專利名稱：提高內(nèi)燃機氣門平均開度的中心圓弧型凸輪機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在內(nèi)燃發(fā)動機中提高氣門平均開度的結(jié)構(gòu)。特別是提供一種使氣門早期升至全開和晚遲回閉的正時凸輪機構(gòu)，內(nèi)容包括一種輕負(fù)荷彈性氣門和一種中心圓弧型凸輪，作用是為機組運轉(zhuǎn)減負(fù)和強化進排氣效率，大幅提升發(fā)動機的凈功率。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)動機是用曲軸動力驅(qū)動正時凸輪來控制氣門開閉。在進氣行程中，是由活塞抽吸空氣進入汽缸噴油燃燒，膨脹氣體推動活塞移動做功產(chǎn)生動力，然后再排出燃燒廢氣。衡量發(fā)動機功率大小的參數(shù)是“排量"。發(fā)動機排量=汽缸工作容積X汽缸數(shù)量。在理論上；汽缸容積越大，吸氣就越多，輸出功率就越大。但實際情況是:吸氣過程要受到氣門的開閉工況的直接影響，真正容納空氣的效率很低。控制氣門開度的是凸輪，所以；凸輪的輪廓形狀也能夠決定內(nèi)燃機功率。內(nèi)燃機氣門是一種彈性氣門，氣門在配氣機構(gòu)中的主要作用是密封和控制流量。在四沖程發(fā)動機中曲軸每旋轉(zhuǎn)兩周，進排氣門各完成一次開閉。決定氣門彈性的是彈簧，當(dāng)前內(nèi)燃機氣門采用的彈簧是一種等螺距圓柱型螺旋壓縮彈簧，這是一種定剛度彈簧，最大彈力=剛度常數(shù)X氣門升程。由于彈性是隨壓縮量的變化直線增大，凸輪驅(qū)動氣門的阻力也巨大，所以；可稱其為強力彈性氣門。我們將氣門的彈性作用可分為兩階段，第一階段是氣門安裝保持一定張緊度的初緊彈性，第一階段彈性決定氣門與缸蓋間之間的密封性，密封越好、引擎動力越大。第二階段是凸輪頂開氣門的壓縮彈性，第二階段彈性越大，凸輪驅(qū)動氣門耗能就越大，在強力彈性氣門中，如果要降低能耗，氣門的密封性能就會減弱。為了說明當(dāng)今內(nèi)燃機凸輪頂壓氣門所消耗的能量究竟有多大，舉一實驗示例并作出分析:一種六缸柴油發(fā)動機氣門的安裝初緊力為90N，氣門升程為15_，凸輪頂壓氣門升至全開時的作用力為350N。根據(jù)這一結(jié)果推導(dǎo)；在該機上共并聯(lián)有12個氣門，驅(qū)動凸輪機構(gòu)每完成一次工作循環(huán)，最大功耗能就要超過4000N。如果曲軸每分鐘旋轉(zhuǎn)數(shù)千轉(zhuǎn)，驅(qū)動凸輪需要提供過多大能量？因為氣門的彈性強度涉及到巨大的能量消耗問題，所以；當(dāng)今內(nèi)燃機氣門的彈性強度是否科學(xué)合理，應(yīng)該重新審視。內(nèi)燃發(fā)動機如果內(nèi)耗過大，輸出動力就會減低。當(dāng)今內(nèi)燃機的效能低、油耗高與機組內(nèi)部耗能過大有關(guān)，要改變內(nèi)燃機動力應(yīng)首先開展減負(fù)。由于配氣機構(gòu)的原理和結(jié)構(gòu)特殊，牽一而發(fā)動全身，特別是涉及氣門彈性強度方面，稍有不當(dāng)就會造成相關(guān)部件的損壞。因風(fēng)險較大，所以，關(guān)于變革氣門彈性強度方面的技術(shù)討論相對較少。配氣相位是以曲軸轉(zhuǎn)角來反映凸輪頂壓氣門開閉時，活塞在汽缸內(nèi)的位置變化情況。在進氣過程中；活塞由上止點到下止點曲軸旋轉(zhuǎn)180度，氣門完成一次開閉凸輪同步轉(zhuǎn)動90度。當(dāng)今內(nèi)燃機凸輪采用的是一種漸開線凸輪，輪廓曲線形狀呈桃子形，俗稱桃子(軸)輪，凸輪在90度轉(zhuǎn)角內(nèi)，至45度時氣門升至全開，越過45度氣門就開始關(guān)閉。