CN107076008A - 具有压缩释放制动装置的两冲程对置活塞式发动机及方法 - Google Patents

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Abstract

一种两冲程对置活塞式发动机，包括：气缸，该气缸具有由进气活塞控制的进气口和由排气活塞控制的排气口，该气缸与进气活塞及排气活塞一起限定燃烧室；增压空气通道，该增压空气通道与进气口流体连通；导管，该导管从燃烧室直接延伸到增压空气通道；以及阀，该阀被布置成选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。

Description

具有压缩释放制动装置的两冲程对置活塞式发动机及方法
技术领域
本发明总体上涉及两冲程对置活塞式发动机，更具体地，涉及用于这种发动机的压缩释放制动装置和方法。
背景技术
在每个气缸具有单个活塞的常规柴油机中，可以通过在压缩冲程的顶部处打开排气门来实现压缩释放制动功能或发动机减速器制动，从而导致压缩空气的绝热膨胀，使得该压缩空气中储存的大量能量不返回到曲轴，而是释放到大气中。http：// en.wikipedia.org/wiki/Engine_braking。通常，在压缩冲程期间，随着向上行进的活塞压缩气缸内的空气，能量被使用；该压缩空气然后用作压缩弹簧并将活塞向下推回。然而，在运行发动机减速器制动时，压缩空气恰在活塞开始其向下行程之前突然被释放。由于失去了压缩空气中储存的能量，所以没有从该位置“弹回”，因此发动机必须消耗更多的能量将活塞再次向下拉回。
在典型的对置活塞式发动机设计中，在压缩冲程的顶部处时不能打开排气门，因为气缸壁中的排气口被排气活塞封闭了。因此，希望提供一种用于在两冲程对置活塞式发动机中执行压缩释放制动功能的装置和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种两冲程对置活塞式发动机包括：气缸，该气缸包括进气口和排气口；进气活塞，该进气活塞能够在气缸内在进气活塞上止点(IPTDC)位置与进气活塞下止点(IPDBC)位置之间移动；排气活塞，该排气活塞能够在气缸内在排气活塞上止点(OPTDC)位置与排气活塞下止点(OPBDC)位置之间移动；增压空气通道，该增压空气通道与进气口流体连通；燃烧室，该燃烧室由气缸、进气活塞和排气活塞限定，该进气活塞在进气活塞处于IPBDC位置时允许进气口与燃烧室之间的流体连通并在进气活塞处于IPTDC位置时阻断进气口与燃烧室之间的流体连通，该排气活塞在排气活塞处于OPBDC位置时允许排气口与燃烧室之间的流体连通并在排气活塞处于OPTDC位置时阻断排气口与燃烧室之间的流体连通；导管，该导管从燃烧室直接延伸到所述增压空气通道；以及阀，该阀被布置成选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
根据本发明的另一方面，一种两冲程对置活塞式发动机包括：气缸，该气缸具有由进气活塞控制的进气口和由排气活塞控制的排气口，该气缸与所述进气活塞及排气活塞一起限定燃烧室；增压空气通道，该增压空气通道与进气口流体连通；导管，该导管从燃烧室直接延伸到增压空气通道；以及阀，该阀被布置成选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
根据本发明的又一方面，提供了一种操作两冲程对置活塞式发动机的方法，该发动机包括气缸，该气缸具有由进气活塞控制的进气口和由排气活塞控制的排气口，该气缸与所述进气活塞及排气活塞一起限定燃烧室；以及与所述进气口流体连通的增压空气通道。该方法包括选择性地打开和关闭经由导管的流体连通，该导管从燃烧室直接延伸到增压空气通道。
附图说明
通过结合附图阅读以下详细描述，可以很好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1-4是根据本发明一个方面的发动机的示意性局部剖视图；并且
