CN1646795A

CN1646795A - 使用了减少压力共轨和专用发动机阀的发动机阀驱动系统和方法

Info

Publication number: CN1646795A
Application number: CNA038075997A
Authority: CN
Inventors: 杨洲; 弗兰克·斯塔夫斯基
Original assignee: Diesel Engine Retarders Inc
Current assignee: Diesel Engine Retarders Inc
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: US20030140876A1; WO2003064820A2; CN100379951C; EP1483484A2; JP2005516144A; WO2003064820A3; KR20040094419A

Abstract

本申请公开了一种使用共用的液压流体源来驱动发动机阀以提供发动机制动和/或废气再循环的系统和方法。该系统从共轨系统中接受高压液压流体，例如这些用来提供燃料喷射。在用来驱动发动机阀以进行发动机制动或者EGR之前，减少该流体压力。优选的是，专用于发动机制动或者EGR功能的发动机阀设置在发动机中。在另一个实施例中，专用发动机制动/EGR阀可以由电磁致动器来驱动。

Description

使用了减少压力共轨和专用发动机阀的发动机阀驱动系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用来驱动内燃机中的发动机阀以实现压缩释放型制动过程、放气型发动机制动过程和/或内部废气再循环(EGR)过程的方法和装置。

背景技术

在发动机制动期间，排气阀可以有选择地打开来至少暂时地把产生功率的内燃机转换成吸收功率的空气压缩机。当活塞在压缩冲程期间向上运动时，收集在汽缸中的气体被压缩。压缩过的气体阻止活塞向上运动。在发动机制动工作期间，当活塞接近上死点(TDC)时，与排气歧管相连通的至少一个发动机阀被打开来释放压缩气体，从而在随后膨胀向下冲程时防止储存在压缩气体中的能量返回到发动机中。在这样做时，发动机产生了延迟功率以有助于使车辆慢下来。

如前段所描述那样的压缩释放型发动机制动器的工作是公知的。用于压缩释放型制动的系统的一个最早描述公开在Cummins的美国专利No.3220392中。描述在Cummins 392专利中的该系统获得运动以打开一对排气阀，从而使现有进气、排气或者喷射器推杆或者摇臂进行压缩释放动作。压缩释放运动从推杆或者摇臂通过选择膨胀液压连杆传递到桥形件中，该桥形件接合两个排气阀。该液压连杆在发动机制动工作期间进行膨胀以传递压缩释放运动，并且在正功率工作期间进行收缩以吸收这种运动。液压连杆在正功率期间进行收缩使得在正功率期间失去了压缩释放运动，相应地，这些系统通常称为“空动”阀驱动系统。

在这些空动系统中如Cummins系统，发动机阀典型地由固定的成形凸轮(profile cam)来驱动，更加具体地说，由每个凸轮上的一个或者多个固定凸起来驱动。使用固定的成形凸轮使得难以调整发动机阀升程的正时和/或大小，而这种正时和/或大小是在各种发动机工作条件如在发动机制动期间的不同发动机速度下使发动机性能最佳化所需要的。

近年来，对描述在Cummins 392专利中的这些系统和方法进行了各种改进。一个这样的改进在于使用共用的高压流体源，例如该流体源用于燃料喷射系统中，以驱动一个或者多个阀来进行发动机制动。这些系统常常称为“共轨”系统。在共轨阀驱动系统中，高压液压流体源可以有选择地施加到致动活塞上，以驱动一个或者多个阀来进行压缩释放动作。选择来驱动以实现发动机制动的这些阀最常用的是排气阀。这些系统的例子公开在Sickler美国专利No.4572114、Pitzi美国专利No.5012778及Meistrick等美国专利No.5787859、5809964和6082328中，这些专利中的每一个在这里引入以作参考。在一些共轨系统中，专用辅助阀被设置来进行发动机制动。这些系统的一些例子公开在Korte等美国专利No.5564386、Schmidt等美国专利No.5609134及Bergmann美国专利No.5794590中，这些专利中的每一个在这里引入以作参考。

共轨系统事实上可以提供对阀正时进行无限的调整，因为高压液压流体源经常可以实现阀的驱动。由于共轨系统在理论上可以几乎无限地改变阀正时，因此它们可以用来实现几乎任何类型的发动机阀动作如进气、排气、压缩释放型制动、放气制动或者废气再循环(EGR)，只要被驱动的阀与合适歧管(即进气歧管或者排气歧管)相连通就行。相应地，在施加液压压力时产生复杂和高速控制，共轨系统根据各种各样的阀动作的要求应该可以提供阀驱动，并且在提升和持续时间上提供一些控制。

