一种多模式配气机构及其控制方法与流程

本发明涉及一种多模式配气机构及其控制方法，属于发动机配气机构、停缸及辅助制动领域。

背景技术：

随着发动机保有量的急剧增加，能源与环境问题以及行车安全性问题已成为制约我国可持续发展的重大问题之一。因其能够有效降低发动机油耗和排放，停缸技术备受关注。发动机小型化（down-size）和低速化（down-speed）已成为公认的节能减排的发展趋势。而发动机制动时，缸径越小、转速越低，制动效果越差。在车辆自身制动能力不断减弱、货运要求不断增长、道路环境复杂多变、车辆安全性越来越受到人们的重视、越来越多的国家将辅助制动系统列为车辆必备的附件之一的大背景下，实现高效分级制动模式势在必行。

针对上述问题，申请人提出了在驱动-制动全工况范围内分区优化发动机性能的多模式发动机。在驱动工况下，采用四冲程分级驱动模式，以满足低油耗和低排放的要求；在车辆小负载制动工况下，采用四冲程分级制动模式，满足车辆轻载、下短坡或缓坡时的要求；在车辆大负载制动工况下，采用二冲程分级制动模式，满足车辆重载、下长坡或陡坡时的要求，实现高效分级制动要求；在车辆主制动和/或其他制动系统失效等紧急情况下，采用不同的紧急制动模式，满足紧急情况的制动要求。基于此，多模式发动机的实现关键在于可实现发动机四冲程分级驱动模式、四冲程分级制动模式和二冲程分级制动模式等多种模式间灵活切换的多模式配气机构的开发。

由于现有实用化的可变配气机构大多用于四冲程驱动模式的发动机，不能满足多模式发动机的要求，因此开发一套可靠性高、结构简单紧凑且满足多模式发动机要求的配气机构势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的在于：通过设计一种多模式配气机构及其控制方法，用于实现：（a）为了达到发动机低油耗、低排放和高效分级制动的运行，需要配气机构实现四冲程分级驱动、四冲程分级制动、二冲程分级制动等多种模式。（b）为了满足多缸发动机的布置要求，需要本发明结构紧凑。

本发明所采用的技术方案是：这种多模式配气机构包括第一凸轮轴、第二凸轮轴、第一轴套、第二轴套、切换机构、制动摇臂、排气门组件和进气门组件等。第一凸轮轴通过花键带动第一轴套旋转，第二凸轮轴通过花键带动第二轴套旋转。

第一轴套设置有第一进气二冲程凸轮、第一进气四冲程凸轮、第二进气二冲程凸轮、第二进气四冲程凸轮、第一切换槽和第二切换槽，第二轴套设置有第一排气二冲程凸轮、第一排气四冲程凸轮、第二排气二冲程凸轮、第二排气四冲程凸轮、第三切换槽和第四切换槽。

第一进气摇臂与第一进气门组件对应，第二进气摇臂与第二进气门组件对应，第一第二排气摇臂与第一排气门组件对应，第二排气摇臂与第二排气门组件对应。

第一轴套和第二轴套均具有两个轴向位置。

第一轴套处于第一位置时，第一进气四冲程凸轮驱动第一进气摇臂，第二进气四冲程凸轮驱动第二进气摇臂。

第一轴套处于第二位置时，第一进气二冲程凸轮驱动第一进气摇臂，第二进气二冲程凸轮驱动第二进气摇臂。

第二轴套处于第一位置时，第一排气四冲程凸轮驱动第一排气摇臂，第二排气四冲程凸轮驱动第二排气摇臂。

第二轴套处于第二位置时，第一排气二冲程凸轮驱动第一排气摇臂，第二排气二冲程凸轮驱动第二排气摇臂。

第一轴套从第一位置向第二位置切换时，第二切换机构工作。第一轴套从第二位置向第一位置切换时，第一切换机构工作。第二轴套从第一位置向第二位置切换时，第三切换机构工作。第二轴套从第二位置向第一位置切换时，第四切换机构工作。

