一种内燃机快速响应可变进气系统及其控制方法.pdf

一种内燃机快速响应可变进气系统及其控制方法，属于内燃机可变气门控制技术领域。可变进气系统设置在进气门前的进气道内，主要包括碟片、从动轴、扇形齿板等。从动轴与扇形齿板之间采用齿轮式啮合，碟片固定插装在从动轴槽内。扇形齿板通过旋转式驱动机构直接驱动或通过直动式驱动机构通过齿条间接驱动。通过控制碟片的启闭状态，实现碟片全开、提前关闭、推迟开启+提前关闭以及多次开启等控制方法，满足不同的内燃机工况对进气量及进气流动的要求，达到提高内燃机性能的目的。通过调节碟片最大运行角度及从动轴与扇形齿板之间的啮合齿轮对的传动比，使得现有驱动机构即可满足本系统的驱动要求，系统各部件位置调节灵活，提高了系统的适应性。

1.  一种内燃机快速响应可变进气系统，它包括碟片（1）、从动轴（2）和扇形齿板（6），设置在进气门（4）前的进气道（5）上，其特征是：所述从动轴（2）的非驱动端穿过进气道第2支座（5b），落座在进气道第1支座（5a）內，碟片（1）固定插装在从动轴横槽（2a）内，扇形齿板旋转轴（6b）落座在进气道第3支座（5c）内；从动轴齿轮（2b）与扇形齿板第1齿段（6a）相啮合；当采用旋转式驱动机构驱动时，扇形齿板旋转轴（6b）与旋转式驱动机构相连接；当采用直动式驱动机构时，还包括齿杆（3）和扇形齿板第2齿段（6c），扇形齿板第2齿段（6c）与齿杆（3）相啮合，齿杆（3）与直动式驱动机构相连接；当所述进气门（4）采用双进气支管非独立控制的双进气门时，第1进气支管（9-1）和第2进气支管（9-2）内分别安装有第1碟片（1-1）和第2碟片（1-2），第1碟片（1-1）和第2碟片（1-2）分别插装在第1从动轴（2-1）和第2从动轴（2-2）内，第1从动轴（2-1）和第2从动轴（2-2）通过齿轮或者多杆联动机构再与扇形齿板（6）相连接，第1碟片（1-1）和第2碟片（1-2）插装在一根从动轴（2）内，通过从动轴（2）再与扇形齿板（6）相连接。

2.  根据权利要求1所述的一种内燃机快速响应可变进气系统，其特征是：所述碟片（1）为椭圆形，椭圆的短轴长度等于进气管的直径d，椭圆的长轴长度为短轴长度与碟片（1）全开与全关之间的夹角θ的余弦的商，即d/cosθ。

3.  根据权利要求1所述的一种内燃机快速响应可变进气系统，其特征是：所述扇形齿板第1齿段（6a）仅保留必要的啮合齿。

4.  权利要求1所述的一种内燃机快速响应可变进气系统的控制方法，其特征是：在高速全负荷工况下，在进气门（4）开启阶段内，采用碟片全开的控制方法，碟片（1）始终保持开启状态；在中低速全负荷工况下，采用碟片小幅度提前关闭的控制方法，碟片（1）在进气门（4）开启前开启并保持，在进气门（4）关闭前关闭，并且碟片（1）的关闭时刻随着转速的降低而逐渐提前，碟片关闭正时较进气门关闭正时最大提前80度曲轴转角；在部分负荷下，采用碟片大幅度提前关闭的控制方法，碟片（1）在进气门（4）开启前开启并保持，在进气门（4）关闭前关闭，并且碟片（1）的关闭时刻随着负荷的降低而逐渐提前，碟片关闭正时较进气门关闭正时最大提前160度曲轴转角；在低负荷工况下，采用碟片多次开启的控制方法，碟片（1）在进气门（4）开启前开启，并且在进气门（4）开启后继续保持40度曲轴转角的开启状态后关闭，在进气上止点后70度曲轴转角开启并保持，在进气上止点后110度曲轴转角关闭，或对于所述进气门（4）采用双进气支管非独立控制的双进气门的内燃机，采用碟片不对称启闭的控制方法，在进气门（4）开启阶段内，第1碟片（1-1）完全关闭，第2碟片（1-2）则采用提前关闭的控制方法；在怠速下，采用碟片推迟开启+提前关闭的控制方法，碟片（1）在进气门（4）开启前关闭并保持，在进气上止点后60度曲轴转角开启并保持，在进气上止点后120度曲轴转角附近关闭。

