凸轮操作系统 发明背景技术
1、发明领域
本发明大体上涉及发动机领域，特别是涉及汽油式内燃机，但是本发明也可应用于空气压缩机、气体和柴油循环的发动机。更具体地说，本发明所涉及的凸轮系统与内燃机一同使用，可改变阀门的驱动、定时、持续期间、提升量以及工作状态。
2、相关技术背景说明
内燃机在一个或多个气缸内燃烧燃料，并把燃烧的膨胀力转化成可做功的原动力。在一用于车辆(如汽车或摩托车)的内燃机中，这种过程涉及到把燃烧力转化为作用于曲轴上的转动力，随后曲轴被传动以使车辆运动。
内燃机的每一气缸包括一往复式活塞。该活塞以紧配合滑动设置方式内含在气缸中，使活塞仅能线性地往复运动。在一典型的四冲程发动机中，对于每次完整的做功周期，活塞都需要运动(冲程)四次，每一冲程持续180度或曲轴旋转半圈。第一次冲程为吸入周期，在此过程中，活塞从大约其顶部死点位置向下运动。这样可在气缸内部形成真空，而外部大气压力迫使气态的空气燃料混合物进入气缸。在第二冲程，或者说压缩周期，从大约底部死点位置向上移动活塞，压缩气缸中的空气燃料混合物。在开始第三冲程期间，发生燃烧。通过诸如火花塞之类的装置点燃空气燃料混合物，被点燃的混合物气体的膨胀/爆炸力向下推动活塞。第三冲程也称作做功冲程，合力被传输到由发动机驱动的任何工作负载，如车辆动力输出驱动轴。第四冲程，或者说排气周期，发生在活塞向上移动期间，使已燃烧的气体排出气缸。该冲程还为开始一个新的完整周期备好气缸。
四冲程内燃机的一个重要方面在于有一系列地阀门，这些阀门开启和关闭多个阀门控制流体出口，使燃料空气混合物在吸入冲程期间流入气缸，并使已燃烧的气体在排气冲程期间从气缸排出，而在压缩和燃烧冲程期间提供不透气密封。这些阀门开启和关闭期间对发动机的功能来说是很关键的。每一气缸包括一个或多个吸入阀门，和一个或多个排气阀门。
一般来说，这些阀门由设有许多现有凸轮凸角的一个或多个凸轮轴开启。凸轮凸角为作用于阀门上、使阀门移动的非圆形形状(最通用的形状为卵形)。凸轮凸角可直接向阀杆传递力，或者间接地通过升降杆、摇臂、推杆或者其它阀门驱动元件进行传递。例如，在直接作用的系统中，凸轮凸角可利用斗式挺杆、或者其它适当的结合件或者连杆与阀门结合，在凸轮凸角驱动阀杆移动时(平移力)，使阀门在凸轮轴转动的特定期间开启。一旦凸轮轴转动得足够去除凸轮凸角施加在阀杆上的力，阀门弹簧就通常用于使阀门返回到关闭位置。也可以是，在正向开启关闭系统中，例如目前用于某些摩托车应用的desmodromic式系统，分离的凸轮凸角可用于开启或关闭单个阀门。
排气冲程期间、但是在活塞到达底部死点之前，当大多数空气燃料混合物已经燃烧时，排气阀开启，气缸内的压力则开始把废气排出。随后活塞开始向上移动，迫使废弃的燃料空气混合物残余物排出。在活塞向上移动的同时，排气阀通过其最大提升位置，并开始关闭。阀门开启的期间称作阀门提升持续期间。
移向吸入冲程时，在排气阀完全关闭之前，且在活塞到达顶部死点位置之前，吸入阀开始开启。吸入阀和排气阀都开启的期间称作重叠。在凸轮、凸轮轴和其它阀门驱动元件的设计过程中，阀门开启和关闭的定时、提升量、持续期间、和重叠都是很关键的因素。
困扰内燃机的一种难题在于要设计一在横跨大范围的发动机速度情况下提供效率和性能组合的凸轮系统。例如，在发动机需要提高转矩的低速情况下，吸入阀开启，随后使气缸非常有效地灌满空气燃料混合物。在此情况下，理想情况是几乎没有重叠或没有重叠，这是由于重叠可能使未燃烧的燃料通过排出口流出(排出物增加)，而且燃烧的废气与吸入的气流混合在一起。可在发动机低速情况下通过及早地关闭排出口对此进行矫正。
相反地，在发动机需要最大功率的高速情况下，吸入循环开始的较早以利用进料的惯性，而关闭的较晚，使一些进料返回。延长重叠时(推迟关闭排气)，这种较早的吸入循环会导致一些进料损失，部分空气燃料进料通过正在关闭的排气口排出，该孔在燃烧循环结束期间开启。
虽然由于进料的损失、稀释和返回，实际的阀门定时缩短，但总的吸入和排气循环仍很长，使得阀门定时以便获得较早开启点和较晚的关闭点。所收集的进料的平均容积大于有效的发动机低速阀门定时标定值。在此情况下，需要较早和较长的阀门定时和持续期间，同时还要有很长的重叠。如果吸入阀不是开启的早、关闭的晚，少量的燃料空气混合物就会引入气缸，在发动机高速情况下影响发动机的性能。因此，重叠量是发动机性能的关键部分。
当在排气冲程期间活塞向上移动把大量的废气推出时，吸入阀开始开启，与排气阀的开启时间重叠。废气的惯性使得其继续通过排气口流动，并提供最初的吸力，以便启动吸入气流。一般来说，由于需要克服吸入口外侧的空气柱的惯性，在吸入阀开启期间早期，提供的空气燃料混合物的流量并不很多。这也是由于在每一次开启和关闭循环开始和结束时，阀门的加速度更低，以减小由于快速地密封接触对阀门和阀座(和噪音)磨损的巨大影响，所有这些都是与传统凸轮系统折衷的固有设计方案。
活塞向上运动到顶部死点并开始向下的冲程时，吸入阀开启到最大的提升量，使尽可能最大量的燃料空气混合物流入气缸。阀门保持开启的凸轮转动驻留期间也称作持续期间，并通常定义为术语曲轴转动驻留角度。吸入阀通常稍稍在达到底部死点之后关闭，从而在活塞压缩冲程期间，建立气缸气压。此时，阀门定时是很重要的，这是因为阀门需要开启足够长的时间，以使大量的燃料空气混合物进料冲入气缸，但是必须要尽早、尽快关闭，以使通过收集进料产生最大的气缸气压。