但是至今，用于制动和EGR中的共轨式发动机阀驱动系统没有得到广泛使用。所需要的复杂控制、尤其在发动机阀落座时所需要的复杂控制没有得到有效实现。尤其阻碍使用共轨驱动系统的两个问题是：实现所要求的控制程度所需要的这些零件较贵，并且该系统在液压压力损失的情况下易于产生故障。直到所有的问题解决了，空动系统很可能连续成为用来实现发动机制动的主要类型的系统。

共轨系统的这些前面问题部分地产生于使用非常高的压力源来打开发动机阀，并且部分地产生于依赖实现临界阀动作即主进气过程和主排气过程的系统。由下面方法提出在共轨式发动机制动使用非常高的压力系统：即在离开共轨燃料喷射系统的地方套载发动机制动系统，其中该共轨燃料喷射系统已经安装在车辆上。这种“套载”被认为明显节省了费用，因为两个系统即发动机制动和燃料喷射可以只需要一个高压源(和零件组)。由于燃料喷射需要非常高的压力即需要大约3000psi，因此试图提供一种发动机制动共轨系统，该共轨系统以类似压力使用流体。但是，这种高压的使用要求驱动阀使用力非常大的复位弹簧，该驱动阀又需要复杂的阀座装置。此外，对于高压系统而言，泄漏是更大的问题，并且零件设计本身更加关键且费用较贵。相应地，需要有一种这样的共轨系统：该共轨系统可以用于发动机制动和EGR中，该发动机制动和EGR没有使用共轨驱动的高压流体所伴生的缺点。

由使用发动机阀驱动的共轨系统所产生的第二个明显挑战是潜在地系统失效。液压系统由于流体泄漏而产生失效的缺点。防止泄漏的范围越大，那么该系统就越贵。共轨系统不能进行发动机制动和/或EGR就不会产生灾难，因为车辆在没有这些特征的情况下当然可以进行工作，但是这是次优选的。但是不能承受的是主进气阀或者主排气阀不能动作，因为它会导致发动机彻底失效。相应地，需要有一种这样的共轨系统：它只引起发动机制动和/或EGR阀动作，但是不需要主进气或者主排气发动机阀动作。

申请人通过下面方法解决了各种各样的上面问题以把共轨系统有效地用于发动机制动和EGR中：使减少压力共轨系统或者电磁驱动的致动器与专用发动机制动/EGR发动机阀连接起来。使用减少的压力就能减少泄漏的可能性和效果，并且可以减少配气机构的负荷。此外，这种系统可以提供几乎无限的、发动机制动和内部EGR的正时变量，而不会危害主进气和排气阀工作。

在下面说明中部分地提出本发明的一些实施例(但不必是所有的实施例)的其它目的和优点，并且通过描述和/或通过实践本发明，它们中的一部分对于本领域的普通技术人员讲是显而易见的。

发明内容

根据上面挑战，申请人提供了一种用于发动机制动和/或废气再循环中的新式发动机阀驱动系统，该系统包括：高压液压流体源；流体压力减少装置，它连接到高压液压流体源中；液压流体控制阀，它连接到流体压力减少装置中；及发动机阀致动器，它连接到液压流体控制阀中。

在一个实施例中，本发明提供了一种发动机阀驱动系统，该系统包括：高压液压流体通道；高压液压流体源；流体压力减少装置，它通过高压液压流体通道连接到液压流体源中；低压液压流体通道；液压流体控制阀，它通过低压液压流体通道连接到流体压力减少装置中；致动液压流体通道；及发动机阀致动器，它用来产生发动机阀动作，该发动机阀致动器通过致动液压流体通道与液压流体控制阀相连通。

在另一个实施例中，本发明提供了一种用来驱动内燃机中的发动机阀以产生发动机阀动作的方法。该方法包括这些步骤：把液压流体提供到流体压力减少装置中；使液压流体的压力从第一压力减少到第二压力；有选择地把第二压力的液压流体施加到发动机阀致动器中；及驱动发动机阀以产生发动机阀动作。

应该知道，上面的概括描述和下面的详细描述是示例，并且只是示例，而不是限制所要求保护的本发明。在这里引入以作参考并且构成了说明部分的一部分的附图示出了本发明的一些实施例，并且与详细描述一起用来解释本发明的原理。

