CN107002517A - 用于摇杆安装的电子装置的摇杆运动驱动的发电机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机具有气门机构，气门机构包括摇臂组件，电子装置以及发电机的至少一部分安装在摇臂组件上。发电机将经摇臂组件传递的机械能的一部分转化为电力。这些电力可用于对电动闩锁、发射器或其它类型的摇臂组件安装的电气装置供电。对多种发电机构型进行了说明。在一些构型中，发电机是压电型的。在其它构型中，发电机是电磁型的。在一些构型中，发电机由摇臂组件所传递的来自凸轮的力驱动。在一些构型中，发电机由振动驱动。

Description

用于摇杆安装的电子装置的摇杆运动驱动的发电机
技术领域
本教导涉及气门机构，特别地，涉及提供可变气门升程(VVL)或气缸停缸(CDA)的气门机构。
背景技术
液压致动的闩锁被用在一些摇臂组件上以实施可变气门升程(VVL)或气缸停缸(CDA)。例如，一些切换辊式指状随动器(SRFF)使用液压致动的闩锁。在这些系统中，来自油泵的加压油可被用于闩锁致动。加压油的流量可在发动机控制单元(ECU)的监控之下通过油控制阀(OCV)进行调节。来自同一来源的单独的进给装置提供用于液压间隙调整的油。这意味着每个摇臂均具有两个液压进给装置，这需要一定程度的复杂性和设备成本。这些液压进给装置的需油量可能接近现有供应系统的限制。
发明内容
一些气门机构的复杂性和对油的需求能够通过将液压闩锁替换为电动闩锁而降低。但是按照惯例，对摇臂组件安装的电动闩锁供电可能包括将线对附接至摇臂组件中每一者。由于摇臂组件在其它移动部件附近不断往复运动，线可能被缠住、被夹断或发生疲劳并且因此造成短路。
本教导提供了一种气门机构，其包括摇臂组件安装的发电机。发电机可将经摇臂组件传递的机械能中的一些转化为电力。这种电力可被用于对电动闩锁或其它摇臂组件安装的电气装置供电。这些教导中的一些教导涉及特定的发电机构型。这些教导中的一些教导涉及具有由发电机供电并且也安装至摇臂组件的电子装置。电子装置可被认为与特定的发电机构型中的任一者有关。
在这些教导中的一些教导中，发电机产生的电功率(electric power)在使用之前被储存起来。功率可被储存在例如电池或电容器中。将功率储存起来可允许使用较小的发电机。较小的发电机可具有比由该发电机供电的装置的峰值功率需求更低的额定功率。储存装置可具有足够的容量来储存至少发电机在双凸轮旋转时的最大输出。
在这些教导中的一些教导中，摇臂组件具有两个状态。例如，一个状态可以是被闩锁的状态而另一个级可以是未被闩锁的状态。发电机可仅在摇臂组件处于两个状态的一者中时产生电能。在一个状态盛行时发电机可对电能储存装置充电并且当第二状态盛行时电能储存装置可对电气装置供电。
根据本教导的一些方面，发电机由凸轮驱动。在这些教导中的一些教导中，发电机是压电发电机。压电发电机可定位在摇臂组件传递来自凸轮的力所经的路径中。所传递的力可能相当大。使压电发电机定位成传递这些力可允许发动机经历较大力变化的频繁程度达到每个凸轮周期一次。发电机之后可提供足够的电能以支持广泛的应用。
在这些教导中的一些教导中，压电发电机构造为响应于凸轮远离基圆升高而压缩并响应于凸轮朝向基圆降低而扩张。在这些教导中的一些教导中，压电发电机构造为响应于凸轮远离基圆升高而经受剪切变形并响应于凸轮朝向基圆降低而减轻这种剪切变形。
在这些教导中的一些教导中，压电发电机放置于凸轮轴与气门弹簧之间的力传递路径中。在这些教导中的一些教导中，压电发电机放置于凸轮轴与用于摇臂组件上的空程弹簧的弹簧止挡件之间的力传递路径中。在这些教导中的一些教导中，压电发电机放置于凸轮轴与支点之间的力传递路径中，摇臂组件的摇臂在该支点上枢转。在这些教导中的一些教导中，压电发电机放置于凸轮轴与摇杆轴之间的力传递路径中，摇臂组件的摇臂在该摇杆轴上枢转。
在这些教导中的一些教导中，压电发电机放置于象脚中。在这些教导中的一些教导中，压电发电机放置于液压室中、诸如液压间隙调节器的液压室中。在这些教导中的一些教导中，压电发电机放置于弹簧与弹簧止挡件之间。在这些教导中的一些教导中，摇臂组件包括第一部分，所述第一部分安装在第二部分上，所述第二部分是轮轴、枢轴或摇杆轴。在这些教导中的一些教导中，压电发电机定位成在第一部分与第二部分之间传递力。将所述第一部分安装在所述第二部分上可允许所述第一部分和所述第二部分的相对旋转。
在这些教导中的一些教导中，压电发电机是悬臂梁类型的并构造为响应于凸轮远离基圆升高而沿第一方向弯曲并响应于凸轮朝向基圆降低返回而沿相反方向弯曲。在这些教导中的一些教导中，发电机的端部联接至摇臂。在这些教导中的一些教导中，发电机的端部联接至扭转弹簧。
根据本教导的一些方面，压电发电机安装在摇臂组件上并构建为由摇臂组件的振动产生电力。在这些教导中的一些教导中，振动驱动的压电发电机是悬臂梁类型的。在这些教导中的一些教导中，振动驱动的压电发电机是弹簧和质量块类型的。振动驱动的压电发电机可比凸轮轴的旋转更快地作周期运动进而允许以比凸轮轴的旋转的频率大得多的频率产生功率脉冲。
根据本教导的一些方面，电磁发电机的第一部件、包括线圈和电极、安装在摇臂组件的第一部分上。电磁发电机的第二部件可安装在摇臂组件的其它部分上或与摇臂组件分离的其它部分上。电磁发电机可包括线圈和磁体。线圈和磁体可构造为在凸轮远离基圆升高时沿第一方向相对彼此移动并在凸轮朝向基圆降低时沿相反方向相对彼此移动。凸轮可在摇臂组件上做相当大量的功。这种功的被发电机转化为电力的部分可足以对广泛的电气装置供电。
在这些教导中的一些教导中，电磁发电机的第一部件安装至往复运动的部分。往复运动的部分可以是升降器。在这些教导中的一些教导中，电磁发电机的第一部件和第二部件构建为相对彼此枢转。这些部件中的一者可被固定至第一部分，诸如摇臂、象脚或支架。这些部件中的另一者可被固定至第二部分，第一部分在第二部分上枢转。第二部分可以是枢轴、轮轴或摇杆轴。
在这些教导中的一些教导中，电磁发电机包括构建为相对彼此旋转的第一部件和第二部件。摇臂组件可包括凸轮辊子。这些部件中的一者可固定成与凸轮辊子一起旋转而另一部件固定至摇臂组件的非旋转部分。