如所看到的那样，发动机循环有几个受凸轮系统设计影响的关键因素。重叠量、阀门开启和关闭的定时就是发动机循环的关键因素，而且最易随发动机的转动速度的变化而变化。为使整个动力性能图最大化，阀门的提升量和持续期间也是重要的考虑因素。
在传统卵形凸轮凸角阀门驱动系统中，系统的设计采取发动机低速和高速性能之间的折衷方案。近来，人们试图根据对传统卵形凸轮系统的重新设计和修改，研制一种可调阀门定时系统。典型的尝试涉及形成一系统，在该系统中通过相对于其驱动系统或齿轮，提前或滞后凸轮轴的转动来控制凸轮运行。这导致了初始阀门定时的变化，这是由于在曲轴每一完整的循环期间，凸轮凸角此时在不同的部位转入其开启和关闭位置。凸轮轴提前不会影响到提升量或持续期间，只会影响到相对于曲轴位置的阀门开启和关闭的初始定时。这些系统一般具有两种位置，即凸轮轴或者处于其正常位置(对于低速)，或者处于提前位置(对于高速)，因此，除了在两种预定的设定情况中选择外，阀门定时并没有真正的改变。
试图研制的另一种可调阀门定时系统的实例可看到在这些凸轮组合中，使用了多个改变形状的重叠的凸轮轴凸角。一种凸角的形状设计可用于平稳低速运行的情况，提供很短的持续期间和很少的重叠。另一种凸角(或一对凸角)可适于在发动机高速情况下提供很长的重叠和持续期间，和/或增加提升量。在控制连杆伺服活塞的使用过程中，通过改变多个摇臂的位置和结构，可替换在给定阀门上工作的凸角。虽然这种方案也可实现两种操作条件，但是由于在从两种凸轮轮廓中选择一种用于控制因而仍然没有真正变化，而且也没有中间性的参数。另外，这种方案增加了动态质量、重量、以及辅助摇臂和凸轮凸角对发动机阀门驱动系统的转动摩擦力，需要更大的阀门开启和关闭力以克服更大的摩擦惯性，因此降低了发动机的总体效率和输出功率。
困扰凸轮系统设计者的的另一方面是阀门的结构设计以及其经受由于阀门的惯量及其反复动作而导致的疲劳应力的能力。与阀门定时和同时发生的速率变化有关，所涉及的原因很简单；为了克服吸入冲程过程中空气柱的惯性，理想情况是阀门尽可能快地达到其全开启位置。但是，阀门开启的越快，施加在阀杆、阀颈、顶梢和阀门保持件(阀杆/顶梢和摇臂或其它力传递机构之间的连接件)上的力和应力就越大。同样地，理想情况是阀门尽可能快地关闭，或者是使吸入进料的收集最优化，在活塞开始其向上的冲程时，完成最佳压缩，或者提供最长的可能的阀门重叠。之后另外涉及的原因是阀门应力以及阀门接触阀座时的最终速度和冲击力，这是由于在任一情况下，阀门对它能够经受而没有疲劳损伤或过渡磨损的应力的猛烈程度有一个限度。而且，问题的复杂性在于，阀门系统优选具有很低的动态重量。发明概述
本发明涉及一种更有效地控制阀门驱动、操作、而且在内燃机中起作用的凸轮系统。该系统包括一个或多个由一个或多个环绕一第一轴转动的凸轮轴驱动的环形凸轮凸角。该第一轴距环形凸轮凸角的中心点有一预定的距离，导致偏心转动。所选取的偏心程度随所需产生的阀门提升量而变化。
每一凸轮系统包括一设有一内圆周表面的凸轮从动轮，该圆周表面具有一限定一大体为椭圆形或卵形形状的长轴和短轴。从动轮的一般类型有时称作共轭从动轮。
凸轮从动轮内表面的某些部分在整个转动期间与环形凸轮凸角接触，优选在短轴时两点接触，而在长轴时大面积接触。在凸轮凸角沿着凸轮从动轮的内圆周转动一完整的一周期间，产生四种特定的阀门驱动阶段。这些阀门驱动阶段可由其静止和运动状态特征化。凸轮凸角转动期间阀门处于静止状态两次：第一次，在阀门全关闭时，第二次，在阀门全开启时。这些阶段与在凸轮从动轮短轴附近跟随凸轮从动轮的凸轮凸角相对应，凸轮凸角在此呈现两点接触接合，从而，在这些静止的阀门状态减少了不必要的接触表面摩擦。在阀门经过开启和关闭移动阶段时，凸轮凸角运动到凸轮从动轮的长轴附近，并因此需要在仿形接合点有较大的接触表面，开启和关闭力可在此有效地被传递。
这种结构对诸如desmodromic系统之类的正压开启和关闭阀门系统有特殊的用途。偏心转动的环形凸轮凸角和凸轮从动轮的椭圆形或卵形内表面的相互作用结合起来形成一种新型阀门驱动系统的基础，同时具有改进的开启和关闭特性，并在大范围的发动机转速和工作条件下具有高度的功能可调节性。
可改变所选择或设计的椭圆形或卵形内表面，产生更长或更短的阀门开启和/或关闭驻留期间，或者在较长的驻留期间内保持阀门处于全开启或全关闭位置。另外，在工作期间，凸轮从动轮可部分地双向转动，提前或滞后阀门开启和/或关闭的定时。凸轮从动轮的可转动性是动态的，而且不局限于两个位置，而是在整个发动机工作和运行范围内可调地控制和改变。凸轮从动轮一般构成把凸轮凸角连接到一阀门或其阀杆的输出连杆的一部分。因此，连杆也可包括一摇臂、一推杆、一挺杆或其它适当的阀门驱动连接件，或者是直接的，或者是间接的。
另外，本发明优选包括不锈钢护套钛阀门和钛摇臂，以提供一种高强度、低质量的阀门系统。
在该新式凸轮系统中的偏心凸轮凸角和凸轮从动轮的结合具有积极的自含阀门驱动动作的有益效果，而没有公知的动力消耗效果和阀门弹簧的辅助应力。另外，这种凸轮系统对阀门开启/关闭动作的精确控制极大地降低或消除了阀门摇摆迹象，这种迹象传统上是限制发动机高速运转的主要因素。本发明通过对惯性力的强冲击吸收可在阀座上产生平稳的开启/关闭动作。机械连杆的优点，结合由于在开启/关闭阶段期间偏心凸轮凸角与凸轮从动轮的长轴的大面积表面的相互作用引起的多点力接触，可实现快速的加速和/或减速。该新式的凸轮系统在最大提升和全关闭时可提供具有缓冲惯量特征的高的阀门终止速度。在本发明正压关闭驱动实施例的设计中省去了阀门弹簧，从而降低了内部摩擦和惯性阻力。这样可把更大的动力提供到发动机的特定功率输出。