所述第一排气摇臂、第二排气摇臂中至少有一个为制动摇臂，复位弹簧驱使制动摇臂与相应的凸轮接触。

制动摇臂具有两种工作状态：制动摇臂处于有效状态时，制动摇臂驱动对应的气门组件；制动摇臂处于失效状态时，制动摇臂不驱动对应的气门组件。

非制动摇臂始终驱动对应的气门组件。

第一切换机构、第二切换机构、第三切换机构与第四切换机构为切换组件，切换组件至少包括可伸缩的销。销的伸缩状态由电磁、液压或气体控制。

制动摇臂至少包含锁定式或开关支点式结构。

锁定式制动摇臂具有第一杆、第二杆以及设置在第一杆与第二杆之间的锁定机构，凸轮驱动第一杆的输入端，第一杆输出端驱动第二杆输入端，第二杆输出端驱动对应的气门组件。

开关支点式制动摇臂具有摇臂体以及设置在摇臂体上的制动支点或设置在固定支架上的制动支点。制动支点至少包含液压活塞式制动支点或锁定式制动支点。

第一进气四冲程凸轮和/或第二进气四冲程凸轮至少在进气冲程具有凸起；第一排气四冲程凸轮和/或第二排气四冲程凸轮至少在排气冲程具有凸起；第一进气二冲程凸轮、第二进气二冲程凸轮、第一排气二冲程凸轮、第二排气二冲程凸轮中，至少有一个凸轮在压缩上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进排气上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进气-压缩下止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在膨胀-排气下止点附近具有凸起。

当相邻两个气缸的点火间隔大于切换槽的切换区间时，所述两个相邻气缸的轴套还可共用切换机构。

当发动机需要四冲程驱动模式运行时，第一轴套处于第一位置，第二轴套处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

当发动机需要停缸模式运行时，第一轴套处于第二位置，第二轴套处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第一类四冲程制动模式运行时，第一轴套处于第一位置，第二轴套处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第二类四冲程制动模式运行时，第一轴套处于第一位置，第二轴套处于第一位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第三类四冲程制动模式运行时，第一轴套处于第一位置，第二轴套处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第四类四冲程制动模式运行时，第一轴套处于第二位置，第二轴套处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第五类四冲程制动模式运行时，第一轴套处于第二位置，第二轴套处于第一位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第六类四冲程制动模式运行时，第一轴套处于第一位置，第二轴套处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要二冲程制动模式运行时，第一轴套处于第二位置，第二轴套处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要四冲程紧急制动模式运行时，第一轴套处于第一位置，第二轴套处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

当发动机需要二冲程紧急制动模式运行时，第一轴套处于第二位置，第二轴套处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

对于多缸机，非工作气缸采用停缸模式，工作气缸采用驱动模式或制动模式。

对于多缸机，在制动模式下，各气缸采用相同或不同的制动模式。

本发明的有益效果是：这种多模式配气机构主要包括由第一凸轮轴通过花键驱动的第一轴套、由第二凸轮轴通过花键驱动的第二轴套、切换机构和制动摇臂等。第一轴套设置有第一进气二冲程凸轮、第一进气四冲程凸轮、第二进气二冲程凸轮、第二进气四冲程凸轮等，第二轴套设置有第一排气二冲程凸轮、第一排气四冲程凸轮、第二排气二冲程凸轮、第二排气四冲程凸轮等。（a）通过设置制动摇臂，且在制动摇臂对应轴套切换阶段内，保持制动摇臂处于失效状态，实现了制动摇臂对应凸轮的非公共基圆段内切换轴套。（b）通过控制切换组件和制动摇臂，实现四冲程分级驱动、四冲程分级制动、二冲程分级制动等多种模式的切换，达到发动机低油耗、低排放和高效分级制动。（c）本发明采用一个凸轮驱动一个气门组件的布置方式，较一个凸轮驱动多个气门组件的布置方式而言，本发明中的凸轮受力小，凸轮厚度小，轴套长度和轴套移动距离短，满足多缸发动机对配气机构的布置要求；（d）对于相邻两个气缸的点火间隔大于切换槽的切换区间的发动机，两个相邻气缸的轴套还可共用切换机构，减少切换机构的数量，降低成本。

