发动机的制作方法

文档序号:10949826阅读:389来源:国知局
发动机的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及车辆发动机领域,提供了一种发动机,包括进气凸轮轴和气缸,该气缸上对应设置有第一、第二进气门,进气凸轮轴上对应形成有第一、第二凸轮,第一凸轮包括沿轴向叠置的相同的凸轮A和凸轮B,凸轮A与第二凸轮在进气凸轮轴上的安装相位相同,凸轮B与凸轮A在进气凸轮轴的圆周方向上错开安装并形成有错开相位角,发动机还包括凸轮切换机构,用于切换凸轮A或凸轮B以连接驱动第一进气门。本实用新型的发动机可实现奥托循环和阿特金森循环的切换,可提高发动机热效率。相较于传统的阿特金森发动机,进气相位更大,进气量更大。可将阿特金森循环技术应用于涡轮增压发动机上,进一步提升发动机效率。
【专利说明】
发动机
技术领域
[0001]本实用新型涉及车辆发动机技术领域,具体地,涉及到发动机的进气凸轮轴结构。
【背景技术】
[0002]随着油耗排放法规越来越严格以及新能源动力的崛起,传统的奥托循环汽油机(压缩比=膨胀比)已经越来越难提高热效率。传统奥托循环发动机压缩行程=做功行程,热效率一般低于阿特金森发动机10%左右,因此阿特金森循环(压缩比< 膨胀比)发动机能够有效提高发动机的热效率,已经成为了一个主要的研究方向并越来越多的应用到整车尤其是混合动力车型上。
[0003]目前常用的阿特金森循环发动机的实现方法通常有两种,一种是丰田的广角VVT系统,一种是奥迪的AVS系统。前者是通过将凸轮轴的进气相位推迟,实现进气门晚关,在活塞从下止点运动到上止点的过程中关闭气门,从而将一部气体推出去,使得发动机的实际压缩行程<做功行程;后者是通过进气门早关,在活塞进气冲程结束前关闭气门,使得发动机的实际压缩行程<做功行程。
[0004]但阿特金森循环多用在自然吸气发动机上,难以应用在涡轮增压发动机上。而且无论是采用VVT系统或AVS系统实现的阿特金森循环发动机,由于进气相位后移,造成进气提前角减小,加上原本阿特金森循环进气量就少,造成阿特金森循环发动机的功率小于同排量的奥托循环的发动机。
【实用新型内容】
[0005]针对现有技术中的上述不足或缺陷,本实用新型旨在提出一种发动机,能够切换于不同的发动机工作循环下,适应不同工况或适时结合涡轮增压器使用,以提高发动机热效率。
[0006]为实现上述目的,本实用新型提供了一种发动机,包括进气凸轮轴和气缸,该气缸上对应设置有第一进气门和第二进气门,所述进气凸轮轴上形成有用于连接驱动所述第一进气门的第一凸轮和用于连接驱动所述第二进气门的第二凸轮,所述第一凸轮包括沿所述进气凸轮轴的轴向叠置的相同的凸轮A和凸轮B,所述凸轮A与第二凸轮在所述进气凸轮轴上的安装相位相同,且所述凸轮B与凸轮A在所述进气凸轮轴的圆周方向上错开安装并形成有错开相位角,所述发动机还包括凸轮切换机构,该凸轮切换机构用于切换所述凸轮A或凸轮B以连接驱动所述第一进气门。
[0007]优选地,所述凸轮A连接驱动所述第一进气门且所述第二凸轮连接驱动所述第二进气门时,所述发动机实现奥托循环;所述凸轮B连接驱动所述第一进气门且所述第二凸轮连接驱动所述第二进气门时,所述发动机实现阿特金森循环。
[0008]优选地,所述凸轮B连接驱动所述第一进气门且所述第二凸轮连接驱动所述第二进气门时,在所述气缸的进气冲程中,所述第一进气门的开启晚于所述第二进气门,并且在所述气缸的压缩冲程中,所述第一进气门的关闭晚于所述第二进气门。
[0009]优选地,所述发动机还包括发动机控制系统,所述发动机控制系统控制所述发动机下运行于冷启动阶段、中低负荷运行阶段或高负荷运行阶段;
[0010]其中,所述发动机控制系统配置为通过控制所述凸轮切换机构,使得在所述冷启动阶段和高负荷运行阶段,所述发动机实现奥托循环,在所述中低负荷运行阶段,所述发动机实现阿特金森循环。
[0011 ]优选地,所述发动机包括涡轮增压器,所述发动机实现奥托循环时,所述发动机控制系统能够控制启动所述涡轮增压器。
