CN1080691A - 利用组合阀动作启动内燃机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能输出不连续的控制信号的电 子控制系统，以及使一对阀中的一个独立地单一动作 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，即内燃机正常运转，此时，一对阀 中的一个在排气冲程过程中处于打开位置。电子控 制系统对应于第二种预定逻辑模型是可编程序的，以 改变与各内孔有关的阀的动作，在活塞的排气冲程过 程中到达上死点之前，使阀在部分排气冲程中处于通 常的关闭位置。

Description

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，而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内燃机启动系统。

在寒冷的环境温度下，启动狭塞尔内燃机是困难的。与启动后有关的另一个问题是产生白烟。启动和白烟这两个问题是由于内燃机不能使进入汽缸的燃料被点燃和充分燃烧所引起的。点燃燃料的能力取决于在燃料喷射阶段的汽缸的温度。在此阶段，较高的汽缸温度将使燃烧较容易发生。现在用来达到较高温度的方法包括能提高燃烧室壁温的冷却剂加热器，能提高进气歧管空气温度的空气预热器，以及添加例如能在低温时被点燃的燃料。

用来增加进气温度的一种设备的一个例子公布在1980年7月1日出版的、亚苏·纳卡基马等人的美国专利4，201，109号中。在该专利中，内燃机有第一组汽缸和至少一个将净化空气提供给一组气缸的起气泵作用的第二汽缸。这样，第二汽缸用于在压缩冲程过程中预热进入第一组汽缸的空气。

用来增加进气温度的一种设备的另一个例子公布在1986年11月25日出版的、马萨诺拉·萨阿拉等人的美国专利4，624，228中。进气系统揭示了一个在进气冲程结束阶段时被打开的定时阀，这样，在定时阀被打开前，在燃烧室里产生一个较强的吸引压力。当定时阀被打开，进气高速地冲进燃烧室，并在高速流的惯性作用下将进气压缩，从而增加了被压缩的气体的数量，也增加了燃烧气体的温度。

上述设备用于增加汽缸内的温度。但与通常需要的内燃机零件相比还需要增加零件。结果增加了客户成本，并由于增加了零部件数量而增大零部件损坏的可能性。

本发明是用来克服上述的一个或较多的问题的。

本发明的一个目的，是提供一种适用于内燃机的启动系统。该内燃机包括一条通道，一对内孔，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，活塞的上述运动形成一膨胀冲程，而活塞的相反移动时形成一排气冲程。一对可运动并与通道有关的、使通道和各内孔之间连通的阀。该阀有一关闭位置和一打开位置。内燃机还包括一根据接受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，按第一种预定的逻辑模型，将控制信号输送给打开装置。在第一种逻辑模型过程中，一对阀中的一个在排气冲程过程中到达上死点位置前通常处于打开位置。与电子控制系统连接的启动控制装置，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。第二种预定的逻辑模型改变阀门的动作，这样，与各内孔有关的一对阀门中的一个通常在到达上死点前成为排气冲程的一部分时，处于关闭位置，从而在活塞在各内孔内从下死点位置向上死点位置移动过程中有效地增加内燃机里的热量。

本发明的另一个目的，一内燃机具有一通道，一对内孔，以及一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，活塞的上述移动形成一膨胀冲程、而活塞的相反运动则形成一排气冲程。一对可运动并与通道有关的、使通道和各内孔之间连通的阀。该对阀有一关闭位置和一打开位置。内燃机还包括一个根据接受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装置，按第一种预定的逻辑模型，它将控制信号输送给打开装置。在第一种逻辑模型里，一对阀中的一个在正常的内燃机工作过程中的排气冲程期间通常是被打开的。本发明的特征在于，与电子控制系统连接的启动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。第二种逻辑模型改变阀门的动作，这样，与各内孔有关的一对阀中的一个在到达上死点前成为排气冲程的一部分时通常是处于关闭位置，结果在活塞在各内孔内从下死点位置向上死点位置移动过程中有效地增加了内燃机内的热量。