一种内燃机快速响应可变进气系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机快速响应可变进气系统及其控制方法，属于内燃机可变气门控制技术领域。
背景技术
内燃机换气效果直接影响着内燃机的性能。传统进气门升程曲线固定的配气机构只能在较小的工况范围内达到较好的换气效果，在其他工况范围内，内燃机性能较差。对此，国内外研究人员在优化全工况换气效果方面进行了大量的研究，如优化进气道结构、可变进气道长度技术、可变涡流进气道、可变稳压腔容积、可变进气门技术等。其中，可变进气门技术在优化全工况换气方面的效果最佳。可变进气门技术的实现效果直接取决于可变进气门驱动系统的运行情况。进气门驱动系统需要同时满足以下基本条件：（a）具有足够大的预紧力来克服进气门受到缸内和气道内压差的作用，以保证进气门的良好关闭；（b）具有足够大的驱动力来克服预紧力、阻力以及开启惯性力，以保证进气门的快速开启；（c）在进气门关闭末期需要具有足够大的落座缓冲力，来实现良好的进气门落座缓冲；（d）具有良好的可靠性等。然而，由于内燃机运行过程中，缸内和气道内压差变化情况决定了进气门驱动系统需要具有很高的预紧力、驱动力和落座缓冲力。这极大地增加了可变进气门驱动系统的开发难度。目前虽然开发出多种可变进气门系统，如机械式、电液式、电磁式、电气式等，但是，由于这些相互制约的条件的存在直接导致了实用化了的可变进气门驱动系统大多为机械式结构。而机械式可变进气门驱动系统的进气门可变灵活程度较电液式、电磁式等可变进气门驱动系统低，这极大地限制了可变进气门技术在改善内燃机性能方面潜力的发挥。
发明内容                            

