专利名称：用电子控制的共管(轨)液压驱动的内燃机的进排气系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的进、排气系统，特别是涉及一种可以用来取代传统的凸轮驱动的机械式的内燃机的进、排气系统，尤其是涉及四冲程柴油机的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统。
内燃机的进、排气正时及其持续角对其燃油的经济性，功率及其排放性能有很大的影响。好的进、排气正时及其持续角会大大改善内然机的动力性能、经济性能和排放性能。特别在高增压柴油机中，由于凸轮型线不可能随工况而变化，因此无法在全工况范围内优化其性能。在一些已公布的专利中，如US4930464、US5456221、US5193495、US2930464等，其开发的一些电控的，通过液压或气动驱动的气门装置，实现了对进、排气正时的液压或气动的电子控制。但它们普遍存在一些问题，或者要在气缸盖上打孔布置气道或油道，使原发动机的结构，尤其是气缸盖改动太大；或者是要使用两种工作流质(气体和液压油)使系统过于复杂；或者要使用两个以上的电磁阀及单向阀来实现对一组进、排气阀的控制而过于昂贵。总之，其结构复杂，不易控制，难以实现对现有传统的非电控的内燃机向电控的内燃机进行改装。
本发明的目的在于提供一种可根据内燃机的转速、负荷等工况及内燃机的特征，对内燃机的气阀正时能作柔性调节，以使其在各种工况下达到优化，从而改善内燃机性能的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统。
本发明的目的是这样实现的本发明由进排气装置、液压控制装置、电子控制单元等组成。
进排气装置的气阀座是加工在气缸盖上的。阀杆上端装有一个弹簧盘，弹簧盘下有一组回位弹簧，回位弹簧的另一端支撑在气缸盖上。
气阀杆的上方为液压控制装置。包括动力活塞、动力活塞腔、缓冲活塞、缓冲活塞腔、顶杆、顶杆腔、压紧螺柱、上壳体、定位块、电磁阀、安全阀、泵、高压共用管、回油管、油箱等。动力活塞、缓冲活塞及顶杆分别与动力活塞腔、缓冲活塞腔及顶杆腔形成滑动副，并分别在其中作往复运动。动力活塞在底面处与缓冲活塞接触，缓冲活塞在底面处与顶杆接触。顶杆在下端面处与阀杆接触。
压紧螺柱与上壳体连接。因此定位块、上壳体、动力活塞与套筒形成动力活塞的液压驱动腔。在腔壁上，布置有一油孔，油孔的一端与液压驱动腔连通，另一端与电磁阀的驱动口相连通。
缓冲活塞将腔膛分为上腔和下腔(缓冲腔)两部分。在缓冲活塞腔的上顶部和中部分别设有气孔。
缓冲活塞腔的上顶部的气孔的一端与大气相通，另一端与上腔相通，这使上腔与大气一直保持连通，不致因腔内的压力变化影响缓冲活塞的运动。
缓冲活塞腔的中部的气孔的一端与大气相通，另一端与下腔(缓冲腔)相通。当动力活塞驱动缓冲活塞及气阀向下运动，使缓冲活塞的下沿盖住孔时，下腔则形成一缓冲密封腔。缓冲腔内的空气被压缩，压力随气阀的开启面积的增大而逐渐提高。这样，当缓冲活塞下行至下沿触及缓冲腔的底面时，缓冲腔内的压力已可对缓冲活塞提供一个较好的缓冲力，从而可减小缓冲活塞的下沿对缓冲腔底面的机械冲击。由于缓冲腔内的压力作用在缓冲活塞的下端面上，在气阀关闭的过程中，还可以加快气阀关闭的速度。
顶杆的下部设有一放残孔，它的一端在下端面处连通大气，另一端则当气阀在关闭位置时与缓冲腔连通。此时缓冲活塞腔的中部的气孔也正与大气相通，缓冲腔内的水和油则可通过放残孔放出，而在其它状态下则被下壳体的顶杆腔堵住，这样可保持缓冲腔在气阀运动时是密封的。
电磁阀上置有驱动口、供油口和回油口三个通道。供油口与高压共用管连接，回油口接至油箱。这样当接收到来自电子控制单元的控制信号时，电磁阀便选择性地将驱动口与供油口或回油口导通，执行气阀的开启和关闭动作。
高压共用管内的工作油压由泵提供并受到电子控制单元的控制，安全阀跨接在泵的出口与回油管之间，在系统油压超过某一压力时将油泄至油箱内。
电子控制单元由单片机、程序存储器、数据存储器、数据驱动芯片、锁存器、译码器、键盘及显示控制器、数码管、传感器等组成。
