具有阀停用的无效运动可变阀致动系统的制作方法
【专利摘要】公开了总体上涉及选择性停用一个或多个发动机阀的装置和相关方法。在一个实施方式中，提供了一种分开循环内燃机，其中利用高速触发阀充满和排放液压挺杆，液压挺杆形成发动机阀的无效运动系统的一部分。可以用滑柱阀选择性地将挺杆与触发阀断开，由此停用关联的发动机阀（即，防止发动机阀开启）。在此公开的装置和方法在传统的内燃机中也有应用并且可以与向内开启和/或向外开启的阀一起使用。
【专利说明】具有阀停用的无效运动可变阀致动系统
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求2011年I月27日申请的美国临时专利申请61/436741的优先权利益，其全部内容在此并入作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及阀致动系统。更具体地，本发明涉及具有无效运动可变阀致动系统的分开循环内燃机，其中一个或多个阀可被停用。
【背景技术】
[0004]内燃机通常包括用于控制通过发动机的空气和燃料流动的一个或多个阀，这些阀通常由机械凸轮致动。例如，构造具有泪珠形的凸轮凸起部的旋转轴以直接地或者经由一个或多个中间阀机构元件使阀运动。当轴旋转时，凸轮凸起部的偏心部分使阀在轴旋转的范围上进行线性运动。
[0005]“无效运动”系统也可以合并到阀机构中。无效运动系统通常包括无效运动阀机构元件，其可以被选择性地致动以便在一部分凸轮旋转期间操作地将凸轮与阀断开。否则(如果阀没有被操作地断开)将会赋予阀的运动因而无效。这种系统例如容许阀早于凸轮要求的时间关闭。
[0006]在某些情况中，期望完全停用发动机的阀(S卩，保持阀关闭或防止阀开启)。对于某些分开循环或分开循环空气混合发动机的部分负载控制，这是特别期望的。因而，需要容许停用一个或多个相关发动机阀的改进的阀致动系统。
[0007]为了清楚起见，在本申请中使用的术语“传统发动机”是指其中公知的奥托循环的所有四个冲程(进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程)都包含于发动机的每个活塞/气缸组合中的内燃机。每个冲程要求曲轴旋转半圈(180度曲柄角(“CA”))，并且要求曲轴旋转整整两圈(720度CA)以在传统发动机的每个气缸中完成整个奥托循环。
[0008]此外，为了清楚起见，为可适用于现有技术中所公开的发动机的和本申请中所涉及的术语“分开循环发动机”提供如下定义:
[0009]分开循环发动机总体上包括:
[0010]可围绕曲轴轴线旋转的曲轴；
[0011]压缩活塞，其可滑动地容纳于压缩气缸中并且操作地连接到曲轴从而使压缩活塞在曲轴的单个旋转期间往复通过进气冲程和压缩冲程；
[0012]膨胀(作功)活塞，其可滑动地容纳于膨胀气缸中并且操作地连接到曲轴从而使膨胀活塞在曲轴的单个旋转期间往复通过膨胀冲程和排气冲程；和
[0013]使压缩气缸和膨胀气缸相互连接的跨接通道，跨接通道至少包括设置于其中的跨接膨胀(XovrE)阀，但更优选包括在其间限定压力室的跨接压缩(XovrC)阀和跨接膨胀(XovrE)阀。
[0014]分开循环空气混合发动机将分开循环发动机和储气筒以及各种控制器结合起来，这种结合使发动机能够以储气筒中的压缩空气的形式储存能量，储气筒中的压缩空气随后用于膨胀气缸中以便对曲轴提供动力。一般而言，在此指出的分开循环空气混合发动机包括:
[0015]可围绕曲轴轴线旋转的曲轴；
[0016]压缩活塞，其可滑动地容纳于压缩气缸中并且操作地连接到曲轴从而使压缩活塞在曲轴的单个旋转期间往复通过进气冲程和压缩冲程；
[0017]膨胀(作功)活塞，其可滑动地容纳于膨胀气缸中并且操作地连接到曲轴从而使膨胀活塞在曲轴的单个旋转期间往复通过膨胀冲程和排气冲程；
[0018]使压缩气缸和膨胀气缸相互连接的跨接通道(接口)，跨接通道至少包括跨接膨胀(XovrE)阀，但更优选包括在其间限定了压力室的跨接压缩(XovrC)阀和跨接膨胀(XovrE)阀；和
[0019]操作地连接到跨接通道并且可选择性地操作以储存来自压缩气缸的压缩空气和将压缩空气输送到膨胀气缸的储气筒。
[0020]图1示出了现有技术的分开循环空气混合发动机的一个示例性实施方式。分开循环发动机100用一个压缩气缸102和一个膨胀气缸104的组合代替传统发动机的两个相邻气缸，压缩气缸102和膨胀气缸104形成于发动机气缸体中，曲轴106可旋转地安装在发动机气缸体中，气缸102、104的上端被气缸盖130封闭。曲轴106包括轴向移位的且角度偏移的第一和第二曲柄臂126、128,两者之间有相位角。第一曲柄臂126通过第一连杆138枢轴连接到压缩活塞110并且第二曲柄臂128通过第二连杆140枢轴连接到膨胀活塞120，以使活塞110、120以由曲柄臂的角度偏移和气缸、曲柄及活塞的几何关系所决定的同步关系在其相应的气缸102、104中往复运动。如果需要可以使用替代的机构以关联活塞的运动和定时。曲轴的旋转方向和活塞在其下止点(BDC)位置附近的相对运动由箭头指出，箭头在附图中与其对应的部件相关联。
[0021]奥托循环的四个冲程因而被“分开”在两个气缸102和104上，从而使压缩气缸102包含进气和压缩冲程而膨胀气缸104包含膨胀和排气冲程。因此，曲轴106每旋转一圈(360度CA)，奥托循环在这两个气缸102、104中完成一次。
[0022]在进气冲程期间，通过向内开口(向内开启进入气缸并且朝向活塞)的提升式进气阀108将进气吸入压缩气缸102。在压缩冲程期间，压缩活塞110将充气加压并且驱动充气通过跨接通道112，其充当膨胀气缸104的进气通道。发动机100可以具有一个或多个跨接通道112。
