內燃發動機正時凸輪機構的製作方法

2023-10-11 14:36:34

專利名稱：內燃發動機正時凸輪機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃發動機正時凸輪機構。特別是提供一種使氣門早期升至全開和晚遲回閉的正時凸輪機構，內容 包括一種輕負荷彈性氣門和一種中心圓弧型凸輪，作用是為機組運轉減負和強化進排氣效率，大幅提升發動機的淨功率。
背景技術：
內燃發動機是用曲軸動力驅動正時凸輪來控制氣門開閉。在進氣行程中，是由活塞抽吸空氣進入汽缸噴油燃燒，膨脹氣體推動活塞移動做功產生動力，然後再排出燃燒廢氣。衡量發動機功率大小的參數是「排量"。發動機排量=汽缸工作容積X汽缸數量。在理論上；汽缸容積越大，吸氣就越多，輸出功率就越大。但實際情況是吸氣過程要受到氣門的開閉工況的直接影響，真正容納空氣的效率很低。控制氣門開度的是凸輪，所以；凸輪的輪廓形狀也能夠決定內燃機功率。內燃機氣門是一種彈性氣門，氣門在配氣機構中的主要作用是密封和控制流量。在四衝程發動機中曲軸每旋轉兩周，進排氣門各完成一次開閉。決定氣門彈性的是彈簧，當前內燃機氣門採用的彈簧是一種等螺距圓柱型螺旋壓縮彈簧，這是一種定剛度彈簧，最大彈力=剛度常數X氣門升程。由於彈性是隨壓縮量的變化直線增大，凸輪驅動氣門的阻力也巨大，所以；可稱其為強力彈性氣門。我們將氣門的彈性作用可分為兩階段，第一階段是氣門安裝保持一定張緊度的初緊彈性，第一階段彈性決定氣門與缸蓋間之間的密封性，密封越好、引擎動力越大。第二階段是凸輪頂開氣門的壓縮彈性，第二階段彈性越大，凸輪驅動氣門耗能就越大，在強力彈性氣門中，如果要降低能耗，氣門的密封性能就會減弱。為了說明當今內燃機凸輪頂壓氣門所消耗的能量究竟有多大，舉一實驗示例並作出分析一種六缸柴油發動機氣門的安裝初緊力為90N，氣門升程為15_，凸輪頂壓氣門升至全開時的作用力為350N。根據這一結果推導；在該機上共並聯有12個氣門，驅動凸輪機構每完成一次工作循環，最大功耗能就要超過4000N。如果曲軸每分鐘旋轉數千轉，驅動凸輪需要提供過多大能量？因為氣門的彈性強度涉及到巨大的能量消耗問題，所以；當今內燃機氣門的彈性強度是否科學合理，應該重新審視。內燃發動機如果內耗過大，輸出動力就會減低。當今內燃機的效能低、油耗高與機組內部耗能過大有關，要改變內燃機動力應首先開展減負。由於配氣機構的原理和結構特殊，牽一而發動全身，特別是涉及氣門彈性強度方面，稍有不當就會造成相關部件的損壞。因風險較大，所以，關於變革氣門彈性強度方面的技術討論相對較少。配氣相位是以曲軸轉角來反映凸輪頂壓氣門開閉時，活塞在汽缸內的位置變化情況。在進氣過程中；活塞由上止點到下止點曲軸旋轉180度，氣門完成一次開閉凸輪同步轉動90度。當今內燃機凸輪採用的是一種漸開線凸輪，輪廓曲線形狀呈桃子形，俗稱桃子(軸)輪，凸輪在90度轉角內，至45度時氣門升至全開，越過45度氣門就開始關閉。整個過程中氣門處於最大開度的時間只有一瞬間。可以認為；當今內燃機氣門實際是一種半掩式氣閥門，不僅通過氣流小，而且使活塞在吸氣時要遭受極強的真空阻力，尤其在發動機高速運轉時，氣門開閉頻率高，時間又非常短暫，所以，由桃子凸輪機構控制的進排氣；效率低、內阻大,發動機也就油耗高、動力差。為解決上述問題，2005年日本發明了一種可變氣門控制裝置，該技術的主要原理作用是在發動機低速運轉時，通過控制曲軸與凸輪軸之間的位置距離來降低氣門的開度以提供較少的燃氣。當發動機高速運轉時，控制裝置就恢復氣門開度，提供較多的燃氣，以此方法實現內燃機經濟運行。可變氣門技術不涉及氣門彈性和凸輪輪廓形狀變化，也就不能整體提升氣門的平均開度。可變式氣門的不足之處是一，低速時降低氣門開度也必然影響發動機低速動力，二，整體降低平均開度必然會整體增大活塞的真空阻力，三，可變氣門控制裝置使發動機內部結構複雜化，使用成本增高。
