用于实现气阀可变驱动的紧凑型空动系统的制作方法

专利名称：用于实现气阀可变驱动的紧凑型空动系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于驱动内燃机中气阀的系统和方法。更具体 来讲，本发明涉及这样一种系统和方法其能为内燃机中的进气阀、排气 阀、以及辅助气阀提供可变的驱动。
背景技术：
在内燃机中，需要对气阀执行驱动，以便于使发动机输出正的功率。 在产生正功的过程中，可开启一个或多个进气阀，以便于将空气和燃料吸 入到气缸中进行燃烧。 一个或多个排气阀可被开启，以允许燃烧气体从气 缸中排出。在产生正功的过程中，进气阀、排气阀、和/或辅助气阀可在各 个时刻开启，以便于使气体实现再循环，从而可改善发动机的排放。在不使用发动机产生正功时，还可利用对发动机气阀的驱动来产生发 动机阻滞制动作用，并实现废气再循环(EGR)。在由发动机实施制动的过 程中，排气阀可被选择性地开启，以便于将发动机变换成空气压縮机一至 少是临时性的。在此情况下，发动机产生出制动马力，有利于减慢车辆的 速度。这可提高驾驶员对车辆的控制能力，并能显著减轻车辆常规制动器 的磨损。在许多内燃机中，进气阀和排气阀是由型廓恒定的凸轮进行开闭的， 更具体来讲，气阀是由一个或多个固定的凸角进行驱动的，这些凸角是凸 轮上的整体组成部分。如果进气阀和排气阀的正时和升程是可变的，则可 获得很多益处，这些益处例如是发动机性能指标提高、燃油经济性改善、 排放降低、车辆具有更好的驾驶性能。但是，采用型廓恒定的凸轮却很难 调整发动机气阀的正时和/或升程量，从而无法根据发动机的各种工况来优 化气阀的正时和/或升程，其中的各种工况例如是不同的发动机转速。人们已提出了一种在凸轮型廓固定的情况下、调整气阀正时和升程的 方法，在该方法中，通过在气阔和凸轮之间的气阀连杆机构中设置一 "空动(lost motion)"装置来对气阀实现可变的驱动。"空动"这一术语是指 这样一类技术方案利用长度可变的机械、液压或其它的连杆组件来改变 由凸轮型廓规定的气阀运动规律。在空动系统中，凸轮的凸角可提供发动 机整个工况范围内所需要的"最大"(最长的停驻时间和最大升程)运动量。 然后，可将长度可变的系统设置在气阀连杆机构中，使其位于要被开启的 气阀与提供最大运动量的凸轮之间，以便于削减或消耗凸轮向气阀施加的 部分或全部运动。该可变长度系统(或空动系统)在完全扩张开时能将凸轮的全部运动 都传递给气阀，而在完全回縮时，则不向气阀传递凸轮的任何运动、或只 是传递最小量的运动。这种系统和方法的一个实例公开在第5537976和 5680841号美国专利中，这两个专利的发明人为Hu,且其受让人与本申请 的受让人相同，两专利的内容被接合到本申请中作为参考资料。在第5680841号美国专利所公开的空动系统中，发动机凸轮轴可带动 一主活塞，该活塞可将流体从其液压腔排挤到一从动活塞的液压腔中。从 动活塞反过来再作用在发动机的气阀上，以将气阀开启。该空动系统包括 一个由电磁线圈触动的阀门，其与连接着主活塞和从动活塞的液压回路相 连通。当主活塞受到凸轮上某些凸角的作用时，为了将液压流体保持在回 路中，可将电磁阀维持在关闭状态。只要电磁阀保持关闭状态，从动活塞 和发动机气阀的运动就直接对应于由主活塞的运动所排出的液压流体，此 时，主活塞相应于凸轮凸角对其的作用而往复运动。如果电磁阀被打开， 则回路就处于泄流状态，主活塞产生的全部或部分液压压力被回路吸收掉 了，而未被作用于从动活塞和发动机气阀上使它们产生位移。尽管上述的'841号美国专利的确考虑到了采用高速触发阀的情况，但 上述的空动系统一般并未采用高速机构来快速地改变空动系统的作用长 度。尤其是对于气阀可变驱动(VVA)的情形，需要采用高速空动系统。真 正的高速气阀可变驱动技术被理解为具有足够快的动作速度，从而使空动 系统能在凸轮一个凸角的运动过程中具有多于一个的作用长度。通过利用 高速机构来改变空动系统的长度，可在整个气阀动作期间获得足够精确的控制，从而使气阀在发动机的全工况范围内实现更为优化的动作规律。尽 管现有技术中已提出了多种装置来使气阀正时和升程实现各种程度的柔性 化，但空动型液压可变气阀驱动技术优异的应用前景已获得了越来越广泛 的认可，这种技术的前景在于能使灵活性、低耗能性、以及可靠性获得最 佳的组合。通过设计出更为复杂的凸轮型廓，就能使发动机获得空动VVA系统所 能带来的益处，其中的凸轮型廓上带有额外的凸角或突起，从而除了正常 的主进气工作和主排气工作之外，还能使气阀具有其它的辅助升程。利用 带有多凸角凸轮的VVA系统，发动机的气阀能实现许多独特的运动模式。 举例来讲，可在进气凸轮上为EGR设置一个另外的凸角，该凸角位于主进 气凸角之前，和/或排气凸轮上也为EGR设置一个另外的凸角，其位于主排 气凸角之后。还可在凸轮上设置其它的凸角，这些凸角例如是为了促进气 缸充气和/或压縮漏气。空动型VVA系统可被用来选择性地取消或激化部分 或全部可行的气阀升程组合形式，这些可行的组合形式来源于设置在进气 凸轮和排气凸轮上的凸角的种类。结果就是，发动机的正功率输出和制动 作用都能获得显著的改善。上述的优点并非必须要局限在排气阀和进气阀方面。本发明人也考虑 了将空动VVA技术应用于发动机其它辅助性气阀的可能性，这些其它的气 阀是专为进气、排气之外的其它目的而设置的一例如为发动机制动或EGR 而设置的。通过设置一具有所有可能的所需驱动作用的发动机辅助气阀凸 轮、以及一空动型VVA系统，就可根据不同的发动机转速和工况改变对辅 助气阀的作用以实现优化。