在这些教导中的一些教导中，电磁发电机包括弹簧和质量块，其中，质量块提供发动机的磁性部件。与弹簧和质量块类型的压电发电机相比，电磁发电机可具有更大的产生电能的能力，因为与压电发电机可在其之上发生变形的长度相比，质量块的运动范围更大。在这些教导中的一些教导中，发动机被调谐为使质量块以接近摇臂组件的周期运动速率振荡。
根据本教导的一些方面，一部分安装至摇臂组件的发电机构造为对同样安装至该摇臂组件的电气装置供电。电气装置是与发动机不同的装置。在这些教导中的一些教导中，电气装置包括发射器。在这些教导中的一些教导中，电气装置包括放大器。在这些教导中的一些教导中，电气装置基于发动机产生电能所用正时提供诊断信息。在这些教导中的一些教导中，电气装置是传感器。在这些教导中的一些教导中，电气装置包括螺线管。在这些教导中的一些教导中，电气装置是电磁闩锁。
在这些教导中的一些教导中，电气装置安装成使得在电气装置与发电机的电极之间存在很少的移动或不存在移动。在这些教导中的一些教导中，电气装置和发电机的电极被保持呈刚性关系。这些布置可便于阻止在发电机与电气装置之间连接的电线被缠住、被夹断或发生疲劳。
根据本教导的一些方面，摇臂组件可被改造以接收发电机而不修改任何铸造或冲压设备。该组件的摇臂可使用已被设计为建造用于不包括发电机的摇臂组件的部分的铸造或冲压设备制成。由该铸造和冲压设备产生的部件可被铸造并冲压而没有任何对接收发电机部件的改造。已经用于制造没有发电机的摇臂组件的部件的相同的铸造和冲压设备之后可再次用于制造如本教导提供的具有发电机的摇臂组件的部件。
这个总结的主要目的是以简化的形式提出本教导的广义的方面以利于对本公开内容的理解。这个总结并非是对本教导的每一个方面的全面说明。本教导的其它方面将通过下文的详细说明以及附图传达给本领域普通技术人员。
附图说明
图1A示出了根据本教导的一些方面的气门机构。
图1B示出了图1A的气门机构，其中，凸轮远离基圆。
图2A示出了OHV气门机构，本教导可应用于该OHV气门机构。
图2B示出了图2A的OHV气门机构，其中，凸轮远离基圆。
图3A示出了端部枢转OHC气门机构，本教导可应用于该端部枢转OHC气门机构。
图3B示出了图3A的端部枢转OHC气门机构，其中，凸轮远离基圆。
图4A示出了直接作用的OHC气门机构，本教导可应用于该直接作用的OHC气门机构。
图4B示出了图4A的直接作用的OHC气门机构，其中，凸轮远离基圆。
图5A示出了根据本教导的一些方面的DHLA。
图5B示出了处于未被闩锁且被压缩状态的图5A的DHLA。
图6A示出了切换摇臂的俯视图，本教导可应用于该切换摇臂。
图6B示出了图6A的切换摇臂的侧视图，其中，凸轮位于基圆上。
图6C示出了处于未被闩锁状态的图6A的切换摇臂的侧视图，其中，凸轮远离基圆。
图6D示出了处于被闩锁状态的图6A的切换摇臂的侧视图，其中，凸轮远离基圆。
图7示出了另一切换摇臂，本教导可应用于该切换摇臂。
图8示出了根据本教导的一些方面的HLA。
图9示出了根据本教导的一些方面的另一HLA。
图10示出了根据本教导的一些方面的安装至象脚的压电发电机。
图11示出了根据本教导的一些方面的安装于枢轴与摇臂之间的压电发电机。
图12示出了根据本教导的一些方面的安装于扭转弹簧与弹簧止挡件之间的压电发电机。
图13A示出了根据本教导的一些方面的压电发电机的俯视图，其安装成通过扭转弹簧弯曲。
图13B示出了图13A的压电发电机的侧视图，其中，凸轮位于基圆上。
图13C示出了图13A的压电发电机的侧视图，其中，凸轮远离基圆。
图14示出了根据本教导的一些方面的构造为经受剪切变形的压电发电机。
图15示出了根据本教导的一些方面的弹簧-质量型压电发电机。
图16A示出了根据本教导的一些方面的悬臂梁型压电发电机。
图16B示出了根据本教导的一些方面的另一悬臂梁型压电发电机。
图17示出了根据本教导的一些方面的具有电磁发电机的摇臂组件。
图18示出了根据本教导的一些方面的安装至经历相对枢转或旋转的一对摇臂组件的部分的电磁发电机。
图19示出了根据本教导的一些方面的安装至经历相对枢转或旋转的一对摇臂组件的部分的另一电磁发电机。
图20示出了根据本教导的一些方面的弹簧-质量型电磁发电机。
图21提供了根据本教导的一些方面的摇臂组件制造方法的流程图。
具体实施方式
图1A和图1B示意性地示出了根据本教导的一些方面的包括摇臂组件110的气门机构101。发电机137、或至少其包括电极138的一部分可被安装至摇臂组件110上。在本教导的一些方面中，发电机137可落座于摇臂组件110。但电极138不这样落座。
电力驱动的装置151和可选的电能储存装置127也可安装至摇臂组件110上。发电机137可以是从机械能中产生电力的装置。发电机137的示例包括电磁发电机和压电发电机。能量储存装置127的示例包括电池和电容器。电气装置151的示例包括螺线管、接收器和放大器。电气装置151的电极152可联接至发电机137的电极138。电极152和电极138二者均可联接至由发电机137充电的能量储存装置127。
气门机构101可包括气门103和凸轮轴125，凸轮轴125上安装有偏心成形的凸轮123。摇臂组件110可包括凸轮随动件121。摇臂组件110可被结构化并构造为响应于凸轮123的旋转而致动气门103。在本公开内容中使用的术语“摇臂组件”可以是以这种方式构造并定位的由部件组成的任意组件。因此，摇臂组件110的示例包括没有摇臂的示例。
气门103可以是具有气门弹簧105的提升气门，气门弹簧105通过气门杆安装的弹簧止挡件107作用于气门103上。气门弹簧105可使气门103相对于发动机缸体(未示出)的表面104向上偏置。在图1A中，偏心成形的凸轮123位于基圆上，而在图1B中，偏心成形的凸轮123处于最大提升处。当凸轮123位于基圆上时，气门103如图1A所示可位于其座部109上。当凸轮123处于最高提升处时，气门弹簧105可在弹簧止挡件107与表面104之间被压缩并且气门103如图1B所示可被提升远离其座部109。气门103是否响应于凸轮123在任意特定的凸轮周期中的旋转而提升远离其座部109(被致动)可取决于摇臂组件110的状态，诸如被闩锁或未被闩锁的状态。
在本教导的一些方面中，气门机构101可以是顶置气门(OHV)气门机构101A，图2A和图2B提供了顶置气门(OHV)气门机构101A的示例。OHV气门机构101A可包括摇杆轴111和摇臂组件110A。摇臂组件110A可包括升降器115和安装于摇杆轴111上的摇臂113。升降器115可包括液压间隙调节器117和辊子随动件121A。辊子随动件121A是凸轮随动件121的示例。
