可變氣門驅動的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本文旨在介紹發(fā)動機的氣門驅動(VA)系統(tǒng)，包括至少兩個連接到發(fā)動機曲軸的液壓旋轉閥；由至少兩個液壓旋轉閥驅動的至少一個液壓執(zhí)行器；和一個用于將液壓油供應到至少兩個液壓旋轉閥中的一個的高壓液壓油源；發(fā)動機曲軸帶動至少兩個液壓旋轉閥運動，使液壓油流到至少一個液壓執(zhí)行器，驅動發(fā)動機氣門。
【專利說明】可變氣門驅動的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]總體而言，本文與氣門機構系統(tǒng)有關。更具體地說，與可變氣門的驅動系統(tǒng)和方法有關。
【背景技術】
[0002]提升式氣門可在內燃機中使用，用于打開和關閉發(fā)動機汽缸蓋上的進氣口和排氣口。這種氣門通常包括一個平圓盤，平圓盤錐形邊緣的一端以剛性方式連接到一根長桿(稱為氣門桿，柄)上。在打開和關閉氣門期間，氣門桿用于將氣門從錐形座下推或上拉。止動彈簧通常用于在氣門桿未被上推時關閉氣門。在傳統(tǒng)的氣門機構系統(tǒng)中，通過使用凸輪隨動機構推動氣門桿，將氣門從其氣門座上提起來。凸輪輪廓及其相對于凸輪隨動件的位置決定氣門的平移運動及其打開和關閉定時。在傳統(tǒng)設計中，凸輪軸的位置離曲軸較近，凸輪隨動件的平移運動通過推桿或搖臂傳遞到氣門桿。該機制在V型發(fā)動機中的應用非常普遍，可通過一個共同的凸輪軸驅動兩個氣缸組的氣門。
[0003]在傳統(tǒng)設計中，發(fā)動機中的能量損失非常大。凸輪通常固定在凸輪軸上，所以旋轉速度與凸輪軸相同。凸輪軸通過一個中間機構(如鏈條、齒輪或皮帶)從發(fā)動機曲軸獲得旋轉動力。在四沖程發(fā)動機中，凸輪軸速度是曲軸速度的一半，而在二沖程發(fā)動機中，二者的速度相同。
[0004]凸輪氣門機構系統(tǒng)不但缺乏靈活性，而且由于凸輪輪廓的受限，發(fā)動機氣門最小開啟角度(β)也有限制。在帶平面隨動機構的凸輪中，凸輪的負半徑曲率無法調節(jié)，限制了特定凸輪尺寸的凸輪最小上升或下降角度(β/2)。
[0005]通過可變氣門驅動系統(tǒng)(VA)可顯著改善功率密度、容積效率、排放和油耗。
[0006]VA系統(tǒng)一般分為兩種:無凸輪氣門機構和凸輪氣門機構。在無凸輪氣門機構系統(tǒng)中，發(fā)動機曲軸和氣門機構之間沒有機械連接。較凸輪氣門機構而言，這種系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是氣門正時和氣門升程具有很大的靈活性。機電氣門機構、電動液壓氣門機構和電動氣動氣門機構都屬于這種類型。雖然這些都是靈活性最高的氣門驅動系統(tǒng)，但成本高、可靠性低(即不具有故障安全性)、功耗高(轉速為5000rmp時，16氣門發(fā)動機的功率大于2.2kW)、回位速度OlOOmm.S-1)和控制復雜性高(需要使用響應速度低于3ms的超高速驅動器)的缺點使其無法在批量生產的發(fā)動機中使用。
[0007]與無凸輪氣門機構相反，凸輪VA系統(tǒng)是以機械方式連接到發(fā)動機曲軸。由于凸輪氣門機構具有較高的可靠性、耐久性、可重復性和魯棒性，這種系統(tǒng)已在批量生產的發(fā)動機中廣泛設計和使用。與現(xiàn)有的無凸輪系統(tǒng)相比，凸輪氣門機構的主要缺點是靈活性受限，機械復雜程度較高。
[0008]凸輪相位器是用于氣門正時的標準機構。使用該機構，可以改變凸輪相對于曲軸的角位置，從而同時轉換氣門打開和關閉活動。但同時使用該機構，發(fā)動機氣門開啟總持續(xù)時間和升程也會保持不變。凸輪相位器分為油動、斜齒輪傳動、差動傳動、鏈條傳動、蝸輪傳動和行星齒輪傳動型。[0009]凸輪輪廓切換(CPS)是本田公司引進的另一項技術，可同步改善氣門正時、持續(xù)時間和升程。在該技術中，氣門運動在兩組不同的凸輪葉之間切換。發(fā)動機低轉速運轉時，低升程輪廓的凸輪與氣門桿嚙合，而在發(fā)動機高轉速運轉時，高升程輪廓的凸輪與氣門桿嚙合。凸輪之間的切換通過一個電動系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)實現(xiàn)。在該系統(tǒng)中，要實現(xiàn)兩個發(fā)動機轉速范圍期間所需的目標，凸輪輪廓為折中設置。
