用于低频噪音衰减的混合气门的制作方法
【专利摘要】一种用于排气系统的混合气门组件，包括具有限定排气流动路径孔的排气管。该孔内装有叶片，叶片可在打开位置与关闭位置之间移动。弹性构件朝向关闭位置偏压叶片。气门致动器具有接通位置和断开位置，在接通位置时，由气门致动器主动地控制叶片的运动，在断开位置时，由排气流被动地控制叶片的运动。
【专利说明】用于低频噪音衰减的混合气门
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种车辆排气系统中的混合气门组件，更具体地说涉及一种通过选择性地提供被动气门功能或主动控制功能以提供期望气门特性的混合气门组件。
【背景技术】
[0002]排气系统已被广泛熟知并且广泛应用于内燃机。通常，排气系统包括排气管，这些排气管将来自发动机的热排气传送至诸如消声器、谐振器等之类的其它排气系统部件。消声器包括用于消除由排气所携带的声波的声室。尽管消声器是有效的，但其在尺寸方面通常相对较大，而且提供的噪音衰减有限。
[0003]已经有人提议在消声器中包括气门以提供额外的噪音衰减。然而，所提议的气门具有许多缺点，这些缺点限制了它们在多种应用中的广泛使用。
[0004]如所知，消声器根据应用而经历不同的运行环境。例如，用于客车的主消声器由于其通常所处位置而会遭受到600摄氏度的排气，而在卡车、小型厢型车或SUV (运动型多用途车)应用中使用的消声器可经历超过750摄氏度的气体。
[0005]在客车应用中，已经将被动噪音衰减气门直接结合在消声器本体内用以提供噪音衰减。该气门包括用于偏压气门本体以使其在限定排气流动路径的气门壳体内进行枢转运动的弹簧。该弹簧在高温环境中的应用有限。通常需要用非常昂贵的专用高温弹簧材料。另外，可能难以将这些气门封装在较小尺寸的消声器中，这些较小尺寸的消声器通常作为诸如卡车、SUV、小型厢型车等之类的大型车辆的多消声器构型的一部分。
[0006]该气门控制着沿该排气流动路径的排气流量。气门本体可在关闭位置与打开位置之间移动，其中，在关闭位置处，排气流动路径的100%被气门本体阻塞住，在打开位置处，该排气流动路径的阻塞被控制在最小。
[0007]此外，这些已知的被动气门用在设置有旁路流动路径的构型中。在这类构型中有用于排气的主流动路径和旁路流动路径。该气门本体定位在限定该主流动路径的内部消声管内。如上所述，该气门本体构造成当处于该关闭位置时阻塞住该主流动路径的100%。旁路管在位于气门本体的上游的位置处和位于气门本体的下游的位置处与内部消声管流体连通。在某种情况下，例如当主流动路径被100%阻塞住时，排气经由该旁路管引导绕过该气门本体。
[0008]从组装、材料及重量的角度出发，设置旁路流体路径是不利的。此外，如上所述，难以将这些气门封装在较小的消声器中，并且这些气门在高温环境中不能有效地运行。
[0009]另外，这些已知的被动气门构型不能有效地使低频噪音衰减。有人尝试不用被动气门，通过增大消声器体积或者增大背压来改善低频噪音衰减。从费用、材料及封装空间的角度出发，增大消声器体积是不利的。增大背压会负面影响发动机功率。
[0010]还尝试将无旁路构型与主动控制的、真空操作的气门构型一起使用。然而，从费用和封装的角度出发，这是不利的。
[0011]因此，存在对更为有效的噪音衰减气门的需求，该噪音衰减气门在排气流内有效地起作用，并且可使低频噪音衰减，以提供期望的气门特性。本发明在消除了现有技术的缺点和劣势的同时满足了这些需求。
【发明内容】
[0012]一种用于排气系统的混合气门组件包括具有限定排气流动路径的孔的排气管。叶片安装在该孔内并且可在打开位置与关闭位置之间移动。弹性构件朝向关闭位置偏压叶片。气门致动器具有接通(ON)位置和断开(OFF)位置，在该接通位置时，由气门致动器主动地控制叶片的运动，在该断开位置时，由排气流被动地控制叶片的运动。
