CN102720555B - 可变气门驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变气门驱动系统及其控制方法，具体步骤包括：提供可变气门驱动系统，所述可变气门驱动系统包括四种配气模式；低温时利用双气门小升程配气模式或单气门小升程配气模式起动；暖机后根据工况选择配气模式：第一工况范围，选择所述双气门小升程配气模式或所述单气门小升程配气模式；第二工况范围，选择所述单气门大升程配气模式；第三工况范围，选择所述双气门大升程配气模式；根据配气需要切换配气模式：逐级切换。本发明可变气门驱动系统及其控制方法，可保证在发动机上可靠起动并稳定运行，同时获得最优的配气性能，并且优化系统本身的能耗。

Description

可变气门驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，特别是涉及一种可变气门驱动系统及其控制方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，对发动机的性能、油耗以及排放的要求越来越高，可变气门技术已成为衡量发动机性能的标志性关键技术之一。可变气门机构改变了传统发动机中气门正时、气门升程固定不变的状态，在发动机运转工况范围内提供较佳的配气正时、气门升程，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时改善了废气排放。

现有的两级升程的电液式可变气门驱动系统，目前该系统存在的问题是：

（1）、低温时，用大升程起动相对比较困难。

（2）、转速和负荷变化时，需要调节控制策略切换配气模式以获得适量的进气量和最小的VVA系统能耗，VVA系统单气门工作能耗一般是双气门（同时，不是交替）工作能耗的一半。

（3）、气门升程处于单气门配气模式运行时，如何保证双气门的寿命相当。

（4）、由于气门升程切换时，相关执行器（比如液压油缸）需要一定的执行时间，气门必须停止运动，等到升程切换机构（弹簧控制活塞）运动完毕才能正常运行。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种可变气门驱动系统及其控制方法，可保证在发动机上可靠起动并稳定运行，同时获得最优的配气性能，并且优化系统本身的能耗。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种可变气门驱动系统，包括：

至少一个气缸；

气门群，安装在所述气缸的气缸盖，负责所述气缸的进气和排气，包括进气门和排气门；且安装在同一气缸中至少有两个气门组，为第一气门组和第二气门组，所述第一气门组包括第一进气门和第一排气门，所述第二气门组包括第二进气门和第二排气门；

进气门致动器，与进气门连接，控制进气门的开启和关闭；且一个进气门对应一个进气门致动器，包括与第一进气门连接的第一进气门致动器、与第二进气门连接的第二进气门致动器；所述进气门致动器，包括升程控制机构和气门控制机构，所述气门控制机构包括至少上端口和下端口；

第一液压源和第二液压源，所述第一液压源提供第一压力，所述第二液压源提供第二压力，所述第一压力小于所述第二压力；

流体流道系统，包括若干流体流道，将所述进气门致动器分别和所述第一液压源及所述第二液压源流体连通；

第一弹簧控制器，安装在所述流体流道上，选择所述第一液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构；或选择所述第二液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构；

第二弹簧控制器，安装所述流体流道上，可选择所述第一液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构；或选择所述第二液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构；

致动换向阀，安装在所述流体流道上，切换所述第一液压源和所述第二液压源与所述上端口及下端口的连接关系；

气门控制单元，分别与所述致动换向阀、所述第一弹簧控制器和所述第二弹簧控制器电性连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述可变气门驱动系统，还包括排气门致动器，与排气门连接，控制排气门的开启和关闭，且一个排气门对应一个排气门致动器，包括与所述第一排气门连接的第一排气门制动器、与所述第二排气门连接的第二排气门致动器；

所述排气门致动器，包括升程控制机构和气门控制机构，所述气门控制机构包括至少上端口和下端口；

致动换向阀，安装在所述流体流道上，切换所述第一液压源和所述第二液压源与所述排气们制动器的上端口及下端口的连接关系；

所述流体流道系统将所述排气门致动器分别和所述第一液压源及所述第二液压源流体连通；

所述第一弹簧控制器，选择所述第一液压源与所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；或选择所述第二液压源与所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；

所述第二弹簧控制器，选择所述第一液压源与所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；或选择所述第二液压源与所述第二排气门致动器的升程控制机构流通。

在本发明一个较佳实施例中，所述升程控制机构包括至少两个相异第一升程工作状态和第二升程工作状态。

在本发明一个较佳实施例中，所述升程控制机构包括第一驱动弹簧、弹簧座、弹簧控制油缸缸体和柱塞，所述第一驱动弹簧置身于所述弹簧座和所述弹簧控制油缸缸体之间，所述弹簧控制油缸缸体中有一油腔，所述柱塞有一流道；所述壳体包括一空腔和启动端口；所述升程控制机构安装在所述空腔中，所述柱塞中流道连通所述油腔和所述启动端口，所述弹簧控制油缸缸体相对于所述壳体在所述空腔中可作纵向移动，以沿着纵向改变所述第一驱动弹簧的压缩量。

