CN1890459A - 用于避免在非自由轮转内燃机上发生活塞－阀门碰撞的系统和方法 - Google Patents

用于避免在非自由轮转内燃机上发生活塞－阀门碰撞的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于内燃机中的阀动系统和方法，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门。该阀动系统具有液压泵、高压储存器和电动液压阀门致动器。该液压泵被构成为基于内燃机的至少一个气缸的阀门－活塞间隙轮廓产生液压输出。该高压储存器与液压泵相连接。该电动液压阀门致动器经由第一控制阀与高压储存器相连接并且被构成为根据液压泵的输出致动内燃机的至少一个发动机阀门。

Description

用于避免在非自由轮转内燃机 上发生活塞-阀门碰撞的系统和方法
技术领域
本发明主要涉及一种用于致动内燃机控制元件的电动液压设备。更具体的，本发明涉及一种用于调节向电动液压发动机阀门致动器进行高压液压供应的系统和方法。
背景技术
内燃机是公知的并且自其产生之日起便备受关注。由于其普遍应用，人们一直在做出大量的努力以改进内燃机及其控制系统的设计。在业已实现的很多改进中，独立阀动和电子燃料注射被认为改进了基于凸轮的发动机的性能和效率。
利用独立阀动系统，发动机阀门可与发动机活塞形成接触。阀门-活塞碰撞可造成严重的发动机损坏，从而导致发动机故障。因此，期望能够避免这种阀门-活塞碰撞发生的阀动系统。
对于非自由轮转(non-freewheeling)发动机例如重型柴油发动机上的电动液压阀传动机构，活塞-阀门碰撞问题尤为令人关注。用于解决该问题的现有方案严重依赖于基于阀门升程测量的反馈控制，而这既不可靠也不具有成本有效性。例如美国专利No.6,092,495描述了一种控制电控阀门以防止阀门和活塞之间相互干扰的方法。虽然该系统能够避免活塞-阀门碰撞，它仍然是存在缺陷的，因为电子控制系统的故障可造成严重的发动机损坏。
因此，需要一种新的和改进的、能够提供可靠的活塞-阀门间隙的内燃机阀门控制系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于调节向电动液压阀门致动器进行高压液压供应的系统和方法。本发明提供了可靠的活塞-阀门间隙。
本发明另一个方面的基本特征在于一种用于内燃机中的阀动系统，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门。该阀动系统具有液压泵、高压储存器和电动液压阀门致动器。该液压泵被构成为基于内燃机气缸的阀门-活塞间隙轮廓产生液压输出。该高压储存器与液压泵相连接。该电动液压阀门致动器与高压储存器相连接并且被构成为根据液压泵的输出致动内燃机的至少一个发动机阀门。
附图说明
从在下面结合附图对其优选实施例的描述可进一步理解本发明上述的和其它的特征和优点，其中贯穿各个视图使用相同的附图标记以表示相同的部件。
图1是示出根据本发明的用于内燃机的电动液压阀动系统的实施例的简图；
图2是计算机模拟的本发明活塞-阀门间隙的特性曲线。
具体实施方式
在图1中示出具有根据本发明的电动液压阀动系统的内燃机100的实施例。发动机100具有与至少一个发动机控制阀106(例如进气阀或排气阀)相连通的至少一个活塞驱动的燃烧气缸(未示出)、用于打开和关闭控制阀106的电动液压致动器102，以及液压泵104。该液压泵104可以是凸轮驱动的泵并且经由高压储存器110以流体方式与电动液压阀门致动器连通。
在示于图1的实施例中，液压泵104具有由凸轮104a驱动的柱塞104b。可选择凸轮104a的几何外形(即形状)，用以根据需要驱动柱塞104b以便在高压储存器110中形成流体压力。优选的，根据用于该燃烧气缸的活塞-阀门间隙曲线选择凸轮的几何形状，从而当发动机活塞靠近阀106时，所述的高压开始降低；即，凸轮104a开始离开柱塞104b。例如，如图1所示，凸轮104a可具有对应于当发动机活塞靠近发动机控制阀106时的发动机曲轴转角的凹部104a-1和104a-2，由此当活塞-阀门间隙变小时使得柱塞104b朝向凸轮104a移动。