[0013]在一个示例中，排气流动路径具有横截面区域并且叶片在处于关闭位置时覆盖该横截面区域的87.5%至92.5%。
[0014]在另一示例中，致动器包括诸如螺线管之类的线性致动器。
[0015]在另一示例中，当气门致动器处于断开位置中时，叶片仅响应于大于弹性构件的偏压力的排气压力从关闭位置朝向打开位置移动。
[0016]在另一示例中，该组件包括一输入，该输入可由用户选择性地致动使气门致动器在接通位置与断开位置之间移动。接通位置与断开位置之间的选择基于提供期望的气门特性进行。
[0017]一种控制混合气门组件的示例方法包括选择性地使气门致动器在接通位置与断开位置之间移动，在该接通位置时，由气门致动器主动地控制叶片的运动，在该断开位置时，由排气流被动地控制叶片的运动。
[0018]本发明的这些特征及其它特征可通过下列说明和附图得到最好地理解，以下说明为简要描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1示出了结合本发明主题的排气气门组件和排气部件的立体图。
[0020]图2示出了图1所示组件中所使用的气门轴、轴衬及弹簧的示意图。
[0021 ]图3示出了图2所示弹簧的截面图。
[0022]图4为示出了在大致关闭位置和大致打开位置的弹簧和叶片的侧视示意图。
[0023]图5为外部排气管和被动气门组件的截面端视图，其中，叶片处于大致关闭位置中。
[0024]图6为消声器及具有被动气门组件的外部排气管的立体图。
[0025]图7为混合气门组件的立体图。
[0026]图8为图7所示的混合气门组件的端视图。
[0027]图9为图7所示的混合气门组件的侧视图。
[0028]图10为图7所示的混合气门组件的俯视图。
【具体实施方式】
[0029]排气部件10 (图1)包括可在打开位置与关闭位置之间移动的排气气门，该排气气门被标示为被动气门组件12。在所示示例中，该排气部件10包括管体14,该管体14限定了具有一定横截面区域的排气流动路径16。被动气门组件12包括气门本体或叶片18，该气门本体或叶片18当处于关闭位置时阻塞住该排气流动路径16的一部分。叶片18响应于由排气施加在叶片18上的压力而朝向打开位置枢转，以使对排气流动路径16的阻塞最小化。
[0030]在一个示例中，叶片18利用柄脚或托架22固定至轴20。在管体14的外表面内形成槽沟24。本示例中示出为正方形金属结构的壳体26容纳在该槽沟24内并焊接至管体
14。也可以使用其它壳体构型。轴20通过第一轴衬或轴承28和第二轴衬或轴承30可旋转地支承在壳体26内。在所示示例中，托架22包括一片金属片，该金属片的一部分焊接至轴20而另一部分从壳体26向外延伸并焊接至叶片18。因此，叶片18和轴20围绕由轴20限定的轴线A —起枢转。托架22仅是如何可将轴20附接至叶片18的一个示例，应当理解到的是，也可以使用其它附接机构。
[0031]第一轴衬28大致定位于第一轴端32处。如图2中所示，第一轴衬28包括用于第一轴端32的密封接合部。轴20包括由第一直径Dl限定的轴体34。位于第一轴端32附近的是由大于第一直径Dl的第二直径D2限定的第一轴环36。第一轴衬28包括容纳第一轴端32的第一孔38。第一轴环36直接抵靠在第一轴衬28的端面40上，使得排气不能沿着位于轴20与第一轴衬28之间的路径从第一轴衬28泄漏出去。
[0032]第二轴衬30包括第二孔44，轴体34穿过该第二孔44延伸至第二轴端46。轴20包括由大于第一直径Dl的第三直径D3限定的第二轴环48。第二直径D2和第三直径D3可以是彼此相同或不同的。第二轴环48位于第二轴衬30的轴向内侧。
[0033]轴20穿过第二孔44延伸至相对第二轴衬30的轴向外侧位置。诸如弹簧50之类的弹性构件利用弹簧护圈52联接至第二轴端46。弹簧护圈52包括固定至壳体26的第一护圈部件54和固定至第二轴端46的第二护圈部件56。弹簧的一个端部58经由第一护圈部件54与壳体相关联，并且第二弹簧端部60 (图3)经由第二护圈部件56与轴20相关联。有利地，弹簧50位于管体14的外部、即管体14的外侧。这样，与现有设计中的直接经历高温排气不同，弹簧50在凉得多的环境中工作。
