專利名稱：被動(dòng)閥組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被動(dòng)閥組件，其用于控制流體從一第一氣缸的流入或流出，有一個(gè)元件在該第一氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該元件例如是一個(gè)活塞。這樣的一個(gè)氣缸例如可以是一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)或一臺(tái)往復(fù)式空氣壓縮機(jī)上的部件。
背景技術(shù)：
用在這種應(yīng)用場(chǎng)合中的閥在廣義上可被分為兩類即主動(dòng)閥與被動(dòng)閥。主動(dòng)閥具有外部驅(qū)動(dòng)裝置，而被動(dòng)閥只是由系統(tǒng)正常工作過程中出現(xiàn)的壓力變化進(jìn)行觸發(fā)。
普通柴油機(jī)使用主動(dòng)閥組件，在該組件中，通常是用凸輪和彈簧結(jié)構(gòu)來(lái)開啟和關(guān)閉提升閥。這是一種簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置，不論發(fā)動(dòng)機(jī)為任何轉(zhuǎn)速，它都是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的相同轉(zhuǎn)角點(diǎn)上產(chǎn)生動(dòng)作。對(duì)于這樣的主動(dòng)閥組件，例如在美國(guó)專利US 5553572公開了用空氣彈簧取代普通機(jī)械彈簧的設(shè)計(jì)。這能使提升閥的端部結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離具有充氣室的缸蓋。在閥開啟時(shí)，空氣被開啟該閥的凸輪軸所壓縮。之后，此壓縮空氣被用來(lái)產(chǎn)生閥的關(guān)閉力。
近來(lái)，致力于在不同工況下優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的努力使得人們開始考慮其它形式的主動(dòng)閥驅(qū)動(dòng)件，例如液壓致動(dòng)器、氣動(dòng)致動(dòng)器和電磁致動(dòng)器。這些致動(dòng)器使得閥的動(dòng)作定時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中是可變的。用壓縮空氣來(lái)做有用功的原理也被用于氣動(dòng)操作閥，例如在專利文獻(xiàn)US5022359、US 5152260、US 5259345和EP-A-0554923中所公開的那些閥。在所有這些文獻(xiàn)的情況中，氣動(dòng)壓力被施加到閥組件中構(gòu)成活塞的一個(gè)部件的一側(cè)。然后該活塞部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)而開啟閥組件并壓縮空氣，壓縮空氣的壓力被用來(lái)促使閥回到其初始位置。組件中的壓力這樣來(lái)控制使得閥件能在幾個(gè)特定的位置上保持不動(dòng)，從而使閥具有必要的開啟時(shí)間，以此來(lái)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)控制是通過有選擇地向活塞兩側(cè)的腔室中通入高壓空氣和/或從這些室中排出空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于壓縮空氣要從腔室中排出，所以這樣的裝置要消耗大量壓縮空氣，從而浪費(fèi)了能量。
板閥等的被動(dòng)閥一般用在普通的往復(fù)式空氣壓縮機(jī)中。這種閥的工作是響應(yīng)于氣缸中的壓力變化而被動(dòng)地進(jìn)行的，并當(dāng)由于流量下降而使壓力下降到一個(gè)特定水平之下時(shí)關(guān)閉該閥。在單次行程中，在閥件上沒有施加任何外部控制，此外部控制可以是機(jī)械、液壓、氣動(dòng)或電磁控制的。
