發動機的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及車輛發動機領域，提供了一種發動機，包括進氣凸輪軸和氣缸，該氣缸上對應設置有第一、第二進氣門，進氣凸輪軸上對應形成有第一、第二凸輪，第一凸輪包括沿軸向疊置的相同的凸輪A和凸輪B，凸輪A與第二凸輪在進氣凸輪軸上的安裝相位相同，凸輪B與凸輪A在進氣凸輪軸的圓周方向上錯開安裝并形成有錯開相位角，發動機還包括凸輪切換機構，用于切換凸輪A或凸輪B以連接驅動第一進氣門。本實用新型的發動機可實現奧托循環和阿特金森循環的切換，可提高發動機熱效率。相較于傳統的阿特金森發動機，進氣相位更大，進氣量更大。可將阿特金森循環技術應用于渦輪增壓發動機上，進一步提升發動機效率。
【專利說明】
發動機
技術領域
[0001]本實用新型涉及車輛發動機技術領域，具體地，涉及到發動機的進氣凸輪軸結構。
【背景技術】
[0002]隨著油耗排放法規越來越嚴格以及新能源動力的崛起，傳統的奧托循環汽油機(壓縮比=膨脹比)已經越來越難提高熱效率。傳統奧托循環發動機壓縮行程=做功行程，熱效率一般低于阿特金森發動機10%左右，因此阿特金森循環(壓縮比< 膨脹比)發動機能夠有效提高發動機的熱效率，已經成為了一個主要的研究方向并越來越多的應用到整車尤其是混合動力車型上。
[0003]目前常用的阿特金森循環發動機的實現方法通常有兩種，一種是豐田的廣角VVT系統，一種是奧迪的AVS系統。前者是通過將凸輪軸的進氣相位推遲，實現進氣門晚關，在活塞從下止點運動到上止點的過程中關閉氣門，從而將一部氣體推出去，使得發動機的實際壓縮行程<做功行程;后者是通過進氣門早關，在活塞進氣沖程結束前關閉氣門，使得發動機的實際壓縮行程<做功行程。
[0004]但阿特金森循環多用在自然吸氣發動機上，難以應用在渦輪增壓發動機上。而且無論是采用VVT系統或AVS系統實現的阿特金森循環發動機，由于進氣相位后移，造成進氣提前角減小，加上原本阿特金森循環進氣量就少，造成阿特金森循環發動機的功率小于同排量的奧托循環的發動機。
【實用新型內容】
[0005]針對現有技術中的上述不足或缺陷，本實用新型旨在提出一種發動機，能夠切換于不同的發動機工作循環下，適應不同工況或適時結合渦輪增壓器使用，以提高發動機熱效率。
[0006]為實現上述目的，本實用新型提供了一種發動機，包括進氣凸輪軸和氣缸，該氣缸上對應設置有第一進氣門和第二進氣門，所述進氣凸輪軸上形成有用于連接驅動所述第一進氣門的第一凸輪和用于連接驅動所述第二進氣門的第二凸輪，所述第一凸輪包括沿所述進氣凸輪軸的軸向疊置的相同的凸輪A和凸輪B，所述凸輪A與第二凸輪在所述進氣凸輪軸上的安裝相位相同，且所述凸輪B與凸輪A在所述進氣凸輪軸的圓周方向上錯開安裝并形成有錯開相位角，所述發動機還包括凸輪切換機構，該凸輪切換機構用于切換所述凸輪A或凸輪B以連接驅動所述第一進氣門。
[0007]優選地，所述凸輪A連接驅動所述第一進氣門且所述第二凸輪連接驅動所述第二進氣門時，所述發動機實現奧托循環;所述凸輪B連接驅動所述第一進氣門且所述第二凸輪連接驅動所述第二進氣門時，所述發動機實現阿特金森循環。
[0008]優選地，所述凸輪B連接驅動所述第一進氣門且所述第二凸輪連接驅動所述第二進氣門時，在所述氣缸的進氣沖程中，所述第一進氣門的開啟晚于所述第二進氣門，并且在所述氣缸的壓縮沖程中，所述第一進氣門的關閉晚于所述第二進氣門。
[0009]優選地，所述發動機還包括發動機控制系統，所述發動機控制系統控制所述發動機下運行于冷啟動階段、中低負荷運行階段或高負荷運行階段；
[0010]其中，所述發動機控制系統配置為通過控制所述凸輪切換機構，使得在所述冷啟動階段和高負荷運行階段，所述發動機實現奧托循環，在所述中低負荷運行階段，所述發動機實現阿特金森循環。
