用于双燃料发动机的进气阀关闭控制

摘要

本发明涉及双燃料发动机的进气阀关闭控制，具体地，本发明提供一种用于致动内燃发动机的进气阀的系统和方法。所述系统包括具有主缸、控制阀、蓄能器、第一单向阀以及从动缸的液压回路。从动缸容纳从动活塞，从动活塞结合到进气阀。控制阀设置在蓄能器的上游用于控制从液压回路到蓄能器的流动。第一单向阀设置在蓄能器的下游用于允许从蓄能器到液压回路的流动和用于防止未首先经过控制阀而从液压回路到蓄能器的流动。控制阀具有用于米勒循环或类米勒循环操作的使液压回路与蓄能器之间连通的打开位置。控制阀还具有在奥托循环操作过程中防止液压回路与蓄能器之间连通的关闭位置。

说明书

技术领域

本发明公开用于控制双燃料内燃发动机的燃烧缸进气阀的打开 和关闭的方法和装置。

背景技术

允许柴油发动机主要运行液化天然气(LNG)的技术可提供从柴油 到LNG的转换燃料消耗的经济方式。这种转换可降低温室气体排放， 因为燃烧LNG比柴油排放较少的二氧化碳(每单位能量)。从柴油 转换成LNG可节省成本，因为LNG比柴油便宜(每单位能量)。燃 烧柴油和LNG的双燃料发动机是有优势的，因为如果LNG不可用或 如果天然气价格升高的话操作人员可恢复使用柴油。

可相对较少地修改柴油发动机使其转换成主要运行LNG。在柴油 发动机中，不像汽油发动机通过火花点燃空气-燃料混合物，而是通 过压缩空气直到空气-燃料混合物足够热而燃烧。压缩点燃(如该过 程所称谓的那样)在只有LNG时不能很好地工作，因为在燃烧发生 时进行精确地控制是非常困难的。因此，LNG会爆燃并损害发动机。 在双燃料发动机中，通过将少量柴油注入到缸中用LNG触发燃烧使 该问题得到解决。因此，转换成燃烧LNG的柴油发动机也燃烧少量 柴油。

柴油发动机通常为运行柴油循环(dieselcycle)的四冲程发动机。 在理想柴油循环中，假设燃烧过程是定压的。相反，在“奥托循环” 中，假设燃烧过程是定容的。在奥托循环过程中，活塞完成四个单独 冲程以完成单个热力循环。冲程是指活塞沿着缸在任一方向上的完整 行程。四个冲程为(i)进气、(ii)压缩、(iii)做功和(iv)排气。 活塞的进气冲程开始于缸的顶部同时进气阀打开并且排气阀关闭。随 着空气注入到缸中活塞从缸的顶部下降到底部。在压缩冲程中，进气 阀和排气阀都关闭并且活塞朝缸的顶部返回压缩空气。在做功冲程开 始时，柴油燃料注入到缸中并且活塞接近缸的顶部并且压缩的热空气 通过由压缩空气产生的热量点燃柴油燃料。从燃烧得到的压力迫使活 塞朝缸的底部返回以完成做功冲程。最后，在排气冲程中，活塞再次 返回到缸的顶部同时排气阀打开并将消耗的废气从缸排出。

米勒循环是奥托循环的变型。在传统米勒循环过程中，进气阀对 于部分压缩冲程保持打开。实际上，压缩冲程被分成两个离散的部分 或阶段：初始部分，当进气阀保持打开时；和最终部分，当进气阀关 闭时。为抵消由较短压缩冲程和降低的压缩比所导致的功率损失，米 勒发动机配备有增压器。来自增压器的加压空气通过中冷器(其降低 空气的空气温度)使其密度变大，所以在进气冲程中更多的空气进入 相同的容积内。在米勒进气冲程中，冷压缩空气在进气阀打开时充入 缸中，相比于奥托循环进气冲程有更多的空气填充缸。随着进气阀打 开压缩冲程开始，增压器的输出保持缸被加压直到进气阀关闭，从而 限制被推出缸和进入进气歧管的空气量。此外，抵住来自增压器的压 力压缩空气比在封闭缸中压缩空气混合物要求较少的能量，从而相比 于传统奥托发动机减少泵送损失。

