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液压配气技术对提高内燃机动力性能的研究

目前,内燃式发动机的配气机构均采用凸轮直接或间接驱动气门的机械传动装置。凸轮经推杆、摇臂机构再驱动气门,为消除刚性传动时的间隙,也有在中间加入液力挺柱以消除间隙的。但因受加工难度、结构复杂性及运行中的机械磨损、凸轮轴转动间隙的影响,径向跳动的存在,不可避免地存在气门冲击的噪声,气门关闭不严及工作的不可靠性,且进(排)气提前角、滞后角均受凸轮的几何形状及加工精度影响,难以方便直观地修正。凸轮在转动时实际每个行程全部顶开气门的角度只有30度左右(理想气门全开的角度应是整个进排气行程,即凸轮转过90度),使进、排气量不能达到最大值,导致发动机功率不能有效发挥。另外,凸轮是将旋转的扭转力分解产生少量的径向力推动气门作垂直运动,较大部分动力损耗在凸轮轴的运转上,既增加了发动机功率的内耗,也加快了凸轮轴的磨损,降低了发动机的性能。而且凸轮传动的配气机构加工复杂,技术要求及成本高。为改变这些缺点,理论上也出现一些以球阀、轴阀代替气门,直接对发动机的进、排气进行控制。但是因无法解决转动的球阀、轴阀直接受内燃机高温高压气体冲击,易损坏漏气的问题,所以均无法取代现有的凸轮形式的配气机构。为了防止车辆在轮鼓制动时的打滑、跑偏,国内外均开始考虑以发动机的制动来配合制动并将这一技术简称为"JAKE",为达到车辆(船舶)的发动机制动,需要在发动机上增加复杂的装置来实现,成本与目标比大,且难以达到目标,不能普及应用。

    本技术提供了一种内燃式发动机的配气机构,它可克服凸轮气门配气机构在进、排气时实际全开过程短、转动及磨损后增加的间隙对动力性能造成的不利影响,减少功率内耗。

    包括配气阀体,设置在配气阀体内的进气阀套、排气阀套,与进气阀套、排气阀套相配的进气转阀和排气转阀;所述进气转阀和排气转阀在径向截面上开设进油与泄油通道并与阀套上的进、泄油孔依序接通,进气转阀和排气转阀上各装有相互齿合的同步齿轮,其中一个转阀轴端另装有正时从动轮,与发动机曲轴上的正时齿轮接合传动;进、排气转阀同步运动;还包括进气阀套、排气阀套下端分别设置的油腔,与油腔相配并在其内可上下移动的油活塞,设置在油活塞下端且可由油活塞杆推移的进、排气门;套设在进、排气门的延长轴上可推动油活塞上移的气门弹簧,设置在配气阀体内进气阀套与排气阀套旁侧并与阀套的泄油孔及油腔相通的泄油道。

    本发明技术的有益效果是,气门与传动机构实现无间隙传动,气门开启快,全开时间长,使发动机进、排气的气量充分,提高输出功率。进、排气时气门全部打开的时间是凸轮传动时的三倍,因进气充分,有利于提高燃油的燃烧效率,达到节油、环保,减少气门噪声,提高配气机构的使用寿命的目的。本发明无须增加复杂机构,就能达到发动机制动的功效,有利于提高车辆(船舶)的制动性能。

附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是本发明内燃式发动机的配气机构的截面图;
图2是本发明内燃式发动机的配气机构排气门的轴向剖面图;
图3是应用本发明发动机制动(车辆 )的示意图;

液压配气技术图

液压配气技术图

液压配气技术图

图1:液压配气技术图

图2:液压配气技术图

图3:液压配气技术图

    如图1、2所示,本发明内燃式发动机的配气机构,将现有技术中的凸轮轴、推杆、挺柱、摇臂等零件,用转阀、阀套、油活塞替代。

    图1所示左侧为进气门11,右侧为排气门24,处在发动机气缸的开始进气行程时的位置。它包括配气阀体5,在该配气阀体5内设置进气阀套2、排气阀套4。在进气阀套2、排气阀套4中设置与其相配的进气转阀1和排气转阀22。所述进气转阀1和排气转阀22在径向截面上开设进油与泄油通道并与阀套上的进、泄油孔依序接通。进、排气阀套2、4中一个与配气阀体5固定,另一个在动力制动时可以作一定角度的转动。

