CN101198772A - 可变气门致动器 - Google Patents

Abstract

致动器及该致动器的控制方法与系统，以最小的能量消耗来提供独立升程和正时控制，同时提供充分的补足能量来克服摩擦力。示例性实施例中，壳体中的致动油缸限定了纵向轴线且具有沿第一方向和第二方向的第一端部和第二端部。壳体中的具有第一表面和第二表面的致动活塞沿纵向轴线可移动。第一致动弹簧和第二致动弹簧分别在第一方向和第二方向上偏压致动活塞。第一流体空间由致动油缸的第一端部和致动活塞的第一表面限定，第二流体空间由致动油缸的第二端部和致动活塞的第二表面限定。当致动活塞没有充分接近致动油缸的第一端部和第二端部的任一方时，流体旁路短接第一流体空间和第二流体空间。第一流动机构提供第一流体空间和第一端口之间的流体连通，第二流动机构提供第二流体空间和第二端口之间的流体连通。

Description

可变气门致动器

相关申请

本申请要求于2005年6月16日递交的No.11/154,039的美国专利申请的优先权，该申请的全部内容合并于此作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及致动器以及用于控制该致动器的相关方法与系统，且特别是，涉及能以最小能量消耗提供独立升程(lift)和正时(timing)控制的致动器。

背景技术

可以采用各种系统来有效控制发动机气门的正时和升程，来改善发动机的性能、燃油经济性、喷射和其他特性。根据控制的装置或致动器，这些系统可以分成机械的、电液的(electrohydraulic)和机电的(有时称为电磁)形式。根据控制的范围，可以分成可变气门升程和正时、可变气门正时和可变气门升程的形式。它们也可以分成有凸轮(cam-based)或者间接作用以及无凸轮或者直接作用的形式。

在有凸轮的系统的情况下，保持传统的发动机凸轮系统并且稍微修改，以间接地控制气门正时和/或气门升程。在无凸轮系统中，传统的发动机凸轮系统用直接驱动各发动机气门的电液或者机电致动器完全替换。尽管无凸轮系统提供更宽的可控性，例如汽缸和气门的停用(deactivation)，并且由此具有更好的燃油经济性，但是所有现有生产的汽车可变气门系统都是有凸轮的。

机电无凸轮系统的问题包括与软着陆(soft-landing)、高电功率要求、能力不足相关的困难，或者难于控制升程以及处理高的和/或变化的汽缸空气压力的能力有限。电液无凸轮系统通常可以克服这样的问题，但是它确实存在自身的问题，例如在高发动机速度下的性能以及设计或者控制复杂，导致响应时间和流量之间的冲突。为了在6,000至7,000rpm下运行，致动器必须在2.5至3毫秒的时间内在8mm的范围上首先加速然后减速发动机气门。发动机气门必须行进在约5米/秒的峰值速度。这些要求已经达到了传统电液技术的极限。

克服这种性能限制的一个途径是，类似于机电系统一样，在电液系统中加入一对相对的弹簧(opposing springs)，其与系统的运动质量一起来产生弹簧质量谐振或摆动系统。在静止状态下，该相对弹簧将发动机气门居中设置在该气门的端点位置之间，即开启与关闭位置之间。为了保持发动机气门在一个端点位置上，系统必须具有一定的锁定机构，来抵抗来自该对弹簧的净返回力，其在两个端点的任何一个上积累了势能。当从一端点位置向另一端点位置行进时，发动机气门首先由弹簧返回力驱动并且加速，由弹簧存储的势能提供动力，直到在行程的中点，在此处其达到最大速度并且具有相应的动能；然后其抵抗弹簧的返回力保持向前运动，由动能提供动力，直到另一端，在此处其速度下降为零，相应的动能转变为弹簧存储的势能。

就其熟知的工作原理而言，弹簧质量系统本身在能量转换方面非常有效且很可靠。很多技术开发已经是去设计出有效的和可靠的锁定-释放机构，其可以将发动机气门保持在其开启和关闭位置，根据要求释放，增加附加能量来补偿摩擦和高度可变的发动机汽缸空气压力，并且在其着陆在另一端上之前阻息多余的能量。如上所讨论，存在着与机电或者电磁锁定-释放装置相关的困难。也已经有人在电液锁定-释放装置的开发方面进行了努力。

归于戴姆勒克莱斯勒(DaimlerChrysler)的美国专利No.4,930,464所揭示的是一种电液致动器，其包括双杆油缸(double-ended rod cylinder)、一对相对的弹簧和旁路，所述相对的弹簧趋于将活塞设置于油缸的中间，所述旁路在大部分冲程上短接两个油缸室，这样，液压油缸不浪费能量。当发动机气门在关闭位置时，旁路不起作用，活塞将油缸分成较大的开启侧室和较小的关闭侧室，并且当开启侧室和关闭侧室分别经受高压源和低压源时，发动机气门能够锁定，这是由于在活塞上产生与返回弹簧力相反的差压。当发动机气门处于开启位置时，活塞将油缸分成较大的关闭侧室和较小的开启侧室，并且通过较大的关闭侧室和较小的开启侧室分别经受高压源和低压源可以锁定发动机气门。

无论在开启位置还是在关闭位置，通过简单地开启二通触发阀(2-waytrigger valve)来释放大室中的压力，由此消除活塞上的差压，触发弹簧质量系统的摆动动力，来解锁发动机气门。该二通阀必须在冲程结束前再次非常快速地关闭，从而大室压力可以快速升高到足够大以锁定活塞，并且因此发动机气门处于其新的端点位置。该构造也具有二通推进阀，以在开启冲程期间在阀杆的顶端面上引入额外的驱动力。

前述系统具有几个潜在的问题。该二通触发阀必须在不超过3毫秒的非常短的周期内以适时的方式开启和关闭。该二通推进阀由两个油缸室或者发明人所称的冲程空间内的差压驱动，并且潜在地在推进阀与油缸室之间存在太多的时间延迟和液压瞬态波。在每个冲程结束附近，较大的汽缸室必须通过由一限流器供给的流体来回填，这要求限流器部件有相当大的开口尺寸。另一方面，在每个冲程的开始，该二通触发阀必须释放较大室的压力，该大室通过同一限流器与高压流体源连通。在关闭冲程期间，直到非常接近冲程的结束没有有效的方法来增加另外的液压能，如果存在太大的摩擦损耗，这就会是一个问题。同样，该发明没有办法来调节其升程。

美国专利5,595,148、5,765,515、5,809,950、6,167,853、6,491,007和6,601,552号也已经归于戴姆勒克莱斯勒，这些专利揭示了对美国专利4,930,464号教导的改进。披露了各种液压弹簧装置的美国专利6,167,853的主旨是在开启冲程的开始增加另外的液压能，来克服发动机汽缸的空气压力。液压弹簧的一个缺点是，一旦发动机气门运动开始则其压力迅速下降。

在美国专利6,601,552号中，提供一种压力控制方法，以在气门升程的可变部分上在液压弹簧装置中保持恒定压力，然而，这要求换向阀在1毫秒的非常短的周期内在两个位置之间切换。此外，该系统包含两个压缩弹簧：第一弹簧和第二弹簧，分别趋于将发动机气门组件驱动到关闭和开启位置。液压弹簧装置与第二压缩弹簧实体地串联。在开启冲程很大部分期间，尽管存在气门的运动，其设计成试图保持液压弹簧中压力，并且因此提供另外的驱动力来克服发动机汽缸的空气压力和其它摩擦力，导致液压弹簧装置中的净流体体积的增加以及在第二压缩弹簧中的有效预负荷的增加，这是因为液压弹簧和压缩弹簧之间的力平衡所致。在随后的气门关闭冲程中，发动机气门可能不能被一直推动到完全关闭，这是由于来自第二压缩弹簧的更高的阻力所致。

发明的所有同族专利申请共有的问题是对于每个开启或者关闭冲程必须有控制阀的两个切换动作。另一个共同的问题是带有两个由液压弹簧分开的压缩弹簧的致动器的长度。当弹簧排列在同一轴线上时，如美国专利5,809,950号所揭示的，总高度会超常。在该同族专利申请的其它专利中，弹簧不排列在直线轴上，而代替的是在液压弹簧处弯曲，但流体惯性、摩擦损耗以及瞬态液压波与延迟会变成严重问题。另一个共同的问题是，只通过摆动能量驱动关闭冲程，但实际摩擦损耗的存在对于正常运行会引起严重威胁。对于解锁或者释放机构来说，一些实施例采用三通触发阀短暂地使油缸的小室增压，以平衡活塞两个表面上的压力，并且将活塞上的差压力从适合于锁定的压力减小到零。触发阀还必须在非常短的时间周期内实现两个动作。

