专利名称：内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其凸轮轮廓包括基圆、气门开启缓冲段、工作段和气门关闭缓冲段。
背景技术：
内燃机的工作是通过燃料在气缸内燃烧做功，从而对外输出功率。在内燃机排量一定的情况下，若想提高功率输出，有效的办法就是提供更多的燃料并使之进行有效的充分燃烧，然而，向气缸内提供更多的燃料容易做到，但要提供更多的空气使燃料充分燃烧则比较困难。内燃机的曲轴转速都很高，活塞每一行程历时都很短，例如上海桑塔纳轿车的发动机，在最大功率时的转速为5600r/min，一个行程历时仅0.0054s，这样短的进排气时间对内燃机的充气效率和排气效率提出了很高的要求，为此，人们努力探索提高充气效率和排气效率的规律和对策，以提高内燃机性能。但是，由于传统内燃机凸轮轴的凸轮轮廓设计存在以下问题，即气门开启缓冲段的终点设置于消除气门间隙点之后，以及气门关闭缓冲段的始点设置于开始出现气门间隙点之前，这种凸轮轮廓的设计技术，降低了凸轮轮廓的丰满系数，从而影响了充气效率和排气效率，使内燃机的功率下降。辽宁科学技术出版社出版的《解放CA1091型载货汽车图册》第十幅“配气相位”中的凸轮轴凸轮轮廓图显示，该凸轮轮廓的气门开启缓冲段终点位于消除气门间隙点之后，以及气门关闭缓冲段始点位于开始出现气门间隙点之前。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够提高凸轮轮廓的丰满系数，从而提高内燃机充气效率和排气效率的进、排气凸轮。
为解决上述问题，本实用新型内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮的轮廓包括基圆、气门开启缓冲段、工作段和气门关闭缓冲段，在冷态时，该气门开启缓冲段的终点设置于消除气门间隙点之前，以及该气门关闭缓冲段的始点设置于开始出现气门间隙点之后。
根据凸轮的运转方向，以凸轮基圆为起点，先到达的本实用新型称为“前”或“始”，后到达的本实用新型称为“后”或“终”。
由于内燃机具有气门间隙，用以补偿气门及其传动机构受热后的膨胀量，所以在传统的凸轮轮廓设计中，在工作段以前，安排一个比最大气门间隙略大一点的缓冲段，避免对气门产生过大的冲击载荷。在经过缓冲段之后，工作段再使气门挺杆和传动机构加速度运动，气门迅速打开，同样原理，在工作段之后，安排一个比最大气门间隙略大一点的缓冲段，用于气门关闭后开始出现气门间隙。气门间隙是在冷态装配时预留的间隙，而传统的凸轮轮廓中缓冲段的设计，也是以消除冷态时的气门间隙为参照的，然而，内燃机的正常工作是在热态中进行的，热态中气门及其传动机构受热膨胀，势必使得气门间隙进一步缩小，因此，在内燃机的运转热状态中，消除气门间隙点跟随着气门间隙的缩小而向前移动，同样原理，开始出现气门间隙点也跟随着气门间隙的缩小而向后移动。内燃机显然是用以工作的，因此在设计进、排气凸轮时应以工作状态作为依据，但由于在工作状态中是很难确定其气门间隙数值的，故本实用新型在设计凸轮轮廓时，是以冷态时气门间隙数值为参照的，通过将气门开启缓冲段的终点设置于冷态时消除气门间隙点之前一定的凸轮转角，用以补偿因热态时气门及其传动机构受热膨胀而导致实际消除气门间隙点前移的凸轮转角，以及通过将气门关闭缓冲段的始点设置于冷态时开始出现气门间隙点之后一定的凸轮转角，用以补偿因热态时气门及其传动机构受热膨胀而导致实际开始出现气门间隙点后移的凸轮转角，这就会出现在冷态时，气门开启缓冲段的终点位于消除气门间隙点之前和气门关闭缓冲段的始点位于开始出现气门间隙点之后的现象。由于内燃机型号众多，结构、排量和气门间隙等各不相同，所以气门开启缓冲段的终点向冷态时消除气门间隙点之前移动的凸轮转角幅度和气门关闭缓冲段的始点向冷态时开始出现气门间隙点之后移动的凸轮转角幅度应因机型不同而异。气门开启缓冲段的终点向冷态时消除气门间隙点之前移动一度凸轮转角或气门关闭缓冲段的始点向冷态时开始出现气门间隙点之后移动一度凸轮转角，都相当于使工作段得以延长一度凸轮转角，而工作段每延长一度凸轮转角，都得以提高相应的凸轮轮廓的丰满系数，增大气门开启的时间—断面，从而提高充气效率和排气效率，进而提高内燃机的功率输出。
对于排量在0.07L-6.5L的车用内燃机，其气门间隙约在0.05mm-0.4mm之间，在冷态时，其进、排气凸轮轮廓中气门开启缓冲段的终点设置于冷态时消除气门间隙点之前的最佳范围在2°-9°凸轮转角之间，同样原理，其进、排气凸轮轮廓中气门关闭缓冲段的始点设置于冷态时开始出现气门间隙点之后的最佳范围在2°-9°度凸轮转角之间。