奥托循环的压缩比高于米勒循环的压缩比，因为奥托循环比米勒 循环具有更长的有效压缩冲程。虽然对于柴油期望高压缩比，但是对 LNG使用奥托循环和高压缩比会导致爆震。相比于柴油，对于LNG 来说较低的有效压缩比是更加优选的，这可允许最大气体替换。因此， 对于柴油来说奥托循环是优选的而对于LNG来说米勒循环是优选的。 但是，双燃料发动机需要能够从燃烧柴油转换成燃烧LNG，反之亦然。 例如，如果LNG供应耗尽，双燃料发动机需要通过返回到奥托循环 或柴油循环来转回燃烧柴油。此外，运行柴油发动机会更易于启动。 为了在奥托循环和米勒循环之间转换或为了改变压缩比，进气阀的定 时必须改变。因此，对于双燃料发动机，进气阀关闭的定时必须变化 以改变压缩比或在奥托循环和米勒循环或其变型之间转换。

因此，需要控制内燃发动机的进气阀的关闭以使发动机能够在柴 油循环或奥托循环中单独运行柴油或者在米勒循环或类米勒循环中 结合运行柴油与LNG。

发明内容

一方面，公开一种用于内燃发动机的进气阀的致动系统。所述系 统可包括液压回路，液压回路可包括主缸、控制阀、蓄能器、第一单 向阀、以及从动缸。从动缸可容纳从动活塞并且从动活塞可结合到进 气阀。控制阀可设置在蓄能器的上游用于控制从液压回路到蓄能器的 流动。第一单向阀可设置在蓄能器的下游用于允许从蓄能器到液压回 路的流动和用于防止未经过控制阀而从液压回路到蓄能器的流动。此 外，控制阀可具有使液压回路与蓄能器之间连通的打开位置和防止液 压回路与蓄能器之间连通的关闭位置。可选择地，第二单向阀可设置 在液压回路的上游，允许从流体供应到液压回路的流动和防止流回到 流体供应。

另一方面，公开一种内燃发动机。公开的发动机可包括液压回路， 液压回路可包括主缸、控制阀、蓄能器、第一单向阀以及从动缸。从 动缸可容纳从动活塞。从动活塞可结合到进气阀。主缸可容纳主活塞 并且主活塞可接合旋转凸轮。控制阀可设置在蓄能器的上游并且第一 单向阀可设置在蓄能器的下游。控制阀可具有使液压回路与蓄能器之 间连通的打开位置。控制阀还可具有防止液压回路与蓄能器之间连通 的关闭位置。第一单向阀可允许从蓄能器到液压回路的流动；第一单 向阀还可防止未经过控制阀而从液压回路到蓄能器的流动。此外，发 动机在控制阀关闭时像具有第一压缩比的奥托循环发动机一样运行， 而发动机在控制阀打开时以小于第一压缩比的第二压缩比运行。

另一方面，公开一种用于改变双燃料内燃发动机的压缩比的方 法。所公开的方法可包括提供液压回路，液压回路可包括主缸、控制 阀、蓄能器、第一单向阀以及从动缸。从动缸可容纳从动活塞并且从 动活塞可结合到进气阀。控制阀可设置在蓄能器的上游，用于控制从 液压回路到蓄能器的流动。第一单向阀可设置在蓄能器的下游，用于 允许从蓄能器到液压回路的流动并防止未经过控制阀而从液压回路 到蓄能器的流动。所述方法可包括关闭控制阀以防止液压回路与蓄能 器之间连通，其导致发动机以第一压缩比运行。所述方法还可包括打 开控制阀以提供从液压回路到蓄能器的连通以使发动机以小于第一 压缩比的第二压缩比运行。

所讨论的特征、功能和优点可独立地在各种实施例中实现或者可 与其它实施例结合，其它细节可参见以下描述和附图。

附图说明

为了更加透彻地理解所公开的方法和装置，需要参照附图中更加 详细示出的实施例，其中：

图1是用于内燃发动机的进气阀的所公开的致动系统的示意图， 其中控制阀处于其常闭位置从而将蓄能器从液压回路隔离并使发动 机能够如奥托循环发动机一样运行。

图2是图1中示出的致动系统的示意图，但是控制阀处于打开位 置，从而使液压回路与蓄能器之间连通，这导致从动活塞和进气阀朝 进气冲程的终点返回到关闭位置，这使相比于在控制阀处于如图1所 示的关闭位置时压缩比得到降低。

