CN101490393A - 操作发动机制动器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于致动设置在发动机汽缸和排气歧管(26)之间的发动机阀(34)以与排气节流和制动气体再循环结合来提供压缩－释放的发动机制动的方法和设备。在本发明的第一实施例中，用来提供制动气体再循环和压缩－释放制动的发动机阀可以在制动气体再循环和压缩－释放冲程之间保持稍微打开。在本发明的另一实施例中，用于主排气冲程的凸轮封闭坡道可以延伸到制动气体再循环冲程的开始附近终止，以便于补充用来与排气阀(34)结合的液压阀致动系统。

Description

操作发动机制动器的方法
技术领域
本发明总得涉及一种用于操作内燃机中的发动机制动器的方法。
背景技术
在内燃机中，为了产生正功率(positive power)需要发动机阀的致动，并且还可以使用发动机阀的致动以产生发动机制动和/或排气再循环(EGR)。在正功率期间，可以打开一个或多个进气阀以允许空气进入汽缸，用于在活塞的进气冲程期间燃烧。可以打开一个或多个排气阀以允许在活塞的排气冲程期间燃烧气体从汽缸中排出。
还可以选择性地打开一个或多个排气阀以(至少暂时地)将发动机转换为空气压缩机用于发动机制动操作。可以通过打开活塞顶部死点(TDC)位置附近的一个或多个排气阀用于压缩-释放型制动，或者通过在很多或所有活塞运动期间使一个或多个排气阀保持在相对恒定的裂开位置用于放气型制动来达到该空气压缩机的效果。在任何一个所述方法中，发动机可以产生减速力用来帮助减慢车辆速度。该制动力可以使操作者增强对车辆的控制，并且还可以实质上降低行驶制动器上的磨损。压缩-释放型发动机制动是很早已知的，并且公开在Cummins的美国专利3,220,392(1965年11月)中，在此以引用的方式将其加入。
可以通过选择性地致动排气阀来增加压缩-释放型发动机制动器的制动力，以结合减压制动器执行制动气体再循环。可以通过打开活塞的进气或膨胀冲程的底部死点附近的排气或辅助阀，并且在发动机的排气或者压缩冲程的第一部分期间保持排气或辅助阀的打开来实现制动气体再循环(BGR)。在发动机循环的该部分期间，打开排气或者辅助阀可允许废气从相对高压力的排气歧管流入发动机汽缸。从排气歧管到汽缸内的排气的引入可以加压汽缸，该加压比在压缩冲程期间如果没有用这种方式的话会发生得更快。在发动机汽缸中所增加的气体压力可以增加由压缩-释放冲程所产生的制动力。
可以使用许多不同的系统来选择性地致动排气或辅助阀以产生BGR和压缩-释放冲程。一种已知类型的致动系统是在前面提及的Cummins专利中所描述的空转系统。Gobert的美国专利5,146,890(1992年9月15日)中公开了用来获得发动机制动和制动气体再循环的空转系统和方法的实例，其公开了一种通过在压缩冲程的第一部分期间并且还选择性地在进气冲程的后面部分期间将汽缸放置成与排气系统连通来进行制动气体再循环的方法，并且在此以引用的方式将其加入。Gobert使用空转系统来启动和终止压缩-释放制动和制动气体再循环。Gobert所公开的系统打开进气冲程的底部死点附近的排气阀以用于BGR冲程，在压缩冲程的中间点之前关闭排气阀来结束所述BGR冲程，并且再次打开相同的压缩冲程的顶部死点附近的排气阀来用于压缩-释放冲程。因此，按照Gobert系统致动的排气阀必须被快速地在BGR和压缩-释放冲程之间就位和离开其位置。
在许多内燃机中，可以通过固定轮廓的凸轮并且更特别是通过作为各凸轮的整体部分的一个或多个固定凸起或突出部分来致动进气及排气阀。所述凸轮可以包括用于各阀冲程的凸起，该阀冲程是凸轮引起的。凸轮上的凸起的尺寸和形状可以决定由该凸起所引起的阀的升程和持续的时间。例如，用于按照前面提及的Gobert专利来构造的系统的排气凸轮轮廓可以包括用于BGR冲程的凸起、用于压缩-释放冲程的凸起和用于主排气冲程的凸起。
此外，可以希望在发动机制动期间增大排气歧管中的排气背压。更高的排气背压可以增加发动机汽缸中可用于发动机制动的气体质量和压力，并且从而增加制动力。然而，增大的排气背压可以不期望地增大打开用于压缩-释放冲程的排气阀所需要的作用力，因为施加到排气阀上的打开力必须超过发动机汽缸中由增大的排气背压引起的增大的压力。在某种程度上，所增加的排气背压还可以增加施加到排气阀背面上的压力，其可以平衡汽缸中增加的压力并且因此减小了作用在用于压缩-释放冲程的排气阀打开机构上的负载。
