CN1042849C - 利用组合阀动作优选通气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能输出不连续控制信号的电子控制系统，以及使各阀门独立地单一动作的打开装置。电子控制系统对应于第一种预定逻辑模型是可编程序的，即内燃机正常工作，此时，进气阀在进气冲程过程中间歇地在关闭位置和打开位置之间移动。电子控制系统对应于第二种预定逻辑模型是可编程序的，即在进气冲程过程中，周期性地改变进气阀的打开，从而有效地增加进入各内孔的气流。

Description

利用组合阀动作优选通气的方法和装置

本发明一般涉及内燃机运行状态的控制操作。本发明特别涉及一种预定的逻辑模型，各循环可用来改变预定的逻辑模型，以及预定的逻辑模型可控制地、顺序地和可调整地控制阀门定时，以便提供一个改进的、最佳的通气系统。

利用机械元件，在内燃机运行的全循环期间，例如高速和低速或高负载和低负载时，要获得最佳的通气是困难的。通行的方法包括内燃机的效率和运转性能是在循环的全过程中在一给定的循环或狭窄区域内提供的。

用来在一进气系统里诱发谐振的机械方法的一个例子公布在1983年5月31日出版的、伊米拉·艾纽斯等人的美国复审证书BI3,796,048中。该复审公布了一种增压式内燃机，一种由来自汽缸的排出气体驱动的排气一涡轮增压机，该汽缸被分隔成组，以便使在给定组内汽缸的吸气冲程不会重迭，以及一个用于将各汽缸中的进口装置与增压器的排气侧连通的谐振吸入管系统，从而在吸入管系统里产生动态负载的环境，以补充增压器的动作。

一种用来操纵进气阀以增加燃料效率和降低污染的装置的一个例子公开在1989年6月27日出版的、约瑟夫·巴切的美国专利4,841,923号里。在这个例子里，阀由电磁操纵。从功能上说，阀的打开和持续时间是通过阀电磁铁选择性的解除激励和激励来完成的。

一种用来操纵一个阀门以增加进气和排气效率的装置的另一个例子公开在1991年9月24日出版的、希尔多·卡瓦莫拉的美国专利5,050,543号里。在这个专利里，一种用来控制进气阀和排气阀的控制系统包括一用电磁方法控制进气阀和排气阀的电磁调节装置。电磁调节装置是依据内燃机的旋转速度受控的，这样，当内燃机旋转速度较低时，曲轴角(通过它打开进气阀和排气阀)的范围将较小；当内燃机旋转速度较高时，曲轴角的范围将较大。

上述装置被用来提高内燃机工作的效率。有些需要附加的或非通用的零部件，例如陶瓷阀，磁性元件和特殊结构的歧管和管子。由于增加零部件的数量，就会造成增加客户费用和零部件损坏的可能性的后果。实验也指出，考虑到受到限制的体积，磁性驱动的阀门部件缺少速度和力量。

本发明是用来克服上述的一个或较多的问题的。

在本发明的一个目的里，一种通气优选系统适用于内燃机。内燃机包括一条与一对内孔连通的通道，以及一个在内燃机运转过程中可在位于各内孔内的上死点位置和下死点位置之间移动的活塞。这个移动形成进气冲程。该系统进一步包括一对使通道和各内孔之间发生联系的可运行的阀门。该阀门有一关闭位置和一打开位置。还包括一根据接受到的控制信号独立地打开各阀门的装置，以及一与打开装置连接的电子控制系统。在正常的内燃机工作过程中，按第一种预定的逻辑模型使来自电子控制系统的输出将控制信号输送给打开装置，此时，其中一个阀门在进气冲程过程中处于通常的打开位置。与电子控制系统连接的通气控制装置按第二种预定的逻辑模型，将不连续的控制信号输送给打开装置。在第二种预定的逻辑模型里，改变阀门动作，这样，与各内孔有关的阀门之一，在进气冲程过程中可周期性地改变进气阀的打开，以便在通道内产生一个预定的谐振，使活塞在各内孔内从上死点位置向下死点位置移动过程中，起增加进入各内孔的气流量的作用。

