[发明专利]可变气门驱动的系统和方法

说明书

技术领域

总体而言，本文与气门机构系统有关。更具体地说，与可变气门的驱动系统和方法有关。

背景技术

提升式气门可在内燃机中使用，用于打开和关闭发动机汽缸盖上的进气口和排气口。这种气门通常包括一个平圆盘，平圆盘锥形边缘的一端以刚性方式连接到一根长杆（称为气门杆，柄）上。在打开和关闭气门期间，气门杆用于将气门从锥形座下推或上拉。止动弹簧通常用于在气门杆未被上推时关闭气门。在传统的气门机构系统中，通过使用凸轮随动机构推动气门杆，将气门从其气门座上提起来。凸轮轮廓及其相对于凸轮随动件的位置决定气门的平移运动及其打开和关闭定时。在传统设计中，凸轮轴的位置离曲轴较近，凸轮随动件的平移运动通过推杆或摇臂传递到气门杆。该机制在V型发动机中的应用非常普遍，可通过一个共同的凸轮轴驱动两个气缸组的气门。

在传统设计中，发动机中的能量损失非常大。凸轮通常固定在凸轮轴上，所以旋转速度与凸轮轴相同。凸轮轴通过一个中间机构（如链条、齿轮或皮带）从发动机曲轴获得旋转动力。在四冲程发动机中，凸轮轴速度是曲轴速度的一半，而在二冲程发动机中，二者的速度相同。

凸轮气门机构系统不但缺乏灵活性，而且由于凸轮轮廓的受限，发动机气门最小开启角度(β)也有限制。在带平面随动机构的凸轮中，凸轮的负半径曲率无法调节，限制了特定凸轮尺寸的凸轮最小上升或下降角度(β/2)。

通过可变气门驱动系统(VA)可显著改善功率密度、容积效率、排放和油耗。

VA系统一般分为两种：无凸轮气门机构和凸轮气门机构。在无凸轮气门机构系统中，发动机曲轴和气门机构之间没有机械连接。较凸轮气门机构而言，这种系统的主要优势是气门正时和气门升程具有很大的灵活性。机电气门机构、电动液压气门机构和电动气动气门机构都属于这种类型。虽然这些都是灵活性最高的气门驱动系统，但成本高、可靠性低（即不具有故障安全性）、功耗高（转速为5000rmp时，16气门发动机的功率大于2.2kW）、回位速度(>100mm.s-1)和控制复杂性高（需要使用响应速度低于3ms的超高速驱动器）的缺点使其无法在批量生产的发动机中使用。

与无凸轮气门机构相反，凸轮VA系统是以机械方式连接到发动机曲轴。由于凸轮气门机构具有较高的可靠性、耐久性、可重复性和鲁棒性，这种系统已在批量生产的发动机中广泛设计和使用。与现有的无凸轮系统相比，凸轮气门机构的主要缺点是灵活性受限，机械复杂程度较高。

凸轮相位器是用于气门正时的标准机构。使用该机构，可以改变凸轮相对于曲轴的角位置，从而同时转换气门打开和关闭活动。但同时使用该机构，发动机气门开启总持续时间和升程也会保持不变。凸轮相位器分为油动、斜齿轮传动、差动传动、链条传动、蜗轮传动和行星齿轮传动型。

凸轮轮廓切换(CPS)是本田公司引进的另一项技术，可同步改善气门正时、持续时间和升程。在该技术中，气门运动在两组不同的凸轮叶之间切换。发动机低转速运转时，低升程轮廓的凸轮与气门杆啮合，而在发动机高转速运转时，高升程轮廓的凸轮与气门杆啮合。凸轮之间的切换通过一个电动系统或液压系统实现。在该系统中，要实现两个发动机转速范围期间所需的目标，凸轮轮廓为折中设置。

凸轮轮廓切换面临的一个问题是，气门运动仅在两个特定的凸轮轮廓之间切换。但是，使用三维凸轮设计可使发动机在各种发动机运行条件下连续改变气门正时、升程和持续时间。在该机构中，凸轮轮廓沿凸轮轴线连续变化，凸轮轴相对于随动机构的轴向运动使一个具有不同轮廓的凸轮与随动机构啮合，促使气门打开轮廓发生变化。Nagaya等人也综合实施了三维凸轮机构和凸轮相位器，对气门正时和气门升程分别进行独立控制。

电磁阀驱动系统一般由两个磁体和两个平衡弹簧组成。电磁阀的可动部件被连接到发动机气门。当两个磁体都关闭时，电枢通过平衡弹簧保持在线圈之间的中间位置。

发动机启动时，顶部电磁铁被激活，同时上拉并固定电枢，势能被存储在止动弹簧中。要打开气门，首先关闭顶部电磁铁，存储的能量被释放并转化为动能，将电枢推向下部电磁铁。距离下部磁铁小于1毫米时，可动部件保持不动。在气门关闭阶段，会重复类似的操作。由于磁力具有较高的非线性，这项技术要实现商业化应用还存在很多困难[30]。其中包括：着陆速度高（1500rmp时速度大于0.5m/sec）、过渡时间长（大于3.5msec）、功耗高于传统的凸轮驱动系统，需要鲁棒反馈控制，对缸内气体压力非常敏感。