CN109312638B - 旋转液压逻辑装置和利用这种装置的可变凸轮正时移相器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用在凸轮正时移相器装置(201)中的控制阀(1)。控制阀包括圆柱形阀体(3)、共轴地位于阀体的凹槽内的旋转梭元件(5)、和阻挡销(20)。当在具有第一移相室(43)和第二移相室(45)的凸轮正时移相器装置中使用时，控制阀(1)在非致动时用作双止回阀，阻止各室之间的流动。阻挡销(20)的致动限制旋转梭元件(5)的旋转，并且导致控制阀(1)允许在各移相室(43、45)之间在单个流动方向中流动。可以通过控制阻挡销(20)的布署时间来控制允许的流动方向。还公开了一种包括这种控制阀的凸轮正时移相器装置(201)。还公开了包括这种凸轮正时移相器装置(201)的内燃机(203)和车辆(200)。

Description

旋转液压逻辑装置和利用这种装置的可变凸轮正时移相器
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的可变凸轮正时移相器装置，以及一种使用这种可变凸轮正时移相器控制内燃机中凸轮轴的正时的方法。本发明还涉及包括这种可变凸轮正时移相器装置的内燃机和车辆。
背景技术
内燃机中的阀用于调节向发动机缸的吸进和排放气体的流动。内燃机中的吸进和排放阀的打开和关闭经常由一个或多个凸轮轴驱动。由于所述阀控制空气进入到发动机缸中以及从废气发动机缸排放的流动，因此在缸活塞的每个冲程期间它们在适当的时间处打开和关闭是至关重要的。出于这个原因，每个凸轮轴经常经由同步带或正时链由曲轴驱动。然而，最佳阀正时的变化取决于许多因素，诸如发动机负荷。在传统的凸轮轴装置中，阀正时由凸轮轴和曲轴的关系固定地确定，也因此正时在整个发动机操作范围内不是优化的，导致性能受损、燃料经济性降低和/或更多排放。因此，已经开发了根据发动机条件改变阀正时的方法。
一种这样的方法是液压可变凸轮移相(hVCP)。hVCP是通过允许对发动机阀重叠和正时进行连续和广泛设定来提高整体发动机性能的最有效策略之一。因此，它已成为现代压缩点火和火花点火发动机中常用的技术。
油压致动和凸轮扭矩致动的液压可变凸轮移相器在本领域中是已知的。
油压致动的hVCP设计包括转子和定子，分别安装到凸轮轴和凸轮链轮。液压油经由油控制阀供给到转子。当开始移相时，油控制阀定位成将油流引导到形成在转子和定子之间的提前室，或者形成在转子和定子之间的延迟室。提前室和延迟室之间的产生的油压差使转子相对于定子旋转。取决于所选择的油控制阀的位置，这可以提前或延迟凸轮轴的正时。
油控制阀是三位置滑阀，其可以居中定位，即与凸轮轴共轴，或远程地定位，即作为hVCP装置的非旋转部件。所述油控制阀由可变力螺线管(VFS)调节，所述可变力螺线管相对于旋转凸轮移相器静止(当油控制阀居中安装时)。可变力螺线管和滑阀具有三个操作位置：一个用于向提前室提供油、一个用于向延迟室提供油、一个用于向两个室再填充油(即保持位置)。
已建立的油压驱动的hVCP技术在改变阀正时中是有效的，但具有相对慢的移相速度和高油耗。因此，hVCP技术的最新迭代利用称为凸轮扭矩致动(CTA)的技术。随着凸轮轴旋转，凸轮轴上的扭矩以正弦方式在正扭矩和负扭矩之间定期性地变化。凸轮扭矩变化的确切周期、幅度和形状取决于许多因素，包括由凸轮轴调节的阀的数量和发动机旋转频率。正扭矩抵抗凸轮旋转，而负凸轮扭矩有助于凸轮旋转。凸轮扭矩致动的移相器利用这些定期性扭矩变化使转子沿所选方向旋转，从而提前或延迟凸轮轴正时。原则上它们作为“液压棘轮”操作，允许流体在单个方向中从一个室流动到另一个室，这是由于作用在室中的油上的扭矩以及引起定期性的压力波动。由止回阀阻止流体的反向流动。因此，在扭矩在相关方向中作用的每个周期，转子将相对于定子旋转地移位，但是当扭矩定期性地在相反方向中作用时，转子将保持静止。以这种方式，转子可以相对于定子旋转，并且凸轮轴的正时可以提前或延迟。
因此，凸轮扭矩致动系统需要将止回阀定位在转子内侧，以实现“液压棘轮”效应。经常使用三位置滑阀实现将油流引导至提前室、延迟室或两者都有/两者都不(在保持位置中)。所述滑阀可以居中定位，即与凸轮轴共轴，或者远程地定位，即作为凸轮移相装置的非旋转部件。经常使用可变力螺线管将三位置滑阀移动到三个操作位置中的每一个。
专利申请US2008/0135004描述了一种移相器，其包括壳体、转子、移相器控制阀(阀芯)和调节压力控制系统(RCPS)。移相器可以是凸轮扭矩致动的移相器或油压致动的移相器。RPCS具有控制器，所述控制器基于发动机参数向直接控制压力调节器阀提供设定点、期望角度和信号。直接控制压力调节器阀将供应压力调节到控制压力。所述控制压力将移相器控制阀芯移动到三个位置中的一个，提前、延迟和零，与供应的压力成比例。
仍然需要改进的凸轮正时移相器装置。特别地，仍然需要一种凸轮正时移相器装置以适用于商用车辆，与乘用车相比，其经常承受较重的发动机负荷和较长的服务寿命。
发明内容
