CN101084365A - 用于内燃机气门致动的摇臂系统 - Google Patents

用于内燃机气门致动的摇臂系统 Download PDF

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CN101084365A CNA2005800235006A CN200580023500A CN101084365A CN 101084365 A CN101084365 A CN 101084365A CN A2005800235006 A CNA2005800235006 A CN A2005800235006A CN 200580023500 A CN200580023500 A CN 200580023500A CN 101084365 A CN101084365 A CN 101084365A
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Abstract

公开了用于致动内燃机气门的系统和方法。该系统可以包括主摇臂和辅助摇臂，所述主摇臂和辅助摇臂彼此靠近地设置在摇臂轴上。摇臂联结组件可以设置在辅助摇臂和主摇臂之间。联结组件可包括具有弯曲表面的活塞和具有第二曲率半径的槽，所述活塞设置在主摇臂中形成的孔中，所述槽形成在辅助摇臂中。所述活塞可以选择性地被液压锁定到主摇臂和辅助摇臂之间的伸出位置中，从而选择性地将一个或者多个辅助气门致动运动从辅助摇臂传递给主摇臂。

Description

用于内燃机气门致动的摇臂系统
相关申请的交叉引用
本申请涉及并且要求2004年5月14日提交的名为“RockerArm System for Engine Valve Actuation”的美国临时申请No.60/570,814的优先权，该申请在此整体引为参考。
技术领域
本发明涉及用于致动内燃机中的气门的系统和方法。特别的是，本发明涉及用于利用一个或者多个摇臂来致动气门的系统和方法。
背景技术
内燃机通常使用机械的、电气的或者液压机械的气门致动系统来致动内燃机气门。这些系统可包括由内燃机的曲轴旋转所驱动的凸轮轴、摇臂和推杆的组合。当凸轮轴用于致动内燃机气门时，气门致动的正时可以由凸轮轴上的凸角的尺寸和位置所固定。
对于凸轮轴的每360度旋转，内燃机完成由四个冲程组成的完整循环(即膨胀、排气、进气和压缩)。在膨胀冲程的大部分过程中，进气门和排气门会被闭合或者保持闭合，在所述膨胀冲程中，活塞移动远离气缸盖(即气缸盖和活塞顶部之间的空间增加)。在正功操作过程中，燃料在膨胀冲程过程中燃烧，并且正功由内燃机输出。膨胀冲程在下止点处结束，此时，活塞反向并且排气门会被开启用于主排气事件。凸轮轴上的凸角会被同步，从而当活塞向上移动并且迫使燃烧气体排出气缸外时，开启排气门用于主排气事件。在排气冲程的末端附近，凸轮轴上的另一个凸角会开启进气门用于主进气事件，此时，活塞移动远离气缸盖。当活塞靠近下止点时，进气门闭合并且进气冲程结束。当活塞再次向上移动用于压缩冲程时，进气门和排气门都闭合。
上述主进气门事件和主排气门事件都需要用于内燃机的正功操作。另外的辅助气门事件，虽然不需要，但也是适合的。例如，在正功或者其它内燃机操作模式过程中，它可以适合地致动进气门和/或排气门用于压缩释放(compression-release)内燃机制动、泄放式(bleeder)内燃机制动、废气再循环(EGR)或者制动气体再循环(BGR)。图8示出了主排气事件600和辅助气门事件的实例，所述辅助气门事件例如压缩释放内燃机制动事件610、泄放式内燃机制动事件620、废气再循环事件630和制动气体再循环事件640，其可以由排气门利用本发明的各种实施例来执行，以致动排气门用于主气门事件和辅助气门事件。同样示出了可以由进气门执行的主进气事件650的实例。
对于辅助气门事件，废气穿过内燃机的流动控制已经被用于提供车辆内燃机制动。通常，内燃机制动系统可以控制废气的流动以结合压缩释放式制动、废气再循环、废气压力调节和/或泄放式制动的原理。
在压缩释放式内燃机制动过程中，排气门可以选择性地开启以将产生能量的内燃机至少暂时地转换成吸收能量的空气压缩机。当活塞在它的压缩冲程过程中向上移动时，收集在气缸中的气体会被压缩。压缩气体会反抗活塞的向上运动。当活塞接近上止点(TDC)位置时，至少一个排气门会开启以将气缸中的压缩气体释放到排气歧管，防止在后续的向下的膨胀冲程中储存在压缩气体中的能量返回到内燃机。在这样操作的过程中，内燃机会产生减速力以帮助车辆减速。现有技术的压缩释放内燃机制动的一个实例由Cummins的美国专利No.3,220,392(1965年11月)的公开提供，该专利在此引为参考。
