CN101135401B - 两端带锁的可变阀门致动器 - Google Patents

Abstract

一种致动器及其控制方法，致动器包括：壳体，具有第一和第二流体端口；致动油缸，在壳体中定义了纵向轴，并且在第一和第二方向上具有第一和第二端；致动活塞，在该油缸中带有第一和第二表面，沿着纵向轴可移动；弹簧子系统，将致动活塞平衡到中立位置；第一流体空间，介于致动油缸的第一端和致动活塞的第一表面之间；和第二流体空间，介于致动油缸的第二端和致动活塞的第二表面之间。第一流动机构控制第一流体空间和第一端口之间的流体连通，而第二流动机构控制第二流体空间和该第二端口之间的流体连通。当致动活塞分别接近其行程的第一和第二方向端点时，通过两个整合的缓冲机构基本上限制了第一和第二流体机构。

Description

两端带锁的可变阀门致动器

技术领域

本发明总体上涉及致动器以及控制该致动器的方法与系统，特别是，以大力提供有效、快速、灵活控制的致动器。

背景技术

在美国专利6,543,225号和美国公开号US2005/0016475A1中描述了一种分离式四冲程循环内燃机(a split four-stroke cycle internal combustionengine)。其包括至少一个动力活塞及对应的第一或动力气缸，以及至少一个压缩活塞及对应的第二或压缩气缸。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，而该压缩活塞通过进气冲程和压缩冲程互换。压力室或转换通路(cross-over passage)与压缩和动力气缸互联，以进气单向阀提供从压缩气缸到转换通道的基本上单向的气流，而出口或转换阀提供在转换通道和动力气缸之间的气流通道。该发动机还包括分别在压缩和动力气缸上的进气和排气阀。根据所引用的专利和其他相关开发的分离式循环发动机潜在地提供很多燃料效率方面的优点，尤其当与互连转换通道的附加储气罐结合时，其能够像空气混合发动机(air hybrid engine)那样运行发动机。相对于电混合发动机(electrical hybrid engine)，空气混合发动机可以以很低的制造和废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，在转换通道中空气或者空气-燃料的混合物必须为整个四冲程循环保持在预定的点火条件压力，例如，大约270psi或者18.6bar的表压。该压力可以达到更加高的值以取得更好的燃烧效率。同时，转换阀的开放窗口或时间必须非常窄，尤其在中、高发动机转速。转换阀在动力活塞在上止点或接近上止点(TDC-top dead center)时开启，并且在此之后立刻关闭。与传统发动机的六至八毫秒的最小周期相比，在分离式循环发动机中总开放窗口可以短至一至二毫秒。为了在转换通道中密封持久稳固的高压，实用可行的转换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)或圆盘阀(disk valve)。当关闭时，在转换通道的压力下阀盘或阀头压向阀座。为了开启阀，致动器必须提供非常大的开启力，以克服在阀头上的差压力以及惯性。一旦转换阀开启，由于在转换通道和动力气缸之间的实质上的等压化或等压过程，该差压力很快显著下降。一旦开始燃烧，阀应该按要求迅速关闭，以防止燃烧扩散到转换通道，在一定的燃烧周期中，这也是必需的要求，以克服高于转换通道压力的动力气缸压力来保持阀稳在阀座上。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，转换阀要求不起作用。类似于传统的气门阀，转换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，转换阀致动器必须提供大的开启力、稳固的就位力、合理的就位速度、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)气门阀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，一种流体致动器的一个优选实施例包括：壳体，具有第一和第二流体端口；致动油缸，在该壳体中，定义了纵向轴，并且在第一和第二方向上具有第一和第二端；致动活塞，在该油缸中，带有第一和第二表面，沿着该纵向轴可移动；弹簧子系统，将该致动活塞平衡到中立位置；第一流体空间，介于该致动油缸的该第一端和该致动活塞的该第一表面之间；和第二流体空间，介于该致动油缸的该第二端和该致动活塞的该第二表面之间。第一流动机构控制该第一流体空间和该第一端口之间的流体连通，而第二流动机构控制该第二流体空间和该第二端口之间的流体连通。当该致动活塞分别接近其行程的该第一和第二方向端点时，通过两个整合的缓冲机构(snubbing mechanism)基本上限制了该第一和第二流动机构。除在致动油缸上的差压流体力以外，对中弹簧力帮助克服转换通道的高压，开启发动机气门阀，而无须过大的流体致动器及高能耗。

在运行中，该弹簧子系统、该致动活塞和该致动器负荷(例如，气门阀)起弹簧质量摆(spring-mass pendulum)系统的作用，有效地将该弹簧子系统中的势能转换成该运动质量中的动能，并且反之亦然。有效的能量转换也为该缓冲机构留下较少的能量去消耗，以为该气门阀提供更好的软就位。通过采用两个致动3通阀更有助于致动效率，在该气门阀返回行程期间，有意延迟将它们之一转换到该高压流体。