本发明的发明人已经识别了现有技术中的一系列缺点，特别是涉及在商用车辆中使用现有凸轮移相器装置。已经发现，现有系统中的油控制阀(OCV)的三位置滑阀必须被精确调节，也因此对可能将阀芯堵塞在单个位置的杂质敏感。由于需要三位调节，必须能够精确调节与油控制阀一起使用的螺线管或压力调节器以提供变化的力，以便获得三个位置。这给系统增加了相当大的机械复杂性，使其更加昂贵、对杂质更敏感并且不那么鲁棒(robust)。它还使控制凸轮移相器的路线更加复杂。
已经观察到，当油控制阀是螺线管驱动的并且居中安装时，螺线管销和油控制阀之间的接触是非静止的，因为油控制阀旋转而螺线管销静止。这种滑动接触磨损接触表面，并且长期来看影响油控制阀的位置准确度，这会影响凸轮移相器性能。可变力螺线管本身的准确度也必须保持高，以确保对OCV的精确控制。
此外，现有凸轮移相器装置的漏油也是一个问题。油控制阀内侧的交叉端口泄漏导致油从液压回路中逸出，并且由于系统刚度降低而增加凸轮轴振荡。这种泄漏还影响凸轮移相器装置的油耗。已经观察到，用于调节油流动的三位置滑阀提供了许多不同的泄漏路径，以使油从凸轮移相器室逸出。最值得注意的是最靠近可变力螺线管的滑动接触表面，其中，阀是螺线管驱动的，以及连接到通气口的端口。随着凸轮移相器室内侧的压力增加，这种泄漏增加，这是因为系统中的所有压力尖峰必须被油控制阀吸收。这些压力尖峰又取决于凸轮轴扭矩，且对于商用车辆可能超过50巴。重型车辆中的凸轮轴扭矩更高，导致更高的压力尖峰和甚至更多的泄漏。
已经观察到，利用远程安装的油控制阀的现有凸轮移相系统遭受甚至更大的系统泄漏，因为来自凸轮移相器的压力尖峰在到达油控制阀之前必须传递通过凸轮轴轴颈轴承，因此增加了轴承泄漏。
此外，已经发现现有凸轮扭矩致动的移相系统的转子非常紧凑和复杂。必须将特殊设计的止回阀安装在转子中，以便与油控制阀配合使用。这种止回阀不如传统的止回阀耐用，并增加了额外的费用。而且，转子需要复杂的内部液压管道系统。由于这些要求，凸轮扭矩致动的凸轮移相器的制造需要特殊工具和组装。
因此，本发明的一个目的是提供一种利用凸轮扭矩致动的可变凸轮正时移相器装置，其比已知的凸轮扭矩致动的凸轮移相器机械上更简单、更鲁棒并且更不易于漏油。
本发明的另一个目的是提供一种利用凸轮扭矩致动的凸轮正时移相器装置，其比已知的凸轮扭矩致动凸轮正时移相装置机械地更简单、更鲁棒并且更不易于漏油。
这些目的由根据如下所述的用于可变凸轮正时移相器装置中的控制阀来实现。
所述控制阀包括：
圆柱形阀体，包括外壁、第一端和第二端，其中，第一端具有凹槽，所述凹槽配置成用于接收旋转梭元件并允许旋转梭元件相对于阀体旋转运动；和
旋转梭元件，共轴地位于阀体的凹槽内；
其中，凹槽和旋转梭元件一起限定信号室和流动室；
其中，凹槽包括叶片，所述叶片将信号室分成在叶片第一侧上的第一信号室和在叶片第二侧上的第二信号室；
其中，旋转梭元件布置成响应于第一和第二信号室中的流体压力变化而在至少三个位置之间旋转；在第一旋转方向中完全旋转的第一位置，使得第一信号室相对于第二信号室的大小最大化，在第二旋转方向中完全旋转的第二位置，使得第二信号室相对于第一信号室的大小最大化，以及中间位置，其中，第一和第二信号室的大小基本相等；
其中，可致动的阻挡销配置在控制阀中，并且旋转梭元件配置有用于接收阻挡销的两个相应的孔，第一孔布置成在接收阻挡销时阻止旋转梭元件移动到第一位置，并且第二孔布置成在接收阻挡销时阻止旋转梭元件移动到第二位置；
其中，凹槽包括第一流体凹口，所述第一流体凹口每当旋转梭元件在第二或中间位置中时，布置成在一端处与第一信号室流体连通，并且布置成在另一端处与流动室流体连通，并且每当旋转梭元件在第一位置中时，布置成阻止与流动室流体连通；
其中，凹槽包括第二流体凹口，所述第二流体凹口每当旋转梭元件在第一或中间位置中时，布置成在一端处与第二信号室流体连通，并且布置成在另一端处与流动室流体连通，并且每当旋转梭元件在第二位置中时，布置成阻止与流动室流体连通；
其中，阀体具有第一凹沟和第二凹沟，所述第一凹沟在阀体的第一端和第二端之间的位置处平行于第一端和第二端且围绕外壁的周缘延伸，所述第二凹沟在阀体的第一凹沟和第二端之间的位置处平行于第一凹沟围绕外壁的周缘延伸；
其中，通过阀体的第一通道将第一流体凹口连接到第一凹沟；和
其中，通过阀体的第二通道将第二流体凹口连接到第二凹沟。
当在可变凸轮正时移相器装置中使用时，控制阀可用于通过以下方式来提供移相：布署正时阻挡销，以允许方向性流体在期望方向中从一个移相室流动到另一个移相室，同时阻止在相反的不期望的方向中的流动。
以这种方式构造的用于凸轮扭矩致动的凸轮移相器的控制阀具有许多优点。它结构简单，只需要一个简单的开/关阀或螺线管来控制控制阀，从而控制凸轮移相器。它具有很少的移动部件，而且如果需要，不需要返回机构。因此它具有结构鲁棒性。由于仅使用开/关阻挡销来控制凸轮移相器，因此不需要中间位置准确度或精细的多压调节。这降低了阀构件、螺线管或其他部件堵塞的风险。此外，可以由远程定位的致动器或本地定位的致动器容易地控制控制阀。
阀体的凹槽可包括：布置成与流动室流体连通的第三流体凹口和延伸通过阀体的油再填充通道。第三流体凹口保持这种流体连通，而与旋转梭元件的位置无关。因此，控制阀还可用于在结构紧凑和简单的方式中确保凸轮移相器装置中的适当的油压。这确保凸轮移相器足够刚性并阻止凸轮轴中的振动。
第一流体凹口、第二流体凹口和第三流体凹口可以基本上彼此平行地延伸。这有利于控制阀的加工。
