用于车辆缓速的发动机制动方法与流程

本发明涉及机械领域，尤其涉及发动机领域，特别是用于车辆缓速的发动机制动方法。

背景技术：
:

已有技术中，车辆发动机的应用已有悠久的历史，发动机的常规点火运作为人熟知。举例来说，四冲程的柴油发动机按照周期反复运作，每一周期内有进气冲程、压缩冲程、膨胀（或做工）冲程和排气冲程。在进气冲程中，发动机的活塞在汽缸内从上止点往下止点运动，发动机的进气门打开，将空气引入发动机的汽缸。接下来是压缩冲程，活塞从下止点往上止点运动，发动机的进气门和排气门都处于关闭状态，缸内的空气被压缩，在活塞抵达上止点附近，柴油喷入缸内与被压缩的空气混合并在接下来的膨胀（或做工）冲程内自燃，产生气体膨胀，将活塞从上止点往下止点驱动做工。最后是发动机的排气冲程，活塞再次从下止点往上止点运动，发动机的排气门打开，将燃烧后的气体从缸内排出到排气管内，经过后处理之后进入尾气管排到大气中。

发动机制动技术也广为人知，只需将产生动力的发动机暂时转换为吸收能量的空压机。转换过程中切断燃油，除了常规的进、排气门在进、排气冲程期间开启之外，在发动机活塞压缩冲程接近结束时排气门再次打开，允许被压缩气体（制动时为空气）被释放，发动机在压缩冲程中压缩气体所吸收的能量，不能在随后的膨胀冲程返回到发动机的活塞，而是通过发动机的排气及散热系统释放掉。最终的结果是有效的发动机制动，减缓车辆的速度。

发动机制动技术的一个先例是由康明斯(Cummins)提供的美国专利号US 3220392 (1965)披露，该专利的发明利用液压传递，将喷油凸轮或邻近排气凸轮的运动传递给发动机的气门，在发动机常规气门运动的基础上，在压缩上止点附近增加压缩释放制动的排气门运动。该发明在制动运作期间，切断燃油。

由于在发动机制动期间切断燃油，没有燃烧做功，现有的发动机制动器不是靠自己的能量产生制动，而是一种被动的、由车辆运动反拖发动机做负功的装置，因此制动功率与发动机转速成正比。商用车的发动机在中、低转速（1100到1500rpm）的制动功率远低于高转速（2100到2500rpm）的制动功率。而这些车辆行驶中最常用的发动机转速恰恰是在中、低转速。因此，有必要提高发动机在中、低转速的制动功率。

纳威司达万国货运公司（Navistar International Transportation Corp.）在美国专利5634447号（1997年）公开了一种发动机制动方法，在发动机制动期间将小量燃油喷入一个涡轮增压、无中冷的发动机来增加发动机的制动功率。 在远离（超前）上死点的压缩冲程期间向发动机的汽缸内喷入少量的燃油。这少量的燃油燃烧，提升压缩期间的缸压和涡轮增压器的能量，从而增加制动功率。然而，当发动机带有中冷器（空气对空气）时，吸入发动机的空气温度大大降低，这样的低温空气对发动机制动期间喷入的燃油的燃烧带来困难，特别是在寒冷的气候，要在发动机处于中、低转速时点燃更是难上加难。第8类重型卡车都带有中冷器（空气对空气），而中、低转速正是这种卡车对发动机制动功率需求最大的时候。

马克卡车公司（Mack Trucks, Inc.）在美国专利6337447号（2002年）公开了一种类似的发动机制动方法，在发动机制动期间将小量燃油（5毫克/冲程）喷入一个涡轮增压、带中冷的发动机来增加发动机的制动功率。在发动机制动期间，为了避免中冷器对空气的冷却，从涡轮增压机出来的压缩空气绕过中冷器，从旁通管直接进入发动机的汽缸。这样缸内的气温更高，有利于超前喷入的燃油的燃烧。不过，从该专利公布的测试数据来看，中、低转速（1500rpm以下）的发动机制动功率增加很小或完全没有变化。这就表明，在发动机的中低转速时，燃油没有充分燃烧或根本没有燃烧。此外，很多发动机除了配置压缩释放型发动机制动器之外，还装有排气制动器，如中国市场上的排气蝶阀和欧洲沃尔沃的排气压力调节器（EPR）等排气限流装置。一旦排气制动器启动（限制排气管内的气流），涡轮增压器的作用减小甚至完全没有，进气大大减小，中冷器几乎不起作用。