本发明的目的在于：通过设计一种内燃机快速响应可变进气系统及其控制方法，用于实现：（a）通过控制碟片的启闭状态，实现碟片全开、提前关闭、推迟开启+提前关闭以及多次开启等控制方法，满足不同的内燃机工况对进气量及进气流动的要求，实现与可变进气门技术相近，甚至更好的优化内燃机换气效果，以达到改善内燃机性能的目的；（b）摆脱制约可变进气门技术的限制条件，以降低系统的开发难度；（c）通过合理设计系统结构，使得现有驱动机构即可满足系统的驱动要求，以降低系统开发和使用成本；（d）简化系统的结构，增强系统在实际车辆上的布置灵活度，以拓宽系统的应用前景。
本发明所采用的技术方案是：一种内燃机快速响应可变进气系统，它包括碟片、从动轴和扇形齿板，设置在进气门前的进气道上，所述从动轴的非驱动端穿过进气道第2支座，落座在进气道第1支座內，碟片固定插装在从动轴横槽内，扇形齿板旋转轴落座在进气道第3支座内；从动轴齿轮与扇形齿板第1齿段相啮合；当采用旋转式驱动机构驱动时，扇形齿板旋转轴与旋转式驱动机构相连接；当采用直动式驱动机构时，还包括齿杆和扇形齿板第2齿段，扇形齿板第2齿段与齿杆相啮合，齿杆与直动式驱动机构相连接；当所述进气门采用双进气支管非独立控制的双进气门时，第1进气支管和第2进气支管内分别安装有第1碟片和第2碟片，第1碟片和第2碟片分别插装在第1从动轴和第2从动轴内，第1从动轴和第2从动轴通过齿轮或者多杆联动机构再与扇形齿板相连接，第1碟片和第2碟片插装在一根从动轴内，通过从动轴再与扇形齿板相连接。
所述碟片为椭圆形，椭圆的短轴长度等于进气管的直径d，椭圆的长轴长度为短轴长度与碟片全开与全关之间的夹角θ的余弦的商，即d/cosθ。
所述扇形齿板第1齿段仅保留必要的啮合齿。
一种内燃机快速响应可变进气系统的控制方法，在高速全负荷工况下，在进气门开启阶段内，采用碟片全开的控制方法，碟片始终保持开启状态；在中低速全负荷工况下，采用碟片小幅度提前关闭的控制方法，碟片在进气门开启前开启并保持，在进气门关闭前关闭，并且碟片的关闭时刻随着转速的降低而逐渐提前，碟片关闭正时较进气门关闭正时最大提前80度曲轴转角；在部分负荷下，采用碟片大幅度提前关闭的控制方法，碟片在进气门开启前开启并保持，在进气门关闭前关闭，并且碟片的关闭时刻随着负荷的降低而逐渐提前，碟片关闭正时较进气门关闭正时最大提前160度曲轴转角；在低负荷工况下，采用碟片多次开启的控制方法，碟片在进气门开启前开启，并且在进气门开启后继续保持40度曲轴转角的开启状态后关闭，在进气上止点后70度曲轴转角开启并保持，在进气上止点后110度曲轴转角关闭，或对于所述进气门采用双进气支管非独立控制的双进气门的内燃机，采用碟片不对称启闭的控制方法，在进气门开启阶段内，第1碟片完全关闭，第2碟片则采用提前关闭的控制方法；在怠速下，采用碟片推迟开启+提前关闭的控制方法，碟片在进气门开启前关闭并保持，在进气上止点后60度曲轴转角开启并保持，在进气上止点后120度曲轴转角附近关闭。
本发明的有益效果是：这种内燃机快速响应可变进气系统包括碟片、从动轴和扇形齿板，从动轴齿轮与扇形齿板第1齿段相啮合；当采用旋转式驱动机构驱动时，扇形齿板旋转轴与旋转式驱动机构相连接；当采用直动式驱动机构时，齿杆与直动式驱动机构相连接；当进气门采用双进气支管非独立控制的双进气门时，第1碟片和第2碟片插装在从动轴内，通过从动轴再与扇形齿板相连接。其具有下列几方面的优点：（a）这种内燃机快速响应可变进气系统设置在进气门前的进气道内，在内燃机运行过程中，进气道内气体流动状态对本系统的影响极小，摆脱制约可变进气门驱动系统的限制条件，极大地降低系统的开发难度；（b）通过控制碟片的启闭状态，实现碟片全开、提前关闭、推迟开启+提前关闭以及多次开启等控制方法，满足不同的内燃机工况对进气量及进气流动的要求，实现与可变进气门技术相近，甚至更好的优化内燃机换气效果，改善内燃机性能；（c）椭圆形的碟片设计，减小碟片最大运行角度θ，进而减小驱动机构的运行范围，缩短了系统的响应时间；（d）通过合理选取系统啮合齿轮对的传动比，调节扇形齿板第1齿段的最大运行角度，使得采用现有旋转式或者直动式驱动机构即可满足本系统的驱动要求，降低了系统开发和使用成本；（e）扇形齿板第1齿段仅保留必要的啮合齿，采用扇形结构，降低了系统尺寸，并且各部件位置调节灵活，极大地增强了系统在实际车辆上的适应性。
附图说明
下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。
图1是一种内燃机快速响应可变进气系统的主视图。
图2是图1中的A放大图。
图3是图2中的A-A截面图。
图4是另一种内燃机快速响应可变进气系统的主视图。
图5是图4中的B放大图。
图6是图5中的B-B截面图。
图7是单从动轴双进气支管双进气门的剖视图。
图8是双从动轴双进气支管非独立控制的双进气门的剖视图。
图9是高速全负荷下工况进气门行程曲线和碟片状态图。
