专利名称：用于内燃机中可变气门致动的系统和方法
技术领域：
本发明基本涉及一种用于致动内燃机中的一个或多个气门的系统和方法。特别的是，本发明涉及用于提供可变气门致动的系统和方法，从而提高内燃机性能。本发明的实施例可以与内燃机的正功、内燃机制动、和/或废气再循环操作结合使用。
背景技术：
需要内燃机中的气门致动从而为内燃机产生正功、内燃机制动和废气再循环(EGR)。在正功过程中，一个或多个进气门会被开启以允许燃料和空气进入气缸中用于燃烧。一个或者多个排气门会被开启以允许燃烧气体排出气缸。进气门、排气门和/或辅助气门(auxiliary valve)也可以在正功过程中在不同的时刻开启以使气体再循环，用于改善排放。
当内燃机没有被用于产生正功时，内燃机气门致动也可以用于产生内燃机制动和废气再循环。在内燃机制动过程中，一个或多个排气门可以选择性地开启以至少暂时地将内燃机转换成空气压缩机。在这样做的过程中，内燃机产生减速功率以有助于使车辆减速。这可以为操作者提供对车辆增强的控制，并且基本可以降低在车辆的行驶制动器上的磨损。
内燃机气门(多个)可以被致动以产生压力释放制动和/或泄放式制动(bleeder braking)。压力释放式内燃机制动器或者减速器的操作是众所周知的。当活塞在它的压缩冲程过程中向上运动时，收集在气缸中的气体被压缩。压缩气体反抗活塞向上的运动。在内燃机制动操作过程中，当活塞接近上止点(TDC)时，至少一个排气门开启以将气缸中的压缩气体释放到排气歧管，防止在随后的向下膨胀冲程上存储在压缩气体中的能量被返回到内燃机。在这样做的过程中，内燃机产生减速功率以有助于使车辆减速。现有技术的压力释放内燃机制动器的一个实例由Cummins的美国专利No.3,220,392(1965年11月)的公开内容提供，该专利在此引为参考。
泄放式内燃机制动器的操作也是众所周知的。在内燃机制动过程中，除了正常的排气门升程，在剩余的内燃机循环中(整周期泄放式制动器)，或者在部分循环过程中(部分周期泄放式制动器)，排气门(多个)会连续地保持微微开启。部分周期泄放式制动器和整周期泄放式制动器之间的主要差别在于在大部分的进气冲程过程中，前者不具有排气门升程。
废气再循环(EGR)的基本原理也是众所周知的。在适合操作的内燃机已经在它的燃烧室中在燃料和进入的空气结合的基础上做功之后，内燃机将剩余的气体排出内燃机气缸。EGR系统允许这些废气中的一部分流动返回到内燃机气缸中。这种气体再循环到内燃机气缸中可以在正功操作过程中和/或内燃机制动循环过程中使用，从而提供显著的优点。如此处所使用的，EGR可包括制动气体再循环(BGR)，BGR是在内燃机制动循环过程中气体的再循环。
在正功操作过程中，EGR系统主要用于改善内燃机的排放。在内燃机正功过程中，一个或多个进气门可以开启以允许燃料和来自大气的空气进入，空气中含有在气缸中燃烧燃料所需要的氧气。然而，空气同样含有大量的氮气。内燃机气缸内存在的高温使得氮气与任何未使用的氧气发生反应，并且形成氮氧化物(NOx)。氮氧化物是柴油机排放的主要污染物之一。由EGR系统提供的再循环气体已经被内燃机使用，并且仅含有少量的氧气。通过使这些气体与新鲜的空气混合，进入内燃机的氧气的量可以降低，并且可以形成较少的氮氧化物。另外，再循环的气体可具有这样的作用将内燃机气缸中的燃烧温度降至低于氮与氧结合形成NOx的温度。结果，EGR系统可以用来降低产生的NOx的量，并且改善内燃机排放。在美国以及其它要求改善排放的国家，对于柴油机目前的环境标准以及所提出的规范在未来将变得更加重要。
EGR系统也可用于在内燃机制动操作过程中优化减速功率。如上所述，在内燃机制动过程中，一个或多个排气门可以选择性地开启以至少暂时地将内燃机转换成空气压缩机。通过利用EGR控制内燃机中的压力和温度，不同操作状态的制动级别可以被优化。
在许多内燃机中，内燃机的进气门和排气门可以由固定轮廓的凸轮开启和闭合，并且更具体的是通过一个或多个固定凸角，所述凸角可以是每个凸轮的整体部分。如果进气门和排气门正时以及升程可以改变，那么可以获得各种优点，例如性能提高、燃料燃烧效率提高、减少排放、以及更好的车辆驾驶性能。然而，固定轮廓凸轮的使用会使得难以调节内燃机气门升程的正时和/或量从而对于各种内燃机操作状态优化它们。
给定固定凸轮轮廓，调节气门正时和升程的一种方法已经提供气门致动，所述气门致动将“空程”系统结合在气门和凸轮之间的气门系联动装置中。空程是应用到一类技术方案的术语，用于通过可变长度的机械的、液压的和/或其它联动组件来改变由凸轮轮廓限定的气门运动。在空程系统中，凸轮凸角可以提供在内燃机操作状态的全部范围上所需要的“最大”(最长的停留时间和最大的升程)运动。可变长度的系统然后可以包括在气门系联动装置中，位于待开启的气门和提供最大运动的凸轮之间，从而消除或者损失由凸轮传递给气门的部分或者全部运动。
一些以前的空程系统已经使用高速机构来迅速改变空程系统的长度。通过使用高速机构来改变空程系统的长度，可以在气门致动上获得准确的控制，并且因此对于很宽范围的内燃机操作状态可以获得最优的气门致动。然而，利用高速控制机构的系统的制造和操作成本昂贵。
本发明的系统和方法特别可用于这样的内燃机中，该内燃机需要气门致动用于正功、内燃机制动气门事件和/或EGR/BGR气门事件。本发明的各种实施例的系统和方法可以提供较低的成本、不需要高速电控制来操作的可行的可变气门致动系统的制造。另外，本发明的系统和方法可以提供可变气门开启和闭合，从而在内燃机的正功、内燃机制动、和/或EGR/BGR操作过程中改善内燃机性能。
本发明的实施例的另外的优点部分在下面的说明书中描述，并且部分对于本领域的普通技术人员来说根据说明书和/或本发明的实施是显而易见的。
发明内容
针对上述问题，申请人开发出一种用于致动一个或多个内燃机气门的新颖的系统和方法。在一个实施例中，本发明是一种用于提供可变气门开启和/或闭合的气门致动系统，包括用于传递运动的装置，该装置可操作地连接到气门致动器，气门致动器依次可操作地连接到一个或多个内燃机气门。