在本发明一个较佳实施例中，在所述第一进气门和所述第一排气门在所述气缸盖的同一侧，所述第二进气门和所述第二排气门在所述气缸盖的另一侧。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一进气门和所述第一排气门同在所述气缸盖的一对角线上，所述第二进气门和所述第二排气门同在所述气缸盖的另一对角线上。

在本发明一个较佳实施例中，所述气门控制机构包括：

壳体，具有上端口和下端口；

在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向和第二方向分别具有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，沿着纵向可移动；

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；

第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；

第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；

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；

第一驱动弹簧，沿第二方向偏压所述致动活塞； 

第二驱动弹簧，沿第一方向偏压所述致动活塞；

第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；

第二流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；

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。

本发明的另一个目的是提供一种可变气门驱动系统的控制方法，其特征在于：

提供可变气门驱动系统，所述可变气门驱动系统包括至少四种配气模式：双气门小升程配气模式；单气门小升程配气模式；单气门大升程配气模式；双气门大升程配气模式。

在本发明一个较佳实施例中，具体步骤包括:

（100）、根据工况选择配气模式：第一工况范围，选择所述双气门小升程配气模式或所述单气门小升程配气模式；第二工况范围，选择所述单气门大升程配气模式；第三工况范围，选择所述双气门大升程配气模式；

（200）、根据配气需要切换配气模式：采用逐级切换的方式。

在本发明一个较佳实施例中，所述双气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作；

所述单气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作；

所述单气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作；

所述双气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作。

在本发明一个较佳实施例中，所述双气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作；

所述单气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作。

所述单气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作；

所述双气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一工况范围包括暖机后的怠速及低转速小负荷的工况；所述第二工况范围包括暖机后的低转速中负荷及满负荷工况、中转速小负荷及中负荷、高转速小负荷工况；所述第三工况范围包括暖机后的中转速满负荷、高转速中负荷及满负荷工况。

在本发明一个较佳实施例中，在发动机起动时及暖机前的大部分转速和负荷状态中，选择所述双气门小升程配气模式或所述单气门小升程配气模式。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（200）中，在气门大小升程之间切换时，先使其中一组气门暂停、另外一组气门工作，处于暂停状态的气门在暂停期间通过相应弹簧控制器进行升程的快速切换。

本发明的有益效果是：本发明可变气门驱动系统及其控制方法，可保证在发动机上可靠起动并稳定运行，同时获得最优的配气性能，并且优化系统本身的能耗。

附图说明

图1是本发明可变气门控制系统一较佳实施例的结构示意图；

图2是图1气缸中气门布置的另一实施例的结构示意图；

图3是图1中所示气门致动器的一种较佳实施例小升程初始状态的结构示意图；

图4是图3所示气门致动器大升程初始状态的结构示意图；

图5是内燃机工况范围划分示意图；

图6是对应于各种工况范围的配气模式及逻辑框图；

图7是本发明可变气门控制系统另一较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1及图2，本发明实施例包括：

一种可变气门驱动系统，包括：气缸10、气门组、气门致动器及与每一气门致动器配套的致动换向阀80、第一液压源40、第二液压源50、流体流道系统60、第一弹簧控制器71、第二弹簧控制器72和气门控制单元90。

所述气缸10，本实施例所展示为四冲程内燃机的气门驱动系统，所述内燃机一般有至少一个气缸10，图1所示实施例包括四个气缸，但本发明可适用于含有其它气缸个数的内燃机。

所述气门组，安装在气缸10中，负责气缸的进气和排气，包括进气门和排气门；且安装在同一气缸10中至少有两个气门组，为第一气门组A和第二气门组B，所述第一气门组A包括第一进气门21和第一排气门22，所述第二气门组B包括第二进气门23和第二排气门24。所述第一进气门和所述第一排气门在所述气缸盖的同一侧，所述第二进气门和所述第二排气门在所述气缸盖的另一侧。也可以如图2所示，所述第一进气门21和所述第一排气门22同在所述气缸盖的一对角线上，所述第二进气门23和所述第二排气门24同在所述气缸盖的另一对角线上。

