CN1397719A - 柔性时间截面控制装置 - Google Patents

Abstract

柔性时间截面控制装置能实现流体节流柔性控制。本发明主要由：节流阀、流体通道、节流控制阀、相应驱动机构等组成。节流阀与节流控制阀间的相对运动，可柔性控制节流过程中的：开/闭的有效相位、工作时间、有效升程及涡流强度。具有控制方便，损失少；应用于内燃机进、排气***、燃料供给***的泵或阀中，可改善低温起动、使全速全负荷工况均具有优良的经济、动力性能、低噪声、低排放等指标，且便于实现直接EGR控制。

Description

柔性时间截面控制装置

本发明适用于流体节流控制领域，主要涉及柔性时间截面控制装置(本发明中所指的时间截面定义为：Ω＝∫fdt，f为流体通道截面积，dt为时间微分元)，特别是气门式(本文中“气门”与“阀门”为同一概念，下同。)内燃机的进、排气***中进、排气门(本文中“进、排气门”与“节流阀”为同一概念，下同。)；燃料供给***中的泵和阀，以及其它阀门式流体节流控制装置。对发动机的气门有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度进行柔性控制，能使发动机获得最优性能指标。

目前，内燃机气门控制机构中大多采用固定的气门定时、相位和升程，相应的凸轮型线参数的确定通常采用折中设计方案。它仅代表了某些特定的有限的工况点上的优化方案，而大多数发动机均必须在速度与负荷宽广的范围内工作，因而其不可能兼顾全域工况的综合性能指标，导致存在内燃机的经济、动力性能不佳，低温起动受温度影响大、废气排放严重污染环境、加速过程燃烧不良等诸多问题。在众多的试验研究工作中除了优化进、排通道及换气机构的几何参数、采用4气门技术、合理布置气门位置，优化燃烧室结构等外，通过可变气门相位、可变工作时间和可变升程来改善性能是一条重要途径。

在中外专利文献中，有许多对气门相位、工作时间及升程其中之一或全部加以改变的例子，包括机械驱动方式、电磁驱动方式、液压驱动方式及其它混合方式等。与传统气门定时相比较，可变气门定时(VVT)机构明显改善发动机的动力性能以及燃油经济性具有巨大潜力，经济性能改善16％左右，功率提高20％左右。内燃机工作者已提出并实施了许多方案，旨在优化流动过程，改善流体动态特性，但限于制造成本、运行可靠性、机构的复杂性、***的适用范围等诸多因素，目前只有少数功能简单的***应用于内燃机产品中。

美国汽车工程师学会(SAE)第970251号(1997年)论文中，德国BergM等人设计了“Δ控制—机械全柔性气门控制机构”，其通过在气门顶部附加一个三角形凸轮及牵引杆或挺柱机构和锁紧凸轮等，实现对气门升程、开启时间和相位角连续调整。试验中取得了令人满意的效果，同时，低速下噪声明显降低。但机构及其控制较复杂：其三角形凸轮及其驱动控制机构的通用性较差，对确定几何参数的机构其控制模式不可能进行动态调整；且由于附加机构受力大且复杂，导致增设零部件磨损严重；驱动耗功大；明显影响该机构调节效果的因素较多，它包括：凸轮轴座和机油温度以及发动机转速对斜滑阀的调节作用的影响等负面因素。

迈克尔.B.赖利发明的中国专利号94193867.0，“内燃机所用可变阀门的升程装置”，以改变摇臂和指状从动件的枢轴位置来实现。枢轴及摇臂或指状从动件均有与该枢轴匹配的齿牙枢轴滚动跨过一根固定齿条以改变阀门升程与凸轮升程的比率。调整间隙对于枢轴的所有位置均可是恒定的，或可随枢轴的位置而改变。由枢轴支承导板与一个固定的齿条刻划的枢轴运动轨迹，可为一环形或接近此环形的弧形。改变调节间隙与枢轴位置之间的关系产生出受控的相位变化及工作时间变化。该装置附加零部件较多，机构复杂等，存在以下缺陷：由于依赖变动摇臂某个支承点的方式实现位移的缩小或放大，因而为克服气门弹簧力摇臂的受力的大小将随支承点的运动而变化，从而导致齿条的磨损不均匀，尤其是在气门最大升程时磨损最为严重；由于摇臂传动比的变化引起阀门间隙随之变化；对于确定的摇臂和驱动凸轮，其摇臂传动比及阀门升程比率受限于零件的几何参数，从而限制其调节作用范围；由于附加零部件受力大、运动阻力大、传动环节多等而影响其动态响应特性。