申请人已经开发出一种用于致动内燃机中的内燃机气门以产生内燃机气门事件的系统。在一个实施例中，该系统包括用于传递气门致动运动的装置；壳体，设置在运动传递装置和内燃机气门之间；外活塞，可滑动地设置在壳体中形成的孔中，外活塞具有形成在其中的腔；内活塞，可滑动地设置在外活塞的腔中；和阀，与所述外活塞的腔连通，所述阀具有多于一个的位置，其中所述阀的位置确定内燃机气门事件的正时。
申请人另外开发出一种用于致动内燃机中的内燃机气门以产生内燃机气门事件的系统。在一个实施例中，该系统包括用于传递气门致动运动的装置；壳体，设置在运动传递装置和内燃机气门之间；外活塞，可滑动地设置在壳体中形成的孔中，外活塞具有形成在其中的腔；内活塞，可滑动地设置在外活塞腔中；阀，与所述外活塞的腔连通，所述阀具有第一位置和第二位置，其中所述阀的位置确定内燃机气门事件的正时；供应通道，适用于将液压流体供应到外活塞的腔；和重置通道，适用于将液压流体从外活塞的腔释放。
应当理解，上述大致的描述和下面详细的描述仅是示例性和说明性的，并且不用于限制本发明。在此引为参考并且构成说明书一部分的附图示出了本发明的某些实施例，并且连同详细说明一起用于解释本发明的原理。
为了帮助理解本发明，下面将参考附图，附图中，相同的附图标记表示相同的元件。附图仅是示例性的，并且不应当理解为限制本发明。
图1是根据本发明的第一实施例的气门致动系统的示意图。
图2是根据本发明的实施例的排气门和进气门事件的气门升程图形，所述事件包括提前进气门闭合(EIVC)。
图3是根据本发明的实施例用于具有四冲程内燃机制动的内燃机的P-V图。
图4是根据本发明的实施例的排气门和进气门事件的气门升程图形，所述事件包括延迟进气门开启(LIVO)。
图5是根据本发明的实施例的排气门和进气门事件的气门升程图形，所述事件包括提前排气门开启(EEVO)。
图6是根据本发明的实施例包括提前排气门闭合(EEVC)的排气门和进气门事件的气门升程图形。
图7是根据本发明的实施例包括行程限制排气门升程的排气门和进气门事件的气门升程图形。
图8是根据本发明的第二实施例的气门致动系统的示意图。
图9是根据图8所示的气门致动系统的气门升程图形。
图10是根据本发明第三实施例的气门致动系统的示意图。
图11是根据图10所示的气门致动系统的气门升程图形。
图12是根据本发明第四实施例的气门致动系统的示意图。
图13是根据图12所示的气门致动系统的气门升程图形。
图14是根据本发明第五实施例的气门致动系统的示意图。
图15是根据图14所示的气门致动系统的气门升程图形。
图16是根据本发明第六实施例的气门致动系统的示意图。
图17是图16所示的气门致动系统的一部分的侧视图。
图18是根据图16和图17所示的气门致动系统的气门升程图形和凸轮轮廓。
图19是根据本发明第七实施例的气门致动系统的示意图。
图20是根据本发明第八实施例的气门致动系统的示意图。
图21是根据本发明第九实施例的气门致动系统的示意图。
图22是根据图20和图21所示的气门致动系统的气门升程图形。
具体实施例方式
下面将详细参考本发明的系统和方法的实施例，本发明的实例在附图中示出。如此处所体现的，本发明包括用于控制内燃机气门致动的系统和方法。
本发明的第一实施例在图1中示意性示为气门致动系统10。气门致动系统10包括用于传递运动的装置100，该装置可操作地连接到气门致动器300，气门致动器300依次可操作地连接到一个或多个内燃机气门200。运动传递装置100适用于向气门致动器300施加运动。气门致动器300可以选择性地被控制从而向气门200(1)传递全部或(2)传递部分运动。气门致动器300也可以适用于选择性地改变传递给内燃机气门200的运动的量和正时。
当在运动传递模式中操作时，气门致动器300可以致动内燃机气门200以产生一个或多个内燃机气门事件，例如但不限于主进气、主排气、压力释放致动、泄放式制动和/或废气再循环事件。包括气门致动器300的气门致动系统10可以响应于来自控制器400的信号或输入在传递全部运动的模式和不传递所有运动的模式之间转换。内燃机气门200可以是排气门、进气门或者辅助气门中的一个或多个。
运动传递装置100可包括电的、液压的、和机械元件的任意组合，所述机械元件例如凸轮(多个)、推杆(多个)和摇臂(多个)，或它们的等效件，所述元件适用于在周期性基础上向气门致动器300传递运动。在本发明的至少一个实施例中，运动传递装置100包括凸轮110。凸轮110可包括排气凸轮、进气凸轮、喷射器凸轮和/或专用凸轮。凸轮110可包括一个或多个凸轮凸角用于产生一个或多个内燃机气门事件(多个)。凸轮110可包括凸角，例如主(排气或进气)事件凸角，内燃机制动事件凸角，和EGR/BGR事件凸角。凸轮110可以适用于提供普通的内燃机气门开启和闭合正时，或者可以适用于提供改变的(提前或者延迟的)内燃机气门开启和闭合正时。
气门致动器300可以包括选择性地传递运动以致动气门200的任何结构。气门致动器300例如可包括机械联动装置、液压联动装置、液压机械联动装置、机电联动装置、电磁联动装置、气压联动装置(air linkage)、和/或任何适用于选择性地传递运动的其它联动装置。
继续参考图1，当它结合液压回路时，气门致动器300可操作地连接到下面的装置，该装置用于向气门致动器300供应液压流体和从气门致动器300供应液压流体。供应装置可包括用于调节回路中的流体的压力或量的装置，例如触发阀(多个)、控制阀(多个)、蓄压器(多个)、止回阀(多个)、流体供应源(多个)和/或其它用于从回路释放液压流体、向回路增加液压流体、或者控制回路中的流体流动的装置。气门致动器300可以设置在连接运动传递装置100和气门200的气门系中的任何位置处。
控制器400可包括任何电的、机械的、液压的、电动液压的、或者其它类型的控制装置，用于与气门致动器300相连并且使它向内燃机气门200传递运动或者不传递一些或者全部运动。控制器400可包括微处理器，微处理器连接到其它内燃机部件(多个)，以确定和选择气门致动器300的适合的操作。通过基于由微处理器从内燃机部件(多个)收集的信息控制气门致动器300，正功、内燃机制动和/或EGR/BGR操作可以在多个内燃机操作状态(例如速度、负荷等)被实现和优化。所收集的信息可包括但不限于内燃机速度、车辆速度、油温、歧管(或孔)的温度、歧管(或孔)的压力、气缸温度、气缸压力、微粒信息和/或曲轴角度。
