CN101194085B - 具有气门落座控制的气门驱动系统 - Google Patents

具有气门落座控制的气门驱动系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种可变的气门驱动系统,用于驱动和控制内燃机气门的落座速度。所述系统包括:在其内有孔的壳体;可滑动位于孔中的外部活塞,所述外部活塞中具有开口;可滑动地位于外部活塞中的止动活塞;和从内部活塞延伸的锥形延伸部,其中锥形延伸部沿外部活塞开口提供可变的流动面积,以提供改善的发动机气门落座。

Description

具有气门落座控制的气门驱动系统 [0001] 鹏申i青,X綠
[0002] 本申请涉及并以2005年4月11日提交的名称为"紧凑的外部自调整气门止动"的 美国临时专利申请No. 60/669919为优先权。
技术领域
[0003] 本发明通常涉及控制内燃机气门的系统和方法。特别地,本发明涉及控制发动机 气门落座的系统和方法。
背景技术
[0004] 发动机燃烧室气门,例如吸气气门和排气气门,通常被弹簧偏置向气门闭合位置。 在许多内燃机中,发动机气门可以由发动机中固定轮廓的凸轮打开和关闭。更为明确地,气 门可以被凸轮上的一个或几个固定的圆形突出部打开或关闭。在一些情况下,使用固定轮 廓的凸轮很难调整发动机气门抬起的时间和升起量。但是,可以希望在各种发动机操作条 件下,例如不同的发动机速度下,调整气门打开和关闭的时间并调整气门升起。 [0005] 如果给定固定的凸轮轮廓,调整气门时间和升起的方法为在气门和凸轮之间的气 阀机构连接中并入"空转"设备。空转是应用在一类用于改变阀运动的技术方案中的术语, 所述阀运动由具有可变长度的机械、液压或其它连接装置的凸轮轮廓所控制。空转系统可 以包括可变长度设备,可变长度设备在凸轮和发动机气门之间的气阀机构连接中。凸轮上 的圆形突出部可以提供发动机操作条件范围内需要的"最大"运动(凸轮曲线的最长同心 部分和最大凸轮升程)。当完全展开时,可变长度设备(或空转系统)可以把凸轮的所有运 动都传递给阀门,而且当完全收縮时,可变长度设备不传递或传递少量的凸轮运动给阀门。 通过选择性地减少空转系统的长度,由凸轮传递给阀门的部分或全部运动可以被有效地减 少或丧失。
[0006] 基于液压的空转系统可以通过使用液压可伸展或可縮回的活塞组件来提供可变 长度设备。当活塞縮回它的液压腔时,所述设备的长度被縮短,而且当活塞伸出它的液压腔 时,所述设备的长度被增加。 一个或多个液压流体控制阀可以被用于控制液压流体流入和 流出液压腔。
[0007] 正如已知的可变气门驱动(VVA)系统,一种空转系统可以设有多级空转运动。液 压VVA系统可以使用高速控制阀来快速地改变在腔中液压流体的量,液压空转运动活塞容 纳在腔中。控制阀也能够在腔体中提供超过两级的液压流体,因此使空转系统获得许多长 度,且提供阀驱动的可变级别。
[0008] 通常要求发动机气门非常快地打开和关闭,而且因此气门复位弹簧通常相对坚 硬。气门打开动作之后,如果没有止回,气门复位弹簧可能会使气门以足够大的力碰撞它的 座,以损毁气门和/或它的座。在使用气门挺杆来跟随凸轮轮廓的气门驱动系统中,凸轮轮 廓提供内置气门关闭速度控制。凸轮轮廓可以形成为使驱动圆形突出部与凸轮基圆逐渐地 融合在一起,当发动机气门靠近它的座时,对发动机气门减速起作用。[0009] 在液压空转系统中,特别地在VVA液压空转系统中,液体从液压管路中快速排放 可以防止气门经受由凸轮轮廓提供的气门落座。例如,在VVA系统中,通过从空转系统中快 速释放液压流体,使得发动机气门可以比由凸轮轮廓提供的时间更早关闭。当液体从空转 系统中释放,气门复位弹簧可以使发动机气门"自由落体",而且以不可接受的高速碰撞气 门座。气门用这样的力碰撞气门座,会使它最终磨蚀气门或气门座,或者甚至使气门裂缝或 破裂。在这个例子中,可以希望控制发动机气门落座,因为气门的关闭速度被从空转系统中 释放的液压流体所控制,而不是被固定凸轮轮廓控制。因此,在包括空转系统的发动机中, 而且特别地在VVA空转系统中,需要气门落座设备。