這樣的主動(dòng)閥和被動(dòng)閥已成功地廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。但是，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種設(shè)計(jì)能成功地適用于這樣的場(chǎng)合例如高壓縮比的往復(fù)式壓縮機(jī)或膨脹機(jī)，這樣的場(chǎng)合需要閥的開啟持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，并占用很小的氣缸容積，從而不會(huì)造成高壓損失或附加能量的高消耗。文件WO 94/12785中公開了一種熱循環(huán)，其具有要求上述特性的部件。該文獻(xiàn)公開了一種組合循環(huán)，其包括往復(fù)等溫壓縮循環(huán)和內(nèi)燃循環(huán)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其壓縮機(jī)上的排氣閥只需開啟約40°的曲軸轉(zhuǎn)角。這可與普通的柴油機(jī)進(jìn)行比較，普通柴油機(jī)的排氣閥開啟時(shí)長(zhǎng)約為150°曲軸轉(zhuǎn)角。
常規(guī)的主動(dòng)致動(dòng)器無(wú)法勝任這樣的工作驅(qū)動(dòng)上述應(yīng)用條件所需尺寸的閥、且在沒有高附加能量消耗的情況下以理想的速度驅(qū)動(dòng)閥。
普通的被動(dòng)式致動(dòng)器也是不可接受的。對(duì)于給定流量，板閥需要具有很大的直徑。如果壓縮比與普通往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的壓縮比一樣低，由于在閥開啟時(shí)，氣缸的頂部留有足夠大的容積，所以這一點(diǎn)并不會(huì)產(chǎn)生問題。但是，如果需要一個(gè)高壓縮比，則閥在開啟時(shí)的可用容積將是很小的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，本文提供了一種被動(dòng)閥組件，用于控制一第一氣缸的流體流入或流出，有一個(gè)元件在該第一氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，組件包括一個(gè)閥件，該閥件的一端具有一個(gè)頭部，該頭部坐壓到第一氣缸中的一個(gè)氣門中，并且被設(shè)計(jì)成沿流體流經(jīng)該氣門的方向開啟；組件還包括一個(gè)在另一氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，活塞上面對(duì)開啟方向的那一側(cè)與所述另一氣缸限定出一第一室，該腔室中充有氣體，從而在該閥件開啟時(shí)，氣體在第一室中受到壓縮，此壓縮過程中的能量被回收用來(lái)關(guān)閉閥件。
采用這樣的設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)谝粴飧字械膲毫?dǎo)致閥件開啟時(shí)，活塞壓縮第一室中的氣體，將氣體壓力增加到即將使作用于閥件上的力反向的程度，從而停止閥的運(yùn)動(dòng)，然后再使其回到其閥座上。由于幾乎所有當(dāng)閥遠(yuǎn)離其閥座運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)第一室中氣體的壓縮能量都在閥反向運(yùn)動(dòng)過程中被回收，所以附加損失很小。且在落座之后，通過閥頭部?jī)蓚?cè)的壓差將閥保持在關(guān)閉位置上。
本發(fā)明還使得提升閥的使用成為了可能，由此克服了板閥涉及的上述問題尺寸過大、缺乏控制。
同時(shí)，閥的關(guān)閉點(diǎn)也可由發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，而該控制系統(tǒng)是不可能使用板閥的。
由于組件是被動(dòng)式的，所以活塞不閉鎖。在某些情況下，在閥從其離開閥座一直到它重新落座的過程中，閥幾乎是處于連續(xù)的運(yùn)動(dòng)中。在這種情況下，當(dāng)閥到達(dá)其行程的盡頭而開始反向時(shí)，存在速度減小到零的一簡(jiǎn)短瞬間。但是，對(duì)閥可能的升程存在著結(jié)構(gòu)上的限制，并且在某些情況下，可將閥設(shè)計(jì)成會(huì)碰到一個(gè)終點(diǎn)止擋，在此終點(diǎn)止擋處，閥在開始返回其閥座之前會(huì)作有限的暫停。在此情況下，該止擋可設(shè)計(jì)成緩沖吸收、消散沖擊能量。例如，對(duì)該終點(diǎn)止擋的設(shè)計(jì)可涉及這樣的方案對(duì)活塞和終點(diǎn)止擋之間的氣膜進(jìn)行擠壓，以此來(lái)避免潛在的沖擊損壞。
可以選擇終點(diǎn)止擋的設(shè)計(jì)，以便于優(yōu)化閥對(duì)各種壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其中的壓力可施加于閥頭或活塞上。尤其是利用該終點(diǎn)止擋，無(wú)需閥的行程非常大就能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的閥開啟延時(shí)。
