带有气动增力器的可变气门致动器的制作方法

专利名称：带有气动增力器的可变气门致动器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及致动器以及用于控制该致动器的相关方法与系统， 且特别是，涉及能高效、快捷、灵活地实施大开启力量控制的致动器。
背景技术：
在美国专利No. 6，543，225中描述了一种分开式四冲程循环内燃机。 其包括至少一个动力活塞及对应的第一或动力气缸，以及至少一个压縮活 塞及对应的第二或压縮气缸。该动力活塞通过四冲程循环的动力冲程和排 气冲程往复运动，而该压縮活塞通过进气冲程和压缩冲程往复运动。压力 室或横跨通道(cross-over passage)与压缩气缸和动力气缸互连，以进
气单向阀提供从压縮气缸到横跨通道的基本上单向的气流，而出口或横跨 阀提供在横跨通道和动力气缸之间的气流连通。该发动机还包括分别在压 缩气缸和动力气缸上的进气阀和排气阀。根据所引用的专利和其他相关的 开发技术的分开式循环发动机潜在地提供很多燃料效率方面的优点，尤其 当与互连至横跨通道的附加储气罐结合时，其能够像空气混合发动机那样 运行发动机。相对于电混合发动机，空气混合发动机可以以很低的制造和 废弃物处理成本潜在地提供同样大甚至更大的燃料经济利益。
为了取得潜在的利益，对于整个四冲程循环来说，在横跨通道中空气 或者空气-燃料的混合物必须保持在预定的点火条件压力下，例如，大约 270psi或者18.6bar的表压力。该压力可以达到更加高的值，以取得更好 的燃烧效率。同时，横跨阀的开启时间段(opening window)必须非常窄， 尤其在中、高发动机转速下。横跨阀在动力活塞处于上止点(TDC)或接近上止点时开启，并且在此之后立刻或短期內关闭。与传统发动机的六至 八毫秒的最小周期相比，在分开式循环发动机中总开启时间段可以短至一 至二毫秒。为了在横跨通道中密封持续的高压，实用可行的横跨阀很可能 是带有向外(离开动力气缸，而不是进入动力气缸内)开启运动的提升阀
(poppet valve)或圆盘阀。当关闭时，在横跨通道的压力下阀盘或阀头 压靠阀座。为了开启阀，致动器必须提供非常大的初始开启力，以克服在 阀头上的压强力以及惯性。 一旦横跨阀开启，由于在横跨通道和动力气缸 之间的实质上的等压化(等压过程)，该压强力将很快显著下降。 一旦开 始燃烧，阀应该按要求迅速关闭，以防止燃烧扩散到横跨通道，在一定的 燃烧周期中，这也是为了克服高于横跨通道压力的动力气缸压力而保持阀 稳坐在阀座上的必需要求。另外，当动力冲程在空气混合动力运行的一定 阶段上不起作用时，要求横跨阀不起作用。类似于传统的发动机气门，横 跨阀的就位速度必须保持在一定的限度下，以减小噪声并且保持一定的耐 久性。
总的来说，横跨阀致动器必须提供大的初始开启力、足够的就位力、 合理的低就位速度、高的致动速度和适时的灵活性，而自身消耗最少的能 量。大多数——若不是全部——传统发动机气门致动系统不能满足这些要 求。

发明内容
简要地讲，在本发明的一个方面中， 一种致动器的优选实施例包括 驱动件，该驱动件进一步包括限定了纵向轴线及第一和第二方向的壳体、 能够至少沿第一方向产生致动力的致动机构、以及一端可操作地相连于致 动机构的至少一部分而另一端可操作地相连于如发动机气门这样的负载
的杆子；至少一个回程弹簧，通过弹簧座组件可操作地连接于杆子，并沿 第二方向偏压(bias)杆子；和气动增力器，该气动增力器进一步包括气动 气缸、通过弹簧座组件可操作地连接于杆子并沿第一方向偏压杆子的气动 活塞、在气动气缸和高压气源之间提供受控制的流体连通的充气机构、及 在气动气缸和低压气汇之间提供受控制的流体连通的泄气机构。
在运行中，致动器依靠来自至少一个回程弹簧的沿第二方向偏压的力来克服其它所有的力——包括来自气动增力器及负载的力——而把负载 保持在第二方向的终端位置，而致动机构不产生沿第一方向的力，气动增 力器通过充气机构被充气以产生沿第一方向的、可观的力来抗衡沿第二方 向的、可观的负载力。
通过致动机构所产生的沿第一方向的致动力，该致动器启动其负载沿 第一方向的行进，致动力和来自气动增力器的力相结合能够克服包括来自 于至少一个回程弹簧和负载的其余的力的总和，并沿第一方向加速负载。
通过沿第一方向的致动力，致动器保持沿第一方向的行进，直到达到 目标行程，如果需要把负载停留在目标行程上，则把致动力保持在第一方 向。至少通过关闭沿第一方向的致动力，致动器开始负载沿第二方向的回 程行进，使得负载至少被回程弹簧沿第二方向加速。
在上述时段的至少部分时间内，致动器通过泄气机构泄掉增力器气缸 中过剩的空气，以减少来自气动增力器的力，否则它对负载的返回行进产 生太过分的阻力。随着不断减少的回程弹簧力和不断增加的气动增力器力 ——这有助于减缓负载——致动器完成回程行进。
在另一实施例中，驱动件是流体驱动件；致动机构包括致动活塞、致