[0034]在一个示例中，弹簧50包括螺旋弹簧，该螺旋弹簧构造成在安装时沿着轴线A的轴向方向上受到压缩，并在围绕轴线A的扭转方向上也受到压缩。扭转加载使其产生预加载力，此预加载力朝向关闭位置偏压轴20和叶片18。随着气流增大，该扭转力被克服以使叶片18朝向打开位置移动。轴向力用于将第二轴环48确实地安置和封靠在第二轴衬30的端面66上。这通过封闭住位于轴20的外表面与第二轴衬30的孔表面之间的通道而防止任何排气从第二轴衬30泄漏出去。由此，使用单个弹簧来提供轴向加载和扭转加载，从而获得了可将被动气门组件12保持在期望的操作位置中并且防止排气泄漏的构型。
[0035]图3中更为详细地示出了该弹簧50。弹簧50为由具有直径Dw的线材制成的螺旋弹簧。在安装之前，弹簧50由第一螺距尺寸Pl大于直径Dw的自由长度条件FL限定。这种关系使相邻线圈之间形成间隙70。相邻线圈之间的间隙70使得弹簧70能够在安装期间在轴向方向上受压并且在扭转方向上受到压缩。这就使得第二螺距尺寸P2小于第一螺距尺寸Pl (图1)。
[0036]在一个示例构型中，弹簧50具有约为1.8mm的线材直径Dw及大于2mm的第一螺距尺寸P1。弹簧50还具有17mm的全外径及约30mm的自由长度FL。当被压缩进行安装时，该自由长度FL被压短约5mm。应当理解的是，这仅是一种示例构型，可以按需使用其它构型以提供期望的特性。
[0037]通过利用既可在扭转方向又又可在轴向起作用的单个弹簧，可对轴加载以使其靠在轴衬上，这将使在轴与轴衬之间的排气泄漏量最小化。此外，由于轴总是被定位成确保靠在轴衬上，因此可利用该构型以使累积的变化最小化。
[0038]与在关闭时具有50%或更小的覆盖率的现有气门相比，被动气门组件12在位于关闭位置中时还提供了对排气流动路径16的相当大的覆盖率。在图4至图5中所示的示例中，被动气门组件12定位在排气管80中，该排气管80具有连接至第一排气部件84的第一管端82和连接至第二排气部件88的第二管端86。第一排气部件84和第二排气部件88可包括诸如消声器、排气尾管等之类的部件。
[0039]在图6中所示的一个示例中，第一排气部件84包括消声器90，并且第二排气部件88包括排气尾管92。排气管80连接至消声器90的出气口 94及排气尾管92的进气口。在另一示例中，第一部件84和第二部件88均包括消声器(图4中示意性地示出)，其中，排气管80连接至一个消声器的出气口并且连接至另一消声器的进气口。
[0040]在任一构型中，排气管80均具有内部孔或开口 98，该内部孔或开口 98流体地连接第一排气部件84和第二排气部件88并限定排气流动路径16。该排气流动路径16是位于第一排气部件84与第二排气部件88之间的唯一的流动路径。换言之，不存在与排气管80相关联的旁路流动路径，排气流可经过的唯一路径是排气管80内的排气流动路径16。
[0041]如图4中所示，叶片18可在开口 98内从大致关闭的位置(实线)枢转至大致打开的位置(虚线)。叶片18被弹簧50 (示意性地示出)朝向如100示意性指示的关闭位置偏压。当由箭头101指示的排气压力超过一定水平时，弹簧力被克服并且使叶片18朝向打开位置移动。
[0042]开口 98由横截面区域限定。当叶片18处于关闭位置时，该横截面区域被覆盖住、即被封闭住约80%-97%。在一个示例中，该横截面区域在87.5%-92.5%的范围内被覆盖住。由此，当叶片18处于关闭位置时，该横截面区域的仅非常小的一部分为排气流保持打开(参见图5)。
[0043]与无旁路构型相结合，这种高覆盖百分率提供了一种对低频噪音衰减非常有效的方法。