[0010]凸輪輪廓切換面臨的一個問題是，氣門運動僅在兩個特定的凸輪輪廓之間切換。但是，使用三維凸輪設計可使發(fā)動機在各種發(fā)動機運行條件下連續(xù)改變氣門正時、升程和持續(xù)時間。在該機構中，凸輪輪廓沿凸輪軸線連續(xù)變化，凸輪軸相對于隨動機構的軸向運動使一個具有不同輪廓的凸輪與隨動機構嚙合，促使氣門打開輪廓發(fā)生變化。Nagaya等人也綜合實施了三維凸輪機構和凸輪相位器，對氣門正時和氣門升程分別進行獨立控制。
[0011]電磁閥驅動系統(tǒng)一般由兩個磁體和兩個平衡彈簧組成。電磁閥的可動部件被連接到發(fā)動機氣門。當兩個磁體都關閉時，電樞通過平衡彈簧保持在線圈之間的中間位置。
[0012]發(fā)動機啟動時，頂部電磁鐵被激活，冋時上拉并固定電樞，勢能被存儲在止動彈黃中。要打開氣門，首先關閉頂部電磁鐵，存儲的能量被釋放并轉化為動能，將電樞推向下部電磁鐵。距離下部磁鐵小于I毫米時，可動部件保持不動。在氣門關閉階段，會重復類似的操作。由于磁力具有較高的非線性，這項技術要實現(xiàn)商業(yè)化應用還存在很多困難[30]。其中包括:著陸速度高(1500rmp時速度大于0.5m/sec)、過渡時間長(大于3.5msec)、功耗高于傳統(tǒng)的凸輪驅動系統(tǒng)，需要魯棒反饋控制，對缸內氣體壓力非常敏感。
[0013]基本的電動-液壓無凸輪氣門機構包括一個液壓缸、兩個電磁閥和兩個止回閥。在這種設計中，電磁閥和止回閥在氣門操作期間控制液壓缸高壓油的進出。通過使用一個附加油路，在活塞底部始終施加一個恒定的力，并且當高壓油從活塞頂部去除時，氣門返回其回位位置。通過控制電磁閥正時和打開持續(xù)時間，可以精確控制氣門正時、持續(xù)時間和升程。通過激活高壓電磁閥，高壓油被導入液壓缸。該高壓電磁閥的開啟持續(xù)時間決定了導入汽缸內腔的油量，進而決定了氣門升程量。激活低壓電磁閥，由于下部缸室中有高壓油，因此油從缸室上部排出。低壓電磁閥的開啟持續(xù)時間決定了閥門在其封閉系統(tǒng)中的移動距離。
[0014]與機電閥系統(tǒng)類似，需要使用閉環(huán)電子控制機制減少氣門的回位速度、過渡時間和循環(huán)變化。該WT系統(tǒng)面臨的一個問題是伺服閥的響應時間。由于電磁閥線圈電感和非線性的力與位移關系，電磁閥的最大工作頻率降低，導致系統(tǒng)在發(fā)動機高轉速時的性能較差。
[0015]發(fā)動機轉速增加時，所需的氣門動作時間顯著減少，因此氣門最小開啟角度受到限制。例如，當發(fā)動機轉速為6000rpm，總開啟角度為100°時，驅動過程的可用的時間大約為3ms (這幾乎超過了目前市場上高帶寬電磁閥的速度)。因此，電動液壓閥制造商都紛紛使用雙級機構(即，兩個導向閥)或超高頻驅動器(如壓電式驅動器)。
[0016]在電動-液壓VA系統(tǒng)中，系統(tǒng)的主要成本在于高速伺服閥，可用于控制油流向或流出液壓缸。高速伺服閥可分為一個數(shù)字三通閥和兩個比例閥。數(shù)字三通閥可將液壓油從高壓源導向液壓缸，或從液壓缸導向油箱。但是，雙向比例閥決定了氣門正時、氣門上升/下降持續(xù)時間、最終氣門升程和氣門速度。
[0017]Brader等人提出了一種以壓電堆取代螺線管傳動器的電動液壓氣門機構。本發(fā)明提出的系統(tǒng)可實現(xiàn)12.4mm的最大氣門升程和高達500Hz的帶寬頻率。在該機構中，從控制系統(tǒng)發(fā)出的電信號可促使壓電堆擴展。隨后，線性擴展可通過一個固鉸鏈機構傳遞到滑閥。使用該機構可以打破壓電堆中的位移限制，同時還可以維持其效率和工作頻率。使用該機構，壓電堆運動可從30 μ m增加到150 μ m，足夠驅動滑閥。
