多升程阀动系统和方法

专利名称：多升程阀动系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及驱动发动机中一个或多个阀的系统和方法。特别是，本发明涉及多升程驱动一个或多个发动机阀的系统和方法来产生发动机阀动作。在一个实施例中，本发明可以被用于提供多升程废气再循环阀动作。本发明的实施例可以提供其它的多升程阀动作，例如，主阀动作(排气和/或进气)，减压制动阀动作，排放制动阀动作，和/或其它辅助阀动作。
背景技术：
为了使发动机做正功、发动机制动和废气再循环(EGR)，内燃机中需要阀动装置。在做正功的过程中，可以打开一个或多个进气阀来允许燃料和空气进入汽缸燃烧。可以打开一个或多个排气阀来允许燃烧气体从汽缸中排出。也可以在做正功期间的不同时刻打开吸气、排气和/或辅助阀来再循环气体以改善排放性能。
当发动机没有用于产生正功时，发动机阀动装置也可以被用于产生发动机制动和废气再循环。在发动机制动过程中，可选择性地打开一个或多个排气阀，以至少暂时地转换发动机为空气压缩机。在这样做时，发动机产生减速马力来帮助车辆减速。这能使操作者提高对车辆的控制，且大大地降低车辆脚踏闸的磨损。
发动机阀可以被驱动来产生减压制动和/或排放制动。一个现有减压发动机制动器的例子在Cummins的美国专利No.3220392(1965年11月)中公开，在这里此专利被并入作为参考。利用排放型发动机制动器的系统和方法的例子在受让人的美国专利No.6594996(2003年7月22日)中公开，在这里此专利的备份被并入作为参考。
废气再循环(EGR)的基本原理也是众所周知的。当适当操作的发动机用其燃烧室中的燃料和进入空气的混合物完成工作之后，发动机从发动机汽缸排放剩余气体。EGR系统允许这些废气中的一部分流回发动机汽缸。在正功操作过程中和/或发动机制动周期中，可以利用气体再循环进入发动机汽缸来提供相当大的好处。像这里应用的那样，EGR可以包括制动气体再循环(BGR)，它是发动机制动周期中的气体再循环。
在正功操作期间，EGR系统主要被用来改善发动机的排放性能。在发动机做正功期间，可以打开一个或多个进气阀来允许燃料和来自大气的空气进入，空气中包括汽缸内燃料燃烧所需要的氧气。然而，空气中也包括大量的氮。发动机汽缸内的高温使得氮与任何没有使用的氧反应，并形成氮氧化物(NOx)。氮氧化物是柴油机释放的主要污染物之一。EGR系统提供的再循环气体已经被发动机使用，且其中仅仅有很少量的氧。通过使这些气体和新鲜的空气混合，进入发动机的氧气量可以减少，且生成更少的氮氧化物。另外，再循环的气体具有使发动机汽缸内的燃烧温度降低至氮与氧结合生成氮氧化物的温度以下的作用。由此EGR系统可用来减少生成的NOx的量和改善发动机排放性能。美国和其它国家目前的柴油机环境标准、以及提出的规定预示着，改善排放性能的需要只会在未来变得更加重要。
EGR系统也可以在发动机制动操作中被用来优化减速功。像上面讨论的那样，在发动机制动过程中，可以选择性地打开一个或多个排气阀，至少暂时地转换发动机为空气压缩机。通过控制使用EGR的发动机内部的压力和温度，可以在不同的操作状态下优化制动水平。
在许多系统中，对于发动机阀动作希望设置多个阀升程。例如，所希望的废气再循环的量可随发动机速度的增大而增加。因此，当提供EGR阀动作时，希望阀升程在发动机速度较高时更高和/或更长，在发动机速度较低时更低和/或更短。
在许多内燃机中，发动机进气阀和排气阀可以由固定轮廓的凸轮来打开和关闭，更为特别地，也可以由作为每一个凸轮的整体部分的一个或多个固定凸部来打开和关闭。如果进气阀和排气阀的阀定时和阀升程可以改变，将会获得很多优点，例如性能提高、燃料节约、降低排放和更好的车辆可操作性。然而，使用固定轮廓的凸轮使得调整发动机阀升程的定时和/或大小以便在不同的发动机操作状态下优化它们很困难。
在给定凸轮轮廓时，调整发动机阀定时和阀升程的一个方法是在阀和凸轮之间设置将“空转”系统并入阀连接机构的阀动装置。空转是一个应用于一类改变阀运动的技术方案中的术语，由具有可变长度的机械、液压和/或其它连接组件的凸轮轮廓来指定上述阀运动。在空转系统中，凸轮凸部可以提供发动机操作状态的全程所需要的“最大”(最长暂停和最大升程)运动。可变长度的系统则可以包括在阀连接机构中，设置在待打开的阀和提供最大运动的凸轮之间，来减小或损失由凸轮传给阀的部分或全部运动。提供一个用于改变固定凸轮轮廓的运动的系统是有利的，上述系统可以被开启或关闭，且可依据各种状态来选择性地被控制。
