線性閥致動器系統(tǒng)及用于控制閥操作的方法
【專利說明】線性閥致動器系統(tǒng)及用于控制閥操作的方法
[0001 ]優(yōu)先權
[0002]本申請是于2011年11月7日提交的美國專利申請N0.13/290，353的部分繼續(xù)申請，該美國專利申請被通過參弓I全部結合到本文中。
技術領域
[0003]本發(fā)明主要涉及閥致動系統(tǒng)，并且更具體地涉及線性電機致動的閥機構并且因此涉及用于內(nèi)燃機和其它應用的控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004]現(xiàn)今，化石燃料為大多數(shù)的現(xiàn)代內(nèi)燃機(ICE)提供動力。但從石油和其它原料衍生出的碳氫燃料是稀缺資源，并且許多人認為，這種燃料在汽車中的廣泛使用因存在燃燒副產(chǎn)品而導致了不希望產(chǎn)生的氣候變化。因此，對于提高現(xiàn)代內(nèi)燃機的效率而言存在巨大的壓力。對于提高效率的需求也受到與燃料消耗和二氧化碳排放有關的政府配額、規(guī)定和稅收的驅動。并且這與對于提高汽車安全性的不斷增長的需求同時存在，后一需求通常增大了重量從而有損于效率。
[0005]提高ICE效率所采取的當前步驟會增加相當大的成本和復雜性，同時降低了可靠性、動力和駕駛性能。例如，已經(jīng)在ICE的操作循環(huán)其間多次嘗試向進氣閥和/或排氣閥的操作添加可調(diào)整性。
[0006]傳統(tǒng)上，ICE的進氣閥和排氣閥(也稱為提升閥)已由一個或多個凸輪軸致動，這一個或多個凸輪軸由ICE曲軸以一半的發(fā)動機轉速機械地驅動，從而以與I CE旋轉同步的方式以及以相對于彼此處于固定相位的方式操作這些閥。同樣已知的是以旋轉閥來代替提升閥，再次由該曲軸機械地驅動這些閥，并且使該閥操作剛性地隨動于ICE曲軸旋轉。
[0007]凸輪軸輪廓限定了閥打開/關閉運動的正時。凸輪軸設計是一種權衡的應用，這是因為給定的凸輪軸輪廓僅可被優(yōu)化用于非常窄的曲軸速度范圍(以每分鐘旋轉(rpm)為單位進行測量)。由此，必須進行折衷以便于在寬廣的速度范圍上容易地啟動和操作，并且這些折衷降低了 ICE的整體效率且需要具有極大的復雜性。
[0008]此外，機械凸輪軸具有固定量的閥運動(升程)和閥打開的時間(持續(xù)度)。閥的打開時間和關閉時間也由機械傳動系統(tǒng)和凸輪軸輪廓剛性地固定。添加附加的凸輪軸和閥允許優(yōu)化用于低速的一個凸輪軸/閥系統(tǒng)以及用于高速的另一個凸輪軸/閥系統(tǒng)，但這還需要被折衷，以允許易于啟動和寬廣的操作速度范圍。
[0009]進一步知曉的是，凸輪軸可被通過諸如液壓雙向地旋轉該凸輪軸的傳動機構之類的多種方式相對于曲軸轉動位置可旋轉地前進和/或減速。這被稱之為該凸輪“定相”。定相促進了ICE在多種時間、溫度、狀態(tài)、負載和高度下的操作。如同樣眾所周知的那樣，可通過以多種方式調(diào)節(jié)閥升程來進一步增強對發(fā)動機正時進行調(diào)節(jié)的形式。然而，這種系統(tǒng)遭遇到了提高了的復雜性。例如，提高了許多部件中的全部所需要的制造精度，這增加了成本和故障點。
[0010]除此之外，操作許多部件所需要的液壓流體的精確粘度進一步增加了成本和維護費用。所需要的是，使該閥致動系統(tǒng)將發(fā)動機油用作操作所需要的液壓油。但是，即使?jié)M足當前API和SAE規(guī)格的油也可能不具有足夠精確的粘度來滿足這些應用的需求。這需要使用特定的潤滑油，這限制了汽車駕駛員獲得加滿油、實施其自身油變化的能力，并且增加了汽車維護成本。
[0011]利用上述凸輪軸定相所帶來的其它問題是閥正時、閥持續(xù)時間和閥升程是固定的。這些參數(shù)僅能被略為改變，并且這種變化需要昂貴和復雜的技術。
[0012]已經(jīng)進行了某些嘗試來克服上述技術的缺點并且實現(xiàn)了獨立的閥操作時間和持續(xù)時間。例如，美國專利N0.4，009，695公開了一種用于內(nèi)燃機的程序閥系統(tǒng)。該專利教導了一種獨立于曲軸位置的用于閥操作的裝置，但遭遇到了為閥的液壓操作所固有的問題。特別地，閥操作包括使該閥以不受控的方式從打開到關閉的循環(huán)。這種操作在閥關閉時特別損害該閥和閥座。同樣，液壓運動的沖程長度(即，閥升程)在該機構中是不可變的。
[0013]美國專利N0.6，736，092公開了一種配備有用于發(fā)動機的進氣閥和/或排氣閥的可變致動的電子受控液壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機。特別地，該專利教導了機械地隨動于ICE的曲軸的標準凸輪軸的使用，但是在該凸輪軸與該閥之間附加地布置有電子受控液壓升降器。通過電子控制液壓流體進出該升降器，該閥的打開和關閉時間以及該閥的升程可在一定程度上受到控制。然而，該布置被限制到機械地隨動的凸輪軸的操作，并且例如，不能命令閥在最大升程處打開持續(xù)很長一段時間，或者在與凸輪軸計劃打開時間不同的時間打開。