本发明的还有一个目的，启动内燃机的一种方法包括下列步骤：将一设备移入一工作（接通）位置，驱动一启动控制装置，使内燃机的一曲轴旋转带动一在下死点位置和上死点位置之间移动的活塞，以及利用若干传感器监控内燃机的运行状态。该步骤还进一步包括将来自传感器的信号输送给处理装置，从处理装置中将控制信号输送给打开装置，以及仅在排气冲程的部分过程中打开一阀，此时，所述活塞靠近下死点位置。

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。

参看图1，具有压缩，膨胀，排气和进气冲程四个通常循环的内燃机10，包括一适于内燃机使用的内燃机启动系统11。内燃机10包括汽缸体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包括一个在其内具有若干机加工的汽缸内孔28的顶面26，图中只画出一对内孔。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。一曲轴32按通常方式可旋转地安装在汽缸体12内，其上具有若干曲拐34。还有按通常方式可旋转地安装在曲轴32和若干活塞38上的若干连杆36。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和固定在它上面的连杆36的部分是以通常的方式位于各内孔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的各个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内的阀76，它们按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，且限定一关闭位置86，一对阀76中的一个是进气阀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中的一个作流体连通。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96也通过打开装置94被打开。作为一种选择，也可使用任何一种通常的燃料系统。

在较佳的实施例里，独立地打开各阀76的装置94包括与阀数量相同的压电马达100（只画出一个），当然也可以是其它形式，如螺线管，音圈，或线性的可置换的电磁组件。压电马达100是众所周知的，它通过一预定能量产生的电激励而线性地伸展，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，全部能量的电激励产生的线性移动距离大于一半能量的电激励产生的线性移动距离。在上述例子里，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，这是因为传动活塞108的线性位移相对于放大活塞110的线性位移的液压放大比率与传动活塞108对放大活塞110的表面积之比成反比例关系的原因。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。

与打开装置94连接的电子控制系统119，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。

内燃机启动系统11包括启动控制装置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，由此形成一启动或冷运行状态。启动控制装置121包括电子控制系统119，变更的控制信号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，这些信息例如温度，转速，负载，空气燃料混合物等等，它们以通常的方法，例如通过电线或无线电信号传输给一个处理装置或一个微处理机124。微处理机124利用一预编程序的逻辑来处理由传感器123提供的数据，并根据分析结果输出控制信号120，从而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被独立地控制，从而实现适合内燃机10的各种运行状态的阀打开和燃料喷射的最优配时动作。

使控制信号120输给打开装置94的启动控制装置121还包括一可在关闭位置128和接通位置130之间移动的装置126。在本申请中，该装置可由操作者手控定位。作为一种选择，当将由传感器123监控的状态馈入微处理机并被解释为需要启动或冷运行状态的动作时，装置126会自动地动作。

通过控制在关闭位置86和完全打开位置92之间的阀门升程的位置可进一步增加内燃机启动效率。增加阀90的升程将允许在较短时间里抽空来自汽缸或内孔28的流体，在本申请中，该流体是燃气和燃料，或作为一种替换的空气。例如，计算机模拟已经显示，约2毫米的阀门升程与约1毫米的阀门升程相比可显著地加快内孔28内的流体的抽空。因此，由于增加内孔28的热量是一个目的，如果我们把通常的阀门升程减少到原来的80%，热燃烧空气将不会很快地内孔28里排出，大量的热量将会由内孔28所吸收。此外，由于升程减少，较多的空气被保留在内孔28中，活塞38向上死点位置44的移动将局部地压缩燃烧的空气和燃料，从而增加内孔28里的温度。

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提供改变一对阀动作定时的可能性，而与曲轴32的旋转位置无关。打开装置94具有独立地驱动各对阀76的能力和阀门定时适应性，可使启动系统11达到较好的调谐。例如在操作时，在启动内燃机10前，操作者将设备126移到接通位置130处，并开动启动控制装置121。传感器123通过监控变量例如水温，排气温度和/或排气内的未燃的燃料量，以监控着冷运行状态。当从冷运行状态转变为一个热内燃机状态时，微处理机124使设备126自动地从接通位置130移到关闭位置128。