电动液压致动器102具有优选为电磁阀的控制阀102a和102b、单向阀102c和102f、控制腔室102d和柱塞102。控制阀102a和102b可被打开和关闭从而控制柱塞102e的方向以致动发动机控制阀106，并且能够以电子方式进行控制，例如经由电子控制单元(ECU)或处理器(未示出)进行控制。控制阀102a(高压控制阀)允许高压液压流体流入控制腔室102d，以迫使柱塞102e朝向控制阀106移开。经由单向阀108可以允许液压流体仅单向地返回到高压储存器110。打开控制阀102b(低压控制阀)允许控制腔室102d中的高压流体流动到低压区域，该区域可连接到低压液压流体供给源，例如受调节的低压储存器(未示出)。如果控制腔室102d中的压力降低至低于液压流体供给源的压力，则单向阀102f允许液压流体流回到控制腔室102d。
当控制腔室102d中的压力超过高压储存器110中的压力时，单向阀102c允许流体仅单向地从控制腔室102d流动到高压储存器110。因此，即使当控制阀102b被关闭时，单向阀102c也可建立反馈回路，当凸轮104b离开柱塞104a时，高压储存器110中的压力开始下降至低于控制腔室102d中的压力，并且单向阀102c打开。因此，无需依赖于电子控制系统便能够可靠地避免活塞-阀门碰撞。
液压蓄能器112与高压储存器110形成流体连通。当高压控制阀102a被关闭而柱塞104a继续向储存器110泵送流体时，蓄能器112能够储存多余的液压流体。与相应高频波动相比，蓄能器的活塞112a更易于响应低压波动。这里，当发动机活塞靠近控制阀106时由于凸轮的设计形状而引起的压力降是高频的。因此，蓄能器112优选缓慢地响应于这种波动，这使得压力波动到一个显著的程度从而单向阀102c能够打开。
在操作时，凸轮驱动的液压泵104向电动液压阀门致动器102供给高压液压流体。凸轮104a优选按照2∶1的比率(即发动机曲轴旋转两周的同时凸轮104a旋转一周)以机械方式关联到发动机曲轴(未示出)。优选将凸轮轮廓成形为对应于活塞-阀门间隙轮廓，从而当发动机活塞朝向发动机阀门移动并且瞬时活塞-阀门间隙变小时，泵的柱塞104b朝向凸轮104a移动。当柱塞104b朝向凸轮104a移动时，高压储存器110中的液压降低。结果，单向阀102c打开并且高压液压流体从控制腔室102d流动到储存器110，这使得即便当控制阀102b仍然被关闭时，发动机控制阀106能够离开发动机活塞以避免活塞-阀门碰撞。控制阀102b被打开以允许液压流体返回到低压区域。控制阀102a和102b被关闭，并且随着发动机活塞从顶部死点位置离开，高压储存器110中的液压再次升高。因此控制阀102a被打开以使发动机控制阀106为下一燃烧事件开始下一次循环。
现在参考图2，假设低压控制阀102b未在顶部死点位置前打开以避免活塞-阀门碰撞。图2示出阀门间隙和阀门升程关于气缸时刻的模拟曲线。上部曲线图示出用于高压控制阀102a的控制信号，中部曲线图示出用于低压控制阀102b的控制信号，并且底部曲线图示出阀门升程和间隙(活塞-阀门间隙轮廓)。各个曲线图的下部轴线为发动机的曲轴转角，其对应于活塞的位置。
在操作时，高压控制阀102a起初被关闭以允许在储存器110中形成高压。高压控制阀102a被打开，这使得柱塞102e驱动控制阀106使其打开。初始阀门升程被示为大约为12mm并且快速稳定在大约10mm。当发动机活塞接近控制阀106时，控制阀106开始关闭(即阀门升程降低)。可以看出，当活塞接近顶部死点位置时活塞-阀门间隙变小，但是即便在低压控制阀102b被打开之前也可避免了活塞-阀门碰撞。
由于本发明的新颖的机械设计，即便电子控制系统发生故障，也可避免活塞-阀门碰撞。
虽然本发明已经在上面详细描述，但是本发明并不限定于所述的特定实施例。显然，在不背离本发明概念的前提下，本领域技术人员可对在这里所描述的具体实施例做出各种使用和改进以及修改。
可以理解本发明可用于多种内燃机类型中。发动机可具有任意的数目的气缸。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种用于内燃机中的阀动系统，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门，所述阀动系统包括：
被构成为基于所述内燃机的至少一个气缸的阀门-活塞间隙轮廓产生液压输出的液压泵；
与所述液压泵相连接的高压储存器；以及
