全可变电液气门系统的制作方法

本发明涉及发动机气门机构技术领域，尤其涉及一种全可变电液气门系统。

背景技术：

全可变气门机构(fullyvariablevalvesystem,简称fvvs)可实现气门最大升程、气门开启持续角和配气相位三者的连续可变，对发动机的节能减排具有重要意义。fvvs能够采用进气门早关(eivc)的方式控制进入气缸内的工质数量，从而取消节气门，这种无节气门汽油机将大幅度地降低泵气损失，使中小负荷时的燃油耗降低10-15％。全可变气门机构与增压中冷匹配，可以解决发动机增压后的爆燃和热负荷高的问题，在大幅度提高平均有效压力的前提下实现低温燃烧，改善发动机热效率并减少有害气体的排放；因此fvvs技术已成为内燃机新技术的重要发展方向之一。

目前，较为先进的全可变气门机构是舍弗勒和菲亚特联合研制的multiair(又名uniair)系统，该系统采用了凸轮轴驱动式电液气门机构，通过凸轮轴与电磁阀联合控制气门运动规律。该系统的工作原理如下：由凸轮推动液压活塞，液压活塞通过滑套腔与驱动活塞相连，而滑套腔则由一个开关式电磁阀控制。当电磁阀处于完全关闭状态时，液压活塞通过液体压力推动驱动活塞，将凸轮转动产生的液压压力传递给气门；此时进气门完全由凸轮控制，处于开启状态。当电磁阀处于完全开启状态时，液体压力无法传递驱动力，液压活塞无法推动驱动活塞，进气门不再受凸轮控制并处于回落或关闭状态。通过对电磁阀开闭时刻的控制，即可实现各种不同的气门运动规律，实现全可变气门机构的功能。但是，其电磁阀结构复杂，价格昂贵，限制了该技术的推广应用。

为了替代昂贵的高速电磁阀，中国发明专利cn109339896a公开了一种具有缓冲功能的全可变电液气门装置，包括：凸轮轴和气门组件；螺旋轴、滑套、活塞和复位弹簧，所述螺旋轴和所述活塞分别与所述滑套滑动密封连接，所述活塞顶靠于所述气门组件，在所述滑套内，所述螺旋轴与所述活塞之间的空间形成密封的滑套腔，所述复位弹簧夹压于所述螺旋轴与所述活塞之间；所述螺旋轴在轴向上受控于所述凸轮轴的凸轮面；所述螺旋轴的与所述滑套滑动密封连接的周壁是螺旋状周壁，所述螺旋轴的端部设置有与齿条啮合的控制齿轮，所述齿条由发动机电控单元控制的直线执行机构驱动；所述滑套开设有进油孔和限位油孔，所述进油孔靠近所述螺旋轴，所述限位油孔靠近所述活塞，所述进油孔和所述限位油孔分别与发动机的低压油路连通，在所述限位油孔与所述发动机的低压油路之间的连接管路上设置有单向阀。本发明采用螺旋轴和凸轮轴联合控制气门运动，通过转动螺旋轴来改变进油孔的开闭时刻，既可实现全可变气门机构的功能，响应速度快，控制方便，又替代了价格昂贵的高速电磁阀，适合多缸发动机使用。

但是，在应用中发现：第一，如果将该装置应用到进气门可变行程的控制时，由于发动机大多设计有扫气过程，要求与进气门的开启时刻对应的曲轴转角(相对于上止点)不变，但该装置只能在凸轮面的上升段的某个时刻堵住限位油孔，图9示出了该装置一组曲轴转角/气门升程曲线，显示出与其气门开启时刻对应的曲轴转角会随着限位油孔封堵时刻的改变而改变，因而该装置的应用受到限制。第二，在发动机停机过程中，滑套腔中的液压油会慢慢渗漏，起动发动机时，滑套腔中可能出现“无油”的现象，导致系统工作失效。第三，该机构在电液控制气门落座的过程中，存在落座速度过快问题，对气门和气门座的密封面造成冲击损坏，影响使用寿命。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种全可变电液气门系统，以解决由于滑套腔中的机油流失而影响系统正常工作的问题，并使与气门的开启时刻对应的曲轴转角保持不变。

