CN107075985B - 内燃发动机的阀门的致动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃发动机(2)的阀门(9,10)的致动系统(18)，该致动系统(18)包括电磁致动器(19)以及控制致动器(19)的控制装置(20)，该致动器(19)包括：‑磁体，其产生磁场；‑线圈，其伸入到与控制装置(20)电连接的磁场中；控制装置(20)可以根据以下两种配置来运行：‑主动配置，其中装置(20)向线圈供电以向阀门(9,10)提供加速；‑被动配置，其中装置(20)不向线圈供电以向阀门(9,10)提供减速，并且收集由线圈感应的电能；线圈与阀门(9,10)相联结，并且磁体相对于汽缸盖(13)固定。

Description

内燃发动机的阀门的致动系统

技术领域

本发明涉及内燃发动机中阀门的控制。本发明更确切地涉及一种这种发动机中的阀门的致动系统。

背景技术

在每个循环中，包括空气和燃料(或燃料混合物)的混合物被供应到内燃发动机。这种发动机包括定义燃烧室的至少一个汽缸，该燃烧室的上部分中由汽缸盖界定且下部分由可在汽缸内移动的活塞界定。

对于每个汽缸，发动机包括至少一个进气阀门和至少一个排气阀门。阀门包括在末端形成头部的杆。每个阀门可相对于发动机的汽缸盖在关闭位置和打开位置之间平移移动，在关闭位置中阀门的头部抵靠阀座以关闭进气管道(或者关闭排气管道)，并且在打开位置中该头部从阀座移开以使燃烧室与进气管道(或者与排气管道)连通。

阀门的控制应该满足以下要求。首先，阀门的运动应该是快速且精确的，以分别有助于气体的进入和排出。然后，无论是进气还是排气，阀门的行程应该足以确保较大的气体流量。此外，传递到阀门的力应该很大(尤其是在排气时)，以克服在燃烧室中占优的压力。最后，控制系统应该是可靠的，以避免尤其由于控制系统的故障而导致的所有功率损失。

传统上，内燃发动机中的阀门的控制通过包括一个或多个凸轮轴的致动系统机械地实现，该一个或多个凸轮轴要么直接要么间接地通过摇臂驱动阀门。凸轮轴通过皮带或分配链旋转联接到曲轴。

这种技术已经证明是有益的，但是其具有以下主要缺点：其不允许对阀门控制的任何调整。

阀门控制的可替代的技术是电磁致动。在这种技术中，每个阀门都通过电磁致动器驱动。因此，每个致动器包括产生磁场的一个或多个磁体，在该磁场中存在由电流所通过的线圈，因此当向线圈供应正电流时，阀门能够借由拉普拉斯力在一个方向上线性移动；并且，当向线圈供应负电流时，阀门能够借由拉普拉斯力在相反的方向上线性移动。

致动系统控制发动机的所有阀门，对于每个阀门，该致动系统包括致动阀门的电磁致动器以及控制该致动器的控制装置。与发动机的阀门相关联的不同控制装置本身受计算机控制(也称为发动机控制)。计算机连接到不同的传感器，这些传感器实时地向计算机提供关于发动机的数据，尤其是曲轴的位置和每个阀门相对于汽缸盖的位置。致动装置允许阀门与诸如活塞的发动机的其它元件同步。

当通过电磁来致动时，发动机制造商在升程循环期间将对阀门的控制分为四个阶段，该循环对应于阀门的打开，即阀门从关闭位置变为打开位置，以及阀门的关闭，即阀门从打开位置变为关闭位置。