动油缸及分别与第一和第二端口流体连通的第一和第二流体空间；及杆子
为可操作地与致动活塞和负载相连的活塞杆。
在另一实施例中，驱动件是电磁驱动件；致动机构包括设置在衔铁
腔内的衔铁及至少一个第一电磁铁，该电磁铁在衔铁腔的第一方向一侧，
由此能够在通电时沿第一方向拉衔铁；及杆子为可操作地与衔铁和负载相 连的衔铁杆。
在另一实施例中，充气机构包括充气孔，由此在相当程度上限制充气 流量(flowra1:e)。它还可包括控制机构，至少当泄气机构正在积极泄出 过量空气时大大关闭了充气流。
相对于通用的流体致动器及其控制，本发明提供了重要的优势，对于 这样的横跨通道发动机气门——其需要大量的初始开放力、充分的就坐 力、相当低的就坐速度、较高的致动速度及正时的灵活性，同时致动器本 身消耗最少的能源——来说是特别需要的。该气动增力器能够提供大初始 力，无需增加太多的结构复杂性或要求太多能源消耗或受制于液体或电磁致动器的能力和功能限制，通过直接利用横跨通道或空气储罐。通过此充 气机构，增力器的力可以随横跨通道工作压力的变化而直接调整，不用复 杂的主动控制。通过此泄气机构，通过大大降低回程时的增力器力，从而 能够大幅度降低发动机气门返回力。
由于气动增力器，驱动件——无论是流体式或电磁式——能够或多或 少地集中于进行常规气门驱动，没有因很大的初始开启力而带来的设计、 功能和成本负担，这种很大的初始开启力对流体驱动件而言常规需要大流 量和安装尺寸，对电磁驱动件而言常规需要很高的——如果不是不可能的 ——磁力和电功力。
结合附图，参照下面的详细描述，将更好地理解本发明及其进一步的 目标和优点。


图l是发动机气门致动器优选实施例的示意图，其在关闭状态； 图2是另一优选实施例的示意图，其包括在流体驱动件、弹簧座组件
以及气动增力器中的设计变化；
图3是另 一优选实施例的示意图，其包括三通比例阀和充气阀； 图4是另一优选实施例的示意图，其包括四通比例阀、带双端活塞杆
的流体驱动件以及不带泄气机构的气动增力器；和
图5是另一优选实施例的示意图，其包括电磁驱动件。
具体实施例方式
现在参考图l，本发明的优选实施例提供了一种致动器，其包括流体 驱动件30、致动三通阀90、回程弹簧72和气动增力器85。致动器的负载或 控制目标是发动机气门20。
该致动三通阀90通过流体驱动件30的第二端口62来供应流体驱动件 30。三通阀90的三条通道中的两条与低压P一L流体管线和高压PJi流体管线 相连，第三条通道与第二端口62相连。流体驱动件30的第一端口60直接 与低压P一L流体管线流体连通。
该致动三通阀90可被切换到左位92或者右位94。在左位92和右位
ii94时，第二端口62分别与P—H管线禾BP—L管线流体连通。
压力P—H可以是常数或连续可变。当可变时，它是为了适应以下的变 化系统摩擦、发动机气门开放度、空气压力、发动机气门就坐速度要求、 等等，并/或尽可能节约运行能源。压力P一L可以简单地是流体箱压力、大 气压力或流体系统背压。例如，流体系统背压可简单地例如由一个弹簧式 止回阀(使用或不使用蓄能器均可)来支持或控制的。P—L值优选在尽可 能地低以提高系统效率，但又足够高以有助于防止流体气蚀。必要时，可 以更严格地控制P一L。在必要和/或允许的时候，连接于两个端口60和62 的两条P一L管线可维持在两个压力值。例如，第一端口60可能只是用来倾 倒一些泄漏流到流体箱(未显示在图l中)。在这种情况下，第一流体空 间的大部分可能只是充满空气，而不是工作流体(假设工作流体不是空 气)。
该发动机气门20包括发动机气门头22和发动机气门杆24。该发动机气 门头22包括第一表面28和第二表面29，它们在分开式循环的发动机中分别 暴露于横跨通道110和发动机气缸102。该发动机气门20通过发动机气门杆 24、沿纵向轴线116可操作地与流体驱动件30相连，发动机气门杆24可滑 动地设置在发动机气门导管或发动机气门导向装置120中。为便于说明， 组件和纵向轴线116具有第一和第二方向，它们与图l中顶部和底部的方向 是一样的。如图1所示的该发动机气门导管120不像传统的发动机气门导 管，该传统发动机气门导管通常是一个具有非常有限的壁厚的套。导管120 的设计是位于气缸头82中，在气门组件开口83上面，该开口大到足以在组 装时让发动机气门头22滑过。这只是许多潜在组装方式之一。这并不排除 在导管120内增加传统外观的套筒的可能性。该导管120可能包含必要的发
动机冷却液和润滑油通道(未显示在图l中)。
当发动机气门20完全关闭时，发动机气门头22与发动机气门座26接 触，封闭横跨通道110和发动机气缸102之间的流体连通。
流体驱动件30包括致动器壳体70、致动活塞40和致动油缸50。该致动 活塞40可滑动地设置于致动油缸50中。该致动活塞40固定在活塞杆46上， 在紧固元件45和肩49之间。该致动活塞40包含了第一表面42和第二表面 44，沿纵向把致动油缸50分为第一流体空间52 (在致动油缸第一端56和致动活塞第一表面42之间)和第二流体空间54 (在致动活塞第二表面44和致 动油缸第二端58之间)。致动活塞40和活塞杆46的径向间隙充分地紧，以
