[发明专利]柔性时间截面流体控制装置

说明书

本发明适用于流体节流控制领域，主要涉及柔性时间截面流体控制装置(本发明中所指的时间截面定义为：Ω=∫fdt，f为流体通道截面积，dt为时间微分元)，特别是气门式内燃机的进、排气系统中进、排气阀，燃料供给系统中的泵和阀，以及其它阀门式流体节流控制装置。对发动机的气门有效相位、工作时间、有效升程及流体进入汽缸的涡流强度进行柔性控制，能使发动机在不同的工况下获得最优性能指标。

目前，内燃机的气门控制机构中大多采用固定的气门定时、相位和升程，相应的凸轮型线参数的确定通常采用折中设计方案。它代表了某些特定的有限的工况点上的优化方案，而大多数发动机均必须在速度与负荷宽广的范围内工作，因而其不可能兼顾全域工况的综合性能指标，导致存在内燃机的经济、动力性能较差，冷启动受温度影响大、废气排放严重污染环境、加速过程燃烧不良等诸多问题。在众多的试验研究工作中除了优化进、排通道及换气机构的几何参数、采用4气门技术、合理布置气门位置，优化燃烧室结构等外，通过可变气门相位、可变工作时间和可变升程来实现是一条重要途径。

在中外专利文献中，有许多对相位、工作时间及升程其中之一或全部加以改变的例子。与传统气门定时相比较，可变气门定时(VVT)机构明显改善发动机的动力性能以及燃油经济性具有巨大潜力，经济性能改善16％左右，功率提高20％左右。内燃机工作者已提出并实施了许多方案，旨在优化流动过程，改善流体动态特性，但限于制造成本、运行可靠性、机构的复杂性、系统的适用范围等诸多因素，目前只有少数功能简单的系统应用于内燃机产品中。

美国汽车工程师学会(SAE)第970251号(1997年)论文中，德国Berg M等人设计了“△控制--机械全柔性气门控制机构”，其通过在气门顶部附加一个三角形凸轮及牵引杆或挺柱机构和锁紧凸轮等，实现对气门升程、开启时间和相位角连续调整。试验中取得了令人满意的效果，同时，低速下噪声明显降低。但机构及其控制较复杂：其三角形凸轮及其驱动控制机构的通用性较差，对确定几何参数的机构其控制模式不可能进行动态调整；且由于附加机构受力大且复杂，导致增设零部件磨损严重；驱动耗功大；明显影响该机构调节效果的因素较多，它包括：凸轮轴座和机油温度以及发动机转速对斜滑阀的调节作用的影响等负面因素。

迈克尔．B．赖利发明的中国专利号94193867．0，“内燃机所用可变阀门的升程装置”，以改变摇臂和指状从动件的枢轴位置来实现。枢轴及摇臂或指状从动件均有与该枢轴匹配的齿牙枢轴滚动跨过一根固定齿条以改变阀门升程与凸轮升程的比率。调整间隙对于枢轴的所有位置均可是恒定的，或可随枢轴的位置而改变。由枢轴支承导板与一个固定的齿条刻划的枢轴运动轨迹，可为一环形或接近此环形的弧形。改变调节间隙与枢轴位置之间的关系产生出受控的相位变化及工作时间变化。该装置附加零部件较多，机构复杂等，存在以下缺陷：由于依赖变动摇臂某个支承点的方式实现位移的缩小或放大，因而为克服气门弹簧力摇臂的受力的大小将随支承点的运动而变化，从而导致齿条的磨损不均匀，尤其是在气门最大升程时磨损最为严重；由于摇臂传动比的变化引起阀门间隙随之变化；对于确定的摇臂和驱动凸轮，其摇臂传动比及阀门升程比率受限于零件的几何参数，从而限制其调节作用范围；由于附加零部件受力大、运动阻力大、传动环节多等而影响其动态响应特性。

Hara．S．的美国专利US5452694，“配气相位改变装置”；Haas M.的德国专利DE4404145，“配气相位改变装置”及Spath MJ．的美国专利US5431133，“气门升程改变装置”等的共同特点是在凸轮轴上为驱动每个气门配置了两组或三组凸轮，分别对应于发动机高、中、低速时的配气要求，在实践中可满足部分要求，取得了良好的效果。但由于调节作用是分段式进行的，因而其适应性受到限制，不可能在全域工况范围内达到最佳、且需要增设相应的机构用于完成从一个凸轮到另一个凸轮的过渡机构及由于运动环节增加而导致间隙变化而增设的间隙补偿器，同时由于输入量的不连续而影响性能输出指标。