该系统能够在该致动活塞行程的每个端点将其锁定。该致动活塞如果需要不必为了锁定而接触该致动油缸的端点。该活塞可以简单地通过流体力和净弹簧力的结合取得基本上稳定的平衡。

在另一个实施例中，该致动器由4通致动开关阀供给和控制。如果需要，每个4通和3通阀可以是比例阀。

在另一个实施例中，弹簧控制器在动力关闭甚至在转换通道中没有足够的压力时使得气门阀关闭。

相对于流行的致动器及其控制，本发明提供或显示重要的优点。如果在某些应用中必须控制气门阀的开启时段，致动器的能在两端锁定的能力是重要和关键的。本发明的致动器通过流体介质能提供高的力和功率密度，以满足转换通道阀的特定要求，而弹簧摆锤机构能够提供高的能量效率。与各种开关阀相关的控制方法能够满足各种应用的需要，特别是空气混合动力发动机的应用。由于本发明的摆锤设置，对中或者返回弹簧力能帮助流体差压力来克服转换通道的高压以便开启气门阀，而不需要大体积和高能耗的流体致动系统。

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。

附图说明

图1是阀致动器的一个优选实施例的示意图，其处于关闭状态；

图2是阀致动器的一个优选实施例的示意图，其开始开启气门阀；

图3阀致动器的一个优选实施例的示意图，其开始关闭气门阀；

图4是另一个优选实施例的示意图，其利用一种四通致动阀和盘形弹簧，并且提供流动机构设计中的变化；

图5是另一个优选实施例的示意图，其包括两个不同直径的活塞杆；

图6是另一个优选实施例的示意图，其采用用于控制的比例阀；和

图7是在第二方向上开启气门阀的另一个优选实施例的示意图。

具体实施方式

现在参照图1，本发明的优选实施例提供发动机气门阀阀控制系统，其采用一个致动活塞和一套对中弹簧装置。该系统包括气门阀20、流体致动器30、第一致动3通阀180、第二致动3通阀182、一对致动弹簧71和72。

第一和第二致动3通阀180和182分别通过第一端口61(经由第一端口通道104)和第二端口62(经由第二端口通道106)供给流体致动器30。第一端口61和第一端口通道104可以是结构上的或者功能上的连续件，并且第二端口62和第二端口通道106也是这样。每个3通阀180和182具有两个分别连接低压P_L流体管路和高压P_H流体管路的端口，以及与两个端口通道104和106之一连接的第三或者剩余端口。

3通阀180在左边位置184及右边位置186之间切换。在左边和右边位置184和186上，第一端口61分别与P_H和P_L管路的流体连通。3通阀182在左边位置188及右边位置190之间切换。在左边和右边位置188和190上，第二端口62分别与P_H和P_L管路的流体连通。

压力P_H可以是恒定的或者连续变化的。当变化时，其被控制，以适应系统摩擦、气门阀开启、空气压力、气门阀就位速度要求等方面的可变性，和/或为了尽可能节约运行能量。更高的P_H值帮助克服更高的系统摩擦和气缸空气压力，并且提高气门阀的开启速度，然而，较低的P_H值对于气门阀的软就位以及节能更好。低压P_L可以只是流体箱或油箱(以下通称油箱)压力、大气压力或者流体系统背压。该流体系统背压可以只不过例如由装载预压弹簧的单向阀来调节，系统可带有或者没有蓄能器。该P_L值优选尽可能低，以提高系统效率，然而也要足够高，以帮助防止气蚀或负压。必要时，低压P_L也可以更加严密地控制。

气门阀20包括气门阀头22和气门阀杆24。气门阀头22包括第一表面28和第二表面29，在分离式循环发动机中，它们分别暴露到转换通道110和发动机气缸102。气门阀20可操作地通过气门阀杆24沿着纵向轴116与流体致动器30连接，该气门阀杆24滑动地设置在气门阀道管120中。当气门阀20完全关闭时，气门阀头22与气门阀座26接触，封闭了转换通道110和发动机气缸102之间的流体通道。

流体致动器30包括致动器壳体66，在其内部，沿着纵轴116从第一到第二方向(从图中的顶到底)，有第一钻孔44、致动油缸52和第二钻孔46。该致动油缸52包括第一端56和第二端54。该第一和第二钻孔44和46分别被第一钻孔沉割槽48和第二钻孔沉割槽47中断。在这些中空部件中从第一到第二方向设置了轴组件31，其包括第一活塞杆34、第一活塞杆颈41、第一活塞杆肩39、致动活塞32、第二活塞杆肩38、第二活塞杆颈40和第二活塞杆36。第一和第二活塞杆34和36分别滑动地设置在第一和第二钻孔44和46内，并且通过钻孔得到基本的径向支撑。致动活塞32滑动地设置在致动油缸52中。