Hara.S.的美国专利US5452694，“配气相位改变装置”；Haas M.的德国专利DE4404145，“配气相位改变装置”及Spath MJ.的美国专利US5431133，“气门升程改变装置”等的共同特点是在凸轮轴上为驱动每个气门配置了两组或三组凸轮，分别对应于发动机高、中、低速时的配气要求，在实践中可满足部分要求，取得了良好的效果。但由于调节作用是分段式进行的，因而其适应性受到限制，不可能在全域工况范围内达到最佳、且需要增设相应的机构用于完成从一个凸轮到另一个凸轮的过渡机构及由于运动环节增加而导致间隙变化而增设的间隙补偿器，同时由于输入量的不连续而影响性能输出指标。

可变气门控制机构的另一种实现方式是通过液压***来寻找最佳气门控制策略，在此方法中，凸轮顶杆使密封的液压油或经过一个固定的小孔、或经过一个受控小孔而流出。对被动式结构方式而言，其结果是阀门在发动机低速时打开得不大或时间不长，而在高速时流出的液体又不足以使阀门的运动不同于常规***。积极的控制方式可使升程和工作时间得到精确控制，其结果是由于单是阀门运动就足可控制进气过程，常规节流将被废弃。此***在美国汽车工程师学会(SAE)第930820号论文(Urata与其他人等)中描述过。该***的缺陷包括：阀门开启工作可靠性较差，由于油液随温度而粘度变化导致机械运转变动，***复杂。尽管安装了该***的发动机显示出低速时转矩明显改进，安装在汽车上燃料节省7％。然而机械***对于一系列要求的优势是显而易见的。

以上列举的专利及文献所涉及的可变气门定时机构的共同之处是：气门的升程是绝对变化值(即是气门实际运动位移)；引起最大升程变化的力仍然直接作用在气门杆顶部，受力大、易磨损；由于增加的运动副在调节过程中将引起气门间隙随之变化，从而影响发动机性能；需要增设间隙补偿器；机构复杂、成本高。

本发明的目的是提供柔性时间截面控制装置，该装置可对发动机的气门开闭相位、工作时间、升程及流体涡流强度进行柔性控制，从而改善内燃机的低温起动性能；降低燃料消耗；降低污染物排放；提高功率、扭矩；降低噪声和振动；使内燃机在全速和全负荷范围内具有优良的性能指标。

本发明的目的是这样实现的：在常规发动机进、排气门(节流阀)及气门座圈处增设了节流控制阀和相应的控制机构等。节流控制阀与进、排气门及气门座圈有一公共轴线(注：本文中的“公共轴线”等同于“轴线”)；进、排气门可沿公共轴线上下(注：本文中定义：朝关闭门门方向的运动为“上”；朝开启门门方向的运动为“下”)运动，节流控制阀也可沿公共轴线上下运动；进、排气门与节流控制阀之间存在各自独立的轴向相对运动，由于其相对位置的特殊性，使之形成了在全域内可控的柔性时间截面(对于气门式内燃机而言：

，f为流体通道截面积；n为发动机转速；dt为时间微分元；d为曲轴转角微分元)，即可获得进、排气有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度在其整个运动范围内连续可变，从而明显改善发动机性能指标。

