內燃發動機全功能可變配氣控制機構的製作方法

2023-06-13 06:33:06 2

專利名稱：內燃發動機全功能可變配氣控制機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及內燃發動機可變配氣機構，特別是具有連續可變氣門正時和氣門升 程，使氣門具有半開功能，歇缸功能，增加了對可變氣門疊加量操作性的內燃發動機 配氣機構。
背景技術：
可變氣門正時和氣門行程的配氣技術已是現代發動機領域必不可少的技術要求， 無論從發動機的動力特性，經濟油耗特性，還是排放特性的控制和優化方面都能起到 很重要的作用，另外，歇缸技術實際上也是一種可變氣門技術，歇缸技術的應用對節 約油耗和減少排放也有同樣很重大的意義。
可變配氣技術技術領域最領先或具有代表性的有本田的VTEC， I-VTEC，豐田的 VVT-1， VVTL-1，以及B麗的Valvetronic技術等。
本田的VTEC具有三段式的可變氣門正時和氣門行程，即在一組氣門上有三個不 同長短尺寸的凸輪，對應三隻由液壓控制的搖臂，切換鎖止不同搖臂組合分別實際參 與工作，達到近似滿足發動機在不同轉速工況階段所需要的氣門正時和氣門行程，以 及此階段所需的進，排氣疊加量，其中，由於最短一隻凸輪的作用，還具在低慢速時 氣門半開能力。正因為VTEC只具備三段式氣門正時和氣門行程，在這三段轉速附近 的氣門正時會過遲或過早，以及產生的疊加量過小或過大，其動力躍遷和油耗問題依 然很突出。所以，本田又裝備了 I-VTEC，實際是VTEC與VTC配合(VTC也是一種連 續的VVT-可變氣門正時技術，g卩在凸輪軸末端設置的控制機構，能根據需要由電子 控制動態的連續改變凸輪軸轉角相位)。VTC也存在只能使凸輪軸向單一方向偏轉，這 就意謂著使氣門提前打開，當然也提前關閉，反之也一樣。因此，如果根據轉速需要 增加排，進氣疊加角度，要麼通過調節進氣凸輪軸相位來增加疊加量，但結果是進氣 門關閉就必然提前，同樣的，調節排氣凸輪軸相位，排氣門打開就相應推遲。因此， 可以說VTC等單向偏轉方式在控制可變疊加量這一重要指標上是打折扣的。
VTEC與連續型的VTC結合在一定程度上彌補了 VTEC不連續性，但這種彌補也帶 來了凸輪軸偏轉方式的缺點，是一種更近似的折衷方案。儘管如此，I-VTEC作為本田 的專有技術，己在優化動力特性，油耗特性，排放特性以及促進消費諸多方面發揮了巨大作用。需要指出的是，VTEC不僅是VVT氣門正時技術，同時也是VVL氣門行程技 術，所以，它可以用於DOHC雙凸輪軸頂置式，也可以用於SOHC單凸輪軸頂置式配氣 發動機上，而VTC以及其它型式靠凸輪軸偏轉調節氣門正時的這一類VVT都不能用於 S0HC上，因為那樣的話，凸輪軸向單一方向偏轉，進，排氣凸輪的相位同步向同樣的 方向移動了同樣的角度，那疊加角度還是沒有改變。這也是D0HC對S0HC的優勢所在。 豐田的VVTL-I與本田的I-VTEC大同小異。
寶馬的可變氣門正時也採用了類似VTC的凸輪軸偏轉方式，稱為Double VAN0S， 目前幾乎所有的B麗發動機上都能夠看到Double VAN0S的應用，連續式VTC屬於目 前VVT技術的主流。但BMW確有連續可變氣門行程技術Valvetronic，它是在氣門搖 臂上端，垂直的設置一隻可變搖臂，凸輪驅動可變搖臂，可變搖臂下端以搓動方式驅 動氣門搖臂，其上端被偏心輪控制，通過偏心輪改變垂直可變搖臂對氣門搖臂的搓動 角度發生變化，達到連續控制氣門升程變化。由於BMW有了細膩的連續氣門升程技術， Valvetronic是世界上第一個在汽油機上取消了有一定負作用的節氣門(因為，在中、 低負荷下，乃至怠速時，由於節氣門開度小，發動機的吸氣量較小，然而，進氣岐管 內的真空度反而較大，活塞吸氣時也會相應的耗費更多的力，節氣門開度越小，浪費 的能量也越多，發動機在這方面浪費的能量比例是相當高的。這也是汽車在走走停停 的城市工況下油耗偏高的重要原因)，以進氣門本身具有的連續可變氣門升程來取代 節氣門，就不會由於雙門(進氣門和節氣門)作用，使進氣岐管內產生真空負壓效應。
連續的可變氣門升程能在高轉速時大幅提升發動機功率，並對發動機油耗特性和 排放特性可以大為改善。
我們知道氣門升程變化只能改變進，排氣量大小，不能改變氣門正時和氣門開啟 持續時間，按照發動機動態可變配氣時間圖(見圖25:發動機配氣參考圖)，理想的 可變配氣正時，應該在動態周期中氣門的開閉既需要提前，也需要推遲，在氣門正時 限度範圍內，以疊加量的多少達到氣門開啟持續時間的改變，因為VVT氣門正時技術 最主要的目標就是要能調節進，排氣門重疊角度。同時，氣門升程也應隨發動機轉速 變而連續變化。
事實上，氣門的可變疊加量才是所謂能改善發動機的動力特性，油耗特性和排放 特性的最重要的問題。
現實中歇缸技術的應用遠不如VVT技術廣泛，有技術難度的問題，也有成本的問 題。使發動機具備歇缸功能，實時的對發動機進行變容管理減小工作排量，達到節油減少排放目的；歇缸技術的廣泛應用，特別是在經濟型發動機上的應用對節能減排 的社會意義十分巨大。因此要使歇缸技術得到廣泛應用，技術不宜複雜，成本不能過 高。歇缸技術實際上也是可變配氣技術，實現發動機歇缸，不只是斷開部分歇缸氣缸 的供油那麼簡單，如果讓歇缸氣缸自由呼吸，便會產生泵壓效果，活塞仍然對氣缸做 無用功，增加發動機負擔，反而增加油耗，達不到歇缸目的。