在上述的滑动面之间的径向间隙相当小，提供基本的流体密封，并且还提供可容忍的对相对运动的阻力，这相对运动包括轴组件31和壳体66之间沿着纵轴116的直线移动和(如果需要的话)围绕纵轴116的转动。

致动活塞32包括第一表面98和第二表面100，并且将致动油缸52纵向划分为第一流体空间112(致动油缸第一端56和致动活塞第一表面98之间的流体体积)和第二流体空间114(致动活塞第二表面100和致动油缸第二端54之间的流体体积)。

流体致动器30还包括第一簧片阀200和第二簧片阀202。第一簧片阀200提供从第一端口61至第一流体空间112的基本上单向流体通道，其借助于致动油缸第一沉割槽58予以实现。第二簧片阀202提供从第二端口62至第二流体空间114的基本上单向通道，其借助于致动油缸第二沉割槽60予以实现。

第一致动弹簧71和第二致动弹簧72分别同心地围绕气门阀杆24和第二活塞杆36。第二致动弹簧72由壳体66(或与壳体66连接的任何相当于弹簧座的构件，图1中未示出)和中间弹簧座76支撑，而第一致动弹簧71由中间弹簧座76和气缸头68(或与气缸头68连接的任何相当于弹簧座的构件，图1中未示出)支撑。致动弹簧71和72优选为压缩弹簧。

中间弹簧座76与气门阀杆24和第二活塞杆36可操作地连接。该连接的一些零件或元件可以是简单的机械接触，只要它们不分离地运动，这可以例如通过设计适当的弹簧预加负荷来保证。如果需要，弹簧座76可以设计成两个分离的弹簧座(图中未示出)。

第一活塞杆肩和第二活塞杆肩39和38旨在与第一和第二钻孔44和46一起工作，作为缓冲或流动限制机构，以在第一方向和第二方向靠近其行程的端点处分别减慢轴组件31。

致动油缸52在第二方向上提供充足的空间，从而致动活塞32在任何操作条件下都不接触其第二端54。当气门阀20处于图1所示的位置时，在致动活塞第二表面100和致动油缸第二端54之间仍然具有纵向距离，以便气门阀间隙调节。

在第一方向上，有两个设计和运行的选择。在第一选择中，在致动活塞第一表面98到达致动油缸第一端56之前，轴组件31由流体力和净弹簧力平衡在稳定状态。在第二选择中，轴组件31由流体力、净弹簧力和致动活塞第一表面98与致动油缸第一端56之间接触导致的接触力平衡在稳定状态。

轴组件31通常受到两个纵向流体力，作用在致动活塞第一和第二表面98和100上。两个表面98和100的有效受压面积受到第一和第二活塞杆34和36的直径的影响。第一活塞杆端面42之上的第一腔45通过第三端口63与油箱108接通来收集泄漏的流体(如图1所示)，或者直接接通外界(见图4)。油箱108优选与流体系统使用相同的箱。因此，第一活塞杆端面42不暴露于任何实质的压力或者强制力。

气门阀头22通常受到在第一表面28上的转换通道的压力和在第二表面29上发动机气缸102的压力。

系统还要受到各种摩擦力、稳态流动力、瞬时流动力和其他惯性力。稳态流动力是由于流动导致速度变化使静压力重新分配而引起，即柏努利效应。瞬时流动力是流体的惯性力。其他惯性力是除了在此的流体外带有惯性的物体加速度而引起，它们在气门阀组件之中是不可忽略的，这是由于大量级的加速度或者快速调节所引起。

在致动器30中的流体流动控制可以考虑包括第一流动机构、第二流动机构以及第一和第二簧片阀200和202。第一流动机构和第一簧片阀200控制第一流体空间112和第一端口61之间的流体通道。第二流体机构和第二簧片阀202控制第二流体空间114和第二端口62之间的流体通道。

对于图1中所图解的实施例，第一流动机构包括第一钻孔沉割槽48、第一钻孔44和第一活塞杆颈41之间的环形空间、第一活塞杆34和第一活塞杆肩39。当第一钻孔44和第一活塞杆颈41之间的环形空间基本上开启第一流体空间112和第一钻孔沉割槽48时，第一流动机构基本上开启。当致动活塞32靠近或处于其行程的第一方向端点时，第一活塞杆肩39突入第一钻孔44和第一活塞杆颈41之间的环形空间之中，导致流动限制并且因此起缓冲作用。不论活塞32的位置如何，第一钻孔沉割槽48和第一活塞杆34之间的负遮盖X12通常要具有足够的长度，以便不引起流动限制。如果必要或者要求，则当致动活塞32靠近或处于其行程的第二方向端点(如图1所示)时，负遮盖X12可以设计成足够短，以引起一定量的流动限制。第一簧片阀200是可选择的，并且旨在实现从第一端口61到第一流体空间112的单向流动以以便旁通第一流动机构的流动限制，在第二方向上活塞行程开始时帮助快速填充第一流体空间112。第一流动机构可以选择地不包括第一钻孔沉割槽48，以第一活塞杆颈41在第一方向上进一步延伸，从而第一钻孔44和第一活塞杆颈41之间的环形空间直接向第一端口61打开。

