ITTO950682A1

ITTO950682A1 - ENDOTHERMAL ENGINE FOR A VEHICLE AND RELATED CONTROL METHOD

Info

Publication number: ITTO950682A1
Application number: IT95TO000682A
Authority: IT
Inventors: Francesco Cuniberti
Original assignee: Iveco Fiat
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1997-02-11
Also published as: IT1280907B1; EP0791729B1; ATE209296T1; ES2168418T3; ITTO950682A0; EP0791729A1; DE69617196T2; DE69617196D1

Abstract

Motore endotermico (1) provvisto di una pluralità di cilindri aventi almeno una valvola di aspirazione (3), almeno una valvola di scarico (4) ed una valvola ausiliaria (6) facente parte di un dispositivo (5) di frenatura per decompressione; le valvole (3, 4, 6) sono comandate da un'unità di controllo (8) elettronica la quale, in risposta ad un segnale di attivazione del dispositivo di frenatura per decompressione, inibisce l'iniezione del combustibile ai cilindri (2) e varia la sequenza di distribuzione da un ciclo convenzionale a quattro tempi ad un ciclo a due tempi nel quale la valvola di aspirazione (3) e la valvola ausiliaria (6) si aprono alternativamente, in corrispondenza di ciascun punto morto del relativo cilindro (2).Endothermic engine (1) provided with a plurality of cylinders having at least one intake valve (3), at least one discharge valve (4) and an auxiliary valve (6) forming part of a decompression braking device (5); the valves (3, 4, 6) are controlled by an electronic control unit (8) which, in response to an activation signal of the decompression braking device, inhibits the injection of fuel to the cylinders (2) and the distribution sequence varies from a conventional four-stroke cycle to a two-stroke cycle in which the suction valve (3) and the auxiliary valve (6) open alternately, at each dead point of the relative cylinder (2) .

Description

D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION

del brevetto per invenzione industriale of the patent for industrial invention

La presente invenzione è relativa ad un motore endotermico per un veicolo, particolarmente un veicolo industriale, e ad un metodo di controllo del motore stesso . The present invention relates to an internal combustion engine for a vehicle, particularly an industrial vehicle, and to a method of controlling the engine itself.

Sono noti motori provvisti di un dispositivo di frenatura per decompressione, il quale è atto a scaricare dai cilindri il gas compresso durante la fase di compressione e, contemporaneamente, ad inibire l'iniezione di combustibile nei cilindri. In questo modo, il lavoro speso durante la fase di compressione si traduce in una coppia frenante sull'albero motore, e non si ha sostanziale produzione di lavoro utile durante la successiva fase di espansione. Engines are known which are provided with a decompression braking device, which is able to discharge the compressed gas from the cylinders during the compression phase and, at the same time, to inhibit the injection of fuel into the cylinders. In this way, the work spent during the compression phase translates into a braking torque on the crankshaft, and there is no substantial production of useful work during the subsequent expansion phase.

Lo scarico del gas compresso al termine della fase di compressione può avvenire o attraverso le valvole di scarico convenzionali, come descritto ad esempio nella domanda di brevetto europeo EP-A-0 543 210, nel qual caso il dispositivo comprende mezzi per l'apertura ausiliaria di tali valvole, oppure attraverso valvole dedicate, come descritto ad esempio nella domanda di brevetto italiana n. T092A 000974 del 30 novembre 1992. The discharge of the compressed gas at the end of the compression phase can take place either through the conventional discharge valves, as described for example in the European patent application EP-A-0 543 210, in which case the device comprises means for the auxiliary opening of such valves, or through dedicated valves, as described for example in the Italian patent application no. T092A 000974 of 30 November 1992.

In ogni caso, in un motore a quattro tempi la decompressione dei cilindri avviene ogni quattro tempi e l’effetto frenante che ne deriva è intrinsecamente limitato . In any case, in a four-stroke engine the decompression of the cylinders occurs every four strokes and the resulting braking effect is intrinsically limited.

