具有凸轮相位器的空转可变阀制动系统的制作方法

具有凸轮相位器的空转可变阀制动系统的制作方法
【专利摘要】公开了装置及相关方法，其通常涉及发动机阀的可变制动。在一个实施例中，提供一种用于分开式循环内燃机或空气混合动力分开式循环发动机的阀机构，该阀机构包括凸轮相位器、同心凸轮、用于执行可变阀制动功能的可调机械元件和/或阀座控制装置。这里所公开的装置和方法还具有在常规内燃机中的应用并且可以制动向内打开和/或向外打开的阀。
【专利说明】具有凸轮相位器的空转可变阀制动系统
[0001]相关申请的交换引用
[0002]本申请要求2011年I月27日提交的申请号为61/436，735的美国临时专利申请的权益，在此通过引用的方式引入该申请全部内容。
【技术领域】
[0003]本发明涉及阀制动系统。更具体地，本发明涉及具有空转可变阀制动系统的分开式循环内燃机。
【背景技术】
[0004]内燃机通常包括一个或多个用于控制经过发动机的气流和燃料流的阀。通常情况下，这些阀由机械凸轮制动。例如，可以将具有泪珠形状的凸轮凸角的旋转轴配置为直接或通过一个或多个中间元件对阀赋予运动。当轴旋转时，凸轮凸角的偏心部分对阀赋予在轴旋转范围内的线性运动。
[0005]为了对于不同的运转速度、荷载、温度等达到最佳发动机效率，需要改变阀升程、打开比率、打开时间、关闭时间、关闭比率以及各种其他阀参数。另外，在使用空气作为介质循环从车辆动量产生动能的空气混合动力发动机中，某种混合动力操作模式需要一个或多个发动机阀比在其他操作模式下保持打开更长或更短，并且比在非混合动力的、传统的燃烧操作模式下保持打开更长或更短。
[0006]“空转”系统已经发展为允许阀比凸轮所要求的早关闭。空转系统通常包括空转阀机构元件，其可以选择性制动以在一部分的凸轮旋转过程中从阀操作性地断开凸轮。因此，失去了本来应该赋予阀的运动(不让阀操作性地断开)。
[0007]但是，现有的空转系统有很多缺点。例如，现有系统的移动部件过重或缺少在高速度高压力下应用的必要刚度。
[0008]所以，需要一种用于改变发动机阀的打开和关闭参数的改进的方法和装置。
[0009]为了清楚的目的，本发明中所使用的术语“常规发动机”是指一种内燃机，其中在发动机的每个活塞/气缸组合体中都包含有知名的奥托循环的四冲程(进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程)。
[0010]每个冲程需要曲轴旋转大约半圈(180度曲柄角(CA))，为了在每个常规发动机的气缸中完成整个奥托循环，需要曲轴旋转两整圈(720度CA)。
[0011]同时，为了清楚的目的，当可能应用于现有技术中所公开的发动机时，以及当在本发明中被提及时，对术语“分开式循环发动机”提供以下定义。
[0012]一种分开式循环发动机通常包含:
[0013]可围绕曲轴轴线旋转的曲轴；
[0014]可滑动地接收在压缩气缸内并且与曲轴操作性连接的压缩活塞，以便压缩活塞在曲轴的一个旋转过程中往复运动通过进气冲程和压缩冲程。
[0015]可滑动地接收在膨胀气缸内并且与曲轴操作性连接的膨胀(动力)活塞，以便膨胀活塞在曲轴的一个旋转过程中往复运动通过膨胀冲程和排气冲程。
[0016]与压缩气缸和膨胀气缸互相连接的交叉通道，该交叉通道包括在其中设置的至少一个交叉膨胀(XovrE)阀，但是更优选地包括其间限定压力腔的交叉压缩(XovrC)阀和交叉膨胀(XovrE)阀。
[0017]图1表示现有技术的分开式循环式非混合动力发动机。分开式循环发动机100将常规发动机的两个邻近气缸替换为一个压缩气缸102和一个膨胀气缸104的组合。压缩气缸102和膨胀气缸104形成于发动机机体中，曲轴106可旋转地安装在发动机机体中。曲轴106包括轴向放置并且有角度地偏移的第一和第二曲拐126、128，在它们之间具有相位角。第一曲拐126通过第一连接杆138枢转连接至压缩活塞110，第二曲拐128通过第二连接杆140枢转连接至膨胀活塞120，以使活塞110、120在它们各自的气缸102、104中按时间关系往复运动，该时间关系由曲拐的角度偏移和气缸、曲柄、和活塞的几何关系决定。如果需要，可以使用用于关联活塞的运动和时间的可替代机构。在附图中与相对应的组件相关联的箭头表示靠近活塞下止点(BDC)位置的曲轴旋转方向和活塞相对运动。
[0018]因此，两个气缸102、104“分开”奥托循环的四冲程，以致压缩气缸102包含进气和压缩冲程，膨胀气缸104包含膨胀和排气冲程。因此，每次曲轴106旋转一周(360度CA)，就在这两个气缸102、104中完成奥托循环。
[0019]在进气冲程的过程中，进气经过向内打开(向内打开进入气缸并朝向活塞)的提升进气阀108进入压缩气缸102。在压缩冲程的过程中，压缩活塞110使充气增压并且推动充气经过交叉通道112，交叉通道112作为膨胀气缸104的进气通道。发动机100可以具有一个或多个交叉通道112。
[0020]在此，将分开式循环发动机100 (通常为分开式循环发动机)的压缩气缸102的体积(或几何)压缩比称为分开式循环发动机的“压缩比”。在此，将发动机100 (通常为分开式循环发动机)的膨胀气缸104的体积(或几何)压缩比称为分开式循环发动机的“膨胀比”。在现有技术中，汽缸的体积压缩比众所周知为当汽缸中往复运动的活塞处于其下止点(BDC)位置时的汽缸(包括所有凹槽和开口部分)中的围闭(或受限制)体积与当所述活塞处于其上止点(TDC)位置时的汽缸中的围闭体积(B卩，余隙容积)之比。具体地，对于在此定义的分开式循环发动机来说，当关闭XovrC阀时，确定压缩气缸的压缩比。此外，具体地，对于在此定义的分开式循环发动机来说，当关闭XovrE阀时，确定膨胀气缸的膨胀比。
[0021]由于压缩气缸102内的非常高的体积压缩比(例如，20:1,30:1，40:1或更大)，位于交叉通道入口的向外打开(远离气缸和活塞向外打开)提升交叉压缩(XovrC)阀114用于控制从压缩气缸102进入交叉通道112的流量。由于膨胀气缸104内的非常高的体积压缩比(例如，20:1,30:1,40:1或更大)，位于交叉通道112出口的向外打开的提升交叉膨胀(XovrE)阀116控制从交叉通道112进入膨胀气缸104的流量。在奥托循环的所有四冲程过程中，XovrC阀114和XovrE阀116的制动率和定相被定时以使交叉通道112中的压力保持在高的最小压力下(典型地，20巴或在全负荷时更高)。
[0022]与XovrE阀116打开相协调，至少一个燃料喷射器118在交叉通道112的出口端将燃料喷射入增压的空气。可替换地或另外，可以将燃料直接喷射到膨胀气缸104中。在膨胀活塞120到达其上止点(TDC)位置不久以后，燃料-空气荷载全部进入膨胀气缸104。当活塞120从其TDC位置开始下降，而XovrE阀116仍然打开时，点燃一个或多个火花塞122以启动燃烧(典型地，在膨胀活塞120的TDC之后，在10至20度CA之间)。当膨胀活塞处于越过其上止点(TDC)位置在I和30度CA之间时，可以启动燃烧。更优选地，当膨胀活塞处于越过其TDC位置在5和25度CA之间时，可以启动燃烧。最优选地，当膨胀活塞处于越过其TDC位置在10和20度CA之间时，可以启动燃烧。另外，可以通过其他点火装置和/或方法启动燃烧，例如电热塞、微波点火装置或通过压缩点火方法。
[0023]在产生的燃烧事件进入交叉通道112之前，XovrE阀116关闭。在动力冲程中，燃烧事件驱动膨胀活塞120向下。在排气冲程的过程中，通过向内打开的提升排气阀124将排放的气体从膨胀气缸104抽出。
[0024]在分开式循环发动机的概念下，压缩和膨胀气缸的几何发动机参数(S卩:缸径、冲程，连接杆长度、压缩比等)通常彼此独立。例如，用于压缩气缸102和膨胀气缸104的曲拐126、128分别具有不同的半径，并且利用在压缩活塞110的TDC之前发生的膨胀活塞120的TDC彼此远离地定相。这个独立性使分开式循环发动机能够有可能比典型的四冲程发动机获得更高的效率水平和更大的扭矩。
[0025]如前所述，在分开式循环发动机100中发动机参数的几何独立性也是可以在交叉通道112中维持压力的主要原因之一。具体地，在压缩活塞110通过离散的相位角(典型地，在10和30度曲柄角之间)到达其上止点位置之前，膨胀活塞120到达其上止点位置。这个相位角与XovrC阀114和XovrE阀116的适当时机一起,使分开式循环发动机100能够在其压力/体积循环的四冲程过程中(典型地，绝对的20巴或在全负荷操作过程中更高)使交叉通道112中的压力维持在高的最小压力。也就是说，可以对分开式循环发动机100进行操作来使XovrC阀114和XovrE阀116定时，以便XovrC阀114和XovrE阀116都打开一大段时间周期(或曲轴旋转时间段)，在这段时间内，膨胀活塞120从其TDC位置朝其BDC位置下降，并且压缩活塞110同时从其BDC位置朝其TDC位置上升。在交叉阀114、116都打开(或曲轴旋转)的时间周期内，实质上等质量的气体(I)从压缩气缸102转移到交叉通道112中以及(2)从交叉通道112转移到膨胀气缸104中。因此，在这段时间内，防止交叉通道中的压力下降到预先确定的最小压力以下(典型地，在全负荷操作过程中，20、30或40巴绝对值)。另外，在进气和排气冲程的实质部分中(典型地，整个进气和排气冲程的90%或更大)，XovrC阀114和XovrE阀116都关闭，以使在交叉通道112中被困住的气体的质量维持在实质上恒定的水平。因此，在发动机压力/体积循环的四冲程过程中，交叉通道112中的压力维持在预先确定的最小压力。
[0026]为了此处的目的，在膨胀活塞120从TDC下降并且压缩活塞110朝TDC上升以同时将实质上等质量的气体转入和转出交叉通道112时打开XovrC阀114和XovrE阀116的方法在此被称为气体转移的“推拉式(push-pull)”方法。该推拉式方法使发动机100的交叉通道112中的压力能够维持在典型地20巴，或者当发动机全负荷操作时维持在发动机循环的四冲程过程中更高。
[0027]交叉阀114、116由包括一个或多个凸轮(未示出)的阀机构制动。通常，凸轮驱动机构包括与曲轴机械连接的凸轮轴。在凸轮轴上安装有一个或多个凸轮，每个凸轮具有控制阀事件(即:发生在阀制动过程中的事件)的阀升程轮廓的波状外形面。XovrC阀114和XovrE阀116每个可以具有其各自的凸轮和/或其各自的凸轮轴。当XovrC和XovrE凸轮旋转时，它们的偏心部分赋予摇杆运动，进而赋予阀运动，由此使阀提升(打开)离开阀座。当凸轮继续旋转时，偏心部分经过摇杆，允许关闭阀。
[0028]为了此处的目的，阀事件被定义为阀从其最初打开离开其阀座提升到其闭合回到其阀座上的阀提升与在阀提升发生过程中曲轴的旋转。此外，为了此处的目的，阀事件率(即:阀的制动率)是在给定的发动机循环中发生阀的事件最后所需要的持续时间。重要的是，阀事件通常仅仅是发动机操作循环(例如，常规发动机循环720度CA，分开式循环发动机360度CA)全部持续时间的一小部分。