考虑到上述的条件，本发明中关于空动系统和方法的实施方式将尤其 适用于这样的发动机其需要采用气阀可变驱动技术来优化正功率输出、 发动机气阀制动动作(例如实施压縮漏气制动)、以及废气再循环气阀动作。上述每一类关于气阀动作(主进气、主排气、发动机制动、以及废气 再循环)的发生都是如下动作的结果某一气阀被顶入到发动机气缸中， 以允许气体流入或流出气缸。每一动作都必然具有一开始(气阀开启)时 刻和一结束(关闭)时刻，这两个时刻共同限定了动作的持续时长。在各 个动作发生时，可利用发动机的位置(通常为曲轴的位置)来标记所述开始时刻和结束时刻。这些气阀动作还必然包括一个时间点，在该时间点上， 发动机气阀在发动机气缸内到达最大延伸位置处，该最大延伸长度通常被 称为气阀升程。因而，至少在基本意义的层面上，每一种气阀动作都可由 其开始时刻、结束时刻、以及气阀升程来限定。如果用于将发动机凸轮与发动机气阀连接起来的空动系统每次受到某 一特定凸角作用时都具有固定的长度，则由该凸角代表的每次气阀动作的 开始时刻、结束时刻、以及升程都将是恒定的。另外，对于在凸轮整圈转 动过程中长度固定的空动系统，假定在空动系统与发动机气阀之间不存在 任何的间隙空间，则该空动系统将对凸轮上的任何一个凸角都作出响应而 产生一个气阀动作。但是发动机气阀最佳的开始时刻、结束时刻、以及升 程并不是"固定的"，而是对于不同的发动机工作模式(例如发动机工作负 载不同、不同的供油、停缸等)、不同的发动机转速、以及不同的环境条件 而具有很大的区别。因此，希望能有这样一种空动系统其长度是不固定 的，而是在短期内"可变的"，其中的"短期"可短到某一凸轮凸角经过某 一固定点所用的时间长(即短到凸轮轴几度转角的时间)、或至少不长于凸 轮轴转动一圈的时间。还希望能在发动机输出正功率的过程中获得最大的功率和最好的燃油 经济性。本发明各个实施方式的一个优点在于这些实施方式可被用来改 变进气阀和排气阀的正时和/或升程，以便于获得最佳的动力和燃油经济 性一如果希望这样的话。采用空动VVA系统则能响应于发动机工况、负荷、以及转速的变化而改变气阀正时和/或升程。可根据对发动机工况的检测和 /或预先编程设定的指令实时地进行这些改变。还希望能降低内燃机一尤其是柴油机尾气中的N0x和/或其它污染排放 物。本发明各实施方式的一个优点在于通过采用可变气阀正时技术和为 进气阀、排气阀和/或辅助气阀设置辅助升程，以执行内部废气再循环或俘 集残余废气，可应用这些实施方式来降低NOx和其它污染排放物。通过将废 气搀入到来自于进气歧管的新鲜空气中，就能在不过大地增加燃油消耗的 前提下降低峰值燃烧温度，这将使污染物的产生量变少，并使碳氢化合物 实现更充分的燃烧。对于柴油机而言，还极为关注发动机执行制动模式的能力。本发明各个实施方式的另一个优点在于使发动机制动性能在整个转速范围内获得 优化，并能响应于驾驶员的要求而对发动机制动作用进行调整。还希望能有这样的发动机其通过采用特殊的气阀正时规律，在发动 机起动后的很短时间内就能快速地升温。驾驶员的舒适感以及后序处理装 置的效率将取决于发动机能多快地升温到正常的工作温度。本发明各实施方式的再一个优点在于其能改善发动机的加温。可通过采用不同的技术来 实现这一效果，其中技术包括(但不限于此)进气阀提早关闭、EGR技术、 排气阀/进气阀重叠角的改变、某些气缸停缸、甚至于在输出正功的过程中 对某些气缸执行压縮漏气制动以使得发动机在实际上自我抵消地工作。执行停缸作业的能力并非仅对于发动机的加温过程和柴油机而言是有 意义的。在本发明的某些实施方式中，空动VVA系统可被改造成解除与某 一发动机气阀一甚至某一气缸相关的所有凸轮运动。结果就是，该空动VVA系统可被用来有效地"切断"或关停发动机中一个或多个气缸的工作。这 一能力可被用来改变正功输出过程中发火气缸的数目，从而增加对燃油经 济性和功率范围的控制程度。停缸操作还能提高仍然工作的气缸的废气温度，由此能提高废气后处理装置的效率。还可考虑这样的应用在起动发 动机和/或使发动机熄火时，可对各个气缸依次执行停缸，以减轻发动机起 动和熄火期间产生的非平衡冲击力量。对发动机制造厂商而言，空间和重量也是需要考虑的因素。因而，希 望能减小发动机上负责气阀驱动的分系统的尺寸和重量。本发明的某些实 施方式致力于通过为空动VVA系统提供一种紧凑的主-辅活塞壳体而满足这 些需求。申请人已经发现通过减小空动VVA系统的尺寸，还可获得一些未被预料到的优点。由于系统的总体尺寸被减小，所以系统所附带的液压 通道的容积也减小了，因而能改善液压随动响应性。本发明其它优点的一部分被下文的描述所揭示，而另一部分对于那些 阅读了本文描述和/或实践了本发明的本领域技术人员来讲则是很显然的。发明内容申请人研制了一种经过革新的空动系统，该系统能实现气阀可变驱动。 系统可包括一主-辅活塞回路，该回路与一高速触发阀相连通。可通过选择 性地启动所述触发阀来为不同的时间段提供范围宽广的气阀动作行为、以及多种可能的气阀升程。申请人还研制了一种革新的空动型气阀驱动系统，其包括 一壳体， 其具有一主活塞腔和一从动活塞腔，其中，主活塞腔和从动活塞腔是相交 贯的； 一主活塞，其可滑动地布置在主活塞腔中，其中，该主活塞适合接 受输入的运动；以及一从动活塞，其可滑动地布置在从动活塞腔中，其中， 该从动活塞适于促动一个或多个发动机气阔。