一種活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，它利用剪切增稠液臨界速率相變特性和凸輪變速曲線驅動規(guī)律，根據(jù)凸輪轉速(或發(fā)動機轉速)變化，自適應獲得與凸輪轉速變化同向變化的剪切增稠挺柱的有效長度，自動調整氣門開啟提前角、升程和關閉延遲角，從而提高發(fā)動機的動力性、強化程度、低溫起動性、低速穩(wěn)定性、經濟性和排氣清潔性。該技術方案無需電子控、機械結構簡單、工作可靠、布置方便、成本較低、維修容易、發(fā)動機動力輸出流暢，能廣泛應用于各類活塞式發(fā)動機的氣門驅動。
【專利說明】一種活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種活塞式發(fā)動機氣門的驅動技術，具體涉及活塞式發(fā)動機氣門開啟 提前角、關閉延遲角和升程可變的氣門凸輪驅動【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 當前，提高發(fā)動機性能（包括動力性、經濟性、強化程度、排氣清潔性、低速穩(wěn)定性 和低溫起動性等），已成為發(fā)動機技術研究追求的最重要的目標?；钊桨l(fā)動機結構優(yōu)化、 燃燒機理和試驗等方面的研究結果告訴我們：氣門正時（對應氣門開啟提前角、關閉延遲 角和持開角。它們是指：以發(fā)動機活塞壓縮上止點或排氣上止點為參考點，氣門提前開啟時 亥IJ、延遲關閉時刻和持續(xù)開啟時間對應的曲軸轉角，氣門持開角等于氣門開啟提前角和關 閉延遲角之和）和氣門升程（對應氣門閥口開度），直接影響了氣缸充氣系數(shù)和進氣質量 (狀態(tài)和可燃混合氣均勻度），進而影響了發(fā)動機各種性能。在氣門開啟提前角、關閉延遲 角和升程不變的情況下，隨發(fā)動機轉速的增加，進排氣速度增加，氣門閥口節(jié)流阻力急劇增 加（由流體力學知識很容易知道），引起進氣充分性和排氣徹底性急劇惡化、氣缸充氣系數(shù) 急劇下降，導致發(fā)動機動力性和強化程度急劇下降；發(fā)動機在低溫（發(fā)動機熱車狀態(tài)，轉速 較低）和低速工況下，若氣門升程過大、氣體（混合氣或空氣）進入氣缸的速度較小，缸內 氣體狀態(tài)不佳，混合氣進一步混合或形成困難，燃燒時混合氣的均勻度差，燃燒不穩(wěn)定、不 徹底，導致發(fā)動機低溫起動困難、低速運轉不平穩(wěn)、經濟性和排氣清潔性差。也就是說，發(fā)動 機在高速工況下，要獲得更佳的動力性和強化程度，氣門應有較大的開啟提前角、關閉延遲 角和升程；低溫、低轉速工況下，發(fā)動機要獲得更佳低溫起動性、低速穩(wěn)定性、經濟性和排氣 清潔性，氣門應有較小的升程。
[0003] 通過氣門控制實現(xiàn)發(fā)動機性能優(yōu)化，是當前活塞式發(fā)動機技術研究的重點課題。 現(xiàn)有氣門正時和可變升程控制技術方案主要有以下幾種：① VVT (可變氣門正時系統(tǒng)）：由 ECU (電控單元）協(xié)調控制，來自發(fā)動機各部位的傳感器隨時向ECU報告運轉工況。ECU中儲 存有氣門更佳正時參數(shù)（由實驗標定），隨時控制凸輪軸正時控制液壓閥，根據(jù)發(fā)動機轉速 調整氣門的開啟時刻，試圖達到優(yōu)化燃燒效率目的；②i-VTEC(智能可變氣門正時系統(tǒng)） ： 利用中間搖臂和中間凸輪即實現(xiàn)了氣門升程變化。