[0023]分开循环发动机110 (并且总体上对于分开循环发动机)的压缩气缸102的容积(或几何)压缩比在此被称为分开循环发动机的“压缩比”。发动机100 (并且总体上对于分开循环发动机)的膨胀气缸104的容积(或几何)压缩比在此被称为分开循环发动机的“膨胀比”。气缸的容积压缩比在本领域中公知为:当在气缸中往复运动的活塞处于其下止点(BDC)位置时气缸(包括所有凹进部分)中的封闭(或密闭)容积与当所述活塞处于其上止点(TDC)位置时气缸中的封闭容积(B卩，余隙容积)之比。具体地，对于在此定义的分开循环发动机，压缩气缸的压缩比在XovrC阀关闭时确定。具体地，对于在此定义的分开循环发动机，同样，膨胀气缸的膨胀比在XovrE阀关闭时确定。
[0024]由于在压缩气缸102中的非常高的容积压缩比(例如20比1，30比1，40比1，或更大)，使用在跨接通道入口处的向外开启(远离气缸和活塞向外开启)的提升式跨接压缩(XovrC)阀114控制从压缩气缸102到跨接通道112中的流动。由于在膨胀气缸104中的非常高的容积压缩比(例如20比1，30比1，40比1，或更大)，在跨接通道112出口处的向外开启的提升式跨接膨胀(XovrE)阀116控制从跨接通道112到膨胀气缸104中的流动。XovrC和XovrE阀114、116的致动速率和定相被定时以在奥托循环的所有四个冲程期间将跨接通道112中的压力维持在高的最小压力(典型地在满负荷时为20巴或更高)。
[0025]至少一个燃料喷射器118在跨接通道112的出口端与XovrE阀116的开启协作地将燃料喷入增压空气中。替代地，或者另外地，可以将燃料直接喷入膨胀气缸104。在膨胀活塞120达到其上止点(“TDC”)位置之后不久，燃料-空气充料完全进入膨胀气缸104。当活塞120从其TDC位置开始下降时，并且当XovrE阀116仍然开启时，一个或多个火花塞122点火引发燃烧(典型地在膨胀活塞120的TDC之后10到20度CA之间)。可以当膨胀活塞在其TDC位置之后的I和30度CA之间时引发燃烧。更优选，可以当膨胀活塞在其TDC位置之后的5和25度CA之间时引发燃烧。最优选，可以当膨胀活塞在其TDC位置之后的10和20度CA之间时引发燃烧。另外，可以通过其它点火装置和/或方法引发燃烧，例如采用电热塞、微波点火装置，或通过压燃方法。
[0026]然后在产生的燃烧动作进入跨接通道112之前关闭XovrE阀116，在作功冲程中燃烧动作向下驱动膨胀活塞120，在排气冲程期间通过向内开启的提升式排气阀124将废气泵送出膨胀气缸104。
[0027]对于分开循环发动机概念，压缩和膨胀气缸的几何发动机参数(S卩，孔径、冲程、连杆长度、压缩比等)一般相互独立。例如，压缩气缸102和膨胀气缸104的曲柄臂126、128分别具有不同的半径并且彼此相位分离，其中膨胀活塞120的TDC发生在压缩活塞110的TDC之前。这种独立性使得分开循环发动机比典型的四冲程发动机能够有潜力获得更高的效率水平和更大的扭矩。
[0028]分开循环发动机100中的发动机参数的几何独立性也是为什么压力可以如之前所述保持在跨接通道112中的主要原因之一。具体来说，在压缩活塞110达到其上止点位置之前的一离散相位角(典型地在10和30度曲柄角之间)膨胀气缸120达到其上止点位置。这个相位角，与XovrC阀114和XovrE阀116的正确定时一起,使得分开循环发动机100能够在其压力/容积循环的所有四个冲程期间保持跨接通道112中的压力处于高的最小压力(典型地在满负荷运行期间为20巴绝对压力或更高)。也就是说，分开循环发动机100可操作以定时XovrC阀114和XovrE阀116从而使XovrC和XovrE阀114、116均开启一段显著的时间(或一段曲轴旋转的时间)，在此期间膨胀活塞120从其TDC位置向其BDC位置下降并且压缩活塞110同时从其BDC位置向其TDC位置上升。在跨接阀114、116均开启的时间段(或曲轴旋转)期间，基本上等质量的气体被(I)从压缩气缸102传输到跨接通道112中和(2)从跨接通道112传输到膨胀气缸104。因而，在此期间，防止跨接通道中的压力下降到预定的最小压力(典型地在满负荷运行期间为20、30或40巴的绝对压力)以下。此外，在进气和排气冲程的相当大的部分中(典型地为整个进气和排气冲程的90%或更高)，XovrC阀114和XovrE阀116均关闭以将跨接通道112中密闭气体的质量保持在基本上恒定的水平。结果，在发动机的压力/容积循环的所有四个冲程期间，跨接通道112中的压力被保持在预定的最小压力。[0029]为了这里的目的，当膨胀活塞120从TDC下降并且压缩活塞110向TDC上升时开启XovrClH和XovrE116阀以便将基本上等质量的气体同时传输进和传输出跨接通道112的方法在此被称为气体传输的“推-拉”方法。正是推-拉方法使得当发动机满负荷运行时在发动机循环的所有四个冲程期间发动机100的跨接通道112中的压力典型地保持在20巴或更高。
[0030]跨接阀114、116被包括一个或多个凸轮(未示出)的阀机构致动。通常，凸轮驱动的机构包括机械连接到曲轴的凸轮轴。一个或多个凸轮被安装到凸轮轴上，每个都具有控制阀动作(即，在阀致动期间发生的动作)的阀提升外形的轮廓面。XovrC阀114和XovrE阀116每个都可以具有其自己的相应凸轮和/或其自己的相应凸轮轴。当XovrC和XovrE凸轮旋转时，其偏心部分使摇臂产生运动，摇臂又使阀产生运动，由此提升(开启)阀使其离开其阀座。当凸轮继续旋转时，偏心部分经过摇臂并且容许阀关闭。
