CN101484666A - 排气门致动系统 - Google Patents

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T·R·麦克卢尔
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Abstract

本发明公开了一种向发动机(12)下游的至少一个部件提供排气的可变气门致动系统(72)。所述系统包括设置在发动机气缸内的排气门(66)和液压致动系统(98)。所述系统还包括制动控制阀(84)、与液压致动系统可操作地连接的液压流体供给源(86)、和与液压致动系统可操作地连接的排气门致动装置(114)。所述排气门致动装置可操作以便使发动机气缸内的排气门打开。所述系统还包括用于控制排气门致动装置相对于排气门位置的位置的控制装置(154)。该控制装置与液压流体供给源可操作地连接。

Description

排气门致动系统
技术领域
本发明一般地涉及用于气门致动的系统，更具体来讲，涉及用于排气门致动的方法和设备。
背景技术
内燃机产生的包括柴油发动机产生的颗粒和有毒气体的允许限量通常由政府机构控制。因此这种发动机的制造商发展控制废气排放的技术。许多发动机通常包括排气系统颗粒过滤器或捕集器，例如烟灰过滤器。颗粒过滤器通常设计成收集废气流中的颗粒排放物并连续地或周期性地在颗粒过滤器再生模式中燃烧掉被收集的颗粒。在颗粒过滤器再生模式中，过滤器中的温度优选高于特定的再生温度以便确保被收集的颗粒充分燃烧。
颗粒过滤器包括主动类型和被动类型。主动类型的颗粒过滤器通常包括一个或多个用于过滤器再生的加热器，被动类型的颗粒过滤器通常依靠排气自身的温度来充分提高用于过滤器再生的过滤器温度。颗粒过滤器通常被设计成使得发动机的正常运行产生处于希望温度或高于希望温度的排气温度以便使得过滤器再生。但是，在某些发动机运行条件下，例如发动机长期空转和以高速或低输出扭矩持续运行，产生的排气温度可低于过滤器的再生温度并对过滤器再生产生不利影响。结果，颗粒过滤器经常被阻塞或堵塞，因而需要不定期的车辆维护以便清洗被阻塞或堵塞的过滤器。另外，颗粒过滤器阻塞或堵塞还通过烟灰被燃烧时在过滤器内部产生过高的温度而导致过滤器失效。
如美国专利No.6427436(‘436专利)中所示，过滤器系统可用于在发动机排气的一部分被回输至发动机的进气流之前，从该气流中除去颗粒物质。具体来讲，‘436专利公开了包含催化剂和过滤器元件的发动机排气过滤器。被过滤的排气的一部分被从过滤器的下游抽取出并通过再循环回路被导向发动机进口。
虽然‘436专利的过滤器系统可以保护发动机免受一定量的有害颗粒物质的损害，但是催化剂会将排气中的硫转化成硫酸盐。硫酸盐可与冷凝水结合从而在再循环回路中形成硫磺酸。硫磺酸的再循环会随着时间的过去而腐蚀系统部件并阻碍系统的效率和寿命。另外，‘436专利的系统不能使过滤器元件再生以便除去被收集在过滤器元件中的颗粒物质和其它排气成份。
本发明的系统的目的是克服上述一个或多个缺陷。
发明内容
在一方面，本发明涉及一种向发动机下游的至少一个部件提供排气的可变气门致动系统。所述系统包括设置在发动机气缸内的排气门和液压致动系统。所述系统还包括制动控制阀、与液压致动系统可操作地连接的液压流体供给源、和与气门致动系统可操作地连接的排气门致动装置。所述排气门致动装置可操作以便使得发动机气缸内的排气门打开。所述系统还包括用于控制排气门致动装置相对于排气门位置的位置的控制装置。该控制装置与液压流体供给源可操作地连接。
在另一方面，本发明涉及一种向发动机系统的下游提供排气的方法。该发动机系统包括与液压致动系统可操作地连接的制动控制阀、与液压致动系统连接的排气门致动装置、设置在发动机气缸内的排气门、和用于在第一位置和第二位置之间控制排气门致动装置的位置的控制装置。该方法包括通过控制装置将排气门致动装置相对于排气门定位在第一位置或者相对于排气门定位在第二位置。该方法还包括使得排气门致动装置从第一位置或第二位置接合排气门。
