专利名称：控制排气温度的系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及控制排气的系统，更具体来讲，涉及控制排气温度 的方法和装置。
背景技术：
内燃机产生的包括那些柴油发动机产生的颗粒和有毒气体的允许限量 通常由政府机构控制。因此这种发动机的制造商发展控制废气排放的技术。 许多发动机通常包括排气系统颗粒过滤器或捕集器，例如烟灰过滤器。颗 粒过滤器通常被设计成收集废气流中的颗粒排放物并连续地或周期性地在 颗粒过滤器再生模式中燃烧掉被收集的颗粒。在颗粒过滤器再生模式中， 过滤器中的温度优选高于特定的再生温度以便确保被收集的颗粒充分燃 烧。另外，在高于特定温度时，其它排气处理部件例如催化转化器的性能 可得到改善。
颗粒过滤器包括主动类型和被动类型。主动类型的颗粒过滤器通常包 括一个或多个用于过滤器再生的加热器，被动类型的颗粒过滤器通常依靠 排气自身的温度来充分提高用于过滤器再生的过滤器温度。颗粒过滤器通 常设计成使得发动机的正常运行产生处于希望温度或高于希望温度的排气 温度以便使得过滤器再生。但是，在某些发动机运行条件下，例如发动机 长期空转和以高速或低输出扭矩持续运行，产生的排气温度可低于过滤器 的再生温度并对过滤器再生产生不利影响。结果，颗粒过滤器经常被阻塞 或堵塞，因而需要不定期的车辆维护以便清洗被阻塞或堵塞的过滤器。另 外，颗粒过滤器阻塞或堵塞还通过烟灰被燃烧时在过滤器内部产生过高的 温度而导致过滤器失效。如美国专利No.6427436 ( '436专利)中所示，过滤器系统可用于在 发动机排气的一部分被回输至发动机的进气流之前，从该气流中除去颗粒 物质。具体来讲，'436专利公开了包含催化剂和过滤器元件的发动机排 气过滤器。被过滤的排气的 一部分被从过滤器的下游抽取出并通过再循环 回路被导向发动机进口。
虽然'436专利的过滤器系统可以保护发动机免受一定量的有害颗粒 物质的损害，但是催化剂会将排气中的硫转化成硫酸盐。硫酸盐可与冷凝 水结合从而在再循环回路中形成硫磺酸。硫磺酸的再循环会随着时间的过 去而腐蚀系统部件并阻碍系统的效率和寿命。另外，'436专利的系统不 能使过滤器元件再生以便除去被收集在过滤器元件中的颗粒物质和其它排 气成份。
本发明的系统的目的是克服上述一个或多个缺陷。
发明内容
一方面，本发明涉及一种向发动机下游的至少一个部件提供排气的可 变气门致动系统。该系统包括低压流体源和发动机l&液槽。该系统还包括 布置在发动机气缸中的排气门和与发动机气缸的排气门可操作地连接的液 压致动系统。该系统还包括与液压致动系统可操作地连接的制动控制阀、 流体蓄积装置和用于流体地联接液压致动系统与蓄积装置的流体联接装 置。
另一方面，本发明涉及一种向发动机系统下游提供排气的方法。该发 动机系统包括发动机制动系统的制动控制阀、低压流体源、液压致动系统、 具有第 一压力室的第 一活塞组件、具有第二压力室和排气门的第二活塞组 件、控制阀以及具有第三压力室的流体蓄积装置之间的流体连接。该方法 包括使控制阀打开以便允许流体流向蓄积装置的第三压力室并向制动控制 阀提供来自低压流体源的流体。该方法还包括使制动控制阀向液压致动系 统供应流体。所述液压致动系统与制动控制阀可操作地连接。该方法还包 括经由液压致动系统供应流体以便填充第一活塞组件的第一压力室。该方法还包括使笫一活塞组件流体地填充蓄积装置的第三压力室，以及使第二 活塞组件基于第一活塞组件和蓄积装置的操作打开排气门。
另一方面，本发明涉及一种提供用于再生过程中的排气的可变气门致 动系统。该系统包括低压流体源、发动机贮液槽、第一活塞组件和液压致 动系统。该系统还包括与发动机气缸的排气门可操作地连接的第二活塞组 件。该第二活塞组件与第一活塞组件可操作地连接。该系统还包括与液压 致动系统可操作地连接的制动控制岡和流体蓄积装置。该系统还包括用于 流体地联接液压致动系统和蓄积装置的装置。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的具有排气处理系统的发动机
