本發(fā)明涉及了可變配氣結(jié)構(gòu),尤其是涉及了一種高速大流量氣動先導(dǎo)式可變配氣結(jié)構(gòu),可用作氣動發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu),或適用于其它對進(jìn)氣過程具有高壓大流量精確控制要求的工作環(huán)境。
背景技術(shù):
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的提高,作為我國支柱產(chǎn)業(yè)之一的汽車工業(yè)正以前所未有的速度迅速的發(fā)展壯大。我國汽車保有量增長迅速,汽車行業(yè)的能源壓力和環(huán)保壓力也日漸增大。車用燃料是汽車工業(yè)的血液。目前,汽車燃料仍主要是以石油產(chǎn)品中的汽油、柴油為主。內(nèi)燃機(jī)汽車消耗大量石油、天然氣等寶貴不可再生的化石資源,是大家公認(rèn)的耗能大戶。尤其是隨著汽車保有量的急劇增加,化石燃料被大量消耗,這就造成石油產(chǎn)品供需矛盾日漸嚴(yán)重。各國汽車生產(chǎn)廠商以及相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)在致力于提高內(nèi)燃機(jī)性能以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的同時,也把更多的精力投入到新一代不使用或較少使用石油等礦物質(zhì)燃料、超低排放、清潔節(jié)能的新型汽車的研發(fā)當(dāng)中,汽車發(fā)動機(jī)對節(jié)能環(huán)保的替代能源的需求日漸迫切。其中配氣機(jī)構(gòu)是氣動發(fā)動機(jī)的核心組成部分,直接影響氣動發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、能量轉(zhuǎn)化效率和耗氣量。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不同,氣動發(fā)動機(jī)在實(shí)際工作時缸內(nèi)壓力低于進(jìn)氣道壓力,在缸內(nèi)外壓差的作用下,氣門表面始終承受很大的背壓,當(dāng)壓力超過氣門彈簧的預(yù)緊力時,氣門將在進(jìn)氣道壓力的作用下被頂開,造成密封失效、進(jìn)氣泄露,從而影響整機(jī)的工作效率。另一方面配氣相位是影響氣動發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù),而在傳統(tǒng)凸輪式配氣機(jī)構(gòu)當(dāng)中,配氣相位的調(diào)節(jié)受制于凸輪線型,很多時候沒有辦法調(diào)節(jié)到最佳值,所以急需本發(fā)明這種可變相位配氣機(jī)構(gòu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了克服現(xiàn)有傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)無法滿足在高壓環(huán)境下正常完成配氣工作,并且無法為氣動發(fā)動機(jī)提供最佳的配氣相位,本發(fā)明提供了一種高速大流量氣動先導(dǎo)式可變配氣結(jié)構(gòu),可以作為氣動發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu),或者應(yīng)用于其它對進(jìn)氣過程具有高壓大流量精確控制要求的工作環(huán)境,以解決傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)的諸多不足。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明包括閥體、閥芯、限位套筒、彈簧和閥蓋,閥體兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱,且兩側(cè)內(nèi)部開有結(jié)構(gòu)相同的兩個內(nèi)腔,兩個內(nèi)腔分別用于進(jìn)氣和出氣,兩個內(nèi)腔中均裝有閥芯、限位套筒和彈簧,閥體頂端安裝閥蓋,閥蓋頂端與高速開關(guān)閥連接,閥體底端連接氣缸。