图10是中低速全负荷工况下进气门行程曲线和碟片状态图。
图11是部分负荷工况下进气门行程曲线和碟片状态图。
图12是低负荷工况下进气门行程曲线和碟片状态图。
图13是怠速工况下进气门行程曲线和碟片状态图。
图14是低负荷工况下双进气门采用非对称控制方法的进气门行程曲线和碟片状态图。
图中：1、碟片，1-1、第1碟片，1-2，第2碟片，2、从动轴，2-1、第1从动轴，2-2，第2从动轴，2a、从动轴横槽，2b、从动轴齿轮，3、齿杆，4、进气门，5、进气道，5a、进气道第1支座，5b、进气道第2支座，5c、进气道第3支座，6、扇形齿板，6a、扇形齿板第1齿段，6b、扇形齿板旋转轴，6c、扇形齿板第2齿段，7、气缸，8、进气总管，9-1、第1进气支管，9-2、第2进气支管，I、进气门行程曲线，II、碟片启闭状态，II-1、第1碟片启闭状态，II-2、第2碟片启闭状态，a、碟片完全开启状态，b、碟片完全关闭状态。
具体实施方式
图1、2、3示出了一种内燃机快速响应可变进气系统的结构图。图中，内燃机快速响应可变进气系统包括碟片1、从动轴2和扇形齿板6，设置在进气门4前的进气道5上，从动轴2的非驱动端穿过进气道第2支座5b，落座在进气道第1支座5a內，碟片1固定插装在从动轴横槽2a内，扇形齿板旋转轴6b落座在进气道第3支座5c内，从动轴齿轮2b与扇形齿板第1齿段6a相啮合，扇形齿板旋转轴6b与旋转式驱动机构相连接。碟片1为椭圆形，椭圆的短轴长度等于进气管的直径d，椭圆的长轴长度为短轴长度与碟片1全开与全关之间的夹角θ的余弦的商，即d/cosθ。扇形齿板第1齿段6a仅保留必要的啮合齿。
图4、5、6示出了另一种内燃机快速响应可变进气系统的结构图。图中，内燃机快速响应可变进气系统包括碟片1、从动轴2、扇形齿板6和齿杆3，设置在进气门4前的进气道5上，从动轴2的非驱动端穿过进气道第2支座5b，落座在进气道第1支座5a內，碟片1固定插装在从动轴横槽2a内，扇形齿板旋转轴6b落座在进气道第3支座5c内，扇形齿板第2齿段6c与齿杆3相啮合，齿杆3与直动式驱动机构相连接。碟片1为椭圆形，椭圆的短轴长度等于进气管的直径d，椭圆的长轴长度为短轴长度与碟片1全开与全关之间的夹角θ的余弦的商，即d/cosθ。扇形齿板第1齿段6a仅保留必要的啮合齿。
图7示出了单从动轴双进气支管双进气门的结构图。图中，第1进气支管9-1和第2进气支管9-2内分别安装有第1碟片1-1和第2碟片1-2，第1碟片1-1和第2碟片1-2插装在一根从动轴2内，通过从动轴2再与扇形齿板6相连接。
图8示出了双从动轴双进气支管非独立控制的双进气门的结构图。图中，第1进气支管9-1和第2进气支管9-2内分别安装有第1碟片1-1和第2碟片1-2，第1碟片1-1和第2碟片1-2分别插装在第1从动轴2-1和第2从动轴2-2内，第1从动轴2-1和第2从动轴2-2通过齿轮或者多杆联动机构再与扇形齿板6相连接。
图9示出了高速全负荷工况下进气门行程曲线和碟片状态图。在高速全负荷下，为了保证进气量充分，实现内燃机动力输出强劲，采用碟片全开的控制方法，即在进气门4开启阶段内，碟片1始终保持开启状态。
图10示出了中低速全负荷工况下进气门行程曲线和碟片状态图。在中低速全负荷下，由于随着转速的降低，内燃机进气惯性减弱，需要提前结束进气过程来防止进入缸内的工质倒流回进气道。采用碟片小幅度提前关闭的控制方法，即碟片1在进气门4开启前开启并保持，在进气门4关闭前关闭，并且碟片1的关闭时刻随着转速的降低而逐渐提前，碟片关闭正时较进气门关闭正时最大可提前80度曲轴转角左右。
图11示出了部分负荷下进气门行程曲线和碟片状态图。在部分负荷下，为了实现通过控制进气量来控制负荷、以及实现阿克金森循环降低缸内NOx排放的目的，采用碟片大幅度提前关闭的控制方法，即碟片1在进气门4开启前开启并保持，在进气门4关闭前关闭，并且碟片1的关闭时刻随着负荷的降低而逐渐提前，碟片关闭正时较进气门关闭正时最大可提前160度曲轴转角左右。
图12示出了低负荷工况下进气门行程曲线和碟片状态图。在低负荷工况下，为了保证油气混合充分，需要进气具有足够的湍流强度。采用碟片多次开启的控制方法，即碟片1在进气门4开启前开启，并且在进气门4开启后继续保持40度曲轴转角左右的开启状态后关闭，在进气上止点后70度曲轴转角附近开启并保持，在进气上止点后110度曲轴转角附近关闭。
图13示出了怠速工况下进气门行程曲线和碟片状态图。在怠速工况下，为了保证怠速稳定性及降低怠速油耗和排放，采用碟片推迟开启+提前关闭的控制方法，即碟片1在进气门4开启前关闭并保持，在进气上止点后60度曲轴转角附近开启并保持，在进气上止点后120度曲轴转角附近关闭。
图14示出了低负荷工况下双进气门采用非对称控制方法的进气门行程曲线和碟片状态图。在进气门4开启阶段内，第1碟片1-1完全关闭或者采用碟片推迟开启+提前关闭的控制方法，第2碟片1-2则采用提前关闭的控制方法。