專利名稱：電子驅(qū)動(dòng)氣門總成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型總體上涉及電子驅(qū)動(dòng)氣門系統(tǒng)，更具體地涉及一種包括氣門桿及與氣 門桿運(yùn)轉(zhuǎn)連接的形狀記憶合金執(zhí)行器的電子驅(qū)動(dòng)氣門總成。
背景技術(shù)：
通過(guò)使用無(wú)凸輪氣門機(jī)構(gòu)和電子氣門驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃料經(jīng) 濟(jì)性兩者明顯的改進(jìn)。例如，使用電子氣門驅(qū)動(dòng)可以允許控制如氣門升程和氣門正時(shí) 這樣的變量。在使用帶凸輪軸的機(jī)械傳動(dòng)系的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這兩個(gè)參數(shù)可以固定為對(duì)許 多不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況折中而逸擇的值。相反，通過(guò)對(duì)于當(dāng)前工況優(yōu)化這些發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù), 使用可變升程和可變正時(shí)能夠改進(jìn)動(dòng)力、扭矩、和燃料經(jīng)濟(jì)性。
在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用電子驅(qū)動(dòng)氣門已經(jīng)遇到過(guò)各種困難。例如，已經(jīng)提出了液壓 和磁性執(zhí)行器。然而，這些解決方法的每個(gè)會(huì)帶來(lái)較高的能量消耗和裝配成本，潛在 地使實(shí)施較為困難。此外，在當(dāng)前的電子驅(qū)動(dòng)氣門中較難控制如氣門落座速度等各種 參數(shù)。較高的落座速度會(huì)產(chǎn)生氣門磨損和過(guò)量噪音的問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容
發(fā)明人在此認(rèn)識(shí)到通過(guò)使用用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電子驅(qū)動(dòng)氣門總成可以解決上述 問(wèn)題，其中氣門總成包括氣門桿、與氣門桿運(yùn)轉(zhuǎn)連接的形狀記憶合金執(zhí)行器、形狀記 憶合金的至少一部分延伸通過(guò)的冷卻劑通道，與冷卻劑通道連通的冷卻流體源。這種 執(zhí)行器比液壓或電磁執(zhí)行器占用更少的空間，可以使用較少的用于執(zhí)行的動(dòng)力，也可 以對(duì)氣門升程和落座提供較高程度的控制。


圖1示出內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示例實(shí)施例的示意圖。
圖2A和2B分別示出在開啟位置和關(guān)閉位置的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的氣門總成的第 一實(shí)施例。
圖3示出作為時(shí)間和施加電壓的函數(shù)的形狀記憶合金線的長(zhǎng)度的變化的圖示。
圖4A-圖4D替代的形狀記憶合金執(zhí)行器的實(shí)施例。
圖5A-圖5C示出形狀記憶合金執(zhí)行器的更多替代實(shí)施例。
圖6A-圖6B分別示出在關(guān)閉位置和開啟位置的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的氣門總成的 另一個(gè)實(shí)施例。圖7示出操作形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的氣門的方法的示例實(shí)施例。
圖8示出搡作形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的氣門的另 一個(gè)方法的示例實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
圖1示出內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10的示例實(shí)施例的示意圖。所示的發(fā)動(dòng)機(jī)10為進(jìn)氣道噴射 火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，應(yīng)理解本文公開的系統(tǒng)及方法可以用于任何其他適合 的發(fā)動(dòng)機(jī)，包括直接噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)，及包括但不限于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)。
發(fā)動(dòng)機(jī)10通常包括多個(gè)汽缸，汽缸中的一個(gè)如圖l所示，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控 制器12控制。發(fā)動(dòng)機(jī)IO包括燃燒室14及汽缸壁16,活塞18位于汽缸壁16中并連 接到曲軸20。燃燒室14分別通過(guò)進(jìn)氣門26和排氣門28與進(jìn)氣歧管22和排氣歧管 24連通。進(jìn)氣門26由進(jìn)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)27操作，排氣門28由排氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)29操 作，下文詳細(xì)描述它們的運(yùn)行。