申请人还已研制出一种革新性的系统，该系统用于使发动机气阀的各 种气阀动作获得可变的驱动作用，所述系统包括 一壳体，其具有一主活 塞腔和一从动活塞腔； 一主活塞，其可滑动地布置在主活塞腔中； 一凸轮， 其与主活塞保持工作连接，所述凸轮专用于对主活塞执行操作； 一从动活 塞，其可滑动地布置在从动活塞腔中，其中，该从动活塞可选择性地与主 活塞保持液压连接关系，并适于促动一个或多个发动机气阀； 一气阀落座 组件，其被包含在从动活塞中；以及一触发阀，其与从动活塞腔保持工作 连接。申请人也研制出一种革新性的空动气阀驱动系统，其包括 一壳体， 其具有一主活塞腔和从动活塞腔，其中，主活塞腔和从动活塞腔的轴向延 伸方向大体上是相互垂直的； 一主活塞，其可滑动地布置在主活塞腔中， 其中的主活塞适于接受输入运动；以及一从动活塞，其可滑动地布置在从 动活塞腔，其中，从动活塞适于促动一个或多个发动机气阀。申请人还研制出了一种革新性的方法，该方法采用与一主活塞保持液 压连接的从动活塞，对于内燃机气阀所执行的所有非故障性气阀驱动模式 都实现了气阀可变驱动，所述方法包括步骤使主活塞响应于一个凸轮的 运动而在一主活塞腔中移动；响应于主活塞的移位，将液压流体从主活塞 腔直接输送到一从动活塞腔中；响应于向从动活塞腔输送液压流体的操作， 从动活塞在从动活塞腔中移动；响应于从动活塞的移动而驱动发动机的气 阀；以及选择性地释放或增加从动活塞腔中的液压流体，以实现对气阀的 可变驱动。应当理解上文的概括性描述和下文的详细描述都是(也仅是)示例 性的，并不构成对权利要求所界定发明的限制。文中的描述是参照附图进 行的，这些附图构成了本说明书的一个组成部分，其表示了本发明特定的实施方式，并与文字描述一道来解释本发明的原理。


为了便于对本发明的理解，下文将参照附图进行描述，在附图中，相 同的附图标号指代同类元件。附图仅是示例性的，不应被理解为对本发明 的限定。图1中的原理框图表示了根据本发明第一实施方式的气阀驱动系统；图2中的示意图表示了根据本发明第二实施方式的气阀驱动系统；图3中的示意图表示了根据本发明第三实施方式的气阀驱动系统；图4是一凸轮的示意图，该凸轮带有多个凸角，其用于与本发明的各 种实施方式配套使用；图5中的示意图表示了根据本发明第四实施方式的气阀驱动系统；图6中的示意图表示了本发明一种备选的实施方式，在该实施方式中， 系统壳体的下部中结合有一泄放制动液压柱塞；图7中的示意图表示了本发明的另一种备选实施方式，其包括用于限 制蓄液器容积的装置，以实现跛行归站工作模式；图8中的示意图表示了从动活塞的上部区域，更具体来讲，其表示了 图7中的气阀落座组件；图9中的示意图表示了本发明的另一备选实施方式，该实施方式为从 动活塞设置了限幅通道；图10中的图线表示了发动机气阀升程与曲轴转角之间的关系，表示了 在通常输出正功的过程中主进气和主排气时的气阀运动情况；图11中关于发动机气阀升程与曲轴转角之间关系的图线表示了输出正 功时以中间升阀形式执行主进气和主排气运动的情形；图12中关于发动机气阀升程与曲轴转角之间关系的图线表示了在输出 正功的过程中进气阀提早关闭的情况；图13中关于发动机气阀升程与曲轴转角之间关系的图线表示了在输出 正功的工作过程中进气阀和排气阀的EGR动作，其中，EGR动作伴随着进气 阀的提早关闭；图14中关于发动机气阀升程与曲轴转角之间关系的图线表示了泄放制 动工作模式；图15中关于发动机气阀升程与曲轴转角之间关系的图线表示了在发动 机执行压縮漏气制动时气阀的运动规律；以及图16中关于发动机气阀升程与曲轴转角之间关系的图线表示了在执行 正功率工作过程中排气阀提早开启的情况。
具体实施方式
如本文具体描述的那样，本发明即包括系统、也包括方法，系统和方 法都用于控制发动机气阀的动作。下面将详细地介绍本发明的第一实施方 式，该实施方式的一个示例被表示在附图中。在图1中，本发明的第一实 施方式被表示为气阀驱动系统10。气阀驱动系统10包括一个用于施加运动 的装置IOO (运动装置)，其与空动系统200相连接，而空动系统200反过 来再与一个或多个发动机气阀300相连接。运动施加装置100向空动系统 200提供一个输入运动。空动系统200可在两种状态之间选择性地进行切 换(1)将运动装置IOO输入的运动消减掉以及(2)将输入运动传递给 发动机气阀300。传递给发动机气阀300的运动可被用来产生各种发动机气 阀动作，例如包括(但不限于此)主进气动作、主排气动作、压缩漏气制 动、泄放制动、外部和/或内部废气再循环、排气阀提早开启、进气提前关 闭、中间升阀等。气阀驱动系统10包括空动系统200，系统10可响应于控 制器400发出的信号或输入指令而在空动模式与不损失运动模式之间进行 切换。发动机气阀300可以是排气阀、进气阀、或辅助气阀。运动施加装置100可包括一些凸轮、挺杆、和/或摇臂的任何组合形式。 空动系统200包括任何能将运动施加装置100与气阀300连接起来、且能 将运动施加装置100的运动选择性地传递给气阀300的结构。在一方面的 意义上，空动系统200可以是能选择性地实现多于一种恒定行程长度的结 构。空动系统200例如可包括一机械连杆机构、液压回路、液压一机械连 接机构、机电连接机构、和/或任何其它的连接机构，只要其适于连接运动 施加装置100、且能实现多个工作长度即可。如果空动系统200包括一液压 回路，则其将包括用于调节回路中压力或流体量的装置，例如可包括触发 阀、逆止阀、蓄液器、和/或用于向回路增加或释放液压流体的其它装置。 空动系统200可被布置在气阀机构的任意位置点上，只要能将运动施加装 置100与气阀300连接起来即可。控制器400可包括任何电子或机械装置，其用于与空动系统200保持 通讯，并能促使空动系统消减掉全部或部分输入运动、或者不消减该输入 运动。