本发明的所有特征，与最大提升量时的长驻留持续期间结合，可导致气体流动体积效率的提高，并使进料形成动态的漩涡形，同时总体上增大发动机的潜在转速。凸轮从动轮的改进使凸轮从动轮在其撞击点的转动发生变化，并与凸轮凸角的偏心距有关，从而建立一种状态，在此状态下，可从外部动态地控制阀门动作的定时，以在发动机转速范围内任何点上使不同的发动机性能参数最大。进一步改进凸轮从动轮，对应对偏心凸轮凸角最长半径长度的调节，从外部同步控制长轴的内部长度，从而建立一种状态，在此状态下可以改变不同组合的阀门定时、持续期间和提升量，以适合最佳的发动机动态性能指标。本发明所述的凸轮系统是一种提高发动机性能的简单但精密、用途广泛的技术方案。
本发明特别适合于摩托车的发动机，因为它所提供的阀门驱动系统可在高速、低惯量情况下进行工作。该系统能够非常易于随着改变的发动机需要改变阀门定时，还可通过控制阀门提升量以及阀门开启和关闭期间提高发动机的效率。
在一优选结构形式中，本发明所述的环形凸轮设有一偏心轴，可相对于凸轮的几何中心调节该轴的位置。进一步地，利用一多部件伸缩结构可同样地调节凸轮从动轮的长轴，凸轮从动轮相对于凸轮也是可旋转的。这些结构特征提供了一种凸轮系统，该系统具有可调的提升量、可调的驻留时间和可调的定时时间。根据发动机的需要进行的控制使这些特征实质上自动化。附图简要说明
通过阅读下列详细说明并参照附图，本发明的其它目的和相关优点将更加清楚。
图1为传统的凸轮系统；
图2是根据本发明的凸轮系统在凸轮凸角转动中的起始位置和零提前时的横向剖视图；
图2A是一凸轮装置的一简易示意图，示出了一系列基本尺寸；
图2B表示图2A所示凸轮系统的两个简易示意图，其中凸轮在这两个示意图之间转动了180度；
图3是图2所示凸轮系统的横向剖视图，其中凸轮凸角转动了90度，并处于零提前状态；
图4是图2所示凸轮系统的横向剖视图，其中凸轮凸角转动了180度，并处于零提前状态；
图5是图2所示凸轮系统的横向剖视图，其中凸轮凸角转动了270度，并处于零提前状态；
图6是相对于根据本发明的凸轮系统和传统凸轮系统的凸轮凸角转动角度的吸入阀和排气阀的阀门提升量的比较示意图；
图7根据本发明的凸轮系统凸轮凸角转动处于起始位置时的横剖视图，其中凸轮从动轮转动提前了；
图8是图7所示凸轮系统的横剖视图，其中凸轮凸角转动了90度；
图9是图7所示凸轮系统的横剖视图，其中凸轮凸角转动了180度；
图10是图7所示凸轮系统的横剖视图，其中凸轮凸角转动了270度；
图11是本发明凸轮系统的横剖视图，包括位于凸轮凸角和凸轮从动轮之间的轴承；
图12是本发明凸轮系统的横剖视图，示出了一弯曲的椭圆形凸轮从动轮；
图13是可用于本发明的套筒阀门的横剖视图；
图14A-14C是可用于本发明凸轮系统的阀门保持件的等比图、透视分解图和组装图；
图15表示本发明的一实施例，具有与图7所示实施例相似的性能，但是可动态地调节其凸轮凸角的偏心距和凸轮从动轮的长轴。
虽然本发明很容易有各种改进和可变更的形式，仍借助于附图所示的实例示出了具体实施例，并对该实施例进行详细说明。但是，可以理解，本文对具体实施例的说明并不试图把本发明限定为所公开的特定形式。相反，在由附属权利要求限定的本发明的精神实质和保护范围内，本发明涵盖了所有改进、等同替换和可变更形式。具体实施例的详细说明
下面说明本发明的图示实施例，这些实施例可用于一凸轮操作系统中。为简明起见，在此说明书中并没有说明所有实际实施例的特征。当然，可以理解，在任何实际实施例的研制中，必须作出许多实现发明的具体决定，来到达开发者的具体目的，例如要服从相关系统和相关商业目的的约束。而且，可以理解，即便这种研制的努力呈现出复杂性并浪费了时间，对于从这些公开的内容中受益的一名普通技术人员来说，仍然是一条可以尝试的途径。
因此，这是一种采用位移-时间关系图的通用凸轮设计技术，图中时间轴划分成凸轮转动的度数。选择从动轮的位移量和驻留期间，在图上进行表示，并用适当的曲线连接。曲线的实例为柱面、恒定加速度/恒定减速度、悬链面等等。然后根据这些图形，代表性地表示凸轮的轮廓。在本发明中，根据这些轮廓代表性地表示凸轮从动轮的轮廓。
图1表示一现有技术中的普通凸轮凸角。该凸轮凸角的尺寸从基本高度上的直径延伸，并限定阀门的提升量。在此实施例中示出阀门关闭的驻留期间大约是凸轮凸角转动220度。
图2表示根据本发明的凸轮系统20在内燃机10中运行时的一实施例。该凸轮系统20包括一由一凸轮从动轮100环绕并受其约束的偏心凸轮凸角50。凸轮凸角50环绕一非中心轴55转动，并由凸轮轴30驱动。所施加的转动力使凸轮凸角50绕轨道转动、滑动，或者与其相反，沿凸轮从动轮100的内表面105顺时针方向移动，施加一个力作用于其上。该力被转换成用于开启和关闭阀门150的线性往复移动。为简明起见，所示的凸轮系统20与阀门150连接，该阀门可以是发动机10中的吸入阀或排气阀，尽管从功能上来说，发动机系统中的阀门150和180还有其它阀门都可以而且都将由通用的凸轮系统驱动，该凸轮系统的特殊凸轮凸角50和凸轮从动轮100是两个部件。阀门180设有一单独的凸轮凸角和从动轮，图中未示出。