排氣氧傳感器30連接到發(fā)動(dòng)機(jī)10的排氣歧管24。催化劑32,如三元催化劑， 連接到排氣歧管24并從排氣歧管24接收進(jìn)氣，氮氧化物捕集器34連接到催化劑32 并從催化劑32接收排放物。
進(jìn)氣歧管22通過(guò)節(jié)流板44與節(jié)氣門體42連通。進(jìn)氣歧管22如圖所示具有連接 到其中的燃料噴射器46,用于按照來(lái)自控制器12的信號(hào)脈寬(fpw)的比例輸送燃 料。燃料通過(guò)包括燃料箱、燃料泵、及燃料導(dǎo)管(未示出)的常規(guī)燃料系統(tǒng)(未示出) 輸送到燃料噴射器46。發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括常規(guī)無(wú)分電器點(diǎn)火系統(tǒng)48以響應(yīng)于控制器 12通過(guò)火花塞50向燃燒室14提供點(diǎn)火火花。在本文描述的實(shí)施例中，控制器12是 常規(guī)的微型計(jì)算機(jī)，其中包括微處理器單元52、輸入/輸出端口 54、可以是電子可 編程存儲(chǔ)器的電子存儲(chǔ)芯片56、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器58、及常規(guī)的數(shù)據(jù)總線。
控制器12從連接到發(fā)動(dòng)機(jī)10的傳感器接收各種信號(hào)，除了上述討論的信號(hào)之外， 包括來(lái)自連接到節(jié)氣門體42的質(zhì)量空氣流量傳感器60的吸入的質(zhì)量空氣流量(MAF) 的測(cè)量值；來(lái)自連接到冷卻套管64的溫度傳感器62的冷卻劑溫度(ECT);來(lái)自連 接到進(jìn)氣歧管22的歧管絕對(duì)壓力傳感器66的歧管壓力(MAP)的測(cè)量值；來(lái)自連接 到節(jié)流板44的節(jié)氣門位置傳感器68的節(jié)氣門位置測(cè)量值；及來(lái)自連接到曲軸20的 霍爾效應(yīng)傳感器70的指示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(N)的齒面點(diǎn)火傳感器信號(hào)(PIP)。
排氣通過(guò)與排氣歧管24連通的常規(guī)的排氣再循環(huán)(EGR)管72、排氣再循環(huán)閥 總成74、及排氣再循環(huán)孔74輸送到進(jìn)氣歧管22?；蛘?，排氣再循環(huán)管"可以是排 氣歧管24和進(jìn)氣歧管22之間連通的在發(fā)動(dòng)機(jī)中的內(nèi)部輸送通道。
如上所述，進(jìn)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)27和排氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)29可以使用電子氣門驅(qū)動(dòng)。使 用電子氣門驅(qū)動(dòng)可以允許不用凸輪軸操作進(jìn)氣門"和排氣門28，從而允許可以完全 獨(dú)立于其他的進(jìn)氣門和排氣門搡作發(fā)動(dòng)機(jī)中的每個(gè)進(jìn)氣門和排氣門。例如，當(dāng)扭矩需 求減少時(shí)，可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)汽缸用于改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性'當(dāng)扭矩需求增加時(shí)可以再開啟。
在無(wú)凸輪氣門機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中實(shí)施電子驅(qū)動(dòng)氣門遇到的一個(gè)困難涉及到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。已 經(jīng)提出了液壓執(zhí)行系統(tǒng)和機(jī)電執(zhí)行系統(tǒng)兩者。然而，液壓系統(tǒng)可以造成在發(fā)動(dòng)機(jī)上的 功率需求，因?yàn)檫@些系統(tǒng)要求發(fā)動(dòng)機(jī)油泵做附加的功以提供液壓動(dòng)力。同樣，在機(jī)電 執(zhí)行系統(tǒng)中使用的螺線管相對(duì)較大且笨重，因此很難組裝到發(fā)動(dòng)機(jī)中。
與基于液壓和基于螺線管的執(zhí)行系統(tǒng)比較，圖2A和圖2B示出使用形狀記憶合金 執(zhí)行器開啟和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的無(wú)凸輪氣門總成200的示例實(shí)施例。形狀記憶合金是 在溫度改變時(shí)發(fā)生尺寸改變的相變，且在相反的溫度改變/相變時(shí)返回到原來(lái)的幾何 尺寸的材料。通過(guò)改變形狀記憶合金線的溫度可以改變形狀記憶合金線的長(zhǎng)度?？梢?用任何合適的方法實(shí)現(xiàn)溫度改變，包括但不限于給形狀記憶合金線通電以電阻加熱形 狀記憶合金線。取決于執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和形狀記憶合金材料的相變性能，形狀記憶合金 線的長(zhǎng)度的改變可以促使氣門開啟或關(guān)閉，如下文詳細(xì)描述。