可以在控制阀中配置有故障保护销，并且可以在旋转梭元件中配置有用于接收故障保护销的相应的孔。当布署故障保护销时，阻挡旋转梭元件旋转到第一位置。这提供了一种结构简单的装置，用于在油系统故障的情况下将凸轮移相器的转子返回到基座位置。因此，可以避免使用扭转弹簧将凸轮移相器偏置到基座位置，并且可以在凸轮移相中利用更大比例的凸轮轴扭矩。
每当阻挡销接合在第一孔中时，旋转梭元件可在第一位置和中间位置之间穿梭，并且每当阻挡销接合在第二孔中时，旋转梭元件可在第二位置和第二中间位置之间穿梭。因此，两个中间位置不需要相同，这在设计控制阀时提供更大的自由度，在制造控制阀时提供更大的公差容许。
根据本发明的另一方面，本发明的目的通过如下所述的可变凸轮正时移相器装置来实现。
可变凸轮正时移相器装置包括：
具有至少一个转子叶片的转子，所述转子布置成连接到凸轮轴；
共轴围绕转子的定子，具有至少一个定子凹槽，其用于接收至少一个转子叶片并允许转子相对于定子旋转运动，所述定子具有布置成用于接受驱动力的外周缘；
其中，所述至少一个转子叶片将所述至少一个定子凹槽分成第一移相室和第二移相室，所述第一移相室和所述第二移相室布置成接收承受压力的液压流体，其中，将液压流体引入到第一移相室中引起转子相对于定子在第一旋转方向中移动，并且将液压流体引入到第二移相室中引起转子相对于定子在第二旋转方向中移动，第二旋转方向与第一旋转方向相反；
控制组件，用于调节液压流体从第一室流动到第二室或从第二室流动到第一室；
其特征在于，所述控制组件包括：
根据本申请所公开的控制阀，其居中安装在转子和/或凸轮轴中，其中，控制阀的第一凹沟布置成与第一移相室流体连通，并且控制阀的第二凹沟布置成与第二移相室流体连通；和
用于致动阻挡销的致动装置。
所描述的可变凸轮正时移相器装置可用于通过正时阻挡销的布署以允许方向性流体在期望的方向中从一个移相室流动到另一个移相室，而阻止在相反的不期望方向中的流动来提供凸轮移相。
以这种方式构造的可变凸轮正时移相器装置具有许多优点。它结构简单，只需一个简单的开/关阀或螺线管即可控制凸轮移相器。与其他凸轮扭矩致动的凸轮移相器相比，由于较不复杂和/或灵敏度较低的液压部件，凸轮移相器更鲁棒。仅使用结构上鲁棒的开/关致动和避免通过凸轮轴轴承传递压力尖峰意味着油逃逸路径更少并且油耗更低。阀或螺线管堵塞的风险降低，因为所使用的任何致动阀或螺线管仅需要采取两个位置，即开/关，这意味着可以使用更大的致动力和/或更强的返回机构。由于不需要中间位置准确度，因此可以使用更鲁棒的螺线管。类似地，不需要精细的多压调节来致动阻挡销。止回阀可以安装在凸轮移相器的外部(即不安装在转子叶片中)，因此允许使用更成熟和更鲁棒的止回阀。另一个优点是具有与油驱动的凸轮移相器更大相似性的转子部件比已知的凸轮扭矩致动凸轮移相器制造成本更低。
致动装置可以是3/2路开/关螺线管阀，具有：与增加的流体压力源流体连通的进入端口、与阻挡销流体连通的排出端口、和通气端口，其中，在非激励状态中的螺线管阀阻止从增加的流体压力源到阻挡销的流体连通，并允许从阻挡销到通气端口的流体连通，并且其中，在激励状态中的螺线管阀允许从增加的流体压力源到阻挡销的流体连通，从而布署阻挡销。这种螺线管阀易于获得、成熟且足够鲁棒，以在商用和重型车辆应用中提供可靠的服务。螺线管阀可以是提升阀型，这实际上消除了阀堵塞的风险。
致动装置可包括布置在筒中的螺线管驱动的柱塞，所述筒布置成与阻挡销流体连通，其中，在非激励状态中，螺线管驱动的柱塞缩回并且在激励状态中螺线管驱动的柱塞延伸，激励状态增加阻挡销处的流体压力，从而布署阻挡销。因此，阻挡销的致动压力不需要取决于车辆的系统油压。利用缸致动器，如果需要，可以将致动压力设计为高于或低于油系统压力。这允许更大的系统魯棒性。
致动装置可包括静止安装的开/关螺线管。因此，可以使用类似于现有凸轮移相器控制阀致动器的居中安装的静止螺线管，不同之处在于不需要可变力，也因此螺线管可以利用更大的致动力并且更加鲁棒。
液压流体可以是液压油。在凸轮轴移相器装置中使用液压油是成熟的且可靠的。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于控制内燃机中凸轮轴的正时的方法，所述内燃机包括如上所述的可变凸轮正时移相器装置。所述方法包括以下步骤：
i.提供可变凸轮正时移相器装置，其使阻挡销在脱离接合位置中，从而阻止第一移相室和第二移相室之间的流体连通；
ii.在某一时刻布署阻挡销以与旋转梭元件在第一位置中一致，从而旋转梭元件接合阻挡销以阻挡第二位置；或者在某一时刻布署阻挡装置以与旋转梭元件在第二位置中一致，从而旋转梭元件接合阻挡销以阻挡第一位置；
iii.保持阻挡销的布署，从而允许流体利用凸轮轴扭矩在第一移相室和第二移相室之间在单个方向中定期性地流动，并阻止流体在相反方向中流动，从而使转子相对于定子在所选择的方向中旋转；
iv.一旦获得转子相对于定子的期望旋转，就使阻挡销脱离接合，从而阻止第一移相室和第二移相室之间的进一步流体连通。
所述方法提供了一种控制凸轮轴移相的简单、可靠的方法，其仅需要控制单个开/关致动器，并且当在所需方向中开始移相时仅需要单个简单的致动正时。
根据另一方面，提供了一种内燃机，其包括如上所述的可变凸轮正时移相器装置。
根据又一方面，提供了一种包括如上所述的可变凸轮正时移相器装置的车辆。
