一种液压可变气门及其控制方法与流程

本发明涉及动力和液压技术领域，特别涉及一种液压可变气门及其控制方法。

背景技术：

发动机配气机构的作用是按照发动机每一气缸所进行的工作循环和发火次序要求，按时开启和关闭各缸的进排气门，将新鲜气体吸入气缸，并将燃烧后的废气从气缸中排出。发动机配气机构是通过凸轮轴上的凸轮刚性地打开和关闭发动机的气门，凸轮轮廓曲线决定了配气相位和气门升程。因此，凸轮型线的设计对发动机性能有很大影响，在凸轮设计过程中要经过反复的试验才能最后确定下来凸轮的相位和升程，设计好的参数会通过凸轮轴将这些参数固定下来安装于发动机上，在发动机运行过程中这些参数都不能改变，传统的汽车发动机就是采用这种方式来实现配气相位的。

但是，发动机在汽车行驶过程中由于道路情况和行驶工况的不断变化，会导致转速的不断变化，发动机转速的变化会导致进、排气气流流速的变化和燃烧室内混合气与燃烧状态的变化，当发动机在高速工作时，气流惯性能量较高，这时，为了充分利用进气的气流惯性多吸入一些新鲜气体，应尽量提早打开进气门，并延迟关闭排气门，可以保证进气更充分，排气更彻底。当发动机在低速工作时，情况与上述相反，因此要晚一点打开进气门，并提早关闭排气门。

由此可见，发动机不同转速对配气相位的要求不同，也就是对凸轮型线的要求不同，如果发动机的凸轮设计时是适合高速运转的话，那么发动机在低速时的性能必然变差，反之亦然，因此，传统发动机通过凸轮型线和凸轮轴设计固定下来的一组参数并不能满足发动机在各个转速条件下都能达到一个最佳 的配气效果。

技术实现要素：

本发明提供一种液压可变气门及其控制方法，可以解决发动机参数固定带来的问题，实现气门正时、气门升程等参数的柔性调节与控制，进而实现发动机在各种工况下都能达到一个良好的配气效果。

本发明提供了一种液压可变气门，包括凸轮、液压挺柱、液压柱塞、气缸盖、气门和控制电磁阀，其中，气缸盖开设有导向孔，导向孔位置对应气门，液压挺柱为下端开口的中空圆柱体，液压挺柱的外圆与导向孔配合，液压挺柱的上端外表面与凸轮接触，液压柱塞安装在液压挺柱的内腔，液压柱塞的下端面与气门尾端接触，液压柱塞外圆与液压挺柱的内腔配合，液压柱塞上端与液压挺柱上端内表面之间形成压力腔，压力腔对应的液压挺柱侧面开有油孔，气缸盖开有油道，油孔与油道的一端连通，油道上安装有控制电磁阀。

进一步地，还包括气门弹簧座和气门弹簧，气门弹簧座安装在气门尾部，气门弹簧上端面与气门弹簧座接触，气门弹簧下端面与气缸盖下半部分接触。

进一步地，油道的另一端与发动机主油道连通。

进一步地，与油孔对应的气缸盖位置上开有环形蓄油槽，环形蓄油槽与油道连通。

进一步地，油孔为两个油孔。

进一步地，控制电磁阀是常开电磁阀。

本发明还提供了一种液压可变气门的控制方法，包括以下步骤：

凸轮的基圆部分接触液压挺柱的上端外表面的过程中，控制电磁阀打开，液压挺柱与液压柱塞所形成的压力腔充满通过油道注入的发动机主油道的压力油，使得液压挺柱的上端外表面与凸轮接触，使得液压柱塞的下端面与气门尾端接触，气门在气门弹簧和气门弹簧座的作用下处于关闭状态；

凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的上升过程中，控制电磁阀 关闭，压力腔形成液压死区，液压挺柱和液压柱塞形成类刚体，在凸轮的作用下向下运动，推动气门克服气门弹簧的作用而开启；

凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的下降过程中，控制电磁阀仍然关闭，在气门弹簧的作用下，气门向上运动，并推动液压柱塞和液压挺柱向上运动，直到气门关闭。