現(xiàn)參考圖2A和圖2B所示的實(shí)施例，圖2A示出在關(guān)閉配置中的氣門總成200, 圖2B示出在開啟配置中的氣門總成200。氣門總成200包括氣門桿202,設(shè)置在氣門 口 205中的氣門盤204 、及氣門執(zhí)行器206。氣門桿2 04可以經(jīng)氣門桿密封件210和 氣門導(dǎo)管212延伸通過(guò)汽缸蓋208的一部分。
執(zhí)行器206配置為促使氣門桿202線性移動(dòng)通過(guò)氣門導(dǎo)管212,從而移動(dòng)氣門盤 204與氣門口 205接合或分離并開啟或關(guān)閉氣門總成200。為完成該運(yùn)動(dòng)，氣門執(zhí)行 器206包括從固定錨216延伸到可繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的搖臂218或類似結(jié)構(gòu)上的形狀記憶合 金線214。搖臂218可以在一個(gè)位置上連接到樞軸220 (滾輪軸、球面樞軸等)，圍 繞該樞軸220搖臂218可以旋轉(zhuǎn)。同樣，搖臂218在另一個(gè)位置上連接到氣門桿202。 因此，當(dāng)形狀記憶合金線214收縮時(shí)，搖臂218轉(zhuǎn)動(dòng)以移動(dòng)氣門桿202,從而開啟氣 門總成214。雖然所示的形狀記憶合金執(zhí)行器釆取了單根形狀記憶合金線的形式，但 應(yīng)理解執(zhí)行器可以由一根以上的形狀記憶合金線形成，如下文詳細(xì)描述可以設(shè)置為一 東。此外，除了線形之外，形狀記憶合金可以采取任何其他的適合的幾何形狀。
形狀記憶合金線214可以在搖臂218上的任何合適位置上連接到搖臂218。例如， 形狀記憶合金線214可以在或接近于氣門桿202連接到搖臂218的位置，或在搖臂 218和樞軸220的中間的位置連接到搖臂218。在樞軸220和氣門桿202之間的位置 定位形狀記憶合金線214可以提供相對(duì)于形狀記憶合金線的尺寸改變?cè)黾託忾T桿 行程長(zhǎng)度的機(jī)械利益。
通過(guò)快速和精確的氣門執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)。因此，為通 過(guò)期望的相變以有助于形狀記憶合金線2"的冷卻，將形狀記憶合金線2"暴露到冷 卻流體中加速形狀記憶合金線2"的熱傳遞。以此方式，形狀記憶合金線214可以比 在沒(méi)有冷卻流體時(shí)更快地冷卻。這將有助于改進(jìn)執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)間。
可以使用任何適合的冷卻流體。例如'在一些實(shí)施例中'可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)油以冷卻形狀記憶合金線214。在替代的實(shí)施例中，可以使用另一種發(fā)動(dòng)機(jī)流體，如防凍劑。 在又一個(gè)實(shí)施例中，可以提供用于冷卻形狀記憶合金線214的專用流體。
同樣，可以使用任何合適的機(jī)構(gòu)以將冷卻流體施加到形狀記憶合金線214。例如， 可以將冷卻流體噴灑或噴霧在形狀記憶合金線214上。或者，如圖2A和圖2B所示， 形狀記憶合金線214可以至少部分地通過(guò)冷卻劑通道222。在此配置中可以引導(dǎo)冷卻 流體流過(guò)冷卻劑通道222從而去除形狀記憶合金線214的熱量。冷卻劑通道可以連接 到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)。其中冷卻流體是發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油泵(未示出)可以 通過(guò)油道(oil galley) 22 3或發(fā)動(dòng)機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)提供冷卻劑油?；蛘?，其中的冷卻 流體是專用流體時(shí)?？梢蕴峁﹩为?dú)的泵(未示出)以使冷卻流體通過(guò)冷卻劑通道222 循環(huán)。
在一些實(shí)施例中，執(zhí)行器206還可以包括使氣門桿202偏向關(guān)閉配置的彈簧機(jī)構(gòu)。 可以使用任何合適的彈簧機(jī)構(gòu)。示例包括但不限于機(jī)械彈簧如螺旋彈簧或板彈簧，和 /或氣彈簧或氣壓彈簧。在圖2A和圖2B所示的實(shí)施例中，螺旋彈簧224定位于氣門 桿密封件210和連接到氣門桿202的板226之間。彈簧2 24可以設(shè)置為壓縮狀態(tài)以便 對(duì)板226施加力使氣門桿向上偏置。因此，氣門執(zhí)行系統(tǒng)202可以根據(jù)控制器12的
信號(hào)輸出選擇性地在基本上向下位移上產(chǎn)生抵消彈簧力所需的力。因此，具體地參考 圖2A,當(dāng)形狀記憶合金線214處于伸長(zhǎng)相時(shí)，彈簧224使氣門桿202偏向關(guān)閉位置。 接下來(lái)，具體參考圖2B,當(dāng)形狀記憶合金線214受熱時(shí)，合金受熱導(dǎo)致的相變產(chǎn)生 的力將氣門桿202拉向開啟位置。通過(guò)將形狀記憶合金線214冷卻到相變溫度以下的 溫度，氣門桿202可以返回到關(guān)閉位置，從而允許彈簧224將氣門桿202推向關(guān)閉位 置。