在下面参考附图的详细描述中定义了其他方面、目的和优点。
附图说明
为了理解本发明及其进一步的目的和优点，下面给出的详细描述可以与附图一起阅读，其中，相同的附图标记表示各个图中的类似项，并且其中：
图1a示意性地示出了根据本公开的未组装的控制阀。
图1b示意性地示出了根据本公开的部分组装的控制阀的平面图。
图2示意性地示出了根据本公开的可变凸轮正时移相器装置。
图3示意性地示出了根据本公开的组装的控制阀。
图4a示意性地示出了在第一状态中的控制阀。
图4b示意性地示出了在第二状态中的控制阀。
图4c示意性地示出了在第二状态中的控制阀，其具有致动的阻挡销。
图4d示意性地示出了在中间状态中的控制阀，其具有致动的阻挡销。
图5示出了根据本公开的用于控制内燃机中凸轮轴的正时的方法的过程流程图。
图6示意性地示出了包括内燃机的车辆，所述内燃机包括根据本公开的可变凸轮正时移相器装置。
具体实施方式
本发明基于这样的认识：包括一阀构件(“旋转梭元件”)的阀可以用于在两个方向中控制凸轮扭矩致动的凸轮移相，所述阀构件响应于凸轮移相器的第一和第二室上的压力差被动地移动。
由凸轮轴经受的扭矩定期性地在正扭矩和负扭矩之间交替，所述正扭矩延迟凸轮轴旋转，所述负扭矩促进凸轮轴旋转。该定期性交替的扭矩又导致第一室和第二室之间的定期性交替的压力差，使得最初在第一室中存在过压，然后在第二室中存在过压，然后在第一室中存在过压，然后在第二室中存在过压，等等以此类推。如果两个室流体连通，则流体将从较高压力室流到较低压力室，即流动方向将定期性地交替。传统的凸轮扭矩致动(CTA)凸轮移相器通过在第一室和第二室之间提供两个分开的单向流动路径来利用所述交替压力：仅允许从第一室流到第二室的第一路径，以及仅允许在相反方向中，即从第二室流到第一室，的第二路径。通过打开这些流动路径中的一个而关闭另一个，交替的压力差通过“液压棘轮”效应导致一个室到另一个室的单向流动。
本发明的凸轮正时移相装置包括转子、共轴地围绕转子的定子、以及控制组件。
凸轮移相器转子布置成连接到内燃机的凸轮轴。这可以是进气门凸轮轴、排气门凸轮轴或发动机中的任何其他凸轮轴，诸如组合的进气/排气凸轮轴。转子具有至少一个转子叶片，但是可以优选地具有多个叶片，诸如三个、四个、五个或六个叶片。用于将油通向进出控制阀的分开的油通道设置在至少一个转子叶片的每一侧处，但是优选地在每个叶片的每一侧处。
定子布置成用于接受驱动力。这可以例如通过将定子连接到凸轮链轮，所述凸轮链轮经由同步带从曲轴吸收驱动力。定子也可以在结构上与凸轮链轮集成。定子共轴地围绕转子并且具有至少一个凹槽，所述凹槽用于接收转子的至少一个叶片。实际上，定子具有与转子叶片的数量相同数量的凹槽。定子中的凹槽多少大于转子叶片，这意味着当转子定位在定子中且叶片居中定位在凹槽中时，在每个转子的每侧处形成室。这些室的特征在于第一移相室，当填充有液压油时转子相对于定子在第一方向中旋转，以及第二移相室，当填充由液压油时，转子相对于定子在第二方向中旋转。
本公开的控制组件包括控制阀。
在阀被称为“开/关”的情况下，这指的是阀仅具有两种状态：打开状态和关闭状态。然而，这种阀可具有两个以上的端口。例如，3/2路开/关阀有三个端口和两个状态。这种阀经常在打开时连接两个流动端口，并且在关闭时将流动端口中的一个连接到通气/排放端口。
在阀被称为“常态关闭/打开/开/关”的情况下，这指的是未致动时阀的状态。例如，常态打开的螺线管阀在未被致动/激励时保持在打开位置中，经常使用诸如弹簧复位件的返回件。当常态打开的螺线管阀被致动/激励时，螺线管以足以克服保持阀打开的返回件的力的力作用，也因此关闭阀。在取消致动/取消激励时，返回件使阀返回打开状态。
在说明各部件在“流体连通”中或者在各部件“之间”允许或阻止流动的情况下，该流动应被解释为不一定是方向性的，即流动可以在任一方向中进行。单个方向中的方向性流动表示为“从”部件“到”另一部件的流动。
在所述室被称为具有过压，这意味这在所述室中的流体压力高于在另一室中的流体压力。例如，如果第一室被称为具有过压，这意味着在第一室中的压力高于在第二室中的压力。
用于凸轮正时移相器装置中的控制阀居中位于凸轮移相器装置的转子和/或凸轮轴内。它包括阀体，所述阀体在一端处具有凹槽，在所述凹槽处进行油的控制和分配。在该凹槽内侧坐落有旋转梭元件。阀盖覆盖阀壳体的具有凹槽的端部，以阻止流体泄漏。阀盖还可以容纳阀部件，诸如阻挡销和故障保护销。旋转梭元件与圆柱形阀体共轴布置，并且在凹槽中围绕所述公共轴线来回旋转。旋转梭元件类似于具有从周缘缺失的两个环形扇区的盘。第一扇区可以与第二扇区径向相反地定位，尽管其他几何布置也是可行的。这些缺失的扇区中的每一个与阀体和凹槽一起形成室；第一缺失的扇区形成信号室，并且第二缺失的扇区形成流动室。这些室旨在用于接收和分配油。布置在凹槽中的叶片将信号室分成第一信号室和第二信号室。
旋转梭元件可以在两个极端位置之间旋转，由此一个信号室的大小远大于另一个。在第一位置中，第一信号室的大小相对于第二信号室最大化，并且在第二位置中，第二信号室的大小相对于第一信号室最大化。在从一个极端位置旋转到另一极端位置中时，旋转梭穿通过中间位置，在所述中间位置处，第一室和第二室的大小相等。