本发明的气门致动系统10的实施例可提供一个或多个内燃机气门200的可变气门开启和/或闭合。通过改变气门正时，在正功、内燃机制动、和/或EGR/BGR操作过程中内燃机的性能可以提升。
图2示出了在本发明的实施例中用于排气门和进气门事件的气门升程相对于曲轴角度的图形，具有提前进气门闭合(EIVC)。EIVC可以利用本发明的一个或多个实施例的气门致动系统10实现。如图2所示，排气门可经历主排气门事件、制动气体再循环(BGR)气门事件、和制动事件气门升程(BVL)，例如压力释放制动事件。内燃机进气门可经历主进气事件。
普通的主进气事件正时会导致主进气门事件和BGR事件在下止点(BDC)附近重叠。因为排气歧管压力在这个点处会最高，因此废气会从排气歧管通过同时开启的排气门和进气门流动到进气歧管。这个废气回流会减小穿过内燃机的冷却的质量流的量，导致在内燃机制动操作过程中性能降低。如图2所示，与普通的主进气事件正时相比，进气门会在提前点闭合，以减小重叠，并且因此减小废气回流的量。这个改变的正时可导致在内燃机制动操作过程中性能提高。图3示出了根据本发明的实施例对于具有提前进气门闭合的内燃机的P-V图形。
图4示出了本发明实施例中对于排气门和进气门事件的气门升程相对曲轴角度的图形，其中具有延迟进气门开启(LIVO)。LIVO可以利用本发明的一个或多个实施例的气门致动系统10实现。普通的主进气事件正时会导致主排气事件和进气门事件在上止点附近的重合，这允许废气从排气歧管通过同时开启的排气门和进气门回流到进气歧管。如图4所示，与普通的主进气事件正时相比，进气门可以在延迟点处开启，以减小这个重叠。这个改变的正时可导致在内燃机制动和正功操作过程中性能提高。
图5示出了本发明的实施例中对于排气门和进气门事件的气门升程相对曲轴角度的图形，其中具有提前排气门开启(EEVO)。EEVO可以利用本发明的一个或多个实施例的气门致动系统10实现。为了提高涡轮增压器的响应或者排气热状态，适合的是比普通正时提前开启排气门。
图6示出了本发明的实施例中对于排气门和进气门事件的气门升程相对曲轴角度的图形，其中具有提前排气门闭合(EEVC)。EEVC可以利用本发明的一个或多个实施例的气门致动系统10实现。普通的主排气事件正时会导致在上止点附近主排气事件和进气门事件之间的重叠，这会允许废气从排气歧管通过同时开启的排气门和进气门回流到进气歧管。如图6所示，与普通的主排气事件正时相比，排气门可以在提前点处闭合，以减小这个重叠。这个改变的正时可导致在内燃机制动和正功操作过程中性能提高。
图7示出了本发明的实施例中对于排气门和进气门事件的气门升程相对曲轴角度的图形，其中具有行程受限的排气门升程。行程受限的排气门升程可以利用本发明的一个或多个实施例的气门致动系统10实现。行程受限的排气门升程可用于提供泄放式制动升程并且产生第二行程制动事件。
图8示出了气门致动系统10的一个实施例。与前面的实施例相同，气门致动系统10可包括一个或多个内燃机气门200、可变气门致动系统300、用于向可变气门致动系统传递运动的装置100以及控制器400。
用于传递运动的装置100可包括凸轮110，凸轮110可操作地连接到摇臂120。滚子可用作摇臂120和凸轮110之间的接触点，以有助于这些元件之间的低摩擦相互作用。摇臂120可以设置在摇臂轴122上，从而摇臂120能够围绕摇臂轴往复摇摆。摇臂120的一端可包括间隙调节器124。各种类型的间隙调节器124可以使用，同时不脱离本发明的范围。图8所示的间隙调节器124可以通过转动中间的螺杆从而手动调节，以根据需要减小或者增大间隙调节器象形基脚和可变气门致动器300之间的空间。
一个或多个内燃机气门200可以是进气门、排气门或者辅助气门，所述气门提供内燃机气缸和内燃机的进气歧管或排气歧管之间的选择性的连通。在图8所示的实施例中，气门横臂210设置在可变气门致动器300和内燃机气门200之间。气门横臂210可使得单个可变气门致动器300能够作用在两个或多个气门上。应当认为，在本发明的可替换实施例中，气门致动系统10可以不包括气门横臂210。
可变气门致动器300可以设置在固定壳体310中，壳体310设置在用于传递运动的装置100和内燃机气门200之间。壳体310可包括延伸穿过其中的外活塞孔312。低压液压流体供应通道314可以延伸穿过壳体310，并且在外活塞孔312处终止。止回阀316可以设置在供应通道314中，从而主要地仅允许从流体供应通道314到外活塞孔312的单向流体流动。
重置(reset)通道318也可以设置在壳体310中。重置通道318可以在外活塞孔312处并且在这样的位置处终止，与供应通道314和外活塞孔310相交的位置相比，该位置更加靠近内燃机气门200。重置通道318可以在某点处连接到供应通道314或者低压供应装置(未示出)。转换阀410可以连接到重置通道318，从而控制穿过重置通道的流体流动。转换阀410在图8中示为处于开启位置。在开启位置，流体流动被阻止从外活塞孔312穿过重置通道318并且返回到流体供应装置。当转换阀410闭合时，流体可穿过重置通道318流动返回到供应通道314。控制器400可根据需要控制转换阀410开启和闭合。
外活塞320可滑动地设置在外活塞孔312中。外活塞320可包括上表面，上表面适用于接收来自用于传递运动的装置100的输入运动。环形凹部322可以设置在外活塞320的外壁中。环形凹部322可以设置在外活塞320上，从而当内燃机气门200处于闭合位置时，它与流体供应通道314对齐。外活塞320也可以包括内腔326。一个或多个外活塞通道324可以在环形凹部322和内腔326之间延伸。