在接通位置130或冷运行状态，目的是提供在汽缸或内孔28里的冷运行状态的温度，从而缩短点火延迟时间，这样的结果是比较容易启动和减少白烟。就其功能来说，在本申请里，在内燃机10的排气冲程过程中，排气阀90的上升继续处于贴近到达上死点44之前的约30到45度之间的位置。在本申请里，排气阀90是继续处于贴近在上死点之前的约36度曲轴角，在排气冲程过程中，排气阀90的升程减少几乎80%。在一个例子里，上述增加燃烧温度的结果几乎达25度。这相当于将压缩比率从16∶1提高到17∶1，或使环境温度在华氏97度而不是在77度。阀76中的定时的自由度，通过相邻的内孔28以较快的速率进一步增加运转温度和进一步减少白烟，从而可使上述循环加倍，这样就减少了内燃机保持在启动或冷运行状态的时间。

略有不同的的陈述是，当活塞38处于膨胀冲程时，阀76通常处于关闭位置86，除非可能在接近膨胀冲程结束时，而另一方面，当活塞38处于进气冲程时，一对阀76中的一个处于打开位置92，以便与通道73、74连通。活塞38也可在位于各内孔38里的下死点位置46和上死点位置44之间移动，从而一方面形成压缩冲程，此时阀76通常处于关闭位置，除非可能是过早的压缩冲程;另一方面形成排气冲程，此时一对阀76中的一个通常处于打开位置92。

作为进一步说明，第二种预定逻辑模型改变阀76的动作，这样，与各内孔28有关的一对阀76中的一个通常处于关闭位置86，在活塞到达上死点44之前成为排气冲程的一部分，从而在活塞38运动过程中有效地增加了各内孔28内的温度和压力。随后开始下一个进气冲程，其中，一对阀76中的另一个被打开，这将首先会使内孔28中的较高温度和压缩空气进入通道73和74中的一个，从而升高那里的温度和压力。接着将发生的是，随后的一个压缩冲程过程中，通过从通道73和74流入各内孔28的比较温热的空气，增加了内孔28中的热量。在压缩冲程过程中，这种保持在内孔28中的较高的热量将有助于内燃机10的启动。

本发明提供一种高效的、化钱不多的、而又不需附加昂贵的机械结构的启动系统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一种冷运行状态。该对阀的单个运动使它有可能控制阀76的打开位置92，关闭位置86和各位置92和86的升程，且与曲轴32的角度无关。这样，可使用高效和低成本的启动系统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 (24)

1、一种适用于内燃机的启动系统，该内燃机具有包括进气冲程，压缩冲程，膨胀冲程和排气冲程的通常的四循环，其特征在于它包括一通道，一对内孔，一在内燃机工作过程中可在各内孔中的上死点位置和下死点位置之间移动的活塞，活塞的上述运动形成膨胀冲程，而活塞的反向运动形成排气冲程；

一对阀，可运动并与通道有关，它使通道和各内孔之间连通，并具有一个关闭位置和一个打开位置；

按照接收到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，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排气冲程过程中到达上死点位置之前通常处于打开位置；以及

与电子控制系统连接的启动控制装置，按第二种预定逻辑模型，将不连续的控制信号输送给打开装置以改变阀的动作，使排气阀处于排气冲程的一部分时保持在关闭位置上，这样，与各内孔有关的一对阀中的一个在活塞到达上死点之前的排气冲程的一部分时通常处于关闭位置，从而在活塞在各内孔内的从下死点位置到上死点位置运动过程中有效地增加内燃机中的热量。