本发明的另一个目的，一内燃机具有一与一对内孔连通的通道，以及一个在内燃机工作期间，可在位于各内孔里的上死点位置和下死点位置之间移动的活塞。该移动形成进气冲程。内燃机还包括一对使通道和各内孔之间发生联系的可运行的阀门。该阀门有一关闭位置和一打开位置。还包括一个根据接收到的控制信号独立地打开各阀门的装置，以及一个与打开装置连接的电子控制系统。在正常的内燃机工作过程中，按第一种预定的逻辑模型，来自电子控制系统的输出将控制信号输送给打开装置，此时，其中一个阀门在进气冲程过程中通常是处于打开位置。其改进在于包括一个与电子控制系统连接的通气控制装置，按第二种预定逻辑模型导致将不连续的控制信号输送给打开装置。第二种预定的逻辑模型改变阀门的动作，这样与各内孔有关的阀门中的一个在进气冲程过程中周期性地改变进气阀的打开，从而在通道内产生一个预定的谐振，以便当活塞在各内孔内从上死点位置向下死点位置移动过程中，起增加进入各内孔的气流的作用。

在本发明的另一个目的里，公布一种优选内燃机通气的方法。内燃机有一条与一对内孔连通的通道，以及一个在内燃机工作时可在位于各内孔里的上死点位置和下死点位置之间移动的活塞。该内燃机还包括一对使通道和各内孔之间发生联系的可运行的阀门。该阀门有一关闭位置和一打开位置。该方法的步骤包括：监控内燃机的运转状态，在第一种预定逻辑模型过程中输出一个控制信号给打开装置，在该模型里，内燃机处于正常的运转方式，在第二种预定逻辑模型过程中，输出一个不连续的控制信号给打开装置，以改变与各内孔有关的阀门的动作，并在进气冲程过程中周期性地改变进气阀的打开。

图1是具有本发明一实施例的内燃机的局部剖视的侧视图；

图2是沿图1中的2-2线的局部剖视图；

图3是具有调谐歧管系统的已有技术机械系统的图解说明，在此期间，内燃机速度与主要的歧管谐振同相，且加强汽缸的气流量；

图4是具有调谐歧管系统的已有技术机械系统的图解说明，在此期间，内燃机速度与主要的歧管谐振不同相，故气流量不被加强；

图5是具有本发明一实施例的内燃机的图解说明，其中，阀的附加振动加强了谐振。

参看图1和2，具有压缩，膨胀，排气和进气冲程这四个通常循环的内燃机10包括一适于供内燃机10使用的发动机通气优选系统11。内燃机10包括气缸体12和若干固定地安装在汽缸体12上的汽缸盖14。也可只使用单个汽缸盖14而不改变本发明的要旨。此外，汽缸体12和汽缸盖可以是一个整体结构。各汽缸盖包括一个在其内形成的燃烧面16。进气歧管18被固定在各汽缸盖14的安装面20上，而排气歧管22被固定在各汽缸盖14的安装面23上。

汽缸体12包括一个其上具有若干机加工的汽缸内孔28的顶面26，图上只画出一对内孔。作为一种可供选择的方案，汽缸体12可包括若干可调换的、位于内孔28内的汽缸衬垫(未画出)，它也不会改变本发明的要旨。按通常方式可旋转地安装在汽缸体12内的曲轴32，且在曲轴上具有若干曲拐34。还有接通常方式可旋转地安装在曲轴32上的若干连杆36，并与若干活塞38连接。在本申请中，各活塞38是单件结构。活塞38可以是一种铰链式结构而并不改变本发明的要旨。各活塞38按通常方法被安装在相应内孔28内。曲轴32的转动，导致各曲拐34将位于内孔28内的活塞38移动一个预定的距离。曲轴32的转动使活塞38向汽缸盖14的燃烧面16移动，曲拐34的进一步转动使活塞38离开汽缸盖14的燃烧面16而移动。当曲拐34到达旋转顶点42时，活塞38处于上死点位置44。接着当曲拐34到达离开顶点42的180度位置时，活塞38处于下死点位置46。曲拐34，连杆32和活塞38的各种组合沿相似的轨迹运行。