内活塞330可滑动地设置在外活塞320中的腔326中。保持环332可以限制内活塞330相对于外活塞320的向下延伸。内活塞330在它的上端处可以以这样一种方式成形该方式允许液压流体流动到腔326中，并且将内活塞向下推动与气门横臂210接触(或者在可替换实施例中，直接与气门200接触)。
图8所示的本发明的实施例可以如下操作以选择性地提供提前进气或者排气门闭合，如图9所示。在内燃机操作过程中，液压流体可以供应到供应通道314。流体经过单向止回阀316流动到外活塞孔312处的供应通道314的终点。当摇臂120与凸轮110的基圆接触时，外活塞320达到它在外活塞孔312中最靠上的位置。在这点，外活塞中的环形凹部322与供应通道314的终点对齐，并且流体可通过外活塞通道324进入外活塞中的腔326。随着低压流体进入腔326，内活塞330相对于外活塞320向下移动，从而在外活塞和内活塞之间产生空间s。内活塞330可以向下移动，直到保持环332或者来自使气门200偏压闭合的弹簧的反抗力防止它进一步向下运动。
随着摇臂120在外活塞320上通过凸轮110上的一个或多个凸角被向下旋转，外活塞在外活塞孔312中向下滑动。然而，在这点，腔326中的流体不能流出，因为止回阀316不允许流体朝着低压供应装置回流。结果，内活塞330相对于外活塞320被液压锁定，并且内活塞与外活塞向下滑动，并且作用在气门横臂210和气门200上。
当外活塞320向下充分移动使得环形凹部322与重置通道318对齐时，会发生一个或者两个情况。如果转换阀410处于开启位置，如图8所示，流体不能流动到腔326外，并且内活塞330与外活塞320继续一致地向下移动。当转换阀410开启时提供的气门运动在图9中由曲线600示出。然而如果转换阀410闭合，腔326中的高压流体可以通过重置通道318排出到低压供应装置，在低压供应装置中，它被吸收。当发生通过重置通道的排出时，内活塞330可以收缩到外活塞腔326中，从而消除空间s。参考图9，当转换阀410闭合时提供的气门运动由曲线602示出，其中在点604处开始排出，并且在点606处完成。从图9可清楚看出，通过选择性地开启和闭合转换阀410，内燃机气门200可以经历延迟气门闭合(曲线600)或者提前气门闭合(曲线602)。
参考图10，其中相同的附图标记表示相同的元件，可变气门致动器300与图8所示的系统略微不同，以提供选择性的延迟或者提前气门开启。转换阀410连接到供应通道314，而不是连接到重置通道318。结果，可变气门致动器300操作如下。
在内燃机操作过程中，液压流体可以供应到供应通道314，并且可以通过止回阀316流动到内活塞330和外活塞320之间的腔326。当转换阀410闭合时，流体可以从腔326回流到供应通道314。结果，当外活塞被用于传递运动的装置100迫使向下时，内活塞330可以充分地保持收缩到外活塞320中的腔326中。这样，可变气门致动器300提供具有延迟开启的气门运动，如图11中的曲线612所示。
然而，当转换阀410开启时，如图10所示，止回阀316基本可以防止流体回流到供应通道314。当摇臂120与凸轮110的基圆接触时，外活塞320到达它在外活塞孔312中的最靠上的位置。在这点，外活塞中的环形凹部322与供应通道314的终点对齐，并且流体可以通过止回阀316和外活塞通道324进入外活塞中的腔326。随着低压流体进入腔326，内活塞330相对于外活塞320向下移动，从而空间s产生在外活塞和内活塞之间。内活塞330可以向下移动，直到保持环332或者来自将气门200偏压闭合的弹簧的反抗力防止它进一步向下运动。
随着摇臂120通过凸轮110上的一个或多个凸角在外活塞320上向下旋转，外活塞在外活塞孔312中向下滑动。腔326中的流体在这点不能流出，因为止回阀不允许流体朝着低压供应装置回流。结果，内活塞330相对于外活塞320被液压锁定，并且内活塞与外活塞一起向下滑动，并且作用在气门横臂210和气门200上。
当外活塞320充分向下移动使得环形凹部322与重置通道318对齐时，腔326中的高压流体可以通过重置通道318排出到低压供应装置，在其处它被吸收。当发生通过重置通道的排出时，内活塞330可以收缩到外活塞腔326中，从而消除空间s。参考图11，当转换阀410闭合时提供的气门运动由曲线610示出，其中在点614处开始排出，并且在点616处完成。从图11可清楚看出，通过选择性地开启或闭合转换阀410，内燃机气门200可以经历提前气门开启(曲线610)或延迟气门开启(曲线612)。
在一个实施例中，重置通道318可与供应通道314在转换阀410前面的位置处连通，向外活塞孔312提供恒定的低压供应。这样，在内活塞和外活塞之间可以提供润滑。
参考图12，其中相同的附图标记表示相同的元件，可变气门致动器300与图8所示的系统略微不同，以提供三个水平的选择性的延迟或提前气门闭合。图12所示的本发明的实施例与图8所示的实施例在下列方面不同连接到重置通道318的可变气门致动器300的部分，并且包括位于内活塞330和外活塞330之间的弹簧328。
继续参考图12，重置通道318与双重置出口340和342连通。双重置出口340和342可以与三路转换阀430连通。三路转换阀430可以提供双重置出口340和342与表示为蓄压器通道344和回流通道(spill passage)346的相对应的通道对之间的选择性连通。蓄压器通道344可以将三路转换阀430连接到蓄压器348，并且回流通道346可以将三路转换阀430连接到低压液压流体供应装置。
第一和第二控制阀420和422可用于将三路转换阀430选择性地偏压到它的三个可能位置中的一个。当第一控制阀420和第二控制阀422都闭合时，三路转换阀430到达第一位置。对于三路转换阀430的这个第一位置在图12中示出。当第一控制阀420开启并且第二控制阀422闭合时，三路转换阀430到达第二位置。当第一控制阀开启并且第二控制阀闭合时，三路转换阀430相对于图12中所示的位置向左转换位置(index)。当第一控制阀420闭合并且第二控制阀422开启时，三路转换阀430可以到达第三位置。当这发生时，三路转换阀430可以相对于图11所示的位置向右转换位置。第一和第二控制阀开启和闭合以将低压液压流体施加到三路转换阀430，第一和第二控制阀的开启和闭合可以根据由控制器400提供的控制信号而执行。当没有液压流体通过控制阀420和422被施加时，三路转换阀430可以被一个或多个弹簧偏压以到达默认位置(例如上述的第一位置)。