整個過程中氣門處于最大開度的時間只有一瞬間?？梢哉J(rèn)為；當(dāng)今內(nèi)燃機氣門實際是一種半掩式氣閥門，不僅通過氣流小，而且使活塞在吸氣時要遭受極強的真空阻力，尤其在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，氣門開閉頻率高，時間又非常短暫，所以，由桃子凸輪機構(gòu)控制的進排氣；效率低、內(nèi)阻大,發(fā)動機也就油耗高、動力差。為解決上述問題，2005年日本發(fā)明了一種可變氣門控制裝置，該技術(shù)的主要原理作用是:在發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，通過控制曲軸與凸輪軸之間的位置距離來降低氣門的開度以提供較少的燃?xì)狻．?dāng)發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，控制裝置就恢復(fù)氣門開度，提供較多的燃?xì)?，以此方法實現(xiàn)內(nèi)燃機經(jīng)濟運行?？勺儦忾T技術(shù)不涉及氣門彈性和凸輪輪廓形狀變化，也就不能整體提升氣門的平均開度?？勺兪綒忾T的不足之處是:一，低速時降低氣門開度也必然影響發(fā)動機低速動力，二，整體降低平均開度必然會整體增大活塞的真空阻力，三，可變氣門控制裝置使發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，使用成本增高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于提高內(nèi)燃機氣門的平均開度。提供一種使內(nèi)燃機氣門早期全開并延遲關(guān)閉的凸輪機構(gòu)。內(nèi)容涉及一種輕負(fù)荷彈性氣門和一種中心圓弧型凸輪。以此提高進排氣效率、降低內(nèi)阻、增強動力、節(jié)省燃油。實現(xiàn)氣門早期全開涉及到氣門必須快速升降，凸輪在瞬間轉(zhuǎn)至凸頂會引發(fā)彈性應(yīng)力集中，機構(gòu)因此要承受巨大的彈性載荷，這極易導(dǎo)致輪軸的折斷和從動部件的損壞。這是業(yè)內(nèi)認(rèn)為不能突破的禁區(qū)，為此；關(guān)鍵技術(shù)在于如何能夠消除氣門的巨大彈性阻力。根據(jù)本發(fā)明建立的氣門彈性作用兩階段理論:起密封作用的安裝初緊彈性應(yīng)該越大越好，頂壓氣門開啟的壓縮彈性阻力應(yīng)該越小越好。由于頂開氣門是凸輪提供動力，關(guān)閉氣門則是利用壓縮彈簧的儲能。所以；只要能確保氣門自動返程，就是機構(gòu)實際所需最大壓縮彈性。氣門的安裝初緊彈力儲能較小，不能保證其安全回位，必須要在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大彈性。根據(jù)實驗得知；最大壓縮彈性設(shè)置為初緊彈性的1.6倍左右時，配氣機構(gòu)就能夠基本保持發(fā)動機的正常運行。但在進一步測定中:將最大壓縮彈性力設(shè)置在初緊彈力的2.1倍區(qū)間，發(fā)動機就進入到一種最佳運轉(zhuǎn)狀態(tài)，表現(xiàn)出空前的輕快有力。綜合多種其它因素后，可以認(rèn)為:氣門的最大壓縮彈性應(yīng)為初緊彈力的2.1-2.6倍。根據(jù)上述實踐，可以對兩種氣門的彈性負(fù)荷作一比對:如前所述六缸柴油發(fā)動機，所測氣門的初緊彈力為90N，升程為15mm，按照彈性作用兩階段理論:所述六缸柴油發(fā)動機氣門的最大壓縮彈性力實際只需210N，而不是350N，降低內(nèi)阻40%左右。