一种内燃机配气凸轮

《一种内燃机配气凸轮》涉及一种优化了型线设计的柴油机配气凸轮，属发动机技术领域。

内燃机配气凸轮型线设计在配气机构设计中极为重要，这是由于气门开关的快慢、开度的大小、开启时间的长短都取决于配气凸轮的形状。即丰满系数的大小决定于气门升程曲线的形状，而气门升程曲线的形状则取决于凸轮外形的设计。

整个凸轮轮廓由基圆、上升段和下降段组成，其中上升段和下降段又都各分为过渡段（缓冲段）和工作段两部分。设置过渡段的目的是控制气门的升起初速度和落座速度，防止气门开闭时受到较大的冲击，降低机构的振动、噪声，以及气门和气门座锥面的磨损。

截至2010年9月，内燃机一般采用圆弧凸轮和函数凸轮。圆弧凸轮具有时面值较大的优点，但其曲率半径不连续形成加速度曲线突变，这会引起配气机构的振动和噪声，甚至产生气门反跳，破坏了配气相位。函数凸轮的最大特点是在凸轮整个工作段加速度曲线不出现突变，而是逐渐变化的。但2010年9月前技术中函数凸轮的整个工作段由单一的函数式构成，不利于型线的优化设计，灵活性差，这也在一定程度上限制了凸轮性能的进一步提高。

图1是进气凸轮轮廓示意图；

图2是排气凸轮轮廓示意图；

图3是进气凸轮轮廓分段示意图；

图4是排气凸轮轮廓分段示意图；

图5是使用该凸轮的发动机的扭矩随转速变化的曲线；

图6是使用该凸轮的发动机的功率随转速变化的曲线；

图7是使用该凸轮的发动机的全负荷燃油消耗率随转速变化的曲线。

图中各标号为：1、基圆；2、上升段；3、下降段；A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、分别为进气凸轮的12段曲线；A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1、J1、K1、L1；分别为排气凸轮的12段曲线。

2016年12月7日，《一种内燃机配气凸轮》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B

《一种内燃机配气凸轮》优化了凸轮的型线设计，提高了发动机的性能，其特点如下：

1、《一种内燃机配气凸轮》采用ISAC（分段加速度函数），这些函数是凸轮型线优化时的首选方法，可应用于任何形式的阀系凸轮。

2.ISAC可用任意函数自由搭配，灵活性好，如方便控制正加速度宽度等。

3.可采用的加速度函数类型：正弦函数、多项式、直线或过渡圆弧。

4.上升沿（或下降沿）一般分成6～10段函数，确定如何搭配一般速度值、跃度特性、转矩特性、以及相配曲线的复杂性和工作量等。

图3所示的进气凸轮工作段型线由12段函数曲线构成，按工作顺序依次记为：A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L；其中，上升段和下降段各6段，即A、B、C、D、E、F为上升段，G、H、I、J、K、L为下降段。

图4所示的排气凸轮工作段型线也由12段函数曲线构成，按工作顺序依次记为：A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1、J1、K1、L1；其中，上升段和下降段各6段，即A1、B1、C1、D1、E1、F1为上升段，G1、H1、I1、J1、K1、L1为下降段。

根据ISAC分段加速度函数设计出来的配气凸轮的升程数值范围：进气凸轮升程数值范围是0.000～3.6292毫米，凸轮升角每5°确定一个升程数值，缓冲段升程数值允许误差≤±0.02毫米，工作段凸轮升程误差≤±0.035毫米。

排气凸轮升程数值范围是0.000～5.1511毫米，凸轮升角每5°确定一个升程数值，缓冲段升程数值允许误差≤±0.02毫米，工作段凸轮升程误差≤±0.035毫米。

经计算设计出来的进排气凸轮如图1、图2所示，图3、图4是工作段分段示意图。进、排气凸轮不是对称凸轮，并且每个凸轮在0°～90°，90°～180°的升程数值不对称。得到的升程数值见下表：