在OHV气门机构101A中，凸轮轴125可旋转以经由偏心成形的凸轮123致动气门103。在凸轮123远离基圆升高，其可使力124从凸轮轴125传递至升降器115上。升降器115可再传递该力进而导致摇臂113的第二端部112B上的近似相等的力108B。第二端部112B作为响应可上升，并且通过摇杆轴111上的杠杆作用压缩气门弹簧105并驱动气门103远离其座部109。气门弹簧105可在摇臂113的第一端部112A上产生反作用力108A。摇杆轴111可产生反作用力108C，其向下作用于摇臂113上以抵消向上的力108A和108B。这些力可在凸轮123远离基圆升高时增大并在凸轮123朝向基圆降低返回时减小。发电机137可定位成受到这些力中任一者的作用并由这些力中的任一者致动。
在本教导的一些方面中，气门机构101可以是端部枢转顶置凸轮(OHC)气门机构101B，图3A和图3B提供了端部枢转顶置凸轮(OHC)气门机构101B的示例。端部枢转OHC气门机构101B可包括摇臂组件110B。摇臂组件110B可包括摇臂113、辊子随动件121A和液压间隙调节器117。液压间隙调节器117可提供支点，摇臂113在该支点上枢转。
在端部枢转OHC气门机构101B中，凸轮轴125可旋转以通过偏心成形的凸轮123致动气门103。在凸轮123远离基圆升高时，其可使来自凸轮轴125的力124经凸轮随动件121A和枢轴119B传递以在摇臂113上产生向下的力108C，凸轮随动件121A安装至枢轴119B上。摇臂113作为响应可下降，进而在HLA 117上枢转、压缩弹簧105并驱动气门103远离其座部109。气门弹簧105可在摇臂113的第一端部112A上产生向上反作用力108A。HLA 117可在摇臂113的第二端部112B上产生向上反作用力108B。发电机137可定位成受到这些力中任一者的作用并由这些力中的任一者致动。
尽管在本教导的大多数方面中摇臂组件110包括摇臂113，本教导的一些方面可应用于直接作用的顶置凸轮(OHC)气门机构101C，图4A和图4B提供了顶置凸轮(OHC)气门机构101C的示例。直接作用的OHC气门机构101C可包括摇臂组件101C。摇臂组件110C可包括液压间隙调节器117和滑动器121B。滑动器121B是凸轮随动件121的另一示例。
在直接作用的OHC气门机构101C中，凸轮轴125可旋转以通过偏心成形的凸轮123致动气门103。在凸轮123远离基圆升高时，其可使来自凸轮轴125的力124经滑动器121B传递以在HLA 117上产生的向下的力108C。HLA 117作为响应可下降，这可驱动气门103远离其座部109。在气门弹簧105压缩时，气门弹簧105可在HLA 117上产生向上反作用力108A。发电机137可定位成受到这些力中任一者的作用并由这些力中的任一者致动。
在本教导的一些方面中，直接作用的OHC气门机构101C中的HLA117或气门机构101的其它示例中的一者中的HLA 117可以是停用液压间隙调节器(DHLA)(deactivatinghydraulic lash adjuster)117，图5A和图5B提供了停用液压间隙调节器(DHLA)117的示例。DHLA 117可包括呈嵌套滑动关系的外部套筒131、中间套筒139和内部套筒141。内部套筒141与中间套筒139之间的相对运动可提供间隙调节。
闩锁133可具有第一位置和第二位置，在第一位置中，中间套筒139和外部套筒131被闩锁在一起，在第二位置中，中间套筒139和外部套筒131能够相对彼此滑动。作为电气装置151的示例的闩锁致动器151A可被用于致动闩锁133以便选择性地进行气缸启用或停用。在图5A中示出的被闩锁的状态下，DHLA 117A可基本上为刚性的并具有传递来自凸轮123的力或使来自凸轮123的力重定向使得气门103可被致动的功能。在未被闩锁的状态下，DHLA117A可防止气门103因如图5B所示的响应于纵向力的屈服而被致动。可通过空程弹簧153抵抗DHLA 117A在凸轮123远离基圆升高时的屈服，空程弹簧153获取能量。在凸轮123朝向基圆降低返回时空程弹簧153可使DHLA 117A重新延长并使能量返回至凸轮轴125。空程弹簧153的弹簧常数可被选择为使得其先于气门弹簧105屈服。
液压间隙调节可使用液压室148实施，液压室148构造为在DHLA117A通过内部套筒141与中间套筒139之间的相对运动延长或收缩时改变容积。供应室144可从供应端口146填充液压流体。液压流体可以是发动机油，其可以约2atm的压力供应。当凸轮123位于基圆上时，止回阀147可准许油进入液压室148。油可填充液压室148，进而使HLA 117延长直至凸轮123与凸轮随动件121之间没有间隙。在凸轮123远离基圆升高时，HLA 117可被压缩。液压室148中的压力可上升并导致止回阀147关闭。HLA 117之后可变得相对坚硬，使内部套筒141和中间套筒139由液压室148中的基本上不可压缩的液压流体保持呈基本上刚性的关系。在经HLA 117液压地传递力时液压室148中的压力可变得较高。
在本教导的一些方面中，电气装置151包括螺线管。DHLA 117A包括电动闩锁致动器151A，其是包括螺线管的电气装置151的示例。电气控制的液压阀可提供包括螺线管的电气装置151的另一示例。电气控制的液压阀可构造为致动液压闩锁，其可替代电动闩锁致动器151A提供更低的动力并允许使用更小的发电机137。由电气控制阀切换的液压闩锁可使用与用于液压间隙调节的液压进给装置相同的液压进给装置。
在本教导的一些方面中，电气装置151包括发射器。发射器可被用于传送诊断信息。在这些教导的一些教导中，发射器包括天线。在这些教导的一些教导中，发射器包括电子振荡器。在这些教导的一些教导中，电子振荡器包括LC振荡器回路。在这些教导的一些教导中，诊断信息与切换或气缸停用摇臂的状态相关。该状态可与一对摇臂是否被闩锁或未被闩锁有关。在这些教导的一些教导中，诊断信息与气门正时有关。在这些教导的一些教导中，该信息可根据发电机137本身的输出而确定。在这些教导的一些教导中，电气装置151包括提供诊断信息的传感器。在这些教导的一些教导中，电气装置151包括放大器。放大器可被用于放大传感器信号。
