CN1038958C - 利用阀门机构作用的发动机制动 - Google Patents

Abstract

一种制动系统，有一电子控制系统，和一能独立地驱动各个阀门的打开装置。电子控制系统以第一预设逻辑压力模式，使在压缩冲程中每个阀门都处于关闭位置，并以第二预设逻辑压力模式来改变其时当活塞靠近上死点位置时与相应气缸连接的处于一般打开位置的阀门的工作状态。预设的逻辑压力模式启动用于驱动的装置，使各个阀门独立地在打开和关闭位置间运动而有效地抵抗活塞从下死点位置到上死点位置的运动。

Description

利用阀门机构作用的发动机制动

本发明总的涉及对发动机作用方式的控制操作。尤其，本发明涉及一预设的逻辑压力模式，每次循环都使预设的逻辑压力模式变化，且预设逻辑压力模式可控地、有顺序地和可调节地控制阀门开闭的时间以提供一个发动机的制动系统。

有这样一种提供发动机制动的系统揭示在美国专利号：4,592,319、公开于1986年6月3日、属于ZolenekS.Meistrick的专利中。例如：由一液压系统构成的减压装置，它在靠近压缩行程结束时或靠近上死点处打开排气阀，被压缩的空气通过排气系统被排出，而不是在膨胀冲程中再作用于曲轴。压缩空气的排放也明显地将涡轮增压器的速度增加到接近满负荷供油时的水平。所增加的速度提供了较高的压力，如较高的气缸压力和增加的制动力。

另一种提供发动机制动的系统是揭示在美国专利号4,981,119、公开于1991年1月1日、属于AlfnedNeitz等人的美国专利中，此专利揭示了一种提高一四冲程发动机的排出制动力的方法。例如：在第一和第三冲程中，通过一进气阀吸入空气，在第二和第四冲程中此空气被压缩，并通过部分地打开一排气阀使压缩空气对着一设置在排气管或歧管内的一阻尼器排放。为了增加最终的压力或为了增加用于压缩的能量，该排气阀在压缩冲程开始和结束时被短时打开。该专利没有揭示或提出一机构来完成所提出的增加排气制动的问题。

利用发动机提供制动目前可通过一些方法来进行。所有这些方法都需要在发动机上加上另外的硬设备，由于部件数量增加而使价格上升及硬设备较有可能失效。

本发明旨在克服前面所提及的一些问题，提供一种结构简单、不附有昂贵的外部机械设备的低成本制动装置。

根据本发明的一个方面，一制动系统用于一发动机上，该发动机包括一通道，一对气缸和一位于各个气缸中的活塞。在发动机工作过程中，该活塞可在各气缸中上死点位置和一下死点位置之间活动而构成一进气冲程，并且由活塞的往复运动而构成一压缩冲程。一对阀门与各个气缸联合工作，它们置于通道和相应的气缸间，并有一关闭位置和一打开位置。一装置响应于所接收的控制信号，可单独地打开每个阀门，一电子控制系统与该打开装置相连接，在正常的发动机工作过程中，控制信号以一预设的第一逻辑压力模式输出到该打开装置。在正常的发动机工作过程中，在压缩冲程中一对阀门的每个阀门都是关闭的。一制动控制装置与电子控制系统相连，并以一预设的第二逻辑压力模式产生不连续的控制信号输出到打开装置。第二预设的逻辑压力模式改变阀门的工作状态。这种变化在压缩冲程中当活塞靠近上死点位置时使与相应气缸联合的一对阀门中的一个阀门处于通常的打开位置。

根据本发明的另一方面，一发动机具有一通道、一对气缸和一对活塞。在该发动机的工作过程中，活塞各自在相应气缸中从上死点位置到一下死点位置之间移动而构成进气冲程，并且由活塞的往复运动而构成一压缩冲程。一对阀门与各个气缸联合工作，它们置于通道和相应的气缸之间，并有一关闭位置和一打开位置。一用于打开各个阀门的装置可单独地响应于接收一控制信号，以及一电子控制系统与该打开装置相连。在正常的发动机工作过程中，控制信号以一第一预设逻辑压力模式输出到打开装置。在第一预设逻辑压力持续的过程中，一对阀门在压缩冲程中是关闭的。一制动控制装置与电子控制系统相连并产生不连续控制信号以一第二预设逻辑压力模式输出到打开装置。该第二预设逻辑压力模式使阀门的动作变化。这种变化使与相应气缸相连的一对阀门中的一个阀门在压缩冲程中当活塞靠近上死点位置时处于通常的打开位置。