为解决上述技术问题，本发明如下技术方案：

一种全可变电液气门系统，包括：凸轮轴和气门组件；滑套、螺旋轴、活塞和复位弹簧，所述滑套具有相对设置的第一端和第二端，所述滑套开设有进油孔和限位油孔，所述螺旋轴具有相对设置的第一端和第二端，所述螺旋轴设置有螺旋结构，所述螺旋轴和所述活塞分别与所述滑套滑动密封连接，所述螺旋轴与所述活塞之间的内腔称为滑套腔，所述复位弹簧夹压于所述螺旋轴与所述活塞之间，所述活塞顶靠于所述气门组件，所述螺旋轴在轴向上受控于所述凸轮轴的凸轮面；齿轮齿条机构，所述齿轮齿条机构包括控制齿轮和齿条，所述齿条由发动机电控单元控制的直线执行机构驱动；所述滑套外设置有限位套，所述限位套相对于发动机固定，所述滑套与所述限位套转动安装且所述滑套受轴向限位结构的约束，所述限位套开设有限位套第一油孔和限位套第二油孔，所述限位套的内壁开设有第一环形槽和第二环形槽，所述限位套第一油孔通过所述第一环形槽与所述限位油孔相通，所述限位套第二油孔通过所述第二环形槽与所述进油孔相通，所述限位套第一油孔和所述限位套第二油孔分别与发动机的低压油路连通，在所述限位套第二油孔与所述发动机的低压油路之间的连接管路上设置有单向阀；所述螺旋结构包括开设于所述螺旋轴的周面上的螺旋槽，所述螺旋槽的靠近所述螺旋轴第一端的槽面为螺旋面，所述螺旋面与所述螺旋轴第一端之间的部分为可封堵所述限位油孔的封堵部分，所述螺旋槽开设有通油孔，所述通油孔连通所述螺旋槽和所述滑套腔，当所述螺旋槽与所述限位油孔连通时，所述滑套腔与所述发动机的低压油路连通泄压；所述螺旋轴的第一端设置有螺旋轴轴向凸出部，所述螺旋轴轴向凸出部设置有螺旋轴顶靠平面，所述活塞的与所述螺旋轴相对的一端设置有活塞轴向凸出部，所述活塞轴向凸出部的头部设置有活塞顶靠平面；所述滑套设置有第一定位销，所述活塞设置有沿轴向延伸的第一导向槽，所述第一定位销伸入所述第一导向槽内；所述螺旋轴设置有第二导向槽，所述第二导向槽沿所述螺旋轴的轴向延伸，第二定位销伸入所述第二导向槽内，所述第二定位销相对于所述发动机固定；所述控制齿轮设置于所述滑套的第二端，所述齿轮齿条机构还设置有限位装置和回位弹簧，当所述回位弹簧使所述齿条移动到所述限位装置限定的极限位置时，所述活塞顶靠平面顶靠于所述螺旋轴顶靠平面，所述限位油孔被所述螺旋轴的封堵部分封堵，所述气门组件的气门升程由所述凸轮轴控制。

其中，当所述螺旋轴受控于所述凸轮面的基圆段、所述齿条向所述限位装置的相反方向移动至另一个极限位置时，所述螺旋槽与所述限位油孔连通。

其中，所述螺旋轴的第一端设置有两个所述螺旋轴轴向凸出部，两个所述螺旋轴轴向凸出部的头部分别设置有一个所述螺旋轴顶靠平面；所述活塞轴向凸出部有两个，两个所述活塞轴向凸出部的头部分别设置有一个所述活塞顶靠平面，所述活塞顶靠平面与所述螺旋轴顶靠平面一一对应。