當發(fā)動機達到一定轉速時，系統(tǒng)就會 控制連桿將兩個進氣搖臂和中間搖臂連接為一體，三個搖臂就會同時被高角度凸輪驅動， 而氣門升程也會隨之加大，單位時間內的進氣量更大，從而發(fā)動機動力更強；③MIVEC (可 變氣門正時與升程管理系統(tǒng)）：對于每缸四氣門發(fā)動機，采用兩進兩排的設計，控制每缸 兩個進氣門的開閉。在低速時，MIVEC系統(tǒng)發(fā)出指令控制兩個進氣門其中一個升程很小， 這時相當于一臺兩氣門發(fā)動機。由于只有一個進氣門工作，吸入的空氣不會通過汽缸中 心，所以能產生較強的進氣渦流，對于低速行駛，尤其是冷車怠速條件下能提高燃燒速率， 使燃燒更充分從而大大提高了經濟性；④VVEL (連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)）：在驅動氣門運 動的搖臂有一組螺桿（螺栓）和螺套（螺母），螺套由一根連桿與控制桿相連，連桿又和 一個搖臂和控制桿相連帶動氣門頂端的凸輪。螺套的橫向移動可以帶動控制桿轉動，控制 桿轉動時上面的搖臂隨之轉動，而搖臂又與1 inkB(連桿B)相連，搖臂逆時針轉動時就會 帶動link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會頂起氣門來改變氣門升程； ⑤Double-VANOS(雙凸輪軸可變氣門正時系統(tǒng)）：根據(jù)油門踏板和發(fā)動機轉速控制扭矩曲 線，進氣和排氣氣門正時根據(jù)凸輪軸上可控制的角度按照發(fā)動機的運行條件進行無級的精 準調節(jié)。通過移動凸輪軸的位置，在發(fā)動機低轉速時氣門延時打開，提高怠速質量并改進功 率輸出的平穩(wěn)性，轉速增加時，氣門提前打開，增強扭矩，降低油耗并減少排放。發(fā)動機高轉 速時，氣門重新又延時打開，為全額功率輸出提供條件。
[0004] 上述技術方案存在的問題：① VVT技術，結構較復雜、控制較困難，實踐證明，對 發(fā)動機性能提升作用并不明顯；②i-VTEC技術，結構復雜、控制較困難，動力輸出線性差， 發(fā)動機性能提升不夠理想；③MIVEC技術，結構更加復雜、控制較困難，動力輸出不夠線 性，發(fā)動機性能提升也不夠理想；④WEL技術，結構和控制非常復雜、布置和控制較困難； ⑤Double-VANOS技術，結構非常復雜，控制較困難?？傊?，上述技術，由于采用了電子控制 技術和較為復雜的機械結構，都存在故障點多、工作可靠性低、成本較高、結構布置和維修 困難的問題，且有的對提升發(fā)動機性能作用并不理想。


【發(fā)明內容】

[0005] 針對以上問題，本發(fā)明公開了一種活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)， 它利用剪切增稠液臨界速率相變特性（即剪切增稠液在受到外力的剪切擾動，其速率達到 特定值時，發(fā)生相變、且可逆的特性，這個速率特定值稱為該剪切增稠液的臨界速率）和凸 輪變速曲線驅動規(guī)律，根據(jù)凸輪轉速（或發(fā)動機轉速）變化，自適應獲得與凸輪轉速變化同 向變化的剪切增稠挺柱的有效長度，自動調整氣門開啟提前角、升程和關閉延遲角，從而提 高發(fā)動機的動力性、強化程度、低溫起動性、低速穩(wěn)定性、經濟性和排氣清潔性。該技術方案 無需電子控、機械結構簡單、工作可靠、布置方便、成本較低、維修容易、發(fā)動機動力輸出流 暢，能廣泛應用于各類活塞式發(fā)動機的氣門驅動。
[0006] 結構和功能
[0007] -、結構組成：由凸輪、機架、機體、剪切增稠挺柱、氣門彈簧座、氣門彈簧和氣門等 組成；其中：剪切增稠挺柱由大活塞、小活塞、活塞回位彈簧、剪切增稠液、橡膠套管和上下 底座組成。