附图说明

为了帮助理解本发明，现在参照附图，在这些附图中，相同标号表示相同元件。这些附图只是示例，而不能用来限制本发明。

图1是本发明第一实施例的发动机阀驱动系统的方块图。

图2是本发明第二实施例的发动机阀驱动系统的方块图。

图3是本发明第三实施例的发动机阀驱动系统的示意图。

图4是本发明第四实施例的发动机阀驱动系统的方块图。

图5是本发明第五实施例的发动机阀驱动系统的示意图。

具体实施方式

现在，详细地参照本发明的实施例，这些实施例中的一个例子示出在附图中。参照图1，它示出了内燃机的阀致动系统10。在一个实施例中，阀致动系统10包括：高压液压流体源100；流体压力减少装置300，它连接到高压液压流体源100中；液压流体控制阀400，它连接到流体压力减少装置300上；及发动机阀致动器600，它连接到液压流体控制阀400上，以驱动发动机阀700。发动机阀700包括专用制动阀。但是可以设想，发动机阀700可以包括排气门和/或进气门。

在本发明的其它实施例中，如图2所示，阀致动系统10还可以包括：蓄压器500，它连接到液压流体控制阀400上；及低压液压流体箱200，它连接到高压流体源100上。

参照图3，在本发明的一个实施例中，阀致动系统10包括高压流体源100，例如可以用来供给共轨燃料喷射系统。由Navistar International所出售的液压电子单元喷射(HEUI)系统是这种共轨燃料喷射系统的一个例子。

高压流体源100可以包括高压泵110、压力调节器120和高压强制通风系统130。高压流体泵110可以从低压箱200中吸入液压流体如柴油。由泵110所形成的流体压力大约为几千(例如3000)psi。高压流体源100在燃料喷射系统中的现有技术中是公知的。高压流体源100所提供的压力用压力P1来表示。

在图3所示的本发明实施例中，由源100所提供的高压流体不仅可以用来提供燃料喷射，而且还可以用来为发动机的制动工作提供推动源。使用高压流体源如源100以进行发动机制动的一个优点是，它已经存在于发动机中。为了利用高压源100来进行发动机制动，来自高压流体源100的加压流体通过高压线路140提供到压力减少装置300中。压力减少装置300优选地使流体压力大约减少一个大小，并且更加优选的是，减少到大约300psi的值。压力减少的流体可以通过线路310提供到控制阀400中。由压力减少装置300所提供的压力用压力P2来表示。

在一个实施例中，压力减少装置300可以包括压力减少阀。压力减少装置300可以包括直接操纵的压力减少阀、双通控制操纵压力减少阀和/或任何其它公知的压力减少阀。如本领域普通技术人员所知道的一样，适合于减少来自高压流体源100中的流体的压力的其它压力减少装置也认为是落入本发明的范围和精神实质内。

继续参照图3，控制阀400可以包括阀体410和控制器420。阀体410优选为3/2方向的控制阀，并且可以包括一些内部通道，这些通道使第一开口412与第二开口414连通，并且使第三开口416与第四开口418连通。借助控制阀弹簧430可以使阀体410偏压到默认位置上。

在该默认位置上，阀体410中的内部通道可以使制动致动(brakeactuator)线路440与蓄压器500连通。在另一个实施例中，如图4所示，蓄压器500可以用通气或者流体返回线路来取代，该通气或者流体返回线路把控制阀400连接到低压箱200中。

控制器420可以用来移动阀体410，因此流体流向和流出制动致动线路440。在图3中，阀体410可以线性地移动到控制阀弹簧430中。控制器420可以是以高速移动阀体410的任何合适装置。应该知道，控制器420可以是液压的、水电的、机械的、压电的或者电磁的(如螺线管)装置。控制器420优选地可以在每个发动机循环中至少一次移动(translating)阀体410，优选地，在每个发动机循环中多次移动阀体410。

还知道的是，控制器420优选地借助电信号来进行控制，该电信号由发动机控制模块(ECM)(未示出)来发出。如本领域普通技术人员所知道的一样，ECM可以包括微处理器，并且可以连接到一些传感器中，而这些传感器连接到其它发动机零件上例如发动机汽缸、排气管、进气管或者任何其它发动机零件上，以控制控制器420。

制动致动线路440在控制阀400和发动机阀致动器600之间提供了流体连通。发动机阀致动器600包括流体室610、设置成在流体室内进行滑动的致动活塞620及复位弹簧630。

复位弹簧630被示成位于流体室610内，但是应该知道，复位弹簧可以设置在位于发动机阀致动器600和发动机汽缸(未示出)之间的任何位置上。复位弹簧630甚至可以设置成专用制动阀700的复位弹簧，因为专用制动阀700返回到它的最上部位置上也使得致动活塞620返回到它的最上部位置上。