[0029]可以在2003 年 4 月 8 日授权的名称为 Split Four Stroke Cycle InternalCombustion Engine (分开式四冲程循环内燃机)的美国专利N0.6，543，225、2003年8月26日授权的名称为Split Four Stroke Engine (分开式四冲程发动机)的美国专利N0.6，609，371、以及 2005 年 10 月 11 日授权的名称为 Split-Cycle Four-Stroke Engine(分开式循环四冲程发动机)的美国专利N0.6，952，923中发现有关分开式循环发动机的进一步细节，在此通过引用将每个专利的全部公开内容引入本文。
[0030]图2表示现有技术的空气混合动力发动机，其中对与图1所示相似的分开式循环发动机200进行改进，以包括空气混合动力系统。分开式循环空气混合动力发动机200将分开式循环发动机与储气罐以及各种控制相结合。该结合使得发动机能够以储气罐中的压缩空气的形式存储能量。储气罐中的压缩空气后来用于膨胀气缸，以为曲轴提供动力。
[0031]通常，在此所指的分开式循环空气混合动力发动机包含:
[0032]曲轴，其可围绕曲轴轴线旋转；
[0033]压缩活塞，其可滑动地接收在压缩气缸内并且与曲轴操作性连接，以便压缩活塞在曲轴的一个旋转过程中往复运动通过进气冲程和压缩冲程。
[0034]膨胀(动力)活塞，其可滑动地接收在膨胀气缸内并且与曲轴操作性连接，以便膨胀活塞在曲轴的一个旋转过程中往复运动通过膨胀冲程和排气冲程。
[0035]交叉通道(端口)，其与压缩气缸和膨胀气缸互相连接，该交叉通道包括在其中设置的至少一个交叉膨胀(XovrE)阀，但是更优选地包括其间限定压力腔的交叉压缩(XovrC)阀和交叉膨胀(XovrE)阀，。
[0036]储气罐，其与交叉通道操作性连接并且可选择性地操作以存储来自压缩气缸的压缩空气并且将压缩空气转移到膨胀气缸。
[0037]与图1所示的发动机100类似，发动机200包括发动机机体201，其具有压缩气缸202和延伸通过压缩气缸的相邻的膨胀气缸204。为了围绕曲轴轴线旋转，曲轴206沿轴颈方向进入缸体201。气缸202、204的上端用气缸盖230关闭。
[0038]第一和第二气缸202、204限定内支承表面，在该表面中分别接收压缩活塞210和动力(或“膨胀”)活塞220的往复运动。气缸盖230、压缩活塞210和第一气缸202在压缩气缸202中限定可变化体积压缩腔234。气缸盖230、动力活塞220和第二气缸204在动力气缸204中限定可变化体积燃烧腔232。
[0039]曲轴206包括轴向放置并有角度地偏移第一和第二曲拐226、228，在它们之间具有相位角236。第一曲柄226通过第一连接杆238枢转连接至压缩活塞210，第二曲拐228通过第二连接杆240枢转连接至动力活塞220，以使活塞在它们各自的气缸中按时间关系往复运动，该时间关系由曲拐的角度偏差和气缸、曲柄和活塞的几何关系决定。如果需要，可以使用用于关联活塞的运动和时间的可替代机构。在附图中与相对应的组件相关联的箭头表示靠近活塞下止点(BDC)位置的曲轴旋转方向和活塞相对运动。
[0040]气缸盖230包括任何不同的通道、端口以及适合于完成分开式循环空气混合动力发动机200预期目的的阀。
[0041]气缸盖230中的阀与图1中发动机的阀类似，包括四个凸轮制动的提升阀:进气阀208、XovrC阀214、XovrE阀216以及排气阀224。还设置储气罐阀252。提升阀208,214,216,224以及储气罐阀252可以由凸轮轴制动(未示出)，该凸轮轴具有用于分别制动和接合阀208、214、216、224、252的凸轮凸角。
[0042]在气缸盖内安装具有延伸进入燃烧腔232的电极的火花塞222，其用于通过点火控制(未示出)以精确的次数点燃空气燃料供给。应当理解的是，发动机还可以是柴油发动机，并且可以在不用火花塞的情况下来操作。此外，发动机200 —般来说可以设计为对任何适合于往复活塞发动机的燃料进行操作，例如，氢气或天然气。
[0043]分开式循环空气混合动力发动机200还包括储气罐(箱)242，其通过储气罐箱阀242与交叉通道212操作性连接。具有两个或更多交叉通道212的实施例可以包括用于每个交叉通道212的罐阀252，其与共用储气罐242连接，或者可替代地，每个交叉通道212可以与单独的储气罐242操作性连接。
[0044]典型地，罐阀252设置在空气箱端口 254，其从交叉通道212延伸到空气箱242。空气箱端口 254分为第一空气箱端口部分256和第二空气箱端部分口 258。第一空气箱端口部分256连接空气箱阀252至交叉通道212，第二空气箱端口部分258连接空气箱阀252至空气箱242。第一空气箱端口部分256的体积包括当箱阀252关闭时将箱阀252连接到交叉通道212的所有额外的凹槽的体积。优选地，第一空气箱端口部分256的体积相对小于交叉通道212的体积(例如，小于25%)。更优选地，第一空气箱端口部分256实质上是不存在的，也就是说，箱阀252被最优选地设置，从而使得其与交叉通道212的外壁齐平。
[0045]箱阀252可以是任何适合的阀装置或系统。例如，箱阀252可以是压力激活的止回阀，或是由各种阀制动装置(例如，气动的、液压的、凸轮的、电动的等)激活的主动阀。另夕卜，箱阀252还可以包含箱阀系统，该系统具有用两个或更多制动装置制动的两个或更多的阀。
[0046]利用空气罐242以压缩空气形式储存能量并随后使用该压缩空气给曲轴206供能。这个用于存储潜在能量的机械手段对于现有状态的技术来说提供了大量潜在优势。例如，相对于市场上的其他技术如柴油发动机以及混合电力系统来说，分开式循环空气混合动力发动机200可以在相对低的制造和废物处置成本的情况下、在燃料效率收益和氮氧化物减排方面潜在地提供许多优势。
[0047]典型地，发动机200在正常操作模式(发动机点火(EF)模式或有时称为正常点火(NF))以及一个或多个空气混合动力模式下运行。在EF模式下，一般而言，发动机200的作用如之前在这里所详细描述的(即，关于图1)，在不使用空气箱242的情况下操作。在EF模式下，空气箱阀252保持关闭，以使空气箱242与基本的分开式循环发动机隔离。在四种空气混合模式下，发动机200在使用空气罐242的情况下进行操作。
[0048]示例性的空气混合动力模式包括:
[0049]I)空气膨胀机(AE)模式，其包括在不燃烧的情况下从空气箱242使用压缩空气能量；[0050]2)空气压缩机(AC)模式，其包括在不燃烧的情况下将压缩空气能量存入空气箱242 ；
[0051]3)空气膨胀机和点火(AEF)模式，其包括在燃烧的情况下从空气箱242使用压缩空气能量；以及
[0052]4)点火和供给(FC)模式，其包括在燃烧的情况下将压缩空气能量存入空气箱242。
[0053]2008年4月8日授权的名称为Split-Cycle Air Hybrid Engine(分开式循环空气混合动力发动机)的美国专利N0.7，353，786 ;2009年10月20日授权的名称为Split-CycleAir Hybrid Engine (分开式循环空气混合动力发动机)的美国专利N0.7，603，970 ;以及2009年10月29日公开的名称为Split-Cycle Air Hybrid Engine (分开式循环空气混合动力发动机)的美国公开N0.2009/0266347中公开了空气混合动力发动机的进一步细节，在此通过引用每个全部公开内容的方式引入。
[0054]为了在高频率下操作如上所述的分开式循环发动机100、200，需要一种阀制动系统，其能够(I)打开和关闭处于极高速度的交叉阀，(2)提供宽范围的交叉阀打开和关闭时间，以及(3)至少在关闭时间允许循环-循环变动。这些需要来自于分开式循环发动机的独特性质，具体来说，是来自于分开式循环空气混合发动机的独特性质。
[0055]首先，在这些分开式循环发动机中，对交叉阀(S卩，114、116、214、216)的动态制动非常苛刻。这是由于交叉阀必须达到足够的升程以在曲轴旋转(可能少到6度CA)相对于常规发动机的曲轴旋转非常短的时间周期内充分转移燃料空气供给，常规发动机通常在至少180度CA的时间周期制动阀。例如，当在EF模式下操作时，需要打开XovrE阀，将流体供给转移到膨胀气缸中，并且当膨胀活塞很接近TDC时，关闭XovrE阀。因此，典型地，XovrE阀必须在大约30度CA到大约35度CA的窗口中打开。在全负荷条件下，这个窗口甚至更小，可能少至只有大约10度CA到大约20度CA。
[0056]某些空气混合动力模式甚至采用更加严格的标准。例如，在AEF模式，大量压缩气体储存在储气罐242中。在膨胀活塞到达TDC之后不久，XovrE阀打开，以将压缩空气(优选地，带有附加的燃料)供给从储气罐242引入燃烧腔，之后在膨胀冲程过程中在燃烧腔中点火。如果仅在部分负荷下操作发动机并且向储气罐242提供高压(例如，大约20巴以上)，贝IJ XovrE阀仅需要打开很短的时间周期(例如，大约6度CA)，以将必须质量的空气和燃料传递到燃烧腔232中。换句话说，当向储气罐242提供高压时，部分负荷操作所需的相对小质量的空气燃料混合物将快速流入燃烧腔，因此，XovrE阀仅需要打开几度CA。所以，交叉阀必须能够具有比常规发动机的阀快几倍的制动率，这意味着与其相关联的阀机构必须足够坚硬并且同时足够轻，以达到这么快的制动率。
[0057]同时，其他操作模式可以需要阀继续打开相对长的时间周期。例如，在AE模式，在没有火花和添加燃料的情况下，储存在储气罐242中的大量压缩空气被传递到燃烧腔232，迫使膨胀活塞向下并向曲轴提供动力。但是，如果储气罐中保持低的空气压力(例如，小于大约15巴)，并且存在高扭矩的要求(例如，当由发动机提供动力的车辆正在加速上坡时)，XovrE阀必须保持打开更长久以允许充足质量的压缩空气进入膨胀腔。在一些情况下，这可以是100度CA或更多。因此，如上所述，由于在一个操作模式中打开后XovrE阀可能需要关闭6度CA，所以在关闭时间方面需要大的变化，而在其他操作模式可能需要保持打开100度CA或更多。
[0058]此处公开的发动机还可以在交叉阀214、216的打开时间方面要求大的变化，特别是涉及向储气罐供给的模式(例如，AC模式和FC模式)。例如在AC模式，XovrC阀214的打开时间将有相当大的变化，这取决于储气罐242中的负荷和压力。如果在压缩气缸内的压力大于或等于储气罐中的压力之前打开XovrC阀，则储气罐中的流体将不期望地流回压缩气缸234中。再次压缩该回流所需的能量减少了发动机的效率。因此，直到压缩气缸中的压力匹配或超过储气罐242中的压力，XovrC阀才应该该打开。因此，XovrC阀需要大约30到60度CA范围的打开时间可变化性，这取决于储气罐中的压力。
[0059]因此，为了有效操作各种不同的发动机模式，打开时间、关闭时间、和/或各种其他发动机阀参数必须可以在可能值的宽范围内变化。
[0060]此外，在某些情况下，这些参数必须在循环-循环基础上是可调整的。例如，XovrE阀216可以用于采用燃烧的操作模式中的负荷控制(例如，EF模式和AEF模式)。通过在沿膨胀活塞冲程的不同的点关闭XovrE阀，可以测量向气缸提供的空气/燃料质量，从而控制发动机负荷。为了在这种情况下获得精确的负荷控制，XovrE阀的制动率从一个循环到下一个循环必须是可变的。