单片机通过P3、P4口与锁存器、程序存储器、数据存储器及键盘显示控制器相连接。译码器对16位地址线的高5位进行译码，通过引脚CS1选通数据存储器，通过引脚CS2选通显示及键盘控制器，通过引脚CS1选通程序存储器。键盘及显示控制器分别通过引脚OUTA0～OUTA3及引脚OUTB0～OUTB3与四个数码管相连接。
单片机的引脚HSI.1与转速传感器相连接，引脚ACH0与负荷传感器相连接，引脚HSI.2与上死点位置传感器相连接，引脚ACH1与增压压力传感器相连接，引脚ACH2与大气温度传感器相连接，引脚ACH3与大气湿度传感器相连接，引脚HSI.3与位移传感器相连接。单片机的引脚HSO.1提供进气阀控制信号，引脚HSO.2提供排气阀控制信号。
电子控制单元能够实时感受由转速传感器、负荷传感器、上死点位置传感器传来的信号，并根据所得转速和负荷信号及存于数据存储器内的脉谱图得到一个理想的进、排气正时的基准值；同时感受由增压压力传感器传来的增压压力信号，并由此信号和存于数据存储器内的增压压力修正值脉谱图确定一个相应的修正值，然后将此修正值加到基准值上；感受由大气温度传感器和大气湿度传感器传来的大气温度和湿度信号，并由此信号及存于数据存储器内的大气状态修正值脉谱图确定一个相应的修正值，将此修正值也加到基准值上，从而得到进、排气正时的最后期望值，并由此确定送到电磁阀的驱动信号的脉冲时间和脉宽的实际值，并以这个实际值驱动电磁阀，实现气阀的开启关闭。电子控制单元同时还能够感受由位移传感器传来气阀升程的信号，并通过数码管进行显示。
当电磁阀接收到电子控制单元的启阀信号时，供油口与驱动口导通，工作油进入驱动腔，作用在动力活塞的上端面上的液压力，驱动动力活塞、缓冲活塞、顶杆及气阀克服回位弹簧的予紧力向下运动，而完成启阀的动作。当缓冲活塞的下沿接触到缓冲活塞腔的下底面时，气阀停止运动，并保持全开状态。
当电磁阀接收到电子控制单元的气阀关闭的信号时，驱动口不再与供油口导通，而与回油口导通。气阀在回位弹簧的弹簧力的作用下，将驱动腔内的工作油通过驱动口、回油口排向油箱，使气阀及动力活塞、缓冲活塞、顶杆一起向上运动，完成关闭气阀的动作，并使气阀保持在关闭状态。
当电磁阀再一次接收到电子控制单元的启阀信号时，则进入下一次启阀闭阀的循环。
本发明由于只使用液压油具有如下特点对于每一个待驱动的气阀都有一个驱动腔和受液压驱动的动力活塞。这样可以使动力活塞运动以打开气阀。它保留气阀的回位弹簧，这样可以使气阀完成关闭动作。系统还设有缓冲装置，使动力活塞在运动到气阀最大升程时能停止运动而又不会有很大的冲击力。本发明可以根据电子控制单元收集到的发动机的转速、负荷等信号以及发动机的特征，确定出预定的进、排气正时，然后根据大气状态等参数进行修正得到实际工况下的最佳的开启和关闭正时及持续角，然后将其控制信号送到电磁阀，控制液体流质的流向，驱动动力活塞及气阀运动，完成其启闭。这样便可实现对气阀正时及其持续角的柔性控制。
本发明对于每一个待驱动的气阀都有一个驱动腔和受液压驱动的动力活塞。由于不需要在气缸盖上打孔布置油道、只使用液压油一种工作流质和一个电磁阀，因此具有结构简单、便于改装、费用低廉、易于控制等优点。本发明可以根据电子控制单元收集到的发动机的转速、负荷等信号以及发动机的特征，确定出预定的进、排气正时，然后根据大气状态等参数进行修正得到实际工况下的最佳的开启和关闭正时及持续角，然后将其控制信号送到电磁阀，控制液体流质的流向，驱动动力活塞及气阀运动，完成其启闭。这样便可实现对气阀正时及其持续角的柔性控制。
下面结合附图及实施例对本发明作更详细的说明
图1是用电子控制的共管(轨)液压驱动的柴油机进、排气系统的示意图；图2是用电子控制的共管(轨)液压驱动的柴油机进、排气系统气阀开启时的示意图；图3为用电子控制的共管(轨)液压驱动的柴油机进、排气系统气阀关闭时的示意图；图4为用电子控制的共管(轨)液压驱动的柴油机进、排气系统电子控制单元流程图；图5为用电子控制的共管(轨)液压驱动的柴油机进、排气系统电子控制单元的示意图。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明气阀座65是加工在气缸盖60上的。阀杆50上端装有一个弹簧盘70，弹簧盘70下有一组回位弹簧80，回位弹簧80的另一端支撑在气缸盖60上。
