专利名称：内燃发动机阀门组件的制作方法
本申请是本申请人1987年10月29日申请的、题为“内燃发动机阀门组件”、美国申请号为No.07/114，353的后续。
本发明一般涉及采用进气阀和/或排气阀的内燃发动机之领域，更具体地说本发明所推荐的型式是包括一合适的在阀门最终封闭到位期间作缓冲运动的发动机阀门。
在使用进气和排气阀的内燃发动机中，阀门关闭速率是最主要的阀门装置性能参数之一，过大的阀门关闭速率可能会引起诸如高的阀位后退、阀杆伸长以及阀头磨损等寿命问题。高的阀门关闭速率还可导致诸如关闭后“颤动”以及噪音值高等的性能问题。
这些问题的已知处理方式是磨光凸轮轴凸角，使阀门在其接近阀座时减速、继而以较低速度关闭。这种已有技术对于传统的带固定式阀门装置几何形状的发动机是相当令人满意的。然而近来内燃发动机已日愈频繁地采用液压阀门杆以改变阀门定时和开启时间，从而在不同运行状态(即如所谓的“无效运动”系统)提供更理想的发动机性能。这种采用液压阀门挺杆的系统之一在拉塞尔·J·维克曼的题为“发动机阀门定时控制系统”公布于1986.10.7.的美国专利No.4615306中有所披露(这一已有技术的全部内容在此将供参考，以下称为“维克曼第306号专利)。
在维克曼′306专利中，阀门定时和阀门开启时间作为插杆运行结果通过发动机油源内产生的压力脉冲进行控制，一对活塞将一腔室限定其中，该腔室与一控制活塞间的液压联杆的螺线管相通。随着下活塞朝凸轮的外部上方移动，油液被从腔室吸出进入通道，直至下活塞的位移由电控装置控制而被液动转换给上活塞为止。此时，螺线管被通电而形成一坚硬的液压联杆联接下活塞至上活塞的运动，接着将阀门开启。
这种技术使得“无效运动”系统有效地剔除了平缓的关闭凸轮斜边。因此正如前面简要提到的一样，可能会产生高的阀门关闭速度、噪音以及阀门寿命的问题(即阀门过度磨损)。
尽管在实际中低速开启凸轮斜边相对可有可无，因为“无效运动”系统的液压通常有足够的可塑性，但直接从高速关闭凸轮的斜边的来关闭阀门会引起所有前面提到的可预见的问题，因为平缓(即低速)的关闭凸轮斜边在采用“无效运动”系统时有效地消失。已有技术提供带有更平缓斜度的关闭斜边(因此阀门关闭速度更低)，在“无效运动”系统中不是可以接受的解决办法，因为斜边的平缓斜度也许要消耗大量的凸轮转动以便使阀门能关闭，从而损害了发动机的性能。因此需要一种发动机阀门，其在关闭到位时运动减缓从而可配合“无效运动”阀门挺杆系统。而且，如果有一种发动机阀门，其在提供低下阀门关闭速度时仍能有效地达到缓冲性能(即除阀门外无需附加运动零件)，这将是很有利的。
以往曾有过液压减速发动机阀门，如IsaoOmoteharaetal的题为“内燃发动机的阀门运行装置”的美国专利U.S.Nos3，209737;JosephCarlFirely的题为“汽油发动机角形控制器”的3938483、“具有速度修正的汽油发动机控制器”4009694;PaulM.Stivender的题为“定时调节装置”2827884;以及HeinzLinks的“内燃发动机进气、排气阀运行的液压控制装置”3865088。
在Omoteharaetal737中披露一液动发动机阀门，其包括一形成于柱塞12上的突出部15以伸入缓冲器空间13，迫使油液从该空间13通过阀孔14流出。这种油液的“排出”一直持续到针杆16(与突出部15共轴设置)完全插入阀孔14中为止。杆16/阀孔14和突出部15/缓冲器空间13之间的间隙尺寸选择要使阀门关阀到位时冲击力减缓。然而没有合适的方式选择阀门关闭循环中的减速点，因增长或减短“杆”16将在阀孔完全关闭时对该点有一小冲击。况且，杆16和突出部15的共轴配置使之仅能和液压调节机构配合使用，从而与使用更多的采用阀门弹簧的传统机械阀门调节机构相左。
Firey′483和′694均展示了一种发动机阀门，其具有一在阀门开启程期间允许油液自由流过，但在阀门开始其关闭程时阻止油流通过的止回阀。然而这种“减振器”结构在阀门的整个活塞下降行程期间始终延滞阀门回归其关闭位，从而可能损害发动机的性能。
