CN101171405A - 电动液压发动机气门促动 - Google Patents

Abstract

提出了作为用于控制发动机气门的系统的元件的液压促动器。促动器包括部分地由促动活塞限定的流体促动室，当促动活塞被推离中性位置时使室的容积增加。室包括高压流体入口和流体出口。流体促动器控制室由连接到促动活塞的控制活塞限定，当促动活塞被推离中性位置时使室的容积增加。控制流体出口连接到流体控制滑阀。促动室的流体出口流体地连接到控制阀的入口。存在可操作地连接到促动活塞的气门促动柱塞和维持到促动器控制室的流体背压的排放出口。

Description

电动液压发动机气门促动

技术领域

本发明涉及内燃机气门系。更特定地，本发明涉及发动机气门促动，特别是电动液压促动的完全灵活的气门系。

背景技术

具有完全灵活的气门促动的气门系在内燃机中是希望的。对每个发动机气门的持续时间、相位和升程的控制能力为发动机设计者提供了实现排放、发动机性能和燃料经济性中测量的益处的工具，否则这些以常规的气门系是不能获得的。虽然以基于凸轮的气门促动系统能实现某种程度的灵活性，例如使用凸轮轴相位器、多外形凸轮或挺柱取消激活设备的系统，但这些系统不能提供具有宽范围的对气门开启时间、持续时间和从完全关闭到完全开启的升程大小的控制能力的完全灵活的气门控制系统。

从业者已研究了多种用来实现完全灵活的气门促动能力的系统，包括电磁气门促动系统。这样的系统是无凸轮的，但未显示出在气门升程从完全开启到完全关闭的全范围内提供可变升程控制。已建议和开发了用于内燃机的且能提供正时、定相位和完全可变气门升程的电动液压气门促动系统。目前已知的电动液压气门系不希望地是大的且昂贵的。此外，能耗和可控性持续对这样的系统的生产实施提出了挑战。

因此，存在对能提供对发动机气门开启持续时间、发动机气门相对于曲轴的开启相位和发动机气门升程大小的全范围控制的电动液压气门促动系统的需求。

发明内容

本发明改进了系统可控性和能耗。根据本发明提出了用于内燃机气门的液压促动器。促动器包括部分地由促动活塞限定的流体促动室，且流体促动室的特征在于当促动活塞被推离中性位置时室的容积增加。室包括高压流体入口和流体出口。存在部分地由可操作地连接到促动活塞的控制活塞限定的流体促动器控制室，且流体促动器控制室的特征在于当促动活塞被推离中性位置时室的容积增加。促动器控制室包括控制流体出口。存在流体控制阀，流体控制阀包括具有流体地连接到促动器控制室的控制流体出口的流体控制室的滑阀。促动室的流体出口流体地连接到控制阀的入口。存在可操作地连接到促动活塞的气门促动柱塞。

本发明的另一个方面包括促动器控制室，促动器控制室具有可操作以维持到促动器控制室的流体背压的排放出口。

本发明的另一个方面包括具有活塞头部的控制活塞，当促动活塞被推离中性位置时活塞头部可操作以滑动地在促动器控制室内直线移动，且活塞头部可操作以控制促动器控制室和排放出口之间的流体流动。

本发明的另一个方面是可操作地联接到发动机气门杆的气门促动柱塞。

本发明的另一个方面是由推动可操作以维持发动机气门处于常闭位置的弹簧所限定的促动活塞的中性位置，其中促动活塞被高压流体入口处引入的加压流体推离中性位置，因此推动发动机气门开启。

本发明的另一个方面是具有滑阀的控制阀，滑阀带有在控制阀入口和流体地连接到控制阀的排放处之间控制阀开启的第一状态，和在控制阀入口和流体地连接到控制阀的排放处之间控制阀关闭的第二状态。

本发明的另一个方面是包括高压流体控制回路的液压促动系统，高压流体控制回路包括高压流体泵、第一流体控制阀、液压气门促动器和第二流体控制阀。液压气门促动器已在上文中描述。