在本教导的一些方面中，摇臂组件110可包括切换摇臂113A。切换摇臂113A可提供在电气装置151可以是电动闩锁致动器151A的情况下的另一示例。图6A至图6D提供可适用于OHC气门机构101B的切换摇臂113A的示例。
在本教导的一些方面中，切换摇臂113A可包括内部摇臂113B和外部摇臂113C。内部摇臂113B和外部摇臂113C可通过枢轴119B枢转地联接。枢轴119B可以是安装至轴承上的轮轴或者可以刚性地联接至内部臂113B或外部臂113C。在图6A至图6D的示例中，象脚155也可安装至枢轴119B上。象脚155接触气门杆103并与枢轴119B一起枢转或在枢轴119B上枢转以相对于气门杆103保持固定的取向。
在本教导的一些方面中，切换摇臂113A包括扭转弹簧157。扭转弹簧157可安装至枢轴119C上。扭转弹簧157或一对扭转弹簧157可构造为使内部臂113B偏置以相对于外部臂113C绕枢轴119B枢转。在图6A至图6D的示例中，扭转弹簧157的第一端部159可抵接形成至外部臂113C内的弹簧止挡件161。扭转弹簧157的第二端部163可抵接联接至内部臂113B的枢轴119A。枢轴119A可固定至内部臂113B，或者内部臂113A可以可旋转地安装至枢轴119A上。可旋转的安装可包括轴承。凸轮滚柱随动件121A也可安装至枢轴119A上。枢轴119A可以是轮轴。
闩锁133和闩锁致动器151A可安装至内部臂113B和外部臂113C中一者上。闩锁133可构造为选择性地接合内部臂113B和外部臂113C中另一者。应当理解，本教导可适用于许多切换摇臂设计，包括内部臂113B和外部臂113C的作用对换的切换摇臂设计。
图6B示出了在凸轮123位于基圆上时的切换摇臂113A。在该位置中，闩锁133可在收回位置与延长位置之间被致动。如果凸轮123在闩锁133收回时远离基圆升高，那么内部臂113B如图6C所示可相对于外部臂113C枢转。凸轮123在摇臂组件110上完成的功可引起扭转弹簧157缠绕而不压缩气门弹簧105。在本教导的一些方面中，气门103可保持座置并且由此实施气缸停用。在本教导的一些其它方面中，一个或多个其它凸轮(未示出)可作用于外部臂113B上以提供缩短的气门开启期间，借以可通过使闩锁133收回而改变气门正时。
如果凸轮123在闩锁133延长时远离基圆升高，内部臂113B可与闩锁133接合，借以可限制内部臂113B和外部臂113C的相对运动。支架或象脚可支承HLA 117A上的外部臂113C。支架(未示出)可与外部臂113C成一体或者可以是定位在外部臂113C和HLA 117A之间的单独的零件。在闩锁133延长并且臂113B和113C接合的情况下，臂113B和113C可作为单元在HLA 117A上枢转，HLA 117A提供了支点，该支点在其基部处由气缸体(未示出)支承。凸轮123的升高之后可导致臂113B和113C杠杆式地向下作用在象脚155上，进而压缩气门弹簧105，并如图6D所示使气门103提升远离其座部109。
图7示出了切换摇臂113D，其是摇臂113的另一示例。切换摇臂113D包括内部摇臂113B和外部摇臂113C。电动闩锁致动器151A可安装至内部臂113B上。凸轮123(未示出)可定位成作用在凸轮随动件121A上。其它凸轮(未示出)可定位成作用在滑动器121B上。当闩锁133延长以接合外部臂113C时，气门103可通过提升内部臂113B或外部臂113C中任一者而开启。当闩锁133收回时，可以仅提升内部臂113B将开启气门103。
在气门机构101中，凸轮轴125可随着凸轮123远离基圆升高而在摇臂组件110上做功。这些能量的大部分能量可被储存于诸如气门弹簧105、空程弹簧153和扭转弹簧157的一个或多个弹簧中。那些被储存的能量中的一些能量可随着凸轮123朝向基圆降低返回而返回到凸轮轴125。但在本教导的一些方面中，发电机137可由凸轮123驱动。在本教导的一些方面中，凸轮轴125在摇臂组件110上所做功的一部分可以是在发电机137上做的功。该比例可小于5％以便对气门机构101的影响可以忽略。该比例可为0.1％或更大以便提供足以给许多类型的装置(其可以是电气装置151)提供动力的能量总量。
凸轮轴125通过凸轮123施加在摇臂组件110上的提升力124可以为1kN或更大。凸轮123提供的位移可以为1cm或更大。每秒发生的位移数可以为10或更大。因此，凸轮轴125可以100J/s(瓦特)或更大的速率在摇臂组件110上做功。在本教导的一些方面中，发电机137可具有在凸轮轴125的每次转动中产生10-500mJ的能力。发电机137可以一定的速率产生范围在100mW至5W内的电动率。较低速率下的功率生成可足以支持本教导预期的一些应用。较高速率下的功率生成可能过剩。
在本教导的一些方面中，发电机137可以是压电发电机137A，其在摇臂组件110内定位于压电发电机137A可受到压缩力的位置。在这些方面中的一些方面中，该位置是使得该力与凸轮轴125施加在摇臂组件110上的力近似成比例地变化的位置。这种近似成比例性可一直保持或只在摇臂组件110处于诸如被闩锁状态或未被闩锁状态的某些状态下时保持。
使压电发电机137A经受与凸轮轴125施加在摇臂组件110上的力近似成比例地变化的力的位置可以是摇臂组件110传递力所沿的路径。在这些教导的一些方面中，力可以在凸轮123与弹簧之间传递。弹簧可以是气门弹簧105、空程弹簧153或扭转弹簧157。在这些教导的一些方面中，力传递路径位于凸轮123与摇杆轴111之间。在这些教导的一些方面中，力传递路径位于凸轮123与摇臂113绕其枢转的支点的基部之间。
在这些教导的一些方面中，压电发电机137A可放置于液压室148内。在这些方面的一些方面中，液压室148位于HLA 117内，HLA 117可以是DHLA 117A，图5A和图5B提供了DHLA117A的示例。DHLA 117A传递1kN或更大的力。液压室148的横截面积可在1至10cm2的范围内。液压室148中的压力可升至0.2MPA至40Mpa(400atm)的范围内。在一些示例中，液压室148中的压力可升至1MPA至10Mpa(100atm)的范围内.