所述閥體一側(cè)結(jié)構(gòu)的頂端、底端和側(cè)壁均開有盲孔,頂端和底端的盲孔同軸布置且通過第一臺階通孔相連通,底端和側(cè)壁端的盲孔之間通過第二臺階通孔相連通,底端盲孔的孔端面邊緣開有進(jìn)/排氣門墊圈槽,進(jìn)/排氣門墊圈槽安裝有墊圈;頂端盲孔上部側(cè)方的閥體側(cè)壁開有定位孔;
所述的閥芯包括從上到下依次同軸固定連接的動力活塞、平衡活塞和氣門;動力活塞和平衡活塞之間、動力活塞和氣門之間分別通過上軸和下軸固定連接,動力活塞通過密封墊和壓緊螺母連接在上軸頂端,動力活塞和平衡活塞的側(cè)周面分別開有動力活塞密封圈槽、平衡活塞密封圈槽;動力活塞和平衡活塞分別置于閥體頂端和底端的盲孔中,氣門位于底端盲孔的孔端面處附近;
上軸穿設(shè)第一臺階通孔并通過活塞桿密封圈密封連接,動力活塞密封圈槽內(nèi)安裝有動力活塞密封圈,動力活塞通過動力活塞密封圈和頂端盲孔的側(cè)壁之間密封連接;平衡活塞密封圈槽內(nèi)安裝有平衡活塞密封圈,平衡活塞通過平衡活塞密封圈和底端盲孔的側(cè)壁之間密封連接;動力活塞下方的頂端盲孔內(nèi)裝有限位套筒,限位套筒和動力活塞之間的上軸套有彈簧,彈簧兩端分別連接到動力活塞底面和限位套筒內(nèi)底面。
所述閥體的內(nèi)腔包括位于上部的控制腔和位于下部的主腔,頂端盲孔作為控制腔,底端盲孔作為主腔,側(cè)壁端盲孔作為主進(jìn)/排氣口,主進(jìn)/排氣口連接氣源;平衡活塞將控制腔分為位于平衡活塞上方的先導(dǎo)腔和位于平衡活塞下方的彈簧腔,動力活塞將主腔分為位于動力活塞上方的連通氣腔和位于動力活塞下方的主進(jìn)/出氣腔,從而使得平衡活塞下表面和氣門上表面受到高壓氣體壓力相等。
先導(dǎo)腔位于動力活塞上部,介于動力活塞與高速開關(guān)閥出氣端之間。彈簧腔位于動力活塞下部,介于動力活塞與主腔之間,并設(shè)有彈簧和限位套筒。主腔位于彈簧腔和連通氣道下方,連接主進(jìn)排氣口和氣缸。
閥體兩側(cè)分為進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè),通過高速開關(guān)閥向進(jìn)/排氣側(cè)的先導(dǎo)腔充高壓氣體,高壓氣體推動進(jìn)/排氣側(cè)的閥芯向下移動,進(jìn)/排氣側(cè)的氣門和主進(jìn)/排氣腔的端口之間分離,使得主進(jìn)/排氣口和氣缸內(nèi)的氣體連通而實(shí)現(xiàn)進(jìn)/排氣。
所述閥體底端盲孔上部的側(cè)方設(shè)有連通氣道,主腔上部經(jīng)連通氣道連通到閥體底端端面中央,通過連通氣道使平衡活塞上表面和氣門下表面所受高壓氣體壓力相等。
所述的限位套筒位于彈簧腔內(nèi),套在彈簧外部,限位套筒直徑和動力活塞直徑相同,從而限制動力活塞和氣門的向下移動行程。
所述的閥蓋上開有用于將頂端盲孔和高速開關(guān)閥相連通的通孔,通孔直徑小于閥體的頂端盲孔的直徑,從而限制動力活塞向上移動行程。
所述的閥蓋底端端面開有閥蓋密封圈槽,閥蓋密封圈槽內(nèi)設(shè)有過閥蓋密封圈,閥蓋底端通過閥蓋密封圈和閥體頂端端面之間密封連接。
本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明中的配氣機(jī)構(gòu)取消了統(tǒng)發(fā)動機(jī)氣門機(jī)構(gòu)中的凸輪軸極其從動件,而以電氣的方式直接驅(qū)動氣門。以高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)閥,控制先導(dǎo)高壓氣體流入先導(dǎo)腔,以高壓氣體的壓力控制主閥,實(shí)現(xiàn)氣門的開閉。高速開關(guān)電磁閥,以電信號的形式實(shí)現(xiàn)控制,突破了傳統(tǒng)凸輪式驅(qū)動頂桿機(jī)械結(jié)構(gòu)控制,與目前市場上的基于凸輪結(jié)構(gòu)的可變配氣機(jī)構(gòu)不同。