在另一方面，本发明涉及一种提供再生过程中使用的排气的可变气门致动系统。该系统包括设置于发动机气缸中的排气门和可操作地与所述气门致动系统连接的制动控制阀。该系统还包括具有第一活塞组件的液压致动系统，该第一活塞组件具有壳体、可在所述壳体中滑动的活塞、与该活塞联接的活塞杆(plunger pin)、和沿第一方向推动活塞的弹簧。所述活塞杆可操作以便接合发动机气缸内的排气门使其打开。该系统还包括用于控制活塞杆相对于排气门位置的位置的装置。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例性实施例的具有排气处理系统的发动机的示意图；
图2是用于控制向图1的排气处理系统供应高温排气的可变气门致动系统的示意图；以及
图3是图2的可变气门致动系统的另一个示意图。
具体实施方式
图1示出与内燃机12可操作地连接的示例性排气处理系统10。内燃机12可包括例如柴油发动机、汽油发动机、气态流体驱动发动机或者本领域已知的任何其它发动机。内燃机12可包括一个或多个活塞-气缸结构，每一个活塞-气缸结构都可以四冲程循环操作，包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在整个四冲程循环中活塞相对于气缸的移动和定位在本领域是已知的，因此不再说明。内燃机12还可以包括一个或多个与各自的活塞-气缸结构相关联的进气门和/或排气门。所述进气门可构造为向各自的气缸提供空气或燃料和空气的混合物，所述排气门可构造为向排气处理系统10输送燃烧副产品例如排气。
排气处理系统10可构造为从排气中提取能量、过滤排气并选择性地将被过滤的排气重新供应至发动机12的进气系统。具体来讲，所述排气可流经流动管线18到达与一系列涡轮增压器21相关联的多个涡轮20。在这个过程中，能量被从排气中提取出来以驱动与涡轮增压器21的涡轮20联接的压缩机42。或者，设想排气处理系统10可包括单个涡轮增压器或者不包括任何涡轮增压器。
流经涡轮20后，排气可穿过构造成在过滤器26之前增加排气的温度的再生装置24。再生装置24可以包括例如燃料喷射器和点火器、加热线圈和/或本领域已知的其它热源。这种热源可布置在再生装置24内并且可构造成通过对流、燃烧和/或其它热传递方法增加排气的温度。可以设想，如果再生装置24包括燃料喷射器和点火器，则再生装置24可接收一定量的燃料和氧以便有助于再生装置中的燃烧。或者还可以设想省略再生装置24。
过滤器26可与再生装置24的下游连接并接收来自那里的被加热的排气。过滤器26可以包括本领域已知的能够从气流中提取物质例如烟灰的任何类型的过滤器。例如，过滤器26可以包括定位成从排气中提取颗粒的颗粒物质过滤器，例如陶瓷基板、金属网状物、泡沫或本领域已知的任何其它多孔材料。可以设想这些材料可以在过滤器26的壳体中形成例如蜂窝状结构以便有助于除去颗粒。
在排气穿过过滤器26后，它可以流经位于过滤器26下游的催化剂28和/或通过再循环管线30和冷却器32流向内燃机12。再循环至内燃机12的排气的量可经由流动管线34通过混合阀40和流量传感器36控制。如本领域已知的，再循环的排气可与环境进气空气38混合、经压缩机42压缩、被二次冷却器/后冷却器48冷却并被导向发动机12的进气歧管16。
如上所述，过滤器26需要周期性地再生以便有助于清洗过滤器26。再生过程要求加热过滤器26以便升高温度从而燃烧某些被收集在过滤器26内的颗粒。已经穿过涡轮增压器的涡轮20的排气的温度可能不足以在过滤器26内产生再生。因此，再生装置24可增加导向过滤器26的排气的温度以便使得排气的温度高于用于再生的希望温度。可以设想，如果再生装置24选择性地被省略，则过滤器26可以包括一个或多个通过增加排气的温度和/或通过使得再生在较低的排气温度下发生而帮助再生过程的热源和/或催化剂。
控制器50可构造成控制内燃机12的一个或多个操作。具体来讲，控制器50可以影响与一个或多个活塞-气缸结构相关联的一个或多个排气门的操作以便增加从内燃机12向排气处理系统10输送的排气的温度。控制器50可以是电子控制模块且可以包括一个或多个微处理器、存储器、数据存储装置、通信集线器和/或本领域已知的其它部件。可设想控制器50集成在能够控制内燃机12的附加功能的总控制系统内，例如燃料输送系统。控制器50可构造成接收来自传感器52和/或附加输入装置例如操作者界面装置(未示出)的输入信号，执行一个或多个确定合适的输出信号的算法，并将该输出信号传递至一个或多个影响内燃机12产生的排气的温度的装置。可设想控制器50通过一条或多条本领域已知的通信线路(未示出)接收并传递信号。传感器52可包括构造成产生指示流体温度的信号的任何常规传感器。具体来讲，传感器52可安装在涡轮增压器21的涡轮20的下游和过滤器26的上游。下面参照图2说明增加从内燃机12向排气处理系统输送的排气的温度的过程。