为了解释这四个阶段，假定例如，向线圈供应正电流允许阀从关闭位置移动到打开位置，相反地，向线圈供应负电流允许阀从打开位置移动到关闭位置，因此这四个阶段定义如下：

-第一阶段，其中向致动器线圈供应正电流，以提供阀门在打开位置的方向上的加速；

-第二阶段，其中不向在打开位置的上游的线圈供电以收集由阀门所储存的因惯性产生的感应负电流，该负电流相反地允许减速阀门；

-第三阶段，其中向致动器线圈供应负电流，以提供阀门在关闭位置的方向上的加速；

-第四阶段，其中不向在关闭位置的上游的线圈供电以收集由阀门所储存的因惯性产生的感应正电流，该正电流相反地允许减速阀门。

例如，可以在日本专利JPH10131726中找到该致动系统。

上述日本文献中描述的电磁致动器包括相对于汽缸盖固定的线圈，该线圈围绕其上固定有阀门的可移动磁体。

这种架构并非没有缺陷。

一方面，考虑到由磁体和阀门组成的活动系统的质量，让每个阀门移动需要大量的能量。控制阀门系统所需的能量需求要求安装比常规电池更昂贵且体积更大的高容量电池。

另一方面，活动系统的较大质量使得活动系统的减速成问题，特别是在较高的发动机转速的情况下，系统的惯性如此之大使得由感应电流所产生为减速阀门的力不足，主要的结果是当阀门到达行程末端时出现碰撞。反复的碰撞导致活动系统过早退化，从而需要更换有缺陷的活动系统，或者在发动机运行时活动系统损坏的情况下需要更换整个发动机。

为了克服该问题，可以提出，还可以在减速阶段(在上述升程循环中定义的第二阶段和第四阶段)向致动器供电以便加强减速，但这种解决方案仍然与减少控制阀门的所需要的能量需求的意愿相矛盾。

发明内容

第一个目的是，提出一种可靠且具有较低电力消耗的阀门致动系统。

第二个目的是，提出一种包括满足上述目的的致动系统的机动车辆。

第一，提出一种内燃发动机的阀门的致动系统，该系统包括电磁致动器以及控制致动器的控制装置，该阀门包括头部，并且相对于发动机的汽缸盖在关闭位置和打开位置之间可移动，其中在关闭位置中头部抵靠汽缸盖的阀座，并且在打开位置中头部从阀座移开，该致动器包括：

-磁体，其产生磁场；

-线圈，其伸入到与控制装置电连接的磁场中；

控制装置可以根据以下两种配置来运行：

-主动配置，其中装置向线圈供电以向阀门提供加速；

-被动配置，其中装置不向线圈供电以向阀门提供减速，并且收集由线圈感应的电能；线圈与阀门相联结，并且磁体相对于汽缸盖固定。

可以提出以下不同的单个附加特征或它们的组合:

-线圈缠绕在其上固定有阀门的线圈架上；

-线圈架包括基部和从基部轴向凸出延伸的主体，阀门固定在基部上，并且线圈缠绕在主体上；

-磁体夹在上极片和下极片之间；

-致动器包括同心设置在磁体的孔中的芯；

-线圈架的主体位于芯和磁体之间；

-致动系统包括多个电磁致动器，这些电磁致动器各自致动阀门并且各自由控制装置控制；控制装置使用在阀门减速时所收集的电能以向与另一个阀门相关联的另一个致动器供电；

-由控制装置所收集的电能储存在控制装置内。

第二，提出一种车辆，其包括如上所述的致动系统。

附图说明

借助以下参考附图所做出的对实施例的描述，将使本发明的其它目的和优点得以显现，在附图中：

图1是示出了配备有内燃发动机(实线)的车辆(虚线)的示意图；

图2是示出了在升程循环中的内燃发动机的阀门的位置的变化的曲线图；

图3是示出了配备有由致动系统控制的阀门的发动机的局部截面示意图；

图4是示出了电磁致动器的按比例放大的截面图。

具体实施方式

图1示出了机动车辆1——在此是具体的车辆1，但是其可以是其它任何类型的车辆1：实用车辆、卡车、建筑机械或直升机。

车辆1配备有内燃发动机2，内燃发动机配备有定义了燃烧室4的汽缸3，并且在燃烧室中可滑动地安装有通过连杆6连接到曲轴7的活塞5，该曲轴的旋转通过传动装置(未示出)驱动车辆1的车轮8。