对于图1中所图解的实施例，第二流动机构包括第二钻孔沉割槽47、第二钻孔46和第二活塞杆颈40之间的环形空间、第二活塞杆36以及第二活塞杆肩38。当第二钻孔46和第二活塞杆颈40之间的环形空间基本上开启第二流体空间114和第二钻孔沉割槽47时，第二流动机构基本上开启。当致动活塞32靠近或者处于如图1所示其行程的第二方向端点时，第二活塞杆肩38突入第二钻孔46和第二活塞杆颈40之间的环形空间，导致流动限制并且因此起缓冲作用。不论活塞32的位置如何，第二钻孔沉割槽47和第二活塞杆36之间的负遮盖X22通常足够长，以便不引起流动限制。如果必要或要求，则当致动活塞32靠近或者处于其行程的第一方向端点时，负遮盖X22可以设计成足够短，以引入一定量的流动限制。第二簧片阀202是可选择的，并且旨在实现从第二端口62到第二流体空间114的单向流动以便旁通第二流动机构的流动限制，在第一方向上活塞行程开始时帮助快速填充第二流体空间114。第二流动机构可以选择地不包括第二钻孔沉割槽47，以第二活塞杆颈40在第二方向上进一步延伸，从而在第二钻孔46和第二活塞杆颈40之间的环形空间直接向第二端口62打开。

动力关闭状态

对于分离式循环发动机中的流体致动器30有两种可能的动力关闭状态。其一是当发动机或者动力关闭而转换通道110仍然有足够压力时，特别是应用于带有储气罐空气混合动力系统的情况。高低压流体源P_H和P_L都很低或者零表压。在致动活塞32上的总的流体力基本上等于零。尽管如此，转换通道110中的压力能够克服对中弹簧力，保持气门阀20顶着阀座26，并且保持致动器30在基本上类似于图1所示状态。

另一种动力关闭状态，当转换通道110没有充足压力时，气门阀主要由净弹簧力平衡，并且暂停在大约半开(图1中未示出)。致动活塞32在其两个端点位置的半路。

在动力关闭处，第一和第二致动3通阀180和182优选但不是必要的分别在其左和右位置184和190，如图1所示，从而接下来的启动时不必转换它们。

启动

为了从动力关闭状态启动系统，压缩所有的流体供应源，并且保证致动3通阀180和182在它们的如图1所示位置，其然后致使第一和第二流体空间112和114之间形成差压，导致气门阀20保证在或被驱动到图1所示的关闭位置。

阀的开启与关闭

为了开启气门阀20，第一和第二致动3通阀180和182分别转换到它们的右和左位置186和188，如图2所示。第一流体空间112通过第一流动机构与低压源P_L接通。由于压力方向不合适，第一簧片阀保持关闭。第二流体空间114通过第二流动机构和第二簧片阀202与高压源P_H接通，其差压适合于开启第二簧片阀并且在第二流体空间114中帮助减轻潜在的汽蚀或负压，特别是在行程的最初期间第二流动机构限制性较大之时。在致动活塞32上的差压与在第一方向上的净弹簧返回力一起作用，以克服在气门阀上的空气差压，其在第二方向上由于转换通道110中的高压引起。

致动活塞32从第二方向的端点位置到其第一方向的端点位置行进，净弹簧力从其在第一方向上的最大返回力到其在第二方向上的最大返回力转变。在行程的中点或者如果需要在中点以外的点上净弹簧力可以是零。在采用空气混合动力的发动机中，在转换通道110中的压力由于储气罐而基本上恒定。在发动机气缸102中的压力最初很低，一开启气门阀20便迅速增加，并且最终达到基本上等于转换通道110的压力值。

随着致动活塞32接近其第一方向端点位置，第一活塞杆肩39开始接近或者突入第一钻孔，增加了第一流动机构中的流动阻力，并且引起第一流体空间112中的压力明显升高，导致缓冲作用，以显著降低活塞的速度。另外，就两个弹簧的摆锤式设计而言，由于在第二方向上增加了净弹簧返回力，轴组件31的速度在这一点上已经基本上被降下来。最后，系统达到稳定状态，以在第一方向上的差压平衡了在第二方向上的弹簧返回力、大大减小了的气门阀上的差空气力、以及在致动油缸第一端56和致动活塞第一表面98之间的潜在的接触力(如果设计上和/或运行条件上使它们接触)。