控制器400可包括一微处理器，其与其它发动机部件相连接，用于 为空动系统200选择和确定合适的瞬时长度。通过基于由微处理器从各个 发动机部件收集来的信息对空动系统200即时长度进行控制，就可实现气 阀驱动在多个发动机转速和工况上的优化。优选地是，控制器400适于对 空动系统200执行高速控制(对于发动机的每一圈转动可执行一次或多次 控制)。本发明的另一实施方式表示在图2中。参见该附图，运动施加装置100 可包括一凸轮110、 一摇臂120、以及一推管130。参见图4，凸轮110可 选地带有一个或多个凸角，例如包括一主(进气或排气)动作凸角112、 一 发动机制动凸角114、以及一EGR凸角116。对凸轮110上各个凸角的描绘 只是为了进行说明，并不具有限定的作用。可以领会在不悖离本发明所 要求保护范围的前提下，可对凸角的数目、尺寸、位置、以及形状作显著 的改动。继续参见图2，凸轮110作用在摇臂120上。摇臂120包括一用于容纳 一摇臂轴的中心孔122、以及一凸轮随动轮124。摇臂120适于绕中心孔122 前后摆转。可利用插入到中心孔122中的摇臂轴来向摇臂120供应润滑油。 摇臂120还可包括一承窝126，其用于容纳推管130的一个端部。承窝可被 设计成允许随着摇臂120对推管130的作用而产生一定的摆转运动。空动系统200可包括一壳体202、一主活塞210、一主-从液压回路220、 一从动活塞230、 一蓄液器250、以及一触发阀260。壳体202可包括一用 于接纳主活塞210的腔室、 一用于接纳从动活塞230的腔室、 一用于容纳 蓄液器的腔室254、以及一用于容纳触发阀260的腔室。液压回路220被设 置在壳体202中，且连接着主活塞210、从动活塞230、触发阀260、以及 蓄液器250。可利用触发阀260来控制蓄液器250与空动系统中其它元件之 间的液压连通关系，以便于选择性地开启和切断液压回路220与通道222 之间的连通，其中的通道222延伸在触发阀与蓄液器之间。主活塞210可被布置在壳体202中的某个腔室内，以使得其能在该腔 室内往复地滑动，且同时还能保持与壳体的液压密封。不难理解该密封结构附近的一定量泄漏将不会影响空动系统200的工作。主活塞210内部 带有一个内承窝214，用于接纳推管130的第二端。推管130的这一端部和 主活塞210中承窝的形状可被设计成相互配合，并能相互之间产生微小的 摆转运动。主活塞210还可包括一外凸缘216，其适于与一主活塞弹簧212 相配合。主活塞弹簧212可作用在凸缘216上，从而利用推管130将主活 塞210偏置向摇臂。反过来，摇臂120又被偏置向凸轮110。主活塞210在壳体202中的布置方向基本上正交或垂直于发动机气阀 300和从动活塞230的定向方向。在本发明的各个实施方式中，主活塞210 的腔室与从动活塞230腔室之间的流体管线长度很短或者为零。如图2所 示，流体管线长度很短或为零的主活塞、从活塞实际上是相互交叉的。主 活塞210具有正交定向方向、以及主活塞与从动活塞之间流体管线长度为 零或接近于零的设计使得空动系统200要比不这样进行设计的情况紧凑的 多。由于可通过采用较小的液压容积来解决有关液压响应性方面的要求， 因而，主活塞210与从动活塞230之间的正交关系将带来独特的优点既 能"节省"发动机室的空间，又能使主活塞与从动活塞非常靠近。从动活塞230被可滑动地布置在壳体202的一个腔室内，且其定向方 向基本上平行于发动机气阀300。如图2所示，从动活塞230作用在与发动 机气阀300相关联的气阀桥连件310上。可以理解，在本发明的备选实施 方式中，从动活塞230可直接作用在一个或多个发动机气阀上。从动活塞230的直径可被选择成与主活塞210的直径成选定的比例。 这两个直径之间的关系会影响主活塞210的线性位移与从动活塞230受该 位移影响而产生的线性位移之间的关系(假如连接两活塞的液压回路保持 封闭的情况下)。主活塞210线性位移与从动活塞230所产生的线性位移之 间的比值可被称为两活塞的液压比率。不难理解可根据配备该空动系统 200的发动机的具体指标改变最佳的液压比值。系统10可采用直径等于、 大于、或小于从动活塞230直径的主活塞210。如果从动活塞的直径较小，则其行程就将长于相关主活塞的行程。主活塞与从动活塞之间的优选液压 比可在0.5到2的范围内。从动活塞230可包括一气阀落座组件，该组件也被称为气阀限位机构。 该气阀落座组件包括一外活塞232、 一内活塞234、 一下部弹簧236、 一气阀落座销240、 一落座盘238、以及一上部弹簧242,其中的下部弹簧236 施加偏置作用而使内外活塞相分离，上部弹簧242施加的偏置作用则使内 活塞与落座盘238相分离。外活塞232适于相对于其所在的腔室滑动，且 与此同时与该腔室构成一密封结构。可以理解该密封结构的一定量泄漏 不会影响空动系统200的工作。内活塞234适于在外活塞232中滑动，以 便于在两活塞之间形成一个小的流体腔(下部弹簧236位于该腔室内)。该 小流体腔缓慢的渗漏和渗入将在从动活塞230与气阀桥连件310实现自动 间隙调整。因而，优选地是在内活塞234与外活塞232之间设置足够的 泄漏空间，以实现自动间隙吸收。落座销240与落座盘238的组合体可减慢从动活塞的向上运动，从而 在发动机气阀300接近于各自的阀座(图中未示出)时能逐渐地减慢气阀 的运动。落座销240的下端延伸到内活塞234中，上端则延伸到液压回路 240中。落座销240可包括带有一个或多个侧向延伸部，这些延伸部能确定 落座销相对于落座盘238的位置。