《一種內燃機配氣凸輪》是長城汽車股份有限公司於2010年9月30日申請的專利，該專利的申請號為2010102972527，公布號為CN101949313A，授權公布日為2011年1月19日，發明人是柴曉娜、高定偉、劉剛。
《一種內燃機配氣凸輪》用於提高發動機性能。其技術方案是：它包括進氣凸輪和排氣凸輪，凸輪的輪廓由基圓和工作段組成，其中，工作段由上升段和下降段組成，上升段和下降段與基圓之間均設定有過渡段，改進後，工作段型線採用分段加速度函式曲線，所述分段加速度函式曲線給出了凸輪的升程數值和凸輪升角之間的對應數值。該發明採用ISAC分段加速度函式設計和最佳化凸輪型線，凸輪的豐滿係數可達0.54，使柴油機具有充氣性能和動力性能好、噪聲低、運轉平穩、振動小的特點。
2016年12月7日，《一種內燃機配氣凸輪》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種內燃機配氣凸輪》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種內燃機配氣凸輪
- 公布號：CN101949313A
- 授權日：2011年1月19日
- 申請號：2010102972527
- 申請日：2010年9月30日
- 申請人：長城汽車股份有限公司
- 地址：河北省保定市朝陽南大街2266號
- 發明人：柴曉娜、高定偉、劉剛
- Int.Cl.：F01L1/08(2006.01)I
- 代理機構：石家莊冀科專利商標事務所有限公司
- 代理人：李羨民、高錫明
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
內燃機配氣凸輪型線設計在配氣機構設計中極為重要，這是由於氣門開關的快慢、開度的大小、開啟時間的長短都取決於配氣凸輪的形狀。即豐滿係數的大小決定於氣門升程曲線的形狀，而氣門升程曲線的形狀則取決於凸輪外形的設計。
整個凸輪輪廓由基圓、上升段和下降段組成，其中上升段和下降段又都各分為過渡段（緩衝段）和工作段兩部分。設定過渡段的目的是控制氣門的升起初速度和落座速度，防止氣門開閉時受到較大的衝擊，降低機構的振動、噪聲，以及氣門和氣門座錐面的磨損。
截至2010年9月，內燃機一般採用圓弧凸輪和函式凸輪。圓弧凸輪具有時面值較大的優點，但其曲率半徑不連續形成加速度曲線突變，這會引起配氣機構的振動和噪聲，甚至產生氣門反跳，破壞了配氣相位。函式凸輪的最大特點是在凸輪整個工作段加速度曲線不出現突變，而是逐漸變化的。但2010年9月前技術中函式凸輪的整個工作段由單一的函式式構成，不利於型線的最佳化設計，靈活性差，這也在一定程度上限制了凸輪性能的進一步提高。
發明內容
專利目的
《一種內燃機配氣凸輪》的目的在於克服2010年9月前技術的不足、提供一種型線設計合理、動力性能好、振動和噪聲低的內燃機配氣凸輪。
技術方案
《一種內燃機配氣凸輪》的凸輪的輪廓由基圓和工作段組成，其中，工作段又分為上升段和下降段，上升段和下降段與基圓之間均設定有過渡段，改進後，工作段型線採用分段加速度函式曲線，所述分段加速度函式曲線給出了凸輪的升程數值和凸輪角度之間對應關係的坐標值；所述坐標按下述原則確定：
以進氣凸輪基圓的圓心為坐標原點建立直角坐標系，上升段和下降段分別位於第二象限和第一象限內，以凸輪輪廓上任一點與原點的連線與X軸正方向的夾角（該角的取值範圍為0°～180°）的補角稱為凸輪升角，以凸輪輪廓上任一點到原點的距離與基圓半徑之差為升程，則進氣凸輪的升程數值和凸輪升角之間的對應關係如下：
升角（單位為°） | 升程（毫米） | 升角（單位為°） | 升程（毫米） |
0 | 0.0000 | 95 | 3.5760 |
10 | 0.0000 | 100 | 3.4364 |
15 | 0.0000 | 105 | 3.2178 |
20 | 0.0000 | 110 | 2.9281 |
25 | 0. 0000 | 115 | 2.5748 |
30 | 0.0031 | 120 | 2.1660 |
35 | 0.0358 | 125 | 1.7113 |
40 | 0.1830 | 130 | 1.2273 |
45 | 0.4990 | 135 | 0.7493 |
50 | 0.9868 | 140 | 0.3728 |
55 | 1.5499 | 145 | 0.1299 |
60 | 2.0774 | 150 | 0.0241 |
65 | 2.5405 | 155 | 0.0000 |
70 | 2.9285 | 160 | 0.0000 |
75 | 3.2357 | 165 | 0.0000 |
80 | 3.4575 | 170 | 0.0000 |
85 | 3.5897 | 175 | 0.0000 |
90 | 3.6292 | 180 | 0.0000 |
上述內燃機配氣凸輪，以排氣凸輪基圓的圓心為坐標原點建立直角坐標系，上升段和下降段分別位於第一象限和第二象限內，以凸輪輪廓上任一點與原點的連線與X軸正方向的夾角稱為凸輪升角，以凸輪輪廓上任一點到原點的距離與基圓半徑之差為升程，則排氣凸輪的升程數值和凸輪升角之間的對應關係如下：
升角（單位為°） | 升程（毫米） | 升角（單位為°） | 升程（毫米） |
0 | 0.0000 | 95 | 5.1016 |
10 | 0.0000 | 100 | 4.9459 |
