基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu),主要包含電位轉(zhuǎn)換器、行程放大器、充油裝置及氣門裝置等。理論上,基于單片機程序控制可以實現(xiàn)任何電壓信號型線的輸入,從而實現(xiàn)任何形狀的氣門升程曲線,因此,可以對氣門正時、氣門升程、氣門型線等各種氣門運動參數(shù)進行獨立靈活的控制。該發(fā)明應(yīng)用于進氣門時可實現(xiàn)內(nèi)燃機壓縮比的連續(xù)可變,應(yīng)用于排氣門時可以實現(xiàn)膨脹比的連續(xù)可變;通過壓縮比和膨脹比的優(yōu)化,可實現(xiàn)在降低壓縮功的同時增加膨脹功,提高內(nèi)燃機的熱效率。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)基于純機械式、液壓式、電磁式可變氣門機構(gòu)的固有缺陷,并具有控制獨立靈活、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等特點。
【專利說明】基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及內(nèi)燃機的配氣機構(gòu),尤其涉及一種壓電式無級可變氣門機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車保有量的急劇增加,由汽車帶來的環(huán)境問題和能源問題也日益嚴峻。各國相繼制定更嚴格的排放法規(guī),促進了內(nèi)燃機高效清潔燃燒技術(shù)的發(fā)展,而進排氣控制技術(shù)是實現(xiàn)高效清潔燃燒的基礎(chǔ)。內(nèi)燃機可變氣門正時和升程技術(shù)是實現(xiàn)進排氣相位控制的一種有效方法??勺儦忾T技術(shù)可以實現(xiàn)在不同工況下進氣慣性的最佳利用并降低排氣推出功損失,因此可以提高充量系數(shù),增加進氣量,實現(xiàn)更充分的燃燒,降低泵氣損失,提高動力性經(jīng)濟性的同時降低排放。
[0003]目前主要有純機械式、液壓式、電磁式等三種方法來實現(xiàn)可變氣門技術(shù)。純機械式可變氣門技術(shù)主要通過一系列的齒輪和凸輪來改變氣門的運動規(guī)律,其響應(yīng)速度快,性能可靠,但是噪聲較大,結(jié)構(gòu)不緊湊,無法實現(xiàn)氣門正時的連續(xù)可變以及氣門正時和升程的同時控制,因而不能滿足內(nèi)燃機所有工況的要求。液壓式可變氣門技術(shù)通過控制高低壓電磁閥的開啟與關(guān)閉,改變控制室內(nèi)的壓力,從而實現(xiàn)氣門定時及升程同時連續(xù)可變,而且可以改變氣門的運動速度,控制自由度大,但存在著控制延遲、響應(yīng)速度慢等問題,不適合精確的相位控制。電磁式可變氣門技術(shù)主要能過控制兩個電磁極的通電時間來實現(xiàn)氣門可變,其結(jié)構(gòu)簡單,可以同時實現(xiàn)配氣定時、最大升程和升程曲線的獨立控制,但是氣門落座時的沖擊較大,發(fā)動機的可靠性及氣門的壽命降低,能耗較高。因此,針對目前氣門可變技術(shù)的固有缺點,開發(fā)一種具有新型控制原理的可變氣門技術(shù)以實現(xiàn)氣門正時及升程的靈活獨立控制顯得尤為重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明提供一種基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu),采用壓電晶體控制方法實現(xiàn)了內(nèi)燃機氣門正時的靈活控制。主要應(yīng)用于對內(nèi)燃機配氣相位的控制、內(nèi)燃機壓縮比連續(xù)可調(diào)控制或內(nèi)部EGR率控制等領(lǐng)域。