致动活塞620可以终止于发动机阀头部中，或者驱动发动机阀700，该发动机阀700专用于制动和/或废气再循环功能。发动机阀700在发动机汽缸720和排气歧管710之间提供了选择连通。复位弹簧630可以把致动活塞620偏压到流体室610的上端上。在这个位置上，专用发动机阀700被关闭了。

在控制器420的影响下，可以使控制阀400处在两个主要位置上。控制阀400的第一位置与下面情况相对应：在这种情况下，希望没有发动机制动和/或废气再循环，即专用发动机阀700被关闭了。当专用发动机阀700被关闭时，控制器420把阀体410保持在图3所示的位置上。在这个位置上，阀体410的第一开口412与制动致动线路440相连通，而第二开口414与蓄压器500相连通。其结果是，阀体410在流体室610和蓄压器500之间提供了连通。蓄压器500中的流体压力较小，相应地，专用发动机阀复位弹簧(它可以是弹簧630)可以向上移动致动活塞620，从而迫使流体流出流体室610并且进入到蓄压器500中。没有新流体可以流入到流体室610中以向下移动致动活塞620，因为控制阀400不在这样的位置上：在该位置上，它在减少压力线路310和制动致动线路440之间提供了流通。

作为把来自控制阀400中的减少压力流体施加在致动活塞上的结果，当希望提供发动机制动和/或废气再循环时，致动活塞620可以向下移动以驱动专用发动机阀700。当致动活塞620向下移动到专用发动机阀700中时，专用发动机阀打开，并且气体在与专用发动机阀相连的发动机汽缸和排气歧管之间进行自由流动。

作为初始的事情，该系统可以转到“打开”，以借助把来自压力减少装置300的减少流体压力施加到减少压力线路310中来进行制动、EGR或者其它的阀致动任务。一旦流体压力存在于减少压力线路310中，那么控制器420发命令以向下移动阀体410。向下移动引起阀体的第三开口416与减少压力线路310对准及使第四开口418与制动致动线路440相对准。在这个位置上，阀体410在减少压力线路310和制动致动线路440之间提供了流体连通。这种连通引起制动驱动活塞620向下移动并且打开发动机阀700，以进行发动机制动或者废气再循环过程。

实现打开和关闭发动机阀700的上述循环与控制器420使流体室610排空和再充满一样快。清楚的是，该系统的速度依赖于控制阀400的速度和尺寸大小、制动致动线路440的尺寸大小和长度、及工作流体的粘性。相应地，把控制阀400设置成尽可能地靠近流体室610以改善该系统的响应时间是有利的。对于本发明的一些实施例而言，希望的是，该系统在每个发动机循环中可以执行超过一次的发动机阀动作，并且该系统提供了用来打开、关闭和持续制动和EGR过程的几乎无限变化的正时选择。尽管希望该系统可以高速驱动，但是该系统不必总是以高速进行工作以产生有利的结果。例如，在担心制动噪声(在城镇或者城市)的时间期间，系统10可以用来提供部分或者全部循环放气制动(bleeder braking)，并且在较少担心噪声的其它时间时提供压缩释放型制动。

使用减少流体压力(即大约300psi，这种压力与3000psi相对)来驱动专用发动机制动阀700可以提供许多优点。在制动和/或EGR期间所实现的一些优点包括：用作控制阀400的高速触发阀更加容易制造，并且更加可靠，因为它只需要处理减小压力流体。使用减少压力流体也可以减少冲击负荷和制动零件的落座速度，并且使得这些负荷和速度更加可以控制。此外，使用减少压力流体可以减少制动系统的流体泄漏和振动，并且使得整个系统更加紧凑。在正功率期间所实现的优点包括使阀正时接近无限的变化，以提供适合于发动机速度和/负荷的内部GER。该系统10还改进来提供冷却的内部EGR，因为专用阀的出口通道可以不同于主排气阀的出口通道，冷却器可以设置在专用通道中。

本发明的一个替换实施例示出在图5中，在该图中，相同的标号表示相同的元件。在图5所示的系统中，发动机阀致动器600借助电磁致动器690来提供。在这个实施例中，不需要共轨系统，如图3的系统一样。在所有其它方面中，与图3所示系统一样地操纵图5的系统。