由凸轮凸角50绕凸轮从动轮100的内表面转动产生的阀门驱动力可通过包括凸轮从动轮100和阀门150之间的摇臂组件130间接地传递到阀门150(如图2所示)。使用这种间接形式主要是因为其机械杠杆率提升放大作用的设计优点。如图所示的统一摇臂组件包括一上部或开启摇臂132、一下部或关闭摇臂134、以及一固定支点138。当偏心凸轮凸角50在凸轮轴30转动方向上沿轨道转动(图2和图11所示的顺时针方向)时，摇臂组件130的有效杠杆长度发生变化。一般来说，在阀门提升的开启阶段需要较短的有效初始杠杆长度，以在阀门上产生最大的提升放大作用。在偏心凸轮凸角50继续转动、将有效杠杆长度增加到其最大值(最小提升放大作用)时，杠杆作用因素就会随之逐渐消失，而且在阀门关闭阶段开始时通常都需要这样，以便有助于平稳到达阀座。图11所示的吸入部件中示出了这种可调杠杆的特征。
本实施例提供了正压开启和关闭的阀门。在其它实施例中，代替固定的关闭摇臂，该装置可包括一开启摇臂和一弹簧，以使阀门偏压到一关闭位置。可供选择地，凸轮系统20可直接连接到阀门150，这意味着被转动的凸轮从动轮直接作用在阀门上。装置130还可包括升降杆、推杆或者通常应用于本领域的其它结构，以保持、放大或减小传递到阀门的力。
通过根据对阀门150和180的提升量、持续时间和重叠的控制，本发明的偏心凸轮凸角和凸轮从动轮可在吸入和排气循环期间使流过内燃机10的燃烧腔室15的气体流量得到改变。总体说来，本发明提供了一种高速、低惯性的阀门驱动系统，该系统能够改变阀门的开启和关闭定时、阀门的提升量、和阀门开启和关闭期间的持续时间。这些特征提供了一种更有效的内燃机，并具有更高的比转矩、和功率和/或降低了燃料消耗和/或泄漏。
图2表示设置在一内燃机10(如四冲程发动机)内的根据本发明所述的一凸轮系统20的一实施例。该系统包括一由凸轮从动轮100环绕并约束的偏心驱动的环形凸轮凸角50。由于转动轴55是偏心的，也就是说，该转动轴不穿过凸轮凸角50的中心，因此凸轮凸角50是一偏心凸轮凸角。转动轴55沿凸轮凸角50的直径与凸轮轴30的连接部位相对应。
转动轴55从凸轮凸角50的中心52偏移一预选的特定距离，以符合特定的设计目的。既可以在凸轮系统之间，也可以动态地在单个凸轮系统内部改变偏移量。
偏心凸轮凸角50包含并限定在凸轮从动轮100内部。在图2所示的系统20中，凸轮从动轮100设有一内表面105。图2所示的凸轮从动轮使其内表面105形状为椭圆形或卵形。术语椭圆形或卵形通常描述成椭圆形，或者说一般的椭圆形具有两个平行的平直侧，这两侧形成一主轴或长轴。在某种意义上，从动轮表面类似于一椭圆的轴承滚道，该滚道具有两个平行的直线切割部分和两个圆形的端部。图2中，侧壁107和108平行于长轴，而次轴或短轴垂直于平直侧壁107和108。凸轮从动轮100的短轴额定地等于环形凸轮凸角50的直径，并具有运行转动间隙和油膜层的最小偏差。由于凸轮凸角50的直径和凸轮从动轮100的短轴几乎相等，因此这两个部件保持紧密结合。由凸轮凸角50和凸轮从动轮100之间的大表面区域接触而形成的多点接触有助于保持精确地控制和传递力，从而使阀门具有更好的定时精确度。但是，尽管凸轮凸角50的直径近似等于凸轮从动轮100短轴的长度，在不脱离本文所描述的发明原理的情况下，其它直径也是可以的。
可供选择地，凸轮凸角50的外圆周可能包括有轴承，以在偏心凸轮凸角50和凸轮从动轮100的内表面105之间的接触面上实现较小的摩擦系数。图11示出了在凸轮系统20中包括无摩擦轴承60。轴承类型的选择，如滚动轴承、球形轴承、或者滚针轴承，可随包括摩擦系数和负载能力的设计需要而变化。另外，现有轴承的厚度变化也将纳入设计选择中，这是由于诸如球形轴承之类的较厚轴承相对于较薄的诸如滚针轴承之类的轴承对阀门定时和提升有很大影响。这种可供选择的实施例减小了凸轮凸角50和凸轮从动轮100之间接触面的摩擦系数，从而更少地磨损阀门系统。减少摩擦可能在总体上提高发动机的速度。
再回到图2，作为一实例，理想情况是，阀门150具有10毫米的额定阀门提升量。对本实例来说忽略对诸如热膨胀的考虑，这是由于不用改变本发明所述的系统，就可采用诸如填隙之类的常用方法处理这些膨胀，对凸轮凸角50和凸轮从动轮100的示例性尺寸和相互作用进行讨论。图2A简要表示图2所示的凸轮凸角和凸轮从动轮，并示例性地示出部件的尺寸。凸轮凸角50的直径为30毫米，转动轴55偏离中心点5毫米。凸轮从动轮100具有卵形的内表面105，其短轴额定值为30毫米，长轴额定值为40毫米。如图2B所示，经过凸轮凸角180度的转动，阀门提升量的理想值为10毫米，该值随凸轮凸角50转动轴55的偏离值以及长轴长度与短轴长度之差而变化。阀门提升量等于沿内含偏心凸轮凸角50的凸轮从动轮100的短轴上的垂直位移量。
图2中，阀门150位于关闭位置，使得阀体155的密封端紧靠由气缸盖限定的阀座160设置，可防止气体通过出口170流入或流出燃烧腔室15。图3中，凸轮凸角50转动了90度。由于它的转动，凸轮凸角50的轨道位移传递到沿向下方向移动的凸轮从动轮100。摇臂组件130限定凸轮从动轮100的水平移动，从而基本上进行线性移动。因此，开启摇臂132由于支点138的约束而沿阀门150的纵轴移动。一阀门保持件200把开启摇臂132(和关闭摇臂143)在阀门150的被驱动端部连接到阀杆152。于是，阀门150向下移动进入图3所示的、可使气流通过出口170流动的部分开启位置。由于转动而引起的凸轮凸角50的轨道位移传递到沿向下移动的凸轮从动轮100。摇臂组件130限定凸轮从动轮100的水平移动，从而使与阀门保持件200接触的摇臂132基本上线性移动。由于支点138的约束，施加在开启摇臂132上的力沿阀门150的纵轴转移。阀门保持件200把开启摇臂132(和关闭摇臂134)连接到阀杆152。于是，阀门150向下移动，进入可使气流流过出口170的部分开启位置。