压电发电机137A可具有位于液压室148内的许多可能的构型。液压室148中的压力可基本上为各向同性的，这可允许压电发电机137A具有任意取向。止回阀147可被支承在平台149上抵接发电机137A。可替代地，平台149可固定至液压室148的侧部。将压电发电机137A放置于液压室148中的优点在于压电发电机137A可以高度统一的方式受限。
在这些教导的一些方面中，发电机137的非接地电极138和电气装置151的非接地电极152通过摇臂组件110被保持成相对彼此呈刚性的关系。在这些方面的一些方面中，电极138和152附接至摇臂组件110的一体部分。图5A和图5B提供了示例。发电机137A(包括其电极138)以及电动闩锁致动器151A(包括其电极152)二者均可附接至中间套筒139。两个电极138和152可通过能量储存装置127连接。刚性关系可最小化或消除连接这些装置的电线145的移动。
在本教导的一些方面中，发电机137的电极138和电气装置151的电极152可以位于摇臂组件110的独立移动的部件上，但仍然布置成使任意连接电线145移动较少。在这些方面的一些方面中，电极138和电极152在摇臂组件110做周期运动时彼此之间的距离基本上不变。图8提供了示例。在图8中，HLA 117B示出为具有环形形状的压电发电机137A，其附接至形成液压室148的上部部分的内部套筒141。在这种构型中，压电发电机137A相对于摇臂113经历较少移动，摇臂113定位成在HLA 117B上枢转。
在本教导的一些方面中，在HLA 117上连接装置的电线可穿过接合部，摇臂113于该接合部处在HLA 117上枢转。图8提供了示例。摇臂113可包括支架156，支架156成形成阻止摇臂113从HLA 117B滑落同时允许摇臂113在HLA 117B上枢转。电线145可在HLA 117B上将发电机137A连接至安装在摇臂113上的电气装置151。电线145可穿过开142穿行到HLA117B之外，开142形成于HLA 117A的抵接支架156的部分中。在这个示例中，抵接部分是内部套筒141的上部部分。开142与形成于支架156中的开158配合。开142的横截面可以是圆形的。开156可以是盘状的。这种构型保护电线145并允许电线145在气门机构101的运行期间较少移动。
在这些教导的一些方面中，压电发电机137A可定位在HLA 117内、升降器115内或压电发电机137A纵向地传递力的构型中的摇臂组件110的其它纵向力传递构件内。图9提供了示例。在图9的示例中，压电发电机137A可定位在HLA 117C内，但不定位在液压室148内。在这个示例中，内部套筒141可被设置为将压电发电机137A夹于之间的上部部分141B和下部部分141A。由HLA 117B向上传递的全部的力可经过压电发电机137A。
在本教导的一些方面中，支承结构143可构造为与压电发电机137A平行。在这些方面的一些方面中，支承结构143可构造为使得在压电发电机137A变形超过特定点的情况下支承结构143与压电发电机137A之间的载荷分担有利于支承结构143而转移。例如，支承结构143的刚性可比压电发电机137A更大，但在二者均未被压缩的情况下支承结构143比压电发电机137A略短。一旦压电发电机137A被压缩至特定点，高度可变为相等并且载荷可移向支承结构143。
在这些教导的一些方面中，压电发电机137A可定位在摇臂113与升降器115、气门103、摇杆轴111、凸轮随动件121或HLA 117或提供用于摇臂113的支点的类似结构中任一者之间。在这些方面的一些方面中，象脚155或支架156可定位在摇臂113与其它部分之间。在这些方面的一些方面中，压电发电机137A可抵接象脚155或支架156。
在本教导的一些方面中，压电发电机137A可形成于象脚155或支架156内。图10提供了示例。在图10中，压电发电机137A可安装在象脚155中。象脚155可通过枢轴119A联接至摇臂113。象脚155可将来自摇臂113的力108传递至气门103。压电发电机137A可定位成使得力108的全部或部分经其传递。如图10所示，压电发电机137A的电极138可由电线145连接至电气装置151的电极152，电气装置151也被安装至象脚155上。
电气装置151可被安装至摇臂113上。将电气装置151安装至摇臂组件110的第一部件并将发电机137安装至摇臂组件110的第二部件可使电气装置151与发电机137之间的连接能够在电线145较少移动的情况下实现，其中，第一部件和第二部件通过枢轴119或将这两个部件固定成绕共同的轴线枢转的其它结构联结。
在本教导的一些方面中，压电发电机137A可被定位在枢轴119或摇杆轴111与被安装在枢轴119或摇杆轴111上的一部分之间。图11提供了示例，其中，被安装的部分可以是摇臂113。可被安装的部分的其它示例包括凸轮辊子随动件121A和象脚155。摇臂组件110的若干部分可被安装至单一枢轴119。所有安装件可包括轴承并允许转动。安装件中的一些可被固定。图11的结构可应用于被固定的安装件或允许转动的安装件中任一者。在本教导的一些方面中，轴承171可被包含于安装件中以允许枢轴119或摇杆轴111与被安装的部分之间的相对转动。
如图11所示，安装适配器169可配合摇臂113中的圆形开口。安装适配器169可具有带有竖向侧壁的开170。安装适配器175可围绕摇杆轴111装配并可选地轴承171使它们适于以滑动的关系装配在开170内。安装适配器175也可用于使来自摇杆轴111的力108遍及压电发电机137A均匀地施加。压电发电机137A可定位在安装适配器169与安装适配器175之间。这种布置可允许摇杆轴111上的安装适配器175与摇臂113的安装适配器169之间竖向方向上的少量的相对运动。这种相对运动可允许压电发电机137A的扩张和收缩。弹簧夹173可在允许这种相对运动发生的同时便于保持摇杆轴111与摇臂113之间的附接。