所述气门致动器，与进气门或排气门连接，控制进气门或排气门的开启和关闭；且一个气门对应一个气门致动器，包括与第一进气门21连接的第一进气门致动器31、与第一排气门22连接的第一排气门致动器32、与第二进气门23连接的第二进气门致动器33、与第二排气门24连接的第二排气门致动器34。

以第一进气门致动器31为例，包括升程控制机构311和气门控制机构312，所述升程控制机构311包括至少两个初始状态——大升程初始状态和小升程初始状态；气门控制机构312包括（将在图3与4中详细显示的）上端口211及212和下端口221及222。

所述第一液压源40和第二液压源50，所述第一液压源40提供第一压力P_L(或低压)，所述第二液压源50提供第二压力P_H(或高压)，所述第一压力小于所述第二压力。第一及第二压力各自不一定是个静止或固定的压力值。第一液压源40可以是一个通过一背压系统（图中未显示）控制的、较稳定的低压，也可是直接通向油箱的回油流道（图中未显示）；系统高压（P_H）可由一个压力控制系统（图中未显示）来控制。

所述流体流道系统60，包括若干流体流道61-68，将所述气门致动器分别和第一液压源40及第二液压源50流体连通。

所述第一弹簧控制器71，分别通过流体流道61和62来控制第一进气门致动器31的升程控制机构311和第一排气门致动器32的升程控制机构321；本实施例中所述第一弹簧控制器71为一两位三通电磁阀，断电状态时选择连通第一液压源40与第一进气门致动器的升程控制机构和第一排气门致动器的升程控制机构，通电状态时，选择连通第二液压源50与第一进气门致动器的升程控制机构和第一排气门致动器的升程控制机构。

所述第二弹簧控制器72，分别通过流体流道63和64来控制第二进气门致动器33的升程控制机构331和第二排气门致动器34的升程控制机构341；本实施例中所述第二弹簧控制器72为一两位三通电磁阀，断电状态时选择连通第一液压源40与第二进气门致动器的升程控制机构和第二排气门致动器的升程控制机构，通电状态时，选择连通第二液压源50与第二进气门致动器的升程控制机构和第二排气门致动器的升程控制机构。

每一致动换向阀80，通过所述流体流道65、66或67、68与第一液压源40和第二液压源50连接，并切换第一和第二液压源40和50同与之匹配的气门控制机构的上端口及下端口的连接关系。

气门控制单元90，分别与所述致动换向阀80、第一弹簧控制器71和第二弹簧控制器72电性连接。

图3所示一种气门致动器，包括：壳体200，在该壳体中，沿着纵向轴线110并且沿第二方向（在附图中从顶部至底部的方向），具有启动端口260、空腔250、第一控制孔271、第一上端口211、第二上端口212、致动油缸230、流体旁路240、第二下端口222、第一下端口221、第二控制孔272；以及设置在空腔250里的第一弹簧系统（未标注）、设置在第一控制孔271中的第一活塞杆410、设置在致动油缸230和流体旁路240中的致动活塞300、设置在第二控制孔272中的第二活塞杆420；以及第二弹簧系统（未标注）、发动机气门700；

图3还包括与所述气门致动器匹配的致动换向阀80和弹簧控制器70以及第一液压源40和第二液压源50。致动换向阀80切换第一液压源40和第二液压源50与上端口和下端口之间的连接。在图3的工作状况下，第一液压源40及第二液压源50分别与上端口和下端口连接。

图3中的所述弹簧控制器70，相当于图1中的第一或第二弹簧控制器71或72，切换第一液压源40和第二液压源50与启动端口260的弹簧控制压力。在第一液压源40的低压（P_L）和第二液压源50的高压（P_H）下，液压力分别不足于和足于将弹簧控制油缸缸体513沿第二方向驱动。如果需要，可以引入第三液压源（图中未显示），其压力值可以单独地为驱动弹簧控制油缸缸体513而设计或控制，并让所述弹簧控制器70切换第一液压源40和第三液压源。 

第一上端口211及第二上端口212可通称为上端口，上端口至少要包括第一上端口211及第二上端口212中的一个；第一下端口221及第二下端口222可通称为下端口，下端口至少要包括第一下端口221及第二下端口222中的一个。

所述第一活塞杆410以接近所述致动活塞300的顺序即沿第一方向（在附图中从底部至顶部的方向）上依次包括第一活塞杆第一颈部411、第一活塞杆第一轴肩412、第一活塞杆第二颈部413和第一活塞杆第二轴肩414；和第一控制孔271形成第一流动机构。所述第一控制孔271的内部尺寸稍大于所述第一活塞杆第一轴肩412和所述第一活塞杆第二轴肩414的外部尺寸，且显著地大于所述第一活塞杆第一颈部411和所述第一活塞杆第二颈部413的外部尺寸。