[0008] 二、聯(lián)接：氣門桿部向上安裝在機體上的臺階孔的小孔內后，在氣門桿上套裝氣門 彈簧并安裝氣門彈簧座，氣門彈簧座和機體約束氣門彈簧產生一定預緊力；大活塞和小活 塞套裝，形成的空腔內安裝剪切增稠組件，構成剪切增稠挺柱；橡膠套管兩端分別與上下底 座的小頭聯(lián)接，形成的空腔內安裝以上下底座小頭定心的活塞回位彈簧、并填充剪切增稠 液，構成剪切增稠組件；上下底座的大頭分別用大活塞和小活塞內腔底部的中心孔定心； 大活塞和小活塞約束活塞回位彈簧產生一定預緊力；剪切增稠挺柱安裝在機體上的臺階孔 的大孔內，小活塞頂面頂在氣門桿頂面上，大活塞頂面頂在凸輪輪廓上；凸輪繞機架上的轉 動中心轉動。
[0009] 三、結構特點：①凸輪輪廓由基圓圓弧、加速推程曲線、長度不大的過渡圓弧、減速 回程曲線依次圓滑連接而成；②大活塞外圓柱面上有儲油環(huán)槽、儲油環(huán)槽位置有徑向油孔、 內腔底部有上下底座定位中心孔；③機體上有氣道（進氣道和排氣道，受氣門控制與氣缸 適時聯(lián)通）、臺階孔和與發(fā)動機主油道聯(lián)通的油道；④在大活塞上止點位置（大活塞頂面與 凸輪基圓圓弧接觸）時，其儲油環(huán)槽與機體上的油道聯(lián)通；⑤小活塞外圓柱面尾部有儲油 槽，用于潤滑；頂部有通孔，用于泄油冷卻和消除背壓；內腔底部有上下底座定位中心孔； ⑥橡膠套管與上下底座密封緊固裝配，以防止剪切增稠液外溢并隔絕空氣；⑦活塞回位彈 簧最大變形時的彈力小于氣門彈簧的預緊力；⑧氣門彈簧獨自、或與活塞回位彈簧共同作 用，實現(xiàn)系統(tǒng)的力鎖合。
[0010] 四、系統(tǒng)工作分析
[0011] 1、凸輪輪廓驅動分析（按凸輪轉動方向順序說明）
[0012] ①基圓：工作曲線為基圓圓弧，凸輪驅動半徑不變（驅動半徑變化速度為零）。除 凸輪繞機架上的轉動中心轉動，其它各組成部分狀態(tài)和位置不變，系統(tǒng)在氣門彈簧和活塞 回位彈簧作用下保持力鎖合。
[0013] ②推程：工作曲線由加速推程曲線和過渡圓弧起點到凸輪最大升程點部分組成， 凸輪驅動半徑由基圓半徑逐漸增加到凸輪最大升程點對應的半徑。在加速推程曲線上，驅 動半徑以與凸輪轉速對應的加速度加速增大，推動大活塞和上下底座的上底座下移，速度 由零加速增加到與凸輪轉速對應的最大值；在過渡圓弧起點到凸輪最大升程點部分上，驅 動半徑以與凸輪轉速對應的加速度減速增加，推動大活塞和上下底座的上底座減速下移， 速度由與凸輪轉速對應的最大值減速減小到零。
[0014] 在上述過程中，加速推程曲線上定有一位置點，這個位置點驅動時，大活塞和小活 塞（或上下底座）相對運動、以及活塞回位彈簧和橡膠套管對剪切增稠液的剪切擾動速度 大小增加到剪切增稠液相變臨界速率，剪切增稠液由液態(tài)變成固態(tài)，剪切增稠挺柱變?yōu)閯?性并獲得對應的有效長度。此位置點以前，由于活塞回位彈簧的彈力小于氣門彈簧的預緊 力，加速推程曲線上各點驅動大活塞和上下底座的上底座下移，壓縮活塞回位彈簧和剪切 增稠液，使橡膠套管彈性膨脹，而上下底座的下底座、小活塞和氣門位置不變，氣門閥口保 持關閉；此位置點以后，加速推程曲線上各點驅動剛性剪切增稠挺柱，推動氣門下移，打開 氣門閥口，并壓縮氣門彈簧。
[0015] ③回程：工作曲線由凸輪最大升程點到過渡圓弧終點部分和減速回程曲線組成， 凸輪驅動半徑由凸輪最大升程點對應的半徑逐漸減小到基圓半徑。在凸輪最大升程點到過 渡圓弧終點部分上，驅動半徑以與凸輪轉速對應的加速度加速減小，在氣門彈簧力的作用 下，大活塞和上下底座的上底座隨凸輪轉動加速上移，速度由零加速增加到與凸輪轉速對 應的最大值；在減速回程曲線上，驅動半徑以與凸輪轉速對應的加速度減速減小，在彈簧力 的作用下，大活塞和上下底座的上底座隨凸輪轉動減速上移，速度由與凸輪轉速對應的最 大值減速減小到零。