    进气转阀1和排气转阀22上各装有相互齿合的同步齿轮12,其中一个转阀轴端另装有正时从动轮13,与发动机曲轴上的正时齿轮(图中未示)接合传动。进气阀套2、排气阀套4下端分别设置的油腔23,与油腔23相配并在其内可上下移动的油活塞3,设置在油活塞3下端且可由油活塞杆推移的进、排气门11、24,在进、排气门11、24的延长轴上套设的可推动油活塞3上移的气门弹簧10。在配气阀体5内还设有在进气阀套2与排气阀套4旁侧设置的并与阀套2、4的泄油孔及油腔23相通的泄油道7。

    本发明内燃式发动机的配气机构工作时,曲轴上的正时齿轮(图中未示)带动排气转阀22上的正时从动轮13并经同步齿轮12带动进、排气转阀1、22相向转动。 以进气门为例:进气转阀1在同步齿轮12带动下,逆时针以1/4的速比在进气阀套2内运转(发动机完成一个工作循环的四个冲程,转阀转半周)。压力油从加大流量的发动机油泵经油管(图中未示)从配气阀体5上的进油孔经进气转阀1上的径向内孔进入上油腔9,推动油活塞3克服气门弹簧10的弹力,推动进气门11下移打开进气门11开始进气。油活塞3下行到下止点前,因回油孔被油活塞3逐渐封闭而缓冲停止,此时气门打开为最大值。当进入压缩行程时,进油口关闭,进气转阀1上的沿圆周方向的泄油通道转到上油腔9,将上油腔9与泄油道7接通。进气门11在气门弹簧10的作用下推动油活塞3上行,到进气门11接近气缸盖6上的气门座将近关闭前,油活塞3上凸出的上轴端将上油腔9与泄油道7的主通路切断,压力油只经上轴端的节流槽流出,图1中油活塞3上凸出的上轴端的倒角即为节流槽,这样使进气门11缓冲关闭。发动机进入作功行程及排气行程后期时,泄油道7及进油口均处在关闭位置,在气门弹簧10及气缸压力作用下,进气门11乃保持关闭位置。当进入排气行程将结束时,进气转阀1转过180度,进气转阀1上进油孔的另一侧又转到与进油口对接位置(存在进、排气重叠角),开始下一工作循环的进气行程。

    图1中右侧为排气门24的驱动结构,排气机构的工作原理与进气机构相同,只是气门打开时是排气作用。为达到利用发动机制动的目的,本发明将制动时刹车泵的分路制动管接到动力制动缸上(船舶上的发动机也可直接转动阀套,不需动力制动缸)。当踩下刹车时,动力制动缸的活塞推杆将排气阀的阀套沿旋转阀转动的方向转过一定角度,达到使排气门打开与关闭比正常工作时延时,这样,在发动机排气时,因排气门不能及时打开,而此时进气门又处在关闭状态,发动机活塞上行时受到压缩空气的阻力,使发动机转速下降,达到制动目的。当发动机活塞上行到接近上止点附近时,排气阀再打开,释放压缩空气的能量,防止空气的压缩能再传递到发动机使其加速。如阀套转动角度过大,将会造成在进气时排气门关闭过迟的现象,虽能加强这种“JAKE”效果,但也会造成部分可燃气体从排气门逸出。因此排气门的阀套转动的转动角度应根据实际需要及发动机的怠速调整。当发动机有4缸时,进、排气转阀轴向对应各缸气门的横截面上各开有4个形状相同,角度相差45度的进油孔和泄油槽,保证各气缸顺序工作。

    图2是本发明排气门的轴向剖面,仅以2只气缸的发动机形式为例。发动机的制动功能如图3所示(以车辆为例),排气阀套4在配气阀体5内,制动缸16内的制动拉杆15与排气阀套4连接。制动时压下踏板18,刹车泵20输出压力油,经油管19分二路,一路传到车轮制动蹄21上,作为常规的车轮制动。另一路传到动力制动缸16内,经拉杆15将排气阀套4转动一定角度,使排气门24的开启比正常工作时延时,达到发动机制动的目的。排气阀套4在不制动时,在制动缸16内的弹簧17及拉杆15的作用下,压在阀套限位镙钉14上,处在与进气阀套2一样的正常位置,使发动机正常工作。

    由于没有象凸轮、挺杆直接以刚性驱动气门,就不可能出现进排气相位因意外出现错位造成的顶缸现象。当机油不足时,发动机就会自动熄火,不会出现烧缸现象。另外如需对发动机实行VVT技术,可以通过电子控制技术对进、排气阀套的角度调节来达到气门正时控制,因为阀套是静止的,这使气门正时的调节变得更加简洁可靠。

    本技术已申请了国际专利及中国专利(申请号CN200310123677.6, PCT2004/001153)并通过在摩托车的单缸发动机上作样机试验,粗制的样机已达到设计要求,曲轴的转速已达到5000转/分钟,进、排气量有明显提高,达到了节能环保的目的。

 

 
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