提供充分的流体密封，但对相对运动提供可容许的阻力。
通过活塞杆上的颈结构48周围的第二流道64，第二流体空间54与第二 端口62实现流体连通。当致动活塞40接近致动油缸第二端58时，该第二 流道64变得更充分地狭窄，肩49沿纵向接近和/或重叠第二流道64。如果 第二流动机制限定为包括第二流道64、颈48和肩49，那么第二流动机制提 供了第二流体空间和第二端口之间的充分开放的流体连通。致动活塞40接 近致动油缸第二端58时，它提供了缓冲功能(snubbing function)。若需 要，第二流动机制还可包括一个单向或止回阀(未显示在图l中)，从第 二端口62到第二流体空间54提供一个平行的、大幅度开放的流体连通。
第一流体空间52在没有很大的流量限制的情况下与第一端口60流体 连通。
活塞杆46可操作地与发动机气门杆24相连，在这实施例中(如图l 所示)杆46和杆24是同一结构，但这不是唯一的设计方案。
弹簧座组件74被设计为有助于支撑回程弹簧72和把它的力传至发动 机气门杆24。如图1所示的回程弹簧72是一个单一的机械压缩弹簧。这并 不排除其它的设计方案，如一对平行的压縮弹簧。弹簧72也可是蝶形15 (Belleville)型的或气动性质的。
该弹簧座组件74包括第一和第二弹簧座78和80和一套气门固定件76。 第一弹簧座78还有气动活塞的职能，它可滑动地设置于气动气缸84——发 动机气门导管120上方的一个腔——内，形成了气动增力器85。第一弹簧 座78和气动气缸84的侧面的、滑动的壁保持不漏气的密封，并通过必要的
润滑和密封机制(细节没有在图l中显示)来达到合理程度的摩擦。回程 弹簧72和气动增力器85分别沿第二和第一方向加力于第一座78，以此加力 于发动机气门杆24。该弹簧座组件74因此设计成能在两个方向受力。回程 弹簧72的力被加于第一弹簧座78，再通过气门固定件76传给发动机气门杆 24。气动气缸84的气动力主要被加于第一弹簧座78，并通过弹簧座紧固件 81图1未示详情)、第二弹簧座80及气门固定件76传给阀杆24。
通过包括充气道112和充气孔86的充气机构，气动气缸84由加压气体或来自横跨通道110的空气——高压气源~~"来充气或被供给气体。该充
气孔86被设计为比充气道112更有限制性。通道112和孔86可合并为一个单 一的限制性长孔(未显示在图l中)。充气孔86的单独建造或存在可以简 化制造过程。气动气缸84还在其顶端部分故意设计有一个扩张部分118， 以使得只有当发动机气门20就坐且处于发动机气门沿第一方向行进的预 定距离L1内时，第一座78和气动气缸84之间保持有效的空气密封，其中， 超出该预定距离L1时，气动气缸84和第一座78之间有很大的间隙或泄气通 道，气动气缸84与大气或低压气汇(low-pressure gas sink)有大量流 体连通，但与横跨通道110有有限制性的流体连通。
该致动油缸50在纵向提供充分空间，以便在负载或发动机气门20分别 在其第一方向和第二方向的终端位置时，致动活塞40不接触该油缸50的第 一端56和第二端58。当发动机气门20如图1所示就坐或在其第二方向的终 端位置时，致动活塞第二表面44和致动油缸第二端58之间还有距离，以适 应发动机气门间隙调整。当发动机气门20是完全开放或在其第一方向的 终端位置时，有足够的回程弹簧72力和/或足够的油缸50内的纵向空间， 以防止致动活塞第一表面42和致动油缸第一端56的直接接触。
可替代地，人们可以设计通过致动活塞第一表面42和致动油缸第一 端56——或与它们相当的表面——之间的实体接触来对发动机气门开放 行进加以限制或界定，再加上必要的缓冲或控制措施，如在下面出现的图 2和图5中所示。
该发动机气门头22在其第一表面28上通常接触到横跨通道110的压 力，和在其第二表面29上通常接触到发动机气缸102的压力。
第一弹簧座或气动活塞78的横截面积将基本等于发动机气门头横 截面积，以使得当气动气缸84中的压力由于通过充气孔86的流体连通而基 本上等于横跨通道的压力时，气动活塞78上的气压强力基本取消发动机 气门第一表面28的压强力。可替代地，气动活塞78横截面积要明显地" 但不一定充分地——不同于(无论是大于或小于)发动机气门头22的横 截面积。例如，更大的气动活塞横截面积提供额外的发动机气门开启力， 这样，相对更紧凑的流体驱动件30就可胜任。
该系统还经历各种摩擦力、稳态流动力、瞬变流动力和其他惯性力。
14稳态流动力是由流动速度变化所造成的液体静压(hydrostatic pressure)再分配，即伯努利效应。瞬变流动力是流体惯性力。其它惯性 力是具有惯性的物体——这里不包括流体——的加速度所产生的，因为很 大的加速度或快速正时，它们大量地来自发动机气门组件。
动力关闭状态