[0016] 在上述過程中，減速回程曲線上定有一位置點，這個位置點驅動時，大活塞和小活 塞（或上下底座）相對運動、以及活塞回位彈簧和橡膠套管對剪切增稠液的剪切擾動速度 大小減小到剪切增稠液相變臨界速率，剪切增稠液由固態(tài)變成液態(tài)，剪切增稠挺柱恢復自 由。此位置點以前，氣門和剪切增稠挺柱在氣門彈簧作用下，隨凸輪轉動減速上移，氣門閥 口逐漸關閉；此位置點以后，由于剪切增稠挺柱恢復自由，氣門在氣門彈簧作用下，加速上 移、迅速落座，氣門閥口迅速關閉，同時推動小活塞和上線底座的下底座壓縮活塞回位彈簧 和剪切增稠液，使橡膠套管繼續(xù)彈性膨脹。然后，隨凸輪轉動，驅動半徑繼續(xù)減小至凸輪基 圓半徑，大活塞和上下底座的上底座在活塞回位彈簧作用下，減速上移至上止點位置（凸 輪基圓圓弧驅動位置），同時橡膠套管回彈。
[0017] 上述②③所述的位置點，前者對應氣門開啟提前角、后者對應氣門關閉延遲角，剪 切增稠挺柱的有效長度（凸輪升程一定）對應氣門最大升程（和氣門閥口最大開度）。當 凸輪轉速（或發(fā)動機轉速）增大時，由于凸輪升程一定，在加速推程曲線和減速回程曲線上 的驅動半徑變化的加速度增大（與凸輪轉速對應的最大值速度也增大），所述兩位置點必 然分別靠近加速推程曲線的起點（基圓圓弧與加速推程曲線的接點）和減速回程曲線的終 點（減速回程曲線與基圓圓弧的接點），氣門開啟提前角、剪切增稠挺柱有效長度和氣門關 閉延遲角都增大，氣門持開角和升程（或氣門閥口開度）都增大；當凸輪轉速（或發(fā)動機轉 速）減小時，所述兩位置點必然分別遠離加速推程曲線的起點和減速回程曲線的終點，剪 切增稠挺柱有效長度減小，氣門升程和氣門閥口開度都減小。
[0018] 綜上所述，該系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動機轉速（或凸輪轉速）變化，自適應獲得剪切增稠挺 柱的有效長度，從而自動調整氣門開啟提前角、升程和關閉延遲角。發(fā)動機高速工況下（凸 輪轉速高），剪切增稠挺柱的有效長度較大，氣門開啟提前角、關閉延遲角和升程較大，氣 門開啟時間較長（氣門持開角較大）、氣門閥口開度較大（節(jié)流阻力?。M氣充分、排氣徹 底，氣缸充氣系數(shù)大，發(fā)動機有更佳的動力性和強化程度；低溫和低轉速工況下（凸輪轉速 低），剪切增稠挺柱的有效長度較小，氣門升程較小，氣門閥口開度較小，氣體（混合氣或空 氣）進入氣缸的速度大，缸內混合氣狀態(tài)好，容易進一步混合形成均勻混合氣，燃燒容易、 穩(wěn)定、徹底，發(fā)動機有更佳的低溫起動性、低速穩(wěn)定性、經濟性和排氣清潔性。
[0019] 需要說明的是：在上述②③過程的交接點--凸輪最大升程點兩側的過渡圓弧 上，雖然也存在兩位置點，驅動點在這兩點之間，大活塞和小活塞（或上下底座）相對運動、 以及活塞回位彈簧和橡膠套管對剪切增稠液的剪切擾動速度小于剪切增稠液相變的臨界 速率，剪切增稠液有相變的的趨勢。但是由于發(fā)動機轉速較高（怠速也一般在700?800r/ min)、且過渡圓弧的長度不大，所述兩點之間曲線長度更小、驅動時間很短，剪切增稠液來 不及相變、剪切增稠挺柱保持剛性，氣門的運動仍然由凸輪的運動決定。