图2示出构造成控制内燃机12的排气门66的移动的可变气门致动系统72。具体来讲，控制器50可响应于提供用于再生过程的、温度升高的排气的需求而调节排气门66的移动。可变气门致动系统72可包括发动机制动系统74、控制阀144和定位装置154，该发动机制动系统构造成调节排气门66的移动以便减少内燃机12的功率输出。
发动机制动系统74可包括例如用于多气缸发动机——其包括与控制器50电联接的输入装置76——的发动机压缩制动系统。输入装置76可以是例如在车辆的操作者驾驶室可得到的可选择性地转换的控制器、与车辆制动踏板相关联的自动开关、或者任何其它已知的提供输入信号的方法。可选地，发动机制动系统74可以包括构造为感测机轴位置指示器82的传感器80。该指示器82可以与活塞-气缸结构的活塞的上止点位置相互关联。
发动机制动系统74还包括低压液压流体例如油的低压供给源86。低压供给源86可以是流经发动机沟槽以便润滑轴承和其它发动机部件的润滑油。制动控制阀84可包括通过液压管线90与低压供给源86流体联接的供给端口88。制动控制阀84可还包括通过液压管线96与发动机贮液槽94流体联接的排出端口92。控制器50可与一个或多个制动控制阀84电联接。虽然图中仅示出一个制动控制阀84，但是应当理解，具有多个活塞-气缸结构的发动机可能需要多于一个制动控制阀84。
发动机制动系统74还可以包括与排气门66相关联的液压致动系统98。制动控制阀84可包括通过液压歧管102与液压致动系统98流体联接的致动端口100，所述液压歧管102可包括安装在其中的止回阀104以便防止流体通过液压歧管102流向制动控制阀84。制动控制阀84可还包括通过液压管线110与液压致动系统98流体联接的排放端口108。
液压致动系统98可包括第一活塞组件112和第二活塞组件114。第一活塞组件112可包括在壳体118内可滑动并与活塞杆120联接的活塞116。弹簧122被布置在壳体118内并构造成沿第一方向推动活塞116。活塞杆120可与摇臂124机械地联接，该摇臂124与例如燃料喷射系统(未示出)相关联。摇臂124可与旋转凸轮126——例如具有决定燃料喷射正时的凸轮轮廓的凸轮——以及相连的凸轮从动件128机械地联接，从而将凸轮126的旋转运动转变为活塞116沿第一方向的直线运动。另外，活塞116和壳体118可形成与致动器歧管106流体连通的第一压力室130。或者，可设想摇臂124独立于燃料喷射系统。
第二活塞组件114可包括在壳体134内可滑动并与活塞杆136联接的活塞132。弹簧138被布置在壳体134内并构造成沿第一方向推动活塞132。活塞杆136可与摇臂140机械地联接并与排气门66相关联。活塞132和壳体134构造成限定与致动器歧管106流体连通的第二压力室142。可设想摇臂140与旋转凸轮轴、凸轮172、相关联的凸轮从动件170以及推杆168机械地联接，从而将凸轮轴的旋转运动转变成排气门66的直线运动以便影响排气门66的运动，例如打开和关闭。另外，弹簧166可以构造成朝向关闭位置推动排气门66。
控制阀144可构造成通过止回阀148控制加压流体从低压供给源86经由液压管线146流向定位装置154。具体来讲，控制阀144可包括两位电磁致动阀。控制器50可构造成藉由合适的控制信号影响控制阀144在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，允许加压流体从低压供给源86流向止回阀148，在所述第二位置，阻止加压流体从低压供给源86流向止回阀148。可以设想在发动机制动模式中，控制阀144处于第一位置以便使得液压流体穿过控制阀144流向止回阀148，参见图2，并且在再生模式中，控制阀144处于第二位置，从而没有流体被允许流向止回阀148，参见图3。还可设想控制阀144包括构造成控制加压流体从低压供给源86流向止回阀148的任何合适的阀，例如机械或液压致动的多位阀。