在彈簧224是氣壓彈簧的實(shí)施例中，基于彈簧中的空氣壓力可以改變彈簧224對(duì) 板226施加的力。例如，可以增加彈簧中的空氣壓力以增加對(duì)板2"施加的力使氣門 桿202更強(qiáng)力地偏向關(guān)閉位置。同樣，當(dāng)形狀記憶合金線214受驅(qū)動(dòng)時(shí)，減少氣壓彈 簧中的空氣壓力是有利的以便有助于氣門桿202移動(dòng)到開啟位置。對(duì)彈簧2"施加的 力的這種控制可以改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
任何合適的形狀記憶合金材料可以用于形成形狀記憶合金線2"。合適材料的示 例可以包括，但不限于具有下列元素組合的形狀記憶合金Ag-Cd、 Cu-Al-Ni、 Cu-Sn、 Cu-Zn、 Cu-Zn-X (X為Si、 Sn、 Al)、 In—Ti、 Ni-Al、 Ni-Ti、 Fe—Pt、 Mn-Cu、 Fe-Mn-Si、 Ti-Ni-V、 Ni-Ti-Cr、 Ni-Ti-Fe、 Ni-Ti-Cu、各種Pt合金、Co-Ni-Al、及Co-Ni-Ga。
應(yīng)理解合金的物理特性和氣門總成的結(jié)構(gòu)可以是執(zhí)行器具體設(shè)計(jì)中考慮的因素。 例如，不同的合金可以具有不同的電特性、機(jī)械特性、和熱特性，包括但不限于不同 的相變溫度、膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性等。同樣，也可以改變用于執(zhí)行器200的各種冷卻流 體的物理特性。這些或其他的特性可以影響氣門執(zhí)行器的具體實(shí)施例的設(shè)計(jì)'包括但 不限于形狀記憶合金線2"、冷卻劑通道222的長(zhǎng)度、直徑、及其他的幾何形狀特征
7等。
在形狀記憶合金執(zhí)行器214的設(shè)計(jì)中的另一個(gè)考慮是在控制器12指示執(zhí)行和執(zhí) 行器發(fā)生相變之間的期望的執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)間。例如，在一些使用環(huán)境中，進(jìn)氣門26 和排氣門28可以每分鐘運(yùn)行數(shù)千轉(zhuǎn)。此外，響應(yīng)于各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況，可以改變這些 氣門的開啟和關(guān)閉的正時(shí)。因此，氣門總成200需要具有快速的響應(yīng)時(shí)間以在高發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速下提供精確的氣門控制。
各種因素可以影響氣門總成200的響應(yīng)時(shí)間。例如，施加到形狀記憶合金線214 上的電流和/或電壓可以影響響應(yīng)時(shí)間。圖3示出不同激活電壓下作為時(shí)間的函數(shù)的 示例形狀記憶合金線的響應(yīng)的圖示。為產(chǎn)生該數(shù)據(jù)，在20V電壓和30V電壓下向形狀 記憶合金施加持續(xù)期為160毫秒的直流(DC)脈沖，并使用強(qiáng)制通風(fēng)冷卻以冷卻形狀 記憶合金線。從該圖可以看出，20V脈沖加熱形狀記憶合金線的速度稍慢于30V脈沖， 但20V脈沖下形狀記憶合金線的冷卻明顯快于30V脈沖。
在一些實(shí)施例中，可以使用具有多個(gè)電壓電平的脈沖。例如，開始可以使用脈沖 的高電壓部分以促使形狀記憶合金快速加熱，然后使用較低電壓以將形狀記憶合金的 幾何形狀維持在高溫相形狀。去除較低電壓脈沖可以使形狀記憶合金比只使用單個(gè)， 高電壓的電壓脈沖冷卻更快。在其他的實(shí)施例中，可以使用三個(gè)或更多的電壓電平。
還在其他的實(shí)施例中，可以調(diào)節(jié)施加到形狀記憶合金上的信號(hào)占空比以控制形狀 記憶合金的溫度。例如，可以使用脈寬調(diào)制以改變執(zhí)行信號(hào)的占空比，從而控制形狀 記憶合金線214的溫度。例如，可以施加包括lms脈沖之后緊接3ms開路配置的占空 比到形狀記憶合金上。這可以導(dǎo)致供應(yīng)到形狀記憶合金214上的時(shí)間平均功率接近于 相同的整個(gè)持續(xù)期的穩(wěn)態(tài)信號(hào)的功率的25%。因此，形狀記憶合金在加熱階段占用的 總時(shí)間較少，且施加較少的克服彈簧224的時(shí)間平均力。由于施加了較少的克服彈簧 224的時(shí)間平均力，這與施加穩(wěn)態(tài)信號(hào)相比造成氣門桿202以更小的程度開啟。以此 方式，可以控制形狀記憶合金的收縮度，因此控制氣門桿202的行程長(zhǎng)度、及氣門盤 的升程。因此控制克服彈簧224施加的時(shí)間平均力可以用可控方式連續(xù)地改變氣門桿 202的升程。應(yīng)理解任何合適的電氣連接可以將形狀記憶合金線214連接到電源。
在各種實(shí)施例中，通過(guò)使用多根形狀記憶合金線或僅通過(guò)驅(qū)動(dòng)單根形狀記憶合金 線執(zhí)行器的長(zhǎng)度的一部分也可以實(shí)現(xiàn)可變氣門升程。首先，圖4A-圖4D示出在各種 示例氣門升程配置中的可變升程氣門總成400的實(shí)施例。所示的氣門總成配置包括關(guān) 閉配置(圖4A中的402所示)、第一部分開啟配置(圖4B中的404所示)、第二部 分開啟配置(圖4C中的406所示)、及完全開啟配置(圖4D中的408所示)。氣門 總成400包括形狀記憶合金執(zhí)行器410和向執(zhí)行器提供電力的電氣接頭41乙應(yīng)理解 本文所述的氣門升程配置是用于闡述示例的，不用于限制。