图3是在诸如进气冲程的进气阀打开事件开始时从动缸、从动活 塞和制动板(snubplate)的截面示意图。

图4是图3中所示从动缸、从动活塞和制动板的截面示意图，但 是进一步示出在活塞不堵塞径向馈送孔之后通过从动缸中交错径向 馈送孔的流动。

图5是图3-4中所示从动缸、从动活塞和制动板的截面示意图， 但是在如从动活塞在从动缸中向上朝落座位置运动同时大部分流动 通过径向馈送孔离开从动缸的阀关闭事件开始时。

图6是在制动板处于其落座位置时制动板通过只允许流体流过制 动板中的中心孔来减弱流动时从动缸、从动活塞以及制动板的另一截 面示意图。

图7是图3-6中所示制动板的立体图。

图8示意性地示出在奥托循环发动机的进气冲程中和在三个替代 循环中的阀位置，其中进气阀在进气冲程结束之前关闭，从而提供降 低的压缩比。

应当理解，附图不必按比例绘制，并且所公开的实施例有时示意 性地以局部视图示出。在某些情况下，对于理解所公开的方法和装置 不必要的或者使其它细节难以理解的细节可能被省略。当然应当理解 的是本公开内容不限于本文示出的特定实施例。

具体实施方式

图1示出发动机10的部分，发动机10可包括用于容纳液压回路 12的块11或其它适合结构。液压回路12可包括主缸13、控制阀14、 蓄能器15、第一单向阀16、从动缸17、以及流体供应18和第二单向 阀21。主缸13可容纳主活塞22。术语主缸13旨在涵盖用于主活塞 22的柱形接收空间。主缸13可设置成孔的形式，如图1-2所示，或 者主缸13可以是单独的组件(未示出)。类似地，从动缸17可容纳 从动活塞23。从动缸17可以是孔的形式，如图1-2所示，或者其可 以是如下面描述的图3-6中示出的单独组件。

参照图1，将会描述控制阀14处于其常闭位置时液压回路12的 运行。在开始时，控制阀14可包括螺线管24，螺线管24可连接到可 以是发动机控制模块或单独控制器的控制器25。在如图1-2所示的实 施例中，控制阀14为双位控制阀。但是对于本领域技术人员来说， 显而易见可以使用诸如三位控制阀的其它控制阀。此外，控制阀14 还可以是与常闭控制阀相反的常开控制阀。简言之，用不同的控制阀 替换如图1-2中所示的常闭双位控制阀14对于本领域技术人员而言 是显而易见的。

主活塞22由凸轮凸部26控制，其向主活塞22传递振动运动。 随着主活塞22朝主缸13的顶部27运动，其将流体泵送到通道28中， 其迫使流体从通道28到从动缸17中。从动缸17中的压力迫使从动 活塞23向下。从动活塞23通过桥部30连接到一个或多个进气阀29， 所述桥部30可包括液压间隙调节器31。第一单向阀16防止通道28 中的流体经由通道32移动到蓄能器15。在下面结合图2讨论经由控 制阀14流动到蓄能器15中。类似地，第二单向阀21防止通道28中 的流体经由通道33移动到流体供应18。流体从通道28经由制动板 34进入从动缸17中将在下面结合图3-8进行更加详细的讨论。

仍然参照图1，当控制阀14处于其常闭位置时，发动机10按照 奥托循环运行，具有大压缩比，这对于柴油燃料是理想的。在控制阀 14关闭的阀关闭事件中(奥托循环)，凸轮凸部26的旋转会导致主 活塞22远离主缸13的顶部27的运动，其将流体从通道28吸入主缸 13中并将流体从从动缸17吸入通道28中。再次，由于控制阀14处 于其关闭位置，流体不能移动到通道35中或蓄能器15中。相反，从 动活塞23朝从动缸17的顶部36或朝制动板34运动以关闭进气阀29。 在阀打开事件中，控制阀14处于其关闭位置，凸轮凸部26使主活塞 22朝主缸13的顶部27运动，其将流体泵送到通道28中并将流体从 通道28中泵送到从动缸17中。从动缸17中增加的压力驱动从动活 塞23远离从动缸17的顶部36，从而打开进气阀29。