[0061]现有的阀制动系统不能够完全达到这些要求。它们太重或不够坚硬，以致于不能在所需速度下进行制动。另外，它们仅提供有限范围的打开或关闭可变性并且不足以响应循环-循环变化。

【发明内容】

[0062]公开了装置及相关方法，其通常涉及发动机阀的可变制动。在一个实施例中，提供用于分开式循环内燃机或用于空气混合动力分开式循环发动机的阀机构，其通过将用于改变发动机阀打开时间的凸轮相位器、用于提供大的最大可能的阀事件(例如，50至100度CA)的同心凸轮以及用于改变发动机阀关闭时间的高速空转系统相结合来满足上述需要。这里所公开的装置和方法还可应用于常规内燃机并且可以适于制动向内打开和/或向外打开的阀。
[0063]在本发明的至少一个实施例的一个方面，提供一种发动机，其包括凸轮轴，该凸轮轴具有形成于其上的至少一个凸轮，该至少一个凸轮配置为在以曲柄角测量的最大阀事件中对至少一个发动机阀赋予运动。该发动机还包括凸轮相位器，其选择性地调整至少一个凸轮相对于曲柄的相位；以及空转系统，其选择性地防止至少一个凸轮在整个最大阀事件中对至少一个发动机阀赋予运动。
[0064]在本发明的至少一个实施例的另一个方面，提供一种可调机械元件，该可调机械元件包括支承元件，其具有相对的凸面的支承表面；连接臂，其具有远端和近端，近端与支承元件固定连接，远端具有在其上形成的圆柱体或球体；以及可调液压挺杆，其具有在其上一端形成的用于接收连接臂的圆柱体或球体的插孔。
[0065]在本发明的至少一个实施例的另一个方面，提供一种摇杆，该摇杆包括主体部分，其具有形成于其中用于接收摇杆轴的开口。摇杆还包括第一臂，其从主体径向延伸并且具有形成于其上的用于接合发动机阀的第一摇杆垫；以及第二臂，其从主体径向延伸并且具有形成于其上的用于接合运动元件的第二摇杆垫。摇杆还包括从主体径向延伸的第三臂，该第三臂由阀座控制装置接合。
[0066]在本发明的至少一个实施例的另一个方面，提供一种改变发动机阀的打开和关闭时间的方法，该方法包括改变发动机阀的打开时间和改变发动机阀的关闭时间。
[0067]在本发明的至少一个实施例的另一个方面，提供一种制动发动机阀的方法，该方法包括旋转具有偏心部分的凸轮，以便偏心部分接合支承元件的第一表面，从而引起支承元件的第二表面接合与发动机阀连接的摇杆，支承元件置于凸轮和摇杆之间。该方法还包括通过制动凸轮相位器来改变凸轮相对于曲轴的相位，调整偏心部分首先接合支承元件的打开时间。该方法还包括通过至少部分地从凸轮和摇杆之间回缩支承元件来调整发动机阀开始关闭的关闭时间，以便发动机阀早于凸轮所要求的时间关闭。
[0068]在本发明的至少一个实施例的另一个方面，提供一种可调机械元件，其包括具有第一和第二末端的钟形曲柄，第一末端围绕枢轴点可旋转地安装。可调机械元件还包括配置为选择性地对钟形曲柄的第二末端施加力的可调液压挺杆和具有近端和远端的连接臂，远端与支承元件固定连接，近端与钟形曲柄枢转连接，并且，近端在第一和第二末端的中间位置处枢转连接至钟形曲柄。
[0069]在本发明的至少一个实施例的另一个方面，提供一种摇杆组件，其包括安装至摇杆基座的摇杆，摇杆基座具有可调整的高度；楔形元件，其可滑动地置于摇杆基座的第一和第二部分之间。从第一和第二部分之间回缩楔形支承元件有效于降低基座的高度。
[0070]在本发明的至少一个实施例的另一个方面，提供一种锁定膝状组件，该锁定膝状组件包括外壳体，其相对于空隙气缸可滑动地设置；大腿节，其具有第一末端和相反的第二末端，第一末端可旋转地连接至外壳体的内部；小腿节，其在膝状接合头处可旋转地连接至大腿节的第二末端。该组件还包括液压制动活塞，其配置为选择性地对膝状接合头施加力，以使大腿节相对于小腿节保持在固定的角度方向。
[0071]本发明进一步包括提供如权利要求所述的装置、系统、以及方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0072]根据以下结合附图的详细说明，将更全面地理解本发明，其中:
[0073]图1为现有技术的分开式循环发动机的示意性的横截面视图；
[0074]图2为现有技术的空气混合动力分开式循环发动机的示意性的横截面视图；
[0075]图3A为根据本发明的阀机构的一个实施例的横截面示意图，其中阀是关闭的；
[0076]图3B为图3A的阀机构的示意图，其中阀是打开的；
[0077]图3C为图3A和图3B中的阀机构的示意图，其中阀比凸轮轮廓所要求的时间更早关闭；
[0078]图4A为根据本发明的锁定膝状挺杆(locking knee tappet)的横截面透视图；
[0079]图4B为图4A中的锁定膝状挺杆的透视图，其具有未示出的外壳体部分；
[0080]图4C为图4A至图4B中的处于伸出结构的锁定膝状挺杆的示意性的横截面侧视图；
[0081]图4D为图4A至图4C中的处于缩回结构的锁定膝状挺杆的示意性的横截面侧视图；
[0082]图5A为根据本发明的支承元件的另一实施例的侧视图；[0083]图5B为根据本发明的支承元件的另一实施例的侧视图；
[0084]图5C为根据本发明的支承元件的另一实施例的侧视图；
[0085]图6A为根据本发明的支承元件的另一实施例的侧视图；
[0086]图6B为图6A中的支承元件的端视图；
[0087]图6C为图6A和图6B的支承元件的透视图；
[0088]图7A为根据本发明的可调机械元件的一个实施例的示意图，其在支承元件的凸轮接合表面上具有滚子；
[0089]图7B为根据本发明的可调机械元件的另一实施例的示意图，其在支承元件的摇杆接合表面上具有滚子；
[0090]图7C为根据本发明的可调机械元件的另一实施例的示意图，其在支承元件的凸轮接合表面和摇杆接合表面上都具有滚子；
[0091]图8为根据本发明的阀机构的一个实施例的示意图，其具有摇杆，摇杆上安装有滚子；
[0092]图9A为根据本发明的阀机构的另一实施例的示意图，其具有阀座控制装置；
[0093]图9B为根据本发明的阀机构的另一实施例的示意图，其具有阀座控制装置；
[0094]图9C为根据本发明的阀机构的另一实施例的示意图，其具有阀座控制装置；
[0095]图1OA为根据本发明的阀机构的一个实施例的示意图，其具有可折叠摇杆；
[0096]图1OB为根据本发明的阀机构的另一实施例的透视图，其具有锁定膝状可折叠摇杆基座；
[0097]图1OC为图1OB中的处于延伸配置的锁定膝状可折叠摇杆基座的示意性横截面侧视图；
[0098]图1OD为图1OB至图1OC的处于折叠配置的锁定膝状可折叠摇杆基座的示意性横截面侧视图；
[0099]图1OE为根据本发明的下轮廓锁定膝状可折叠摇杆基座处于延伸配置的一个实施例的示意性的横截面侧视图；
[0100]图1OF为图1OE的处于折叠配置的下轮廓锁定膝状可折叠摇杆基座的示意性横截面侧视图；
[0101]图1lA为根据本发明的凸轮相位器的一个实施例的示意性横截面视图；
[0102]图1lB为图1lA中的凸轮相位器处于前进位置的示意性横截面视图；
[0103]图1lC为IlB和图1lA中的凸轮相位器处于延迟位置的示意性横截面视图；
[0104]图12A为针对由根据本发明的阀机构的一个实施例制动的阀的阀升程作为曲柄角的函数的图表；
[0105]图12B为针对由根据本发明的阀机构的一个实施例制动的阀的阀升程作为曲柄角的函数的图表；
[0106]图13为根据本发明的用于制动向内打开的阀的阀结构的一个实施例的示意图；
[0107]图14为根据本发明的分开式循环发动机的一个实施例的示意性横截面视图；以及
[0108]图15为根据本发明的阀机构的一个实施例的示意图，其包括钟形曲柄。【具体实施方式】
[0109]现在将描述某些示例性实施例，以提供对在此公开的装置和方法的结构、功能、制造以及使用的原理的全面理解。在附图中图示这些实施例的一个或更多的例子。本领域技术人员将理解，在此具体描述并在附图中图示的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求来限定。关于一个示例性实施例所图示或描述的特征可以与其他实施例的特征相结合。本发明的范围意在包括这些改进和变化。
[0110]尽管在此公开了某些关于分开式循环发动机和/或空气混合动力发动机的方法和装置，本领域普通技术人员将领会到，可以将在此公开的方法和装置用于任何变化的情况，这些变化的情况包括但不限于非混合动力发动机、两冲程和四冲程发动机、常规发动机、柴油发动机等。
[0111]如上所述，为了以最大效率操作在此公开的分开式循环发动机，特别是操作这里所考虑到的每个不同的空气混合动力模式，需要改变打开时间、打开率、关闭时间、关闭率、升程、和/或各种其他发动机阀参数。
[0112]图3A至图3C表示适合于调整上述阀参数(例如，通过改变用凸轮轮廓禁止的阀运动)的阀机构的一个示例性实施例。所表示的阀机构可以用于制动发动机100、200的任何阀，包括但不限于XovrC和XovrE交叉阀。为了此处的目的，将内燃机的阀机构限定为阀机构元件的系统，该系统用于控制阀的制动。阀机构的元件通常包含制动元件和与其相关联的支撑元件的组合。制动元件(例如，凸轮、挺杆、弹簧、摇杆等)用于在每个阀事件过程中直接对发动机的阀赋予制动运动(即，来制动阀)。支撑元件(例如，轴、基座或类似物)牢固安装并引导制动元件。
[0113]如图3A所示，阀机构300通常包括凸轮302、摇杆304、阀306、以及可调机械元件308。阀机构300还可以包括一个或多个相关联的支撑元件，为了简洁的目的不对此进行说明。
[0114]阀306包括阀盖310和从阀盖310垂直延伸的阀杆312。阀接头组件314设置在与盖312相对的阀杆312的尖端并且牢固固定至其。当阀306处于关闭位置时，阀弹簧(未示出)保持阀盖310牢固顶住阀座316。可以为了这个目的而使用任何不同种类的阀弹簧，例如包括空气或气体弹簧。另外，尽管所表示的阀306是向外打开的提升阀，但是在不背离本发明保护范围的情况下，可以使用任何凸轮制动阀，包括向内打开的提升阀。
[0115]摇杆304包括位于一端的叉状摇杆垫320，其跨坐阀杆312并且与阀接头组件314的底面接合。另外，摇杆304包括位于相反端的固体摇杆垫322，其可滑动地接触可调机械元件308。摇杆304还包括通过其中延伸的摇杆轴孔324。摇杆轴孔324设置在支撑摇杆轴328之上，以便摇杆304在摇杆轴328上围绕旋转轴线329旋转。
[0116]摇杆304的叉状摇杆垫320与向外打开的提升阀306的阀接头组件314相接触，这样通过凸轮302的制动和可调机械元件308引起的摇杆垫322的向下方向转化为摇杆垫320的向上移动，接着使阀306打开。选择摇杆304的几何形状，以获得叉状摇杆垫320和摇杆旋转轴线329之间的距离与摇杆垫322和摇杆旋转轴线329之间的距离的期望比例。在一个实施例中，这个比例可以在大约1:1和大约2:1之间,优选地,大约1.3: 1、大约1.4: 1、大约1.5: 1、大约1.6:1或大约1.7:1。
[0117]凸轮302是“同心凸轮(dwell cam)”，这里使用的“同心凸轮”是包括至少5度CA的同心部分(dwell section)(即，具有恒定半径的凸轮的偏心部部分)。在所表示的实施例中，同心凸轮302顺时针旋转(以箭头Al的方向)。同心凸轮302通常包括基圆部分318和偏心部分326。当凸轮302的偏心部分326接触可调机械元件308时，可调机械元件枢转，然后这引起摇杆304围绕摇杆轴328旋转以提升阀306离开其座316。