發明內容本發明在於提高內燃機氣門的平均開度。提供一種使內燃機氣門早期全開並延遲關閉的凸輪機構。內容涉及一種輕負荷彈性氣門和一種中心圓弧型凸輪。以此提高進排氣 效率、降低內阻、增強動力、節省燃油。實現氣門早期全開涉及到氣門必須快速升降，凸輪在瞬間轉至凸頂會引發彈性應力集中，機構因此要承受巨大的彈性載荷，這極易導致輪軸的折斷和從動部件的損壞。這是業內認為不能突破的禁區，為此；關鍵技術在於如何能夠消除氣門的巨大彈性阻力。根據本發明建立的氣門彈性作用兩階段理論起密封作用的安裝初緊彈性應該越大越好，頂壓氣門開啟的壓縮彈性阻力應該越小越好。由於頂開氣門是凸輪提供動力，關閉氣門則是利用壓縮彈簧的儲能。所以；只要能確保氣門自動返程，就是機構實際所需最大壓縮彈性。由此提出的技術方案如下一種內燃發動機正時凸輪機構，主要由氣門、缸蓋、彈簧和凸輪組成，機構中的氣門是一種彈性氣門，氣門彈性是由彈簧的彈力特性所決定，氣門開閉是由凸輪控制，其特徵在於所述彈性氣門是一種輕負荷彈性氣門，所述輕負荷彈性氣門所用的彈簧是一種變剛度螺旋壓縮彈簧；其彈力特性線是一條漸增型曲線，所述凸輪是一種中心圓弧式凸輪，由其控制氣門開閉；是早期升至全開、晚遲回程關閉。氣門的安裝初緊彈力儲能較小，不能保證其安全回位，必須要在此基礎上繼續增大彈性。根據實驗得知；最大壓縮彈性設置為初緊彈性的I. 6倍左右時，配氣機構就能夠基本保持發動機的正常運行。但在進一步測定中將最大壓縮彈性力設置在初緊彈力的2. I倍區間，發動機就進入到一種最佳運轉狀態，表現出空前的輕快有力。綜合多種其它因素後，可以認為氣門的最大壓縮彈性應為初緊彈力的2. 1-2. 6倍。根據上述實踐，可以對兩種氣門的彈性負荷作一比對如前所述六缸柴油發動機，所測氣門的初緊彈力為90N，升程為15mm，按照彈性作用兩階段理論所述六缸柴油發動機氣門的最大壓縮彈性力實際只需210N，而不是350N，降低內阻40%左右。但是；如果仍採用定剛度圓柱型壓縮彈簧，其剛度係數不變，當最大壓縮彈性力定為210N時，初緊彈性就會隨之降為53N，氣門與缸蓋之間就無法密封。因此，要實施輕負荷必需採用一種變剛度壓縮彈簧。輕負荷彈性氣門的壓縮彈力=初緊彈力+漸增彈力，式中的「漸增彈力」的增量，主要限於滿足氣門自動返程。變剛度彈簧的特點是可以滿足機構不同階段的實際需求，而且改變彈簧剛度的方式很多可供選擇。在實際中，採用改變彈簧中徑的方法比較切合實際。為簡化設計，可將螺旋彈簧的螺距定為等螺距。減輕氣門彈性負荷之後，同時也解決了彈性應力集中的問題，使內燃機氣門實施早期全開的方案成為可行。根據以上論述，提出以下具體方案I :在進氣相位中，將凸輪轉角提早到15-30度就使氣門升至全開，再延續到60-75度才使氣門開始回閉。2 :凸輪的輪廓曲線形成方法是在相位坐標順時針轉角15-30度，以坐標中心或基圓圓心到凸頂的距離(氣門升程)為半徑，在相位坐標45度線上左右轉15-30度畫一條圓弧，這條圓弧就作為凸頂的輪廓曲線，稱為中心半徑圓弧輪廓曲線，簡稱「中心圓弧」，中心圓弧兩端對應「中心」或「圓心」的夾角為30-60度。如此，氣門處於全開的時間就得以 大幅度延長。4 :採用一種直徑更大的變剛度螺旋壓縮彈簧；提高氣門的安裝初緊彈力，進一步增強氣門與缸蓋之間的密封性。同時，降低氣門的壓縮彈性，減輕驅動耗能。5 :一種彈簧所涉及的技術參數和技術要求內容太多，為簡化設計；變剛度彈簧的技術參數和技術要求，採取借用原機或同類型內燃機參比方式進行調整，其變化內容主要涉及彈簧鋼絲直徑、彈簧中徑、和彈簧的幾何形狀。未提及更改的技術參數和技術要求都作為技術保留，在此不另加論述。6 :腰鼓型彈簧和圓錐型彈簧都很適應輕負荷彈性氣門的工作特性，還可以在其基礎上作出其它變形。

