CN103277163A - 一种可变升程驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可变升程驱动器，其包括：驱动器壳体、驱动缸、升程控制缸；升程控制套在升程控制缸中能滑动。活塞，在所述驱动缸中能滑动；活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，能滑动地穿过所述升程控制套；升程控制腔，为所述升程控制缸第二端部和所述升程控制套第二端部之间的流体空间；弹簧系统；第一端口和第二端口，分别与所述驱动缸第一腔和所述驱动缸第二腔流体相连；驱动切换阀，包括与第一端口流体相连的工作口；及升程切换阀，与升程控制腔流体相连，以控制所述升程控制套在所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间的切换，由此控制所述可变升程驱动器在小升程和大升程之间的切换。

Description

一种可变升程驱动器

技术领域

本发明是有关于一种驱动机的控制技术，且特别是有关于一种可变正时并离散地可变升程的驱动器。

背景技术

现有技术中，可以采用各种系统来有效控制气门的正时和升程，来改善发动机的性能、燃油经济性、喷射和其他特性。根据控制的装置或驱动器，这些系统主要地可以分成机械的、电液的（electrohydraulic）和电磁（electromagnetic）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）及无凸轮(camless)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气门的电液或者电磁驱动器完全替换。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。

电磁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。为了汽油机在6,000至7,000rpm下运行，驱动器必须在3毫秒左右的时间内在8mm左右的范围上首先加速然后减速气门。气门必须有能力行进在约4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。尤其多种电磁无凸轮系统试图采用比例或伺服反馈系统，以实现无级升程控制，但终因复杂性、高成本及可靠性差而不能实现产业化。

相对比较简单、低成本及可靠的，因此产业化可能性很大的电液手段是采用有级（discrete or discretely）可变升程。为了实现无凸轮技术能获取的大部分（90%左右）的节能减排好处，驱动器需要（1）无级可变正时；（2）两级可变升程；（3）其中的小升程最好大约等于大升程的一半以便在汽车常用的中低速工况下，只用小升程就可提供足够的进排气控制；（4）在大小升程上均能够保持良好的位移精度，基本无超调；及（5）小升程运行的能耗较低。

美国专利US6536388揭示了一种无凸轮驱动器，它包括了一个油缸及活塞，它还有一个设置在油缸外壳内的、具有一个排油孔的、可沿轴向移动的排油构件。此发明包括了无级及有级可变升程两种功能。为了实现有级可变升程，油缸壁上沿轴向排列有数个油缸壁排油口，当排油构件排油孔与某一油缸壁排油口相通时，就只有此一油缸壁排油口才能实现有效排油，当驱动活塞下行至完全遮盖此油缸壁排油口时，因憋油而驱动活塞及气门止步、达到目标升程。因此，有级升程控制是通过排油构件有级轴向位置控制来实现的。其缺点之一是：排油构件的运动控制及力平衡具有一定难度，因此升程稳定性或精度有一定困难。

美国专利US6505584揭示了另一种无凸轮驱动器，它包括了一个油缸及活塞，油缸沿轴向、在活塞下方具有多个纵向间隔开的排油口，每一个排油口与一个独立的开关电液阀相连，并由此电液阀的开闭来决定其本身的开闭。当驱动活塞下行至完全遮盖最下面一个开通的排油口时，因憋油而驱动活塞及气门止步、达到目标升程。因此，有级升程控制是通过两个或以上的电液阀的开闭状态来实现的。其缺点之一：电液阀个数与升程变化级数相等，比如，两级升程需要两个电液阀。其另一个缺点：每一驱动器均需要其自己的升程控制电液阀组，因此整个气门控制系统需要太多的电液阀，比如，一个4缸、16气门、两级升程系统需要32个升程控制电液阀。

综上所述，现有技术中还没有结构简单的、升程稳定的无级可变正时、两级可变升程的驱动器，其在设计原理上又要能够拥有相当大的小升程。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可变升程驱动器，其可以用简单的升程切换装置实现两个升程的切换，其中的小升程的尺度在设计上没有限制，其中的活塞可以通过机械限位而达到理想的精度及稳定性，其中的小升程能耗比大升程低。

本发明提出一种可变升程驱动器，其包括：驱动器壳体、驱动缸、升程控制缸；升程控制套在升程控制缸中能滑动。活塞，在所述驱动缸中能滑动；活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，能滑动地穿过所述升程控制套；升程控制腔，为所述升程控制缸第二端部和所述升程控制套第二端部之间的流体空间；弹簧系统；第一端口和第二端口，分别与所述驱动缸第一腔和所述驱动缸第二腔流体相连；驱动切换阀，包括与第一端口流体相连的工作口；及升程切换阀，与升程控制腔流体相连，以控制所述升程控制套在所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间的切换，由此控制所述可变升程驱动器在小升程和大升程之间的切换。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括驱动切换阀回流路，连接所述驱动切换阀的回流口至低压流道；高压流道，与所述驱动切换阀的进流口流体连接；其特征在于，所述第二端口直接流体连接至所述驱动切换阀回流路，以形成差动功能。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括驱动切换阀回流路，连接所述驱动切换阀的回流口至油箱；背压装置，设置在所述驱动切换阀回流路中；高压流道，与所述驱动切换阀的进流口流体连接；其特征在于，所述第二端口直接流体连接至所述驱动切换阀回流路，连接点在所述驱动切换阀的回流口和所述背压装置之间，以形成差动功能。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括发动机气门，其进一步包括气门杆，该气门杆能操作地连接所述活塞杆；其中，所述弹簧系统经过所述气门杆作用于所述活塞杆。