該閥組件或者可用作進(jìn)氣閥，或者可用作排氣閥。對(duì)于進(jìn)氣閥而言，開啟方向是朝向往復(fù)運(yùn)動(dòng)件，而第一室是在活塞最靠近閥頭的那一側(cè)。另一方面，對(duì)于排氣閥而言，閥的開啟方向背離往復(fù)運(yùn)動(dòng)件，第一室是在活塞遠(yuǎn)離閥頭的那一側(cè)。發(fā)現(xiàn)這樣的排氣閥特別適用作WO94/12785中往復(fù)式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)排氣閥。
由于在包括兩個(gè)行程的一個(gè)循環(huán)中沒有外部影響來(lái)控制閥件的運(yùn)動(dòng)，所以在此意義上所述閥組件是被動(dòng)式的。換言之，影響該閥件運(yùn)動(dòng)的唯一因素是閥頭兩側(cè)的壓力變化，其中一個(gè)壓力變化是由往復(fù)運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生的，另一壓力變化是由另一氣缸中活塞的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的。但是，仍可以通過在數(shù)個(gè)工作循環(huán)中改變第一室中的氣體壓力來(lái)對(duì)閥件的開啟和關(guān)閉定時(shí)實(shí)施一定的控制，以此來(lái)適應(yīng)各種工況。考慮到出現(xiàn)任何泄漏和溫度變化的影響，也需要對(duì)第一室中的壓力執(zhí)行一些控制。
為了形成一個(gè)平衡力來(lái)抵抗由第一室產(chǎn)生的力，在活塞與第一室相反的一側(cè)，活塞和另一個(gè)氣缸最好圍出一個(gè)第二室，該第二室中填充有氣體，從而在關(guān)閉閥件時(shí)，氣體在第二室中受到壓縮。設(shè)置第二室是為了產(chǎn)生平衡力，這就使得第一室中的壓力增加，而且不會(huì)在活塞上產(chǎn)生太大的凈推力，此處的太大是指推力相對(duì)于活塞的開啟而言太大了。這使得第一室的尺寸能小于在沒有第二室的情況下所需的尺寸。在閥關(guān)閉過程中，因?yàn)殚y的大部分動(dòng)能都被再吸收而用于下一次循環(huán)，而不是被阻尼耗散掉，所以第二室的反平衡力也是重要的。
在某種情況下，例如對(duì)于高壓縮比壓縮機(jī)的排氣閥的情況下，閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間很短。在這種情況下，該閥組件最好被設(shè)計(jì)成這樣由第一室和第二室中的氣體作用在活塞上的凈力能使得當(dāng)閥落座時(shí)，活塞在開啟該閥的方向上受到偏頂。采用這樣的設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)谝粴飧字械膲毫π∮陂y頭另一側(cè)的壓力時(shí)閥開啟。這一點(diǎn)對(duì)于閥開啟時(shí)間非常短的應(yīng)用場(chǎng)合下是非常重要的。雖然這將導(dǎo)致閥頭周圍有少量的回流，但這是無(wú)關(guān)緊要的，閥能在正確的時(shí)間開啟所帶來(lái)的益處足以彌補(bǔ)這一點(diǎn)不足。這形成了下述本發(fā)明的第二方面。
如果第二室太小，則可能出現(xiàn)這樣的情況氣體被壓縮到了阻礙閥關(guān)閉的程度。為了避免這樣的情況，可加長(zhǎng)第二室，因此降低壓縮比。但是，這將增加閥的總體長(zhǎng)度。因此，優(yōu)選地是第二室與一個(gè)輔助室連通，第二室和該輔助室形成一個(gè)封閉容積。這樣作的效果是當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，第二室和輔助室中的空氣被壓縮，但壓縮程度不會(huì)達(dá)到?jīng)]有輔助室時(shí)的程度。另外，當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，第二室和輔助室中的壓力將大于第一室中的壓力，從而趨于在使閥開啟的方向上實(shí)施偏壓。
當(dāng)閥件回到其閥座時(shí)，第二室中的氣體將被壓縮，從而減慢了閥件的運(yùn)動(dòng)。在此運(yùn)動(dòng)過程中，最好是進(jìn)行精心的調(diào)節(jié)，使得閥能迅速接近閥座，但不與閥座發(fā)生碰撞。為了改善此運(yùn)動(dòng)，優(yōu)選設(shè)置一種阻尼機(jī)構(gòu)來(lái)緩沖閥向其閥座的運(yùn)動(dòng)。
一種可行的阻尼機(jī)構(gòu)是設(shè)置在閥件上的一個(gè)盤體，該盤體與活塞相分開，并具有比活塞直徑小的直徑，并在第二室的壁上設(shè)置一個(gè)互補(bǔ)的沉孔，從而使盤體能在該沉孔中往復(fù)移動(dòng)一段行程而產(chǎn)生阻尼。
