气门机构，其特征在于；可由一个主油缸(23)配置有两个或两个以上的付油缸(14)，主柱塞(27)动作同时带动两个或两个以上的付柱塞(13)动作控制两个或两个以上相同功用的气门同时进气或排气。
10、根据权利要求1或2或3或4所述的的偏心轮(凸轮)式液压气门机构，其特征在于：当主柱塞(27)的回位力大于主油路中产生的负压力时，可由正时泄荷孔(25)和将其与储油池(24)连通的油道取代单向阀(19)的补偿油道(20)向主油路(17)补充液压油。
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