[0010] 为了避免发动机气门和它的座之间的破坏性的碰撞,不论其它气阀机构元件的位 置,气门落座设备应该抵抗关闭运动。为了实现这个目标,发动机气门经受气门落座控制的 位置应该相对恒定。换句话说,在气门落座设备积极抵抗阀门的关闭运动的发动机气门行 程中,所述位置应该在所有发动机操作条件下相对恒定。因此,无论介入的气阀机构元件的 位置,给气门落座设备定位以便它能够抵抗发动机气门的关闭运动都是有利的,介入的气 阀机构元件例如摇臂、推管或类似物。
[0011] 气门落座设备可以包括液压元件,因此需要被支撑在壳体中,而且需要液压流体 的供给,同时更要安装在特定发动机的封装所限制的范围内。将气门落座设备定位在其它 液压空转部件附近也是有利的。通过将气门落座设备定位在其它液压空转部件附近,可以 共享壳体、液压供给、和/或储液器,因此减少所需要部件的体积和数量。 [0012] 本发明的不同实施例可以满足前述的一个或几个需要,而且也提供其它优点。 [0013] 发明内容
[0014] 申请人公开一种创新的具有气门落座控制的气门驱动系统。在一个实施例中,所 述系统包括在其内有孔的壳体;可滑动位于孔中的外部活塞,所述外部活塞中具有开口 ; 可滑动地位于外部活塞中的止动活塞,所述止动活塞具有从所述止动活塞延伸到外部活塞 开口中的锥形延伸部;与外部活塞的上部接触的盖;位于止动活塞和盖之间的止动弹簧; 和至少一个位于所述盖和所述壳体孔的端壁之间的弹簧。
[0015] 进一步,所述系统还包括一个或多个位于所述止动活塞和壳体孔的端壁之间的弹簧。
[0016] 申请人还公开了一种创新的气门落座设备,包括:在其内有孔的壳体;可滑动位 于孔中的圆柱形外部活塞,具有中空的内部的所述外部活塞在其下部分中形成开口 ;可滑 动地位于外部活塞中的圆柱形止动活塞,具有中空的内部的所述止动活塞具有从所述止动 活塞延伸到外部活塞开口中的锥形延伸部;位于外部活塞的上部的盖,所述盖中具有开口 ; 位于止动活塞和盖之间的止动弹簧;和至少一个位于所述盖和所述壳体孔的端壁之间的弹 簧。
[0017] 申请人还公开了一种创新的气门落座设备,包括:在其内有孔的壳体;可滑动位 于孔中的圆柱形外部活塞,具有中空的内部的所述外部活塞在下部分中形成开口 ;可滑动 地位于外部活塞中的圆柱形止动活塞,具有中空的内部的所述止动活塞具有从所述止动活 塞延伸到外部活塞开口中的锥形延伸部;位于外部活塞的上部的盖,所述盖中具有开口 ; 位于止动活塞和盖之间的止动弹簧;至少一个位于所述盖和所述壳体孔的端壁之间的弹 簧;和一个或多个位于外部活塞和壳体孔的下部之间的止回阀。[0018] 附图说明
[0019] 应该明白前述的概要描述和后续的详细描述仅仅是示例和说明,并不是对所声称 的本发明的限制。在这里并入作为参考并组成说明书一部分的附图阐明本发明的某些实施 例,并和详细的说明一起用于解释本发明的原理。
[0020] 为了有利于理解本发明,现在将参考附图进行描述,其中相同的附图标记指相同 的元件。图形仅仅是一个示例,不应该成为对本发明的限制。 [0021] 图1是气门落座控制系统的示意图。
[0022] 图2是根据本发明第一个实施例的气门落座设备的横截面视图; [0023] 图3是根据本发明第二个实施例的气门落座设备的横截面视图; [0024] 具体实施方式
[0025] 图4是根据本发明实施例的相对于气门落座设备行程的流动面积曲线图。
[0026] 现在将参考图1中详细阐明的本发明的气门落座控制系统10的第一个实施例。
系统10可以包括一个或多个可操作地连接在空转系统100、气门落座设备200和至少一个
发动机气门400上的气阀机构元件300。空转系统100可以接收来自运动输入装置500的
输入。气阀机构元件300可以将气门驱动运动传递给发动机气门400。发动机气门400可
以被驱动来产生各种发动机气门动作,例如主吸气、主排气、减压制动、排放制动、废气再循