系统的示意图；以及
图2是用于控制图1中排气处理系统的排气再生温度的可变气门致动 系统的示意图。
具体实施例方式
图1示出与内燃机12可操作地连接的示例性排气处理系统10。内燃 机12可包括例如柴油发动机、汽油发动机、气态流体驱动发动机或者本领 域已知的任何其它发动机。内燃机12可包括一个或多个活塞-气缸结构， 每一个活塞-气缸结构都可以四冲程循环操作，包括吸气冲程、压缩冲程、 做功冲程和排气冲程。在整个四冲程循环中活塞相对于气缸的移动和定位 在本领域是已知的，因此不再说明。内燃机12还可以包括一个或多个与各 自的活塞-气缸结构相关联的进气门和/或排气门。所述进气门可构造为向 各自的气缸提供空气或燃料和空气的混合物，所述排气门可构造为向排气 处理系统10输送燃烧副产品例如排气。
排气处理系统10可构造为从排气中提取能量、过滤排气并选择性地将 被过滤的排气重新供应至发动机12的进气系统。具体来讲，所述排气可流 经流动管线l8到达与一系列涡轮增压器21相关联的多个涡轮20。在这个过程中，能量被从排气中提取出来以驱动与涡轮增压器21的涡轮20联接 的压缩机42。或者，设想排气处理系统10可包括单个涡轮增压器或者不 包括任何涡轮增压器。
流经涡轮20后，排气可穿过构造成在过滤器26之前增加排气的温度 的再生装置24。再生装置24可以包括例如燃料喷射器和点火器、加热线 圏和/或本领域已知的其它热源。这种热源可布置在再生装置24内并且可 构造成通过对流、燃烧和/或其它热传递方法增加排气的温度。可以设想， 如果再生装置24包括燃料喷射器和点火器，则再生装置24可接收一定量 的燃料和氧以便有助于再生装置中的燃烧。或者还可以设想省略再生装置 24。
过滤器26可与再生装置24的下游连接并接收来自那里的被加热的排 气。过滤器26可以包括本领域已知的能够从气流中提取物质例如烟灰的任 何类型的过滤器。例如，过滤器26可以包括定位成从排气中提取颗粒的颗 粒物质过滤器，例如陶瓷基板、金属网状物、泡沫或本领域已知的任何其 它多孔材料。设想这些材料可以在过滤器26的壳体中形成例如蜂窝状结构 以便有助于除去颗粒。
在排气穿过过滤器26后，它可以流经设置于过滤器26下游的催化剂 28和/或通过再循环管线30和冷却器32流向内燃机12。再循环至内燃机 12的排气的量可通过混合阀40和流量传感器36控制。如本领域中已知的， 再循环的排气可与环境进气空气38混合、经压缩机42压缩、被二次冷却 器/后冷却器48冷却并被导向发动机12的进气歧管。
如上所述，过滤器26需要周期性地再生以便有助于清洗过滤器26。 再生过程要求加热过滤器26以便升高温度从而燃烧某些被收集在过滤器 中的颗粒。已经穿过涡轮增压器的涡轮20的排气的温度可能不足以在过滤 器26内产生再生。因此，再生装置24可增加导向过滤器26的排气的温度 以便使得排气的温度高于用于再生的希望温度。可以设想，如果再生装置 24选择性地被省略，则过滤器26可以包括一个或多个通过增加排气的温或催化剂。
控制器50可构造成控制内燃机12的一个或多个操作。具体来讲，控 制器50可以影响与一个或多个活塞-气缸结构相关联的一个或多个排气门 的操作以便增加从内燃机12向排气处理系统10输送的排气的温度。控制 器50可以是电子控制模块且可以包括一个或多个微处理器、存储器、数据 存储装置、通信集线器和/或本领域已知的其它部件。可设想控制器50集 成在能够控制内燃机12的附加功能的总控制系统内，例如燃料输送系统。 控制器50可构造成接收来自传感器52和/或附加输入装置例如操作者界面 装置(未示出)的输入信号，执行一个或多个确定合适的输出信号的算法， 并将该输出信号传递至一个或多个影响内燃机12产生的排气的温度的装 置。可设想控制器50通过一条或多条本领域已知的通信线路(未示出)接 收并传递信号。传感器52可包括构造成产生指示流体温度的信号的任何常 规传感器。具体来讲，传感器52可设置在涡轮增压器21的涡轮20的下游 和过滤器26的上游。下面参照图2说明增加从内燃机12向排气处理系统 输送的排气的温度的过程。