一种内燃机配气凸轮专利目的

《一种内燃机配气凸轮》的目的在于克服2010年9月前技术的不足、提供一种型线设计合理、动力性能好、振动和噪声低的内燃机配气凸轮。

一种内燃机配气凸轮技术方案

《一种内燃机配气凸轮》的凸轮的轮廓由基圆和工作段组成，其中，工作段又分为上升段和下降段，上升段和下降段与基圆之间均设置有过渡段，改进后，工作段型线采用分段加速度函数曲线，所述分段加速度函数曲线给出了凸轮的升程数值和凸轮角度之间对应关系的坐标值；所述坐标按下述原则确定：

以进气凸轮基圆的圆心为坐标原点建立直角坐标系，上升段和下降段分别位于第二象限和第一象限内，以凸轮轮廓上任一点与原点的连线与X轴正方向的夹角（该角的取值范围为0°～180°）的补角称为凸轮升角，以凸轮轮廓上任一点到原点的距离与基圆半径之差为升程，则进气凸轮的升程数值和凸轮升角之间的对应关系如下：

上述内燃机配气凸轮，以排气凸轮基圆的圆心为坐标原点建立直角坐标系，上升段和下降段分别位于第一象限和第二象限内，以凸轮轮廓上任一点与原点的连线与X轴正方向的夹角称为凸轮升角，以凸轮轮廓上任一点到原点的距离与基圆半径之差为升程，则排气凸轮的升程数值和凸轮升角之间的对应关系如下：

一种内燃机配气凸轮改善效果

《一种内燃机配气凸轮》采用ISAC分段加速度函数设计和优化凸轮型线，ISAC可用任意函数自由搭配，增加了设计的灵活性，按这种型线生产的凸轮，丰满系数可达0.54，使柴油机具有充气性能和动力性能好、噪声低、运转平稳、振动小的特点。

1.《一种内燃机配气凸轮》的凸轮的轮廓由基圆和工作段组成，其中，工作段又分为上升段和下降段，上升段和下降段与基圆之间均设置有过渡段，其特征在于，工作段型线采用分段加速度函数曲线，所述分段加速度函数曲线给出了凸轮的升程数值和凸轮角度之间对应关系的坐标值；所述坐标按下述原则确定：

以进气凸轮基圆的圆心为坐标原点建立直角坐标系，上升段和下降段分别位于第二象限和第一象限内，以凸轮轮廓上任一点与原点的连线与X轴正方向的夹角的补角称为凸轮升角，以凸轮轮廓上任一点到原点的距离与基圆半径之差为升程，则进气凸轮的升程数值和凸轮升角之间的对应关系如下：

所述升角的单位为°，升程的单位为毫米。

2.根据权利要求1所述的内燃机配气凸轮，其特征是，以排气凸轮基圆的圆心为坐标原点建立直角坐标系，上升段和下降段分别位于第一象限和第二象限内，以凸轮轮廓上任一点与原点的连线与X轴正方向的夹角称为凸轮升角，以凸轮轮廓上任一点到原点的距离与基圆半径之差为升程，则排气凸轮的升程数值和凸轮升角之间的对应关系如下：

所述升角的单位为°，升程的单位为毫米。

本刊是中国内燃机工业协会和石家庄金刚内燃机零部件集团公司有限公司共同主办的国家级刊物，《内燃机配件》为双月刊，国内外公开发行。创刊于1980年，二十年来一起坚持内燃机工作的管理人员、工程技术人员服务。在内燃机配件行业内外都有较高的声誉。2100433B

20多年来编辑部克服各种各样的困难，在各级领导的关照下，在配件企业的大力支持下，《内燃机配件》一步一个脚印的成长起来。

1984年、1987年在完成正常出刊情况下，先后出了6本增刊，内容是六种配件的国外标准和国际标准，一直深受行业厂家欢迎和好评。

凸轮轴的位置有下置式、中置式和上置式三种。下置式配气机构的凸轮轴位于曲轴箱内，中置式配气机构的凸轮轴位于机体上部，上置式配气机构的凸轮轴位于气缸盖上。

现在大多数量产车的发动机配备的是顶置式凸轮轴。顶置式凸轮轴结构的主要优点是运动件少，传动链短，整个机构的刚度大，使凸轮轴更加接近气门，减少了底置式凸轮轴由于凸轮轴和气门之间较大的距离而造成的往返动能的浪费。顶置式凸轮轴的发动机由于气门开闭动作比较迅速，因而转速更高，运行的平稳度也比较好。