[0020] 2、潤滑分析：大活塞在上止點位置時，其儲油環(huán)槽與機體上的油道（連接發(fā)動機 主油道）聯(lián)通，潤滑油以一定壓力進入儲油環(huán)槽，為大活塞和機體相對運動提供潤滑，并通 過大活塞儲油環(huán)槽位置的徑向油孔，噴入由大活塞、小活塞、橡膠套管和上下底座構成空 腔，部分飛濺進入小活塞的儲油槽為大活塞和小活塞相對運動提供潤滑，其余由小活塞頂 部通孔流出，用于冷卻和消除背壓（潤滑工作原理簡單，后面不再作進一步說明）。
[0021] 五、其它方面可行性簡要說明
[0022] 1、工作溫度方面：本系統(tǒng)的冷卻介質為發(fā)動機潤滑油，其工作的溫度范圍，在外 部環(huán)境溫度至發(fā)動機正常工作最高溫度之間（最高溫度一般在l〇(TC左右，一般不會超過 120°C )。也就是說，本發(fā)明結構方案中的所有零部件都必須能夠在上述溫度范圍內長期、 穩(wěn)定工作。①金屬零部件：本發(fā)明的結構方案與常見的液壓挺柱氣門驅動結構方案非常 類似，所有金屬零部件都能在發(fā)動機正常工作下需要；②剪切增稠液：目前研究的剪切增 稠液的穩(wěn)定工作溫度范圍，最低溫度低于發(fā)動機工作的外部環(huán)境溫度，最高溫度一般都在 100-20(TC，若隔絕空氣（防止氧化），其穩(wěn)定工作溫度更是遠遠高于發(fā)動機潤滑油最高工 作溫度；③橡膠套管：目前優(yōu)質耐油橡膠的穩(wěn)定工作溫度范圍，最低溫度低于發(fā)動機工作 的外部環(huán)境溫度，最高溫度也遠遠高于發(fā)動機機油的最高工作溫度。所以，本發(fā)明結構方案 中所有零部件都能滿足發(fā)動機工作需要。
[0023] 2、振動、噪聲和應力方面：剪切增稠液相變需要一定時間（雖然時間很短），在系 統(tǒng)工作中起到緩沖作用，有效減小系統(tǒng)的機械振動和應力，防止機件損傷和失效，同時減小 噪聲。
[0024] 綜上所述，本發(fā)明技術方案完全能滿足發(fā)動機連續(xù)、穩(wěn)定工作需要。
[0025] 下面結合附圖對本發(fā)明技術方案作詳細說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明結構示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明凸輪基圓圓弧驅動狀態(tài)示意圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明凸輪加速推程曲線驅動小于臨界速率時狀態(tài)示意圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明凸輪加速推程曲線驅動大于臨界速率時狀態(tài)示意圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明凸輪過渡圓弧驅動狀態(tài)示意圖。
[0031] 圖6為本發(fā)明凸輪減速回程曲線驅動大于臨界速率時狀態(tài)示意圖。
[0032] 圖7為本發(fā)明凸輪減速回程曲線驅動等于臨界速率后短時間內狀態(tài)示意圖。
[0033] 圖8為本發(fā)明凸輪減速回程曲線驅動小于臨界速率時狀態(tài)示意圖。
[0034] 上述圖中除已經標明的結構外，標注符號說明如下：n-凸輪速度、0-轉動中心、 A-基圓圓弧與加速推程曲線的接點、B-加速推程曲線與過渡圓弧的接點、C-過渡圓弧與減 速回程曲線的接點、D-減速回程曲線與基圓圓弧的接點、E-驅動點、r-基圓半徑、R-驅動半 徑、1-凸輪、2-機架、3-機體、4-大活塞、5-小活塞、6-活塞回位彈簧、7-剪切增稠液、8-橡 膠套管、9-上下底座、10-氣門彈簧座、11-氣門彈簧、12-氣門。

【具體實施方式】
[0035] 一、結構說明
