具有缓冲功能的全可变电液气门系统
技术领域
本实用新型涉及发动机气门机构技术领域，尤其涉及一种具有缓冲功能的全可变电液气门系统。
背景技术
全可变气门机构(Fully Variable Valve System,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，该装置在应用中发现：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。而且，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。
实用新型内容
针对现有技术的上述不足，本实用新型提供一种具有缓冲功能的全可变电液气门系统，以减缓气门的落座速度，减小对气门和气门座的密封面造成的冲击损坏，提高使用寿命。
为解决上述技术问题，本实用新型如下技术方案：
一种具有缓冲功能的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，所述滑套相对于发动机固定，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；所述螺旋轴具有相对设置的第一端和第二端，所述第一端设置有螺旋面，所述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和齿条，所述控制齿轮设置于所述螺旋轴的第二端，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，所述进油孔和所述限位油孔分别与发动机的低压油路连通，在所述进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；所述滑套的活塞端部设置有阶梯孔结构，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，所述缓冲油孔通过节流装置与所述发动机的低压油路连通。
其中，所述螺旋轴设置有环形槽，所述环形槽开设有通油孔，所述通油孔连通所述环形槽和所述滑套腔，所述进油孔在所述螺旋轴的运动过程中时刻与所述环形槽保持连通；所述螺旋轴的螺旋面的头部设置有一个螺旋轴顶靠平面，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导向槽，所述第一定位销伸入所述导向槽内；所述限位油孔设置于在所述螺旋面碰到所述活塞顶靠平面之前就被所述螺旋轴封堵住的位置；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，所述气门组件的气门升程由所述凸轮轴控制。
其中，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的头部设置有另一个所述螺旋轴顶靠平面，所述螺旋面的根部交汇于所述螺旋轴轴向凸出部的根部；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螺旋轴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，所述滑套设置有第二定位销，所述第二定位销伸入所述环形槽内。
本实用新型采用上述技术方案后，其技术效果是：
1)本实用新型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限位油孔的开闭时刻，即可实现全可变气门机构的功能，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螺旋轴转动，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)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。
3)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，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。
附图说明
图1是本实用新型具有缓冲功能的全可变电液气门系统实施例的剖视图；
图2是图1所示实施例的当气门处于完全关闭状态、沿限位油孔中心与滑套中心组成的平面剖开时部分结构的剖视图；
图3是图2中A-A处的剖视图；
图4是图1中螺旋轴的立体结构示意图；
图5是图1中活塞的立体结构示意图；
图6是图1中螺旋轴与活塞的顶靠平面顶靠时的立体结构示意图；
图7是驱动图1所示实施例中螺旋轴的齿轮齿条机构的示意图；
图8是图1所示实施例的曲轴转角/气门升程曲线图；图中，101-凸轮轴，102-螺旋轴，102A-控制齿轮,102B-螺旋轴顶靠平面，102C-螺旋轴轴向凸出部，102D-环形槽,102E-螺旋面,102F-通油孔，103-滑套，104-复位弹簧，105-活塞，105A-活塞轴向凸出部，105B-活塞顶靠平面，105C-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,120-第二定位销，121-缓冲环，122-挡板，123-缓冲油孔，124-节流装置，G-螺旋面理论极限位置，P-活塞顶靠平面边缘点，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实用新型进一步说明。
如图1所示，一种具有缓冲功能的全可变电液气门系统，滑套103相对于发动机固定，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。滑套103开设有进油孔107和限位油孔118(图1中用虚线表示)；进油孔107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；限位油孔118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。
滑套103的活塞端部设置有阶梯孔结构，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122，缓冲环122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122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。
滑套103还开设有与缓冲腔R连通的缓冲油孔123，缓冲油孔123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。
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4和图7共同所示，螺旋轴102具有相对设置的第一端和第二端，所述第一端设置有螺旋面102E，螺旋面102E的头部设置有一个螺旋轴顶靠平面102B，所述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102A和齿条113，所述控制齿轮102A设置于螺旋轴102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102A与螺旋轴102的连接方式有两种，一种是固定连接，另一种是控制齿轮102A相对于螺旋轴102可沿轴向相对滑动但不能相对转动，例如键连接，不管采用哪种连接方式，其必须能够传递扭矩。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4所示，螺旋轴102设置有环形槽102D，环形槽102D开设有通油孔102F，通油孔102F连通环形槽102D和滑套腔Q，进油孔107在螺旋轴102的运动过程中时刻与环形槽102D保持连通。
如图4所示，为了在顶靠时受力更加均衡，在螺旋轴102的第一端还设置有螺旋轴轴向凸出部102C，螺旋轴轴向凸出部102C的头部设置有另一个所述螺旋轴顶靠平面102B，螺旋面102E的根部交汇于螺旋轴轴向凸出部102C的根部。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5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导向槽105C，第一定位销119伸入导向槽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只能沿导向槽105C轴向移动，而不能转动。
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。
本实用新型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，推动螺旋轴102转动，当螺旋轴顶靠平面102B脱离活塞顶靠平面105B后，由于螺旋轴102设置有螺旋面102E，转动螺旋轴102可以改变螺旋轴102封堵限位油孔118的相对位置，从而控制活塞105的行程，进而控制气门的升程大小。图8示出了气门升程与曲轴转角(相当于凸轮轴转角)的关系，最外侧的曲线表示的是螺旋轴顶靠平面102B顶靠活塞顶靠平面105B时，在仅受凸轮面控制的条件下的气门开启曲线，此时，气门升程最大。其内侧的曲线分别是通过转动螺旋轴102调整螺旋轴102封堵限位油孔118的时刻进而得到的不同气门开启曲线。
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。
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。
本实用新型中，限位油孔118与活塞顶靠平面105B的相对位置，决定了螺旋轴顶靠平面102B在脱离活塞顶靠平面105B后，能否在螺旋面102E碰到活塞顶靠平面105B前就将限位油孔118封堵住，且迅速有效。如图2和图3所示，螺旋面理论极限位置G(用双点划线表示)通过活塞顶靠平面边缘点P,实际运行中，螺线面102E的下行位置不得超过螺旋面理论极限位置G，否则会碰撞活塞顶靠平面105B，因此，限位油孔118在轴向上应位于螺旋面理论极限位置G的上方。在周向上，限位油孔118距离活塞顶靠平面边缘点P的距离也要尽量小，从而在螺旋轴顶靠平面102B脱离活塞顶靠平面105B后，转动尽量小的角度就可以使螺旋轴102发挥随着自身轴向移动封堵限位油孔118的作用。图3示出了在气门处于关闭状态时，限位油孔118位于活塞顶靠端面105B之上且靠近活塞顶靠平面边缘点P使用效果较好的例子，当然，限位油孔118的最佳位置，还需根据运动力学的分析获得，在此不做赘述。
本实用新型中，图7示出了一个齿条113同时与6个控制齿轮102A啮合的例子，每个控制齿轮102A对应一个气门组件，即应用于六缸发动机，本实用新型的构思可以扩展到4缸机或8缸机等，气缸的数量不受限制。
本实用新型中，控制齿轮102A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。
本实用新型中，滑套103设置有第二定位销120，所述第二定位销120伸入环形槽102D内,通过第二定位销120可限制螺旋轴102的轴向位移。
本实用新型不局限于上述实施例，一切基于本实用新型的构思、原理、结构及方法所做出的种种改进，都将落入本实用新型的保护范围之内。