Scopo della presente invenzione è la realizzazione di un motore per un veicolo provvisto di un dispositivo di frenatura a decompressione perfezionato, il quale consenta di ottenere una coppia frenante di valore maggiore rispetto ai motori noti sopra descritti. The object of the present invention is to provide an engine for a vehicle provided with an improved decompression braking device, which allows to obtain a braking torque of a higher value than the known engines described above.

Il suddetto scopo è raggiunto dalla presente invenzione, in quanto essa è relativa ad un motore endotermico per un veicolo, del tipo comprendente: The aforesaid object is achieved by the present invention, since it relates to an internal combustion engine for a vehicle, of the type comprising:

una pluralità di cilindri provvisti, ciascuno, di almeno una valvola di aspirazione e di almeno una valvola di scarico; a plurality of cylinders each provided with at least one intake valve and at least one exhaust valve;

mezzi di comando delle dette valvole definenti una prima sequenza di distribuzione a quattro tempi; control means for said valves defining a first four-stroke distribution sequence;

un dispositivo di frenatura a decompressione attivabile per dissipare l'energia di compressione nei detti cilindri; a decompression braking device which can be activated to dissipate the compression energy in said cylinders;

caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di frenatura per decompressione comprende mezzi di variazione della distribuzione definenti, in risposta ad un'attivazione del dispositivo stesso, una seconda sequenza di distribuzione a due tempi in cui la detta valvola di aspirazione e la detta valvola di scarico sono aperte alternativamente in corrispondenza di ciascuno dei rispettivi punti morti del relativo cilindro . characterized in that said decompression braking device comprises distribution variation means defining, in response to an activation of the device itself, a second two-stroke distribution sequence in which said intake valve and said discharge valve they are open alternately at each of the respective dead points of the relative cylinder.

La presente invenzione è altresì relativa ad un metodo di controllo di un motore endotermico per un veicolo, il motore comprendendo una pluralità di cilindri provvisti, ciascuno, di almeno una valvola di aspirazione e di almeno una valvola di scarico, ed un dispositivo di frenatura a decompressione attivabile per dissipare l'energia di compressione nei detti cilindri, le dette valvole essendo comandate secondo una prima sequenza di distribuzione a quattro tempi; il detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di variare, la distribuzione, in risposta ad un'attivazione del detto dispositivo di frenatura a decompressione, per definire una seconda sequenza di distribuzione a due tempi in cui la detta valvola di aspirazione e la detta valvola di scarico sono aperte alternativamente in corrispondenza di ciascuno dei rispettivi punti morti del relativo cilindro. The present invention also relates to a method of controlling an internal combustion engine for a vehicle, the engine comprising a plurality of cylinders each having at least one intake valve and at least one exhaust valve, and a decompression which can be activated to dissipate the compression energy in said cylinders, said valves being controlled according to a first four-stroke distribution sequence; the said method being characterized by varying the distribution, in response to an activation of the said decompression braking device, to define a second two-stroke distribution sequence in which the said intake valve and the said exhaust valve they are open alternately at each of the respective dead points of the relative cylinder.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, vengono descritte nel seguito due forme preferite di attuazione, a titolo di esempi non limitativi e con riferimento ai disegni allegati, nei quali : For a better understanding of the present invention, two preferred embodiments are described below, by way of non-limiting examples and with reference to the attached drawings, in which:

la figura 1 è una vista schematica e parziale di un motore realizzato secondo i dettami della presente invenzione; Figure 1 is a schematic and partial view of an engine made according to the dictates of the present invention;

la figura 2 è uno schema funzionale di un dispositivo di frenatura a decompressione del motore di figura 1; e Figure 2 is a functional diagram of a decompression braking device of the engine of Figure 1; And

la figura 3 è un diagramma comparativo illustrante diverse sequenze di distribuzione del motore di figura 1 . Figure 3 is a comparative diagram illustrating different distribution sequences of the engine of Figure 1.

Con riferimento alla figura 1, è indicato nel suo complesso con 1 un motore endotermico per un veicolo industriale . With reference to Figure 1, the reference number 1 as a whole indicates an internal combustion engine for an industrial vehicle.