图12所示的本发明的实施例可以操作如下以提供选择性水平的提前或者延迟气门闭合，如图13所示。在内燃机操作过程中，液压流体可以供应到供应通道314。流体经过单向止回阀316流动到外活塞孔312处的供应通道314的终点。当摇臂120与凸轮110的基圆接触时，外活塞320到达它在外活塞孔312中的最靠上的位置。在这点，外活塞中的环形凹部322与供应通道314的终点对齐，并且流体可以通过外活塞通道324进入外活塞中的腔326。随着低压流体进入腔326，内活塞330相对于外活塞320向下移动，从而在外活塞和内活塞之间产生空间s。内活塞330可以向下移动，直到保持环332或者来自将气门200偏压闭合的弹簧的反抗力防止它进一步向下运动。
随着摇臂120通过凸轮110上的一个或多个凸角在外活塞320上向下旋转，外活塞在外活塞孔312中向下滑动。然而腔326中的流体在这点不能流出，因为止回阀316不允许流体朝着低压供应装置回流。结果，内活塞330相对于外活塞320被液压锁定，并且内活塞与外活塞向下滑动，并且作用在气门横臂210和气门200上。
当外活塞320向下充分移动使得环形凹部322与重置通道318对齐时，可以提供三个气门运动中的一个，取决于三路转换阀430的位置。如果三路转换阀430处于第一位置，如图12所示，流体被阻止流动通过三路转换阀。结果，流体不能流到腔326外，并且内活塞330继续与外活塞320一致地向下移动。当三路转换阀430处于第一位置时提供的气门运动在图13中通过曲线620示出。
当三路转换阀430处于第二位置时，流体可以通过蓄压器通道344从第一出口通道340流动到蓄压器348。然而，流体被阻止从第二出口通道342通过回流通道346流动到流体供应装置。当三路转换阀处于第二位置并且外活塞320充分向下移动使得环形凹部322与重置通道318对齐时，腔326中的高压流体可以通过重置通道318和三路转换阀430排出到蓄压器348。优选的是，蓄压器348可具有有限的行程。有限行程的蓄压器能够吸收来自重置通道318的预定量的液压流体。在预定量的液压流体被蓄压器348吸收后，来自腔326的流体的进一步吸收会被阻止。当蓄压器348被设计成吸收比外活塞腔326中全部流体少的流体时，内活塞330仅可部分收缩到外活塞中，从而消除部分空间s。参考图13，当三路转换阀430处于第二位置时提供的气门运动由曲线622示出，其中在点626处开始排出到蓄压器348，并且在点628处完成。
当三路转换阀430处于第三位置时，流体可以通过回流通道344从第二出口通道342流动到流体供应装置。然而，流体被阻止从第一出口通道340流动到蓄压器通道344。当三路转换阀处于第三位置并且外活塞320充分向下移动使得环形凹部322与重置通道318对齐时，腔326中的高压流体可以通过重置通道318和三路转换阀430排出到低压供应装置，在低压供应装置，它被吸收。随着通过重置通道排出的进行，内活塞330可收缩到外活塞腔326中，从而消除空间s。参考图13，当三路转换阀430处于第三位置时提供的气门运动由曲线624示出，其中在点626处开始排出，并且在点630处完成。从图13清楚可见，通过选择性地设置三路转换阀430，内燃机气门200可以经历三个水平的提前或延迟气门闭合中的一个(提前闭合-曲线624；中间闭合-曲线622；和延迟闭合-曲线620)。
本发明的另一个实施例在图14中示出。参考图14，示出了摇臂组件700的横截面。摇臂组件700包括第一端701，第一端701适用于接纳一元件(未示出)，该元件用于接触运动传递装置100，例如凸轮或者推杆(未示出)。运动传递装置100可包括凸轮，该凸轮具有任意的一个或多个固定的内燃机制动(压力释放或者泄放式)、主排气或者进气、制动气体再循环(BGR)和/或废气再循环(EGR)凸角。
中间开口702设置在摇臂700中，适用于接纳摇臂轴(未示出)。第一和第二流体供应通道704和706从中间开口702延伸到摇臂的第二端703。插入中间开口702中的摇臂轴本身可包括液压流体通道，该通道与第一流体供应通道704配合。结果，液压流体可以在摇臂轴中的通道和流体供应通道704之间流动。
重置通道可以在第一和第二流体供应通道704和706的相交处竖直地延伸穿过摇臂700。环形台肩(land)或者凸肩可以区分重置通道的上部和下部的分离部。球阀式止回阀712可以设置在重置通道的上部中。球阀式止回阀712可以被止动弹簧714向下偏压。止回阀上部组件710可以使止动弹簧714对中在重置通道中，并且提供一阀座，球阀式止回阀712可以紧靠所述阀座落座。止回阀上部组件710可以通过压配、螺纹连接、或者其它方式固定到重置通道的上端中，从而提供给重置通道的流体基本被防止从它的上端流走。具有螺纹的螺母718可以提供止回阀上部组件710的调节。
重置活塞716可滑动地设置在重置通道的下部中。重置活塞716包括下端和上端719，下端适用于接触外部止挡件734，上端719适用于接触球阀式止回阀712。保持环717可以防止重置活塞716的下端向下过度运动。重置活塞716的下端可以适用于提供紧靠重置通道的下部的壁的密封。这个密封可以基本防止流体泄漏到重置通道的下端外。
参考图14，第二流体供应通道706可将重置通道的上部连接到腔室708，腔室708位于摇臂的第二端703中。一罩可以用于密封第二流体供应通道706的端部。活塞720可滑动地设置在腔室708中。活塞720可以由环形止挡件724保持在腔室708中。活塞720可以适用于为腔室708的壁提供流体密封，从而防止或者至少限制流体从腔室泄漏。活塞720可以设置有内腔，所述内腔适用于接纳复位弹簧722。复位弹簧722可以使活塞720朝着止挡件724偏压。活塞720的下表面适用于接触内燃机气门200或横臂(未示出)，所述横臂用于致动多个内燃机气门(多个)。