与现有技术比较本发明具有以下优点：

1)节流控制方便，驱动消耗功率小；

2)气门开启及关闭相位可柔性调整；

3)气门有效升程可连续调整；

4)气门开启及关闭时间可柔性调整；

5)流体涡流强度可柔性调整；

6)便于实施编程实时控制。

本发明是通过进、排气门(节流阀)与节流控制阀之间的独立的相对运动方式改变气门相位、工作时间、升程及流体涡流强度。气门及其驱动机构运动仍保持原方式，增设了节流控制阀和相应的控制机构，其工作原理完全不同于现行的可变气门定时机构的原理，对于气门式内燃机，可在全域工况内实施柔性控制换气(或流体运动)过程，本发明具有如下特点：

1)设计方案可应用于传统挺杆方式、顶置凸轮轴式及其它方式驱动气门式内燃机；

2)设计方案可应用于每一气缸单个进气门和/或排气门，或每一气缸多个进气门和/或排气门；

3)机械结构简单，增加零件数少；

4)硬件及软件控制过程是在发动机运转过程中动态实现的，且可实施全域控制；

5)节流阀与节流控制阀之间独立的相对运动方式柔性地改变气门有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度，能实施硬件编程控制，同时可最大限度地发挥软件控制的优越性，使发动机的工作模式更具多样性、可选择性、驱动消耗功率小；

6)低温起动性能可得到明显改善，可实现顺序起动，起动耗功大幅度降低；由于低温起动的技术瓶颈被突破，从而其它相关性能得到大幅度的改善；

7)噪声和振动可得到明显改善；

8)排放指标可得到改善，便于EGR(废气再循环)控制；

9)部分负荷工况及额定工况均具有优良的经济性能；

10)可取消现行发动机的蝶阀式节气(板)门，功率、扭矩得到进一步提高；

11)加速性能进一步提高；发动机怠速低，稳定性好；

12)本发明适合用于用不同方式使节流控制阀动作的时间截面及流体涡流强度柔性改变的其它设计方案中。

以下以气门式内燃机进、排气***控制为例设计附图：

图1是现行普遍采用的内燃机进、排气***结构简图；

图2是本发明的内燃机进、排气***关闭时结构简图；

图3是本发明的内燃机低温起动过程中进、排气门处结构简图；

图4是本发明的内燃机运行过程中进、排气门处结构简图；

图5是本发明的节流控制阀第一实施例结构简图；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明的节流控制阀第二实施例结构简图；

图8是图7的俯视图；

图9是本发明的节流控制阀第三实施例结构简图；

图10是图9的俯视图；

图11是本发明的气门有效升程ΔH等于气门实际升程H₁时的曲线图；

图12是本发明的气门有效升程ΔH为0时的曲线图；

图13是本发明的气门有效升程ΔH＝气门实际升程H₁-节流控制阀

升程H₂时的曲线图。

以下结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1所示，是现行普遍采用的内燃机进、排气***结构简图，主要由：气门驱动机构2，气门弹簧座3，气门锁夹4，气门弹簧5，气门导管6，气缸盖7，气门9，流体通道11，气门座12等组成。来自气门驱动机构2的力作用在气门9顶部，压缩气门弹簧5，开启气门9，由于压差的存在，流体被强制在气缸盖7内的流体通道11内运动，完成进气或排气过程；当气门驱动机构2作用力逐渐减少、撤除后，气门9在气门弹簧5力的作用下关闭。由于气门驱动机构2及其它机构的几何参数均已经确定，因而气门9开启和关闭的定时、相位和升程也已固定，其设计仅代表了某些特定工况点上兼顾综合指标的折中方案。