在本发明的一个实施例中，所述活塞进一步包括挺柱柱塞和挺柱体，能操作地组成液压挺柱，以控制气门间隙。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括发动机气门，其进一步包括气门杆；液压挺柱，能操作地连接所述活塞杆和所述气门杆，以控制气门间隙；其中，所述弹簧系统依次经过所述气门杆和所述液压挺柱作用于所述活塞杆。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括挺柱柱塞，是所述活塞杆的一部分，内设有轴向挺柱进流道。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括动力内口，在所述驱动缸上，与所述第一端口和所述驱动缸第一腔流体相连。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括第一腔补流单向阀，其输出口流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述可变升程驱动器打开行程的快速启动；以及节流装置，流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述活塞接近所述驱动缸第一端部时的缓冲。

在本发明的一个实施例中，所述节流装置是可变的。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括一压力传感器，以测量驱动器高压区的压力，从而推断所述活塞的运动时刻，进行周期间的正时控制。

在本发明的一个实施例中，所述压力传感器是两进制的压力传感器。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括一位移传感器，以测量所述活塞的位移，进行周期间的控制。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括一近物体传感器，以测量所述活塞的运动时刻，进行周期间的正时控制。

在本发明的一个实施例中，所述驱动切换阀进一步由一个驱动高压切换阀及一个驱动低压切换阀组成。

在本发明的一个实施例中，所述升程控制套第一端部设有具有一定深度的凹槽，该凹槽为第二缓冲区，该凹槽的底部为所述驱动缸第二端部。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括第二流体通道，该第二流体通道进一步包括第二缓冲区流口，与所述驱动切换阀的回流路流体相通。

在本发明的一个实施例中，所述第二流体通道进一步包括相互并联的第二补流单向阀和第二节流装置。

在本发明的一个实施例中，所述升程切换阀连接于至少两个所述可变升程驱动器。

在本发明的一个实施例中，所述驱动切换阀连接于至少两个所述可变升程驱动器。

在本发明的一个实施例中，所述可变升程驱动器还包括升程切换节流口，串联于所述升程切换阀和所述升程控制腔之间。

本发明还提供一种可变升程驱动系统，其包括至少两个可变升程驱动器、至少一个驱动切换阀及一个升程切换阀。其中的每一个可变升程驱动器进一步包括：驱动器壳体；驱动缸，在所述驱动器壳体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端部；升程控制缸，在所述驱动器壳体中，从所述驱动缸向第二方向延伸，并在其第一和第二方向的两端分别具有升程控制缸第一端部和升程控制缸第二端部；升程控制套，在所述升程控制缸中能滑动于所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间，并在其第一和第二方向的两端分别具有升程控制套第一端部和升程控制套第二端部；驱动缸第二端部，设于所述升程控制套第一端部，以能随所述升程控制套浮动；活塞，在所述驱动缸中可滑动能滑动于所述驱动缸第一端部和所述驱动缸第二端部之间，在其第一和第二方向的两端分别具有活塞第一端面和活塞第二端面；活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，能滑动地穿过所述升程控制套；驱动缸第一腔，为驱动缸内的、在所述驱动缸第一端部和所述活塞第一端面之间的空间；驱动缸第二腔，为在所述活塞第二端面和所述驱动缸第二端部之间的空间；升程控制腔，为所述升程控制缸第二端部和所述升程控制套第二端部之间的流体空间；弹簧系统，能操作地作用于所述活塞杆；及第一端口和第二端口，在所述驱动器壳体中，分别与所述驱动缸第一腔和所述驱动缸第二腔流体相连。至少一个驱动切换阀，其中的每一个驱动切换阀进一步包括工作口，该工作口与所述至少两个可变升程驱动器中的至少一个可变升程驱动器的所述第一端口流体相连。升程切换阀与所述至少两个可变升程驱动器的所有所述升程控制腔流体相连，以控制所述升程控制套在所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间的切换，由此控制所述至少两个可变升程驱动器在小升程和大升程之间的切换。

本发明所述的可变升程驱动器可以用简单的升程切换装置实现两个升程的切换，且升程切换装置由升程切换控制阀来控制，该控制是数字式的。结构的简单化可保证应用中的可靠性及低成本。本发明中，气门在开启的位置是由升程控制套机械限位，气门升程基本无超调、比较精确。气门升程的精确性直接影响到发动机燃烧过程的精确性，因此燃烧效率及排放质量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的可变升程驱动器在大升程工况、而气门关闭状态时的结构示意图。