在动力关闭状态下，所有流体的供应来源P一H和P—L处于低或零表压 力。致动活塞40上的总流体力实质上等于零。发动机气门仅靠回程弹簧72 即可就坐或关闭。如果气动活塞78比发动机气门头22有一个较小的直径以 及横跨通道110压力仍然足够——特别是对带有储气罐的空气混合应用， 则就坐更可靠。
动力关闭时，致动三通阀90的默认位置(default position)优选是 ——但不一定要——在其如图1所示的右位94，以便如果发动机气门可靠 就坐是非常重要或关键的话，则第二流体空间54与低压P—L流体管线有流 体连通且肯定处于很低或为零的表压力。紧接着发动机的关闭之后，高压 P一H流体管线可能仍然有压。在发动机启动时，发动机气门20可保持在 关闭位置，不用主动地切换开关阀90。
启动
从动力关闭状态下来启动该系统，所有流体的供应来源被加压，确保 致动三通阀90不论是通过默认控制或主动控制都处于其如图1所示的右位 94。发动机气门20至少通过回程弹簧72而被确保处于在如图1所示的关闭 或就坐的位置。
气门的开启和关闭
要打开发动机气门20，致动三通阀90切换到其左位92。第二流体空间 54通过第二流动机制而向高压P—H供应源幵放，而第一流体空间52仍然暴 露于低气压P一L供应源。由此产生的在致动活塞40上的差压力
(differential pressure)是沿第一方向的(或在图l中是向上的)，以 主要克服弹簧力，推开发动机气门20。与此同时，考虑到气动气缸84和横跨通道110是在相同的压力下，发动机气门20上的向下的空气差压力基本 上由气动活塞78上的向上的空气差压力来平衡。在分开式循环的发动机
中，发动机气门上的主导力量是从横跨通道110来的空气压强力。纳入 气动活塞78有助于平衡和抵消这一巨大的力量，否则需要一个非常大的
和能源密集型的致动器。
当发动机气门20—打开时，发动机气缸102被迅速地充气，远在发动 机气门20通过开启行程的中点之前，其压力就在很短的时间内达到横跨 通道的压力，从而迅速消除发动机气门表面28和29的差压力。在同一短的 时间内，气动气缸84中的压力和气动活塞78上的差压力也迅速下降，这是 由于气缸的有限的和预先确定的初始体积、与发动机气门运动有关的快速 体积扩张、有限的通过充气孔86的空气流入量、以及随着气动活塞78上升 过如图1所示的预定的距离L1而进入气动气缸84的扩张上部118时的空气 排泄。
对于其余的开放行程或在距离Ll以外处，气动活塞78和发动机气 门20上的空气压强力最低，致动活塞40抗衡来自回程弹簧72的正在增长的 弹簧力，继续在第一方向(或向图l的上方)推动发动机气门20，直至发 动机气门达到其完全打开的位置，此时，弹簧力和跨过致动活塞40的流 体差动力(differential force)相平衡，考虑到结构的弹簧-质量 (spring-mass)性质，此平衡应是带有某些过冲和阻尼振荡的动态平衡。 但如在其他优选实施例(图2和图4 )中所示，有措施来实现更为明确的 升程或全开位置。
只要致动三通阀90仍然在其左位92，发动机气门20依然敞开。在此期 间，气动气缸84不断接到从充气孔86来的小流量气流，和不断地通过气动 活塞78和其顶端的、扩张的气缸壁118之间可观的间隙来排泄空气。这 种能量损失将继续下去，直至气动活塞78回到气动气缸84的下部分。然而， 由于充气孔86的限制性质和发动机气门开放时期相对整个热循环是有限 的，所以能量损失被控制到最小程度。
为了开始关闭发动机气门，致动三通阀90切换至其右位94，以及第二 流体空间54重新开放到低压P—L流体供应源，在致动活塞40上导致基本上 是零的压差。回程弹簧72能够向下驱动发动机气门20。当气动活塞78通过
16气动气缸84的扩张部分118时，气动活塞18和气动气缸84的壁之间再次建'立充分的空气密封，气动气缸中的压力在开始上升，这主要是随着发动机气门20以及气动活塞18向下移动，气缸体积缩小。压力上升也得益于从充气孔86来的流动。气动气缸84的功能如气动弹簧，减缓发动机气门20的前进，并最终有助于实现当发动机气门20到达发动机气门座26时的软就坐。
大约在发动机气门座落或着陆时及此后不久，发动机气缸中的压力因为燃烧的影响暂时超过了横跨通道的压力，造成了短暂的沿第一方向或向上的差压力。回程弹簧72的预加载荷(preload)应设计得能抵抗这个短暂的、向上的在发动机气门上的差动力及来自气动气缸84的压强力而将发动机气门20保持在就坐的位置。但是，气动气缸的压力在此时刻不等于横跨通道的全部压力。这是通过早期经过气动气缸84扩张部分118的排泄和充气孔的限制性质来特意实现的。
此后随着容积的进一步扩大，发动机气缸压力低于横跨通道的压力。在其余的发动机热循环中，通过从充气孔86来的限制流量，气动气缸压力进一步上升，这是缓慢的，但能足够地为下一个发动机气门打开动作准备好。