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明一種基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu)的技術(shù)方案是:該裝置包括氣門裝置、電位轉(zhuǎn)換器、行程放大器和充油裝置;所述氣門裝置包括氣門彈簧、中間體和小活塞;所述電位轉(zhuǎn)換器包括壓電晶體,所述壓電晶體的一端固定有承壓板,所述壓電晶體的另一端固定有頂板,所述壓電晶體上、且靠近頂板處設(shè)有接線柱,所述接線柱由兩根導線組成,分別連接在壓電晶體的兩個表面,產(chǎn)生逆壓電效應(yīng),所述接線柱與外部控制電壓信號線相連;所述行程放大器包括殼體,所述殼體的內(nèi)表面沿軸向依次包括大直徑的圓柱內(nèi)表面、圓錐內(nèi)表面和小直徑的圓柱內(nèi)表面,所述大直徑的圓柱內(nèi)表面中裝配有大活塞,所述大活塞與所述承壓板連接,所述小活塞裝配在所述小直徑的圓柱內(nèi)表面中,所述殼體內(nèi)由大活塞的下表面、圓錐內(nèi)表面和小活塞的上表面形成一圓錐形的行程放大腔,所述大活塞與小活塞的面積不相等,以實現(xiàn)行程放大;所述充油裝置包括設(shè)置在行程放大器的殼體上的一個液體入口和一個液體出口,所述液體入口和液體出口上均分別設(shè)有一限壓閥;所述限壓閥包括本體,所述本體上設(shè)有泄壓孔和調(diào)壓螺栓,所述本體的一端連接有密封球座,所述密封球座上設(shè)有進油孔,所述密封球座與所述調(diào)壓螺栓之間設(shè)有密封球和限壓彈簧;所述液體入口上的限壓閥按照限壓閥的進油孔朝外的方向來安裝,所述液體出口上的限壓閥按照限壓閥的進油孔朝內(nèi)的方向來安裝。
[0006]進一步講,所述行程放大腔內(nèi)充滿有不可壓縮的液體。位于行程放大器殼體液體入口處的限壓閥中的限壓彈簧的預(yù)緊力大于氣門彈簧在工作中的最大彈力;位于行程放大器殼體液體出口處的限壓閥中的限壓彈簧的預(yù)緊力能保證該限壓閥中的密封球與密封球座接觸密封即可。即:行程放大器液體入口的油壓可以通過安裝在其中的限壓閥的限壓彈簧的預(yù)緊力來控制,通過調(diào)節(jié)安裝在行程放大器液體出口中的限壓閥的限壓彈簧的預(yù)緊力來控制工作中最大油壓,以實現(xiàn)保護功能。
[0007]本發(fā)明壓電式無級可變氣門機構(gòu)主要采用壓電晶體的逆效應(yīng)原理以及行程放大原理實現(xiàn)氣門正時、升程和升程曲線的靈活控制。壓電晶體的逆效應(yīng)是指在壓電材料表面施加電場(電壓),因電場作用時電偶極矩會被拉長,壓電材料為抵抗變化,會沿電場方向伸長,電壓的連續(xù)變化會導致壓電材料長度的連續(xù)變化,是一個電能轉(zhuǎn)變成機械能的過程;行程放大的原理是指在一個充滿液體的密閉容器中,如果容器有兩個可移動的表面A和B,其面積分別為Al和A2,假設(shè)A表面移動距離為X1,在不可壓縮液體的作用下液體總體積的變
化為零,則表面B會產(chǎn)生一個相應(yīng)的位移X2,且x2 = Al/A2X1令行程放大系數(shù)K = A1/A2則表
面A的位移會在行程放大器的作用下放大K倍。
[0008]在本發(fā)明壓電式無級可變氣門機構(gòu)中,將電壓轉(zhuǎn)化成位移的功能由壓電晶體完成;將壓電晶體的位移進行放大的功能由行程放大腔實現(xiàn)。
[0009]根據(jù)壓電晶體的逆效應(yīng)原理,在接線柱上外接一定的電壓V,壓電晶體內(nèi)部會形成電場,則壓電晶體的長度會產(chǎn)生相應(yīng)的改變(縮短或升長),壓電晶體的位移最終會作用在行程放大腔上,通過形成放大腔對位移的放大作用,被放大的位移作用在氣門上,實現(xiàn)對氣門的控制;由壓電晶體通電時刻決定氣門開啟時刻,電壓的高低決定氣門升程的大小,電壓的變化速率決定氣門運動速度,通電時間長短決定氣門開啟持續(xù)期,因此,通過控制壓電晶體的電壓輸入,可以實現(xiàn)對氣門正時、氣門升程和氣門升程型線的獨立控制。
[0010]本發(fā)明可以接收任何電壓信號型線的輸入,從而實現(xiàn)任何形狀的氣門升程曲線,因此,可以對氣門正時、氣門升程、氣門型線等各種氣門運動參數(shù)進行獨立靈活的控制。該發(fā)明可以保證內(nèi)燃機在任何工況下都工作在最優(yōu)的氣門型線下,實現(xiàn)進排氣慣性的最佳利用,降低泵氣損失,改善內(nèi)燃機的經(jīng)濟性。該發(fā)明應(yīng)用于進氣門時可實現(xiàn)內(nèi)燃機壓縮比的連續(xù)可變,應(yīng)用于排氣門時可以實現(xiàn)膨脹比的連續(xù)可變;通過壓縮比和膨脹比的優(yōu)化,可實現(xiàn)在降低壓縮功的同時增加膨脹功,提高內(nèi)燃機的熱效率。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)基于純機械式、液壓式、電磁式可變氣門機構(gòu)的固有缺陷,并具有控制獨立靈活、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明壓電式無級可變氣門機構(gòu)的立體圖;[0012]圖2是圖1所示可變氣門機構(gòu)的主視圖;