如图3所示，对于每个汽缸3，发动机2包括至少一个进气阀门9和至少一个排气阀门10。每个阀门9,10包括沿着定义轴向方向的中心轴线X延伸的杆11。在杆11的一个端部处形成有头部12。每个阀门9,10可相对于发动机2的汽缸盖13在关闭位置PF和打开位置PO之间平移移动；在关闭位置PF中，阀门9,10的头部12抵靠阀座14以关闭进气管道15(或者关闭排气管道16)；在打开位置PO中，头部12从阀座14移开以使燃烧室4与进气管道15(或者与排气管道16)连通。

在所示的示例中，发动机2是直接喷射柴油类型的，并因此包括直接通向燃烧室4的喷射器17，但是发动机2可以是其它任何类型的内燃发动机2：汽油类型、间接喷射类型、混合类型。

如图3所示，致动系统18控制内燃发动机2的所有阀门9,10。对于每个阀门9,10，该致动系统18包括致动阀门9,10的电磁致动器19和控制该致动器19的控制装置20。与发动机2的阀门9,10相关联的不同控制装置20本身受计算机21控制(又称为发动机控制)。

在汽缸3与多个，特别是两个进气阀门9(或者与多个，特别是两个排气阀门10)相关联的情况下，单个控制装置20可以控制各自与阀门9,10相关联的电磁致动器19。

计算机21连接到不同的传感器，这些传感器实时向计算机21提供关于发动机2的数据，特别是(例如通过位置传感器提供)曲轴7的位置以及(例如通过阀门动态升程传感器提供)每个阀门9,10相对于汽缸盖13的位置。

由于这些信息反馈，计算机21通过与该计算机相关联的控制装置20独立地控制每个电磁致动器19，以使阀门9,10与例如活塞5的发动机2的其它元件同步。

内燃发动机的活塞通常彼此间具有相位差。例如，包括四个汽缸的内燃发动机可能具有与两个内部活塞设置相差180°的两个外部活塞，这种设置允许优化发动机的运行。上述活塞的配对设置指出以下事实：在冲程中错开致动进气阀门(或者排气阀门)。在这种情况下，借助不同传感器的信息反馈，根据所选的发动机2的结构，计算机21允许通过控制装置20在冲程中错开控制电磁致动器19。

每个电磁致动器19包括相对于汽缸盖13固定的产生磁场的至少一个磁体22以及伸入该磁场中并电连接到控制装置20的至少一个线圈23，该线圈23与阀门9,10相联结。

更确切地，并根据图4所示的实施例，每个致动器19第一包括定义磁路25的电枢(armature)24，并且第二包括活动系统26。

磁路包括磁体22，该磁体22是环形的并围绕中心轴线X以旋转对称的方式延伸。优选地，磁体22是稀土类型的，例如钕-铁-硼，其具有提供高能量密度的优点。

磁路25还包括上环形极片27和下环形极片28，围绕中心轴线X旋转对称的这些极片27,28夹在磁体22的两边。极片27,28由例如低碳钢的铁磁体材料制成。

磁路25还包括围绕中心轴线X呈旋转圆筒形状的中心芯29。芯29自位于上极片27右侧的上端部延伸直到位于下极片28右侧的下端部。中心芯29由例如低碳钢的铁磁体材料制成。

磁路的组装优选通过胶合实现，这种组装方式具有不改变磁场的优点。

芯29同心地设置在由磁体22和极片27,28内部且联合限定的孔30中。换言之，磁体22和极片27,28围绕芯29环形延伸。芯29的外直径小于孔30的内直径，从而在芯29和极片27,28之间限定空隙，即磁场大致径向指向的空间。且更确切地，上空隙31在芯29和上极片27之间，并且下空隙32在芯29和下极片28之间。

如图4所示，极片27,28和芯29有利地具有倒角，以便使磁场集中。

磁体22更确切地说是磁路，产生磁场，磁感线围绕中心轴线X是环形的。因此，在图3中用复合线勾勒出了磁感线，以及叠放在复合线上的黑色箭头标示出了磁感线的方向。符号“+”和“-”也示出在图4中，根据惯例，其分别标示北极和南极。