可以通过限制气体穿过排气歧管的流动来实现增大排气歧管中的气体压力。可以通过使用在致动时可以限制穿过排气歧管的排出气体的全部或部分全部流动的任何机构来实现排气歧管的节流。排气节流器可以处于排气发动机制动器、涡轮增压器、可变几何形状的涡轮增压器、具有可调喷嘴涡轮的可变几何形状的涡轮增压器和/或可限制排出气体的流动的任何其他设备的形式。
废气制动器一般通过关闭全部或部分排气歧管来提供节流，从而防止排出气体的漏气。当各汽缸处于排气冲程中时，排出气体的该节流可以通过提供背压来在发动机上提供制动作用。例如，Meneely的美国专利4,848,289(1989年7月18日)；Schaefer的美国专利6,109,027(2000年8月29日)；Israel的美国专利6,170,474(2001年1月9日)；Kinerson等的美国专利6,179,096(2001年1月30日)；和Anderson等的美国专利申请公开US2003/0019470(2003年1月30日)公开了用于减速发动机的排气制动器。
涡轮增压器同样可以限制来自排气歧管的废气流动。涡轮增压器经常使用来自排气歧管的高压排出气体的流动以为涡轮供给动力。可变几何形状的涡轮增压器(VGT)可以改变其为了驱动涡轮而捕获的高压排出气体的量。例如，Arnold等的美国专利6,269,642(2001年8月7日)公开了可变几何形状的涡轮增压器，其中通过修改涡轮中的叶片的角度和长度来改变所限制的排除气体的量。在Faletti等的美国专利5,813,231(1998年9月29日)、Faletti等的美国专利6,148,793(2000年11月21日)和Ruggiero等的美国专利6,866,017(2005年3月15日)中公开了使用与发动机制动有关的可变几何形状的涡轮增压器的实例，在此以引用的方式将其加入。
压缩-释放发动机制动不是已知的发动机制动的仅有类型。此外，早就已知了放气型(bleeder type)发动机制动器的操作。在放气型发动机制动期间，除了正常的排气阀升程之外，可以在全部其余的发动机循环(全部循环的放气制动)或在一部分循环(局部循环的放气制动)期间持续地将排气阀保持轻微打开。局部循环的放气制动和全部循环的放气制动之间的主要差别是在大部分进气冲程期间，对于前者的排气阀被关闭。
通常，处于放气制动操作中的制动阀的最初打开远远早于压缩TDC(即，早期阀致动)，然后升程在一段时间内保持不变。因而，由于早期的阀致动，放气型的发动机制动器可需要低得多的作用力来致动阀，并且由于持续放气而非压缩-释放型制动的快速放空，所以产生更少的噪音。此外，放气制动器通常需要更少的部件并且可以以较低成本制造。因此，发动机放气制动器可以具有显著的优点。
发明内容
本发明的一个实施例是一种致动设置在发动机汽缸和排气歧管之间的发动机阀以提供压缩-释放发动机制动的创新的方法，包括以下步骤：打开用于制动气体再循环冲程的发动机阀；在所述制动气体再循环冲程的初始部分期间增大发动机阀的升程；在制动气体再循环冲程的后面部分期间减小发动机阀的升程；在制动气体再循环冲程和压缩-释放冲程之间保持发动机阀打开；和在压缩-释放冲程的初始部分期间增大发动机阀的升程。
本发明的另一实施例是用于压缩-释放发动机制动的创新的内燃机凸轮，包括：主排气凸起，其包括延伸的封闭坡道部分；制动气体再循环凸起；压缩-释放凸起；和在主排气凸起延伸的封闭坡道部分和制动气体再循环凸起之间延伸大约15度凸轮角度的基圆部分。
本发明又一个实施例是用于压缩-释放发动机制动的创新的内燃机凸轮，包括：基圆部分；制动气体再循环凸起；压缩-释放凸起；和所述制动气体再循环凸起和压缩-释放凸起之间的凹陷区域，其中所述凹陷区域具有大于凸轮的基圆部分的高度。
很清楚，上述的概述及其后的详细描述仅是示例性的和说明性的，并且如所要求的一样不是对本发明的限制。附图图解了本发明的某些实施例，并且和所述详细描述一起用来阐明本发明的原理，在此以引用的方式加入附图，并且附图构成了本说明书的一部分。
附图说明
现在将结合下列附图来描述本发明，其中相似的附图标记涉及相似的元件，并且其中：
图1是可以用来致动按照本发明实施例的排气或辅助发动机阀的阀致动系统的示意图；