在凹槽中形成有两个凹口，紧邻叶片的每一侧有一个凹口。每个凹口可以是正割线(弦)的形式，其平行于分开叶片的直径线延伸。然而，凹口不需要是平行的，并且可以从叶片朝向凹槽的相反侧分叉或会聚。可以通过铣削凹槽的表面来制造凹口。每个凹口与旋转梭元件的靠近凹槽表面的面一起形成通道，所述通道在靠近信号室的端部处总是是打开的，但是在靠近流动室的相反端处可以打开或关闭，这取决于旋转梭元件的位置。每当旋转梭元件在中间位置或第二位置中时，第一凹口与流动室流体连通，但是每当旋转梭在第一位置中时，流体连通被阻止。同样地，每当旋转梭元件在中间位置或第一位置中时，第二凹口与流动室流体连通，但是每当旋转梭在第二位置中时，流体连通被阻止。因此，当旋转梭在中间位置中时，凹口经由流动室流体连接，但是每当旋转梭在极端位置中的一个中时，两个凹槽之间的流体连通被阻止。
第一和第二周缘凹沟布置在阀壳体的外壁中。这些可以通过铣削或浇铸阀体来实现。当控制阀在凸轮移相器装置的中央位置时，第一凹沟接收油并将油递送到凸轮移相器的潜在多个第一室中的每一个中，并且第二凹沟接收油并将油递送到凸轮移相器的潜在的多个第二室中的每一个中。
第一和第二通道被制成通过阀体，以分别将第一和第二凹沟连接到第一和第二流体凹口。这些通道可以例如在阀体中钻孔。每个通道可以例如是单个直通道，或者是在垂直弯曲处截取的两个垂直通道。
因此，第一信号室总是经由第一凹口、第一通道和第一凹沟与第一移相室流体连通。同样，第二信号室总是经由第二凹口、第二通道和第二凹沟与第二移相室流体连通。每当旋转梭元件在第一和第二位置中时，控制阀关闭，即阻止在第一和第二移相室之间的流动。每当旋转梭元件在中间位置中时，经由控制阀的流动室允许在第一和第二移相室之间流动。
控制阀的工作原理是，在阀体内无阻碍地旋转时的旋转梭元件利用第一和第二移相室之间的定期性交替的压力差在两个极端位置之间来回按压。第一移相室中的过压将旋转梭移动到第一位置，并且第二移相室中的过压将旋转梭移动到第二位置。同时，当在每个极端位置中时，旋转梭元件用作止回阀构件，阻止在压力差作用的方向中的流动。因此，当不受阻碍时，旋转梭元件感测压力波动并且通过它们在两个位置之间被来回移动，但不允许两个移相室之间的流体连通，因为它在两个流动方向中都用作起止回阀。
为了允许凸轮移相，旋转梭元件的无阻碍运动被阻挡，以阻止旋转梭元件获得各关闭的极端位置中的一个；即，在一个旋转方向中，旋转梭元件被限制到中间位置，而在另一个方向中，它仍然可以获得关闭位置。旋转梭元件仍然响应于第一和第二移相室之间的压力差，但现在在极端位置和中间位置之间移动。当旋转梭元件在中间位置中时，允许第一移相室和第二移相室之间的流体连通。因此，通过在极端位置和中间位置之间穿梭，控制阀用作等效于单向止回阀，即当压力差作用在一个方向中时，由旋转梭元件允许流体流动，而在另一方向中，由旋转梭元件阻止流体流动。因此，具有被阻挡的旋转梭元件的控制阀在单个方向中用作“液压棘轮”。
旋转梭元件的阻挡由布置在控制阀中的可致动的阻挡销执行，诸如在阀体或阀盖中。可致动的阻挡销可布署入到凹槽中以阻碍旋转梭元件的旋转。旋转梭元件配置有两个孔以接收布署的阻挡销。第一孔的位置和大小设计成阻挡移动到第一位置，但允许在中间位置和第二位置之间的穿梭。第二孔的位置和大小设计成阻挡移动到第二位置，但允许在中间位置和第一位置之间的穿梭。孔是指旋转梭元件中的通孔，或者是足够深的凹槽以接合可致动的阻挡销。第一孔所允许的中间位置不需要精确地对应于第二孔所允许的中间位置，只要两个中间位置允许凸轮移相器的两个移相室之间的流体连通即可。因此，每当阻挡销接合在第一孔中时，旋转梭元件可在第一位置和中间位置之间穿梭，并且每当阻挡销接合在第二孔中时，旋转梭元件可在第二位置和第二中间位置之间穿梭。
控制阀允许流动的方向以及因此凸轮移相的方向由旋转梭元件在其最初被阻挡时的位置确定。如果它在被阻挡时在第一位置中，则将由阻挡销接合第二孔，并且旋转梭将在第一(关闭)位置和中间爱你(打开)位置之间交替；即第二位置被阻挡。或者，如果它在被阻挡时在第二位置中，则由阻挡销接合第一孔，并且旋转梭将在第二(关闭)位置和中间(打开)位置之间交替；即第一位置被阻挡。因此，可以通过正时旋转梭元件的阻挡以与旋转梭元件在第一关闭位置或第二关闭位置中一致来选择凸轮移相的方向。注意，是与旋转梭元件的当前位置相反的位置被阻挡。这意味着阻挡的开始应该被正时以与在与所需凸轮移相方向相反的方向中起作用的压力差一致。由凸轮轴扭矩生成的压力是大的，并且液压梭可以容易地移动，也因此在各位置之间的穿梭是瞬时的。由于凸轮轴扭矩随着曲柄角度定期性地变化并且穿梭是快速的，因此梭位置也随着曲柄角度而变化，也因此旋转梭元件的阻挡的所需的正时是容易的。一旦开始阻挡，旋转梭元件被连续地阻挡直到阻挡结束，也因此对于每个移相操作仅必须执行一次布署阻挡装置的正时。
可致动的阻挡销可以通过气动、液压或电动装置致动。使用液压或气动装置，控制流体压力的致动器部件可以远离凸轮移相器装置的旋转部件定位，并且可以放置在内燃机的静止部件上，诸如凸轮轴承保持器。通向阻挡销的流体压力可以例如由开/关螺线管阀来调节，所述开/关螺线管阀通过连接到流体压力源(诸如主油廊，如果使用油作为致动流体)来增加流体压力。这种螺线管阀可以是例如3端口、2位开/关螺线管阀，其在进入端口处连接到油廊，在排出端口处连接到引向阻挡销的油通道，并且具有通气端口，用于当在“关”位置中时释放来自导向阻挡销的通道的油压。当螺线管未被致动时，螺线管阀可常态在“关”位置中，并且在致动螺线管时，切换到“开”位置。螺线管阀可以是本领域已知的任何合适的阀类型，包括但不限于提升阀、滑动滑阀和旋转滑阀。提升阀的使用几乎消除了阀堵塞的风险。