气门阀20的关闭过程基本上与开启过程相反。可是也有重要的区别。一旦气门阀20宽幅开启，在气门阀上没有实质的压力差。流体致动器30不必克服相当大的空气压力来关闭气门阀20。为了降低能耗并且帮助取得气门阀的软就位或者软着陆，在关闭过程初期的相当一部分时间内，可以选择性地保持第一致动3通阀180在其右边的位置，而转换第二致动3通阀182在其右边的位置，如图3所示，导致在致动活塞32上基本上很低的流体差压。因此，在该初始期间基本上只由净弹簧返回力驱动关闭运动。第一致动3通阀180可以在稍后的气门阀关闭过程期间转换到其左边的位置184，以在关闭位置固定和锁定气门阀20，抵抗在第一方向上的净弹簧返回力和在第一方向上气门阀20上的空气差压。当由于燃烧引起发动机气缸压力超过转换通道压力时，气门阀20上会发生第一方向上的空气差压。基于发动机运行条件，包括发动机的每分钟转速、负荷和流体温度或粘度，可以控制转换第一致动3通阀180到其左边位置的准确定时。

第二活塞杆肩38与第二钻孔46一起作用，以便在气门阀就位过程中增加在第二流动机构中的流动阻力，从而产生缓冲作用。

图4图示了本发明的选择性实施例，其采用一个4通开关阀80代替了图1-3所示的第一和第二致动3通阀180和182。阀80是2位4通阀。其具有四个端口，与低压流体源P_L、高压流体源P_H、第一端口通道104和第二端口通道106连接。其置换到左边位置82或右边位置84。在如图4所示的左边位置，第一端口和第二端口通道104和106分别与P_H和P_L流体源连通。在右边位置(图3中未示出)，第一端口和第二端口通道104和106分别与P_L和P_H流体源连通。

图4中的实施例装备有蝶型第一和第二致动弹簧71b和72b，其每一个包括至少一个蝶型弹簧片。在每个弹簧中，两个或多个弹簧片可以串联(如图4所示)或并联叠置。

图4中的实施例还展示了弹簧控制器270。弹簧控制器270包括弹簧控制器钻孔280，其滑动在如图4所示的气门阀杆24上，或者如果气门阀道管120在第一方向上纵向延伸，则滑动在气门阀道管120上。弹簧控制器270将发动机气缸头68中的一腔体分隔成弹簧控制器的第一和第二腔272和274。第二腔274通过弹簧控制端口296从流体源P_SP提供有工作流体。第一腔272优选与大气或者流体回路(图4中没有详细展示)接通。在结构上，弹簧控制器270与其相关腔272和274以及端口296可选择性地由壳体66的延伸部分支撑，壳体66本身装配在气缸头68上。

弹簧控制器270的纵向位置主要由在第一方向上弹簧控制器第二表面278上的流体压力和来源于第二方向上第一致动弹簧71b的弹簧力之间的平衡造成，并且当弹簧控制器第一和第二表面276和278分别与弹簧控制腔第一和第二表面292和294接触时，其在第一和第二方向上受限。流体源P_SP的压力可以在一高值和一低值之间转换，以分别在第一和第二方向的两端位置定位弹簧控制器270。如果需要，流体源P_SP的压力还可以连续控制，以使控制器270处于其两端位置之间。如果是这样，由于随着气门阀开启与关闭弹簧力的可变性，需要一些阻尼机构(图4中未示出)来限制弹簧控制器270的位置摆动。流体源P_SP可以仅为高压源P_H。作为选择，其可以接近发动机润滑供给系统，并且与润滑气门阀杆24和气门阀道管120采用同样的流体。

在动力关闭状态或者致动器初始化期间，当由于第二腔274中的压力低或为零而弹簧控制器270在其第二方向端点位置时，两个致动器弹簧71b和72b在其最小的受压状态，并且通过设计，它们静态的总净力倾向于将气门阀20移动到关闭位置，如果需要还可施与附加的就位或接触力。当由于第二腔274中的高压而弹簧控制器270在其第一方向端点位置(图4中未示出)时，两个弹簧71b和72b在其最大受压状态，并且在多数设计中，它们静态的总净力倾向于把气门阀20平衡到基本上在全开启和关闭位置之间的中间点，设定系统为通常的摆锤致动。净或总弹簧力为零的位置也称作中立位置。当需要时，气门阀的中立位置也可以离开完全开启和关闭位置之间的实质中间点。虽然致动弹簧71b和72b倾向于平衡气门阀20到中立位置，但是实际位置也受到致动活塞32上的流体力、气门阀头22上的空气力、打开和关闭期间的惯性力等的影响。两个弹簧71b和72b在设计和力曲线上可以相同或不相同。