發動機歇缸時應滿足幾點要求1、歇缸氣缸的進排氣門同時進入始終關閉狀態; 2、斷開供油；3、使歇缸氣缸保持足夠的溫度，以便隨時能迅速從歇缸狀態恢復到工 作狀態；4、恢復響應速度，從歇缸狀態恢復到工作狀態，能迅速達到當前轉速時的 氣門正時和氣門行程，即立刻進入配氣同步；5、配氣系統儘可能進行至單氣缸歇缸 管理，即有從單氣缸到多氣缸歇缸管理能力，使歇缸過程中不僅能滿足低負荷狀況， 也能滿足中低負荷狀況，確保發動機運行可靠性。

發明內容
本發明的目的是提供一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，以設計一種具有 輪廓擴張性的斜面凸輪頭的凸輪，以及可變搖臂的控制驅動機構，最終實現連續可變 氣門正時和氣門升程，使氣門具有半開功能、歇缸功能，可變氣門疊加量操縱性能， 並可取代節氣門。 ，
本發明的目的是這樣實現的 一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包括電 機，蝸杆蝸輪傳動機構，聯合從動搖臂，還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪其凸輪頭高 端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向凸輪 頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖臂軸 向平移機構絲杆安裝固定在所述蝸輪上，推動臂旋接在絲杆上，可變搖臂以及所述 聯合從動搖臂均可轉動地安裝在搖臂軸上，且可變搖臂位於從動搖臂的雙臂之間、其 上凹槽與推動臂上的凸半圓相接觸；可變搖臂上的滾子輪與凸輪的凸輪頭組成轉動副。
本發明的又一目的是提供又一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構。 本發明的又一目的是這樣實現的 一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包 括電機，蝸杆蝸輪傳動機構，聯合從動搖臂，還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪其凸輪 頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向 凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖 臂軸向平移機構絲杆安裝固定在所述蝸輪上，推動臂旋接在絲杆上，可變搖臂以及所述聯合從動搖臂均可轉動地安裝在搖臂軸上，且可變搖臂位於從動搖臂的雙臂之 間、其上凹槽與推動臂上的凸半圓相接觸；滾子輪固定在球頭軸上、靠近球頭一端， 該球頭插入可變搖臂上的側向和頂面垂直開孔的圓柱形開孔中、並與該開孔內底凹圓 相吻合，且可變搖臂上側向豎直開孔的寬度大於球頭軸直徑、小於球頭直徑，球頭軸 另一端安放在固定滑動支架上，起限位作用的卡簧套在球頭軸上、並卡固在該支架上， 球頭軸與凸輪軸平行，滾子輪與凸輪的凸頭組成轉動副。
本發明的另一目的是提供具有同樣功能另一種內燃發動機全功能可變配氣控制 機構。
本發明的另一目的是這樣實現的 一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包 括電機，蝸杆蝸輪傳動機構，聯合從動搖臂，還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪其凸輪 頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向 凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖 臂軸向平移機構搖臂軸安裝固定在所述蝸輪上，推動環旋接在搖臂軸的絲杆上、可 變搖臂以及所述聯合從動搖臂均可轉動地安裝在搖臂軸上、推動環旋接在搖臂軸的絲 杆上，且推動環左、右兩面貼合於可變搖臂的雙臂之間、可變搖臂又位於從動搖臂的 雙臂之間；推動環上有用於插入氣缸蓋條形凹槽中的限位柄；可變搖臂上的滾子輪位 於凸輪凸輪頭的作用範圍內。
本發明的再一目的是提供一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，除歇缸功能 外相同功能的內燃發動機單凸輪軸頂置式配氣機構。