图5和图6是根据本发明一个方面的发动机的一部分的示意性局部剖视图，示出了用于移动摇臂以移动阀来打开和关闭导管的齿轮和凸轮轴装置。
具体实施方式
在图1-4中可以看到根据本发明一个方面的两冲程对置活塞式发动机21，该两冲程对置活塞式发动机21包括气缸23，该气缸23具有进气口25和排气口27。进气口25和排气口27通常为气缸壁中的多个开口的形式。这些开口通常在气缸23的纵向轴线的方向上是纵长的。
通常，进气口25通到与增压空气通道31流体连通的进气廊道29。涡轮增压器(未示出)和机械增压器(supercharger)的压缩机或其他形式的压气机(未示出)和一个或多个增压空气冷却器(未示出)通常设置在该进气廊道29的上游，以提供加压空气而便于气缸23的扫气。
通常，排气口27通到与排气通道35流体连通的排气廊道33。通常，涡轮增压器(未示出)的涡轮、连接到增压空气通道31的排气再循环管线(未示出)与诸如柴油微粒捕集器和选择性催化还原催化剂的其他排气后处理装置(未示出)一起设置在该排气廊道33的下游。
进气活塞37能够在气缸23内在进气活塞上止点(IPTDC)位置(图1和图3)与进气活塞下止点(IPDBC)位置(图2和图4)之间移动，并且，排气活塞39能够在气缸内在排气活塞上止点(OPTDC)位置(图1和3)与排气活塞下止点(OPBDC)位置(图2和图4)之间移动。进气活塞37在该进气活塞处于IPBDC位置时允许进气口25与由气缸23、进气活塞37限定的燃烧室41之间的流体连通，并且在进气活塞处于IPTDC位置时阻断所述进气口与燃烧室之间的流体连通。类似地，排气活塞39在排气活塞处于OPBDC位置时允许排气口27与燃烧室41之间的流体连通，并在排气活塞处于OPTDC位置时阻断所述排气口与燃烧室之间的流体连通。
将会理解，通常，进气活塞37和排气活塞将分别在IPDBC位置和OPDBC位置之前很远的某个点以及PDBC位置和OPDBC位置之后很远的某个点处完全阻塞进气口25和排气口27。虽然图1-4示出了进气活塞37和排气活塞39同时处于它们各自的上止点位置和下止点位置，但是，活塞的运动通常是定时的，使得排气口27在进气口25打开之前打开并在进气口关闭之前关闭。通过这种方式，在增压空气通过进气口25开始进入气缸之前，燃烧室41中的加压燃烧气体和排气活塞39将穿过排气口27开始离开气缸，并进一步迫使该燃烧气体移动到气缸外部，从而便于单向流动扫气。
导管43从燃烧室41直接延伸到增压空气通道31。导管43从燃烧室41直接延伸到增压空气通道31意味着在该燃烧室与增压空气通道之间没有中间结构，例如，该导管首先不通向排气通道35或某种类型的蓄存器。
阀45被布置成选择性地打开和关闭经由导管43的流体连通。“选择性地打开和关闭”是指在操作员或适当控制器(例如ECU)的控制下的打开和关闭，该控制器被编程为在特定情形下打开和关闭流体连通，而不是随机地或始终发生的打开和关闭。可以通过利用该阀45选择性地打开经由导管43的流体连通来提供压缩释放制动功能。
阀45通常是提升阀，该提升阀被布置成打开和关闭气缸23的壁49中的通到导管43的端口47，然而，该阀可以是将所述导管本身关闭的另一种形式的阀。通常将提供弹簧(未示出)以将提升阀或其它形式的阀45压向关闭位置，如图1、2和4可见。通常(但不是必须的)，阀45被布置成：仅在进气活塞37和排气活塞39处于其中燃烧室41与进气口25及排气口27之间的流体连通分别被进气活塞和排气活塞阻断的位置时，才选择性地打开和关闭经由导管43的流体连通。
阀43可布置成通过齿轮和凸轮轴装置51来选择性地打开和关闭经由导管45的流体连通，该齿轮和凸轮轴装置51由进气曲轴53和排气曲轴55中的一个或二者驱动，该进气曲轴53由进气活塞37驱动，该排气曲轴55由排气活塞39驱动，其中，该齿轮和凸轮轴装置则驱动摇臂57，该摇臂57枢转以打开和关闭所述阀。替代地，阀43能够布置成通过可由操作者或诸如ECU的控制器控制的液压、气动或电子器件(未示出)来选择性地打开和关闭经由导管45的流体连通。