在本教导的一些方面中，压电发电机137A可定位成受到扭转弹簧157的作用。图12提供了示例，其中，压电发电机137A可被定位在扭转弹簧157的第一端部159与弹簧止挡件161之间。作为另一示例，压电发电机137A可定位成与扭转弹簧157的第二端部163相邻。这种定位可将压电发电机137A放置在端部163与枢轴119A之间。在这些教导的一些方面中，压电发电机137A可定位成接收与扭转弹簧157上的缠绕力相等的力。扭转弹簧157上的力可具有对驱动压电发电机137A而言有用的大小和周期率。而且，扭转弹簧157的一个端部或另一端部可提供用于安装压电发电机137A的方便位置。
在本教导的一些方面中，压电发电机137A构造为由弯曲力致动。在这些方面中，压电发电机137A可通过摇臂组件110的两个部分的相对运动或通过扭转弹簧157的弯曲而弯曲。图13A至图13C提供了示例。发电机137的第一端部194可由托架195保持与HLA 117呈固定关系。发电机137的第二端部192可由托架193保持与扭转弹簧157的端部163呈固定关系。如图13C所示，在凸轮123远离基圆升高时，压电发电机137A可在扭转弹簧157之上弯曲。尽管许多其它构型是可能的，这种构型具有这样的优点，即，无论摇臂113A是否处于闩锁状态或未被闩锁状态，压电发电机137A都将借助凸轮123的每次转动而弯曲并伸直。
压电发电机137A可由任何适合的压电材料制成。可能使用的材料的示例包括陶瓷。在本教导的一些方面中，压电材料呈锆钛酸铅(PZT)的形式。该材料可被选择成在气门机构101的最大工作温度下有效。该温度可以为至少100℃。该材料可基于其成本、其能量密度、其有效联接因子以及其去极化应力而进行选择。
压电发电机137A的较大横截面积允许使用具有较低去极化应力的压电材料。在本教导的一些方面中，压电发电机137A设置有较大横截面积以减小压电材料上的峰值应力。在这些教导的一些方面中，摇臂组件110在插置有压电发电机137A的位置处变宽。
在本教导的一些方面中，压电发电机137A构造为由剪切应力致动。图14提供了示例。图14示出了HLA 117C。类似于图9的HLA 117A，HLA 117C具有内部套筒141，内部套筒141设置为两部分，下部内部套筒141A和上部内部套筒141B。在HLA 117C中，内部套筒141A和上部内部套筒141B可由跨过纵向延伸的间隙140的压电发电机137A联结。经HLA 117C传递纵向力之后可导致压电发电机137A上具有剪切应力114。将压电发电机137A构造为由剪切应力致动可具有便于力传递在压电材料的广泛区域之上的传播的优点。
压电材料可具有其能够在每周期每单位体积产生最大的能量总量。因而，在给定能量生成的目标总量以及周期率的情况下，压电发电机137A所需的给定压电材料的体积可被确定。如果给定压电发电机137A的最大横截面积，则厚度可被确定。在本教导的一些方面中，用于压电发电机137A中的压电材料的厚度为0.5cm或更大。
许多压电材料能够维持比摇臂组件110的最大周期率高一个或多个数量级的周期率。在本教导的一些方面中，发电机137可以是构造为以比摇臂组件110高得多的速率做周期运动的压电发电机。在这些方面中的一些方面中，发电机137构造为由摇臂组件110的振动驱动。依靠振动运行的发电机137可比由凸轮123致动的发电机更快地做周期运动。通过振动可获得的能量要少得多，这可能限制适于与由振动驱动的压电发电机137一起使用的电气装置151的范围。但是由振动驱动的压电发电机137可比由凸轮123驱动的压电发电机使用更少的压电材料来实现给定的发电速率。
图15提供了振动驱动的压电发电机137C的示例。振动驱动的压电发电机137C可包括位于壳体183内的质量块177和弹簧179。质量块177可构造为压缩压电材料181，如图15所示。如在图15所示那样，振动驱动的压电发电机137C可安装至象脚155上，象脚155可定位成作用在气门103(图中未示出)上。可能适合于振动驱动的压电发电机137C的其它位置包括摇臂113上、HLA 117上以及升降器115上。
振动驱动的压电发电机137C可以是悬臂梁型振动驱动的压电发电机137D，图16A和图16B提供了悬臂梁型振动驱动的压电发电机137D的示例。对于悬臂梁型振动驱动的压电发电机137D而言，梁185本身可操作为质量块177或者单独的质量块177可接近梁185的自由端部186安装。梁185的弹性可允许其类似弹簧地作用。梁185可通过安装托架167固定至摇臂组件110的一部分。在图16A和图16B的示例中，安装托架167可被安装至外部臂113C。但安装托架167可固定至摇臂组件110上任何适合的位置。
在本教导的一些方面中，梁185的长度可以为两个或更多个厘米。梁185的更长的长度可增加悬臂梁型振动驱动的压电发电机137D的动力输出。但梁185的更长的长度可能产生包装问题。包装问题可通过将梁185构造成使得其大部分长度平行于摇臂133的长度延伸而解决。图16A提供了示例，其中，振动驱动的压电发电机137D接近摇臂113C的第二端部112B安装并延伸接近摇臂113C的第一端部112A。
在本教导的一些其它方面中，梁185安装成在摇臂组件110作周期运动时进行大范围的运动。图16B提供了示例，其中，梁185接近摇臂113的第一端部112A安装，第一端部112A远离摇臂113的第二端部112B，摇臂113在第二端部112B处枢转地安装。大范围的运动可增加梁185中可获得的能量总数。
在本教导的一些其它方面中，梁185接近摇臂113的第一端部112A安装，第一端部112A与气门103在摇臂组件110的同一侧上。图16B也提供了具有这种安装位置的示例。与气门103安装在同一侧上可便于利用在气门103落在其座部109上时产生的振动致动振动驱动的压电发电机137C。在任何情况下，振动驱动的压电发电机137C可关于摇臂组件110上可用的振动进行调节。