本發明的再一目的是這樣實現的 一種內燃發動機單凸輪軸頂置式配氣機構，包 括電機，蝸杆蝸輪傳動機構，排氣門聯合從動搖臂、進氣門聯合從動搖臂，還具有組 合式凸輪軸，該軸上設置有一個斜面凸輪頭和兩個盤狀凸輪頭，斜面凸輪頭為其凸 輪頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端 向凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；排氣門聯合 從動搖臂雙臂上的兩個滾子輪與兩個盤狀凸輪頭組成轉動副；還具有可變搖臂軸線平 移機構絲杆安裝固定在所述蝸輪上，推動臂旋接在絲杆上，推動臂上的凹半圓槽與 可變搖臂的凸半圓相卡套接觸，可變搖臂以及進氣門聯合從動搖臂均可轉動地安裝在 搖臂軸上，且可變搖臂上的滾子輪位於從動搖臂的雙臂之間、並與組合式凸輪軸上的 斜面凸輪頭構成轉動副。
從上面背景技術的大致情況看，凸輪偏轉也好，切換凸輪長短變化也好，幾乎所有發動機配氣技術都是圍繞著，如何改變凸輪工作面來驅動氣門的正時和行程，換句 話說問題是如何利用凸輪輪廓來發揮擴張作用展開的。反過來說，當凸輪輪廓具有 擴張性時，問題就變得異常簡單。因此，我們設計出具有輪廓擴張性的斜面凸輪頭的 凸輪，配以發揮凸輪輪廓擴張變化的控制機構，以簡單的結構、低成本的投入、完成 更多更全面的功能，本發明的有益效果是1、連續可變氣門正時和氣門升程；2、使 氣門具有半開功能；3、歇缸功能；4、增加對可變氣門疊加量操控性；5、可以將具 連續可變氣門升程的進氣門取代節氣門。使高端可變配氣技術，和歇缸技術能普遍運 用於經濟型發動機上成為可能，當增加功率、節約油耗、減少排放具廣泛性時，就能 發揮出巨大的社會和經濟效益。
將結合具體實施方式
進一步闡述本發明的特點和優點。


圖1是本發明雙凸輪軸頂置式配氣機構(以推動臂推動可變搖臂)的組裝示意圖； 圖1-1是圖1所示滾子輪的主視圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4分別是圖l所示配氣機構中可變搖臂軸向移動與 凸輪相對的四個位置的立體圖3是圖1所示配氣機構與四缸四衝程內燃機歇缸與非歇缸分組控制的立體圖4-1、圖4-2、圖4-3、圖4-4分別是圖2所示凸輪與滾子輪推程作用產生的凸 輪正時變化的示意圖(圖中粗線為凸輪與滾子輪實際工作線)；
圖4-5、圖4-6、圖4-7、圖4-8分別是圖2所示凸輪與滾子輪迴程作用產生的凸 輪正時變化的示意圖5-1、圖5-2、圖5-3、圖5-4是圖4所示凸輪與滾子輪作用時氣門升程變化及
歇缸位置變化示意圖6是本發明雙凸輪軸頂置式配氣機構(以推動環推動可變搖臂)的組裝示意圖； 圖7是圖6所示配氣機構的各氣缸分組控制和推動環柄在氣缸蓋被限制轉動的示
意圖8-1、圖8-2、圖8-3、圖8-4分別是圖7所示配氣機構中可變搖臂軸向移動與 凸輪相對的四個位置的立體圖9是本發明單凸輪軸頂置式配氣機構的組裝示意圖； 圖9-l、圖9-2分別是圖9所示普通滾子輪的主視圖； 圖9-3是圖9所示推動臂的立體圖；圖10-1、圖10-2、圖10-3分別是圖9所示配氣機構中可變搖臂軸向移動三個位 置的立體圖；圖11是圖IO所示配氣機構整體控制的立體圖；圖12是本發明雙凸輪軸頂置式配氣機構(推動臂方式m)的組裝示意圖；圖13是圖12所示推動臂、可變搖臂、滾子輪、滑動支架以及卡簧組裝後的立體圖；圖14-1、圖14-2、圖14-3分別是圖12所示各部件組裝後的滾子輪軸向位置變 動後與斜面凸輪的作用示意圖；圖15是圖12所示所示4個配氣機構中每個氣缸的從動搖臂受一套蝸杆蝸輪整體 控制的立體圖；圖16、圖17、圖18、圖19分別是斜面凸輪處於不同轉動位置的軸向視圖； 圖16-1、圖16-2、圖16-3是對應於圖16凸輪位置時滾子輪隨斜面凸輪逐漸傾 斜的示意圖；圖17-1、圖17-2、圖17-3是對應於圖17凸輪位置時滾子輪隨斜面凸輪逐漸傾 斜的示意圖；圖18-1、圖18-2、圖18-3是對應於圖17凸輪位置時滾子輪隨斜面凸輪逐漸傾 斜的示意圖；圖19-1、圖19-2、圖19-3是對應於圖19凸輪位置時滾子輪隨斜面凸輪逐漸傾 斜的示意圖；圖20是斜面凸輪的空心凸輪軸和半空心凸輪頭的示意圖； 圖21是斜面凸輪具有擴張性輪廓的軸向視圖(圖中箭頭為旋轉方向)； 圖22圖23分別是斜面凸輪按箭頭方向轉動時(即正配置時)推程壓力角a〈回 程壓力角a'的示意圖；圖24是斜面凸輪的凸輪基圓半徑(R或r)與凸頭偏距比(h)的示意圖； 圖25是發動機配氣參考圖。
具體實施方式
採用不等形狀的斜面凸輪頭的凸輪(圖3、圖5)，使凸輪輪廓具有擴張性1、根據需要通過微電腦ECU控制分組的步進電機同步驅動蝸杆蝸輪帶動絲杆上 的推動臂(圖1)或推動環(圖6)，使帶有滾子輪的可變搖臂(圖1、圖6)在從動 搖臂上平移，並由於凸輪斜面的徑向長短變化和凸輪與滾子輪之間的轉角變化，達到調節發動機不同轉速狀況下所需要匹配的氣門正時和氣門升程；2、 將此方法同時運用於DOHC雙凸輪軸頂置式(圖l、圖6)和SOHC單凸輪軸頂 置式(圖9)這兩種制式發動機配氣上。3、 對於D0HC雙凸輪軸頂置式由電機對進氣可變搖臂和排氣可變搖臂分別控制， 使進、排氣的可變搖臂在從動搖臂上平移量同步或不同步微電腦ECU可基於各傳感 器信號經處理來控制，以滿足發動機各種工況需要的進、排氣門可變疊加量。各傳感器包括氣缸壓力傳感器、轉速傳感器、燃燒值傳感器、水溫傳感器、電 壓傳感器、腳踏板深度傳感器等。