[0118]偏心部分326包含打开坡道330、关闭坡道332以及同心部分334。同心部分334可以是各种不同的尺寸(即，至少5度CA)，在所表示的实施例中，将同心部分334的尺寸设置为匹配在发动机操作环境和/或空气混合模式的全部范围中需要的最长可能的阀事件持续期间(即，最大的阀事件)。为了此处的目的，同心部分334是指凸轮302的偏心部分326的一部分，即使在所表示的实施例中，同心部分334与凸轮302的基圆部分318同中心。凸轮302的打开坡道330的轮廓设置为足以以期望的速率达到发动机阀306的期望提升。关闭坡道332 (或“着落”坡道)的形状设置为当阀306接近阀座316时和/或提供可调液压挺杆340的回填或重置时，快速降低阀306的速度，如下面所描述的。可以在与本申请同日申请的名称为“SPLIT-CYCLE AIR HYBRID ENGINE WITH DWELL CAM (分开式循环空气混合动力发动机)”的美国申请N0.13/359，525中发现有关同心凸轮的进一步的细节，在此通过引用的方式引入该申请全部内容。
[0119]可调机械元件308用于选择性地改变阀306的升程以及打开和关闭参数。在图3A至3C的实施例中，可调机械元件308包括支承元件336、连接臂338以及可调液压挺杆340。
[0120]如图所示，支承元件336通常具有由相反的第一和第二支承表面342、344限定的大致椭圆形横截面，每个支承表面具有大致凸面的轮廓。支承表面342、344可以具有任何不同的横截面形状，包括圆形和椭圆形。在一些实施例中，支承表面342、344可以是具有不同曲率半径的圆的一部分(例如，从而使得支承表面342具有小于支承表面344的曲率半径的曲率半径)。支承元件336选择性地位于凸轮302和摇杆304之间，这样第一支承表面342与凸轮302可滑动地接合，以及第二支承表面344与摇杆垫322可滑动地接合。支承元件336具有在其中形成的一个或多个腔体346，例如以减少支承元件336的总质量，并由此有助于更快速的制动。
[0121]支承元件336通过至少一个连接臂338连接至可调液压挺杆340。图示实施例中的连接臂338为具有近端348和远端349的大致圆柱形的臂。在一些实施例中，连接臂338可以具有1-梁(1-beam)形状。连接臂338的远端349连接至支承元件336，而连接臂338的近端348连接至挺杆340。
[0122]连接臂338可以以各种方式与挺杆340以及支承元件336配合。例如，连接臂338可以用例如螺钉、螺栓、搭扣接合装置等与挺杆340和/或支承元件336固定配合，可以与挺杆340和/或支承元件336 —体成型，或者可以与挺杆340和支承元件336中之一或全部枢转配合。在图示的实施例中，连接臂338与支承元件336 —体成型。连接臂338的近端348具有在其上形成的大致球面球体350。在一些实施例中，球面球体350可以由圆柱轴承替代。球350的尺寸和其他方面配置为被形成于挺杆340的远端的相应的插孔352所接收，以便连接臂338可相对于挺杆340枢转。换句话说，连接臂338围绕实质上横向于挺杆340纵轴的多个旋转轴自由旋转。在使用圆柱轴承的实施例中，连接臂338的旋转可以限于围绕实质上横向于挺杆340纵轴的单个轴来旋转。连接臂338还可以与挺杆340配合，以便其围绕枢轴销、轴或其他连接件旋转。尽管在图示的实施例中支承元件336与连接臂338 一体成型，但是，也可以为了将连接臂338配合至挺杆340而使用任何上述技术使它们枢转连接。
[0123]挺杆340是可调整的，以便与其连接的连接臂338和支承元件336可以选择性地朝凸轮302和摇杆304前进或回缩(即在横向方向上)。
[0124]在一个实施例中，挺杆340配置为在连接臂338和支承元件336上施加拉力和推力。例如，挺杆340可以限定可滑动接收活塞的内部腔室。活塞与腔室内表面形成密封，以便由此限定第一和第二流体腔，在活塞的每一侧有一个腔。活塞操作性地连接至插孔352和/或连接臂338，以便活塞的线性运动赋予连接臂相应的线性运动。在挺杆340内限定的第一和第二流体腔选择性地填充和排出液压流体，以使活塞朝凸轮302和摇杆304移动或远离凸轮302和摇杆304移动(并由此使支承元件336移动)。
[0125]可替代地，挺杆340可以仅配置为对支承元件336施加推力，在这种情况下，由凸轮、摇杆和/或一个或多个偏置弹簧施加的力用于迫使支承元件336进入回缩位置。例如，挺杆340可以包括第一和第二圆柱形的可伸缩的两部分，其限定它们各自内部之间的流体腔。当制动挺杆340时，可以将流体从流体腔放入液压蓄液器，液压蓄液器允许第一和第二可伸缩的两部分相对于彼此并朝彼此滑动，从而减少挺杆340的总长度L。在一个实施例中，挺杆可以在与液压回路保持沟通的情况下由电磁阀和止回阀制动，该液压回路包括流体腔和蓄液器。为了保持回路中的液压流体，电磁阀可以维持在关闭位置。只要电磁阀维持关闭，挺杆340的长度L就实质上维持恒定。当电磁阀临时打开时，回路局部地排液,使得挺杆340部分或全部折叠，从而减少其长度L。当电磁阀再次关闭时，蓄液器选择性地回填挺杆340，这引起其线性展开以便增加其总长度L。
[0126]尽管图示的实施例包括液压挺杆340，以使连接臂338和支承元件336前进和/或回缩，但是，在不背离本发明保护范围的情况下，也可以为了这个目的而采用其他各种机构。例如，可以使用气动的、机械的、电动的、和/或电磁的制动器，以对连接臂338和/或支承元件336赋予运动。如在下面进一步所述，可以机械地锁定和液压制动挺杆340 (BP,可以使用液压系统以接合或解除机械锁定装置)。
[0127]在操作中，当凸轮轴(凸轮302安装至其)被发动机的曲柄的旋转驱动时，凸轮302顺时针旋转。如图3所示，当凸轮302的基圆部分318与支撑元件336接合时，摇杆304保持在“全部关闭”位置，在该位置，叉状摇杆垫320对阀306不施加足够的提升力以克服阀弹簧的偏置，因此，阀306保持关闭。在图示的实施例中，设置支撑元件336的厚度和凸轮302与摇杆304之间的间隔的尺寸，以便甚至当支承元件336的最厚的部分位于凸轮302的基圆部分318与摇杆304之间时，阀306仍保持关闭。
[0128]如图3B所示，在凸轮的一部分旋转过程中，凸轮302的偏心部分326与支承元件336的第一支承表面342接合。偏心部分326对支承元件336赋予向下运动，导致连接臂338围绕挺杆340的远端按顺时针方向旋转。当连接臂338旋转时，支承元件336的一些或全部的向下运动赋予给摇杆304，该摇杆304与支承元件336的第二支承表面344接合。这引起摇杆304的逆时针旋转，进而有效于提升阀306离开座316。因为支承表面342、344是弯曲的，以致支承元件336沿其长度具有可变化的厚度，可以通过改变支承元件336插入凸轮302与摇杆304之间的程度来控制阀306提升的程度。例如，在图3B中，插入支承元件336，以致其最厚的部分置于摇杆垫322的最厚部分与凸轮302之间，由此赋予阀306最大的提升。如下面所阐述的，通过在挺杆340的方向稍微缩回支承元件336来达到减少阀升程。由于在图3B中电磁阀(未示出)是关闭的，所以挺杆340的长度L实质上保持恒定，并且赋予支承元件336的一些或全部运动转移至阀306，提升其脱离座316。换句话说，在挺杆340保持长度不变的情况下，阀306的运动将取决于凸轮302轮廓的形状。
[0129]如图3所示，在凸轮302的关闭坡道332到达支承元件336之前，阀机构300能够关闭阀，并且能够减少阀306打开的程度。例如，可以对电磁阀进行制动，以允许从挺杆340的流体腔突然释放液压流。当允许流体放出挺杆340时，以箭头A2方向作用在支承元件336上的挤压力有效于推动支承元件336远离凸轮302和摇杆304，压缩或折叠挺杆340并且迫使液压流经过打开的电磁阀。该挤压力是由阀弹簧在顺时针方向偏压摇杆304的力加上凸轮偏心部分326在顺时针方向顶住支承元件336旋转的力的结合力而产生。应当认识到的是，该挤压力可以仅仅是作用在支承元件336上的力的次要部分，并且，可以设置支承元件336的形状，以致凸轮302的大部分的力向下施加在摇杆垫322上，反之亦然。应当认识到的是，可以通过调整液压流被允许从挺杆340放出的程度来控制强迫支承元件336从凸轮302与摇杆304之间出来的程度，以及由此控制阀306允许关闭的程度。换句话说，如果电磁阀短暂地打开，然后立即关闭，则挺杆340将仅仅折叠至与从流体腔移动的流体量相对应的程度，在这种情况下，阀306将仅仅部分地关闭。当需要调整阀306的提升高度时，这可以是可期望的。可选择地，为了使挺杆340压缩足够多以允许阀306全部关闭，可以让电磁阀打开足够长的周期。
[0130]在将挺杆340配置为对连接臂338和支承元件336推动和拉动的实施例中，可以对挺杆340进行控制，以主动地拉动支承元件336远离凸轮302和摇杆304，而不是依靠前述挤压力。
[0131]在图3C中，支承元件336显示为从凸轮30和摇杆304回缩足够远，这样对于将被实际提升离开座316的阀306来说，从凸轮302的偏心部分336赋予摇杆304不充足的运动，因而阀306关闭或者保持关闭。因此，阀机构300提供允许可变阀制动的空转的特性(即，容许阀306在比凸轮302的轮廓所提供的时间更早地关闭)。此外，阀机构300容许改变对阀306的提升，例如，通过改变流体从挺杆340排出的程度以及因而允许阀打开或关闭的程度。阀机构300因而被配置为将凸轮运动传递至阀306，将仅一部分凸轮运动传递至阀306，或者不将任何凸轮运动传递至阀306。
[0132]可调机械元件308还可以配置为占据任何空隙，该空隙例如由于热膨胀和收缩、部件磨损等而可能存在于阀机构300中。为了此处的目的，术语“阀空隙”或“空隙”定义为当阀306完全就位时，阀机构300内存在的总间隙。阀空隙等于阀机构300的所有单独的阀机构元件(即，制动元件和支承元件)之间所有单独的间隙的总贡献。在阀机构300中，支承元件336朝凸轮302和摇杆304偏置，以致阀机构300中可能存在的任何空隙被逐渐增加的支承元件336的厚度所占据。该偏置力可以相对地低，这样一旦支承元件336占据空隙，支承元件336就不进一步朝凸轮302或摇杆304前进，除非被制动以打开阀306。以这种方式，在应该关闭阀306的周期里，在不打开阀306的情况下占据空隙。可以以各种不同方式提供偏置力，例如，液压地、通过一个或多个弹簧或者通过众所周知的一体连接至挺杆的液压空隙调节器来提供。
[0133]图4A至图4D图示锁定膝状挺杆440的一个实施例，其可用于替换上述液压挺杆340，以选择性地推进和/或回缩连接臂338和支承元件336。如图4A至图4B所示，挺杆440通常包括可滑动地设置在空隙气缸435中的外壳体433，以便在它们之间限定可变体积、充油、空隙充气部437。锁定膝状接合头由大腿节(femur)479限定，并且，在外壳体433内设置小腿节(shin)439。大腿节479和小腿节439限定的锁定膝状接合头设置在外壳体433内。膝状接合头的弯曲由液压制动活塞441和大腿节支撑平台443控制/限制。小腿节439的远端445与底部451连接，底部451由相对的导向板453沿实质上线性的路径可滑动地引导。底部451的远端455可以与上述连接臂338连接，或者可替换地，可以与上述支承元件336直接连接。
