CN1922395A - 气门驱动系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对的是驱动发动机气门的一种系统和方法。在一个实施例中，本发明是用于在至少有一个发动机气门的发动机中提供废气再循环(EGR)的一种系统，这种系统包括：传递气门机件运动的装置；用于将运动从所述运动传递装置传送给所述发动机气门的第一气门驱动子系统，所述第一气门驱动子系统能够在第一发动机工作条件期间为主排气事件的至少一部分，以及在第二发动机工作条件期间为完整主排气事件提供气门驱动；以及用于将运动从所述运动传递装置传送给所述发动机气门的第二气门驱动子系统，所述第二气门驱动子系统能够在所述第一发动机工作条件期间为废气再循环事件提供气门驱动。

Description

气门驱动系统和方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2003年12月30日提交的，标题为“System andMethod for Valve Actuation”的第60/532,889号美国临时专利申请的优先权，在这里将其全部引入作为参考。
技术领域
总的来说，本发明涉及驱动发动机里一个或多个气门的系统和方法。具体而言，本发明涉及驱动一个或多个发动机气门，产生发动机气门事件的系统和方法，例如主气门事件(排气和/或进气)、减压制动事件、放气制动事件、废气再循环事件和/或其它辅助气门事件。
背景技术
为了让发动机产生正功率、进行发动机制动以及让废气再循环(EGR)，需要内燃机里的气门驱动。在正功率期间，可以打开一个或多个进气气门，让燃料和空气进入气缸燃烧。可以打开一个或多个排气气门，让燃烧气体从气缸逸出。还可以在正功率期间各个时刻打开进气、排气和/或辅助气门，以便再循环气体，改善排放。
当发动机不是用于产生正功率的时候，也可以将发动机气门驱动用来产生发动机制动和废气再循环。在发动机制动期间，可以有选择地打开一个或多个排气气门，将发动机至少暂时地转变成空气压缩机。在这样做的时候，发动机形成减速马力来帮助车辆慢下来。这样做能够为操纵员提供对车辆的增强控制，充分减小车辆主制动器的磨损。
可以驱动发动机气门产生减压制动和/或放气制动。减压型发动机制动器，或者减速器，是众所周知的。活塞在其压缩冲程里向上运动的时候，气缸里俘获的空气受到压缩。压缩气体阻止活塞的向上运动。在发动机制动过程中，当活塞到达上止点(TDC)的时候，至少打开一个废气气门，将气缸中的压缩气体释放到排气岐管，防止储存在压缩气体里的能量在随后的向下膨胀冲程里返回发动机。这样做的时候，发动机形成减速功率来帮助车辆慢下来。Cummins的第3,220,392号美国专利(1965年11月)公开的内容提供了现有技术中减压发动机制动器的一个实例，在这里将这一专利引入作为参考。
放气型发动机制动器的工作原理也是早已为人所知。在发动机制动过程中，除了正常的排气气门升程以外，还可以在整个剩余的发动机循环(完整循环放气制动)里或者在这个循环的一部分里(部分循环放气制动)，保持排气气门持续地略微打开。部分循环放气制动和完整循环放气制动之间的主要差别是，在进气冲程的大部分时间里前者没有排气气门升程。本受让人的第6,594,996号美国专利(2003年7月22日)提供了采用放气型发动机制动器的系统和方法的一个实例，在这里将它的一份拷贝结合进来作为参考。
废气再循环(EGR)的基本原理也是众所周知的。在正常工作的发动机已经完成了其燃烧室内燃料和进入空气的混合以后，发动机从发动机气缸排出剩余的气体。EGR系统允许这些废气的一部分流回发动机气缸。在正功率工作和/或发动机制动循环里，可以将气体再循环进入发动机气缸这件事用来提供显著的有益效果。