Il motore 1 comprende una pluralità di cilindri 2, ciascuno dei quali è provvisto di una coppia di valvole di aspirazione 3 comunicanti con un collettore di aspirazione 3a e di una coppia di valvole di scarico 4 principali comunicanti con un collettore di scarico 3b. The engine 1 comprises a plurality of cylinders 2, each of which is provided with a pair of intake valves 3 communicating with an intake manifold 3a and with a pair of main exhaust valves 4 communicating with an exhaust manifold 3b.

Il motore 1 è provvisto inoltre di un dispositivo di frenatura a decompressione 5, illustrato schematicamente in figura 2. Tale dispositivo comprende essenzialmente una valvola ausiliaria 6 di scarico per ogni cilindro, la quale comunica con un collettore 7 di spillamento dell'aria compressa collegato in modo noto, ad esempio secondo quanto illustrato nella domanda di brevetto italiana n. T092A 000974, ad un impianto pneumatico del veicolo (non illustrato). The engine 1 is also provided with a decompression braking device 5, schematically illustrated in Figure 2. This device essentially comprises an auxiliary exhaust valve 6 for each cylinder, which communicates with a compressed air bleed manifold 7 connected in known method, for example according to what is illustrated in the Italian patent application n. T092A 000974, to a pneumatic system of the vehicle (not shown).

Le valvole 3,4 e 6 sono del tipo cosiddetto attivo, e sono comandate da un'unità di controllo 8 elettronica. Più in particolare, come è illustrato in figura 2 con riferimento ad una valvola ausiliaria 6, a ciascuna delle valvole 3, 4 e 6 è associato un attuatore idraulico 9 a doppio effetto, avente un pistone 10 rigidamente collegato ad uno stelo 11 della relativa valvola. L'attuatore 9 è controllato da una rispettiva servovalvola 14, ad esempio del tipo a quattro vie, tre posizioni, a centro chiuso, la quale è atta a collegare selettivamente le camere dell 'attuatore stesso con un condotto di mandata 15 e con un condotto di ritorno 16 di una centralina idraulica 17. L'unità di controllo 8 è collegata a ciascuna delle servovalvole 14 e genera segnali di pilotaggio indicati con si, s2 ed s3 rispettivamente per le valvole 3, 4 e 6 del motore 1. The valves 3, 4 and 6 are of the so-called active type, and are controlled by an electronic control unit 8. More specifically, as illustrated in Figure 2 with reference to an auxiliary valve 6, each of the valves 3, 4 and 6 is associated with a double-acting hydraulic actuator 9, having a piston 10 rigidly connected to a stem 11 of the relative valve . The actuator 9 is controlled by a respective servovalve 14, for example of the four-way, three-position, closed-center type, which is adapted to selectively connect the chambers of the actuator itself with a delivery duct 15 and with a duct return 16 of a hydraulic power unit 17. The control unit 8 is connected to each of the servovalves 14 and generates pilot signals indicated with si, s2 and s3 respectively for the valves 3, 4 and 6 of the engine 1.

Gli attuatori 9 sono provvisti di rispettivi sensori di posizione 12, i quali sono collegati all'unità di controllo 8 ed inviano ad essa segnali s4 correlati con la posizione delle relative valvole. The actuators 9 are provided with respective position sensors 12, which are connected to the control unit 8 and send to it signals s4 correlated with the position of the relative valves.

L'unità 8 riceve inoltre, in modo noto, una pluralità di ulteriori segnali di ingresso correlati con grandezze operative del motore e del veicolo, tra cui un segnale di ingresso s5 per l'identificazione della fasatura dei cilindri, ed un segnale s6 di attivazione del freno motore, generato ad esempio da un potenziometro (non illustrato) associato al pedale freno del veicolo (anch'esso non illustrato). The unit 8 also receives, in a known way, a plurality of further input signals correlated with operating quantities of the engine and of the vehicle, including an input signal s5 for identifying the cylinder timing, and an activation signal s6 of the engine brake, generated for example by a potentiometer (not shown) associated with the vehicle brake pedal (also not shown).