作為備選方案，還可以在閥件上設(shè)置一個(gè)盤體，從而可在一與第二室分開的阻尼室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，阻尼室中填充有氣體或液體。在盤體的大部分行程范圍內(nèi)，阻尼室的直徑最好是遠(yuǎn)大于盤體的直徑，但是對(duì)于靠近閥關(guān)閉位置的行程部分，其直徑接近盤體的直徑。這就使得在閥開啟過程中、和在關(guān)閉過程內(nèi)的大部分行程中，阻尼室的阻尼效果都可以忽略，但僅當(dāng)閥接近其關(guān)閉位置時(shí)才發(fā)揮作用。這時(shí)，肯定會(huì)有少量氣體或液體被截流在阻尼室的小直徑部分中，從而通過此氣體或液體被快速地?cái)D過盤體與阻尼室之間的間隙時(shí)，就能產(chǎn)生很大的阻尼作用。該阻尼力取決于速度，從而當(dāng)閥以高速關(guān)閉時(shí)，該力是很大的，但是當(dāng)閥以低速再次開啟時(shí)，該阻尼力是可忽略的。
盤體最好是沿該閥關(guān)閉運(yùn)動(dòng)的方向向內(nèi)錐縮，這使盤體圓周與阻尼室小直徑部分之間的面積逐漸減小。這樣設(shè)計(jì)是重要的，這是因?yàn)殚y的速度在開始進(jìn)行緩沖時(shí)是很高的，并在阻尼緩沖過程中逐漸減小。錐形盤體可以使阻尼力在整個(gè)緩沖過程中保持相對(duì)恒定，這樣就可以顯著地降低阻尼力的峰值。這使得各部件的尺寸達(dá)到最小，從而減輕質(zhì)量，由此改善了動(dòng)態(tài)性能。
另一種可選的阻尼機(jī)構(gòu)是壓膜阻尼機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)可隨活塞運(yùn)動(dòng)的表面，且該表面接近一個(gè)相對(duì)于活塞靜止的配合表面，從而，兩個(gè)表面之間擠壓著一薄層氣膜，隨著閥頭靠近其閥座，氣膜以高速?gòu)倪@兩個(gè)表面之間的間隙出來(lái)。該阻尼裝置在高氣體壓力時(shí)尤其有效，這是因?yàn)樽枘岫扰c兩表面之間的氣體壓力成比例。壓膜阻尼機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)榻亓粼谀て械臍怏w量相對(duì)于那兩個(gè)配合表面的面積是非常小的，所以它可以方便地與一種可壓縮氣體配套使用。這避免了設(shè)置單獨(dú)充油腔的需要，此充油腔要帶來(lái)密封、排油等的問題。
本發(fā)明的第二方面或者可以與該第一方面結(jié)合使用，或者可以單獨(dú)使用，第二方面涉及一種用于控制流體從一第一氣缸流入或流出的被動(dòng)閥組件，一個(gè)元件在該第一氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，小徑組件包括一個(gè)閥件，該閥件的一端具有一個(gè)頭部，該頭部落座在第一氣缸的一個(gè)氣道中，并且閥件被設(shè)計(jì)成沿流體流經(jīng)氣道的方向開啟，該閥件這樣進(jìn)行偏置當(dāng)它落座后，不論在該頭部上作用有任何的力，閥都被偏置開啟。
采用這樣的設(shè)計(jì)，閥可在第一氣缸中的壓力小于閥頭另一側(cè)的壓力時(shí)開啟。在閥開啟時(shí)間非常短的應(yīng)用場(chǎng)合中，這一點(diǎn)是非常重要的。雖然這將會(huì)導(dǎo)致閥頭周圍有少量的回流，但這是無(wú)關(guān)緊要的，閥能在正確的時(shí)間開啟所帶來(lái)的益處足以彌補(bǔ)這一點(diǎn)不足。
可以用任何公知的裝置來(lái)產(chǎn)生該偏置力，例如可用一機(jī)械彈簧形式的彈性件。但是，最好是在閥件上設(shè)有一個(gè)活塞，偏置力由作用于活塞至少一側(cè)上的壓縮空氣產(chǎn)生。使用壓縮氣體的設(shè)計(jì)能更好地適用于與往復(fù)式壓縮機(jī)的閥相關(guān)的壓力，并能通過改變氣體的壓力來(lái)方便地調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作點(diǎn)。
該閥可以由一個(gè)偏置力偏置開啟。但是，也可用兩個(gè)相反的偏置力作用在閥件上而得到一個(gè)平衡偏置力，當(dāng)閥落座后，傾向于偏置開啟該閥的第一力大于趨于使閥偏置關(guān)閉的第二力。


下面結(jié)合