[0134]大腿节479具有大致矩形的横截面并且包括中心部分457、近端459和远端461。大腿节479的近端459是弧形的，以便形成拉长的半圆柱形边缘463。半圆柱形边缘463容纳在形成于大腿节支撑平台443的垂直部467中的相对应的半圆柱形插槽465,进而固定配合外壳体433。因此，大腿节479相对于平台443和外壳体433是可旋转的。平台433包括基部469，其配置为限制大腿节479可以旋转的范围。在一个实施例中，设置基部469的尺寸和位置，以便大腿节479和外壳体433之间的角度A (图4C)可以不小于大约8度。应当意识到的是，大腿节479的半圆柱形边缘463可以具有大于大腿节479中心部457的厚度，并且可以将半圆柱形插槽465的侧壁延伸，以便将边缘463控制在插槽465内。还应当认识到的是，这里所使用的术语“半圆柱形”不限于具有恒定半径的形状或恰好形成圆柱形的一半的形状，而是包含多种类似的形状。另外，这里所描述的任何半圆柱形的凸-凹接口可以用可相比的连接机构来代替，例如，球窝接合头、万向接合头、连续可变接合头、销和套管接合头等。
[0135]小腿节439也具有大致矩形的横截面并且包括中心部分471、近端473和远端445。小腿节439的近端473是弧形的，以便形成拉长的半圆柱形边缘475。半圆柱形边缘475容纳在形成于大腿节479的远端461中的相对应的半圆柱形插槽477中，以便小腿节439相对于大腿节479是可旋转的。同样地，底部451具有大致矩形的横截面并且包括用于与形成于小腿节439的远端445中的相对应的插槽483相配合的弧形近端481，以便底部451可相对其旋转。如图4C和图4D所示，还可以颠倒小腿节439和底部451的凸/凹关系，正如锁定膝状挺杆440的任何其他组件的凸/凹关系可以颠倒一样。底部451还包括在其远端455上形成的配合特征(例如，图4A至图4B所示的凸形突出部或图4C至图4D所示的凹形容纳部)，用于连接上述连接臂338或支承元件336。可替代地，支承元件336可以与底部451 —体成型。如图4B所示，底部451可选择地包括与各个阀捕获活塞487连接的侧耳485，下面进一步描述其操作。
[0136]液压制动活塞441往复地并且密封地置于在外壳体433的侧壁中形成的圆柱形内孔489中，并且定位为与大腿节479或小腿节439接合，优选地位于大腿节479和小腿节439彼此之间可旋转连接的“膝关节”处。液压控制回路(未示出)与液压制动活塞441连接，以便可以选择性地施加和释放起使活塞441朝“膝关节”推动作用的液压压力。
[0137]在操作中，现在参考图4C和图4D的示意图，锁定膝状挺杆440具有两种一般配置。图4C表示挺杆440的延伸配置，其中大腿节479顶住大腿节支撑平台443的基部469旋转，以便大腿节479与外壳体433形成相对小的角度A (例如，大约8度)。控制液压控制回路(未示出)，以维持施加在液压制动活塞441上的液压压力，以便活塞441在箭头Al的方向上对“膝关节”(例如，如图所示的大腿节479)施加吸持力。当在图示箭头A2的方向施加侧向力时(例如，当凸轮的偏心部分接触与底部451末端相连接的支承元件时),该力防止膝关节连接起来。
[0138]如图4D所示，当需要比发动机阀的相对应的凸轮所要求的时间更早地关闭发动机阀时(例如，通过从上述凸轮和摇杆之间回缩支承元件)，将锁定膝状挺杆440转换为回缩配置，如图4D中所示。当要求提前关闭阀时，打开电磁阀或液压控制回路中的其他控制阀，以允许将液压制动活塞441保持在适当位置的流体流入蓄液器。一旦打开控制阀，由凸轮和摇杆在箭头A2方向上施加在底部451上的力的横向分量迫使大腿节-小腿节接合头接合起来，驱动液压制动活塞441向上并且迫使液压流体经过控制阀并进入蓄液器。在一个实施例中，当完全接合时，大腿节479相对于外壳体433形成35度角。一旦凸轮的偏心部分已经旋转过摇杆时，蓄液器重新填充位于液压制动活塞441上方的流体腔并且关闭控制阀，锁定挺杆440再次处于延伸配置。
[0139]大腿节支撑平台443的基部469防止大腿节479和小腿节439 “过系数(over-1ndexed)”(例如,接合起来以致图4C和图4D中的角A是O度或负角),这限定最小角A。但是，在可替换实施例中，可以将大腿节支撑平台443设置为不同的形状或完全忽略形状，以便大腿节479和小腿节439可以过系数。例如，可以对大腿节479和小腿节439进行定位，以便大腿节479的中央纵轴与小腿节439的中央纵轴共线。在此实施例中，在大腿节479的与液压制动活塞441相对的侧面上设置第二液压制动活塞，以便当需要空转时主动弯曲膝关节。
[0140]当液压制动活塞441是“非锁定的”以允许大腿节479和小腿节439接合时，由与底部451连接的阀捕获活塞487 (图4B)控制接合率(以及因而的收回支承元件和关闭发动机阀的比率)以用于至少一部分的阀关闭事件。阀捕获活塞487设置在形成于外壳体433的相对应的阀捕获活气缸490中。阀捕获活气缸490具有形成于其侧壁中的一个或多个孔497并且由液压流体填充这些孔。当通过回缩底部451驱动阀捕获活塞487进入阀捕获活气缸490时，气缸490中容纳的液压流体通过孔497射出。当活塞487更深入地前进进入气缸490时，活塞487逐步堵塞孔497，限制液压流体能够流出气缸490的比率。这个限制率有效放慢了活塞487的运动，最终减少了发动机阀的关闭速度。因此，应当认识到的是，对孔497的尺寸、形状以及位置进行设置，以便当阀接近其相对应的阀座时，极大地降低发动机阀的速度，从而“捕获”阀并且防止其撞击阀座和损坏发动机。尽管图示的实施例中显示了两个阀捕获气缸490和活塞487组合，但是在不背离本发明范围的情况下，可以采用任何数量，例如，零个、一个或超过两个。
[0141]在锁定膝状挺杆440的整个操作中，外壳体433保持滑动地设置在空隙气缸435中，其相对于挺杆440所使用的阀机构保持固定位置。因此，施加至空隙充气部437的增压的液压流体有效地使外壳体433(以及与其间接连接的支承元件)朝凸轮和摇杆偏置。因此，挺杆440提供自动的阀空隙调节特性，通过该特性，阀机构中存在的空隙由支承元件336的渐变的厚度所占据。
[0142]另外，外壳体433的表面区域限定空隙充气部437并且在其上施加液压压力以使间隙最小化，该表面区域明显大于制动活塞441顶部的表面区域(例如，2比1、3比1、4比I或更大)，在制动活塞441顶部的表面区域上，施加液压压力以将挺杆锁定于其延伸配置。由于这明显较大的表面区域，箭头A2方向上的空隙充气部437的刚度比箭头Al方向上的液压控制回路的刚度大得多。而且，箭头A2方向上的空隙充气部的刚度接近纯粹的机械连杆机构的刚度。
[0143]锁定膝状挺杆440提供了很多优势。例如，由大腿节479和小腿节439形成的连杆机构在制动活塞441提供可变的机械优势，这些优势有关于:I)使挺杆440从回缩配置开始延伸所需要的力，以及2)使挺杆440保持在延伸配置所需要的力。当处于延伸配置时，阀机构(在图4C和4D的箭头A2方向)对挺杆440施加的大多数横向力经过膝关节接合头纵向引导进入大腿节支撑平台443的垂直部467。因此，仅有一小部分由阀机构施加的力成为与液压制动活塞441施加的保持力相反的力(在箭头Al的方向)。另外，由各种不同的半圆柱形球窝接合头(463，465，475，477，481，483)限定的大的配合表面区域提供大量的摩擦，该摩擦对抗连杆机构的接合。因此，该摩擦力有助于液压制动活塞441使挺杆440维持在延伸配置。所以，为了使挺杆440保持在延伸配置而需要由液压制动活塞441对膝关节施加的力的量相对地小。这允许使用小的液压制动活塞441和相对应的小体积的液压流体，这使得制动液压活塞441非常快。由于当与挺杆440连接的支承元件与凸轮的基圆相接触时，挺杆440仅需要回到延伸配置，使膝关节接合回延伸位置需要相对小的力，并且小的液压制动活塞441仍然足够。
[0144]有利地，锁定膝状挺杆440还有利地提供了液压机械空转系统。尽管(通过液压制动活塞441和相关联的空转回路)液压地制动挺杆440，通过机械连杆机构(大腿节479、小腿节439等)提供挺杆440的实际锁定和纵向支撑。锁定功能的机械性质结合非常坚硬的空隙充气部437，显著提供了比在纯粹的液压系统中更多的刚度。因此，用较低质量的组件仍然可以获得足够的刚度，其能够比较重和较庞大的替代物快得多地被制动。所以，锁定膝状挺杆440允许对发动机阀快速而一致的制动。
[0145]尽管图3A至图3C的支承元件336显示为具有大致椭圆形横截面，但是在不背离本发明范围的情况下，支承元件可以具有各种其他横截面。图5A至图5C表示了支承元件的各种示例性实施例。
[0146]在图5A中，支承元件536A具有形成第一和第二支承表面542A、544A的四分之一圆周或“鱼翅”形横截面。支承元件536A还包括用于减少其质量的腔室546A。
[0147]在图5B中，支承元件536B具有楔形的横截面，其限定第一和第二支承表面542B、544B。第二支承表面544B还包括至少一个腔室546B。
[0148]在图5C中，支承元件536C具有圆形的横截面，其限定第一和第二支承表面542C、544C。支承元件536C还包括至少一个腔室546C。
[0149]图6A至图6C表示与连接臂638—体成型的支承元件636的另一个示例性实施例，其与这里所公开的阀机构一起使用。如图所示，支承元件636具有限定第一和第二支承表面642、644的大致楔形轮廓。第一和第二腔室646、647形成在支承元件636的相反的表面上，其限定它们之间的连接臂基部。尽管不需要，但是腔室646、647可以有利地减少支承元件636的质量。连接臂638与支承元件636 —体成型并且从由腔室646、647限定的连接臂基部延伸。例如，在连接臂638的末端上形成球面球体或气缸650，其例如用于与可调节挺杆中相对应的插孔相配合。
[0150]应该认识到的是，可以对这里所公开的支承元件的尺寸、形状和材料进行选择，以使支承元件的总质量最小化并且使其结构刚性最大化。
[0151]这里所公开的任何阀机构组件还可以包括用于减少其接合表面之间摩擦的各种特征。例如，如图7A至图7C所示，支承元件可以具有一个或多个可旋转地安装在其上的滚子。在图7A中，在支承元件736A的第一支承表面742A上设置第一凸轮侧面滚子754A，其用于减少支承元件736A与凸轮之间的摩擦。当凸轮顶住第一支承表面742A在顺时针方向旋转时，滚子754A在逆时针方向旋转，所以减少支承元件736A和凸轮之间的摩擦。尽管在图示的实施例中设置了仅一个滚子754A，但是在不背离本发明范围的情况下，还可以在第一支承表面设置多个滚子。
