CN102459829A - 用于活塞式发动机中的气体交换的控制装置 - Google Patents

用于活塞式发动机中的气体交换的控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于活塞式发动机中的气体交换的控制装置，该控制装置适于位于所述发动机(1)的凸轮轴(4)的凸轮装置(5)和进气阀机构(6)之间，该进气阀机构布置成开启和闭合与所述发动机的汽缸相关联的进气阀(3)，所述控制装置(7)包括：主体部(8)，在该主体部中，活塞装置(9)以可移动的方式布置成与所述凸轮装置(5)和所述阀机构(6)形成力传递连接；以及引导构件(10)，该引导构件布置在所述主体部(8)中，位于所述凸轮装置(5)和所述活塞装置(9)之间，从而能够响应于凸轮装置(5)的运动而运动。所述控制装置包括用于调节所述进气阀的阀开启正时的调节机构。所述调节机构与所述活塞装置(9)相协作。

Description

用于活塞式发动机中的气体交换的控制装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前述部分所述的用于活塞式发动机中的气体交换的控制装置。
背景技术
现代的压缩点火活塞式发动机通常设置有增压器(通常是涡轮增压器)。涡轮增压器装置是特别有利的，因为它利用了发动机的废气的能量。因此，可以增大发动机的输出和效率。然而，实际上，涡轮增压器在发动机的低负荷运转条件下趋于效率低下，这样的涡轮增压器的压缩机借助于废气透平来操作。
涡轮增压器的运转受相关联的压缩机和涡轮机的特性和适应性的影响。在压缩机中使用高压力比(即，在发动机的进气系统中使用大体上高的增压压力)是有益的。涡轮增压器的压缩机部分的运转一方面受到与压缩机的最大流量对应的极限值限制，并且另一方面受到所谓的喘振边界限制。压缩机的喘振对发动机的运转是有害的，这是因为只要压缩机一喘振，供给到发动机的燃烧空气的压力和流量就将减小。
涉及涡轮增压活塞式发动机的运转的重要问题是阀正时。作为在阀正时中用于完成改变的装置的实例可以参考文献WO9830787A1。该已知的用于控制内燃机上的阀的装置可以延迟发动机的阀的开启并且可以较早地闭合阀，以使阀的开启时间缩短。根据该文献，这可以用于进气阀和排气阀这两者，但是该文献并未公开这种装置的具体应用。
另一方面，WO2008/000899A1示出了一种用于调节内燃机的气体交换阀的关闭时刻的装置，以使得可以在关闭阀时提供延迟，从而与发动机的不同负荷情况(尤其是低负荷情况)保持一致，由此，汽缸不会具有足够的空气而在压缩冲程期间进行自点火。在发动机起动期间以及在负荷变化期间，这对于由高压增压的发动机(例如，两级涡轮增压发动机)来说尤其如此。在这种发动机中，利用了较高压力与较锐利或较短的凸轮鼻部形式的组合，从而分别导致在较短的时间内发生增压动作。因此，在发动机的正常负荷下，进气阀的开启时间对于这种特别情况不够长，因此延迟功能应被选择地利用。
在上述种类的涡轮增压四冲程内燃机的运转中与低负荷情形有关的另一个问题是如下事实，即，阀以及与该阀有关的部件可能会由于汽缸的无效扫气而过热。
本发明的目的是提供这样一种用于活塞式发动机中的气体交换的控制装置，这种控制装置能解决上述问题和现有技术的其它问题。本发明的另一个目的是提供这样一种简单且可靠的解决方案，这种方案能根据需要来改进活塞式发动机的汽缸的气体交换，以便更好地符合不同的负荷情况，并且分别根据发动机的确切类型和情况来改进发动机的效率和可靠性。
发明内容
本发明的目的可以大体上由如权利要求1并且更具体地由其它权利要求中所公开的内容实现。
本发明的基本思路是为根据需要而使用的汽缸提供更有效的扫气。根据本发明，控制装置包括用于调节进气阀的阀开启正时的调节机构，并且所述调节机构布置成与包括在所述控制装置中的活塞装置相协作。借助于这种改进的扫气，能够避免满载情况下的喘振。另一方面，在低负载情况下，本发明实现了对所述阀和与其相关的部件的更有效的冷却。