在本发明的备选实施方式(见图7和图8) 中，在落座销240上制有凹槽，以便于对流经落座销/落座盘之间分界面的 流体逐步地执行节流，从而在气阀最终落座前的1-2ram范围内，能保持较 为恒定的落座力。制有凹槽的落座销的实例公开在由Vanderpoel等人设计 的第6474277号美国专利(授权公告日2002年11月5日)中，该专利也 被转让给本申请的申请人，且被结合到本文中作为参考。落座盘238可滑动地布置在从动活塞腔中。可在落座盘238与从动活 塞腔之间设置一小间隙，以允许少量的液压流体流过落座盘。落座盘238 的向上运动、以及液体绕流过其外边缘的流动可受到一凸肩244的阻挡， 凸肩244是由从动活塞腔与液压回路之间的结合部形成的。还可在落座盘 238与落座销240之间留有一定的间隙，以允许少量的液压流体流过。落座 销240向上的运动会由于其上端与壳体202相接触而被停止。落座销与壳 体之间的接触可自动地设定系统的间隙，并具有对气阀进行限位的功能。通过将气阀落座组件设置在从动活塞230中，本发明的某些实施方式 能将受液压响应性影响的三个部件布置在非常狭小的空间内，因而改善了 随动响应性指标。结果就是，本发明的各个实施方式能减小一甚至于最小 化高压管路中的"无效容积"，其中，该高压管路是由主活塞210、从动活塞230、以及触发阀260围成的。空动系统200还可包括一触发阀260。该触发阀260可包括一内柱塞 262，其受弹簧偏置而处于关闭或开启位置。弹簧的偏置作用决定了触发阀 260的常态是开启还是关闭。本发明的某些实施方式可采用常开或常闭的触 发阀260。例如，如果触发阀260的常态为关闭状态，则其阻止液压流体从 液压回路220释放到蓄液器250中，直至其受到驱动而开启为止。这一启 动过程的发生速度很快，使得液压回路220中的液压流体能在凸轮每一圈 转动的过程中泄放和充入一次或多次。如果触发阀260是开启的，则管路220中的液压流体就能自由地流向 蓄液器250。蓄液器250可包括一蓄液器活塞252,其被安装在一蓄液器腔 254中，还包括一蓄液器弹簧256和一保持装置258。保持装置258可被用 来保持着弹簧256，以使得弹簧将蓄液器活塞252向上偏置到腔室254中。 可通过供液通道257将液压流体重新注入到蓄液器中。供液通道257可选 地包括一局部逆止阀，该逆止阀用于防止液压流体从蓄液器回流向供液通 道。从蓄液器250泄漏出的液压流体可流经保持装置258中的开孔259。可 将蓄液器弹簧256的弹力选择为小于气阀复位弹簧302的作用力，但却足 够大，以便于在需要时能快速地回充液压回路220。蓄液器250还形成了对空动系统200中液压流体进行冷却的装置。蓄 液器活塞252可包括一延伸穿过活塞252顶面的泄放孔或一个沿活塞侧壁 延伸的平面。泄放孔或平面允许少量液压流体在蓄液器250工作时能泄漏 出去。该少量泄漏始终能被来自于供液通道257的、冷而新的液压流体所 补充。该恒定泄漏和补充的净效果在于冷却了输送到空动系统200中的液 压流体。还可将一个局部化的低压液压流体源与液压回路220连通。尽管未在 图中示出，但可以理解可通过一逆止阀将本地液压流体源与液压回路220 连通起来。该本地液压流体源可被用来向液压回路220中充注开始时为冷 态的流体。可以理解液压流体的该局部储器可被集成到壳体202中。下文将继续参照图2对空动系统10的功能进行描述。随着凸轮110的 转动，摇臂120上的随动件124将拟合凸轮的表面，使得摇臂可绕中心孔 112枢转。随着摇臂120的转动，其将凸轮110的运动传递给推管130，该推管反过来再将运动传递给空动系统200。当运动经空动系统200进行转移 时，气阀300就被驱动而产生发动机气阀的一次动作。可实现上文讨论的 发动机气阀动作中的任一种。利用空动系统200的即时长度来控制从凸轮 110传递给气阀300的运动量。空动系统200的即时长度是由触发阀260和蓄液器250进行控制的。 当触发阀260处于关闭状态时，液压流体首先将充满(流经图中未示出的 一个可选的逆止阀)管路220，然后被保留在管路220中。在主活塞210 被弹簧212从其腔室中顶出时，液压流体可将管路220充满。随着主活塞 210向外移动，其可将流体抽吸到管路220中。另外，液压流体也可被泵送 到液压回路220中。处于管路220中的流体将使得外从动活塞232克服气 阀桥连件310的作用而向下移动。随着外从动活塞232向下移动，落座盘 238也会略微地向下移动，以允许流体填充落座盘238与外从动活塞232 之间的空间。但落座盘238的向下移动不会太远，原因在于其受到上部弹 簧242向上的偏置作用。外从动活塞232的向下运动还会使内从动活塞234 产生一定量的向下运动，并使落座销240产生一定的相对运动。实质上， 从动活塞中负责控制气阀落座的各个元件一即落座盘238、落座销240、以 及内从动活塞234能分隔开、并保持着它们之间的流体。在气阀落座的过 程中，可利用流体从这些元件之间流出时受到控制和限制的作用来减慢气 阀向下的运动，在气阀向下运动过程中，各个元件实际上被挤压到一起。在从动活塞与气阀桥连件310之间的间隙消失之后，主活塞210的运 动(受凸轮IIO、摇臂120、以及推管130作用而产生)通过空动系统200 传递给从动活塞230。结果就是，当主活塞210被顶入到其腔室中时，从动 活塞230向下运动而推动气阀300。在此操作过程中，外从动活塞232、内 从动活塞234、落座盘238、以及落座销240都基本上一起运动，以实现气 阀的升阀动作。