[0031]对于在此的目的，将阀动作(或阀开启动作)定义为从阀离开其阀座的最初开启到阀回到其阀座上的关闭的阀提升-曲轴旋转，其中在该曲轴旋转期间发生阀提升。还有，对于在此的目的，阀动作速率(即，阀致动速率)是在给定的发动机循环中发生阀动作所要求的持续时间。重要的是注意到阀动作通常仅仅是发动机工作循环(例如，对于传统发动机循环是720度CA，对于分开循环发动机是360度CA)的整个持续时间的一小部分。
[0032]分开循环空气混合发动机100还包括储气筒(罐)142，其通过储气筒罐阀152操作地连接到跨接通道112。具有两个或更多跨接通道112的实施方式可以包括用于各个跨接通道112的罐阀152，其连接到共同的储气筒142，或者替代地每个跨接通道112可以操作地连接到单独的储气筒142。
[0033]罐阀152典型地设置在从跨接通道112延伸到气罐142的气罐口 154中。气罐口154被分成第一气罐口部分156和第二气罐口部分158,第一气罐口部分156将气罐阀152连接到跨接通道112，第二气罐口部分158将气罐阀152连接到气罐142。第一气罐口部分156的容积包括当罐阀152关闭时将罐阀152连接到跨接通道112的所有额外凹进部分的容积。优选，第一气罐口部分156的容积相对于跨接通道112的容积较小(例如小于25%)。更优选，第一气罐口部分156基本上是不存在的，即，罐阀152最优选如此设置以使得其与跨接通道112的外壁齐平。
[0034]罐阀152可以是任何合适的阀装置或系统。例如，罐阀152可以是压力启动的止回阀，或者通过各种阀致动装置(例如气压、液压、凸轮、电动等)启动的主动阀。另外，罐阀152可以包括具有用两个或更多致动装置致动的两个或更多阀的罐阀系统。
[0035]气罐142用于以压缩空气的形式储存能量并且随后使用该压缩空气为曲轴106提供动力。这种用于储存潜在能量的机械装置提供了优于当前技术情况的许多潜在优势。例如，相对于市场上的其它技术，例如柴油机和电-混合动力系统，分开循环空气混合发动机100可以以较低的制造成本和废物处理成本在燃料效率增益和NOx排放减少方面潜在地提供许多优势。
[0036]发动机100典型地以正常工作模式(发动机点火(EF)模式或有时称为正常点火(NF)模式)和一个或多个空气混合模式运行。在EF模式中，如前在此详细描述的，发动机100正常运行，在不使用气罐142的情况下工作。在EF模式中，气罐阀152保持关闭以将气罐142与基本的分开循环发动机隔离。在四个空气混合模式中，发动机100使用气罐142工作。
[0037]示例性的空气混合模式包括:
[0038]I)空气膨胀器(AE)模式，其包括在无燃烧的情况下使用来自气罐142的压缩空气倉;
[0039]2)空气压缩器(AC)模式，其包括在无燃烧的情况下将压缩空气能量储存到气罐142 中；
[0040]3)空气膨胀器和点火(AEF)模式，其包括在有燃烧的情况下使用来自气罐142的压缩空气能量；和
[0041]4)点火和充气(FC)模式，其包括在有燃烧的情况下将压缩空气能量储存到气罐142 中。
[0042]关于分开循环发动机的其它细节可以在标题为Split Four Stroke CycleInternal Combustion Engine且于2003年4月8日公开的美国专利US6543225 ;和标题为Split-Cycle Four-Stroke Engine 且于 2005 年 10 月 11 日公开的美国专利 US6952923 中找到，其每一个在此全文并入作为参考。
[0043]关于空气混合发动机的其它细节公开于标题为Split-Cycle Air Hybrid Engine且发表于2008年4月8日的美国专利US7353786 ;标题为Split-Cycle Air Hybrid Engine且于2010年7月18日申请的美国专利申请61/365343 ;和标题为Split-Cycle Air HybridEngine且于2010年3月15日申请的美国专利申请61/313831中，其每一个在此全文并入作为参考。
【发明内容】
[0044]公开了总的涉及选择性停用一个或多个发动机阀的装置及相关方法。在一个实施方式中，提供了一种分开循环内燃机，其中利用高速触发阀充满和排放液压挺杆，液压挺杆形成发动机阀的无效运动系统的一部分。可以用滑柱阀选择性地将挺杆与触发阀断开，由此停用关联的发动机阀(即，防止发动机阀开启)。在此公开的装置和方法在传统的内燃机中也有应用并且可以与向内开启和/或向外开启的阀一起使用。
[0045]在本发明的至少一个实施方式的一个方面中，提供了包括第一跨接入口阀和第一跨接出口阀的分开循环发动机，由第一跨接入口阀和第一跨接出口阀构成的组中选择的至少一个阀可以被选择性停用。
[0046]在本发明的至少一个实施方式的另一个方面中，提供了控制发动机阀的方法，所述方法包括通过定位滑柱阀从而使操作地耦联到发动机阀的可调节液压挺杆与触发阀流体连通来启动发动机阀，所述触发阀控制流体流入和流出挺杆。该方法还包括通过定位滑柱阀从而使挺杆与触发阀液压地断开来停用发动机阀。