图2为图1所示可变升程驱动器在大升程工况、而气门打开状态时的结构示意图。

图3为图1所示可变升程驱动器在小升程工况、而气门处于关闭状态时的结构示意图。

图4为本发明另一较佳实施例的可变升程驱动器的结构示意图，且可变升程驱动器在小升程工况、而气门正在开启的过程中，并已开始其缓冲过程。

图5为图1所示可变升程驱动器中驱动切换阀的另一种形式。

附图中各部件的标记如下：

21、驱动器壳体；30、活塞；31、活塞杆；34、活塞第一端面；36、活塞第二端面；40、第一腔补流单向阀；41、节流装置；50、液压挺柱；51、挺柱柱塞（lifter plunger)；52、挺柱体；53、挺柱单向阀阀芯；54、挺柱单向阀弹簧；55、挺柱单向阀弹簧座；56、柱塞回位弹簧；57、挺柱高压腔；60、驱动切换阀；61、背压节流口；62、油箱；64、背压单向阀； 65、低压蓄能器；70、弹簧系统；71、气门弹簧座；72、气门回位弹簧；73、气门导管；74、缸盖体；80、气门；81、气门杆；82、气门头；83、气门座；90、升程切换控制阀；91、压力传感器；92、位移传感器；94、升程切换节流口；96、升程切换单向阀；210、第一通孔；211、驱动缸(actuation cylinder)；212、第一槽口；213、第一端口；214、动力内口；216、第二槽口；217、第二端口；220、升程控制缸（stroke control chamber); 221、升程控制腔（stroke control chamber)；222、挺柱进流口；223、活塞杆孔；224、升程控制口；226、第三端口；227、升程控制缸第一端部；228, 升程控制缸第二端部；232、驱动缸第一腔；234、驱动缸第二腔；236、驱动缸第一端部；237、驱动缸第二端部； 240、密封圈；250、升程控制套；251、升程控制套第一端部；252、升程控制套第二端部；253、第二缓冲区；254、第一缓冲区；255、第二缓冲区流口；351、挺柱柱塞；352、挺柱体；400、第二流体通道；401、第二补流单向阀；411、第二节流装置； 413、可变节流装置；511、径向挺柱进流道；512、周向挺柱进流道；513、纵向挺柱进流道；514、轴向挺柱进流道；515、挺柱泄流回流道；516、挺柱泄流沉割槽；517、挺柱泄流道；Ls1、第一缓冲区长度；Ls2、第二缓冲区长度；S1、小升程；S2、大升程；X1~10、流道。

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，但本发明的保护范围不以此实施例为限。本说明书中的术语“顶”及“底”或“上”及“下”等方位用语只是用来表明驱动器各部分在图中的相对位置，而不限制可变升程驱动器本身的安装位置或方向。

如图1所示，本发明第一较佳实施例的可变升程驱动器包括驱动器壳体21，在所述驱动器壳体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，沿附图中从顶（或上）部至底（或下）部的方向为第二方向，沿附图中从底（或下）部至顶（或上）部的方向为第一方向。在该驱动器壳体21中，沿着第二方向，设有驱动缸211、第一端口213、动力内口214、第二端口217、升程控制缸220、活塞杆孔223及密封圈240。可变升程驱动器还包括设置在驱动缸211中的活塞30；设置在活塞杆孔223中的、与活塞30一体或刚性相连或能操作地相连的活塞杆31；设置在升程控制缸220内的升程控制套250；以及与活塞杆31连接的弹簧系统70。可变升程驱动器还包括驱动切换阀60和升程切换控制阀90。可变升程驱动器还包括作为其负载的气门80（即发动机气门或engine valve）。

活塞30上下分别有活塞第一端面34及活塞第二端面36。由于活塞杆31的存在，活塞第二端面36的面积比第一端面34的面积小。

驱动缸第一腔232在动力内口214的上沿和驱动缸第一端部236之间的部分为第一缓冲区254，其长度为Ls1。当活塞30进入第一缓冲区254时，驱动缸第一腔232无法直接或畅通地经过第一端口213排出工作液体而造成缓冲效果。

升程控制套250包括升程控制套第一端部251和升程控制套第二端部252，其中升程控制套第一端部251设有深度为Ls2的凹槽为第二缓冲区253。当活塞30进入第二缓冲区254时，驱动缸第二腔234无法直接或畅通地经过第二端口217排出工作液体而造成缓冲效果。

设置在活塞30的侧面上、与靠近活塞第一端面34及第二端面36交界处分别有至少一个第一槽口212及至少一个第二槽口216，以为活塞30分别进入第一缓冲区254及第二缓冲区254时提供逐步的流体释放及减速功能。槽口的形状可以是传统的三角槽，也可以其它较为优化的形状。第一槽口212也可以由设置在动力内口214上边的至少一个槽口（图中未示）来代替。第二槽口216也可以由设置在第二缓冲区253侧壁上的至少一个槽口（图中未示）来代替。

升程控制缸220包括升程控制缸第一端部227及升程控制缸第二端部228。升程控制套250可在升程控制缸第一端部227及第二端部228之间移动。升程控制缸220还包含升程控制腔221，它是升程控制缸第二端部228及升程控制套第二端部252之间及其附近相通的流体空间。升程控制腔221中的压力作用于升程控制套第二端部252以控制升程控制套250的位置。

驱动缸211上下分别有驱动缸第一端部236及驱动缸第二端部237;其中，驱动缸第二端部237是设在升程控制套第一端部251的第二缓冲区253的底部，它随着升程控制套250浮动。在驱动缸211中，具有由驱动缸第一端部236和活塞第一端面34限定的驱动缸第一腔232和由驱动缸第二端部237和活塞第二端面36限定的驱动缸第二腔234。

驱动缸第一腔232通过动力内口214与第一端口213连接。动力内口214是可选择的；它可采用图1中所示的沉割槽的结构形式，以便流体流动能沿驱动缸周边较为平衡地分布，减少流动阻力及侧向力。