[0012]优选地,所述错开相位角不大于45°。
[0013]优选地,所述凸轮切换机构包括形成在所述进气凸轮轴的外周面上的螺旋沟槽和能够驱动滑块伸入或伸出所述螺旋沟槽的电磁阀驱动器;
[0014]其中,所述电磁阀驱动器驱动所述滑块伸入所述螺旋沟槽时,所述进气凸轮轴的自旋转带动所述滑块沿所述螺旋沟槽滑移,从而使所述进气凸轮轴产生轴向位移以切换所述凸轮A或凸轮B。
[0015]优选地,所述进气凸轮轴的最大轴向位移量大于所述凸轮A或凸轮B的轴向厚度且小于所述第二凸轮的轴向厚度。
[0016]优选地,所述凸轮A和凸轮B的轴向厚度相同且均为所述第二凸轮的轴向厚度的一半。
[0017]优选地,所述第一凸轮和第二凸轮沿所述进气凸轮轴的轴向间隔设置,且所述凸轮A、凸轮B和第二凸轮的外轮廓线相同。
[0018]在上述技术方案中,由于驱动第一进气门的凸轮B或凸轮A在进气凸轮轴的圆周方向上错开安装,驱动第二进气门的第二凸轮与凸轮A的安装相位相同,而且增设了凸轮切换机构,其能够切换凸轮A或凸轮B以连接驱动第一进气门,从而能够实现气缸的两个气门的配气相位相同或存在配气相位差,即发动机可切换工作于奥托循环或阿特金森循环。这样就使用一种新方式实现了阿特金森循环,可提高发动机热效率,并可将阿特金森循环技术应用于增压发动机上;由于并未改变发动机进气提前角同时实现了第一进气门晚关,从而提高了阿特金森循环发动机的功率。
[0019]本实用新型的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0020]构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解,本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型,并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0021]图1为根据本实用新型的优选实施方式的发动机中的进气凸轮轴的局部的主视图;
[0022]图2为图1中包括第一凸轮和螺旋沟槽的进气凸轮轴部分的立体图;
[0023]图3为叠置的凸轮A和凸轮B的平面示图,其中示出了错开相位角a;
[0024]图4为发动机实现奥托循环时的配气相位的曲线图;
[0025]图5为发动机实现阿特金森循环时的配气相位的曲线图。
[0026]附图标记说明:
[0027]I进气凸轮轴2电磁阀驱动器
[0028]11凸轮A12凸轮B
[0029]13第二凸轮14螺旋沟槽
[0030]21滑块a错开相位角
【具体实施方式】
[0031]以下结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本实用新型,并不用于限制本实用新型。
[0032]需要说明的是,在不冲突的情况下,本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0034]首先有必要说明的是,根据发动机的气缸的不同工作模式,现有的发动机通常可分为奥托循环发动机和阿特金森循环发动机。
[0035]其中,奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成,首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门进入气缸,关闭进气门,活塞向上运动压缩混合气体,然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体,燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动,完成做功冲程,最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。奥托循环是理想化的循环,因为在理论分析和计算时,认为循环由绝热、等容、等压等过程组成,并且系统的组成、性质和质量都保持不变,而实际上因为发生了燃烧和爆炸,系统的组成和性质必然发生变化,因此实际汽油发动机的效率要比奥托理想循环的效率低很多,只有一半或更小约25%左右。现代的汽车、卡车等使用的内燃机中大多都是采用奥托循环的。