15 | 0.0000 | 105 | 4.6807 |
20 | 0.0000 | 110 | 4.3257 |
25 | 0.0566 | 115 | 3.8222 |
30 | 0.2298 | 120 | 3.2355 |
35 | 0.5391 | 125 | 2.5592 |
40 | 0.9818 | 130 | 1.8288 |
45 | 1.5548 | 135 | 1.1630 |
50 | 2.2056 | 140 | 0.6470 |
55 | 2.8385 | 145 | 0.2871 |
60 | 3.4200 | 150 | 0.0804 |
65 | 3.9313 | 155 | 0.0119 |
70 | 4.3609 | 160 | 0.0071 |
75 | 4.7019 | 165 | 0.0000 |
80 | 4.9494 | 170 | 0.0000 |
85 | 5.0998 | 175 | 0.0000 |
90 | 5.1511 | 180 | 0.0000 |
改善效果
《一種內燃機配氣凸輪》採用ISAC分段加速度函式設計和最佳化凸輪型線，ISAC可用任意函式自由搭配，增加了設計的靈活性，按這種型線生產的凸輪，豐滿係數可達0.54，使柴油機具有充氣性能和動力性能好、噪聲低、運轉平穩、振動小的特點。
附圖說明
圖1是進氣凸輪輪廓示意圖；
圖2是排氣凸輪輪廓示意圖；
圖3是進氣凸輪輪廓分段示意圖；
圖4是排氣凸輪輪廓分段示意圖；
圖5是使用該凸輪的發動機的扭矩隨轉速變化的曲線；
圖6是使用該凸輪的發動機的功率隨轉速變化的曲線；
圖7是使用該凸輪的發動機的全負荷燃油消耗率隨轉速變化的曲線。
圖中各標號為：1、基圓；2、上升段；3、下降段；A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、分別為進氣凸輪的12段曲線；A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1、J1、K1、L1；分別為排氣凸輪的12段曲線。
技術領域
《一種內燃機配氣凸輪》涉及一種最佳化了型線設計的柴油機配氣凸輪，屬發動機技術領域。
權利要求
1.《一種內燃機配氣凸輪》的凸輪的輪廓由基圓和工作段組成，其中，工作段又分為上升段和下降段，上升段和下降段與基圓之間均設定有過渡段，其特徵在於，工作段型線採用分段加速度函式曲線，所述分段加速度函式曲線給出了凸輪的升程數值和凸輪角度之間對應關係的坐標值；所述坐標按下述原則確定：
以進氣凸輪基圓的圓心為坐標原點建立直角坐標系，上升段和下降段分別位於第二象限和第一象限內，以凸輪輪廓上任一點與原點的連線與X軸正方向的夾角的補角稱為凸輪升角，以凸輪輪廓上任一點到原點的距離與基圓半徑之差為升程，則進氣凸輪的升程數值和凸輪升角之間的對應關係如下：
升角（單位為°） | 升程（毫米） | 升角（單位為°） | 升程（毫米） |
0 | 0.0000 | 95 | 3.5760 |
10 | 0.0000 | 100 | 3.4364 |
15 | 0.0000 | 105 | 3.2178 |
20 | 0.0000 | 110 | 2.9281 |
25 | 0. 0000 | 115 | 2.5748 |
30 | 0.0031 | 120 | 2.1660 |
35 | 0.0358 | 125 | 1.7113 |
40 | 0.1830 | 130 | 1.2273 |
45 | 0.4990 | 135 | 0.7493 |
50 | 0.9868 | 140 | 0.3728 |
55 | 1.5499 | 145 | 0.1299 |
60 | 2.0774 | 150 | 0.0241 |
65 | 2.5405 | 155 | 0.0000 |
70 | 2.9285 | 160 | 0.0000 |
75 | 3.2357 | 165 | 0.0000 |
80 | 3.4575 | 170 | 0.0000 |
85 | 3.5897 | 175 | 0.0000 |
90 | 3.6292 | 180 | 0.0000 |
所述升角的單位為°，升程的單位為毫米。
2.根據權利要求1所述的內燃機配氣凸輪，其特徵是，以排氣凸輪基圓的圓心為坐標原點建立直角坐標系，上升段和下降段分別位於第一象限和第二象限內，以凸輪輪廓上任一點與原點的連線與X軸正方向的夾角稱為凸輪升角，以凸輪輪廓上任一點到原點的距離與基圓半徑之差為升程，則排氣凸輪的升程數值和凸輪升角之間的對應關係如下：
升角（單位為°） | 升程（毫米） | 升角（單位為°） | 升程（毫米） |
0 | 0.0000 | 95 | 5.1016 |
10 | 0.0000 | 100 | 4.9459 |
15 | 0.0000 | 105 | 4.6807 |
20 | 0.0000 | 110 | 4.3257 |
25 | 0.0566 | 115 | 3.8222 |
30 | 0.2298 | 120 | 3.2355 |
35 | 0.5391 | 125 | 2.5592 |
40 | 0.9818 | 130 | 1.8288 |
45 | 1.5548 | 135 | 1.1630 |
50 | 2.2056 | 140 | 0.6470 |
55 | 2.8385 | 145 | 0.2871 |