作为本实用新型的优选结构，气门开启缓冲段由一个加速度段和一个等速度段组成，气门关闭缓冲段由一个等速度段和一个减速度段组成，用以减轻对气门的冲击载荷。
以下结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为现有内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮轮廓示意图。
图2为本实用新型内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮轮廓示意图。
图3为图2所示凸轮轮廓中气门开启缓冲段的速度和升程变化图。
具体实施方式
图1示出了现有内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮轮廓示意图，该图摘自辽宁科学技术出版社出版的《解放CA1091型载货汽车图册》第十幅“配气相位”中的凸轮轴凸轮轮廓图。图中1为凸轮，点9为凸轮轴心，点7为消除气门间隙，点8为开始出现气门间隙，点4为气门最大升程，点6-点1为凸轮基圆10，点2-点3为气门开启缓冲段11，点3-点4-点5为工作段12，点5-点6为气门关闭缓冲段13。图中显示，其气门开启缓冲段11的终点3位于冷态时消除气门间隙点7之后，其气门关闭缓冲段13的始点5位于冷态时开始出现气门间隙点8之前。
图2示出了本实用新型内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮轮廓示意图，其与图1中的凸轮轮廓的区别仅仅在于气门开启缓冲段11的终点3位于冷态时消除气门间隙点7之前和气门关闭缓冲段13的始点5位于冷态时开始出现气门间隙点8之后。当内燃机在冷态中启动而进入怠速工况之后，在初始阶段，由于上述结构原因，消除气门间隙点7和开始出现气门间隙点8位于工作段12的加速度段和减速度段之上，将会对气门造成一定的冲击载荷，但怠速工况的转速都比较低，使得这种冲击载荷不至于很大。随着暖机过程的持续，机体和气门及其传动机构的温度将会逐渐升高，而消除气门间隙点7和开始出现气门间隙点8随着气门及其传动机构的受热膨胀不断地向前和向后推移，对气门的冲击载荷也逐渐减小，在内燃机达到正常的工作温度之后，消除气门间隙点7和开始出现气门间隙点8分别越过气门开启缓冲段11的终点3和气门关闭缓冲段13的始点5而座落于缓冲段上，达到合理的工作状态。在内燃机正常工作的热状态中，当凸轮1按图2所示的运动方向运转到基圆10时，挺杆处于最低位置，气门关闭，当运转到点2后，挺杆开始上移，由上述可知，热态中消除气门间隙点7已经推移座落在气门开启缓冲段11上，因此凸轮1运转到点7时气门间隙消除，气门开始开启，在运转到气门开启缓冲段11的终点3时挺杆开始加速度上移，气门逐渐开大，越过点4后，气门逐渐关小。同样原理，热态中开始出现气门间隙点8已经推移座落在气门关闭缓冲段13上，所以，当凸轮1以减速度越过气门关闭缓冲段13的始点5而到达8点时，气门关闭而开始出现气门间隙，到达点6时，挺杆处于最低位置。
如图2所示，由于气门开启缓冲段11的终点3位于冷态时消除气门间隙点7之前一定的凸轮转角和气门关闭缓冲段13的始点5位于开始出现气门间隙点8之后一定的凸轮转角，其工作段12与图1中的工作段12相比较，凸轮持续转角得以延长，从而获得较图1所示凸轮更为丰满的凸轮轮廓，增大了气门开启的时间—断面，进而提高充气效率和排气效率，提高了内燃机的功率输出。
图3示出了图2所示凸轮轮廓中气门开启缓冲段的速度和升程变化图，图中点2-点3为气门开启缓冲段11，点7为消除气门间隙，14和16为挺杆加速度段，15为挺杆等速度段，17为气门间隙，18为速度，19为凸轮转角—度。图中显示，该气门开启缓冲段11由一个加速度段14和一个等速度段15组成，该加速度段14用以使挺杆快速上移到一定位置并产生一定的速度，该等速度段15用以消除气门间隙时减小对气门的冲击载荷。同样原理，图2中气门关闭缓冲段13由一个等速度段和一个减速度段组成。