可变升程驱动器还包括第一腔补流单向阀40的输出口及节流装置41，通过两个第一通孔210分别（也可省去所述第一通孔210、直接地）与第一缓冲区254连通。第一腔补流单向阀40的输入口及节流装置41的另一端通过流道X3及流道X1连接至驱动切换阀60。节流装置41为第一缓冲区254提供可控的或被限制的出流，以帮助实现活塞30进入第一缓冲区254时的缓冲功能。但由于它节流功能的双向性，节流装置41也阻碍活塞30快速地离开第一缓冲区254。为了弥补节流装置41在气门打开时的缺陷，与之并联的第一腔补流单向阀40可帮助实现通畅的进流。由于它的单向性，第一腔补流单向阀40不会在活塞30进入第一缓冲区254时放流及干涉节流装置41的节流功能。

图1所示的驱动切换阀60是两位三通阀，其一个阀口（输出口、工作口或A口）经过流道X1与第一端口213相通，其另一个阀口（回流口）经过流道X4（或叫做驱动切换阀回流路）与油箱62相通，其第三个阀口（进流口）经过流道X5（或叫做进流路）与高压流道PH相通。高压流道PH本身一般原自某一泵，通常再附加压力控制结构，甚至再加蓄能功能。

驱动切换阀60在图1所示的右位时，第一端口213向油箱62排工作液。驱动切换阀60在左位时，高压流道PH向第一端口213供工作液。流道X4在中途经过流道X2与第二端口217相通，并设置有背压节流口61。因此，第二端口217直接与驱动切换阀回流路相通，以此，驱动缸211形成了一个有效的差动机制。当高压流道PH经过流道X5、X1及X3给驱动缸第一腔232进工作液时，驱动缸第二腔234经过第二端口217、流道X2及流道X4往油箱62排工作液。当驱动缸第一腔232经过流道X1及X4等往油箱62排工作液时，部分工作液从流道X4分出、经过流道X2给驱动缸第二腔234补工作液，其中背压节流口61帮助提高流道X4中工作液的压力以便提高差动补流的效率。

图1所示的升程切换阀90是两位三通阀，其一个阀口（即工作口）经过流道X6及升程控制口224与升程控制腔221相通；其另一个阀口（即回流口）与油箱相通实现回流功能；其第三个阀口(即进流口)经过流道X7与高压流道PH相通。

弹簧系统70包括气门弹簧座71、气门回位弹簧72、气门导管73和缸盖体74。所述气门80包括气门杆81、气门头82及气门座83。气门弹簧座72和气门杆81一端连接，气门杆81另一端与气门头82连接。所述缸盖体74位于气门弹簧座71和气门头82之间，气门导管73套装于缸盖体74上。气门杆81从气门导管73中穿过，所述气门回位弹簧72套装在气门杆81上并同时由缸盖体74和气门弹簧座71支撑。在图1中，由于气门复位弹簧72的向上驱动力，气门80已入座（即气门头82贴着气门座83）；活塞30基本到达其顶部位置；活塞第一端面34接近或接触驱动缸第一端部236；驱动缸第一腔232排液至油箱62，并达到其最小的体积。

弹簧系统70也可被其它驱动器回位机构（图1中未显示）替代，比如具有类似回位功能的气动弹簧（图1中未显示）。它们的力作用点可在气门杆81上（即间接地作用在活塞杆31上），也可直接地在活塞杆31上（图1中未显示）。

如图1所示，气门头82正好接触气门座83，处于关闭状态。图中标号S2表示大升程，大致等于活塞第二端面36在图1中的位置至在气门大升程打开时的位置之间的距离。

当可变升程驱动器在大升程工况时（图1所示），升程切换阀90在左位，升程控制腔221连通于油箱而大致处于大气压力，因此升程控制套第二端部252几乎没有流体压力。而在升程控制套上面的驱动缸第二腔234至少在一般情况下保持有一定的背压。尽管该背压远低于系统高压PH，但它能在升程控制套第一端部251上产生足够的流体压力，以把升程控制套250控制在第二位置，即，升程控制套第二端部252接触升程控制缸第二端部228。当然，也可增加额外的锁紧或弹簧复位装置（图中未示）来保证升程控制套250在第二位置。

图1中气门处于关闭状态，因为驱动切换阀60在右位，第一端口213及驱动缸第一腔232连接低压，活塞第一端面34的流体压力较低，活塞及气门在气门回位弹簧72的作用下保持其关闭状态。

请参阅图2，升程切换控制阀90继续（如图1）在左位，可变升程驱动器继续（如图1）在大升程工况下。驱动切换阀60切换至左位，气门在全开的状态。第一端口213及驱动缸第一腔232连接系统高压PH，高压工作液进入驱动缸第一腔232。气门刚开始打开时（即活塞30或活塞第一端面34还处于第一缓冲区254内，图2中未示），工作液可通过驱动缸第一腔补流单向阀40进入驱动缸第一腔232，以弥补节流装置41及第一槽口212对流速的限制。当活塞30走出第一缓冲区254之后，工作液主要通过第一端口213畅通地进入驱动缸第一腔232。在气门打开过程中，驱动缸第二腔234内的工作液依次通过第二端口217、流道X2及流道X4排到油箱62。

为了实现气门小升程，如图3中所示，升程切换阀90切换至其右位，提供高压于升程控制腔221，以驱动升程控制套250至第一位置，即，升程控制套第一端部251顶着升程控制缸第一端部227。在图3所示的状态中，驱动切换阀60位于右位，第一端口213接低压，活塞第一端面34上没有大的流体压力，因此气门80在弹簧力的主宰下处于关闭状态。