图2是按照本发明实施例的凸轮随动件升程相对凸轮角度的测绘图；
图3是按照本发明实施例的阀升程相对曲柄角度的测绘图；和
图4是按照本发明备选实施例的凸轮随动件升程相对凸轮角度的测绘图。
具体实施方式
现在将详细参照可以用来致动本发明实施例的排气或辅助阀的系统的实例。图1图示了在发动机20的一部分中的发动机汽缸40。发动机20可以具有任何数量的相似的汽缸40，在所述汽缸中，活塞45可以向上和向下重复地往复移动，在该时间期间，发动机被用于正功率和发动机制动。在汽缸40的顶部可以有至少一个进气阀32和一个排气阀34。在该处，公知的是具有两个或多个各处于发动机汽缸中的进气阀32和排气阀34，并且为了便于图解仅显示了各一个。进气阀32和排气阀34可以被打开和关闭以提供分别与进气通道22和排气通道24的连通。排气通道24可以与排气歧管26连通，所述排气歧管可以还具有来自其他发动机汽缸的其他排气通道(未显示)的输入。排气歧管26的下游处可以有排气节流装置70，其可以被有选择地启动以限制来自歧管26的排气流动。排气节流装置70可以通过不同的装置来提供，例如，涡轮增压器的涡轮、可变几何形状的涡轮增压器、排气管中的蝶形阀72(如显示的)或其他节流装置。排气节流装置(当部分或完全关闭时)可以有选择地在排气歧管26和排气通道24中产生排气背压，其可以用于BGR。
发动机20可以包括排气阀致动子系统38和进气阀致动子系统36，用于在正功率和发动机制动操作模式期间致动发动机阀。发动机可以选择性地包括辅助阀和辅助阀致动子系统(未显示)，以在发动机汽缸40和排气通道24之间提供辅助连通。已知若干种可以用来打开进气及排气阀用于进气和排气冲程的子系统36和38，包括(但不限于)机械配气机构(valve trains)、电致动器和液压(例如空转)致动器。期待任何这样的子系统或子系统的结合，和/或由申请人开发的新的子系统，或者可以用来提供用于进气及排气阀的发动机阀致动的其他系统。
可以通过子系统38来控制排气阀34的致动以打开用于制动气体再循环和发动机制动(例如，压缩-释放制动、放气制动(bleeder braking)或者局部放气制动)的排气阀。排气阀致动子系统38可以包括各种液压的、液力机械的和电磁式的致动装置，包括(但不限于)从普通的轨道、空转、摇臂、凸轮、推管或其他机构导出作用力以打开阀的装置。可以通过ECM50来电子地控制排气阀致动子系统38和进气阀致动子系统36以改变阀致动冲程，该阀致动冲程是在正功率和/或发动机制动期间通过排气阀34和进气阀32来提供的。
在发动机制动期间，排气节流装置70可以被关闭或部分关闭以增大排气背压。当结合制动气体再循环冲程来提供增大的背压时，所增大的背压可以被用来增加汽缸40中的充气和气体压力以用于制动。
在制动气体再循环期间，气流可以暂时从排气歧管26逆流到发动机汽缸40内，并且甚至可能回传过进气阀32并进到进气道22内。通过排气和进气阀的该反向气流的控制决定了系统排气压力的分布和在进气时被传送到汽缸的合成质量填充。质量填充可以影响发动机制动的动力，通常，因为汽缸40中的气体的压力越大，则可以从往复移动的活塞45(当高压气体作用在其上时)上获得的制动量就越大。
图2是图3所示的本发明一实施例的凸轮随动件升程的实例，该升程可以是由图1所示的系统引起的，以致动排气阀来产生发动机制动。图2是凸轮所产生的凸轮随动件升程的测绘图，所述凸轮具有许多从凸轮基圆伸出的凸起，所述凸起可以被用来提供主排气、BGR和压缩-释放阀冲程。图2中利用零(0)升程来表示凸轮基圆。排气凸轮的轮廓可以包括主排气凸起100、BGR凸起110和压缩-释放凸起120。
凸轮可被连接到空转系统上，该空转系统在发动机的正功率操作期间不起作用，高度小于阀值130(其可以是阀门或者凸轮间隙的高度)的凸轮凸起被吸收或者“丢失”。因此，在正功率操作期间，来自BGR凸起110和压缩-释放凸起120的凸轮运动未被传递到排气阀上。在正功率期间，仅来自主排气冲程100的运动可以被传递到排气阀上，正如其在不包括发动机制动器的发动机中一样。
在发动机制动期间，空转系统可以被开启并且供给液压流体，以便由BGR凸起110和压缩-释放凸起120给予的运动可停止“丢失”，并且来自全部凸轮凸起的运动可以被传递到排气阀。因此，在发动机制动期间，凸轮可以向排气阀传递以下额外的运动。凸轮的区域102相当于在发动机制动期间所使用的主排气凸起100的封闭坡道部分。主排气凸起的封闭坡道部分102显示为返回到大约210到240度的凸轮角度之间的区域104中的基圆，或更优选在大约225到235度的凸轮角度之间。