本发明的系统和方法在要求阀驱动做正功、发动机制动阀动作和/或EGR/BGR阀动作的发动机中可能是特别有用的。本发明的各个实施例的系统和方法可以提供低成本、较简单的可变阀动系统。另外，本发明的系统和方法可以提供若干阀升程轮廓来在多种发动机状态下，在做正功、发动机制动、EGR和/或BGR操作中提高发动机性能。本发明实施例的其它优点一部分在后续的说明书中提出，一部分由一个本领域技术人员从说明书和/或本发明的实践中显然得到的。

发明内容
面对前述的挑战，申请人研发了驱动一个或多个发动机阀的创新的系统和方法。在一个实施例中，此系统可包括壳体；位于壳体内具有第一开口端和第二开口端的蓄压器；可滑动地位于形成在壳体内的第一孔中的主活塞；用于传递运动给主活塞的阀机构元件；和可滑动地位于形成在壳体内的第二孔中的随动活塞，所述随动活塞通过高压液压通道与主活塞流体连通，其中所述蓄压器的第一开口端和第二开口端与高压液压通道连通，来选择性地改变传入的运动。
申请人:进一步研发了一种驱动内燃机中一个或多个发动机阀来产生废气再循环发动机阀动作的系统，此系统包括壳体；位于壳体内具有第一开口端和第二开口端的蓄压器；高压流体通道；可滑动地位于形成在壳体内的第一孔中的主活塞；用于传递运动给主活塞的装置；和可滑动地位于形成在壳体内的第二孔中的随动活塞，随动活塞通过高压液压通道与主活塞流体连通；梭动阀；和用于控制梭动阀以选择性地使蓄压器的第一开口端和第二开口端与高压液压通道连通的第一电磁阀；其中，蓄压器的第一开口端和第二开口端选择性地与高压液压通道连通，来选择性地改变传入的运动。
可以理解，前述的总体说明和后续的详细说明都仅仅是代表性的和说明性的，并且不是像声称的那样限制本发明。在此并入作为参考且组成说明书一部分的


了本发明的特定的实施例，而且与详细说明一起用来说明本发明的原理。

为了帮助理解本发明，随后的附图将提供参考，附图中相同的附图标记指相同的元件。附图仅仅是举例，不应被看作是对本发明的限制。
图1是本发明阀动系统第一个实施例的方框图。
图2是可以被应用于本发明实施例中的凸轮的示意图。
图3是本发明阀动系统第二个实施例的示意图。
图4是本发明阀动系统第三个实施例的示意图。
图5是本发明阀动系统第四个实施例的示意图。
图6a-图6c是根据本发明阀动系统的阀升程曲线图。
本发明优选实施例的详细说明 现在将详细参考本发明系统和方法的实施例，其举例在附图中阐述。正如这里所体现的一样，本发明包括驱动一个或多个发动机阀的系统和方法。
本发明第一个实施例作为阀动系统10示意性地显示在附图1中。阀动系统10包括操作性地连接于阀驱动装置300的用于传入运动的装置100，阀驱动装置300又操作性地连接于一个或多个发动机阀200。运动传入装置100用来向阀驱动器300施加运动。可选择性地控制所述阀驱动器300向发动机阀200传递或不传递运动。
在运动传递模式下，阀驱动器300驱动发动机阀200产生发动机阀动作，例如主进气、主排气、废气再循环、减压制动、和/或排放制动，但不局限于此。阀驱动器300也可以改变传递给发动机阀200的运动的量和定时。在这种方式下，阀驱动器300上适于提供多种阀升程轮廓。包括阀驱动器300的阀动系统10可以响应来自控制器400的信号或输入而传递、不传递、和/或改变传入的运动。发动机阀200可以是一个或多个排气阀、进气阀或辅助阀，例如专用阀。
运动传入装置100可以包括适于给阀驱动器300传入运动的凸轮、推管(push tube)和/或摇臂、或它们的等同物的任何组合。在本发明的至少一个实施例中，运动传入装置100包括凸轮110。凸轮110可以包括排气凸轮、进气凸轮、喷射凸轮和/或专用凸轮。如附图2所示，凸轮110可以包括一个或多个产生发动机阀动作的凸轮凸部。例如，凸轮可以包括凸部，如主动作(排气或进气)凸部112、发动机制动凸部114和EGR凸部116。所述凸轮110上的凸部的描绘仅是说明性的，并不局限于此。所述凸部的数量、组合、大小、位置和形状可以明显地变化而不脱离本发明的范围。