为了将发动机10的运行从奥托循环改变成诸如米勒循环或类似 循环的不同循环，或者为了降低压缩比，控制阀14可通过控制器25 转换成其如图2中所示的打开位置。转到图2，为了使发动机10运行 LNG和少量柴油，发动机10的压缩比可被降低，其允许较大的气体 替换。根据本发明的一方面，一种用于降低发动机10的压缩比的措 施是通过在进气冲程结束之前关闭进气阀29并在压缩冲程中维持进 气阀处于关闭位置来减少发动机10的有效进气冲程和压缩冲程。这 将在下面结合图2和8进行解释。

图2中，在进气冲程的中间部分过程中，控制器25已将信号发 送到螺线管24以打开控制阀14。活塞22朝主缸13的顶部27运动， 其导致流体从主缸移动到通道28中以及通道37中，其引向控制阀14。 随着流体在从动缸17中建立压力，从动活塞23和进气阀29被迫使 向下。当希望关闭进气阀29时，控制器25发送打开控制阀14的信 号。接着流体离开从动缸17并经过控制阀14来到蓄能器15的缸38 以提早关闭进气阀29。蓄能器15可被加压，因为其可包括活塞39， 活塞39可通过偏压元件42朝缸38的顶部41偏压。因此，流体也可 从主缸13通过通道28来到从动缸17。从动缸17中的压力使从动活 塞23远离从动缸17的顶部36运动，从而在进气冲程开始时使进气 阀29打开。尽管存在蓄能器15和控制阀14的打开位置但是图2中 示出的热力循环过程中进气冲程的开始与图1中示出的奥托循环的进 气冲程的开始大致相同。但是，在图1的奥托循环的进气冲程与图2 的热力循环的结束之间存在显著不同。

在进气冲程的前半部分，主活塞22朝主缸13的顶部27运动。 在进气冲程的后半部分，主活塞22远离主缸13的顶部27运动并且 流体被从从动缸17泵送到通道37中，通过控制阀14和通道35泵送 到蓄能器15中。因为蓄能器15中的压力小于从动缸17，所以流体从 从动缸17流动到通道28中并从通道28流动到通道37中并朝着蓄能 器15流动。因此，在进气冲程结束之前流体从从动缸17撤出。通过 提供蓄能器缸38的额外有效容积，在进气冲程结束之前流体会被抽 出从动缸17并通过制动板34。因此，控制阀14处于打开位置连同蓄 能器缸38提供额外容积，从动缸17中的流体会更快地撤出并且从动 活塞23会朝从动缸17的顶部36更快地运动，从而使进气阀29在进 气冲程结束之前提早关闭。

为了排出系统中截留的任何空气和碎屑，蓄能器活塞39可配备 有放气孔43并且蓄能器缸38的封闭远端44可类似地配备放气孔45。 因此，如果液压回路12中的压力达到预定阈值，流体可通过放气孔 43移动以降低蓄能器缸中的压力并且任何背压也可通过孔45放出。 类似地，代替提供蓄能器活塞39中的放气孔43和通过蓄能器缸的封 闭远端44的额外放气孔45，可在诸如图1和2中所示的通道32的通 道中设置放气孔46。

现在将结合图3-6讨论从动活塞23、从动缸17以及制动板34的 运行。转到图3，在例如进气冲程的冲程开始时示出从动活塞23。流 体如箭头48所示被迫通过顶部馈送孔47进入从动缸17中。流体通 过的制动板34示出于图7中，其包括中心孔51和外围槽52或孔(未 示出)。接着加压流体以箭头53所示的方向推动从动活塞23，从而 标志着开始阀打开事件，例如进气冲程。转到图4，随着活塞继续以 箭头53的方向运动，额外的流体如箭头55所示通过径向馈送孔54 被吸入从动缸17中。如图3-4所示径向馈送孔54可以是交错的，使 得它们不会被同时露出或被从动活塞23同时覆盖。相反，径向馈送 孔54的交错位置避免与流体一次通过所有径向馈送孔54而冲入或离 开从动缸17相关联的压力峰值。