图2清楚地示出，汽缸盖14还包括一块与燃烧面16隔开一个预定距离的上面板60。若干阀内孔62在上面板60和燃烧面16之间轴向延伸，而若干喷射内孔63也在上面板60和燃烧面16之间轴向地延伸。若干阀内孔62具有一从燃烧面16向上面板60延伸一个预定距离的扩大部分64。若干进气通道68位于汽缸盖14内，它们各以通常方式在扩大部分64之一与安装面20之间连通。位于汽缸盖14内的还有若干排气通道72，它们各自在扩大部分64之一与安装面23之间连通。进气通道68通过流体与位于进气歧管18里的进气歧管通道73连通，而排气通道72通过流体与位于排气歧管22里的排气歧管通道74连通。

汽缸盖总成75包括一对位于若干内孔62里的阀76，它们接通常的方式可活动地安装在汽缸盖14内。在安装位置上的每对阀76利用通常的弹簧装置84与汽缸盖14保持密封接触，且形成一封闭位置86。一对阀76中的至少一个是进气阀88，而一对阀76中的另一个是排气阀90。一对阀76可以包括单一的进气和排气阀88、90，或多个进气和排气阀88、90的一个组合。每一对阀76通过用于打开各阀76的电子装置94而独立地移向打开位置92。在打开位置92，内孔28内的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中的一组连通。位于各喷射内孔63内的是一通常结构的组合式燃料喷射器96。组合式燃料喷射器也通过打开装置94而被打开。作为一种选择，也可使用任一通常的燃料系统。

在较佳的实施例里，独立地打开各阀76的装置94包括相同数量的压电马达100(只画出一个)，当然也可以是其它形式，如螺线管或音圈中的一种。压电马达100是众所周知的，它通过一预定能量的电激励后会线性地伸展，而当电激励结束后则会收缩。电激励量的变化将会引起马达100线性伸展的相似的变化。例如，全部能量的电激励的线性移动距离大于一半能量的电激励的线性移动距离。在上面的例子里，移动距离之比几乎为2比1。马达100被安装在压电壳体102里。靠近压电壳体102的是具有阶梯形空腔106的活塞壳体104，空腔106里安装着传动活塞108，放大活塞110，和在它们之间的流体室112。

压电马达100在线性方向上可以产生高作用力，然而，它的线性伸展大大小于将一对阀76从封闭位置86向打开位置92移动所需的线性位移。因此，传动活塞108，放大活塞110和流体室112被用来将马达100的线性位移转换和放大成下述方式的线性位移。放大活塞的尺寸大大小于传动活塞108，因为液压放大，传动活塞108的线性位移和放大活塞110的线性位移之比与传动活塞108对放大活塞110的表面积之比成反比例关系。这样，马达100的较小线性位移将被放大而产生放大活塞110的较大的线性位移。

电子控制系统119与打开装置94连接，并具有从电子控制系统直接输给打开装置94的控制信号120，以便按第一种预定逻辑模型在功能上控制内燃机10，在该模型中，一对阀76中的一个在排气冲程过程中被打开。例如，在正常的内燃机10运转过程中，当活塞28接近下死点46时，排气阀90在膨胀冲程过程中移动到打开位置92，当活塞28从下死点46向上死点44移动时，排气阀90通过排气冲程保持在打开位置92。

内燃机通气优选系统11包括通气控制装置121，它使输给打开装置94的控制信号处于不同于第一种预定逻辑模型的第二种预定逻辑模型，由此形成一种最优的通气和燃烧运行状态。通气和燃烧控制装置121包括电子控制系统119，变化的控制信号120，以及传达与内燃机10的运行状态有关的信息的若干传感器123，这些信息例如是温度，转速，负载，燃气混合等等，它们以通常的方法，例如通过电线或无线电信号传输给微处理机124。微处理机124利用一预编程序的逻辑以处理由传感器123提供的数据，并根据分析结果输出控制信号120，以将电流提供给各压电马达100。马达100是彼此无关地独立工作，这样，进气阀88，排气阀90和组合式燃料喷射器96被独立地控制，从而实现适合各种内燃机10运行状态的阀打开和燃料喷射的最优配时动作。