[0011 ]優選地，所述發動機包括渦輪增壓器，所述發動機實現奧托循環時，所述發動機控制系統能夠控制啟動所述渦輪增壓器。
[0012]優選地，所述錯開相位角不大于45°。
[0013]優選地，所述凸輪切換機構包括形成在所述進氣凸輪軸的外周面上的螺旋溝槽和能夠驅動滑塊伸入或伸出所述螺旋溝槽的電磁閥驅動器；
[0014]其中，所述電磁閥驅動器驅動所述滑塊伸入所述螺旋溝槽時，所述進氣凸輪軸的自旋轉帶動所述滑塊沿所述螺旋溝槽滑移，從而使所述進氣凸輪軸產生軸向位移以切換所述凸輪A或凸輪B。
[0015]優選地，所述進氣凸輪軸的最大軸向位移量大于所述凸輪A或凸輪B的軸向厚度且小于所述第二凸輪的軸向厚度。
[0016]優選地，所述凸輪A和凸輪B的軸向厚度相同且均為所述第二凸輪的軸向厚度的一半。
[0017]優選地，所述第一凸輪和第二凸輪沿所述進氣凸輪軸的軸向間隔設置，且所述凸輪A、凸輪B和第二凸輪的外輪廓線相同。
[0018]在上述技術方案中，由于驅動第一進氣門的凸輪B或凸輪A在進氣凸輪軸的圓周方向上錯開安裝，驅動第二進氣門的第二凸輪與凸輪A的安裝相位相同，而且增設了凸輪切換機構，其能夠切換凸輪A或凸輪B以連接驅動第一進氣門，從而能夠實現氣缸的兩個氣門的配氣相位相同或存在配氣相位差，即發動機可切換工作于奧托循環或阿特金森循環。這樣就使用一種新方式實現了阿特金森循環，可提高發動機熱效率，并可將阿特金森循環技術應用于增壓發動機上；由于并未改變發動機進氣提前角同時實現了第一進氣門晚關，從而提高了阿特金森循環發動機的功率。
[0019]本實用新型的其它特征和優點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【附圖說明】
[0020]構成本實用新型的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中:
[0021]圖1為根據本實用新型的優選實施方式的發動機中的進氣凸輪軸的局部的主視圖；
[0022]圖2為圖1中包括第一凸輪和螺旋溝槽的進氣凸輪軸部分的立體圖；
[0023]圖3為疊置的凸輪A和凸輪B的平面示圖，其中示出了錯開相位角a;
[0024]圖4為發動機實現奧托循環時的配氣相位的曲線圖；
[0025]圖5為發動機實現阿特金森循環時的配氣相位的曲線圖。
[0026]附圖標記說明:
[0027]I進氣凸輪軸2電磁閥驅動器
[0028]11凸輪A12凸輪B
[0029]13第二凸輪14螺旋溝槽
[0030]21滑塊a錯開相位角
【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限制本實用新型。
[0032]需要說明的是，在不沖突的情況下，本實用新型中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0033]下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本實用新型。
[0034]首先有必要說明的是，根據發動機的氣缸的不同工作模式，現有的發動機通常可分為奧托循環發動機和阿特金森循環發動機。
[0035]其中，奧托循環的一個周期是由吸氣過程、壓縮過程、膨脹做功過程和排氣過程這四個沖程構成，首先活塞向下運動使燃料與空氣的混合體通過一個或者多個氣門進入氣缸，關閉進氣門，活塞向上運動壓縮混合氣體，然后在接近壓縮沖程頂點時由火花塞點燃混合氣體，燃燒空氣爆炸所產生的推力迫使活塞向下運動，完成做功沖程，最后將燃燒過的氣體通過排氣門排出氣缸。奧托循環是理想化的循環，因為在理論分析和計算時，認為循環由絕熱、等容、等壓等過程組成，并且系統的組成、性質和質量都保持不變，而實際上因為發生了燃燒和爆炸，系統的組成和性質必然發生變化，因此實際汽油發動機的效率要比奧托理想循環的效率低很多，只有一半或更小約25%左右。現代的汽車、卡車等使用的內燃機中大多都是采用奧托循環的。