图4中，凸轮凸角50已转动了180度。到达了10毫米的最大凸轮提升量，阀门150处于全开状态。进一步转动凸轮凸角50就开始关闭循环。图5中，凸轮凸角50已转动了270度，而阀门150被部分地关闭位于阀门关闭阶段的中点。
可通过调节凸轮凸角50的转动轴55的偏心距控制阀门150的线性位移量。当转动一周满360度时，从转动轴55测量的偏心凸轮凸角55的长半径限定一圈圆周，该圆周的直径就是凸轮从动轮100的椭圆形内表面105长轴的总测量值。短轴的总测量值基本上与凸轮凸角50的直径一致。
本发明可调提升量特性的可测量值主要是通过改变凸轮凸角50的偏心距而得到的。如果偏心凸轮凸角50的转动中心点55与图5所示的凸轮凸角50的中心52同心(即偏心距=0)，凸轮系统20就不会沿短轴产生凸轮从动轮100的净偏差，由于凸轮系统20中的所有半径都相等，将产生零提升量。通过把凸轮凸角的转动轴设置在凸轮凸角的圆周边缘之外，建立这样一种状态，即凸轮凸角的最长半径至少与凸轮凸角的直径一样长，在理论上会产生最大的偏心距和提升量。在凸轮从动轮长轴的长度和提升量之间也存在一种相应关系，这种关系可引起提升量的改变，与相应的凸轮凸角的偏心距同步。
图6为阀门提升量随凸轮转动角度变化的曲线图。方形曲线70表示本发明凸轮系统的结果。通过与现有技术中凸轮系统的传统曲线80相比较，本发明的凸轮系统可更快速地开启阀门、最大阀门提升期间更长、并可更快速地关闭阀门。
特别是，如图6所示，如果与传统凸轮结构比较，本发明的凸轮系统在开启阀门过程中，可提供更快的加速度并更快地达到极限速率。与传统凸轮系统相比，阀门开启曲线的斜坡初始上升速度更快。另外，在完全开启位置阀门开启的时间期间(驻留)更长。关闭阶段期间，(长时间的最大提升之后)本发明所述凸轮系统中的阀门关闭地更快，但仍能实现软降落。
图6所示曲线之下的面积可反映通过吸入/排出口流动的空气和气体。可以看出，与本发明的凸轮系统相比，在吸入曲线下，传统凸轮系统的正弦曲线具有较小的吸入进气能力，而在排出曲线下，具有较小的排气清除能力。用于阀门的理想曲线实际上应当是方形的；阀门应当立即开启达到其全开(最大提升)位置，应当在凸轮轴转动所需的持续期间保持最大提升量，之后还应当立即关闭。从这方面来说，与传统凸轮系统相比，由本发明的凸轮凸角/凸轮从动轮系统的提升和持续特性所产生的曲线更接近理想曲线。
在另一实施例中，凸轮从动轮100可从一固定参考点双向转动(顺时针或逆时针)。在发动机一典型的操作和运行条件下，该固定参考点提供了一种用于阀门定时的基线标准。在一特定发动机的转速范围的进程中，可根据一个或多个运行参数的变化，例如力矩和功率对转速的输出曲线的所需变化，改变所需的性能。在发动机低转速工作的情况下，增大的力矩可导致排气阀和吸入阀开启或关闭的定时改变，以使重叠最小。在发动机高速工作的情况下，可能需要很长的重叠，以在燃烧腔室内进入净含量更大的燃料空气混合物。
在图7所示的凸轮系统中，通过绕固定参考点逆时针转动(推进)凸轮从动轮100，已改变了凸轮凸角50和凸轮从动轮100之间的相互作用力矩。就这样，在此实施例中，凸轮从动轮100是可改变的。在所示的实施例中，安装有可变凸轮从动轮100，并包含在摇臂组件130中，以稳定凸轮从动轮，降低水平偏差或者使之最小，同时保持自由引导偏心凸轮凸角50和阀门150线性移动。类似地，在本发明的其它实施例中，可使用其它类型的摇臂组件，或者在直接操作凸轮系统情况下使用保持装置。所示的可变凸轮从动轮100处于部分推进的位置，但是，仍可根据需要，双向转动凸轮从动轮100，以提前或延迟工作特性曲线。
图7中，凸轮从动轮100相对于图2有部分推进，其中凸轮从动轮处于中性(参考)状态--在这两图中凸轮凸角50还没有转动，而且阀门150处于关闭状态。图8中，把该图与图3相比较，凸轮凸角50顺时针转动了90度。图8所示可转动凸轮从动轮100部分推进的结果是，阀门150开启和关闭的定时改变了，这是因为在凸轮凸角50转动中发生开启和关闭动作的点变化了。通过图8与图3的比较可以看出，通过凸轮转动90度移动凸轮凸角50而产生的初始冲击轨迹位置是不同的。这是由于凸轮从动轮50的部分推进引起的。
基本上说，凸轮从动轮100相对于转动的凸轮凸角50的位置的直接结果是，阀门开启阶段之初和起始时产生变化以及在阀门关闭阶段完成时产生相应的变化。从凸轮从动轮的一中间参考点提前或延迟的度数引起的结果是，在凸轮凸角转动冲击凸轮从动轮的内圆周时，驱动阀门动作所需凸轮凸角转动的度数必然发生变化。驱动阀门动作的曲线平移相同的度数，而阀门动作发生相对的提前或滞后。如果表示为一曲线，当受到可调凸轮从动轮100的影响时，在凸轮轴转动期间产生的阀门提升量就会反映出同样的平移。
比较图3和图8，这两幅图都表示凸轮凸角50从起始参考点转动了90度。但是，如果根据同一付坐标轴进行检查，很明显，由于可变凸轮从动轮100的转动提前，凸轮凸角50的当前转动位置发生了20度的偏差。图8中，凸轮凸角的长半径位于大约4点钟的位置，而图3所示的凸轮凸角已转动了90度，达到了大约5点钟的位置。
比较零提前和部分提前顺序的阀门提升曲线可看出，贯穿整个开启和关闭阶段总共导致有2毫米的提升偏差。这是由于可变凸轮从动轮100的转动位移对摇臂主要杠杆率的影响。当通过摇臂固定的次要杆表示时，提升放大特性产生了这2毫米的提升偏差。