在正功率工作期间，EGR系统主要用于改善发动机排放。在发动机正功率期间，可以打开一个或多个进气气门，让燃料和来自大气的空气进入，其中的空气包含在气缸中燃烧燃料所需要的氧气。但是，空气还包含大量氮气。发动机气缸内的高温引起氮气与没有用完的氧气发生反应，形成氮氧化物(NOx)。氮氧化物是柴油发动机排出的主要污染物之一。EGR系统提供的再循环气体已经被发动机使用过，只包含少量氧气。通过将这些气体与新鲜空气混合，可以减少进入发动机的氧气量，减少氮氧化物的形成。另外，再循环的气体具有将发动机气缸内的燃烧温度降低到低于氮气与氧气化合形成NOx的温度点这样的效果。结果，EGR系统能够减少产生的NOx的量，改善发动机排放。在美国和其它国家，柴油发动机的现行环境标准，以及提出的规章，都表明在将来对改善排放的需要只会更加重要。
还可以将EGR系统用来优化发动机制动工作过程中的减速功率。如同上面讨论的一样，在发动机制动过程中，可以有选择地打开一个或多个排气气门，以便至少暂时将发动机转换成空气压缩机。利用EGR控制发动机中的压力和温度，可以在各种工作条件下优化制动程度。
一般而言，有两种EGR系统，内EGR系统和外EGR系统。许多传统的EGR系统都是外EGR系统，它们通过外部管路从排气岐管将气体再循环到进气端。一些外EGR系统需要几个附加组件，例如外部管路、旁通管线和相关冷却机制，以便让系统正常工作。这些附加组件会显著地增加车辆成本，还会增加系统所需要的空间，产生装配和制造方面的问题。许多传统EGR系统通过在进气冲程里通过打开的排气气门，或者在排气冲程里通过打开的进气气门，将废气吸入燃烧室来提供EGR。
在许多内燃机里，可以将第一个气缸里为了产生发动机气门事件的气门机件运动，用于在第二个气缸里产生内部废气再循环事件。例如，可以将第一个气缸的凸轮上主进气气门事件凸角提供的运动，用于在第二个气缸里产生EGR事件。但是，将一些“交叉驱动的”EGR系统装配进空间有限的车辆里去是困难的。
本发明的实施例的一个优点是，可以用固定轮廓凸轮打开和关闭发动机进气和排气气门，更加具体地说，可以用可能是这些凸轮中每一个的一个集成部分的一个或多个固定凸角来这样做。例如，使用放进要发生气门事件的同一个发动机气缸的凸轮的EGR凸角，会显著地缓解装配困难。通过优化发动机气门正时和升程，还可以获得其它好处，比如提高了的性能、改善了的燃料经济性、更低排放和更好的车辆驾驶性能。
但是，采用固定轮廓凸轮会导致调整发动机气门升程的正时和/或量，为各种发动机工作条件对它们进行优化非常困难。给定一个固定凸轮轮廓，调整气门正时和升程的一种方法是提供气门驱动，这种气门驱动结合了在气门和凸轮之间的气门机件连接内的“空转”系统。空转是用于一类技术方案的术语，这一类技术方案利用可变长度的机械、液压和/或其它连接装置，修改凸轮轮廓所排斥的气门运动。在空转系统里，凸轮凸角可以提供发动机工作条件的完整范围内所需要的“最大”(最长停止时间和最大升程)运动。于是可以在气门机件连接、要打开的气门的中间以及提供最大运动的凸轮内包括可变长度系统，以扣除或损失凸轮传递给气门的部分或全部运动。
本发明的这些系统和方法在需要用于正功率、发动机制动气门事件和/或EGR/BGR气门事件的气门驱动的发动机中特别有用。本发明各个实施例的系统和方法能够提供比其它发动机EGR系统更容易装配的，更低成本、适于生产的可变气门驱动系统。本发明的实施例的其它优点，一部分在后面的描述中，一部分通过本发明的描述和/或实践，对于本领域技术人员而言是显而易见的。
发明内容
响应以上挑战，本申请人已经开发了用于驱动一个或多个发动机气门的新系统和方法。在一个实施例中，本发明是一种在具有至少一个发动机气门的发动机内提供废气再循环(EGR)的系统。这种系统可以包括：传递气门机件运动的装置；第一气门驱动子系统，用于将运动从所述运动传递装置传送到所述发动机气门，所述第一气门驱动子系统能够在第一发动机工作条件期间，为主排气事件的至少一部分，以及在第二发动机工作条件期间，为完整的主排气事件，提供气门驱动；以及第二气门驱动子系统，用于将运动从所述运动传递装置传送到所述发动机气门，所述第二气门驱动子系统能够在所述第一发动机工作条件期间，为废气再循环事件提供气门驱动。
本申请人还已经开发了在发动机里提供废气再循环的一种新方法。这种方法包括以下步骤：给第一气门驱动子系统和第二气门驱动子系统提供发动机气门机件运动；在第一发动机工作条件期间，利用所述第一气门驱动子系统和所述第二气门驱动子系统为主排气事件提供气门驱动，并且利用所述第一气门驱动子系统提供废气再循环事件；以及在第二发动机工作条件期间，利用所述第一气门驱动子系统为主排气事件提供气门驱动。