在阅读和理解如下的实施例详细描述时，本发明的这些和其他方面将对于本领域一般技术人员显见。

附图说明

本发明可具有以某些零件和零件布置的物理形式，将详细描述且在形成为其部分的附图中图示本发明的优选实施例，各图为：

图1是根据本发明的用于控制液压发动机气门促动器的液压回路的示意图；和

图2是根据本发明的液压发动机气门促动器的示意图。

具体实施方式

典型的液压发动机气门促动器10和气门促动回路在下文中描述，且意图于与实施在常规构造的多缸内燃机上的完全灵活的电动液压气门促动系统一起应用。典型的发动机包括缸体、气缸盖44、曲轴，且具有多个形成在缸体内的气缸。每个气缸包括可操作为在气缸内直线运动且通过活塞连杆机械地可操作地连接到曲轴的活塞。曲轴安装在接附到缸体的主轴承上。在每个气缸内，燃烧室形成在每个活塞顶和气缸盖之间。作为在每个燃烧室内发生的燃烧的结果，曲轴在主轴承内响应于由活塞连杆施加到其上的直线力而旋转。

气缸盖44优选地包括常规的铸造金属制成的设备，提供了用于发动机进气门和排气门的安装结构。气缸盖被修改以有效地安装和容纳多个气门促动器10。对应于每个气缸和燃烧室存在至少一个进气门和至少一个排气门，且对于进气门和排气门的每个存在一个气门促动器10。每个进气门可操作以开启且允许空气和燃料流入到相应的燃烧室内。每个排气门可操作以开启且允许燃烧产物流出相应的燃烧室到排气系统。

现在参考附图，其中附图仅用于图示本发明的目的且不用于限制本发明的目的。图1示出了典型的完全灵活的电动液压气门促动系统的示意图，包括根据本发明的实施例构造的发动机气门促动器10。典型的系统优选地可操作以响应于来自控制设备的控制信号且根据预先确定的控制模式来控制进气门和排气门的每个的气门升程大小L、气门开启持续时间D和气门开启正时θ。控制设备优选地是在发动机控制器5内执行的全部发动机控制模式的子系统，以实时地(ongoingly)控制发动机的操作。发动机控制器5优选地可操作以监测来自多种发动机传感器的输入和操作者的输入，且响应于此使用具有算法和标定形式的机载控制模式来促动多种控制设备。特别地包括在气门控制模式中的是监测发动机操作、操作者输入和环境条件且确定在气门升程大小L、气门开启持续时间D和相对于曲轴角位置的气门开启正时θ方面的最优气门开启形式的能力，以优化发动机操作。

发动机控制器优选地是包括中央处理单元的电子控制模块，中央处理单元与易失存储器和非易失存储器通过数据总线电信号连接。控制器操作地接附到感测设备和其他输出设备以实时地监测和控制发动机操作。输出设备优选地包括发动机的正确控制和操作所需的子系统，例如包括燃料喷射系统、火花点火系统(当使用火花点火式发动机时)、废气再循环系统和蒸发控制系统。发动机感测设备包括可操作以监测发动机操作、外部条件和操作者需求的设备，且典型地以信号接附到控制器5。控制算法典型地在预设的周期期间执行，使得每个控制算法在每个周期中至少执行一次。周期典型地在发动机操作期间每3、6、15、25和100毫秒执行。替代地，控制算法可以循环地执行且由事件的发生来驱动。典型的循环事件包括每个发动机循环或每个发动机转执行控制算法。用于确定在何位置处控制每个发动机气门的控制算法典型地在每个发动机循环执行。对于本领域一般技术人员，使用控制器5来控制内燃机的操作的多种方面是已熟知的。

再次参考图1，典型的完全灵活的电动液压气门促动系统优选地包括与每个气门促动器10相关的且可操作地连接到控制器5的闭合的高压流体回路。典型的闭合的高压流体回路包括通过管道80流体地连接到第一流动控制阀82的高压液压泵70，流动控制阀82通过管道84流体地连接到液压气门促动器10的入口40。气门促动器10的流体出口68通过管道86流体地连接到第二流动控制阀88，第二流动控制阀88排出到箱90。液压泵70和第一流体流动控制阀82和第二流体流动控制阀88操作地连接到控制器5。第一流体流动控制阀82和第二流体流动控制阀88每个优选地包括设计为在高压流体控制系统内使用的双状态滑阀流体控制阀。每个滑阀流体控制阀82、88的第一状态包括开启流动条件，且第二状态包括流体地密封的无流动条件。气门促动器10物理地在座处安装在气缸盖44上，所以气门促动器10的柱塞30的远端端部与发动机气门9的杆的端部物理接触，且可操作以在杆端部上施加开启力。气门9优选地是常规的发动机气门，它构造为具有布置的弹簧以提供关闭力。发动机气门9是常闭的，且气门促动器10必须通过柱塞30生成足够的力以克服弹簧关闭力来开启气门9。典型地，开启气门9包括使杆和气门直线地移动八至十三毫米。当气门促动器10组装到发动机气门9时，处于常闭位置的发动机气门9限定了气门促动器10的中性位置。上文中描述的液压回路优选地使用发动机机油作为液压流体。然而，其他类型的流体也可以与此系统一起使用。高压液压泵70定尺寸为提供足够的液压压力以克服发动机气门弹簧的关闭力以及在燃烧室内生成的作用在气缸盖和气门内侧的泵送力。在高的发动机转速条件下，这典型地在7至21MPa的范围内。一般技术人员可以选择实现在此描述的系统的任务的必需部件，包括选择具有必需的压力和流动特征的液压泵。