其中，两个所述活塞顶靠平面同面，两个所述螺旋轴顶靠平面同面。

其中，两个所述活塞顶靠平面相对于所述活塞的中心对称设置，两个所述螺旋轴顶靠平面相对于所述螺旋轴的中心对称设置。

其中，所述螺旋轴的第二端设置有推力轴承，所述推力轴承与所述凸轮轴的凸轮面之间设置有耐磨垫片。

其中，所述控制齿轮与所述滑套以传递扭矩的方式连接。

其中，所述齿条同时与多个所述螺旋轴的控制齿轮啮合。

其中，所述直线执行机构是直线电机或执行电磁铁或气缸或液压缸。

其中，所述滑套的第一端设置有阶梯孔结构，所述阶梯孔结构包括大孔和小孔，所述小孔与所述活塞的滑动密封面配合，所述大孔内设置有缓冲环，所述缓冲环套设于所述活塞的滑动密封面并与所述大孔的内周面滑动密封配合，所述缓冲环和所述活塞在所述阶梯孔内形成缓冲腔；所述活塞的外端周面设置有用于在所述气门组件的气门落座时碰撞所述缓冲环的凸缘，所述滑套的活塞端部安装有挡板，当所述气门组件的气门关闭时，所述缓冲环与所述挡板之间具有缓冲距离；所述滑套开设有与所述缓冲腔连通的缓冲油孔，所述限位套开设有限位套第三油孔，所述限位套的内壁开设有第三环形槽，所述限位套第三油孔通过所述第三环形槽与所述缓冲油孔相通，所述限位套第三油孔通过节流装置与所述发动机的低压油路连通。

本发明采用上述技术方案后，其技术效果是：

1)本发明由于螺旋轴设置了螺旋槽和封堵部分，在凸轮面推动螺旋轴下移前，封堵部分已经封堵限位油孔，活塞与螺旋轴为刚性连接，螺旋轴下移时，气门随之开启，开启时刻始终不变；螺旋轴继续下移，当所述螺旋槽与所述限位油孔连通时，所述滑套腔与所述发动机的低压油路连通泄压，使气门脱离凸轮面的控制，气门在气门弹簧力的作用下落座关闭。通过转动滑套可改变螺旋槽与限位油孔的连通时刻，进而改变气门的关闭时刻，即可实现全可变气门机构的功能，但与气门开启时刻对应的曲轴转角保持不变，因而其特别适合应用到具有扫气过程的发动机的进气门可变行程的控制。气门回程时，液压油从进油孔进入滑套腔，与复位弹簧一起使螺旋轴快速复位，由发动机电控单元控制的直线执行机构驱动滑套转动，响应速度快，控制方便，替代了价格昂贵的高速电磁阀，适合多缸发动机使用。

2)发动机停机ecu断电后，所述齿条在回位弹簧作用下移动到限位装置的极限位置，滑套带动活塞转动，此时，所述活塞顶靠平面顶靠于所述螺旋轴顶靠平面，机油不起作用，凸轮轴与气门间处于刚性连接状态，所述气门组件的气门升程完全由所述凸轮轴控制，从而避免了机油流失对系统正常工作造成的影响。

3)当气门即将落座时，活塞首先碰撞缓冲环，由于节流装置的作用，缓冲腔内的机油对缓冲环的运动起到阻尼作用，缓冲环缓慢运动，使气门缓慢落座，减小了对气门和气门座的密封面造成的冲击损坏，从而有效提高了气门机构的使用寿命。当气门再次下行时，缓冲环在机油压力作用下向下运动，由于缓冲距离很短，气门再次落座前，缓冲环有足够时间运动到挡板位置；调整节流装置的节流效果及缓冲距离，即可调整气门缓冲效果。

4)当所述螺旋轴受控于所述凸轮面的基圆段、所述齿条向所述限位装置的相反方向移动至另一个极限位置时，所述螺旋槽与所述限位油孔连通，此时，凸轮轴还没有开始工作，螺旋槽就已经与限位油孔连通泄压，活塞将停止运动，气门关闭，可实现发动机的停缸过程。