图2示出构造成控制内燃机12的排气门66的移动的可变气门致动系 统72。具体来讲，控制器50可响应于提供用于再生过程的、温度升高的 排气的需求而调节排气门66的移动。可变气门致动系统72可包括发动机 制动系统74、控制阀144和蓄积器148，该发动机制动系统构造成调节排 气门66的移动以^f更减少内燃机12的功率输出。
发动机制动系统可包括例如用于多气缸发动机一一其包括与控制器 50电联接的输入装置76——的发动机压缩制动系统。输入装置76可以是 例如在车辆的操作者驾驶室可得到的可选择性地转换的控制器、与车辆制 动踏板相关联的自动开关、或者任何其它已知的提供输入信号的方法。可 选地，发动机制动系统74可以包括构造为感测机轴位置指示器82的传感 器80。该指示器82可以与活塞-气缸结构的活塞的上止点位置相互关联。
发动机制动系统74还包括液压流体的低压供给源86。例如，低压供 给源86可以是流经发动机沟槽以便润滑轴承和其它发动机部件的润滑油。制动控制阀84可包括通过液压管线卯与低压供给源86流体联接的供给端 口 88。制动控制阀84可还包括通过液压管线96与发动机贮液槽94流体 联接的排出端口92。控制器50可与一个或多个制动控制阀84电联接。虽 然图中仅示出一个制动控制阀84，但A^当理解，具有多个活塞-气缸结构 的发动机可能需要多于一个制动控制阀84。
制动控制阀84可包括通过液压歧管102与气门致动系统98流体联接 的致动端口 100,所述液压歧管102可包括安装在其中的止回阀104以便 防止流体通过液压歧管102流向制动控制阀84。制动控制阀84可还包括 通过液压管线110与气门致动系统98流体联接的排放端口 108。
发动机制动系统74可还包括与排气门66相关联的液压致动系统98。 该液压致动系统98可包括第一活塞组件112和第二活塞组件114。第一活 塞组件112可包括在壳体118内可滑动并与活塞杆(plunger) 120联接的 活塞116。弹簧122设置在壳体118内并构造成沿第一方向推动活塞116。 活塞杆120可与摇臂124机械地联接，该摇臂124与例如燃料喷射系统(未 示出)相关联。摇臂124可与旋转凸轮126——例如具有决定燃料喷射正 时的凸轮轮廓的凸轮——以及相连的凸轮从动件128机械地联接，从而将 凸轮126的旋转运动转变为活塞116沿第一方向的直线运动。活塞116和 壳体118限定与致动器歧管106流体连通的第一压力室130。或者，可设 想摇臂124独立于燃料喷射系统。
第二活塞组件114可包括在壳体134内可滑动并与活塞杆136联接的 活塞132。弹簧138设置在壳体134内并构造成沿第一方向推动活塞132。 活塞杆136可与摇臂140机械地联接并与排气门66相关联。活塞132和壳 体134构造成限定与致动器歧管106流体连通的第二压力室142。可设想 摇臂140与旋转凸轮轴、凸轮以及相关联的凸轮从动件(未示出)机械地 联接，从而将凸轮轴的旋转运动转变成排气门66的直线运动以便实现排气 门66的运动例3口打开和关闭。
控制阀144可构造成控制从致动器歧管106流向蓄积器148的加压流 体。具体来讲，控制阀144包括两位电磁致动阀。控制器50可构造成通过合适的控制信号影响控制阀144在第一位置和第二位置之间的移动，在所 述第一位置，允许加压流体从致动器歧管106流向蓄积器148，在所述第 二位置，阻止加压流体从致动器歧管106流向蓄积器148。可以设想在发 动机制动模式中，控制阀144处于第二位置，从而基本上没有流体流向蓄 积器148。还可设想在再生模式中，控制阀144处于第二位置以便允许液 压流体穿过控制阀144流经液压管线146并流向蓄积器148。还可设想控 制阀144包括构造成控制加压流体从致动器歧管106流向蓄积器148的任 何合适的阀，例如机械或液压致动的多位阀。