图3中所示实施例，第一活塞杆第一轴肩412和第二轴肩414的外部尺寸相同，相对应第一控制孔271可以只具有一个外部尺寸；进一步优选的情况：所述第一活塞杆第二肩轴414的外部尺寸小于所述第一活塞杆第一肩轴412的外部尺寸，相对应地，所述第一控制孔271包括分别与所述第一活塞杆第一肩轴412及所述第一活塞杆第二肩轴414相配合的第一部分和第二部分，所述第一部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第一肩轴412可相对滑动地相匹配，所述第二部分的内部尺寸与所述第一活塞杆第二肩轴414的外部尺寸可相对滑动地相匹配。

所述第二活塞杆420以接近所述致动活塞300的顺序即沿第二方向（在附图中从顶部至底部的方向）上依次包括第二活塞杆第一颈部421、第二活塞杆第一轴肩422、第二活塞杆第二颈部423和第二活塞杆第二轴肩424；和第二控制孔271形成第二流动机构。所述第二控制孔271的内部尺寸稍大于所述第二活塞杆第一轴肩422和所述第二活塞杆第二轴肩424的外部尺寸，且显著地大于所述第二活塞杆第一颈部421和所述第二活塞杆第二颈部423的外部尺寸。

与第一流动机构相类似：第二活塞杆第一轴肩422和第二轴肩424的外部尺寸相同，也可以是所述第一活塞杆第二肩轴424的外部尺寸小于所述第一活塞杆第一肩轴422的外部尺寸。

在致动油缸230中，具有由致动油缸第一端部231和致动活塞第一表面310限定的第一流体空间和由致动油缸第二端部232和致动活塞第二表面320限定第二流体空间。

第一端部231和第二端部232之间为致动油缸230，第一边缘241和第二边缘242之间有流体旁路240，流体旁路240在致动油缸230的大部长度上提供液压短接。通过该液压短接，流体可以在第一流体空间和第二流体空间之间以基本上很低的阻力流动，并且整个致动油缸230处于基本上相等的压力。当致动活塞300第一表面310在第一方向上超过旁路第一边缘241，或者致动活塞300第二表面320在第二方向上超过旁路第二边缘242时，液压短接都不起作用。旁路第一边缘241和致动油缸第一端部231之间的纵向空间为第一有效油压腔，其长度为图1中的L1。旁路第二边缘242和致动油缸第二端部232之间的纵向空间为第二有效油压腔，当致动活塞300没有与第一有效油压腔和第二有效油压腔中任何之一接合时，流体旁路240是有效的。

所述第一弹簧系统包括第一驱动弹簧512、弹簧座511、弹簧控制油缸缸体513和柱塞514，所述第一驱动弹簧512置身于所述弹簧座511和弹簧控制油缸缸体513之间，所述弹簧座511与所述第一活塞杆410连接，之间可通过半环515固定，所述弹簧控制油缸缸体513中有一油腔5133，所述柱塞514被固定地连接在所述壳体200上并延伸进所述油腔5133中，柱塞514与壳体200也可在机构上是同一体，所述柱塞514中有一流道5141连通所述油腔5133和启动端口260。本实示例中设计第一驱动弹簧512顶置且与第一活塞杆410同心，柱塞514内有流道5141，为弹簧控制油缸缸体513压缩第一驱动弹簧512时的往复运动实现导向，配油。具有以下优点：避免第一驱动弹簧512与第一活塞杆410既同心又在轴向重叠布置时，因弹簧控制装置（弹簧座511）与弹簧有效工作行程引起的第一活塞杆410过长；减短了第一活塞杆410的长度，第一活塞杆410直径能相应减小，质量轻，有效减小了整个致动器运动件质量，提高了致动器运动速度，降低了能耗。第一弹簧控制结构紧凑，导向稳定可靠，避免第一驱动弹簧512在压缩时产生侧向力。采用活塞杆的两端与壳体支承结构；使活塞杆运动时获得最大的有效支承长度，最大限度减小了活塞杆上的侧向力矩，提高了致动器运动的稳定性。

上述弹簧控制油缸缸体513、柱塞514及其相关元件共同组成图1中升程控制机构311的一个实示例。

空腔250不一定要是象图3中那样的封闭腔，事实上为了防止在弹簧控制油缸缸体513运动时产生憋气形象，应该加一保证空腔250与外界空气流通的通道（图3中未表示）。壳体200的顶部甚至可在结构上不与壳体200其它部分连续或直接连续（图3中未表示），主要壳体200的顶部与其它部分没有相对运动。