只要触发阀260保持关闭，从动活塞230和气阀300就能 直接响应于主活塞210的运动。主活塞210的泵压作用将有助于确保液压流体渗入到外从动活塞232 与内从动活塞234之间的小腔室内，从而可吸收从动活塞与气阀桥连件310 之间的任何间隙。内外从动活塞的这一间隙自调节特性可补偿气阀机构各 部件之间的热膨胀/收縮，并能在发动机的整个工作寿命期间对部件的磨损进行调整。如果希望消减凸轮110上任意凸角的部分或全部运动，则可开启触发阀，以使从动活塞230与主活塞210脱离联接。当触发阔260开启时，液 压回路220可向蓄液器250部分地泄流，从动活塞230将在气阀弹簧302 的作用下复位。液压回路220中由于主活塞210泵压作用而产生的全部或 部分液压压力将被蓄液器250和供液通道257所吸收。结果就是，从动活 塞230不会响应于主活塞210的运动而产生移动，或者从动活塞将塌縮向 主活塞。由于管路220中的液压流体被泄流，气阀复位弹簧302的作用力 将向上顶推从动活塞230。随着外从动活塞向上运动，由于在内外从动活塞 之间封夹着流体，外从动活塞将向内从动活塞234施加作用。外从动活塞 的向上运动还将迫使流体在落座盘238的内外侧之间流动。但是内外从动 活塞向上的组合运动将迫使落座盘238向上顶接着凸肩244，其中的原因在 于存在上部弹簧242的偏置作用。这将减小从动活塞腔的的出流流量，将 流量减小到可从落座盘238与落座销240之间的小空间逃逸出来的流量。 可选的设计是沿落座销240的侧面制有凹槽(见图7和图8)，以利于流 体的流过。作为上述结构设计的结果，随着从动活塞230的向上运动，从 动活塞腔的出流将受到节制。这反过来将在发动机气阀300接近其阀座时 能减慢从动活塞230的下落速度。继续参见图2，可能特别希望设计这样一种空动系统200:在该系统中， 触发阀260的故障将始终导致主-从活塞间管路220与蓄液器250之间的液 压流路保持连通。希望触发阀故障时处于开启位置的原因在于另一种选择 (即故障时处于关闭位置)将会造成发动机气阀300与发动机活塞发生顶 触(图中未示出)。如果触发阀260的故障态为关闭位置，则就无法释放主 -从管路220中的液压流体。结果就是，从动活塞230的位移可能会超过凸 轮110上各个凸角的最大位移量。如果从动活塞230与气阀桥连件310之 间的间隙不足，则完全的主气阀动作112将会造成从动活塞向下的行程过 长，从而带来发动机气阀300与发动机活塞相顶的风险。尽管优选地是将触发阀260设计成在故障过程中保持开启，但可以理 解在本发明的一种备选实施方式中，触发阀260可被设计成在失效时保 持关闭。图3表示了本发明的另一实施方式，在该实施方式中，采用相同的标号指代同类的元件。图3所示实施方式与图2所示实施方式的区别在于其从动活塞230中并不带有气阀落座元件。实体的从动活塞230被一弹簧 231向下偏置。取决于弹簧231的强度，该弹簧可提供一定的气阀落座对抗 力。可以理解在本发明的备选实施方式中，可在液压回路220上连接其 它的气阀落座元件，也可如此处的情况那样，不连接落座元件。图5表示了本发明的又一实施方式，在该实施方式中， 一硬化的杯帽 体246被压入到壳体202中，且位于落座销240的上方。硬化杯帽体246 可被用来缓冲落座销240与壳体202内部之间的任何冲击作用。相比于壳 体202的制造材料，杯帽体246被认为是"坚硬的"。采用硬化的杯帽体246 则就允许使用相对较软的材料制造壳体202,因而能更为容易地制出壳体， 且能降低机加工成本。不难理解硬化杯帽体246并非对本发明所有的实 施方式都是必要的，而是一个在某些特定环境中需要的可选部件。图6中示意性的剖面图表示了从动活塞230下部的周围区域，该从动 活塞例如是图2、 3、 5、 7和图9中所示的从动活塞，其另外还带有一个液 压泄放制动柱塞239。图14表示了气阀泄放制动驱动模式的一种实例。通 过使一个或多个排气阀呈缝隙开放状态，并使这些排气阀在发动机制动模 式下对于大多数或全部工作循环都保持开启状态，就能实现泄放制动。结 果就是，在排气冲程和压縮冲程的过程中，废气从气缸中泄放到排气总管 内。相比于压縮漏气制动所产生的噪音，与泄放制动相关的噪音是较轻的。 如与排气节流装置相配合，则能增强泄放制动的效果。继续参见图6，泄放制动液压柱塞239被布置在壳体的一个下腔248 中。液压柱塞239被一柱塞止挡249可滑动地保持在壳体下腔248中。柱 塞止挡249可以是一个嵌入到壳体202壁面中的环圈。 一低压液压供液口 245可向壳体腔248输送液压流体，以驱动液压柱塞239。可采用液压控制 阀来控制供液口 245的流体输送。当控制阀被启动时，液压流体将充注腔 室248，从而将液压柱塞239锁定在其最下位置上。如果解除对控制阀的作 用，腔室248中的流体将经供液口 245泄走。弹簧247有助于在控制阀被 解除动作时使液压柱塞回縮到腔室248中。图2、 3、 5、 7以及图9所示的空动系统200在正常的工作(非泄放制动模式)过程中，泄放制动液压柱塞239将完全塌縮到壳体下部腔室248 中。在此期间，气阀的动作将响应于主-从活塞的运动。如果希望执行泄放制动，则液压流体将被从主一从活塞回路220中释 放掉。从主-从回路220中释放流体将造成外从动活塞塌縮到其腔室中。可 从低压液压供液口 245向壳体腔室248输送液压流体，以此使液压柱塞239 向下延伸。反过来，液压柱塞239的向下延伸将使一个或多个排气阀开缝， 从而开始执行泄放制动操作。