事实上，马克卡车公司（Mack Trucks, Inc.）在美国专利6283091号（2001年）公开了联合制动（发动机压缩制动器与排气制动器一起使用）时，发动机的温度会非常地高，特别是在高转速（2000转/分以上）时，发动机的排气温度高达1200⁰F（649⁰C），缸内温度高达751⁰F（399⁰C）。这种由联合制动产生的发动机过热会导致燃油喷嘴嘴尖烧坏，因此提出了在发动机制动期间喷射小量燃油（1~30毫克/冲程）冷却燃油喷嘴嘴尖的发明。

技术实现要素：
：

本发明的目的在于提供用于车辆缓速的发动机制动方法，所述的方法要解决现有技术中发动机制动在中、低转速时制动功率太低的技术问题，尤其是要解决现有技术中发动机制动在中、低转速时发动机温度太低、燃油无法点燃或燃烧不充分的技术问题，还有发动机制动在高转速时发动机温度太高、燃油喷嘴嘴尖烧坏的技术问题。

本发明的一种用于车辆缓速的发动机制动方法包括以下步骤：

1. 将发动机在预定的转速下运行，

2. 调节发动机的排气压力，

3. 控制发动机的温度，

4. 当发动机汽缸内的活塞往压缩冲程的上止点运动、压缩缸内气体达到预定高的温度时，向汽缸内喷射预定量的燃油，

5. 让所述的燃油在压缩冲程期间燃烧，增加缸内的压力和温度，

6. 在活塞抵达压缩冲程的上止点之前，打开排气门，释放掉缸内被压缩和燃烧的气体。

进一步的，所述的调节发动机的排气压力的步骤包括下述过程之一或它们的组合：

1. 使用涡轮增压机调节发动机的排气压力，所述的涡轮增压机包括可变涡轮增压机，

2. 使用排气节流阀调节发动机的排气压力，所述的排气节流阀包括排气蝶阀，

3. 使用排气再循环系统调节发动机的排气压力，所述的排气再循环系统包括内排气再循环系统和外排气再循环系统。

进一步的，所述的内排气再循环系统采纳下述过程之一或它们的组合：

1. 在发动机的进气冲程期间除了常规的进气门开启之外，还打开发动机的排气门，

2. 在发动机的排气冲程期间除了常规的排气门开启之外，还打开发动机的进气门。

进一步的，所述的控制发动机的温度的步骤包括控制下述温度之一或它们的组合：

1. 发动机的缸内温度，

2. 发动机的排气温度，

3. 发动机的机油温度，以及

4. 发动机的冷却水温度。

进一步的，所述的向汽缸内喷射的燃油的预定量由下列参数之一或它们的组合决定：

1. 发动机的温度，

2. 发动机的转速，以及

3. 发动机制动的载荷极限。

进一步的，所述的预定量的燃油在所述的打开排气门之前喷入发动机的汽缸。

进一步的，缸内被压缩气体达到的所述的预定高的温度由燃油的燃点决定。

进一步的，所述的燃油包括柴油。

本发明的另一种用于车辆缓速的发动机制动方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

1. 将发动机在预定的转速下运行，

2. 调节发动机的排气压力，

3. 在发动机的常规进气门开启期间打开发动机的排气门，让发动机的排气管内的气体返回发动机的汽缸，

4. 将排气管内返回的气体与缸内的气体混合，提高缸内气体的可燃性，

5. 当发动机汽缸内的活塞往压缩冲程的上止点运动、压缩缸内的混合气体达到预定高的温度时，向汽缸内喷射预定量的燃油，

6. 让所述的燃油在缸内燃烧，增加缸内的压力和温度，

7. 在活塞抵达压缩冲程的上止点之前，打开排气门，释放掉缸内被压缩和燃烧的气体。

本发明的又一种用于车辆缓速的发动机制动方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

1. 将发动机在预定的转速下运行，

2. 在发动机的活塞抵达进气冲程的下止点附近时，向发动机的汽缸内喷入预定量的介质，增加缸内压力，

3. 增加活塞在压缩冲程中往上止点运动的阻力，

4. 在活塞抵达压缩冲程的上止点之前，打开排气门，释放掉缸内被压缩的气体和介质。

进一步的，所述的向汽缸内注入的介质包括下述流体之一或它们的组合：

1. 气体，所述的气体包括空气，

2. 液体，所述的液体包括水和燃油。

