CN1246911A - 具有可变阀作动装置的多缸内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种多缸卡车柴油机,尤其是这种由废气作动的透平增压器增压的柴油机,设有一种用于作动进、排气阀的可变阀作动系统。它与驱动阀的凸轮的特定几何形状相结合,产生若干不同的发动机运转模式的可能性,这些模式能按照发动机的工况选择,除了正常的运转模式外,还包括至少一个发动机制动运转模式。

Description

具有可变阀作动装置的多缸内燃机
本发明涉及汽车、尤其是卡车多缸柴油机。本发明尤其涉及，即使不仅涉及，由废气驱动的透平增压器增压的这类发动机。
在本申请的优先权日依然保密的先期意大利专利申请No.To96A000327中，该申请人提出了一种汽油机，包括：
每缸至少包括一个进气阀和一个排气阀，每个阀设有相应的弹簧装置，将阀偏置到关闭位置，此控制相应的进、排气管；
一个凸轮轴，通过相应的杠杆，各进、排气阀受及轮轴凸轮的驱动；
各所述杠杆适于通过包括一个腔和压力流体的液压装置的介入、克服所述回归弹簧装置的作用，使相应的进、排气阀开启；
与各进、排气阀相关联的压力流体腔适于通过一电磁阀连于一出口腔道，以便使该阀与相应的杠杆分离，并使该阀在相应的回归弹簧装置的作用下迅速关闭；
控制各电磁阀的电子控制装置，以根据发动机一个或多个运转参数的变化来改变相应进、排气阀的开启时间和行程；
上述系统对进、排气阀的开启提供了一种不变的控制，而无须改变控制阀主动的机械构件。确实，在通常的定时系统内，各进、排气阀的运动是单一地由控制该阀的机构构件(凸轮、摇臂、杠杆)的几何形状确定的，在上述系统中，与一给定气阀相关的控制压力腔的电磁阀能在任何希望的时刻开启，从而排室所述腔内的压力油，即使在相应凸轮力各保持所述阀开启的阶段，在各自的回归弹簧装置的作用下，也能促进、排气阀迅速关闭。
本发明的目的是在柴油机上应用上述可变阀作动系统，以获得提供不同的可选择的发动机运转工况的可能性。
为达到上述目的，本发明提供一种多缸柴油机，包括所有上述特别，还包括其它的特点：
凸轮轴的每个凸轮具有这样的廓线，会使相对的进、排气阀受到控制，从而不仅在发动机正常运转循环内的平常开启阶段开启，而且在某些附加的循环阶段也开启；
所述电控装置适于使各电磁阀开启，从而在所述平常阶段和/或在相应的凸轮会使阀开启的一个或多个所述附加阶段保持相应的进气或排气阀关闭，因此，发动机能按照不同的运转模式通过控制所述电磁阀有选择地运转。
按照本发明的第一个重要的优先特点，所述电子控制装置适于提供发动机制动运转模式，其中无燃油喷入气缸内，各电磁阀受控制，当处在相应的活塞自下止点(BDC)上升到上止点(TDC)的各阶耳内，保持各缸的进、排气阀基本关闭，以利用在各活塞上升冲程时吸收的动力来获得制动效果，所述电子装置也适于允许各排气阀在活塞到达TDC前立即关闭相应的电磁阀，使其处在相应凸轮的作用下。
非常明显，上述发动机的制动运转模式表示了上述原理的第一应用实例，按照该原理，凸轮轴的各凸轮具有这样的廓线，使相应的不仅在发动机正常工作循环内的平常开启阶段开启，而且还在某些阶段开启，而相应的电磁阀则在规定的阶段开启，以便使该阀在这些阶段保持关闭，或使该阀被不同地驱动，即使该凸轮本身会使该阀开启。在上述情况下，该凸轮的廓线部分适于驱动这些按制动运转模式的阀，这些廓线部分仅当需要制动工作时才“能够”经电磁阀工作。正可从下面参照附图更详细看到的，在代替正常的发动机循环的情况下，电磁阀由上述电子控制装置控制，从而“能够”使这些控制正常的阀开启循环的凸轮廓线部分工作，而在制动运转模式期间，使这些被利用的廓线部分“不能够”工作。