根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的閥組件的例子。在附圖中圖1的示意圖表示了本發(fā)明的基本元件；圖2是一個(gè)截面圖，表示了帶有第一引導(dǎo)系統(tǒng)和第二引導(dǎo)系統(tǒng)的閥組件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，在圖中，第一引導(dǎo)系統(tǒng)位于中心線的左側(cè)，第二引導(dǎo)系統(tǒng)位于中心線的右側(cè)；以及圖3是阻尼機(jī)構(gòu)的示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方式此處表示和說(shuō)明的閥特別適用于作為往復(fù)式壓縮機(jī)的排氣閥，例如用作WO 94/12785公開的壓縮機(jī)中的排氣閥。
往復(fù)式壓縮機(jī)包括一個(gè)第一氣缸1，一個(gè)元件2在該氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并在往復(fù)運(yùn)動(dòng)件2上方的一個(gè)壓縮腔3對(duì)氣體進(jìn)行壓縮。待壓縮氣體通過一個(gè)由一進(jìn)氣閥(未示出)控制的進(jìn)氣口(未示出)進(jìn)入到壓縮腔3中，壓縮后的氣體通過一個(gè)由一排氣閥件5控制的排氣道4從壓縮腔3排出，排氣閥件5的開啟方向背離壓縮腔3，即在圖1和2中向上方向上開啟。
排氣閥件5是一個(gè)提升閥，其包括一閥桿6，閥桿6的一端具有一個(gè)頭部7，該頭部坐壓在第一氣缸1中的一閥座8上。閥桿6上與頭部7相反的一端是一個(gè)活塞9，該活塞在氣缸10中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊?將氣缸10分成第一室11和第二室12。在活塞9的一個(gè)行程過程中基本上沒有流體流入或流出第一室11，所以在此意義上可以說(shuō)第一室是封閉的。第二室12通過一個(gè)大的氣道13與一個(gè)輔助室14相連。第二室12、大的氣道13以及輔助室14構(gòu)成了一個(gè)閉合容積，由于在活塞9的一次行程中基本上沒有流體流入或流出該容積，所以在此意義上該容積可以說(shuō)是封閉的。
如下是該閥的基本工作過程。當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，即頭部7坐壓在閥座8上時(shí)，有兩個(gè)力作用于該閥上。這兩個(gè)力中的第一個(gè)是作用在頭部7上的、排氣道4和壓縮室3之間的壓差。第二力是由第一室11和第二室12中的初始?jí)毫Ξa(chǎn)生的。開始時(shí)，第二室12中的壓力大于第一室11中的壓力，形成了一個(gè)傾向于使閥件5開啟的力。但是，壓縮室3中的壓力比排氣道4中的壓力低一定的量，該量足以克服第一室11和第二室12產(chǎn)生的偏置力。閥件5因此而保持關(guān)閉。
由于活塞2的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致壓縮室3中的壓力升高，從而使閥門開始抬升。為了使閥能完全打開，且一旦達(dá)到輸送壓力時(shí)不再產(chǎn)生節(jié)流作用，這樣設(shè)計(jì)第一室11和第二室12產(chǎn)生的偏移力通常當(dāng)壓縮室3中的壓力達(dá)到排氣道4中壓力的80％時(shí)使閥件5開始運(yùn)動(dòng)。
壓縮室3和排氣道4中的壓力是不相等的，直到閥門升程達(dá)到幾毫米時(shí)為止，從而在此時(shí)刻仍有壓差作用在閥頭7上，并影響其繼續(xù)打開。在閥門升程超過幾毫米后，抬升特性就由第一室11和第二室12中的壓力來(lái)決定了。
第一室11中的壓力將隨閥的抬升而升高，且由于存在輔助室14，下方第二室中的壓力只有很小的下降。因此，第一室11中的壓力迅速變得高于下腔室12中的壓力，這將使作用于活塞9上的力變?yōu)榉聪?，該反向力將作用于閥，使其慢下來(lái)并在隨后返回其閥座上。這樣的機(jī)構(gòu)類似于質(zhì)量/彈簧系統(tǒng)，因而，其抬升特征大致是正弦規(guī)律的。其結(jié)果是升程曲線上將不會(huì)出現(xiàn)靜止拐點(diǎn)(dwell)。
如果當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞2經(jīng)過其上死點(diǎn)后閥件5靠近閥座，就會(huì)有一節(jié)流路徑經(jīng)過閥件，從而在閥頭7上就作用有一個(gè)反向壓差。這將趨于在出現(xiàn)大量氣體從排氣道4流回到壓縮室3中的回流之前關(guān)閉閥。
圖2中更為詳細(xì)地表示了該閥組件的結(jié)構(gòu)，下面將參見該附圖對(duì)進(jìn)一步的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