与所述高压储存器相连接并且被构成为根据所述液压泵的输出致动所述内燃机的至少一个发动机阀门的电动液压阀门致动器；
其中所述电动液压阀门致动器具有与所述高压储存器相连接的控制腔室以及至少一个与所述控制腔室形成流体连通并且以机械方式连接到所述至少一个发动机阀门的柱塞，并且所述阀动系统还包括从所述控制腔室到所述高压储存器的至少一个反馈回路；并且
所述的至少一个反馈回路包括具有设置于其中的第一单向阀的第一反馈回路，所述第一单向阀被构成为当所述控制腔室中的压力超过所述高压储存器中的压力时允许液压流体从所述控制腔室流动到所述高压储存器。
2.根据权利要求1所述的阀动系统，还包括从所述电动液压阀门致动器到所述高压储存器的至少一个反馈回路，从而当所述高压储存器中的压力低于所述电动液压阀门致动器中的压力时，液压流体从所述电动液压阀门致动器流回到所述高压储存器。
3.根据权利要求1所述的阀动系统，其特征在于，所述液压泵具有凸轮和柱塞，所述凸轮具有被选择成基于所述至少一个发动机气缸的所述阀门-活塞间隙轮廓产生所述液压输出的形状，从而当所述活塞和所述发动机阀门的阀门-活塞间隙接近零时所述柱塞朝向所述凸轮移动。
4.根据权利要求1所述的阀动系统，其特征在于，所述的至少一个反馈回路还包括具有设置于其中的控制阀的第二反馈回路。
5.根据权利要求1所述的阀动系统，其特征在于，所述的至少一个反馈回路还包括具有设置于其中的第二控制阀和第二单向阀的第二反馈回路，其中当所述第二控制阀打开时，允许液压流体流动到低压区域，并且当所述高压储存器中的压力低于所述低压区域中的压力时，所述第二单向阀允许液压流体从低压区域流动到所述高压储存器。
6.根据权利要求1所述的阀动系统，还包括与所述高压储存器相连接的蓄能器。
7.根据权利要求6所述的阀动系统，其特征在于，所述蓄能器储存多余的液压流体并且用于使得所述单向阀响应于流体压力中的高压变化而被允许打开。
8.一种用于内燃机的阀动方法，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门，所述发动机包括用于打开和关闭所述发动机阀门的电动液压阀动系统，所述阀动系统包括具有以机械方式与凸轮连接的柱塞的液压泵，所述凸轮移动所述柱塞以产生液压压力并且以机械方式连接到发动机曲轴，所述电动液压阀动系统还具有以流体方式与所述液压泵连接并且以机械方式与所述发动机阀门连接以打开和关闭所述发动机阀门的第二柱塞，所述方法包括以下步骤：
确定用于所述至少一个燃烧气缸的所述活塞和所述发动机阀门的阀门-活塞间隙轮廓；以及
基于所述阀门-活塞间隙轮廓选择所述液压泵的所述凸轮的形状，从而当所述活塞和所述发动机阀门的阀门-活塞间隙接近零时所述柱塞朝向所述凸轮移动；
其中所述阀动系统还包括经由控制阀与高压储存器相连接的控制腔室，所述方法还包括以下步骤：
将蓄能器与所述高压储存器相连接；以及
经由单向阀提供从所述控制腔室到所述高压储存器的反馈回路，从而当所述控制腔室中的压力超过所述高压储存器中的压力时，液压流体从所述控制腔室流动到所述高压储存器以避免阀门-活塞碰撞。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述蓄能器构成为使得所述单向阀能够响应于流体压力中的高压变化而被允许打开的步骤。
10.一种用于内燃机中的阀动系统，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门，所述阀动系统包括：
用以基于所述内燃机的至少一个气缸的阀门-活塞间隙轮廓产生液压输出的液压泵装置；
用以根据所述泵装置的输出致动所述内燃机的至少一个发动机阀门的阀动装置；
与所述液压泵连接的高压储存器装置；
与所述高压储存器连接的控制腔室装置；
用于当发动机活塞靠近发动机阀门时将液压流体从所述阀动装置改变方向的反馈装置；以及
设置在所述反馈装置中的单向阀装置，用于当所述控制腔室中的压力超过所述高压储存器中的压力时允许液压流体从所述控制腔室流动到所述高压储存器。
11.根据权利要求10所述的阀动系统，还包括用于从所述泵装置的输出存储多余液压流体的蓄能器装置。

Claims (15)

1.一种用于内燃机中的阀动系统，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门，所述阀动系统包括：