[0013]圖3是圖1所示可變氣門機構(gòu)的主剖視圖;
[0014]圖4是圖1所示可變氣門機構(gòu)的右視圖;
[0015]圖5是圖1所示可變氣門機構(gòu)的右剖視圖;
[0016]圖6是圖1中所示壓電晶體的立體圖;
[0017]圖7是圖1中所示限壓閥的主剖視圖;
[0018]圖8是圖1中所示行程放大器的主剖視圖;
[0019]圖9是圖8所示行程放大器的俯視圖;
[0020]圖10是圖1中所示頂板的立體圖;
[0021]圖11是圖5中所示承壓板的立體圖。
[0022]圖中:
[0023]1-頂板2-接線柱3-壓電晶體
[0024]4、9_限壓閥 5-小活塞6-中間體
[0025]7-彈簧氣門8-行程放大器10-大活塞連接螺栓
[0026]11-頂板固定螺栓12-頂板連接螺栓13-承壓板
[0027]14-承壓體連接螺栓15-大活塞16-大活塞密封圈
[0028]17-小活塞密封圈30-挺柱31-挺柱連接孔
[0029]32-挺柱固定面33-壓電晶體固定面41-密封球座
[0030]42-密封球43-限壓彈簧44-本體
[0031]45-調(diào)壓螺栓46-泄壓孔47-進油孔
[0032]80-圓錐內(nèi)表面83-放大器螺栓孔84-液體入口
[0033]85-小直徑的圓柱內(nèi)表面 86-大活塞密封槽87-小活塞密封槽
[0034]88-大直徑的圓柱內(nèi)表面 89-液體出口101-頂板螺栓孔
[0035]102-頂板連接孔103-頂板固定面130-承壓板螺栓孔
[0036]131-承壓體連接孔132-承壓體固定面
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細地描述。
[0038]本發(fā)明基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu),包括氣門裝置、電位轉(zhuǎn)換器、行程放大器和充油裝置。
[0039]如圖1所示,所述氣門裝置包括氣門彈簧7、中間體6和小活塞5。
[0040]所述電位轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換成壓電晶體的位移信號,所述電位轉(zhuǎn)換器包括壓電晶體3,所述壓電晶體3的底端固定有承壓板13,所述壓電晶體3的頂端通過一挺柱30固定有頂板1,所述壓電晶體3上、且靠近頂板I處設(shè)有接線柱2,所述接線柱2與外部控制電壓信號線相連,如圖2和圖3所示,電位轉(zhuǎn)換器的頂端通過頂板連接螺栓12與頂板I連接成一體,所述頂板I與壓電晶體3之間依靠接觸面來定位,在壓電晶體3上設(shè)有平面(如可以通過銑偏形成)作為壓電晶體固定面33,在頂板I上設(shè)有頂板連接孔102,在頂板I的底面設(shè)有與壓電晶體3上的平面相對應(yīng)的頂板固定面103,用頂板連接螺栓12將頂板I固定在壓電晶體3的頂部,如圖3和圖10所示。[0041]所述壓電晶體3的底端通過承壓板連接螺栓14與承壓板13連接成一體,如圖3和圖5所示,所述承壓板13與所述挺柱30之間通過面接觸實現(xiàn)定位,如圖6所示,位于壓電晶體底端的挺柱30外表面上設(shè)有平面作為挺柱固定面32,挺柱30的端部設(shè)有挺柱連接孔31,如圖11所示,在所述承壓板13上設(shè)有承壓板連接孔131和承壓板螺栓孔130,所述承壓板13的頂部設(shè)有與挺柱30上的平面相對應(yīng)的承壓板固定面132,用承壓板連接螺栓
14將承壓板固定在壓電晶體3底端的挺柱30上,所述接線柱2與外部控制電壓信號線相連,由程序控制輸入電壓信號,可以實現(xiàn)任何輸入電壓信號型線,實現(xiàn)與之對應(yīng)的任何氣門升程型線。
