技术摘要：
本发明公开了一种全可变挺杯，包括固定体、主动柱塞、复位弹簧和从动柱塞，主动柱塞和从动柱塞分别与固定体滑动配合，固定体中设置有主动油腔和从动油腔，主动柱塞一端位于主动油腔中，从动柱塞一端位于从动油腔中；主动油腔与从动油腔相通；固定体上设置有总油孔，主  全部
背景技术：
发动机配气机构采用凸轮直接或者通过气门传动组驱动气门组件。凸轮轴位置不 同，气门传动组的具体结构不同，例如采用底置凸轮轴时，气门传动组包括挺杯、推杆、摇臂 等；凸轮轴位置上移时，气门传动组包括挺杯、摇臂等；凸轮轴位置继续上移，成为顶置凸轮 轴时，气门传动组包括摇臂，或无气门传动组，即凸轮直接驱动气门组件。对于一个凸轮同 时驱动多个气门组件时，一般采用分支摇臂或摇臂加气门桥的结构。 随着发动机节能减排法规的日益加严，可变气门机构因其可以改变气门运行参数 实现大幅度提升发动机燃油经济性和排放性，成为研究热点。较压燃式发动机(如柴油机) 而言，由于可变气门机构可以大幅度降低点燃式发动机(如汽油机)的泵气损失，提高其燃 油经济性，因此，目前，绝大多数的可变气门机构是针对小型点燃式发动机(如采用汽油机 的乘用车)设计开发的。其结构为顶置凸轮轴式，具有运动件质量轻、运动件惯性力小的特 点。二冲程低速船用发动机由于其体积庞大，转速极低(300r/min以下)以及油耗指标对其 至关重要等原因，采用无凸轮电液气门驱动机构，这类机构可实现完全灵活可变的气门运 行事件，其响应速度慢、需要很大的安装空间等问题导致其应用范围小，只与二冲程低速船 用发动机相契合，难以用于更高转速的发动机。 随着欧六、国六、IMO  Tier  III、碳排放等法规的实施以及为了应对未来更加严格 的油耗和排放法规，针对中高速的中大型发动机，如船舶、机车、货车、工程机械等发动机的 可变气门机构研发成为新的热点。这类发动机具有体积庞大、结构复杂、转速较高、配气机 构运动件质量重、运动件惯性力大等特点。这要求可变气门机构要同时满足以下要求： 1)能够在不改变发动机本体的基础上完成安装使用；发动机本体包括但不限于包 含冷却水套的机体、包含冷却水套和进排气道的缸盖、曲轴至凸轮轴的传动机构(主要由凸 轮轴位置决定)等。如果新设计的可变气门机构与发动机本体干涉或要求改变凸轮轴位置， 即要求改变发动机本体，这动辄数千万元甚至更多，可变气门机构应用的初始成本过高将 降低用户接受度，严重影响该机构的产业化前景。 2)同时满足配气机构诸多设计要求。主要包括：a)至少包括气门开启正时和关闭 正时等气门运行参数的连续灵活独立可调；b)气门开启速度和气门关闭速度足够快(发动 机转速越高，气门启闭速度越快，最高可达4-5m/s甚至更高)，气门丰满系数足够大(按气门 零升程计算时，一般取≥0.5)，以保证发动机足够高的充气效率，最终保证发动机的动力 性、燃油经济性和排放性指标；c)在发动机最高转速的1.15-1.3倍和气门各类可变运行情 况下，各零部件受力不超标、气门落座时间足够短、气门落座速度≤0.3m/s等。气门落座时 间由发动机最高转速和所允许的落座持续期决定，例如，发动机最高转速分别为1000r/ min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500r/min时，按最高转速的1.2倍并且 在20℃A内完成落座缓冲，则缓冲时间为＜2.78ms、＜1 .85ms、＜1 .39ms、＜1 .11ms、＜ 3 CN 111550294 A 说　明　书 2/10 页 0.93ms、＜0.79ms。