现在参考图2，图2示出了气门促动器10的示意图，气门促动器10是参考图1描述的回路的元件。每个气门促动器10以适合于促动器10的柱塞30物理地与发动机气门9相互作用的方式安装在气缸盖44上，如前文所述。在此实施例中，柱塞30和发动机气门9沿轴线55共直线，以最大化开启力到气门杆的传递。促动器10包括促动设备11、控制设备17和流体控制阀60。促动设备11包括具有促动活塞12的流体促动室34。控制设备17包括具有控制活塞14的流体促动器控制室32。促动活塞12、控制活塞14和柱塞30在此实施例中示出为整体件。应理解的是，不要求实施例具有用于促动活塞12、控制活塞14和柱塞30的组合的整体件。

促动设备11包括其中形成了促动室34的圆柱形金属主体，且其优选地包括具有高压流体入口40和流体出口46的高压流体室。典型的圆柱形促动室34具有与轴线55共直线的中心线。促动室34的下端包括具有导向件和高压流体密封件(未示出)的共轴线的圆形开口，柱塞30通过该开口。促动室34的顶端包括具有导向件和高压流体密封件的共轴线的圆形开口，且控制活塞14通过该开口与促动活塞12相互作用。促动活塞12大体上包含在室34内，具有密封地靠着促动室34的内壁配合的活塞头部13。促动室34的特征在于：当流体通过流体出口46的流动被关闭时，当活塞头部13被通过高压流体入口40的加压流体的流动从中性位置推离时，室的容积增加。

控制设备17包括其中形成了控制室32和下室36的圆柱形金属主体，且优选地接附到促动室34。控制室32和下室36由控制活塞14的活塞头部15分开且限定。控制设备17具有控制流体入口42和排放出口48。圆柱形的控制室32和下室36具有与轴线55共直线的共同的中心线。室36的下端包括带有导向件和密封件的共轴线的圆形开口，控制活塞14通过该开口与促动活塞12相互作用。活塞头部15密封地靠着控制室32和下室36的内壁配合。活塞头部15可操作以在控制室32和下室36内可滑动地直线地移动。控制室32的特征在于：当促动室34的流体出口46关闭时，当活塞头部15被通过高压流体入口40到促动室34内的加压流体的流动推离中性位置时，室的容积增加，因此导致促动活塞12、柱塞30和控制活塞14沿轴线55直线地移动。排放出口48优选地位于控制设备17内沿室壁的部分，活塞头部15在活塞14响应于流体压力水平变化的正常移动期间通过该室壁的部分。排放出口48提供了用于流体流动到流体箱90的开口。活塞头部15和排放出口48优选地设计为使得当活塞头部15可滑动地移动通过排放出口48时活塞头部15可操作以关断到排放出口48的流动的方式。排放出口48和流体箱90优选地设计为提供了在排放出口48打开以用于向流体箱90的流动时的到控制室32的流体背压水平。

流体控制阀60优选地包括设计为在高压流体控制系统中使用的双状态滑阀流体控制阀。每个滑阀流体控制阀的第一状态包括开启流动条件，且第二状态包括密封的无流动条件。控制阀60具有流体地连接到促动器控制室32的控制流体出口42的流体控制室64。存在具有弹簧62形式的偏置力生成器，其作用在阀60的阀芯部分上与在流体控制室64内生成的流体压力相对。在此包括开启流动条件的第一状态中，加压流体从促动器室34的出口46流动到控制阀60的入口66，通过开启阀到阀出口68且到管道86。在关闭位置，流体控制室64内的流体压力将阀芯向下移动，因此抑制了流体通过它的流动且造成了在入口66处的流体密封。