[0036]而英國工程師JamesAtkinson(詹姆斯.阿特金森)在使用奧托循環內燃機的基礎上，通過一套復雜的連桿機構，使得發動機的壓縮行程大于膨脹行程，這種巧妙的設計，不僅改善了發動機的進氣效率，也使得發動機的膨脹比高于壓縮比，有效地提高了發動機效率，這種發動機的工作原理被稱為阿特金森循環。為實現阿特金森循環，以奧迪AVS可變氣門升程系統為例，其主要通過切換進氣凸輪軸上兩組高度不同的凸輪來實現改變氣門的升程，發動機處于高負荷時，進氣凸輪軸向一個方向移動以切換到高角度凸輪，從而增大氣門的升程；當發動機處于低負荷時，進氣凸輪軸向相反方向移動，從而切換到低角度凸輪，以減少氣門的升程。
[0037]為實現發動機切換工作于奧托循環或阿特金森循環，本實用新型提供了一種新型發動機，包括如圖1、圖2所示的進氣凸輪軸I和氣缸(未顯示)，該氣缸上對應設置有第一進氣門(未顯示)和第二進氣門(未顯示)，進氣凸輪軸I上形成有用于連接驅動第一進氣門的第一凸輪和用于連接驅動第二進氣門的第二凸輪13。其中，第一凸輪包括沿進氣凸輪軸I的軸向疊置的相同的凸輪All和凸輪B12，凸輪All與第二凸輪13在進氣凸輪軸I上的安裝相位相同。并且，如圖3所示，凸輪B12與凸輪All在進氣凸輪軸I的圓周方向上錯開安裝并形成有錯開相位角a，發動機還包括凸輪切換機構(例如電磁閥驅動器2)，該凸輪切換機構用于切換凸輪Al I或凸輪B12以連接驅動第一進氣門。
[0038]可見，本實用新型中不再通過設計低角度凸輪和高角度凸輪及其切換使用，來實現阿特金森循環，而是氣缸的兩個氣門對應的凸輪均相同，但其中對應第一進氣門的第一凸輪包括在進氣凸輪軸I上的安裝相位不同的凸輪All和凸輪B12，凸輪All與對應第二進氣門的第二凸輪13在進氣凸輪軸I上的安裝相位相同。顯然，通過凸輪切換機構切換凸輪All驅動第一進氣門時，由于凸輪All與第二凸輪13在進氣凸輪軸I上的安裝相位相同，因而兩個氣門的配氣相位相同，如圖4所示，可實現奧托循環。當通過凸輪切換機構切換凸輪B12驅動第二進氣門時，由于凸輪B12與第二凸輪13在進氣凸輪軸I上的安裝相位之間存在錯開相位角a，這樣氣缸的兩個氣門的配氣相位也存在時間差，例如第一氣門滯后于第二氣門，配氣相位滯后，如圖5所示，可實現阿特金森循環。
[0039]因此本實用新型通過對進氣凸輪軸I及其上安裝的與氣缸的兩個氣門對應的凸輪的改變設計，以嶄新方式實現了阿特金森循環，相對于奧托循環可提高發動機熱效率。由于在同一氣缸上，其第二氣門的進氣行程不變，即進氣提前角不變，可使得在壓縮行程時第一氣門晚關，提高了阿特金森循環發動機的功率。
[0040]具體到本實施方式中，由于凸輪AlI和凸輪B12在進氣凸輪軸I上的安裝相位存在錯開相位角a且凸輪All與第二凸輪13在進氣凸輪軸I上的安裝相位相同，通過優化配置凸輪All、凸輪B12相對于進氣凸輪軸I的前后順序及錯開相位角a大小，當凸輪B12連接驅動第一進氣門且第二凸輪13連接驅動第二進氣門時，在氣缸的進氣沖程中，可使得第一進氣門的開啟晚于第二進氣門，并且在氣缸的壓縮沖程中，第一進氣門的關閉晚于第二進氣門。可見，凸輪All連接驅動第一進氣門且第二凸輪13連接驅動第二進氣門時，發動機可實現奧托循環；凸輪B12連接驅動第一進氣門且第二凸輪13連接驅動第二進氣門時，發動機可實現阿特金森循環。
[0041]由此，本實用新型通過一個新型的凸輪設計有效解決了奧托循環損失發動機功率及阿特金森循環無法應用于渦輪增壓發動機上的兩個難題。本實用新型通過凸輪形線實現兩個進氣門正時的相對獨立調節。壓縮沖程開始時，仍有一個氣門打開一定時間，從而實現阿特金森循環。同時在需要增壓模式的工況，調節凸輪型線為奧托循環模式，從而允許通過發動機控制系統等控制啟動渦輪增壓器，使之介入發動機的進氣增壓工作。