BGR凸起110可以在大约230到270度的凸轮角度之间的区域104之后开始，并且更优选在大约240到260度的凸轮角度之间。BGR凸起110可以到达在大约270到300度的凸轮角度之间的最大高度，然后向凸轮基圆返回。凸轮的区域112相当于BGR凸起110与压缩-释放凸起120的交接处。区域112的最低点可以被提升到凸轮基圆上方最小高度114处，该最小高度114足以阻止排气阀就位于BGR冲程和压缩-释放冲程之间(即，完全关闭)。区域112的最低点可以在大约300到340度的凸轮角度之间，并且更优选在大约310到330度的凸轮角度之间。可以选择最小高度114，以便排气阀在图3所示的BGR冲程和压缩-释放冲程之间非常接近地(但不是完全地)被关闭。
压缩-释放发动机制动凸起120可以跟随BGR凸起110。压缩-释放凸起120可以被设置在凸轮上，以便在发动机汽缸活塞到达其顶部死点位置的点附近将排气阀打开。压缩-释放凸起120可以早在350度的凸轮角度时或者在零度凸轮角度(即，在顶部死点附近)之后到达最大高度，并且其后朝基圆返回。凸轮的区域122相当于压缩-释放凸起120与主排气凸起100的交接点。区域122的最低部分可以以最小距离124被提升到凸轮基圆上方，以便排气阀在压缩-释放冲程和主排气冲程之间不会关闭。可替换地，区域122的最低部分通过跟随替换的凸轮轮廓124可以一直返回到凸轮基圆上。
图2所示的凸轮轮廓可以在发动机制动操作期间提供图3所示的排气阀致动。图3中的零(0)阀升程表示排气阀被关闭并就位。参照图3，排气阀可以被致动以用于主排气冲程200并且按照阀就位冲程202来就位。排气阀可以在时间204期间保持就位，直到其因BGR冲程210而被致动。在排气阀被就位期间，在发动机汽缸和排气歧管之间未发生排气的交换。
其次，排气阀可以被致动以用于BGR冲程210。BGR冲程可以与进气冲程部分或者全部重叠。在BGR冲程期间，排气歧管中的排气可以流回到发动机汽缸内，并且可能穿过打开的进气阀回到进气歧管内。这可以引起汽缸中的废气质量的增加以用于随后的压缩-释放冲程。在到达用于BGR冲程的最大升程之后，排气阀可以向其就位的位置返回，但是不在BGR冲程210和压缩-释放冲程220之间的点212处关闭。排气阀保持在点212处的升程的数值在本发明的不同实施例中可以改变。其甚至可以为零，并且因此在具有更大顺应性和/或更大阀间隙设定的本发明某些实施例中，排气阀可以就位在BGR冲程和压缩-释放冲程之间。
压缩-释放冲程220可以接着BGR冲程110。在压缩-释放冲程期间，当发动机汽缸活塞接近并且到达顶部死点位置时，排气阀的升程增大。在接近活塞的压缩冲程的结束时可以通过增大排气阀的升程来将汽缸中的气体压力释放到排气歧管。在膨胀冲程期间，通过向下推动发动机活塞来将汽缸中的排气的该压缩能量释放到排气歧管中而不做正功。在到达用于压缩-释放冲程220的最大升程后，在压缩-释放冲程220和主排气冲程200之间的时间222的期间排气阀可以朝其就位的位置返回。在时间222期间，排气阀可以维持某一升程并且不关闭，或可替换地，排气阀可以按照阀致动224来就位。
图4所示的可替换的凸轮随动件的升程可以包括封闭坡道，该封闭坡道最好能将液压流体吸入具有阀升程复位功能的空转系统内。如下述，图4所示的凸轮随动件的升程不同于图2中所示的。对于BGR冲程110的全部或者几乎全部，凸轮的区域102(相当于主排气凸起100的封闭坡道部分)可以从图2中所示的延伸。由主排气凸起的区域102所产生的阀关闭速度可被设计成能匹配液压流体的补充速度，以优化用于具有复位功能的空转系统的液压补充。主排气凸起的封闭坡道部分102显示为返回到在大约230到265度的凸轮角度之间的区域104中的基圆上。
BGR凸起可以返回到基圆上，以便排气阀在BGR冲程和压缩-释放冲程之间关闭。可替换地，BGR凸起可以接近基圆，但不是在区域112中到达，以便排气阀在BGR冲程和压缩-释放冲程之间保持打开。