与阻挡销流体连接的油填充筒可用作流体压力源。在筒中提供有开/关螺线管致动的柱塞。螺线管致动的柱塞可以在致动时向下推动缸中的油量，从而导致阻挡销处的压力增加。
或者，可以通过相对于凸轮移相器装置居中安装的静止螺线管致动器直接布署阻挡销。
控制阀可以配置成连接到油压源，以便保持对凸轮移相器系统的油供应。连接到油压源的控制阀可以配置成通过液压梭元件的穿梭运动在两个室之间分配油。例如，控制阀可以具有油再填充路线，所述油再填充路线包括布置在凹槽中的第一和第二凹口之间的第三凹口。所述第三凹口布置成由通过阀体的油再填充通道与油压源流体连通。第三凹口总是与流动室流体连通，而与旋转梭的位置无关。旋转梭来回移动，油经由第一和第二信号通道交替地分配到第一和第二移相室。连接到油压源的油再填充通道可以设置有止回阀，以阻止油从凸轮移相器组件回流到油压源。
凸轮移相器组件还可以提供有许多故障保护特征。例如，压力致动的锁销可以布置在转子的各叶片中的至少一个中，与定子中用于接收锁销的相应凹槽一起。用于接收锁销的凹槽位于基座位置处，即完全提前或完全延迟。可以使用扭转弹簧、如上所述在控制阀中的故障保护销、或其组合将转子偏置朝向基座位置。锁销常态在布署(锁定)位置中，并且当凸轮移相器装置的部件中的压力超过阈值压力时，被致动到缩回(解锁)位置。例如，锁销可以与从移相室引向到控制阀的一个或多个通道流体连接。可替代地，锁销可以与油再填充通道流体连接。
当压力下降到阈值以下时，故障保护销布署也可以布置在控制阀中，以便在油故障的情况下控制旋转梭元件相对于阀壳体的位置。所述故障保护销装置包括可布署的故障保护销，其布置在，例如，阀盖或者阀体中，与在旋转梭元件中的相应接合孔一起。当凸轮移相器系统的所选择的部分中的压力下降到阈值水平以下时，布署该故障保护销。这可以是，例如，当导向阻挡销的流体通道中的压力下降到阈值水平以下时，或者当油供应源的压力下降到阈值水平以下时。当布署该故障保护销时，如同当使用阻挡销提供凸轮移相时，以同样的方式阻挡旋转梭元件，即通过“液压棘轮”效应。在系统设计期间选择由故障保护销提供的移相的方向，使得一旦布署故障保护销，则转子使用凸轮轴扭矩致动而返回到基座位置(或者完全提前或者完全延迟)。以这种方式，可以避免将转子偏置到基座位置的扭转弹簧的使用，并且可以使用产生的更大比例的凸轮轴扭矩来使转子相对于定子旋转。
在没有凸轮移相的常态操作期间，由于控制阀用作双止回阀，未布署阻挡销并且没有流体在第一移相室和第二移相室之间流动。当需要凸轮轴移相时，阻挡销的布署被正时以与在与所需移相方向相反的方向中作用的凸轮轴扭矩一致。例如，如果第一室具有过压，则旋转梭在第一位置中。如果现在通过布署阻挡销来开始阻挡，则旋转梭元件将在第一位置(在第一室具有过压的时段期间)和中间位置(在第二室具有过压的时段期间)之间穿梭。由于旋转梭用作止回阀构件，第一位置不准许从第一室流动到第二室。然而，旋转梭在中间位置中被阻止用作止回阀构件，也因此流体可以从第二移相室流动到第一移相室。以这种方式，转子相对于定子旋转并且获得凸轮移相。
现在将参考附图进一步说明本发明。
图1a和图1b示出了所公开的控制阀的一个实施方式。控制阀1包括阀体3、阀盖4和旋转梭元件5。在图1a中，为了清楚起见，阀体3和旋转梭元件5被示出为未组装。在图1b中，以平面图示出了部分组装的控制阀1。
阀体3包括凹槽7，所述凹槽成形为接收旋转梭元件5。凹槽7包括叶片9、第一凹口11、第二凹口13和第三凹口12。阀体的外侧具有围绕阀体3的周缘延伸的第一凹沟15和第二凹沟17。通过阀体的第一通道19将第一凹口11连接到第一凹沟15。第二通道21将第二凹口13连接到第二凹沟17。油再填充通道22从凹槽7的表面延伸通过阀体到阀体的相反端。止回阀23布置在油再填充通道22中靠近阀体的第二端。阻挡销20和故障保护销18位于阀盖4中。
旋转梭元件5类似于盘，其具有从周缘缺失的两个径向相反的环形扇区。当组装在凹槽中时，这些缺失的扇区与阀体一起形成第一信号室、第二信号室和流动室。旋转梭元件5具有用于接收阻挡销20的第一孔25和第二孔27、以及用于接收故障保护销18的第三孔29。
图2示出了包括控制阀1的凸轮移相器装置。转子33包括至少一个转子叶片35。转子固定到凸轮轴(未示出)。具有至少一个凹槽39的定子37共轴地围绕转子33。定子固定到凸轮链轮(未示出)。转子叶片35将凹槽39分成第一移相室43和第二移相室45。控制阀1居中布置在转子33中。第一油通道49布置在叶片35的侧面并且从第一移相室43经由第一凹沟通向控制阀1的第一通道19。第二油通道51布置在叶片35的侧面并且经由第二凹沟从第二移相室45通向控制阀1的第二通道21。