但是；如果仍采用定剛度圓柱型壓縮彈簧，其剛度系數(shù)不變，當(dāng)最大壓縮彈性力定為210N時，初緊彈性就會隨之降為53N，氣門與缸蓋之間就無法密封。因此，要實施輕負(fù)荷必需采用一種變剛度壓縮彈簧。輕負(fù)荷彈性氣門的壓縮彈力=初緊彈力+漸增彈力，式中的“漸增彈力”的增量，主要限于滿足氣門自動返程。變剛度彈簧的特點是可以滿足機構(gòu)不同階段的實際需求，而且改變彈簧剛度的方式很多可供選擇。在實際中，采用改變彈簧中徑的方法比較切合實際。為簡化設(shè)計，可將螺旋彈簧的螺距定為等螺距。減輕氣門彈性負(fù)荷之后，同時也解決了彈性應(yīng)力集中的問題，使內(nèi)燃機氣門實施早期全開的方案成為可行。
根據(jù)以上論述，提出以下具體方案:1:在進氣相位中，將凸輪轉(zhuǎn)角提早到15-30度就使氣門升至全開，再延續(xù)到60-75度才使氣門開始回閉。2:凸輪的輪廓曲線形成方法是:在相位坐標(biāo)順時針轉(zhuǎn)角15-30度，以坐標(biāo)中心或基圓圓心到凸頂?shù)木嚯x(氣門升程)為半徑，在相位坐標(biāo)45度線上左右轉(zhuǎn)15-30度畫一條圓弧，這條圓弧就作為凸頂?shù)妮喞€，稱為中心半徑圓弧輪廓曲線，簡稱:“中心圓弧”，中心圓弧兩端對應(yīng)“中心”或“圓心”的夾角為30-60度。如此，氣門處于全開的時間就得以大幅度延長。4:采用一種直徑更大的變剛度螺旋壓縮彈簧；提高氣門的安裝初緊彈力，進一步增強氣門與缸蓋之間的密封性。同時，降低氣門的壓縮彈性，減輕驅(qū)動耗能。5:一種彈簧所涉及的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求內(nèi)容太多，為簡化設(shè)計；變剛度彈簧的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求，采取借用原機或同類型內(nèi)燃機參比方式進行調(diào)整，其變化內(nèi)容主要涉及:彈簧鋼絲直徑、彈簧中徑、和彈簧的幾何形狀。未提及更改的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求都作為技術(shù)保留，在此不另加論述。6:腰鼓型彈簧和圓錐型彈簧都很適應(yīng)輕負(fù)荷彈性氣門的工作特性，還可以在其基礎(chǔ)上作出其它變形。


圖1是中心圓弧型凸輪控制輕負(fù)荷彈性氣門的凸輪機構(gòu)示意圖；圖2是配氣相位中凸輪的輪廓曲線形狀圖。圖3是提高氣門開度后的內(nèi)燃機氣門開度曲線。圖4輕負(fù)荷彈性氣門的彈力變化特性曲線。圖5圓錐型螺旋壓縮彈簧組成的輕負(fù)荷彈性氣門。在圖1、2、4、5中:1、氣門；2、缸蓋；3、彈簧；4、彈簧座；5、鎖片；6、凸輪；7、凸頂；
8、中徑線；9、基圓；10、中心圓弧線；11、輕負(fù)荷彈性氣門的特性線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖具體說明:在圖1中的凸輪機構(gòu)主要由:氣門1、缸蓋2、彈簧3、和凸輪6等構(gòu)件組成。氣門I彈性區(qū)分為一種安裝初緊彈性和一種張開壓縮彈性。為進一步提高氣門I與缸蓋2之間的密封性，在機構(gòu)中增強了初緊彈性。為減輕凸輪6驅(qū)動負(fù)荷，采用降低氣門I的壓縮彈性。具體采用的彈簧3是一種變剛度螺旋壓縮彈簧，彈簧特性為漸增型，其最大壓縮彈力控制為初緊彈力的2.1-2.6倍。由于氣門I彈性大大減弱，因此稱為輕負(fù)荷彈性氣門I。圖中腰鼓型彈簧3的中徑變化是從兩端向中間逐漸增大，中徑線8呈兩條對稱圓弧線，中徑的大小相差6-12mm.，圓弧中徑線8也可以演變成直線。在安裝時；上端連接彈簧座4進行壓縮，然后由鎖片5將氣門I卡住，與缸蓋之間形成固定的初緊力。腰鼓型彈簧3的壓縮變形是從中間逐漸移向兩端，彈性呈漸增式變化。