定位装置154根据控制阀144的位置被液压地致动。具体来讲，定位装置154可包括第三活塞组件并且通过液压管线150与控制阀144连接。例如，第三活塞组件可包括在壳体160中可滑动并与活塞杆164联接的活塞156。弹簧158布置成沿第一方向推动活塞156。活塞杆136的位置可以根据第三活塞组件内的流体量与活塞156的位移量成比例地调节。活塞156和壳体160可限定与液压管线146流体连通的第三压力室162。可设想定位装置154可以是构造成蓄积加压流体量的任何合适类型的蓄积器。
活塞杆164的位置可影响第二活塞组件114的活塞132的位置并由此影响活塞杆136和摇臂140之间的间隙。具体来讲，第三活塞组件的活塞杆164可抵靠第二活塞组件114的活塞132并构造成沿朝向摇臂140的方向移动活塞132并由此移动活塞杆136。弹簧158可推动活塞156并由此推动活塞杆164远离活塞132并且弹簧138可沿远离摇臂140的方向推动活塞132并由此推动活塞杆136。当定位装置154的活塞杆164处于例如图2所示的第一位置时，在活塞杆136的底部和摇臂140之间可限定第一间隙d1或第一空隙。当定位装置154的活塞杆164处于例如图3所示的第二位置时，在活塞杆136的底部和摇臂140之间可限定第二间隙d2或第二空隙。由此，可以根据朝向定位装置154供应的加压流体的量在多个位置之间调节活塞杆136的底部和摇臂140之间的空隙。可以设想第一空隙d1用于发动机制动模式，第二空隙d2用于控制排气温度。
工业适用性
本发明的用于再生的排气门致动系统可适用于任何内燃机以便增加朝向下游部件例如再生器、过滤器、催化转化器和/或本领域已知的任何其它部件输送的排气的温度。本发明的系统可以调节与内燃机相关联的一个或多个排气门的正时以便增加被导向再生器和/或过滤器的排气的温度。下面说明可变气门致动系统72的操作。
控制器50响应来自输入装置76的信号进入发动机制动模式。在发动机制动模式中，停止向内燃机12供应燃料。控制器50接收来自传感器80的信号以便在发动机制动模式过程中建立合适的正时，从而当活塞接近压缩冲程的上止点位置时通过打开与内燃机12的一个或多个气缸相关联的排气门使得压缩空气从内燃机12的一个或多个气缸中释放。设想压缩空气可以从任何数量的气缸中被释放以便有助于在特定的发动机制动模式中(产生)希望的制动作用。
在发动机制动模式，控制器50向制动控制阀84传递信号以便允许供给端口88和致动端口100之间的流体连通并阻止排放端口108和贮液槽94之间的流体连通。因此，来自低压供给源86的液压流体可流向液压歧管102并且可以供液压致动系统98使用。如果液压歧管102内的流体压力克服止回阀104，加压流体可流向致动器歧管106、返回管线110并流向第一压力室130和第二压力室142。止回阀104可以构造成通过当相关联的致动器歧管106和返回管线110中的流体压力降低到低于预定压力时允许加压流体从液压歧管102流动以便将可供液压致动系统98使用的加压流体维持在预定压力下。在发动机制动模式中，控制器50可传递朝向第一位置致动控制阀144的信号以便使得加压流体通过止回阀148从低压供给源86流向定位装置154。当液压管线146中的压力克服止回阀148时，加压流体可流向定位装置154。由此，活塞156和活塞杆164可移动活塞132以便产生第一空隙d1。设想可通过推动活塞156远离摇臂140的弹簧158的力将加压流体从定位装置154排放至环境例如大气中。但是，当定位装置154内的压力降低时，液压管线146内的加压流体可流经被控制在第一位置的控制阀144，克服止回阀148并流向定位装置154补充被排出的流体。由此，由于活塞杆164被定位装置154的第三压力室162内容纳的加压液压流体保持在合适的位置，活塞杆164的位置可以被液压地锁止。