凸轮110传入的产生发动机阀主动作的运动可以被用来产生EGR阀动作。例如，主动作(例如进气或排气)凸部112可以用来又驱动一个或多个用于EGR阀动作的阀200。由于主动作的整个运动可以提供比EGR阀动作所需要的阀升程更多的阀升程，因此阀驱动器300可以改变所述运动。
EGR阀动作可以由与那些用于执行主发动机阀动作的阀不同的阀执行。这些“不同的阀”可以是与那些用于主阀动作的阀相同或不同类型的(进气对排气)阀，并且可以连接到与用于主阀动作的阀不同或相同的汽缸。
控制器400可以包括任何电子或机械设备用于与阀驱动器300通讯，且使阀驱动器300传递输入给它的运动、改变输入给它的运动或不传递该运动给发动机阀200。控制器400可以包括连接于其它发动机元件的微处理器，来确定和选择阀驱动器300的适当操作。通过依据微处理器从发动机元件采集的信息控制阀驱动器300，EGR在多个发动机操作状态(例如，速度、负载等)下得以实现和优化。采集的信息可以包括但不限于发动机速度、车辆速度、油温、歧管(或端口)温度、歧管(或端口)压力、汽缸温度、汽缸压力、微粒信息和/或曲柄角度。
现在将参考图3描述本发明第二个实施例。阀驱动器300包括可滑动地位于壳体302内形成的第一孔311中的主活塞装置310，以至于主活塞在保持与壳体302液密封的同时能在所述孔中来回滑动。阀驱动器300还包括可滑动地位于壳体302内形成的第二孔321中的随动活塞装置320，以至于随动活塞在保持与用壳体302液密封的同时能在所述孔中来回滑动。随动活塞装置320与主活塞装置310通过形成于壳体302上的液压通道304而流体连通。弹簧322在孔321中向向上偏压随动活塞320远离发动机阀200随动活塞。弹簧322向上夹持随动活塞320对抗通道304内作用于活塞的任何低的液压。这阻止随动活塞装置320“抬起”，这种状态会损坏系统。
阀驱动器300可以进一步包括流体供给阀，例如位于形成在壳体302内的低压液压通道306中的电磁阀330。第一电磁阀330可以响应从控制器400接收的信号，有选择地从流体供给装置(未示出)通过低压通道306向通道304供给液压流体。第一止回阀332可以位于低压通道306中，以从根本上仅仅允许从低压通道306向通道304的单向流体流动。在替代实施例中，止回阀332可以包括，例如控制阀或其它适于从根本上仅允许流体从低压通道306单向流动的类型的阀。
阀驱动器还可以包括与控制阀355连通的电磁阀350。控制阀355可以包括例如柱阀、梭动阀或另一能够在多个位置之间操作的阀。电磁阀350响应从控制器400收到的信号，可在如图3所示的第一位置和第二位置之间操作控制阀355。
阀驱动器300还包括具有第一开口端342和第二开口端344的蓄压器340。冲程限制蓄压器弹簧346位于第一开口端342和第二开口端344之间。例如，当弹簧开始回升时，可以根据系统要求调整弹簧346的规格。如图3所示的本发明的实施例中，第一端342与蓄压器通道308连通，并且第二端344与周围压力连通。
在图3所示的阀驱动器300的实施例中，运动传入装置100包括具有容纳摇臂轴的中心孔122的摇臂120，和与主活塞310接触的接触表面124。摇臂120可以操作性地连接于凸轮110以使凸轮110的运动通过摇臂120传给主活塞310。
在图3所示的阀驱动器300的实施例中，随动活塞320可以作用于摇臂220，摇臂220又作用在一个或多个发动机阀200上。摇臂220包括容纳摇臂轴的中心孔222，和与随动活塞320和阀200接触的接触延伸部分224。在本发明的替代实施例中，可以预料到随动活塞320作用于可滑动地设置在接触延伸部分224上的销或直接作用于发动机阀200。仍在另一替代实施例中，例如，随动活塞可以通过阀桥作用在多个发动机阀200上。
如上所述，凸轮和摇臂120可以为不同“类型”(例如，进气对排气)，并且来自于与摇臂220和阀200相比相同或不同的汽缸。例如，在多汽缸发动机中，摇臂120可以包括来自于第一汽缸的吸气摇臂，而摇臂220可以包括来自于第一汽缸的排气摇臂。这种布置在提供适当定时的阀动作方面可能是有用的，例如，在主进气动作过程中的废气再循环动作。