在本教导的一些方面中，发电机137可以是电磁发电机137B。在这些方面的一些方面中，电磁发电机137B可构造为用于凸轮轴125在电磁发电机137B上做功。在这些方面的一些方面中，电磁发电机137B可构造为通过摇臂组件110的往复运动致动。图17提供了示例。
在图17的示例中，电磁发电机137B的线圈187可安装于升降器115上。用于电磁发电机137B的磁体189可脱离摇臂组件110安装。在这个示例中，磁体189可通过安装托架191安装至发动机缸体(未示出)的表面104，磁体189可以是电磁体或永磁体。
在本教导的一些其它方面中，电磁发电机137B可包括联接成与摇臂组件110的部件的旋转或枢转同步旋转或枢转的部件。摇臂组件110的旋转部分可以是凸轮辊子121A或固定成与凸轮辊子121A同步旋转的枢轴119B。摇臂组件110的枢转部分可以是象脚155、摇臂113或摇臂组件110的安装至枢轴119或摇杆轴111上的任意其它部分。枢转部分可替代地可以是在升降器115上、HLA 117上或其它支点上枢转的部分。
图18和图19提供了电磁发电机137B安装至摇臂113的一侧的示例。在图18的示例中，磁体189可固定至枢轴119，枢轴119可延伸至摇臂113的外侧。发电机线圈187可固定至摇臂113。在图19的示例中，这种布置可以倒置。发电机线圈187可固定至枢轴119而磁体189可固定至摇臂113。应当理解，这些示例可扩展至摇臂组件110上使第一部分在枢轴119上、摇杆轴111上或其它轴上旋转或枢转的任意位置。
可提供轴承(未示出)以有利于摇臂113在枢轴119上的枢转。枢轴119可以是轮轴。在本教导的一些方面中，枢轴119可联接至凸轮辊子121A。这可允许电磁发电机137B比凸轮123的旋转更快地作周期运动，虽然在这个示例中电磁发电机137B的驱动力将不会是凸轮123所施加的提升力。通过对比，在本教导的一些其它方面中，电磁发电机137B由凸轮123所施加的提升力驱动。在后者的这些教导中，电磁发电机137B可以构造为以与凸轮123相同的频率作周期运动。
在这些方面的一些方面中，发电机137可以是弹簧-质量型电磁发电机137E。图20提供了示例。如在图20中所示的那样，弹簧-质量型电磁发电机137E可包括位于壳体183内的质量块177和弹簧179。质量块177可以是磁体189。
如图20中所示的那样，弹簧-质量型电磁发电机137E可被安装在象脚155上。象脚155可定位成作用在气门103(在这些图中未示出)上。可能适合于弹簧-质量型电磁发电机137E的其它位置包括在摇臂113上、HLA 117上以及升降器115上。
在本教导的一些方面中，弹簧-质量型电磁发电机137E的弹簧179的弹簧常数可关于质量块177的质量和线圈187提供的阻尼进行选择使得发电机137E主要由凸轮123的旋转所引发的摇臂组件110的往复运动驱动。替代方案可以为选择弹簧179的弹簧常数使得发电机137E主要由振动驱动。后者的这种替代方案可能更加适合图15的压电发电机137C。如果弹簧常数、质量块重量和在摇臂组件110上的位置相等，图15的压电发电机137C和图20的电磁发电机137E中产生的力可能相似。但这些力所做的有用功由它们在发电机137中产生的位移限制。对于图15的压电发电机137C而言，上述距离是压电材料181可被压缩通过的距离。压电材料181的压缩可被限制为其厚度的0.5％或更小。对于图20的电磁发电机137E而言，能够做功而通过的距离与质量块177的运动范围有关并且该距离可以是大得多的距离。因此，图20的电磁发电机137E可更好地适于主要由摇臂组件110的往复运动驱动。调谐用于对振动的响应能力的弹簧179和质量块177可产生高得多的发电机137的周期运动，但每个周期产生的能量更少。
在本教导的一些方面中，电气装置151可包括传感器。在这些方面的一些方面中，传感器可以是位置传感器。位置传感器可以感应摇臂组件110的两个部分的相对位置。位置传感器可以是闩锁位置传感器。可替代地，位置传感器可以感应摇臂组件110的一部分相对于位于摇臂组件110外部的部分的位置。在本教导的一些方面中，电气装置151可包括发射器。发射器可以传输来自传感器的信号。在本教导的一些方面中，电气装置151可包括放大器。放大器可构造为放大传感器的输出。
在本教导的一些方面中，电气装置151可包括接收器。接收器可接收信号以切换闩锁位置。电气装置151可构造为响应于信号操作螺线管。接收器连同摇臂组件110上的发电机137一起可被用于实现摇臂组件110的无线电子控制。无线信号可从诸如发动机控制单元(ECU)的外部源发起。
根据本教导的一些方面，摇臂组件110可使用摇臂113制成，摇臂113被生产为用于独立于摇臂组件110或包括发电机137的任何其它摇臂组件而使用。用于商业应用的摇臂通常使用需要大量资本投入的定制的铸造和冲压设备来制造。本教导提供了具有一个或多个摇臂113的摇臂组件110，其中，摇臂113可能经历了根据不包括对接收发电机137的部件的改造的设计的铸造和冲压操作。在本教导的一些方面中，摇臂组件也包括同样可能经历了根据不包括对接收发电机137的部件的改造的设计的铸造和冲压操作的HLAs 117。
图21提供了应用这种概念的方法200的流程图。方法200开始于动作201，其为设计操作，其中，对摇臂组件进行详细的设计而不特别针对发电机。该方法以动作203继续，即，构建足以用于实施动作201的设计的铸造和冲压设备。动作205使用该设备来制造摇臂113。动作207构建具有摇臂组件110的气门机构101，摇臂组件110包含通过动作205产生的摇臂113。动作207可包括修改摇臂113以接收发电机137的机加工操作。
动作207可包括将压电发电机137A安装在液压室148内以提供如图5A、图5B和图8中一者所示的HLA 117。HLA 117可被设计成不针对压电发电机137A改造。机加工操作可被用于形成用于电线145以及用于附接压电发电机137A的钻孔和螺纹孔。图9和图14的HLAs117也可通过修改根据现有设计制成的HLA部分而制成。