如果驱动切换阀60切换至其左位（图3未示），第一端口213接高压，活塞第一端面34上有足够大的流体压力来克服弹簧力而打开气门80。气门的开度等于小升程S1，即活塞第二端面36从其在图中气门关闭时位置至在气门小升程打开时位置的距离。活塞30的行程受到升程控制套250的限制。在设计上，升程控制套第二端部252的面积理想地应该足够大，保证该面积上在高压下的流体压力与来自弹簧系统70的弹簧力（两者均是向上的）的合力足以克服向下合力，以便升程控制套250保持其控制位置而不松动。该向下合力包括：活塞第一端面34上在高压下的流体压力，升程控制套第一端部251在低压下的流体压力，以及活塞30快速进入第二缓冲区253时在驱动缸第二端部237产生的瞬态力。在设计上，也可仅保证向上的合力只够克服静态的向下合力，允许升程控制套250有瞬态的向下松动，由此气门的小升程运动有瞬态的超调。

请进一步参阅图4，另一较佳实施例中，相较于图1所示的可变升程驱动器，在本实施例中，增加了第二流体通道400，以便在活塞30进出第二缓冲区253时为其中的工作流体提供额外或主要的流体通道，帮助优化缓冲或补流功能。第二流体通道400包括第二缓冲区流口255、在升程切换套250及升程控制缸220内的其它相关通道结构、第三端口226、第二补流单向阀401、第二节流装置411及流道X8，以便最终与流道X9相通。第二流体通道400不经过驱动缸第二腔234。

第二缓冲区流口255可如图4所示为设置于紧挨第二缓冲区253的升程切换套250内壁的环形流道，也可为一个或多个孔或槽。第三端口226开设在驱动器壳体21上，介于第二端口217和升程控制口224之间。

第二节流装置411是可选择的，它的功能可由第二流体通道400中的其它部分所代替。比如，第二缓冲区流口255本身可以设计得狭窄以有节流功能。第二补流单向阀401也是可选择的，与第二节流装置411并联，以在活塞30退出第二缓冲区253时帮助实现第二流体通道400的快速补流功能。本实施例中，第二补流单向阀401和第二节流装置411的设计可由下列组合方案之一来实现：a. 第二补流单向阀401和第二节流装置411并联（如图4所示），以同时实现缓冲及快速补流功能；b. 省略第二补流单向阀401及第二节流装置411（如图5所示），流道X8直通第三端口226，节流功能由具有限流设计的第二缓冲区流口255或第二流体通道400中其它单元来代替，以实现缓冲及有限的补流功能；c. 无第二补流单向阀401，保留第二节流装置411，以实现缓冲及有限的补流功能。

另外，第二节流装置411在自身的结构或功能上也是可选择的，可以增加可变或可调功能（图4中未示）。同理，图1中所示的节流装置41可由图4所示的可变节流装置413代替。一个可变节流装置的节流特性可根据工况（类似工作温度）或系统要求（类似发动机的转速）的变化而变化或调节。节流调节的方式包括（图4中未示）：调节单个或多个节流口的面积；变化多个节流口的串、并联组合关系；以及封堵多个节流口组合中的部分节流口。

在本实施例中，图1中所示的驱动切换阀60（具有两位三通阀结构）可由图4所示的驱动低压切换阀601（具有两位两通阀结构）及驱动高压切换阀602（具有两位两通阀结构）代替，驱动低压切换阀601和驱动高压切换阀602分别负责第一端口213与低压背压流道PL（或油箱）和高压流道PH的开闭或连通状态。单个两位两通阀一般比单个两位三通阀在结构上更简单、在通流能力上更强、或动态响应更快。把低压及高压流道的切换功能分割开来也有利于减少两个切换动作之间的响应时间滞后，提高气门开关的快速性，以帮助满足某些发动机的高速运行需求。还有某些新型燃烧技术要求气门在每热力学周期中两次或更多次开关，其气门开关的快速性则要求更高，尤其要求气门的关闭与开启动作之间的时差极短。

在本实施例中，在升程控制口224和升程切换阀90之间的流道X6中设置了可选择的升程切换节流口94，帮助控制进出升程控制腔221的流速，特别是避免在高压PH下进工作液时升程控制套250过快的向上运动，减少冲击，并帮助平衡不同可变升程驱动器的升程控制套250的运动速度。在升程控制套250向下的运动过程中，驱动动力来自驱动缸第二腔234的、压力比较低的系统背压，为了减少升程切换节流口94对下降速度的节制作用，可选择地增加与升程切换节流口94并联的升程切换单向阀96。

在图1至图5中，升程切换阀90与驱动切换阀60共享一个高压流道PH。在系统中，高压流道PH的压力是可以控制在一个固定的目标或设计值，也可以根据工况或需要进行可变的控制。比如，可以提高系统压力来提高气门开关速度；也可以变化系统压力来补偿流体粘温特性引起的系统特性变化。

如果需要，升程切换阀90与驱动切换阀60的进流压力可以是不同的。比如，可以将升程切换阀90的进口压力从高压PH降至一个较低的值，以更可能省去升程切换节流口94及升程切换单向阀96。如果需要追求更精确的升程控制，可以用比例流量阀（图中未示）来代替升程切换阀90，或用比例压力阀（图中未示）来控制升程切换阀90进口压力。