在Stivender′884中披露的发动机阀门基于一种复杂的回转阀118，其在工作时刚好在阀柱78分别完成其阀门开启、阀门关闭行程前，封闭其循环的进油和出油部分。调整阀门60、62时，回转阀118(实验时在外部测试台完成)使柱塞78在每一行程结束时、即在柱塞撞击某减振衬垫79，79′和80、81′之前减速。尽管回转阀118确定了发动机阀门的开启、关闭行程中进行减速的位置，但因其繁杂的阀门调节机理，显然不适用于当今尖端的内燃发动机。
最后提到Links′088的发动机阀门，借助设在楔入一空腔35或35′中的工作活塞9上的套环装置34、可朝其任一行程的端部液压制动。空腔35、35′比套环34的直径稍大，使油液通过形成于二者之间的狭窄间隙逸出并因此达到缓冲效果。
正如该技术中的估价，以上所述的已有方案没有一个适用于“无效运动”阀门控制系统，因为它们不能精确地确定阀门的下降行程内发生减速的位置一即不采用所不希望的附加运动零件及带来可靠性问题的繁杂阀门结构就行不通。因此，需要一种简化的被动式阀门减速系统，但根据本申请人所知，这一需要尚未得到满足。
然而，根据本发明已提供一种特别设计的发动机阀门，其具有一作为液动阀柱的改进阀杆，就是说阀杆含有一较大的截面直径的部分(与阀杆相比)，从而在阀门导轨中形成一液压缓冲室。该室一端由滑动阀柱封闭，另一端由较小直径的阀杆的阀门导轨封闭。当阀门开启，缓冲室体积增大、反之随阀门关闭则体积减小。一进油道和一排油道与缓冲室相通，但在正常情况下由阀柱的圆周表面封闭(即在阀门关闭时)。进油道与增压发动机油液系统相连并在阀门的开启循环时在一预定位置打开，从而允许缓冲室(此时进油道与之相通)在压力下充满油。另一方面，排油道的设置使油液通过之而从缓冲室中排至一低压区(具体地说在阀盖中)，已排出的油液在那里由普通发动机油液再循环系统回收。
在发动机阀门关闭循环的一预定位置，阀柱将盖住、并因此封闭排油道从而将之密封。当发动机阀门在阀门弹簧的偏压影响下进一步关闭时，阀柱继续排开油液(油液先前在关闭循环时流过排油道，但现在必须流过设于阀柱和阀门导轨之间的交节流的空间)。因此，由于排油道封闭，阀门的速度因油液“淤集”在缓冲室内而明显降低一此淤集的油液而后经高节流的空间逸出，从而在阀门关闭到位期间维持这一发动机阀门关闭速度。
况且相对于固定的缓冲室壁，与缓冲室相连的排油道一端之位置，当对本发明结构有利的运动缓冲功能行将开始时而形成在阀门的关闭循环期间的精确位置。接着它再允许阀门在其下降行程的任何预定位置减速，其优点是允许发动机设计人员以多种阀门开启系统(包括“无效运动”系统)结合本发明的阀门结构而不影响发动机的性能。
阀门用至少一对轴向分置的密封件密封防止漏油。一泄口设于气缸盖中，其有一入口端，其在阀门处于开启位、关闭位间的阀门行程期间一直与位于分置的密封件之间的阀门导轨相通。泄口的出口端与发动机油液循环系统中(具体即阀门盖中)的一低压区相连。以此方式，所有可渗过上方密封件的油液直接通过泄口流到发动机油液循环系统的低压区中。另一方面，下方的密封件防止油液渗入燃烧室中而影响发动机的性能。
本发明的这些及其它目的和优点对那些本技术领域熟练人员来说在仔细参阅以下所述的实施例说明后将变得更为清楚。
以下结合本发明之最佳实施例对本发明作进一步的参考说明，其中各图出现的相同数字标号表示同一结构部件。简言之，附图包括
图1是本发明的使用阀门缓冲结构之发动机阀门控制系统的局部横剖示意图;
图2是本发明之阀门缓冲结构局部剖图，其中发动机阀门处于关闭位置;
图3是与图2相似的阀门缓冲结构视图，但阀门处于其关闭、开启位置之间的过渡位置;
图4是与图2、3相似的阀门缓冲结构视图，但阀门处于开启位置。
图1是本发明的使用阀门结构10的阀门装置横剖示意图。与传统技术一样，阀门装置包括一可旋转的凸轮12及阀门挺杆14，该杆最好使用诸如维克曼(Wakeman)第306号专利中所披露的一种“无效运动”液压挺杆组件。挺杆14包括一凸轮从动件16从动于凸轮12之外廓，其基本效果是移动摇臂20的一端18。摇臂20绕其枢轴22转动，相应移动其另一端24对阀门28的阀杆26产生作用。尽管本发明的阀门结构10如图所示在摇杆类型的发动机中使用，但它还可适用于具有其它阀门挺杆运动传递结构的发动机一例如采用推杆或指形从动件，此外对于上架凸轮类型的发动机还可列举数种。