在图3中示意性地示出了组装的控制阀。阀体3与位于凹槽7中的旋转梭元件5一起限定第一信号室4、第二信号室6和流动室8。第一凹口11布置成总是允许第一信号室4和第一通道19之间的流体连通，所述第一通道引向第一移相室(未示出)。同样地，第二凹口13布置成总是允许第二信号室6和第二通道21之间的流体连通，所述第二通道引向第二移相室(未示出)。第三凹口12经由通过阀体的油再填充通道22连接到油压源。在所示的中间位置中，第一凹口11和第二凹口13与流动室8流体连通。然而，可以看出，将旋转梭逆时针旋转到第一位置或顺时针旋转到第二位置将阻止两个凹口之间的流体连通。可致动的阻挡销20布置在阀盖4中，并且第一孔25和第二孔27布置在旋转梭元件中以接收所述阻挡销。故障保护销18布置在阀盖中，并且第三孔29对应于布置在旋转梭元件5中的故障保护销。
控制阀和凸轮移相器装置的功能在图4a-d中示出。
凸轮正时移相器装置的功能如下。每当第一移相室43中的油压高于第二移相室45中的油压时，由流体压力将旋转梭元件5移动到第一位置，从而阻止第一移相室43和第二移相室45之间的流体连通。凸轮移相器装置的第一关闭状态如图4a中所示。
每当第二室45中的油压高于第一室43中的油压时，旋转梭元件5移动到第二位置，从而再次阻止第一移相室43和第二移相室45之间的流体连通。凸轮移相器装置的第二关闭状态如图4b中所示。
因此，当未致动时，控制阀阻止两个方向中的流动，即在凸轮移相保持模式中。然而，注意，取决于两个室43、45工作中的压力差的方向，旋转梭元件5采取两个分开的位置。利用所述特征以在所需方向中提供移相。
如果需要第一方向中的移相，即，期望流体从第一移相室流动到第二移相室，则当第二室具有过压的时段期间布署阻挡销20。因此，旋转梭元件5在第二位置中，并且当阻挡销20布署时，它与第一孔25接合。这在图4c中示出。
现在当凸轮轴扭矩的方向反转使得压力沿相反方向作用并且第一室43具有过压时，由阻挡销20与第一孔25的接合来阻挡旋转梭元件5移动到第一位置。旋转梭元件而是限于移动到中间位置，允许流体从第一室43经由流动室8流动到第二室45。这在图4d中示出。
液压梭元件将在第二位置和中间位置之间交替，直到阻挡销20撤回并返回到其非致动状态。以这种方式，油将定期性地从第一室流动到第二室，并且将获得更大程度的移相，直到阻挡销20被撤回。
当旋转梭元件5在第一位置中时，通过布署阻挡销20，以类似的方式在相反的方向中获得移相。
图5示出了控制内燃机中凸轮轴正时的方法的过程流程图，所述内燃机包括如所公开的可变凸轮正时移相装置。
在第一步骤中，提供凸轮正时移相器装置，其使阻挡销在脱离接合位置中，从而阻止第一移相室和第二移相室之间的流体连通；即，凸轮移相器装置最初在凸轮移相保持状态中。
在第二步骤中，布署阻挡销以与在与所需的移相方向相反的方向中作用的流体压力一致。这意味着阻挡销将移动到接合位置，以限制控制阀的旋转梭元件的进一步移动。
在第三步骤中，保持阻挡销的布署。在此期间，波动的凸轮轴扭矩将导致第一和第二移相室中的交替压力尖峰，并且控制阀将允许流体在单个方向中流动，从而获得从一个移相室到另一移相室的方向性流动。
在第四步骤中，一旦获得所需程度的凸轮轴移相，则阻挡销脱离接合。通过将阻挡销脱离接合，凸轮正时移相器装置返回到保持状态。
本发明还涉及包括如上所述的可变凸轮正时移相器装置的内燃机和车辆。图6示意性地示出了具有内燃机203的重型货车200。内燃机具有曲轴205、曲轴链轮207、凸轮轴(未示出)、凸轮轴链轮209和正时链211。可变凸轮正时移相器装置201位于凸轮链轮/凸轮轴的旋转轴线处。具有这种可变凸轮正时移相器装置的发动机与缺少凸轮移相的车辆相比具有许多优点，例如更好的燃料经济性、更低的排放和更好的性能。

Claims (13)

1.一种用于凸轮正时移相器装置(201)中的控制阀(1)，所述控制阀包括：
圆柱形阀体(3)，包括外壁、第一端和第二端，其中，第一端具有凹槽(7)，所述凹槽配置成用于接收旋转梭元件(5)并允许旋转梭元件(5)相对于阀体(3)的旋转运动；和
旋转梭元件(5)，共轴地位于阀体的凹槽内；
其中，凹槽(7)和旋转梭元件(5)一起限定信号室和流动室(8)；
其中，凹槽包括叶片(9)，所述叶片将所述信号室分成在叶片第一侧上的第一信号室(4)和在叶片第二侧上的第二信号室(6)；
其中，旋转梭元件(5)布置成响应于第一和第二信号室中的流体压力变化在至少三个位置之间旋转；在第一旋转方向中完全旋转的第一位置，使得第一信号室(4)相对于第二信号室(6)的大小最大化，在第二旋转方向中完全旋转的第二位置，使得第二信号室(6)相对于第一信号室(4)的大小最大化，以及中间位置，其中，第一和第二信号室的大小大致相等；
其中，可致动的阻挡销(20)配置在控制阀(1)中，并且旋转梭元件(5)配置有用于接收阻挡销(20)的两个相应的孔(25、27)，第一孔(25)布置成在接收阻挡销(20)时阻挡旋转梭元件(5)移动到第一位置，并且第二孔布置成在接收阻挡销(20)时阻挡旋转梭元件(5)移动到第二位置；
其中，凹槽(7)包括第一流体凹口(11)，其每当旋转梭元件(5)在第二或中间位置中时，布置成在一端处与第一信号室(4)流体连通，并且布置成在另一端处与流动室(8)流体连通，并且每当旋转梭元件(5)在第一位置中时，布置成被阻止与流动室(8)流体连通；
其中，凹槽(7)包括第二流体凹口(13)，其每当旋转梭元件(5)在第一或中间位置中时，布置成在一端处与第二信号室(6)流体连通，并且布置成在另一端处与流动室(8)流体连通，并且每当旋转梭元件(5)在第二位置中时，布置成被阻止与流动室(8)流体连通；