尤其回到制动操作模式，应当指出，在该模式中，利用活塞自BDC到TDC的每一上升冲程，以得到制动效果，因此，按照二冲程工作循环活塞每上升一次有一有效冲程。以这种方式吸收的动力是非常高的，达到在正常燃烧工作循环额定输出功率的100-120％。例如，若在2400转/分转速时发动机在燃烧工作循环中的输出功率是257瓩，则在同样速度下所吸收为制动将是305瓩。因为排气阀是在活塞的每一上升冲程末端开启的，因此在下降冲程期间，压缩空气不能返回在活塞上升冲程期间早先吸收的全部功率；如果被密封在气缸内的空气容积总是不变，这本来是可能发生的，于是相当于一种弹簧。
按照本发明的另一优先特点，它涉及由废气驱动的透平增压器增压的柴油机，在上述发动机制动运转模式中，排气阀在活塞自TDC的下降冲程的第一部分中也保持开启，从而将空气自排气道吸入气缸内，以减少输给透平增压器的空气流量。这样做是因为在制动运转模式中，发动机按二冲程循环运转，在该模式中输给透平增压器的空气流量往往是在发动机正常燃烧工作循环中通常输给透平增压器的两倍。这便会使透平增压器效率极低，并使输给气缸的空气压缩很差。在活塞下降冲程的第一部分内，保持排气阀开启，早先输给排气道的一部分空气被吸入到气缸内，这减少了经透平增压器透平的流量，于是使透平增压器效率保持在可接受的水平。
最后，仍按所述发动机制动运转模式，在活塞下行冲程的最后部分进气阀保持开启，因此允许气缸完全充满，由于在随后的上升冲程中进、排气阀基本上关闭，因此，开始一个新的空气压缩和动力吸收阶段。
如上面已指出的，按照本发明的发动机凸轮轴的凸轮具有另外的廓线部分，它们是为了获得阀的特殊的工作循环的，这种廓线部分借助于电子控制装置经相应的电磁阀“能够”或“不能”工作，以有选择的产生不同的发动机运转模式，除了正常的运转模式外，还有上述制动运转模式。
例如，按照本发明的另一特点，控制各排气阀的凸轮廓线有一部分适于大致在进气阶段的最后部分内使排气阀具有额外的开启阶段。当发动机工作循环希望按所谓的“Curtill”循环进行时，该电子控制装置适于使该廓线部分“能够”工作。在发动机特定工作循环中，排气阀基本上在进气阶段的最后部分中开启，由于排气岐管中的真空度，使某些新鲜空气最初从进气道直接流到排气道，而后来，随着排气岐管中压力的增加，某些空气自排气道返回到利用排气岐管内额外压力的气缸中，从而改善气缸的冲气。上述循环本来是已知的，可有利地应用于本发明的发动机，因为上述电子控制装置能通过相应的电磁阀使有于产生上述附加的排气阀开度的凸轮廓线部分“不能”工作，从而排除在各种发动机转速下可能变成有害的这种模式。
按照另一优先特点，本发明的发动机能按照相应于所谓的“Miller”循环的另一运转模式运转。在该模式中，所述电子控制装置适于改变(提前或推迟)在正常燃烧工作循环中进气阀的关闭定时。如众知那样，在Miller循环中，通过提前或推迟进气阀关闭定时，达到压缩比的改变，通过改变压缩比，例如在压缩比增加的情况下，能使空气压缩温度增加，解决了发动机冷却起动问题。按照本发明，与该进气阀相关的凸轮的廓线适于在整个所希望的循环部分内保持进气阀开启，而该电子控制装置控制相应的电磁阀，以便能使进气阀按照所希望的模式开启。关于“Miller”循环，它可用于获得相反的效果，即降低压缩空气温度，以减少排气中的Nox含量。
在用来克服在过渡期间由透平增压器惯性产生的问题本发明发动机的另一模式中，在正常的发动机工作循环期间，使排气阀提前开启。在此模式中，废气带有较高的热焓达到透平增压器装置的透平，因此，透平增压器能在过渡状态中更迅速地应答使用者的要求。