L'unità di controllo 8 è infine collegata agli iniettori 15 del motore 1 ed è atta a generare segnali s7 di comando degli iniettori stessi. The control unit 8 is finally connected to the injectors 15 of the engine 1 and is able to generate control signals s7 for the injectors themselves.

L'unità di controllo 8 è atta a comandare le valvole 3, 4 e 6 secondo una prima sequenza di distribuzione a quattro tempi, di tipo normale, quando il segnale ,s6 è inattivo (cioè il pedale freno è rilasciato) .. Tale prima sequenza è illustrata nel diagramma a) di figura 3, con riferimento ad un determinato cilindro, in funzione dell'angolo di rotazione dell'albero motore: gli intervalli angolari nei quali le valvole sono aperte sono evidenziati con un tratto spesso. The control unit 8 is adapted to control the valves 3, 4 and 6 according to a first four-stroke distribution sequence, of the normal type, when the signal, s6 is inactive (i.e. the brake pedal is released). sequence is illustrated in diagram a) of figure 3, with reference to a determined cylinder, as a function of the rotation angle of the crankshaft: the angular intervals in which the valves are open are highlighted with a thick line.

In particolare, la valvola di aspirazione viene aperta con anticipo rispetto al punto morto superiore precedente la fase di aspirazione, mantenuta aperta durante tutta la fase stessa, e richiusa dopo il punto morto inferiore. Analogamente, la valvola di scarico viene aperta con anticipo rispetto al punto morto inferiore precedente la fase di scarico, mantenuta aperta durante tutta la fase stessa, e richiusa con un ritardo dopo il successivo punto morto superiore. In particular, the intake valve is opened in advance with respect to the top dead center preceding the intake stage, kept open throughout the stage itself, and closed again after the bottom dead center. Similarly, the unloading valve is opened in advance with respect to the lower dead center preceding the unloading phase, kept open throughout the same phase, and closed again with a delay after the next upper dead center.

Gli iniettori vengono comandati in modo convenzionale secondo mappe di controllo memorizzate nell'unità di controllo 8, sulla base dei segnali di ingresso ricevuti dall'unità stessa. The injectors are controlled in a conventional way according to control maps stored in the control unit 8, on the basis of the input signals received by the unit itself.

Quando il segnale s6 è attivo, avvero assume un valore superiore ad un livello di soglia prefissato, l'unità di controllo 2 comanda le valvole 3, 4 e 6 secondo una diversa sequenza di distribuzione, la quale è illustrata graficamente in figura 3, diagramma b). When the signal s6 is active, indeed it assumes a value higher than a predetermined threshold level, the control unit 2 commands the valves 3, 4 and 6 according to a different distribution sequence, which is graphically illustrated in figure 3, diagram b).

In particolare, le valvole di scarico 4 principali vengono mantenute chiuse; le valvole di aspirazione 3 vengono aperte per un breve intervallo in un intorno di ciascun punto morto inferiore, e le valvole ausiliarie 6 vengono aperte per un breve intervallo in un intorno di ciascun punto morto superiore secondo un ciclo a due tempi. L’unità 8 inibisce inoltre l'iniezione di carburante ai cilindri 2. In particular, the main drain valves 4 are kept closed; the intake valves 3 are opened for a short interval around each bottom dead center, and the auxiliary valves 6 are opened for a short interval around each top dead center according to a two-stroke cycle. Unit 8 also inhibits the injection of fuel to cylinders 2.

Secondo la nuova sequenza di distribuzione, il motore 1 si comporta pertanto come un compressore a due tempi. Infatti, in corrispondenza di ciascun punto morto inferiore viene aspirata aria dal collettore di aspirazione 3a attraverso le valvole di aspirazione 3; l'aria aspirata viene compressa durante la successiva corsa di risalita del pistone, e viene espulsa nel collettore di spillamento 7 attraverso le valvole ausiliarie 6 in corrispondenza del punto morto superiore. According to the new distribution sequence, the engine 1 therefore behaves like a two-stroke compressor. In fact, at each lower dead center air is sucked from the intake manifold 3a through the intake valves 3; the sucked air is compressed during the subsequent upward stroke of the piston, and is expelled into the bleed manifold 7 through the auxiliary valves 6 at the top dead center.