在一个实施例中，电磁致动器690包括高速电磁阀，该电磁阀以每个发动机循环至少一次的速率来驱动发动机阀700。在另一个实施例中，电磁致动器690包括低速电磁阀。包括压电式致动器(但不局限于此)在内的发动机阀致动器600的其它实施例也应认为落入本发明的范围和精神实质内。

发动机制动和EGR的专用发动机阀700可以小于主排气阀，并且只需要较小的力来打开它。一旦该阀完全打开了，那么通过阀的流动区域借助位于孔和阀杆之间的环形间隙来控制，并且甚至只需要更小的力来保持阀打开。

本领域普通技术人员应该知道，在没有脱离本发明范围或者实质的情况下，本发明可以进行各种变形和改进。例如，高压系统和减少压力系统的相对压力可以不同于上面所讨论的这些，而不会脱离本发明要求保护的范围。各自零件的尺寸大小和设计可以改变，并且可以省去一些零件如蓄压器、压力传感器等，而不会脱离本发明要求保护的范围。此外，控制阀400的设计可以改变而不会脱离本发明要求保护的范围。此外，所使用的液压流体可以改变而不会脱离本发明要求保护的范围。此外，本发明的这些方法和装置的一些实施例适合于两冲程发动机制动和四冲程发动机制动，而在这种两冲程发动机制动中，正常的发动机排气阀动作和进气阀动作被改进了。因此，只要它们落入附加权利要求和它们等同物的范围内，那么本发明包括本发明的所有这些变形和改进。

Claims

1.一种发动机阀驱动系统，该系统包括：

高压液压流体通道；

高压液压流体源；

流体压力减少装置，它通过高压液压流体通道连接到液压流体源中；

低压液压流体通道；

液压流体控制阀，它通过低压液压流体通道连接到流体压力减少装置中；

致动液压流体通道；及

发动机阀致动器，它驱动发动机阀以产生发动机阀动作，该发动机阀致动器通过致动液压流体通道与液压流体控制阀相连通。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，发动机阀动作是从一组动作中选择出来的，该组动作包括压缩释放型制动动作、放气制动动作和废气再循环动作。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，液压流体源包括燃料喷射系统。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，流体压力减少装置使液压流体的压力从第一压力减少到第二压力，其中第二压力的大小大约小于第一压力。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，第二压力大约为300psi。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，控制阀包括：

阀体，它具有若干形成于其中的流体通道，阀体适合有选择地在第一工作位置和第二工作位置之间进行运动；

控制器，它用来移动阀体；及

弹簧，它把阀体偏压到第一工作位置上。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，控制器以每个发动机循环至少一次的速率移动阀体。

8.如权利要求6所述的系统，还包括蓄压器，其特征在于，当阀体处于第一工作位置上时，控制阀使致动液压流体通道与蓄压器连通。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，当阀体处于第一工作位置上时，控制阀使致动液压流体通道与低压液压流体箱连通。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，当阀体处于第二工作位置上时，控制阀使致动液压流体通道与低压液压流体通道连通。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，发动机阀致动器包括：

流体室，它容纳来自致动液压流体通道中的液压流体；

致动活塞，它可滑动地设置在流体室中；及

复位弹簧，它与致动活塞相接触。

12.如权利要求1所述的系统，还包括：

低压液压流体箱，其中液压流体源还包括：

高压泵，它与低压流体箱相连通；

压力调节器；及

高压强制通风系统，它连接到高压液压流体通道中。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，发动机阀是专用的发动机排气阀。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，与主排气阀相比，发动机阀只需要更小的力来驱动它。

15.一种发动机阀驱动系统，该系统包括：

高压液压流体源，它提供第一压力的液压流体；

流体压力减少装置，它连接到所述液压流体源中；

液压流体控制阀，它连接到流体压力减少装置中并且具有第一工作位置和第二工作位置；及

发动机阀致动器，当液压流体控制阀处于第二工作位置上时，它驱动发动机阀以产生发动机阀动作，这种发动机阀动作适合容纳第二压力的液压流体。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，第二压力大约为300psi。

17.一种驱动内燃机中的发动机阀以产生发动机阀动作的方法，该方法包括这些步骤：

把液压流体提供到流体压力减少装置中；

使液压流体的压力从第一压力减少到第二压力；

有选择地把第二压力的液压流体施加到发动机阀致动器中；及

驱动发动机阀以产生发动机阀动作。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，驱动发动机阀的步骤还包括这样的步骤：产生压缩释放型制动动作。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，驱动发动机阀的步骤还包括这样的步骤：产生放气制动动作。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，驱动发动机阀的步骤还包括这样的步骤：产生废气再循环的动作。