[0152]在图7B中，在第二支承表面744B上设置第二摇杆侧面滚子756B，其用于减少支承元件736B和摇杆之间的摩擦。当摇杆打开阀并且顶住第二支承表面744B逆时针旋转时，滚子756B在顺时针方向旋转。类似地，当摇杆关闭阀并且顶住第二支承表面744B顺时针旋转时，滚子756B在逆时针方向旋转。滚子756B的相反的旋转减少了支承元件736B与摇杆之间的摩擦。尽管在图示的实施例中设置了仅一个滚子756B，但是在不背离本发明范围的情况下，还可以在第二支承表面设置多个滚子。
[0153]在图7C中，设置两个滚子754C、756C，在支承表面742C、744C上各一个，用于减少支承元件736C与凸轮和摇杆之间的摩擦。对滚子754C、756C的操作与上述滚子754A、754B的操作实质上相同。在图示的实施例中，滚子754C、756C经由第一和第二轮轴758C、760C可旋转地安装于支承元件736C。滚子754C、756C可以邻近于在支承元件736C中形成的腔室746C安装。这可以允许由凸轮接收并转移到凸轮侧面滚子754C的润滑液滴入或喷入腔室746C。一旦进入腔室746C，摇杆侧面滚子756C可以接收流体并且最终提供给摇杆和支承元件的接合表面。
[0154]如图8所示，在另一个实施例中，阀机构800可以包括摇杆804，其具有自身的滚子862，滚子862取代摇杆垫可旋转地安装。滚子862可旋转地安装在轮轴864上并且配置为顺时针或逆时针旋转，这取决于摇杆804的运动。因此，滚子862减少了支承元件836与摇杆804之间的摩擦。
[0155]这里所公开的阀机构还可以包括其他摩擦减少的特征。例如，可以对其各种组件的表面施加摩擦减少涂层。作为另一个示例，可以在支承元件中形成一个或多个液体护套，用于通过形成于支承表面的一个或多个开口向支承表面供给润滑液。应当认识到的是，也可以采用各种摩擦减少特征的组合。
[0156]在凸轮驱动制动系统，凸轮的关闭或着陆坡道通常决定当阀关闭时阀接触其座的速度。如果阀早于凸轮所要求的时间关闭，但是(即，通过在关闭坡道到达摇杆前制动空转系统)，阀可以在阀弹簧的刚度作用下不期望地“自由下落”。这可以导致阀冲击阀座，对阀、座和/或阀机构的其它组件产生损坏。因此，可能需要控制阀关闭的速率。
[0157]在上面公开的阀机构300、800中的任何一个中，支承元件336、836本身的形状可以用于控制让阀关闭的速率。换句话说，支承元件的支承表面可以充当关闭坡道，并且，通过控制支承元件从凸轮和摇杆之间收回的速率，同样可以控制阀关闭的速率。
[0158]可替代地或者另外，这里所公开的任何阀机构可以包括阀座控制装置或“阀捕获器”，以便当阀关闭时，在阀接近阀座时快速减少阀的速度。图9A至图9C表示根据本发明的阀机构的示例性实施例，其包括一个或多个阀座控制装置。[0159]如图9A所示，阀机构900A包括摇杆904A，其通常包括三个径向延伸966A、968A、970A。第一延伸966A包括用于接合阀906A的叉状摇杆垫920A。第二延伸968A包括用于接合支承元件936A的摇杆垫922A。第三延伸970A与阀座控制装置972A相连接。
[0160]在图示的实施例中，阀座控制装置972A是可折叠液压挺杆。该挺杆可以包括主孔，其允许将流体从在挺杆内形成的流体腔相对自由地释放。挺杆还可以包括小于主孔的次孔，次孔配置为限制允许流体从流体腔流出的速率。在使用中，当阀在关闭事件过程中接近阀座时，可以关闭主孔。流体可以仅经过更小的次孔从可折叠挺杆流出，并且因此以慢得多的速率流出。这个在流体从流体腔室流出的速率的减少引起摇杆相对应的减速，并且由此引起阀的减速。
[0161]可以以各种不同的方式关闭主孔。例如，可以制动高速电磁阀以“关闭”主孔。可替代地或者另外，当阀通过移动活塞或可折叠挺杆的其他组件关闭时，主孔可以变为堵塞。有关阀座控制装置的进一步细节可以在2009年I月22日提交的名称为“SEATING CONTROLDEVICE FOR A VALVE FOR A SPLIT-CYCLE ENGINE (用于分开式循环发动机的阀的阀座控制装置)”的美国专利公开N0.2010/0180875中找到，该专利的全部内容以引用的方式并入本文。
[0162]可以以相对于彼此的不同角度放置摇杆的各种径向延伸，以获得为了成功操作而需要的间隙和杠杆作用。例如，如图9B所示，阀机构900B包括摇杆904B，其中第三延伸970B被定位成与第一和第二延伸966B、968B以及与摇杆904B的旋转轴线成稍微不同的角度。例如当阀杆或阀头需要额外的间隙时，或者当需要将阀座控制装置972B置于接近于可调机械元件908B的挺杆940B (即，为了更早地规定或布置液压管路和/或液压控制)时，可以使用这种几何形状。
[0163]图9C表示阀机构900C的另一个实施例，其中阀座控制装置972C与仅具有第一和第二径向延伸966C、968C的摇杆904C接合。在图示的实施例中，叉状摇杆垫920C具有增加的长度，以便当跨坐阀杆时，其相对的叉状部分延伸过阀杆912C和阀906C的阀接头组件914C。阀座控制装置972C与叉状摇杆垫920C的相对的叉状部分的底面接合，在底面处，叉状部分延伸超过阀杆912C。当需要减少摇杆904C的尺寸和质量时，这个摇杆904C的实施例是期望的。
[0164]在图3A至图3C中的阀机构300中，通过设置在凸轮和摇杆之间的一个或多个元件达到空转功能。但是，这并不总是如此。例如，还可以通过设置在可调基座的第一和第二部分之间的一个或多个元件达到空转，摇杆安装在可调基座上，以便可以调整凸轮和摇杆枢轴点之间的距离。图1OA图示出具有这样配置的阀机构1000的一个实施例。如图所示，阀机构1000包括凸轮1002、摇杆1004、阀1006以及包含有支承元件1036的可调机械元件1008。摇杆1004安装在摇杆轴1028上，摇杆轴1028具有形成于其中的矩形孔洞1092。将孔洞1092的尺寸设置为可滑动地接收设置在刚性固定的摇杆支撑(未示出)上的矩形突出物1094。矩形突出物1094相对于凸轮1002具有固定位置，因而可以引导摇杆1004的垂直移动并且限制摇杆1004可调节枢轴点的程度。
[0165]支承元件1036设置在摇杆基座1096的可相对于彼此移动的相反的两部分1091、1093之间，以便支承元件1036的滑动有效调整基座1096的高度H。在图示的实施例中，支承元件1036具有楔形横截面，但是应当理解的是，在不背离本发明范围的情况下，可以使用各种不同的横截面。可以设置多个滚子轴承1098以便有助于支承元件1036相对于基座1096滑动。另外，在图示的实施例中，摇杆基座1096的上半部分1091延伸经过摇杆1004中的插槽1095，以与摇杆轴1028整体连接。对插槽1095的尺寸进行设置，以便接收摇杆基座1096的上半部分1091并且容许在阀事件过程中摇杆1004的枢转运动。
[0166]在操作中，当安装有凸轮的凸轮轴被发动机曲柄的旋转驱动时，凸轮1002顺时针旋转。当凸轮1002的基圆部分1018与摇杆1004接合时，摇杆1004保持在下述位置:在该位置，叉状摇杆垫1020不对阀1006施加足够的提升力以克服阀弹簧的偏置，因此，阀1006保持关闭在其阀座上。
[0167]当凸轮1002旋转时，其同心的偏心部分1026与摇杆1004接合。偏心部分1026对摇杆1004赋予向下的力，引起其逆时针旋转并且提升阀1006离开其阀座，直到偏心部分1026旋转经过摇杆1004或者直到要求空转功能。
[0168]如上所述，可调挺杆1040用于当要求空转功能时(B卩，当需要在凸轮1002的关闭坡道1032到达摇杆1004之前关闭阀1006时或者当需要减少阀1006打开的程度时)，从基座1096部分或全部收回支承元件1036。当收回支承元件1036时，凸轮1002和阀弹簧对摇杆1004施加的向下的力引起基座1096的上部分1091和与其连接的摇杆轴1028从凸轮1002移开。换句话说，当摇杆轴1028相对于插过孔洞1092的固定突出物1094滑动时，摇杆1004的枢轴点向下移动。
[0169]当支承元件1036从基座1096收回足够远时，从凸轮1002对摇杆1004赋予对于使阀1006实际提升离开其座来说并不充足的运动，因此阀1006关闭或保持关闭。因此，阀机构1000提供空转特征，该空转特征允许可变阀制动(即，允许阀1006在比由凸轮1002的轮廓提供的时间更早地关闭)。此外，阀机构1000允许例如通过改变支承元件1036从基座1096收回或插入基座1096的程度来改变阀1006的升程。
[0170]应当认识到的是，可以调整楔形支承元件1036的角度，以改变施加在挺杆1040上的阀机构力的大小和/或完成空转所需要的挺杆行程的量。例如，当楔形的角度接近零时，挺杆1040上的轴向力减少，但是挺杆1040需要的行程的量增加。类似地，当楔形的角度接近90度时，挺杆1040上的轴向力增加，但是需要的行程的量减少。更高的轴向力需要使用更大、更坚固的挺杆。更长的挺杆行程减少系统的反应时间，因为它用更长的时间来制动挺杆。另外，更短的行程减少了有效质量，这导致更高的制动速度，而更长的行程增加了有效质量，这导致更低的制动速度。支承元件1036的楔形形状允许将这些参数最优化，以便在有关响应时间方面不牺牲太多的情况下，可以使用合理尺寸的挺杆。挺杆1040的行程范围在等于将要失去的阀升程的量的下限值与等于将要失去的阀升程的量的大约2至3倍的上限值之间。楔形的角度范围在大约零度到大约25度之间，优选为大约20度。还可以基于所使用的摇杆的比例来调整楔形的角度。应当认识到的是，还可以采用上面公开的锁定膝状挺杆440来推进和回缩支承元件1036。
[0171]图1OB至图1OD表示另一个示例性机构，该机构用于折叠摇杆的枢轴点以达到空转效果。如图1OB所示，设置锁定膝状可折叠摇杆基座1096"，其包括安装在膝状连杆机构上的摇杆轴支撑壳体1033〃(显示为剖视图)，膝状连杆机构包括大腿节1079〃和小腿节1039〃。摇杆1004〃围绕摇杆轴1028〃可旋转地安装，摇杆轴1028〃进而与支撑壳体1033〃固定配合。支撑壳体1033〃包括半圆柱形插槽1065"，该插槽接收大腿节1079〃的相对应的第一半圆柱形边缘1063"，以便大腿节1079〃可相对于支撑壳体1033〃旋转。大腿节1079〃还包括减少厚度的中心部分1057〃和第一半圆柱形边缘1063〃对面的第二半圆柱形边缘1077"。第二半圆柱形边缘1077〃容纳在形成于小腿节1039〃中的相对应的半圆柱形插槽1075〃中，以便大腿节1079〃和小腿节1039〃可相对于彼此旋转。
[0172]锁定膝状可折叠摇杆基座1096〃的操作实质上类似于上面描述的并且在图4A至图4E中显示的锁定膝状挺杆440的操作。具体地，如图1OC所示，可折叠摇杆基座1096〃具有第一延伸配置，其中大腿节1079〃位于与支撑壳体1033〃成第一角度Al的位置，第一角度Al相对地小(例如，大约8度)。如上所述，可以通过大腿节支撑平台(图中未示出)控制第一角度Al。当需要空转效果时，摇杆1004"的枢轴高度降低，因此允许与其连接的发动机阀早于其相对应的凸轮的轮廓所要求的时间关闭。这通过打开控制阀1001〃来实现，控制阀1001〃允许液压流体从气缸1003〃排出，液压制动活塞1041〃往复地设置在气缸1003〃中。如图1OD所示，当打开控制阀1001〃时，凸轮和/或阀弹簧对摇杆1004"施加向下的力(例如，在箭头A3的方向上)引起可折叠摇杆基座1096〃转化为折叠配置。在这个配置中，在大腿节1079"和小腿节1039"的交叉处形成的“膝关节”弯曲或接合起来，驱动液压制动活塞1041〃进入气缸1003〃并且将液压流体排出气缸1003〃进入蓄液器1005"。气缸1003〃包括一个或多个孔1007〃，液压制动活塞1041〃逐渐堵塞孔1007〃以达到上述阀捕获效果。在折叠配置中，大腿节1079〃相对于壳体1033〃形成大于第一角度Al的第二角度A2。在一个实施例中，角度A2可以是大约23度。