美国专利5,248,123号揭示了另一种电液致动器，其包括双杆油缸、趋于将活塞居中设置在汽缸中间的一对相对弹簧，以及在大部分冲程上短接两个油缸室的旁路，这样，液压油缸不浪费能量。与所引用的戴姆勒克莱斯勒的专利非常类似，其具有一直连接到高压供给的较大的液压油缸室。然而，与戴姆勒克莱斯勒不同的是，其采用五通二位阀来启动气门切换，并且每个冲程只要求一个阀动作。该阀具有五个外部液压管线：低压源管线、高压源管线、恒定高压输出管线和两个具有相对应的且可切换的压力值的输出管线。恒定高压输出管线与油缸的较大的室连接。两个其它输出管线连接到油缸的两个端部，并且选择性地与油缸的较小的室连通。与戴姆勒克莱斯勒所揭示的非常类似的是，其在冲程的开始没有有效方法来增加液压能，以补偿发动机汽缸空气压力和摩擦损耗。其也不能控制气门的升程。

下面将结合图18来讨论前述现有技术的致动器的主要缺点，图18描述了在发动机气门开启事件开始时的五个关键压力值的时间历史。应当注意的是，发动机气门关闭事件开始时的值遵循相同的形式，但是具有相反的极性，并且导致相同的缺点。在这些图中，术语第一流体空间和第二流体空间分别表示活塞的发动机气门关闭方向(或者第一方向)侧和开启方向(或者第二方向)侧的流体体积，因此它们的压力试图在气门开启方向(第二方向)和关闭方向(第一方向)上驱动发动机气门。差压等于第一流体空间和第二流体空间的压力值之差，其为正和负时，分别有助于和阻止发动机气门开启。第一端口和第二端口分别给第一流体空间和第二流体空间提供流体，并且端口自身设计成使得它们以预定的方式切换，以完成它们的锁定和释放功能。

尽管所有的现有技术和该发明在关闭位置通过给第二流体空间和第一流体空间分别施加系统高压P_H和低压P_L，产生制服净弹簧返回力的负差压，来锁定发动机气门，但是重要的差别在于释放机构和方法方面。

图18a描述了美国专利4,930,464、5,595,148和5,765,515号的主要设计和功能特征，它们通过在第二流体空间中将压力即刻从P_H减少到P_L来释放活塞或者发动机气门，而将第一流体空间中的压力保持在P_L。图18b描述了美国专利5,248,123、5,809,950、6,167,853、6,491,007和6,601,552号的主要设计和功能特征，它们通过在第一流体空间中将压力从P_L增加到P_H来释放活塞或者发动机气门，而将第二流体空间中的压力保持在P_H。

理论上，对于图18a和18b中的两组情况，存在纯零差压，允许弹簧力完成摆动运动。然而，实际上，由于流体惯性和流动损耗，第一流体空间和第二流体空间中的压力分别低于和高于第一端口和第二端口中的压力，导致通常为负的差压。当考虑到发动机气门上额外的发动机汽缸空气压力和机械摩擦时，这大大地阻止了发动机气门开启，并且很可能使摆动运动中途窒息。在图18a所示的情况下，第一流体空间压力可以易于降低到负值区域，因为活塞试图从低压P_L下的第一端口将流体拉到第一流体空间所以导致气蚀现象。

发明内容

简要地讲，在本发明的一个方面中，一个电液致动器的优选实施例包括：致动器壳体、在该致动器壳体中的致动油缸、由致动油缸定义具有第一方向和第二方向的纵轴线、设置在致动油缸中并且沿着纵轴线在第一方向和第二方向上可移动的致动活塞，以及在致动器壳体中的第一端口和第二端口。致动油缸包括第一端部和第二端部。致动活塞包括第一表面和第二表面。一个优选实施例还包括：第一活塞杆，连接到致动活塞的第一表面并且可滑动地设置在致动油缸第一端部末梢的第一轴承内；以及第二活塞杆，连接到致动活塞的第二表面并且可滑动地设置在致动油缸第二端部末梢的第二轴承内；第一流体空间，由致动油缸的第一端部和致动活塞的第一表面限定；第二流体空间，由致动油缸的第二端部和致动活塞的第二表面限定；旁路装置，当致动活塞不接近致动油缸的第一端部或者第二端部时，液压地短接(short-circuit)第一流体空间和第二流体空间；第一流动机构，在第一流体空间和第一端口之间；第二流动机构，在第二流体空间和第二端口之间；第一致动弹簧和第二致动弹簧，在第一方向和第二方向上偏压致动活塞；发动机气门，可操作地连接到第二活塞杆；以及一个或者多个缓冲装置(snubbingmeans)。

当第二流体空间和第一流体空间分别暴露到高压流体和低压流体下并且没有旁路装置短接时，因为在活塞上产生的差压与第一致动弹簧和第二致动弹簧的返回力相反且比其更大，所以致动活塞能够被锁定到致动油缸的第一端部，从而发动机气门处于关闭位置。同样，当第一流体空间和第二流体空间分别暴露到高压流体和低压流体并且没有旁路装置短接时，致动活塞能够被锁定到致动油缸的第二端部，从而发动机气门处于开启位置。

无论在开启还是在关闭位置，通过触发致动换向阀，从而颠倒了第一流体空间和第二流体空间中的压力水平——而不是现有技术中的均衡化，由此也颠倒了活塞上的差压力——而不是现有技术中将其降低到几乎为零，从而可解锁或者释放发动机气门。在切换之前，在致动活塞上的差压力与弹簧返回力相反且比其更大，以锁定发动机气门。在切换后，差压力基本上保持相同的量值并且其方向颠倒，以有助于弹簧返回力驱动发动机气门到另一位置，给系统提供另外的液压能量。

在一个优选实施例中，旁路装置包括一个或者多个嵌入壳体中并且带有开口至流体空间的通道。在备选实施例中，该旁路装置仅为围绕油缸壁的沉割槽。

根据本发明，通过给固定在第一活塞杆上的启动活塞之下的油腔供给高压流体，发动机气门初始化到关闭位置。备选地，通过直接给第一活塞杆之上的油腔供给高压流体，发动机气门初始化到开启位置。在备选实施例中，用弹簧控制器通过动力关闭或低弹簧控制器压力来偏压发动机气门于关闭位置，以易于初始化，在动力关闭时将发动机气门关闭，并且进行短升程运行。在另一个备选实施例中，采用气动致动弹簧，并且可以将它们构造成在第一方向或者第二方向上完成致动器的初始化。

本发明提供超越其它致动器和气门控制系统以及控制致动器和/或发动机气门的方法的显著优点。例如，通过在每个冲程的开始增加与弹簧返回力同向的充分的液压力，该系统可以有助于克服发动机气缸空气压力，并且补偿摩擦损耗。备选的优选实施例提供更短的气门升程，该能力在某些发动机控制策略中非常有利于取得有效的低负荷运行。本发明能够在所有的选择性优选实施例中结合气门间隙调节。其也能够通过一个而不是两个致动换向阀的切换动作来触发和完成一个发动机气门冲程。本发明的一些实施例能够在旁路状态期间在第二方向上施加额外的流体压力，在一些发动机排气气门应用中这会是必要的。一些实施例在动力关闭时关闭发动机气门的能力对汽车是重要的运行特征。

通过结合附图参照下面的详细描述，将更好地理解本发明以及进一步的目标和优点。

附图说明

图1是液压致动器和液压供给系统优选实施例的示意图；

图2是液压致动器优选实施例的示意图，该液压致动器正被初始化，为了简单起见，该图和其余的图都不包括液压供给系统；

图3是液压致动器优选实施例的示意图，其完成了初始化，发动机气门在关闭位置；

图4是液压致动器优选实施例的示意图，开启行程刚刚开始并且旁路没有起作用；

图5是液压致动器优选实施例的示意图，致动器在开启行程的中间范围，旁路起作用；

图6是液压致动器优选实施例的示意图，致动器接近开启行程的端部，旁路不起作用；

图7是液压致动器优选实施例的示意图，发动机气门完全开启；

图8是另一优选实施例的示意图，其采用第一活塞杆直接作为启动机构，其以致动活塞和油缸的锥形端部表面为特征；

图9是另一优选实施例的示意图，其在致动油缸中具有一个或者多个沉割槽作为旁路；

图10是图1所示装置的备选实施例；

图11是本发明另一实施例的示意图，其包括一个活塞杆，由此在第二方向上提供额外的液压力；

图12是本发明另一实施例的示意图，其包括一个气动弹簧和两个活塞杆，第一活塞杆小于第二活塞杆，由此在第二方向上提供额外的液压力；

图13是本发明又一备选实施例的示意图，其包括两个活塞杆，第一活塞杆主要起额外的缓冲作用，并且在第二方向上提供额外的液压力；

图14是本发明不同实施例的示意图，其包括两个气动弹簧和两个活塞杆，第一活塞杆用来提供额外的缓冲和机械支承，并且在第二方向上提供额外的液压力；

图15是本发明另一实施例的示意图，其包括控制第二致动弹簧底部的弹簧控制器，以实现致动器的初始化、短冲程致动和在动力关闭时的发动机气门关闭；

图16是本发明图15中实施例的变化例的示意图，第二致动弹簧和弹簧控制器重新布置到致动器的第一方向端部；

图17是本发明又一实施例的示意图，其包括机械驱动的弹簧控制器；

图18a是在现有技术的一些实施例中的关键压力值的时间关系曲线图，其通过将第二流体空间压力从P_H减少到P_L来取得零差压，至少在理论上释放发动机气门；

图18b是在现有技术的其它实施例中的关键压力值的时间关系曲线图，其通过将第一流体空间压力从P_L增加到P_H来取得零差压，至少在理论上释放发动机气门；以及

图18c是根据本发明的关键压力值的时间关系曲线图，其通过颠倒第一流体空间和第二流体空间的压力值来取得正差压，以有助于发动机气门开启及给发动机气门开启提供能量，来释放发动机气门。