執(zhí)行器410包括第一形狀記憶合金線"4、第二形狀記憶合金線"6、及第三形 狀記憶合金線418,其中每條形狀記憶合金線都電連接到單獨(dú)的開關(guān)。同樣'電氣接頭412包括第一開關(guān)"0、第二開關(guān)422、及第三開關(guān)424,其中每個(gè)開關(guān)都電連接 到單根形狀記憶合金線414 (或單束形狀記憶合金線)。應(yīng)理解開關(guān)420、 422 、及 424 (以及下文描述的其他的實(shí)施中的開關(guān))可以與控制器12物理上分離，或可以通 過(guò)由控制器12執(zhí)行的在控制器12上的軟件、固件(firmware)或硬件實(shí)現(xiàn)以選擇性 地從每根形狀記憶合金線上施加或去除電壓。在這個(gè)意義上，也可以認(rèn)為開關(guān)420、 422 、及424是至少能夠向每條形狀記憶合金線提供開/關(guān)電壓，且在一些實(shí)施例中能 夠向每條形狀記憶合金線提供多水平電壓或連續(xù)可變電壓的多電壓電氣連接。
在某些實(shí)施例中，形狀記憶合金線414、 416、及418可以是各種長(zhǎng)度的。因此， 執(zhí)行不同的開關(guān)可以使不同的形狀記憶合金線收縮。因?yàn)樾螤钣洃浐辖鹁€的長(zhǎng)度不 同，當(dāng)執(zhí)行開關(guān)時(shí)形狀記憶合金線可以收縮不同的長(zhǎng)度。以此方式，通過(guò)執(zhí)行對(duì)應(yīng)于 期望的升程的形狀記憶合金線414、 416、或418可以實(shí)現(xiàn)期望的升程。例如，第二 形狀記憶合金線416可以長(zhǎng)于第一形狀記憶合金線414，第三形狀記憶合金線418可 以長(zhǎng)于第二形狀記憶合金線416或第一形狀記憶合金線414。因?yàn)樾螤钣洃浐辖鹁€在 受激活時(shí)通?？梢允湛s形狀記憶合金線長(zhǎng)度的一定的比例，較長(zhǎng)的形狀記憶合金線比 較短的形狀記憶合金線收縮更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。因此，當(dāng)受激活時(shí)電流通過(guò)第二形狀記憶合 金線416可以比通過(guò)第一形狀記憶合金4H造成更長(zhǎng)距離的收縮。以此方式，使用各 種長(zhǎng)度的形狀記憶合金線可以實(shí)現(xiàn)各種氣門升程量。
現(xiàn)參考圖4A，氣門總成400如圖所示配置在關(guān)閉配置402。在該配置中，第一形 狀記憶合金線414、第二形狀記憶合金線416、及第三形狀記憶合金線418的每條是 在伸長(zhǎng)相。因此彈簧224施加的力使氣門總成偏置到關(guān)閉配置。
現(xiàn)參考圖4B,氣門總成400如圖所示是在第一開啟配置。如圖所示，通過(guò)開關(guān) 420的閉合用電驅(qū)動(dòng)第一形狀記憶合金線414,這促使第一形狀記憶合金線414受熱 并收縮。因此，相變產(chǎn)生的力可以將氣門總成400拉向第一開啟位置。如圖所示第二 形狀記憶合金線416和第三形狀記憶合金線418未受驅(qū)動(dòng)，從而保持在伸長(zhǎng)相，雖然 所示的實(shí)施例通過(guò)加熱驅(qū)動(dòng)，應(yīng)理解各種其他的實(shí)施例可以通過(guò)冷卻驅(qū)動(dòng)，且開關(guān) 420、 422、及424可以用任何合適的方式開啟或關(guān)閉以有助于在這些實(shí)施例中的執(zhí)行。
現(xiàn)參考圖4C,氣門總成400如圖所示是在第二開啟配置中由第二形狀記憶合金 線416和第二開關(guān)422驅(qū)動(dòng)。在第二開啟配置中，由于相比較于第一形狀記憶合金線 414第二形狀記憶合金線416具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，氣門總成400比在第一開啟配置中具 有更大的升程。
現(xiàn)參考圖4D,氣門總成400如圖所示是在第三開啟配置中由第三形狀記憶合金 線418和第三開關(guān)424驅(qū)動(dòng)。在第三開啟配置中，由于相比較于第一形狀記憶合金線 414和第二形狀記憶合金線416第三形狀記憶合金線"8具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，氣門總成 400比在第一開啟配置和第二開啟配置中具有更大的升程。
雖然所示的形狀記憶合金設(shè)置釆取三根不同長(zhǎng)度的形狀記憶合金線的形式，但可以使用具有任何適合長(zhǎng)度及長(zhǎng)度差的任何合適數(shù)目的形狀記憶合金線以實(shí)現(xiàn)可變氣 門升程的任何合適的實(shí)施。
圖5A-圖5C示意性地示出能夠?qū)崿F(xiàn)可變氣門升程的形狀記憶合金線的設(shè)置的其 他替代實(shí)施例?，F(xiàn)首先參考圖5A,氣門總成500包括連接到搖臂218上的不同位置 的各種長(zhǎng)度的形狀記憶合金線。具體地，第一形狀記憶合金線502可以在第一連接點(diǎn) 508連接到搖臂218，第二形狀記憶合金線504可以在第二連接點(diǎn)510連接到搖臂218， 及第三形狀記憶合金線506可以在第三連接點(diǎn)512連接到搖臂218。以此方式，對(duì)于 每根形狀記憶合金線5 02 、 504、及506不同的連接點(diǎn)可以產(chǎn)生不同的機(jī)械利益。例 如，因?yàn)樾螤钣洃浐辖鹁€502連接到搖臂218上的連接點(diǎn)比形狀記憶合金線504和形 狀記憶合金線506離氣門桿遠(yuǎn)，形狀記憶合金線5 02的驅(qū)動(dòng)可以比形狀記憶合金線 504、 506的驅(qū)動(dòng)具有更大的機(jī)械利益，從而比形狀記憶合金線504或506的驅(qū)動(dòng)產(chǎn) 生更大的氣門升程。在一些實(shí)施例中，形狀記憶合金線可以具有不同的長(zhǎng)度以提供更 大范圍的氣門升程的可變性。