[0018]除了電動-液壓和電動-機械氣門機構系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一個電動-氣動可變氣門驅動系統(tǒng)。液壓和氣動機構的集成可使系統(tǒng)借助氣流最大限度地提高工作效率，因此在低氣壓下也可運行。為了減少能耗并控制氣門回位速度，該系統(tǒng)中還使用了一個液壓鎖。該機構能夠控制發(fā)動機所需的氣門升程、氣門正時以及開啟持續(xù)時間。
[0019]該系統(tǒng)的一個主要問題是它對缸內氣體壓力的高度依賴性。與液壓系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的運行壓力較低，而且氣體壓縮性、氣門開啟和關閉受到發(fā)動機缸內壓力的嚴重影響。因此，必須預先了解氣缸壓力和電磁閥的響應時間，以便預測精確的電磁閥啟動或關閉時間。電磁閥響應時間也限制了該系統(tǒng)的帶寬。

【發(fā)明內容】

[0020]本文的一個目的是消除或緩解上述發(fā)動機氣門系統(tǒng)的至少一個缺點。
[0021]一方面，本文為發(fā)動機提供了一種氣門驅動(VA)系統(tǒng)，包括至少兩個連接到發(fā)動機曲軸的液壓旋轉閥；由至少兩個液壓旋轉閥驅動的至少一個液壓執(zhí)行器；和一個將液壓油供應到至少兩個液壓旋轉閥中的一個的液壓油源；發(fā)動機曲軸帶動的至少兩個液壓旋轉閥運動使液壓油流到至少一個液壓執(zhí)行器，驅動發(fā)動機氣門。
[0022]另一方面體現(xiàn)在，它提供了一種通過液壓方式控制發(fā)動機氣門的方法，包括將加壓的液壓油供應到至少兩個液壓旋轉閥中的一個；通過一個發(fā)動機曲軸驅動至少兩個液壓旋轉閥；驅動至少兩個液壓旋轉閥導致至少兩個液壓旋轉閥中的一個將液壓油供應到液壓執(zhí)行器，在第一方向上驅動發(fā)動機氣門。
[0023]通過閱讀下文對特定實施例和附圖的說明，本領域技術人員將可以對本文其它方面及功能有明確的了解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]僅通過案例和參考附圖的方法對本文的實施例進行說明。
[0025]圖1為一個實施例中的可變氣門驅動系統(tǒng)流程圖。
[0026]圖2為一個實施例中的可變氣門驅動系統(tǒng)示意圖。
[0027]圖3A為一個實施例中的旋轉滑閥端視剖面圖。
[0028]圖3B為一個實施例中的旋轉滑閥側面剖視圖。
[0029]圖3C為一個實施例中的旋轉滑閥剖視透視圖。
[0030]圖4為一個實施例中的差分相移器側視圖。
[0031]圖5為一個實施例中帶氣門升程控制機構的可變氣門驅動系統(tǒng)示意圖。
[0032]圖6為一個實施例中帶能量回收系統(tǒng)的可變氣門驅動系統(tǒng)示意圖。
[0033]圖7為一個實施例中的發(fā)動機氣門排量圖
[0034]圖8顯示了使用可變氣門驅動系統(tǒng)控制發(fā)動機氣門升程的實驗結果。
[0035]圖9為功率對比圖；[0036]圖10為一個實施例中配備可變氣門驅動系統(tǒng)的16氣門發(fā)動機透視圖；
[0037]圖11為氣門驅動系統(tǒng)另一個實施例的不意圖。
【具體實施方式】
[0038]總體而言，本發(fā)明提供了一種可變氣門驅動的系統(tǒng)和方法。在汽車發(fā)動機應用中，氣門系統(tǒng)能夠精確控制發(fā)動機氣缸每個循環(huán)中進排氣量。傳統(tǒng)的凸輪隨動件機構已成為實現(xiàn)發(fā)動機氣門驅動的主要方式。在凸輪系統(tǒng)中，發(fā)動機氣門的開啟和關閉都有固定的升程和正時，可以在不同的速度范圍內保證氣門運行準確可靠。但發(fā)動機并不是在整個速度和負荷范圍內都可以最高效性能運行。因此汽缸中氣流的動態(tài)特性在不同的操作條件下有所不同，如果給定設計目標，固定氣門正時始終是折中設置。因此，為了達到其他要求(如最大功率和扭矩)，犧牲了一些有優(yōu)勢的性能特性(如最低排放或燃油消耗)。
[0039]改變發(fā)動機氣門活動持續(xù)時間、正時和/或升程是一種能改進發(fā)動機性能、降低尾氣排放的方法。優(yōu)化所有發(fā)動機負荷和速度范圍的發(fā)動機氣門正時可極大提高發(fā)動機效率、功率、扭矩、平滑度和潔凈度。使用可變氣門正時系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機效率比一般駕駛工況最少提聞了 15%,而且估計還有聞達20%的提升潛力。