具体实施方式

现在参照图1，本发明的优选实施例提供一种发动机气门控制系统，其采用一个活塞、一个或者多个旁路通道和一对弹簧装置。该系统包括发动机气门20、液压致动器30、高压液压源70、低压液压组件76、致动换向阀80和启动换向阀82。

高压液压源70包括液压泵71、高压调节阀73、高压蓄能器74、高压供给管线75和油箱72。高压液压源70提供在高压P_H下的必要的液压流。液压泵71通过高压供给管线75使液压流体从油箱72流通到该系统的其余地方。高压P_H通过高压控制阀73进行控制。高压蓄能器74有助于使压力和流动的波动减少，并且根据总的系统容量或弹性、流动平衡和/或功能需要该高压蓄能器是可取舍的。液压泵71可以是变排量的或者固定变排量的，前者提供更好的能量有效性。高压控制阀73能根据功能需要和/或能量有效性来变化高压值。

低压液压组件76包括低压蓄能器77、油箱72、低压控制阀78和低压管线79。低压液压组件76在背压或者低压P_L下容纳系统的回流。低压管线79使得所有回流通过低压控制阀78返回到油箱72。低压控制阀78是为了保证低压P_L的设计值或者最小值。低压P_L被提升到大气压之上，以利于在没有气蚀现象和/或过于延迟的情况下回填。低压控制阀78可以仅为图1所示的弹簧加载的单向阀，或者如果需要更多控制可以为电液阀。低压蓄能器77有助于使压力和流动的波动减少，并且根据总的系统容量或弹性、流动平衡和/或功能需要该低压蓄能器是可取舍的.

致动换向阀80和启动换向阀82通过合适的流量供给管线为液压致动器30的端口供油。图1所示启动换向阀82为二位三通阀。其为三通阀是因为它具有三条外部液压管线——包括两条输入管线和流体管线190，所述两条输入管线为低压P_L管线和高压P_H管线。其为二位阀是因为它具有两个稳定的控制位置，由左方块和右方块来表示。当电磁铁没有通电时，左位置由返回弹簧的作用来保证，并且其也称为自然或默认位置(default position)。右位置通过开通电磁铁来保证。在左右位置上，阀82分别将流体管线190与低压P_L管线和高压P_H管线连接起来。

按着习惯，致动换向阀80为二位四通阀。其具有四条外部液压管线：低压P_L管线、高压P_H管线、流体管线192和流体管线194。其默认位置是由返回弹簧保证的右位置，并且它的其它位置是由电磁铁施力的左位置。在其默认或者右位置，阀80分别将流体管线192和194与低压P_L管线和高压P_H管线连接起来。当阀80在其左位置时，该连接顺序被切换。

发动机气门20包括发动机气门头22和发动机气门杆24。发动机气门20通过发动机气门杆24沿着纵轴线116与液压致动器30机械连接并且由该液压致动器30驱动，所述发动机气门杆被可滑动地设置在发动机气门导管120中。当发动机气门20完全关闭时，发动机气门头22与发动机气门座26接触，密封空气进/出相应的发动机汽缸。

液压致动器30包括致动器壳体64，在该壳体中，沿着纵轴线116并且从第一至第二方向(在附图中从顶部至底部)，具有启动油缸32、第一轴承68、第一油腔40、第一控制孔110、致动油缸114、第二控制孔102、第二油腔104和第二轴承106。在这些从第一至第二方向的中空元件中设置了轴组件31，其包括启动活塞196、第一活塞杆34、第一轴肩44、致动活塞46、第二轴肩50、第二活塞杆66和弹簧座60。第一活塞杆34还包括第一活塞杆第二颈38、第一凸肩90和第一活塞杆第一颈39。第二活塞杆66还包括第二活塞杆第一颈53、第二凸肩52和第二活塞杆第二颈54。

在致动油缸114中，具有第一流体空间84和第二流体空间86，所述第一流体空间84由致动油缸第一端部132和致动活塞第一表面92限定，而所述第二流体空间86由致动油缸第二端部134和致动活塞第二表面98限定。

轴组件31可以由从第一至第二方向的一些或者所有下述配合表面基本上径向地支承：启动活塞196和启动油缸32、第一活塞杆34和第一轴承68、致动活塞46和致动油缸114，以及第二活塞杆66和第二轴承106。上述所列的每对配合表面具有紧间隙，在轴组件31和壳体64之间提供充分的液压密封，并且还提供相对运动的可容许阻力，所述相对运动包括沿着纵轴线116的移动以及如果需要围绕纵轴116的转动。启动油缸32与启动换向阀82通过启动端口36和流体管线190液压连通。致动换向阀80与第一油腔40通过第一端口42和流体管线192连通，并且通过第二端口56和流体管线194与第二油腔104连通。

通过致动油缸114的侧壁，具有一个或者多个旁路管道48，其在致动油缸114的大部长度上提供液压短接。该旁路管道48优选地这样设置：在致动活塞46上具有最小的由液压静压力引起的净侧向力。通过该液压短接，流体可以在第一流体空间84和第二流体空间86之间以基本上很低的阻力流动，并且整个致动油缸114处于基本上相等的压力。当致动活塞第一表面92在第一方向上超过旁路第一边缘94，或者致动活塞第二表面98在第二方向上超过旁路第二边缘100时，液压短接都不起作用。旁路第一边缘94和致动油缸第一端部132之间的纵向距离为L_1。旁路第二边缘100和致动油缸第二端部134之间的纵向距离为L_2。L_1和L_2部分的致动油缸还可以分别被认为是第一局部油缸和第二局部油缸，因此，当致动活塞46没有与第一局部油缸和第二局部油缸中任何之一接合时，旁路48是有效的。

第一凸肩90、第一控制孔110和第一活塞杆的第一颈39和第二颈38合作为一个流动机构。第一凸肩90选择性地阻挡第一油腔40和致动油缸114的第一流体空间84之间的流体流动——这种流动阻挡是在第一凸肩90纵向地位于或者交叠第一控制孔110时产生的，第一凸肩90和第一控制孔110之间的径向间隙基本上很小并且对流体的流动有限制性。第二凸肩52、第二控制孔102和第二活塞杆的第一颈53和第二颈54合作为另一个流动机构。第二凸肩52选择性地阻挡第二油腔104和致动油缸114的第二流体空间86之间的流体流动——这种流动阻挡是在第二凸肩52纵向位于或者交叠第二控制孔102时产生的，第二凸肩52和第二控制孔102之间的径向间隙基本上很小并且对流体的流动有限制性。

第一凸肩90和第二凸肩52沿着轴组件31的纵向位置是这样的：当致动活塞46就位或者行进在旁路第一边缘94和第二边缘100中——即旁路通道有效时，两个凸肩90和52每一个都阻挡流体的流动。这防止了在第一油腔40和第二油腔104之间通过旁路通道48的开放流动，并且节省能量。当旁路通道48不起作用时，该两个凸肩90和52脱离或者错开它们各自的控制孔110和102，并且允许在第一油腔40和第一流体空间84之间以及第二油腔104和第二流体空间86之间的实质性流动。

致动活塞46和油缸114的长度设计为使得活塞46可以以冲程ST加上发动机气门间隙调节的容差来行进。当在第二方向上运动并且开启发动机气门时，在致动活塞46的第二表面98撞击致动油缸第二端部134时致动活塞46停止。当在第一方向上运动并且关闭发动机气门时，发动机气门头22首先撞击气门座26，而在致动活塞第一表面92和致动油缸第一端部132之间仍有距离L间隙(见图3)或者更小。距离L_间隙是发动机气门间隙调节的容差。优选地，长度L_1和L_2的总和远小于气门冲程ST，以减少液压能量的损耗。