图3-4中还示出在例如进气冲程的阀打开事件中制动板34的位 置。具体地，制动板34可靠在保持销60或保持环(未示出)上。通 过靠在保持销60上，制动板34远离腔壁56运动，如下面结合图5-6 所示，其阻断通过外围槽52的流动。保持销60在阀打开事件中将制 动板34保持在腔63中。在阀关闭事件中，制动板34偏压在腔壁56 上，其阻断通过外围槽52的流动。阻断通过槽52的流动减弱阀关闭 事件中通过制动板34的流动。

转到图5，从动活塞23示出为其接近阀关闭事件。从动活塞23 以箭头57的方向或朝从动缸17的顶部36运动。随着从动活塞23以 箭头57的方向运动，流体如箭头58所示从从动缸17通过径向馈送 孔54排出并如箭头59所示通过顶部馈送孔47排出。此外，制动板 34已被向上升起靠着腔壁56，其阻断通过制动板34的外围槽52的 流动。因此，在阀关闭事件中，离开从动缸17的流动被制动板24减 弱，因为流体只可如箭头61所示通过制动板34的中心孔51流动。 当制动板34处于其如图5和6所示的落座位置时，通过制动板34的 外围槽52的流动被腔壁56阻断。因此，当从动活塞23接近从动缸 17的顶部36并且覆盖径向馈送孔54(见图6)时，对于从动缸17 中剩余流体的唯一离开路径是通过制动板34的中心孔51。因此，刚 好在阀关闭之前，从动活塞23朝从动缸17的顶部36的运动衰减或 减慢，这减少进气阀29(图1和2)上的磨耗和撕裂。

图8示意性地示出由制动板34提供的衰减。y轴线70表示阀提 升而x轴线71表示曲柄角。实线72表示奥托循环的进气冲程。具体 地，线72表示从由假想线73表示的进气冲程的开始(阀提升＝0)到 由假想线74表示的进气冲程的结束(阀提升＝0)的进气阀29的打开 和关闭。因此，在奥托循环中，如图8中线72表示的，阀29在进气 冲程开始时打开并保持打开直到进气冲程结束。

图8的三条线75、76、77表示米勒热力循环或类米勒热力循环。 如图8所示，由线75表示的循环中进气阀29比由线72表示的奥托 循环较早关闭。此外，由线76和77表示的循环比由线75表示的循 环还要较早地关闭进气阀29。由于进气阀29在进气冲程完成之前关 闭，并且由于进气阀29在压缩冲程中保持关闭，由线77表示的循环 的压缩比是图8中所示四个循环中最小的，同时由线72表示的奥托 循环的压缩比是最大的。

此外，通过使用制动板34可避免损害进气阀29，其减慢阀关闭 并稍微延长阀关闭，如线75、76、77的变平部分81、82、83分别表 示的。因此，尽管阀提早关闭，但是制动板34减弱离开从动缸17的 流动使得阀关闭事件不会损害进气阀29。

因此，可通过安装如图1和2所示的液压回路12并按照上述原 理操作控制阀14使发动机10转换成运行最大量的LNG。

工业实用性

公开了一种易于添加到传统柴油发动机10的液压回路12，其使 发动机10能够从柴油循环、奥托循环或燃烧柴油发动机10转换成用 于最大LNG替换的米勒循环或类米勒循环。液压回路12包括控制阀 14，当其关闭时，使发动机10能够像奥托循环发动机一样运行。当 打开时，控制阀14提供到蓄能器15的连通，其随着从动活塞23到 达从动缸17的顶部36帮助从动缸17撤出。这个作用导致在进气冲 程的最终部分中进气阀29提早关闭。进气阀29在压缩冲程中保持关 闭。由于进气冲程变短，有效压缩冲程也变短，从而降低发动机10 的压缩比。降低发动机10的压缩比允许最大LNG替换。控制阀14 的致动可通过控制器25执行，控制器25可以是分开的独立控制器或 者是发动机控制单元的功能。

所公开的用于改变双燃料内燃发动机的压缩比的方法可包括提 供如上所述的液压回路12。所述方法还可包括关闭控制阀14以防止 液压回路与蓄能器15之间连通以从而使发动机10以第一压缩比运 行。所述方法还可包括打开控制阀14以使液压回路12与蓄能器15 之间连通以使发动机10以小于第一压缩比的第二压缩比运行。

虽然仅阐述了某些实施例，但是通过以上描述，对于本领域技术 人员来说替代实施例和各种修改是显而易见的。应将这些以及其它替 代视为是等同物并且在本发明的精神和范围内。