[0042]所述行程放大器8的功能是將壓電晶體3的位移信號進行放大,并輸出到小活塞5上。所述行程放大器8包括殼體,所述殼體的內(nèi)表面沿軸向依次包括大直徑的圓柱內(nèi)表面、圓錐內(nèi)表面80和小直徑的圓柱內(nèi)表面85,所述大直徑的圓柱內(nèi)表面88中裝配有大活塞15,所述大活塞15與所述承壓板13通過連接,所述小活塞5裝配在所述小直徑的圓柱內(nèi)表面中,所述殼體內(nèi)由大活塞15的下表面、圓錐內(nèi)表面80和小活塞5的上表面形成一圓錐形的行程放大腔,所述行程放大器8的上端面設(shè)有放大器螺栓孔83,如圖8和圖9所示,所述頂板I上設(shè)有6個頂板螺栓孔101,通過6個頂板固定螺栓11 (穿過頂板螺栓孔101,并擰入放大器螺栓孔83)將所述頂板I與行程放大器8的殼體相連成一體,以實現(xiàn)壓電晶體的頂端位置相對行程放大器8的位置固定不變,如圖4所示。
[0043]所述充油裝置的功能是為裝配好的壓電式無級可變氣門機構(gòu)的行程放大腔中充入不可壓縮的液體(最好具有潤滑作用),并在液壓過大時,自動泄壓;所述充油裝置包括設(shè)置在行程放大器的殼體上的一個液體入口 84和一個液體出口 89,所述液體入口 84和液體出口 89上均分別設(shè)有結(jié)構(gòu)相同、安裝方向相反的限壓閥;如圖7所示,所述限壓閥包括本體44,所述本體44上設(shè)有泄壓孔46和調(diào)壓螺栓45,所述本體44的一端連接有密封球座41,所述密封球座41上設(shè)有進油孔47,所述密封球座41與所述調(diào)壓螺栓45之間設(shè)有密封球42和限壓彈簧43 ;所述液體入口 84上的限壓閥按照限壓閥的進油孔47朝外的方向來安裝,所述液體出口上的限壓閥按照限壓閥的進油孔47朝內(nèi)的方向來安裝,所述行程放大腔內(nèi)充滿有不可壓縮的液體,行程放大器是基于不可壓縮液體體積不變的原理實現(xiàn)位移放大這一功能,通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓45可以調(diào)節(jié)液體入口 84處限壓閥4的進口壓力和液體出口89處限壓閥9的出口壓力,從而控制行程放大腔中不可壓縮液體可承受的最大壓力;在位于行程放大器殼體液體入口處的限壓閥中的限壓彈簧43的預(yù)緊力大于氣門彈簧7在工作中的最大彈力;位于行程放大器殼體液體出口處的限壓閥中的限壓彈簧43的預(yù)緊力能保證該限壓閥中的密封球42與密封球座41接觸密封即可。如圖3、圖5和圖8所示,所述大活塞15通過大活塞連接螺栓10和承壓板螺栓孔130與大活塞15連接成一體;所述大活塞15的外回轉(zhuǎn)面與大直徑的圓柱內(nèi)表面88配合,并通過大活塞密封槽86中的大活塞密封圈16實現(xiàn)密封;所述小活塞5的外回轉(zhuǎn)表面與小直徑的圓柱內(nèi)表面85配合,并通過小活塞密封槽87中的小活塞密封圈17實現(xiàn)密封;所述大活塞15隨著壓電晶體3的長短變化在行程放大腔中上下運動,并通過行程放大腔內(nèi)的不可壓縮液體的傳遞作用,帶動小活塞5運動。當工作過程中,不可壓縮液體的最大壓力大于設(shè)定的最大出口壓力時,限壓閥9中密封球
42會開啟,不可壓縮液體的壓力降低,從而實現(xiàn)對機械裝置的過載保護作用。
[0044]圖3中所示,本發(fā)明基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu)中充入不可壓縮液體過程如下:
[0045]大活塞15與小活塞5之間形成的圓錐形空腔即為行程放大腔,行程放大腔內(nèi)必須充滿不可壓縮的液體才能實現(xiàn)行程放大的功能;行程放大腔兩側(cè)分別有限壓閥4和限壓閥9,限壓閥4為不可壓縮液體的入口,限壓閥9為不可壓縮液體的出口 ;限壓閥9中限壓彈簧
43的預(yù)緊力必須大于氣門彈簧在工作中的最大彈力,限壓閥4中限壓彈簧的預(yù)緊力只要能保證密封球能與密封球座接觸密封即可。裝配好各零部件,調(diào)節(jié)調(diào)壓螺栓45使得限壓閥4和限壓閥9中彈簧預(yù)緊力滿足要求,從限壓閥4充入不可壓縮液體,充滿整個行程放大腔,則充入不可壓縮液體的過程結(jié)束。
[0046]本發(fā)明基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu)的工作過程如下:
[0047]在圖1中,根據(jù)氣門控制的需要,在接線柱2上輸入對應(yīng)的電壓控制信號,壓電晶體3根據(jù)電壓的大小產(chǎn)生相應(yīng)的位移X,在圖3中,壓電晶體3最終使大活塞15產(chǎn)生位移X,大活塞15通過擠壓行程放大腔中的不可壓縮液體,使得小活塞5的位移為Kx (K為行程放大器的放大系數(shù)),小活塞5帶動氣門運動,使得氣門位移為Kx,從而通過控制電壓信號的大小控制氣門的升程。