機構(gòu)中的凸輪6是一種中心圓弧式凸輪6。因氣門I的彈性負(fù)荷減弱，其快速升降可能導(dǎo)致彈性應(yīng)力集中的危害因素消除，它的曲面凸頂7輪廓因此可設(shè)計成一條中心圓弧線10，使凸輪6在配氣相位中轉(zhuǎn)角15-30度就能達(dá)到凸頂7，從而實現(xiàn)氣門I的早期全開和延遲回閉，早期全開和延遲回閉既增大內(nèi)燃機的進氣量同時又減輕了活塞的吸氣阻力。增強初緊彈性可采用增大彈簧3鋼絲直徑方式，同比原機定剛度彈簧的直徑加大
0.2-0.5mm，使其在3.5-4.5mm之間。也可以采用加大彈簧3螺距的方式，不過，初緊彈性原本設(shè)置較大的機型應(yīng)保持不變。圖2是以曲軸轉(zhuǎn)角畫出的配氣相位坐標(biāo)，圖中坐標(biāo)的中心與凸輪6基圓9的圓心重合?；鶊A9到凸頂7的距離為氣門I升程。凸頂7的曲線輪廓是以基圓9圓心或坐標(biāo)中心到凸頂7的距離作為半徑畫出的一條弧線，夾角Z BOC為30-60度，弧線兩端對應(yīng)園心的直線長度相等。所以，稱其為中心圓弧線10，凸輪6也因此稱為中心圓弧型凸輪。圖3是表示由中心圓弧式凸輪6控制輕負(fù)荷彈性氣門I開閉的開度變化曲線。橫坐標(biāo)表示凸輪6在配氣相位中完成一次開閉的90度轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)表示氣門I的升程高度。開度曲線形狀如同一梯形，頂部直線示意氣門I處于最大開度。圖4是變剛度螺旋壓縮彈簧組成輕負(fù)荷彈性氣門I的彈性變化曲線。橫坐標(biāo)表示壓縮氣門I產(chǎn)生的移動變量，縱坐標(biāo)表示凸輪6施加在氣門I上載荷變量。特性線11顯示:在初緊彈性載荷的基礎(chǔ)上，壓縮彈性載荷是隨著氣門I的移動張開平緩地漸增。圖5是彈簧3外形為圓錐型，形成了由變剛度圓錐型螺旋壓縮彈簧3組成的輕負(fù)荷彈性氣門，其中徑線8為兩條對稱性非平行直線，其頂部連接彈簧座4，適用于中、小型內(nèi)燃發(fā)動機。通過減負(fù)及進排氣效率提高，本發(fā)明使內(nèi)燃機提速大大快、運轉(zhuǎn)輕松、噪音低、升溫慢，尤其對多氣門發(fā)動機效果更為顯著?？梢虼嗽龃髢?nèi)燃機功率20-30%，這不僅實現(xiàn)了內(nèi)燃機動力技術(shù)的變革，而且因促進燃燒使排放尾氣的煙度指標(biāo)也大幅降低，環(huán)保性能也隨進入更高階段。由于成本低、收效大，全面普及可節(jié)省大量的燃油及社會資源。輕負(fù)荷彈性氣門I技術(shù)也可以單獨與原機桃子凸輪機構(gòu)配合應(yīng)用，但中心圓弧型凸輪6則必須配合輕負(fù)荷彈性氣門I技術(shù)才能應(yīng)用。形成氣門I早期全開主要依靠凸頂7的中心圓弧型輪廓，所述核心技術(shù)內(nèi)容只要作出改進都能產(chǎn)生一定效果，所以:不能認(rèn)為本發(fā)明僅限于上述示例性實施例中所述的技術(shù)參數(shù)，而應(yīng)在于所采用的整體技術(shù)方案，以及下列權(quán)利要求書中提到的技術(shù)特征。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、改進等，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃發(fā)動機正時凸輪機構(gòu)，主要由氣門(I)、缸蓋(2)、彈簧⑶和凸輪(6)組成，機構(gòu)中的氣門⑴是一種彈性氣門，氣門彈性是由彈簧⑶的彈力特性所決定，氣門(I)開閉是由凸輪(6)控制，其特征在于所述彈性氣門(I)是一種輕負(fù)荷彈性氣門，所述輕負(fù)荷彈性氣門所用的彈簧(