气阀杆50的上方为液压控制装置。由动力活塞25、动力活塞腔26、缓冲活塞18、缓冲活塞腔11、顶杆15、顶杆腔41、压紧螺柱46、上壳体24、定位块27、电磁阀34、安全阀6、泵5、高压共用管38、回油管52、油箱3等组成。动力活塞25、缓冲活塞18及顶杆15分别与动力活塞腔26、缓冲活塞腔11及顶杆腔41形成滑动副，并分别在其中作往复运动。动力活塞25在底面20处与缓冲活塞18接触，缓冲活塞18在底面19处与顶杆15接触。顶杆15在下端面51处与阀杆50接触。
压紧螺柱46与上壳体24连接。因此定位块27、上壳体24、动力活塞25与套筒32形成动力活塞25的液压驱动腔38。在腔壁33上，布置有一油孔29，油孔29的一端31与液压驱动腔38连通，另一端30与电磁阀34的驱动口35相连通。
缓冲活塞18将缓冲活塞腔膛11分为上腔49和下腔(缓冲腔)42两部分。在缓冲活塞腔11的上顶部和中部分别设有气孔21和气孔12。
缓冲活塞腔的上顶部的气孔21的一端与大气相通，另一端与上腔49相通，这使上腔49与大气一直保持连通，不致因上腔49内的压力变化影响缓冲活塞18的运动。
缓冲活塞腔的中部的气孔12的一端与大气相通，另一端与下腔(缓冲腔)42相通。当动力活塞25驱动缓冲活塞18及气阀40向下运动，使缓冲活塞18的下沿45盖住气孔12时，下腔(缓冲腔)42则形成一缓冲密封腔。下腔(缓冲腔)42内的空气被压缩，压力随气阀的开启面积的增大而逐渐提高。这样，当缓冲活塞18下行至下沿45触及下腔(缓冲腔)42的底面14时，下腔(缓冲腔)42内的压力已可对缓冲活塞18提供一个较好的缓冲力，从而可减小缓冲活塞18的下沿45对下腔(缓冲腔)底面14的机械冲击。由于下腔(缓冲腔)42内的压力作用在缓冲活塞18的下端面19上，在气阀40关闭的过程中，还加快了气阀40关闭的速度。
顶杆15的下部设有一放残孔16，它的一端在51处连通大气，另一端则当气阀40在关闭位置时与下腔(缓冲腔)42连通。此时气孔12也正与大气相通，下腔(缓冲腔)42内的水和油则可通过放残孔16放出，而在其它状态下则被下壳体10的顶杆腔41堵住，这样可保持下腔(缓冲腔)42在气阀40运动时是密封的。
电磁阀34布置有驱动口35、供油口36和回油口37三个通道。供油口36与高压共用管38连接，回油口37接至油箱3。这样当电磁阀34接收到来自电子控制单元4的控制信号时，电磁阀34便选择性地将驱动口35与供油口36或回油口37导通，执行气阀的开启和关闭的动作。
高压共用管38内的工作油压由泵5提供并受到电子控制单元4的控制，安全阀6跨接在泵5的出口53与回油管52之间，在系统油压超过某一压力时将油泄至油箱3内。
电子控制单元4由单片机71(80C196)、程序存储器72(27128)、数据存储器73(62256)、锁存器74(74HC573)、译码器75(GAL16V8)、键盘及显示控制器76(8279)、数码管77、8位数据线78(D0～D7)、16位地址线79(AD0～AD15)、转速传感器81、负荷传感器82、上死点位置传感器83、增压压力传感器84、大气温度传感器85、大气湿度传感器86、位移传感器87等组成。
单片机71通过P3、P4口719(AD0～AD15)与锁存器74、程序存储器72、数据存储器73及键盘显示控制器76相连接。译码器75对16位地址线79的高5位753(AD11～AD15)进行译码，通过引脚CS1(751)选通数据存储器73，通过引脚CS2(752)选通显示及键盘控制器76，通过引脚CS1(753)选通程序存储器74。键盘及显示控制器76分别通过引脚761(OUTA0～OUTA3)及引脚762(OUTB0～OUTB3)与四个数码管77相连接。
