具有多重副活塞的气门致动系统.pdf

公开了利用液压气门致动系统致动发动机气门的系统和方法。气门致动系统包括主活塞以及两个副活塞，其中所述副活塞滑动安置在设于壳体中的孔中。主活塞以及两个副活塞通过液压回路连接在一起。施加于主活塞的直线运动经由液压回路传递至两个副活塞。反过来，这两个副活塞可直接或借助于中间气门横臂致动一个或多个发动机气门。可设置阀座装置以在气门致动系统适于提供可变气门致动的实施例中有助于坐靠发动机气门。

1.  一种气门致动系统，包括：
壳体，其包含第一副活塞孔、第二副活塞孔、以及适于向所述第一副活塞孔和所述第二副活塞孔提供液压流体的通道；
滑动安置在所述第一副活塞孔中的第一副活塞以及滑动安置在所述第二副活塞孔中的第二副活塞；
操作性连接至所述壳体通道的主活塞；以及
操作性连接至所述壳体通道的液压流体控制阀。

2.  根据权利要求1所述的气门致动系统，其特征在于，还包括设置在(i)所述第一副活塞和所述第二副活塞与(ii)第一发动机气门和第二发动机气门之间的气门横臂。

3.  根据权利要求1所述的气门致动系统，其特征在于，还包括设置在所述壳体通道中的阀座装置。

4.  根据权利要求3所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置包括：
液压流体开口，其适于提供(i)所述壳体通道与(ii)所述第一副活塞孔和所述第二副活塞孔之间的液压连通；
用于选择性关闭所述液压流体开口的装置。

5.  根据权利要求3所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置大致安置在所述第一副活塞的正上方。

6.  根据权利要求5所述的气门致动系统，其特征在于，所述第二副活塞具有比所述第一副活塞更大的质量。

7.  根据权利要求3所述的气门致动系统，其特征在于，至少一个副活塞整个都是实心的。

8.  根据权利要求3所述的气门致动系统，其特征在于，还包括设置在(i)所述第一副活塞和所述第二副活塞与(ii)第一发动机气门和第二发动机气门之间的气门横臂。

9.  根据权利要求1所述的气门致动系统，其特征在于，还包括：
在所述第一副活塞与所述第二副活塞之间延伸的叉臂；以及
安置在所述叉臂与所述壳体之间的阀座装置。

10.  根据权利要求9所述的气门致动系统，其特征在于，所述第一和第二副活塞包括用于在所述副活塞滑动进入所述对应的第一和第二副活塞孔中时接合所述叉臂的装置。

11.  根据权利要求9所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置连接至所述叉臂。

12.  根据权利要求9所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置连接至所述壳体。

13.  根据权利要求2所述的气门致动系统，其特征在于，还包括安置在所述气门横臂与所述壳体之间的阀座装置。

14.  根据权利要求13所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座连接至所述气门横臂。

15.  根据权利要求13所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置连接至所述壳体。

16.  根据权利要求13所述的气门致动系统，其特征在于，还包括：
从所述气门横臂向上延伸的引导构件；以及
设置在所述壳体中的引导孔，所述引导孔包括端壁，并且适于接收所述引导构件，
所述阀座装置安置在所述引导构件与所述引导孔的端壁之间。

17.  根据权利要求16所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置连接至所述引导构件。

18.  根据权利要求16所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置连接至所述引导孔的端壁。

19.  根据权利要求1所述的气门致动系统，其特征在于，所述第一副活塞在第一发动机气门之上沿轴向对正，而所述第二副活塞在第二发动机气门之上沿轴向对正。

20.  根据权利要求2所述的气门致动系统，其特征在于，所述第一副活塞和所述第二副活塞安置在所述气门横臂之上，位于相对于所述气门横臂接触所述第一发动机气门和所述第二发动机气门的位置的中央位置。