图2描述本发明的替代实施例，它具有流体驱动件30设计的变化。第一流动机制——这是指第一端口60和第一流体空间52之间的流体连通——包括第一沉割槽32和至少一个第一缓冲沟33。当在开放行程中致动活塞第一表面42沿第一方向纵向通过第一沉割槽32时，工作流体大大被困在第一流体空间52中，只有通过至少一个第一缓冲槽33的有限出口导致缓冲动作，以有助于减缓行进速度和降低潜在的振荡。当有此愿望时，该致动油缸第一端可以纵向布置，以对致动活塞第一表面42提供可靠的止动，由此明确地界定发动机气门升程。如果是这样希望的话，可以布置止回阀(未显示在图2中)，以便在发动机气门关闭行程开始阶段，允许从第一端口60到第一流体空间52的端部中的单向流动，由此避免气蚀。
同样，第二流动机制——这是指第二端口62和第二流体空间58之间的流体连通——包括第二沉割槽34和至少一个第二缓冲沟35。当致动活塞第二表面44在关闭行程中沿第二方向纵向通过第二沉割槽34时，工作流体大大地被困在第二流体空间58中，只有通过至少一个第二缓冲沟35的有限出 口，造成缓冲动作，以有助于放慢行进速度，实现发动机气门20的软就坐。 希望在致动油缸第二端和致动活塞第二表面44之间留下一个预先确定的 纵向距离，以确保在发动机气门20坐着时在发动机气门头22和阀座26之 间有稳固的接触和紧密的密封，此要求必须在发动机所有运行条件下和在 整个发动机使用寿命中得到满足。必要时，需要在这个和其它实施例中整 合一额外的发动机气门间隙调整装置(未显示在图2中)。
图2所示实施例进一步包括弹簧座组件74的设计变化。第二弹簧 座80——而不是第一弹簧座78——行使或兼带气动活塞80的功能。它还包 括两套气门固定件76b和76c。该实施例使发动机气门杆24和活塞杆46为两 个单独的实体，可操作地通过弹簧座组件74——加上必要的紧固件106或 同等零件——来连接。
该实施例还显示了为气动增力器85服务的充气和泄气机构的设计变 化。它采用至少一个泄气孔87作为泄气通道——而不是图1所示的扩 张的壁118——来在气动活塞80b行进到图2所示的预定的距离Ll时 让气动气缸84排出其额外的气体。泄气孔87可能装有多孔材料或过滤器
(未显示)，以减少与泄气过程有关的噪音。为了节省钻或铸造泄气孔87 所需的努力和费用，可以简单地把发动机气门导管120以及把气动气缸84 设计到此高度， 一旦气动活塞80b行进到这一点，它将与气动气缸84脱 离，造成广泛的开放泄气过程。
也可以利用气动活塞80b和气动气缸84之间的径向间隙的一些预先 定义的变化(图2中未示出)。采取相反的做法，可用某些膜片(未显示在 图2中)来完全封闭通过径向间隙的泄漏，完全依靠至少有一个泄气孔87 或其等同的设计来控制空气或气体质量(mass)排泄。此外，如想要的话， 可使用控制阀(未显示在图2中)来控制其开/关状态。
图2中充气孔86b是受包括气孔门89和杆件沉割槽104的控制机制来调 控的，当发动机气门20向上行进到一个预先确定的距离L2 (图2所示)时， 气孔门89和杆件沉割槽104不是互相开放的。距离L2最好是等于或短于距 离L1，以便当通过泄气孔87或同等设计的排泄在进行时，经充气孔86b的 流动和充气过程被充分地封锁。这种充气机构的设计变化将有助于减少不
18必要的、无论多么小的能量损失。
图3描绘本发明的另一备选实施例。在该流体驱动件30中，用比例或
伺服三通阀90c来控制对第二流体空间54的流体供应。该发动机气门或致 动器的位置信号可以通过位置传感器(未显示在图3中)来收集。反馈控 制将有助于实现对发动机气门升程及就坐速度的更加精确的控制。比例或 伺服阀90c本身可直接通过各种手段(未显示在图3中)来致动，这些手段
包括电磁阀或其它电磁手段、电液先导阀和压电致动器。
该实施例进一步采用作为控制机制的充气阀108，它与充气道112—起 有助于实现对气动气缸84充气过程的更好的控制。该充气阀108至少有 以下两个主要功能之一(1 )在发动机气门开放行程之前打开充气道112 以使气动气缸84被充气，并当气动气缸84正在泄气时——尤其是如果没有 使用限制性充气孔86的话——关闭充气道112以消除或减少泄漏流；
(2 )如在空气混合动力汽车的应用中，当发动机或某特定发动机气缸 无动力时，完全关闭充气道U2，以尽量减少泄漏和维持横跨通道和/或储 气罐中的加压空气。对于第一功能，分裂四冲程循环发动机的每个动力缸 需要一个充气阀108，因为每个动力缸都有其独特的正时。如果只需要第 二功能，可以选择地在整个发动机中只使用一个充气阀108，阀108控制一 个共同充气道(图3未示出)，此共同充气道最终分流到支流充气道(未显 示在图3中)来服务于单个(individual)动力缸(未显示在图3中)。 进一步为了第一功能，充气阀108可以是比例阀(proportional valve)， 而不是开关阀。采用比例阀的形式，充气阀108例如能够积极控制气动气 缸84的空气压力，以满足各种功能、耐用性和NVH (噪音、振动及声振粗 糙度)的需求。