[0047]在本发明的至少一个实施方式的另一个方面中，提供了一种阀致动系统，其包括耦联到可调节液压挺杆的支承元件和凸轮，凸轮被构造成当支承元件位于凸轮的偏心部分和在摇臂上形成的摇臂垫之间时使支承元件运动并由此使摇臂旋转。该系统还包括发动机阀，其耦联到摇臂上从而使摇臂在第一方向上的旋转有效地开启发动机阀并且摇臂在与第一方向相反的第二方向上的旋转有效地关闭发动机阀。所述系统还包括触发阀和滑柱阀，触发阀容许可调节的液压挺杆被选择性地排放和充满液压流体从而使支承元件的位置可以被调节，滑柱阀具有第一构形和第二构形，在第一构形中可调节的液压挺杆位于与触发阀流体连通的位置从而使发动机阀启动，在第二构形中可调节的液压挺杆与触发阀液压地断开并且改为位于与液压蓄能器流体连通的位置中从而使发动机阀停用。所述系统还包括构形成选择性地将滑柱阀置于第一构形或第二构形中的螺线管。
[0048]本发明进一步提供了如权利要求的装置、系统和方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]由下面结合附图进行的详细描述将会更完全地理解发明，其中:
[0050]图1是根据本发明的现有技术的分开循环空气混合发动机的一个实施方式的示意截面图；
[0051]图2A是根据本发明的分开循环发动机的跨接通道的一个实施方式的示意截面图；
[0052]图2B是根据本发明的分开循环发动机的跨接通道的另一个实施方式的示意截面图；
[0053]图2C是根据本发明的分开循环发动机的跨接通道的另一个实施方式的示意截面图；
[0054]图3A是根据本发明的阀机构的一个实施方式的示意图，其中阀是关闭的；
[0055]图3B是图3A的阀机构的示意图，其中阀是开启的；
[0056]图3C是图3A和图3B的阀机构的示意图，其中阀早于凸轮轮廓要求的时间关闭；
[0057]图4A是根据本发明的阀停用系统的一个实施方式的示意图，其中发动机阀是启动的；和
[0058]图4B是图4A的阀停用系统的示意图，其中发动机阀是停用的。
【具体实施方式】
[0059]现在将会描述某些示例性的实施方式以提供在此公开的装置和方法的结构、功能、制造和使用的原理的总体理解。这些实施方式的一个或多个实例在附图中示出。本领域的技术人员将会理解在此具体描述和示出于附图中的装置和方法是非限制性的示例性实施方式，并且本发明的范围完全由权利要求限定。结合一个示例性实施方式说明或描述的特征可以与其它实施方式的特征结合。这种修改和改变都应当被包含在本发明的范围内。
[0060]虽然在此在分开循环发动机和/或空气混合发动机的环境下公开了某些方法和装置，但本领域普通技术人员将会理解在此公开的方法和装置可以用于任何各种环境中，包括，但不限于，非混合发动机、两冲程和四冲程发动机、传统发动机、柴油机等。
[0061]为了使在此公开的发动机以最大效率工作，需要改变各种发动机阀的开启参数，并且在有些情况中，停用一个或多个阀。正如在此使用的，“停用”阀包括主动将阀保持在关闭位置中和/或防止阀开启。阀停用在包括多个跨接通道或在单个跨接通道中包括多个入口和/或出口阀的发动机中是特别有利的。例如，当发动机在低速或在低负荷下工作时，一个或多个阀可以被停用以便使发动机仅仅以单个跨接通道工作，或者仅仅使用单组跨接阀。这减少了发动机经历的寄生损失，增加了压缩比，并且改进了工作稳定性和效率。
[0062]图2A-2C示出了跨接通道和相关阀的各种构形。图2A示出了图1的跨接通道112的俯视截面图。如图所示，通过致动XovrC阀114来选择性地开启和关闭跨接通道的入口。同样地，通过致动XovrE阀116来选择性地开启和关闭跨接通道112的出口。图2B示出了分开循环发动机的另一个实施方式，其中提供了多个跨接通道112’。每个跨接通道112’包括其自己相应的XovrC阀114’和XovrE阀116’。图2C示出了分开循环发动机的又一个实施方式，其中多个跨接通道112A’’、112B’’设置为对于各种负荷范围要求具有多个通道尺寸。在所示的实施方式中，相应更小的跨接通道112A’’，及其相关的更小的XovrC和XovrE阀114A’ ’、116A’ ’被用于预定负荷范围的较低部分。另外，相应地更大的跨接通道112B’ ’，及其相关的更大的XovrC和XovrE阀114B’’、116B’’被用于预定负荷范围的中间部分。最后，两个跨接通道112A’’、112B’’合并可以用于相同预定负荷范围的较高部分。
[0063]图3A-3C示出了适合于调节各种发动机阀参数(S卩，修改由凸轮轮廓制止的阀运动以便改变阀的开启定时、开启速率、开启持续时间等)的阀机构的一个示例性实施方式。应该理解示出的阀机构仅仅是一个示例性实施方式，并且可以使用任何各种阀机构而不背离本发明的范围。示出的阀机构在分开循环发动机中是特别有用的，这种发动机在膨胀活塞到达其TDC位置之后引燃其充料。在这些发动机中，跨接阀(即114、116)的动态致动的要求是非常高的，这是因为跨接阀必须总体上获得足够的升程以在相对于传统发动机而言非常短的曲轴旋转期间内(典型地在大约30到60度CA的范围内)完全输送燃料-空气充料，传统发动机通常在大约180度CA的期间致动阀。结果，要求跨接阀的致动比传统发动机的阀快大约四到六倍。因此，阀机构必须能够有较快的致动速率。所示的阀机构可以用于致动任何发动机阀，包括，但不限于分开循环发动机的XovrC和XovrE跨接阀。
[0064]如图3A中所示，阀机构300通常包括凸轮302、摇臂304、阀306、和可调节的机械元件308。阀机构300还包括一个或多个相关的支撑元件，为了简洁的目的而没有将其示出。
[0065]阀306包括阀头310和从阀头310垂直伸出的阀杆312。阀适配器组件314设置在阀头310的对侧的杆312的尖端并且牢固地固定在该尖端上。当阀306处于其关闭位置中时，阀弹簧(未示出)将阀头310牢固地保持在阀座316上。任何各种阀弹簧都可以用于此目的，例如包括空气或气弹簧。另外，虽然所示的阀306是向外开启的提升阀，但任何凸轮致动的阀都可以使用，包括向内开启的提升阀，而不背离本发明的范围。