产生输给打开装置94的控制信号120的通气控制装置121还包括一装置126，装置126可在关闭位置128和接通位置130之间移动。当将由传感器123监控的状态馈入微处理机并被解释成需要最优通气操作方式的动作时，装置126会自动地动作。作为一种选择，装置126也可人工操作。

如图3所示，内燃机10(在本图解说明里是四冲程六汽缸结构)具有与进气歧管通道73中的谐振同相的速度。在进气冲程过程中，活塞38从约在360度曲轴角的上死点44向约540度的下死点46移动。如实线所示，进气阀88在约360度曲轴角时开始打开，而在约400度曲轴角时全部打开。进气阀88保持在全部打开位置上直到约540度曲轴角开始闭合，而在约580度曲轴角时被关闭。虚线所示的进气歧管通道73压力谐振是循环的。例如，进气歧管通道73的压力在约330度曲轴角时达到最大，在约520度曲轴角时降到最低，而在约580度曲轴角时又增加到最大。

如图4所示，内燃机10(在本图解说明里是四冲程六汽缸结构)具有与在进气歧管通道73里的谐振异相的速度。在进气冲程过程中；活塞38从约在360度曲轴角的上死点44向约540度的下死点46移动。如实线所示，进气阀88在约360度曲轴角时开始打开，而在约400度曲轴角时全部打开。进气阀88保持在全部打开位置上，直到在约540度曲轴角才开始闭合，而在约580度曲轴角时被关闭。虚线所示的进气歧管通道73压力谐振是循环的。例如，进气歧管通道73的压力在约400度曲轴角时达到最小，而在约450度曲轴角时增加到最大。到达最大压力后，循环的谐振再减少到最小。

如图5所示，内燃机10(在本图解说明里是四冲程六汽缸结构)具有在进气歧管通道73里的谐振，它适用于各种内燃机10的速度。在进气冲程过程中，活塞38从约在360度曲轴角的上死点44向约在540度的下死点46移动。如实线所示出的，进气阀88在约360度曲轴角时开始打开，而在约400度曲轴角时全部打开。进气阀88保持完全打开位置，直到约440度曲轴角时开始关闭但不到达关闭位置，而在约480度曲轴角时回移，在约520度曲轴角时回移到完全打开位置。进气阀88保持在完全打开位置上，直到约540度曲轴角为止，在约580度曲轴角时，进气阀88移动到关闭位置。虚线所示的进气歧管通道73的压力谐振是循环的。例如，进气歧管通道73的压力在约340度曲轴角时达到最大，而在约395度曲轴角时降到最小，在约460度曲轴角时循环又增加到最大。

使用时，内燃机利用能独立地组合驱动各阀76的打开装置94。打开装置94提供改变成对阀76动作定时的可能性，且与曲轴32旋转位置无关。具有独立地驱动各对阀76的能力和阀门定时适应性的打开装置94允许优选通气系统达到较好的调谐。例如在操作时，当传感器123监控适当的操作方式，如低速和/或低负载时，通气控制装置123被驱动。变量的组合诸如水温，排气温度和/或在排气里的未燃的燃料量受到监控，从而建立适当的运行状态。

本发明目的在于改进给予和在汽缸或内孔28之间的通气，它依次改进燃料和空气的混和，节省燃料，以及减少排出物。就其功能来说，在本申请里，进气阀88在第二种预定逻辑模型内是间歇地在关闭位置86和打开位置92之间移动，在活塞38的进气冲程过程中，阀88的每次打开允许活塞38从进气通道获得大量的空气。阀88间歇地处于打开位置92和关闭位置86将允许活塞38以预定的间隔进行抽吸。该预定的抽吸使通道73里的空气以预定的方式脉动。阀88的受控的打开位置92和关闭位置86是用于建立受控的谐波，共振或压力波，它们被用来增加引入各内孔28的空气量。例如，当压力波移向阀88时，阀88在预定的间隔被打开。打开后的结果由于增加了从通道73中抽出的空气的速度和容积，从而增加了通过活塞38抽吸的空气量。