3)是一種變剛度螺旋壓縮彈簧；其彈力特性線是一條漸增型曲線(11)，所述凸輪(6)是一種中心圓弧式凸輪，由其控制的氣門(I)開閉；是早期升至全開、晚遲回程關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正時凸輪機構(gòu)，特征在于將所述彈性氣門(I)的彈力區(qū)分為一種安裝初緊彈力和一種張開壓縮彈力，實施的是將初緊彈力增強、將壓縮彈力減弱，在初緊彈力確定之后；將最大壓縮彈力設(shè)置為初緊彈力的2.1-2.6倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的正時凸輪機構(gòu)，其特征還在于增強初緊彈力是將氣門彈簧(3)的鋼絲直徑加大0.2-0.5mm，或者是采用加大彈簧(3)螺距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正時凸輪機構(gòu)，其特征在于所述變剛度螺旋壓縮彈簧(3)是采用改變彈簧中徑尺寸來改變壓縮彈簧的剛度，外形主要為腰鼓型，其中腰鼓型彈簧(3)的中徑線(8)為兩條對稱園弧線,兩端小、中間大、大小徑相差6-12mm.。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正時凸輪機構(gòu)，其特征在于所述變剛度螺旋壓縮彈簧(3)是采用改變彈簧中徑尺寸來改變壓縮彈簧的剛度，外形主要為圓錐型，圓錐型彈簧(3)的中徑線(8)為兩條對稱性非平行直線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的正時凸輪機構(gòu)，特征在于所述中心圓弧式凸輪可由桃子型凸輪機構(gòu)替換，所述輕負(fù)荷彈性氣門(I)與桃子型凸輪機構(gòu)組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正時凸輪機構(gòu)，其特征在于中心圓弧式凸輪(6)控制輕負(fù)荷彈性氣門(I)的早期全開，是凸輪(6)在配氣相位規(guī)定的90度轉(zhuǎn)角中，由零度轉(zhuǎn)至15-30度就到達(dá)凸頂(7)位置，晚遲回閉是氣門(I)全開持續(xù)到60-75度才回程關(guān)閉。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的正時凸輪機構(gòu)，其特征還在于所述中心圓弧式凸輪(6)的凸頂(7)曲線輪廓，是以基圓(9)園心到凸頂(7)之間的距離為半徑畫出的一條中心圓弧線(10)，夾角Z BOC為30-60度，弧線兩端對應(yīng)圓心的直線長度相等。
全文摘要
本發(fā)明提出在內(nèi)燃機中應(yīng)用一種使氣門早期全開和晚遲回閉的凸輪機構(gòu)，整體提高氣門的平均開度，深度強化進排氣效率。內(nèi)容包括提供一種輕負(fù)荷彈性氣門和一種中心圓弧型凸輪。通過提高氣門的安裝初緊彈性及降低氣門開啟的阻力彈性，進一步增強氣門密封性同時為內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)減負(fù)。實際效果是發(fā)動機內(nèi)阻減小，運轉(zhuǎn)輕松、提速加快、進氣增多、爆發(fā)力強，水溫降低、燃燒更充分。尤其對多氣門布置的發(fā)動機效果更為顯著?？梢虼嗽谠龃蠊β?0-20％的同時減少供油20-30％。成為內(nèi)燃機動力技術(shù)的又一重大突破。
文檔編號F01L1/06GK103161536SQ20111042196
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者梅向東 申請人:攀枝花市東林科技開發(fā)有限公司, 梅向東