环、排气气门的早期打开和/或关闭、吸气气门的早期打开和/或关闭、对中的升起等等,但
不局限于此。发动机气门400可以包括排气气门、吸气气门或辅助气门。
[0027] 运动输入装置500可以包括用于传入线性驱动运动的凸轮、推管、摇臂或其它机
械的、机电的、液压的、或气动设备的任何组合。运动输入装置500可以收到来自发动机部
件的运动,而且把所述运动作为输入传递给空转系统100。
[0028] 空转系统100可以包括任何把运动输入装置500连接到气阀机构元件300的结 构,而且空转系统100能够选择性地空转部分或者全部由运动输入装置500输入给它的运 动。例如,空转系统100可以包括可变长度的机械连接、液压管路、液压机械连接、机电连 接、和/或任何其它连接,所述连接设置在运动输入装置500和气阀机构元件300之间,且 能够得到不止一个操作长度。如果空转系统IOO包括液压管路,它可以包括用于调整在液 压管路中流体的压力或流量的装置,例如,触发阀、止回阀、储液器、和/或其它用于从液压 管路中释放液体或向液压管路中增加液体的设备。
[0029] 发动机气门400可以设置在套筒420内,套筒420又设在气缸头410中。发动机 气门400可以相对于套筒420向上和向下滑动,而且可以被气门弹簧450偏置向闭合位置。 可以在气缸头410和气门弹簧保持器440之间压縮气门弹簧450,气门弹簧保持器440可以 连接在气门杆的一端上,因而把发动机气门400向发动机气门座430偏置。当发动机气门 400与发动机气门座430接触时,发动机气门400有效地处于闭合位置。 [0030] —个或多个气阀机构元件300可以收到来自空转系统100的力,而且可以把此力 传输给发动机气门400。 一个或多个气阀机构元件300也可以把气门弹簧450的力传回给 空转系统100和/或气门落座设备200,气门弹簧450把发动机气门400偏置到闭合位置。 [0031] 气门落座设备200可以可操作地连接在气阀机构元件300上。当气门落座设备 200致动时,它可以通过气阀机构元件300给发动机气门弹簧450的偏置提供阻力。在优 选实施例中,气门落座设备200可以持续工作。但是,希望当用户需要时可以使气门落座设备200制动,以便在选择的时段它不操作发动机气门400落座。当气门落座设备200不起 作用时,发动机气门400可以在发动机气门弹簧450的偏置下和/或空转系统100的作用 下落座。
[0032] 当空转系统100不被致动空转时,可以把来自运动输入装置500的运动通过气阀 机构元件300传递给发动机气门400。同样地,发动机气门弹簧450的力可以从发动机气门 弹簧450通过气阀机构元件300传递给空转系统100和/或气门落座设备200。但是,当 空转系统100对运动输入装置500起空转作用时,发动机气门400通常以"自由降落"来关 闭,在这种状态下,发动机气门400会以不希望的高速与发动机气门座430接触。当空转系 统100处于空转时,为了使发动机气门400关闭时的速度减慢,可以使用气门落座设备200。 [0033] 通过气阀机构元件300抵抗发动机气门400的运动,气门落座设备200可以减慢 发动机气门400与发动机气门座430接触时的速度。优选以渐进的方式,而且特别是在行 程中的最后几毫米中,气门落座设备200可以减缓发动机气门400落座的速度,因此减少发 动机气门400和发动机气门座430的磨损和损坏。
[0034] 使用已知气门落座设备的例子在Vanderpoel等人的美国专利No. 6474277和 Schwoerer等人的美国专利No. 6302370中公开,其每一个在此都并入作为参考。 [0035] 在图2中详细阐述气门落座设备200的第一个实施例,其中相同的附图标记指相 同的元件。气门落座设备200可以位于在其内具有柱形孔的壳体202中。下壳体部分204 可以包括一个或多个给气门落座设备提供液体的端口(未示出)。