2、現(xiàn)有技術(shù)中的可變配氣機(jī)構(gòu)主要通過切換凸輪,改變凸輪偏心距或其它方法來改變氣門正時,但此類方法在根本上都受制于凸輪線型,只能實(shí)現(xiàn)小范圍或不連續(xù)的氣門正時調(diào)節(jié)。而本發(fā)明中采用電信號控制替代了傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制,可以實(shí)現(xiàn)更加靈活自由的大范圍連續(xù)的氣門正時調(diào)節(jié)。
3、現(xiàn)有技術(shù)以單一的電磁閥作為配氣機(jī)構(gòu),無法同時滿足高頻響要求、大升程大流量要求。本發(fā)明以電磁先導(dǎo)驅(qū)動力,以氣動作為主驅(qū)動力,能夠彌補(bǔ)配氣機(jī)構(gòu)以單一電磁驅(qū)動的不足,在實(shí)現(xiàn)氣門正時連續(xù)可調(diào)的同時,滿足頻響、升程、流量等要求。
4、本發(fā)明設(shè)置了平衡活塞和連通氣道的設(shè)計,通過平衡活塞和連通氣道的設(shè)置,使平衡活塞下表面和氣門上表面承受等大反向的氣道壓力,平衡了在氣門關(guān)閉時進(jìn)氣道氣體作用在氣門上表面的壓力,從而消除了進(jìn)氣道壓力對氣門密封產(chǎn)生的不利影響,平衡氣門開啟后閥芯整體的作用力,降低對先導(dǎo)進(jìn)氣壓力的要求。
附圖說明
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的主剖視圖,左半視圖為圖4的a-a剖面處,右半視圖為圖4的b-b剖面處,;
圖2為本發(fā)明閥體的結(jié)構(gòu)主剖視圖,;
圖3為本發(fā)明閥芯的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本發(fā)明閥體的側(cè)視圖。
圖中:閥體1、墊圈2、閥芯3、平衡活塞密封圈4、活塞桿密封圈5、限位套筒6、彈簧7、動力活塞密封圈9、密封墊10、壓緊螺母11、閥蓋12、閥蓋密封圈13;進(jìn)氣門墊圈槽101、進(jìn)氣主腔102、主進(jìn)氣口103、連通氣道104、進(jìn)氣端彈簧腔105、定位孔106、進(jìn)氣端先導(dǎo)腔107、閥蓋密封圈槽108、進(jìn)氣端先導(dǎo)進(jìn)氣口109、排氣端先導(dǎo)進(jìn)氣口110、排氣端先導(dǎo)腔111、排氣端彈簧腔112、主排氣口113、排氣主腔114、排氣門墊圈槽115、第一臺階通孔116、第二臺階通孔117;氣門301、平衡活塞302、動力活塞303、動力活塞密封圈槽304、平衡活塞密封圈槽305、上軸306、下軸307。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
如圖1所示,本發(fā)明包括閥體1、閥芯3、限位套筒6、彈簧7和閥蓋12,閥體1兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱,且兩側(cè)內(nèi)部開有結(jié)構(gòu)相同的兩個內(nèi)腔,兩個內(nèi)腔分別用于進(jìn)氣和出氣,兩個內(nèi)腔中均裝有閥芯3、限位套筒6和彈簧7,閥體1頂端安裝閥蓋12,閥蓋12頂端與高速開關(guān)閥連接,閥體1底端連接氣缸。