接下來(lái)參考圖5B,氣門總成520包括具有端部電氣端子524、第一中間電氣端子 526 、及第二中間電氣端子528的形狀記憶合金線522。通過(guò)控制閉合其中一個(gè)電氣 端子以控制氣門總成52 0的升程。例如，當(dāng)只有端部電氣端子524閉合時(shí)，電流流過(guò) 形狀記憶合金線522的整個(gè)長(zhǎng)度。因此，形狀記憶合金線522的整個(gè)長(zhǎng)度發(fā)生相變， 產(chǎn)生最大氣門升程。另一方面，當(dāng)?shù)谝恢虚g電氣端子526關(guān)閉時(shí)，電流只流過(guò)形狀記 憶合金線522在搖臂218和第一中間電氣端子526之間延伸的部分。以此方式，只有 形狀記憶合金線522的一部分發(fā)生了相變，從而減少了氣門升程。同樣，閉合第二中 間電氣端子528甚至可以使氣門升程具有更大的減少?？梢钥刂屏鹘?jīng)形狀記憶合金線 的冷卻流體和/或電流以提供對(duì)沿著形狀記憶合金線522的長(zhǎng)度的溫度的進(jìn)一步控 制。
現(xiàn)參考圖5C，執(zhí)行器540包括具有相同或類似長(zhǎng)度的多根形狀記憶合金線。示 出了三根形狀記憶合金線542、 544、及546,但應(yīng)理解可以使用任何合適數(shù)目的形狀 記憶合金線。在圖5C的實(shí)施例中，通過(guò)激活不同數(shù)目的形狀記憶合金線從而施加克 服彈簧224的不同的拉力以實(shí)現(xiàn)可變氣門升程。例如，為實(shí)現(xiàn)第一、最低的升程，可 以激活單根形狀記憶合金線542。克服彈簧224的拉力僅是形狀記憶合金線施加 的力。因此，在彈簧224和形狀記憶合金線542之間的力的平衡可以導(dǎo)致第一開啟氣 門位置，其中氣門盤較接近于氣門座。同樣，通過(guò)分別激活兩根形狀記憶合金線(例 如，形狀記憶合金線542和形狀記憶合金線544 ),或所有三根形狀記憶合金線，可 以實(shí)現(xiàn)第二和第三升程。兩根激活的形狀記憶合金線的克服彈簧224的拉力大于一根 激活的形狀記憶合金線，三根激活的形狀記憶合金線的克服彈簧224的拉力大于兩根 激活的形狀記憶合金線等等。因此，在形狀記憶合金線和彈簧之間的力的平衡可 以導(dǎo)致隨激活的形狀記憶合金線增加的遞增的氣門升程?？梢杂妙愃品绞娇刂茪忾T總成200的氣門落座速度。例如，可以按差別比率冷卻 形狀記憶合金線216使其通過(guò)相變溫度，以便可以用不同的時(shí)間冷卻形狀記憶合金線 216的不同的部分使其通過(guò)相變溫度。這可以例如通過(guò)只對(duì)形狀記憶合金線216的長(zhǎng) 度的一部分施加冷卻流體實(shí)現(xiàn)。同樣，可以使用多片段形狀記憶合金線，其中用可控 的方式從該片段去除電流以控制多片段形狀記憶合金線的長(zhǎng)度改變的比率。
圖6A和圖6B示出無(wú)凸輪氣門總成600的另一個(gè)示例實(shí)施例。圖6A示出在關(guān)閉 配置中的氣門總成，圖6B示出在開啟配置中的氣門。雖然氣門總成200包括連接有 氣門桿和形狀記憶合金線的可繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的搖臂，但氣門總成600不使用搖臂。替代 地，氣門總成600包括在固定到氣缸蓋606上的氣門桿密封件604和連接到氣門桿 610上的彈簧板608之間延伸的一根或多根形狀記憶合金線602。因此，氣門桿610 的行程距離總體上與形狀記憶合金線602的長(zhǎng)度變化量相同。此外，可以利用彈簧 612使氣門桿偏向關(guān)閉位置。這種配置可以使氣門總成600相對(duì)緊湊。
圖6A和圖6B還示出氣門總成600的操作。首先參考圖6A，當(dāng)形狀記憶合金線 602是在伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，彈簧612保持氣門總成600關(guān)閉。接下來(lái)，如圖6B所示，改 變形狀記憶合金線的溫度促使形狀記憶合金線602的長(zhǎng)度減少，從而克服彈簧612的 力，并將氣門總成600移到開啟位置。通過(guò)實(shí)現(xiàn)相反的溫度改變，可以將氣門總成 600移回到關(guān)閉位置。
為幫助冷卻形狀記憶合金線602,形狀記憶合金線可以延伸通過(guò)冷卻通道620， 如上文中對(duì)氣門總成200所述，經(jīng)冷卻劑進(jìn)口 622和冷卻劑出口 624可以選擇性地泵 送冷卻劑通過(guò)冷卻通道620。使用這種冷卻劑，結(jié)合對(duì)通過(guò)形狀記憶合金線602施加 電流的仔細(xì)控制，可以對(duì)形狀記憶合金線602的溫度進(jìn)行足夠控制以控制如氣門升程 和氣門落座速度這樣的參數(shù)。