当制动控制阀84被致动时，活塞组件112例如“主”活塞组件可以起泵的作用，向活塞组件114例如“从动”活塞组件提供加压流体。例如，第一活塞组件112的活塞116响应凸轮126、凸轮从动件128和摇臂124的运动而沿弹簧122的力的方向的直线移动可导致第二活塞组件114的活塞132的直线移动。具体地，第一压力室130、致动器歧管106、返回管线110和第二压力室142中的加压流体可不被释放且可使第二活塞组件114的活塞132沿与弹簧138的力相反的方向移动。活塞杆136被向下推动靠接摇臂140，该摇臂140推动排气门66至打开位置。排气门66的打开位置允许压缩空气经由排气出口68从气缸中逸出，从而执行本领域已知的发动机制动功能。由此，在发动机制动模式中，凸轮126的转动使得排气门66周期性地打开和关闭。应当注意，在发动机制动模式中，由于控制阀144允许加压流体流向定位装置154且活塞杆164移动活塞132和活塞杆136，因此活塞杆136克服第一空隙d1。可设想在某些实施方式中，当活塞杆136克服第一空隙d1时，排气门66在压缩冲程的上止点之前大约15度打开。
第二活塞组件114的弹簧138可推动活塞132至返回位置。活塞132的返回移动可以被限制在活塞132紧靠活塞杆164的一固定位置的位置。可设想通过改变活塞杆136和摇臂140之间的空隙，可以在推动排气门66打开时进行正时调节。
当控制器50不在发动机制动模式中运行时，制动控制阀84不被致动并且加压流体被阻止流向致动端口100且排放端口108可通过排出端口92与发动机贮液槽94流体连通。
可通过可变气门致动系统72调节排气门66的移动来增加导向再生装置24和/或过滤器26的排气的温度。具体地，传感器52可向控制器50传递表明低于预定值的温度的信号并且控制器50可确定希望增加排气的温度。另外，控制器50可接收来自传感器80的信号以便建立与曲柄轴相关联并由此与内燃机12的活塞相关联的正时。例如，控制器50可确定合适的正时从而较高温度的燃烧空气和/或排气可从与排气门66相关联的活塞-气缸结构中被释放。即，控制器50可构造成在活塞的做功冲程期间打开排气门66。
在再生模式中，控制器50可传递信号以朝向第二位置致动控制阀144从而基本上阻止加压流体流经控制阀144并流向定位装置154。由此，控制阀144可以选择性地抑制加压流体流向定位装置154并由此阻止加压流体补充从定位装置154向环境中排出的流体。因此，例如如图3所示，弹簧158可推动活塞156和活塞杆164远离摇臂140并且弹簧138可推动活塞132远离摇臂140以便在活塞杆136的底部和摇臂140之间产生第二空隙d2。可设想活塞132紧靠活塞杆164以便产生第二空隙d2且该第二空隙d2可例如大于第一空隙d1。
控制器50还可以传递信号以致动制动控制阀84以便允许加压流体从供给端口88流向致动端口100并阻止加压流体从排放端口108流向发动机贮液槽94。因此，来自低压供给源86的加压流体可流向液压歧管102并可供液压致动系统98使用。
当液压歧管102中的液压流体的压力足够高以便打开相关联的止回阀104时，流体可流向相关联的致动器歧管106和液压管线110、液压管线146和液压管线174、以及第一压力室130和第二压力室142。止回阀104可构造并布置成当相关联的致动器歧管106和返回管线110中的流体的压力下降到低于预定压力时允许流体从液压歧管102流动。
与发动机制动模式相似，“主”活塞组件112可以起泵的作用，向“从动”活塞组件114提供加压流体。活塞杆136可被向下推动靠接摇臂140，该摇臂140推动排气门66至打开位置。由于活塞156和活塞杆164没有移动，活塞132和活塞杆136克服第二空隙d2然后推动排气门66至打开位置。由此，在再生模式中排气门66的正时可以不同于制动模式中排气门66的正时。可设想对于某些实施方式，当活塞杆136克服第二空隙d2时，排气门66在做功冲程的上止点之后大约20-30度打开。
可设想预先确定液压致动系统98的排气门66的打开和正时以便产生希望量的内燃机12的下游的高温排气。例如，在做功冲程期间，可以打开与内燃机12的一个或多个活塞-气缸结构相关联的任何数量的排气门。