外部止挡件734可以设置在摇臂700的下面。外部止挡件734可滑动地设置在腔732中。外部止挡件734的向上运动可以由保持环限制。外部止挡件734在高度方向可调节(例如通过选择性地向腔732提供液压流体)。控制阀736可用于控制流体流入和流出腔732。控制阀736可以连接到低压液压流体供应装置(未示出)。前面讨论并且图14中未示出的控制器可用于控制所述控制阀736的开启和闭合的正时。
下面将描述操作摇臂组件700以选择性地提供提前气门闭合。虽然下面的描述涉及使用摇臂700以操作排气门(多个)，但是应当认为，这种类型的摇臂可用于进气门、排气门和辅助气门的操作。
在内燃机操作过程中，低压液压流体通过第一流体供应通道704进入摇臂700。第一流体供应通道704中的流体使球阀式止回阀712离开阀座，并且流动到第二流体供应通道706中并且进入腔室708中。当致动摇臂组件700的凸轮处于基圆处时，活塞720可以被向下推动，直到它接触内燃机气门200。随着摇臂组件在凸轮上的一个或多个凸角的作用下紧靠内燃机气门200向下旋转，腔室708和第二流体供应通道中的流体压力增大，并且迫使球阀式止回阀712紧靠它的阀座闭合。结果，活塞720相对于摇臂组件700被液压锁定到向下的位置。
液压流体从腔室708的释放取决于外部止挡件734的位置。当外部止挡件734回退到腔732中时，可能发生的重置活塞716和外部止挡件之间的任何接触不会使得重置活塞716向上移动足够的距离以开启球阀式止回阀712。结果，在摇臂组件700的旋转过程中，活塞720保持液压锁定到适合的位置。由此产生的气门运动在图15中通过曲线640示出。
当由于向腔732供应液压流体而使得外部止挡件734向上延伸时，摇臂组件的向下旋转使重置活塞716与外部止挡件734接触。随着摇臂组件700在驱动凸轮上的主事件凸角的作用下朝着它的最大向下位移移动时，重置活塞716接触外部止挡件734，并且在重置通道中被向上推动。随着重置活塞716在重置通道中向上移动，并且重置活塞的上端719会使球阀式止回阀712向上脱离阀座。在将内燃机气门偏压闭合的弹簧的作用下，使球阀式止回阀712脱离阀座允许腔室708中的流体排出返回到摇臂轴中的低压供应装置。排气门弹簧(多个)施加比腔室708中的液压流体压力更大的压力。结果，摇臂700的向下运动使得活塞720被迫使向上进入腔室708中，直到它接触该腔室的上端。在这点之后，摇臂700进一步的向下运动导致内燃机气门被开启用于主事件。产生的气门运动在图15中由曲线642示出，其中球阀式止回阀712在点644处离开阀座，并且活塞720相对于腔室708的向上运动在点646处停止。从图15可清楚看出，通过选择性地开启或闭合控制阀736，内燃机气门200可以经历提前气门闭合(曲线642)或延迟气门闭合(曲线640)。
本发明的另一个实施例在图16中示出，其中，相同的附图标记表示相同的元件。气门致动系统10可包括摇臂120、用于向摇臂传递运动的装置100、一个或多个内燃机气门200、和可变气门致动器800。
用于传递运动的装置100可包括凸轮110，凸轮110直接地或者通过一个或多个中间气门系元件可操作地连接到摇臂120的第一端，所述中间气门系元件例如推杆(未示出)。凸轮110可具有这样的轮廓，该轮廓包括一个或多个气门致动凸角114、基圆部分112、和重置轮廓116。重置轮廓116的形状在图16中被放大以示出这样的事实它被建立(ground)在基圆下面的凸轮轮廓中。连接到摇臂120的第一端的滚子可用作摇臂和用于传递运动的装置100之间的接触点。
摇臂120可以安装在摇臂轴122上，从而摇臂在用于传递运动的装置100的作用下能够围绕摇臂轴往复摆动。摇臂120的第二端可以适用于直接接触内燃机气门200，或者通过中间气门横臂210接触一个以上的内燃机气门，如图所示。摇臂120可包括延伸部分123。摇臂复位弹簧121可以将摇臂120向上朝着可变气门致动器800偏压。
所述一个或多个内燃机气门200可以是进气门、排气门或者辅助气门，所述气门提供内燃机气缸和内燃机的进气歧管或排气歧管之间的选择性的连通。
可变气门致动器800可以设置在位于内燃机气门200上方的固定壳体810中。壳体810可具有低压液压流体供应孔820，孔820连接到液压流体供应装置(未示出)。供应阀830、重置阀840、和液压致动器活塞850可以由壳体810容纳。流体通道814可以穿过壳体810从供应阀830延伸到重置阀840，并且从重置阀延伸到腔室816，活塞850可滑动地设置在腔室816中。
供应阀830可以由控制器(未示出)选择性地控制。在第一位置，供应阀830防止液压流体从供应孔820流动到通道814，但是能够使液压流体从通道814流动到排出孔812。在第二位置，供应阀830允许液压流体从供应孔820流动到通道814，但是阻止液压流体从所述通道流动到排出孔812。
重置阀840可包括重置销842、重置球844、和可选的重置弹簧846。可选的重置弹簧846可以将重置球844朝着它在通道814中的阀座偏压。重置球844和可选的重置弹簧846适用于允许在低压供应装置的作用下流体从通道814流动到腔室816中。液压流体到腔室816的流动可以迫使活塞850向下朝着内燃机气门200运动。从腔室816经过重置球844返回到通道814的流体流动可以被重置球阻止，除非并且直到它通过重置销842离开阀座。重置销842可滑动地设置在重置球844的下面。当重置销紧靠重置球被向上推动时，重置销842可以适用于选择性地使重置球844脱离阀座。
活塞850可包括上部和臂852，所述上部设置在腔室816中，臂852向下延伸与内燃机气门200或内燃机气门横臂210接触。可选的活塞止挡件854可以限制活塞850向下移动到壳体810外。活塞臂852可以跨在摇臂120上从而接触气门横臂210。图17示出了到活塞850的摇臂120和活塞臂852的关系。图16中提供的活塞850、活塞臂852和摇臂120的视图对应于沿着图17中的剖切线A-A截取的这些元件的视图。