用于进行调节的所述调节机构布置成使所述进气阀的开启时刻提前，而所述进气阀的开度的峰值相位至少保持大体上不变。因此，为了改进扫气，可以仅使所述进气阀的开启的开始时刻提前，但在其他方面，所述进气阀可以正常开启。因此，可以独立于扫气而按需要来使用用于阀关闭的可能的延迟功能。
在实际的实施方式中，凸轮装置设置有不对称设计的鼻部，以使得该鼻部具有沿旋转方向从所述鼻部的顶点沿着凸轮装置的凸轮轮廓延伸一距离的第一部分，该第一部分显著长于相应地从所述顶点沿相反方向延伸的第二部分。于是，所述鼻部的第一部分的起始部分可以有利地布置成确定进气阀的阀开启的提前正时。
此外，引导构件设置有辅助活塞，该辅助活塞以可移动的方式布置在所述引导构件和所述活塞装置之间，并且所述辅助活塞和所述引导构件一起限定室，该室能被选择性地填充液压介质以在每种情况下确定所述进气阀的阀开启正时。因此，可以按需要选择提前正时功能，而且还可以关闭该提前正时功能。
为了利用所述室，主体部分设置有进入管和排出管，这些进入管和排出管沿着所述引导构件的运动方向间隔开，并且布置成经由布置在引导构件中的另一个流管依次和所述室连通。
取决于所述进气阀的阀开启的所选定的正时，当所述进气阀处于闭合位置时，所述辅助活塞与所述活塞装置或所述引导构件间隔开一点。为了选定所述进气阀的所述阀开启的提前正时，所述室在所述进气阀的闭合时间段内填充有液压介质。在这种情况下，所述辅助活塞和所述引导构件之间将存在间隙，以确定提前正时和增加的扫气，直到所述室中的压力被释放，并且沿所述凸轮轮廓而行的阀提升装置由所述鼻部的所述顶点限定。
包括所述进入管和所述流管的进给管线可以设置有单向阀，以便确保所述室中保持足够的压力，并为所述提前正时功能提供进一步的变化。
所述活塞装置的相对于所述引导构件的远端部被设计成使得，该远端部和所述主体部一起限定液压介质室，该液压介质室能独立于用于调节所述进气阀的阀开启正时的所述调节机构而被选择性地填充以控制所述进气阀的闭合。因此，如上所述，可以独立于扫气而按需要来提供和利用用于阀闭合的延迟功能。
附图说明
下文中，将参照示意性的附图仅通过实施例来描述本发明，附图中：
图1示出了活塞式发动机以及该活塞式发动机的阀机构的概略图；
图2至图6示出了根据本发明的控制装置的实施方式，在这些图中，控制装置处于实现进气阀的阀开启正时提前的模式中的不同连续运转阶段；
图2a至图6a示出了相应于图2至图6的放大图；
图7至图9示出了图2至图6的实施方式，在这些图中，所述实施方式处于另一种不涉及进气阀的阀开启正时提前的模式中的不同连续运转阶段；以及
图10示出了根据本发明进气阀和排气阀的相对开启曲线。
具体实施方式
图1示出了活塞式发动机1的示意图，该图与本发明的理解有关。活塞式发动机1中的汽缸(未示出)的气体交换在位于汽缸盖2上的气体交换阀(即，进气阀和排气阀)的控制下进行。仅示出了进气阀3，并且这些进气阀借助于阀机构6来操作，而阀机构通常由布置在发动机的凸轮轴4上的凸轮装置5的凸轮轮廓5’引导。每个阀机构6和对应的凸轮装置5之间的力传递连接由控制装置7实现。
图2至图6以及与其相关的图2a至图6a的放大图中更详细地示出了控制装置7。该控制装置7包括主体部8，该主体部通常附接至发动机机体。主体部8内以可移动的方式布置有活塞装置9。活塞装置9的上端布置成与阀机构6(未示出近视图)力传递连接。该连接可以是机械的或液压的。活塞装置9的运动由引导构件10控制，引导构件布置在主体部8内的活塞装置9的下端。引导构件10与弹簧11接合，并且由引导构件弹簧11朝向辊子12推动，该辊子接收来自凸轮装置5的凸轮轮廓5’的引导。因此，当凸轮轴4旋转时(在图2至图6中沿逆时针方向旋转)，辊子12沿凸轮装置5的凸轮轮廓5’而行，并且凸轮轮廓5’的变化被传递，从而能影响进气阀3的开启和闭合。引导构件10设置有辅助活塞13，该辅助活塞以可移动的方式装配在引导构件内并且和该引导构件10一起限定室14，液压介质可被选择性地供给到所述室内以实现进气阀3的开启时刻的提前。主体部8设置有进入管15和排出管17，这些进入管和排出管沿着引导构件10的运动方向间隔开，并且布置成经由布置在引导构件10中的流管16依次与室14连通。进给管线设有泵送装置18、断流阀19以及可选的单向阀20。借助于断流阀19，通向室14的进给管线可被连接或断开，这取决于目的是否是使用进气阀3的开启的提前正时功能。