[0066]摇臂304在一端包括叉形的摇臂垫320，其跨骑在阀杆312上并且与阀适配器组件314的下侧接合。另外，摇臂304在相对端包括实心的摇臂垫322，其可滑动地接触可调节的机械元件308。摇臂304还包括贯穿其延伸的摇臂轴孔324，摇臂轴孔324设置于支撑摇臂轴328上从而使摇臂304在摇臂轴328上围绕旋转轴329旋转。
[0067]摇臂304的叉形摇臂垫320接触向外开启的提升阀306的阀适配器组件314从而使由凸轮302的致动和可调节机械元件308引起的摇臂垫322的向下方向转化为摇臂垫320的向上运动，该向上运动又开启阀306。选择摇臂304的几何结构以获得在叉形摇臂垫320和摇臂旋转轴329之间的距离与在摇臂垫322和摇臂旋转轴329之间的距离的所需比值。在一个实施方式中，该比值可以在大约1:1和大约2:1之间，并且优选地为大约1.3:1，大约L 4:1，大约1.5:1，大约1.6:1，或大约1.7:1。
[0068]凸轮302是“同心凸轮(dwell cam)”，如在此使用的是包括至少5度CA的同心部分(即，具有恒定半径的凸轮的偏心部分的一部分)的凸轮。在所示的实施方式中，同心凸轮302顺时针(沿箭头Al的方向)旋转。同心凸轮302总的包括基圆部分318和偏心部分326。当凸轮302的偏心部分326接触可调节的机械元件308时，可调节的机械元件枢转，然后其使摇臂304围绕摇臂轴328旋转以提升阀306离开其座316。
[0069]偏心部分326包括开启斜坡330、关闭斜坡332、和同心部分334。同心部分334可以为各种尺寸(例如至少5度CA)，并且在所示的实施方式中，其尺寸被制作为符合在发动机工作条件和/或空气混合模式的全部范围上所需的最长的可能阀动作持续时间(即，最大的阀动作)。凸轮302的开启斜坡330的轮廓构造为以所需速率充分获得发动机阀306的所需升程的形状。关闭斜坡332 (或“着陆”斜坡)成形为当阀接近阀座316时快速减小阀306的速度。关于同心凸轮的进一步细节可以在与本申请同日申请的标题为“SPLIT-CYCLEAIR HYBRID ENGINE WITH DWELL CAM”的美国申请13/359525中找到，其在此全文并入作为参考。
[0070]用可调节的机械元件308选择性地改变阀306的升程和开启与关闭参数。在图3A-3C的实施方式中，可调节的机械元件308包括支承元件336、连接臂338、和可调节的液压挺杆340。
[0071]如图所示，支承元件336具有由相对的第一和第二支承表面342、344限定的大体上椭圆形的截面，每个支承表面都具有大体上凸起的轮廓。支承元件336选择性地位于凸轮302和摇臂304之间从而使第一支承表面342可滑动地与凸轮302接合并且第二支承表面344可滑动地与摇臂垫322接合。支承元件336例如具有一个或多个形成于其中的空腔346，以减小支承元件336的总质量并且因此便于更快致动。
[0072]经由至少一个连接臂338将支承元件336耦联到可调节的液压挺杆340。在所示的实施方式中，连接臂338是具有近端348和远端349的大体上圆柱形的臂，连接臂338的远端349耦联到支承元件336而连接臂338的近端348耦联到挺杆340。
[0073]连接臂338可以以各种方式匹配到挺杆340和支承元件336上。例如，连接臂338可以通过例如螺钉、螺栓、卡扣连接等固定地匹配到挺杆340和/或支承元件336上，可以与挺杆340和/或支承元件336整体地形成，或者可以枢轴地匹配到挺杆340和支承元件336之一或两者上。在所示的实施方式中，连接臂338与支承元件336整体地形成。连接臂338的近端348具有形成于其上的大体上球状的球体350，球体350具有合适尺寸并且另外构形成被形成于挺杆340远端中的对应的承窝352接收，从而使连接臂338可相对于挺杆340枢转。换句话说，连接臂338围绕多个旋转轴自由旋转，所述多个旋转轴基本上横向于挺杆340的纵轴。连接臂338还可以匹配到挺杆340从而使其围绕枢销、轴或其它耦联装置旋转。虽然在所示的实施方式中，支承元件336与连接臂338整体地形成，但也可以利用将连接臂338匹配到挺杆340上的任何上述技术将支承元件336枢轴地耦联到连接臂338。
[0074]挺杆340是可调节的从而使耦联到其上的连接臂338和支承元件336可以选择性地朝着凸轮302和摇臂304前进或从凸轮302和摇臂304缩回(即，沿横向方向)。
[0075]在一个实施方式中，挺杆340被构造成对连接臂338和支承元件336施加拉力和推力。例如，挺杆340可以确定内部空腔，内部空腔中可滑动地接收活塞。活塞与空腔的内表面形成密封从而由其限定第一和第二流体室，在活塞的两侧上各有一个。活塞操作地耦联到承窝352和/或连接臂338从而使活塞的线性运动使连接臂产生对应的线性运动,在挺杆340中限定的第一和第二流体室选择性地充满和排放液压流体以使活塞(因而支承元件336)朝着或远离凸轮302和摇臂304移动。
[0076]替代地，挺杆340可以被构形成仅对支承元件336施加推力，在这种情况中，由凸轮、摇臂、和/或一个或多个偏压弹簧提供的力用于迫使支承元件336进入缩回位置。例如，挺杆340可以包括第一和第二圆柱形伸缩式半部，其限定了在其各个内部之间的流体室。如以下将会说明的，挺杆由流体控制系统致动。当挺杆340被致动时，流体被从流体室中排出，容许第一和第二伸缩式半部相对于彼此并且朝着彼此滑动，由此减小挺杆340的总长度L。流体控制系统被构形成将液压流体保持在挺杆340中，从而使挺杆340的长度L保持基本上恒定。流体控制系统还被构形成部分或完全排放挺杆340的流体，容许挺杆340部分或完全收缩，由此减小其长度L。流体控制系统还选择性地再充满挺杆340，使其线性扩展从而增加其总长度L。