所述第二弹簧系统包括气门弹簧座521、第二驱动弹簧522、气门导筒524和缸盖体523，气门弹簧座521和气门杆730一端连接，气门杆730另一端与发动机气门头710连接，所述缸盖体523位于气门弹簧座521和发动机气门头710之间，气门导筒524套装缸盖体上，气门杆730从气门导筒套中穿过，所述第二驱动弹簧522套装在气门杆730上并同时与缸盖体523和气门弹簧座521接触。

所述第一上端口211由流道直接与弹簧控制器70连接，第二上端口212通过第一缓冲器再与弹簧控制器70连接，所述第一缓冲器包括并列的第一单向阀612、第一节流口613和第一溢流阀614；所述第一下端口221由流道直接与第二液压源50连通，第二下端口222通过第二缓冲器再与第二液压源50连通，所述第二缓冲器包括并列的第二单向阀622、第二节流口623和第二溢流阀624。其中单向阀的作用：正向供压力油，反向截止回油形成缓冲腔；节流口作用：缓冲节流；设置合理节流面积的节流口，使得活塞杆在缓冲阶段的最后制动时落座速度小、稳定，缓冲效果受温度变化影响小。溢流阀作用：通过溢流来限定缓冲峰值压力，避免在缓冲过程中过早降低气门运动速度而延长缓冲时间，在发动机高速运转时，过长的缓冲时间会影响正常的配气功能；溢流阀可优先地采用溢流压力可调式溢流阀，缓冲峰值压力可根据负载情况的不同进行调控。气门缓冲时间在发动机高速时可少于0.7毫秒，所以溢流阀在设计上应具有很高的响应速度。

所述第一活塞杆第一轴肩412靠近第一活塞杆第二颈部413的端面上有至少一个第一节流槽4121，所述第一节流槽4121为变节流面积，沿第二方向面积逐渐变小； 所述第二活塞杆第一轴肩422靠近第二活塞杆第二颈部423的端面上有至少一个第二节流槽4221，所述第二节流槽4221为变节流面积，沿第一方向面积逐渐变小。节流槽变节流面积设计，使活塞杆获得平稳的缓冲过程。

图3所示为致动器气门小升程初始状态，所述第一驱动弹簧512在初始状态时就具备了一定的弹簧压缩量，弹簧控制油缸缸体上表面5131和空腔第一限位面251接触，致动活塞300下腔供压即第二液压源供压，沿第一方向作用在致动活塞300第二表面320上的液压作用力远大于第一驱动弹簧512沿第二方向的反作用力，致动活塞300的第一表面310和第一端部231接触，此时第一活塞杆410和第二活塞杆420处于初始状态，气门关闭。

如图4所示为致动器气门大升程初始状态，弹簧控制压力取第二液压源50的高压值，液压力足于将弹簧控制油缸缸体513沿第二方向驱动，直至弹簧控制油缸缸体下表面5132和空腔第二限位面252接触，大大增加了第一驱动弹簧512的预压缩量（相比于图3中的状态），将第一驱动弹簧512和下驱动弹簧522的合力平衡点沿第二方向移动，以增加气门的升程。上端口和下端口（因此致动活塞300的上腔及下腔也）分别连接第一液压源40及第二液压源50，沿第一方向作用在致动活塞300第二表面320上的液压作用力大于驱动弹簧512和522的反作用合力（此时沿第二方向），致动活塞300的第一表面310和第一端部231接触，此时活塞及活塞杆300、410和420处于初始状态，气门关闭。

所述可变气门驱动系统包括四种配气模式：双气门小升程配气模式；单气门小升程配气模式；单气门大升程配气模式；双气门大升程配气模式。

所述双气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择第一液压源与第一进气门致动器的升程控制机构和第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择第一液压源与第二进气门致动器的升程控制机构和第二排气门致动器的升程控制机构流通；所述第一气门组和第二气门组同时工作；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作，在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作。这里“同时工作”相别于下面提到的“交替工作”，也可理解为非交替工作，两个进气门或排气门“同时工作”是指在每一个发动机循环或热力学循环（在四冲程内燃机中，发动机旋转两周为一个工作循环）中的某气门开关事件中，两个气门均参与开关或配气工作，这不排除两个气门的动作在时序（或相位角）上有某些差别，这差别可以是人为地在设计上或控制上引入以达到一些功能需求，因此“同时工作”并不要求精确地同步。下面提到的“交替工作”是指两个进气门或排气门在不同发动机循环或热力学循环中的某一气门开关事件中交替参与开关或配气工作，在同一开关事件中，只有其中之一参与开关或配气工作。