[0048]特定的氣門升程型線對應(yīng)著特定的電壓信號型線;氣門開啟時刻與電壓信號輸入時刻對應(yīng);氣門關(guān)閉時刻與電壓信號變?yōu)榱愕臅r刻對應(yīng);氣門開啟持續(xù)期與電壓信號持續(xù)時間對應(yīng);氣門開啟或關(guān)閉速度與電壓信號變化速度對應(yīng);氣門最大升程與輸入電壓信號的最大值對應(yīng)。
[0049]輸入電壓信號可以通過程序控制,因而可以實現(xiàn)任何電壓信號型線的輸入,理論上可以得到任何形狀的氣門升程型線,即實現(xiàn)氣門正時、氣門升程、氣門型線的獨立靈活控制。
[0050]盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述,但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】,上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的,而不是限制性的,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下,還可以作出很多變形,這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu),包括氣門裝置,所述氣門裝置包括氣門彈簧(7)、中間體(6)和小活塞(5),其特征在于, 該機構(gòu)還包括電位轉(zhuǎn)換器、行程放大器和充油裝置; 所述電位轉(zhuǎn)換器包括壓電晶體(3),所述壓電晶體(3)的一端固定有承壓板(13),所述壓電晶體(3)的另一端固定有頂板(1),所述壓電晶體(3)上、且靠近頂板(I)處設(shè)有接線柱(2),所述接線柱(2)與外部控制電壓信號線相連; 所述行程放大器(8)包括殼體,所述殼體的內(nèi)表面沿軸向依次包括大直徑的圓柱內(nèi)表面、圓錐內(nèi)表面(80)和小直徑的圓柱內(nèi)表面,所述大直徑的圓柱內(nèi)表面中裝配有大活塞(15),所述大活塞(15)與所述承壓板(13)連接,所述小活塞(5)裝配在所述小直徑的圓柱內(nèi)表面中,所述殼體內(nèi)由大活塞(15)的下表面、圓錐內(nèi)表面(80)和小活塞(5)的上表面形成一圓錐形的行程放大腔; 所述充油裝置包括設(shè)置在行程放大器的殼體上的一個液體入口和一個液體出口,所述液體入口和液體出口上均分別設(shè)有一限壓閥;所述限壓閥包括本體(44),所述本體(44)上設(shè)有泄壓孔(46 )和調(diào)壓螺栓(45 ),所述本體(44 )的一端連接有密封球座(41 ),所述密封球座(41)上設(shè)有進油孔(47),所述密封球座(41)與所述調(diào)壓螺栓(45)之間設(shè)有密封球(42)和限壓彈簧(43);所述液體入口上的限壓閥按照限壓閥的進油孔(47)朝外的方向來安裝,所述液體出口上的限壓閥按照限壓閥的進油孔(47)朝內(nèi)的方向來安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu),其特征在于,所述行程放大腔內(nèi)充滿有不可壓縮的液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu),其特征在于,位于行程放大器殼體液體入口處的限壓閥中的限壓彈簧(43)的預(yù)緊力大于氣門彈簧(7)在工作中的最大彈力;位于行程放大器殼體液體出口處的限壓閥中的限壓彈簧(43)的預(yù)緊力能保證該限壓閥中的密封球(42)與密封球座(41)接觸密封即可。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電式無級可變氣門機構(gòu),其特征在于,所述頂板(I)通過6個頂板固定螺栓(11)與行程放大器(8)的殼體相連。
【文檔編號】F01L13/00GK103953415SQ201410137994
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】堯命發(fā), 李永志, 鄭尊清, 劉海峰, 張翔宇, 劉佳林, 郭銀飛, 閆博文, 毛斌 申請人:天津大學