[0042]其中，所謂的渦輪增壓發動機指的是配備渦輪增壓器的發動機。渦輪增壓器是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率。
[0043]具體地，在圖示的本實施方式中，錯開相位角a優選為不大于45°，通常為30°左右。當凸輪All和凸輪B12在進氣凸輪軸I上具有30°的錯開相位角a時，曲軸需要相應轉動60°，以帶動進氣凸輪軸I轉動，使得從凸輪Al I的相位切換至凸輪BI 2的相位。
[0044]由于凸輪切換機構通過軸向移動進氣凸輪軸I的方式切換凸輪All和凸輪B12，因此進氣凸輪軸I的最大軸向位移量應大于凸輪All或凸輪B12的軸向厚度且小于第二凸輪13的軸向厚度，即無論第一進氣門由凸輪All或凸輪B12驅動，第二凸輪13始終驅動第二進氣門，而不會失位。
[0045]參見圖1和圖2，作為示例，軸向緊貼的凸輪All和凸輪B12的軸向厚度相同且均為第二凸輪13的軸向厚度的一半。第一凸輪和第二凸輪13沿進氣凸輪軸I的軸向間隔設置，圖中各凸輪All、凸輪B12和第二凸輪13完全相同，即各凸輪的外輪廓線(即形線)相同、結構、尺寸和基圓形狀均相同，轉動后形成的行程曲線也相同。
[0046]另外，由于凸輪All和凸輪B12沿軸向疊置，因此凸輪切換機構宜通過移軸方式切換凸輪All和凸輪B12，而對應的第一進氣門的軸向位置不變。作為示例，圖1和圖2所示的凸輪切換機構包括形成在進氣凸輪軸I的外周面上的螺旋溝槽14和能夠驅動滑塊21伸入或伸出螺旋溝槽14的電磁閥驅動器2;其中，電磁閥驅動器2驅動滑塊21伸入螺旋溝槽14時，進氣凸輪軸I的自旋轉帶動滑塊21沿螺旋溝槽14滑移，從而使進氣凸輪軸I產生軸向位移以切換凸輪All或凸輪B12。本領域技術人員能夠理解的是，這種移軸機構可有諸多結構形式和驅動、控制方式，而不限于本實施方式中的電磁閥驅動器2和螺旋溝槽14的結構形式。
[0047]此外，發動機能夠在該發動機控制系統的控制下運行于冷啟動階段、中低負荷運行階段或高負荷運行階段;這種中低負荷、高負荷的定義可根據具體工況、發動機功率等具體確定。在采用本實用新型的發動機時，由于可切換工作于兩種工作模式下，可實現針對不同運行工況的不同工作模式應對。例如，發動機控制系統可配置為通過控制凸輪切換機構，使得在冷啟動階段和高負荷運行階段，發動機實現奧托循環，在中低負荷運行階段，發動機實現阿特金森循環。
[0048]具體地，在冷啟動時，進氣凸輪軸I位于奧托循環位置，其配氣相位如圖4，此時發動機與常規自然吸氣發動機相同，可保證冷啟動時的進氣量，保證低速扭矩。
[0049]在中低負荷時，通過電磁閥驅動器2的滑塊21在螺旋溝槽14上的移動，驅使凸輪形線切換到阿特金森位置處，配氣相位如圖5所示，同缸的兩個氣門對應圖中兩個錯開曲線代表的配氣相位;此時，進氣沖程的第一進氣門開啟時刻，每缸的第一進氣門開啟，經過一定的曲軸轉角后，每缸的第二進氣門開啟，實現一個氣門的相對晚啟動;而壓縮沖程的第一進氣門關閉時刻，每缸的第一進氣門關閉，經過一定曲軸轉角后，每缸的第二進氣門關閉，實現一個氣門的相對晚關閉;這樣，通過進氣門晚關，實現了阿特金森循環，提高燃油經濟性。
[0050]在中高負荷時，通過電磁閥驅動器2的滑塊21在螺旋溝槽14上的移動，驅使凸輪軸形線切換回奧托循環，此時發動機與常規發動機一致，渦輪增壓器可以介入，增大發動機的功率輸出。
[0051]綜上，本實用新型的發動機可實現奧托循環和阿特金森循環的切換，通過在常規發動機上實現阿特金森循環，可提高發動機熱效率。實現阿特金森循環的工作模式時，相較于傳統的阿特金森發動機，進氣相位更大，進氣量更大。而且由于可將阿特金森循環技術應用于渦輪增壓發動機上，進一步提升了發動機效率。