当控制阀144处于第一位置时，蓄积器148可通过通道150接收来自 致动器歧管106的加压流体。具体来讲，蓄积器148可以是固定容积蓄积 器并且包括设置于壳体156中的活塞152和弹簧154。活塞152和壳体156 可构造成与致动器歧管106流体连通的第三压力室158。可设想蓄积器148 是构造成蓄积任何量(例如小于、等于或大于第一活塞组件112的排量) 的加压流体的任何合适类型的蓄积器。由此，蓄积器148中蓄积的流体量 与控制阀144的操作相互配合使得排气门66的正时可调。
工业适用性
本发明的控制排气温度的系统适用于任何内燃机。本发明的系统可以 调节与内燃机相关联的一个或多个排气门的正时以便增加被导向下游部
件一一例如再生器、过滤器、催化转化器和/或本领域已知的任何其他部 件一一的排气的温度。下面说明气门致动系统72的操作。
控制器50响应来自输入装置76的信号进入发动机制动模式。在发动 机制动模式中，停止向内燃机12供应燃料。控制器50接收来自传感器80 的信号以便在发动机制动模式过程中建立合适的正时，从而当活塞接近压 缩冲程的上止点位置时通过打开与内燃机12的一个或多个气缸相关联的 排气门使得压缩空气从内燃机12的一个或多个气缸中释放。设想压缩空气 可以从任何数量的气缸中被释放以便有助于在特定的发动机制动模式中 (产生)希望的制动作用。在发动机制动模式中，控制器50向制动控制阀84传递信号以便流体 联接供给端口 88和致动端口 100并阻止排放端口 108和贮液槽94之间的 流体连通。因此，来自低压供给源86的液压流体可流向液压歧管102并且 可以供液压致动系统98使用。当液压歧管102内的液压流体的压力克服止 回阀104时，加压流体可流向致动器歧管106、返回管线110并流向第一 压力室130和第二压力室142。止回阀104可以构造成通过当相关联的致 动器歧管106和返回管线110中的流体压力下降到低于预定压力时允许加 压流体从液压歧管102流动从而将可供气门致动系统98使用的加压流体保 持在预定压力下。在发动机制动模式中，控制阀144处于第二位置并且基 本上阻止加压流体从致动器歧管106、液压管线146朝向蓄积器148的流 动。
当制动控制阀84被启动时，活塞组件112例如"主"活塞组件可以用 作向活塞组件114例如"从动"活塞组件提供加压流体的泵。例如，第一 活塞组件112的活塞116响应凸轮126、凸轮从动件128和摇臂124的运 动而沿弹簧122的力的方向的直线移动可导致第二活塞组件114的活塞 132的直线移动。具体地，第一压力室130、致动器歧管106、返回管线110 和第二压力室142中的加压流体可不被释放且可使第二活塞组件114的活 塞132沿与弹簧138的力相反的方向移动。活塞杆136被向下推动靠接摇 臂140，该摇臂140推动排气门66至打开位置。排气门66的打开位置允 许压缩空气从气缸中排出，从而执行本领域已知的发动机制动功能。由此， 在发动机制动模式中，凸轮126的转动使得排气门66周期性地打开和关闭。 设想在某些实施方式中，在压缩冲程的上止点之前大约15度打开排气门 66。
当控制器50不在发动机制动模式中运行时，制动控制阀84不被致动 并且加压流体,皮阻止流向致动端口 IOO且排放端口 108可通过排出端口 92 与发动机贮液槽94流体连通。