[0036]而英国工程师JamesAtkinson(詹姆斯.阿特金森)在使用奥托循环内燃机的基础上,通过一套复杂的连杆机构,使得发动机的压缩行程大于膨胀行程,这种巧妙的设计,不仅改善了发动机的进气效率,也使得发动机的膨胀比高于压缩比,有效地提高了发动机效率,这种发动机的工作原理被称为阿特金森循环。为实现阿特金森循环,以奥迪AVS可变气门升程系统为例,其主要通过切换进气凸轮轴上两组高度不同的凸轮来实现改变气门的升程,发动机处于高负荷时,进气凸轮轴向一个方向移动以切换到高角度凸轮,从而增大气门的升程;当发动机处于低负荷时,进气凸轮轴向相反方向移动,从而切换到低角度凸轮,以减少气门的升程。
[0037]为实现发动机切换工作于奥托循环或阿特金森循环,本实用新型提供了一种新型发动机,包括如图1、图2所示的进气凸轮轴I和气缸(未显示),该气缸上对应设置有第一进气门(未显示)和第二进气门(未显示),进气凸轮轴I上形成有用于连接驱动第一进气门的第一凸轮和用于连接驱动第二进气门的第二凸轮13。其中,第一凸轮包括沿进气凸轮轴I的轴向叠置的相同的凸轮All和凸轮B12,凸轮All与第二凸轮13在进气凸轮轴I上的安装相位相同。并且,如图3所示,凸轮B12与凸轮All在进气凸轮轴I的圆周方向上错开安装并形成有错开相位角a,发动机还包括凸轮切换机构(例如电磁阀驱动器2),该凸轮切换机构用于切换凸轮Al I或凸轮B12以连接驱动第一进气门。
[0038]可见,本实用新型中不再通过设计低角度凸轮和高角度凸轮及其切换使用,来实现阿特金森循环,而是气缸的两个气门对应的凸轮均相同,但其中对应第一进气门的第一凸轮包括在进气凸轮轴I上的安装相位不同的凸轮All和凸轮B12,凸轮All与对应第二进气门的第二凸轮13在进气凸轮轴I上的安装相位相同。显然,通过凸轮切换机构切换凸轮All驱动第一进气门时,由于凸轮All与第二凸轮13在进气凸轮轴I上的安装相位相同,因而两个气门的配气相位相同,如图4所示,可实现奥托循环。当通过凸轮切换机构切换凸轮B12驱动第二进气门时,由于凸轮B12与第二凸轮13在进气凸轮轴I上的安装相位之间存在错开相位角a,这样气缸的两个气门的配气相位也存在时间差,例如第一气门滞后于第二气门,配气相位滞后,如图5所示,可实现阿特金森循环。
[0039]因此本实用新型通过对进气凸轮轴I及其上安装的与气缸的两个气门对应的凸轮的改变设计,以崭新方式实现了阿特金森循环,相对于奥托循环可提高发动机热效率。由于在同一气缸上,其第二气门的进气行程不变,即进气提前角不变,可使得在压缩行程时第一气门晚关,提高了阿特金森循环发动机的功率。
[0040]具体到本实施方式中,由于凸轮AlI和凸轮B12在进气凸轮轴I上的安装相位存在错开相位角a且凸轮All与第二凸轮13在进气凸轮轴I上的安装相位相同,通过优化配置凸轮All、凸轮B12相对于进气凸轮轴I的前后顺序及错开相位角a大小,当凸轮B12连接驱动第一进气门且第二凸轮13连接驱动第二进气门时,在气缸的进气冲程中,可使得第一进气门的开启晚于第二进气门,并且在气缸的压缩冲程中,第一进气门的关闭晚于第二进气门。可见,凸轮All连接驱动第一进气门且第二凸轮13连接驱动第二进气门时,发动机可实现奥托循环;凸轮B12连接驱动第一进气门且第二凸轮13连接驱动第二进气门时,发动机可实现阿特金森循环。
[0041]由此,本实用新型通过一个新型的凸轮设计有效解决了奥托循环损失发动机功率及阿特金森循环无法应用于涡轮增压发动机上的两个难题。本实用新型通过凸轮形线实现两个进气门正时的相对独立调节。压缩冲程开始时,仍有一个气门打开一定时间,从而实现阿特金森循环。同时在需要增压模式的工况,调节凸轮型线为奥托循环模式,从而允许通过发动机控制系统等控制启动涡轮增压器,使之介入发动机的进气增压工作。
