一种内燃机全可变液压气门系统的控油装置

摘要

本发明涉及内燃机的气门机构和燃料供给系统，特别涉及一种内燃机全可变液压气门系统的控油装置。该装置与内燃机液压驱动气门系统相连接，由壳体及安装在壳体中的回转阀、液压蓄能器和传动机构构成。回转阀由回转阀芯、回转阀套组成；液压蓄能器由储能活塞、蓄能弹簧、端盖、密封座圈、橡胶垫组成，并安装在壳体的一端内腔；回转阀和液压蓄能器之间为蓄能腔；传动机构由传动齿轮、齿轮轴和十字滑块联轴器组成，传动齿轮安装在齿轮轴上，齿轮轴通过十字滑块联轴器与回转阀芯相连接。本发明取代高频电磁阀应用于单缸及多缸内燃机全可变液压气门系统中，结构简单，工作平稳可靠，加工工艺性好，成本低廉。

权利要求

1.一种内燃机全可变液压气门系统的控油装置，与内燃机全可变液压气门系统相连接，其特征为，由壳体及安装在壳体中的回转阀、液压蓄能器和传动机构构成；回转阀由回转阀芯、回转阀套组成，回转阀芯上一端设置轴向盲孔和与其相通的径向油孔，其端部设置挡圈槽，另一端设置与十字滑块联轴器的连接齿槽相匹配的连接齿；在回转阀套上与回转阀芯径向油孔对应的轴向位置设置径向油孔，并在回转阀套的径向油孔位置设置环形槽；

回转阀芯安装在回转阀套内后，挡圈槽内安装轴向定位的挡圈，装有回转阀芯的回转阀套安装在壳体内腔；回转阀套一端设置轮齿，在壳体上与回转阀套上的轮齿部分对应的位置有齿条腔，在齿条腔内安装齿条并与回转阀套上的轮齿相啮合；液压蓄能器由储能活塞、蓄能弹簧、端盖、密封座圈、橡胶垫组成，并安装在壳体的一端内腔，密封座圈、橡胶垫固定安装在壳体内腔，储能活塞活动安装在壳体内腔，端盖固定安装在壳体一端的端面，储能活塞与端盖之间安装蓄能弹簧；回转阀和液压蓄能器之间为蓄能腔；传动机构由传动齿轮、齿轮轴和十字滑块联轴器组成，传动齿轮通过连接键安装在齿轮轴上，齿轮轴通过十字滑块联轴器与回转阀芯相连接；壳体上与环形槽对应位置上设置高压油孔，与蓄能腔轴向对应的位置设置低压油孔，在储能活塞运行的壳体内腔底部设置径向泄油孔，端盖上有出气孔。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机全可变液压气门系统的控油装置，其特征为在回转阀套上与回转阀芯径向油孔对应的轴向位置的圆周上，均匀分布回转阀套径向油孔，回转阀套径向油孔的数量等于配气凸轮轴与回转阀芯的转速比N，N为正整数。

3.根据权利要求1所述的一种内燃机全可变液压气门系统的控油装置，其特征为在同一轴向位置，壳体上设有的高压油孔、回转阀套环形槽、回转阀套径向油孔和回转阀芯径向油孔组成一套回转阀开关，一套控油装置内至少设置一套回转阀开关，回转阀开关的数量等于与之相匹配应用的内燃机气缸数。

说明书

一种内燃机全可变液压气门系统的控油装置

一、技术领域

[0001] 本发明涉及内燃机的气门机构和燃料供给系统，特别涉及一种内燃机全可变液压气门系统的控油装置。二、背景技术

[0002] 内燃机采用液压驱动气门系统能够实现气门最大升程、气门开启持续角和配气相位三者的连续可变，这种气门系统被称为全可变液压气门系统（Hydraulic Fully Variable Valve System,简称HFVVS），它对内燃机的节能减排具有重要意义。目前，具有代表性的全可变液压气门系统有舍弗勒公司的Uniair系统、美国Ford公司的电液全可变气门系统和英国Lotus的EHFVVT系统等。这些液压全可变气门系统全部采用了高频电磁阀作为控油开关来控制油液的流入和流出。而高频电磁阀存在频率响应速度低、可靠性低和成本昂贵的不足。