图4中的实施例突出了第一和第二活塞杆34b和36b的大小或直径之间选择的差别，以第一活塞杆34b明显地大于第二活塞杆36b，导致致动活塞第二表面100b上的有效面积显著大于致动活塞第一表面98b，并且因此在相同的压差下第一方向比第二方向具有更高的差值或者净流体力。如果需要，可以以第一活塞杆34b小于第二活塞杆36b(图4中未示出)来颠倒设计，以取得相反的力效应。必要时，可以完全消除第一活塞杆34b(图4中未示出)以在第二方向上取得更大的流体力。

图4中的实施例还展示了第一和第二流动机构中的变化。第一钻孔和第二钻孔沉割槽48b和47b分别纵向延伸到致动油缸第一和第二端56和54。对于该延伸，图1-3中所示的第一活塞杆颈和第二活塞杆颈41和40对于流体连通的目的在图4中不再必要。对于流动限制，第一活塞杆和第二活塞杆肩39和38现在分别与第一钻孔和第二钻孔沉割槽48b和47b一起作用，取代了图1-3中的第一和第二钻孔44和46。

图4中的实施例也展示了单向流体连通装置或单向阀的变化，其在图1-3中设计成第一和第二簧片阀200和202。它们是可选择的。流体致动器可以包括如图4所示的仅一个单向阀202b或者完全没有单向阀。单向阀可以是图1-3所示的簧片阀形式或者其它设计，例如，图4中的带预压弹簧的球阀202b。

图5图示了本发明的选择性实施例，其展示了在转换通道110和弹簧控制器第二腔274之间提供流体连通的弹簧控制器通道298，其提供了控制弹簧控制器270的选择性方法。当动力关闭并且转换通道110和弹簧控制第二腔274因此缺乏压缩气体或空气时，弹簧控制器270处于如图5所示的第二方向端点位置，导致在弹簧力下就位气门阀20。当转换通道110处于适当的高压时，相同的压力将体现在弹簧控制器第二腔274中，导致致动弹簧71b和72b适当受压，适合通常的摆锤致动。

现在参照图6，图6是本发明另一个选择性实施例的示意图。在该流体致动器30c中，第一和第二端口61c和62c与致动油缸第一和第二沉割槽58c和60c分别形成直接的流体连通，其分别位于离致动油缸第一和第二端56c和54c纵向很短的距离。

当致动活塞第一表面98c在第一方向上通过致动油缸第一沉割槽58c时，其基本上截留在第一流体空间112c和第一钻孔沉割槽48c中的一定量的流体，由此产生缓冲作用。缓冲作用的程度可以受调于设计在致动活塞32c上的锥形50，其调节流动泄漏返回油缸的程度。第一钻孔沉割槽48c是可选择的，并且旨在与可选择的第一单向阀200c一起作用，以防止当致动活塞32c移动离开致动油缸第一端56c时的汽蚀或负压。

同样，当致动活塞第二表面100c在第二方向上通过致动油缸第二沉割槽60c时，其基本上截留在第二流体空间114c和第二钻孔沉割槽47c中的一定量的流体，由此产生缓冲作用。缓冲作用的程度可以受调于设计在致动活塞32c上的一个或多个油槽51，其调节流体泄漏返回油缸中的程度。油槽51也可以设置在致动油缸的壁上，而不设置在活塞上。还有，锥形50和油槽51可以互换，以取得相同的缓冲功能。第二钻孔沉割槽47c是可选择的，并且旨在与可选择的第二单向阀202一起作用，以防止当致动活塞32c离开致动油缸第二端54c移动时的汽蚀。第一和第二单向阀200c和202c可以是簧片阀，如图6所示。

图6中的实施例还展示了致动比例阀81，其连续控制其调控阀口的截面面积，以在不同执行要求和操作条件下取得更好的可控性。虽然该比例阀81是4通阀，但是图1-3展示的致动3通阀180和182可以用对应的3通比例阀取代。

现在参照图7，图7是本发明另一个选择性实施例的示意图。在这种情况下，气门阀20d像大多数传统的内燃机一样在第二方向上开启。当气门阀20d如图7所示关闭时，致动活塞第一表面98接近到致动油缸第一端56，并且在它们之间有一个气门阀间隙调节的间隙。上面讨论和其它暗示的本发明的多种变化也适用于图7中的实施例。