[0040]在不同類型的發(fā)動機中應用靈活發(fā)動機氣門驅動技術具有一定優(yōu)勢。對于汽油發(fā)動機而言，全開節(jié)氣門(WOT)通過控制進氣門的開啟持續(xù)時間，減少泵送損失，并且通過控制進氣門關閉(IVC)，提高不同速度條件下的制動平均有效壓力(BMEP)。對于柴油發(fā)動機而言，通過優(yōu)化進氣門關閉和排氣門開啟持續(xù)時間，關閉氣缸并提高發(fā)動機扭矩、提高渦輪增壓器效率，通過內部排氣再循環(huán)(iEGR)減少Nox排放量，通過溫度變化提高催化劑效率，并通過優(yōu)化進氣填充減少顆粒物(PM)。空氣混合動力發(fā)動機有三種運行模式，即再生制動、氣動馬達和傳統(tǒng)燃燒模式。
[0041]傳統(tǒng)的可變發(fā)動機氣門驅動系統(tǒng)(VA)可分為凸輪型或無凸輪型。凸輪VA的控制自由度有限，并且非常復雜，必須采用笨重且昂貴的機械系統(tǒng)。反之，由于使用了發(fā)動機獨立驅動器，無凸輪氣門機構則具有了無限可編程的發(fā)動機氣門運動靈活性；但同樣也需要使用復雜的控制系統(tǒng)，以保證無凸輪氣門機構正常運行。影響這種系統(tǒng)應用于批量生產發(fā)動機的其它重要因素包括可靠性低、可重復性差、發(fā)動機氣門回位速度高和功耗高等。
[0042]圖1是液壓氣門驅動系統(tǒng)(VA)的示意圖。VA系統(tǒng)100連接到發(fā)動機曲軸102(典型的無凸輪系統(tǒng)，連接到一對移相器114上，該移相器又連接到單獨的液壓旋轉閥上，在當前實施例中是液壓旋轉滑閥108和109)。移相器114可通過獨立的電動馬達116控制或通過單個電動馬達116控制。在另一個實施例中，發(fā)動機曲軸可直接連接到液壓旋轉閥108和109上，如圖11中所示。
[0043]旋轉滑閥108和109可以是任何具有旋轉輸入和交替液壓控制輸出功能的氣門，而且在一個實施例中，使用了一個高壓旋轉滑閥或HPSV (氣門108)和一個低壓旋轉滑閥或LPSV(氣門109)。HPSV108連接到一個高壓液壓油源110上，而LPSV109連接到一個低壓液壓源或一個油箱112上。在另一個實施例中，油箱112和高壓流體源110可能是同一個部件。在運行中，高壓液壓油源110為HPSV108提供液壓油，而低壓液壓油源112從LPSV109接收液壓油。兩個旋轉滑閥108和109也連接到一個液壓執(zhí)行器或液壓汽缸106上(如一個單作用彈簧復位液壓缸，與發(fā)動機氣門104相連)。在圖1的實施例中，液壓執(zhí)行器通過耦合器107耦合到氣門104，或者氣門104也可能集成在執(zhí)行器106中。如我們所理解的，液壓執(zhí)行器106驅動發(fā)動機120的發(fā)動機氣門104 (該氣門連接到液壓汽缸106的活塞)。
[0044]在運行中，旋轉滑閥108和109分別控制液壓汽缸的充氣和排氣，以下將對系統(tǒng)各運行階段進行說明。在一個實施例中，旋轉滑閥108和109的相位由單獨的移相器114控制，各移相器114可被視為一個差動齒輪箱。
[0045]在當前實施例中，VA系統(tǒng)100能夠在任何發(fā)動機轉速下(600-6000rpm)進行靈活的發(fā)動機氣門正時(0-720CA。)和升程(0-12mm)，而不會出現(xiàn)現(xiàn)有無凸輪氣門機構普遍存在的缺點(如控制復雜性高、可靠性低以及執(zhí)行器響應慢)。
[0046]圖2是單個發(fā)動機氣門的VA系統(tǒng)示意圖。如圖1所述，VA系統(tǒng)100由一個HPSV108和一個LPSV109組成。HPSV108和LPSV109負責為液壓執(zhí)行器或汽缸106充氣或排氣。在本實施例中，VA系統(tǒng)200還包括一個液壓系統(tǒng)(包括至少一個液壓泵111,該液壓泵將燃油從油箱112輸送到HPSV108，一個蓄液器124，滑閥108和109以及液壓缸106)。液壓泵也可以是高壓油源110的一個組成部分，可由曲軸通過齒輪箱128提供動力，其速度由電動馬達126控制。在當前實施例中，齒輪箱128連接到發(fā)動機曲軸102上。VA系統(tǒng)100也可包括一組單向閥130，以控制供應到液壓缸106和從液壓缸106上去除的液壓油的流向?？刂破?22也可以集成在系統(tǒng)100中，以通過電動馬達126控制移相器114。在一個實施例中，控制裝置122位于汽車發(fā)動機控制單元內部或與發(fā)動機控制單元配合。