4、 實時的對發動機進行變容歇缸管理減小工作排量在需要時單獨調節歇缸搖臂上的進、排氣門可變搖臂平移同步離開斜面凸輪驅動面，凸輪無法驅動搖臂，使部 分氣缸的進氣門和排氣門同時處於始終關閉狀態，並關閉歇缸氣缸的供油，使發動機容量處於低排量運行；當需要恢復歇缸至工作狀態時，由微電腦依據在運行中的可變 搖臂當前所處氣門正時及疊加量位置數據和其它傳感器信號經判別處理，來控制分組 步進電機使歇缸的可變搖臂迅速平移至與運行中的可變搖臂同步位置，同時開啟供油 使歇缸恢復至工作狀態。5、 將具連續可變氣門升程功能的進氣門取代節氣門，以腳踏板深度傳感器，取 代原有的節氣門控制連線機構(後面敘述)。本配氣機構的結構、功能和控制過程 (1) .DOHC雙凸輪軸頂置式的配氣結構、功能和控制過程 單缸四氣門的DOHC雙凸輪軸頂置式的配氣結構組成(進、排氣門兩側對稱相同，以一側進氣門為例)有(圖1和圖6)兩種驅動工作方式艮P:以推動臂推動可變搖臂(圖1)和以推動環推動可變搖臂(圖6)的兩種驅 動工作方。(一)以推動臂推動可變搖臂的結構組成和工作方式以及功能 結構組成(圖l)聯合從動搖臂l、可變搖臂2、滾子輪2a、可變搖臂凹槽2b、搖臂軸3、推動臂 4、推動臂凸半圓4a、絲杆5、蝸輪6、蝸杆6a、電機7、凸輪頭斜面擴張的凸輪8 (凸輪頭低端高度低於正常高度，兩側起凸部位》怠速正時)。本發明包括電機7，蝸杆6a蝸輪6傳動機構，聯合從動搖臂l，還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪8:其凸輪頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐 漸平滑地從凸輪頭高端向凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回 程壓力角；還具有可變搖臂2軸向平移機構絲杆5安裝固定在所述蝸輪6上，推動 臂4旋接在絲杆5上，可變搖臂2以及所述聯合從動搖臂1均可轉動地安裝在搖臂軸 3上，且可變搖臂2位於從動搖臂1的雙臂之間、其上凹槽2b與推動臂4上的凸半圓 4a相接觸；可變搖臂2上的滾子輪2a與凸輪8的凸輪頭組成轉動副。可變搖臂2上 滾子輪2a與凸輪頭接觸的工作面為弧形斜面、且該弧形斜面與凸輪8的凸輪頭斜面 的傾斜方向相反；凸輪8上凸輪頭的起凸部位大於等於怠速正時。凸輪8由空心凸輪 軸和半空心凸輪頭組成。工作方式如(圖2，圖2指圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4等以2字開頭的所 有圖，下同)由微電腦ECU控制帶絲杆電機7，由帶絲杆電機7驅動蝸輪6帶動絲杆5，在絲 杆5轉動作用下，由推動臂4，並由推動臂凸半圓4a在可變搖臂凹槽2b中，帶動可 變搖臂2在搖臂軸3上平移，改變可變搖臂2在凸輪8下的相對位置。圖2-l和圖5-l為可變搖臂處在凸輪外端歇缸位置，凸輪無法驅動搖臂；當可變 搖臂需要從凸輪外端歇缸位置進入到凸輪頭內工作位置時，由於可變搖臂2上的滾子 輪2a為外圓為半圓弧狀，加上凸輪是不斷轉動的，因此很容易進入。圖2-3和圖5-3為可變搖臂處在凸輪低端，使氣門(升程量)半開狀態位置；氣門 半開狀態時的氣門正時(參見圖4)由圖4-l和圖4-5所示，圖中粗線為凸輪與滾子 輪實際正實工作線。圖2-3和圖5-3、以及圖2-4和圖5-4為可變搖臂在不時期的升程變化位置；圖 4-2和圖4-6、圖4-3和圖4-7、圖4-4和圖4_8分別為不時期凸輪與滾子輪作用產生 的凸輪正時變化。(二)以推動環推動可變搖臂的結構組成和工作方式以及功能結構組成(圖6)聯合從動搖臂1、搖臂環9、可變搖臂10、帶絲杆搖臂軸11、推動環12、推動環 限制柄12a、蝸輪6、蝸杆6a、電機7、凸輪頭斜面擴張的凸輪8。圖6示出， 一種內燃發動機雙凸輪頂置式配氣機構，包括電機7，蝸杆6a蝸輪6 傳動機構，聯合從動搖臂1，還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪8:其凸輪頭高端輪廓的 推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖臂IO軸向平 移機構搖臂軸11安裝固定在所述蝸輪6上，推動環12旋接在搖臂軸11的絲杆上、 可變搖臂10以及所述聯合從動搖臂1均可轉動地安裝在搖臂軸11上、推動環12旋 接在搖臂軸ll的絲杆上，且推動環左、右兩面貼合於可變搖臂IO的雙環臂之間、可 變搖臂10又位於從動搖臂1的雙臂之間；推動環12上有用於插入(圖7)氣缸蓋條形 凹槽22中的限位柄12a;可變搖臂10上的滾子輪(和圖1中2a形狀一樣)位於凸輪 8凸輪頭的作用範圍內。還具有兩個搖臂環9，兩個搖臂環設置在搖臂軸ll上與聯合 從動搖臂1的雙臂之間。可變搖臂IO上滾子輪(和圖1中2a形狀一樣)與凸輪頭接 觸的工作面為弧形斜面、且該弧形斜面與凸輪8的凸輪頭斜面的傾斜方向相反；凸輪 8上凸輪頭的起凸部位大於等於怠速正時。凸輪8由空心凸輪軸和半空心凸輪頭組成。