[0036] 柱形外活塞210可滑动地位于壳体202中。外活塞210可以包括中空的内部,位于 下部的开口 280和上端。开口 280可以允许液压流体在外活塞210的中空内部和壳体202 的下部204之间流动。外活塞210也可以包括在它的下部内部中形成的环形凹槽。 [0037] 柱形止动活塞220 (catch piston)可滑动地位于外活塞210的中空内部中。止动 活塞220可以包括当止动活塞220顶靠外部活塞210时,从止动活塞的底部向开口 280中 延伸的锥形延伸部225。止动活塞220也可以包括中空的内部。外部环形圈也可以从止动 活塞的下部延伸入外部活塞210中的环形凹槽。
[0038] 止动活塞220的锥形延伸部225可以选择为从它的基部到它的下端逐渐变细的形 状。可以选择锥形延伸部225的锥形在其基部与开口 280的直径基本上相同,而且在其下 端具有较小的直径。在气门落座动作过程中依据所希望的通过开口 280的流体节流水平, 锥形延伸部225可以从基部到端部线性逐渐减小,或者不到线性地逐渐减小。 [0039] 可以在外活塞210的上端设置盖290。所述盖可以包括盖开口 295,其允许液体在 外活塞210的内部和壳体孔的上部之间流动,外活塞可滑动地位于壳体孔中。可以在外活 塞210和止动活塞220的内部设置止动活塞弹簧270。止动活塞弹簧270可以把止动活塞 220和盖290彼此偏置开。内部盖弹簧250和外部盖弹簧260可以设置在壳体202中的孔 的上部。内部盖弹簧250和外部盖弹簧260可以偏置盖290和外活塞210,使其远离壳体 202孔的上端壁。
[0040] 在下壳体部分204中可以设置可滑动的销230。可滑动的销230在销导向装置240 的导向下可以相对于开口 280保持在中心位置。销导向装置240允许销230垂直滑动,以 便它可选择性的覆盖开口 280。如图l所示,销230可以包括与发动机气门400接触的下 端,或接触发动机气门桥或多个介入的与发动机气门接触的气阀机构元件300中的任何一个。销230可以传递发动机气门400和气门落座设备200之间的关闭发动机气门的力和气 门落座阻力。内部盖弹簧250、外部盖弹簧260和止动活塞弹簧270可以共同偏置气门落座 设备200使其顶靠销230,销230又被偏置而顶靠发动机气门。
[0041] 可以如下操作气门落座设备200。当希望控制气门落座时,可以通过自动控制阀 或其它设备给下壳体部分204提供液压流体。当发动机气门打开时,销230跟随发动机气 门向下。随着销230向下移动,内部和外部盖弹簧250和260,和止动活塞弹簧270使气门 落座设备200的元件分离。最后,开口 280可以不再被销230的上端所覆盖。因为止动活 塞弹簧270向下偏置不够大,和/或因为所述弹簧到达它的最大伸展极限,下壳体部分204 中的液压流体可以向上推动止动活塞220,而且液压流体会流过锥形延伸部225,以充满外 部活塞210和锥形延伸部225之间的空间。液压流体也可以漏过止动活塞220和外部活塞 210之间的空间,以既充满盖290上方的空间,又充满止动活塞和外部活塞的内部。因此,气 门落座设备200的所有内部空间都被液压流体充满。
[0042] 当发动机气门关闭时,销230向上移动,直到它与外部活塞210接触。当销230与 外部活塞接触时,它可以完全地或部分地覆盖开口的下端,而且因此可以至少部分地阻断 来自外部活塞210和止动活塞220之间空间的液压流体流到下壳体部分204中。气门落座 设备200中的液压流体和弹簧250、260和270会抵制销230进一步向上的移动。锥形延伸 部225可以逐渐节流来自外部活塞210和止动活塞220之间空间的流体。随着发动机气门 逐渐接近它的座,液流的逐渐节流使得销230向上移动的阻力逐渐增加,因而在发动机气 门到达它的座之前,它向上的速度逐渐降低。可以设计锥形延伸部225在发动机气门到达 它的座之前的最后几毫米过程中逐渐节流。在这种方式下,锥形延伸部沿开口 280提供可 变的流动面积。这也允许开口 280具有比较大的直径,且可以使用于下一个气门落座动作 的液压流体更快地再充满气门落座设备200的内部。从气门落座设备200的内部回流入下 壳体部分204中的液压流体可以被吸入相对低的液压流体供给系统(未示出),液压流体供 给系统给下壳体部分提供液体。