本发明的一个实施例中，阀驱动器300还可以包括位于随动活塞320上方的冲击装置360。冲击装置360包括延伸到随动活塞孔321内的可调螺杆364和锁定螺母362。调整锁定螺母362使螺杆364在孔321中伸出预定的距离，来调整可能存在于随动活塞320和摇臂220之间的冲击。
下面将描述图3所示的阀驱动器300的操作。为例证的目的，将结合产生EGR发动机阀动作描述阀驱动器300的操作。如上所述，可以像描述的那样操作阀驱动器300来提供其它发动机阀动作。
当不需要EGR时，不触发电磁阀330。因此没有液压流体进入通道304。由于在通道304中没有足够的液压，主活塞310的运动不会传递给随动活塞320。相应地，随动活塞320不作用于发动机阀200上且不产生发动机阀动作。引起的阀升程线图如图6a所示，其中仅有主排气动作212发生。
当希望EGR动作时，电磁阀330响应从控制器400获得的信号给通道304提供低压的液压流体。当运动传递给主活塞310时，主活塞310在孔311中向上运动。主活塞运动通过通道304内的液压传递给随动活塞320。这使得随动活塞320转变为向下移动，导致发动机阀200的动作。当控制阀355在如图3所示的第一位置时，通道304中的液压流体压力受阻不能通过通道308传给蓄压器340。因此，传入给主活塞310的所有运动都传给随动活塞320，且产生全升程EGR阀动作216，例如图6b所示。
当需要较低升程的发动机阀动作时，传入给主活塞310的运动可以改变。响应从控制器400获得的信号，电磁阀350可以操作控制阀355进入它的第二位置。在这个位置时，通道304内的液压流体压力可以通过通道308传给蓄压器340的第一开口端342。通道304内的液压足够克服蓄压器弹簧346的偏压。因此，当运动传入给主活塞310时，通道304内的液压被蓄压器弹簧346所吸收而没有传给随动活塞320。蓄压器340吸收运动直到弹簧346达到蓄压器内部的机械挡块。在这一点，传入给主活塞310的剩余运动传递给随动活塞320和阀200。结果如图6c所示改变了EGR阀动作216的升程。
如图3所示本发明的一个实施例中，第二止回阀334可以位于低压通道306上。当触发电磁阀330提供低压流体给通道304时，液压流体也可以通过止回阀334流向蓄压器342的第一端。当控制阀355处于它的第二位置且通过通道308提供高压流体时，低压油的存在有利于高压流体传递给蓄压器340。这可导致改善系统10的响应时间。由于低压流体本身不足以克服蓄压器弹簧346的偏压，当不需要变化的运动时蓄压器340的冲程不受影响。止回阀334可以从根本上允许一个方向的液体流动，以至于通道308提供的高压流体不能流入低压通道306。
参考图4所示的阀驱动器300的另一个实施例，其中相同的附图标记指相同的元件。蓄压器340的第一端342始终通过通道308与通道304连通。控制阀355可以在图4所示的第一位置和第二位置之间操作，在第一位置时蓄压器340的第二端344通过控制阀355的开口356与周围环境连通，在第二位置时蓄压器340的第二端344与通道304连通。当控制阀355在第一位置时，通道304中的高压液压流体可以通过通道308流到蓄压器340的第一开口端342。由于蓄压器340的第二端344处压力为周围环境压力，来自通道308的高压足以克服蓄压器弹簧的偏压。因此，当运动传入给主活塞310时，通道304内的液压被蓄压器340所吸收而不传递给随动活塞320。结果如图6c所示为改变了升程的EGR阀动作216。
当控制阀355在其第二位置时，通道304内的高压流体可以通过通道308流入蓄压器340的第一开口端342和流入蓄压器340的第二开口端344。蓄压器340的第二端344处压力现在实质上等于第一开口端342处的高压。由于缺少压差，蓄压器弹簧346没有动作。因此，当运动传入给主活塞310时，通道304内的液压不被蓄压器340所吸收，所有运动传递给随动活塞320。结果如图6b所示为全升程EGR阀动作216。