所述单气门小升程配气模式还可根据两个弹簧控制器的控制状态更进一步分为两种模式：第一及第二单气门小升程配气模式。第一单气门小升程配气模式中两个弹簧控制器同时选择第一液压源，具体为：所述第一弹簧控制器选择第一液压源与第一进气门致动器的升程控制机构和第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择第一液压源与第二进气门致动器的升程控制机构和第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作，在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作。第二单气门小升程配气模式中只有一个弹簧控制器选择第一液压源，另一个弹簧控制器选择第二液压源；由与第一液压源联通的气门致动器升程控制机构控制的气门组工作。

所述单气门大升程配气模式还可根据两个弹簧控制器的控制状态更进一步分为两种模式：第一及第二单气门大升程配气模式。第一单气门大升程配气模式中两个弹簧控制器同时选择第二液压源，具体为：所述第一弹簧控制器选择第二液压源与第一进气门致动器的升程控制机构和第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择第二液压源与第二进气门致动器的升程控制机构和第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作，在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作。第二单气门大升程配气模式中只有一个弹簧控制器选择第二液压源，另一个弹簧控制器选择第一液压源；由与第二液压源联通的气门致动器升程控制机构控制的气门组工作。

所述双气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择第二液压源与第一进气门致动器的升程控制机构和第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择第二液压源与第二进气门致动器的升程控制机构和第二排气门致动器的升程控制机构流通；所述第一气门组和第二气门组同时工作。

在图5中，根据发动机的负载及转速来定义工况范围：

第一工况范围包括暖机后的怠速及低转速小负荷的工况（如图5中“第一工况范围”所示）；

第二工况范围包括暖机后的低转速中负荷及满负荷工况、中转速小负荷及中负荷、高转速小负荷工况（如图5中“第二工况范围”所示）；及

第三工况范围包括暖机后的中转速满负荷、高转速中负荷及满负荷工况（如图5中“第三工况范围”所示）。

上述“暖机后”定义为：可变气门驱动系统及工作介质或液压油的温度达到或超过系统可以可靠进行大升程运动的温度之后的状态。反之，则为“暖机前”。

除上述三个工况范围之外，发动机的工况还包括：起动过程；及暖机前的大部分转速和负荷状态。

如图6所示，根据工况选择配气模式：工况变化时，根据配气需要可分别有四种配气模式：a. 双气门小升程；b. 单气门小升程； c. 单气门大升程；d. 双气门大升程；它们可在依次邻近的两个配气模式之间直接切换，根据工况变化实现配气模式的切换；第一工况范围，选择所述双气门小升程配气模式或所述单气门小升程配气模式；第二工况范围，选择所述单气门大升程配气模式；第三工况范围，选择所述双气门大升程配气模式；

升程切换：在气门大小升程之间切换时，先使其中一个气门暂停、另外一个气门工作，处于暂停状态的气门可以在暂停期间通过相应弹簧控制器进行高低压缩状态的快速切换；

在可能的情况下，尽量产用单气门工作，以降低可变气门驱动系统能耗。单气门工作其实包括（1）单气门连续工作及（2）双气门交替工作；所以“单气门”是指在单个循环内只开第一气门组和第二气门组中的一个。可以由两气门组在不同循环间交替工作，单个循环内也只开一个气门组。

对于某些特定设计的配气系统（气道、燃烧室及活塞顶面设计）而言，为了获得最佳的气流运动，在特定的工况下可将气门工作配气模式设定在单气门连续工作配气模式。

各配气模式及配气模式之间切换的细节如表1和表2所示，表2中所示的单气门配气模式为采用单气门连续工作的方式。

当两气门组A、B在每一循环内均工作时，两气门组A、B按需要可采用不同的正时。

为了保证气门升程切换时不影响发动机的正常配气，当检测及判断到需要切换升程时（即从单气门小升程至单气门大升程，或者相反地从单气门大升程至单气门小升程），假定在单气门配气模式时如果两个弹簧控制器采用同一弹簧压缩控制状态（即在第一单气门小升程与第一单气门大升程之间），一般有三个切换动作完成：

切换动作1（表1中条款9或13）：先完成第一弹簧控制器和第二弹簧控制器之一（表1中举例第一弹簧控制器）控制的驱动弹簧压缩状态切换，在各气缸中与被切换压缩状态的驱动弹簧相应的气门组（表1中举例第一气门组）进入暂停或关闭状态之后；另外的气门组（表1中举例第二气门组）工作。