在这个和其它图中，充气道112连接到橫跨通道110。可选地，它可以 连接到储气罐(如在空气混合动力汽车中)或一个单独的储存装置(图中 未10 显示)。单独的储存装置可能有自己的压力，这可以被调节以有 助于实现最佳的气动气缸84的充气过程。
现在参照图4，描绘本发明的另一备选实施例。在这种情况下，用比 例或伺月艮四通阔(proportional or servo 4—way valve) 90<5来——起矛空带」 第一和第二流体空间52和54的流体供应。该实施例能够在第一和第二方向都提供积极控制的致动力。可选择地，活塞杆46纵向地延伸通过第一流体
空间52，成为双端(double-ended)活塞杆。活塞杆的两端可拥有两种不 同直径，较小杆直径的一边有较大的有效流体压力表面积，以提供有偏差 的或不对称的差动流体力(differential fluid force)。
还有一个变化或选择是不用泄气机构。在发动机气门关闭时，沿第二 方向的致动力将很容易有助于克服来自气动增力器85的高气压力。消除 泄气机构将有助于简化气动增力器85的结构。没有了泄气机构或重大排 泄，仍然需要包括充气孔86在内的充气机制，以弥补潜在的轻微泄漏及 调整气动增力器85的压力和空气质量(mass)，以适应在横跨通道或储气 罐中压力值的变化。例如当横跨通道的压力较低时，致动器需求较低的推 动力量。从这个意义上讲，充气机构也有一种平衡功能，在具有泄气机构 的气动增力器中也是如此。
根据不同的应用，如果较低的空气压强力有利于发动机气门的就坐过 程，则图4实施例中的其余部分仍可能采用之前实施例(图l-3所示)中的 泄气机构之一。
现在参照图5，描绘本发明的另一备选实施例。在此实施例中，电磁 驱动件130取代图1-4所示的流体驱动件30。电磁驱动件130包括壳体132， 其中从顶部向底部有第一电磁铁134、衔铁腔(armature chamber) 146 和第二电磁铁136。第一和第二电磁铁134和136还包括他们的电气绕组和 硅钢片组(lamination stacks),详细设计没有显示在图5中。衔铁138 被安置在衔铁腔46中、在第一和第二电磁铁34和36之间，且是刚性地连接 到衔铁杆140。该衔铁杆140可滑动地设置为通过第二电磁铁136和壳体 132，并且可操作地与发动机气门杆24相连。
供电时，第一和第二电磁铁134和136分别沿第一 (上)和第二 (下) 方向吸引衔铁138。在整个升程中第一电磁铁134能够吸住衔铁138及保持 发动机气门20打开。当在发动机气门20和气动活塞80上的空气压强力基本 平衡时打开发动机气门20，第一电磁铁134只需要克服回程弹簧72的预加 载荷，尽管电磁力有高度非线性性质，但这也是可以实现的，因为横跨发 动机气门总的升程及由此衔铁134和电磁铁134之间的空气间隙偏小。如有 必要，通过把气动活塞80设计得略微大于发动机气门头22，从而引入在第
20一方向的空气差压力，这可以进一步得到协助。
要把发动机气门20从全开位置关闭，可将第一电磁铁134断电
(de-energize),发动机气门20靠回程弹簧72的返回力而被往下压，如有 必要，可通过被通电的第二电磁铁136来产生拉力援助。在关闭的稍后阶 段，气动气缸86因体积收縮和可选的、通过充气孔86b的充气动作而被 加压，它有助于减缓发动机气门20以实现软就坐。还可以通过有控制地 给第一电磁铁134通电来实现进一步的延缓行动，根据工况需要或反馈信 号达到沿第一方向的理想拉力。
另外，如果想要一个低的弹簧预加载荷，则来自第二电磁铁136的、 沿第二方向的拉力也可协助回程弹簧72，以便在至少部分燃烧期间，当动 力气缸102的压力明显超过了横跨通道110的压力时，保持发动机气门20 坐定。
如果气动增力器85包括如图5中的泄气孔87似的泄气机构，则第二电 磁铁136就是一个可取舍的组件，它可以被消除，如果回程弹簧72和其 他相关组件能足够地实现各种职能的话。
但是，如果采用如图4所示的、没有泄气机构的气动增力器设计，第 二电磁铁136是不可缺的。在这种情况下，第二电磁铁136需要产生在第二 方向的致动力，以在发动机气门关闭过程中有助于克服来自气动增力器的 高气压强力，此时，发动机气门上没有极高的空气差压力来平衡气动增力 器的力。
在图1-5中的气动增力器85的各种实施例是专门为了克服发动机 气门第一表面28上的最初压强力来开启发动机气门。然而，在气门关闭 时，发动机气门头上压差力充分地縮小，气动增力器85能通过其泄气机 构缩小其压强力。通过本气动增力器85，图1-4中的流体驱动件30和图5 中的电磁驱动件130可以处理发动机气门开闭中力度较小的部分。气动增 力器85的各种实施例的有效整合不仅限于以上讨论的这些流体和电磁驱 动件30和130。事实上，由于气动增力器85解决了很大的初始开启力， 任何具有足够的力和控制来为发动机气门加速、减速及就坐控制的驱动件 均可采用。