显然，以上一般描述和后面的详细描述都只是示例性的，不是要限制本发明的范围。这里引用的构成说明书一部分的附图，说明的是本发明的特定实施例，它们与详细描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
为了帮助理解本发明，现在将参考附图，在这些附图中，相似的标号表示相似的元件。这些附图仅仅是示例性的，不应该将它们理解为对本发明的限制。
图1是本发明第一实施例中气门驱动系统的一个示意图。
图2是本发明的气门驱动系统一个实施例中的气门升程示意图。
图3是本发明第二实施例中气门驱动系统的一个示意图。
图4是图3所示气门驱动系统一部分的一个顶视图。
图5是本发明一个实施例中凸轮的一个示意图。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的系统和方法的实施例，在附图中给出它们的实例。如同这里所实施的，本发明包括控制发动机气门驱动的系统和方法。
本发明的一个实施例在图1中原理性地示出为气门驱动系统10。气门驱动系统10包括传递气门机件运动10给一个或多个发动机气门200、第一气门驱动子系统300和第二气门驱动子系统400的装置。运动传递装置(motion imparting means)以能够工作的方式与第一气门驱动子系统300，第一气门驱动子系统300则有选择地驱动发动机气门200。第一气门驱动子系统300以能够工作的方式与第二气门驱动子系统400连接，而第二气门驱动子系统400则有选择地驱动发动机气门200。第一气门驱动子系统300和第二气门驱动子系统400可以互相独立地驱动发动机气门200。
运动传递装置100可以包括凸轮、推管(push tube)的组合或者其它相当物，用于传递气门机件运动。在本发明的至少一个实施例中，运动传递装置100包括凸轮110。凸轮110包括排气凸轮、进气凸轮、喷油嘴凸轮和/或专用凸轮。凸轮110可以包括一个或多个凸轮凸角，用于产生发动机气门事件。参考图5，在一个优选实施例中，凸轮110包括主(排气或进气)事件凸角112、发动机制动凸角114和EGR凸角116。描述凸轮110上凸角的目的仅仅是进行说明，而不是进行限制。显然，这些凸角的数量、组合、大小、位置和形状可以明显不一样，而不会偏离本发明寻求保护的范围。
参考图2，在本发明的至少一个实施例中，气门驱动系统10用于在正功率和发动机制动期间提供恒定幅度的主排气事件230和/或主进气事件220，并且有选择地提供废气再循环事件240。第一气门驱动子系统300能够在第一工作条件期间为主排气事件220的至少一部分提供气门驱动，并且在第二发动机工作条件期间为整个主排气事件提供气门驱动。第二气门驱动子系统400能够在第一发动机工作条件期间为废气再循环事件240提供气门驱动。
运动传递装置100用于施加运动给第一气门驱动子系统300和第二气门驱动子系统400。可以有选择地控制第二气门驱动系统400来(1)传送或(2)不传送运动给气门200。第二气门驱动子系统400还可以用于修改传送给发动机气门200的运动的量和正时。
工作在运动传送模式的时候，第二气门驱动子系统300可以驱动发动机气门200来产生废气再循环气门事件。第一气门驱动子系统300和第二气门驱动子系统400还可以驱动发动机气门200来产生其它发动机气门事件，比如，但不限于，主进气、主排气、减压制动和/或放气制动。包括第二气门驱动子系统400的气门驱动系统10可以响应来自控制器500的信号或输入，在传送运动和不传送运动的模式之间切换。发动机气门200可以是一个或多个排气气门、进气气门或者辅助气门。
第一气门驱动子系统300和第二气门驱动子系统400可以包括能够从运动传递装置100有选择地输送运动以驱动气门200的任意结构。第一气门驱动子系统300和第二气门驱动子系统400可以包括，例如，机械连接、液压连接、液压机械连接、电机械连接、电磁连接、空气连结和/或用于有选择地输送运动的任意其它连接。