附图说明

图1是本发明全可变电液气门系统实施例的剖视图；

图2是图1中螺旋轴的立体结构示意图；

图3是图1中活塞的立体结构示意图；

图4是驱动图1所示实施例中滑套的齿轮齿条机构的结构示意图；

图5是图4所示齿条向右运动到限位装置的极限位置，螺旋轴和活塞的相应顶靠平面顶靠在一起时的立体结构示意图；

图6是图4所示齿条向右运动到限位装置的极限位置，系统处于起始状态时的部分部件的剖视图；

图7是图4所示齿条向左运动到另一个极限位置，系统处于停缸状态时的部分部件的剖视图；

图8是图1所示实施例的曲轴转角/气门升程曲线图；

图9是背景技术中提到的公开技术的曲轴转角/气门升程曲线图；

图中，101-凸轮轴，102-螺旋轴，102a-第二导向槽,102b-螺旋轴顶靠平面，102c-螺旋轴轴向凸出部，102d-螺旋槽,102e-螺旋面,102f-通油孔，102g-封堵部分，103-滑套，103a-控制齿轮,104-复位弹簧，105-活塞，105a-活塞轴向凸出部，105b-活塞顶靠平面，105c-第一导向槽，105d-凸缘，106-气门组件，107-进油孔，108-单向阀，109-油底壳，110-保压阀，111-耐磨垫片，112-推力轴承,113-齿条，114-减压阀，115-回位弹簧，116-限位装置，117-直线执行机构，118-限位油孔，119-第一定位销,121-缓冲环，122-挡板，123-缓冲油孔，124-节流装置，125-限位套，125a-限位套第一油孔，125b-限位套第二油孔，125-限位套第三油孔，126-挡环，127-第二定位销，q-滑套腔，r-缓冲腔，s-缓冲距离。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种全可变电液气门系统，滑套103外设置有限位套125，限位套125相对于发动机固定，滑套103与限位套125转动安装且滑套103受轴向限位结构的约束，本实施例中，轴向限位结构是位于限位套125两端的挡环126和凸缘，凸缘与滑套103设为一体，挡环126与滑套103固定连接，当然，出于使滑套103相对于限位套125只能转动不能移动的目的，还可以采用其它轴向限位结构，在此不做赘述。

螺旋轴102和活塞105分别与滑套103滑动密封连接，螺旋轴102在轴向上受控于凸轮轴101的凸轮面，活塞105顶靠于气门组件106。在滑套103内，螺旋轴102与活塞105之间的空间为滑套腔q，复位弹簧104夹压于螺旋轴102与活塞105之间，复位弹簧104与油压力对活塞105的共同作用力远小于气门弹簧对活塞105的作用力。

滑套103开设有进油孔107、限位油孔118和缓冲油孔123，限位套125开设有限位套第一油孔125a、限位套第二油孔125b和限位套第二油孔125c，限位套125的内壁开设有第一环形槽、第二环形槽和第三环形槽。限位套第一油孔125a通过所述第一环形槽与限位油孔118相通，限位套第一油孔125a通过减压阀114与发动机机油油路连通，并通过保压阀110与油底壳109连通，限位套第二油孔125b通过所述第二环形槽与进油孔107相通，限位套第二油孔125b连接单向阀108，通过减压阀114与发动机机油油路连通，并通过保压阀110与油底壳109连通；缓冲油孔123与缓冲腔r连通，限位套第三油孔125c通过所述第三环形槽与缓冲油孔123相通，第三油孔125c连接节流装置124，通过减压阀114与发动机机油油路连通，并通过保压阀110与油底壳109连通。所述发动机机油油路以及与之关联的减压阀114、保压阀110、油底壳109等组成所述发动机的低压油路,所述节流装置可以是节流阀也可以是节流孔等装置。