如图5所示，进气曲轴53可包括进气曲柄齿轮59和排气曲轴55可包括排气曲柄齿轮61这两者至少有一。凸轮轴63可以包括凸轮驱动齿轮65和在凸轮轴上的凸轮67，该凸轮驱动齿轮65由进气曲柄齿轮59和排气曲柄齿轮61中的至少一个驱动，凸轮67布置成驱动摇臂57以移动阀45，从而允许通过该阀选择性地打开和关闭经由导管43的流体连通。惰轮(未示出)通常将设置在安装于进气曲轴53和/或排气曲轴55上的齿轮(例如进气曲柄齿轮59和/或排气曲柄齿轮61)之间。
摇臂57可包括表面69，该表面69随着凸轮67的旋转而接触阀45，以使阀45在伸出位置与缩回位置(图5中以虚线示出)之间移动。与阀45接触的摇臂表面69可以是能够从第一位置(图5中以虚线示出)向外移动到第二位置的摇臂活塞71的表面。适合于或适于与本发明结合使用的、具有用于打开发动机中的阀的可移动活塞的摇臂例如被公开于美国专利No.8,151,749和美国专利申请US2013/0220249中，上述美国专利或申请都通过引用的方式并入本文。
与该齿轮和凸轮轴装置51(例如图5所示)一起布置的阀45仅在摇臂活塞71至少部分地离开第一位置而移向第二位置时才允许经由导管43的流体连通。摇臂活塞71可以是处于第一位置和第二位置之间的液压驱动、气动驱动或电驱动(例如，通过螺线管驱动)摇臂活塞中的任一种。摇臂57可以连接到液压流体源或气动流体源或电源73(以虚线示出)。如图6可见，摇臂活塞71可以移动到在第一位置和第二位置之间的位置，使得通过阀45打开的导管43的开度可以根据需要而增大或减小，以改变所实现的压缩释放制动功能。
本发明的方法方面涉及操作两冲程对置活塞式发动机21，该发动机21包括气缸23，该气缸23具有由进气活塞37控制的进气口25和由排气活塞39控制的排气口27。气缸23与进气活塞37及排气活塞39一起限定燃烧室41。增压空气通道31与进气口25流体连通。该方法包括：选择性地打开(图3)和关闭(图1、2和4)经由导管43的流体连通，该导管43从燃烧室41直接延伸到增压空气通道31。
通常，仅当进气活塞37和排气活塞39处于其中燃烧室41与进气口25及排气口27之间的流体连通都被阻断的位置时，才会选择性地打开和关闭经由导管43的流体连通。
发动机21可包括由进气活塞37驱动的进气曲轴55和由排气活塞39驱动的排气曲轴57，并且，进气凸轮包括进气曲柄齿轮59和排气曲轴包括排气曲柄齿轮51这两者至少有一。凸轮轴63包括凸轮驱动齿轮65和在凸轮轴上的凸轮67，该凸轮驱动齿轮65由进气曲柄齿轮59和排气曲柄齿轮61中的至少一个驱动，该凸轮67布置成驱动摇臂57以移动阀45，从而允许选择性地打开和关闭经由导管43的流体连通。摇臂57可以包括表面69，该表面69随着凸轮的旋转而接触阀45，以使阀45在伸出位置(图3)与缩回位置(图1、2和4)之间移动。与阀45接触的摇臂表面69可以是能够从第一位置(图1和图2)向外移动到第二位置(图3和图4)的摇臂活塞71的表面。
阀45通常仅在摇臂活塞71至少部分地离开第一位置而移向第二位置时才允许经由导管43的流体连通。该方法包括在第一位置与第二摇臂之间选择性地移动所述摇臂活塞，例如用于响应于操作者或控制器产生的命令来执行压缩释放制动功能。
阀45可在全闭位置(图1、2和4)与全开位置(图3)之间移动，在该全闭位置，经由导管43的流体流通被完全阻断，而在全开位置，经由所述导管的流体连通不被所述阀阻断，并且阀45可移动到一个或多个部分打开位置(图6)，在该部分打开位置，经由导管的流体流通被所述阀部分地阻断。该方法还可包括将摇臂活塞71保持在第一位置与第二位置之间的中间位置(图6)，使得阀45处于所述一个或多个部分打开位置中的一个。摇臂活塞71还可在所述中间位置(图6)与第二位置或第一位置之间移动，在该第二位置，阀45被定位成使得导管43完全打开(图5，实线)，而在该第一位置，所述阀被定位成使得所述导管完全关闭。