所示的氣門總成600包括平行設(shè)置的多根形狀記憶合金線。然而，應(yīng)理解可以使 用任何合適的數(shù)目和設(shè)置的形狀記憶合金線以驅(qū)動(dòng)氣門總成600。例如，在一些實(shí)施 例中，可以使用單根形狀記憶合金線。在其他的實(shí)施例中，也可以使用一東形狀記憶 合金線，或多東形狀記憶合金線。此外，雖然所示氣門總成600包括機(jī)械螺旋彈簧 612，但應(yīng)理解可以使用任何其他的合適的彈簧，包括其他的機(jī)械彈簧如板彈簧，和/
或氣彈簧或其他的氣壓彈簧。
圖7示出搡作形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的氣門的方法700的示例實(shí)施例。方法700包括， 在702,加熱形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)構(gòu)件以便將氣門移到第一位置，然后在704，通過(guò)冷 卻流體將形狀記憶合金線冷卻以便將氣門移到第二位置。在一些實(shí)施例中，第一位置 可以是關(guān)閉位置，第二位置可以是開啟位置，然而在其他的實(shí)施例中，第一和第二位 置可以分別為開啟位置和關(guān)閉位置。
任何合適的發(fā)動(dòng)機(jī)工況或發(fā)動(dòng)機(jī)工況中的改變可以促使氣門位置的改變。例如， 可以促使氣門移向關(guān)閉位置的發(fā)動(dòng)機(jī)工況(其中氣門升程減少'甚至關(guān)閉)'包括但
11不限于檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的下降。同樣，可以促使氣門移向開啟位置的發(fā)動(dòng)機(jī)工況(其 中氣門升程增加，或甚至完全開啟)包括但不限于檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)中的扭矩的增加。
現(xiàn)具體參考步驟702,可以用任何方式加熱形狀記憶合金。例如，在一些實(shí)施例 中，可以通過(guò)施加通過(guò)合金的電壓脈沖加熱形狀記憶合金，從而促使電流流過(guò)合金。 電壓脈沖可以具有任何合適的量，及可以具有恒量值，或隨著時(shí)間改變的值。例如， 可以使用較高的開始電壓快速地加熱合金，然后緊跟較高的開始電壓可以使用較低電 壓以在期望的持續(xù)期中將合金維持在高溫相形狀，而在電壓脈沖停止時(shí)允許合金更快 冷卻。此外，通過(guò)增加施加通過(guò)合金的信號(hào)的占空比也可以增加形狀記憶合金的溫度。
同樣，現(xiàn)參考步驟704,可以用任何合適的方式冷卻形狀記憶合金，例如，降低 施加通過(guò)形狀記憶合金的電壓，可以將施加通過(guò)形狀記憶合金的電壓減少到零或另一 個(gè)合適的值，可以改變施加通過(guò)形狀記憶合金的信號(hào)的占空比等，結(jié)合使用冷卻劑， 以減少對(duì)形狀記憶合金的電阻加熱。此外，可以使用任何合適的冷卻流體作為冷卻劑。 示例包括但不限于強(qiáng)制通風(fēng)、發(fā)動(dòng)機(jī)油、或其他的液體冷卻劑等。
接下來(lái)，圖8示出操作使用多個(gè)形狀記憶合金片段的形狀記憶合金氣門執(zhí)行器的 方法800的示例實(shí)施例。在該實(shí)施例中，單個(gè)形狀記憶合金線片段可以是單獨(dú)的形狀 記憶合金線，包括但不限于圖4A-圖4D、圖5A、圖5C、及圖6A-圖6B所示的配置或 可以是單根形狀記憶合金線的單獨(dú)的片段，如圖5B所示。
方法800首先包括在802確定期望的氣門升程，然后在804驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)形狀 記憶合金片段以產(chǎn)生期望的氣門升程?？梢曰诟鞣N因素確定期望的氣門升程，包括 但不限于當(dāng)前的工況如期望的扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷等。同樣，在804可以用任何合適的 方式選擇驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金的片段的數(shù)目。例如，在各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況下驅(qū)動(dòng)的片段的 數(shù)目和標(biāo)識(shí)可以預(yù)定并儲(chǔ)存在控制器12上的查找表中。同樣，基于合適的數(shù)學(xué)模型 可以動(dòng)態(tài)計(jì)算在各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況下驅(qū)動(dòng)的片段的數(shù)目和/或標(biāo)識(shí)。應(yīng)理解還可以控制 氣門落座，其中通過(guò)控制每個(gè)形狀記憶合金片段的停止驅(qū)動(dòng)(deactuation)的順序 和正時(shí)可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)形狀記憶合金片段。以此方式，通過(guò)同時(shí)停止驅(qū)動(dòng)多個(gè)形狀記憶 合金片段可以產(chǎn)生較快的氣門落座，通過(guò)以交叉或順序的方式停止驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金 片段可以產(chǎn)生較慢的氣門落座。
應(yīng)理解本文公開的氣門總成的各種實(shí)施例在本質(zhì)上是示例性的，這些具體的實(shí)施 例不能限制性地理解，因?yàn)楦鞣N變體是可能的。本文公開的主題包括各種形狀記憶合 金執(zhí)行器、電氣配置、氣門配置、及其他的特征、功能、和/或性能的所有新穎性和 非顯而易見性組合和子組合。本實(shí)用新型的權(quán)利要求特別指出視為新穎和非顯而易見