[0044]图7至图10示出了 一种混合气门组件102的示例，该混合气门组件102将如上所述的被动控制与可被选择性地驱动的主动控制相结合以提供期望的气门特性。如图7中所示，混合气门组件102以与上述方式类似的方式安装在排气管104内；然而，也可使用其它安装构型。管104具有中央轴线B并限定了一排气流动路径。轴106 (图8)由固定在管104的相对两侧上的轴衬组件108支承。叶片110 (图8)被固定为与轴104 —起围绕旋转轴线A旋转。
[0045]在一个示例中，管104限定了排气流F从上游端112至下游端114所穿过的横截面区域。管104包括具有排气路径的无旁路构型，该排气路径包括位于连接至上游端112的上游排气部件与连接至下游端114的下游排气部件之间的唯一的排气路径。当叶片110处于关闭位置时，该横截面区域被叶片110覆盖住约80%-97%。在另一示例中，该横截面区域的87.5%-92.5%的范围被覆盖住。由此，当叶片110处于关闭位置时，该横截面区域的仅非常小的一部分对排气流保持打开(参见图8)。[0046]混合气门组件102包括将叶片110偏压至关闭位置的弹性控制组件120。该弹性控制组件120包括诸如弹簧之类的弹性构件122，该弹性构件122向叶片110施加使其移动至关闭位置的偏压力。该弹性控制组件120还包括将弹性构件122联接至轴106的护圈124。护圈124包括被固定与轴106的一端一起旋转的第一部分126及固定至管104和/或多个轴衬组件108中的一个轴衬组件的外部壳体的第二部分128。如图7中所示，第一弹簧端部130安置在弹簧护圈124的第一部分126中，并且第二弹簧端部132安置在弹簧护圈124的第二部分128中。
[0047]混合气门组件102还包括构造成主动地控制叶片110位置的气门致动器140。可以使用包括例如气动控制致动器或电动控制致动器在内的任意类型的主动气门致动器140。在一个示例中，该致动器包括诸如螺线管之类的线性致动器。
[0048]在一个示例安装构型中，气门致动器140包括用托架144固定至管104的壳体142。壳体142是外部安装的并且大致在与排气流动路径的方向平行的方向上延伸。气门致动器140包括可伸长构件146，该可伸长构件146沿着线性路径向壳体142的内部以及向壳体142的外部延伸，以控制叶片110的位置。臂148从该可伸长构件146向外延伸以衔接该弹性控制组件120。在一个示例中，臂148在与旋转轴线A大致平行的方向上延伸。
[0049]托架144可以以包括焊接、钎接、扎扣等的多种方式中的任意方式固定至管104。如果需要，可用附加的支承托架138将托架144更为牢固地固定就位。如图9中所示，支承托架138用于将托架144的一部分紧固至管104的一侧。在图10中，支承托架用于将托架的一部分紧固至管104的顶部。如果需要，还可使用附加的支承托架。
[0050]气门致动器140具有接通位置和断开位置，在接通位置中，通过气门致动器140主动地控制叶片110的运动，在断开位置中，通过排气流被动地控制叶片110的运动。当气门致动器140在关位时，混合气门组件102处于被动模式中，弹性构件122施加用以使轴106旋转的偏压力，使得叶片110处于关闭位置。在车辆运行期间，当施加在叶片110上的排气压力大于弹性构件122的偏压力时，叶片110将朝向打开位置移动。当排气压力小于偏压力时，叶片110将由于弹性构件122的偏压力而自动地返回至关闭位置。由此，当处于被动模式中时，叶片110仅响应于大于弹性构件122的偏压力的排气压力从关闭位置朝向打开位置移动，即气门致动器140不主动地控制叶片110的运动。
[0051]护圈124的第一部分126包括径向延伸的突部150，当气门致动器140处于关闭位置中时，该径向延伸的突部150抵靠在气门致动器140的臂148上。在被动模式中，当排气压力超过弹性构件122的偏压力时，突部150抬起离开臂148沿由箭头152所示的朝向打开位置旋转。当排气压力降到低于偏压力时，突部150、轴160、及护圈124的第一部分126将沿相反的方向旋转，直到突部150抵靠在臂148上为止。由此，在处于被动模式时，臂148是限定关闭位置的止动界限。