本发明的再一种用于车辆缓速的发动机制动方法，包括以下步骤：

1. 将发动机在预定的转速下运行，

2. 通过排气限流装置调节发动机排气管内的压力，

3. 向排气管内喷入预定量的空气，

4. 在发动机的活塞抵达进气冲程的下止点附近时，打开排气门，让排气管内的气体返回发动机的汽缸，增加缸内压力，

5. 增加活塞在压缩冲程中往上止点运动的阻力，

6. 在活塞抵达压缩冲程的上止点之前，打开排气门，释放掉缸内被压缩的气体。

进一步的，所述的排气限流装置包括下述系统之一或它们的组合：

1. 涡轮增压机，所述的涡轮增压机包括可变涡轮增压机，

2. 排气节流阀，所述的排气节流阀包括排气蝶阀。

进一步的，所述的喷入排气管的空气由一个喷气机构提供，所述的喷气机构包括空气压缩机、喷气管道和喷气阀，所述的喷气管道将空气压缩机的出口与发动机的排气管连通，所述的喷气阀设置在空气压缩机的出口或者在喷气管道上。

进一步的，所述的发动机预定转速在1000转/分到2000转/分之间。

进一步的，所述的发动机预定转速在1200转/分到1500转/分之间。

进一步的，所述的发动机制动包括四冲程发动机制动。

进一步的，所述的发动机制动包括两冲程发动机制动。

本发明的工作原理是：当发动机制动时，尤其是在发动机的中、低转速制动时，向发动机的汽缸内或者排气管中喷入某种介质，增加缸内压强，使得发动机的活塞在压缩冲程中的运动阻力增大，从而增加发动机的制定功率。当喷入的介质是燃油时，通过调节发动机的排气压力来控制发动机的温度，使得喷入缸内的燃油能够在压缩冲程期间充分燃烧，产生更大的活塞运动阻力和发动机制动功率。

本发明和已有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明大大提高了发动机中、低转速（车辆发动机实际使用中的常用转速）的制动功率，减少甚至避免了高转速的发动机制动，消除了高转速制动带来的高载荷和高排温等失效模式，改进了发动机制动运作的可靠性和耐久性。

附图说明：

图1是常规四冲程发动机的结构示意图。

图2是常规四冲程发动机点火运作时的气门升程的示意图。

图3a到图3f是本发明的发动机制动方法的实施例中发动机的活塞在汽缸中不同位置时发动机气门的开启、气体的流动和燃油喷射的示意图。

图4是四冲程发动机在压缩释放制动时的气门升程的示意图。

图5是本发明中的发动机制动方法的实施例中采纳的气门升程的示意图。

图6是本发明的发动机制动方法的另一个实施例中喷气机构往发动机的排气管内供气的示意图。

具体实施方式：

实施例1:

图1和图2用来描绘常规四冲程发动机的点火运作。一般的发动机都有多个汽缸，比如商用车上的发动机为直列六缸的柴油发动机。但为了简明起见，图1和图2只显示了一个发动机的汽缸和该缸的气门在一个周期内的运动。发动机的活塞33在汽缸35内做上下往复的周期运动。如上所述，四冲程发动机的每一个运动周期包括进气冲程、压缩冲程、膨胀（或做工）冲程和排气冲程。在进气冲程中，图1中的发动机活塞33在汽缸35内从排气上止点（图2中的360°）往进气下止点（图2中的540°）运动，发动机的进气门200打开，产生图2中的进气门型线321，将空气引入发动机的汽缸35。接下来是压缩冲程，活塞33从进气下止点往压缩上止点（图2中的720°或0°）运动，发动机的进气门200和排气门300都处于关闭状态，汽缸35内的空气被压缩，在活塞33抵达压缩上止点附近时，燃油（如柴油）喷入缸内与被压缩的空气混合并在接下来的膨胀（或做工）冲程内燃烧，产生气体膨胀，将活塞33从压缩上止点往膨胀下止点（图2中的180°）驱动做工。周期的最后是发动机的排气冲程，活塞33从膨胀下止点往排气上止点运动，发动机的排气门300打开，产生图2中的排气门型线220，将燃烧后的气体从汽缸35内排出到排气管22。注意到发动机的进、排气门的开启不完全限制在进、排气冲程之内，比如在排气上止点，进、排气门的开启有重叠。目前盛行的可变气门驱动，除了控制气门开启的高度之外，主要调节排气门的开启时间和进气门的关闭时间，达到发动机运作的高效率和低排放。