[0047]在一種運行模式中，滑閥108和109從發(fā)動機曲軸102的運動或旋轉中獲得旋轉動力，在四沖程發(fā)動機中，滑閥速度設置為發(fā)動機轉速的一半。雖然滑閥108和109的速度和發(fā)動機轉速成正比，但可通過兩個差分移相器114單獨改變它們的相位，從而進一步加強對汽車電子控制單元(ECU)的系統(tǒng)控制。這些移相器114最好是電動型，并通過電動馬達116控制或提供動力，但也可以是液壓型。移相器114使角位置閥芯108和109能靈活改變。也就是說，可對滑閥108和109的輸出軸146的角位置(如圖3A所示)做出相對于其原來位置的改變，而不改變發(fā)動機的輸入/輸出速度比。
[0048]圖3A、3B和3C提供了一個實施例中旋轉滑閥的全方位視圖。旋轉滑閥140可作為系統(tǒng)100的旋轉滑閥108或109。圖3A是旋轉閥的前視圖，圖3B是旋轉閥的側視圖，而圖3C是旋轉閥內部零件的示意圖。
[0049]如圖3A中所示，旋轉滑閥140包括一個旋轉閥芯部分144和一個固定殼體142，分別有一個對應的開口 148和150。旋轉滑閥140的中間，氣門140的內室154內有連接到移相器114上的閥芯軸，或在沒有移相器114的情況下，可連接到曲軸102上。
[0050]如圖3b中所示，如果旋轉滑閥是HPSV108，固定殼體142也包括一個連接到油箱112上的第二開口 152，通過高壓液壓油源110接收來自油箱112的液壓油。在各旋轉閥中，開口 150連接到液壓缸106上，可將液壓油輸送到缸106，或接收來自缸106的液壓油。
[0051]在運行中，滑閥146轉動旋轉閥芯144，當兩個開口 148和150排成一行時，可使用旋轉閥140，使液壓油流進或流出內室154。
[0052]如圖3C中所示，旋轉滑閥140可以配備軸承158，協(xié)助閥芯軸146旋轉。旋轉滑閥140可以配備旋轉密封156，以確?；y140的內室154不泄露液壓油，并可以設計為增加滑閥流量，同時最大程度減少旋轉滑閥140的流體摩擦力和尺寸。
[0053]圖4所示為差分移相器114的實施例。移相器114包括一個太陽輪160，一個環(huán)形齒輪161和一個惰輪162。太陽輪160連接到差分移相器控制器116或電動馬達上。環(huán)形齒輪161連接到發(fā)動機120的曲軸102上，而惰輪162連接到閥芯軸146上。旋轉太陽輪導致閥芯軸146相對曲軸102旋轉，從而在曲軸102和閥芯軸146之間產生一個相移。該相移改變了曲軸102相對于發(fā)動機氣門104旋轉之間的關系。在實施例中，任何差動齒輪箱均可用于實現(xiàn)相移，從而改進汽車發(fā)動機的功能。
[0054]在使用中，每個發(fā)動機循環(huán)中的發(fā)動機氣門104運行可分為四個階段，如圖7所示。這些階段包括一個開啟階段或狀態(tài)402，一個保持開啟階段404，一個關閉階段406和一個保持關閉階段408。圖7展示了在兩個發(fā)動機周期內，當曲軸角為0-720時，發(fā)動機氣門因曲軸102旋轉產生的移位或升程410 (沿Y軸)。VA系統(tǒng)100可對獨立于其他402、404、406,408階段的運行階段402、404、406、408進行控制。
[0055]在開啟階段402期間，當曲軸102和發(fā)動機導致閥芯軸旋轉，使高壓滑閥(HPSV) 108的開口或閥芯槽148與套管口 150排成一行時，來自高壓液壓油源110的高壓液壓油流入液壓執(zhí)行器缸106，將活塞下推，驅動或打開氣門104。持續(xù)開啟階段或氣門開啟間隔，直到HPSV108的閥芯槽148和套管口 150之間沒有重疊區(qū)域，關閉從內室154到執(zhí)行器106的液壓油供給。據(jù)了解，旋轉閥芯軸146可控制何時將液壓油從HPSV108供給到執(zhí)行器106，以及何時關閉對液壓執(zhí)行器106的液壓油供應。此時，最終發(fā)動機氣門升程取決于HPSV開啟間隔或液壓油被供應到缸106的時長以及液壓油供應壓力。