工作方式(圖7)、(圖8) 由微電腦ECU控制帶絲杆電機7通過蝸輪6驅動帶絲杆搖臂軸11轉動，帶絲杆 搖臂軸11具有雙重功能，既作可變搖臂10的轉動軸，又作推動環12的推動絲杆， 可變搖臂IO上的圓孔是在其絲杆表面轉動的，有內絲的推動環12能隨帶絲杆搖臂軸 ll的轉動而軸向移動，推動環上的限制柄12a作用是限制推動環12隨絲杆轉動，使 其只能在絲杆上軸向移動，推動環上的限制柄12a是限定在氣缸蓋上與絲杆平行的條 形凹槽22中，因此，可變搖臂10在聯合從動搖臂1上平移是由推動環11帶動的。其工作方式產生的歇缸、氣門(升程量)半開狀態、變化的氣門正時和氣門升程與 上面所述以推動臂推動可變搖臂方式相同。(這兩種推動臂推動方式結構方法不同，原理一樣，而後一種以推動環推動可變 搖臂方式更為簡潔，它還要少一根軸)。上述兩種可變搖臂控制機構由微電腦ECU控制的簡單機械過程，均能準確完成如 下功能① 連續可變氣門正時和連續可變氣門升程由於調節可變搖臂，可變搖臂上的滾子輪2a與凸輪8相互作用，凸輪8斜面的 徑向長短變化和凸輪與滾子輪2a之間的轉角變化，達到連續調節發動機不同轉速狀 況下所需要匹配的各種連續變化的氣門正時和氣門升程；② 使氣門半開狀態將可變搖臂調節到凸輪8低端，凸輪設計時，具有擴張性的凸輪頭斜面低端，凸 輪頭高度低於正常凸輪頭高度，凸輪頭低端兩側起凸部位不小於怠速正時，便可使氣門處於半開狀態。從氣流量調節作用上起到了，使四氣門氣缸可發揮兩氣門氣缸在低 慢速時的優勢(兩氣門氣缸發動機低慢速時，其動力油耗特性優於四氣門氣缸發動 機)。
③ 歇缸過程
歇缸時只能在部分氣缸上進行，因此，控制機構必須分組控制，見(圖3)、(圖 7):分組控制圖，微電腦ECU指令分組電機工作，將歇缸組的可變搖臂平移離開斜面 凸輪的驅動面(見圖2-l和圖5-l)，使凸輪無法驅動搖臂即可；電腦ECU指令同時斷 開供油；
當需要歇缸恢復至工作時，由電腦ECU根據當前氣缸壓力傳感器信號便可判別負 荷變化(如轉速變化與負荷比、坡道與負荷比等等)，並根據當前在運行氣缸的氣 門正時和氣門行程數據，主動恢復歇缸至工作，並指令分組電機工作，迅速將歇缸組 的可變搖臂平移達到與在運行氣缸同步的氣門正時和氣門行程相同位置；同時恢復供油。
④ 可變氣門疊加量
在通常狀態下進氣門機構配合另 一側具有相同結構的排氣門機構，由於氣門正時 變化就會產生氣門疊加量變化，微電腦ECU通過基於各傳感器信號控制電機，也可以 使進、排氣的可變搖臂在各自從動搖臂上平移量相互同步或不同步，便可進一步完成 各種更複雜需求的氣門疊加量。
(D可以將具連續可變氣門升程的進氣門取代節氣門
由於本機構具有靈活細膩的連續可變氣門升程控制能力，因此，完全可以取消節
氣門，以進氣門取代節氣門；具體方法是以腳踏板深度傳感器，取代原有的節氣門 控制連線機構，B卩電腦ECU根據腳踏板深度傳感器輸出信號，經過判別處理來控制 電機7，電機驅動進氣門可變搖臂2移動在凸輪下適宜位置，來調節所需進氣門開度， 控制氣體流速和流量；同時，電腦ECU自動根據其它傳感器信號(如轉速傳感器、 氣缸壓力傳感器、燃燒值傳感器、水溫傳感器、電壓傳感器等)經過綜合處理來控制 排氣門的可變搖臂，相應改變排氣門正時，以調校當前排氣門正時與進氣門正時的疊 加和疊加偏移量，例如當加速時，轉速傳感器信號為轉速增加，此時的排氣門正時 的開、閉，應隨轉速的增加而相應的增加打開提前量和增加關閉滯後量，排氣門正時 的增加結果是與進氣門正時的疊加量相應增大(由於排氣門關閉滯後，排氣岐管中高 密度廢氣越是遠離氣缸，缸內相應的平均壓強也就越低，需要填充的體積就越大)，使氣缸充氣效率增加。同時，排氣門升程量也隨轉速的增加而相應增加，排氣門升程 增加能跟隨轉速的排氣速率。
在低慢速時，由於沒有了節氣門在進氣岐管前端對氣流的限制(BP:有節氣門時， 進氣門與節氣門之間的進氣岐管內由於雙門作用引起的真空負壓，會形成活塞吸氣時 的阻力)，而只有進氣門開度調節流速和流量的限制，油耗和動力對氣缸來說是取多 用多，使發動機能在走走停停的城市工況下發揮最佳油耗動力比。 (2) .SOHC單凸輪軸頂置式的配氣結構、功能和控制過程
結構組成(圖9)
排氣門聯合從動搖臂13、普通滾子輪13a、進氣門聯合從動搖臂14、可變搖臂 15、滾子輪15a、推動臂16、絲杆5、蝸輪6、蝸杆6a、搖臂軸3、電機7、斜面凸輪 頭17a和盤狀凸輪頭17b的組合式凸輪軸17。
圖9示出， 一種內燃發動機單凸輪頂置式配氣機構，包括電機7，蝸杆6a蝸輪6 傳動機構，排氣門聯合從動搖臂13、進氣門聯合從動搖臂14，還具有組合式凸輪軸 17，該軸上設置有一個斜面凸輪頭17a和兩個盤狀凸輪頭17b，斜面凸輪頭17a為 其凸輪頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭 高端向凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；排氣門 聯合從動搖臂13雙臂上的兩個滾子輪13a與兩個盤狀凸輪頭17b組成轉動副；還具 有可變搖臂15軸線平移機構絲杆5安裝固定在所述蝸輪6上，推動臂16旋接在絲 杆5上，推動臂16上的凹半圓槽與可變搖臂15的凸半圓相卡套接觸，可變搖臂15 以及進氣門聯合從動搖臂14均可轉動地安裝在搖臂軸3上，且可變搖臂15上的滾子 輪15a位於從動搖臂14的雙臂之間、並與組合式凸輪軸17上的斜面凸輪頭17a構成 轉動副。可變搖臂15的滾子輪15a與斜面凸輪頭17a接觸的工作面為一弧形面；排 氣門聯合從動搖臂13的滾子輪13a與盤狀凸輪頭17b接觸的工作面為一平面。