閥桿6穿過氣缸10，并在氣缸頂部和底部用碳纖維增強(qiáng)聚合物密封件20進(jìn)行密封。此種密封件無(wú)需潤(rùn)滑，從而避免了采用復(fù)雜的油計(jì)量和配油系統(tǒng)。
為了確保閥桿6的軸向運(yùn)動(dòng)，并為了控制不然就可能出現(xiàn)的彎曲振動(dòng)，可以采用兩種不同引導(dǎo)機(jī)構(gòu)中的一種。圖2中心線的左側(cè)表示了這兩種機(jī)構(gòu)中的第一種，其是一個(gè)環(huán)形的軸承環(huán)21，其圍繞活塞9設(shè)置。圖2中心線右側(cè)表示的第二機(jī)構(gòu)是一個(gè)軸承引導(dǎo)件22，該軸承引導(dǎo)件圍繞著閥桿6。
閥門抬升的定時(shí)和延時(shí)取決于第一室11和第二室12中的壓力。因此，為了控制抬升特性和延時(shí)特性，可設(shè)置幾條通道來(lái)改變這些腔室中的壓力。應(yīng)該指出的是這是一個(gè)被動(dòng)閥組件，因此流經(jīng)這些通道的流體只夠控制閥的動(dòng)作定時(shí)，而不足以驅(qū)動(dòng)閥，如上所述那樣，閥的驅(qū)動(dòng)是由壓縮室3中的壓力升高來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第一室11設(shè)有上部氣道23和下部氣道24，而第二室12通過一個(gè)通入輔助室14的氣道25來(lái)供氣(如圖1所示)。所有這些氣道23-25均與一壓縮氣體源相相連，并且流經(jīng)這些氣道的氣流由適當(dāng)?shù)拈y進(jìn)行控制。
盡管在圖2中存在上部氣道23和下部氣道24，但它們也可以單個(gè)使用。上部氣道23具有一個(gè)節(jié)流孔，該孔要小得足以防止過多的氣體在壓縮過程中從第一室11中流出，但它的尺寸也要足以允許在閥的兩次動(dòng)作之間能向第一室11中輸入足夠的氣體，從而使第一室的初始?jí)毫υ谳^少幾次循環(huán)中不會(huì)改變。對(duì)于下部氣道24而言，氣流由活塞9的位置控制。因此，當(dāng)閥件6落座時(shí)，氣道24被部分地敞露，以使得第一室11中的初始?jí)毫Πl(fā)生改變。當(dāng)活塞9上升時(shí)，氣道24被覆蓋，因此防止當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣從第一室11流出。
設(shè)置了一對(duì)壓力傳感器26、27，用于分別測(cè)量第一室11和第二室12中的壓力。它們也可以用來(lái)監(jiān)控和/或控制閥的操作。
下面將結(jié)合圖2和3說(shuō)明在閥件6向其閉合位置運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行阻尼的設(shè)計(jì)。
該阻尼機(jī)構(gòu)包括一個(gè)充滿油的阻尼室30。閥桿6穿過該阻尼室30，并在穿入位置處設(shè)置有一個(gè)盤形的阻尼元件31，阻尼元件31可在阻尼室30中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。閥桿6穿入阻尼室30的部分具有恒定的直徑，這就消除了阻尼油中的壓力變化，并取消了設(shè)置蓄能器的需要。為防止油沿閥桿6泄漏到第二室12中，在阻尼室30的上方圍繞閥桿6設(shè)置有一對(duì)油封環(huán)32。漏過密封件的任何油都被收集在油盤34上的一泄漏匯油槽33中，油槽與一導(dǎo)管35相通。匯油槽33也用于收集來(lái)自第二室12的、漏過密封件20的空氣。導(dǎo)管35通向一個(gè)處于大氣壓力中的收集罐，這就確保了匯油槽中的空氣壓力小于阻尼器中的油壓，從而防止空氣進(jìn)入阻尼器。
在阻尼室的下端沒有設(shè)置密封。取而代之的是，在閥桿6和圍繞殼體之間留有一個(gè)小間隙36。間隙36通向一個(gè)壓力為6×155Pa的漏油匯油槽37，其用于收集漏過該小間隙的油。相比于阻尼元件31的面積，間隙是非常小的，不會(huì)明顯地減小阻尼效果。小間隙36克服了設(shè)置高壓密封件的需要，由于阻尼室30中油可以達(dá)到高壓，所以該設(shè)計(jì)是有利的。來(lái)自泄漏匯油槽的油與供油管路38中的供入油相混合。
在該泄漏匯油槽的下面是一個(gè)第二小間隙39，其圍繞著閥桿6，并同向處于大氣壓力的油氣泄漏匯集槽40。匯集槽40收集從泄漏匯油槽37泄漏過來(lái)的油，也收集從排氣道4向上經(jīng)閥桿6泄漏來(lái)的空氣。這樣的設(shè)計(jì)用于防止來(lái)自排氣道4的空氣進(jìn)入道阻尼油中。泄漏到油氣泄漏匯集槽40中的油沿油氣排出管41排出(為了方便，該排出管在圖2剖面圖中被表示為處于圖面內(nèi)，但是在實(shí)際中，該排出管將沿垂直于圖面的方向延伸，從而可與其它氣道分開)。這些油被收集起來(lái)重新利用。