Pertanto, durante ogni corsa verso l'alto del pistone, viene compiuto un lavoro di compressione che si traduce in una coppia frenante all'albero motore; la decompressione al punto morto superiore impedisce che una quota rilevante del lavoro speso venga recuperata come lavoro utile durante la successiva fase di discesa del pistone. Therefore, during each upward stroke of the piston, a compression work is performed which results in a braking torque on the crankshaft; decompression at top dead center prevents a significant portion of the work spent from being recovered as useful work during the subsequent piston descent phase.

In figura 3, diagramma c), è illustrata una sequenza di distribuzione alternativa a quella del diagramma b) sopra descritta. In questo caso, il comportamento delle valvole di aspirazione 3 e di scarico 4 è sostanzialmente identico. Per quanto concerne invece le valvole ausiliarie 6, l'unità di controllo 8 ne determina l'apertura sia in corrispondenza di ciascun punto morto superiore, sia dopo ciascun punto morto inferiore, secondo un ciclo sostanzialmente definibile "ad un tempo", incrementando così la potenza frenante. Figure 3, diagram c) illustrates an alternative distribution sequence to that of diagram b) described above. In this case, the behavior of the intake 3 and exhaust 4 valves is substantially identical. On the other hand, as regards the auxiliary valves 6, the control unit 8 determines their opening both at each top dead center and after each bottom dead center, according to a cycle which can be substantially defined "at one time", thus increasing the braking power.

L'ulteriore apertura delle valvole ausiliare 6, che ha inizio nella fase finale dell’intervallo di apertura delle valvole di aspirazione 3, ha lo scopo di migliorare il riempimento del cilindro consentendo un ingresso di aria compressa proveniente dal collettore di spillamento, il quale si trova a pressione superiore rispetto al collettore di aspirazione. Ne deriva che la pressione di inizio compressione è più elevata, e risultano pertanto incrementati il lavoro di compressione e, di conseguenza, la coppia frenante. The further opening of the auxiliary valves 6, which begins in the final phase of the opening interval of the intake valves 3, has the purpose of improving the filling of the cylinder by allowing an entry of compressed air coming from the bleed manifold, which is located at higher pressure than the intake manifold. As a result, the compression start pressure is higher, and therefore the compression work and, consequently, the braking torque are increased.

Da un esame delle caratteristiche del motore e del relativo metodo di controllo secondo la presente invenzione, sono evidenti i vantaggi che essa consente di ottenere. From an examination of the characteristics of the engine and of the relative control method according to the present invention, the advantages it allows to obtain are evident.

Innanzitutto, la frenatura per decompressione avviene secondo una ciclo a due tempi; pertanto, si ha dissipazione del lavoro di decompressione ad ogni giro dell'albero motore, anziché ogni due giri come avviene nei dispositivi convenzionali. La coppia frenante sull'albero motore risulta conseguentemente incrementata . First of all, decompression braking takes place according to a two-stroke cycle; therefore, there is dissipation of the decompression work at each revolution of the crankshaft, instead of every two revolutions as occurs in conventional devices. The braking torque on the motor shaft is consequently increased.

Inoltre, con la soluzione illustrata con riferimento al diagramma c) di figura 3, l'effetto frenante è ulteriormente potenziato per il fatto che la pressione interna del cilindro all'inizio della compressione, e quindi il lavoro di compressione, sono incrementati per l'afflusso di aria compressa nel cilindro dal collettore di spillamento. Furthermore, with the solution illustrated with reference to diagram c) of figure 3, the braking effect is further enhanced due to the fact that the internal pressure of the cylinder at the start of compression, and therefore the compression work, are increased due to the inflow of compressed air into the cylinder from the bleed manifold.