进一步地，凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的上升过程中，在前面一段预定时间内，控制电磁阀仍然打开，压力腔内压力油通过油道流出，压力腔容积减小抵消了凸轮工作段部分上升的距离，气门在气门弹簧和气门弹簧座的作用下处于关闭状态；

预定时间过后，控制电磁阀关闭，压力腔形成液压死区，液压挺柱和液压柱塞形成类刚体，在凸轮继续上升的作用下推动液压挺柱和液压柱塞向下运动，进而推动气门克服气门弹簧的作用而开启；

凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的下降过程中，在气门弹簧的作用下，气门向上运动，并推动液压柱塞和液压挺柱向上运动，气门提前预定时间关闭，以实现气门相位的调节。

进一步地，凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的过程中，在前面一段预定时间内，控制电磁阀关闭，压力腔形成液压死区，液压挺柱和液压柱塞形成类刚体，在凸轮的作用下向下运动，推动气门克服气门弹簧的作用而开启；

预定时间过后，控制电磁阀打开，压力腔内压力油在凸轮和气门弹簧的作用下，通过油道流出，气门在气门弹簧的作用下向上运动直到关闭，以实现气门升程的调节。

进一步地，气门开启到预定升程位置时，控制电磁阀施加间断脉冲信号，油道间断接通或断开，调节压力腔内的压力油容积与凸轮升程变化导致的容积变化相一致，使得气门的升程保持不变，直到压力腔的压力油容积回复到所述气门开启到预定升程位置时的容积时，控制电磁阀关闭，以实现气门时面值的 调节。

本发明技术方案实现了气门开启相位、升程、时面值等参数柔性调节的功能，有效地避免了传统由凸轮轴固定的凸轮型线和凸轮相位导致的配气机构不能随发动机工况的改变而调节的缺点，本发明技术方案可以很好地实现发动机配气机构随发动机工况的要求而实时调节，保证了发动机在任何工况都能达到一个较好的配气效果，提高了发动机的经济性和动力性，降低了发动机的污染物的排放。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是液压可变气门机构在气门关闭状态时的结构示意图。

图2是液压可变气门机构在气门开启状态时的结构示意图。

图3是气门机构控制电磁阀信号与气门升程对应关系示意图一。

图4是气门机构控制电磁阀信号与气门升程对应关系示意图二。

图5是气门机构控制电磁阀信号与气门升程对应关系示意图三。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一个实施例中，发动机的液压可变气门机构中，气缸盖11开设有导向孔，导向孔位置对应气门7，液压挺柱14为下端开口的中空圆柱体，其外圆和内腔均精加工后进行研磨，液压挺柱的外圆与导向孔配合，可以相对运动，液压挺柱的上端外表面与凸轮轴2上的凸轮1接触，液压柱塞6安装在液压挺柱的内腔，液压柱塞的下端面与气门尾端接触，液压柱塞外圆与液压挺柱的内腔配合，二者都可以相对运动，液压柱塞上端与液压挺柱上端内表面之间形成压力腔3，压力腔对应的液压挺柱侧面开有两个油孔13，与油孔对应的气缸盖位置上开有环形蓄油槽12，气缸盖开有油道5，环形蓄油槽与油道连通，油孔与油道的一端连通，油道的另一端与发动机主油道连通，油道上安装有控制电磁阀4，该控制电磁阀为常开电磁阀，即通电时电磁阀关闭，断电时电磁阀打开。

与传统发动机的气门机构相同，气门弹簧座10安装在气门尾部，气门弹簧9上端面与气门弹簧座接触，气门弹簧下端面与气缸盖下半部分8接触。

本液压可变气门机构的运行过程如下：

气门关闭状态：

在凸轮的基圆部分接触液压挺柱的上端外表面的过程中，气门在气门弹簧和气门弹簧座的作用下处于关闭状态，此时，控制电磁阀处于打开状态，液压挺柱与液压柱塞所形成的压力腔内充满通过油道过来的发动机主油道的压力油，约4bar的压力油，该压力油迫使液压挺柱和液压柱塞分别作用在各自的作用面上，即液压挺柱上端外表面与凸轮基圆部分的表面接触，液压柱塞的下端面与气门的尾端接触。由于该压力油压力较低，不足以克服气门弹簧的弹力，因此，气门处于关闭状态，如图1所示。