图2所示，是本发明的内燃机进、排气***关闭时结构简图，在现行普遍采用的内燃机进、排气***中增设了节流控制阀及相应的控制机构等，主要由：节流控制阀驱动机构1，气门驱动机构2，气门弹簧座3，气门锁夹4，气门弹簧5，气门导管6，气缸盖7，节流控制阀构件8，气门9，节流控制阀10，流体通道11，气门座12等组成。气门导管6、气门9、节流控制阀10、气门座12等安装在同一轴线(即公共轴线)上；节流控制阀10底部与气门9的裙部配合，节流控制阀10外圆与流体通道11内壁及气门座12内孔配合；气缸盖7上的气门导管6附近有一平行于气门导管6轴线(公共轴线)的偏心孔，节流控制阀构件8从偏心孔中穿过，节流控制阀驱动机构1通过节流控制阀构件8来控制节流控制阀10；节流控制阀10受节流控制阀驱动机构1力的作用可沿轴线在流体通道11内壁及气门座12内作上下运动，节流控制阀10也可随来自气门9力的作用上下运动；气门9可在气门驱动机构2和气门弹簧5力的作用下沿气门导管6轴线上下(开闭)运动；气门9、节流控制阀10相对于气门导管6、流体通道11和气门座12内孔存在独立的相对运动，其相对运动构成有效柔性时间截面；气门9运动过程中，节流控制阀10上下运动可控制气门9开闭的有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度，其手动或自动实现方式可以是：机械方式、液压或气动控制方式、电力电磁控制方式或其它方式。

图3所示，是本发明的内燃机低温起动过程中进、排气门处结构简图，来自气门驱动机构2的力直接作用在气门9顶部，通过气门锁夹4和气门弹簧座3，压缩气门弹簧5，气门9沿轴线向下运动(开启气门)；节流控制阀驱动机构1的力通过节流控制阀构件8作用在节流控制阀10上，节流控制阀10可随气门9沿公共轴线向上下运动，节流控制阀10的位置由节流控制阀驱动机构1控制，节流控制阀10下部的环形筒上可设计有节流通道13，其位置和截面积经优化得出；由于气缸内与外界存在气压差，流体被强制在气缸盖7内的流体通道11中运动，经由节流通道13进入、排出气缸，完成起动时的换气过程；当气门驱动机构2力逐渐减少、撤除后，气门9在气门弹簧5力的作用下逐渐关闭；关闭过程中节流控制阀10的环形筒底部在气门9的裙部向上运动力的作用下，复位到原起始位置，节流控制阀10也可在节流控制阀驱动机构1控制下复位。在起动过程中，气门9处的节流控制阀10的运动位置尽可能地增大进、排气阻力，以便将前一循环中一定量的未燃或已燃混合气驻留在气缸内，改善下一个循环的着火环境，直至顺利起动。

对于多气缸发动机，在一定数量的节流控制阀10环形筒上设有节流通道13，而其余节流控制阀10上不设有节流通道13；这样，没有节流通道13的节流控制阀10的气缸在起动过程中换气量极少，设有节流通道13的节流控制阀10的气缸能连续发火；也可通过控制不设节流通道的节流控制阀10的运动位置来控制获取不同的有效时间截面值来达到相应的目的，这样，由于压缩耗功减少，从而起动阻力矩减少，起动更容易，并可实现硬件编程或软件控制顺序发火。

本发明在仅用于改善低温起动时，则可用低成本地实现它。在起动过程中，将进、排气机构中的节流控制阀10根据环境参数设定在适当位置，以达到最佳效果，使内燃机顺利起动，起动完毕后，将节流控制阀10控制在不起作用状态(位置)，此时相当无此装置存在。

本发明由于突破了内燃机低温起动的技术瓶颈，同时对其它性能指标(如：燃油消耗率、排放、噪声、振动等)带来明显改善。

图4所示，是本发明的内燃机运行过程中进、排气门处结构简图，根据发动机的状态参数(包括转速、负荷、温度及环境参数等)通过节流控制阀驱动机构1手动或自动控制节流控制阀10的运动状态，节流控制阀10上下运动，可控制气门9开启的有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度；当在额定负荷及超负荷运行时，节流控制阀10底部不与气门9裙部接触，不起节流作用；当低于额定负荷下运行时，节流控制阀10可沿轴线上下运动，以控制气门9开启的有效时间截面，相应控制进、排气量。负荷大则有效时间截面大，反之则小；对于发动机在动态负荷运行时，可分级手动控制节流控制阀10的运动位置，或应用其它方式控制节流控制阀10的运动，自动寻求最优工作状态，具有极大灵活性，可实现多模式运行(起动模式、经济模式、低排放模式、超负荷模式等)。对于多进气门、多排气门发动机，在同一气缸内，可根据不同流体涡流强度及进、排气量的需要来控制各个节流控制阀10的运动。