阻尼室30被大體分成兩個(gè)室，即一個(gè)基本上位于阻尼元件31上方的低壓室42和一個(gè)總體上位于阻尼元件31下方的高壓室43。高壓室43中的壓力可達(dá)到2×107Pa。該阻尼室的壁面具有這樣的輪廓使得低壓室42的直徑比阻尼元件31的直徑大得多，而高壓室43的直徑則與阻尼元件31直徑相當(dāng)。圍繞高壓室43的上邊緣制有向內(nèi)伸出的唇緣44。唇緣與阻尼元件31的外周表面上的一個(gè)錐面43相配合，下文將對(duì)此進(jìn)行描述。
油沿位于低壓室42最低邊緣處的供油管路38進(jìn)入阻尼室30，沿處于低壓室42最高處的排油管46離開。如果任何空氣進(jìn)入阻尼室30，則這樣的設(shè)計(jì)確?？諝饽鼙谎杆倥懦?，而不會(huì)進(jìn)入高壓室43。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在關(guān)閉閥時(shí)，只需要在閥頭7落座之前的約最后2mm行程段內(nèi)實(shí)施阻尼，相應(yīng)地，高壓室43設(shè)計(jì)成只為部分行程段提供阻尼區(qū)。在閥從其落座位置開啟時(shí)，由于開啟速度比其關(guān)閉速度要低得多，所以阻尼區(qū)對(duì)其影響很小。在該阻尼區(qū)之外，阻尼元件31是在低壓室42中運(yùn)動(dòng)，并且由于在低壓室42中阻尼元件31邊緣周圍的間隙很大，所以影響還是很小。
只有當(dāng)阻尼元件31在其向下行程中接近高壓室43時(shí)，阻尼效果才變得明顯。阻尼元件31的錐面45與唇緣44配合，使得流體經(jīng)過該間隙時(shí)類似于流過一個(gè)節(jié)流孔。這就意味著該流動(dòng)是高紊流性的，其結(jié)果是壓降不受油粘性的影響。而粘性又直接受到油溫的影響，故這一特性意味著阻尼特性不受油溫變化的影響，油溫變化是由于油在工作中被加熱的。
阻尼元件31錐面45的另一個(gè)功能是錐面45與唇緣44之間的面積在阻尼過程中是逐漸減小的。當(dāng)阻尼過程真正開始時(shí)，阻尼元件的速度將非常高，并迅速減小。漸減的面積與漸減的速度相結(jié)合將使得錐面45和唇緣44之間間隙兩側(cè)的壓降基本保持恒定。這將產(chǎn)生一個(gè)恒定的阻尼力，其比由固定間隙產(chǎn)生的阻尼力小得多。
盡管該閥被描述為一個(gè)排氣閥，但它也可以作為進(jìn)氣閥。在這種情況下，閥件被布置成向往復(fù)運(yùn)動(dòng)件3方向開啟，且包括阻尼機(jī)構(gòu)的整套組件在氣缸10中安裝方式都與圖2所示方式相反。
權(quán)利要求
1.一種被動(dòng)閥組件，用于控制流體從一第一氣缸的流入或流出，有一個(gè)元件在該第一氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該組件包括一個(gè)閥件，該閥件的一端具有一個(gè)頭部，該頭部坐壓到第一氣缸中的一個(gè)氣門中，且被設(shè)計(jì)成沿流體流經(jīng)該氣門的方向開啟；該組件還包括一個(gè)在另一氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，該活塞上面對(duì)開啟方向的那一側(cè)與所述另一氣缸限定出一第一室，該腔室中充有氣體，從而在該閥件開啟時(shí)，氣體在第一室中受到壓縮，此壓縮過程中的能量被回收用來(lái)關(guān)閉閥件。
2.按權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于在活塞與第一室相反的一側(cè)，活塞和另一個(gè)氣缸圍出一個(gè)第二室，該第二室中填充有氣體，從而在關(guān)閉閥件時(shí)，氣體在第二室中受到壓縮。
3.按權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于第二室與一個(gè)輔助室連通，第二室和該輔助室形成一個(gè)封閉容積。
4.按權(quán)利要求2或3所述的組件，其特征在于活塞上由第一室和第二室中產(chǎn)生的凈作用力是這樣的當(dāng)閥處于落座狀態(tài)時(shí)，活塞被偏置向使閥開啟的方向。
5.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組件，其特征在于設(shè)置一個(gè)阻尼機(jī)構(gòu)來(lái)緩沖閥向其閥座運(yùn)動(dòng)時(shí)和/或遠(yuǎn)離其閥座時(shí)的運(yùn)動(dòng)。