转速传感器81与单片机71的引脚711(HSI.1)相连接，负荷传感器82与单片机71的引脚712(ACH0)相连接，上死点位置传感器83与单片机71的引脚713(HSI.2)相连接，增压压力传感器84与单片机71的引脚714(ACH1)相连接，大气温度传感器85与单片机71的引脚715(ACH2)相连接，大气湿度传感器86与单片机71的引脚716(ACH3)相连接，位移传感器87与单片机71的引脚710(HSI.3)相连接。进气阀控制信号88由单片机71的引脚717(HSO.1)提供，排气阀控制信号89由单片机71的引脚718 HSO.2)提供。
电子控制单元4能够实时感受由转速传感器81、负荷传感器82、上死点位置传感器83传来的信号，并根据所得转速及负荷信号和存于数据存储器73内的脉谱图得到一个理想的进、排气正时的基准值；同时感受由增压压力传感器84传来的增压压力信号，并由此信号和存于数据存储器73内的增压压力修正值脉谱图确定一个相应的修正值，然后将此修正值加到基准值上；还感受由大气温度传感器85和大气湿度传感器86传来的大气温度和湿度信号，并由此信号及存于数据存储器73内的大气状态修正值脉谱图确定一个相应的修正值，将此修正值也加到基准值上，从而得到进、排气正时的最后期望值，并由此确定送到电磁阀的驱动信号的脉冲时间和脉宽的实际值，并以这个实际值驱动电磁阀34实现气阀40的开启关闭。电子控制单元4同时还能够感受由位移传感器87传来气阀升程的信号，并通过数码管77进行显示。
当电磁阀34接收到电子控制单元4的气阀开启信号时，供油口36与驱动口35导通，工作油进入驱动腔38，作用在动力活塞25的上端面20上的液压力，驱动动力活塞25、缓冲活塞18、顶杆15及气阀40克服回位弹簧80的予紧力向下运动，而完成启阀的动作。
当缓冲活塞18的下沿45接触到缓冲活塞腔11的下底面14时，气阀40停止运动，并保持全开状态。
当电磁阀34接收到电子控制单元4的气阀关闭的信号时，驱动口35不再与供油口36导通，而与回油口37导通，如图3。气阀40在回位弹簧80的弹簧力的作用下，将驱动腔38内的工作油通过驱动口35、回油口37排向工作油箱，使气阀40及动力活塞25、缓冲活塞18、顶杆15一起向上运动，完成关闭气阀40的动作，并使气阀40保持在关闭状态。
当电磁阀34再接收到电子控制单元4的启阀信号时，则进入下一次启阀闭阀的循环。
权利要求
1.一种用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，由进排气装置、液压控制装置、电子控制单元(4)等组成，其特征在于液压控制装置在气阀杆(50)的上方，包括动力活塞(25)、动力活塞腔(26)、缓冲活塞(18)、缓冲活塞腔(11)、顶杆(15)、顶杆腔(41)、压紧螺柱(46)、上壳体(24)、定位块(27)、电磁阀(34)、安全阀(6)、泵(5)、高压共用管(38)、回油管(52)、油箱(3)等。
2.根据权利要求1所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的进排气装置的气阀座(65)是加工在气缸盖(60)上的；阀杆(50)上端装有一个弹簧盘(70)，弹簧盘(70)下有一组回位弹簧(80)，回位弹簧(80)的另一端支撑在气缸盖(60)上。
3.根据权利要求1或2所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的液压控制装置的动力活塞(25)、缓冲活塞(18)及顶杆(15)分别与动力活塞腔(26)、缓冲活塞腔(11)及顶杆腔(41)形成滑动副；动力活塞(25)在底面(20)处与缓冲活塞(18)接触，缓冲活塞(18)在底面(19)处与顶杆(15)接触；顶杆(15)在下端面(51)处与阀杆(50)接触。
4.根据权利要求3所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的液压控制装置的缓冲活塞(18)将缓冲活塞腔膛(11)分为上腔(49)和下腔(缓冲腔)(42)两部分；在缓冲活塞腔(11)的上顶部和中部分别设有气孔(21)和气孔(12)。