阀门28可相对孔隙32(其可以是二冲程或四冲程内燃发动机的进口和/或排泄口)的开口作往复运动，孔隙32界定于汽缸头34中以开启、关闭孔隙32与燃烧室36之间的联系。
就结构而言，阀门28包括一阀柱部分38，其横截面直径较阀杆26大，从而在阀柱导轨42中界定一作用在阀柱部分38上的缓冲室40。如图1所示，缓冲室40由导轨42的上部分确定并在其上下端通过阀柱38的上表面38a和阀杆26的导轨26a关闭。可以理解，阀杆26和导轨26a不能形成“完美的”密封，因而在其间存在一高节流的空间。与已有技术相同，阀门28包括一阀门弹簧44，压缩在挡盖46(与阀杆26刚性联接)与气缸盖34之间、对阀门28朝其相对开口30关闭位方向加偏压(即如图1所示朝上方加偏压)。
气缸盖34本身设有进油道47、泄油道48各对应有一端头47a、48a侧通入阀柱的导轨42中。进油通道47通过发动机油泵50而与压力油相通，从而压力油可以下面将详述的方式输入缓冲室40中。另一方面，泄油道48在阀柱38循环期间，在缓冲室40和发动机油液循环系统中的低压位置(具体地说是于图1中未示出的阀套中)，之间建立一流液体联系油液在该低压位置处集中并回流入贮油槽51中，此过程与已知发动机油再循环系统相同在此无需作进一步讨论。
阀柱最好包括一对轴向分隔布置(即相对于阀柱的延长轴)的液体密封件52、54，防止油液在阀柱38和气缸盖34之间由开孔30渗入燃烧室36中。应该意识到油液渗入燃烧室36中会对发动机性能造成损害。因缓冲室40内的压力在阀门28关闭时显著增加，一些被留集于缓冲室40中的油液会不可避免地渗过最上部的密封件52(即密封件52在缓冲室40内的油压达预定值时不一定会形成一“完美的”密封)。
为此，气缸体34中设有一泄口56，其有一端头56a与形成于阀柱部分38和阀柱导轨42之间的环形节流空间58(clearance)相连。环形节流空间58的轴向尺寸范围界定于轴向分置的密封件52和54之间。泄口56的另一端56b与发动机油液循环系统的低压区相通，从而将可能已流过上密封件52渗入环形节流空间的任何油液排出阀柱导轨42。另一方面，下密封件防止油液渗入燃烧室36，这样的话就允许渗入的油液由排油口56从环形节流空间58中排出。
端头56a的位置是预先选择的，使之在阀门28于开启位、关闭位之间(即端头56a始终位于轴向分置的密封件之52、54间)的往复运动整个过程期间、在环形节流空间的轴向范围内处于连续的流体联系状态。以这种方式，所有可渗过密封件52的油液均被送入发动机油液再循环系统的低压区中，而不是进入燃烧室36中对发动机性能造成损害。节流空间58的轴向尺寸范围中泄口端头56a的相对位置也保证了密封件52、54不会在阀门运动时因其滑过端头56a而受损。
传统的“O”形环类型的密封通常因阀门28回归关闭位置时缓冲室内的油压增大而不能有效地防止油液渗入燃烧室36中，因此，根据本发明，密封件52和/或54最好采用“弹簧增强”的密封装置以便更有效地达到所要求的密封性能。这些密封装置具体包括一外部弹性密封件和一内部“弹簧”件，其在使用过程中始终对密封件加偏压而使之与相邻结构部件密封贴紧，这种密封装置的具体最佳形式可从美国尖端产品公司(Advanced Products Company)购得，其注册商标为“Ener Seal ”。
尽管附图中示出的密封件52、54实际上与阀柱部分38相连(因此阀门28往复运动期间可随之移动)，但也可以将一个或两个密封件52、54固定设置于导轨42的位置上。在这种等同配置情况下，阀柱部分38将相对于定位的密封件52、54滑动，但仍能与前面所述的方式相似防止油渗。当然，在这种等同配置情况下，泄口56的终端56a仍位于轴向分置的定位密封件52、54之间并与形成于阀柱部分38和导轨42之间的环状节流空间相通。