图1是一具有本发明的一个实施例的发动机的侧视局部剖面图；以及

图2是沿图1中线2-2的局部剖面图。

参见图1，一个具有传统的压缩、膨胀、排出和进气四个冲程的内燃式柴油发动机10，它附有一适用于该发动机10的制动系统11。该发动机10包括一气缸体12和刚性地固定在该气缸体12上多个气缸盖14。也可用单个气缸盖14而不会改变本发明的宗旨。另外，气缸体12和气缸盖可设计成一体结构的。每一气缸盖包括一形成在其上的燃烧表面16。一进气歧管18连接到各个气缸盖14的一安装面20上，以及一排气歧管22连接到各个气缸盖14的一安装面23上。

气缸体12包括其内具有多个机械加工的气缸28(图中仅示出其中一对)的顶面26。作为一种选择，该气缸体12可包括多个未示出的位于气缸28中的可置换的气缸衬套而不会改变本发明的宗旨。具有多个曲柄34的曲轴32以一传统方式可转动地位于该气缸体12内。多个连杆36以一传统方式可转动地与曲轴32和多个活塞38相连。在本申请中，每个活塞38是单件结构的，活塞38也可是铰接形式的而不会改变本发明的宗旨。每个活塞38和连接到其上的连杆36的一部分都以一传统方式位于一相应的气缸28中。曲轴32的转动带动相应的曲柄34以使活塞38在气缸28中移动至一段预定的距离。曲轴32的转动使活塞38移向气缸盖14的燃烧表面16，并且进一步的曲轴、曲柄34的转动使活塞38移离燃烧表面16。当曲柄34到达转动的顶点42时，活塞38处于上死点(TDC)位置44。随后，当曲柄34到达离顶点42的180°的位置时，活塞38处于下死点(BDC)位置46。曲柄34、连杆32和活塞38的每个组合活动都沿着一相同的轨道。

从图2中清楚可见，气缸盖14还包括与燃烧表面16隔开一段预设距离的盖板60。多个阀孔62轴向地在盖板60和燃烧表面16之间穿过，多个喷射器孔63也轴向地在盖板和燃烧表面16间穿过。每个阀孔62都具有一扩大部分64从燃烧表面16朝向盖板60延伸一段预设的距离。多个进气通道68都位于缸盖14内，并以一传统方式使每个扩大部分64和安装面20间连通。位于缸盖14内的还有多个排气通道72，它们使每个扩大部分64和安装面23间相连通。进气通道68以一种流体形式与一位于进气歧管18中的进气歧管通道73连通，以及排气通道72以一种流体形式与一位于排气歧管22中的排气歧管通道74连通。

一气缸盖组件75包括一对位于多个阀孔62内的阀门76且以一传统方式可拆卸地固定在气缸盖14中。在安装位置，每对阀门76中的每一个阀门是由一传统的弹簧装置84保持与气缸盖14的密封接触，并且构成一关闭位置86，一对阀门76中的第一个阀门是进气阀88，另一个是排气阀90。一对阀门可由单件的进气和排气阀88、90组成或多个进气和排气阀88、90的组合。通过一用于电动地打开各个阀门76的装置94，可使每对阀门76的每一个阀门单独地移动到一打开位置92。处于打开位置92时，气缸28空间至少与进气通道68和进气歧管通道73或排气通道72和排气歧管通道74中一组流体地连通。位于各个喷射器孔63中的是一组传统结构的燃油喷射器96。该燃油喷射器96也是由打开装置94开启的。作为一替换形式，任何传统形式的燃油系统都可用于该发动机10和气缸盖组件75。