2、如权利要求1所述的启动系统，其特征在于，所述的排气阀在排气冲程过程中、在到达上死点位置之前、在达到30度到45度时保持其打开位置。

3、如权利要求2所述的启动系统，其特征在于，所述排气阀在排气冲程过程中、在到达上死点位置之前、在达到36度时保持其打开位置。

4、如权利要求1所述的启动系统，其特征在于，所述第二种预定逻辑模型改变阀的部分动作，使阀位于关闭位置和打开位置之间的位置。

5、如权利要求4所述的启动系统，其特征在于，所述位于关闭位置和打开位置之间的位置的阀是一排气阀。

6、如权利要求5所述的启动系统，其特征在于，所述的打开位置有一预定的升程。

7、如权利要求6所述的启动系统，其特征在于，所述介乎关闭位置和打开位置之间的位置具有打开位置预定升程的80%的预定升程。

8、如权利要求1所述的启动系统，其特征在于，所述的打开装置包括一压电马达。

9、一种具有包括进气冲程，压缩冲程，膨胀冲程和排气冲程的通常的四循环内燃机，它具有一通道，一对内孔，一在内燃机工作过程中可在各内孔里的上死点位置和下死点位置之间运动的活塞，活塞的上述运动形成膨胀冲程，而活塞的反向运动形成排气冲程，一对可运动的与通道有关、使通道和各内孔连通、并具有一关闭位置和一打开位置的阀，按照接收到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，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排气冲程过程中通常是打开的，其特征在于，与电子控制系统连接的启动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，将排气阀保持在处于排气冲程的一部分的关闭位置，这样，与各内孔有关的各阀通常在到达上死点之前成为排气冲程的一部分时是处于关闭位置，从而在活塞在各内孔里从下死点位置向上死点位置运动过程中有效地增加内燃机中的热量。

10、如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述的排气阀在排气冲程过程中、在到达上死点位置前、在到达30度到45度时保持其打开位置。

11、如权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述排气阀在排气冲程过程中、在到达上死点位置之前、在达到36度时保持其打开位置。

12、如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述第二种预定逻辑模型改变阀的动作，使阀位于关闭位置和打开位置之间的位置。

13、如权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述位于关闭位置和打开位置之间的位置的阀是一排气阀。

14、如权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述的打开位置有一预定升程。

15、如权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述介乎关闭位置和打开位置之间的位置具有一打开位置预定升程的80%的预定升程。

16、如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述的打开装置包括一压电马达。

17、一种启动内燃机的方法，该内燃机具有包括进气冲程，压缩冲程，膨胀冲程和排气冲程这四个通常循环，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（a）将一设备移入接通位置;

（b）驱动一启动控制装置;

（c）使内燃机的曲轴旋转地带动一在下死点位置和上死点位置之间运动的活塞;

（d）利用若干传感器监控内燃机的运行状态;

（e）传感器输送信号给处理装置;

（f）处理装置输出控制信号给打开装置;

（g）使排气阀保持在上死点之前的36度曲轴角的关闭位置。

18、如权利要求17所述的启动内燃机的方法，其特征在于，将一设备移入接通位置的步骤是由操作者手控操作的。

19、如权利要求17所述的启动内燃机的方法，其特征在于，将一设备移入接通位置的步骤是自动进行的。

20、如权利要求17所述的启动内燃机的方法，其特征在于，仅在部分排气冲程过程中，且所述的活塞靠近下死点位置时，打开一阀的步骤包括打开一排气阀。

21、如权利要求20所述的启动内燃机的方法，其特征在于，仅在部分排气冲程过程中，且所述的活塞靠近下死点位置时，打开一阀的步骤包括在活塞到达上死点位置之前、到达30度到40度之间时，使排气阀保持打开。

22、如权利要求20所述的启动内燃机的方法，其特征在于，仅在部分排气冲程过程中，且所述的活塞靠近下死点位置时，打开一阀的步骤包括在活塞到达到上死点位置之前、到达36度时，使排气阀保持打开。

23、如权利要求17所述的启动内燃机的方法，其特征在于，仅在部分排气冲程过程中，且所述的活塞靠近下死点位置时，打开一阀的步骤包括该阀具有预定的升程，且所述的打开升程仅是所述预定升程的80%。

24、如权利要求17所述的启动内燃机的方法，其特征在于，仅在部分排气冲程过程中，且所述的活塞靠近下死点位置时，打开一阀的步骤包括一压电马达。

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