其工作方式如(圖IO)，此方法的單凸輪軸頂置式的配氣結構，只在進氣門一 側設置了可變搖臂及其控制機構，排氣門一側為普通(現有)排氣門聯合從動搖臂13。
進氣門一側可變搖臂的工作過程與上(一)所述進氣門一側的工作方式基本相同， 不同的只是推動臂16是從上端向下控制帶有滾子輪的可變搖臂15軸向平移，並由推 動臂16凹半圓槽在可變搖臂15凸半圓上，帶動可變搖臂15在進氣門聯合從動搖臂 14上平移且可變搖臂15是以槓桿方式工作。
因此，S0HC單凸輪軸頂置式進氣門可變配氣結構也具備如下功能① 進氣門連續可變氣門正時和連續可變氣門升程。
② 進氣門半開狀態。
(D以控制調節進氣門連續可變氣門正時與固定的排氣門正時的相對量，達到調節 進、排氣門的可變氣門疊加量(由於，斜面凸輪頭具有兩側擴張性，較其它以偏轉方 式改變氣正時不同，它可以使氣門正時既提前，也推遲，因此，調節可變氣門疊加量 的範圍更大)。
可以將具連續可變氣門升程的進氣門取代節氣門。
但此方法的S0HC單凸輪軸頂置式進氣門可變配氣結構不具備歇缸功能。 (3).圖12示出雙凸輪軸頂置式配氣機構(以推動臂方式推動可變搖臂滾子輪
的球頭軸隨斜面凸輪擺動線接觸方式)，雙凸輪軸頂置式配氣機構進、排氣門兩側對
稱相同，以一側進氣門為例
內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包括電機7，蝸杆6a蝸輪6傳動機構，聯
合從動搖臂1，還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪8:其凸輪頭高端輪廓的推程壓力角大
於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪
頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖臂18軸向平移機構絲杆5 安裝固定在所述蝸輪6上，推動臂4旋接在絲杆5上，可變搖臂18以及所述聯合從 動搖臂1均可轉動地安裝在搖臂軸3上，且可變搖臂18位於從動搖臂1的雙臂之間、 其上凹槽18b與推動臂4上的凸半圓4a相接觸；滾子輪19固定在球頭軸上、靠近球 頭一端，該球頭插入可變搖臂18上的側向和頂面垂直開孔的圓柱形開孔18a中、並 與該開孔內底凹圓相吻合，且可變搖臂18上側向豎直開孔的寬度大於球頭軸直徑、 小於球頭直徑，球頭軸另一端安放在固定滑動支架20上，起限位作用的卡簧21套在 球頭軸上、並卡固在該支架上，球頭軸與凸輪8軸平行，滾子輪19與凸輪8的凸頭 組成轉動副，滾子輪19外圓形狀與普通滾子輪外圓相同；凸輪8由空心凸輪軸和半 空心凸輪頭組成。
上述所有技術方案中均可優先採用這種凸輪的結構設計。
6、同樣運用推動臂推動可變搖臂和推動環推動可變搖臂的兩種驅動工作方法， 驅動具有使滾子輪始終保持與擴張性輪廓的斜面凸輪以線接觸工作方式
如圖12圖13，所有驅動可變搖臂方式相同，只是滾子輪19安裝在一隻較長的球 頭軸上，且滾子輪靠近該軸球頭一端，滾子軸另一端安放在位於搖臂外側氣缸蓋上的 固定滑動支架20上，固定滑動支架在斜面凸輪頭低端方向；滾子輪球頭軸與凸輪軸軸向平行，平行距離為滾子輪半徑減去滾子軸半徑；滾子輪球頭軸的球頭端插入可變 從動搖臂上的側向和頂面垂直開孔的圓柱形孔18a中，該圓柱孔內底凹圓與軸球頭圓 相吻合，可變從動搖臂18側向開孔寬度大於等於滾子軸直徑，小於球頭直徑，使可 變從動搖臂軸向移動時可來回移動滾子軸，同時軸球頭可以使滾子軸能隨斜面凸輪從 水平到逐漸傾斜間往復運動，始終保持滾子輪外圓與斜面凸輪最大面積的線接觸，如 圖16到圖19，為斜面凸輪轉過不同角度時滾子輪隨斜面凸輪逐漸傾斜過程示圖。
具有擴張性輪廓的斜面凸輪的運動特徵是由凸輪輪廓決定的，由於所說的從動件 滾子輪是可以在凸輪轉動時軸向移動，因此，斜面凸輪對於定點參照物的有效作用面 是一條線，由於凸輪是間歇作功和凸輪頭是逐漸凸起的，凸輪的斜面線也是由水平繞 軸線逐漸傾斜的，所以凸輪作功時該有效作用線是由軸向水平線開始，隨轉動方向的 改變，作用線軸向逐漸傾斜，繞過最大斜面，又逐漸回到水平，如此往復運動。
運用滾子輪球頭軸隨斜面凸輪擺動方式能完成連續可變氣門正時與圖4-1到圖 4-8所示情況一樣，具有氣門半開和連續可變氣門升程能力如圖16-1、圖16-2、圖 16-3、圖17-1、圖17-2圖17-3、圖18-1、圖18-2、圖18-3、圖19-1、圖19-2、圖 19-3所示。
由於滾子輪球頭軸隨斜面凸輪擺動方式不具備歇缸功能，所以，每個氣缸的可變 從動搖臂是受一套蝸杆蝸輪整體控制的，如圖15所示。