结合了液压回路的时候，第一气门驱动子系统300和/或第二气门驱动子系统400可以以能够工作的方式连接提供液压流体给相应子系统并且接收相应子系统回流的装置。这种提供装置可以包括调整回路中流体压力或流体量的装置，例如，启动气门、控制气门、蓄能器、止回气门、流体供给源和/或用于从回路释放液压流体的，向回路增加液压流体或者控制回路中流体流动的其它设备。
控制器500可以包括任何电子、机械、液压、电动液压或其它类型的控制设备，用来与第一气门驱动子系统300和/或第二气门驱动子系统400通信，并让它传送这一运动或者不传送一些或全部运动给发动机气门200。控制器500可以包括链接到其它发动机组件的微处理器，以确定和选择第一气门驱动子系统300和/或第二气门驱动子系统400的正确操作。通过基于微处理器从发动机组件采集到的信息，可以在多种发动机工作条件(例如速度、负荷等等)下实现和优化正功率、发动机制动和/或EGR操作。采集到的信息可以包括但不限于发动机速度、车辆速度、油温、岐管(或端口)温度、岐管(或端口)压力、气缸温度、气缸压力、微粒信息(particulate information)和/或曲柄角。
本发明中气门驱动系统10的第二实施例在图3中示出。第一气门驱动子系统300放置在第二气门驱动子系统300和发动机气门200的中间。第一气门驱动子系统300包括有中心开孔305用来接受摇臂轴的摇臂310，用于接触运动传递装置100的第一端312，以及第二端314。摇臂310用于绕中心开孔305前后摆动。
这里的一个或多个发动机气门200可以是在发动机气缸和发动机进气或排气岐管之间提供选择性连通的进气、排气或辅助气门。在图3所示的实施例中，在第一气门驱动子系统300和发动机气门200之间提供气门桥250。气门桥250可以允许驱动两个或多个气门。显然，在本发明的替换实施例中，气门驱动系统10可以不包括气门桥250。
继续参考图3，第二气门驱动子系统400可以在固定外壳402内，放置在第一气门驱动子系统300和发动机气门200之上。外壳402可以包括在其中形成的第一镗孔411和第二镗孔412。第一镗孔411和第二镗孔412通过液压流体通道404处于流体连通状态，其中液压流体通道404通过外壳402延伸。
流体供给通道415可以与同道404连通。供给通道415可以与提供液压流体给第二气门驱动子系统400的装置连接。这个供给装置可以用于控制来往于液压通道404的液压流体的供给，并且相应地可以基于从控制器500收到的信号，在传送和不传送从凸轮110输入的运动这两种模式之间切换第二气门驱动子系统400。在一个实施例中，供给装置可以包括流体供给源以及一个或多个控制气门(未示出)。所述一个或多个控制气门可以有选择地在从源到液压通道404连通或者不连通液压流体的模式之间进行切换。供给装置可以包括提供液压流体给第二气门驱动子系统400或者接受来自第二气门驱动子系统400的液压流体所必需的设备的任意组合。
主活塞410可以以能够滑动的方式放置在第一镗孔411里，从而使它能够在镗孔411里来回滑动，同时维持与外壳402的液压密封。从活塞420可以以能够滑动的方式放置在第二镗孔421里，从而使它能够在镗孔421里来回滑动，同时维持与外壳402的液压密封。弹簧422可以在镗孔421内向上的方向给从活塞420一个偏压。这个从活塞420通过外壳402里形成的液压通道404与主活塞410保持流体连通。
基于主活塞410和从活塞420之间的相对尺寸，第二气门驱动子系统400可以具有预定的液压比。基于摇臂310的规格，第一气门驱动子系统300可以具有预定的摇臂比。在本发明的一个优选实施例中，第二气门驱动子系统400的液压比小于第一气门驱动子系统300的摇臂比。
驱动销210可以放置在第二气门驱动子系统400和发动机气门200中间。如图4所示，销子210由摇臂310的第二端314中形成的凹口316可滑动地接受。在一个实施例中，如图3所示，凹口316可以是叉形的，允许销子210独立于摇臂310运动。销子210可以包括摇臂接触面212和底部214，用来接触气门桥250。如图3所示，可以在摇臂310和摇臂接触面212之间形成一个间隙L。