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明技術方案結構由凸輪（1)、機架（2)、機體（3)、剪切增稠挺柱、 氣門彈簧座（10)、氣門彈簧（11)和氣門（12)組成。其中：剪切增稠挺柱由大活塞（4)、小 活塞（5)、活塞回位彈簧（6)、剪切增稠液（7)、橡膠套管（8)和上下底座（9)組成。
[0037] 二、本發(fā)明技術方案系統(tǒng)工作過程分析
[0038] 1、如圖2所示，凸輪基圓圓弧驅動過程：隨著凸輪（1)以轉速η繞機架（2)上的 轉動中心0轉動，驅動點Ε在凸輪（1)的基圓圓弧DA內，沿D -Α方向逐漸變換至Α，驅動 半徑R等于基圓半徑r，并保持不變。此過程中，①剪切增稠液（7)由于未受到外界剪切擾 動，保持液態(tài)，剪切增稠挺柱處于自由狀態(tài)。②系統(tǒng)在氣門彈簧（11)和活塞回位彈簧（6) 的共同作用下力鎖合，大活塞（4)頂面靠在凸輪（1)的基圓圓弧DA上、小活塞（5)頂面頂 靠在氣門（12)氣門桿頂端，除了凸輪（1)轉動外，系統(tǒng)其它零部件位置和狀態(tài)保持不變，氣 門（12)保持落座，氣門閥口保持關閉。
[0039] 2、如圖3所示，凸輪加速推程曲線驅動小于臨界速率過程：驅動點E在凸輪（1)的 加速推程曲線AB內，沿A - B方向逐漸變換，驅動半徑R以與凸輪轉速η對應的加速度，由 基圓半徑r加速增大，推動大活塞（4)和上下底座（9)的上底座加速下移，直至剪切增稠液 (7)受到上下底座（9)、活塞回位彈簧（6)和橡膠套管（8)變形擾動剪切速率等于其相變臨 界速率。此過程中，①剪切增稠液（7)保持液態(tài)；②活塞回位彈簧（6)和剪切增稠液（7)被 壓縮，橡膠套管（8)彈性膨脹；③由于活塞回位彈簧（6)最大變形時的彈力小于氣門彈簧 (11) 的預緊力，氣門（12)、小活塞（5)和上下底座（9)的下底座在氣門彈簧（11)作用下， 位置保持不變，氣門（12)保持落座，氣門閥口保持關閉。
[0040] 3、如圖4所示，凸輪加速推程曲線驅動大于臨界速率過程：驅動點E在凸輪（1)的 加速推程曲線AB內，繼續(xù)沿A - B方向繼續(xù)變換至B，驅動半徑R繼續(xù)以與凸輪轉速η對 應的加速度加速增大，推動大活塞（4)和上下底座（9)的上底座繼續(xù)加速下移，速度直至達 到凸輪（1)轉速η對應的最大速度。此過程中，①剪切增稠液（7)受到上下底座（9)的上 底座、活塞回位彈簧（6)和橡膠套管（8)變形擾動剪切速率大于其臨界速率，由液態(tài)變成固 態(tài)，剪切增稠挺柱變?yōu)閯傂?，并獲得一定的有效長度。②剪切增稠挺柱推動氣門（12)加速 下移，并壓縮氣門彈簧（11)，氣門閥口逐漸打開。
[0041] 4、如圖5所示，凸輪過渡圓弧驅動過程，驅動點Ε在凸輪（1)的過渡圓弧BC內，沿 Β - C方向變換至C。在驅動點Ε由Β到達凸輪（1)最大升程位置點過程中，驅動半徑R以 與凸輪轉速η對應的加速度減速增大，推動大活塞（4)減速下移，其速度由與凸輪（1)轉速 η對應的最大值減小到零；在驅動點Ε由凸輪（1)最大升程位置點到達C過程中，驅動半徑 R以與凸輪轉速η對應的加速度加速減小，氣門（12)在氣門彈簧（11)作用下隨凸輪（1)的 轉動加速上移，其速度由零加速增加到與凸輪（1)轉速η對應的最大值。上述中，在達凸輪 (1)最大升程位置點附近兩側各有一點，驅動點Ε這兩點之間，剪切增稠液（7)受到的剪切 擾動的速率小于其臨界速率、有由固態(tài)向液態(tài)變相的趨勢。但是，由于發(fā)動機轉速較高、且 過渡圓弧BC長度不大，所述兩點之間過渡圓弧的長度更小、驅動點Ε在這兩點之間持續(xù)的 時間很短，剪切增稠液（7)來不及變相（由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)），剪切增稠挺柱仍然保持剛性，氣 門（12)的運動由凸輪（1)的運動決定。