由于发动机转速越高，气门启闭速度越快，所要求的气门落座时间越短， 最终实现的气门落座速度基本一致，因此，随着发动机转速的提高，需要气门减速度大幅度 提高，即需要配气机构提供的落座缓冲力大幅度提高，这对配气机构可靠性提出了极高的 要求；e)不同发动机转速、环境条件和控制参数下，气门运行一致性和可重复性好；d)零部 件数量精简、加工成本低。如图1所示，其中L代表气门升程，T1代表气门开启初期，在气门开 启初期，要求所占用的曲轴转角短、快速开启；T2代表气门快速开启期，在气门快速开启期 要求气门快速开启，气门最大升程满足要求、气门丰满系数足够大等；T3代表气门快速关闭 期，在气门快速关闭期要求气门快速关闭，气门最大升程满足要求、气门丰满系数足够大 等；T4代表落座缓冲期，落座缓冲期要求所占用的曲轴转角短，且落座速度≤0.3m/s。 传统配气机构的气门传动组的传动特性不可变，其运行一致性和可重复性好，另 外，它依靠凸轮型线设计来满足上述气门启闭速度、丰满系数、气门落座时间、气门落座速 度、零部件可靠性等指标要求。 目前，针对中大型发动机的可变气门机构大多采用将传统配气机构中不可变的气 门传动组取消，重新设计出新型可变气门传动组的方式来实现气门运行参数的灵活可变， 主要包括： 1)机械式CVVL机构：其优点是可靠性好、气门运行参数的一致性和可重复性好等。 其有待完善的问题：a)气门可变灵活程度越高，对发动机本体改动的需求越高，初始成本越 高。b)气门可变灵活程度越高，可变气门机构本身也会越复杂，加工成本越高。c)要实现不 同气门运行参数，需要气门传动组处于不同的被控状态，这将导致在实现例如气门提前关 闭等气门运行事件时，气门落座缓冲期所对应的凸轮叶片位置没有到达凸轮型线上的落座 缓冲期，即凸轮型线上的落座缓冲期无法对气门落座缓冲起作用，因此，气门落座缓冲速度 的控制是所有可变气门机构待解决的难题，尤其是对于机械式CVVL机构。 2)电液式CVVL机构：如发明人于2019年提出了一种多模式全可变机构中的全可变 支点是新型一体式的电液式CVVL机构，其优点是气门可变灵活程度高；液压各部件之间柔 性连接，降低了对发动机本体改动的需求，甚至可做到不改变发动机本体；其零部件数量 少，降低其加工装配的成本。其有待完善的问题：a)对于电液式CVVL机构，同样存在气门提 前关闭时，凸轮型线上的落座缓冲期无法对气门落座缓冲起作用，需解决如何同时满足前 文所述的配气机构设计诸多要求的问题。该申请中的全可变支点采用缓冲台的缓冲方案， 其落座缓冲等效面积随气门升程的变化曲线受到其结构的限制，难以获得最佳缓冲面积曲 线，在满足发动机高速下的气门快速启闭、落座缓冲以及结构紧凑等之间存在顾此失彼的 问题，这限制了该机构在高速发动机上的应用，因此需要进一步研究和改进。b)液压波动特 性、加工装配差异、每循环初始状态差异等均导致电液式CVVL机构的气门运行一致性和可 重复性较机械式CVVL机构差，需解决如何提高气门运行一致性和可重复性的问题。申请号 为201910237039.8的专利公开了一种多模式全可变机构，采用缓冲台的缓冲方案，缓冲台 与缓冲台座间的实时间隙完全由从动柱塞的实时行程决定，在气门开启初期和气门落座缓 冲期内，均存在实时间隙决定了从动油腔对从动柱塞至气门组件的相关运动件施加的作用 力的大小，该作用力反过来又决定了气门实时行程，这是一个强耦合过程，并且气门开启初 期的液压油波动状态直接影响到后续的气门快速开启期，进而影响到气门快速关闭期，进 而影响到气门落座缓冲期，最后又会影响下一个循环气门开启初期的液压油波动状态，这 4 CN 111550294 A 说　明　书 3/10 页 又是一个强耦合过程。