21.  根据权利要求1所述的气门致动系统，其特征在于，所述气门致动系统是可变气门致动系统。

22.  根据权利要求1所述的气门致动系统，其特征在于，所述气门致动系统是固定正时气门致动系统。

23.  一种利用包括与两个或多个副活塞液压相连的主活塞的系统而致动内燃机中的两个或多个发动机气门的方法，包括以下步骤：
使得所述主活塞作直线运动；
使得所述两个或多个副活塞响应于所述主活塞而作直线运动；
响应于所述两个或多个副活塞的运动而致动所述两个或多个发动机气门；并且
在所述发动机气门到达气门座时，利用液压力抵抗着所述两个或多个副活塞的直线运动而使所述两个或多个发动机气门坐靠。

24.  一种发动机气门致动系统，包括：
气门系元件；
操作性接触所述气门系元件的主活塞；
多个副活塞，它们通过液压回路与所述主活塞相连；
操作性连接至所述液压回路的可变气门致动触发阀；以及
操作性接触所述多个副活塞的一个或多个发动机气门元件。

25.  根据权利要求24所述的发动机气门致动系统，其特征在于，所述一个或多个发动机气门元件包括气门横臂。

26.  根据权利要求24所述的发动机气门致动系统，其特征在于，所述一个或多个发动机气门元件包括发动机气门杆。

27.  根据权利要求24所述的发动机气门致动系统，其特征在于，所述多个副活塞包括三个或更多个副活塞。

28.  根据权利要求3所述的气门致动系统，其特征在于，所述阀座装置集成在所述第一副活塞中。

具有多重副活塞的气门致动系统
技术领域
本发明涉及用于致动内燃机中的气门的系统和方法。更具体地讲，本发明涉及用于液压致动发动机气门的系统和方法。
背景技术
内燃机中的气门致动是必须的，以便发动机产生正向动力(positive power)，并且还可用于提供发动机的制动。通常，发动机气门可依据凸轮的旋转而被致动。凸轮上的一个或多个凸起可直接使发动机气门移位，或作用在一个或多个气门系元件上，例如推管(push tube)、摇臂、或者将凸轮与发动机相连的其它机械元件。在产生正向动力期间，进气门可打开以允许空气以及有时候燃油进入气缸燃烧。进气门可打开以允许废气再循环(EGR)回到进气歧管中。在主要排气或发动机制动的情况下、以及对于EGR而言，排气门可打开以允许燃烧气体从气缸排出。
在发动机制动过程中，排气门可选择性打开以至少临时地将压燃型内燃机转变成空气压缩机。可以通过以下方式实现该空气压缩机的效果，即对于减压制动，在邻近活塞上止点的位置猛然打开一个或多个排气门，或者对于泄放型制动，在大部分或全部活塞运动中将一个或多个排气门保持在猛然打开位置。为此，发动机产生迟滞马力以有助于车辆减速。这可为操作者提供对于车辆的增加的控制，并且显著减小车辆的伺服制动器上的磨损。正确构造以及调整的发动机制动可产生迟滞马力，其是在输出正向动力期间由发动机产生的操作马力的显著一大部分。
对于正向动力以及发动机制动这两个应用而言，发动机气缸的进气门和排气门可通过发动机中的固定轮廓凸轮被打开和关闭，并且更具体地讲通过一个或多个固定凸起而完成，其中所述固定凸起可以是每个凸轮的一体部分。固定轮廓凸轮的使用使得更难调整对于最佳气门打开所需的发动机气门行程以及用于诸如不同的发动机速度的各种不同的发动机操作状态的发动机气门行程的时间和/或量。
一种针对固定凸轮轮廓调整气门时间和行程的方式是在气门与凸轮之间的气门系联接装置中采用“空动”装置。空动是针对用于调整由凸轮轮廓与可变长度的机械、液压或其它联接装置所限定的气门运动的一系列技术方案的术语。一些空动系统可适于选择性地基于发动机的循环周期改变空动的量和/或在发动机操作过程中提供不止两个级别的气门致动，并且被称为可变气门致动(VVA)系统。