[0043] 气门落座设备200的第二个实施例在图3中阐明,其中相同的附图标记指相同的 元件。图3中所示的气门落座设备与图2中所示的气门落座设备的不同点在于它包括一个 或多个设置在外部活塞210和下壳体部分204之间的止回阀。每一个止回阀可以包括止回 球212,止回球212可以位于止回通道216上端的止回座214上。止回阀允许液体从下壳体 部分204单向流入外部活塞210和止动活塞220之间的空间。在气门落座动作之间止回阀 可以使气门落座设备200更快地再次充满液压流体。
[0044] 在本发明的另一个实施例中,气门落座设备200可以被集成到从动活塞或其它气 阀机构元件300中,因此消除销230和销导向装置240的需要。
[0045] 图4是对比已知气门落座设备610和根据本发明的实施例中的气门落座设备600 中所希望的相对于止动活塞行程的流动面积的曲线图。当使用根据本发明实施例的气门落 座设备时,所述曲线图示出流动面积可以在早期的充满(液体)和落座的运动过程中一开 始比较大(曲线图的右侧部分),且随着气门靠近它的座而逐渐以更大的速率限制(曲线图 的左侧部分)。
[0046] 很显然,本领域技术人员可以在构架,结构,和/或本发明的操作中做出各种修改 和变化,而不脱离本发明的范围和精神。例如,在不需要空转功能的地方,可以设计在不具有空转系统100的系统中设置气门落座设备200的实施例。另外,只要气门落座设备200可以操作发动机气门回到座上,可以将它设置在发动机气阀机构的任何位置。

Claims (11)

  1. 一种气门落座设备,包括:壳体,在壳体内有孔;可滑动位于孔中的外部活塞,所述外部活塞中具有开口;可滑动地位于外部活塞中的止动活塞,所述止动活塞具有从所述止动活塞延伸到外部活塞开口中的锥形延伸部;与外部活塞的上部接触的盖;位于止动活塞和盖之间的止动弹簧;和至少一个位于所述盖和所述壳体孔的端壁之间的弹簧。
  2. 2. 如权利要求1的气门落座设备,所述盖中设置有开口。
  3. 3. 如权利要求l的气门落座设备,还包括一个或多个位于所述止动活塞和壳体孔的端 壁之间的弹簧。
  4. 4. 如权利要求1的气门落座设备,其中锥形延伸部从基部到终端线性地变细。
  5. 5. 如权利要求1的气门落座设备,其中锥形延伸部从基部到终端逐渐地变细。
  6. 6. 如权利要求l的气门落座设备,还包括一个或多个位于外部活塞和壳体孔的下部之 间的止回阀。
  7. 7. 如权利要求6的气门落座设备,还包括一个或多个位于所述止动活塞和壳体孔的端 壁之间的弹簧。
  8. 8. 如权利要求6的气门落座设备,其中锥形延伸部从基部到终端线性地变细。
  9. 9. 如权利要求6的气门落座设备,其中锥形延伸部从基部到终端逐渐地变细。
  10. 10. —种气门落座设备,包括: 壳体,在壳体内有孔;可滑动位于孔中的柱形外部活塞,所述外部活塞在其下部分中形成开口并具有中空的 内部;可滑动地位于外部活塞中的柱形止动活塞,所述止动活塞具有从所述止动活塞延伸到 外部活塞开口中的锥形延伸部,并具有中空的内部; 位于外部活塞的上部的盖,所述盖中具有开口 ; 位于止动活塞和盖之间的止动弹簧;禾口 至少一个位于所述盖和所述壳体孔的端壁之间的弹簧。
  11. 11. 一种气门落座设备,包括: 壳体,在壳体内有孔;可滑动位于孔中的柱形外部活塞,所述外部活塞在下部分中形成开口并具有中空的内部;可滑动地位于外部活塞中的柱形止动活塞,所述止动活塞具有从所述止动活塞延伸到 外部活塞开口中的锥形延伸部,并具有中空的内部; 位于外部活塞的上部的盖,所述盖中具有开口 ; 位于止动活塞和盖之间的止动弹簧;至少一个位于所述盖和所述壳体孔的端壁之间的弹簧;禾口 一个或多个位于外部活塞和壳体孔的下部之间的止回阀。
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