参考图18，图16所示的气门致动系统可用于选择性地提供曲线900、902和904所示的气门致动。在内燃机操作过程中，当供应阀830保持在第一位置时，可以提供气门致动900，从而流体没有提供给通道814。当流体没有提供给通道814时，随着摇臂120向上移动，在腔室816中没有足够的流体以反抗内燃机气门复位弹簧(未示出)的力将活塞850保持向下。结果，当流体没有提供给通道814时，内燃机气门运动对应于凸轮110上的一个或多个气门事件凸角114的轮廓。气门事件凸角114可以被预先设置以提供提前气门闭合。
如气门致动曲线902所示的相对延迟的气门闭合可以通过开启供应阀830来提供，从而流体被提供给通道814和腔室816。腔室816中的流体使得活塞850向下延伸与气门横臂210接触。随着摇臂120在凸轮110上的凸角114的作用下在气门横臂210上向下旋转，活塞850可跟随气门横臂向下，而腔室816继续填充来自低压供应孔820的流体。活塞850可跟随气门横臂210的向下运动，直到活塞止挡件854防止进一步向下运动。在凸轮凸角114的峰值点906经过与摇臂120的接触点之后，随着凸轮凸角朝着基圆减小，摇臂向上反向旋转远离气门横臂210。在缺乏可变气门致动器800的情况下，内燃机气门200将跟随摇臂120的向上运动以在点908处闭合。
然而，活塞850的存在可以改变气门横臂210和内燃机气门200的向上运动。随着气门横臂210与摇臂120向上返回，它碰到活塞850，活塞850依次迫使流体朝着重置阀840回流，并且闭合重置阀840。一旦重置阀840被闭合，活塞850被液压锁定到适合的位置。因此，活塞850将气门横臂210和内燃机气门200保持在固定的位置，不管摇臂120继续向上运动。在活塞850被液压锁定在适合的位置后，摇臂120继续向上运动，直到它首先到达凸轮的基圆112并且然后到达重置轮廓116。当摇臂120碰到凸轮的重置轮廓116时，摇臂弹簧121将摇臂120向上偏压与重置销842接触。随着摇臂120迫使重置销842向上，重置销使重置球844离开阀座，并且腔室816中的流体能够排出到低压流体供应装置。重置球844在图18所示的图形中的点910处离开阀座。随着流体从腔室816排出，活塞850被作用在内燃机气门200上的复位弹簧的力迫使向上，复位弹簧依次允许内燃机气门闭合。通过选择性地向腔室816提供低压液压流体，内燃机气门200可以经历延迟气门闭合，如图18中的曲线902所示。
如图18中的曲线904所示的进一步延迟的气门闭合可以通过消除图16中所示的可选的活塞止挡件854来提供。消除活塞止挡件854导致活塞850一直跟随气门横臂210到凸轮凸角114的峰值点906。随着凸轮旋转离开峰值点906，活塞850立刻被锁定在适合的位置，并且产生由曲线904所示的气门运动。
参考图19，其中相同的附图标记表示相同的元件，可变气门致动器800根据图16所示的系统进行修改。在图19所示的本发明的实施例中，重置阀840被结合在活塞850中。内部通道856设置在活塞850中。内部通道856允许液压流体在壳体通道814和活塞腔室816之间流动。重置活塞842可滑动地设置在延伸穿过活塞850的竖直通道中。重置活塞842包括下部，所述下部延伸到活塞850外位于活塞臂852之间。重置活塞842还包括上部，所述上部适用于开启重置盘858。重置盘858设置在活塞850上方的腔室816中。可选的弹簧(未示出)可用于将重置盘朝着活塞850偏压。
图19所示的本发明的实施例在功能上以与图16所示的本发明的实施例基本相同的方式操作。当液压流体没有供应到通道814和腔室816时，气门运动900产生(如图18所示)。相对延迟的气门闭合，如气门致动曲线902和904所示，可以通过开启供应阀830来提供，从而流体被提供给通道814、内部通道856和腔室816。腔室816中的流体使得活塞850向下延伸与气门横臂210接触。随着摇臂120在凸轮110上的凸角114的作用下在气门横臂210上向下旋转，活塞850可随着气门横臂向下，而腔室816继续填充来自低压供应孔820的流体。在凸轮轮廓上的峰值点906之后，气门横臂210与摇臂120向上返回，并且碰到活塞850，活塞850依次迫使流体朝着重置盘858返回，并且闭合重置盘858。一旦重置盘858被闭合，活塞850被液压锁定到适合的位置。因此，活塞850将气门横臂210和内燃机气门200保持在固定的位置，不管摇臂120继续向上移动。在活塞850被液压锁定到适合的位置后，摇臂120继续向上移动，直到它首先到达凸轮基圆112并且然后到达重置轮廓116。当摇臂120碰到凸轮重置轮廓116时，摇臂弹簧121将摇臂120向上偏压与重置销842接触。随着摇臂120迫使重置销842向上，重置销使重置盘858离开阀座，并且腔室816中的流体能够排出到低压流体供应装置。重置盘858在图18中所示的图形中的点910处离开阀座。随着流体排出腔室816，活塞850被复位弹簧的力迫使向上，所述弹簧作用在内燃机气门200上，复位弹簧依次允许内燃机气门闭合。
本发明的另一个实施例在图20中示出，其中相同的附图标记表示相同的元件。气门致动系统10可包括摇臂120、用于向摇臂传递运动的装置(未示出)、一个或多个内燃机气门200、和气门致动器900，致动器900用于向内部废气再循环提供可变气门致动。
气门致动器900可以设置在固定壳体910中，壳体910具有形成在其中的活塞孔912。液压流体供应通道914可延伸穿过壳体910，并且在活塞孔912的上端处终止。止回阀930可以设置在供应通道914中，从而主要地仅允许从流体供应通道914到活塞孔912的单向流体流动。控制阀940例如低速电磁阀可以连接到供应通道914，从而控制通过通道的流体流动。控制器400可以控制所述控制阀940以根据需要向供应通道914供应流体。可以在活塞孔912和止回阀930之间设置泄放孔950以允许高压流体被泄放到供应通道914外。
EGR活塞920可滑动地设置在活塞孔912中。弹簧922可操作地连接到活塞920，弹簧922将活塞920偏压远离摇臂120。保持环924可以将活塞920的向下延伸限制到预定的距离。