可通过可变气门致动系统72调节排气门66的移动来增加导向发动机 12的下游的排气的温度。具体地，传感器52可向控制器50传递表明低于预定值的温度的信号并且控制器50可确定希望增加排气的温度。另外，控 制器50可接收来自传感器80的信号以便建立与曲柄轴相关联并由此与内 燃机12的活塞相关联的正时。例如，控制器50可确定合适的正时从而燃 烧空气和/或排气可从与排气门66相关联的活塞-气缸结构中被释放。即， 控制器50可构造成在活塞的做功冲程中打开排气门66。设想在某些实施 方式中，可在四冲程燃烧循环的做功冲程的上止点后大约20-30度打开排 气门66。
控制器50可向控制阀144传递信号以便将控制阀致动至第一位置。由 此，加压流体被允许流经控制阀144。控制器50还可以向制动控制阀84 传递信号以便致动该制动控制阀以便允许加压流体从供给端口 88流向致 动端口 IOO并阻止流体从排放端口 108流向贮液槽94。由此，来自低压供 给源86的加压流体可流向液压歧管102,克服止回阀104并流向致动器歧 管106。另外，加压流体可流向返回管线110、第一压力室130、第二压力 室142和第三压力室158。
与发动机制动模式中的操作相似，"主"活塞组件112可响应凸轮126 的转动用作向"从动"活塞组件114提供加压流体的泵。但是，控制阀144 -故致动至第一位置，这4吏得加压流体可流经控制阀144并流向蓄积器148。 由此，被活塞116排出的加压流体被导向活塞152和活塞132。在活塞152 移动并且蓄积器148 ^f皮填充后，活塞132可沿与弹簧138的力相反的方向 移动。由此，第二活塞组件114的活塞杆136被向下推动靠接摇臂140以 《更推动排气门66到达打开位置。排气门66的打开位置使得燃烧空气和/ 或排气流经排气出口68。由于蓄积器148、特别是活塞152的位移使得活 塞132的移动延迟，在某些实施方式中可控制排气门66在做功冲程的大约 20°-30°处打开。
可设想预先确定液压系统98的排气门66的打开和正时以便在内燃机 12的下游产生希望量的高温排气。另外，蓄积在蓄积器148中的流体的量 可影响第二活塞组件114的排出量。例如，如果蓄积器148蓄积了由第一 活塞组件112排出的全部流体量，则第二活塞组件114不能移动。另外，可控制控制阀148的致动以便限制被允许流向蓄积器148的流体的量。例 如，假定蓄积器148能够蓄积由第一活塞组件112排出的全部流体量，则 可将控制器50配置成朝向第 一位置移动控制阀144从而基本上阻止来自第 一活塞组件112的流体流向蓄积器148。由此，即使蓄积器148能够蓄积 更多的流体，控制阀144也将限制蓄积的流体的量。由此，可以控制蓄积 器148的尺寸和控制阀144的致动，从而可在基本上没有致动排气门66 和排气门66的致动相对于发动机制动模式的正时基本上没有变化之间无 限制地调节排气门66的可变正时。另外，当蓄积器148蓄积的流体少于由 第一活塞组件112排出的流体时，可将控制阀144控制至第一位置以侵_使 得流体流向蓄积器148，蓄积器148可以吸收一部分由第一活塞组件112 排出的流体，而由第一活塞组件112排出的流体的剩余部分可移动第二活 塞组件114。由此，可以确定蓄积器148的尺寸以便吸收给定量的由第一 活塞组件112排出的流体并且可以实现排气门66的特殊的可变正时。设想 可以在做功冲程中打开与内燃机12的一个或多个活塞-气缸结构相关联的 任何数量的排气门。
由于控制器50可在不希望制动模式时通过控制制动控制阀84而允许 加压流体流向液压系统98并且通过控制控制阀144而允许加压流体流向蓄 积器148,所以活塞116引起的流体排量可被吸收在蓄积器148内。另外， 排气门66可在做功冲程的上止点后大约20。-30。打开，由此，高温排气被 输送至内燃才几12的下游。
本领域的技术人员应该显见，可以对本发明的控制排气温度的系统进 行各种修改和变型。通过阅读本说明书的描述以及公开的方法和装置的实 施，其他实施方式对本领域的技术人员来说是显而易见的。本说明书和示 例仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附的权利要求及其等同物表明。