一些空动液压气门致动系统，无论它们是否是VVA系统，可包括两个液压联动式活塞；主活塞和副活塞(随动活塞)。主活塞和副活塞可以是细长的圆柱形结构，其适于滑入和滑出公共壳体中的孔，其中所述壳体包括有连接两个孔的液压通道。用于致动发动机气门的运动、例如凸轮运动被输入至主活塞。由凸轮凸起所致的主活塞的移动经由连接这两个活塞的液压联接装置被传递至副活塞。在主活塞运动的足够多的量被传递至副活塞时，连接至副活塞的发动机气门可被致动。
螺线管操纵阀(solenoid valve)可连接在主活塞与副活塞之间的液压联接装置上。螺线管操纵阀可选择性地打开以从液压联接装置排放流体，这可防止主活塞运动被传递至副活塞。VVA与非VVA空动系统之间的一个主要区别是可从主活塞与副活塞之间的液压联接装置排放流体并且对其重新填充的螺线管操纵阀的速度。VVA系统经常具有“高速”触发阀，其用于这种功能，以便基于发动机的循环周期调整气门正时。
在一些空动液压气门致动系统中，副活塞可用于一次打开不止一个发动机气门。例如，许多发动机在每个气缸中采用两个或多个排气门以及两个或多个进气门。单独的副活塞可用于通过经由气门横臂作用而致动多个排气门或多个进气门。打开发动机气门所需的力可以是显著大的，尤其在排气门被打开用于减压型发动机制动时。打开发动机气门所需的、主活塞与副活塞之间的液压联接装置中的压力是与副活塞的直径有关。副活塞的直径越大，则施加特定气门致动力所需的液压联接装置中的液压压力就越低。对于主活塞与副活塞之间的液压联接装置中的增加的压力可采用更厚以及更重的壳体壁，在气门致动系统部件上设置更高的应力，在联接装置中产生更大的压力振荡，和/或可使得系统更易受到泄漏和失效影响。
因此，需要一种液压气门致动系统，其可在系统的液压回路中产生较低和/或更加平稳的压力。理论上，液压回路中的较低和更加平稳的压力可通过增加副活塞的直径而获得。然而，对于可用于液压气门致动系统中的副活塞的尺寸有限制。这种限制由现代发动机的空间限制而被加强。因此，需要一种液压气门致动系统，其在系统液压回路中产生较低和/或更加平稳的压力，而同时满足发动机的部件尺寸限制。
正如以上所述，许多发动机在每个发动机气缸中采用多个进气门和排气门。利用单个副活塞的公知的液压气门致动系统已经需要使用气门横臂以将气门致动运动传递至多个发动机气门。包括气门横臂的需求可增加气门致动系统的复杂性、成本以及空间要求。因此，需要一种气门致动系统，其中副活塞致动以无需气门横臂的方式传递至不止一个发动机气门。
发明内容
针对前述的任务，本申请人已经开发出一种新颖的发动机气门致动系统，包括：壳体，其包含第一副活塞孔、第二副活塞孔、以及适于向所述第一副活塞孔和第二副活塞孔提供液压流体的通道；滑动安置在所述第一副活塞孔中的第一副活塞以及滑动安置在所述第二副活塞孔中的第二副活塞；操作性连接至所述壳体通道的主活塞；以及操作性连接至所述壳体通道的液压流体控制阀。
本申请人也已经开发出利用包含与两个或多个副活塞液压相连的主活塞的系统而致动内燃机中的两个或多个发动机气门的新颖的方法，其包括以下步骤：使得主活塞作直线运动；使得两个或多个副活塞依据主活塞作直线运动；依据所述两个或多个副活塞的运动而致动所述两个或多个发动机气门；通过在发动机气门到达气门座时液压抵抗两个或多个副活塞的直线运动而坐靠所述两个或多个发动机气门。
本申请人仍进一步已经开发出了一种新颖的发动机气门致动系统，包括：气门系元件；操作性接触所述气门系元件的主活塞；通过液压回路与主活塞相连的多个副活塞；操作性连接至液压回路的可变气门致动触发阀；以及操作性接触所述多个副活塞的一个或多个发动机气门元件。
应该理解的是，前述概要说明以及随后的详细说明这两者仅仅是示意性和解释性的，并不对所要求权利的本发明作出限制。
附图说明
为了有助于理解本发明，现在将参看附图，其中相同的附图标记代表相同的元件。附图仅仅是示意性的，并且不应构成限制本发明。