圖I是中心圓弧型凸輪控制輕負荷彈性氣門的凸輪機構示意圖；圖2是配氣相位中凸輪的輪廓曲線形狀圖。圖3是提高氣門開度後的內燃機氣門開度曲線。圖4輕負荷彈性氣門的彈力變化特性曲線。圖5圓錐型螺旋壓縮彈簧組成的輕負荷彈性氣門。在圖1、2、4、5中1、氣門；2、缸蓋；3、彈簧；4、彈簧座；5、鎖片；6、凸輪；7、凸頂；
8、中徑線；9、基圓；10、中心圓弧線；11、輕負荷彈性氣門的特性線。
具體實施方式
以下結合附圖具體說明在圖I中的凸輪機構主要由氣門I、缸蓋2、彈簧3、和凸輪6等構件組成。氣門I彈性區分為一種安裝初緊彈性和一種張開壓縮彈性。為進一步提高氣門I與缸蓋2之間的密封性，在機構中增強了初緊彈性。為減輕凸輪6驅動負荷，採用降低氣門I的壓縮彈性。具體採用的彈簧3是一種變剛度螺旋壓縮彈簧，彈簧特性為漸增型，其最大壓縮彈力控制為初緊彈力的2. 1-2. 6倍。由於氣門I彈性大大減弱，因此稱為輕負荷彈性氣門I。圖中腰鼓型彈簧3的中徑變化是從兩端向中間逐漸增大，中徑線8呈兩條對稱圓弧線，中徑的大小相差6-12mm.，圓弧中徑線8也可以演變成直線。在安裝時；上端連接彈簧座4進行壓縮，然後由鎖片5將氣門I卡住，與缸蓋之間形成固定的初緊力。腰鼓型彈簧3的壓縮變形是從中間逐漸移向兩端，彈性呈漸增式變化。機構中的凸輪6是一種中心圓弧式凸輪6。因氣門I的彈性負荷減弱，其快速升降可能導致彈性應力集中的危害因素消除，它的曲面凸頂7輪廓因此可設計成一條中心圓弧線10，使凸輪6在配氣相位中轉角15-30度就能達到凸頂7，從而實現氣門I的早期全開和延遲回閉，早期全開和延遲回閉既增大內燃機的進氣量同時又減輕了活塞的吸氣阻力。增強初緊彈性可採用增大彈簧3鋼絲直徑方式，同比原機定剛度彈簧的直徑加大
O.2-0. 5mm，使其在3. 5-4. 5mm之間。也可以採用加大彈簧3螺距的方式，不過，初緊彈性原本設置較大的機型應保持不變。圖2是以曲軸轉角畫出的配氣相位坐標，圖中坐標的中心與凸輪6基圓9的圓心重合。基圓9到凸頂7的距離為氣門I升程。凸頂7的曲線輪廓是以基圓9圓心或坐標中心到凸頂 的距離作為半徑畫出的一條弧線，夾角Z BOC為30-60度，弧線兩端對應園心的 直線長度相等。所以，稱其為中心圓弧線10，凸輪6也因此稱為中心圓弧型凸輪。圖3是表示由中心圓弧式凸輪6控制輕負荷彈性氣門I開閉的開度變化曲線。橫坐標表示凸輪6在配氣相位中完成一次開閉的90度轉角，縱坐標表示氣門I的升程高度。開度曲線形狀如同一梯形，頂部直線示意氣門I處於最大開度。圖4是變剛度螺旋壓縮彈簧組成輕負荷彈性氣門I的彈性變化曲線。橫坐標表示壓縮氣門I產生的移動變量，縱坐標表示凸輪6施加在氣門I上載荷變量。特性線11顯示在初緊彈性載荷的基礎上，壓縮彈性載荷是隨著氣門I的移動張開平緩地漸增。圖5是彈簧3外形為圓錐型，形成了由變剛度圓錐型螺旋壓縮彈簧3組成的輕負荷彈性氣門，其中徑線8為兩條對稱性非平行直線，其頂部連接彈簧座4，適用於中、小型內燃發動機。通過減負及進排氣效率提高，本發明使內燃機提速大大快、運轉輕鬆、噪音低、升溫慢，尤其對多氣門發動機效果更為顯著。可因此增大內燃機功率20-30%，這不僅實現了內燃機動力技術的變革，而且因促進燃燒使排放尾氣的煙度指標也大幅降低，環保性能也隨進入更高階段。由於成本低、收效大，全面普及可節省大量的燃油及社會資源。