附图说明

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

图1是多模式配气机构第一示意图。

图2是多模式配气机构第二示意图。

图3是第一轴套展开示意图。

图4是第二轴套展开示意图。

图5是共用切换机构的相邻气缸轴套展开示意图。

图中：101、第一凸轮轴；102、第二凸轮轴；201、第一轴套；202、第二轴套；301、第一切换槽；302、第二切换槽；303、第三切换槽；304、第四切换槽；401、第一切换机构；402、第二切换机构；403、第三切换机构；404、第四切换机构；51a、第一进气摇臂；52a、第二进气摇臂；51b、第一排气摇臂；52b、第二排气摇臂；51d、制动支点；612a、第一进气二冲程凸轮；614a、第一进气四冲程凸轮；622a、第二进气二冲程凸轮；624a、第二进气四冲程凸轮；612b、第一排气二冲程凸轮；614b、第一排气四冲程凸轮；622b、第二排气二冲程凸轮；624b、第二排气四冲程凸轮；71a、第一进气门组件；72a、第二进气门组件；71b、第一排气门组件；72b、第二排气门组件；n1、第一号气缸；n2、第二号气缸。

具体实施方式

本发明涉及一种多模式配气机构，它包括第一凸轮轴101、第二凸轮轴102、第一轴套201、第二轴套202、排气门组件和进气门组件等。第一凸轮轴101通过花键带动第一轴套201旋转，第二凸轮轴102通过花键带动第二轴套202旋转。第一轴套201设置有第一进气二冲程凸轮612a、第一进气四冲程凸轮614a、第二进气二冲程凸轮622a、第二进气四冲程凸轮624a、第一切换槽301和第二切换槽302，第二轴套202设置有第一排气二冲程凸轮612b、第一排气四冲程凸轮614b、第二排气二冲程凸轮622b、第二排气四冲程凸轮624b、第三切换槽303和第四切换槽304。第一进气摇臂51a与第一进气门组件71a对应，第二进气摇臂52a与第二进气门组件72a对应，第一第二排气摇臂51b与第一排气门组件71b对应，第二排气摇臂52b与第二排气门组件72b对应。

第一进气四冲程凸轮614a和/或第二进气四冲程凸轮624a至少在进气冲程具有凸起；第一排气四冲程凸轮614b和/或第二排气四冲程凸轮624b至少在排气冲程具有凸起；第一进气二冲程凸轮612a、第二进气二冲程凸轮622a、第一排气二冲程凸轮612b、第二排气二冲程凸轮622b中，至少有一个凸轮在压缩上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进排气上止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在进气-压缩下止点附近具有凸起，至少有一个凸轮在膨胀-排气下止点附近具有凸起。图1和图2给出了第一进气四冲程凸轮614a和第二进气四冲程凸轮624a均在进气冲程具有凸起，第一排气四冲程凸轮614b和第二排气四冲程凸轮624b均在排气冲程具有凸起，第一进气二冲程凸轮612a和第一进气四冲程凸轮614a均在每个下止点附近均具有凸起，第二排气二冲程凸轮622b在每个下止点附近具有凸起，第一排气二冲程凸轮612b在每个上止点附近和每个下止点附近均具有凸起的示例。