气门开启缓冲段11的终点3向前推移的凸轮转角幅度和气门关闭缓冲段13的始点5向后推移的凸轮转角幅度与气门间隙、摇臂比及其缓冲段的等速度相关，因此在设计进、排气凸轮轮廓时，应综合考虑上述因素的变化，视各种内燃机结构而异。车用内燃机的应用最为广泛，为确定其气门开启缓冲段11的始点3设置于冷态时消除气门间隙点7之前的凸轮转角最佳范围，选用6105Q型柴油发动机、462Q型汽油发动机和70型摩托车汽油发动机做了三组凸轮轮廓设计，在这三组凸轮轮廓的设计中，均采用制造厂方提供的气门间隙数值，其凸轮升程量见下表所示，表中示出的为气门开启缓冲段11的终点3和消除气门间隙点7相关的凸轮升程量，同样原理，这些数值同样适用于气门关闭缓冲段13的始点5和开始出现气门间隙点8之间的相关设置。
表16105Q型柴油发动机进气凸轮升程表(单位mm)
表2462Q型汽油发动机的进气凸轮升程表(单位mm)
表370型摩托车汽油发动机的进气凸轮升程表(单位mm)
表1是6105Q型柴油发动机进气凸轮升程表，该发动机的排量为6.5L，表中示出的是冷态时消除气门间隙之前的凸轮转角升程量。其冷态时气门间隙为0.40mm，摇臂比为1.546，根据气门间隙相当于凸轮—挺杆间隙乘以摇臂比的算式，该发动机在冷态时，凸轮—挺杆间隙为0.2587mm。在热态时，气门及其传动机构将会受热膨胀，使得气门间隙随之缩小，至于其膨胀量的精确数据，在发动机的工作状态中是难以测量的，一般由制造厂通过试验推断，一般来说，要使发动机在工作状态中通过气门及其传动机构的受热膨胀量而刚好消除气门间隙也是难以做到的，因此在发动机的运转中存在“咔嗒”的气门声。由于气门及其传动机构受热膨胀量的不确定因素，表1中的升程量是根据假若其在热态中尚剩余30％的气门间隙量而设计的，即在热态中，气门间隙为0.12mm(40mm乘以30％)，那么热态中凸轮—挺杆间隙为0.776mm(12除以1.546)，当凸轮消除凸轮—挺杆间隙时，气门开始打开。从表1中可知，凸轮转角1°-12°为气门开启缓冲段，其由1°-6°的加速度段和7°-12°的等速度段组成，20°凸轮转角为冷态时消除气门隙点，12°为热态时消除气门间隙点，该气门开启缓冲段的终点12°位于冷态时消除气门间隙点21°之前8°的凸轮转角位置，使工作段与传统内燃机的凸轮轮廓相比较得以延长至少8°的凸轮转角，从而提高进气凸轮轮廓的丰满系数和充气效率。同样原理，气门关闭缓冲段通过上述设计也可以使该工作段得以延长至少8°的凸轮转角。
表2是462Q型汽油发动机的进气凸轮升程表，该发动机的排量为0.8L，表中示出的是冷态时消除气门间隙之前的凸轮转角升程量。其冷态时气门间隙为0.13mm，摇臂比为1.5，冷态时凸轮—摇臂间隙为0.0867mm，在热态中按30％的剩余气门间隙计算，热态时气门间隙为0.039mm，热态时凸轮—摇臂间隙为0.026mm，凸轮转角1°-8°为气门开启缓冲段，其由1°-5°的加速度段和6°-8°的等速度段组成，13°凸轮转角为冷态时消除气门间隙点，8°凸轮转角为热态时消除气门间隙点，该气门开启缓冲段的终点8°位于冷态时消除气门间隙点13°之前5°的凸轮转角位置，使工作段与传统内燃机的凸轮轮廓相比较得以延长至少5°的凸轮转角，从而提高进气凸轮轮廓的丰满系数和充气效率。同样原理，气门关闭缓冲段通过上述设计也可以使该工作段得以延长至少5°的凸轮转角。
表3是70型摩托车汽油发动机的进气凸轮升程表，该发动机的排量为0.07L，表中示出的是冷态时消除气门间隙之前的凸轮转角升程量。其冷态时气门间隙为0.05mm，摇臂比为1.5，冷态时凸轮—摇臂间隙为0.0333mm，在热态中按30％的剩余气门间隙计算，热态时气门间隙为0.015mm，热态时凸轮—摇臂间隙为0.01mm，凸轮转角1°-6°为气门开启缓冲段，其由1°-4°的加速度段和5°-6°的等速度段组成，9°凸轮转角为冷态时消除气门间隙点，6°凸轮转角为热态时消除气门间隙点，该气门开启缓冲段的终点6°位于冷态时消除气门间隙点9°之前3°的凸轮转角位置，使工作段与传统内燃机的凸轮轮廓相比较得以延长至少3°的凸轮转角，从而提高进气凸轮轮廓的丰满系数和充气效率。同样原理，气门关闭缓冲段通过上述设计也可以使该工作段得以延长至少3°的凸轮转角。
从这三组车用内燃机的进气凸轮升程量可知，气门开启缓冲段的终点位于冷态时消除气门间隙点之前3°-8°的凸轮转角位置，这对于气门间隙在0.05-0.4mm车用内燃机来说，相当于2°-9°凸轮转角之间。同样原理，气门关闭缓冲段的始点位于冷态时开始出现气门间隙点之后3°-8°的凸轮转角位置，这对于气门间隙在0.05-0.4mm车用内燃机来说，相当于2°-9°凸轮转角之间。