与凸轮凸角50有关的凸轮从动轮100的转动位置改变主要杠杆的长度和总的摇臂率，并进而改变阀门提升量和阀门开启和关闭阶段起点/开始和终点/结束的变化。当然，如果可变凸轮从动轮100用于吸入阀和排气阀150和180的驱动时，就会精确控制开启和关闭时间、以及吸入和排出循环重叠的交叉量。可使用可调凸轮从动轮来确定发动机输出功率的动力性能。
凸轮从动轮100可转动地安装在摇臂组件130内。例如，在图3所示的实施例中，凸轮从动轮100设有一连接传动连杆112的第一端的轮缘或者枢轴杠杆式连接件110。在一实施例中，传动连杆112的相对端连接一活塞114，该活塞设于并可滑动地包含在摇臂组件130本体之内形成的凸轮从动轮液压缸116内部。
当液压流体被压入凸轮从动轮液压缸116内时，在活塞114上的压力增加，向前方位置滑动活塞。固定在凸轮从动轮100上的传动连杆112把活塞114向前的移动转换成凸轮从动轮100的转动。当解除液压压力时，弹簧118把活塞推回其初始位置，使凸轮从动轮100反向转动到其开始位置。尽管已示出了液压驱动弹簧回复系统，但仍可使用气动驱动器、离心设备、电磁阀、或者其它电动或机-电设备。
由一控制器通过驱动器和传动连杆控制凸轮从动轮100的位置，该控制器的功能是促使转动角度相对于可调凸轮从动轮100环绕固定点发生变化。用于凸轮从动轮100的控制设备可以被简单驱动，成为预设的或手动调节的机械式控制机构，和/或可以基于现存的内部发动机支撑系统，如液压轴承润滑回路(通过由油泵提供的发动机转速可变输出压力驱动)，或者基于吸入或排出区内的空气压力。可根据从附带的发动机参数传感器接受输入数据的一个或多个特殊用途集成电路(ASIC)或微处理器，电动地控制控制设备的驱动。
可供选择地，现有发动机电子控制单元(ECU)、EPROM、和支持传感器可提供所取得的数据，以控制可调凸轮系统的调节，还有它们的传统功能，如控制燃料注入和点火系统。这些计算机化的部件可包括多个微处理器，微处理器提供瞬时的、外围的参数感知输入数据，同时把这些数据与通过标准数据机过滤的数据进行比较/对照。为了不使本发明难于理解，没有包括有关控制器的特性，这是因为这些特性需要由相关领域的技术人员理解。利用目前正在在汽车和机械工程领域中使用的现有技术的电子应用技术，本发明所述的凸轮系统可完全适用于远景设计形式。
控制器的一种用途就是作为对发动机变化或性能要求的响应，调节与凸轮凸角50有关的凸轮从动轮100的转动方位角。使外围输入的数据转换成力是一种动态过程，该力可通过液压、电动、离心、机-电或者气压装置机械地传递到凸轮从动轮100和凸轮凸角50。凸轮从动轮方位角的变化能够改变发生在内燃机10的燃烧腔室15的阀头/阀座区的阀门提升量(即空间位移)和阀门定时和持续期间(即瞬时位移)。
通过改进凸轮从动轮100内表面105的结构形式可得到另外的益处。一般来说，凸轮轴与曲轴速度的比值为1∶2，或者是一般人都知道的0.5倍的曲轴速度，这是因为凸轮以1/2的曲轴速度被驱动。(即曲轴每转动两周凸轮轴转动一周)。传统凸轮系统中的标准凸轮凸角对于凸轮轴转动大约180度(曲轴转动90度)时都将处于阀门关闭状态。卵形或椭圆形的凸轮从动轮100具有一个持续凸轮轴转动大约90度的阀门关闭期间(阀门关闭驻留期间)。为了使凸轮轴转动180度时阀门基本上关闭，由于凸轮轴以1/4的曲轴速度被驱动，凸轮轴和曲轴的齿轮传动比必须变成1∶4。可供选择地，可采用可调速的凸轮驱动系统。
在图12所示的一可供选择地实施例中，可改变凸轮从动轮100的内表面105’以延长转动期间，在该期间阀门180是关闭的。图12表示阀门180处于关闭状态。凸轮凸角50越过凹弓形的上表面转动时，所示的弯曲椭圆形/不对称卵形结构105’(利马豆形)提供一个延长的阀门关闭期间，而凸轮凸角50越过凸弓形的下表面转动时，就提供一个缩短的阀门开启期间。另外，下表面包括一可产生短时间的增加最大提升量的小凸起106。在图12所示的结构中，阀门关闭期间(驻留)大约为180度，减小了所需的凸轮驱动齿动传动比值。
图12所示的弯曲的椭圆形结构105’仅是示例性的。对凸轮从动轮内圆周表面的轮廓可作许多种改进，以符合特定应用的设计要求。
在本发明所述凸轮系统的另一实施例中，在发动机工作期间，可动态地调节凸轮凸角的偏心距和/或凸轮从动轮的长轴。图15示出了该凸轮系统20，并包括调节凸轮凸角50”的偏心距、凸轮从动轮100”的长轴、以及凸轮从动轮100”的转动方位角的机构。本实施例这样设计，以便通过改变凸轮从动轮长轴的长度，动态地影响提升量、阀门定时、以及阀门开启/关闭持续期间。这种变化可使阀门提升量和阀门开启/关闭动作的持续期间在一特定范围内变化。与具有固定提升量、定时和持续期间特性的传统凸轮系统相比，可动态地调节阀门驱动的多维空间和时间方面的性能具有相当大的优点。
偏心凸轮凸角50”和卵形凸轮从动轮100”的改进涉及到凸轮凸角偏移的转动轴的相互依赖的几何尺寸的可变性、以及卵形凸轮从动轮100”的长轴的同步相应变化。卵形凸轮从动轮100”的长轴和由转动偏心凸轮凸角50”的最长半径描绘的圆环直径之间的相互依赖的等效尺寸应用到该凸轮系统的这一可供选择的结构上。这种相互依赖的尺寸可表述如下：凸轮从动轮长轴的测量值额定地等于偏心凸轮凸角的最长半径长度的2倍(长轴=最长半径×2)。每一部件主要尺寸测量值的变化必须有其它相应部件的等同尺寸变化。