[0173]—旦凸轮的偏心部分转过摇杆，可折叠摇杆基座1096〃就转换回延伸配置。控制阀1001〃关闭并且蓄液器1005〃迫使液压流体经过止回阀1009〃并经过孔1007〃进入气缸1003"，因为它们变得不再受液压制动活塞1041〃堵塞。当重新填充气缸1003〃时，液压制动活塞1041〃迫使大腿节1079〃和小腿节1039〃接合起来或“挺直”，从而延伸可折叠摇杆基座1096〃并且提升摇杆1004〃的枢轴点。
[0174]图1OE至图1OF图示锁定膝状可折叠摇杆1096〃’的一个可替代实施例，其具有“低轮廓(low profile)”,其中支撑壳体1033〃’包括半圆柱形突出物1065〃’，在形成于大腿节1079〃’中的第一半圆柱形插槽1063〃’内接收半圆柱形突出物1065〃’。本实施例允许使用更短的大腿节1079〃’，由此减少可折叠摇杆基座1096〃’的整体轮廓。本实施例的操作与图1OB至图1OD中所示的实施例的操作实质上类似。
[0175]这里所公开的锁定膝状可折叠摇杆基座1096〃、1096〃’允许摇杆1004〃、1004〃’降低小于液压制动活塞1041〃、1041〃’回缩距离的距离。例如，在一个实施例中，制动活塞具有最大行程2.4mm,并且允许摇杆下降1.5mm。由于制动活塞的移动距离大于摇杆高度的改变，将可折叠摇杆基座保持在延伸配置所需要的力和将其转换为延伸配置所需要的力减少。因此，可以使用更小的液压制动活塞/气缸组合，这可使阀机构更硬、更轻并且更快。这种设计的另一个优势是形成于小腿节1039〃、1039〃’中的半圆柱形插槽1075〃、1075〃’的前缘1011〃、1011〃’可以用作杠杆以获得机械利益。例如，通过加长前缘1011〃、1011〃’和将制动活塞1041〃、1041〃’定位在或靠近其终端，减少了将可折叠摇杆基座保持在延伸配置所需要的力和将其转换为延伸配置所需要的力。再次，较低力的需求允许使用更小、更轻并且更快的液压制动器。应当认识到的是，图1OC至图1OE的实施例中的液压制动活塞1041"、1041〃’可以替换为上面所公开的锁定膝状挺杆440。[0176]这里所公开的发动机和阀机构还可以包括其它用于改变阀打开和/或关闭参数的特征。在传统发动机中，一个或多个凸轮轴以固定速率关于曲柄旋转(即，以针对凸轮轴的每个旋转两个曲轴旋转的速率)。在这种发动机中的凸轮与凸轮轴固定安装，因此对于任何给定的曲柄角来说，凸轮偏心部分相对于曲柄和活塞的位置(凸轮的“相位”)是固定的。因此，无法改变凸轮的打开坡道第一次接触摇杆(或其他中间的阀机构元件)的曲柄角。
[0177]这里所公开的任何凸轮制动的阀机构还可以包括一个或多个凸轮相位器以克服这个限制。对一个或多个凸轮相位器进行控制以便相对于曲柄和活塞调整凸轮偏心部分的相对位置。换句话说，凸轮相位器用于选择性地调整凸轮相对于曲轴以及压缩活塞110、210和膨胀活塞120、220的上止点(TDC)位置的相位。
[0178]图1lA至图1lC表示根据本发明的凸轮相位器1100的一个示例性实施例。如图所示，凸轮相位器1100通常包括设置在壳体1176内的旋翼1174。旋翼1174与凸轮轴固定配合，以便凸轮轴和旋翼1174 —起旋转。驱动链轮1178围绕壳体1176形成或与壳体1176配合，并且为了将旋转运动从曲柄传递到壳体1176并最终传递到凸轮轴，而通过同步带、链条、齿轮或类似物接合。
[0179]旋翼1174包括多个叶片1180，它们从旋翼1174的旋转轴线向外径向延伸。壳体1176包括相对应的多个凸角1182，它们朝壳体1176的旋转轴线方向向内径向延伸。当组装时，旋翼叶片1180与相对应的壳体凸角1182散置，从而在每个叶片1180的任一侧面上限定前进腔1184和延迟腔1186。
[0180]如图1IB所示，可以向前进腔1184提供实质上不可压缩的液压流体和/或从延迟腔1186移走实质上不可压缩的液压流体，以相对于壳体1176顺时针旋转旋翼1174。由于旋翼1174的相位相对于凸轮轴是固定的，并且由于壳体1176的相位相对于曲柄是固定的，因此旋翼1174相对于壳体1176的顺时针旋转使凸轮轴相位相对于曲柄以及相对于膨胀活塞120、220的TDC位置前进。
[0181 ] 类似地，如图1IC所示，可以向延迟腔1186提供液压流体和/或从前进腔1184移走液压流体，以相对于壳体1176逆时针旋转旋翼1174。这进而引起凸轮轴相位相对于曲柄延迟。
[0182]凸轮相位器还可以包括液压控制回路，该液压控制回路包括一个或多个油控制阀，其用于选择性地向凸轮相位器的不同腔提供油或气体液压流体。应当认识到的是，通过控制向不同腔添加或移走流体的程度，可以沿给定范围连续调节凸轮相位。凸轮相位器还可以包括一个或多个锁定机构(例如，锁定销或锁定弹簧)，可以与其接合以防止旋翼和壳体的相对旋转，从而锁定凸轮轴相对于曲柄的相位。
[0183]凸轮相位器的方向可以与上述方向相反，以便外壳体与凸轮轴固定配合并且从而使得内旋翼由曲柄驱动。在不背离本发明范围的情况下，还可以采用本领域已知的各种其他的凸轮相位器技术。
[0184]在一个实施例中，分开式循环发动机(例如上述发动机100、200)设置有与第一凸轮轴连接的第一凸轮相位器，第一凸轮轴具有设置在其上的用于制动发动机的XovrC阀的凸轮。发动机还可以包括与第二凸轮轴连接的第二凸轮相位器，第二凸轮轴具有设置在其上的用于制动发动机的XovrE阀的凸轮。以这种方式，可以单独控制XovrC阀和XovrE阀的凸轮相位。在一个实施例中，使用凸轮相位器，可以分别使XovrC阀和XovrE阀的凸轮相位独立地提前或延迟+/-30度CA。发动机还可以包括在壳体外表面、凸轮轴和/或曲柄上的标记，以便有助于凸轮定相的闭环式反馈控制。例如，可以设置一个或多个传感器，以便与其连接的控制单元可以基于标记来确定相对于曲柄(和活塞)的实际的凸轮轴相位，并且根据需要对相位进行调整。
[0185]图12A-12BB图示了用于发动机阀的阀升程轮廓，使用在这里所公开的方法和装置可变地对发动机阀进行制动。
[0186]图12A图示了在根据本发明的发动机的一个实施例中，阀升程作为阀的位置(根据相对于活塞(例如膨胀活塞)的TDC的曲柄角CA所表示的位置)的函数的三个示例性图形。第一图形1200图示了当使用同心凸轮并且凸轮相位器和可变阀制动系统不存在或没有制动时的阀升程。如图所示，阀以凸轮偏心部分的打开坡道打开，贯穿凸轮的同心部分以固定升程保持打开，然后利用凸轮偏心部分的关闭坡道关闭。
[0187]第二图形1202图示了在制动凸轮相位器以使凸轮相位前进大约30度CA时的相同阀的阀升程。如图所示，阀打开和关闭比第一图形1200早大约30度CA。
[0188]第三图形1204图示了在当制动凸轮相位器以延迟凸轮相位大约30度CA时的相同阀的阀升程。如图所示，阀打开和关闭比第一图形1200滞后大约30度CA，并且比第二图表1202滞后大约60度CA。
[0189]图12B图示了在根据本发明的发动机的一个实施例中，阀升程作为阀的位置(根据相对于活塞TDC的曲柄角CA所表示的位置)的函数的两个示例性图形。第一图形1206图示了当使用同心凸轮并且凸轮相位器和可变阀制动系统不存在或没有制动时的阀升程。
[0190]第二图形1208图示了在制动可变阀制动系统以提前关闭阀时的相同阀的阀升程。如图所示，阀利用凸轮偏心部分的打开坡道打开，并且对于凸轮的一部分同心部分以固定升程保持打开。当在这种情况下以大约150度CA制动可变阀制动系统时，阀开始关闭。当例如使用图3A至图3C中的阀机构300并且从凸轮302和摇杆304之间回缩支承元件336时，这将会出现。如图所示，在这种情况下，可以使用这里所描述的阀座控制装置控制阀关闭事件的提升轮廓，以实质上模拟凸轮的关闭坡道。
[0191]图13表示根据本发明的阀机构的另一个实施例，其与向内打开的发动机阀(SP，打开进入气缸或朝气缸打开的发动机阀)一起使用。阀机构1300与这里所公开的阀机构300、800、900A、900B、900C实质上类似，同时，除了从阀机构1300省略摇杆以外，可以包括这里所公开的任何特征的组合，以便支承元件1336直接接触阀1306或通过一个或多个中间元件1388接触阀1306。
[0192]图14图示了根据本发明的的非混合动力分开式循环发动机的一个实施例。如图所示，发动机1400具有压缩气缸1401和膨胀气缸1403，其中压缩活塞1405和膨胀活塞1407分别做往复运动。活塞1405、1407与曲柄1409连接，曲柄1409可旋转地沿轴颈方向进入发动机缸体1411。压缩气缸1401和膨胀气缸1403由在气缸盖中形成的至少一个交叉通道1413连接起来。交叉通道1413的入口可以通过向外打开的凸轮制动的"XovrC"提升阀1417选择性地打开和关闭。交叉通道1413的出口可以通过向外打开的凸轮制动的〃XovrE〃提升阀1419选择性地打开和关闭。另外，向内打开的进气和排气阀1421、1423安装在气缸盖1415中。为了清晰地说明，未示出与进气阀1421、XovrE阀1419以及出气阀1423相关联的阀机构。[0193]可以通过阀机构1425选择性地制动向外打开的XovrC阀1417。应当认识到的是，还可以用相同的阀机构1425选择性地制动向外打开的XovrE阀1419。阀机构1425包括安装在凸轮轴上的同心凸轮1402，凸轮轴与凸轮相位器1427连接。凸轮相位器1427的链轮1478由同步带、链条和/或齿轮来驱动，其进而由曲柄1409的旋转来驱动。当驱动凸轮相位器1427时，安装在其上的凸轮轴和同心凸轮1402顺时针旋转。如上所述，当同心凸轮1402旋转时，其对支承元件1436赋予运动，这进而选择性地将一些或全部凸轮的运动赋予摇杆1404。
[0194]可以选择性地制动凸轮相位器1427以提前或延迟凸轮1402相对于曲柄1409的相位。另外，可以选择性地制动与支承元件1436连接的液压挺杆1440以使支承元件1436朝凸轮1402和摇杆1404前进或使支承元件1436从凸轮1402和摇杆1404回缩。阀座控制装置1472安装至气缸盖1415，并且配置为当其关闭时选择性地“捕获”XovrC阀1417 (BP,减少XovrC阀1417的速度)。
[0195]在操作中，可以控制打开时间、打开速率、提升、关闭时间、关闭速率以及各种其他阀参数。当曲柄1409旋转时，凸轮相位器1427、凸轮轴(未示出)以及同心凸轮1402也旋转，因为它们通过同步带、链条、齿轮或类似机构(未示出)链接至曲轴。当同心凸轮1402旋转时，其打开坡道部分接触支承元件1436，支承元件1436进而接触摇杆1404并且对其赋予运动(例如，通过引起摇杆1404逆时针枢转或旋转)。这进而引起摇杆1404的阀接合末端赋予阀1417运动(例如，通过从阀座向上提升阀1417)并且由此打开阀1417。如上所述，可以通过制动凸轮相位器1427选择性地提前或延迟这个阀打开事件的时间。