正如清楚看到的，本发明的基本原理是提供具有复合廓线的凸轮，它能在不同的发动机循环阶段驱动进-排气阀的开启，同时采用可变阀作动系统使凸轮廓线各部分“能够”或“不能够”工作，从而获得各种可能的发动机运转模式，这些模式例如，可由使用者选择，或者也能由所述电子控制装置按照发动机工况进行电子控制。
参照附图，从下面只是作为非限制的例子给出的说明中，本发明的其它特点和优点会变得明显，其中：
图1是表示内燃机中可变阀作动系统工作原理的简图；
图2、3是本发明的发动机优先实施例中的排气阀细部的横剖视图；
图4是本发明的发动机中进气阀控制器的简图；
图5、6是表示本发明实施例的分别与进、排气阀关联的凸轮的视图；
图7是表示与进气阀控制凸轮关联的活塞运动的曲线图；
图8是表示与排气阀控制凸轮关联的活塞运动的曲线图；
图9是表示在发动机制动运转模式中进、排气阀开启行程的曲线图；
图10、11、12和13是表示在上述制动模式中发动机运转的曲线图。
图13还表示在制动运转模式中，在不同的发动机转速下阀的开启行程；
图14是表示按“Curtill”循环的发动机运转模式中阀开启行程的曲线图；
图15是用实线表示发动机正常工作循环中进、排气阀开启行程和用虚线表示在“Miller”模式中进气阀的开启行程以及在防止透平滞后模式中排气阀开启行程的曲线图。
图1简略表示内燃机中阀可变作动系统的工作原理。标号1总的表示与在内燃机气缸盖3中形成的相应气道2(进气或排气)相关联的阀(可以是进气阀或排气阀)。阀1由弹簧4偏置于其关闭位置(向上，见图1)，而作用在阀杆上端的活塞5使它开启。活塞5通过支承与凸轮轴10的凸轮9相配合的套筒8的活塞7，由腔6中的压力油控制。套筒8由弹簧11与凸轮9保持滑动接触。压力腔6按发动机工况经由电子控制装置控制的电(未示)磁阀15的闸14，可与通道12相连，后者又与蓄压器13连通。当电磁阀15开启时，腔6内的压力油排出，阀1于是在回归弹簧4的作用下迅速关闭。
当电磁阀15关闭时，腔6中的油将活塞7的运动传递给活塞5，从而传给阀1，这样，阀1的位置由凸轮9确定。换言之，凸轮9通常按照取决于凸轮廓线的一个周期来控制阀1的开度，但它可以是“不可能”，因为通过开启电磁阀15，中断了活塞7和阀1的连接。
本发明涉及上述卡车用多缸柴油机型式的可变阀作动系统的应用，该柴油机是由废气驱动的透平增压器增压的。
图2、3作为例子表示本发明的发动机废气阀控制器优先实施例的细节。在这些图中，标号CE指控制与发动机-气缸相关的两排气阀E(图3)开度的凸轮。该两阀E具有各有的回归弹簧4，并在其上端受面向两通道6a的两相应活塞5控制。这些通道通至两活塞7面向的两压力腔6，每一活塞7设有一相应的回归弹簧11。该两活塞7由一桥形构件16同时控制，桥形构件以旋转方式安装在摇臂17的一端，摇臂经发动机缸盖3的构件，使轴线18被旋转支承。摇臂的另一端装有一凸轮从动件滚子19，它与凸轮轴10的凸轮CE相接触。在上述结构布置中，可清楚看出，与图1中所示不同，两阀E的轴线处在与活塞7轴线不同的平面内。这是由于活塞7的运动通过充满腔6和通道6a的压力油由液压传递到阀上。
图4简略表示按照本发明用以控制发动机进气阀的结构布置，其中，凸轮CI与设有一相应弹簧11并面向压力腔6的活塞7配合，压力腔又同时控制与发动机每缸两进气阀工相关的两活塞5。
图5、6表示在本发明的一优先实施例中用以操作进气阀的凸轮CI和用以操作排气阀的凸轮CE的廓线。如图所示，这些凸轮中的每一个具有一种不同于常规廓线的复合廓线，以便使进、排气阀不仅在平常的发动机工作循环中的常规阶段开启，而且在按可由可变阀作动系统选择的不同的发动机运转模式的附加阶段中也开启，这使得在凸轮廓线的被利用部分能或不能工作。