在泄放式内燃机制动过程中，除了和/或代替发生在活塞的排气冲程过程中的主排气门事件，在其余三个内燃机循环(完整循环泄放式制动)过程中或者在其余三个内燃机循环的一部分(部分循环泄放式制动)的过程中，排气门(多个)可以保持微微开启。气缸中或者外的气缸气体的泄放会起到使内燃机减速的作用。通常，在泄放式制动操作中，制动阀(多个)的初始开启提前于压缩的上止点(即提前气门致动)，并且然后升程对于一定时间段保持恒定。这样，由于提前气门致动，泄放式内燃机制动需要较小的力来致动气门(多个)，并且由于连续的泄放而不是压缩释放式制动的快速的膨胀排气(blow-down)，因此产生较小的噪声。
废气再循环(EGR)系统可以允许一部分废气在正功操作过程中回流到内燃机气缸中。EGR可以用于降低在正功操作过程中由内燃机产生的NOx的总量。EGR系统还可以用于在内燃机制动循环过程中控制排气歧管和内燃机气缸中的压力和温度。通常有两种类型的EGR系统，即内部的和外部的。外部EGR系统使废气穿过进气门(多个)再循环回到内燃机气缸中。内部EGR系统使废气穿过排气门(多个)再循环回到内燃机气缸中。本发明的实施例主要涉及内部EGR系统。
制动气体再循环(BGR)系统可以允许一部分废气在内燃机制动操作过程中回流到内燃机气缸中。在进气冲程过程中，废气再循环回到内燃机气缸中例如可以增加可用于压缩释放制动的气缸中的气体的质量。结果，BGR可以增加制动事件实现的制动效果。
除了提供主气门事件，气门致动系统可以适用于提供上述一个或者多个辅助气门事件。另外，由气门系元件传递以产生主气门事件的运动可以用于提供辅助气门事件。例如，凸轮轴上的主进气事件凸角可以用于另外地致动一个或者多个气门用于EGR事件。在提供主气门事件和辅助气门事件的气门致动系统中，封装、成本、可靠性和/或性能是考虑的设计因素。
发明内容
响应于上述挑战，申请人已经开发出一种用于致动内燃机气门的新颖的系统。在本发明的一个实施例中，所述系统包括：摇臂轴；用于传递主气门致动运动的装置；主摇臂，设置在所述摇臂轴上，所述主摇臂适用于致动内燃机气门并且从所述用于传递主气门致动运动的装置接收运动；用于传递辅助气门致动运动的装置，所述辅助气门致动运动从包括内燃机制动运动、废气再循环运动和制动气体再循环运动的组中选择；辅助摇臂，设置在摇臂轴上靠近所述主摇臂，所述辅助摇臂适用于从所述用于传递辅助气门致动运动的装置接收运动；和摇臂联结组件，设置在辅助摇臂和主摇臂之间，所述联结组件适用于选择性地将一个或者多个辅助气门致动运动从辅助摇臂传递到主摇臂。
申请人还开发出一种用于致动内燃机气门的系统，包括：摇臂轴；用于传递主气门致动运动的装置；主摇臂，设置在摇臂轴上，所述主摇臂适用于致动内燃机气门并且从所述用于传递主气门致动运动的装置接收运动；用于传递辅助气门致动运动的装置；辅助摇臂，设置在摇臂轴上靠近所述主摇臂，所述辅助摇臂适用于从所述用于传递辅助气门致动运动的装置接收运动；和联结组件，包括：致动器活塞，设置在所述主摇臂中形成的孔中；和槽，形成在所述辅助摇臂中，用于选择性地接纳所述致动器活塞，其中所述致动器活塞包括弯曲表面以有助于与所述槽接合。
应当认为，上述大致的描述和下面详细的说明都仅是典型的和说明性的，并且不能限制本发明。
附图说明
为了有助于理解本发明，下面将参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件。
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是根据本发明的第二实施例的气门致动系统的示意图。
图3是根据图1所示的本发明的实施例的气门致动系统的俯视图。
图4是根据图2所示的本发明的实施例的气门致动系统的俯视图。
图5A是根据本发明的一个实施例的处于第一操作模式中的气门致动系统的部分侧视图。
图5B是根据本发明的一个实施例的处于第二操作模式中的气门致动系统的部分侧视图。
图6是根据本发明的一个实施例的图3所示的气门致动系统沿着截断线6-6的横截面视图。
图7是根据本发明的一个实施例的摇臂联结组件的详细视图。
图8是气门升程图，示出了多个不同的并且典型的主内燃机气门事件和辅助内燃机气门事件，其中的一个或者多个可利用本发明的实施例产生。