在希望中止泄放制动时，可切断低压供液口 245的液压流体供应，从而使液压柱塞239再次塌縮到壳体腔室248中。图7表示了本发明的再一种备选实施方式，在该实施方式中，主活塞 腔延伸贯穿了从动活塞腔。主活塞腔贯穿从动活塞腔的定位关系能进一步 提高系统的紧凑性。如图所示， 一很短的液压回路将主活塞腔与从动活塞 腔连接起来。当主活塞210在其腔室内处于最深位置时，其部分地封闭了 短的液压通道。图7所示的空动系统200还包括一止挡500，用于选择性地限制蓄液器 活塞252相对于孔腔254的运动范围。如果触发闽260被设计成在发生故 障时保持开启，则本发明的该实施方式将尤其适用。止挡500的工作将使 得空动系统200具有在触发阀260失效时实现一定程度气阀动作的能力(即 失效保障模式)。止挡500可包括一升高表面510和一凹陷表面520。升高表面和凹陷表 面适于选择性地限制蓄液器活塞252向下的行程，由此可限制蓄液器的最 大容积。如图7所示，当凹陷表面520位于蓄液器活塞252的下方时，蓄 液器活塞可在一定范围内自由移动，该范围即为空动系统在非故障模式下 工作时所需的全部范围。在故障模式的执行过程中，移动止挡500使升高表面510位于蓄液器 活塞252的下方。升高表面510可将蓄液器活塞252保持在升高的位置上， 从而减小了蓄液器250的流体容积。蓄液器容积的减小使得主活塞210更 易于与从动活塞230实现液压锁连一甚至在触发阀260出现故障而保持在 开启状态的条件下。升高表面510的高度一进而蓄液器活塞252的升高位 置可被选择成这样在触发阀出现故障而处于接通位置时，使从动活塞只 能提供低程度的驱动作用(例如主进气或主排气)、或者完整程度的气阀驱动作用。按照这种方式，止挡500使空动系统200具有这样的能力能降 低效率进行工作，从而能"跛行归站(limphome)"，以对触发阀进行修理。可以理解止挡500可采用除图7所示结构之外多种其它的形式，图7 中的形式只是作为示例。止挡500只需要具有这样的功能即可选择性地 将蓄液器活塞252固定在最下方的位置上，以便于在故障模式中减小蓄液 器的最大容积。可利用任何合适的机械、电气、液压、气动或其它装置来 实现该止挡的功能。图7所示的本发明实施方式也带有气阀落座元件，但其与图2、 3和图 5所示的元件略有区别。图8是图7中气阀落座元件的放大视图。气阀落座 元件可包括一内从动活塞234、 一落座盘238、 一落座销240、 一上部弹簧 242、以及一硬化杯帽体246。图中所示的气阀落座元件处于当发动机气阀 300被关闭或落座时的状态。落座销240被布置在内从动活塞234与硬化杯 帽体246之间。落座销240可随着内从动活塞234上下移动。落座盘238 受弹簧的偏置作用而压向硬化杯帽体246。可在落座销240上设置一个或多 个凹槽，以便于在落座销接近于硬化杯帽体246时能对在落座销与落座盘 之间流动的流体执行节流。硬化杯帽体246可被压入到壳体中，并设置有 一个偏心孔，该偏心孔用于在发动机气阀关闭过程中对流经杯帽体的流体 执行节流。图9表示了本发明的另一种备选实施方式。图9所示的实施方式与图7 所示实施方式类似。在图9中，采用了额外的一项设计特征来防止从动活 塞230延伸超过预定的下限。在本发明的该实施方式中，可在从动活塞腔 的壁面上设置一个限幅端口 204。一限幅通道206将限幅端口 204与蓄液器 250连接起来。每当从动活塞230向下运动的行程足够大、从而使从动活塞 的上边缘接近于限幅端口 204时，主一从回路220中的高压流体就会经限 幅通道206泄流到蓄液器250中。这将有效地限制或"钳固"从动活塞230 的向下行程。相对于从动活塞230的尺寸有选择地布置限幅端口 204能防 止从动活塞和发动机气阀300的行程超限。图9所示的实施方式尤其适于在系统处于正功率工作过程中执行排气 阀提前开启操作。利用图16中的排气阀运动图线606表示了排气阀的提前 开启。可利用排气阀的提前开启来模拟涡轮增压的效果，尤其是在低速范围内。这将能提升发动机的低速扭矩。参见图9和图16，可通过设置一个主排气凸角扩大的排气凸轮110来 实现排气阀的提早开启。扩大的主排气凸角将使得主从活塞组合体能在发 动机工作循环过程中比不带有该设计的情况更早^k驱动排气阀300。结果就是，排气阀300存在比普通情况更易于过量延伸到发动机气缸中的风险， 具有顶撞气缸中发动机活塞的可能性。限幅端口 204和限幅通道206则通 过限制从动活塞在其所处腔室中的延伸行程，防止排气阀300的行程超限。与排气阀提早开启的动作相反，如果希望执行正常的排气阀动作，则 可如图11所示那样将空动系统200操作为能完成居中升阀动作。排气阀和 进气阀的居中升阀过程被表示为主排气动作602和主进气动作702。与图 10所示的通常主排气动作600和主进气动作700进行比较，图11所示的居 中升阀开始得较晚，但结束的较早，且升程降低。在主活塞开始在凸轮上 主动作凸角作用下运动时，通过使空动系统的触发阀保持开启就能实现居 中升阀。在主动作凸角的部分作用期间保持触发阀的开启将使得一些液压 流体不会像通常那样推动从动活塞，而是流到蓄液器中。在触发阀被关闭 而触发主动作之后，从动活塞重新开始执行由凸轮上主动作凸角规定的运 动。这样就可以延迟从动活塞的移动，进而延迟了发动机气阀的运动，但 是，由于主-从活塞回路中的液压流体变少，运动的幅度会减低。图12表示了在正功率输出工作中提早关闭进气阀的情况以及主排气驱 动操作。相比于图IO中对应的主进气动作，主进气动作704的结束时刻提 前了，因而该模式被称为进气提早关闭模式。