在图4所示的实施例中，可变升程驱动器进一步包括液压挺柱50。液压挺柱50包括挺柱柱塞51、挺柱体52、挺柱单向阀阀芯53、挺柱单向阀弹簧54、挺柱单向阀弹簧座55、及柱塞回位弹簧56。其中，挺柱柱塞51位于活塞杆31远离活塞的一端，也是活塞杆31的一部分。

挺柱体52为一端敞口的中空柱状腔体，挺柱柱塞51一端能滑动地位于挺柱体52内部的空腔。挺柱体52内壁开设有挺柱泄流沉割槽516。挺柱单向阀阀芯53、挺柱单向阀弹簧54、挺柱单向阀弹簧座55、及柱塞回位弹簧56设于挺柱柱塞51端部与挺柱体52底部之间的挺柱高压腔57内。挺柱单向阀阀芯53、挺柱单向阀弹簧54、挺柱单向阀弹簧座55构成挺柱单向阀。挺柱体52与气门杆位于气门弹簧座的一端连接。高压腔57的补流来自低压流道PL，中间经过流道X10及在驱动器壳体21上的挺柱进流口222。途中依次经过沿活塞杆孔223的纵向挺柱进流道513、环绕活塞杆31的周向挺柱进流道512、横穿活塞杆31的径向挺柱进流道511、穿过活塞杆31、及挺柱柱塞51中心的轴向挺柱进流道514。轴向挺柱进流道514通向高压腔57的开口由上述挺柱单向阀来控制。

挺柱高压腔57还通过挺柱泄流道517、挺柱泄流沉割槽516、及挺柱泄流回流道515向轴向挺柱进流道514（也是挺柱储液腔）实现可控泄流。挺柱泄流道517是适当设计的、在挺柱体52与挺柱柱塞51之间的间隙。

在发动机应用中，挺柱进流口222可选择地相连于发动机的润滑系统的供油道（图4中未示，其压力也是较低的），而不是上述可变升程驱动器系统的低压流道PL。

上述实施例中的液压挺柱50动态地消除、或更确切地说是控制气门间隙。对于本发明中的可变升程驱动器来说，在气门入座之瞬间，通常活塞第一端面34还未接触驱动缸第一端部236，两者之间的间隙叫做气门间隙。由于制造精度的有限性、热胀冷缩、气门磨损等因素，气门间隙是个变数，要一直保持绝对零气门间隙是不实际的。如果气门间隙是负数，则活塞与驱动缸第一端部236发生接触之后气门还没有完全关闭，引起气门漏气。适当的气门间隙可避免气门漏气，降低发动机噪音，及提高气门正时精度。一般汽油发动机在每燃烧或热力学周期中，气门间隙的动态最大值在0.05 mm至0.10mm之间。

可以理解，在图1所示的第一实施例中，在可变升程驱动器没有液压挺柱50及与之相关的结构时，活塞杆31直接与气门杆81相接触或连接，或以其它能操作的方式连接。

请进一步参阅图5，本实施例中，液压挺柱50组合在活塞中。图1至图4所示的整体活塞30被分解成相互能滑动的挺柱柱塞351及挺柱体352；除了一起承担活塞的功能外，两者还分别担负挺柱柱塞及挺柱体在液压挺柱中的功能。径向挺柱进流道511设置在挺柱柱塞351内，并经过一系列流道最终与驱动缸第二腔234相通。相对于图4所示的液压挺柱，本实施例中的结构安排可能在空间上比较紧凑，能降低可变升程驱动器的高度。在不少发动机应用中，驱动器的高度是比较有限的。

在图5所示的实施例中，可变升程驱动器还包括一压力传感器（pressure sensor）91。通过测量可变升程驱动器（特别是驱动器高压区，其包括驱动切换阀60的工作口、驱动缸第一腔232及两者之间的区域或流道）中某一点的压力变化，来直接推断驱动切换阀60的工作状态，或来间接推断活塞30（或在图5所示的实施例中，挺柱柱塞351及挺柱体352）及气门80的运动状态，以在发动机热力学周期间对驱动切换阀60或其它可控结构（比如可调节流阀）进行控制或调节。相对于位移传感器，压力传感器可能制造成本较低，安装精度要求不高。

这里，压力传感器泛指能测量压力并输出相关信号的传感器。为了节约成本、提高可靠性或简化操作，压力传感器91可以是一种开关式（on/off）或两进制（binary）的压力传感器；它在某一预定的压力临界值上下，输出两进制信号（比如0和1信号，再比如0伏和5伏电压信号）。

在可变升程驱动器或系统中，在控制器给出切换信号之后，在一定的时间延迟（可称之为延迟A）之后，驱动切换阀60才能开始提供有效的输出流量及压力；之后再经过一定的时间延迟（可称之为延迟B）之后，活塞30及气门才开始运动。如果驱动切换阀60是直动式的（如图1及图5的符号所示），这切换过程包括电动执行器（通常是电磁线圈，也可能是压电晶体，其中还常包括一回位弹簧）驱动并切换驱动切换阀60的阀芯。驱动切换阀60也可以是两级或更多级的阀（图中未示）。如果是两级阀，电动执行器首先切换先导阀（通常是电液阀），再由先导阀提供流体动力来切换主阀（通常是液动阀）。延迟A的主要部分通常是电磁线圈的感应时间，再加上各种机械及流体惯性和流体阻尼。延迟B主要有各种机械及流体惯性和流体阻尼。相对而言，延迟A通常要比延迟B时间更长、而且更难预先标定。如果使用压力传感器91来测量驱动器高压区的压力变化（它直接反映驱动切换阀60或其主阀的切换状态），则可在控制上基本排除延迟A的不确定性，提高总体控制精确性。因为测量的主要目标是通过快速变化的压力来判断驱动切换阀60的切换状态，而不是压力值本身，两进制的压力传感器有更好的性价比。