图3所示的本发明的实施例可以按照如下方式工作来提供发动机气门驱动。例如，在第一工作条件期间，需要EGR的时候，可以通过供给通道415将液压流体提供给第二气门驱动子系统400。当摇臂310与凸轮110基圆接触的时候，主活塞410到达它在镗孔411中的最低位置。当凸轮110继续转动的时候，摇臂310开始接触凸轮110的主气门事件凸角112，导致摇臂310的第一端312开始向上转动。相应地，摇臂310的第二端314开始向下转动。摇臂310的第二端314的运动开始占据间隙L，但是不会导致摇臂310驱动发动机气门200。在摇臂310中形成的凹口316允许摇臂转动而不会作用于驱动销210。
当摇臂310的第一端312向上转动时，摇臂310接触主活塞410，导致主活塞410在镗孔411内向上移动。主活塞410的向上运动通过通道404内的液压压力传送到从活塞420。这个液压压力足以克服弹簧422的力量，导致从活塞在镗孔421内向上平移，作用于驱动销210。这一动作则引起驱动销210通过图3所示的气门桥250作用于单个气门200，或者作用于多个气门200。
当驱动销210向下平移时，摇臂接触面212维持与摇臂310的第二端314分离。但是因为摇臂比大于主活塞410和从活塞420之间的液压比，所以摇臂310最终跟上并作用于摇臂接触面212，引起发动机气门200的继续驱动。通过这种方式，主事件气门升程的初始部分由第二气门驱动子系统400提供，主事件气门升程的其余部分由第一气门驱动子系统300提供。
当凸轮110继续转动时，摇臂310开始接触凸轮110的EGR凸角116。这又一次导致摇臂310的第一端312开始向上转动，以及摇臂310第二端314相应地向下运动。再一次，摇臂310的第二端314的运动占据间隙L，但是不引起摇臂310驱动发动机气门200。如上所述，摇臂310第一端312的运动引起主活塞410向上运动，以及从活塞420相应的向下运动。这一运动则驱动发动机气门200产生EGR事件。通过这种方式，EGR事件的整个气门升程都由第二气门驱动子系统提供。
例如，在第二工作条件期间，不需要EGR的时候，不将液压流体提供给第二气门驱动子系统400。如上所述，当摇臂310开始接触凸轮110的主气门事件凸角112的时候，摇臂310的第一端312开始向上转动。这一运动则引起摇臂310的第二端314向下转动，占据间隙L。如同以前一样，摇臂310的第一端312接触主活塞410，引起主活塞410在镗孔411内向上运动。但是因为没有将液压流体提供给第二气门驱动子系统400，因此不将主活塞410的运动传送给从活塞420。从活塞420相应地不作用于销子210上。当摇臂310继续转动时，第二端314接触销子210的摇臂接触面212。这样就引起销子210作用于气门桥250，并且驱动发动机气门200。通过这种方式，整个主事件气门升程由第一气门驱动子系统300提供。可以将两个气门驱动子系统的升程比设计成使得发动机气门200不因为间隙L受到主事件升程损失。
当摇臂310开始接触凸轮110的EGR凸角116的时候，摇臂310的第一端312开始向上转动，第二端314向下转动。摇臂310的第二端314的运动占据间隙L，但是不导致摇臂310驱动发动机气门200。因为间隙L大于EGR凸角316的高度，因此由凸角提供的整个运动被“吸收”，不驱动发动机气门200。通过这种方式，在第二工作条件期间，不驱动发动机气门200来产生废气再循环事件。
对于本领域里的技术人员而言，可以对本发明进行改变和修改，而不会偏离本发明的范围或精神。例如，EGR事件的大小、形状和正时可能随着各种因素变化，包括但不限于间隙L、气门限制(clipping)机构、选择性液压比和复位机构。这样，本发明包括了本发明的所有这些变化和修改，只要它们落入后面的权利要求以及它们的等效条款的范围。

Claims (17)

1.一种在具有至少一个发动机气门的发动机内提供废气再循环(EGR)的系统，所述系统包括：