切换动作2（表1中条款10或14）：再完成另一弹簧控制器（表1中举例第二弹簧控制器）的压缩状态切换，在各气缸中与此次被切换压缩状态的驱动弹簧气相应的气门组（表1中举例第二气门组）进入暂停或关闭工作；另外的气门组（表1中举例第一气门组）工作。

切换动作3（表1中条款11或15）：根据需要调整气门组工作状态（即双气门交替或单气门连续工作），切换结束。

而如果单气门配气模式时两个弹簧控制器采用不同弹簧压缩控制状态时（即在第二单气门小升程与第二单气门大升程之间），则切换升程可按照表2中条款2至6的方式进行，其中一个弹簧控制器（表2中举例第一弹簧控制器）一直保持在高压缩状态， 而另一个弹簧控制器（表2中举例第二弹簧控制器）一直保持在低压缩状态。

表2中条款7至11进一步描述如果第一弹簧控制器和第二弹簧控制器不在同一压缩状态时，如何从单气门大升程切换为双气门大升程。

总之，切换的形式可有多种方法，某个气门的工作与否可简单地通过相应致动换向阀的控制可实现；某个弹簧控制器压缩状态的切换，可在其相应气门暂停时实现；如果需要，可通过多步实现切换。

表1

表2

结合图7所示，在某些可变气门驱动系统应用实施例中，所述气门致动器（一种无凸轮的气门系统）只驱动进气门，而排气门还是由带凸轮36的气门系统来驱动。在气门致动器只驱动进气门的实施例中，所述第一气门组A就仅包括第一进气门21b，所述第二气门组B就仅包括第二进气门23b；没有所述排气门致动器及相关的升程控制机构和致动换向阀；所述进气门可继续执行上述四种配气模式及其（如表1及2中所表示的）模式之间的切换。带凸轮的排气门系统可以是传统的（即固定的）凸轮气门机构，排气门按照预先设计好的凸轮线及相位关系（与上述四种配气模式无关系地）工作或运转。带凸轮的排气门系统也可以是在传统凸轮基础上附加正时或/及升程控制的气门机构，排气门系统虽不直接拥有上述四种配气模式，但可以试图通过其本身的控制功能来实现与上述四种配气模式比较接近的配气模式，或者实现与上述四种配气模式不同、但更加匹配的配气模式。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种可变气门驱动系统，包括：

至少一个气缸；

气门群，安装在所述气缸的气缸盖，负责所述气缸的进气和排气，包括进气门和排气门；且安装在同一气缸中至少有两个气门组，为第一气门组和第二气门组，所述第一气门组包括第一进气门和第一排气门，所述第二气门组包括第二进气门和第二排气门；

进气门致动器，与进气门连接，控制进气门的开启和关闭；且一个进气门对应一个进气门致动器，包括与所述第一进气门连接的第一进气门致动器、与所述第二进气门连接的第二进气门致动器；所述进气门致动器，包括升程控制机构和气门控制机构，所述气门控制机构包括至少上端口和下端口；

排气门致动器，与排气门连接，控制排气门的开启和关闭，且一个排气门对应一个排气门致动器，包括与所述第一排气门连接的第一排气门致动器、与所述第二排气门连接的第二排气门致动器；所述排气门致动器，包括升程控制机构和气门控制机构，所述气门控制机构包括至少上端口和下端口；

第一液压源和第二液压源，所述第一液压源提供第一压力，所述第二液压源提供第二压力，所述第一压力小于所述第二压力；

流体流道系统，包括若干流体流道，将所述进气门致动器分别和所述第一液压源及所述第二液压源流体连通，且所述流体流道系统将所述排气门致动器分别和所述第一液压源及所述第二液压源流体连通；