[0077]虽然所示的实施方式包括液压挺杆340以使连接臂338和支承元件336前进和/或缩回，为此目的可以采用各种其它机构而不背离本发明的范围。例如，气动、机械、电动、和/或电磁致动器可以用于使连接臂338和/或支承元件336运动。
[0078]在操作中，当其上安装有凸轮302的凸轮轴由发动机曲轴的旋转驱动时，凸轮302顺时针旋转。如图3A中所示，当凸轮302的基圆部分318与支承元件336接合时，摇臂304保持在“完全关闭”位置中，其中叉形的摇臂垫320没有对阀306施加足够的提升力以克服阀弹簧的偏压，并且因此阀306保持关闭。在所示的实施方式中，支承元件336的厚度和凸轮302与摇臂304之间的间距具有合适尺寸从而使得即使当支承元件336的最厚部分位于凸轮302的基圆部分318和摇臂304之间时，阀306保持关闭。
[0079]如图3B中所示，在凸轮旋转的一部分期间，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使支承元件336向下运动，导致连接臂338沿顺时针方向围绕挺杆340的远端枢转。当连接臂338枢转时，支承元件336的一些或所有向下运动传给摇臂304，其与支承元件336的第二支承表面344接合。这导致摇臂304的逆时针旋转，这又有效地提升阀306离开座316。因为支承表面342、344是弯曲的从而使支承元件336沿其长度具有变化的厚度，所以通过改变支承元件336插入在凸轮302和摇臂304之间的程度来控制阀306提升的程度。例如在图3B中，支承元件336被如此插入从而使其最厚的部分置于摇臂垫322的最厚部分和凸轮302之间，由此使阀306具有最大升程。通过沿挺杆340的方向轻微地收回支承元件336而实现阀升程的减小。在图3B中，流体控制系统在挺杆340中保持规定量的液压流体从而使其长度L保持基本恒定，并且传到支承元件336的一些或所有运动被传输到阀306，将其提升离开座316。换句话说，在将挺杆340保持在恒定长度的情况下，阀306的运动将会基本上反映凸轮302的轮廓。
[0080]如图3C中所示，阀机构300能够在凸轮302的关闭斜坡332触到支承元件336之前关闭阀，并且能够减小阀306开启的程度。例如，流体控制系统可以容许液压流体从挺杆340的流体室突然释放。当容许流体排出挺杆340时，沿箭头A2的方向作用于支承元件336上的挤压力有效地推动支承元件336离开凸轮302和摇臂304，压缩或收缩挺杆340并且推动来自其中的液压流体。挤压力通过下面两者的合力产生:阀弹簧沿顺时针方向偏压摇臂304，以及凸轮的偏心部分326克服支承元件336沿顺时针方向旋转的力。应当理解挤压力仅仅是作用于支承元件336上的力的较小分力，并且支承元件336成形为使凸轮302的大部分力向下施加到摇臂垫322上，反之亦然。还应当理解，支承元件336被从凸轮302和摇臂304之间压出的程度，因而容许阀306关闭的程度，可以通过调节容许液压流体从挺杆340排出的程度来进行控制。换句话说，流体控制系统可以短暂地容许流体从挺杆340排出，然后再次保持挺杆340中的流体水平从而使其仅仅收缩到对应于从流体室排出的流体量的程度，在这种情况中，阀306将仅仅部分关闭。当需要调节阀306的提升高度时，这是所需的。替代地，流体控制系统可以容许挺杆340压缩到足够远以容许阀306完全关闭。
[0081]在挺杆340被构形成既推又拉连接臂338和支承元件336的实施方式中，可以控制挺杆340主动拉动支承元件336离开凸轮302和摇臂304，而不是依靠前述挤压力。
[0082]在图3C中，支承元件336显示为缩回得离凸轮302和摇臂304足够远从而使得没有足够的运动从凸轮302的偏心部分336传到摇臂304使阀306实际上被提升离开座316，因此阀306关闭或保持关闭。因此阀机构300提供了容许可变阀致动的无效运动特征(即，容许阀306在早于凸轮302的轮廓所规定的时间关闭)。此外，阀机构300容许阀306的提升被改变，例如通过改变流体从挺杆340排出的程度，并因此改变阀被容许开启或关闭的程度。阀机构300因此被构形成将所有的凸轮运动传递到阀306，仅仅将凸轮运动的一部分传递到阀306，或者不将凸轮运动传递到阀306。
[0083]应当理解，通过在整个凸轮旋转期间将支承元件336保持在图3C中所示的位置中，可以完全停用阀306。换句话说，如果挺杆340被保持在长度减小的构形中从而使支承元件336从凸轮302和摇臂304之间被充分地缩回，则将没有凸轮运动传到阀306并且阀306将保持关闭。
[0084]关于包括可变阀致动功能和/或无效运动功能的阀机构的其它细节可以在与本申请同日申请的标题为 “L0ST-M0T10N VARIABLE VALVE ACTUATION SYSTEM WITH CAMPHASER”的美国申请13/359521中找到，其在此全文并入作为参考。
[0085]图4A-4B示出了用于致动第一和第二发动机阀406A、406B的阀停用和流体控制系统400的一个实施方式。阀406A、406B可以是进气阀、排气阀、和/或跨接阀，并且可以是向内开启的阀或向外开启的阀。在一个实施方式中，阀406A是向外开启的XovrC阀，其控制压缩气缸和第一跨接通道之间的空气流，而阀406B是向外开启的XovrC阀，其控制压缩气缸和第二跨接通道之间的空气流。