在所有上述说明中，开关和/或控制阀中的每一个可以是单级式或多级式的类型。每个阀可以是直线型(如滑阀(spool valve))或旋转式。
每个阀门可以通过电动、电磁、机械、压电或流体的手段来驱动或先导驱 动。
在一些附图和说明中，流体介质可以被假定或暗示为液压或液态形 式。在大多数情况下，经过适当的比度调整，相同的概念可以适用于气动 增力器和系统。因此，本文中所使用的术语"流体"应同时包括液体和 气体。此外，在到目前为止的许多附图和说明中，本发明的应用被默认为 是应用在分开式四冲程循环内燃机气门控制，但不应有如此的限制。这项 发明可以应用到其它有快速和/或高的初始力的运动控制要求的情况。
尽管已经参照优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人 员应当认识到，可以对其进行形式和细节上的变化而不脱离本发明的精神 和范围。同样，前面的详细描述应当看作是说明性的而不是限制性的，旨 在由所附权利要求限定本发明的范围，包括其所有的等同物。
权利要求
1、一种致动器，包括驱动件，包括限定了纵向轴线及第一和第二方向的壳体、以及至少沿第一方向产生致动力的致动机构；至少一个回程弹簧，可操作地与所述致动机构相连，并沿第二方向偏压所述致动机构；和气动增力器，可操作地与所述致动机构相连，并沿第一方向偏压所述致动机构，由此沿第一方向给予所述驱动件增力。
2、 如权利要求l所述的致动器，其中，所述气动增力器包括 气动气缸；气动活塞，至少在其部分行进范围可滑动地设置于所述气动气缸之 中；禾口充气机构，由此在发动机热循环的至少部分期间，给所述气动气缸充 气并使其压力与来自高压气源的加压空气平衡。
3、 如权利要求2所述的致动器，其中，所述气动增力器还包括-泄气机构，由此在发动机热循环的至少部分期间，将过量的空气从所述气动气缸排泄到低压气汇中。
4、 如权利要求2所述的致动器，其中，所述充气机构包括充气孔，由此大体上限制充气流量。
5、 如权利要求2所述的致动器，其中，所述充气机构包括控制机构，由此在所述气动气缸不在其最小体积时 的大体一部分时期，基本上关闭充气流。
6、 如权利要求5所述的致动器，其中.-所述致动机构通过杆而可操作地与所述致动器的负载相连； 所述充气机构的所述控制机构包括气孔门和所述杆上的沉割槽；和 当所述气孔门和所述沉割槽纵向重叠和错开时，充气流分别打开和关闭。
7、 如权利要求3所述的致动器，其中-所述泄气机构是在所述气动气缸的壁上的至少一个泄气通道，当所述 气动活塞到达并超出由初始位置起的预定距离时，所述至少一个泄气通道 被暴露于所述气动气缸中的加压空气，由此泄出过量空气。
8、 如权利要求2所述的致动器，进一步包括弹簧座，可操作地连接于所述至少一个回程弹簧和所述致动机构，并 发挥所述气动活塞的作用。
9、 如权利要求l所述的致动器，其中 所述驱动件是流体驱动件；所述致动机构包括致动油缸、可滑动地设置于所述致动油缸中并把 所述致动油缸的内部体积分为第一和第二流体空间的致动活塞、可操作地 与所述致动活塞相连的活塞杆、和分别与所述第一和第二流体空间流体连 通的第一和第二端口。
10、 如权利要求9所述的致动器，其中，所述第二端口通过致动三通阀交替地由高压和低压流体管线来供应。
11、 如权利要求9所述的致动器，其中，所述第二端口通过比例三通阀来供应。
12、 如权利要求9所述的致动器，其中，所述第一和第二端口通过四通阀来供应。
13、 如权利要求9所述的致动器，进一步包括至少一个缓冲器，由此 基本上对临近沿第二方向的行进结束时的速度进行缓冲。
14、 如权利要求l所述的致动器，其中 所述驱动件是电磁驱动件；所述致动机构包括衔铁腔、设置于所述衔铁腔中的衔铁、可操作地 与所述衔铁相连的衔铁杆、和在所述衔铁腔的第一方向一侧的至少一个第 一电磁铁，由此在通电时能够沿第一方向拉动所述衔铁。
15、 如权利要求14所述的致动器，进一步包括在所述衔铁腔的第二 方向一侧的第二电磁铁，由此在通电时能够沿第二方向拉动所述衔铁。
16、 一种发动机气门致动器，包括 驱动件，该驱动件包括限定纵向轴线及第一和第二方向的壳体、至少沿第一方向产生致动力的致动机构、和可操作地与所述致动机构的至少一部分相连的且沿纵向轴线可移动的杆子；发动机气门，通过发动机气门杆可操作地与所述杆子相连； 至少一个回程弹簧，可操作地与所述发动机气门杆相连，并沿第二方向偏压所述发动机气门；和气动增力器，可操作地与所述发动机气门杆相连，并沿第一方向偏压 所述发动机气门，由此沿第一方向给所述发动机气门增力。
17、 如权利要求16所述的发动机气门致动器，其中，所述气动增力器包括气动气缸；气动活塞，至少在其部分行进范围可滑动地设置于所述气动气缸之中；和充气机构，由此给所述气动气缸充气并使其压力与来自高压气源的加 压空气平衡。
18、 如权利要求17所述的发动机气门致动器，进一步包括泄气机构，由此在发动机热循环的至少部分期间，将过量空气从所述 气动气缸排泄到低压气汇中。