该可供选择地实施例可有另外的功能性特征(1)动态调节总的凸轮/阀门提升量，和(2)相应地动态调节凸轮/阀门开启/关闭动作持续期间。主要通过改变偏心凸轮凸角50的偏心轴55产生的效果可表现出可动态调节的提升特征。从偏心凸轮凸角的转动中心点开始，使一不变的相等的半径长度经过360度的转动，凸轮从动轮将不会沿其短轴产生总偏移或净偏移，因此净提升量为零。这是因为现在偏心凸轮机构中的所有半径相等；凸轮从动轮的长轴与凸轮从动轮的短轴具有相同的测量值。短轴通常具有与偏心凸轮凸角的直径正好相等的功能性测量值。由于凸轮从动轮现在具有相等的轴长度，凸轮凸角具有相等的半径长度，因此没有提升，以及为零动作持续期间。
可动态调节的凸轮从动轮100”的一种功能是影响凸轮/阀门的开启和关闭动作时间和持续期间。这种可供选择地结构形式保留了可在外部转动的凸轮从动轮的特征，主要利用该特征确定凸轮/阀门开启和关闭动作的起始和终止时间。通过调节和改变凸轮从动轮100”的长轴、及其与固定短轴长度的长度比，可在一特定范围内改变凸轮/阀门开启和关闭动作的持续期间。
参照图15，所示凸轮系统20的可供选择地实施例与上述实施例有些不同。现在把凸轮从动轮100”划分成三部分：一第一可滑动互锁部分120、一第二可滑动互锁部分122和一外环124。
第一和第二互锁部分120和122提供了阀门开启或关闭动作持续期间的可变性。在所示的实施例中，第一和第二互锁部分120和122类似鱼钩形(或字母“J”形)，每一部分都设有变成半圆部分的直线部分。互锁部分120和122从头至尾互锁，形成包含从动轮100”的内圆周105”的卵形结构。如上所述，偏心凸轮凸角(此处为50”)自身沿着凸轮从动轮的内卵形结构运动。也可设想这样的实施例，其中两个以上的互锁部分结合起来形成凸轮从动轮100”的可变内表面105”。但是，由于增加互锁件的数目会增加复杂性，可能导致系统的失灵，因此优选实施例只设置两个互锁部分120和122。
包括卵形结构105”的第一和第二互锁部分120和122安装在外环124之内。外环124起到作为第一和第二部分120和122的支撑件和导向件的作用。外环124控制凸轮/阀门动作的持续期间，同时整体地或统一地形成可调凸轮从动轮100”。外环124还对第一和第二部分120和122的可调性进行限制和约束，并起到初步改变定时的功能。
第一和第二互锁和伸缩部分120、122以及外环124包含排成一行的、被密封的液压室128。第一液压室被限定在第一互锁部分120的半圆和外环124内，而与其相对的第二液压室被限定在第二互锁部分122的半圆和外环124内。液压室128以适当的压力容纳流经液压流体通道140的液压控制流体。固定壁127和可滑动壁126限定液压室128。这些壁对液压室128起到密封的功能。另外，在液压室128内的液压响应被泵入或驱入该液压室的辅助控制液压流体而升高时，可滑动壁126相对于凸轮凸角50”向内压入，缩短凸轮从动轮100”长轴的长度。相反，液压降低时，可滑动壁126相对于凸轮凸角50”向外推出，增加凸轮从动轮100”长轴的长度，凸轮从动轮通过单个弹簧克服较低的液压而返回。
凸轮从动轮100”长轴长度的增加和减少的情况通常与凸轮凸角50”偏心距的变化一起发生。偏心凸轮凸角50”包含适用于相对于凸轮凸角50”的直径动态地改变转动轴心55”的装置。在图15所示的实施例中，凸轮轴与凸轮凸角驱动机构30”连接。凸轮凸角驱动机构30”可滑动地安装在凸轮凸角50”内，并受凸轮凸角驱动导向件32的引导。驱动机构30”的连接面、凸轮凸角驱动导向件32以及凸轮凸角50”的内壁设有适当的密封件，形成一液压室34。液压室34根据发动机的控制条件以适当的压力接收液压控制流体。液压室34内的液压升高时，凸轮凸角驱动机构30”从中心位置向外推出，把转动轴55”移动到更偏心的位置。相反，液压降低时，凸轮凸角驱动机构30”由回复弹簧36向内推回更中心的位置。
工作时，把高压液压控制流体输送到凸轮凸角液压室34，增加转动轴55”的偏心距，流体液压室128的低压使互锁部分120和122通过弹簧扩张，增大凸轮从动轮100”的长轴。通过改变偏心距，可改变阀门150和180的垂直位移量(最大提升量)。图15所示的实施例利用液压驱动和弹簧偏压回复装置作为凸轮凸角50”中的转动轴55”的偏移调节机构和凸轮从动轮100”的长轴长度调节机构。在其它实施例中，每一驱动设备都可以是以液压方式驱动和返回的。另外，在预想的实施例中，驱动设备可以是气动驱动器、离心装置、电磁阀或者其它电动或机-电驱动设备。
如上所述的实施例，凸轮从动轮100”可转动地安装在摇臂组件130内。凸轮从动轮100”设有一与传动连杆112的一第一端连接的轮缘或枢轴连杆式接头110，其第二端连接液压活塞114。凸轮从动轮液压缸116内的液压向前驱动活塞114。传动连杆112把活塞114向前的移动转换成凸轮从动轮100”的转动。液压活塞114设有一回复弹簧118，在压力解除时，使凸轮从动轮100”反向转动(尽管可使用其它回复机构)。
利用一控制器通过驱动器和传动连杆控制凸轮从动轮100”的位置，该控制器的功能就是引起转动角度从固定点138相对于可调凸轮从动轮100”发生变化。用于凸轮从动轮100”的控制设备可以被简单驱动，成为预设的或手动调节的机械式控制机构；可以基于现存的内部发动机支撑系统，如液压轴承润滑回路(通过由发动机油泵提供的压力驱动)，或者基于吸入或排出区内的空气压力；可根据一个或多个从工作发动机参数传感器接收输入数据的ASIC或微处理器，电动地控制控制设备的驱动；或者利用下述统一系统进行控制。