第一轴肩44和第二轴肩50要分别与第一控制孔110和第二控制孔102一起合为缓冲器，以分别在第一方向和第二方向上在行程结束附近给轴组件31提供缓冲。当在第一方向上行进时，一旦致动活塞第一表面92靠近旁路第一边缘94，致动活塞46将液压流体从第一流体空间84推到第一油腔40。大约同时，第一轴肩44被推入到第一控制孔110中，由于第一轴肩44和第一控制孔110之间狭窄的径向公差导致流动限制，并且因此提高了致动活塞第一表面92上的压力，这使得轴组件慢下来。通过第二轴肩50和第二控制孔102之间的径向公差的类似流动限制，有助于在第二方向上缓冲轴组件31和发动机气门20的运动。

第一致动弹簧62和第二致动弹簧58分别共中心地围绕在发动机气门杆24和第二活塞杆66的周围。第二致动弹簧58由壳体表面122和弹簧座60支承，而第一致动弹簧62由气缸头表面124和弹簧座60支承。致动弹簧62和58总是在压缩状态下。优选地，它们在例如刚度、节距和丝径以及自由长度这样的主要几何、物理和材料参数上是相同的，从而在图1所示的中性位置上两个相对弹簧力所产生的净弹簧力基本上等于零。

弹簧座60设计为：当其基本上位于壳体表面122和气缸头表面124之间的半途时，并且当致动活塞46在如图1所示的致动油缸114的纵向中心时，两个致动弹簧62和58处在相等的压缩状态。同样，净弹簧力为零，这也是液压致动器30的中性位置，发动机气门20开启其冲程ST的一半。弹簧座60还提供轴组件31和发动机气门20之间的机械连接，或者更明确或具体地讲，提供第二活塞杆66和发动机气门杆24之间的机械连接。

轴组件31总体上处在三个静液压力和两个弹簧力下。三个静液压力是在致动活塞第一表面92和第二表面98及启动活塞第二表面127上的压力。启动活塞第一表面126优选地暴露到空气或者低压流体。在启动活塞196周围有液压泄漏的情况下，可以设置通道以将泄漏流动从活塞196的顶部引导到油箱。两个弹簧力为从两个致动弹簧62和58传递到弹簧座60。

发动机气门20总体上通过发动机气门头22的第一表面128和第二表面130暴露于两个空气压力之下。液压致动器30和发动机气门20还经受各种摩擦力、稳态流动力、瞬时流动力和惯性力。稳态流动力是由于流体流动或者柏努利效应(Bernoulli effect)由静压力的再分配引起的。瞬时流动力是由流体的质量加速度引起的。惯性力由具有惯性的物体——在此不包括流体——的加速度产生，并且由于大量级的加速度或者快速调速，在发动机气门组件中它们是非常实质的问题。

启动

当动力关闭时，系统的状态基本上处于图1所示的状态。两个换向阀80和82在它们的默认位置。启动端口36连接到P_L管线，而第一端口42和第二端口56分别连接到P_L管线和P_H管线。因为泵71关闭，所以P_H管线和P_L管线都为零表压力。在液压致动器30上没有净液压力，并且因为发动机没有运转，所以在发动机气门20上也没有空气力。

如果不计重力，两个弹簧62和58必须受到等同地压缩，以保持力的平衡，导致弹簧座60在壳体表面122和气缸头表面124之间的纵向居中定位，导致致动活塞46在致动油缸114中的纵向居中定位，以及导致发动机气门20的半开启位置。

在发动机启动时，液压泵71首先打开以给液压回路加压，在汽车运行期间，液压泵71优选由发动机直接驱动。这就不得不采用补偿电力装置(在此没有示出)来启动液压泵71，或者增加电驱动补偿泵(也未示出)。

然而，即使系统加压，致动活塞46也是静止的，这是因为旁路48的存在使其两个表面92和98暴露于基本上相同的压力下。作为替代，启动换向阀82必须切换到其开始或者右位置，如图2所示，启动活塞196的第二表面127暴露于高压P_H下。启动活塞196因此在第一方向上拉动轴组件31和发动机气门20，克服净弹簧力。应当注意的是，致动换向阀80仍在其默认或者右位置，如图2所示，并且其给第一油腔40和第二油腔104分别提供低压P_L管线和高压P_H管线。

一旦致动活塞第一表面92行进经过旁路第一边缘94，则旁路通道48被阻挡或者丧失能力，并且通过第一控制孔110和第二控制孔102的流动不再由第一凸肩90和第二凸肩52阻挡，在第一方向上在致动活塞64上产生驱动力，其第二表面98和第一表面92上分别为高压P_H和低压P_L。该差压设定为足够强以使轴组件31和发动机气门20抵抗弹簧力而保持在关闭位置，甚至如图3所示在启动换向阀82切换回到其默认或者非启动位置之后并且仅给启动油缸32提供低压P_L，也是如此。

在图3所示的阶段，启动过程完成，启动换向阀82将保持在默认或者非启动或者左位置，直到下一次发动机启动，并且启动油缸32将保持填充有低压流体，且给液压致动器31提供微不足道的力。由于在正常运行期间启动活塞196的前后运动，启动油缸32内的压力偏离系统低压P_L。为了避免不必要的损耗，通过在流体管线190和启动换向阀82中设置更短和更大的流动通道来使这样的偏离最小化。启动的时间响应要求总体上不像发动机气门切换那样严格，启动换向阀82可以制造有更大的开口。

图3中的情形是发动机气门20的稳定状态，对于典型的发动机运行来说，其为热动力循环的约3/4。对于大多数其它的循环，发动机气门20行进到其它稳定状态(完全开启状态)，处于在那里并且从那里返回。

气门开启

为了开启发动机气门20，致动换向阀80切换到左位置，如图4所示，其中第一油腔40和第二油腔104分别与高压P_H和低压P_L连接。由于通过第二控制孔102的开放连通，第二流体空间86中的压力快速下降接近于低压P_L。尽管第一控制孔110由第一轴肩44稍微限制，但是由于很低的初始活塞速度和流动速度，在合理的时间内第一流体空间84中的压力仍可以达到接近高压P_H。通过这些致动，致动活塞46上的差压力改变其方向，从第一方向改变到第二方向。第二方向上的液压力与在相同方向上的净弹簧力一起工作，以加速轴组件31和发动机气门20，并且还有助于克服发动机气门头22上的各种发动机气缸空气力。

当在第二方向上行进过程中发动机气门的开启在(L_1-L_间隙)和(ST-L_2)之间时，在如图5所示第一控制孔110和第二控制孔102基本上分别由第一凸肩90和第二凸肩52阻挡，并且致动活塞46的位移由通过旁路通道48的流动来实现。不再使用液压动力，并且液压致动器31主要由致动弹簧62和58驱动。储存在弹簧62和58中的势能被释放，并且继续加速液压致动器31和发动机气门20，直到通过冲程的半途点，此时，致动弹簧62和58开始阻止在第二方向上的运动且将动能转换成势能。

当第二方向上行进的过程中发动机气门的开启在(ST-L_2)和ST之间时，在图6所示，第一控制孔110和第二控制孔102都为流动而开启。在该行进范围内，净弹簧力沿第一方向、随着行进而增加并且使得轴组件31和发动机气门慢下来。当致动活塞第二表面98恰好通过旁路第二边缘100时，此时致动活塞46的第一表面92和第二表面98分别暴露到高压P_H和低压P_L，导致沿第二方向的净静态液压力。

随着第二轴肩50深入第二控制孔102中，所产生的流动限制在第二流体空间86中引起动压力升高，导致在第一方向上的动态缓冲力，以减慢轴组件31和发动机气门20。缓冲力随着行进和行进速度而增加并且当行进停止时降到零。

因此，有三个主要力：在第一方向上的弹簧力、在第二方向上的静态液压力和在第一方向上的动态缓冲力。弹簧力阻止并减慢发动机气门的开启。静态液压力有助于发动机气门的开启，尤其是，如果沿途有过多的能量损耗，并且在轴组件31和发动机气门20中没有足够的动能使它们行进至完全开启的情况下，更是如此。如果轴组件31和发动机气门20在致动活塞46撞击致动油缸114之前行进太快，缓冲力试图缓慢它们。在如图7所示的完全开启时，缓冲力消失，并且静态液压力应足够大，以保持发动机气门20适当克服净弹簧力和其它较小的力。

气门关闭

关闭发动机气门事实上与刚刚描述的开启过程相反。通过切换致动换向阀80到如图3所示其默认或者右位置来启动。完成后，液压致动器30和发动机气门20返回到如图3所示的它们的默认状态。