19、 如权利要求16所述的发动机气门致动器，其中 所述驱动件是流体驱动件；所述致动机构包括致动油缸、可滑动地设置于所述致动油缸中并把 所述致动油缸的内部体积分为第一和第二流体空间的致动活塞、可操作地 与所述致动活塞相连的活塞杆、和分别与所述第一和第二流体空间流体连 通的第一和第二端口。
20、 如权利要求16所述的发动机气门致动器，其中，所述驱动件是电磁驱动件；和所述致动机构包括衔铁腔、设置于所述衔铁腔中的衔铁、可操作地 与所述衔铁相连的衔铁杆、和在所述衔铁腔的第一方向一侧的至少一个第 一电磁铁，由此在通电时能够沿第一方向拉动所述衔铁。
21、 如权利要求20所述的发动机气门致动器，进一步包括在所述衔 铁腔的第二方向一侧的第二电磁铁，由此通电时能够沿第二方向拉动所述 衔铁。
22、 一种控制致动器的方法，包括(a) 提供致动器，包括以下组成部分驱动件，进一步包括限定了纵向轴线及第一和第二方向的壳体， 至少沿第一方向能够产生致动力的致动机构，和 一端可操作地与所述致动机构的至少一部分相连而另一端可操作地与所述致动器的负载相连的杆子；至少一个回程弹簧，可操作地与所述杆子相连并沿第二方向偏压所述杆子；和气动增力器，其进一步包括气动气缸，可操作地与所述杆子相连并沿第一方向偏压所述杆子的气动活 塞，禾B '充气机构，由此为气动气缸和高压气源之间提供可控制的流体连通；(b) 把所述致动器的负载保持在第二方向终端位置， 来自所述至少一个回程弹簧的力沿第二方向偏压和克服包括来自所述气动增力器和负载的其余力的总和，所述致动机构不产生沿第一方向的致动力，及通过所述充气机构给所述气动增力器充气，由此沿第一方向产生充分的力来抗衡沿第二方向的大量负载力；(c) 通过由所述致动机构产生沿第一方向的致动力，发起所述致动 器的负载沿第一方向的行进，此致动力和来自所述气动增力器的力相结合 能够克服包括来自所述至少一个回程弹簧和负载在内的其余力的总和，并 且沿第一方向加速负载；(d) 在沿第一方向的致动力下继续沿第一方向的行进，至少直到到 达目标行程；(e) 至少通过关闭沿第一方向的致动力，使负载至少被所述回程弹 簧沿第二方向加速，来发起所述致动器的负载沿第二方向的回程行进；(f) 通过来自所述回程弹簧的渐减的力和来自所述气动增力器的渐增的力来完成回程行进，由此减缓负载。
23、 如权利要求22所述的方法，其中，所述气动增力器还包括泄气机构，由此提供所述气动气缸到低压气汇 之间的受控的流体连通。
24、 如权利要求23所述的方法，进一步包括在沿第一方向最初的行进之后、并在临近沿第二方向行进结束之前的 至少一部分时间期间，通过所述泄气机构来排泄所述增力器气缸中过量的 空气，由此减少所述气动增力器的力。
25、 如权利要求22所述的方法，其中，所述充气机构包括充气孔，由此大致限制充气流量。
26、 如权利要求22所述的方法，其中，所述充气机构包括控制机构，由此在所述气动气缸并不在其最小体积 的大致一部分时期，大致关闭充气流量。
27、 如权利要求23所述的方法，其中，所述泄气机构为在所述气动气缸的壁上的至少一个通道，当气动活塞 由最初位置行至并超出预定的距离时，所述至少一个通道被暴露于所述气 动气缸中的加压空气，由此排泄掉多余空气。
28、 如权利要求22所述的方法，其中所述驱动件是流体驱动件；所述致动机构包括致动油缸、可滑动地设置于所述致动油缸中并把 所述致动油缸的内部体积分为第一和第二流体空间的致动活塞、和分别与 所述第一和第二流体空间流体连通的第一和第二端口；和所述杆子是活塞杆，可操作地与所述致动活塞相连。
29、 如权利要求22所述的方法，其中所述驱动件是电磁驱动件；所述致动机构包括衔铁腔、设置于所述衔铁腔中的衔铁、及在所述 衔铁腔的第一方向一侧的至少一个第一电磁铁，由此在通电时能够沿第一 方向拉动所述衔铁；和所述杆子是衔铁杆，可操作地与所述衔铁相连。
30、 如权利要求29所述的方法，进一步包括在所述衔铁腔的第二方向一侧的第二电磁铁，由此在通电时能够沿第二方向拉动所述衔铁。
全文摘要
本发明公开提供一种带有气动增力器的可变气门致动器。致动器包括驱动件，驱动件包括限定纵向轴线的壳体、能够至少沿第一纵向方向产生致动力的致动机构、以及一端可操作地相连于致动机构的至少一部分而另一端可操作地相连于诸如发动机气门这样的负载的杆件；至少一个回程弹簧，通过弹簧座组件可操作地连接于杆件，并沿第二方向偏压杆件；和气动增力器，进一步包括气动气缸、通过弹簧座组件可操作地连接于杆件并沿第一方向偏压杆件的气动活塞、在气动气缸和高压气源之间提供受控制的流体连通的充气机构、及在气动气缸和低压气汇之间提供受控制的流体连通的泄气机构。
文档编号F01L9/02GK101675216SQ200780052612
公开日2010年3月17日 申请日期2007年10月4日 优先权日2007年4月16日
发明者征 娄 申请人:史古德利集团有限责任公司