电枢24还包括设置在其所固定的磁路上方的顶盖33。该顶盖33由非磁性材料制成，例如复合材料或者不锈钢。

活动系统26包括线圈架34，线圈架包括在电枢24外面延伸的基部35以及从基部35轴向凸出延伸的管状主体36。该线圈架34由非磁性材料制成，例如复合材料或不锈钢。

主体36在芯29和磁体22之间在电枢24的基本上整个高度上延伸。主体36具有伸入上空隙31中的上段37以及伸入下空隙32中的下段38。

活动系统26还包括通过由导电材料制成的(具有圆形或矩形截面的)导线螺旋缠绕而制成的线圈23，该线圈23包括：

-上部39，其在初级线圈方向(sens primaire)上围绕主体36的上段37缠绕并伸入上空隙31中；

-下部40，其在与初级线圈方向相反的次级线圈方向(sens secondaire)上围绕主体36的下段36缠绕并伸入下空隙32中。

如图4所示，阀门9,10集成到活动系统26上并且例如通过螺钉41与线圈架34相联结。

根据未示出的实施例，第二磁路叠放在第一磁路上并且/或者磁路25包括叠放的两个磁体22，该实施例允许增加传递到阀门9,10的力。

线圈23中的电流的流动通过与磁场相互作用而产生驱动阀门9,10的称为“拉普拉斯力”的已知的力，该力产生线圈23的位移。

“拉普拉斯力”与磁场、电流强度以及构成线圈23的螺线管的长度成正比。

向线圈23供应正电流允许阀门9,10在一个方向的位移，并且在向线圈23供应负电流时，允许阀门9,10在相反的一个方向上的位移。

根据惯例，向线圈23供应正电流允许阀门9,10从关闭位置PF朝打开位置PO位移，反之，向线圈23供应负电流允许阀门9,10从打开位置PO朝关闭位置PF位移。

如图2所示，在升程循环期间对阀门9,10的控制被分为四个阶段，该循环对应于阀门9,10的打开，即阀门9,10从关闭位置PF变为打开位置PO，并且对应于阀门9,10的关闭，即阀门9,10从打开位置PO变为关闭位置PF。位置PI1和PI2对应于打开位置PO和关闭位置PF之间的中间位置，这些中间位置PI1和PI2将用于解释下文的通过电磁致动器19来对阀门9,10的控制。

控制装置20根据以下两种配置来运行：

-主动配置，其中装置20向线圈23供电以向阀门9,10提供加速；

-被动配置，其中装置20不向线圈23供电以向阀门9,10提供减速，并且收集由线圈23感应的电能。

图2在上部分中示出了表示阀门9,10的位置P在冲程T期间且更确切地在升程循环的不同阶段期间变化的图表，并且为了说明该图表而在图2的下部分中平行地示出了头部12相对于阀座14的位置。

在升程循环中，根据上述惯例所解释的允许对阀门9,10的控制的四个阶段定义如下：

-第一阶段PH1(从PF直到PI1)，其中，向致动器19的线圈23供应正电流，以提供阀门9,10在打开位置PO的方向上的加速；

-第二阶段PH2(从PI1直到PO)，其中，不向在打开位置PO的上游的线圈23供电，以收集由阀门9,10所储存的因惯性产生的感应负电流，该负电流相反地允许减速阀门9,10；

-第三阶段PH3(从PO直到PI2)，其中，向致动器19的线圈23供应负电流，以提供阀门9,10在关闭位置PF的方向上的加速；

-第四阶段PH4(从PI2直到PF)，其中，不向在关闭位置PF的上游的线圈23供电，以收集由阀门9,10所储存的因惯性产生的感应正电流，该正电流相反地允许减速阀门9,10。

在第二阶段PH2和第四阶段PH4期间，即当控制装置20处于被动配置时，由于磁场内部的惯性的线圈23的位移根据“楞次-法拉第定律”产生电势差，基于该电势差产生感应电流。在线圈23中流动的该感应电流通过与磁场相互作用而相反地产生与阀门9,10的运动反向的“拉普拉斯力”，该力允许减速阀门9,10。