图7、8是两张曲线图，它们基本上被认为是以不同方式表示凸轮CI和CE的廓线。事实上，图7表示与进气阀I相关的活塞7的位移，作为发动机曲轴转角的函数。因为活塞7的位移由控制凸轮CI的廓线直接确定，由此可见，图7曲线可被看作是这种廓线的一种表示。在这些图中，用TDC和BDC表示相应于与所考虑的发动机气缸相关的活塞的上止点和下止点的角度位置。同样，图8表示与排气阀E相关的活塞7的位移，因而可被认为是驱动排气阀的凸轮CE的廓线的另一表示。
在图7、8的曲线中，F表示发动机循环的角度范围，在正常的发动机燃烧工作循环中与可变阀作动系统相关的电磁阀保持关闭，因此，进、排气阀I和E由相应的凸轮CI和CE驱动。换言之，在正常的发动机燃烧工作循环中，进气阀I仅在约300°至480°范围内由凸轮CI驱动，而排气阀仅在约70°至300°范围内“感觉”相应的凸轮CE。因此，如果发动机按照常规的循环工作，则这些凸轮的工作廓线部分与相应于上述角度范围是足够的。然而，从图7、8中清楚看出，本发明的发动机凸轮廓线是这样的，即使在上述角度范围外也使阀产生附加的开启行程，以产生不同的工作循环。如上已指出的，可变阀作动系统的电子控制装置的任务是控制相应的电磁阀，使发动机凸轮各部分廓线能或不能工作，以便有选择地获得不同的发动机运转模式。
在发动机正常的运转模式中，进、排气阀的开启行程如图15曲线中的实线所示，它表示在各种发动机曲轴角度下进、排气阀的位移。在发动机正常的工作循环中，角度0相应于工作冲程，其活塞处在气缸中的上止点。自该位置开始，在0°-18°、180°-360°、360°-540°和540°-720°的角度范围内分别依次进行工作、排气、进气和压缩四个阶段。仍参照图15，可以看到，基本上在进、排气阶段内，进、排气阀按照常规的发动机工作循环被驱动而开启。进、排气阀的这种常规的开启模式是在图7、8中所示的角度范围F内受相应凸CI和CE控制的，其中，这些凸轮是“能够”用电子控制装置驱动这些相应的阀的。
按照本发明，该发动机能以第一工作模式工作，替代正常的发动机工作模式，以得到一制动效果。制动重型卡车的问题，尤其是在长时间制动的情况下，诸如全负荷在长下斜坡上，是危险的。按照本发明，当需要发动机制动运转时，该电子控制装置留心控制各电磁阀，使它保持关闭，从而仅在图7、8中由B指示的范围内能使相应的凸轮工作。这样，该进、排气阀并不“感觉”在正常的发动机工作循环中通常控制阀开度的该凸轮廓线部分，它们却感觉该廓线的其它部分，这使阀产生不同的运转模式，如图9中所示。该图表示一条类似于图15的曲线，它表示进、排气阀的开启行程如何按发动机制动运转模式修改。在该工作模式中，基本上在气缸内活塞自下止点到上止点的各上升冲程中，该进、排气阀保持关闭，因此，在该阶段内发动机作为压缩机工作，从而吸收功率。然而，在活塞上升冲程的末端，排气阀是打开的(曲线的a部)，因此，气缸中的最大压力并没有上升到高于一给出的预定值。这样做是为了避免在下一个下降冲程压缩空气返回所有早先吸收的功率，从而不产生制动效果，若气缸内的空气容积老是保持相同的话，这是会发生的，因而相当于一弹簧。在活塞下降冲程的开始部分，排气阀也保持开启(在曲线中的h部)，因此，在活塞下降冲程内，自排气岐管中将一些空气吸入气缸内。于是，经透平增压器的透平的空气流量减少，这使透平增压器的效率保持相当高。确实，在上述的减速运转模式中，实际上得到一种二冲程循环，在活塞向上止点的上升冲程时，具有一个有效的压缩冲程，而在活塞的下降冲程时，具有一个充满气缸的进气冲程。用这种方式工作(在制动运转模式中，显然没有燃料喷入气缸)，经透平增压器压气机的空气流量将是在普通的发动机燃烧工作循环中输给该压气机的空气流量的二倍。这便使透平增压器效率急剧下降，使气缸中输入空气的压缩不够。借助于自排气道输入空气，克服了这个缺点。此外，如图所示，活塞在气缸中下降冲程的第二部分中，进气阀也是开启的，以便使气缸充满空气，为随后的压缩阶段作好准备，在压缩阶段活塞向上止点进行上升冲程，此时，两个阀均关闭着。正如2指示的，上述发动机的制动运转模式容易获得，因为发动机凸轮的廓线部分适于按发动机正常运转模式和制动运转控制阀的开度，电子控制装置控制可变阀作动系统的电磁阀，以便使上述廓线部分能或不能按所希望的动转模式工作。