滑套103具有相对设置的第一端和第二端，滑套103的第一端设置有阶梯孔结构，阶梯孔结构包括大孔和小孔，所述小孔与活塞105的滑动密封面配合，所述大孔内设置有缓冲环121，缓冲环121套设于活塞105的滑动密封面并与所述大孔的内周面滑动密封配合，缓冲环121和活塞105在所述阶梯孔内形成缓冲腔r；活塞105的外端周面设置有用于在气门组件106的气门落座时碰撞缓冲环121的凸缘105d，滑套103的活塞端部安装有挡板122，当气门组件106的气门关闭时，缓冲环121与挡板122之间具有缓冲距离s。

上述结构具有缓冲功能。当气门即将落座时，活塞105首先碰撞缓冲环121，由于节流装置124的作用，缓冲腔r内的机油对缓冲环121的运动起到阻尼作用，缓冲环121缓慢运动，使气门缓慢落座，减小了对气门和气门座的密封面造成的冲击损坏，从而有效提高了气门机构的使用寿命。当气门再次下行时，缓冲环121在机油压力作用下向下运动，由于缓冲距离s很短，气门再次落座前，缓冲环121有足够时间运动到挡板122位置；调整节流装置124的节流效果及缓冲距离，即可调整气门缓冲效果。

如图1、图2和图4共同所示，滑套103的第二端与齿轮齿条机构传动连接，所述齿轮齿条机构包括控制齿轮103a和齿条113，所述控制齿轮103a设置于滑套103的第二端，齿条103由发动机电控单元(ecu)控制的直线执行机构117驱动。控制齿轮103a与滑套103以能够传递扭矩的方式连接。直线执行机构117是成熟的技术，可以是直线电机或执行电磁铁或气缸或液压缸等，其与齿条113的连接关系等也是本领域普通技术人员所熟知的，在此不做赘述。

如图1和图2所示，螺旋轴102设置有第二导向槽102a，第二导向槽102a沿螺旋轴102的轴向延伸，第二定位销127伸入第二导向槽102内，第二定位销127相对于所述发动机固定，该结构使螺旋轴102只能轴向移动，不能转动。

螺旋轴102具有相对设置的第一端和第二端，螺旋轴102还设置有螺旋结构，所述螺旋结构包括开设于螺旋轴102的周面上的螺旋槽102d，螺旋槽102d的靠近螺旋轴102第一端的槽面为螺旋面102e，螺旋面102e与螺旋轴102第一端之间的部分为可封堵限位油孔118的封堵部分102g，螺旋槽102d开设有通油孔102f，通油孔102f连通螺旋槽102d和滑套腔q，当螺旋槽102d与限位油孔118连通时，滑套腔q与所述发动机的低压油路连通泄压。

如图2所示，螺旋轴102的第一端设置有螺旋轴轴向凸出部102c，所述螺旋轴轴向凸出部102c设置有螺旋轴顶靠平面102b，为了在顶靠时受力更加均衡，螺旋轴102的第一端设置有两个螺旋轴轴向凸出部102c，两个螺旋轴轴向凸出部102c分别设置有一个螺旋轴顶靠平面102b。两个螺旋轴顶靠平面102b同面且相对于螺旋轴102的中心对称设置。

如图1和图3所示，滑套103设置有第一定位销119，活塞105设置有沿轴向延伸的第一导向槽105c，第一定位销119伸入第一导向槽105c内，通过第一定位销119约束活塞105相对于滑套103的旋转自由度，即活塞105只能沿第一导向槽105c轴向移动，而不能转动，滑套103转动时，可带动活塞105一起转动。

活塞105的与螺旋轴102相对的一端设置有活塞轴向凸出部105a，活塞轴向凸出部105a的头部设置有活塞顶靠平面105b。同样的原理，为了在顶靠时受力更加均衡，所述活塞轴向凸出部105a有两个，两个活塞轴向凸出部105a的头部分别设置有一个活塞顶靠平面105b，活塞顶靠平面105b与螺旋轴顶靠平面102b一一对应。两个活塞顶靠平面105b同面且相对于活塞105的中心对称设置。