如圖2所示,閥體1一側(cè)結(jié)構(gòu)的頂端、底端和側(cè)壁均開有盲孔,頂端和底端的盲孔同軸布置且通過直徑小于盲孔的豎直的第一臺階通孔116相連通,底端和側(cè)壁端的盲孔之間通過直徑小于盲孔的水平的第二臺階通孔117相連通,底端盲孔的孔端面邊緣開有進(jìn)/排氣門墊圈槽101、115,進(jìn)/排氣門墊圈槽101、115安裝有墊圈2;頂端盲孔上部側(cè)方的閥體1側(cè)壁開有用于定位安裝螺栓的定位孔6,螺栓用于將限位套筒6夾緊使得限位套筒6在頂端盲孔內(nèi)軸向固定。
圖2中左側(cè)為進(jìn)氣側(cè),左側(cè)結(jié)構(gòu)是進(jìn)氣結(jié)構(gòu),包括位于上部的由頂端盲孔形成的控制腔和位于下部的由頂端盲孔形成的主腔以及由側(cè)壁端盲孔形成的主進(jìn)氣口103,平衡活塞302將控制腔分為位于平衡活塞302上方的進(jìn)氣端先導(dǎo)腔107和位于平衡活塞302下方的進(jìn)氣端彈簧腔105,動力活塞303將主腔分為位于動力活塞303上方的進(jìn)氣連通氣腔和位于動力活塞303下方的進(jìn)氣主腔102;進(jìn)氣端先導(dǎo)腔107上端為用于進(jìn)氣的進(jìn)氣端先導(dǎo)進(jìn)氣口109,進(jìn)氣端先導(dǎo)進(jìn)氣口109與高速開關(guān)閥出氣端連通。
進(jìn)氣側(cè)通過高速開關(guān)閥向進(jìn)氣側(cè)的先導(dǎo)腔充高壓氣體,高壓氣體推動進(jìn)氣側(cè)的閥芯向下移動,進(jìn)/排氣側(cè)的氣門和主進(jìn)氣腔的端口之間分離,使得主進(jìn)氣口和氣缸內(nèi)的氣體連通而實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣。
圖2中右側(cè)為排氣側(cè),右側(cè)結(jié)構(gòu)是進(jìn)氣結(jié)構(gòu),包括位于上部的由頂端盲孔形成的控制腔和位于下部的由頂端盲孔形成的主腔以及由側(cè)壁端盲孔形成的主排氣口113,平衡活塞302將控制腔分為位于平衡活塞302上方的排氣端先導(dǎo)腔111和位于平衡活塞302下方的排氣端彈簧腔112,動力活塞303將主腔分為位于動力活塞303上方的排氣連通氣腔和位于動力活塞303下方的排氣主腔114;排氣端先導(dǎo)腔111上端為用于排氣的排氣端先導(dǎo)進(jìn)氣口110,排氣端先導(dǎo)進(jìn)氣口110與高速開關(guān)閥進(jìn)氣端連通。
排氣側(cè)通過高速開關(guān)閥向排氣側(cè)的先導(dǎo)腔充高壓氣體,高壓氣體推動排氣側(cè)的閥芯向下移動,排氣側(cè)的氣門和主排氣腔的端口之間分離,使得主排氣口和氣缸內(nèi)的氣體連通而實(shí)現(xiàn)排氣。
閥體1底端盲孔上部的側(cè)方設(shè)有連通氣道104,如圖4所示,連通氣道104處于偏心位置,底端盲孔上部經(jīng)連通氣道104連通到閥體1底端,即使得主腔上部經(jīng)連通氣道104連通到閥體1底端端面中央,通過連通氣道104使平衡活塞302上表面和氣門301下表面所受高壓氣體壓力相等。限位套筒6位于彈簧腔內(nèi),套在彈簧7外部,限位套筒6直徑和動力活塞303直徑相同,從而限制動力活塞303和氣門301的向下移動行程。
進(jìn)氣主腔102和排氣主腔114下端均與氣缸連接相通,進(jìn)氣連通氣腔和排氣連通氣腔均經(jīng)連通氣道104連通到一起后通過閥體1底端中央的孔也與氣缸連接相通。
如圖3所示,閥芯3包括從上到下依次同軸固定連接的動力活塞303、平衡活塞302和氣門301;動力活塞303和平衡活塞302之間、動力活塞303和氣門301之間分別通過上軸306和下軸306固定連接,動力活塞303通過密封墊10和壓緊螺母11連接在上軸306頂端,動力活塞303和平衡活塞302的側(cè)周面分別開有動力活塞密封圈槽304、平衡活塞密封圈槽305;動力活塞303和平衡活塞302分別置于閥體1頂端和底端的盲孔中,氣門301位于底端盲孔的孔端面處附近。