[0056]在保持開啟階段404中，高壓旋轉滑閥108關閉后(或開口沒有重疊區(qū)域時)，液壓油被隔離在液壓執(zhí)行器106中的一個腔室中，發(fā)動機氣門104保持開啟，直到低壓旋轉滑閥(LPSV) 109打開，這時就到達關閉階段了。
[0057]在關閉階段406中，當LPSV109的閥芯端口 148與套管口 150由于曲軸旋轉以及LPSV的曲軸與旋轉滑閥146相連而排成一行時，液壓執(zhí)行器內的液壓油流入低壓液壓源或油箱112中。當液壓油流出缸106時，由于復位彈簧118的作用力，發(fā)動機氣門104開始關閉，或使用其它已知方法關閉。
[0058]當?shù)蛪盒D滑閥109關閉時(或LPSV109的兩個開口之間沒有重疊時)，發(fā)動機氣門關閉間隔或階段結束，此時，彈簧118的力應足以完全關閉發(fā)動機氣門104。液壓缸106也配備一個液壓墊，以防止接觸速度太高。在保持關閉階段408，當?shù)蛪夯y109關閉后，發(fā)動機氣門104保持關閉，直到HPSV109再次打開進入開啟階段。
[0059]雖然本文認為移相器可用可不用，具體視情況而定，但使用移相器114的確可控制各階段的正時和持續(xù)時間。
[0060]由于旋轉滑閥108和109的旋轉速度是發(fā)動機轉速的一半，因此氣門在每個發(fā)動機循環(huán)中僅開關一次。因此，發(fā)動機氣門工作頻率被動地取決于發(fā)動機的轉速；但是，可以通過對HPSV108和LPSV109進行移相，主動控制開啟、關閉時間和開啟持續(xù)時間。移相器空閑時，發(fā)動機氣門開啟和關閉時間保持恒定。
[0061]相對于現(xiàn)有系統(tǒng)，系統(tǒng)100的一個優(yōu)點是在任何工作條件下，氣門開/關正時都具有0-720°旋轉的靈活性；氣門升程的持續(xù)變化(O到最大允許氣門升程)不影響氣門正時；無需任何螺線管傳動器或伺服閥；成本更低，組件更簡單；而且是完全無故障的系統(tǒng)(出現(xiàn)電力故障或任何電氣元件故障時，系統(tǒng)100憑借固定的正時和升程繼續(xù)運行)。
[0062]圖5是本文另一個實施例中的VA系統(tǒng)500。VA系統(tǒng)500包括一對滑閥(HPSV508和LPSV509)以及一個可變壓力液壓動力單元570?？勺儔毫σ簤簞恿卧?70可在不同發(fā)動機轉速下幫助維持恒定的氣門升程。VA系統(tǒng)500的液壓動力單元570包括一個油箱572或油罐，一個正排量泵(如齒輪泵)和一個空氣儲液器576。泵574由發(fā)動機曲軸504借助一個機械變速器的作用力旋轉，該變速器的速度可通過一個可變速度齒輪箱進行細微調整。對泵574的速度進行調整，控制或實現(xiàn)氣門所需的升程。
[0063]泵574連續(xù)運轉時，如果因沒有液壓油從HPSV508釋放到缸506而導致HPSV508完全關閉時，系統(tǒng)上游壓力增加。在此期間，泵出的液壓油存儲在蓄液器576中。HPSV508開啟時，加壓的液壓油釋放到液壓缸506 (與液壓缸106相同)中，上游壓力減少。在本實施例中，積聚的壓力可取代系統(tǒng)100的高壓液壓源。
[0064]除了改進氣門正時控制，精確的發(fā)動機氣門升程控制在液壓氣門系統(tǒng)中也很有幫助，在液壓氣門系統(tǒng)中，發(fā)動機氣門升程很大程度上會受到上游壓力、發(fā)動機轉速和其它干擾的影響。這是為了在不同的操作條件下減少不必要的氣門關閉或氣門和發(fā)動機活塞之間的機械干擾。此外，它還具有以下幾個優(yōu)點，比如通過對進氣進行無節(jié)氣門控制，顯著降低泵送損失，并且也可通過改變發(fā)動機氣門升程(尤其是在低負荷發(fā)動機運行時)實現(xiàn)氣門關閉。