在图9中，用实线表示具有较高精度用计算得到的阀的理论开启行程，而用虚线表示由于凸轮与阀2间的油压实际发生的开启行程。
图10、11、12表示按制动运转模式的发动机运转。图10表示在2400转/分转速时气缸内的压力。气缸内的最高压力不在上止点达到，而是略早一些，这是由于在图9中所示a阶段中，排气阀开启之故。
图11是表进气岐管、排气岐管和气缸内压力的曲线图。最后，图12是表示也在制动运转中经进、排气阀的质量流量率。应当注意，在图9中点划线表示气缸内活塞的位移，以表示当排气阀开启而活塞接近上止点时活塞和排气阀之间没有干扰。
最后，图13是类似于图9的曲线图，它表示在制动运转模式中进、排气阀的开度可按发动机转速变化。该图实际上表示出不同的发动机转速时阀的不同开启行程。
图14表示发动机另一运转模式，其中得到“Curtii”或工作循环。在该循环中，超过相应于普通循环的进、排气阀的平常开度阶段，得到一个排气阀的附加开度阶段，如在该图中由虚线所示。正如早先讨论过的，由于在进气阶段最后部分中和在压缩阶段的第一部分中的附加的排气阀开度，得到了较好的气缸充气度。事实上，在排气阀的附加开度的第一部分a中，一些新鲜空气自进气道直接流到排气道，而在第二部分b中，由于在排气岐管内同时建立的额外的压力，进入排气道的空气返回到气缸内，所述额外压力是由于在排气阶段中的其它气缸引起的。在本发明的发动机中，按照Curtill循环，仅在附加开度有益的一些发动机转速下，电子控制装置能控制相应的电磁阀，以提供上述附加的排气阀开度，而在有害的转速下，分离电子控制装置。
最后，图15用虚线表示在正常的发动机工作循环中进、排气阀的开启行程，而用虚线相应表示在产生所谓的“Miller”循环的另一运转模式中进气阀的开启行程，和在对减少所谓的“透平滞后”效应，即在过渡状态中响应使用者要求的透平增压器的惯性有用的又一个运转模式中排气阀的开启冲程。尤其是，在第一种情况中，进气排的关闭提早发生或推迟发生(在图15所示情况中，它是推迟发生的)，以达到压缩比的减小或增加。如果例如进气门的关闭是推迟的，则当活塞已从下止点上升时压缩阶段才开始，因此，压缩比减少。按此方式，所达到的温度减低，结果，排气中的Nox减少。反之亦然，压缩比增加，压缩空气增加，这例如对于发动机冷起动是有利的。
在代替适于减少“透平迟后“效应(图15左侧虚线曲线)的运转模式的情况下，排气阀的开启提前，开度增加，结果排气具有较大的热焓，因此减少了过渡状态中透平增压器惯性的有害影响。
因此，正如从上述清楚看到的，本发明提供了一种卡车柴油机，尤其是这种由废气作动的透平增压器增压的柴油机，它设有一种可变阀作动系统，其中，控制进、排气的这些凸轮的廓线使它们不仅在发动机正常工作循环内平常开启阶段中，而且在循环的附加阶段能控制这些阀，因此，构成可变阀作为系统一部分的电子控制装置使凸轮廓线的相应部分能或不能工作，从而产生许多能按发动机使用状况选择的不同的发动机运转模式。可安排电子控制装置来按照发动机工况或例如根据使用者要求在制动运转模式的情况下提供各种自动运转模式的选择。
另外，特别提出本发明的另一上面已提到的优先特点，利用这一特点，产生发动机的制动运转模式，它利用简单的手段达到汽车的有效制动及随发动机转速变化的范围。
虽然，本发明的原理是相同的，但构造细节和实施例可相对于纯粹作为例子说明和图示的广泛地变化，而不脱离本发明的范围。