图8描述了本发明的备选实施例。该实施例与图1至7所示的实施例之间的主要区别在于启动机构。该备选构造不包括启动活塞，但取而代之的是采用第一活塞杆34和新的第一轴承68b的结合，该新的第一轴承68b比图1至7中的第一轴承68纵向延伸得更多。

在运行中，启动换向阀82切换到其启动位置或者右位置，如图8所示，并且给第一轴承68b提供高压P_H流体，在第一活塞杆端部表面136上产生液压力，其推动轴组件31b和发动机气门20到全开位置。为了完成初始化，致动换向阀80必须切换到其左位置，如图8所示，从而第一油腔40和第二油腔104分别被提供高压P_H流体和低压P_L流体。

一旦启动完成，该实施例与图1至7中实施例类似地运行。该备选实施例具有更简单的启动机构，但是其应用会受限于完全开启的气门20和处于上死点的发动机活塞顶部之间的可用空间，以防止结构干扰或碰撞。该实施例的特征还在于致动活塞46b和致动油缸114b的锥形端部表面。当致动活塞第二表面98b撞击到致动油缸第二端部134b时，锥形表面会有更好的应力分布和更长的使用寿命。尽管在优选设计中致动活塞第一表面92b从来不会撞击到致动油缸第一端部132b，但是它们的锥形形状仍然可以有助于释放由高缓冲压力引起的局部应力。为了实现相同的流动阻挡功能和逻辑，第一凸肩90b和第二凸肩52b与在其它优选实施例中的凸肩相比在它们的长度被延长。

现在参照图9，图9为本发明另一个备选实施例的示意图。该实施例与图1至7所示实施例之间的主要实质性区别在于致动油缸114中旁路的设计。在该实施例中，该旁路为一个或者多个旁路沉割槽138。该设计提供第一边缘94b和第二边缘100b之间的、致动活塞46周围的更为光滑或自由的旁路流动，并且活塞46上的摩擦更小。

各种换向阀80、82和170仅用于示出的目的，并且不应当认为是仅可以采用的阀。例如，致动换向阀80可以由两个二位三通阀80a和80b代替，它们的每一个都能够控制两个流体管线192和194中的一个，所述流体管线192和194用于阀与高压P_H管线和低压P_L管线的连接，如图10所示。通常，三通阀比四通阀更易于制造。

为了一定的功能，在两个致动换向阀80a和80b的动作之间可以有意引入时间延迟。例如，在发动机气门开启运行期间，通过延迟阀80a的切换可以减少在冲程开始时的液压能量，并且因此第一油腔40保持在低压P_L稍长一点，如果料到发动机气缸压力很低则需要这样。同样，换向阀80和82中的任一个可以由两个——而不是一个——电磁铁来控制。如果需要，这些换向阀的一些可以由先导阀控制。在阀选择上的这种灵活性也可以应用到其他优选实施例。

尽管在到目前为止的每个例子中，每个液压致动器或者发动机气门都有一个启动换向阀和一个致动换向阀，但是这不是必需的情形。由于很多现代的发动机每个发动机气缸具有两个进气门和/或两个排气门，如果控制策略没有要求不对称开启，则一个致动换向阀可以同时在同一发动机气缸上控制两个进气门或者排气门。一个启动换向阀可以控制一个发动机中的所有发动机气门。

接着参照附图11，其示出了本发明的另一个实施例。该致动器的主要特征——大致由30j示出——是缺少第一活塞杆。在此情况下，第一流动机构包括第一控制孔110j，其为了第一端口42和第一流体空间84之间的流体连通总是开启(除了当其由第一轴肩44充分限制时起缓冲作用的情况)。在第一端口42和第二端口56之间仍然没有开放的流动，因为其第二流动机构保持第二活塞杆66和相关的第二凸肩52，并且能够基本上阻挡第二端口56和第二流体空间86之间的流体连通。

就只有一个活塞杆而言，当考虑所缺少的第一活塞杆留下的开口的暴露面积时，与致动活塞第二表面98相比，致动活塞第一表面92上的有效压力暴露面积更大。结果，在行程的旁路阶段具有第二方向上的净压力。该净压力在沿第二方向的行进期间尤其显著，因为第一端口42因此也让第一流体空间84和第二流体空间86处于系统高压P_H。

当通过旁路状态行进在第一方向上时，第一端口42与第一流体空间84和第二流体空间86都处于系统低压P_L，并且净压力仍然在第二方向上，但相对较小。该实施例可以用于具有大气缸压力的发动机排气门的致动器，它需要很大的不对称的力来抵抗气缸压力。在很多情况下，例如大的双冲程船用柴油发动机的排气门，该附加力很可能与用于发动机气门加速所需的力一样大，甚至更大。

上面讨论的不对称的面积设置和净压力还可以用于通过将致动换向阀切换到图11所示的左阻挡或者左位置并对第一端口42应用高系统压力P_H来启动致动器，其还用作启动换向阀。所产生的净流体压力推动发动机气门20到完全开启位置，并且初始化该致动器30j。

如果致动器必须初始化到完全关闭位置，则可以引入分离的启动机构。例如，诸如图10至12所示的那样的机构可用来临时阻挡旁路通道，用于在第一方向上的有效初始化。

图11的实施例包括可取舍的第一缓冲单向阀142，其有助于回填并且减少在第一流体空间84中第二方向上行程开始时的潜在气蚀。该第一缓冲单向阀142允许从第一端口42或第一控制孔110j(图11中未示出)到第一流体空间84的流动，而不是沿相反的方向。当要求以及实际需要时，类似的缓冲单向阀可以应用到本发明的其它缓冲器。图11中所示出的更像是一种象征而不是单向阀的实际设计形式。该阀可以结合例如带有预载弹簧或者簧片的球。通常，这些单向阀应当具有快速的动态响应。在不能得到适当的单向阀的情形中，优选的是缓冲器具有合适的最小流体体积(fluid volume)和合理的最小孔或者开口面积。

图11的实施例还包括第一弹簧座236和第二弹簧座234以及相关的第一锁定部240和第二锁定部238，它们是前面实施例中所示的弹簧座60的一种可能的变化形式。第二弹簧座234和第二锁定部238装配到活塞第二杆端部242。该组件有助于保持第二致动弹簧58。第一弹簧座236和第一锁定部240装配到发动机气门杆端部244，以有助于保持第一致动弹簧62。在最后组装后，活塞第二杆端部242和发动机气门杆端部244保持结构接触，直接地或者通过一个或者多个垫片(未示出)来有助于补偿制造误差。

图12展示了本发明的另一个备选实施例。该致动器——通常在30k处示出——包括第一活塞杆34k，其直径基本上小于第二活塞杆66的直径，在行程的旁路阶段上导致第二方向上的净压力。尽管由于第一活塞杆34截面面积——虽然很小——的存在很可能有相对更小的净或非对称力，但在功能上类似于图11所示的致动器30j。

由于类似的非对称流体致动设计，图12中的致动器30k可以采用类似于图11中致动器30j的方法进行初始化。致动器30k可以在排气门经历相对较低的发动机气缸压力的情况下使用。尽管如此，在沿径向支承第一活塞杆34的情况下，致动器30k更适合采用简单的沉割槽作为旁路通道138。其第一流动机构包括第一控制孔110k，其没有被具有较小直径的第一活塞杆34k充分地限制。除了利用第一轴肩44限制引发的缓冲作用之外，第一端口42和第一流体空间84之间的流体连通总是开启。第二流动机构与图11中的实施例相同，并且能够在旁路状态期间关闭。

在图12所示的实施例中，第二致动弹簧58为气动弹簧，其中有经增压的气体及容纳这气体的气压缸254和包括可取舍的密封件252的气动活塞250。气动弹簧的设计可以选择性地由其它常规设计来替换，例如，为了取得更好的泄漏保护采用气囊型结构(图12中未示出)。气压缸254可以制造在壳体64k内部(如图12所示)，或者是分离的机械模块。为了泄漏补偿、弹簧力曲线控制、选择性初始化和其它功能，第二致动弹簧58通过气动端口264和气动阀268与一个或者多个气源连接，例如与高压P_H气体或者低压P_L气体气源连接。低压P_L气体气源在一些应用中可以不需要，尤其是所用的气体简单地为空气。在一定的应用中，气动阀268可以由气动泵代替(图12中未示出)，直接从低压气源泵送。

力曲线控制包括根据功能的需要和运行条件并相对于第一致动弹簧62的固定的力曲线来实时地控制或者改变第二致动弹簧58的力曲线，以实现所需的非对称净弹簧力。例如，这可以用来产生平均地偏向于第二方向的、随负荷而变的力，以有助于克服发动机气缸压力而运动。由于气体对于温度的敏感性，实时调节对于温度补偿也会是需要的。