凸轮轮廓5’包括鼻部5”，该鼻部从基圆向上延伸并且布置成使活塞装置9在图中向上移动以实现进气阀3的开启。根据本发明，鼻部5”是不对称设计，以使得该鼻部具有沿旋转方向从鼻部的顶点沿着凸轮装置的凸轮轮廓5’延伸一距离的第一部分5”a，该第一部分显著长于相应地从鼻部5”的顶点沿相反方向延伸的第二部分5”b。鼻部5”的设计的效果以及控制装置的操作将在下文中说明。
图2示出了处于这样一种状态下的控制装置，在这种状态下，与控制装置相关的进气阀3刚被闭合，辊子12不再受凸轮的鼻部5”并且特别是该鼻部的部分5”b的影响。为了利用提前正时功能，液压介质，优选来自发动机的某些系统的油，被通过管15和16进给到室14中。在该位置，管16和室14之间的连接仅由小间隙14a确定，该小间隙是室14的一部分并且能在图2a中更清楚地看见。尽管如此，当凸轮装置5进一步旋转到图3的位置时，所述室被充满液压油，从而导致辅助活塞13在图中向上移动，由此，辅助活塞的底面与引导构件10脱离接合，并且该辅助活塞的顶面接合活塞装置9的下端。因此，当辊子12进一步运动时，在鼻部的部分5”b的位置，辊子导致辅助活塞13和活塞装置9向上移动。于是，活塞装置9的位置高于正常情况(即，当提前正时功能未被利用时)，并且这种差异由辅助活塞13的底面和引导构件10之间的间隙确定。
如从图4可见，在管15和16之间的连通被关闭之前，一些液压油被推回到进给管线，由此，辅助活塞13的底面和引导构件10之间的间隙将略微减小。这与当不存在所设置的单向阀20时的情况有关。单向阀20的作用是防止液压油被推回到进给管线中，由此，辅助活塞13的底面和引导构件10之间的间隙将较大，并且所导致的进气阀3的提升将较大，相应地，该提升发生得也较早。结果，汽缸的扫气也将更有效。
在图5的情况下，管16被移至管17的位置，由此，建立了室14和管17之间的连通，从而释放了室14中的压力。此后，提升运动以正常方式进行，并且进气阀3的闭合在已经到达鼻部5”的顶点(参见图6)之后发生，并且将进一步由鼻部5”的第二部分5”b确定。虽然情况是这样，但如果需要，还可以独立于进气阀的阀开启的提前正时来影响进气阀的闭合。这可有利地借助于活塞装置9来实施。为此目的，可以通过为由活塞装置9和主体部8一起限定的室21设置进入管和排出管(仅在图2中由虚线示意地示出)这样的已知方式，将所述室21用作压力室。以引用方式并入本文的参考文献WO2008/000899A1描述了实施这种装置的一些替代方法。
如可从上面对图2至图5的描述理解的，与引导构件10的提升运动有关的管15和17的位置将影响进气阀3的阀开启正时。因此，这些位置应被选择成使得能够获得期望的正时。
如上所述，实现进气阀3的阀开启正时提前的模式可以例如借助于断流阀19来关闭，由此，将没有液压油被进给到室14。这种循环将借助于图7至图9来进行说明。如从图7可见，在该情况下，辅助活塞13和活塞装置9的端部之间存在间隙。因此，当辊子12移至鼻部5”的部分5”a的位置时，引导构件10向上移动并且关闭第一所述间隙。活塞装置9的向上移动仅在此后开始进行。因此，应当理解，活塞装置9的向上移动的这种延迟表示了两种模式(即，是否利用提前正时功能)之间的差别。