图5所示的压力传感器91和/或图中未示的其它压力传感器还可用来测量液压系统的高压PH及低压PL，以便根据标定的压力或压差、流量及运动速度之间的关系，更精确地控制驱动器或发动机气门。

本实施例中，可变升程驱动器还包括位移传感器(displacement sensor)或近物体传感器（Proximity sensor）92。位移传感器可直接测量控制的目标，即活塞30或气门的位移。近物体传感器可探测活塞30或气门的一个特定位置状态及其变化时刻。比如利用霍尔效应传感器感知活塞30离开驱动缸第一端部（或气门离开气门座）的时刻，以进行发动机热力学周期间的正时控制或调节。

本实施例中，可变升程驱动器采用由背压单向阀64和低压蓄能器65组成的背压系统。背压单向阀64基本保证流道X5中工作液的最低回流压力，而低压蓄能器65能减少压力波动。可变升程驱动器还可采用其它背压技术(图中未示)，包括比例背压装置。

此外，本发明中的弹簧系统可为具有相同、相当或类似功能的其他结构，比如气动弹簧（图中未显示），来实现可变升程驱动器回位机构的功能，此处不再一一列举。此外，本发明中各种切换阀及控制阀不限于上述切换阀及控制阀的结构、组合或控制形式，可由其它结构、组合或控制形式来代替。比如，一个两位三通阀可由两个两位两通阀替代（如图4所示）；一个直动阀可由一个两级或多级阀来代替；一个常开阀可由一个常闭阀来代替；单电磁铁控制的阀可由双电磁铁控制的阀来代替。

本发明中，同一升程切换控制阀90也可同时控制至少两个可变升程驱动器，该升程切换控制阀的工作口与所有被控制的可变升程驱动器的升程控制口相连。比如在一发动机中，同一升程切换控制阀90可控制所有进气门或排气门的可变升程驱动器，也可以控制所有进、排气门的可变升程驱动器。

本发明中，同一驱动切换阀60也可同时控制至少两个可变升程驱动器（图中未示），该驱动切换阀的工作口和回流口分别与所有被控制可变升程驱动器的第一端口和第一端口相连。比如在一个发动机气缸上，同一驱动切换阀60可同步控制两个进气门或两个排气门的可变升程驱动器。

本发明中，不少流道（比如流道X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9和X10）在结构上不一定是独立于驱动器壳体21的，在各图中所显示的结构独立性或独立性的表象只是为了描述或示意的方便。如果需要，它们的任一个可以直接结合在驱动器壳体21中，这样与其相连的端口（比如第一端口213、第二端口217、第三端口226、挺柱进流口222或升程控制口224）也会是与流道连续的部分，而不是人为的口子（port）。

本发明中的升程控制套在第一位置和第二位置之间切换。在第一位置和第二位置时，可变升程驱动器也可采用机械、机电、机液或机电液锁定装置（图中未示）来帮助或取代上述液压式升程控制，以稳定升程控制套，保证气门升程的精度。

本发明所述的可变升程驱动器可以用简单的升程切换装置实现两个升程间的切换，且升程切换装置由升程切换控制阀来控制，该控制是数字式的。该结构的简单化的结构可保证应用中的可靠性及低成本。本发明中，气门在开启的位置是由升程控制套机械限位，因此气门升程基本无超调，、升程本身也比较精确。气门升程的精确性直接影响到进排气量的发动机燃烧过程的精确性，因此燃烧效率及排放质量。对升程超调的控制也可减小气门与内燃机活塞碰撞的可能性。

可以理解，本发明所述的可变升程驱动器可用在气门控制，也可以用在其他适用的场合。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (22)

1.一种可变升程驱动器，其包括：

驱动器壳体；

驱动缸，在所述驱动器壳体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端部；

升程控制缸，在所述驱动器壳体中，从所述驱动缸向第二方向延伸，并在其第一和第二方向的两端分别具有升程控制缸第一端部和升程控制缸第二端部；

升程控制套，在所述升程控制缸中能滑动于所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间，并在其第一和第二方向的两端分别具有升程控制套第一端部和升程控制套第二端部；

驱动缸第二端部，设于所述升程控制套第一端部，以能随所述升程控制套浮动； 

活塞，在所述驱动缸中能滑动于所述驱动缸第一端部和所述驱动缸第二端部之间，在其第一和第二方向的两端分别具有活塞第一端面和活塞第二端面；

活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，能滑动地穿过所述升程控制套；

驱动缸第一腔，为驱动缸内的、在所述驱动缸第一端部和所述活塞第一端面之间的空间；

驱动缸第二腔，为在所述活塞第二端面和所述驱动缸第二端部之间的空间；

升程控制腔，为所述升程控制缸第二端部和所述升程控制套第二端部之间的流体空间；

弹簧系统，能操作地作用于所述活塞杆；

第一端口和第二端口，在所述驱动器壳体中，分别与所述驱动缸第一腔和所述驱动缸第二腔流体相连；

驱动切换阀，进一步包括与所述第一端口流体相连的工作口，以控制工作液进出所述驱动缸第一腔；及

升程切换阀，与所述升程控制腔流体相连，以控制所述升程控制套在所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间的切换，由此控制所述可变升程驱动器在小升程和大升程之间的切换。