第二致动空间58可以设定为低压或者低力，从而由于当发动机关闭时来自第一致动弹簧62的更强的力让发动机气门停留在或者返回到关闭位置。这种更强的力其自身可以具有多种应用的有益功能，它将有助于设定致动器以便适当的初始化。在下一个发动机启动时，可以通过将致动换向阀80切换到图12所示的右位置或者右方块，首先初始化致动器30k，然后给第二致动弹簧58施加压力。

致动器30k可以包括常开气动阀266，用于发动机气门的就位(seating)绝对必要时的应用，例如，当发动机关闭或者当电力系统中断时以避免气门撞击发动机活塞。当电磁铁开启时，常开的气动阀266停留在右位置而关闭，这样不介入致动器的运行。当电磁铁关闭时，阀266由返回弹簧驱动到左位置，开启气动端口264到低压气源(如图12所示)，或者直接开放到大气(未示出)，这样保证发动机气门返回到其就位位置。如果常开气动阀266的功能可以结合在气动阀268中，则可以将其取消。

致动器30k可以包括可取舍的气动排放孔256，以在图12所暗示的气密设计的情况下来释放气压活塞250背侧或者非功能侧的压力。如果需要，第二致动弹簧58也可以设置在第一致动弹簧62和致动活塞46之间。该气动弹簧的概念及其变化也可以应用到本发明的其他实施例，包括图14所示的实例。很多其它实施例也可以采用用在该实施例中的其他概念：在致动活塞的两个纵向侧放置两个致动弹簧，无论它们是机械式的还是气动式的都可以。

图13展示了本发明的再一个备选实施例。该致动器表示为30m，来自图11和12的致动器30j和30k的变形。与致动器30k相类似，其具有第一活塞杆34m；然而，其没有在径向上提供充分的机械支承，并且要与尽头处的第一轴承68m和相关的一个或者多个凹槽69一起工作，作为端部缓冲器，当行程接近第一方向端部时起作用。在余下的行程或位置上，第一活塞杆34m并不接近于被支承，并且第一活塞杆端部表面136m暴露到第一端口42的压力下。结果，压力分布非常类似于图11中致动器30j所经历的情况。

与致动器30j相类似，致动器30m有效地驱动负荷，例如发动机排气气门，具有在第一方向和第二方向上的非对称负荷。由于增加的端部缓冲器，其在气门就位速度上提供更好的控制。当需要时，可以使用和打开端部缓冲阀208，通过开启尽头处的第一轴承68m和第一端口42之间的流体连通来停用端部缓冲器，由此平衡压力。如果其它参数控制方法不有效，则该功能有利于分别为怠速及满载运行保持两种发动机气门就位速度。如果需要更精确或者连续可变的控制，则端部流动调节器212可以用来连续调节尽头处第一轴承68m和第一端口42之间的流体连通的程度。可以通过利用例如系统高压P_H信号这样的已有信号，外部地或在致动器自身内部控制或致动端部缓冲阀208和端部流动调节器212中的一个。

图14展示了本发明又一个不同的备选实施例。在该实施例中，第一活塞杆34n与尽头处第一轴承68n以及相关的一个或者多个槽口69一起工作，作为端部缓冲器，通过在整个行程的范围上在第一轴承68n中容置，来提供在径向的机械支承。通过用第一端部沟槽67来中止第一轴承68n，本实施例还可在旁路状态时提供非对称的流体压力，所述第一端部沟槽67通过第一端部沟槽通道88与第一端口42流体连通，由此将第一活塞杆端部表面136暴露于第一端口42的压力下。

第一端部沟槽通道88可以由第一轴承68n的内表面上的一个或者多个沟槽或者沉割槽(图14中未示出)进行功能性替换并且间断地分布在第一轴承68n的周围，而不损害第一活塞杆34n的径向支承，所说的第一轴承68n的内表面是在第一端部沟槽67和第一控制孔110之间纵向延伸的内表面。如果需要，也可以引入如图13所示的端部缓冲阀208或者端部流动调节器212，以控制该实施例中的端部缓冲器。

在图14的实施例中，第一致动弹簧62和第二致动弹簧58是气动弹簧；就是说，它们包括被包含在气压缸254中并且由带有可取舍的气动活塞密封件252的气压活塞250分隔的气体空间。气动弹簧的设计可以由其它常规变化来代替，例如，更好泄漏防护的气囊型结构(在图14中未示出)。气压缸254可以制造在壳体64n之内(如图14所示)或者为分离的机械模块。

第一致动弹簧62和第二致动弹簧58分别通过气动第一端口260和气动第二端口262连接和与一个或者多个相关的气动控制阀(图14中未示出)与一个或者多个气源(在图14中未示出)连接，用于泄漏补偿、弹簧刚度控制和可取舍的初始化。备选的是，可以通过允许两个气动弹簧之间的一定的泄漏，来取消气动第一端口260和气动第二端口262中的一个。弹簧刚度控制包括按照功能的需要和运行条件适时调节和/或改变绝对刚度水平和两个气动弹簧的刚度差。刚度差有助于产生某些应用所需的非对称净弹簧力。可以通过在启动时产生在两个弹簧62和58上的压力差来初始化致动器30n。例如，可以通过在第一致动弹簧62中引起比第二致动弹簧58中更高的压力，来初始化到完全关闭的位置。

图15展示了本发明的一个实施例，其提供在动力关闭时关闭发动机气门的有效途径以及致动器初始化的备选机构。致动器30p包括弹簧控制器270和弹簧控制器座282，该弹簧控制器270可滑动地设置在壳体64p中，而该弹簧控制器座282机械地连接到弹簧控制器270的第二方向端部并且支承第二致动弹簧58的第一方向端部。弹簧控制器270包括在第一活塞杆66上滑动的弹簧控制器孔280，并且将壳体64p中的腔体分隔成弹簧控制器第一油腔272和第二油腔274，第一油腔272通过弹簧控制器端口292被提供工作流体，而第二油腔274优选地连通到大气或者流体返回管线(图15没有示出其详细情况)。

弹簧控制器270的纵向位置主要由沿第二方向的弹簧控制器第一表面276上的流体压力和沿第一方向来自第二致动弹簧58的弹簧力之间的力平衡产生，并且当弹簧控制器第一表面276和第二表面278变为分别与弹簧控制器室第一表面292和第二表面294接触时，所述位置分别在第一方向和第二方向上受到限制。

当于动力关闭状态下或者在致动器初始化期间第一油腔272中的压力很低或者为零使得弹簧控制器270位于其第一方向的端位置(图15中未示出)时，两个致动弹簧62和5 8处于它们的最小受压状态，并且通过设计它们的静态总净力趋于将发动机气门20移动到关闭位置，如果需要还可以设计附加的就位力。当由于在第一油腔272中的高压而弹簧控制器270处于其第二方向的端位置(图15中未示出)时，两个致动弹簧62和58一起处于它们的最大受压状态，并且通过设计它们的静态总净力趋于将发动机气门移动到完全开启和关闭位置之间的中性点，为其常规摆动致动来设定系统。

根据功能需要，有许多供应弹簧控制器第一油腔272的备选方法，图15中示出了其中的三个：可选方案A、B和C(Option A，B and C)。在可选方案A(Option A)中，弹簧控制器端口292通过可选的弹簧控制器节流阀284和可选的并联设置的单向阀286连接到弹簧控制器压力管线P_SP。弹簧控制器压力管线P_SP不必是单独的，并且可以仅为高压管线P_H或者低压管线P_L，无论哪一种都要考虑所需要的力和弹簧控制器的受压面积来设计。节流阀284不必是单独的装置，并且可以仅制造成端口292或者到达端口292的通路，带有有意而为的较小直径或者横截面积。在动力关闭时，P_SP值降到零表压力，弹簧控制器在其顶点位置或者第一方向的端位置，并且发动机气门在其默认的关闭位置，这在某些道路汽车的政府法规中是需要的。在发动机启动和致动器初始化上，弹簧控制器压力管线P_SP逐渐增加其压力，并且致动换向阀80预先定位在或者切换到其右位置或者右方块(如图15所示)，以在弹簧控制器270在第二方向上有很大移动之前使第二流体空间86增压并且锁定已关闭的发动机气门。为了保证上述事件的适当顺序，增加可选的弹簧控制器节流阀284，以延迟到弹簧控制器第一油腔272的流动。如果必要，可选的并行的弹簧控制器单向阀286允许在关闭发动机之后立即更快速地让弹簧控制器第一油腔272泄流。采用可选方案A，不使用换向阀和主动控制即可以在动力关闭和致动器初始化时获得关闭的发动机气门。这是一种简单的方法。