多气缸发动机中，在一定数量的节流控制阀10环形筒上设有节流通道13，而其余节流控制阀10上不设节流通道13；这样，没有节流通道13的节流控制阀10的气缸在起动过程中换气量极少，设有节流通道13的节流控制阀10的气缸能连续发火；也可通过控制不设节流通道的节流控制阀10的运动位置来控制获取不同的有效时间截面值来达到相应的目的，这样，由于压缩耗功减少，可实现在低负荷运行时，关闭一定数量的工作气缸。该方案用于电子燃油喷射***的多缸发动机具有明显优势。

节流控制阀10的应用可取消化油器式发动机、电子燃油喷射发动机或其它燃料发动机的进气管内的节流板(蝶形阀)，在同等条件下大大减少了节流损失，提高了各进气门处的压力，从而改善了进气品质，提高功率，改善经济、动力等性能，同时获得发动机怠速低，稳定性好等指标。该方案对于增压发动机效果尤为显著。

本发明应用于排气门中，节流控制阀10在排气过程中的位置直接影响排气阻力，通过控制残余在气缸内的废气量，利用废气改善排气品质，实现缸内直接EGR控制；在低温起动过程中，控制节流控制阀10与气门9的有效时间截面积，将前一循环中一定量的未燃或已燃混合气强制驻留在气缸内，以便提高下一循环的压缩温度，使之满足连续着火条件，实现起动顺利。

图5～8是本发明的节流控制阀10两种实施例结构简图，节流控制阀10的一部分或全部成环形筒状，安装在气门9、气缸盖7内的流体通道11、气门座12所形成的空间内；节流控制阀10、气门9相对于气门导管6和流体通道11及气门座12内孔存在独立的相对运动，其相对运动构成有效柔性时间截面；节流控制阀10上下运动，控制进、排气门9开闭的有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度。

图5是本发明的节流控制阀第一实施例结构简图，图6是图5的俯视图；图5、6所示，节流控制阀10成环形圆筒形状，内圆周上内突出一实体部分，用于与节流控制阀构件8连接，节流控制阀10底部与气门9裙部配合，节流控制阀10外圆与流体通道11内壁及气门座12内孔间隙配合，节流控制阀10下部环形筒上设计有节流通道13，节流通道13为闭合式的或开放式的；节流控制阀10下部环形筒上也可不设节流通道13。节流控制阀10与节流控制阀构件8可以制成一体或分立。

图7是本发明的节流控制阀第二实施例结构简图，图8是图7的俯视图；图7、8所示，节流控制阀10成环形圆筒形状，外圆周上突出一实体部分，用于与节流控制阀构件8连接，外圆周上突出实体部分可装配在气缸盖7上的偏心孔内，节流控制阀10底部与气门9裙部配合，节流控制阀10外圆与流体通道11内壁及气门座12内孔间隙配合，节流控制阀10下部环形筒上设计有节流通道13，节流通道13为闭合式的或开放式的；节流控制阀10下部环形筒上也可不设节流通道13。节流控制阀10与节流控制阀构件8可以制成一体或分立。

图9是本发明的节流控制阀第三实施例结构简图，图10是图9的俯视图；图9、10所示，节流控制阀10成环形圆筒形状，节流控制阀构件8直接固定在节流控制阀10圆周上，节流控制阀构件8轴线与节流控制阀10轴线平行；节流控制阀10底部与气门9裙部配合，节流控制阀10外圆与流体通道11内壁及气门座12内孔间隙配合，节流控制阀10下部环形筒上设计有节流通道13，节流通道13为闭合式的或开放式的；节流控制阀10下部环形筒上也可不设节流通道13。节流控制阀10与节流控制阀构件8可以制成一体或分立。