第一弹簧控制器，安装在所述流体流道上，将所述第一进气门致动器的升程控制机构和第一排气门致动器的升程控制机构能切换地连通至所述第一液压源和所述第二液压源；

第二弹簧控制器，安装在所述流体流道上，将所述第二进气门致动器的升程控制机构和第二排气门致动器的升程控制机构能切换地连通至所述第一液压源和所述第二液压源；

对应于每一个所述气门控制机构的一个致动换向阀，安装在所述流体流道上，切换所述第一液压源和所述第二液压源与所述气门控制机构的上端口及下端口的连接关系；

气门控制单元，分别与所述致动换向阀、所述第一弹簧控制器和所述第二弹簧控制器电性连接。

2.根据权利要求1所述的可变气门驱动系统，其特征在于，所述升程控制机构包括至少两个相异的第一升程工作状态和第二升程工作状态。

3.根据权利要求2 所述的可变气门驱动系统，其特征在于，所述升程控制机构包括第一驱动弹簧、弹簧座、弹簧控制油缸缸体、柱塞和壳体，所述第一驱动弹簧置身于所述弹簧座和所述弹簧控制油缸缸体之间，所述弹簧控制油缸缸体中有一油腔，所述柱塞有一流道；所述壳体包括一空腔和启动端口；所述升程控制机构安装在所述空腔中，所述柱塞中流道连通所述油腔和所述启动端口，所述弹簧控制油缸缸体相对于所述壳体在所述空腔中作纵向移动，以沿着纵向改变所述第一驱动弹簧的压缩量。

4.根据权利要求1 所述的可变气门驱动系统，其特征在于，在所述第一进气门和所述第一排气门在所述气缸盖的同一侧，所述第二进气门和所述第二排气门在所述气缸盖的另一侧。

5.根据权利要求1 所述的可变气门驱动系统，其特征在于，所述第一进气门和所述第一排气门同在所述气缸盖的一对角线上，所述第二进气门和所述第二排气门同在所述气缸盖的另一对角线上。

6.根据权利要求1 所述的可变气门驱动系统，其特征在于，所述气门控制机构包括：

壳体，具有上端口和下端口；

在所述壳体中的致动油缸，沿纵向的第一方向和第二方向分别具有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，沿着纵向可移动；

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；

第一活塞杆，连接到所述致动活塞的第一表面；

第二活塞杆，连接到所述致动活塞的第二表面；

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；

第一驱动弹簧，沿第二方向偏压所述致动活塞；

第二驱动弹簧，沿第一方向偏压所述致动活塞；

第一流动机构，与所述第一活塞杆配合，控制所述第一流体空间和所述上端口之间流体连通；

第二流动机构，与所述第二活塞杆配合，控制所述第二流体空间和所述下端口之间流体连通；

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。

7.根据权利要求1 所述的可变气门驱动系统，其特征在于：

提供可变气门驱动系统，所述可变气门驱动系统包括至少四种配气模式：双气门小升程配气模式；单气门小升程配气模式；单气门大升程配气模式；双气门大升程配气模式。

8.一种可变气门驱动系统的控制方法，其特征在于, 所述可变气门驱动系统为权利要求7所述的可变气门驱动系统，其具体步骤包括:

步骤一、根据工况选择配气模式：第一工况范围，选择所述双气门小升程配气模式或所述单气门小升程配气模式；第二工况范围，选择所述单气门大升程配气模式；第三工况范围，选择所述双气门大升程配气模式；

步骤二、根据配气需要切换配气模式：采用逐级切换的方式。

9.根据权利要求8所述的可变气门驱动系统的控制方法，其特征在于：

所述双气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作；

所述单气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作；

所述单气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源与所述第一进气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源与所述第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作；

所述双气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源与所述

第一进气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源与所述

第二进气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；

在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作。

10.根据权利要求8所述的可变气门驱动系统的控制方法，其特征在于：

所述双气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作；

所述单气门小升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第一液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作；

所述单气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门择一工作或交替工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门择一工作或交替工作；

所述双气门大升程配气模式具体为：所述第一弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第一进气门致动器的升程控制机构和所述第一排气门致动器的升程控制机构流通；所述第二弹簧控制器选择所述第二液压源分别与所述第二进气门致动器的升程控制机构和所述第二排气门致动器的升程控制机构流通；在同一气缸的所述第一及第二进气门同时工作；在同一气缸的所述第一及第二排气门同时工作。

11.根据权利要求8所述的可变气门驱动系统的控制方法，其特征在于：所述第一工况范围包括暖机后的怠速及低转速小负荷的工况；所述第二工况范围包括暖机后的低转速中负荷及满负荷工况、中转速小负荷及中负荷、高转速小负荷工况；所述第三工况范围包括暖机后的中转速满负荷、高转速中负荷及满负荷工况。

12.根据权利要求8所述的可变气门驱动系统的控制方法，其特征在于：在发动机起动时及暖机前的大部分转速和负荷状态中，选择所述双气门小升程配气模式或所述单气门小升程配气模式。

13.根据权利要求9 所述的可变气门驱动系统的控制方法，其特征在于：步骤二中，在气门大小升程之间切换时，先使其中一组气门暂停、另外一组气门工作，处于暂停状态的气门在暂停期间通过相应弹簧控制器进行升程的快速切换。