[0003] 中国国家知识产权局专利局在2006年公开了一项专利号为ZL200610042070.9，名称为“一种配气定时连续可变的内燃机配气系统”的发明专利，提出了一种配气定时连续可变的内燃机配气系统，包括气门组件、液压缸组件、液压缸出口控制装置、液压缸进口控制装置和凸轮轴传动组件。该系统在油液排出液压缸的过程中，液压低压系统存在压力波动大、导致工作不平稳的问题；在内燃机停止工作期间，液压系统存在机油泄漏，使空气进入的问题；该液压缸出口控制装置由于结构缺陷也存在不适用于多缸内燃机的局限性，并且存在传动不平稳的问题。这些问题导致该系统难以推广应用。三、发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种运行平稳、工作可靠、通用性强，适用于单缸及多缸内燃机的全可变液压气门系统的控油装置。

[0005] 本发明与内燃机全可变液压气门系统匹配连接应用，其技术方案为：由壳体及安装在壳体中的回转阀、液压蓄能器和传动机构构成；回转阀由回转阀芯、回转阀套组成，回转阀套一端设置轮齿，回转阀芯安装在回转阀套内，回转阀套安装在壳体内腔；在壳体上与回转阀套上的轮齿部分对应的位置有齿条腔，在齿条腔内安装齿条并与回转阀套上的轮齿相啮合；液压蓄能器由储能活塞、蓄能弹簧、端盖、密封座圈、橡胶垫组成，并安装在壳体的一端内腔，密封座圈、橡胶垫固定安装在壳体内腔，储能活塞活动安装在壳体内腔，端盖固定安装在壳体一端的端面，储能活塞与端盖之间安装蓄能弹簧，蓄能弹簧为压簧；回转阀和液压蓄能器之间为蓄能腔；传动机构由传动齿轮、齿轮轴和十字滑块联轴器组成，传动齿轮通过连接键安装在齿轮轴上，齿轮轴通过十字滑块联轴器与回转阀芯相连接。

[0006] 回转阀芯上一端设置轴向盲孔和与其相通的径向油孔，其端部设置挡圈槽，另一端设置与十字滑块联轴器的连接齿槽相匹配的连接齿；回转阀芯安装在回转阀套内，挡圈槽内安装轴向定位的挡圈；在回转阀套上与回转阀芯径向油孔对应的轴向位置设置径向油孔，并在回转阀套的径向油孔位置设置环形槽，将装有回转阀芯的回转阀套安装在壳体内腔；壳体上与环形槽对应位置上设置高压油孔，与蓄能腔轴向对应位置设置低压油孔，在储能活塞运行的壳体内腔底部设置径向泄油孔，端盖上有出气孔。在回转阀套上与回转阀芯径向油孔对应的轴向位置的圆周上，均匀分布回转阀套径向油孔，回转阀套径向油孔的数量等于配气凸轮轴与回转阀芯的转速比N，N为正整数。

[0007] 在同一轴向位置，壳体上设有的高压油孔、回转阀套环形槽、回转阀套径向油孔和回转阀芯径向油孔组成一套回转阀开关，一套控油装置内至少设置一套回转阀开关，回转阀开关的数量等于与之相匹配应用的内燃机气缸数。