[0052]在主动控制期间，即当致动器140在接通位置处于主动模式时，臂148与可伸长构件146 —起移动来旋转轴106，并通过与突部150的接触来旋转叶片110。如图7中所示，当将可伸长构件146向内拉到壳体142中时，臂148也沿相同的方向移动，这迫使突部150无论排气压力如何均抵抗弹簧的偏压力而围绕轴线A (由箭头152指示)旋转。由此，当处于主动模式中时，在可伸长构件146向壳体144的内部及外部移动时,臂148与突部150均保持彼此接触。[0053]诸如单独的或集成的电子控制单元之类的控制器156产生用以控制气门致动器140的运动的信号。输入158构造成由用户选择性地驱动以使气门致动器140在接通位置与断开位置之间移动。在接通位置与断开位置之间的选择基于提供期望的气门特性进行。来自输入158的信号被传送至控制器156,并且控制器156根据从输入158接收到的信号产生适当的输出控制信号用以启动(接通位置)或停用(断开位置)气门致动器140。可在行驶时启动该输入158或者可在车辆起动前或车辆起动时启动该输入158。
[0054]输入158可包括能够在控制值需要改变时与控制器156进行通信的任何种类的方法或装置。在一个示例中，输入158包括可由用户选择性地驱动的开关、按钮或切换器。输A 158还可以通过诸如车辆计算机由触摸屏来实现。在另一示例中，加速踏板可用作输入装置，在该输入装置中，在较短的时间段内制动施加的预定设定位置或预定数目可表示需要改变气门控制。一旦控制器156接收到改变请求，控制器156就利用算法被编程为产生用于气门致动器140的适当的控制信号。
[0055]如上所述，接通位置与断开位置之间的选择基于提供期望的气门特性进行。在一个示例中，期望的气门特性包括期望的排气噪音。当选择接通位置时，即当混合气门组件102处于主动模式时，排气噪音比在处于断开位置时、即处于被动模式时要大。
[0056]在另一示例中，期望的气门特性包括期望的背压。当处于接通位置时，即处于主动模式中时，背压比在处于断开位置时、即处于被动模式时的小。
[0057]在另一示例中，期望的气门特性包括能源节约。用户将在存在使用能源的期望时选择接通位置，并且将在存在节约能源的期望时选择断开位置。
[0058]混合气门组件102以容易且简单的方式将被动控制与主动控制相结合，提供了气门特性选项的选择范围。
[0059]尽管公开了本发明的优选实施方式，但是所属领域的技术人员应该认识到，某些改型也落入本发明的范围内。为此，本发明的确切范围和内容应当通过对权利要求的研究确定。
【权利要求】
1.一种用于排气系统的混合气门组件，包括: 排气管，所述排气管具有限定排气流动路径的孔，所述排气管具有连接至第一排气部件的一个端部和连接至第二排气部件的第二端部； 叶片，所述叶片安装在所述孔内，并且能够在打开位置与关闭位置之间移动； 弹性构件，所述弹性构件朝向所述关闭位置偏压所述叶片；以及 气门致动器，所述气门致动器具有接通位置和断开位置，在所述接通位置处时，所述叶片的运动由所述气门致动器主动地控制，在所述断开位置时，所述叶片的运动由排气流被动地控制。
2.根据权利要求1所述的混合气门组件，其中，所述叶片在处于所述关闭位置时覆盖所述排气流动路径的横截面区域的80%至97%。
3.根据权利要求1所述的混合气门组件，其中，当所述气门致动器处于所述断开位置时，所述叶片仅响应于大于所述弹性构件偏压力的排气压力，从所述关闭位置朝向所述打开位置移动。
4.根据权利要求1所述的混合气门组件，其中，所述排气管形成了在所述第一排气部件与所述第二排气部件之间延伸的唯一的排气路径，并且，所述叶片包括定位在所述第一排气部件与所述第二排气部件之间的唯一的气门组件。