动作207可包括在摇臂113中形成钻孔。圆形钻孔可形成于目前生产中的摇臂113的侧部中以接收如图11所示的压电发电机137A。安装适配器169可压配合至圆形钻孔中。
动作207可包括将发电机137附接至没有发电机137的功能的摇臂组件。振动驱动的压电发电机137C、悬臂梁型振动驱动的压电发电机137C以及弹簧-质量型电磁发电机137E是可适用于仅通过简单的机加工操作被附接至预先存在的部分的全部示例。
本文说明的其它发电机137可在不显著地修改摇臂113或HLA 117的情况下进行安装。例如，图10的压电发电机137A可通过将象脚155替代为不同的象脚155而安装。
已经根据某些实施例和示例示出并且说明了本公开内容的部件和特征。尽管可能关于仅一个实施例或一个示例对特定部件或特征、或该部件或特征的广义或狭义的公式表达进行了说明，以它们的广义或狭义的公式表达形式的所有部件或特征均可与其它部件或特征进行组合，这种组合在一定程度上将会被本领域普通技术人员认为是符合逻辑的。

Claims (20)

1.一种气门机构，包括：
凸轮轴，偏心成形的凸轮安装在所述凸轮轴上；
提升气门；
摇臂组件，所述摇臂组件构造为在所述凸轮轴旋转时接合所述凸轮并可操作为致动所述气门；
发电机，所述发电机可操作为将机械能转化为电能；以及
电气装置，所述电气装置安装在所述摇臂组件上；
其中，所述发电机的包括电极的部分安装在所述摇臂组件上；并且
所述发电机构造为对所述电气装置供电，所述构型包括所述电气装置与所述电极之间的电气连接。
2.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述发电机由所述凸轮驱动。
3.根据权利要求2所述的气门机构，其中，
所述发电机是电磁发电机，所述电磁发电机包括线圈和磁体，所述线圈和所述磁体构造为在所述凸轮远离基圆升高时在第一方向上相对彼此移动并在所述凸轮朝向基圆降低时在相反方向上相对彼此移动；并且
所述线圈安装至所述摇臂组件。
4.根据权利要求2所述的气门机构，其中，
所述摇臂组件包括凸轮辊子，所述凸轮辊子构造为随所述凸轮运动；
所述发电机是电磁发电机，所述电磁发电机包括线圈和磁体，所述线圈和所述磁体构造为经历与所述凸轮辊子同步的相对旋转。
5.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述电极和所述电气装置通过所述摇臂组件保持彼此呈刚性关系。
6.根据权利要求1所述的气门机构，进一步包括能量储存装置，所述能量储存装置选自于由安装在所述组件上并电气联接至所述发电机和所述电气装置二者的电池和电容器组成的组。
7.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述电气装置包括螺线管。
8.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述电气装置包括发射器。
9.根据权利要求1所述的气门机构，其中，
所述摇臂组件包括象脚；并且
所述发电机包括安装在所述象脚上的部件。
10.根据权利要求1所述的气门机构，其中，
所述摇臂组件包括第一部分，所述第一部分安装在第二部分上，所述第二部分是轮轴、枢轴或摇杆轴；
将所述第一部分安装在所述第二部分上允许所述第一部分和所述第二部分的相对旋转；并且
所述发电机包括第一部件和第二部件，所述第一部件联接至所述第一部分，所述第二部件联接至所述第二部分。
11.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述发电机包括压电材料，所述压电材料构造为响应于所述凸轮远离基圆升高而压缩并响应于所述凸轮朝向基圆降低而扩张。
12.根据权利要求2所述的气门机构，其中，所述摇臂组件可操作成通过一个或多个路径传递来自所述凸轮的力并且所述发电机是构造在所述那些路径中的一者中的压电发电机。
13.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述发电机是压电发电机，所述压电发电机定位在所述摇臂组件将来自所述凸轮轴的机械能传递至气门弹簧所沿的路径内。
14.根据权利要求1所述的气门机构，其中，
所述组件包括摇臂和支点，所述摇臂在所述支点上枢转；并且
所述发电机是压电发电机，所述压电发电机构造为经受与所述摇臂在所述支点上的力成比例的压缩力。
15.根据权利要求1所述的气门机构，其中，
所述摇臂组件包括扭转弹簧，并且
所述发电机是压电发电机，所述压电发电机定位成经受与所述扭转弹簧上的力呈线性关系的压缩力。
16.根据权利要求1所述的气门机构，其中，
所述摇臂组件包括第一部分，所述第一部分安装在第二部分上，所述第二部分是轮轴、枢轴或摇杆轴；并且
所述发电机是压电发电机，所述压电发电机定位成在所述第一部分与所述第二部分之间传递力。
17.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述发电机是压电发电机，所述压电发电机定位在摇臂与升降器之间成能够通过所述压电发电机实现所述摇臂与所述升降器之间的机械力的传递的构型。
18.根据权利要求1所述的气门机构，其中，
所述发电机是弯曲力驱动的压电发电机，所述弯曲力驱动的压电发电机可操作为在弯曲时产生电能；并且
所述压电发电机被联接成与所述摇臂组件的运动相结合地进行弯曲。
19.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述发电机是振动驱动的压电发电机，所述振动驱动的压电发电机可操作为从所述摇臂组件的振动中产生电力。
20.根据权利要求1所述的气门机构，其中，所述发电机包括质量块，所述质量块附接至弹簧。
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