[0008] 回转阀芯与回转阀套之间采用间隙密封，回转阀套与壳体之间采用间隙密封或密封圈密封，当采用密封圈密封时将环形槽两侧加工密封圈槽并装上密封圈后安装进壳体的内腔里；当采用间隙密封时则不需要加工密封圈槽，直接将回转阀套安装进壳体的内腔里。在同一轴向位置的回转阀套径向油孔数量等于配气凸轮轴与回转阀芯的转速比N（N为正整数），以保证回转阀开关在内燃机一个工作循环开启和关闭一次。液压蓄能器的密封座圈安装在壳体内腔采用过盈配合，橡胶垫固定贴合在密封座圈端面上；蓄能活塞与壳体内腔为间隙配合。传动齿轮通过连接键安装在齿轮轴上，并通过轴肩和挡圈定位。齿轮轴与壳体内腔为间隙配合，其一端设有与十字滑块联轴器的连接齿槽相匹配的连接齿；十字滑块联轴器上设有两对相互垂直的连接齿槽，分别连接齿轮轴连接齿和回转阀芯连接齿，使齿轮轴能够带动回转阀芯同步转动。

[0009] 应用时，将本发明连接在内燃机全可变液压气门系统中，本装置传动机构中的传动齿轮与内燃机配气凸轮轴通过传动链连接，齿条与伺服电机或比例电磁铁相连接，由伺服电机或比例电磁铁控制；壳体上的高压油孔与驱动液压气门的高压油腔相连接，壳体上的低压油孔和泄油孔与内燃机润滑系统的低压油道连接。

[0010] 内燃机工作时，配气凸轮轴通过传动链带动本装置的传动齿轮转动，传动齿轮依次带动齿轮轴、十字滑块联轴器和回转阀芯转动。当回转阀芯径向油孔转动到与回转阀套径向油孔不连通时，回转阀开关处于关闭状态，配气凸轮驱动液压挺柱，使液压驱动系统内产生高压油液，高压油液推动液压活塞克服气门弹簧的阻力开启气门；当回转阀芯径向油孔转动到与回转阀套径向油孔连通时，回转阀开关处于开启状态，高压油道内的油液和低压系统内的油液相互连通，气门在气门弹簧力的作用下关闭。伺服电机或比例电磁铁驱动齿条通过回转阀套齿轮带动回转阀套转动，因此回转阀套径向油孔的圆周位置是随内燃机的运行工况可调的。当四冲程内燃机处于工作状态时，若配气凸轮轴与回转阀芯的转速比N为1，将回转阀套顺着回转阀芯转动的方向转过Φ1角时，回转阀芯径向油孔与回转阀套径向油孔连通的相位角将相应推迟2·Φ1度曲轴转角（四冲程内燃机曲轴转速是配气凸轮轴转速的2倍），即回转阀开关的开启和关闭时刻相应推迟2·Φ1度曲轴转角；同理，将回转阀套逆着回转阀芯转动的方向转过Φ2角时，回转阀芯径向油孔与回转阀套径向油孔连通的相位角将相应提前2·Φ2度曲轴转角，回转阀开关的启闭时刻相应提前2·Φ2度曲轴转角。由于Φ1或Φ2角能在0°至180°内连续改变，回转阀开关的开启和关闭相位角能在0°至360°曲轴转角内连续可变。

[0011] 回转阀芯和回转阀套之间为精密的间隙密封配合，在驱动过程中，回转阀芯与齿轮轴之间同轴度要求很高，利用十字滑块联轴器可以降低对同轴度的要求，简化了制造工艺，降低制造成本。由于回转阀开关是间歇开启和关闭，导致蓄能腔内油压不稳定，利用蓄能器储存和释放液压压力能，可减小液压压力的波动。当内燃机停机后，随着油液的泄漏，低压系统内油压逐渐降低，蓄能活塞被蓄能弹簧压紧在密封座圈的橡胶垫上，防止油液进一步泄漏使气门液压驱动系统内进入空气，保证下一次内燃机起动过程能够稳定运行。

[0012] 本发明的控油装置在液压驱动装置和低压系统之间具有开关阀的作用，其开启和关闭时刻（相位角）能在一定范围内任意调整，还具有蓄能和密封的作用，且制作工艺简单。并按照内燃机气缸数的不同，匹配相应的控油装置，能够满足单缸及多缸内燃机全可变液压气门机构的组合需求。