輕負荷彈性氣門I技術也可以單獨與原機桃子凸輪機構配合應用，但中心圓弧型凸輪6則必須配合輕負荷彈性氣門I技術才能應用。形成氣門I早期全開主要依靠凸頂7的中心圓弧型輪廓，所述核心技術內容只要作出改進都能產生一定效果，所以不能認為本發明僅限於上述示例性實施例中所述的技術參數，而應在於所採用的整體技術方案，以及下列權利要求書中提到的技術特徵。以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、改進等，均應包括在本發明的保護範圍之內。
權利要求1.一種內燃發動機正時凸輪機構，主要由氣門(I)、缸蓋(2)、彈簧⑶和凸輪(6)組成，機構中的氣門⑴是一種彈性氣門，氣門彈性是由彈簧⑶的彈力特性所決定，氣門(I)開閉是由凸輪(6)控制，其特徵在於所述彈性氣門(I)是一種輕負荷彈性氣門，所述輕負荷彈性氣門所用的彈簧(3)是一種變剛度螺旋壓縮彈簧；其彈力特性線是一條漸增型曲線(11)，所述凸輪(6)是一種中心圓弧式凸輪，由其控制氣門(I)開閉；是早期升至全開、晚遲回程關閉。
2.根據權利要求I所述的正時凸輪機構，特徵在於將所述彈性氣門(I)的彈力區分為一種安裝初緊彈力和一種張開壓縮彈力，實施的是將初緊彈力增強、將壓縮彈力減弱，在初緊彈力確定之後；將最大壓縮彈力設置為初緊彈力的2. 1-2. 6倍。
3.根據權利要求I所述的正時凸輪機構，其特徵在於所述變剛度螺旋壓縮彈簧(3)是採用改變彈簧中徑尺寸來改變壓縮彈簧的剛度，外形主要為腰鼓型，其中腰鼓型彈簧(3)的中徑線(8)為兩條對稱園弧線,兩端小、中間大、大小徑相差6-12mm.。
4.根據權利要求I所述的正時凸輪機構，其特徵在於所述變剛度螺旋壓縮彈簧(3)是採用改變彈簧中徑尺寸來改變壓縮彈簧的剛度，外形主要為圓錐型，圓錐型彈簧(3)的中徑線(8)為兩條對稱性非平行直線。
5.根據權利要求I至4中任一所述的正時凸輪機構，特徵在於所述中心圓弧式凸輪可由桃子型凸輪機構替換，所述輕負荷彈性氣門(I)與桃子型凸輪機構組合。
6.根據權利要求I所述的正時凸輪機構，其特徵在於中心圓弧式凸輪(6)控制輕負荷彈性氣門(I)的早期全開，是凸輪(6)在配氣相位規定的90度轉角中，由零度轉至15-30度就到達凸頂(7)位置，晚遲回閉是氣門(I)全開持續到60-75度才回程關閉。
7.根據權利要求I或6所述的正時凸輪機構，其特徵還在於所述中心圓弧式凸輪(6)的凸頂⑵曲線輪廓，是以基圓(9)園心到凸頂(7)之間的距離為半徑畫出的一條中心圓弧線(10)，夾角Z BOC為30-60度，弧線兩端對應圓心的直線長度相等。
專利摘要本實用新型提供一種內燃發動機輕負荷正時凸輪機構，主要由氣門、缸蓋、彈簧和凸輪組成，機構中的氣門是一種彈性氣門，氣門彈性是由彈簧的彈力特性所決定，氣門開閉是由凸輪控制，其特徵在於所述彈性氣門是一種輕負荷彈性氣門，所述輕負荷彈性氣門所用的彈簧是一種變剛度螺旋壓縮彈簧；其彈力特性線是一條漸增型曲線，所述凸輪是一種中心圓弧式凸輪，由其控制氣門開閉；是早期升至全開、晚遲回程關閉。其作用是減輕正時凸輪擠壓氣門開啟的阻力，為發動機運轉減負。在確保氣門正常工作的前提下，極力減輕發動機內阻。採用這種輕負荷彈性氣門的發動機；提速快、運轉平穩輕鬆、噪音低，升溫慢。輸出功率提升超過10％，省油超過8％，水溫明顯降低，尤其對一缸多氣門布置的發動機效果極為顯著。
文檔編號F01L1/06GK202483657SQ20112052723
公開日2012年10月10日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者梅向東 申請人:攀枝花市東林科技開發有限公司, 梅向東