图1是根据本发明第一实施例的结构的气门致动系统的示意图；
图2是根据本发明第二实施例的结构的气门致动系统的示意图；
图3是根据本发明第三实施例的结构的气门致动系统的示意图；
图4是根据本发明第四实施例的结构的气门致动系统的示意图；
图5是用于与图3所示的气门致动系统相连的叉臂的俯视图。
具体实施方式
现在将针对本发明的不同的实施例详细说明，第一实例示于图1中。针对图1，示出了液压气门致动系统10。在Cummins的美国专利No.3220392中公开了公知的液压气门致动系统的实例，该美国专利全文结合在此引作参考。再次参看图1，气门致动系统10可操作性地连接至用于实施运动的装置30(例如凸轮、摇臂、推管等)以及两个或多个发动机气门40。所述两个或多个发动机气门40可与相同的发动机气缸相连，并且可以是相同类型的气门。例如，发动机气门40可以都是与公共发动机气缸相连的排气门，或者可以都是与发动机气缸相连的进气门。
气门致动系统10可包括壳体12，其包含一个或多个内部液压通道14。第一副活塞16和第二副活塞18分别可滑动地安置在设于壳体12中的第一副活塞孔和第二副活塞孔中。第一副活塞16和第二副活塞18可在它们各自的孔中来回滑动，而同时保持与壳体12的液压密封。主活塞20可滑动地安置在设于壳体12中的主活塞孔中，从而所述主活塞可在其孔中来回滑动，而同时保持与壳体12的液压密封。应该清楚的是，在系统的正常操作过程中，相对小量的液压流体可通过副活塞和主活塞流出。副活塞孔和主活塞孔可经由液压通道14彼此相互液压连通。液压流体可经由端口15提供给液压通道14，并且在某些实施例中，可经由端口15从液压通道14排出。第一副活塞16和第二副活塞18可与在发动机气门40之间延伸的气门横臂42接触。气门横臂42被示出为一种“浮式”横臂；然而，应该清楚的是，在可选实施例中，所述气门横臂可包括引导结构。
气门致动系统10可用于选择性将打开气门的动作从用于实施运动的装置30传递至发动机气门40。气门致动系统10的使用是通过经由端口15将液压流体提供给系统而初始化的，从而液压通道14充满低压流体。用低压流体充满液压通道14可使得副活塞16和18以及主活塞20向外指向并且分别接触气门横臂42和用于实施运动的装置30。在液压通道14充满低压流体之后，第一副活塞16与第二副活塞18之间可存在的任何空隙空间可被占据或减小。在液压通道14被充满之后，主活塞20以及第一副活塞16和第二副活塞18可被液压锁定。由用于实施运动的装置30施予主活塞20的向上运动经由通道14中的液压流体传递至第一副活塞16和第二副活塞18。结果，第一副活塞16和第二副活塞18可被向下推动抵靠着气门横臂42和发动机气门40，从而发动机气门被打开。第一副活塞16和第二副活塞18的形状和尺寸可被设置成它们由于主活塞20的运动而一起一致地向下移动相同的量。
主活塞20以及第一副活塞16和第二副活塞18的相关的直径可被选择成提供期望的液压比，其将主活塞在其孔中的直线位移与第一副活塞和第二副活塞在它们各自的孔中的相应的直线位移相关联。在本发明的优选实施例中，所述系统可采用增加的副活塞面积，其仍可被包括在顶置结构中。较大的副活塞面积可需要较大的主活塞面积和/或从用于实施运动的装置30的增加量的行程以保持正确的气门动作行程轮廓。
在图2中示出了本发明的第二实施例，其中相同的附图标记代表相同的元件。图2中所示的气门致动系统10适于提供可变气门致动，并且包括内部阀座装置60，液压流体控制阀(优选触发阀)70，以及蓄能器80，除此之外还包括结合图1上述的那些元件。与图2所示相似的可变气门致动系统(除了副活塞的结构以外)在2003年4月8日提交的美国专利申请No.10/408254中被详细说明，并且该美国专利申请全文结合在此引作参考。