被构成为基于所述内燃机的至少一个气缸的阀门-活塞间隙轮廓产生液压输出的液压泵；
与所述液压泵相连接的高压储存器；以及
与所述高压储存器相连接并且被构成为根据所述液压泵的输出致动所述内燃机的至少一个发动机阀门的电动液压阀门致动器。
2.根据权利要求1所述的阀动系统，还包括从所述电动液压阀门致动器到所述高压储存器的至少一个反馈回路，从而当所述高压储存器中的压力低于所述电动液压阀门致动器中的压力时，液压流体从所述电动液压阀门致动器流回到所述高压储存器。
3.根据权利要求1所述的阀动系统，其特征在于，所述液压泵具有凸轮和柱塞，所述凸轮具有被选择成基于所述至少一个发动机气缸的所述阀门-活塞间隙轮廓产生所述液压输出的形状，从而当所述活塞和所述发动机阀门的阀门-活塞间隙接近零时所述柱塞朝向所述凸轮移动。
4.根据权利要求1所述的阀动系统，其特征在于，所述电动液压阀门致动器具有与所述高压储存器相连接的控制腔室以及至少一个与所述控制腔室形成流体连通并且以机械方式连接到所述至少一个发动机阀门的柱塞，并且所述阀动系统还包括从所述控制腔室到所述高压储存器的至少一个反馈回路。
5.根据权利要求4所述的阀动系统，其特征在于，所述的至少一个反馈回路包括具有设置于其中的第一单向阀的第一反馈回路，所述第一单向阀被构成为当所述控制腔室中的压力超过所述高压储存器中的压力时允许液压流体从所述控制腔室流动到所述高压储存器。
6.根据权利要求5所述的阀动系统，其特征在于，所述的至少一个反馈回路还包括具有设置于其中的控制阀的第二反馈回路。
7.根据权利要求5所述的阀动系统，其特征在于，所述的至少一个反馈回路还包括具有设置于其中的第二控制阀和第二单向阀的第二反馈回路，其中当所述第二控制阀打开时，允许液压流体流动到低压区域，并且当所述高压储存器中的压力低于所述低压区域中的压力时，所述第二单向阀允许液压流体从低压区域流动到所述高压储存器。
8.根据权利要求5所述的阀动系统，还包括与所述高压储存器相连接的蓄能器。
9.根据权利要求8所述的阀动系统，其特征在于，所述蓄能器储存多余的液压流体并且用于使得所述单向阀响应于流体压力中的高压变化而允许打开所述单向阀。
10.一种用于内燃机的阀动方法，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门，所述发动机包括用于打开和关闭所述发动机阀门的电动液压阀动系统，所述阀动系统包括具有以机械方式与凸轮连接的柱塞的液压泵，所述凸轮移动所述柱塞以产生液压压力并且以机械方式连接到发动机曲轴，所述电动液压阀动系统还具有以流体方式与所述液压泵连接并且以机械方式与所述发动机阀门连接以打开和关闭所述发动机阀门的第二柱塞，所述方法包括以下步骤：
确定用于所述至少一个燃烧气缸的所述活塞和所述发动机阀门的阀门-活塞间隙轮廓；以及
基于所述阀门-活塞间隙轮廓选择所述液压泵的所述凸轮的形状，从而当所述活塞和所述发动机阀门的阀门-活塞间隙接近零时所述柱塞朝向所述凸轮移动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述阀动系统还包括经由控制阀与高压储存器相连接的控制腔室，所述方法还包括以下步骤：
将蓄能器与所述高压储存器相连接；以及
经由单向阀提供从所述控制腔室到所述高压储存器的反馈回路，从而当所述控制腔室中的压力超过所述高压储存器中的压力时，液压流体从所述控制腔室流动到所述高压储存器以避免阀门-活塞碰撞。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述蓄能器构成为使得所述单向阀能够响应于流体压力中的高压变化而被允许打开的步骤。
13.一种用于内燃机中的阀动系统，该内燃机包括至少一个具有活塞的燃烧气缸和发动机阀门，所述阀动系统包括：
用以基于所述内燃机的至少一个气缸的阀门-活塞间隙轮廓产生液压输出的泵装置；以及
用以根据所述泵装置的输出致动所述内燃机的至少一个发动机阀门的阀动装置。
14.根据权利要求13所述的阀动系统，还包括用于当发动机活塞靠近发动机阀门时将液压流体从所述阀动装置改变方向的反馈装置。
15.根据权利要求14所述的阀动系统，还包括用于从所述泵装置的输出存储多余液压流体的蓄能器装置。
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