[0052]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，例如凸輪All的厚度可以與凸輪B12不同，第二凸輪13的厚度可大于凸輪All和凸輪B12的厚度之和，諸如此類改動均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種發動機，包括進氣凸輪軸(I)和氣缸，該氣缸上對應設置有第一進氣門和第二進氣門，所述進氣凸輪軸(I)上形成有用于連接驅動所述第一進氣門的第一凸輪和用于連接驅動所述第二進氣門的第二凸輪(13)，其特征在于，所述第一凸輪包括沿所述進氣凸輪軸(I)的軸向疊置的相同的凸輪A(Il)和凸輪B(12)，所述凸輪A(Il)與第二凸輪(13)在所述進氣凸輪軸(I)上的安裝相位相同，且所述凸輪B(12)與凸輪A(Il)在所述進氣凸輪軸(I)的圓周方向上錯開安裝并形成有錯開相位角(a)，所述發動機還包括凸輪切換機構，該凸輪切換機構用于切換所述凸輪A(Il)或凸輪B(12)以連接驅動所述第一進氣門。2.根據權利要求1所述的發動機，其特征在于，所述凸輪A(Il)連接驅動所述第一進氣門且所述第二凸輪(13)連接驅動所述第二進氣門時，所述發動機實現奧托循環;所述凸輪B(12)連接驅動所述第一進氣門且所述第二凸輪(13)連接驅動所述第二進氣門時，所述發動機實現阿特金森循環。3.根據權利要求2所述的發動機，其特征在于，所述凸輪B(12)連接驅動所述第一進氣門且所述第二凸輪(13)連接驅動所述第二進氣門時，在所述氣缸的進氣沖程中，所述第一進氣門的開啟晚于所述第二進氣門，并且在所述氣缸的壓縮沖程中，所述第一進氣門的關閉晚于所述第二進氣門。4.根據權利要求2或3所述的發動機，其特征在于，所述發動機還包括發動機控制系統，所述發動機控制系統控制所述發動機下運行于冷啟動階段、中低負荷運行階段或高負荷運行階段； 其中，所述發動機控制系統配置為通過控制所述凸輪切換機構，使得在所述冷啟動階段和高負荷運行階段，所述發動機實現奧托循環，在所述中低負荷運行階段，所述發動機實現阿特金森循環。5.根據權利要求4所述的發動機，其特征在于，所述發動機包括渦輪增壓器，所述發動機實現奧托循環時，所述發動機控制系統能夠控制啟動所述渦輪增壓器。6.根據權利要求1所述的發動機，其特征在于，所述錯開相位角(a)不大于45°。7.根據權利要求1所述的發動機，其特征在于，所述凸輪切換機構包括形成在所述進氣凸輪軸(I)的外周面上的螺旋溝槽(14)和能夠驅動滑塊(21)伸入或伸出所述螺旋溝槽(14)的電磁閥驅動器(2); 其中，所述電磁閥驅動器(2)驅動所述滑塊(21)伸入所述螺旋溝槽(14)時，所述進氣凸輪軸(I)的自旋轉帶動所述滑塊(21)沿所述螺旋溝槽(14)滑移，從而使所述進氣凸輪軸(I)產生軸向位移以切換所述凸輪A(Il)或凸輪B(12)。8.根據權利要求7所述的發動機，其特征在于，所述進氣凸輪軸(I)的最大軸向位移量大于所述凸輪A(Il)或凸輪B(12)的軸向厚度且小于所述第二凸輪(13)的軸向厚度。9.根據權利要求8所述的發動機，其特征在于，所述凸輪A(Il)和凸輪B(12)的軸向厚度相同且均為所述第二凸輪(13)的軸向厚度的一半。10.根據權利要求1所述的發動機，其特征在于，所述第一凸輪和第二凸輪(13)沿所述進氣凸輪軸(I)的軸向間隔設置，且所述凸輪A(ll)、凸輪B(12)和第二凸輪(13)的外輪廓線相同。
【文檔編號】F02B77/00GK205638701SQ201620496901
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】楊曉勇, 王江濤, 高峰, 胡廣進, 申榮偉, 張士偉
【申請人】長城汽車股份有限公司