图20所示的本发明的实施例可以如下操作从而为废气再循环气门事件提供选择性的可变升程。当需要EGR时，控制阀940被启动，并且允许油穿过控制阀940和止回阀930流动到活塞孔912。最终的油压将活塞920推出紧靠摇臂120。随着摇臂旋转，致动气门200，活塞920跟随气门运动，并且继续向下运动，直到活塞920撞击所述保持环924。
随着摇臂开始返回，活塞上方的油压足以保持开启内燃机气门200并且产生废气再循环事件。然而，活塞上方的流体被允许通过泄放孔950缓慢地排出。参考图22，当高压流体通过泄放孔950排出时提供的气门运动通过曲线902示出。
参考图21，其中相同的附图标记表示相同的元件，气门致动器900与图20所示的系统略微不同，从而提供略微不同的废气再循环气门升程。气门致动器900包括转换阀950，转换阀950连接到供应通道914，而不是泄放孔950。在废气再循环操作过程中，活塞920保持开启气门200，直到转换阀950被启动。在这点，活塞孔912和止回阀930之间的供应通道中的流体可以通过转换阀950被释放。参考图22，当流体通过转换阀950排出时提供的气门运动由曲线904示出。
对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和实质的情况下，可以对本发明做出修改和变形。因此，本发明覆盖所有这种变形，只要它们落在权利要求及其等效装置的范围内。
权利要求
1.一种用于致动内燃机中的内燃机气门以产生内燃机气门事件的系统，所述系统包括用于传递气门致动运动的装置；壳体，设置在所述运动传递装置和内燃机气门之间；外活塞，可滑动地设置在所述壳体中形成的孔中，所述外活塞具有形成在其中的腔；内活塞，可滑动地设置在外活塞的腔中；和阀，与所述外活塞的腔连通，所述阀具有多于一个的位置，其中，所述阀的位置确定内燃机气门事件的正时。
2如权利要求1所述的系统，其特征在于所述阀的位置确定内燃机气门开启正时。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述气门的位置确定内燃机气门闭合正时。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括供应通道，适用于向外活塞的腔供应液压流体；和重置通道，适用于从外活塞的腔释放液压流体。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述阀设置在所述供应通道中。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述阀的位置确定内燃机气门闭合正时。
7.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述阀设置在所述重置通道中。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述阀的位置确定内燃机气门开启正时。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括可操作地连接到所述阀的控制器。
10.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述供应通道可操作地连接到所述重置通道。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述阀包括双路转换阀。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述阀包括三路转换阀。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述内燃机气门事件包括从包括下列的组中选择的内燃机气门事件主进气门事件，主排气门事件，压力释放制动气门事件，泄放式制动气门事件，和废气再循环气门事件。
14.一种用于致动内燃机中的内燃机气门以产生内燃机气门事件的系统，所述系统包括用于传递气门致动运动的装置；壳体，设置在所述运动传递装置和内燃机气门之间；外活塞，可滑动地设置在所述壳体中形成的孔中，所述外活塞具有形成在其中的腔；内活塞，可滑动地设置在外活塞的腔中；阀，与所述外活塞的腔连通，所述阀具有第一位置和第二位置，其中所述阀的位置确定内燃机气门事件的正时；供应通道，适用于向外活塞的腔供应液压流体；和重置通道，适用于从外活塞的腔释放液压流体。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述阀设置在所述供应通道中。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述阀的位置确定内燃机气门闭合正时。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述阀设置在所述重置通道中。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述阀的位置确定内燃机气门开启正时。
全文摘要
提供了一种用于致动一个或多个内燃机气门的系统和方法。特别的是，提供了用于提供可变气门致动从而提高内燃机性能的系统和方法。本发明的实施例可以与内燃机的正功、内燃机制动、和/或废气再循环操作结合使用。在一个实施例中，所述系统包括气门系元件；壳体，设置在所述气门系元件和内燃机气门之间；外活塞，可滑动地设置在形成在所述壳体中的孔中，外活塞具有形成在其中的腔；内活塞，可滑动地设置在外活塞的腔中；和阀，与外活塞的腔连通，所述阀具有多于一个的位置，其中，所述阀的位置确定内燃机气门事件的正时。
文档编号F01L1/34GK101076655SQ200580042807
公开日2007年11月21日 申请日期2005年7月27日 优先权日2004年10月14日
发明者杨周, B·N·斯旺伯恩, R·E·范德普尔 申请人:雅各布斯车辆系统公司