5.根据权利要求1所述的混合气门组件，其中，所述第一排气部件和所述第二排气部件中的至少一者包括消声器。
6.根据权利要求5所述的混合气门组件，其中，所述第一排气部件和所述第二排气部件中的另一者包括排气尾管和另一消声器中的一者。
7.根据权利要求1所述的混`合气门组件，包括:安装至所述叶片的轴，所述轴由至少一个轴衬枢转性地支承，并且其中，所述弹性构件包括支承在所述轴上的弹簧。
8.根据权利要求7所述的混合气门组件，包括:弹簧护圈，所述弹簧护圈具有被固定成与所述轴一起旋转的旋转部分，并且其中，所述气门致动器构造成当所述气门致动器处于所述接通位置时通过旋转所述旋转部分来控制所述叶片的运动。
9.根据权利要求8所述的混合气门组件，其中，所述弹簧护圈包括径向延伸的突部，并且其中，所述气门致动器包括抵靠在所述径向延伸的突部上的臂。
10.根据权利要求9所述的混合气门组件，其中，当所述气门致动器处于所述断开位置时，所述臂包括限定关闭位置的抵接止动件，并且其中，当所述气门致动器处于所述接通位置时，所述臂抵靠在所述径向延伸的突部上，并使所述径向延伸的突部旋转以使所述叶片朝向所述打开位置移动。
11.根据权利要求8所述的混合气门组件，其中，所述臂沿与由所述轴限定的旋转轴线大致平行的轴向方向延伸。
12.根据权利要求11所述的混合气门组件，其中，所述致动器包括具有可伸长构件的线性致动器，并且其中，所述臂被固定成用于与所述可伸长构件一起运动。
13.根据权利要求1所述的混合气门组件，包括输入，所述输入构造成可由用户选择性地驱动以使所述气门致动器在所述接通位置与所述断开位置之间移动，并且其中，所述接通位置与所述断开位置之间的选择基于提供期望的气门特性进行。
14.根据权利要求13所述的混合气门组件，其中，所述期望的气门特性包括期望的排气噪音，并且其中，当处于所述接通位置时，所述排气噪音比处于所述断开位置时的排气噪音大。
15.根据权利要求13所述的混合气门组件，其中，所述期望的气门特性包括期望的背压，并且其中，当处于所述接通位置时，所述背压比处于所述断开位置时的背压小。
16.根据权利要求1所述的混合气门组件，其中，所述排气流动路径具有一横截面区域，并且其中，所述叶片在处于所述关闭位置时覆盖所述横截面区域的80%至97%。
17.—种控制混合气门组件的方法，包括下列步骤: 提供排气管、叶片及弹性构件，其中，所述排气管具有限定排气流动路径的孔，所述叶片安装在所述孔内并能够在打开位置与关闭位置之间移动，所述弹性构件朝向所述关闭位置偏压所述叶片，以及 选择性地使气门致动器在接通位置与断开位置之间移动，其中，在所述接通位置处，所述叶片的运动由所述气门致动器主动地控制，在所述断开位置处，所述叶片的运动由排气流被动地控制。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述排气流动路径具有横截面区域，并且所述方法包括在所述叶片处于所述关闭位置时，利用所述叶片覆盖所述横截面区域的80%至97%的覆盖范围。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述接通位置与所述断开位置之间的选择基于提供期望的排气噪音进行，并且所述方法包括选择所述接通位置以提供比处于所述断开位置时大的排气噪音。
20.根据权利要求17所`述的方法，其中，所述接通位置与所述断开位置之间的选择基于提供期望的背压进行，并且所述方法包括选择所述接通位置以提供比处于所述断开位置时小的背压。
【文档编号】F01N1/08GK103790676SQ201310532971
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2012年10月31日
【发明者】克温·艾布拉姆, 约瑟夫·卡拉汗, 罗宾·维拉茨 申请人:佛吉亚排放控制技术美国有限公司