具体实施方式
下面详细参考本发明的实施例，其中一个实例在附图中示出。参考图1，其中示出了用于致动内燃机气门的系统。
气门致动系统包括至少两个设置在摇臂轴(500，如图3和图4所示)上的摇臂。所述至少两个摇臂可包括主摇臂100和辅助摇臂200。由于通过运动传递装置150和250分别传递给主摇臂和辅助摇臂的运动，主摇臂100和辅助摇臂200可以围绕摇臂轴枢转。运动传递装置150和250可以包括凸轮轴和/或其它适合的运动传递装置，例如推管或者等效的气门系元件。摇臂100和200适用于通过直接地、或者通过销、或者通过气门横臂410(如图2、图5A和图5B所示)接触气门来致动一个或者多个内燃机气门400，以产生内燃机气门事件。
内燃机气门400包括菌状气门，所述菌状气门用于控制内燃机中的燃烧室(例如气缸)和通气(例如进气和排气)歧管之间的联通。系统还可以包括设置在主摇臂100和辅助摇臂200之间的摇臂联结组件300，从而选择性地从辅助摇臂200向主摇臂100传递一个或者多个气门致动运动。
在本发明的一个实施例中，主摇臂100可包括排气摇臂，并且辅助摇臂200包括进气摇臂。排气摇臂100可以适用于致动一个或者多个排气门以产生主排气事件和辅助气门事件，例如内燃机制动事件、废气再循环(EGR)事件和/或制动气体再循环事件(BGR)。进气摇臂200适用于致动一个或者多个进气门以产生内燃机气门事件，例如主进气事件。在本发明的一个实施例中，由排气摇臂100致动的排气门以及由进气摇臂200致动的进气门在相同的内燃机气缸中。然而应当认为，所述内燃机气门可以在不同的内燃机气缸中。图3是具有主摇臂(排气摇臂)100和辅助摇臂(进气摇臂)200的气门致动系统的俯视图。
在如图2所示的可替换实施例中，主摇臂100可包括专用摇臂。所述专用摇臂100可以适用于致动一个或者多个排气门以产生辅助气门事件，例如内燃机制动事件、废气再循环(EGR)事件和/或制动气体再循环(BGR)事件。在这个实施例中，气门致动系统还可以包括排气摇臂175，摇臂175适用于致动一个或者多个排气门以产生内燃机气门事件，例如主排气事件。由于通过运动传递装置170传递给摇臂175的运动，排气摇臂175可以围绕摇臂轴枢转。图4是具有主摇臂(专用摇臂)100、辅助摇臂(进气摇臂)200和排气摇臂175的气门致动系统的俯视图。
在本发明的一个实施例中，主摇臂100可以致动一个或者多个内燃机气门400以产生内燃机制动事件。图5A和图5B是根据本发明的一个实施例的气门致动系统的侧视图。参考图5A和图5B，凸轮150可包括主排气事件凸角152和内燃机制动凸角155，例如泄放式制动凸角(图5A-B所示)或者压缩释放制动凸角。凸轮150上的凸角的图示仅是示意性的，并且不是限制性的。应当认为，凸角的数目、组合、尺寸、位置和形状可以显著变化，同时不脱离本发明的范围。例如，与图3所示的本发明的实施例结合，向主摇臂100传递运动的凸轮150可包括用于制动的并且不包括主排气事件凸角的专用凸轮。
系统可以包括间隙活塞120，活塞120设置在主摇臂100中形成的孔中，并且与凸轮150选择性接触。弹簧126将间隙活塞120偏压远离凸轮150。系统可包括柱塞122和锁定螺母124，柱塞122延伸到间隙活塞孔中。锁定螺母124可以调节以使柱塞122在孔内延伸适合的距离，并且相应地调节间隙活塞120相对于凸轮150的位置。间隙活塞120可包括表面128，表面128适用于接触凸轮150并且跟随凸轮150的运动。
摇臂轴500可包括一个或者多个内部通道，用于向安装在其上的摇臂输送液压流体，例如内燃机油。液压流体可以通过流体供应阀(未示出)例如电磁阀选择性地供应到主摇臂100以启动内燃机制动操作。
控制阀110可以设置在主摇臂100中形成的孔112中。控制阀110控制摇臂轴500中的通道与间隙活塞120之间通过液压通道105的流体联通，所述液压通道105形成在主摇臂100中。弹簧114将控制阀110偏压到第一位置，如图5A所示，其中控制阀落座在摇臂轴500上的定位凹槽(detent)505中。在这个位置，控制阀110基本防止通向间隙活塞120的流体联通，并且将主摇臂100保持在摇臂轴500上的适合位置处。
当需要内燃机制动时，供应阀例如电磁阀(未示出)被启动，并且液压流体穿过摇臂轴500被供应给控制阀孔112。流体产生的液压压力使得控制阀110从如图5A所示的第一位置致动到如图5B所示的第二位置，其中第一位置对应于非制动操作模式，第二位置对应于制动操作模式。对于处于这个位置的控制阀110，液压流体被允许穿过液压通道105流动到间隙活塞120。