继续参看图2，触发阀70和蓄能器80适于选择性地从液压通道14排放液压流体。通过选择性地从液压通道14排放液压流体和/或向液压通道14添加流体，第一副活塞16和第二副活塞18的运动可从其通道14已经充满之处调整。选择性排放和添加液压流体的作用使得发动机气门40比液压通道14充满时更晚地打开和/或更早地关闭。
继续参看图2，用于实施运动的装置30可包括凸轮32、推管34、以及摇臂36。凸轮32的转动使得凸轮上的一个或多个凸起依次移动摇臂36、推管34、以及主活塞20。主活塞20的移动使得第一副活塞16和第二副活塞18向下移动以打开发动机气门40。实施运动装置30的各元件可被构造为提供发动机气门40的预定打开和关闭这两者。预定关闭运动可由凸轮32上的凸角的形状限定。这些凸角可以被成形为包括气门座轮廓，从而只要可变气门致动系统10直接响应凸轮，则发动机气门40被相对稳定地坐靠。
然而，在触发阀70和蓄能器80被用于调整预定的打开和/或关闭次数时，第一副活塞和第二副活塞可不经受凸轮32的气门座轮廓。在这些情况中，阀座装置60可有助于坐靠发动机气门40。更具体地讲，如果在气门40打开时触发阀70被致动以允许流体从一个或多个通道14流至蓄能器80，则发动机气门40在气门弹簧41的作用下将快速朝向它们各自的气门座前进。在发动机气门40向它们的气门座移动时，副活塞16和18被向上推，并且流体被推出副活塞孔，进入一个或多个通道14，经过触发阀70并进入蓄能器80。为了减小发动机气门40与它们的气门座的冲击，阀座装置60可节流(优选逐渐地)流体从副活塞孔流至一个或多个通道14。
在Vorih等人的美国专利No.6510824、Vanderpoel等人的美国专利No.6474277、Schwoerer等人的美国专利No.6302370、2002年9月23日提交的申请号为No.10/251748、公开号为No.20030098000的美国专利申请、以及2003年4月8日提交的美国专利申请No.10/408254中描述了可用于辅助坐靠发动机气门的阀座装置的实例，以上各专利文献全文结合在此引作参考。
在发动机气门40到达它们的气门座时，阀座装置60可逐渐关闭经过其的液压流体的流动。在第一副活塞向上移动时，由于第一副活塞16向上平移阀座装置60的一部分，所以可关闭液压流体的流动。作为阀座装置60关闭经过其流体流动的结果，副活塞孔中的液压压力增加。副活塞孔中的增加压力抵抗着第一副活塞16和第二副活塞18的向上运动，并因而抵抗着发动机气门的向上运动，同时使得发动机气门比如果不这样的话更加缓和地坐靠。
在图2所示的本发明的实施例中，设置单个阀座装置60以用于第一副活塞16和第二副活塞18这两者。阀座装置60安置在第一副活塞16之上，并且第一副活塞接触阀座装置。在单个阀座装置由多个副活塞中的一个副活塞致动的实施例中，可期望的是制造使得不致动阀座装置的副活塞比致动阀座装置的副活塞更重。例如，在图2所示的实施例中，第一副活塞16可包括内部中空的活塞，而第二副活塞18可由整体为实心的材料构造。
继续参看图2，还期望的是，将第一副活塞16和第二副活塞18紧密地安放在一起。副活塞彼此相互紧密安放可减小致动发动机气门所需的高压液压流体回路的容积。相对小的高压回路可改进阀座装置60的液压顺应性以及性能。在包括气门横臂42的、本发明的优选实施例中，副活塞的轴向中心可安置在发动机气门杆之上或位于沿所述两个发动机气门杆之间的气门横臂上的位置。在不包括气门横臂的、本发明的优选实施例中，副活塞的轴向中心可直接安置在对应的发动机气门杆之上。