液压波动等因素通过上述耦合过程后，导致了气门运行情况存在极 大的不确定性，这对电液式CVVL机构的气门运行参数的精确控制、运行一致性和可重复性 的提升较为不利，因此需要进一步研究改进。 且采用缓冲台方案在发动机高速下仍存在气门快速启闭、落座缓冲以及结构紧凑 等方面顾此失彼的问题，其原因在于：在从动柱塞直径不变，即运动件质量不变的情况下， 为了满足发动机高转速下气门落座时间足够短、气门落座速度≤0.3m/s的要求，需要保证 缓冲台插入到缓冲台座的时刻足够早来保证从动柱塞减速时间足够长，并且缓冲台插入到 缓冲台座后的从动油腔环形面积足够大来保证快速增加从动油腔的压力，即保证对气门组 件至从动柱塞的相关运动件的减速度足够大。这一方面导致了气门开启初期有很长一段时 间内，主动油腔的液压油只能作用在缓冲台上，进一步导致了气门整体开启速度慢，难以满 足发动机高转速下的充气要求，同样，由于缓冲台插入到缓冲台座的时刻过早，即气门落座 缓冲期对应的时间增加，这将导致气门快速关闭期对应的时间很短，气门丰满系数将降低； 另一方面导致了缓冲台面积(从动柱塞面积减去从动油腔环形面积)的降低，进一步导致了 气门开启初期，由于主动柱塞向上运动的速度不变，主动油腔内的液压油需要推动具有较 小面积的缓冲台来开启气门，因此，主动油腔压力增大，通过主动柱塞与柱塞套泄露的液压 油增加，一方面将导致柱塞偶件容易损坏，另一方面将导致不同发动机转速下气门运动不 一致性增加。如果采用增加从动柱塞面积来增加缓冲台面积直径以降低主动油腔压力时， 由于从动柱塞面积增加，为了保证凸轮最大升程和气门最大升程不变则需要增加主动柱塞 面积，后者将导致主动柱塞弹簧尺寸的增加，最终导致运动件质量大幅度增加，那么，气门 运行过程中所需的驱动力和阻力均增加，为保证气门开启时主动油腔压力不超标，需要进 一步增加缓冲台面积直径；为保证从动油腔压力、落座缓冲时间以及最终的落座速度均不 超标，环形面积也需要大幅度增大。显然，增加从动柱塞面积的方案难以同时满足配气机构 设计的诸多要求。此外，考虑到发动机安装空间，上述方法也是不可行的。故缓冲台的缓冲 方案只适合发动机转速较低的发动机。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种全可变挺杯，以解决上述现有技术存在的问题，保证气 门落座速度达标、提高气门丰满系数和配气机构可适用的发动机高转速范围。 为实现上述目的，本发明提供了如下方案： 本发明提供了一种全可变挺杯，包括固定体、主动柱塞、复位弹簧和从动柱塞，所 述主动柱塞和所述从动柱塞分别与所述固定体滑动配合，所述固定体中设置有主动油腔和 从动油腔，所述主动柱塞一端位于所述主动油腔中，所述从动柱塞一端位于所述从动油腔 中；所述主动油腔和所述从动油腔通过与所述固定体固连的缓冲台座相隔，所述从动柱塞 靠近所述缓冲台座的一端设置有缓冲台，所述缓冲台座对应所述缓冲台设置有通孔，所述 缓冲台能够插入所述通孔中，所述主动油腔通过所述通孔与所述从动油腔相通；所述固定 体上设置有总油孔，所述主动油腔通过若干个固定孔与所述总油孔连通，所述从动油腔通 过若干个缓冲孔与所述总油孔连通，所述总油孔通过油路与储能器连通，所述油路上设置 有液压阀；所述复位弹簧提供弹簧力保证从主动柱塞到凸轮之间各相互接触部件始终保持 接触状态。 