第一轴套201和第二轴套202均具有两个轴向位置。第一轴套201处于第一位置时，第一进气四冲程凸轮614a驱动第一进气摇臂51a，第二进气四冲程凸轮624a驱动第二进气摇臂52a。第一轴套201处于第二位置时，第一进气二冲程凸轮612a驱动第一进气摇臂51a，第二进气二冲程凸轮622a驱动第二进气摇臂52a。第二轴套202处于第一位置时，第一排气四冲程凸轮614b驱动第一排气摇臂51b，第二排气四冲程凸轮624b驱动第二排气摇臂52b。第二轴套202处于第二位置时，第一排气二冲程凸轮612b驱动第一排气摇臂51b，第二排气二冲程凸轮622b驱动第二排气摇臂52b。

第一轴套201从第一位置向第二位置切换时，第二切换机构402工作。第一轴套201从第二位置向第一位置切换时，第一切换机构401工作。第二轴套202从第一位置向第二位置切换时，第三切换机构403工作。第二轴套202从第二位置向第一位置切换时，第四切换机构404工作。

第一切换机构401、第二切换机构402、第三切换机构403与第四切换机构404为切换组件，切换组件至少包括可伸缩的销。销的伸缩状态由电磁、液压或气体控制。

传统轴套切换区间必须是轴套上所有凸轮的公共基圆段。本发明存在至少一个轴套上所有凸轮的公共基圆段较小，无法满足轴套切换要求的情况，对此，将需要从第一排气摇臂51b、第二排气摇臂52b中选取至少一个摇臂，设为制动摇臂，并且设置复位弹簧驱使制动摇臂与相应的凸轮接触。在相应轴套切换阶段，保持制动摇臂处于失效状态，实现了制动摇臂对应凸轮的非公共基圆段切换轴套。

制动摇臂具有两种工作状态。制动摇臂处于有效状态时，制动摇臂驱动对应的气门组件；制动摇臂处于失效状态时，制动摇臂不驱动对应的气门组件。

以图1和图2所示实施例为例，第一轴套201切换区间为第一进气二冲程凸轮612a、第一进气四冲程凸轮614a、第二进气二冲程凸轮622a、第二进气四冲程凸轮624a的公共基圆段内。第一排气二冲程凸轮612b、第一排气四冲程凸轮614b、第二排气二冲程凸轮622b、第二排气四冲程凸轮624b的公共基圆段非常小，无法满足第二轴套202的切换要求。通过将第一排气摇臂51b改设成制动摇臂，在相应轴套切换阶段，保持第一排气摇臂51b处于失效状态，实现了第一排气二冲程凸轮612b的非公共基圆段切换轴套。即根据第一排气四冲程凸轮614b、第二排气二冲程凸轮622b、第二排气四冲程凸轮624b的公共基圆段，确定最大可切换区间。

制动摇臂至少包含锁定式或开关支点式结构。锁定式制动摇臂具有第一杆、第二杆以及设置在第一杆与第二杆之间的锁定机构，凸轮驱动第一杆的输入端，第一杆输出端驱动第二杆输入端，第二杆输出端驱动对应的气门组件。开关支点式制动摇臂具有摇臂体以及设置在摇臂体上的制动支点或设置在固定支架上的制动支点；所述制动支点至少包含液压活塞式制动支点或锁定式制动支点。图1和图2给出了具有设置在固定支架上的制动支点的开关支点式制动摇臂示意图。

根据凸轮与摇臂的接触点的周向位置、凸轮轴的旋转方向以及切换机构的周向位置，确定切换槽的切换区间。上述任意一种条件改变时，需要调节其他条件。因此，在实际情况下，需要根据实际机型来确定凸轮的公共基圆段、凸轮轴的旋转方向和凸轮输出点的周向位置，调整切换槽的切换区间和切换机构的周向位置。

本发明列出的实施方案中，第一凸轮轴101为逆时针旋转，第二凸轮轴102为顺时针旋转，图3和图4分别为第一轴套201和第二轴套202的展开示意图。此外，第一切换槽301和第二切换槽302可以相互分离，如图3；通过合并二者的公共导向段，可将二者合并成一体。第三切换槽303和第二切换槽304的设计同样可以是分开式的，也可以是合并式的。