气门开启过程：

当凸轮轴转动，凸轮的工作段部分(偏离基圆段)接触液压挺柱的上端外表面的上升过程中，如图2所示，此时，控制电磁阀通电关闭将切断压力腔与发动机主油道的通路，压力腔内将形成一个液压死区，由于液体的不可压缩性， 液压挺柱和液压柱塞形成类似一个刚体一样，在凸轮作用下向下运动，推动气门克服气门弹簧的作用而开启，并保证气门的升程。

气门落座过程：

当液压挺柱和液压柱塞到达最下端后开始上行时，也即凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的下降过程中，此时，控制电磁阀仍然处于关闭状态，在气门弹簧上顶和凸轮下压的作用下，压力腔内的压力油继续封闭，液压挺柱和液压柱塞仍然可视为一个刚性连接，直到气门关闭为止。当气门关闭后，控制电磁阀即可打开，将压力腔与主油道接通，释放压力腔内的压力油。上述过程中控制电磁阀信号与对应的气门升程曲线如图3中(a)所示，即当凸轮的工作段起作用时，控制电磁阀即可通电而切断油道，此时，由于压力腔中的液体不可压缩性，液压挺柱通过压力腔内的压力油近似刚性地传递到液压柱塞进而推动气门运动。

因此，当控制电磁阀通电处于关闭状态时，压力腔形成液压死区，将液压挺柱和液压柱塞刚性连接为一体，可认为液压挺柱和液压柱塞是一个整体，其工作过程与传统发动机的配气机构工作原理相同，气门的运动规律完全取决于凸轮的型线。

气门相位调节过程：

当凸轮轴转动，凸轮的工作段接触液压挺柱的上端外表面的上升过程中，即凸轮型线偏离基圆段而推动液压挺柱向下运动，如果在一段预定的时间内，控制电磁阀处于断电的常开状态，由于压力腔内的压力油来自与发动机的润滑油道，属于较低压力油，该压力不足以克服气门弹簧的弹力而推动液压柱塞进而打开气门，因此，当凸轮推动液压挺柱向下运动时，压力腔内的压力油通过油道挤出压力腔而不能形成封闭容腔，压力腔容积减小抵消了凸轮工作段部分上升的距离，液压柱塞在气门弹簧和气门弹簧座的作用下处于静止状态，即气门处于关闭状态，该过程中虽然凸轮轴已经旋转到凸轮的工作段，但是由于控制电磁阀处于断电状态，凸轮的向下行程仅将压力腔内的压力油推出压力腔而 不能推动液压挺柱运动而打开气门。

只有预定时间过后，当控制电磁阀通电而关闭油道的通路时，压力腔才能形成液压死区，此时，由于液体的不可压缩性，液压挺柱和液压柱塞在压力油的作用下近似刚体，在凸轮的进一步推动下向下运动，进而克服气门弹簧推动气门开启。

凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的下降过程中，在气门弹簧的作用下，气门向上运动，并推动液压柱塞和液压挺柱向上运动，气门提前预定时间关闭，以实现气门相位的调节。

很明显，由于控制电磁阀信号的开启时刻滞后于凸轮型线的作用时刻，因此，气门升程曲线形状不同于凸轮型线决定的最大气门升程形状，其形状如图3中的(b)所示。

如果控制电磁阀通电关闭时刻进一步后延，就可以得到图3中(c)所示的气门升程形状。这样就可以通过控制电磁阀开启信号时刻实现气门开启相位的调节。

同样道理，在气门关闭过程中，当控制电磁阀通电打开油道时，压力腔内的压力油在气门弹簧和凸轮的共同作用下将液压油挤出压力腔而导致气门在弹簧的作用下关闭，即液压柱塞的运动仅受气门弹簧的作用而不受凸轮轴的控制。