6.按權(quán)利要求5所述的組件，其特征在于阻尼機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在閥件上的一個(gè)盤體，該盤體與活塞相分開，并具有比活塞直徑小的直徑，并在第二室的壁上設(shè)置一個(gè)互補(bǔ)沉孔，從而使盤體能在該沉孔中往復(fù)移動(dòng)一段行程，以此產(chǎn)生阻尼作用。
7.按權(quán)利要求5所述的組件，其特征在于阻尼機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在閥件上的一個(gè)盤體，使其可在一與第二室分開的阻尼室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，阻尼室中填充有氣體或液體。
8.按權(quán)利要求7所述的組件，其特征在于在盤體的大部分行程范圍內(nèi)，阻尼室的直徑遠(yuǎn)大于盤體的直徑，但對(duì)于接近閥關(guān)閉位置的行程部分，其直徑接近盤體的直徑。
9.按權(quán)利要求7或8所述的組件，其特征在于該盤體沿閥關(guān)閉運(yùn)動(dòng)的方向向內(nèi)錐縮。
10.按權(quán)利要求5所述的組件，其特征在于阻尼機(jī)構(gòu)是一壓膜阻尼機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)可隨活塞運(yùn)動(dòng)的表面，且該表面接近一個(gè)相對(duì)于活塞靜止的配合表面，從而，兩個(gè)表面之間擠壓著一薄層氣膜，隨著閥頭靠近其閥座，氣膜以高速?gòu)倪@兩個(gè)表面之間的間隙出來(lái)。
11.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組件，其特征在于設(shè)置了用于在數(shù)次行程后改變第一室中壓力的裝置。
12.按權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于設(shè)置了用于在數(shù)次行程后改變第二室中壓力的裝置。
13.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組件，其特征在于該閥件是一個(gè)提升閥。
14.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組件，其特征在于該閥是一個(gè)進(jìn)氣閥，其被設(shè)置成開啟方向朝向往復(fù)運(yùn)動(dòng)件，以及，該第一室位于活塞最接近閥頭的那一側(cè)。
15.按權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的組件，其特征在于該閥是一個(gè)排氣閥，其被設(shè)置成開啟方向遠(yuǎn)離往復(fù)運(yùn)動(dòng)件，以及，該第二室位于活塞遠(yuǎn)離閥頭的那一側(cè)。
16.一種用于控制流體從一第一氣缸流入或流出的被動(dòng)閥組件，一個(gè)元件在該第一氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該組件包括一個(gè)閥件，該閥件的一端具有一個(gè)頭部，該頭部落座在第一氣缸的一個(gè)氣道中，并且閥件被設(shè)計(jì)成沿流體流經(jīng)氣道的方向開啟，該閥件這樣進(jìn)行偏置當(dāng)它落座后，不論在該頭部上作用有任何的力，閥都被偏置開啟。
17.按權(quán)利要求16所述的組件，其特征在于有兩個(gè)相反的偏置力作用在閥件上，當(dāng)閥落座后，傾向于偏置開啟閥的第一力大于趨于使閥偏置關(guān)閉的第二力。
18.按權(quán)利要求16或17所述的組件，其特征在于閥件上設(shè)有一個(gè)活塞，偏置力由作用在該活塞至少一側(cè)的壓縮空氣產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于控制流體經(jīng)一流道(4)流入或流出腔室(3)的被動(dòng)閥組件。該閥組件包括一個(gè)閥件(5)，其被設(shè)置成沿流體經(jīng)過流道的方向開啟。該閥件(5)具有一個(gè)活塞(9)，該活塞在容納有氣體的氣缸(10)內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在閥開啟時(shí)，氣體在氣缸(10)的第一室(11)中被壓縮，且該壓縮能用于促使閥件(5)反向，并返回到其閥座處。
文檔編號(hào)F01L9/02GK1443272SQ0181021
公開日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
發(fā)明者M·W·E·科尼, A·馬勒, D·F·維斯特, B·C·波特, L·R·斯佩利爾斯 申請(qǐng)人:因諾吉公眾有限公司