其中，阀体(3)具有：第一凹沟(15)，所述第一凹沟在阀体(3)的第一端和第二端之间的位置处平行于第一端和第二端围绕外壁的周缘延伸，以及第二凹沟(17)，所述第二凹沟在第一凹沟(15)和阀体的第二端之间的位置处平行于第一凹沟围绕外壁的周缘延伸；
其中，通过阀体的第一通道(19)将第一流体凹口(11)连接到第一凹沟(15)；和
其中，通过阀体的第二通道(21)将第二流体凹口(13)连接到第二凹沟(17)。
2.根据权利要求1所述的控制阀，其中，油再填充通道(22)延伸通过所述阀体(3)，并且其中，所述阀体的所述凹槽(7)包括第三流体凹口(12)，其布置成与油再填充通道(22)和流动室(8)流体连通，而与旋转梭元件(5)的位置无关。
3.根据权利要求2所述的控制阀，其中，第一流体凹口(11)、第二流体凹口(13)和第三流体凹口(12)基本上彼此平行地延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制阀，其中，在所述控制阀(1)中配置有故障保护销(18)，并且在所述旋转梭元件(5)中配置有用于接收故障保护销(18)的相应的孔(29)，其中，当布署故障保护销(18)时，阻挡旋转梭元件(5)旋转到第一位置。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的控制阀，其中，每当阻挡销接合在所述第一孔(25)中时，所述旋转梭元件(5)在第二位置和中间位置之间穿梭，并且每当阻挡销接合在第二孔(27)中时，所述旋转梭元件在第一位置和中间位置之间穿梭。
6.一种用于内燃机(203)的可变凸轮正时移相器装置(201)，包括：
具有至少一个转子叶片(35)的转子(33)，所述转子布置成连接到凸轮轴；
共轴地围绕转子(33)的定子(37)，具有至少一个定子凹槽(39)，其用于接收至少一个转子叶片并允许转子相对于定子旋转运动，所述定子具有布置为用于接受驱动力的外周缘；
其中，所述至少一个转子叶片(35)将所述至少一个定子凹槽(39)分成第一移相室(43)和第二移相室(45)，第一移相室(43)和第二移相室(45)布置成接收承受压力的液压流体，其中，将液压流体引入到第一移相室(43)中引起转子(33)相对于定子(37)在第一旋转方向中移动并且将液压流体引入到第二移相室(45)中引起转子(33)相对于定子(37)在第二旋转方向中移动，第二旋转方向与第一旋转方向相反；和
控制组件，用于调节液压流体从第一室流动到第二室或从第二室流动到第一室；
其特征在于，所述控制组件包括：
根据权利要求1-5中任一项所述的控制阀(1)，其居中安装在转子和/或凸轮轴中，其中，控制阀的第一凹沟(15)布置成与第一移相室(43)流体连通，并且控制阀的第二凹沟(17)布置成与第二移相室(45)流体连通；和
用于致动阻挡销(20)的致动装置。
7.根据权利要求6所述的可变凸轮正时移相器装置，其中，所述致动装置是3/2路开/关螺线管阀，其具有与增加的流体压力源流体连通的进入端口、与所述阻挡销流体连通的排出端口、和通气端口，其中，在非激励状态中的螺线管阀阻止从增加的流体压力源到阻挡销的流体连通，并允许从阻挡销到通气端口的流体连通，并且其中，在激励状态中的螺线管阀允许从增加的流体压力源到阻挡销的流体连通，从而布署阻挡销。
8.根据权利要求6所述的可变凸轮正时移相器装置，其中，所述致动装置包括布置在筒中的螺线管驱动的柱塞，所述筒布置成与所述阻挡销流体连通，其中，在非激励状态中螺线管驱动的柱塞缩回，并且在激励状态中螺线管驱动的柱塞延伸，激励状态增加阻挡销处的流体压力，从而布署阻挡销。
9.根据权利要求6所述的可变凸轮正时移相器装置，其中，所述致动装置包括静止安装的开/关螺线管。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的可变凸轮正时移相器装置，其中，所述液压流体是液压油。
11.一种用于控制内燃机中凸轮轴正时的方法，所述内燃机包括根据权利要求6-10中任一项所述的可变凸轮正时移相器装置，所述方法包括以下步骤：
i.提供可变凸轮正时移相器装置，其使阻挡销在脱离接合位置中，从而阻止第一移相室和第二移相室之间的流体连通；
ii.在某一时刻布署阻挡销以与旋转梭元件在第一位置中一致，从而旋转梭元件接合阻挡销以阻挡第二位置；或者在某一时刻布署阻挡装置以与旋转梭元件在第二位置中一致，从而旋转梭元件接合阻挡销以阻挡第一位置；
iii.保持阻挡销的布署，从而允许流体利用凸轮轴扭矩在第一移相室和第二移相室之间在单个方向中定期性地流动，并阻止流体在相反方向中流动，因此使转子相对于定子在所选择的方向中旋转；
iv.一旦获得转子相对于定子的期望旋转，就使阻挡销脱离接合，从而阻止第一移相室和第二移相室之间的进一步流体连通。
12.一种内燃机，包括根据权利要求1-5中任一项所述的控制阀或根据权利要求6-10中任一项所述的可变凸轮正时移相器装置。
13.一种车辆，包括根据权利要求1-5中任一项所述的控制阀或根据权利要求6-10中任一项所述的可变凸轮正时移相器装置。
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