在一较佳实施例中，用于独立地打开各个阀门76的装置94包括一相同数量的压电式马达100(图中仅示出一个)，当然它也可以是其它多种型式的，诸如：筒形线圈、音圈、或线状的可替换的电磁组件。在已有技术中已广知的压电式马达100通过一预定能量的电流激磁而引起线性扩张，并在电流激磁结束时而收缩。电流激磁量的变化将引起马达100线性扩张的相似变化。例如，全负荷的电流激磁将比半负荷的电流激磁的线性移动距离更长，在上述例子中，移动的距离比为2∶1。马达100居于一压电壳102中，靠近压电壳102的是一具有一台阶扩孔106的活塞腔104，其内装有一驱动活塞108，一放大功能活塞110，以及一位于其间的流体腔112。

压电式马达100可在直线方向产生较大的力，但是，它的线状扩张要比将一对阀门76从关闭位置86移动到打开位置92所需的位移小得多。因此，设有驱动活塞108、放大功能活塞110和流体腔112将马达100的直线位移转换并放大成以下方式的直线位移。放大功能活塞110的尺寸比驱动活塞108小得多，因为驱动活塞108的直线位移和放大功能活塞110的直线位移的液压放大比与驱动活塞108和放大功能活塞110的表面积比成反比关系。因此，马达100的较小的直线位移被放大而产生大得多的放大功能活塞110的直线位移。

一电子控制系统119连接到打开装置94上并有一控制信号120输入打开装置94以第一预设逻辑压力模式操纵控制发动机10，其中成对阀门76的每一个阀门在压缩冲程中都是关闭的。

制动系统11包括一制动控制装置121，以便产生输出到打开装置94的区别于第一预设逻辑压力模式的第二预设逻辑压力模式的控制信号，由此构成一制动模式。该制动控制装置121包括电子控制系统119、可调的控制信号120、以及将关于发动机10工状例如：温度、转速、负荷、空气—燃油混合情况等信息以一传统方式、诸如用电线或无线电信号的方式传送到一微处理机124的多个发动机传感器123。该微处理机124用一预设的逻辑程序来处理传感器123提供的数据，并根据分析结果输出控制信号120以向各个压电式马达100输送电流，马达100互相独立地被驱动，由此，进气阀88、排气阀90和燃油喷射器96被独立地控制以便为发动机10的多种工作情况提供阀门打开和燃油喷射的最佳定时操作。

用于产生输出到打开装置94的控制信号120的制动控制装置121还包括一装置126，它可在一断路位置128和一完全导通位置130之间运动。在本申请中，装置126在断路位置128和完全导通位置130间的移动是无级的。作为一替代形式，装置126可在断路位置128和完全导通位置130之间以一组预定的位置移动。例如，装置126可位于一断路位置128到完全导通位置130间以

递增的一系列位置上。

实验已经表明所调定的时间或气缸28内的压缩空气被减压时曲轴32的旋转位置对制动系统11有影响。因此，可驱动成对阀门76中的每一个阀门的打开装置94的个别操作。实验已经表明，在上死点(TDC)前排气阀90打开时制动作用最大。例如，由于在一定时间内压缩空气离开气缸28以阻止做扩张功，阀门90的打开定时是决定性的以充分地提高制动效果。通过控制阀门关闭位置86和完全打开位置92间的升程位置还可进一步提高制动效果。增大阀门90的升程可使气缸内的流体、在本申请中即为压缩空气、在一较短时间内被排出。然而，计算机模拟试验表明增大阀门升程，确有一极限。在上述实验中表明，阀门升程大约为2mm时的气缸28内流体排出量比阀门升程时为大约1mm的排出量有显著增加。计算机模拟试验还进一步表明从阀门升程为大约3mm时形成的开口中排出的速度与阀门升程为1mm和2mm之间时所增加的排出量相比，增加得相当慢。

在另一种工作形式下，利用打开装置94可进一步提高制动系统11的效果。在此形式下，通过在排气冲程中限制通过阀门90的流量而增加损耗来增大制动效果。阀门对76的每一个阀门的组合驱动能使之实现。例如，在将要形成的膨胀和排气冲程中，排气阀90被移动到一介于关闭位置86和完全打开位置92中间的位置上以减小压力。因此，小的排气阀升程使压力增加、吸收能量，产生积累阻力以在排气冲程中产生较大的制动效果。