的特定組合及子組合。這些權(quán)利要求可能引用"一個(gè)"元素或"第一"元素或其等價(jià)。 這樣的權(quán)利要求應(yīng)被理解為包括對(duì)一個(gè)或一個(gè)以上這樣的元素的結(jié)合，而不是要求或 排除兩個(gè)或兩個(gè)以上這樣的元素。所公開的特征、功能、元素和/或?qū)傩缘钠渌M合
及子組合可以通過(guò)本實(shí)用新型權(quán)利要求的修改或通過(guò)在本申請(qǐng)或相關(guān)申請(qǐng)中提出新
12的權(quán)利要求來(lái)請(qǐng)求保護(hù)。這樣的權(quán)利要求，無(wú)論是在范圍上比原始權(quán)利要求更寬、更 窄、等價(jià)或不同，都應(yīng)被視為包括在本實(shí)用新型的主題之內(nèi)。
權(quán)利要求1. 一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電子驅(qū)動(dòng)氣門總成，所述氣門總成包括氣門桿；與所述氣門桿運(yùn)轉(zhuǎn)連接的形狀記憶合金執(zhí)行器；冷卻劑通道，所述形狀記憶合金執(zhí)行器的至少一部分延伸通過(guò)所述冷卻劑通道；及與所述冷卻劑通道連通的冷卻流體源。
2. 如權(quán)利要求l所述的氣門總成，其特征在于，所述冷卻劑通道配置用于接收 發(fā)動(dòng)機(jī)油的流。
3. 如權(quán)利要求1所述的氣門總成，其特征在于，所述冷卻劑通道連接到發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)。
4. 如權(quán)利要求1所述的氣門總成，其特征在于，所述冷卻劑通道連接到專用的 形狀記憶合金冷卻劑源。
5. 如權(quán)利要求1所述的氣門總成，其特征在于，還包括臂狀構(gòu)件，所述氣門桿 和所述形狀記憶合金執(zhí)行器連接到所述臂狀構(gòu)件。
6. 如權(quán)利要求5所述的氣門總成，其特征在于，還包括設(shè)置在所述臂狀構(gòu)件上 的樞軸，其中所述形狀記憶合金執(zhí)行器在所述樞軸和所述氣門桿之間的位置與所述臂 狀構(gòu)件連接。
7. 如權(quán)利要求5所述的氣門總成，其特征在于，所述形狀記憶合金執(zhí)行器包括 具有長(zhǎng)度大于所述氣門桿的長(zhǎng)度的形狀記憶合金線。
8. 如權(quán)利要求1所述的氣門總成，其特征在于，所述形狀記憶合金執(zhí)行器具有 的長(zhǎng)度等于或少于所述氣門桿的長(zhǎng)度。
9. 如權(quán)利要求1所述的氣門總成，其特征在于，所述形狀記憶合金執(zhí)行器包括 多根形狀記憶合金線。
10. —種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電子驅(qū)動(dòng)氣門總成，其特征在于，所述氣門總成包括 臂狀構(gòu)件；設(shè)置在所述臂狀構(gòu)件上的第一位置上的樞軸；氣門桿，所述氣門桿在所述臂狀構(gòu)件上的第二位置連接到所述臂狀構(gòu)件； 形狀記憶合金執(zhí)行器，所述形狀記憶合金執(zhí)行器在所述氣門桿和所述樞軸之間的 位置上與所述臂狀構(gòu)件運(yùn)轉(zhuǎn)連接；及冷卻劑通道，所述形狀記憶合金執(zhí)行器的一部分延伸通過(guò)所述冷卻劑通道。
11. 如權(quán)利要求10所述的氣門總成，其特征在于，所述形狀記憶合金執(zhí)行器包 括形狀記憶合金線。
12. 如權(quán)利要求11所述的氣門總成，其特征在于，所述形狀記憶合金執(zhí)行器包 括多根形狀記憶合金線。
13. 如權(quán)利要求10所述的氣門總成，其特征在于，所述形狀記憶合金執(zhí)行器包 括長(zhǎng)度大于所述氣門桿的長(zhǎng)度的形狀記憶合金構(gòu)件。
14. 如權(quán)利要求10所述的氣門總成，其特征在于，所述冷卻劑通道連接到發(fā)動(dòng) 機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)。
15. 如權(quán)利要求10所述的氣門總成，其特征在于，所述冷卻劑通道連接到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)。
16. 如權(quán)利要求10所述的氣門總成，其特征在于，所述冷卻劑通道連接到專用 的形狀記憶合金冷卻劑源。
專利摘要本實(shí)用新型涉及電子驅(qū)動(dòng)氣門系統(tǒng)，其中公開了一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電子驅(qū)動(dòng)氣門總成，其中所述氣門總成包括氣門桿、與該氣門桿運(yùn)轉(zhuǎn)連接的形狀記憶合金執(zhí)行器，形狀記憶合金執(zhí)行器的至少一部分延伸通過(guò)的冷卻劑通道，及與冷卻劑通道連通的冷卻流體源。
文檔編號(hào)F02D9/08GK201262119SQ200820105320
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者威廉·賴?yán)? 格雷格·麥克康維爾, 邁克爾·施拉德爾, 馬克·扎格特 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司