[0042]其中,所谓的涡轮增压发动机指的是配备涡轮增压器的发动机。涡轮增压器是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率。
[0043]具体地,在图示的本实施方式中,错开相位角a优选为不大于45°,通常为30°左右。当凸轮All和凸轮B12在进气凸轮轴I上具有30°的错开相位角a时,曲轴需要相应转动60°,以带动进气凸轮轴I转动,使得从凸轮Al I的相位切换至凸轮BI 2的相位。
[0044]由于凸轮切换机构通过轴向移动进气凸轮轴I的方式切换凸轮All和凸轮B12,因此进气凸轮轴I的最大轴向位移量应大于凸轮All或凸轮B12的轴向厚度且小于第二凸轮13的轴向厚度,即无论第一进气门由凸轮All或凸轮B12驱动,第二凸轮13始终驱动第二进气门,而不会失位。
[0045]参见图1和图2,作为示例,轴向紧贴的凸轮All和凸轮B12的轴向厚度相同且均为第二凸轮13的轴向厚度的一半。第一凸轮和第二凸轮13沿进气凸轮轴I的轴向间隔设置,图中各凸轮All、凸轮B12和第二凸轮13完全相同,即各凸轮的外轮廓线(即形线)相同、结构、尺寸和基圆形状均相同,转动后形成的行程曲线也相同。
[0046]另外,由于凸轮All和凸轮B12沿轴向叠置,因此凸轮切换机构宜通过移轴方式切换凸轮All和凸轮B12,而对应的第一进气门的轴向位置不变。作为示例,图1和图2所示的凸轮切换机构包括形成在进气凸轮轴I的外周面上的螺旋沟槽14和能够驱动滑块21伸入或伸出螺旋沟槽14的电磁阀驱动器2;其中,电磁阀驱动器2驱动滑块21伸入螺旋沟槽14时,进气凸轮轴I的自旋转带动滑块21沿螺旋沟槽14滑移,从而使进气凸轮轴I产生轴向位移以切换凸轮All或凸轮B12。本领域技术人员能够理解的是,这种移轴机构可有诸多结构形式和驱动、控制方式,而不限于本实施方式中的电磁阀驱动器2和螺旋沟槽14的结构形式。
[0047]此外,发动机能够在该发动机控制系统的控制下运行于冷启动阶段、中低负荷运行阶段或高负荷运行阶段;这种中低负荷、高负荷的定义可根据具体工况、发动机功率等具体确定。在采用本实用新型的发动机时,由于可切换工作于两种工作模式下,可实现针对不同运行工况的不同工作模式应对。例如,发动机控制系统可配置为通过控制凸轮切换机构,使得在冷启动阶段和高负荷运行阶段,发动机实现奥托循环,在中低负荷运行阶段,发动机实现阿特金森循环。
[0048]具体地,在冷启动时,进气凸轮轴I位于奥托循环位置,其配气相位如图4,此时发动机与常规自然吸气发动机相同,可保证冷启动时的进气量,保证低速扭矩。
[0049]在中低负荷时,通过电磁阀驱动器2的滑块21在螺旋沟槽14上的移动,驱使凸轮形线切换到阿特金森位置处,配气相位如图5所示,同缸的两个气门对应图中两个错开曲线代表的配气相位;此时,进气冲程的第一进气门开启时刻,每缸的第一进气门开启,经过一定的曲轴转角后,每缸的第二进气门开启,实现一个气门的相对晚启动;而压缩冲程的第一进气门关闭时刻,每缸的第一进气门关闭,经过一定曲轴转角后,每缸的第二进气门关闭,实现一个气门的相对晚关闭;这样,通过进气门晚关,实现了阿特金森循环,提高燃油经济性。
[0050]在中高负荷时,通过电磁阀驱动器2的滑块21在螺旋沟槽14上的移动,驱使凸轮轴形线切换回奥托循环,此时发动机与常规发动机一致,涡轮增压器可以介入,增大发动机的功率输出。
[0051]综上,本实用新型的发动机可实现奥托循环和阿特金森循环的切换,通过在常规发动机上实现阿特金森循环,可提高发动机热效率。实现阿特金森循环的工作模式时,相较于传统的阿特金森发动机,进气相位更大,进气量更大。而且由于可将阿特金森循环技术应用于涡轮增压发动机上,进一步提升了发动机效率。