制动系统11的效果可进一步地用阀门对76独立地利用一双重减压方式的组合驱动来增加。例如，在一传统的四冲程发动机中，只要在曲轴32的每一旋转中执行减压则制动效果可显著地增加。在此方式中，成对的阀门76的组合驱动在每一循环中提供一进气过程及减压以改变传统四冲程中的仅有的单个压缩冲程。

另外，利用成对阀门76的组合驱动通过独立地用一双重减压、排气返回充气和限制排气的方式可使制动系统11的效果增加。例如，这种方式需要一附加的限制排气装置132。限制装置132位于处于排气通道72和一来自排气歧管22的出口中间的排气歧管通道74内，限制装置132可以是如传统的舌形阀或摆动式阀。在此方式中，制动系统11的效果可通过装置132和打开装置94的联合作用来提高，当它被利用时以组合驱动成对阀门76中每一个阀门，以单独地起到一减压的作用。当接上装置132时，在排气歧管通道74中将产生一比进气歧管通道73中压力较高的压力，各个气缸28将被从排气歧管通道74返回的气体充满。通过用较高压力充满气缸28，压缩功和制动效果增大。气缸28的制动能力的增加受到气缸28逆向充气能力的限制。歧管的设计将影响最大的排气逆向充气能力。

制动控制装置121还包括成对阀门76、进气通道68和排气通道72中的一个、成对气缸28和活塞38。

使用时，发动机利用打开装置94以独立地组合驱动阀门76中的每一个阀门。打开装置94允许成对阀门76的定时可自由改变而不依赖于曲轴32的转动位置。打开装置94具有独立地驱动各对阀门76的能力，且阀门定时的灵活性允许制动系统11可较好地调整。例如在操作中，一操作人员合上制动控制装置121启动制动系统11，在压缩冲程中活塞38朝压缩表面运动，压缩聚集在气缸28中的空气。在抵达上死点位置(TDC)稍微早一些时，在本申请中大约为20°时，与各气缸28有关的排气阀90被移动到完全打开位置92。气缸28内的压缩空气被排放到排气通道72中，并和排气歧管通道74相通。压缩空气排入排气歧管22，显著地增加了涡轮增压器的速度。所增大的速度在进气歧管通道73中提供了较高的压力，由此，在压缩循环中较高的气缸压力需要较大的能量以压缩相邻气缸28中的空气，并有效地连接制动系统11。随意的阀门定时，允许通过相邻气缸28进一步增加空气量并进一步增加压缩比空气量所需的能量的二重减压，而有效地增进制动系统11的制动性能。在功能上，使用时的制动系统11在压缩冲程中有压力积累，它需要将功输入到发动机上，在膨胀冲程中由于减压它不再恢复。

替代方式，诸如改变阀门的升程或阀门90在关闭位置和完全打开位置间的位置，在压缩冲程中逐次地使同时发生作用的气缸减压或双重减压及双重减压结合排气逆向宽气和限制排气等都将增大制动系统11的效果。

另一种替代方式，例如在压缩冲程中打开进气阀88，并将压缩空气排放到进气通道68内以在进气冲程中被导入一相邻气缸28中，将进一步增加进气歧管通道73中的压力，因此，在压缩循环中较高的气缸压力需要较大的能量来压缩相邻气缸28中的空气并有效地制动发动机10。可以推断，这种方式可能在靠近进气歧管18的流体进口处需要一单向阀134，以防止气体流出进气通道68。这种替代方式将初步地用于一自然吸气发动机10。然而，这种替代方式也可用于一涡轮式增压发动机10。

把控制阀定时到最大的制动效果需要控制这样一些因素，如空气流量、或在结构限度内的涡轮增压器速度。

本发明提供了一种不附有昂贵机械结构的价格相当低的有效制动系统11。电子控制系统119可被利用来启动打开装置94以改变传统的第一预设逻辑压力模式，并提供了一制动模式。成对的阀门76的独立驱动使控制打开位置92、关闭位置86和独立于曲轴32转角的阀门76的各个位置92、86的升程成为可能。因此，一较低价格的有效的制动系统11是实用的。

本发明的另一些目的和优点可从对附图、说明书和所附权利要求书的研读中获得。

Claims (14)

1.一种适合应用于发动机的制动系统，所述发动机包括一排气通道、一进气通道、一对气缸、每一汽缸中的一活塞，活塞在所述发动机的工作过程中可在一上死点位置和一下死点位置间活动而构成一进气冲程，而所述活塞的往复运动而构成一压缩冲程；