参看图3和图4，已有技术中的利用优选内燃机通气的机械构造将与图5中示出的内燃机优选通气系统11进行比较。图3和图4所示机械部件总成具有通常的固定关系。在进气冲程过程中，凸轮轴相对于曲轴角以类似的共同性打开进气阀。这样，活塞从进气歧管获得大量空气，并在歧管系统里建立起预定的谐振。图3所示的歧管系统的设计是这样的，即在给定的大约每分钟750转速度时，该谐振对应于进气阀进气冲程过程中正被关闭的周期，在歧管系统里产生一个高脉动或压力。例如，进气阀的图解表示是用实线表示的，而进气歧管压力的图解表示是用虚线表示的。如虚线和实线相交所示的，在进气歧管内的峰值压力期间，较好地输入进气的进气阀的关闭将发生在内孔28里。产生准确谐振的进气系统的结构取决于阀门打开和关闭之间的时间关系，活塞关系，在进气系统内的振动，以及机械系统的精密构造。如图4所示，由于内燃机的速度增加，机械系统精密的构造里的谐振不能提供适当的关系以增加输送给内孔28的进气。例如，如图4所示曲线，用实线表示的在进气阀88关闭过程中的进气阀88和用虚线表示的在进气歧管通道73里的压力以间隔的方式发生相交，其中进气歧管通道73的压力不是处于最高值。这样，图3和图4所示的机械结构就不能提供适用于内燃机10的遍及整个速度范围内的进气歧管通道73谐振。如图5所示曲线，打开装置94提供灵活性以改变阀门76的动作定时，且与曲轴32旋转位置无关，它已被采用以有效地增加内燃机通气系统11的功能。例如，改变在进气歧管通道73里的谐振使之对应于内燃机10的速度。这种现象是通过改变进气阀88在进气冲程过程中的升程而实现的。当减低进气阀88的升程及活塞继续进气，从而被增加空气的速率。当增加进气阀88的升程及活塞继续进气，则气体的速率被降低。这样，阀88升程的连续变化改变了在进气歧管里的谐振。作为阀88升程改变的结果，改变了进气歧管通道73里的谐振，从而有效地提供一种谐振，即使进气阀88随着进气歧管通道73里的最大压力脉冲而同步地关闭。利用打开装置94的内燃机10通气和燃烧系统11使这种匹配成为可能。例如，如图5所示，虽然内燃机10的速度与机械歧管的几何结构是异相的，通过改变进气阀88的打开和局部关闭而导致的感生谐振可诱发进气通道73里的较高的频率。阀88的打开和局部关闭增大了谐振，这样当进气阀关闭时，在歧管通道里的压力处于或接近它的峰值，从而较好地向内孔28输入空气。打开装置94通过编制程序，在所有的内燃机10速度上来模仿这个现象，从而增加内燃机10的通气和燃烧。

本发明提供一种高效的和化钱不多的，而又不需附加昂贵的机械结构的内燃机通气和燃烧优选系统11。电子控制系统119可被用来驱动打开装置94，以改变通常的第一种预定逻辑模型和提供第二种预定逻辑模型，或根据工作环境来改变操作方式。该对阀76的单个驱动使它有可能控制阀76的打开位置92和关闭位置86，且与曲轴32的角度无关。这样，可使用更加高效和低成本的内燃机通气优选系统11。

另一方面，通过对附图和附后的权利要求的研究可以更清楚地了解本发明的目的和优点。

Claims (13)