当相邻两个气缸的点火间隔大于切换槽的切换区间时，这两个相邻气缸的还可以共用同一组切换机构（2个），其好处是减少了切换机构的数量，降低了成本，其弊端是这两个轴套的轴向位置只能均处于第一位置，或者均处于第二位置。以点火顺序为1-4-2-6-3-5的直列6缸机的1缸和2缸的第一轴套为例，左侧n1为第一号气缸，右侧n2为第二号气缸，两气缸的轴套共用第一切换机构401和第二切换机构402；第一切换机构401作用在第一号气缸n1的第一切换槽301和第二号气缸n2的第一切换槽301上；同样，第二切换机构402作用在第一号气缸n1的第二切换槽302和第二号气缸n2的第二切换槽302上。图5为轴套展开示意图。

注意：图3-图5中切换槽均只画出了切换区间段，没有画出过渡段。

通过控制切换组件和制动摇臂，本发明可实现多种模式。

当发动机需要四冲程驱动模式运行时，第一轴套201处于第一位置，第二轴套202处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

当发动机需要停缸模式运行时，第一轴套201处于第二位置，第二轴套202处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第一类四冲程制动模式运行时，第一轴套201处于第一位置，第二轴套202处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第二类四冲程制动模式运行时，第一轴套201处于第一位置，第二轴套202处于第一位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第三类四冲程制动模式运行时，第一轴套201处于第一位置，第二轴套202处于第二位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第四类四冲程制动模式运行时，第一轴套201处于第二位置，第二轴套202处于第一位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第五类四冲程制动模式运行时，第一轴套201处于第二位置，第二轴套202处于第一位置，制动摇臂处于失效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要第六类四冲程制动模式运行时，第一轴套201处于第一位置，第二轴套202处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要二冲程制动模式运行时，第一轴套201处于第二位置，第二轴套202处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内不供给燃料。

当发动机需要四冲程紧急制动模式运行时，第一轴套201处于第一位置，第二轴套202处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

当发动机需要二冲程紧急制动模式运行时，第一轴套201处于第二位置，第二轴套202处于第二位置，制动摇臂处于有效状态，气缸内供给燃料。

上述各种制动模式，可实现发动机不同制动功率的输出。根据车辆需要来选取上述模式。

发动机在驱动模式下，燃油燃烧做正功，发动机输出动力驱动车轮运行。发动机在各类四冲程紧急制动模式，燃烧在压缩上止点前燃烧做负功；发动机在二冲程紧急制动模式，燃烧在每个上止点前燃烧做负功，发动机产生阻力实现车辆紧急情况下的缓速和制动。本发明所述紧急制动模式主要针对车辆主制动系统失效、其他辅助制动系统失效或制动功率不足等情况，用于车辆缓速和制动等，保证车辆安全。

由于本发明各缸轴套独立可控，对于多缸机而言，所有气缸可分为非工作气缸和工作气缸，非工作气缸采用停缸模式，工作气缸采用驱动模式或制动模式，可实现分级控制发动机动力输出。如车辆需要较小动力时，即发动机处于低负荷运行状态，可采用四冲程分级停缸驱动技术，即采用一部分气缸采用停缸模式，其他气缸采用四冲程驱动模式，并且停缸率随着发动机负荷的改变而改变，可显著降低发动机的油耗和排放。再如一部分气缸采用停缸模式，其他气缸采用制动模式，可实现发动机根据车辆运行情况连续可调地输出制动功率。此外，在制动模式下，各气缸采用相同或不同的制动模式。各制动模式下，还可与egr系统、涡轮增压系统、设置在排气管上的蝶阀等配合，获得不同的制动功率，实现发动机根据车辆运行情况连续可调地输出制动功率。