本发明通过螺旋轴和凸轮轴联合控制气门运动的工作原理是：

发动机的机油油路(低压油路)中的机油，可通过进油孔107和限位油孔118流到滑套腔q。在凸轮轴101的作用下，螺旋轴102向下运动，当螺旋轴102的封堵部分102g堵住限位油孔118时(此时，由于单向阀108的作用，机油也不能从进油孔107流出)，滑套腔q变成了一个封闭的腔，液压油压力升高，推动活塞105下行，活塞105推动气门向下运动。

通过发动机电控单元控制的直线执行机构117驱动齿条113移动，推动滑套103转动，滑套103转动时，可带动活塞105一起转动，当活塞顶靠平面105b脱离螺旋轴顶靠平面102b后，由于螺旋轴102设置了螺旋槽102d和封堵部分102g，在凸轮面推动螺旋轴102下移时，封堵部分102g首先封堵限位油孔118，使活塞105与螺旋轴102变为刚性连接，气门随之开启，而且开启时刻始终不变。螺旋轴102继续下行，当螺旋槽102d与限位油孔118连通时，滑套腔q与所述发动机的低压油路连通泄压，使气门脱离凸轮面的控制，在气门弹簧力的作用下，气门推动活塞上行。在气门关闭的过程中，若螺旋轴102没有再堵住限位油孔118，则气门关闭的运动过程不受凸轮面的影响，受气门弹簧力和油压力的共同作用运动。若气门关闭完成前，螺旋轴102随凸轮面往上做回位运动再次堵住限位油孔118，这时滑套腔q又变为密封腔，气门运动规律将再随螺旋轴102一起由凸轮面控制。由于上述凸轮面、螺旋面、限位油孔等都为机械结构，是固定不变的，因此，气门无论以上述那种方式关闭，其运动规律都是固定的，随螺旋轴的旋转，呈现逐步增大或减少的关系，气门行程变化与螺旋轴的转角呈线性关系。

通过转动滑套103可改变螺旋槽102d与限位油孔118的连通时刻，进而改变气门的关闭时刻，即可实现全可变气门机构的功能，但与气门开启时刻对应的曲轴转角始终保持不变，因而特别适合应用到具有扫气过程的发动机的进气门可变行程的控制，如图8所示。

回程时，液压油经过单向阀108从进油孔107进入滑套腔q，与复位弹簧104一起使螺旋轴102快速复位。

本发明中，当发动机停机ecu断电后，在回位弹簧115作用下，齿条113右移到限位装置116限制的极限位置，这时，活塞105与螺旋轴102的位置关系，处于图5和图6所示的状态，即活塞顶靠平面105b顶靠于螺旋轴顶靠平面102b,滑套腔q中的机油不起作用，凸轮与气门间处于刚性连接状态,气门升程完全由凸轮轴1控制，从而避免了机油流失对系统正常工作造成的影响。

本发明中，如图7所示，当螺旋轴102受控于所述凸轮面的基圆段、所述齿条113向所述限位装置116的相反方向移动至另一个极限位置时，所述螺旋槽102d与所述限位油孔118连通，此时，凸轮轴1还没有开始工作，螺旋槽102d就已经与限位油孔118连通泄压，此后，无论螺旋轴102受控于凸轮面的基圆还是非基圆段，活塞105都将停止运动，气门均处于关闭状态，可实现发动机的停缸过程。

本发明中，图4示出了一个齿条113同时与6个控制齿轮103a啮合的例子，每个控制齿轮103a对应一个气门组件，即应用于六缸发动机，本发明的构思可以扩展到4缸机或8缸机等，气缸的数量不受限制。

本发明中，控制齿轮103a的端面上设置有推力轴承112，推力轴承112与凸轮轴101的凸轮面之间设置有耐磨垫片111,以减少磨损，并可以通过耐磨片111的厚度调整活塞顶靠平面105b与螺旋轴顶靠平面102b之间的距离，当凸轮轴101的非凸轮面顶靠螺旋轴102时(或通过耐磨片111和推力轴承112顶靠)，两者的距离为零或接近为零。

本发明不局限于上述实施例，一切基于本发明的构思、原理、结构及方法所做出的种种改进，都将落入本发明的保护范围之内。