例如，具有图4所示的延伸的封闭坡道102的凸轮可以用在液压阀致动系统中，该系统还包括复位设备，例如，Usko的美国专利5,460,131和Cavanaugh的美国专利4,399,787中所公开的。复位设备可以促使排气阀在凸轮随动件到达区域104中的凸轮基圆之前关闭。延伸的封闭坡道102可以提高液压阀致动系统的能力，以为下次液压阀致动(即，BGR冲程)补充液压流体。
在此处已经描述了本发明的不同实施例的同时，很明显，许多替换方案、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，此处所阐明的本发明的优选实施例意图是说明性的，而不是限制性的。可以进行各种变化而不脱离如权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种致动发动机阀以提供压缩-释放发动机制动的方法，该发动机阀设置在发动机汽缸和排气歧管之间，该方法包括步骤：
打开该发动机阀，用于制动气体再循环冲程；
在该制动气体再循环冲程的初始部分期间增大该发动机阀的升程；
在该制动气体再循环冲程的随后部分期间减小该发动机阀的升程；
在该制动气体再循环冲程和压缩-释放冲程之间保持该发动机阀打开；以及
在该压缩-释放冲程的初始部分期间增大该发动机阀的升程。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在该压缩-释放冲程的随后部分期间减小该发动机阀的升程的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，还包括在该压缩-释放冲程和主排气冲程之间保持该发动机阀打开的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在该压缩-释放冲程和主排气冲程之间保持该发动机阀打开的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在该压缩-释放冲程和主排气冲程之间关闭该发动机阀的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，还包括在该压缩-释放制动期间限制排气从该排气歧管流出的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其中该发动机阀是排气阀。
8.如权利要求1所述的方法，其中该发动机阀是用于发动机制动的阀。
9.一种用于压缩-释放发动机制动的内燃机凸轮，包括：
主排气凸起，包括延伸的封闭坡道部分；
制动气体再循环凸起；
压缩-释放凸起；以及
基圆部分，其在该主排气凸起的延伸封闭坡道部分和该制动气体再循环凸起之间延伸大约15度或更小的凸轮角度。
10.如权利要求9所述的凸轮，还包括在该制动气体再循环凸起和该压缩-释放凸起之间的凹陷区域，其中所述凹陷区域具有大于该凸轮的基圆部分的高度。
11.如权利要求10所述的凸轮，还包括在该压缩-释放凸起和该主排气凸起之间的第二凹陷区域，其中所述第二凹陷区域具有大于该凸轮的基圆部分的高度。
12.如权利要求10所述的凸轮，还包括在该压缩-释放凸起和该主排气凸起之间的第二凹陷区域，其中所述第二凹陷区域具有等于该凸轮的基圆部分的高度。
13.如权利要求9所述的凸轮，还包括在该压缩-释放凸起和该主排气凸起之间的第二凹陷区域，其中所述第二凹陷区域具有大于该凸轮的基圆部分的高度。
14.如权利要求9所述的凸轮，还包括在该压缩-释放凸起和该主排气凸起之间的第二凹陷区域，其中所述第二凹陷区域具有等于该凸轮的基圆部分的高度。
15.一种用于压缩-释放发动机制动的内燃机凸轮，包括：
基圆部分；
制动气体再循环凸起；
压缩-释放凸起；以及
凹陷区域，其在该制动气体再循环凸起和该压缩-释放凸起之间，其中所述凹陷区域具有大于该凸轮的基圆部分的高度。
16.如权利要求15所述的凸轮，还包括主排气凸起。
17.如权利要求16所述的凸轮，还包括在该压缩-释放凸起和该主排气凸起之间的第二凹陷区域，其中所述第二凹陷区域具有大于该凸轮的基圆部分的高度。
18.如权利要求16所述的凸轮，还包括在该压缩-释放凸起和该主排气凸起之间的第二凹陷区域，其中所述第二凹陷区域具有等于该凸轮的基圆部分的高度。
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