可机械地、电动地、磁性地、电子地、离心地、液压地、或者这些和其它动力的任何组合控制可调性，即偏心凸轮凸角50”转动轴的位移(最长半径的长度)以及随后发生的互锁部分120和122在凸轮从动轮100”的多部件卵形内圆周结构中的位移相应产生的合成统一运动的可调性。在图15所示的实施例中(为示例的简单起见，采用液压控制操作和弹簧回复装置)，液压控制回路控制由下列参数表示的三种相关的独立参数：(1)偏心凸轮凸角的提升量，(2)互锁部分(卵形)的持续期间以及(3)凸轮从动轮的(可变)定时。每一参数对其它的主要功能都有次要影响。
根据发动机的负载和性能特性要求的条件，通过液压控制线路(或者其它动力)控制凸轮/阀门系统的所有性能和效能中实际上起作用的动态综合性能和最佳协同效果。发动机动力学可提供十分简单的类似标准，对正在讨论的三种可变参数的操作情况，即转速或油压波动，进行控制。对用于操作的机构的选择范围可包括下列任何机构：(1)手动设定机构，(2)对压力具有敏感反应的液压套筒伺服活塞，(3)动力驱动的电伺服马达，(4)利用源于参数传感器的数字数据的混合设备，(5)与采用比较性能数据的现有技术微处理器同代的全集成电路，或者(6)完全实时反应的计算机驱动系统。而且，本发明所述的凸轮系统可与燃料喷射和点火定时系统完全形成整体，以使容积、燃烧压力、火焰传播、散热、和回油效率，还有任何涡轮增压器部件更加优化。
还要指出的是，尽管把液压驱动弹簧回复系统描述为调节偏心凸轮凸角50’、凸轮从动轮互锁部分120和122以及凸轮从动轮100’的转动方位角的驱动设备，但这仅仅是为了对一实施例进行说明。也可使用离心或气动驱动器、电磁阀、或者其它电动或机-电设备、或者上述设备的组合。用于凸轮系统的阀门实施例
降低凸轮系统20的部件重量和部件之间的相互摩擦，可减小转动惯量，并通过降低运行能耗提高发动机的效率和潜在转速。在本发明低重量的优选实施例中，阀门150和180的结构本体是由钛制成的，并使用薄截面的管形高拉伸强度的合金钢形成外壳。图13所示的阀门250可以是凸轮系统20的吸入阀或排气阀150或180，它是由奥氏体不锈钢管部分262制成，不锈钢管部分262包有提供结构主体的钛插塞255。这种合成阀门重量低、动态惯量低、并具有很强的耐热和耐摩擦性。可以理解，根据设计要求，可使用不同类型的钢或钢合金和/或其它合金。所有受到凸轮系统摩擦的表面区域都可由不同合金钢中的一种制成。
阀头260上设有边缘，端盖部件264和喇叭状的阀杆262在此结合在一起。优选采用边缘卷密封接头(roll-sealed-edge joint)268，形成与阀座斜角配合的组合阀门密封面。该阀面边缘接头有四层厚的不锈钢、或其它钢合金。如果使用摇臂组件(诸如图3等附图所示)连接阀门250和凸轮系统20，可由钛主体和不锈钢合金外壳结合起来制成该摇臂组件130，以进一步地降低系统的重量。阀门摇臂连接
每一阀门150和180都设有一阀门保持件200。图14A示出了一种阀门保持件的实施例。该阀门保持件200包括一端帽部件202、一第一半互锁件210和一第二半互锁件220。端帽部件202制成相应厚度的碟形，为上、下摇臂132和134提供理想的操作间隙。一般来说，端帽部件202的厚度在大约2毫米和大约2.5毫米之间变化。
在端帽部件202的下侧，设有近似等于阀杆152和182的直径尺寸的凹部204，阀杆端部154和184插入其中，为阀杆152和182提供更好的连接。
两个半互锁件210和220互为镜象，并都以90/180度的几何形状为基础。组装时，两个半互锁件210和220互锁，并将阀杆152和182包围在保持件凹槽225内。如图14B所示，两个间隔大约180度的机械螺钉拧入镗孔贯穿三个部件的螺丝孔230和232。这种机械螺钉，或者其它诸如定位螺钉或销钉之类的现有紧固件，对结构进行紧固，使两个保持件等分件210和220互锁，把三个保持件组件垂直紧固成一个如图14B所示的整体装置。
在一可供选择地结构中，用设置在环绕组装的等分件210和220、端帽部件202外圆周的一连续凹槽内的钢质弹性档圈(cir-clip)或者任何其它现有结构的环形紧固件把三个阀门保持件组件紧固在一起(参见图14C)。端帽部件202与瓶盖类似，其侧部就象一弹性档圈那样固定互锁件210和220。
在阀门保持件200的另一可供选择的实施例中，以60/120度几何形状为基础，用三个阀门保持件代替两个，在这种几何形状中阀门保持件被分成三个60度的接合部分。三个螺钉，或者如上所述的其它紧固件，穿过重叠部分进行紧固，形成一在各部分顶部带有端帽部件的保持件装置。
在所有这些变化中，阀门保持件200的主要功能就是同样牢固地固定阀杆端部154和184，使阀门150和180通过摇臂组件130正压地开启和关闭，与传统阀门保持件相比，该保持件有相当大的改进。这种改进几何形状的阀门保持件特别适用于以正压状态开启和关闭的为desmodromic发动机所共有的阀门装置。
对从本发明公开的内容中受益的本领域的普通技术人员可以理解，不超出本文所述发明的原理，可以与上述说明有许多不同。因此，提出了下述权利要求书，而不仅仅局限于上述说明，该权利要求试图限定本发明所包含的权利。另外，所述说明和下面的权利要求书是针对本发明的单个部件(如单个阀门、气缸、凸轮等等)的一些实例提出的。采取这种方法是为了简明和清楚，应该承认，本发明并不局限于这种单个的部件。本发明更复杂的实施例涉及到多个这种部件，实际上有多种类型的单个部件，并试图包含在说明书和权利要求书之内。