在上面所有的描述中，为了方便起见，第一和第二致动弹簧71和72都看成或图解成单个弹簧。然而，当强度、经久性或包装有要求时，第一和第二致动弹簧71和72的每一个或者任何一个都可以包括两个或者多个弹簧的结合。例如在机械压缩弹簧的情况下，它们可以同心套装。也可以两个致动弹簧结合成能够拉伸和压缩的单个机械弹簧(未示出)。它们也可以包括气动和机械弹簧的结合，或者甚至两个气动弹簧的结合。两个弹簧在它们的设计和力曲线上可以是相同的或者不同的。无论单个还是多个弹簧的弹簧子系统都倾向于将轴组件返回到中立位置。作为设计的选择，气动弹簧可以用转换通道110中的压缩空气或者混合气体来填充、补充或控制。气动弹簧可以具有可调节的气体质量或压力，以取得可变的弹簧刚度并且因此取得可变的气门阀位移变化率。采用气动弹簧也可以在动力关闭时帮助关闭气门阀20并有助于开启阀系统。如果图1中的第一致动弹簧71例如是气动弹簧，则其可以在动力关闭时泄气，以在第二方向上平衡气门阀20到就位位置，这也帮助致动器准备接下来的开启。在接下来的开启后，气动弹簧将再充气。同样，当需要时，可以在结构上分开两个致动弹簧，并且把它们之一(例如第二致动弹簧72或72b)放置在流体致动器的第一方向端的，其在这里可以可操作地与第一活塞杆34或34b或34c连接。

在上面所有的描述中，每个开关和/或控制阀都可以是单级型或多级型。每个阀都可以是线型(例如滑阀)或旋转型。每个阀都可以由电、电磁、机械、压电或者流体方法驱动。

在一些图解和描述中，流体介质可以采取或者暗示为油质、水质或其它液体形式。在多数情况下，通过适当的调整，相同的概念可以应用到气体致动器和系统。同样，这里所用的术语“流体”意味着包括液体和气体。此外，在目前为止的很多图解和描述中，本发明的应用默认为气门阀控制，但不局限于此。本发明可以应用到运动的快速和/或高能效控制所需的其它情形。

尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应该认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可在形式和细节上变化。同样，前面的详细描述只是为了说明而非限制，本发明旨在覆盖如所附权利要求所界定的本发明的范围及其所有的等同物。

Claims (28)

1.一种流体致动器，包括：

壳体，具有第一和第二流体端口；

致动油缸，在该壳体中，定义了纵向轴，并且在第一和第二方向上具有第一和第二端；

致动活塞，在该油缸中，带有第一和第二表面，沿着该纵向轴可滑动，该致动活塞和该油缸的滑动面之间形成基本的流体密封；

弹簧子系统，将该致动活塞平衡到中立位置；

第二活塞杆，可操作地与该致动活塞和该弹簧子系统连接；

第一流体空间，介于该致动油缸的该第一端和该致动活塞的该第一表面之间；

第二流体空间，介于该致动油缸的该第二端和该致动活塞的该第二表面之间；

第一流动机构，控制该第一流体空间和该第一端口之间的流体连通；和

第二流动机构，控制该第二流体空间和该第二端口之间的流体连通。

2.如权利要求1所述的流体致动器，还包括第一活塞杆，可操作地与该致动活塞在其第一表面侧连接。

3.如权利要求1所述的流体致动器，还包括至少一个缓冲机构，由此在该致动活塞接近其至少一个端点位置时减小其行程速度。

4.如权利要求3所述的流体致动器，还包括至少一个单向阀，在该至少一个缓冲机构周围提供单向流动旁路。

5.如权利要求4所述的流体致动器，其中该至少一个单向阀是簧片型的。

6.如权利要求1所述的流体致动器，其中该弹簧子系统还包括至少一个第一致动弹簧和至少一个第二致动弹簧。

7.如权利要求2所述的流体致动器，其中该第一和第二活塞杆具有两个不同的预定直径，由此导致在两个致动活塞表面上显著不同的受压面积，并且因此导致在相同的压差下在该第一和第二方向上显著不同的净流体力。