参考图5所示的阀驱动器300的另一个实施例，其中相同的附图标记指相同的元件。电磁阀350可以包括与流体供给装置连通的高速流体供给阀。当需要全升程动作时，电磁阀350可以被触发通过控制阀355来提供高压流体给蓄压器340的第二端344。由于高压作用于蓄压器340的第一端和第二端，蓄压器弹簧346不动作且没有运动被吸收。当需要改变阀升程时，电磁阀350不被触发。单独作用于蓄压器340第一端342的高压现在足以克服蓄压器弹簧346的偏压，蓄压器340吸收一部分传入的运动。
很显然，本领域技术人员可以做出不脱离本发明范围和精神的本发明的变更和修改。因此，本发明倾向于覆盖所有本发明在附加权利要求和其等同范围内的改变和变更。
权利要求
1.一种驱动内燃机中一个或多个发动机阀来产生发动机阀动作的系统，所述系统包括壳体；位于所述壳体内具有第一开口端和第二开口端的蓄压器；可滑动地位于形成在所述壳体内的第一孔中的主活塞；用于传递运动给主活塞的装置；和可滑动地位于形成在所述壳体内的第二孔中的随动活塞，所述随动活塞通过高压液压通道与主活塞流体连通；其中所述蓄压器的第一开口端和第二开口端选择性地与高压液压通道连通来改变传入的运动。
2.根据权利要求1的系统，其中发动机阀动作包括废气再循环。
3.根据权利要求1的系统，其中所述蓄压器的第一开口端与高压液压通道连通，并且第二开口端与周围环境压力连通。
4.根据权利要求3的系统，其中改变传入的运动来产生低升程发动机阀动作。
5.根据权利要求1的系统，其中所述蓄压器的第一开口端和第二开口端与高压液压通道连通。
6.根据权利要求5的系统，其中传入的运动不被改变。
7.根据权利要求1的系统，其中所述蓄压器还包括位于第一开口端和第二开口端之间的冲程限制活塞。
8.根据权利要求1的系统，还包括梭动阀；和第一电磁阀，其用于控制所述梭动阀以选择性地使所述蓄压器的第一开口端和第二开口端与所述高压液压通道连通。
9.根据权利要求1的系统，还包括流体供给装置；低压液压通道；和第二电磁阀，其用于通过所述低压液压通道选择性地从流体供给装置提供流体给所述高压液压通道。
10.一种驱动内燃机中一个或多个发动机阀来产生废气再循环发动机阀动作的系统，所述系统包括壳体；位于所述壳体内具有第一开口端和第二开口端的蓄压器；高压流体通道；可滑动地位于形成在所述壳体内的第一孔中的主活塞；用于传递运动给所述主活塞的装置；可滑动地位于形成在所述壳体内的第二孔中的随动活塞，所述随动活塞通过高压液压通道与所述主活塞流体连通；梭动阀；和第一电磁阀，其用于控制所述梭动阀以选择性地使所述蓄压器的第一开口端和第二开口端与所述高压液压通道连通；其中所述蓄压器的第一开口端和第二开口端与所述高压液压通道选择性地连通，来选择性地改变传入的运动。
11.根据权利要求10的系统，还包括位于一个或多个发动机阀和所述主活塞之间的第一摇臂；和位于所述运动传入装置和所述随动活塞之间的第二摇臂。
12.根据权利要求10的系统，其中所述蓄压器的第一开口端与高压液压通道连通，并且第二开口端与周围环境压力连通。
13.根据权利要求12的系统，其中改变传入的运动来产生低升程发动机阀动作。
14.根据权利要求10的系统，其中所述蓄压器的第一开口端和第二开口端与所述高压液压通道连通。
15.根据权利要求14的系统，其中传入的运动不被改变。
16.根据权利要求10的系统，其中所述蓄压器还包括位于第一开口端和第二开口端之间的冲程限制活塞。
17.根据权利要求10的系统，还包括流体供给装置；低压液压通道；和第二电磁阀，其用于通过所述低压液压通道选择性地从流体供给装置提供流体给所述高压液压通道。
18.根据权利要求17的系统，还包括位于所述低压液压通道内的止回阀。
全文摘要
本发明公开了用于驱动一个或多个发动机阀产生发动机阀动作的系统和方法。所述系统可以包括壳体；位于壳体内具有第一开口端和第二开口端的蓄压器；可滑动地位于形成在壳体内的第一孔中的主活塞；用于传递运动给主活塞的阀机构元件；和可滑动地位于形成在壳体内的第二孔中的随动活塞，所述随动活塞通过高压液压通道与主活塞流体连通，其中蓄压器的第一开口端和第二开口端与高压液压通道连通来选择性地改变传入的运动。
文档编号F02D13/04GK1985085SQ200580008315
公开日2007年6月20日 申请日期2005年2月17日 优先权日2004年2月17日
发明者布赖恩·鲁杰罗, 杨周, 内尔·富克斯, 罗布·贾纳克, 黄胜强 申请人:雅各布斯车辆系统公司