[0013] 本发明的有益效果是：

[0014] （1）取代高频电磁阀，且适用于单缸和多缸内燃机匹配应用，具有结构简单、工作可靠、成本低廉的优势；

[0015] （2）具有蓄能和稳定低压系统内油压的作用，工作平稳；

[0016] （3）密封效果好，能够防止空气进入气门液压驱动系统内；

[0017] （4）使用十字滑块联轴器，简化了制造工艺，降低了制造成本。四、附图说明

[0018] 图1为本发明结构示意图的剖视图；

[0019] 图2为图1的A-A剖面图；

[0020] 图3为图1的B-B剖面图；

[0021] 图4为内燃机全可变液压气门系统的结构示意图。

[0022] 附图标记

[0023] 1、壳体 1-1、高压油孔 1-2、低压油孔 1-3、泄油孔 2、回转阀套 2-1、回转阀套轮齿 2-2、齿条 2-3、密封圈 2-4、回转阀套环形槽 2-5、回转阀套径向油孔 3、回转阀芯 3-1、回转阀芯径向油孔 3-2、回转阀芯轴向盲孔 3-3、回转阀芯连接齿 4-1蓄能活塞 4-2、蓄能弹簧 4-3、出气孔 4-4、端盖 4-5、橡胶垫 4-6、密封座圈 5-1、传动齿轮 5-2、齿轮轴 5-3、连接键 5-4、十字滑块联轴器 5-5、齿轮轴连接齿 K、一组回转阀开关；

[0024] N-1、配气凸轮 N-2、配气凸轮轴 N-3、液压挺柱 N-4、单向阀 N-5、内燃机润滑系统 N-6、低压油道 N-7、气门弹簧 N-8、气门 N-9、液压活塞 N-10、高压油道。五、具体实施方式

[0025] 下面结合附图详细描述本发明的实施过程。

[0026] 如图1、图2和图3所示，本发明由壳体1及安装在壳体1中的回转阀、液压蓄能器和传动机构构成；回转阀由回转阀芯3、回转阀套2组成，回转阀套2一端设有轮齿2-1，回转阀芯3安装在回转阀套2内，回转阀套2安装在壳体1内腔；在壳体1上与回转阀套2上的轮齿2-1部分对应的位置有齿条腔，在齿条腔内安装齿条2-2并与回转阀套2上的轮齿相啮合；液压蓄能器由储能活塞4-1、蓄能弹簧4-2、端盖4-4、密封座圈4-6和橡胶垫4-5组成，并安装在壳体1的一端内腔，密封座圈4-6、橡胶垫4-5固定安装在壳体1内腔，储能活塞4-1活动安装在壳体1内腔，端盖4-4固定安装在壳体1一端的端面，储能活塞4-1与端盖4-4之间安装蓄能弹簧4-2；回转阀和液压蓄能器之间为蓄能腔；传动机构由传动齿轮5-1、齿轮轴5-2、连接键5-3和十字滑块联轴器5-4组成，传动齿轮5-1通过连接键5-3安装在齿轮轴5-2上，齿轮轴5-2通过十字滑块联轴器5-4与回转阀芯3相连接。

[0027] 回转阀芯3上一端设有轴向盲孔3-2和与其相通的径向油孔3-1，其端部设置挡圈槽，另一端设置与十字滑块联轴器5-4的连接齿槽相匹配的连接齿3-3；回转阀芯3安装在回转阀套2内，挡圈槽内安装轴向定位的挡圈；在回转阀套2上与回转阀芯径向油孔3-1对应的轴向位置设置径向油孔2-5，并在回转阀套径向油孔2-5的位置设置环形槽2-4，将装有回转阀芯3的回转阀套2安装在壳体1内腔；壳体1上与环形槽2-4的对应位置上设有高压油孔1-1，在与蓄能腔轴向对应的位置设置低压油孔1-2，在储能活塞运行的内腔壳体底部设置直径方向的泄油孔1-3，端盖4-4上有出气孔4-3。