[0086]系统400包括高速触发阀454,液压弹簧加载的蓄能器456,和由阀停用电磁阀460致动的滑柱阀458。一个或多个止回阀462、464也包含在系统400中。液压输入管路466放置成与液压流体的供应(即，发动机供油)流体连通。第一和第二挺杆输出管路468A、468B放置成与相应的可调节液压挺杆440A、440B流体连通，可调节液压挺杆440A、440B又耦联到第一和第二发动机阀406A、406B的相应阀机构。
[0087]在操作中，滑柱阀458选择性地在至少两个位置之间移动。在“启动”位置中，耦联到第二挺杆440B的发动机阀406B被容许按照凸轮的要求(或者按照相关的无效运动系统的要求)而开启和关闭。在“停用”位置中，发动机阀406B保持在关闭位置中。
[0088]图4A示出了当滑柱阀458处于“启动”位置中时系统400的操作。在这个构形中，经由输入管路466供应的液压流体流过止回阀462并流入耦联到触发阀454和蓄能器456的流体室472中。虽然弹簧加载的蓄能器456显示在所示的实施方式中，但可以采用任何类型的低压源而不背离本发明的范围。止回阀462有利地将流体室472与液压流体供应隔离并因此容许蓄能器456提供比供应压力更大的压力。蓄能器456对流体室472中的液压流体施加力，迫使流体压在触发阀454的入口上。
[0089]当一个或两个支承元件436A、436B与凸轮402A、402B的基圆部分418A、418B接触时，油从蓄能器通过止回阀464和触发阀454 (如果其是开启的)，流入出口管路470，并最终进入挺杆440A、440B，由此扩展其长度L。在挺杆440A、440B部分或完全充满之后的某个点(即，在致动发动机阀406A的系统的情况中在凸轮402A的偏心部分426A接触支承元件436A之前)，触发阀454关闭以将液压流体的体积锁入触发阀输出管路470和挺杆440A。由于液压流体是相对不可压缩的，因此即使当凸轮402A的偏心部分426A支承在支承元件436A上以使摇臂404A沿逆时针方向旋转时，挺杆440A也将保持其长度，由此开启发动机阀406A。如果希望早于凸轮402A要求的时间(即，当支承元件436A仍与凸轮402A的偏心部分426A接触时)关闭发动机阀406A，则开启触发阀454。由凸轮402A和发动机阀弹簧(未示出)施加到支承元件436A上的力在此时足以部分或完全地收缩挺杆440A,由此迫使液压流体排出挺杆440A并且通过触发阀454流回并进入蓄能器456。换句话说，将流体从挺杆440A排出的力大于压缩蓄能器456的弹簧所需的力，从而使流体流出挺杆440A并且进入蓄能器456。
[0090]替代地，在整个凸轮旋转期间触发阀454可以保持关闭从而使支承元件436A如固体的提升器那样起作用并且发动机阀406A根据凸轮的轮廓开启和关闭。
[0091]挺杆440A可以在其曾经部分或完全排放的情况下再充满。例如，一旦凸轮402A的偏心部分426A旋转经过支承元件436A，由此施加的力就基本上被从支承元件436A上除去，并且由蓄能器456施加到流体室472中的流体上的力足以再充满和扩展挺杆440A。在挺杆440A的再充满期间，止回阀464可以提供绕过触发阀454的流体路径，或增大通过触发阀454的流量，由此增加流向挺杆的总流量。
[0092]当如图4A中所示地构形滑柱阀458时，第二挺杆440B以与第一挺杆440A基本上相同的方式操作。特别是，由于滑柱阀458定位成容许流体在触发阀输出管路470和第二挺杆输出管路468B之间流动，触发阀454可以以与第一挺杆供应管路468A几乎相同的方式将第二挺杆供应管路468B与蓄能器456选择性地断开(即，通过开启和关闭)。
[0093]然而，当如图4B中所示地构形滑柱阀458时，第二发动机阀406B停用。在该构形中，滑柱阀458阻断触发阀输出管路470和第二挺杆输出管路468B之间的流体连通。反而，滑柱阀458的位置使第二挺杆输出管路468B与流体室472流体连通。因此，与触发阀454的状态无关，第二挺杆440B与蓄能器456流体连通，与通过阀机构施加在其上的力相比蓄能器456对挺杆440B中的液压流体提供较弱的力。因而，在这个位置中，当支承元件436B与凸轮402B的基圆部分418B接触时挺杆440B在蓄能器456的压力下充满，但是会由于凸轮402B的偏心部分426B与支承元件436B接合而立即开始排放。由于挺杆440B没有在凸轮402B的提升部分期间保持充满，所以发动机阀406B在整个凸轮旋转期间保持关闭并因此“停用”。应当理解，在发动机阀406B停用时发生的挺杆440B的充满和/或排放有利地保持各种阀机构组件(即，支承元件436B，摇臂404B，和凸轮402B)彼此基本上恒定接触，这防止了当阀机构组件恢复接触时产生的过大的力，由此防止发动机损坏。
[0094]可以使用任何各种技术改变滑柱阀458的构形。在所示的实施方式中，提供了阀停用螺线管460来改变滑柱阀458的构形。如图所示，滑柱阀458通常包括流体缸474，滑柱476往复地布置于其中。偏压弹簧478将滑柱476向缸474的底部(S卩，向阀“启动”位置)偏压。当阀停用螺线管460通电时，液压流体被供应给缸474以使滑柱476克服偏压弹簧478向上移动并且将滑柱阀458置于“停用”位置中。当螺线管460断电时，缸474被耦联以排放从而偏压弹簧478使滑柱476向下移动进入“启动”位置。螺线管销480也可以直接耦联到滑柱476，在这种情况中，螺线管销的线性移动导致滑柱476的相同线性运动。阀停用螺线管460可以构形成通过将螺线管输出管路473连接到多个滑柱阀458来控制多个发动机阀406的停用，每个滑柱阀对应于相应的发动机阀。