运行时，参见附图2-4，如图2所示，阀门循环以位于其“停歇”或关闭位的阀门28开始，在该位上，阀门28的阀柱部分38分别封闭了进油道和排油道47、48，随着开启循环期间阀门28的开始打开，阀柱部分38将首先打开排油道48和缓冲室40之间的联系，因而将空气抽入缓冲室40扩大的体积中。阀门28的这一位置(更具体的是阀柱部分38的位置)参见图3。如图所示，进油道38在图4所示的阀门28几乎完全开启状态前一直被阀柱部分38封闭，同时，油液在源自发动机油泵P的压力下经由进油道47压入缓冲室40，从而再将空气由排油道48驱出。
应注意到，随着通道47被阀柱部分38局部打开(即在当凸肩表面38a刚好不盖住通道47时的位置处)，压力油将开始进入缓冲室40，然后开始进入的油将对阀柱部分38的凸肩表面38a起作用，辅助摇臂20(或其它合适的阀门开启结构)将阀门28移至其开启位。
当阀门28在关闭循环期间朝其关闭位移动时，因缓冲室40中油压增加，油液首先将被压回进油道47，从而减缓阀门的运动。这时，供油道47将被封闭，从而压力油停止流出缓冲室40。此时，室40内的油液因通道48的截面尺寸明显比进油道47之截面尺寸小而以减小的速率流过排油道48。油液由通道48从室40排出的量的减少导致了阀门28关闭速度下降，这就是说通道48的截面尺寸引起室40中压力有效地增加从而减低了关闭循环期间的阀门28关闭速度。而且，油液由通道48排出缓冲室40的速度下降，(因通道截面尺寸较小)使增大的压力在缓冲室40内基本保持恒定。
当阀门28移近其阀座时，排油道48将被封闭从而缓冲室40中的油液被有效地“收集”在其中。因此阀门弹簧44提供的弹簧力不断将阀门28迫至其阀座缓冲室40中的压力的进一步增加(现在缓冲室通过设在阀杆26及其导轨26a之间的受限制空隙、漏油显著减少)引起阀门28以很低的速度走完最后余下的一小段距离而关闭。
与阀柱部分38的上表面38a相比，排油道48的位置决定阀门28关闭循环期间缓冲开始进行的位置，同样，阀门28缓冲或减速之速率由排油道48的截面尺寸决定。例如，通道48的截面直径可以是0.050英寸(1.3mm)，当阀门28距离关紧位0.025英寸(0.63mm)时由表面38a将之封闭。
从图2-4也可以看到，排油口56的端头56a相对分置的密封件52、54之位置如是设置，使得端头56a在阀门28处于开启位(即图4所示)和关闭位(即图2所示)之间的往复运动期间内一直保持与环状节流空间58相通。以此方式，可渗过密封件52的油液(如可由前面所述的缓冲室40中形成的增大的压力引起)被排出环状节流空间58，从而密封件54可有效地防止油液渗入燃烧室36。
正如现在可以毫不怀疑地估价，本发明的系统10与已有系统有许多相似之处，即采用平缓的开启、关闭凸轮斜边。然而在使用本发明时，阀门缓慢地关闭可以在凸轮上任一处获得，从而说明本发明适用于“无效运动”系统以减少阀门越程运动，无需综合考虑凸轮和担心阀门撞击并因之而影响其寿命的问题。
因此，尽管本发明已结合最佳实施例作了详细的叙述，但可以理解本发明并不局限于所披露的实施例，相反，其将覆盖包括在所附权利要求范围和精髓内的各种改进和等同的设置中。
权利要求
1.一种内燃发动机阀门组件，包括一阀门28，其有一阀杆26、一装配所述阀门以使其在开启、关闭位之间往复运动的阀门导轨26a、以及一偏压所述阀门28至其关闭位的弹簧装置44，其特征在于还包括一截面直径大于所述阀杆26的阀柱38、以及一所述阀柱38在阀门行程期间可在其中移动的阀柱导轨42、所述阀柱38的上表面38a和所述阀柱导轨42的一部分共同构成一在阀门行程期间体积变化的缓冲室40、一将油液引入所述缓冲室40的进油道47和一将油液排出缓冲室40的排油道48，所述进油道47和排油道48均从侧面通入所述阀柱导轨42中。