[0052]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,例如凸轮All的厚度可以与凸轮B12不同,第二凸轮13的厚度可大于凸轮All和凸轮B12的厚度之和,诸如此类改动均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种发动机,包括进气凸轮轴(I)和气缸,该气缸上对应设置有第一进气门和第二进气门,所述进气凸轮轴(I)上形成有用于连接驱动所述第一进气门的第一凸轮和用于连接驱动所述第二进气门的第二凸轮(13),其特征在于,所述第一凸轮包括沿所述进气凸轮轴(I)的轴向叠置的相同的凸轮A(Il)和凸轮B(12),所述凸轮A(Il)与第二凸轮(13)在所述进气凸轮轴(I)上的安装相位相同,且所述凸轮B(12)与凸轮A(Il)在所述进气凸轮轴(I)的圆周方向上错开安装并形成有错开相位角(a),所述发动机还包括凸轮切换机构,该凸轮切换机构用于切换所述凸轮A(Il)或凸轮B(12)以连接驱动所述第一进气门。2.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述凸轮A(Il)连接驱动所述第一进气门且所述第二凸轮(13)连接驱动所述第二进气门时,所述发动机实现奥托循环;所述凸轮B(12)连接驱动所述第一进气门且所述第二凸轮(13)连接驱动所述第二进气门时,所述发动机实现阿特金森循环。3.根据权利要求2所述的发动机,其特征在于,所述凸轮B(12)连接驱动所述第一进气门且所述第二凸轮(13)连接驱动所述第二进气门时,在所述气缸的进气冲程中,所述第一进气门的开启晚于所述第二进气门,并且在所述气缸的压缩冲程中,所述第一进气门的关闭晚于所述第二进气门。4.根据权利要求2或3所述的发动机,其特征在于,所述发动机还包括发动机控制系统,所述发动机控制系统控制所述发动机下运行于冷启动阶段、中低负荷运行阶段或高负荷运行阶段; 其中,所述发动机控制系统配置为通过控制所述凸轮切换机构,使得在所述冷启动阶段和高负荷运行阶段,所述发动机实现奥托循环,在所述中低负荷运行阶段,所述发动机实现阿特金森循环。5.根据权利要求4所述的发动机,其特征在于,所述发动机包括涡轮增压器,所述发动机实现奥托循环时,所述发动机控制系统能够控制启动所述涡轮增压器。6.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述错开相位角(a)不大于45°。7.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述凸轮切换机构包括形成在所述进气凸轮轴(I)的外周面上的螺旋沟槽(14)和能够驱动滑块(21)伸入或伸出所述螺旋沟槽(14)的电磁阀驱动器(2); 其中,所述电磁阀驱动器(2)驱动所述滑块(21)伸入所述螺旋沟槽(14)时,所述进气凸轮轴(I)的自旋转带动所述滑块(21)沿所述螺旋沟槽(14)滑移,从而使所述进气凸轮轴(I)产生轴向位移以切换所述凸轮A(Il)或凸轮B(12)。8.根据权利要求7所述的发动机,其特征在于,所述进气凸轮轴(I)的最大轴向位移量大于所述凸轮A(Il)或凸轮B(12)的轴向厚度且小于所述第二凸轮(13)的轴向厚度。9.根据权利要求8所述的发动机,其特征在于,所述凸轮A(Il)和凸轮B(12)的轴向厚度相同且均为所述第二凸轮(13)的轴向厚度的一半。10.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述第一凸轮和第二凸轮(13)沿所述进气凸轮轴(I)的轴向间隔设置,且所述凸轮A(ll)、凸轮B(12)和第二凸轮(13)的外轮廓线相同。
【文档编号】F02B77/00GK205638701SQ201620496901
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】杨晓勇, 王江涛, 高峰, 胡广进, 申荣伟, 张士伟
【申请人】长城汽车股份有限公司
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