7、具有擴張性輪廓的凸輪與凸輪從動機構在約束條件下的優化
對內燃發動機氣門的同一種驅動要求往往可以通過多種凸輪機構來實現，即便是 在凸輪機構類型確定的情況下，其機構實現運動要求的基本參數和結構參數的可取範 圍有很大差異。要根據內燃發動機類型和工作要求，確定有關參數，同時需要配合合 理的從動機構，才能實現凸輪輪廓類型對內燃發動機機型的適用性。
如圖22、圖23，凸輪作用於從動件的驅動力F是沿法線方向傳遞的，此力可分 解為沿從動件運動方向的有用分力fl和從動件緊壓凸輪的有害分力f2，驅動力F與 有用分力fl之間的夾角a為凸輪與從動機構作用時的壓力角。顯然壓力角a愈大， 有害分力f2愈大，由f2引起的運動中的摩擦阻力也愈大，故凸輪推動從動件所需的 驅動力也就愈大。
凸輪機構又分為正配置和負配置，正配置可減小推程壓力角，但同時使回程壓力 角增大；負配置可減小回程壓力角，但卻使推程壓力角增大。內燃發動機氣門回程時 不是由凸輪驅動的，而只有彈簧力作用，回程壓力較小,所以採用正配置，以減小推程壓力角，增大回程壓力角；如圖22，圖23，圖中推程壓力角a〈回程壓力角a',按 鍵頭方向轉動時為正配置。
本發明根據內燃發動機凸輪與凸輪從動機構工作的約束條件從以下幾方面對凸 輪機構進行優化
① .在凸輪與滾子輪接觸面方面凸輪輪廓與從動件之間理論上是點接觸和線接 觸。凸輪機構的優化和約束條件，應是最大接觸應力的極小化，使凸輪有足夠的強度 和壽命(這裡不談材料硬度問題)，但如果要求機構在一定條件下具有最高的強度和最 長的壽命，則應使最大接觸應力極小化，達到最大接觸應力極小化可以從增大接觸面 和減小推程壓力角兩方面優化。所以在本發明中將同一方法控制機構,給出了點接觸 和線接觸兩種不同功能的配氣機構，運用在不同要求的內燃發動機機型中。
② .在壓力角方面如圖21，為凸輪擴張性輪廓的軸向視圖。凸輪與滾子輪接觸， 當潤滑良好和從動機構支撐有較好剛性時，壓力角的許可值對從動件滾子輪來說，具
有擴張性輪廓的凸輪其凸頭(即凸輪頭)高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回 程壓力角，並逐漸向凸頭低端輪廓過渡，凸頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角 (即低端兩側輪廓對稱)。
③ .凸輪基圓半徑與凸頭偏距比如圖24，當凸頭偏距高度一定時,基圓半徑R 越大，壓力角a越小，對於具有擴張性輪廓的凸輪來說，由於凸輪頭最長端凸出長短 受定型的氣門升程量制約,要求凸輪頭有較大的徑向高度，為了保證凸輪頭的絕對徑 向高度h不變，可以採用較大的凸輪基圓半徑和保持較小的凸頭偏距比(凸頭的表面 曲線的曲率較小)，來減小壓力角，因為，圓半徑增大不會改變角速度，不會引起既 定的氣門正時的改變。
④ .使凸輪重量的極小化如圖20，為了減小凸輪和凸輪軸的體積重量，減小慣
性，凸輪頭與滾子輪相互作用時存在加速度突變，會引起柔性衝擊，凸輪重量愈大， 慣性力愈大。對於內燃發動機高速凸輪，為了減小慣性力的危害，在保證凸輪和凸輪 軸的工作強度條件下，運用了空心凸輪軸和半空心凸輪頭，達到凸輪重量極小化。
權利要求
1、一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包括電機(7)，蝸杆(6a)蝸輪(6)傳動機構，聯合從動搖臂(1)，其特徵是還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪(8)其凸輪頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖臂(2)軸向平移機構絲杆(5)安裝固定在所述蝸輪(6)上，推動臂(4)旋接在絲杆(5)上，可變搖臂(2)以及所述聯合從動搖臂(1)均可轉動地安裝在搖臂軸(3)上，且可變搖臂(2)位於從動搖臂(1)的雙臂之間、其上凹槽(2b)與推動臂(4)上的凸半圓相接觸；可變搖臂(2)上的滾子輪(2a)與凸輪(8)的凸輪頭組成轉動副。
2、 根據權利要求1所述內燃發動機全功能可變配氣控制機構，其特徵是所述可 變搖臂(2)上滾子輪(2a)與凸輪頭接觸的工作面為弧形斜面、且該弧形斜面與凸輪(8)的凸輪頭斜面的傾斜方向相反；凸輪(8)上凸輪頭的起凸部位大於等於怠速正時； 所述凸輪(8)由空心凸輪軸和半空心凸輪頭組成。