图11～13所示，是本发明的气门有效升程随曲轴转角变化曲线图，有效相位控制范围为：φ∈(0，θ)，θ为气门开闭角；时间控制范围：t∈(0，θ/6n)；有效升程ΔH＝气门实际升程H₁-节流控制阀升程H₂，有效升程控制范围：ΔH∈(0，H_max)，H_max为气门9最大实际升程。

图11是本发明的气门有效升程ΔH等于气门实际升程H₁时的曲线图，此时节流控制阀10升程H₂为0，可控时间截面区域也为0，发动机运行在高负荷或超负荷状态。此时节流控制阀10对有效相位、工作时间及有效升程不起控制作用，但可控制流体涡流(滚流)强度。

图12是本发明的气门有效升程ΔH为0时的曲线图，此时节流控制阀10升程H₂等于气门9的实际升程H₁，整个区间为可控时间截面区域，发动机运行在低负荷或低温起动状态。此时节流控制阀10对有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度起控制作用。

图13是本发明的气门有效升程ΔH＝气门实际升程H₁-节流控制阀升程H₂时的曲线图，此时ΔH大于0，θ₁≤θ≤θ₂区间内上部面积为有效时间截面，其余为可控时间截面区域，节流控制阀10升程H₂受节流控制阀驱动机构1控制，发动机运行在中、低负荷状态。此时节流控制阀10对有效相位、工作时间、有效升程及流体涡流强度起控制作用。

Claims (11)

1.用于流体节流控制的柔性时间截面控制装置，其特征在于：在主要由：气门驱动机构2，气门弹簧座3，气门锁夹4，气门弹簧5，气门导管6，气缸盖7，气门9，流体通道11，气门座12等组成的现行内燃机进、排气***中增设了节流控制阀10、节流控制阀构件8及相应的节流控制阀驱动机构1；节流控制阀10安装在气缸盖7内的流体通道11与气门座12和气门9所形成的空间内，节流控制阀10成环形圆筒状，其运动轴线与气门导管6轴线同轴或平行，通过控制气门9与节流控制阀10之间的相对运动来控制流体通道的截面积和阀门(阀门包括：内燃机气门和其它流体阀)周期性开启及关闭的有效相位、工作时间、有效升程和流体运动的涡流强度；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀10的一部分或全部制成环形圆筒状，节流控制阀10外圆与流体通道11内壁及气门座12内孔间隙配合，其底部与气门9的伞状裙部接触(配合)；

3.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：节流控制阀10可沿气门导管6轴线和其平行轴线上下运动及绕轴线转动；

4.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀10成环形圆筒形状，其内圆周上内突出一实体部分，用于与节流控制阀构件8连接；

5.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀10成环形圆筒形状，其外圆周上外突出一实体部分，用于与节流控制阀构件8连接；

6.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀10成环形圆筒形状，节流控制阀构件8直接固定在节流控制阀10圆周上，节流控制阀构件8轴线与节流控制阀10轴线平行；

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：节流控制阀构件8为杆状，节流控制阀10与节流控制阀构件8可以制成一体或分立。

8.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀10的环形圆筒的壁面下部设有一个或以上的孔13或开口；

9.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于：所述节流控制阀10的环形圆筒的壁面下部不设孔13或开口，其底部与气门9的伞状裙部接触(配合)时可起密闭作用；

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气缸盖7上的气门导管6附近有一平行于气门导管6轴线的偏心孔，节流控制阀构件8从偏心孔中穿过，节流控制阀驱动机构1通过节流控制阀构件8来控制节流控制阀10；

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气门弹簧座3上有一平行于气门锁夹孔轴线的偏心孔槽，节流控制阀构件8从偏心孔中穿过，节流控制阀驱动机构1通过节流控制阀构件8来控制节流控制阀10；

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