上軸306穿設(shè)第一臺階通孔116并通過活塞桿密封圈5密封連接,動力活塞密封圈槽304內(nèi)安裝有動力活塞密封圈9,動力活塞303通過動力活塞密封圈9和頂端盲孔的側(cè)壁之間密封連接;平衡活塞密封圈槽305內(nèi)安裝有平衡活塞密封圈4,平衡活塞302通過平衡活塞密封圈4和底端盲孔的側(cè)壁之間密封連接;動力活塞303下方的頂端盲孔內(nèi)裝有限位套筒6,限位套筒6和動力活塞303之間的上軸306套有彈簧7,彈簧7兩端分別連接到動力活塞303底面和限位套筒6內(nèi)底面。
閥蓋12上開有用于將頂端盲孔和高速開關(guān)閥相連通的通孔,通孔直徑小于閥體的頂端盲孔的直徑,從而限制動力活塞303向上移動行程。高速開關(guān)閥出氣端經(jīng)閥蓋12的通孔和閥體的頂端盲孔相連通。閥蓋12底端端面開有閥蓋密封圈槽108,閥蓋密封圈槽108內(nèi)設(shè)有過閥蓋密封圈13,閥蓋12底端通過閥蓋密封圈13和閥體1頂端端面之間密封連接。
本發(fā)明的工作過程為:
進(jìn)氣階段,氣門未開啟時,氣門在彈簧力作用下壓緊在閥體的底端,閥蓋上安裝氣動快插接頭,連接高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)閥,進(jìn)氣端先導(dǎo)閥打開,高壓氣體進(jìn)入配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣端的先導(dǎo)腔,高壓氣體推動動力活塞向下運(yùn)動,進(jìn)氣端氣門打開,高壓氣體由主進(jìn)氣口流經(jīng)主進(jìn)氣腔,進(jìn)入氣缸。
在氣門打開后,氣門上下表面壓差迅速下降,作用在平衡活塞下表面壓力的影響增大并使氣門產(chǎn)生向上關(guān)閉的運(yùn)動趨勢,但通過在閥體中心設(shè)置的平衡氣道,將氣動發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣體與平衡活塞上腔連通,使平衡活塞上表面與氣門下表面重新達(dá)到壓力平衡,從而可以平衡氣門開啟后閥芯整體的作用力,降低對先導(dǎo)進(jìn)氣壓力的要求。
進(jìn)氣門開啟持續(xù)一段時間后,依據(jù)氣門正時控制,進(jìn)氣端先導(dǎo)閥關(guān)閉,先導(dǎo)腔排氣,彈簧腔內(nèi)的復(fù)位彈簧推動動力活塞向上運(yùn)動,進(jìn)氣門關(guān)閉,進(jìn)氣階段完成。
高壓氣體在氣缸完成工作循環(huán),進(jìn)入排氣階段,排氣端先導(dǎo)閥打開,高壓氣體進(jìn)入排氣端的先導(dǎo)腔,高壓氣體推動動力活塞向下運(yùn)動,排氣端氣門打開,氣缸內(nèi)的高壓氣體經(jīng)由主排氣腔,從主排氣口流出。
排氣門持續(xù)打開一段時間后,依據(jù)氣門正時控制,排氣端先導(dǎo)閥關(guān)閉,排氣端先導(dǎo)腔排氣,復(fù)位彈簧推動動力活塞向上運(yùn)動,排氣門關(guān)閉,排氣階段完成。
本實(shí)施例中氣門完成一次啟閉的最短時間小于10ms,最大升程可達(dá)8mm,具有較高的頻響特性和升程,同時配氣機(jī)構(gòu)還滿足大流量的供氣需求,還填補(bǔ)了此類配氣機(jī)構(gòu)的市場空白。
由此可見,本發(fā)明的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單易于控制,降低了高壓氣體對活塞運(yùn)動的影響,能夠克服傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)無法在高壓氣體環(huán)境下維持工作的缺陷;采用高速開關(guān)電磁閥控制配氣機(jī)構(gòu)先導(dǎo)腔驅(qū)動進(jìn)排氣門,消除了凸輪驅(qū)動的線型約束,實(shí)現(xiàn)配氣相位靈活連續(xù)可變;并且能有效使氣動發(fā)動機(jī)減少高壓氣體損失,提高能量轉(zhuǎn)化效率,具有其突出顯著的技術(shù)效果。