由于控制器50可以在不希望制动模式时通过控制制动控制阀84而允许加压流体流向液压致动系统98，且可以通过控制控制阀144来调节活塞杆136和摇臂140之间的空隙，因此可以产生不同的排气门打开正时。另外，通过产生大于第一空隙d1的第二空隙d2，相对于四冲程燃烧过程中的活塞冲程，排气门66可在再生模式中比在发动机制动模式中较晚打开。由此，高温排气可被输送至内燃机12的下游。
本领域的技术人员应该显见，可以对本发明的用于再生的排气门致动系统进行各种修改和变型。通过考虑本说明书以及公开的方法和装置的实践，其他实施方式对本领域的技术人员来说是显而易见的。本说明书和示例仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附的权利要求及其等同物表明。

Claims (10)

1.一种用于向发动机(12)下游的至少一个部件提供排气的可变气门致动系统(72)，包括：
设置在发动机气缸中的排气门(66)；
液压致动系统(98)；
制动控制阀(84)和与液压致动系统可操作地连接的液压流体供给源(86)；
与液压致动系统可操作地连接的排气门致动装置(114)，所述排气门致动装置可操作以影响发动机气缸内的排气门打开；以及
用于控制排气门致动装置相对于排气门位置的位置的控制装置(154)，该控制装置可操作地与所述液压流体供给源连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
发动机贮液槽(94)，其中所述制动控制阀构造成与液压流体供给源和发动机贮液槽联接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于选择性地联接所述控制装置和液压致动系统的装置(144)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：
构造成起动和停止所述用于选择性地联接的装置和制动控制阀的电子控制模块(50)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
当所述用于选择性地联接的装置允许液压流体流向所述控制装置时，所述排气门致动装置相对于所述排气门定位在第一位置；并且
当所述用于选择性地联接的装置阻止液压流体流向所述控制装置时，所述排气门致动装置相对于所述排气门定位在第二位置。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
当所述用于选择性地联接的装置允许液压流体流向所述控制装置并且移动活塞时，在所述排气门致动装置和排气门之间产生第一距离；并且
当所述用于选择性地联接的装置阻止液压流体流向所述控制装置并且不移动活塞时，在所述排气门致动装置和排气门之间产生第二距离。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二距离大于所述第一距离。
8.一种向发动机系统的下游提供排气的方法，该发动机系统包括与液压致动系统(98)可操作地连接的制动控制阀(84)、与液压致动系统连接的排气门致动装置(114)、设置于发动机气缸内的排气门(66)、和用于在第一位置和第二位置之间控制排气门致动装置的位置的控制装置(154)，所述方法包括：
通过所述控制装置将排气门致动装置相对于排气门定位在第一位置或者相对于排气门定位在第二位置；以及
使得排气门致动装置从第一位置或第二位置接合排气门。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述液压致动系统还包括第一活塞组件，所述方法还包括：
通过第一活塞组件使得所述排气门致动装置接合所述排气门。
10.一种提供用于再生过程的排气的可变气门致动系统(72)，包括：
根据权利要求1-7中任一项所述的可变气门致动系统；
其中，所述液压致动系统包括：
具有第一活塞组件(114)的液压致动系统(98)，所述第一活塞组件具有壳体(134)、可在所述壳体中滑动的活塞(132)、与该活塞联接的活塞杆(136)、和沿第一方向推动活塞的弹簧(138)，所述活塞杆可操作以便接合发动机气缸内的排气门使其打开。
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