[0065]VA系統(tǒng)500還包括一個可變氣門升程控制器522，能協(xié)助助可控制供應壓力的升程控制技術達到所需的發(fā)動機閥門升程，例如，使用例泄放閥578升程控制法。在這種情況下，可對關閉HPSV時積聚的壓力進行更嚴格地控制。
[0066]和傳統(tǒng)的電動-液壓無凸輪氣門機構不同，VA系統(tǒng)500中，HPSV208開啟階段的持續(xù)時間和發(fā)動機轉速成正比，而且無法獨立修改；因此控制HPSV508上游壓力就可以控制最終的發(fā)動機氣門升程。因此，VA系統(tǒng)500可配備一個包括一個比例泄放閥578和排水管線580的升程控制結構。當泄放閥278打開時，一部分泵送的油回流到油箱272，從而減少泵的下游壓力。使用該技術，可在各種發(fā)動機轉速下實現(xiàn)更小的發(fā)動機氣門升程。
[0067]圖8所示為圖表800，展示了使用VA系統(tǒng)500控制發(fā)動機氣門升程的實驗結果。參考升程802就是系統(tǒng)的目標。另外還展示了 VA系統(tǒng)500的實際升程804和傳統(tǒng)電動-液壓VA系統(tǒng)806的升程。
[0068]圖6是另一個實施例中的VA系統(tǒng)600。在本實施例中，系統(tǒng)600包括一個能量回收系統(tǒng)682和一個HPSV608、一個LPSV609?？赏ㄟ^增加彈簧618的彈簧剛度或液壓活塞面積，減少系統(tǒng)對發(fā)動機周期-周期變化的敏感性。但是，這些設計參數(shù)數(shù)值的增加會導致系統(tǒng)功耗增加。為了減少系統(tǒng)功耗和抗干擾性之間的矛盾，我們引入了能量回收系統(tǒng)682。
[0069]由于液壓活塞面積、LPSV609的開啟角度、彈簧剛度和預負荷均恒定，因此發(fā)動機氣門604全閉角僅取決于發(fā)動機轉速。因此在VA系統(tǒng)600中，發(fā)動機轉速較低時會發(fā)生早期氣門關閉。事實上，在發(fā)動機低轉速時的發(fā)動機氣門關閉階段，只有一部分彈簧勢能被用于排泄液壓缸中的液壓油，其余的勢能通過氣門604和其氣門座之間的作用，或通過液壓墊(用于控制發(fā)動機氣門回位速度)的熱耗散浪費了。為了保存氣門關閉階段的剩余彈簧勢能，液壓動力單元配備了能量回收系統(tǒng)682。使用能量回收系統(tǒng)682，可使用耦合在主泵軸的副液壓泵684和兩個雙位閥686、688來改變主泵672上游壓力(液壓缸下游壓力)。對發(fā)動機氣門執(zhí)行器下游壓力進行調節(jié)，將多余的彈簧能量用于在發(fā)動機氣門運行期間維持主泵上游壓力。這將極大減少主泵672的功耗。為此，通過關閉數(shù)字閥686、688，增加上游儲液器690的壓力。主泵上游壓力的增加一直持續(xù)到確保發(fā)動機氣門完全關閉為止。當主泵上游壓力到達一個特定值時，數(shù)字閥688被打開。此時，由于單向閥的存在，上游儲液器690的壓力幾乎保持恒定。一旦復位彈簧勢能不再足以完全關閉發(fā)動機氣門604，另一個雙位閥686立即被打開。
[0070]圖9是圖表900，顯示了不同氣門系統(tǒng)的功耗對比。VA系統(tǒng)500的功耗顯示為一條帶三角點的實線902，而配備能量回收系統(tǒng)982的VA系統(tǒng)600的功耗顯示為一條帶圓點的實線。傳統(tǒng)凸輪系統(tǒng)的功耗顯示為長虛線，而傳統(tǒng)電動-液壓VA系統(tǒng)的功耗顯示為短虛線。
[0071]圖10是配備VA系統(tǒng)100的發(fā)動機700的透視圖。
[0072]在特定的實施例中，VA系統(tǒng)100、200、500或600還會包括可調整油溫和液壓油粘度進而改進系統(tǒng)性能和功耗的裝置。
[0073]在特定的實施例中，VA系統(tǒng)100、200、500或600可用于空氣混合動力發(fā)動機，以實現(xiàn)不同的運行模式。
[0074]在前面的描述中，出于解釋的目的，我們闡述了很多細節(jié)，以便大家透徹理解這些案例。但該領域技術人員不需要這些具體細節(jié)也可以清晰理解。在其它實例中，以框圖形式展示了常見的電氣結構和電路，避免理解模糊。例如，我們沒有提供將本文所述案例作為軟件程序、硬件電路、固件或將三者結合實施的具體細節(jié)。