通过提供从燃烧室41直接通到增压空气通道31的导管43，而不是例如通过排气通道35，用于打开和关闭经由所述导管的流体连通的任何致动器可以被保持在较冷的环境中。另外，由于该压缩释放不是直接进入排气系统中，来自压缩释放制动操作的噪音被静音了。此外，在两冲程发动机的扫气事件期间，处理该制动操作的散热。
在本申请中，使用的诸如“包括”的术语是开放式的，并且旨在与诸如“包括”的术语具有相同的含义，但不排除其他结构、材料或动作的存在。类似地，虽然所使用的诸如“能够”或“可以”的术语旨在是开放式的并且表明该结构、材料或动作不是必要的，但是，未使用这种术语也不旨在表明该结构、材料或动作是必要的。在结构、材料或动作目前被认为必要的角度来看待它们。
虽然已经根据优选实施例说明和描述了本发明，但应认识到，在不脱离如权利要求中阐述的本发明的情况下，可以对本发明进行修改和变型。

Claims (20)

1.一种两冲程对置活塞式发动机，包括：
气缸，所述气缸包括进气口和排气口；
进气活塞，所述进气活塞能够在所述气缸内在进气活塞上止点(IPTDC)位置与进气活塞下止点(IPDBC)位置之间移动；
排气活塞，所述排气活塞能够在所述气缸内在排气活塞上止点(OPTDC)位置与排气活塞下止点(OPBDC)位置之间移动；
增压空气通道，所述增压空气通道与所述进气口流体连通；
燃烧室，所述燃烧室由所述气缸、所述进气活塞和所述排气活塞限定；
当所述进气活塞处于所述IPBDC位置时，所述进气活塞允许所述进气口与所述燃烧室之间的流体连通，并且当所述进气活塞处于所述IPTDC位置时，所述进气活塞阻断所述进气口与所述燃烧室之间的流体连通；
当所述排气活塞处于所述OPBDC位置时，所述排气活塞允许所述排气口与所述燃烧室之间的流体连通，并且当所述排气活塞处于所述OPTDC位置时，所述排气活塞阻断所述排气口与所述燃烧室之间的流体连通；
导管，所述导管从所述燃烧室直接延伸到所述增压空气通道；以及
阀，所述阀被布置成选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述阀被布置成：仅在所述进气活塞和所述排气活塞处于所述燃烧室与所述进气口及排气口二者之间的流体连通都被阻断的位置时，才选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
3.根据权利要求2所述的发动机，包括：由所述进气活塞驱动的进气曲轴和由所述排气活塞驱动的排气曲轴，所述进气曲轴包括进气曲柄齿轮和所述排气曲轴包括排气曲柄齿轮这两者至少有一；凸轮轴，所述凸轮轴包括凸轮驱动齿轮和在所述凸轮轴上的凸轮，所述凸轮驱动齿轮由所述进气曲柄齿轮和所述排气曲柄齿轮中的至少一个驱动，所述凸轮被布置成驱动摇臂以移动所述阀，从而允许通过所述阀选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述摇臂包括表面，该表面随着所述凸轮的旋转而接触所述阀，以使所述阀在伸出位置与缩回位置之间移动。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，与所述阀接触的所述摇臂表面是能够从第一位置向外移动到第二位置的摇臂活塞的表面，所述阀仅在所述摇臂活塞至少部分地离开第一位置而移向第二位置时才允许经由所述导管的流体连通。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述摇臂活塞是在所述第一位置与所述第二位置之间的液压驱动、气动驱动或电驱动摇臂活塞中的一种。
7.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述阀是提升阀。
8.一种两冲程对置活塞式发动机，包括：
气缸，所述气缸具有由进气活塞控制的进气口和由排气活塞控制的排气口，所述气缸与所述进气活塞及所述排气活塞一起限定燃烧室；
增压空气通道，所述增压空气通道与所述进气口流体连通；
导管，所述导管从所述燃烧室直接延伸到所述增压空气通道；以及