图中的实施方式的操作以及其对发动机的进气阀的开启和闭合的影响和其对汽缸的扫气的影响在图10中示出，该图10示出了作为发动机的曲柄角的函数的排气阀和进气阀这两者的相对开启曲线。在图10中，曲线A和A’表示不同模式下的进气阀运动，其中，曲线A表示正常模式，并且曲线A’表示进气阀的阀开启的提前正时。曲线B表示排气阀运动，并且曲线C表示关于与所述进气阀相关联的汽缸的发动机活塞运动。另外，线D表示发动机活塞的上死点。如可见的，提前正时功能提供了进气阀和排气阀的共同开启时间的更大范围的重叠，这由曲线A和A’之间的面积示出。这意味着汽缸的更有效的扫气。
本发明不限于上述实施方式，而是可在所附权利要求的范围内以多种其他不同的方式实施。

Claims (8)

1.一种用于活塞式发动机中的气体交换的控制装置，该控制装置适于位于所述发动机(1)的凸轮轴(4)的凸轮装置(5)和进气阀机构(6)之间，该进气阀机构布置成开启和闭合与所述发动机的汽缸相关联的进气阀(3)，所述控制装置(7)包括：主体部(8)，在该主体部中，活塞装置(9)以可移动的方式布置成与所述凸轮装置(5)和所述阀机构(6)形成力传递连接；以及引导构件(10)，该引导构件布置在所述主体部(8)中，位于所述凸轮装置(5)和所述活塞装置(9)之间，从而能够响应于凸轮装置(5)的运动而运动，所述控制装置包括用于调节所述进气阀的阀开启正时的调节机构，所述控制装置的特征在于，所述调节机构布置成与所述活塞装置(9)协作，以便使所述进气阀(3)的开启时刻提前，而所述进气阀的开度的峰值相位至少保持大体上不变。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述凸轮装置(5)设置有不对称设计的鼻部(5”)，以使得该鼻部具有沿旋转方向从所述鼻部的顶点沿着所述凸轮装置(5)的凸轮轮廓(5’)延伸一距离的第一部分(5”a)，该第一部分显著长于相应地从所述顶点沿相反方向延伸的第二部分(5”b)，所述鼻部(5”)的所述第一部分(5”a)的起始部分布置成确定所述进气阀(3)的阀开启的提前正时。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述引导构件(10)设置有辅助活塞(13)，该辅助活塞以可移动的方式布置在所述引导构件(10)和所述活塞装置(9)之间，并且所述辅助活塞和所述引导构件(10)一起限定室(14)，该室能被选择性地填充液压介质，以在每种情况下确定所述进气阀(3)的阀开启正时。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述主体部(8)设置有进入管(15)和排出管(17)，所述进入管和所述排出管沿着所述引导构件(10)的运动方向间隔开，并且布置成经由布置在所述引导构件(10)中的流管(16)依次与所述室(14)连通。
5.根据权利要求3或4所述的控制装置，其特征在于，取决于所述进气阀(3)的选定的阀开启正时，当所述进气阀(3)处于闭合位置时，所述辅助活塞(13)与所述活塞装置(9)或所述引导构件(10)间隔开一点。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的控制装置，其特征在于，为了选定所述进气阀(3)的阀开启的提前正时，所述室(14)在所述进气阀(3)的闭合时间段内被填充液压介质。
7.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，包括所述进入管(15)和所述流管(16)的进给管线设置有单向阀(20)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的控制装置，其特征在于，所述活塞装置(9)的相对于所述引导构件(10)的远端部设计成使得，该远端部和所述主体部(8)一起限定液压介质室(21)，该液压介质室能独立于用于调节所述进气阀的阀开启正时的所述调节机构而被选择性地填充以控制所述进气阀(3)的闭合。
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