2.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括：驱动切换阀回流路，连接所述驱动切换阀的回流口至低压流道；高压流道，与所述驱动切换阀的进流口流体连接；其特征在于，所述第二端口直接流体连接至所述驱动切换阀回流路，以形成差动功能。

3.根据权利要求2所述的可变升程驱动器，还包括：驱动切换阀回流路，连接所述驱动切换阀的回流口至油箱；背压装置，设置在所述驱动切换阀回流路中；高压流道，与所述驱动切换阀的进流口流体连接；其特征在于，所述第二端口直接流体连接至所述驱动切换阀回流路，连接点在所述驱动切换阀的回流口和所述背压装置之间，以形成差动功能。

4.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括：

发动机气门，其进一步包括气门杆，该气门杆能操作地连接所述活塞杆；

其中，所述弹簧系统经过所述气门杆作用于所述活塞杆。

5.根据权利要求4所述的可变升程驱动器，其中：

所述活塞进一步包括挺柱柱塞和挺柱体，能操作地组成液压挺柱，以控制气门间隙。

6.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括：

发动机气门，其进一步包括气门杆；

液压挺柱，能操作地连接所述活塞杆和所述气门杆，以控制气门间隙； 

其中，所述弹簧系统依次经过所述气门杆和所述液压挺柱作用于所述活塞杆。

7.根据权利要求6所述的可变升程驱动器，还包括：

挺柱柱塞，是所述活塞杆的一部分，内设有轴向挺柱进流道。

8.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括：

动力内口，在所述驱动缸上，与所述第一端口和所述驱动缸第一腔流体相连。

9.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括：

第一腔补流单向阀，其输出口流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述可变升程驱动器打开行程的快速启动；以及

节流装置，流体连接于所述驱动缸第一腔，以助所述活塞接近所述驱动缸第一端部时的缓冲。

10.根据权利要求9所述的可变升程驱动器，其中，所述节流装置是可变的。

11.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括一压力传感器，以测量驱动器高压区的压力，从而推断所述活塞的运动时刻，进行周期间的正时控制。

12.根据权利要求11所述的可变升程驱动器，其中，所述压力传感器是两进制的压力传感器。

13.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括一位移传感器，以测量所述活塞的位移，进行周期间的控制。

14.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括一近物体传感器，以测量所述活塞的运动时刻，进行周期间的正时控制。

15.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，其特征在于，所述驱动切换阀进一步由一个驱动高压切换阀及一个驱动低压切换阀组成。

16.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，其特征在于，所述升程控制套第一端部设有具有一定深度的凹槽，该凹槽为第二缓冲区，该凹槽的底部为所述驱动缸第二端部。

17.根据权利要求16所述的可变升程驱动器，还包括第二流体通道，该第二流体通道进一步包括第二缓冲区流口，与所述驱动切换阀的回流路流体相通。

18.根据权利要求17所述的可变升程驱动器，其中，所述第二流体通道进一步包括相互并联的第二补流单向阀和第二节流装置。

19.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，其特征在于，所述升程切换阀连接于至少两个所述可变升程驱动器。

20.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，其特征在于，所述驱动切换阀连接于至少两个所述可变升程驱动器。

21.根据权利要求1所述的可变升程驱动器，还包括升程切换节流口，串联于所述升程切换阀和所述升程控制腔之间。

22.一种可变升程驱动系统，其包括：

至少两个可变升程驱动器，其中的每一个可变升程驱动器进一步包括：

驱动器壳体；

驱动缸，在所述驱动器壳体中，限定具有第一和第二方向的纵向轴线，并在其第一方向的一端具有驱动缸第一端部；

升程控制缸，在所述驱动器壳体中，从所述驱动缸向第二方向延伸，并在其第一和第二方向的两端分别具有升程控制缸第一端部和升程控制缸第二端部；

升程控制套，在所述升程控制缸中能滑动于所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间，并在其第一和第二方向的两端分别具有升程控制套第一端部和升程控制套第二端部；

驱动缸第二端部，设于所述升程控制套第一端部，以能随所述升程控制套浮动； 

活塞，在所述驱动缸中可滑动能滑动于所述驱动缸第一端部和所述驱动缸第二端部之间，在其第一和第二方向的两端分别具有活塞第一端面和活塞第二端面；

活塞杆，能操作地连接于所述活塞第二端面，能滑动地穿过所述升程控制套；

驱动缸第一腔，为驱动缸内的、在所述驱动缸第一端部和所述活塞第一端面之间的空间；

驱动缸第二腔，为在所述活塞第二端面和所述驱动缸第二端部之间的空间；

升程控制腔，为所述升程控制缸第二端部和所述升程控制套第二端部之间的流体空间；

弹簧系统，能操作地作用于所述活塞杆；及

第一端口和第二端口，在所述驱动器壳体中，分别与所述驱动缸第一腔和所述驱动缸第二腔流体相连；

至少一个驱动切换阀，其中的每一个驱动切换阀进一步包括工作口，该工作口与所述至少两个可变升程驱动器中的至少一个可变升程驱动器的所述第一端口流体相连；及

一个升程切换阀，与所述至少两个可变升程驱动器的所有所述升程控制腔流体相连，以控制所述升程控制套在所述升程控制缸第一端部和所述升程控制缸第二端部之间的切换，由此控制所述至少两个可变升程驱动器在小升程和大升程之间的切换。

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