[0028] 在回转阀套2上，与回转阀芯径向油孔3-1对应的轴向位置的圆周上，均匀分布回转阀套径向油孔2-5，回转阀套径向油孔2-5的数量等于配气凸轮轴与回转阀芯的转速比N，N为正整数。以保证回转阀开关在内燃机一个工作循环内开启和关闭一次；如图4所示，当配气凸轮轴N-2与回转阀芯3的转速比N等于1时，在同一轴向位置的回转阀套径向油孔2-5的数量为1；当转速比N等于2时，在同一轴向位置的回转阀套径向油孔2-5的数量为2，且成180°均匀分布；当转速比N等于3时，在同一轴向位置的回转阀套径向油孔2-5的数量为3，且成120°均匀分布，依次类推。回转阀芯径向油孔3-1的圆周位置由内燃机点火顺序确定。

[0029] 在同一轴向位置，壳体1上设有的高压油孔1-1、回转阀套环形槽2-4、回转阀套径向油孔2-5和回转阀芯径向油孔3-1组成一套回转阀开关K。一套控油装置内至少设置一套回转阀开关K，回转阀开关K的数量等于与之相匹配应用的内燃机气缸数。

[0030] 回转阀芯3与回转阀套2之间采用间隙密封，回转阀套2与壳体1之间采用间隙密封或密封圈密封，当采用密封圈密封时将回转阀套环形槽2-4两侧加工密封圈槽并装上密封圈2-3后安装进壳体1的内腔里；当采用间隙密封时则不需要加工密封圈槽，直接将回转阀套2安装进壳体1的内腔里。液压蓄能器的密封座圈4-6安装在壳体1内腔采用过盈配合，橡胶垫4-5采用硫化工艺贴合固定在密封座圈4-6上；蓄能活塞4-1与壳体1内腔为间隙配合，端盖4-4固定安装在壳体1一端的端面，储能活塞4-1与端盖4-4之间安装蓄能压缩弹簧4-2。传动齿轮5-1通过连接键5-3安装在齿轮轴5-2上，并通过轴肩和挡圈定位。齿轮轴5-2与壳体1内腔为间隙配合，其一端设有与十字滑块联轴器5-4的连接齿槽相匹配的连接齿5-5，通过十字滑块联轴器5-4将齿轮轴5-2和回转阀芯3相连接，使齿轮轴5-2能够带动回转阀芯3同步转动。在多缸内燃机中，齿轮轴5-2的两端都可以设置连接齿，从而可以连接两套独立的本发明的控油装置。

[0031] 如图1和图4所示，应用时将本发明连接在内燃机液压全可变气门系统中，传动齿轮5-1与配气凸轮轴N-2通过传动链连接，并使凸轮轴N-2与传动齿轮5-1的转速比为正整数N。齿条2-2由伺服电机或比例电磁铁控制，壳体上的高压油孔1-1与高压油道N-10连接，壳体上的低压油孔1-2与低压油道N-6连接。