传递气门机件运动的装置；
第一气门驱动子系统，用于将运动从所述运动传递装置传送到所述发动机气门，所述第一气门驱动子系统能够在第一发动机工作条件期间，为主排气事件的至少一部分，以及在第二发动机工作条件期间，为完整的主排气事件，提供气门驱动；以及
第二气门驱动子系统，用于将运动从所述运动传递装置传送到所述发动机气门，所述第二气门驱动子系统能够在所述第一发动机工作条件期间，为废气再循环事件提供气门驱动。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一发动机工作条件是从正功率操作和发动机制动操作构成的一组中选择出来的。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第二发动机工作条件包括发动机制动操作的至少一部分。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一气门驱动子系统能够工作地连接到所述第二气门驱动子系统。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一气门驱动子系统包括机械连接。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述第二气门驱动子系统包括液压连接。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述第二气门驱动子系统包括损失运动系统。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述第一气门驱动子系统包括具有摇臂比的摇臂，所述第二气门驱动子系统包括具有液压比的主活塞和从活塞。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述液压比小于所述摇臂比。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述第一气门驱动子系统包括摇臂，该摇臂具有用于接触所述运动传递装置的第一端，以及用于接触所述发动机气门的第二端。
11.如权利要求10所述的系统，其中在所述摇臂的第二端和所述发动机气门之间形成间隙。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述摇臂的第二端包括用于接受所述第二气门驱动子系统的叉。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述第二气门驱动子系统包括：
外壳；
主活塞，可滑动地放置在所述外壳内形成的第一镗孔里；以及
从活塞，可滑动地放置在所述外壳内形成的第二镗孔里，
其中所述主活塞通过液压通道能够工作地连接到所述从活塞。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述运动传递装置用于提供运动给同一个气缸的发动机气门。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述运动传递装置包括凸轮，该凸轮具有用于为主排气气门事件传递运动的第一凸角，以及用于为废气再循环事件传递运动的第二凸角。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述运动传递装置还包括能够工作地连接所述凸轮和所述第一气门驱动子系统的推管总成。
17.一种在发动机内提供废气再循环的方法，所述方法包括以下步骤：
给第一气门驱动子系统和第二气门驱动子系统提供发动机气门机件运动；
在第一发动机工作条件期间，利用所述第一气门驱动子系统和所述第二气门驱动子系统为主排气事件提供气门驱动，并且利用所述第一气门驱动子系统提供废气再循环事件；以及
在第二发动机工作条件期间，利用所述第一气门驱动子系统为主排气事件提供气门驱动。
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