阀，所述阀被布置成选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中，所述阀被布置成：仅在所述进气活塞和所述排气活塞处于所述燃烧室与所述进气口及排气口二者之间的流体连通都被阻断的位置时，才选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
10.根据权利要求9所述的发动机，包括由所述进气活塞驱动的进气曲轴和由所述排气活塞驱动的排气曲轴，所述进气曲轴包括进气曲柄齿轮和所述排气曲轴包括排气曲柄齿轮这两者至少有一；凸轮轴，所述凸轮轴包括凸轮驱动齿轮和在所述凸轮轴上的凸轮，所述凸轮驱动齿轮由所述进气曲柄齿轮和所述排气曲柄齿轮中的至少一个驱动，所述凸轮被布置成驱动摇臂以移动所述阀，从而允许通过所述阀选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
11.根据权利要求10所述的发动机，其中，所述摇臂包括表面，该表面随着所述凸轮的旋转而接触所述阀，以使所述阀在伸出位置与缩回位置之间移动。
12.根据权利要求11所述的发动机，其中，与所述阀接触的所述摇臂表面是能够从第一位置向外移动到第二位置的摇臂活塞的表面，所述阀仅在所述摇臂活塞至少部分地离开第一位置而移向第二位置时才允许经由所述导管的流体连通。
13.根据权利要求12所述的发动机，其中，所述摇臂活塞是在所述第一位置和所述第二位置之间的液压驱动、气动驱动或电驱动摇臂活塞中的一种。
14.根据权利要求10所述的发动机，其中，所述阀是提升阀。
15.一种操作两冲程对置活塞式发动机的方法，所述发动机包括：气缸，所述气缸具有由进气活塞控制的进气口和由排气活塞控制的排气口，所述气缸与所述进气活塞及所述排气活塞一起限定燃烧室；以及增压空气通道，所述增压空气通道与所述进气口流体连通，所述方法包括：
选择性地打开和关闭经由导管的流体连通，所述导管从所述燃烧室直接延伸到所述增压空气通道。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：仅当所述进气活塞和所述排气活塞处于所述燃烧室与所述进气口及排气口二者之间的流体连通都被阻断的位置时，才选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述发动机包括由所述进气活塞驱动的进气曲轴和由所述排气活塞驱动的排气曲轴，所述进气曲轴包括进气曲柄齿轮和所述排气曲轴包括排气曲柄齿轮这两者至少有一；凸轮轴，所述凸轮轴包括凸轮驱动齿轮和在所述凸轮轴上的凸轮，所述凸轮驱动齿轮由所述进气曲柄齿轮和所述排气曲柄齿轮中的至少一个驱动，所述凸轮被布置成驱动摇臂以移动所述阀，从而允许选择性地打开和关闭经由所述导管的流体连通。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述摇臂包括表面，该表面随着所述凸轮的旋转而接触所述阀，以使所述阀在伸出位置与缩回位置之间移动，与所述阀接触的所述摇臂表面是能够从第一位置向外移动到第二位置的摇臂活塞的表面，所述阀仅在所述摇臂活塞至少部分地离开第一位置而移向第二位置时才允许经由所述导管的流体连通，所述方法包括：在所述第一位置与所述第二位置之间选择性地移动所述摇臂活塞。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述阀能够在全闭位置与全开位置之间移动，在所述全闭位置，经由所述导管的流体流通被完全阻断，而在所述全开位置，经由所述导管的流体连通不被所述阀阻断，并且，所述阀还能够移动到一个或多个部分打开位置，在该部分打开置，经由所述导管的流体流通被所述阀部分地阻断，所述方法包括：将所述摇臂活塞保持在所述第一位置与所述第二位置之间的中间位置，使得所述阀处于所述一个或多个部分打开位置中的一个上。
20.根据权利要求19所述的方法，包括：在所述中间位置与所述全开位置之间移动所述摇臂活塞。
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