8.如权利要求1所述的流体致动器，其中该第一和第二端口分别由第一致动3通阀和第二致动3通阀供给。

9.如权利要求1所述的流体致动器，其中该第一和第二端口都由一个致动开关阀供给。

10.如权利要求1所述的流体致动器，该第一和第二端口都由一个致动比例阀供给。

11.如权利要求1所述的流体致动器，还包括气门阀，可操作地与该第二活塞杆连接。

12.如权利要求1所述的流体致动器，还包括弹簧控制器，由此控制该弹簧子系统的压缩状态。

13.如权利要求1所述的流体致动器，其中该第一和第二流动机构中的至少一个包括钻孔、活塞杆颈和在该钻孔和该活塞杆颈之间的环形空间。

14.如权利要求1所述的流体致动器，其中该第一和第二流动机构中的至少一个包括一个钻孔沉割槽和该钻孔沉割槽与活塞杆之间的环形空间。

15.如权利要求1所述的流体致动器，其中该第一和第二流动机构中的至少一个包括致动油缸沉割槽。

16.一种控制致动器的方法，包括：

(a)提供包括下面部件的致动器：

壳体，具有第一和第二流体端口；

致动油缸，在该壳体中，定义了纵向轴，并且在第一和第二方向上具有第一和第二端；

致动活塞，在该油缸中，带有第一和第二表面，沿着该纵向轴可滑动，该致动活塞和该油缸的滑动面之间形成基本的流体密封；

弹簧子系统，将该致动活塞平衡到中立位置；

第二活塞杆，可操作地与该致动活塞和该弹簧子系统连接；

第一流体空间，介于该致动油缸的该第一端和该致动活塞的该第一表面之间；

第二流体空间，介于该致动油缸的该第二端和该致动活塞的该第二表面之间；

第一流动机构，控制该第一流体空间和该第一端口之间的流体连通；和

第二流动机构，控制该第二流体空间和该第二端口之间的流体连通；

(b)通过分别给该第一和第二端口提供高、低压流体，保持该致动活塞和该致动器的负荷在第二方向端点位置，由此在该致动活塞上提供在该第二方向上的差压，并且平衡其余力的总和、包括在该第一方向上的该弹簧子系统返回力；

(c)通过采用该弹簧子系统的摆锤运动，并且通过分别给该第一和第二端口提供低、高压流体，驱动该致动活塞和该致动器的该负荷在该第一方向上，并且朝着该第一方向的端点位置，由此在该致动活塞上提供在该第一方向上的差压；

(d)对于需要的时段，通过保持该第一和第二端口分别提供有低、高压流体，保持该致动活塞和该致动器的该负荷在该第一方向端点位置，由此在该致动活塞上提供在该第一方向上的差压，并且平衡其余力的总和、包括在该第二方向上的该弹簧子系统返回力；以及

(e)通过采用该弹簧子系统的摆锤运动，并且通过分别给该第一和第二端口提供高、低压流体，驱动该致动活塞和该致动器的该负荷在该第二方向上，并且朝向该第二方向的端点位置，由此在该致动活塞上提供在该第二方向上的差压。

17.如权利要求16所述的控制致动器的方法，还包括当驱动该致动活塞和该致动器的该负荷在该第二方向上并且朝向该第二方向端点位置时，相对于给该第二端口施加该低压流体延迟给该第一端口施加该高压流体，由此延迟在该致动活塞上施加在该第二方向上的差压，以减少能量消耗，并且帮助就位速度的控制。

18.如权利要求16所述的控制致动器的方法，其中该致动器还包括至少一个缓冲器，由此帮助控制就位速度。

19.如权利要求16所述的控制致动器的方法，其中该致动器还包括第一活塞杆，可操作地与该致动活塞在其第一表面侧连接。

20.如权利要求19所述的控制致动器的方法，其中该第一和第二活塞杆在它们各自的直径上具有预定的差值，由此在该第一和第二方向上提供显著不同的有效流体致动面积。

21.如权利要求18所述的控制致动器的方法，其中该致动器还包括至少一个单向阀，其在该至少一个缓冲机构周围提供单向流动旁路。

22.如权利要求16所述的控制致动器的方法，其中该弹簧子系统还包括至少一个第一致动弹簧和至少一个第二致动弹簧。

23.如权利要求16所述的控制致动器的方法，其中该致动器还包括气门阀，可操作地与该第二活塞杆连接。

24.如权利要求16所述的控制致动器的方法，其中该致动器还包括弹簧控制器，由此控制该弹簧子系统的压缩状态。

25.一种流体致动器，包括：

壳体，其包括沿该壳体的纵向方向延伸的中空部分以及在径向方向上形成的第一流体端口和第二流体端口，该第一流体端口和第二流体端口分别供以压力可控制的第一流体空间和第二流体空间；

沿该中空部分设置的轴组件，该轴组件包括：

第一活塞杆；

第一活塞杆颈，与该第一活塞杆相连；

致动活塞，其包括与第一活塞杆颈相连的第一表面，并包括与第一表面相对侧的第二表面，

第二活塞杆颈，其与致动活塞的第二表面相连；和

第二活塞杆，其一端与第二活塞杆颈相连，另一端与阀杆相连；

其中，所述第一流体空间内的压力作用到致动活塞的第一表面，所述第二流体空间内的压力作用到致动活塞的第二表面，从而通过第一流体空间和第二流体空间的压力差来控制致动活塞在所述中空部分内的纵向滑动，该致动活塞和该中空部分的滑动面之间形成基本的流体密封。

26.如权利要求25所述的流体致动器，其中，所述中空部分还包括对应于第一活塞杆的第一活塞杆颈侧的第一钻孔沉割槽；对应于第二活塞杆的第二活塞杆颈侧的第二钻孔沉割槽；对应于致动活塞第一表面侧的第一油缸沉割槽；及对应于致动活塞第二表面侧的第二油缸沉割槽。

27.如权利要求26所述的流体致动器，其中，所述第一流体端口和所述第二流体端口还分别设有单向流体旁路。

28.如权利要求25-27中的任一项所述的流体致动器，还包括弹簧子系统，以将该致动活塞平衡到中立位置。

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