[0095]因此，所示的系统400可以选择性地停用第二发动机阀406B而不影响第一发动机阀406A的工作。在所示的实施方式中，单个高速触发阀454与较低速的螺线管460和滑柱阀458结合使用以实现一个或多个发动机阀对的阀406B的选择性停用。应当理解，通过使用该系统，而不是其中每个阀406A、406B具有其自己相关联的高速触发阀的系统，获得了可观的优势。例如，发动机的总尺寸和成本通过使用更小和更便宜的电磁阀代替单独的高速触发阀而减小。另外，由于致动电磁阀所需的电力小于致动高速触发阀所需的电力，发动机的总寄生损失降低。
[0096]虽然有这些优点，但在一个实施方式中，省略了阀停用螺线管460和滑柱阀458而采用第二触发阀，在这种情况中，以基本上与上述第一发动机阀406A相同的方式致动第二发动机阀406B。在这种实施方式中，可以通过简单地将发动机阀的相关联的触发阀保持在开启位置中而独立地停用发动机阀之一或两个发动机阀。
[0097]在此公开的发动机和阀机构构形成在宽范围的发动机转速上可靠地工作。在某些实施方式中，根据本发明的发动机和阀机构能够工作在至少大约4000rpm，优选至少大约5000rpm,更优选至少大约7000rpm,的转速下。
[0098]虽然已经通过参考【具体实施方式】描述了本发明，但应当理解可以在所述的发明概念的精神和范围内进行各种改变。例如，在图4A和4B所示的实施方式中，两个发动机阀都是向外开启的跨接提升阀并且通过具有可变阀致动系统的同心凸轮致动，然而并不总是这种情况，例如一个或两个跨接阀可以通过没有同心部分的凸轮致动或者通过使用没有凸轮的系统致动。还有，一个或两个跨接阀可以向内开启。还可以有多于两个跨接阀，和多于一个跨接通道。进气和排气阀，和关于这点的发动机中的任何其它阀，也可以利用在此公开的系统致动和/或停用。凸轮可以安装到单独的凸轮轴上或者可以安装到相同的凸轮轴上。在一个实施方式中，发动机阀406A、406B由相同的凸轮致动。在此公开的发动机不限于具有仅仅两个气缸。因此，认为本发明并不限于所述的实施方式，而是具有下列权利要求的语言限定的完全范围。
【权利要求】
1.一种分开循环发动机，包括: 第一跨接入口阀；和 第一跨接出口阀； 其中由所述第一跨接入口阀和所述第一跨接出口阀构成的组中选择的至少一个阀能够被选择性停用。
2.根据权利要求1的分开循环发动机，进一步包括: 第二跨接入口阀；和 第二跨接出口阀； 其中由所述第一跨接入口阀、所述第二跨接入口阀、所述第一跨接出口阀、和所述第二跨接出口阀构成的组中选择的至少一个阀能够被选择性停用。·
3.根据权利要求2的分开循环发动机，其中所述第一跨接入口阀和所述第一跨接出口阀控制流体流入和流出第一跨接通道，所述第二跨接入口阀和所述第二跨接出口阀控制流体流入和流出第二跨接通道。
4.根据权利要求2的分开循环发动机，其中所述第一跨接入口阀和所述第二跨接入口阀控制流体流入第一跨接通道，所述第一跨接出口阀和所述第二跨接出口阀控制流体流出第一跨接通道。
5.根据权利要求2的分开循环发动机，其中所述至少一个阀是向外开启的提升阀。
6.根据权利要求2的分开循环发动机，其中所述发动机是空气混合发动机。
7.根据权利要求2的分开循环发动机，进一步包括选择性防止凸轮的运动被传到所述至少一个阀的无效运动系统。
8.根据权利要求2的分开循环发动机，其中所述至少一个阀操作地耦联到可调节的液压挺杆。
9.根据权利要求8的分开循环发动机，进一步包括容许所述可调节的液压挺杆排放或充满液压流体的触发阀。
10.根据权利要求9的分开循环发动机，进一步包括构形为选择性地定位所述可调节的液压挺杆使其与所述触发阀流体连通的滑柱阀。
11.根据权利要求10的分开循环发动机，进一步包括构形成调节所述滑柱阀的位置的螺线管。
12.根据权利要求11的分开循环发动机，其中所述螺线管被构形成调节多个滑柱阀的位置，所述多个滑柱阀中的每一个对应于相应的跨接入口阀或跨接出口阀。
13.—种控制发动机阀的方法,包括: 通过定位滑柱阀从而使操作地耦联到发动机阀的可调节液压挺杆与触发阀流体连通来启动所述发动机阀，所述触发阀控制流体流入和流出所述挺杆；和 通过定位所述滑柱阀从而使所述挺杆与所述触发阀液压地断开而停用所述发动机阀。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括致动螺线管以定位所述滑柱阀。
15.—种阀致动系统,其包括: 耦联到可调节的液压挺杆的支承元件； 凸轮，其构形成当所述支承元件位于所述凸轮的偏心部分和在摇臂上形成的摇臂垫之间时，使所示支承元件产生运动并由此使摇臂旋转；发动机阀，其耦联到所述摇臂从而使所述摇臂在第一方向上的旋转有效地开启所述发动机阀并且所述摇臂在与所述第一方向相反的第二方向上的旋转有效地关闭所述发动机阀； 触发阀，其容许所述可调节的液压挺杆被选择性地排放和充满液压流体从而使所述支承元件的位置可被调节； 滑柱阀，其具有第一构形和第二构形，第一构形中所述可调节的液压挺杆位于与所述触发阀流体连通的位置从而使所述发动机阀启动，第二构形中所述可调节的液压挺杆与所述触发阀液压地断开并且改为位于与液压蓄能器流体连通的位置中从而使所述发动机阀停用；和 螺线管，其构形成选择性地.将所述滑柱阀置于所述第一构形或所述第二构形中。
【文档编号】F01L3/00GK103443408SQ201280015981
【公开日】2013年12月11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, 布鲁斯·斯旺本 申请人:史古德利集团公司