采用可选方案B(Option B)，弹簧控制器端口296通过二位三通弹簧控制器阀288连接到系统高压管线P_H或者低压管线P_L。由于(如图15按液压动力工业的惯例所暗示)P_H管线为控制器阀288的默认接通位置，其以采用可选方案A所实现的同样的方法足以获得在动力关闭和致动器的初始化时的关闭的发动机气门。作为备选例，P_H管线和P_L管线可以由带有特别为了弹簧控制目的高压力值和低压力值的高压管线和低压管线替代。

一旦被初始化，就能够主动地将流体连通切换到低压管线P_L，以便进行小气门升程的运行。由于弹簧控制器270在第一方向的端位置，净弹簧力趋于保持发动机气门20关闭和致动活塞第一表面92沿第一方向超过旁路第一边缘94。当致动换向阀80在图15所示的右位置或者右方块时，所产生的第一方向上的净差压力会加强气门20关闭的状态。

为了开启发动机气门，致动换向阀80切换到其左位置，产生沿第二方向在致动活塞46上的净压力和发动机气门克服净弹簧力的开启行程。由于致动活塞第一表面92行进通过旁路第一边缘94，因此旁路通道138变为更加有效，并且减少在第二方向上的净差压力，这最终平衡了在第一方向上增加的净弹簧力，产生很小的气门开启，约(L_1-L_间隙)。

一旦致动换向阀80返回到其默认位置或者右位置，则活塞46上的差压力返回在第一方向，并且与净弹簧力一起工作来关闭发动机气门。在这种小位移及小净弹簧力情况下，需要将系统高压P_H降低到相应的低值，以节约能量。

因此，通过在可选方案B中的外加弹簧控制阀288，致动器30p能够以小冲程运行，增加了空转或者低负荷条件下的控制灵活性。如图15所暗示，弹簧控制阀288分别由返回弹簧和电磁铁固定在其右位置(或默认位置)和左位置，但这不是唯一的设计。如果需要，返回弹簧和电磁铁也可以分别固定左位置和右位置。用两个电磁铁、一个弹簧和一个先导流(pilot fluid)或者其他方法来控制弹簧控制阀288也是可行的。同样，低压管线P_L可以备选地由直接连接到油箱的回流管来替代，即不需要充分的背压。如果需要，该实施例可以增加额外的端部缓冲器或者在第二方向上的额外驱动力或者二者都增加，如图13和14所示实施例中所教导的。

关于可选方案C(Option C)，弹簧控制器端口292通过二通或者开/关弹簧控制器阀289连接到弹簧控制器压力管线P_SP。相对于选择可选方案A，可选方案C提供更大的灵活性来隔离弹簧控制器270。例如，当P_SP值经历迅速变化时，它的正时(timing)会干扰正在气门开启或者关闭过程中间的一个致动器。为了避免对摆动运动的可能的破坏，通过临时关闭二通阀289可延缓冲程控制器270的运动，直到发动机气门关闭。另外，甚至可以采用带或不带反馈的压力控制阀(图15中未示出)来控制各弹簧控制器的位置。

备选的是，弹簧控制器活塞外径290可以设计成显著地小于弹簧控制室的内径291(图15中未示出)，从而可以消除过紧的公差(tight tolerance)。这使得两个油腔272和274之间的压力均衡，而由于两个表面276和278之间的横截面积差别弹簧控制器仍然可以被促动。

图16示范了图15所示实施例的变化例。在此情况下，第二致动弹簧58和相关的弹簧控制器270t重新设置到致动器30t的第一方向端部。给弹簧控制器第一油腔272t增压，并且可以由类似图15中实施例的几种可能的流体源通过弹簧控制器端口296t来供油。弹簧控制器第二油腔274t通常不增压，并且与大气或者连接到油箱的回油管流体连通(图16中示出)。

当弹簧控制器第一表面276t与弹簧控制器室第一表面292t接触时(如图16所示)，稳态净弹簧力将致动活塞46固定在于第一局部油缸(或者油缸的L_1部分)接合(或者重叠)的位置和将发动机气门20固定在其关闭位置，还赋予所需的气门接触力。这对动力关闭或者默认位置、致动器初始化和短升程(或冲程)致动来说是理想的情形。当弹簧控制器第二表面278t与弹簧控制器室第二表面294t接触时(如图16所示)，如果需要，稳态净弹簧力将发动机气门20的中性位置运动到大致在关闭和全开位置之间的中点。

图17示出了本发明的又一个实施例，其中致动器30q与机械驱动的弹簧控制器270q配合，该机械驱动弹簧控制器270q通过一对配合螺钉功能部件298(或者其他等效方法或者提供引导螺旋相对运动的装置)螺旋地围绕并且沿着壳体64q的一部分(或者刚性地装配到壳体64q上的一些分离的部件)。弹簧控制器270q由一对齿条302和小齿轮300驱动。小齿轮300的齿围绕弹簧控制器270q的周缘分布并且定向为平行于致动器的轴线。

齿条302在垂直于致动器轴线的方向上运动，如果需要，其可以驱动整组进气气门或者出气气门致动器的所有弹簧控制器270q。齿条302转而可以用各种可能的方法控制和驱动，其可以是例如液压缸或者线性马达。在图17中，弹簧控制器270q刚好处于一个位置来静态地将活塞46设置在整个冲程的中点。齿条302优选地配备有弹簧操作(未示出)的返回机构，以在动力关闭时有助于使弹簧控制器270q返回到第一方向的端位置，并且因此关闭发动机气门。

图17中的机构仅为很多可能的驱动弹簧控制器270q的机械机构中的一个实例。另一种可能性(在此没有示出)是在弹簧控制器270q上沿着致动器轴线制造或者固定齿条，在壳体64q和弹簧控制器270q之间产生一对滑动的、相配的表面(代替螺旋式的)，并且用带有垂直于致动器轴线的小齿轮或者小齿轮轴来驱动控制器270q。此外，一个小齿轮可以同时驱动几个弹簧控制器270q。

图15和16主要示出弹簧控制器270和270q的引入，而其余致动器不限于图15和16中的设计。弹簧控制器270和270q可以与前面的附图中所教导的特征或者实施例相结合。

在上面的所有描述中，为了方便起见，第一致动弹簧62和第二致动弹簧58每一个都被认同或者示出为单个弹簧。然而，当为了强度、耐久性或者包装的需要，第一致动弹簧62和第二致动弹簧58中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。在机械压缩弹簧的情况下，它们可以例如共中心地嵌套。弹簧子系统也可以包括单个机械弹簧(未示出)，其同时可以拉伸和压缩。弹簧子系统也可以包括气动和机械弹簧的结合。

相对于图18a和18b已经讨论了现有技术的致动器运行的缺点，现在参照图18c，其描述了通过本发明而使运行成为可能。如图所示(并且公开于未决定的美国专利申请No.11/154,039中)，在第一端口和第二端口的压力值被颠倒(reversed)，以释放发动机气门，且在两个流体空间之间产生的差压对于气门开启来说基本上是正向的，尽管考虑到流体的惯性和流动摩擦的影响。因此，该差压能够有助于气门开启并为之提供能量，克服汽缸空气压力和机械摩擦。

同样，在很多图示和描述中，流体介质假定为液压或者液体形式，在大部分情况下，同样的概念可以在适当地按比例设计后应用于气压致动器和系统。同样，在此所采用的术语“流体”意味着包括液体和气体。同样，到目前为止的很多图示和描述中，液压致动器30的应用默认为对发动机气门的控制，而其并不限于此。液压致动器30可以应用到这样的情况下：对运动有快速和/或高效能控制的需要。

尽管已经参照优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应当认识到，可以对其进行形式和细节上的变化而不脱离本发明的精神和范围。同样，前面的详细描述应当看作是说明性的而不是限制性的，旨在由所附权利要求限定本发明的范围，包括其所有的等同物。

Claims (31)

1.一种致动器，包括：

壳体，具有第一端口和第二端口

在所述壳体中的致动油缸，限定一纵向轴线并且具有沿第一方向和第二方向的第一端部和第二端部；

在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着所述纵向轴线可移动；

第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；

第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；

弹簧子系统，将所述致动活塞偏压到至少一个中性位置；

至少一个活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面和第二表面中的一个；

流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路有效地短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；