很显然，例如本发明的发动机凸轮的几何形状也可不同于作为例子在附图中所表示的。当然，上述适用于控制液压杠杆的装置的几何形状的结构布置。
按照本发明，主要是设计凸轮，以便除了正常的发动机工作循环外，还提供至少制动的运转模式。显然，最好提供适于产生上述其它运转模式的凸轮，并且显然不排除能产生不同于上述的其它运转模式。
简言之，由于本发明，能得到由透平增压器增压的这类多缸卡车柴油机，它通过简单的手段能响应各种可能的要求按照不同的运转模式运转，这些要求诸如汽车的制动，有害排放物的减少，便于冷起动，透平滞后效应的减轻，内部废气再循环的可能性。
自然，本发明亦适用于不增压发动机。

Claims (7)

1.多缸柴油机，包括：
每缸至少一个进气阀(I)和至少一个排气阀(E)，分别设有将阀向关闭位置偏置的相应回归弹簧装置(4)，用以控制相应的进、排气道；
一个通过相应杠杆(7)作动发动机气缸的进气和排气阀(I、E)的凸轮轴)，每一进气和排气阀受凸轮轴(10)的凸轮(CI、CE)驱动；
其中各杠杆(7)通过包括一压力流体腔(6)的液压装置的介入，克服回归弹簧装置(4)的作用，驱动相应的进、排气阀(I、E)；
与各进、排气阀(I、E)相关的压力流体腔，适于经一电磁阀(15)连于一出口腔道(12)，以使该阀和相应的杠杆(7)分离，并使该阀在相应的回归弹簧装置(4)作用下迅速关闭；
用以控制各电磁阀(15)的电子控制装置以便随着一个或多个发动机工作参数的变化改变相应进、排气阀(I、E)行程的开启时间，其特征在于
发动凸轮轴(10)的每一凸轮的廓线能使相应的进气或排气阀(I、E)受到控制，从而不仅在正常发动机工作循环内的平常开启阶段内，而且在某些附加的循环阶段内使它们开启；
其中所述电子控制装置适于使各电磁阀(15)开启，从而在上述平常阶段和/或在该相应凸轮会使该闭开启的一个或多个所述附加阶段使相应的进气或排气阀(I、E)保持关闭，因此，发动机能按照不同的运转模式通过控制所述电磁阀(15)有选择地运转。
2.按权利要求1所述的发动机，其特征在于所述电子装置适于产生一种发动机制动运转模式，其中无燃料喷入气缸，各电磁阀(7)受控制，以便在相应活塞自下止点到上止点的各上升冲程内使各缸的进、排气阀(I、E)基本上保持关闭，从而利用在各活塞上升冲程时吸收的动力来获得制动效果，所述电子装置也适于借用于在活塞到达上止点前立即关闭相应的电磁阀(15)由于相应凸轮(CE)的作用能使各排气阀开启。
3.按权利要求2所述的发动机，其中所述发动机由废气作动的透平增压器增压，其特征在于在所述的发动机制动运转模式中，在活塞自上止点下降冲程的第一部分内，使排气阀(E)保持开启，从而自排气道将空气吸入气缸，以减少输给透平增压的空气流量。
4.按权利要求3所述的发动机，其特征在于所述制动运转模式中，在活塞向下止点的下降冲程的最后部分内，使进气阀保持开启。
5.按权利要求1所述的发动机，其特征在于控制各排气阀(E)的凸轮(CE)的廓线是这样的，它能大致在进气阶段的最后部分内形成一附加的排气阀(E)开启阶段，从而产生一Curtill式工作循环，所述电子装置适于使所述凸轮不能工作，从而在确定的发动机运转速度下省去所述附加的排气阀(E)开度。
6.按权利要求1所述的发动机，其特征在于所述电子控制装置适于相对于正常的发动机工作循环改变进气阀的关闭定时，以便按照发动机的工况改变压缩比。
7.按权利要求1所述的发动机，其特征在于所述电子装置适于相对于正常发动机工作循环提前排气阀的开启定时，以减少“透平滞后”效应。
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