5 CN 111550294 A 说　明　书 4/10 页 优选的，所述固定体中还固设有柱塞套，所述主动柱塞和/或所述从动柱塞分别与 所述柱塞套滑动配合。 优选的，所述缓冲孔和/或所述固定孔设置在所述柱塞套上；所述缓冲台座与所述 柱塞套一体成型，所述主动油腔和/或所述从动油腔位于所述柱塞套中；所述柱塞套与所述 固定体之间还形成有中间油腔，所述总油孔、所述缓冲孔和所述固定孔分别与所述中间油 腔连通。 优选的，在所述缓冲台或所述缓冲台座的侧壁面上设置有若干个缓冲槽。 本发明还提供一种全可变挺杯，包括固定体、主动柱塞、复位弹簧和从动柱塞，所 述主动柱塞和所述从动柱塞分别与所述固定体滑动配合，所述固定体中设置有主动油腔和 从动油腔，所述主动柱塞一端位于所述主动油腔中，所述从动柱塞一端位于所述从动油腔 中；所述主动油腔通过单向阀孔与所述从动油腔相通，所述单向阀孔上设置有单向阀，所述 单向阀使得液压油只能从所述主动油腔向所述从动油腔单向流动；所述固定体上设置有总 油孔，所述主动油腔通过若干个固定孔与所述总油孔连通，所述从动油腔通过若干个缓冲 孔与所述总油孔连通，所述总油孔通过油路与储能器连通，所述油路上设置有液压阀；所述 复位弹簧提供弹簧力保证从主动柱塞到凸轮之间各相互接触部件始终保持接触状态。 优选的，所述固定体中还固设有柱塞套，所述主动柱塞和/或所述从动柱塞分别与 所述柱塞套滑动配合。 优选的，所述缓冲孔和/或所述固定孔均设置在所述柱塞套上；所述单向阀孔设置 在所述柱塞套上，所述主动油腔和/或所述从动油腔均位于所述柱塞套中；所述柱塞套与所 述固定体之间还形成有中间油腔，所述总油孔、所述缓冲孔和所述固定孔分别与所述中间 油腔连通。 本发明全可变挺杯相对于现有技术取得了以下技术效果： 本发明全可变挺杯能够在不对发动机本体进行改动、零部件数量极少的前提下， 实现从动活塞的缓冲落座，气门落座速度≤0.3m/s。本发明全可变挺杯能够实现气门运行 参数灵活独立可调，提高了丰满系数，相同发动机最高转速下，丰满系数提高4％-12％以 上，适应的发动机最高转速范围提高了至少4％-9％，适用范围广；同时能够在不改变发动 机本体的基础上就完成安装使用，气门开启速度和气门关闭速度足够快，也能够保证在发 动机高转速的情况下各零部件受力不超标、气门落座时间足够短等；缓冲台加缓冲孔的设 计能减弱耦合作用，小幅度优化气门运行的可控性、一致性和可重复性，而单向阀加缓冲孔 的设计能消除耦合作用，大幅度优化气门运行的可控性、一致性和可重复性。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。 图1为气门升程随气门运行期的变化关系图； 图2为本发明全可变挺杯实施例一的结构示意图； 图3为本发明全可变挺杯实施例二的部分结构示意图； 6 CN 111550294 A 说　明　书 5/10 页 图4为本发明全可变挺杯实施例三的结构示意图； 图5为本发明全可变挺杯实施例四的结构示意图； 图6为本发明全可变挺杯实施例五的结构示意图； 图7为本发明全可变挺杯中不同方案气门升程曲线的对比图； 其中：1-从动柱塞，101-缓冲台，1011-缓冲槽，2-柱塞套，201-缓冲孔，202-缓冲台 座，203-固定孔，3-固定体，301-总油孔，4-主动柱塞，5-复位弹簧，6-主动油腔，7-从动油 腔，8-液压阀，9-储能器，10-单向阀外壳，11-单向阀弹簧，12-单向阀阀芯，13-单向阀孔。