现在将通过例子参考附图描述本发明的操作，其中图1和图2包括根据本发明的完全灵活的电动液压气门促动系统的示意性图示。

在解除激活或中性状态，当发动机气门9处于中性位置时，即关闭时，第一流体流动控制阀82和第二流体流动控制阀88被控制到关闭位置，从而允许无流动通过液压回路。

到开启发动机气门9的过程包括控制器5开启流动控制阀82且保持阀88关闭，使得泵70操作。控制阀60最初关闭，即无流动。控制室排放出口48最初常闭。高压液压流体流动通过通道84到促动器10的入口40，且到促动室34内。加压流体造成促动活塞12上的力，该力通过柱塞30传递且作用在发动机气门9的杆上，以施加开启力。当液压泵70施加足够的压力在促动活塞12上以克服发动机气门9的关闭弹簧力时，发动机气门9开启。促动活塞12的移动导致控制活塞14的相应的移动，因此增加了控制室32的容积。控制阀60的控制弹簧62在流体控制阀60的可移动阀芯上施加压力力，从而导致可移动阀芯在阀内移动。此移动在阀控制室64上施加了力，阀控制室64又促使流体通过控制入口42离开室64到促动器控制室32内。在管道66和86流体连接的某一点，流体控制阀60的阀芯达到机械停止点，且阀60达到或获得开启状态。当阀60处于开启状态时，加压流体通过控制阀60离开促动室34流到流动管道86。促动活塞12的移动和控制活塞14的相应的移动导致控制活塞14的头部15在室32内移动，且因此开启排放出口48。排放出口48的开启允许流体流出室32到排放处和箱90，使得来自排放处的流体背压施加小量的液压压力。

发动机气门9的移动通过入口阀82的控制被控制到希望的升程L。入口阀82开启直至促动室达到对应于希望升程的希望的液压压力。在达到对应于希望的发动机气门升程L的希望的压力时，入口阀82关闭。当入口阀82关闭时，在促动室34内维持压力且发动机气门9保持为希望的升程L。

通过开启阀88的动作，从而释放了促动室34内的液压压力，因此允许发动机气门9的弹簧的动作关闭气门且克服液压压力，发动机气门9随后被关闭。弹簧力和相应的柱塞30的移动使促动活塞12和控制活塞14移动。控制活塞14的移动使活塞头部15移动，最终关闭了到排放出口48的流动。从此点向前通过发动机气门9的完整关闭，控制活塞14的移动在室32内生成了流体压力，该压力传递到阀控制室64。当此流体压力足以克服控制弹簧62施加的力时，阀60内的阀芯向下移动。发动机气门9将继续向上移动，而控制阀60的阀芯向下移动，直至它关断通过阀60的流体流动。然后，发动机气门9自然地停止在气门座处。

促动器10优选地包括提供冲击调整的机构，在此实施例中示出为压缩弹簧41，压缩弹簧41起作用以保持促动活塞14和柱塞30物理地靠着发动机气门杆，以容许因发动机和气门9的热改变而导致的气门杆尺寸改变。

在替代的实施例中，促动器包括位置传感器(未示出)，传感器机械化以提供发动机气门9的位置反馈到控制器5，以用于改进控制和促动。

本发明通过利用了发动机气门9和控制阀60之间的内部反馈机构提供了提高的可控性。控制室64和促动器控制室32和通道42和48优选地定尺寸以优化反馈机构，因此使得能有更好的性能和更低的能耗，另外提供了柔和的气门关闭以降低噪声和磨损。本发明使用了较少的硬件成分，这对应于更低的成本、更小的尺寸和更低的质量。本发明依赖于相对简单的外部控制，包括提供了正时控制的外部开/关流动阀82、88，而发动机气门的自调节自动地通过以上所述的内部反馈实现。

本发明已特别地参考优选实施例及其修改描述。当阅读和理解了说明书时可以想到另外的修改和改变。希望包括所有这样的落入本发明的范围内的修改和改变。

Claims (17)

1.一种用于内燃机气门的液压促动器，其包括：

部分地由促动活塞限定的流体促动室，且流体促动室的特征在于当促动活塞被推离中性位置时，室的容积增加，且流体促动室具有高压流体入口和流体出口；

部分地由可操作地连接到促动活塞的控制活塞限定的流体促动器控制室，且流体促动器控制室的特征在于当促动活塞被推离中性位置时，室的容积增加，且流体促动器控制室具有控制流体出口；