一对阀门分别可操作地与各个气缸结合，且所述阀门设置在所述排气通道和所述各个气缸之间并具有一关闭位置和一打开位置；

一装置用于独立地响应于接收一控制信号打开各个阀门；

一电子控制装置连接到所述打开装置并以一第一预设逻辑压力模式在正常的发动机工作过程中向所述打开装置输出所述的控制信号，在所述发动机工作过程中的压缩冲程中所述成对阀门中的各个阀门是关闭的；其特征在于：

制动控制装置与所述电子控制系统连接，以便产生不连续的控制信号以第二预设逻辑压力模式输出到所述打开装置上而改变所述阀门的工作状态，这样，与各自气缸结合的各对阀门中的一个阀门在压缩冲程中当所述活塞靠近上死点位置时一般处于打开位置，当所述活塞处于进气冲程时输入所述打开装置的不连续控制信号使相应阀门运动到所述打开位置，增大所述排气通道内的流体压力，所增压的流体进入相应的气缸中。

2.如权利要求1所述的制动系统，其特征在于：进一步包括一位于所述排气通道内的涡轮增压器，其中所述排气通道中的所述增压的流体使涡轮增压器的速度增大并提高所述进气通道内的所述流体压力。

3.如权利要求1所述的制动系统，其特征在于：所述排气通道包括一出口，所述系统包括一位于所述排气通道内阻塞所述出口的限制装置，而进一步增大所述排气通道内的流体压力。

4.如权利要求1所述的制动系统，其特征在于：所述打开装置包括一压电式马达。

5.如权利要求1所述的制动系统，其特征在于：所述打开装置独立地将所述阀门打开到一预定的升程位置，其时所述阀门都处于所述的打开位置。

6.如权利要求1所述的制动系统，其特征在于：所述打开装置独立地将所述阀门打开到一介于所述关闭位置和所述打开位置之间的中间预定的升程位置。

7.一发动机具有一进气通道，一排气通道，一对气缸，每一气缸中的一活塞，其在发动机的工作过程中可在一上死点位置和一下死点位置间活动以构成一进气冲程，而所述活塞的往复运动构成一压缩冲程；一对阀门可操作地和各个气缸相连并位于所述通道和所述相应气缸间且具有一打开位置和一关闭位置；用于响应于接受一控制信号独立地打开各个阀门的装置；一电子控制系统与所述打开装置连接并在发动机正常工作时输出所述控制信号以第一预设逻辑压力模式输出到所述打开装置，其中所述成对阀门中的每个阀门在压缩冲程中被关闭；其特征在于：制动控制装置连接到所述电子控制系统上使产生不连续的控制信号以第二预设逻辑压力模式输出到所述打开装置以改变阀门的工作状态，这样，与各自气缸相连的各对阀门中的一个阀门在压缩冲程中当所述活塞靠近上死点位置时一般地处于打开位置，当活塞处于进气冲程时，输入所述打开装置的不连续控制信号使相应阀门运动到打开位置，并且在所述排气通道或所述进气通道中的增压流体进入到相应气缸中。

8.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：进一步包括位于所述排气通道内的一涡轮增压器，其中所述排气通道内的增压流体使涡轮增压器速度增加并增加所述进气通道内的流体压力。

9.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：输入所述打开装置的不连续控制信号当活塞处于进气冲程时使相应阀门活动到所述打开位置和在所述排气通道内的增压流体进入所述相应气缸中。

10.如权利要求9所述的发动机，其特征在于：所述排气通道包括一出口，和所述系统包括一位于所述排气通道内以阻塞所述出口的限制装置，并进一步提高排气通道中的流体压力。

11.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：所述打开装置包括一压电式马达。

12.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：所述打开装置独立地将阀门打开到一预设的升程位置，其时所述阀门都处于打开位置。

13.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：所述打开装置独立地将所述阀门打开到一处于关闭位置和打开位置之间的中间预定升程位置上。

14.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：所述进气通道包括一流体入口，以及一位于进气通道内阻塞所述流体出口的装置，并进一步增加所述进气通道内的流体压力。

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