第一流动机构，在所述第一流体空间和所述第一端口之间流体连通；和

第二流动机构，在所述第二流体空间和所述第二端口之间流体连通；其中：

当所述流体旁路基本上开启时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个至少部分地关闭。

当所述流体旁路基本上关闭时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的每一个至少部分地开启。

2.如权利要求1所述的致动器，其中所述弹簧子系统包括：

至少一个第一致动弹簧，在所述第一方向上偏压所述致动活塞；和

至少一个第二致动弹簧，在所述第二方向上偏压所述致动活塞。

3.如权利要求2所述的致动器，还包括：

相对于所述壳体纵向可移动的弹簧控制器，所述弹簧控制器为所述至少一个第一致动弹簧和所述至少一个第二致动弹簧中之一的一个端部提供机械支承并且控制其纵向位置。

4.如权利要求3所述的致动器，其中所述弹簧控制器能够在所述第一方向上有足够的移动，将所述致动活塞偏压到所述第一方向。

5.如权利要求3所述的致动器，其中所述弹簧控制器被机械地致动。

6.如权利要求3所述的致动器，其中所述弹簧控制器被致动。

7.如权利要求6所述的致动器，其中所述流体致动器包括活塞油缸机构，所述活塞用作所述弹簧控制器，并且至少一个弹簧控制器油腔与至少一个流体供应管线实现流体连通。

8.如权利要求1所述的致动器，其中：

所述至少一个活塞杆包括分别连接到所述致动活塞的所述第一表面和所述第二表面的第一活塞杆和第二活塞杆；

所述第一活塞杆以接近所述致动活塞的顺序包括第一活塞杆第一颈、第一凸肩和第一活塞杆第二颈，其每一个都具有外部尺寸，并且是所述第一流动机构的一部分；

所述第一流动机构还包括具有内部尺寸的第一控制孔；

所述第一控制孔的内部尺寸稍大于所述第一凸肩的外部尺寸，且显著地大于所述第一活塞杆第一颈和所述第一活塞杆第二颈的外部尺寸，并且当所述流体旁路基本开启时，所述第一凸肩与所述第一控制孔纵向交叠；

所述第二活塞杆以接近所述致动活塞的顺序包括第二活塞杆第一颈、第二凸肩和第二活塞杆第二颈，其每一个都具有外部尺寸，并且是所述第二流动机构的一部分；

所述第二流动机构还包括具有内部尺寸的第二控制孔；并且

所述第二控制孔的内部尺寸稍大于所述第二凸肩的外部尺寸，且显著地大于所述第二活塞杆第一颈和所述第二活塞杆第二颈的外部尺寸，并且当所述流体旁路基本上开启时，所述第二凸肩与所述第二控制孔纵向交叠。

9.如权利要求1所述的致动器，其中：

所述至少一个活塞杆以接近所述致动活塞的顺序包括第一颈、凸肩和第二颈，其每一个具有外部尺寸，并且是所述第一流动机构和所述第二流动机构中的一个的一部分；

所述第一流动机构和所述第二流动机构中的一个还包括具有内部尺寸的控制孔；并且

所述控制孔的内部尺寸稍大于所述凸肩的外部尺寸，并且显著地大于所述第一颈和第二颈的外部尺寸，

当所述流体旁路基本上开启时，所述凸肩与所述控制孔纵向交叠，因此基本上关闭所述第一流动机构和所述第二流动机构中的一个；并且

至少当所述流体旁路基本上开启时，另一个流动机构基本上开启。

10.如权利要求1所述的致动器，其中所述流体旁路包括至少一个通路，带有靠近所述致动油缸的第一端部和第二端部中的每一个的至少一个开口。

11.如权利要求1所述的致动器，其中所述流体旁路包括在所述致动油缸中的至少一个沉割槽。

12.如权利要求1所述的致动器，还包括初始化该致动活塞的流体控制器。

13.如权利要求1所述的致动器，还包括用于初始化所述致动器的启动活塞。

14.如权利要求1所述的致动器，还包括可操作地连接到所述致动活塞的发动机气门。

15.如权利要求14所述的致动器，还包括发动机气门间隙调节。

16.如权利要求1所述的致动器，还包括一个或者多个缓冲器，以在所述致动活塞行进接近所述致动油缸的任一端时，抑制所述致动活塞的速度。

17.如权利要求1所述的致动器，还包括至少一个轴肩，以在所述致动活塞靠近其行程的至少一端时，基本上限制通过所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个的流体连通，由此提供缓冲作用。

18.如权利要求1所述的致动器，还包括四通致动换向阀，给所述第一端口和所述第二端口提供高压流体和低压流体，以在所述第一方向和所述第二方向上驱动所述致动活塞。

19.如权利要求1所述的致动器，还包括两个三通致动换向阀，其每一个交替地给所述第一端口和所述第二端口中的一个提供高压流体和低压流体。

20.如权利要求1所述的致动器，还包括端部缓冲器。

21.如权利要求1所述的致动器，包括第一活塞杆和第二活塞杆，其中：

所述第一活塞杆和所述第二活塞杆中的一个具有比另一个活塞杆显著小的直径，由此使得与所述小直径活塞杆连接的所述致动活塞表面上有更大的表面面积暴露于流体压力下。

22.如权利要求1所述的致动器，包括第一活塞杆和第二活塞杆，其中

所述第一活塞杆具有端部表面；并且

所述第一活塞杆端部表面浸在与所述第一端口流体连通的流体体积中，由此将所述第一活塞杆端部表面暴露于所述第一端口处的压力下，在所述第二方向上产生额外的流体压力。

23.如权利要求1所述的致动器，其中所述弹簧子系统包括至少一个气动弹簧，由此为所述致动器初始化提供可选方案。

24.一种控制致动器的方法，包括：

(a)设置致动器，包括下面的部件：

壳体，具有第一端口和第二端口；

在所述壳体中的致动油缸，限定一纵向轴线并且具有沿第一方向和第二方向的第一端部和第二端部；

在所述油缸中的致动活塞，具有第一表面和第二表面，沿着所述纵向轴线可移动；

第一流体空间，由所述致动油缸的第一端部和所述致动活塞的第一表面限定；

第二流体空间，由所述致动油缸的第二端部和所述致动活塞的第二表面限定；

弹簧子系统，构造成使所述致动活塞返回到至少一个中性位置；

至少一个活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面和第二表面中的一个；

流体旁路，当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述流体旁路短接所述第一流体空间和所述第二流体空间；

第一流动机构，在所述第一流体空间和所述第一端口之间流体连通；

第二流动机构，在所述第二流体空间和所述第二端口之间流体连通；

当所述致动活塞没有充分接近所述致动油缸的第一端部和第；端部的任一个时，所述第一流动机构和所述第二流动机构中的至少一个至少部分地关闭；并且

当所述致动活塞充分接近所述致动油缸的第一端部和第二端部的任一个时，所述第一流动机构和第二流动机构中的每一个至少部分地开启；

(b)给所述第二端口及通过所述第二流动机构给所述第二流体空间施加高压流体，并且给所述第一端口及通过所述第一流动机构给所述第一流体空间施加低压流体，将所述致动活塞锁定到所述致动油缸的第一端部，在所述致动活塞上产生所述第一方向上的差压力，该差压力的量值大于在所述第二方向上的弹簧返回力；

(c)给所述第一端口及通过所述第一流动机构给所述第一流体空间施加高压流体，并且给所述第二端口及通过所述第二流动机构给所述第二流体空间施加低压流体，将所述致动活塞锁定到所述致动油缸的第二端部，在所述致动活塞上产生所述第二方向上的差压力，该差压力的量值大于所述第一方向上的弹簧返回力；

(d)通过在所述第二端口上将高压流体切换成低压流体并且在所述第一端口上将低压流体切换成高压流体，使得所述致动活塞上的差压力从所述第一方向颠倒到所述第二方向并启动在所述第二方向上的行进，从而从所述致动油缸的第一端部释放所述致动活塞并且在所述第二方向上驱动所述致动活塞；以及

(e)通过在所述第一端口上将高压流体切换成低压流体并且在所述第二端口上将低压流体切换成高压流体，使得所述致动活塞上的差压力从所述第二方向颠倒到所述第一方向并启动在所述第一方向上的行进，从而从所述致动油缸的第二端部释放所述致动活塞并且在所述第一方向上驱动所述致动活塞。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述弹簧子系统还包括：

至少一个第一致动弹簧，在所述第一方向上偏压所述致动活塞，和

至少一个第二致动弹簧，在所述第二方向上偏压所述致动活塞。

26.如权利要求24所述的方法，还包括相对于所述壳体至少纵向可移动的弹簧控制器，给所述至少一个第一致动弹簧和所述至少一个第二致动弹簧中之一的一个端部提供机械支承并且进行控制其纵向位置。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述弹簧控制器由机械装置致动。

28.如权利要求26所述的方法，其中所述弹簧控制器由流体装置致动。

29.如权利要求24所述的方法，还包括供给所述第一端口和所述第二端口的四通致动换向阀。

30.如权利要求24所述的方法，还包括两个三通致动换向阀，其每一个交替地给所述第一端口和所述第二端口之一提供高压流体和低压流体。

31.如权利要求24所述的方法，还包括至少一个缓冲器。

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