1．一种适用于内燃机的优选通气装置，该内燃机包括一条与一对内孔连通的通道，一在内燃机工作过程中可在位于各内孔里的上死点位置和下死点位置之间移动的且形成进气冲程的活塞，一与内孔有关并可运行的、控制通道和该内孔连通、具有一个关闭位置和一个打开位置的进气阀，按照接收到的控制信号独立地打开各阀的装置；一与打开装置连接的电子控制系统，在正常的内燃机工作过程中，按第一种预定逻辑模型，将控制信号输送给打开装置，其中所述一对阀中的一个在进气冲程过程中一般是处于打开位置；其特征在于，还包括：

一与电子控制系统连接的通气控制装置，按第二种预定逻辑模型，用于将不连续的控制信号输送给打开装置以操纵阀，这样，在进气冲程过程中每对进气阀之一的位置将被调整，且有效地在通道内产生一个所需的谐振，从而在活塞在各内孔里的上死点位置和下死点位置之间的运动过程中增加进入各内孔的气流。

2．如权利要求1所述的优选通气装置，其特征在于，所述的第二种预定逻辑模型按照内燃机的运行状态改变阀的动作。

3．如权利要求2所述的优选通气装置，其特征在于，所述的第一种预定逻辑模型和所述阀的打开位置有一预定的升程。

4．如权利要求3所述的优选通气装置，其特征在于，所述的第二种预定逻辑模型和所述阀的打开位置具有的预定升程小于第一种预定逻辑模型的升程。

5．如权利要求1所述的优选通气装置，其特征在于，所述的打开装置包括一个压电马达。

6．一种内燃机，包括一与一对内孔连通的通道，一在内燃机工作过程中可在位于各内孔里的上死点位置和下死点位置之间移动的且形成进气冲程的活塞，一对与各内孔有关并可运行的、具有一关闭位置和一打开位置的阀，按照接收的控制信号独立地打开各阀的装置，一个与打开装置连接的电子控制系统，并在正常的内燃机工作过程中，按第一种预定逻辑模型，将控制信号输送给打开装置，其中所述一对阀中的一个在进气冲程过程中一般是处于打开位置，其特征在于，一与电子控制系统连接的通气控制装置，按第二种预定逻辑模型，将所产生的不连续的控制信号输送给打开装置以改变阀的动作，这样，在进气冲程过程中，与各内孔有关的各对阀之一将会周期性地改变进气阀的打开，并在通道内产生一个预定的谐振，从而在活塞在各内孔里的上死点位置和下死点位置之间的运动过程中，有效地增加进入各内孔的气流量。

7．如权利要求6所述的内燃机，其特征在于，所述第二种预定逻辑模型按照内燃机的运行状态改变阀的动作。

8．如权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述的第一种预定逻辑模型和所述阀的打开位置有一预定的升程。

9．如权利要求8所述的内燃机，其特征在于，所述的第二种预定逻辑模型和所述阀的打开位置具有的预定升程小于第一种预定逻辑模型的升程。

10．如权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述的打开装置包括一个压电马达。

11．一种优选内燃机通气的方法，该内燃机包括一与一对内孔连通的通道，在内燃机工作过程中，可在位于各内孔里的上死点位置和下死点位置之间移动的、且形成进气冲程的一活塞，一与内孔有关并可运行的、以控制通道和各内孔之间气流量、具有一关闭位置和一打开位置的阀，监控内燃机运行状态的装置，在第一种预定逻辑模型过程中，将控制信号输送给一打开装置，在此模型中，内燃机一般是处于正常的运行状态，改变与各内孔有关的阀的动作，其特征在于，该方法包括如下步骤：在第二种预定逻辑模型过程中，将不连续的控制信号输送给打开装置；在进气冲程过程中，周期性地改变阀的打开，并在通道内产生一个预定的谐振，从而在活塞在各内孔里的上死点位置和下死点位置之间的运动过程中，有效地增加进入各内孔的气流量。

12．如权利要求11所述的优选内燃机通气的方法，其特征在于，改变与各内孔有关的阀的动作的步骤包括控制一进气阀。

13．如权利要求12所述的优选内燃机通气的方法，其特征在于，改变与各内孔有关的阀的动作的步骤包括改变该进气阀的升程。

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