2.一种这种型式的阀门控制系统，包括一可往复运动的发动机阀门28、一有一外廓的旋转凸轮、以及一从动于所述凸轮外部并相应往复移动所述发动机阀门28的挺杆装置14，所述挺杆装置14包括一变化的液压连杆以控制阀门开启和运行，其特征是包括与阀门28相关的、减小阀门关闭速度的装置，其包括一截面直径较所述阀杆26大的阀柱38;一阀柱导轨42，所述阀柱38在所述阀门28的行程期间可在其中运动;所述阀柱38的一上表面38a和所述阀柱导轨42的一部分共同形成一在阀门行程期间体积变化的缓冲室40;一将油引入所述缓冲室40的进油道47;一将油排出所述缓冲室40的排油道48;所述进油道47和排油道48均从侧面通入阀柱导轨42中。
3.一种内燃发动机阀门组件，其特征是包括一带阀杆26的阀门28;一安装所述阀杆26、使所述阀门28在开启启、关闭位之间往复运动的装置26a、42;所述阀杆26包括一阀柱部分38，其与所述安装装置26a、42共同确定一缓冲室40;一进油道47，其通常在所述阀门28处于关闭位时由所述阀柱部分38封闭，但在阀门28从关闭位运动开启位时被打开以将压力油引入所述缓冲室40;一受限制排油道48，它也与所述缓冲室40相通、在阀门28从其开启位朝其关闭位移动时允许油液经过它排出缓冲室，所述排油道48恰在阀门28到达其关闭位前由阀柱部分48关闭，从而所述阀门28到达关闭位的最终速度被减缓。
4.一种发动机阀门仅在其开启和关闭循环中关闭运动到达阀位期间进行液压减速的装置，其特征是包括一与发动机阀门28运行有关的缓冲室40;一将液体引入缓冲室的装置47;一在阀门关闭运动期间、于阀门28某一预定位置将所述已引入缓冲室40中的液体收集的装置38、以将阀门28的速度V1减至一较小速度V2;一可控制地允许所述收集的液体从缓冲室40逸出的装置48以便在阀门28从所述预定位置到其关闭位的进一步运动期间基本维持其所述速度V2。
5.如权利要求4所述的装置，其特征是所述将液体引入缓冲室的装置包括一截面积为A1的进油道47，其中所述收集液体的装置包括在所述预定位置关闭进油道47和缓冲室40之间液体联系的装置38/47a。
6.如权利要求5所述的装置，其特征是所述关闭液体联系的装置包括一所述阀门的区域，其在所述预定位置上关闭所述进油道和所述缓冲室之间液体的联系。
7.如权利要求5所述的装置，其特征是所述可控制地允许所述液体从缓冲室逸出的装置包括一排油道48，其截面积A2比所述进油道47的面积A1小并在所述阀门关闭运动到位期间基本维持所述阀门28的速度V2。
8.一种内燃发动机的发动机阀门液压缓冲系统，其特征是包括一阀门导轨26、42;一阀门28，其带有一装于所述导轨42中的阀柱38以在开启位和关闭位之间作往复直线运动;所述阀柱38有一截面尺寸较其另一区域小的区域26，该减小的截面区26与所述导轨26、42共同形成一缓冲室40;一将油液引入所述缓冲室40的进油道47;一允许所述油液从所述缓冲室40有控制地逸出的排油道48;其中所述阀柱38的另一区组成在阀门从其开启位运动至关闭位期间、在阀门28的一预定位置上关闭进油道47与缓冲室40之间的联系的装置，使已引入缓冲室40中的油液汇集，已汇集的油液经由所述排油道48以可控制的方式逸出缓冲室40，从而将阀门28的关闭速度从恰在到达所述预定位置前的速度V1减缓至恰在到达所述预定位置后的较小速度V2。
9.如权利要求8所述的发动机阀门系统，其特征在于所述阀柱38还包括密封所述阀柱和导轨防止油渗的密封装置52。
10.如权利要求9所述的发动机阀门系统，其特征是所述密封装置52包括一外部密封件和偏压所述密封件与所述导轨紧贴密封的内部偏压装置。
全文摘要
一种特别合适的发动机阀门28，包括在阀门28最后关闭到位时减缓其运动的结构。阀门28的一阀柱部分38与相关导轨42共同形成一缓冲室40，压力油可由进油道47引入，油液通过一流动受限制的排油道40在阀门28关闭期间排出，在缓冲室40中造成有利的压力并因此减缓阀门关闭速度。因缓冲功能被动地进行(即仅依赖阀门在导轨中的相对位置)，阀门可在凸轮12的任意点处进行平缓的关闭，从而使其特别适用于“无效运动”阀门控制系统中。
文档编号F01L9/02GK1032837SQ88107470
公开日1989年5月10日 申请日期1988年10月27日 优先权日1987年10月29日
发明者拉塞尔·杰·维克曼, 斯蒂芬·F·希尔 申请人:联合讯号公司