[0196]当同心凸轮部分1402接触支承元件1436时，可以使摇杆1404保持在实质上固定的角度方向，这进而使阀1417以离阀座实质上固定的线性距离保持打开。如果提前要求阀关闭控制(例如，通过发动机控制单元)，保持在挺杆1440中的增压的液压流体快速排出，减少了挺杆1440的长度并且从凸轮1402和摇杆1404回缩了支承元件1436。因此，摇杆1404在阀弹簧(未示出)的偏置下顺时针枢转或旋转，直到阀1417顶住阀座关闭。在这种情况下，操作阀座控制装置1472以使摇杆1404的旋转减慢，并且由此当阀1417接近阀座时减慢阀1417的速度。
[0197]可替代地，当不要求提前阀的关闭控制时，阀1417保持打开固定的线性距离，直到凸轮的同心部分1402经过支承元件1436并且支承元件1436接触到凸轮1402的关闭坡道。那时，迫使阀1417关闭的阀弹簧的偏置引起摇杆1404顺时针枢转或旋转，直到阀1417关闭。可以通过凸轮的关闭坡道轮廓和/或阀座控制装置1472来控制阀关闭速度。
[0198]在图示的示例性实施例中，可以将交叉阀1417、1419的打开时间单独地改变至少正或负30度CA，因此提供至少大约60度CA范围，在这个范围内任一阀的打开时间都可以改变。在同一实施例中，任一阀的关闭时间都可以在至少大约100度CA的范围内改变。应当认识到的是，这里所公开的阀制动系统的空转部分允许对于阀的关闭时间从发动机的一个循环到下一个循环动态地制动。另外，所述系统的凸轮相位器部分允许在发动机的几个循环中逐步改变阀的打开时间。
[0199]如上面关对发动机100、200的阐述，可以容易地使发动机1400适应或修改为包括空气混合动力系统。例如，交叉通道1413可以通过箱端口与储气罐相连接，该箱端口具有设置于其中的箱阀。因此，应当认识到的是，优选地，图示的阀机构还可以提供有效操作混合动力发动机所需的动态阀制动特性。
[0200]发动机1400配置为在宽范围的发动机速度下可靠地操作。在某个实施例中，根据本发明的发动机能够在至少大约4000rpm的速度下运行,优选地,在至少大约5000rpm的速度下运行，更优选地，在至少大约7000rpm的速度下运行。
[0201]图15图示了根据本发明的阀机构的另一个实施例。除了当调整支承元件1536的位置时将钟形曲柄1529置于挺杆1540和连接臂1538之间以提供机械优势(S卩，杠杆作用)之外，图示的阀机构1500和上述有关图3A至图3C的阀机构300实质上相同。钟形曲柄1529可旋转地安装在具有固定位置的枢轴点1531。挺杆1540与钟形曲柄1529在枢轴点的相反末端相连接。在钟形曲柄1529上的中间点设置球窝接合头，以使钟形曲柄1529与连接臂1538相连接。沿与连接臂1538附接的钟形曲柄1529调整位置调整了钟形曲柄1529的杠杆比率，从而增加或减少需要挺杆1540提供的力的量和/或挺杆1540必须移动以影响支承元件1536所需的移动的距离的量。这个实施例在需要相对大量的力来前进和/或回缩支承元件1536的系统中特别有用，因为其允许相对弱的挺杆1540令人满意地表现。
[0202]尽管已经通过引用具体实施例的方式对本发明进行了描述，但是应当理解的是，在所描述的本发明的精神和理念范围内可以做出多种改变。因此，本发明并不旨在受限于所描述的实施例，而是本发明具有由所附权利要求限定的全部范围。
【权利要求】
1.一种发动机，包含: 凸轮轴，其具有形成于其上的至少一个凸轮，所述至少一个凸轮配置为对至少一个发动机阀赋予运动； 凸轮相位器，其选择性地调整凸轮相对于凸轮轴的相位；以及 空转系统，其选择性地防止所述至少一个凸轮对所述至少一个发动机阀赋予运动。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述发动机是分开式循环发动机。
3.根据权利要求2所述的发动机，进一步包含交叉通路，其中，所述至少一个阀是在所述交叉通路中形成的交叉阀。
4.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述发动机是空气混合动力发动机。
5.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述至少一个阀是向外打开的阀。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述凸轮相位器可操作为提前或延迟所述至少一个发动机阀的打开时间。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述凸轮相位器包含: 旋翼，其与凸轮轴固定连接并且具有远离旋翼的旋转轴线径向延伸的多个叶片； 壳体，在其中设置旋翼，所述壳体包括朝壳体的旋转轴线径向延伸的多个凸角；以及 流体控制阀，其配置为向形成于多个叶片和多个凸角之间的两个或更多个流体腔提供液压流体， 其中，向两个或更多个流体腔中的 第一腔提供液压流体有效于使旋翼相对于壳体在第一方向旋转，向两个或更多个流体腔中的第二腔提供液压流体有效于使旋翼在与所述第一方向相反的第二方向旋转。
8.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述空转系统可操作为关闭至少一个阀比如果由至少一个凸轮的轮廓关闭则至少一个阀本该关闭早。
9.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述空转系统包含位于所述至少一个凸轮和摇杆之间的支承元件，所述支承元件能够朝向和远离所述至少一个凸轮和摇杆移动。
10.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述空转系统使摇杆的支点降低。
11.根据权利要求9所述的发动机，其中，所述支承元件具有椭圆形的横截面。
12.根据权利要求11所述的发动机，其中，所述支承元件具有相对的凸面的支承表面。
13.根据权利要求9所述的发动机，其中，所述支承元件具有楔形的横截面。
14.根据权利要求9所述的发动机，其中，所述支承元件具有圆形的横截面。
15.根据权利要求9所述的发动机，其中，所述支承元件连接至可调液压挺杆，所述可调液压挺杆配置为选择性地对支承元件赋予双向线性运动。
16.根据权利要求9所述的发动机，其中，所述支承元件包括与其可旋转地安装的至少一个滚子。
17.根据权利要求1所述的发动机，进一步包括阀座控制装置，其配置为在制动空转系统后，当阀接近相对应的阀座时， 减少所述至少一个阀的速度。
18.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述至少一个凸轮是同心凸轮。
19.一种可调机械元件，包含: 支承元件，其具有相对的凸面的支承表面； 连接臂，其具有近端和远端，所述远端与支承元件固定连接，所述近端具有形成于其上的球体；以及 可调液压挺杆，其具有在其一端中形成的用于接收连接臂的球体的插孔。
20.—种摇杆,包含: 主体部分，其具有形成于其中的用于接收摇杆轴的开口 ； 第一臂，从主体径向延伸并且具有形成于其上的用于接合发动机阀的第一摇杆垫； 第二臂，其从主体径向延伸并且具有形成于其上的用于接合运动元件的第二摇杆垫； 第三臂，其从主体径向延伸，所述第三臂由阀座控制装置接合。
21.根据权利要求20所述的摇杆，其中，所述第一摇杆垫是叉状摇杆垫，其配置为跨坐阀杆并且与阀杆的阀接头组件的底面接合。
22.根据权利要求20所述的摇杆，其中，所述第二摇杆垫包含可旋转地安装至所述第二臂的滚子。
23.根据权利要求20所述的摇杆，其中，所述阀座控制装置包含液压挺杆。
24.根据权利要求20所述的摇杆，其中，所述运动元件包含凸轮。
25.根据权利要求20所述的摇杆，其中，所述运动元件包含具有椭圆形横截面和楔形横截面中的至少一个的支承元件。
26.—种改变发动机阀的打开和关闭时间的方法,包含:` 改变发动机阀的打开时间；以及 改变发动机阀的关闭时间。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，使用凸轮相位器进行改变打开时间，使用空转系统进行改变关闭时间。
28.—种制动发动机阀的方法,包含: 旋转具有偏心部分的凸轮，以便偏心部分接合支承元件的第一表面，从而引起支承元件的第二表面接合与发动机阀连接的摇杆，所述支承元件设置在凸轮和摇杆之间； 通过制动凸轮相位器来改变凸轮相对于曲轴的相位，来调整偏心部分首先接合支承元件的打开时间；以及 通过至少部分地从凸轮和摇杆之间回缩支承元件来调整发动机阀开始关闭的关闭时间，以便发动机阀早于凸轮所要求的时间关闭。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，回缩支承元件包括向与支承元件连接的液压挺杆中的第一腔提供液压流体，以及其中，推进支承元件包含向液压挺杆中的第二腔提供液压流体。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，发动机阀是分开式循环空气混合动力发动机的组件。
31.根据权利要求28所述的方法，进一步包含通过控制支承元件从凸轮和摇杆之间回缩的比率来控制发动机阀的阀座速度。
32.—种可调机械元件，包含； 钟形曲柄，其具有第一和第二末端，所述第一末端围绕枢轴点可旋转地安装； 可调液压挺杆，其配置为对钟形曲柄的第二末端选择性地施加力； 连接臂，其具有近端和远端，所述远端与支承元件固定连接，所述近端在位于第一和第二末端的中间位置处枢转连接至钟形曲柄。
33.一种摇杆组件，包含: 安装至摇杆基座的摇杆，所述摇杆基座具有可调整的高度； 楔形支承元件，其可滑动地设置在摇杆基座的第一和第二部分之间； 其中，从第一和第二部分回缩楔形支承元件有效于降低基座的高度。
34.一种锁定膝状组件，包含: 外壳体，其相对于空隙气缸可滑动地设置； 大腿节，其具有第一末端和相对的第二末端，所述第一末端可旋转地连接至外壳体的内部； 小腿节，其在膝状接合头处可旋转地连接至大腿节的第二末端；以及液压制动活塞，其配置为选择性地对膝状接合头施加力，以使大腿节相对于小腿节保持在固定的角度方向。
35.根据权利要求34所述的锁定膝状组件，其中，所述小腿节包括形成于其上的配合特征，所述配合特征用于将小腿节可旋转地连接至可定位在凸轮和摇杆之间的支撑元件。
36.根据权利要求35所述的锁定膝状组件，其中，膝状接合头的接合有效于使支承元件从凸轮和摇杆之间回缩。
37.根据权利要求34所述的锁定膝状组件，其中，膝状接合头的接合有效于降低可旋转地安装至外壳体的摇杆的枢`轴高度。
【文档编号】F01L1/00GK103518041SQ201280015974
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年1月27日 优先权日:2011年1月27日
【发明者】里卡尔多·梅尔多莱西, 约翰·施沃雷尔, 约瑟夫·帕图尔佐 申请人:史古德利集团公司