[0014]已經(jīng)嘗試通過用由電子設備施加的液壓壓力來驅動該閥打開和關閉，而使ICE閥操作獨立于曲軸定位。電子指令由控制單元發(fā)送，該控制單元從發(fā)動機和相關的系統(tǒng)傳感器接收輸入信號。然而，這種系統(tǒng)仍具有如將在下文中說明的重要缺點。
[0015]美國專利N0.5，572，961公開了一種電動液壓的無凸輪閥機構中的平衡閥運動。該專利教導了一種用于ICE閥的液壓閥控制和使用液壓操作的ICE閥的ICE的操作的最簡化。使用高液壓以便沿著一個方向推動該閥，同時低液壓與平衡彈簧項結合以緩沖和停止ICE閥運動。然而，每個ICE閥的多個液壓閥控制、平衡彈簧和多個液壓壓力向該系統(tǒng)增加了極大的復雜性。此外，利用該系統(tǒng)難以控制該ICE閥升程變化。
[0016]美國專利N0.6,729,279公開了一種用于控制內(nèi)燃機中的至少一個發(fā)動機閥的設備。該專利教導了 ICE中的如由控制系統(tǒng)控制的液壓操作閥。所教導的是，上部腔室應充填有流體以關閉該ICE閥并且下部腔室應被充填以提升該閥。移動I CE閥的這種模式的一個缺點是該液壓流體控制閥僅能處于打開狀態(tài)或關閉狀態(tài)。該專利教導了，在該ICE閥從打開移向關閉且反之亦然時，可在液壓管線中設置“節(jié)氣門”以調(diào)節(jié)該ICE閥的總體運動(升程)和運動速度。該專利還通過利用復雜的裝置以嘗試實現(xiàn)這種阻尼解決了對于阻尼液壓操作的ICE閥的需求。
[0017]也已經(jīng)嘗試通過氣動裝置來操作ICE閥。同樣，這種構造可以獨立于ICE曲軸位置的方式致動這些閥。例如，在美國專利申請公開文獻N0.2013/0098337 Al中，公開了一種所謂的自由閥系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用被引導通過電動操作的控制閥的空氣來推動ICE閥打開和關閉。這種系統(tǒng)的主要缺點是，ICE閥在打開時撞擊它們的限位擋塊，并且在關閉時同樣撞擊閥座。這種撞擊相當快地導致對閥的機械損傷。
[0018]已經(jīng)進行了消除曲軸操作閥的缺陷的又一嘗試，以便以與電子燃料噴射類似的方式使用計算機控制器來電動地操作這些閥。迄今為止，所有這些都包括用于閥致動的一些形式的螺線管并且還包括阻尼裝置。螺線管通過完全打開及完全關閉它作用在其上的裝置進行操作。螺線管無法被控制成，以可變速率移動或在打開/關閉時改變速度。用以改變在螺線管操作的系統(tǒng)中的打開速率、停止速率、關閉速率或運動距離(升程)的唯一方法是利用外部機械裝置，這些外部機械裝置增加了該系統(tǒng)的整體復雜性?？蓞⒖悸菥€管的示例來理解該螺線管布置和缺點。
[0019]例如，美國專利N0.4,794,890公開了一種電磁閥致動器。該專利教導了使用一種雙穩(wěn)態(tài)機電轉換器以便移動ICE中的該閥。該專利教導了需要在閥的過渡(打開或關閉)結尾時的一些形式的阻尼。作為阻尼器的機械彈簧和流體減震器被公開為阻尼裝置。雖然本發(fā)明控制ICE閥開度和持續(xù)時間，但它并未提供可變升程，該可變升程對于便于容易地開始、空轉和低速操作是優(yōu)選的。由本發(fā)明提議的阻尼技術同樣是復雜的且提出了可靠性問題。
[°02°]美國專利N0.6，247，431公開了一種用于內(nèi)燃機的電磁閥驅動設備。該專利教導了使用形成在ICE閥桿上的兩個螺線管，一個打開該閥并且一個關閉該閥。此外，該閥上的彈簧將該閥保持處于常閉位置。彈簧將用于最低限度地緩沖該閥的打開，并且并未設置用于閥關閉的其它阻尼或緩沖裝置。結果，所公開的系統(tǒng)的可靠性是令人懷疑的。同樣，并未提供針對該閥的可變升程調(diào)節(jié)的措施。
[0021 ] 美國專利N0.7，225，770公開了一種在界限之間具有固有減速致動的電磁致動器。該專利試圖利用螺線管系統(tǒng)的雖然具有線圈、電樞和機械彈簧的再一構造解決了常規(guī)閥致動系統(tǒng)的缺點。添加有ICE閥位置感測和線圈電流控制的線圈和電樞的構造和位置是對先前嘗試的改進，以防止閥破壞。然而，可靠性仍然是問題，并且再次，并未設置調(diào)節(jié)閥升程的
目.ο
[0022]美國專利5，983，847和美國專利6，293，303都公開了使用移動線圈以致動閥。然而，該線圈的運動及其重要的支承結構和附接硬件需要不合乎要求地大的線圈尺寸及強大的電驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)的相應質量、尺寸、所需要的過大的驅動力、以及復雜性使得這種布置對于諸如現(xiàn)代ICE之類的許多應用而言是不實用的、負擔不起的并且是不可靠的。
[0023]由此，仍需要提供一種用于ICE的閥致動系統(tǒng)、方法和裝置，其降低了成本、重量和復雜性，同時提供了對于多種閥控制參數(shù)的獨立控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明通過提供一種利用線性電機來致動閥的裝置、方法和系統(tǒng)解決了上述的某些缺陷，這