[0075]本文的實施例可以表示為存儲在機器可讀媒介(也被稱為計算機可讀媒介、處理器可讀媒介或含有一個計算機可讀程序代碼的計算機可用媒介)中的一個計算機程序產品。機器可讀媒介可以是任何適當?shù)挠行?、非短暫性媒介，包括磁、光或電存儲介質，如磁盤、光盤只讀存儲器(CD-ROM)、存儲設備(易失性或非易失性)，或類似的存儲機構。機器可讀媒介可包括各種指令集合、代碼序列、配置信息或其它數(shù)據(jù)，執(zhí)行這些內容時，處理器會按照本文實施例中的一種方法執(zhí)行步驟。本領域普通技術人員知道，執(zhí)行所述實施所需的其它指令和操作也可存儲在機器可讀媒介中。存儲在機器可讀媒介上的指令可由處理器或其它適當?shù)奶幚碓O備執(zhí)行，并與電路系統(tǒng)對接，執(zhí)行所述任務。
[0076]上述實施例僅作示例之用。本領域高端技術人員在不脫離本文應用范圍(僅由所附的聲明書確定)的前提下，可在具體實施例中加以改造、完善和改動。
【權利要求】
1.發(fā)動機的氣門驅動系統(tǒng)(VA)包括: 連接到發(fā)動機曲軸的至少兩個液壓旋轉閥； 由至少兩個液壓旋轉閥驅動的至少一個液壓執(zhí)行器； 用于向至少兩個液壓旋轉閥中的一個提供液壓油的高壓液壓油源； 在此，通過發(fā)動機曲軸實現(xiàn)的至少兩個液壓旋轉閥的運動使液壓油流到至少一個液壓執(zhí)行器，驅動發(fā)動機氣門。
2.根據(jù)權利要求1的VA系統(tǒng)，其中至少兩個液壓旋轉閥中的第二個接收來自至少一個液壓執(zhí)行器的液壓油。
3.根據(jù)權利要求2的VA系統(tǒng)，其中液壓旋轉閥是旋轉滑閥。
4.根據(jù)權利要求2的VA系統(tǒng)包括一個用于接收來自第二個液壓旋轉閥的液壓油的油箱。
5.根據(jù)權利要求4的VA系統(tǒng)，其中油箱通過一個液壓泵連接到高壓液壓油源。
6.根據(jù)權利要求1的VA系統(tǒng)還包括發(fā)動機和至少兩個液壓旋轉閥之間的各個移相器。
7.根據(jù)權利要求6的VA系統(tǒng),其中移相器是一個差動齒輪箱。
8.根據(jù)權利要求7的VA系統(tǒng)，其中差動齒輪箱由一個電動馬達驅動。
9.根據(jù)權利要求1的VA系統(tǒng)還包括一個升程控制器，用于控制液壓油源的液壓壓力，從而調整發(fā)動機氣門的升程。
10.液壓方式控制發(fā)動機氣門的方法包括: 向至少兩個液壓旋轉閥中的一個提供加壓的液壓油； 通過發(fā)動機曲軸驅動至少兩個液壓旋轉閥； 其中，驅動至少兩個液壓旋轉閥導致至少兩個液壓旋轉閥中的一個向至少一個液壓執(zhí)行器提供液壓油，從而在第一方向上驅動發(fā)動機氣門。
11.根據(jù)權利要求10的方法還包括: 在至少兩個液壓旋轉閥處，接收來自至少一個液壓執(zhí)行器的液壓油，可使至少一個液壓執(zhí)行器以與第一方向相反的方向驅動發(fā)動機氣門； 將液壓油從第二個液壓旋轉閥輸送到油箱。
12.根據(jù)權利要求11的方法還包括: 在至少兩個液壓旋轉閥之間進行移相。
13.根據(jù)權利要求10的方法包括，在供應加壓液壓油之前，控制加壓液壓油的壓力水平。
14.根據(jù)權利要求10的方法還包括，在向至少一個液壓執(zhí)行器提供液壓油之后，通過發(fā)動機曲軸的運動停止液壓油的流動。
15.根據(jù)權利要求14的方法還包括: 驅動至少兩個液壓旋轉氣門的第二個，在低壓環(huán)境中，接收來自至少一個液壓執(zhí)行器的液壓油。
16.根據(jù)權利要求15的方法，其中驅動至少兩個液壓旋轉閥的第二個與停止液壓油的流動同時發(fā)生。
17.根據(jù)權利要求15的方法，其中驅動至少兩個液壓旋轉閥的第二個發(fā)生于停止液壓油流動之后。
【文檔編號】F01L25/02GK103781999SQ201280038797
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年8月9日 優(yōu)先權日:2011年8月9日
【發(fā)明者】阿米爾·哈杰普爾, 穆罕默德·普爾納澤里 申請人:阿米爾·哈杰普爾, 穆罕默德·普爾納澤里