权利要求
1. 一种用于向发动机下游的至少一个部件提供排气的可变气门致动系统(72)，包括低压流体源(86)；发动机贮液槽(94)；设置在发动机气缸中的排气门(66)；与所述发动机气缸的排气门可操作地连接的液压致动系统(98)；与所述液压致动系统可操作地连接的制动控制阀(84)；流体蓄积装置(148)；和用于流体地联接所述液压致动系统和所述蓄积装置的流体联接装置(144)。
2. 根据权利要求l所述的系统，其特征在于，所述制动控制阀进一步构造成选择性地允许流体从低压流体源向发动机歌液槽流动。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述制动控制阀可操作以便在阻断低压流体源的同时流体地联接所述液压致动系统与所述发动机贮液槽或者在阻断发动机贮液槽的同时流体地联接所述液压致动系统与所述低压流体源。
4. 根据权利要求l所述的系统，其特征在于，所述系统还包括构造成致动所述流体联接装置和所述制动控制阀的电子控制模块(50)。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述流体联接装置包括两通电磁控制阀且所述电子控制模块使得所述两通电磁控制阀能够打开和关闭。
6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括发动机，在该发动机的燃烧循环中，在做功冲程的上止点后大约20。-30。所述排气门打开。
7. 根据权利要求l所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述制动控制阀联接的液压歧管，该液压歧管与所述液压致动系统流体地联接。
8. —种向发动机系统下游提供排气的方法，所述发动机系统在发动机制动系统的制动控制阀(84)、低压流体源(86)、液压致动系统(98)、具有第一压力室(130)的第一活塞组件(114)、具有第二压力室(142)和排气门(66)的第二活塞组件(114)、控制阀(144)和具有第三压力室(158)的流体蓄积装置(148)之间具有流体连接，所述方法包括使控制阀打开以便允许流体流向蓄积装置的第三压力室；将来自低压流体源的流体供应至所述制动控制阀；使所述制动控制阀向所述液压致动系统供应流体，所述液压致动系统与所述制动控制阀可操作地连接；通过所述液压致动系统供应流体以便填充第一活塞组件的第一压力室；使第一活塞组件流体地填充所述蓄积装置的第三压力室；并且使所述第二活塞组件基于所述第一活塞组件和蓄积装置的操作打开所述排气门。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一活塞组件的操作包括流体地填充所述第一压力室和所述第三压力室。
10. —种用于提供再生过程中使用的排气的可变气门致动系统(72 )，包括根据权利要求1-7中任一项所述的可变气门致动系统；第一活塞组件(112);和与发动机气缸的排气门(66)可操作地连接的第二活塞组件(114)，其中所述第二活塞组件与所述第 一活塞组件可操作地连接。
全文摘要
本发明公开了一种用于向发动机下游的至少一个部件提供排气的可变气门致动系统(72)。该系统包括低压流体源(86)、发动机贮液槽(94)和布置在发动机气缸内的排气门(66)。该系统还包括与发动机气缸的排气门可操作地连接的液压致动系统(98)和与所述液压致动系统可操作地连接的制动控制阀(84)。该系统还包括流体蓄积装置(148)和用于流体地联接所述液压致动系统和所述蓄积装置的装置(144)。
文档编号F01L13/06GK101484667SQ200780024938
公开日2009年7月15日 申请日期2007年4月4日 优先权日2006年5月31日
发明者J·S·小皮皮什, R·L·米勒, S·O·康奈尔, T·R·麦克卢尔 申请人:卡特彼勒公司