[0042] 5、如圖6所示，凸輪減速回程曲線驅動大于臨界速率過程：驅動點Ε在凸輪（1)的 減速回程曲線CD內，沿C - D方向變換，驅動半徑R以與凸輪轉速η對應的加速度減速減 小，氣門（12)和剪切增稠挺柱在氣門彈簧（11)的作用下隨凸輪（1)的轉動減速上移，速度 由與凸輪（1)轉速η對應的最大值減速減小到剪切增稠液（7)受到上下底座（9)、活塞回 位彈簧（6)和橡膠套管（8)擾動剪切的速率等于其臨界速率時。此過程中，①剪切增稠液 (7)保持固態(tài)，剪切增稠挺柱保持剛性。②系統(tǒng)在氣門彈簧（11)作用下保持鎖合。③氣門 (12) 繼續(xù)減速上移，氣門閥口開度繼續(xù)減小。
[0043] 6、如圖7所示，凸輪減速回程曲線驅動等于臨界速率后短時間內：①剪切增稠液 (7)由固態(tài)變成液態(tài)，剪切增稠挺柱恢復自由。②大活塞（4)和上下底座（9)的上底座在活 塞回位彈簧（6)和氣門彈簧（11)的作用下隨凸輪（1)轉動繼續(xù)以與凸輪轉速η對應的加 速度減速上移。③由于活塞回位彈簧￠)的變形彈力小于氣門彈簧的變形彈力，氣門（12) 在氣門彈簧（11)作用下加速上移并迅速落座，氣門閥口迅速關閉，氣門彈簧（11)恢復到預 緊狀態(tài)。④氣門（12)推動小活塞（5)和上下底座（9)的下底座迅速壓縮活塞回位彈簧（6) 和剪切增稠液（7)，使橡膠套管（8)繼續(xù)彈性膨脹。
[0044] 7、如圖8所示，凸輪減速回程曲線驅動小于臨界速率過程，驅動點E在凸輪（1)的 減速回程曲線CD內，繼續(xù)沿C - D方向變換至D、驅動半徑R繼續(xù)以與凸輪轉速η對應的加 速度，減速減小至基圓半徑r。此過程中，①氣門（12)在氣門彈簧（11)預緊力的作用下位 置保持不變，氣門閥口保持關閉。②大活塞（4)和上下底座（9)的上底座在活塞回位彈簧 (6)的作用下隨凸輪（1)的轉動繼續(xù)以與凸輪轉速η對應的加速度減速上移直至上止點位 置（凸輪基圓圓弧驅動位置，上移動速度為零），活塞回位彈簧（6)和橡膠套管（8)回彈，系 統(tǒng)進入1所述過程。
[0045] 隨著凸輪（1)轉動，系統(tǒng)重復上述工作過程、周期工作，維持發(fā)動機正常運轉。
[0046] 如上所述，當凸輪（1)轉速η增大時：由于凸輪（1)升程不變，①驅動點Ε在加速 推程曲線ΑΒ內，驅動大活塞（4)和上下底座（9)的上底座加速下移的加速度增大，其速度 大小增大到剪切增稠液（7)相變臨界速率（剪切增稠液由液態(tài)變成固態(tài)，剪切增稠挺柱變 成剛性）的位置點必然靠近Α，氣門（12)開啟提前角增大，剪切增稠挺柱有效長度增大。② 驅動點Ε達凸輪（1)最大升程位置點位置，由于剪切增稠挺柱有效長度增大，氣門（12)最 大升程增大，氣門閥口最大開度增大。③驅動點Ε在減速回程曲線CD內，氣門（12)和剪切 增稠挺柱在氣門彈簧（11)的作用下減速上移的加速度增大，其速度大小減小到剪切增稠 液（7)相變臨界速率（剪切增稠液由固態(tài)變成液態(tài)，剪切增稠挺柱恢復自由）的位置點必 然靠近D，氣門（12)關閉延遲角增大。反之亦然。