在第二阶段PH2和/或第四阶段PH4时，由电磁致动器19所产生的感应电流通常可以储存在控制装置20内部的电容器在中，以在下一次升程循环期间供应该电磁致动器19。

有利地，在第二阶段PH2和/或第四阶段PH4时，即在减速阶段时，由电磁致动器19产生的感应电流用于向处于第一阶段PH1或第三阶段PH3(即加速阶段)中的另一个电磁致动器19供电。为此，如图3中通过虚线所示，不同的控制装置20其间彼此电连接。

存在于电磁致动器19的线圈中的感应能量也可以被控制装置20回收利用，以向处于加速阶段的另一个电磁致动器19供应。

上述致动系统18具有以下优点。

第一，具有与阀门9,10相联结的可移动线圈23允许大大降低活动系统26的质量，从而有利于控制阀门9,10(更一般地，所有阀门9,10)所需要的能量需求。通过为线圈架选择轻质材料(例如，通常基于玻璃或碳纤维的复合材料)来进一步减少控制阀门9,10所需要的能量需求。

第二，活动系统26的质量的减少允许增加阀门9,10的迅速性，换言之，可以缩短阀门9,10的打开和关闭时间。

第三，活动系统26的质量的减少允许在每个转速下对阀门9,10的最佳控制，同时当阀门9,10到达其行程末端时允许避免撞击，以有益于致动系统18(更一般地，内燃发动机2)的可靠性。

第四，通过使不同的控制装置20相连通，即通过在第二阶段PH2和/或在第四阶段PH4时将由控制装置20所回收利用的能量重新投入到控制处于第一阶段PH1或第三阶段PH3的致动器19的控制装置20中，减少控制阀门9,10所需要的能量需求。

Claims (8)

1.一种内燃发动机(2)的阀门(9,10)的致动系统(18)，所述系统(18)包括电磁致动器(19)以及控制所述致动器(19)的控制装置(20)，所述阀门(9,10)包括头部(12)，并且相对于所述发动机(2)的汽缸盖(13)在关闭位置和打开位置之间可移动，其中在所述关闭位置中所述头部(12)抵靠汽缸盖(13)的阀座(14)，并且在所述打开位置中所述头部(12)从所述阀座(14)移开，所述致动器(19)包括：

-磁体(22)，其产生磁场；

-线圈(23)，其伸入与所述控制装置(20)电连接的磁场中；

所述控制装置(20)能够根据以下两种配置来运行：

-主动配置，其中所述装置(20)向所述线圈(23)供电以向所述阀门(9,10)提供加速；

-被动配置，其中所述装置(20)不向所述线圈(23)供电以向所述阀门(9,10)提供减速，并且收集由所述线圈(23)感应的电能；

所述致动系统(18)的特征在于，所述线圈(23)与阀门(9,10)相联结，并且所述磁体(22)相对于所述汽缸盖(13)固定，所述致动系统(18)包括多个电磁致动器(19)，所述电磁致动器各自致动阀门(9,10)并且各自由控制装置(20)控制，控制装置(20)使用在阀门(9,10)减速时所收集的电能来向与另一个阀门(9,10)相关联的另一个致动器(19)供电。

2.根据权利要求1所述的致动系统(18)，其特征在于，所述线圈(23)缠绕在其上固定有所述阀门(9,10)的线圈架(34)上。

3.根据权利要求2所述的致动系统(18)，其特征在于，所述线圈架(34)包括基部(35)和从所述基部(35)轴向凸出延伸的主体(36)，所述阀门(9,10)固定在所述基部(35)上，并且所述线圈(23)缠绕在所述主体(36)上。

4.根据权利要求1所述的致动系统(18)，其特征在于，所述磁体(22)夹在上极片(27)和下极片(28)之间。

5.根据权利要求3所述的致动系统(18)，其特征在于，所述致动器(19)包括同心设置在所述磁体(22)的孔(30)中的芯(29)。

6.根据权利要求5所述的致动系统(18)，其特征在于，所述线圈架(34)的所述主体(36)位于所述芯(29)和所述磁体(22)之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的致动系统(18)，其特征在于，由所述控制装置(20)收集的电能储存在所述控制装置(20)内。

8.一种机动车辆(1)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的致动系统(18)。