通过调节控制电磁阀断电信号可以控制气门的关闭时刻，进而调节气门的关闭相位，因此，用上述控制方法可以根据发动机工况对配气相位的要求，实时调节气门的开启和关闭相位，避免了传统凸轮轴固定相位不能随发动机工况变化而调节的缺陷。

气门升程调节过程：

根据发动机实际工况对气门升程及时面值的需求，通过调整控制电磁阀的控制信号，气门可以获得如图4所示的气门升程形状与时面值，当给控制电磁阀施加不同的脉宽信号时对应不同气门升程和气门时面值，如图4中(a)、(b)、 (c)所示，控制电磁阀信号脉宽越大，气门的升程和时面值越大，当然，通过调节控制电磁阀信号的起始点也可以实现气门相位的调节，但是，该调节范围只能在气门最大升程区域内进行调节，用以适应不同发动机工况对气门升程与时面值的需求。

结合图2所示，气门升程调节过程是：凸轮的工作段部分接触液压挺柱的上端外表面的过程中，即脱离基圆线而进入升起区域时，在前面一段预定时间内，控制电磁阀通电断开油道的通道，压力腔形成液压死区，液压挺柱和液压柱塞形成刚体，凸轮通过封闭压力腔压力油的作用推动液压挺柱向下运动，克服气门弹簧的作用将气门打开。

在凸轮轴继续旋转时，凸轮升程增大，推动气门开启升程也随之增大。预定时间过后，当控制电磁阀断电时，油道被接通，压力腔内的液压油在凸轮和气门弹簧的共同作用下通过油道挤出，因此，虽然凸轮仍然在工作段运行，但是，由于油道的泄油作用，已经不能进一步推动气门开启，气门在气门弹簧作用下将落座关闭。实现了如图4所示的电磁阀信号与气门升程曲线关系，进而达到随发动机工况的变化而实现气门升程的调节。

气门时面值调节过程：

根据发动机的工况要求可以获得如图5所示的气门升程形状与时面值，当给控制电磁阀施加不同的控制信号时可获得不同气门升程和气门时面值，如图5中(a)、(b)、(c)所示，与图4所示的气门升程形状相比，在相同的气门升程条件下可获得较大的时面值，也就是可以获得气门在某一开度时保持不变。通过对电磁阀的控制，可以实现如图5所示的气门升程与时面值形状，即在电磁阀通电信号中加入快速小脉冲信号使电磁阀处于开启和关闭交替工作状态，保证了虽然凸轮继续在工作段运行而气门升程曲线处于基本不变位置。

结合图2所示，气门时面值调节过程是：当凸轮进入工作段时(即脱离基圆线而进入升起区域时)，控制电磁阀通电断开油道的通道，凸轮通过封闭压力腔液压力的作用推动液压挺柱向下运动，克服气门弹簧的作用将气门打开， 当气门开启到预定升程位置时，给控制电磁阀施加间断脉冲信号，油道被不断地接通与断开，调节压力腔内的压力油容积与凸轮升程变化导致的容积变化相一致(包括上升过程和下降过程)，从而保持一定压力作用于气门弹簧使气门保持某一给定开度不变，直到压力腔的压力油容积回复到气门开启到预定升程位置时的容积时，控制电磁阀完全断电后，气门落座关闭。高频的间断脉宽施加位置决定了气门升程的保持位置，该脉宽施加的越早气门升程越小，同样，通过调节电磁阀的信号起始点可以调节气门的开启相位，实现如图5(c)所示的气门升程与时面值。

上述的控制信号和控制电磁阀的控制策略可以叠加使用获得不同的气门升程和时面值。实现了气门开启相位、升程、时面值等参数发动机运行工况的变化而柔性调节的功能，有效地避免了传统由凸轮轴固定的凸轮型线和凸轮相位导致的配气机构不能随发动机工况的改变而调节的缺点，本实施例可以很好地实现发动机配气机构随发动机工况的要求而实时调节，保证了发动机在任何工况都能达到一个较好的配气效果，提高了发动机的经济性，降低了发动机的污染物的排放。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。