进气摇臂200可包括凸轮滚子210，用于跟随进气凸轮250(未示出)的运动。来自进气凸轮250的运动可以用于致动进气门以提供主进气事件。来自进气凸轮250的运动还可以通过联结组件300传递给主摇臂100，从而主摇臂100致动排气门400以提供辅助气门事件，例如EGR气门事件。
在本发明的一个实施例中，参考图6，摇臂联结组件300可包括致动器活塞310和槽330，活塞310设置在主摇臂100中形成的孔320中，槽330形成在进气摇臂200中，槽330选择性地接纳活塞310。弹簧340将孔320中的活塞310偏压远离槽330。应当认为，活塞310可以设置在辅助摇臂200中形成的孔中，并且槽330形成在主摇臂100中，同时不脱离本发明的范围。
液压流体可以选择性地从摇臂轴500(未示出)中的通道通过主摇臂100中形成的液压通道360供应到孔320。液压流体可以通过流体供应阀(未示出)例如电磁阀选择性地供应。孔320中的流体产生的液压压力使得活塞310反抗弹簧340的偏压而移动，并且延伸到槽330中。机械止挡件350限制活塞310在孔320内的移动。
图7示出了根据本发明的一个实施例的联结组件300的部分详细视图。活塞310可包括具有弯曲表面315的槽接合部分。槽330可包括具有弯曲表面335的活塞接合部分，所述弯曲表面335具有中心线336。当活塞310接合在槽330中时，辅助摇臂200的旋转使得主摇臂100旋转。活塞表面315和槽表面335可以有助于活塞310接纳在槽330中，并且因此有助于来自辅助摇臂200的辅助气门致动运动向主摇臂100的传递。活塞310和槽330的位置可以根据所需要的内燃机气门升程而变化。
下面将描述本发明的气门致动系统的一个实施例的操作。在正功操作过程中，当不需要内燃机制动时，液压流体没有通过摇臂轴500供应到控制阀孔112。控制阀110保持落座在摇臂轴的定位凹槽505中，处于“内燃机制动关闭(brake off)”位置，基本防止通向间隙活塞120的液压流体联通。没有足够的液压压力作用在它上，间隙活塞120保持在回退位置，如图5A所示。当凸轮150旋转时，内燃机制动凸角155没有与间隙活塞120接触，并且因此内燃机制动气门运动没有被传递给内燃机气门(多个)400。随着凸轮继续旋转，主排气事件凸角152接触间隙活塞120的凸轮随动表面128，并且使得主摇臂100围绕摇臂轴500沿着逆时针方向旋转(相对于图5A中的视角)，并且直接地、或者通过销、或者通过气门横臂作用在内燃机气门400上，如图5A所示。主摇臂100致动内燃机气门400以产生主排气门事件。
在内燃机制动操作过程中，液压流体通过摇臂轴500供应到控制阀孔112。液压压力使得控制阀110反抗弹簧114的偏压在孔112中移动，如图5B所示。当控制阀110处于这个“内燃机制动进行(brake on)”位置时，液压流体被允许穿过液压通道105流动到间隙活塞120。在液压流体的压力作用下，间隙活塞120从主摇臂100伸出，消除活塞和凸轮150之间的间隙。随着凸轮150旋转，间隙活塞120的凸轮随动表面128跟随凸轮120的全部运动，包括内燃机制动凸角155。结果，内燃机制动气门运动通过摇臂100被传递给内燃机气门(多个)400。
当需要辅助排气门致动用于EGR和/或BGR时，例如，电磁供应阀(未示出)可以被启动从而穿过摇臂轴500并且穿过液压通道360向致动器活塞孔320提供液压流体。孔320中产生的液压流体压力使得活塞310反抗弹簧340的偏压而移动，并且延伸到槽330中。当辅助气门运动被施加到辅助摇臂200时，辅助摇臂200开始旋转。因为活塞310接合在槽330中，因此辅助摇臂200的旋转依次使得主摇臂100旋转，并且致动排气门400。辅助气门运动的正时可以适合的以提供辅助气门事件，例如EGR或者BGR事件。
参考图7，活塞表面315和槽表面335可以有助于活塞310接纳在槽330中，并且因此有助于将辅助气门致动运动从辅助摇臂200传递给主摇臂100。例如，如果在辅助摇臂200在凸轮250的影响下已经开始旋转之后活塞310朝着槽330伸出，那么活塞表面315会接触中心线336右边的槽表面335。在这种情况中，由于表面315和335的弯曲，活塞310会被牵拉到槽330内适当的位置。如果活塞表面315接触中心线336左边的槽表面335，那么活塞310将不会立即接合槽330。在凸轮250的接下来的旋转中，当凸轮接近较低的基圆时，活塞310然后将接合槽330。表面315和335的形状还可以防止活塞支承在槽表面335上。这可以降低或者消除不必要的另外的气门升程以及辅助摇臂200上的应力负荷。