上述实施例的任何细节只是用于说明本实用新型，而不是用来限制本实用新型，应该理解的是，配气机构的构造、气门间隙大小和缓冲段等速度的变化等都会影响到气门开启缓冲段11的终点3或气门关闭缓冲段13的始点5位于冷态时消除气门间隙点7之前或冷态时开始出现气门间隙点8之后的凸轮转角位置数值变化，内燃机的型号是多种多样的，就车用内燃机而言，还有排量50ml以下的轻便发动机和排量8L以上的重型发动机，除了车用内燃机之外，还有船用内燃机、发电用内燃机及列车用内燃机等，都会因为结构及数值的不同而使该位置数值发生变化。在传统的进、排气凸轮设计技术中，仅仅为了消除冷态时气门间隙而将气门开启缓冲段11的终点3设置于冷态时消除气门间隙点7之后和为了开始出现冷态时气门间隙而将气门关闭缓冲段13的始点设置于冷态时开始出现气门间隙点8之前，通过上述的说明可知，这种设计显然是不适应内燃机正常工作的热状态的，为此，本实用新型提出了将气门开启缓冲段11的终点3设置于冷态时消除气门间隙点7之前和将气门关闭缓冲段13的始点5设置于冷态时消除气门间隙点8之后的一定凸轮转角，用以补偿热态中气门及其传动机构受热膨胀量的变化，从而使工作段得以延长，提高了凸轮轮廓的丰满系数，和提高了充气效率和排气效率。理论上，消除了气门间隙之后应马上进入工作段，使气门迅速开启，故在传统的凸轮轮廓设计中，气门开启缓冲段11的终点3和冷态时消除气门间隙点7相邻得比较近，因此使得在设计本实用新型的凸轮轮廓时，很容易地将气门开启缓冲段11的终点3设置于冷态时气门间隙点7之前。在不脱离本实用新型精神的前提下，其它的多种变化是显而易见的，都被认为落在本实用新型的保护范围之内。
由上面的说明，可以看见本实用新型具有以下的特点适于内燃机的改造，技术方案优越，实施简便，改造成本低廉，易于推广普及，能够有效地提高充气效率和排气效率，从而提高内燃机的功率输出，具有很好的经济效益。
权利要求1.一种内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其凸轮轮廓包括基圆(10)、气门开启缓冲段(11)、工作段(12)和气门关闭缓冲段(13)，其特征在于在冷态时，所述气门开启缓冲段(11)的终点(3)设置于消除气门间隙点(7)之前。
2.根据权利要求1所述的内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其特征在于在冷态时，所述气门开启缓冲段(11)的终点(3)设置于消除气门间隙点(7)之前2°-9°凸轮转角之间。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其特征在于所述气门开启缓冲段(11)由一个加速度段(14)和一个等速度段(15)组成。
4.一种内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其凸轮轮廓包括基圆(10)、气门开启缓冲段(11)、工作段(12)和关闭缓冲段(13)，其特征在于在冷态时，所述气门关闭缓冲段(13)的始点(5)设置于开始出现气门间隙点(8)之后。
5.根据权利要求4所述的内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其特征在于在冷态时，所述气门关闭缓冲段(13)的始点(5)设置于开始出现气门间隙点(8)之后2°-9°凸轮转角之间。
6.根据权利要求4或5所述的内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其特征在于所述气门关闭缓冲段(13)由一个等速度段和一个减速度段组成。
专利摘要本实用新型公开了一种内燃机凸轮轴上的进、排气凸轮，其凸轮轮廓包括基圆(10)、气门开启缓冲段(11)、工作段(12)和气门关闭缓冲段(13)，其特征在于在冷态时，所述气门开启缓冲段(11)的终点(3)设置于消除气门间隙点(7)之前，以及所述气门关闭缓冲段(13)的始点(5)设置于开始出现气门间隙点(8)之后。采用这样的结构，能够延长所述工作段(12)的凸轮转角，从而提高了凸轮轮廓的丰满系数，增大了气门开启的时间—断面，提高了充气效率和排气效率，进而提高了内燃机的功率输出。
文档编号F01L1/08GK2793334SQ20052005846
公开日2006年7月5日 申请日期2005年5月13日 优先权日2005年5月13日
发明者晏家全 申请人:晏家全