Risulta infine chiaro che al motore 1 ed al relativo metodo di controllo possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di tutela definito dalle rivendicazioni. Finally, it is clear that modifications and variations may be made to the motor 1 and to the relative control method which do not depart from the scope of protection defined by the claims.

In particolare, gli attuatori di comando delle valvole possono essere a semplice effetto, con richiamo a molla; in alternativa, il motore può essere provvisto di un sistema di distribuzione di tipo meccanico con albero a camme opportunamente conformate e punterie idrauliche attive interposte tra le camme e le relative valvole ed atte a trasmettere o assorbire selettivamente le forze di azionamento delle valvole; la variazione della sequenza di distribuzione può essere ottenuta commutando ciclicamente rispettive elettrovalvole di comando delle punterie idrauliche, mediante un'unità di controllo elettronica. In particular, the valve control actuators can be single-acting, with spring return; alternatively, the engine can be provided with a mechanical distribution system with suitably shaped camshaft and active hydraulic tappets interposed between the cams and the relative valves and capable of selectively transmitting or absorbing the actuating forces of the valves; the variation of the distribution sequence can be obtained by cyclically switching respective solenoid valves for controlling the hydraulic tappets, by means of an electronic control unit.

Claims

R I VE N D I CA Z I ON I 1. Internal combustion engine (1) for a vehicle, of the type comprising: a plurality of cylinders (2) each provided with at least one intake valve (3) and at least one exhaust valve (4, 6); control means (8) of said valves (3, 4, 6) defining a first four-stroke distribution sequence; a decompression braking device (5) that can be activated to dissipate the compression energy in said cylinders (2); characterized in that said decompression braking device (5) comprises distribution variation means (8) defining, in response to an activation of the device itself, a second two-stroke distribution sequence in which said intake valve (3) and said exhaust valve (6) are open alternately at each of the respective dead points (pmi, pms) of the relative cylinder (2). 2.- Engine according to Claim 1, characterized in that said cylinders (2) have at least one main exhaust valve (4) and an auxiliary exhaust valve (6). 3.- Engine according to Claim 2, characterized in that in said second distribution sequence said distribution variation means (8) are adapted to keep said main exhaust valve (4) closed, to open said intake valve (3) at each bottom dead center (pmi), and to open said auxiliary exhaust valve (6) at each top dead center (pms) of the relative cylinder (2). 4.- Engine according to any one of the preceding claims, characterized in that in said second distribution sequence said distribution variation means (8) are able to open furthermore the said auxiliary exhaust valve (6) after each lower dead center ( pmi) of the relative cylinder. 5.- Method of controlling an internal combustion engine (1) for a vehicle, the engine (1) comprising a plurality of cylinders (2) each provided with at least one intake valve (3) and at least one exhaust valve (4, 6), and a decompression braking device (5) which can be activated to dissipate the compression energy in said cylinders (2), said valves (3, 4) being controlled according to a first four-stroke distribution sequence when said decompression braking device (5) is deactivated; the said method being characterized by varying the distribution in response to an activation of the said decompression braking device (5), to define a second two-stroke distribution sequence in which the said intake valve (3) and the said exhaust valve (6) are open alternately at each of the respective dead points (pmi, pms) of the relative cylinder (2). 6.- Method according to Claim 5 for controlling an engine (1) provided with at least one main exhaust valve (4) and an auxiliary exhaust valve (6) for each cylinder (2), characterized in that the said second distribution sequence comprises the steps of keeping said main discharge valve (4) closed, of opening said intake valve (3) at each bottom dead center (amp), and of opening said discharge valve auxiliary (6) at each top dead center (pms) of the relative cylinder (2). 7.- Method according to Claim 5 or 6, characterized in that the said second distribution sequence further comprises the step of opening the said auxiliary exhaust valve (6) after each bottom dead center (pmi) of the relative cylinder (2) . 8.- Internal combustion engine for a vehicle, substantially as described and illustrated in the attached drawings. 9.- Method of controlling an internal combustion engine for a vehicle, substantially as described with reference to the attached drawings.