通过在主活塞完成由对应凸 轮上的主进气凸角规定的运动之前释放空动系统主-从回路中的高压流体， 就能实现进气阀的提早关闭。释放流体将使得从动活塞和发动机气阀在主 活塞受凸轮的控制将它们推回之前就已开始回缩。参见图13，图中表示了采用本发明各种系统和方法的实施方式所能实 现的各种发动机气阀驱动以及相关的改型。具体来讲，图中表示了在实现 可选的进气阀EGR动作710和可选的排气阀EGR动作620时所执行的进气 提早关闭事件704。前述的各个气阀运动过程是为了举例说明。可以理解 本发明各种实施方式的系统可被用来执行正时和升程可变的、多种不同的 气阀动作。举例来讲，本发明上述的实施方式可被用来减轻柴油机在熄火时通常 要出现的"抖动"现象。可利用该气阀可变驱动系统一次关闭一个发动机 气缸的气阀驱动，由此可减轻所有气缸被同时停机时所产生的抖动现象。很显然在不悖离本发明设计思想或保护范围的前提下可对本发明作 多种改型和变动。例如，图2、 3、 5、 7以及图9所示空动系统200的部件 和结构设置仅是例示性的。可以考虑为了使空动系统正确地工作而设置其 它必要的部件，且可根据各种因素(例如发动机的技术规格)改变主活塞、 从动活塞、触发阀、以及蓄液器的布置。因而，只要这些改型和变动落入 所附权利要求书及其等效表达的范围内，则本发明就将涵盖这些改型和变 动。
权利要求
1. 一种用于使发动机气阀的各种气阀动作获得可变的驱动作用的系统，所述系统包括壳体，其具有一主活塞腔和一从动活塞腔；主活塞，其可滑动地布置在主活塞腔中；凸轮，其与主活塞保持工作连接，所述凸轮专用于对主活塞执行操作；从动活塞，其可滑动地布置在从动活塞腔中，其中，该从动活塞选择性地与主活塞保持液压连接关系，并适于促动一个或多个发动机气阀；气阀落座组件，其被包含在从动活塞中；以及触发阀，其与从动活塞腔保持工作连接。
2、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于凸轮包括 至少两个凸角，这两个凸角是从如下的集合中选出的主动作凸角、再循 环凸角、以及制动凸角。
3、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于凸轮包括 一压縮漏气制动凸角。
4、 根据权利要求l所述的气阀可变驱动系统，其特征在于凸轮包括 一废气再循环凸角。
5、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于还包括 用于驱动发动机气阀以实现泄放制动的装置。
6、 根据权利要求l所述的气阀可变驱动系统，其特征在于还包括 一短通道，其延伸在主活塞腔与从动活塞腔之间，其中，该短通道的容积 远小于主活塞腔的容积。
7、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于主活塞腔 与从动活塞腔相交。
8、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于主活塞腔 和从动活塞腔的延伸方向基本上相互垂直。
9、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于还包括 一流体蓄液器，其通过一液压通道与触发阀相连通。
10、 根据权利要求9所述的气阀可变驱动系统，其特征在于还包括:用于限制蓄液器最大容积的装置。
11、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于气阀落 座组件包括外从动活塞；内从动活塞，其可滑动地布置在外从动活塞中；下部弹簧，其施加偏置作用而使内、外从动活塞分离开；气阀落座销，其被布置在内从动活塞的上方；落座盘，其被布置成可滑动地套绕着气阀落座销；以及上部弹簧，其施加偏置作用而使内从动活塞与落座盘分离开。
12、 根据权利要求ll所述的气阀可变驱动系统，其特征在于 一杯帽 体，其被布置在气阀落座销的上端上。
13、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于气阀落 座组件适于实现自动间隙调整。
14、 根据权利要求l所述的气阀可变驱动系统，其特征在于还包括 一泄放制动液压柱塞，其被结合到壳体的下部中。
15、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于系统适 于选择性地消减掉主活塞的所有运动，从而不会开启与该系统相关联的发 动机气阀。
16、 根据权利要求1所述的气阀可变驱动系统，其特征在于凸轮通 过一个或多个气阀机构元件可动作地向主活塞施加作用，其中的气阀机构 元件是从如下的集合中选出的摇臂、推管。
全文摘要
本发明公开了一种空动系统，其用于使发动机气阀的各种气阀动作获得可变的驱动作用。系统可包括一主活塞，其与一从动活塞保持液压连接，一专用凸轮，其与主活塞保持工作连接。从动活塞被布置成基本与处于同一壳体内的主活塞相垂直。从动活塞适于促动一个或多个发动机气阀。从动活塞的上端中可带有一可选的气阀落座组件。一触发阀与主-从活塞之间的液压回路保持工作连接，用于向液压回路选择性地增加或释放液压流体。
文档编号F01L1/18GK101270693SQ20081009623
公开日2008年9月24日 申请日期2003年4月8日 优先权日2002年4月8日
发明者史蒂文·欧内斯特, 杰弗里·莫斯伯格, 理查德·E·范德普尔, 约翰·A·施沃布尔, 黄胜强 申请人:柴油发动机减震器有限公司