3、 一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包括電機(7)，蝸杆(6a)蝸輪(6) 傳動機構，聯合從動搖臂(1)，其特徵是還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪(8):其凸輪 頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向凸 輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖臂-(18)軸向平移機構絲杆(5)安裝固定在所述蝸輪(6)上，推動臂(4)旋接在絲 杆(5)上，可變搖臂(18)以及所述聯合從動搖臂(1)均可轉動地安裝在搖臂軸(3) 上，且可變搖臂(18)位於從動搖臂(1)的雙臂之間、其上凹槽(18b)與推動臂(4) 上的凸半圓(4a)相接觸；滾子輪(19)固定在球頭軸上、靠近球頭一端，該球頭插入 可變搖臂(18)上的側向和頂面垂直開孔的圓柱形開孔(18a)中、並與該開孔內底凹 圓相吻合，且可變搖臂(18)上側向豎直開孔的寬度大於球頭軸直徑、小於球頭直徑， 球頭軸另一端安放在固定滑動支架(20)上，起限位作用的卡簧(21)套在球頭軸上、 並卡固在該支架上，球頭軸與凸輪(8)軸平行，滾子輪(19)與凸輪(8)的凸頭組成 轉動副，滾子輪(19)與凸輪頭(8)接觸的工作面為一平面。
4、 根據權利要求3所述內燃發動機全功能可變配氣控制機構，其特徵是所述凸 輪(8)由空心凸輪軸和半空心凸輪頭組成。
5、 一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包括電機(7)，蝸杆(6a)蝸輪(6) 傳動機構，聯合從動搖臂(1)，其特徵是還具有凸輪頭斜面擴張的凸輪(8):其凸輪頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角，並逐漸平滑地從凸輪頭高端向凸 輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於回程壓力角；還具有可變搖臂 (10)軸向平移機構搖臂軸(11)安裝固定在所述蝸輪(6)上，推動環(12)旋接 在搖臂軸(11)的絲杆上、可變搖臂(10)以及所述聯合從動搖臂(1)均可轉動地安 裝在搖臂軸(11)上、推動環(12)旋接在搖臂軸(11)的絲杆上，且推動環左、右兩 面貼合於可變搖臂(10)的雙臂之間、可變搖臂(10)又位於從動搖臂(1)的雙臂之 間；推動環(12)上有用於插入氣缸蓋條形凹槽(22)中的限位柄(12a);可變搖臂(10) 上的滾子輪位於凸輪(8)凸輪頭的作用範圍內。
6、 根據權利要求5所述內燃發動機全功能可變配氣控制機構，其特徵是還具有兩個搖臂環(9)，兩個搖臂環設置在搖臂軸(11)與聯合從動搖臂(1)的雙臂之間；所述凸輪(8)由空心凸輪軸和半空心凸輪頭組成。
7、 根據權利要求5或6所述內燃發動機全功能可變配氣控制機構，其特徵是所 述可變搖臂(10)上滾子輪與凸輪頭接觸的工作面為弧形斜面、且該弧形斜面與凸輪(8) 的凸輪頭斜面的傾斜方向相反；凸輪(8)上凸輪頭的低端起凸部位大於等於怠速正時。
8、 一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包括電機(7)，蝸杆(6a)蝸輪(6) 傳動機構，排氣門聯合從動搖臂(13)、進氣門聯合從動搖臂(14)，其特徵是還具有 組合式凸輪軸(17)，該軸上設置有一個斜面凸輪頭(17a)和兩個盤狀凸輪頭(17b)， 斜面凸輪頭(17a)為其凸輪頭高端輪廓的推程壓力角大於凸輪輪廓的回程壓力角， 並逐漸平滑地從凸輪頭高端向凸輪頭低端輪廓過渡，凸輪頭低端輪廓為推程壓力角等於 回程壓力角；所述排氣門聯合從動搖臂(13)雙臂上的兩個滾子輪(13a)與兩個盤狀 凸輪頭(17b)組成轉動副；還具有可變搖臂(15)軸線平移機構絲杆(5)安裝固定 在所述蝸輪(6)上，推動臂(16)旋接在絲杆(5)上，推動臂(16)上的凹半圓槽與 可變搖臂(15)的凸半圓相卡套接觸，可變搖臂(15)以及進氣門聯合從動搖臂(14) 均可轉動地安裝在搖臂軸(3)上，且可變搖臂(15)上的滾子輪(15a)位於從動搖臂(14)的雙臂之間、並與組合式凸輪軸(17)上的斜面凸輪頭(17a)構成轉動副。
9、 根據權利要求8所述內燃發動機全功能可變配氣控制機構，其特徵是所述凸 輪(8)內空心凸輪軸和半空心凸輪頭組成；可變搖臂(15)的滾子輪(15a)與斜面凸 輪頭(17a)接觸的工作面為一弧形面；排氣門聯合從動搖臂(13)的滾子輪(13a)與 盤狀凸輪頭(17b)接觸的工作面為一平面。
全文摘要
一種內燃發動機全功能可變配氣控制機構，包括電機，蝸杆蝸輪傳動機構，凸輪頭斜面擴張的凸輪由一圓錐體部分組合在一圓柱體上而成，二者軸線平行；其可變搖臂軸向平移機構為絲杆安裝固定在蝸輪上，推動臂旋接在絲杆上，可變搖臂以及聯合從動搖臂均可轉動地安裝在搖臂軸上，且可變搖臂位於從動搖臂的雙臂之間、其上凹槽與推動臂上的凸半圓相接觸；可變搖臂上的滾子輪與凸輪的凸輪頭組成轉動副。它具有連續可變氣門正時和氣門升程，使氣門具有半開功能、歇缸功能以及可變氣門疊加量的操縱性，並可取代節氣門。將高端改變配氣技術和歇缸技術運用於經濟型發動機，具有增加功率、節約油耗、減少排放的優點。
文檔編號F01L1/34GK101408118SQ20081004645
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月5日 優先權日2008年11月5日
發明者劉若丹 申請人:劉若丹