流体控制阀，流体控制阀包括具有流体地连接到流体促动器控制室的控制流体出口的流体控制室的滑阀；

流体促动室的流体出口流体地连接到控制阀的入口；和

可操作地连接到促动活塞的气门促动柱塞。

2.根据权利要求1所述的液压促动器，其中促动器控制室进一步包括排放出口。

3.根据权利要求2所述的液压促动器，其中控制活塞包括活塞头部，当促动活塞被推离中性位置时，活塞头部可操作以滑动地在促动器控制室内直线移动，且活塞头部可操作以控制促动器控制室和排放出口之间的流体流动。

4.根据权利要求3所述的液压促动器，其中排放出口可操作以维持到促动器控制室的流体背压。

5.根据权利要求1所述的液压促动器，其中气门促动柱塞可操作地联接到发动机气门的杆。

6.根据权利要求5所述的液压促动器，其中促动活塞的中性位置由推动可操作以维持发动机气门处于常闭位置的弹簧限定。

7.根据权利要求6所述的液压促动器，其中促动活塞被高压流体入口处引入的加压流体推离中性位置。

8.根据权利要求7所述的液压促动器，其中当促动活塞被高压流体入口处引入的加压流体推离中性位置时，发动机气门被推动开启。

9.根据权利要求1所述的液压促动器，其中流体控制阀进一步包括滑阀，滑阀具有第一状态和第二状态；第一状态包括：在控制阀入口和流体地连接到控制阀的排放处之间的控制阀开启；第二状态包括：在控制阀入口和流体地连接到控制阀的排放处之间的控制阀关闭。

10.根据权利要求9所述的液压促动器，其中当控制阀处于中性位置时，控制阀开启。

11.根据权利要求9所述的液压促动器，其中排放处可操作以维持流体背压。

12.根据权利要求1所述的液压促动器，其中促动活塞可操作以在促动室内沿轴线可滑动地直线移动。

13.根据权利要求12所述的液压促动器，其中气门促动柱塞与促动活塞沿轴线共直线地定位。

14.一种用于内燃机气门的液压促动系统，其包括：

高压流体控制回路，包括：流体地连接到第一流体控制阀的高压流体泵，第一流体控制阀流体地连接到液压气门促动器，液压气门促动器流体地连接到第二流体控制阀；该液压气门促动器包括：

(a)部分地由促动活塞限定的流体促动室，且流体促动室的特征在于当促动活塞被推离中性位置时，室的容积增加，且流体促动室具有高压流体入口和流体出口；

(b)部分地由可操作地连接到促动活塞的控制活塞限定的流体促动器控制室，且流体促动器控制室的特征在于当促动活塞被推离中性位置时，室的容积增加，且流体促动器控制室具有控制流体出口；

(c)流体控制阀，流体控制阀包括具有流体地连接到流体促动器控制室的控制流体出口的流体控制室的滑阀；

(d)促动室的流体出口流体地连接到控制阀入口；和

(e)可操作地连接到促动活塞的气门促动柱塞。

15.根据权利要求14所述的液压促动系统，进一步包括：可操作以控制高压流体泵、第一流体控制阀和第二流体控制阀的控制器。

16.根据权利要求15所述的液压促动系统，其中液压气门促动器的流体控制阀的排放出口流体地连接到第二控制阀的入口。

17.一种用于内燃机的电动液压气门促动机构，其包括：

(a)气门组件，包括：气门，气门座，气门杆，有效地将气门向气门座推动的弹簧，部分地由联接到气门杆的活塞限定且特征为当气门从气门座移开时室的容积增加的主流体室，和部分地由活塞限定且特征为当气门从气门座移开时室的容积增加的次流体室；

(b)选择地联接到主流体室的高压流体管线；

(c)滑阀，包括：第一口和第二口，阀芯，有效地将阀芯向第一口和第二口流体地联接的第一位置推动的弹簧，部分地由阀芯限定的阀流体室，其中阀流体室内的流体压力向第一口和第二口流体地解除联接的第二位置推动阀芯，阀流体室流体地联接到次流体室且第一口流体地联接到主流体室；

(d)选择地联接到第二口的第一低压流体管线；和

(e)第二低压流体管线，当气门处于从完全关闭位置到预先确定的部分开启位置的第一操作区域时，第二低压流体管线流体地从次流体室解除联接，且当气门处于从预先确定的部分开启位置到完全开启位置的第二操作区域时，第二低压流体管线流体地联接到次流体室。

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