对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或者实质的情况下，对结构、构造和/或本发明的操作可以作出各种修改和变型。例如，应当认为，主摇臂100可以实现为进气摇臂或者辅助摇臂，同时不脱离本发明的范围。另外，当不需要内燃机的制动功能时，可以考虑气门致动系统的实施例可以不设置有控制阀110和/或间隙活塞120。另外，摇臂轴500还可以包括液压通道，所述液压通道适用于向一个或者多个摇臂提供润滑流体。在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出对本发明的上述实施例的这些和其它修改。

Claims (13)

1.一种用于致动内燃机气门的系统，包括：
摇臂轴；
用于传递主气门致动运动的装置；
主摇臂，设置在所述摇臂轴上，所述主摇臂适用于致动内燃机气门并且从所述用于传递主气门致动运动的装置接收运动；
用于传递辅助气门致动运动的装置，所述辅助气门致动运动从包括内燃机制动运动、废气再循环运动和制动气体再循环运动的组中选择；
辅助摇臂，设置在摇臂轴上靠近所述主摇臂，所述辅助摇臂适用于从所述用于传递辅助气门致动运动的装置接收运动；和
摇臂联结组件，设置在辅助摇臂和主摇臂之间，所述联结组件适用于选择性地将一个或者多个辅助气门致动运动从辅助摇臂传递到主摇臂。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述联结组件包括：
致动器活塞，设置在所述主摇臂中形成的孔中；和
槽，形成在所述辅助摇臂中，用于选择性地接纳所述致动器活塞。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述致动器活塞设置在所述辅助摇臂中，并且所述槽形成在所述主摇臂中。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述致动器活塞包括弯曲表面以有助于与所述槽接合。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述槽包括弯曲表面以有助于与所述活塞接合。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述主摇臂包括排气摇臂，并且所述辅助摇臂包括进气摇臂。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
控制阀；和
间隙活塞，设置在所述主摇臂中形成的孔中。
8.一种用于致动内燃机气门的系统，包括：
摇臂轴；
用于传递主气门致动运动的装置；
主摇臂，设置在摇臂轴上，所述主摇臂适用于致动内燃机气门并且从所述用于传递主气门致动运动的装置接收运动；
用于传递辅助气门致动运动的装置；
辅助摇臂，设置在摇臂轴上靠近所述主摇臂，所述辅助摇臂适用于从所述用于传递辅助气门致动运动的装置接收运动；和
联结组件，包括：
致动器活塞，设置在所述主摇臂中形成的孔中；和
槽，形成在所述辅助摇臂中，用于选择性地接纳所述致动器活塞，其中所述致动器活塞包括弯曲表面以有助于与所述槽接合。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述联结组件适用于选择性地将一个或者多个辅助气门致动运动从辅助摇臂传递到主摇臂。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述致动器活塞包括弯曲表面以有助于与所述槽接合。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述主摇臂包括排气摇臂，并且所述辅助摇臂包括进气摇臂。
12.如权利要求8所述的系统，其特征在于：还包括：
控制阀；和
间隙活塞，设置在所述主摇臂中形成的孔中。
13.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述辅助气门致动运动从包括内燃机制动运动、废气再循环运动和制动气体再循环运动的组中选择。
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