[0047] 綜上所述，本發(fā)明利用剪切增稠液臨界速率相變特性和凸輪變速曲線驅動規(guī)律， 根據(jù)凸輪轉速（或發(fā)動機轉速）變化，自適應獲得與凸輪轉速變化同向變化的剪切增稠挺 柱的有效長度，自動調整氣門開啟提前角、升程和關閉延遲角。發(fā)動機高速工況下（凸輪轉 速高），氣門開啟提前角、關閉延遲角和升程較大，氣缸充氣系數(shù)較大，動力性和強化程度更 佳；發(fā)動機低溫（轉速低）和低速工況下，氣門升程較小，氣缸進氣質量好，低溫起動性、低 速穩(wěn)定性、經濟性和排氣清潔性更佳。
【權利要求】
1. 一種活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，其特征在于：由凸輪、機架、機 體、剪切增稠挺柱、氣門彈簧座、氣門彈簧和氣門等組成；其中：剪切增稠挺柱由大活塞、小 活塞、活塞回位彈簧、剪切增稠液、橡膠套管和上下底座組成。
2. 如權利要求1所述的活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，其特征在于：氣 門桿部向上安裝在機體上的臺階孔的小孔內后，在氣門桿上套裝氣門彈簧并安裝氣門彈簧 座，氣門彈簧座和機體約束氣門彈簧產生一定預緊力；大活塞和小活塞套裝，形成的空腔內 安裝剪切增稠組件，構成剪切增稠挺柱；橡膠套管兩端分別與上下底座的小頭聯(lián)接，形成的 空腔內安裝以上下底座小頭定心的活塞回位彈簧、并填充剪切增稠液，構成剪切增稠組件； 上下底座的大頭分別用大活塞和小活塞內腔底部的中心孔定心；大活塞和小活塞約束活塞 回位彈簧產生一定預緊力；剪切增稠挺柱安裝在機體上的臺階孔的大孔內，小活塞頂面頂 在氣門桿頂面上，大活塞頂面頂在凸輪輪廓上；凸輪繞機架上的轉動中心轉動。
3. 如權利要求1所述的活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，其特征在于：凸 輪輪廓由基圓圓弧、加速推程曲線、長度不大的過渡圓弧、減速回程曲線依次圓滑連接而 成；加速推程曲線和減速回程曲線驅動時，獲得與凸輪轉速變化同向變化驅動加速度，自適 應獲得與凸輪轉速變化同向變化的剪切增稠挺柱的有效長度，自動調整氣門開啟提前角、 升程和關閉延遲角。
4. 如權利要求1所述的活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，其特征在于：大 活塞外圓柱面上有儲油環(huán)槽、儲油環(huán)槽位置有徑向油孔，用于潤滑；機體上有與發(fā)動機主油 道聯(lián)通的油道；大活塞在上止點位置時，其儲油環(huán)槽與機體上的油道聯(lián)通；小活塞外圓柱 面尾部有儲油槽，用于潤滑；小活塞頂部有通孔，用于泄油冷卻和消除背壓。
5. 如權利要求1所述的活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，其特征在于：橡 膠套管與上下底座密封緊固裝配，以防止剪切增稠液外溢并隔絕空氣。
6. 如權利要求1所述的活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，其特征在于：活 塞回位彈簧最大變形時的彈力小于氣門彈簧的預緊力。
7. 如權利要求1所述的活塞式發(fā)動機氣門正時及可變升程驅動系統(tǒng)，其特征在于：氣 門彈簧獨自、或與活塞回位彈簧共同作用，實現(xiàn)系統(tǒng)的力鎖合。
【文檔編號】F01L13/00GK104121054SQ201410307844
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月28日 優(yōu)先權日:2014年6月28日
【發(fā)明者】范洪雷, 陳繼夢, 范永建, 王福忠 申請人:范永建