60 | 3.4200 | 150 | 0.0804 |
65 | 3.9313 | 155 | 0.0119 |
70 | 4.3609 | 160 | 0.0071 |
75 | 4.7019 | 165 | 0.0000 |
80 | 4.9494 | 170 | 0.0000 |
85 | 5.0998 | 175 | 0.0000 |
90 | 5.1511 | 180 | 0.0000 |
所述升角的單位為°，升程的單位為毫米。
實施方式
《一種內燃機配氣凸輪》最佳化了凸輪的型線設計，提高了發動機的性能，其特點如下：
1、《一種內燃機配氣凸輪》採用ISAC（分段加速度函式），這些函式是凸輪型線最佳化時的首選方法，可套用於任何形式的閥系凸輪。
2.ISAC可用任意函式自由搭配，靈活性好，如方便控制正加速度寬度等。
3.可採用的加速度函式類型：正弦函式、多項式、直線或過渡圓弧。
4.上升沿（或下降沿）一般分成6～10段函式，確定如何搭配一般速度值、躍度特性、轉矩特性、以及相配曲線的複雜性和工作量等。
圖3所示的進氣凸輪工作段型線由12段函式曲線構成，按工作順序依次記為：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為上升段，G、H、I、J、K、L為下降段。
圖4所示的排氣凸輪工作段型線也由12段函式曲線構成，按工作順序依次記為：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為上升段，G1、H1、I1、J1、K1、L1為下降段。
根據ISAC分段加速度函式設計出來的配氣凸輪的升程數值範圍：進氣凸輪升程數值範圍是0.000～3.6292毫米，凸輪升角每5°確定一個升程數值，緩衝段升程數值允許誤差≤±0.02毫米，工作段凸輪升程誤差≤±0.035毫米。
排氣凸輪升程數值範圍是0.000～5.1511毫米，凸輪升角每5°確定一個升程數值，緩衝段升程數值允許誤差≤±0.02毫米，工作段凸輪升程誤差≤±0.035毫米。
經計算設計出來的進排氣凸輪如圖1、圖2所示，圖3、圖4是工作段分段示意圖。進、排氣凸輪不是對稱凸輪，並且每個凸輪在0°～90°，90°～180°的升程數值不對稱。得到的升程數值見下表：
角度（°） | 升程（毫米） | 角度（°） | 升程（毫米） | 角度（°） | 升程（毫米） | 角度（°） | 升程（毫米） |
0° | 0.000 | 50° | 0.9868 | 95° | 3.5760 | 140° | 0.3728 |
10° | 0.000 | 55° | 1.5499 | 100° | 3.4364 | 145° | 0.1299 |
15° | 0.000 | 60° | 2.0774 | 105° | 3.2178 | 150° | 0.0241 |
20° | 0.000 | 65° | 2.5405 | 110° | 2.9281 | 155° | 0.0006 |
25° | 0.000 | 70° | 2.9285 | 115° | 2.5748 | 160° | 0.000 |
30° | 0.0031 | 75° | 3.2357 | 120° | 2.1660 | 165° | 0.000 |
35° | 0.0358 | 80° | 3.4575 | 125° | 1.7113 | 170° | 0.000 |
40° | 0.1830 | 85° | 3.5897 | 130° | 1.2273 | 175° | 0.000 |
45° | 0.4990 | 90° | 3.6292 | 135° | 0.7493 | 180° | 0.000 |
角度（°） | 升程（毫米） | 角度（°） | 升程（毫米） | 角度（°） | 升程（毫米） | 角度（°） | 升程（毫米） |
0° | 0.000 | 50° | 2.2056 | 95° | 5.1016 | 140° | 0.6470 |
10° | 0.000 | 55° | 2.8385 | 100° | 4.9459 | 145° | 0.2871 |
15° | 0.000 | 60° | 3.4200 | 105° | 4.6807 | 150° | 0.0804 |
20° | 0.000 | 65° | 3.9313 | 110° | 4.3257 | 155° | 0.0119 |
25° | 0.0566 | 70° | 4.3609 | 115° | 3.8222 | 160° | 0.0071 |
30° | 0.2298 | 75° | 4.7019 | 120° | 3.2355 | 165° | 0.000 |
35° | 0.5391 | 80° | 4.9494 | 125° | 2.5592 | 170° | 0.000 |
40° | 0.9818 | 85° | 5.0998 | 130° | 1.8288 | 175° | 0.000 |
45° | 1.5508 | 90° | 5.1511 | 135° | 1.1630 | 180° | 0.000 |
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種內燃機配氣凸輪》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