5.根据权利要求3所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的液压控制装置的压紧螺柱(46)与上壳体(24)连接；定位块(27)、上壳体(24)、动力活塞(25)与套筒(32)形成动力活塞(25)的液压驱动腔(38)；在腔壁(33)上，布置有一油孔(29)，油孔(29)的一端(31)与液压驱动腔(38)连通，另一端(30)与电磁阀(34)的驱动口(35)相连通。
6.根据权利要求3所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的液压控制装置的顶杆(15)的下部设有一放残孔(16)，它的一端在(51)处连通大气，另一端则当气阀(40)在关闭位置时与下腔(缓冲腔)(42)连通。
7.根据权利要求3所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的液压控制装置的电磁阀(34)布置有驱动口(35)、供油口(36)和回油口(37)三个通道；供油口(36)与高压共用管(38)连接，回油口(37)接至油箱(3)；安全阀(6)跨接在泵(5)的出口(53)与回油管(52)之间。
8.根据权利要求1或2所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的电子控制单元(4)包括单片机(71)、程序存储器(72)、数据存储器(73)、锁存器(74)、译码器(75)、键盘及显示控制器(76)、数码管(77)、转速传感器(81)、负荷传感器(82)、上死点位置传感器(83)增压压力传感器(84)大气温度传感器(85)、大气湿度传感器(86)、位移传感器(87)、8位数据线(78)(D0～D7)，16位地址线(79)(AD0～AD15)等。
9.根据权利要求8所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的电子控制单元(4)的单片机(71)通过(719)(P3、P4口，AD0～AD15)与锁存器(74)、程序存储器(72)、数据存储器(73)及键盘显示控制器(76)相连接；译码器(75)对16位地址线(79)的高5位753(AD11～AD15)进行译码，通过引脚(751)(CS1)选通数据存储器(73)，通过引脚(752)(CS2)选通显示及键盘控制器(76)，通过引脚(753)(CS1)选通程序存储器(74)；键盘及显示控制器(76)分别通过引脚(761)(OUTA0～OUTA3)及引脚(762)(OUTB0～OUTB3)与四个数码管(77)相连接。
10.根据权利要求8所述的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统，其特征在于所述的电子控制单元(4)的转速传感器(81)与单片机(71)的引脚(711)(HSI.1)相连接，负荷传感器(82)与单片机(71)的引脚(712)(ACH0)相连接，上死点位置传感器(83)与单片机(71)的引脚(713)(HSI.2)相连接，增压压力传感器(84)与单片机(71)的引脚(714)(ACH1)相连接，大气温度传感器(85)与单片机(71)的引脚(715)(ACH2)相连接，大气湿度传感器(86)与单片机(71)的引脚(716)(ACH3)相连接，位移传感器(87)与单片机(71)的引脚(710)(HSI.3)相连接。进气阀控制信号(88)由单片机(71)的引脚(717)(引脚HSO.1)提供，排气阀控制信号(89)由单片机(71)的引脚(718)(HSO.2)提供。
全文摘要
本发明涉及内燃机的用电子控制的共管(轨)液压驱动的进、排气系统。由进排气装置、液压控制装置、电子控制单元等组成。可根据内燃机的转速、负荷、增压压力、大气温度、大气湿度等参数及内燃机的特征,对内燃机的气阀正时作柔性调节,以使其在各种工况下达到优化,从而改善内燃机性能及排放。特别适用于四冲程柴油机。
文档编号F01L9/02GK1264785SQ0011444
公开日2000年8月30日 申请日期2000年3月27日 优先权日2000年3月27日
发明者朱国伟, 陈勤学 申请人:武汉交通科技大学