在图3中示出了本发明的第三实施例，其中相同的附图标记代表相同的元件。第一副活塞16和第二副活塞18可直接作用在每个单独的发动机气门40上。第一副活塞16和第二副活塞18还可分别包括周向台肩或凸缘19。叉臂50可在第一副活塞与第二副活塞之间延伸。叉臂50(图5中俯视图所示)可适于接合第一副活塞16与第二副活塞18的凸缘19。阀座装置60可安置在叉臂50与壳体12之间。阀座装置60可包括任何机械装置(例如弹簧)、液压装置、机电装置、磁性装置、气动装置或可在发动机气门达到它们的气门座时减慢所述发动机气门的其它装置。
叉臂50可提供一种用于依据第一副活塞16和第二副活塞18的向上平移而致动阀座装置60的措施。阀座装置60可从叉臂50向上延伸(如图所示)，或从壳体12向下延伸(未示出)。在每种情况中，阀座装置60安置在叉臂50与壳体12之间。随着副活塞16和18向上行进并且发动机气门40到达它们的气门座，叉臂50也向上行进，从而阀座装置60接合壳体12，并抵抗着副活塞的向上运动。对于副活塞的向上运动的抵抗可使得发动机气门40比如果不这样的话更加缓和地坐靠。
图4中示出了本发明的第四实施例，其中相同的附图标记代表相同的元件。图4中所示的气门致动系统10与图1所示的不同之处在于，其包括气门横臂引导部分44，其中所述气门横臂引导部分从气门横臂42向上延伸进入壳体12的引导孔中。引导部分44可有助于引导气门横臂42的竖直平移，从而平衡发动机气门的致动。阀座装置60可设置在引导部分44的上侧端部与引导孔的端部之间。随着发动机气门40朝向它们的气门座向上平移，气门横臂42和引导部分44也向上平移。随着发动机气门到达它们的气门座，阀座装置60增加引导孔中的液压压力，从而气门横臂42抵抗着发动机气门的关闭运动，并且如期望的那样坐靠着发动机气门。
图1至4所示的气门致动系统10可致动进气门、排气门或辅助发动机气门40以产生各种不同的发动机气门动作，例如废气再循环、主进气、主排气、压缩释放制动、和/或泄放制动，但不限于此。气门致动系统10可依据液压流体对液压通道14的供应和排放而在对于发动机气门的传递运动与不传递运动的模式之间切换。用于对诸如图1至4所示的气门致动系统10的供应和排放液压流体进行控制的方法和装置是公知的。在Yang等人的美国专利No.6647954、Vorih等人的美国专利No.6550433、Vorih等人的美国专利No.6510824、Janak的美国专利No.6415752、Vorih等人的美国专利No.6321701以及Vorih等人的美国专利No.6257183中说明了这种方法和装置的实例，并且这些美国专利文献全文结合在此引作参考。
此外，针对在此所述的本发明的各个不同的实施例，应该理解的是，实施运动的装置30可包括凸轮、推管、和/或摇臂、或它们的等价物的任何组合，其中所述等价物适于实施气门致动系统10中的主活塞20运动。还应该理解的是，在本发明的可选实施例中，气门致动系统10可包括适于将实施运动的装置30液压连接至发动机气门40的任何结构，并且其包括作用在发动机气门或者相同的发动机气缸或不同的发动机气缸的气门上的两个或多个副活塞。
还应该理解的是，气门致动系统10可以操作性连接至用于向系统并且从系统供应液压流体的任何装置。该供应装置可包括用于调整回路中的流体的压力或量的装置，例如触发阀、控制阀、蓄能器、单向阀、流体供应源，和/或用于从回路排放流体、向回路增加液压流体或者控制回路中流体流动的其它装置。此外，气门致动系统10可与任何内燃机一起使用。例如，气门致动系统10可与柴油发动机、汽油发动机、双燃料发动机、和/或天然气发动机一起使用。
在附图中所示的本发明的每个实施例仅仅包括用于多个副活塞的一个阀座装置。然而，应该理解的是，在本发明的可选实施例中，可针对多个副活塞中的每个副活塞设置阀座装置。
对于本领域技术人员清楚的是，在不脱离权利要求书的精神和范围的前提下，可以对在此所述的本发明的实施例进行改型和修改。例如，在不脱离权利要求书的范围的前提下，可改变主活塞、副活塞、阀座装置以及其它气门致动部件的形状、尺寸、结构以及布置。