[0032] 内燃机工作时，配气凸轮轴N-2通过传动链带动传动齿轮5-1转动，当回转阀芯径向油孔3-1转动到与回转阀套径向油孔2-5不连通时，该回转阀开关K处于关闭状态，凸轮N-1驱动挺柱N-3产生高压油液，高压油液推动液压活塞N-9克服气门弹簧N-7的阻力开启气门N-8；当回转阀芯径向油孔3-1转动到与回转阀套径向油孔2-5连通时，该回转阀开关K处于开启状态，高压油道N-10内的油液和内燃机润滑系统N-5内的油液相互连通，高压油液流出，气门N-8在气门弹簧N-7的作用下关闭。由于回转阀套2能够通过调节齿条2-2使之绕回转阀芯3转动，因此回转阀套径向油孔2-5的圆周位置是可调的。当四冲程内燃机处于工作状态时，若配气凸轮轴N-2与回转阀芯3的转速比N为1，这时回转阀套径向油孔2-5的数量为1，当回转阀套2顺着回转阀芯3转动的方向转过Φ1角时，回转阀芯径向油孔3-1与回转阀套径向油孔2-5连通的相位角将相应推迟2·Φ1度曲轴转角，即回转阀开关的开启和关闭时刻相应推迟2·Φ1度曲轴转角；同理，将回转阀套2逆着回转阀芯3转动的方向转过Φ2角时，回转阀芯径向油孔3-1与回转阀套径向油孔2-5连通的相位角将相应提前2·Φ2度曲轴转角，回转阀开关的开启和关闭时刻相应提前2·Φ2度曲轴转角。
由于Φ1或Φ2能在0°至180°内连续改变，因此该回转阀开关的开启和关闭相位角能在
0°至360°曲轴转角内连续可变。

[0033] 由于回转阀芯3和回转阀套2之间为精密的间隙密封配合，在通过传动齿轮5-1驱动时，齿轮轴5-2与回转阀芯3的安装同轴度要求很高，利用十字滑块联轴器5-4可以降低对同轴度的要求，从而简化制造工艺，降低成本。由于回转阀开关是间歇开启和关闭，造成蓄能腔内油压不稳定，利用蓄能器储存和释放液压压力能，能减小液压系统压力的波动。当蓄能腔内的油压高于气门开启压力时，油液推动蓄能活塞4-1压缩蓄能弹簧4-2，并通过泄油孔1-3流出，使低压系统内的油压保持在一定压力之内；当内燃机停机后，随着蓄能腔内油液的逐渐泄漏，油压逐渐降低，蓄能弹簧4-2伸长，最后将蓄能活塞4-1压在橡胶垫4-5上，防止油液进一步泄漏使气门液压驱动系统内进入空气，避免下一次内燃机起动过程不稳定。

[0034] 本发明的控油装置可根据内燃机的气缸数进行相应的匹配，形成适用于单缸及多缸内燃机的控油装置。对于两缸内燃机，在外壳1、回转阀套2和回转阀芯3上的两处不同的轴向位置，分别设置径向油孔和相应的环形槽，从而形成了两个独立的回转阀开关K。显然，这种具有两个回转阀开关的控油装置内仅有一套回转阀芯3和回转阀套2，且只用一套蓄能器和一套传动机构。同理，对于三缸内燃机，可以在控油装置内设置三套独立的回转阀开关K，形成适用于三缸内燃机的控油装置。对于四缸内燃机，则设置四套独立的回转阀开关K，依次类推。

[0035] 在图1中，若在齿轮轴5-2的两端都设有连接齿，则形成了一根齿轮轴5-2带动两套控油装置的结构，也能满足多缸内燃机的使用要求。因此，多缸内燃机也可以采用两套或两套以上的控油装置，用不同的组合方式满足其缸数匹配的要求。例如两缸内燃机可以采用一根齿轮轴5-2带动两套含有单一回转阀开关的控油装置；三缸内燃机可以采用齿轮轴5-2一端带动一套含有两个回转阀开关的控油装置，另一端带动一套含有单一回转阀开关的控油装置；四缸内燃机可以采用两套含有两个回转阀开关的控油装置；六缸内燃机可以采用两套含有三个回转阀开关的控油装置，或采用三套含有两个回转阀开关的控油装置。多缸内燃机采用多套控油装置时，为保证低压系统的油压稳定，其蓄能腔的油液应相互连通。

[0036] 因此，在全可变液压气门系统中，本发明的控油装置在液压驱动装置和低压系统之间具有开关阀的作用，其开启和关闭时刻（相位角）能在较大范围内随内燃机的运行工况任意调整。该装置还具有蓄能和密封的作用，且制造工艺简单，并通过不同的组合能够满足多缸内燃机的需求，匹配应用方便灵活。