现有的发动机大都配置有图1所示的涡轮增压机2，以提高发动机的动力和效率。从发动机排气管22排出的废气驱动涡轮增压机2的涡轮6，带动同轴的空压机4，提高进气管8内的进气压力。由于压缩后的空气的温度增高，降低发动机的效率，所以被压缩的空气进入发动机的汽缸35之前，经过中冷器12冷却，然后由进气管18和进气门200进入汽缸35。此外，现有的发动机一般每一缸都配有四个气门，两个进气门，两个排气门，图1中显示的单个进气门200和单个排气门300只是示意作用。

本发明的发动机制动方法的第一个实施例可以通过图3a到图3f的示意图来说明。与图1中的常规四冲程发动机的结构相比，本实施例的图3a到图3f中增加了发动机制动器100和排气制动器28。发动机制动器100作用于排气门300，产生如图4所示的制动排气门升程曲线232。注意到常规点火运作的排气门升程曲线220和进气门升程曲线321保留不变。制动排气门升程曲线232的高度和周期都远小于点火运作的排气门升程曲线220。常规排气制动器28包括排气限流装置，比如这里的排气蝶阀和其它排气节流阀，通过排气管26连接在涡轮6的后面（也可以安置在涡轮6的前面）。事实上，涡轮增压机2，特别是越来越普遍使用的可变涡轮增压机，具有排气限流装置的功能，可以单独使用，或者与排气制动器28合用，而且它们都可以由发动机的控制模块（ECU）操作，控制发动机的排气压力。

本发明的发动机制动方法的第一个实施例的运作过程如下。将发动机在预定转速下运行，重卡发动机的制动转速的范围一般是1000到2000转/分，其中最常用的发动机制动转速为1200到1500转/分。图3a所示的是发动机制动周期中的进气冲程，发动机的活塞33在汽缸35内从排气上止点往进气下止点运动，发动机的进气门200打开，产生常规的进气门升程（图5中所示的常规进气门升程曲线321），将空气引入发动机的汽缸35。在活塞33接近进气下止点时（图3b），发动机制动器100将发动机的排气门300打开，产生如图5所示的排气再循环（EGR）的排气门升程曲线233。通过图3b中的涡轮增压机2，或者排气制动器28，或者两者的组合，对发动机的排气压力进行调节，使得排气管22内的压力高于汽缸35内的压力，排气管22内的废气通过打开的排气门200返回汽缸35，控制发动机的温度（包括排气温度、缸内温度、机油温度和冷却水温度），有助于提高缸内气体的压力、温度和可燃性。在接下来的压缩冲程内，活塞33从进气下止点往压缩上止点运动，发动机的进气门200和排气门300都处于关闭状态，汽缸35内的空气被压缩。在被压缩的气体达到预定高的温度（比如燃油的燃点）时，通过喷油器500向汽缸内喷射预定量的燃油（图3c）。燃油在高压和高温气体中自燃或通过火花点火燃烧。气体的燃烧进一步增加缸内的压强和温度以及活塞在压缩冲程中往上止点运动的阻力，发动机的制动功率随之增大。当活塞33接近如图3d所示的压缩上止点时，发动机制动机构100再次把排气门300打开，产生如图5所示的压缩释放的排气门升程曲线232，释放掉汽缸35内被压缩和燃烧的气体。在接下来的如图3e所示的膨胀冲程中，活塞33从压缩上止点往膨胀下止点运动，但由于活塞33上面没有气体的压力，无法向发动机的曲轴做功。发动机制动周期的最后是如图3f所示的排气冲程，活塞33从膨胀下止点往排气上止点运动，发动机的排气门300早已打开（图5中所示的常规排气门升程曲线220），活塞33需要克服排气压力往上运动，进一步增加制动功率。

上面所说的在发动机的排气冲程期间打开发动机的排气门300产生如图5所示的排气门升程曲线233的排气再循环为内排气再循环（iEGR），内排气再循环还可以是在发动机的排气冲程期间打开发动机的进气门200，此外内排气再循环的功能也有可能通过外排气再循环（eEGR）来实现。

还有，在发动机在压缩冲程中向汽缸内喷射燃油的预定量由下列参数之一或它们的组合决定：发动机的温度（尤其是缸内温度）、发动机的转速和发动机的制动载荷极限。如果缸内温度太低，或燃油的燃点太高，喷入太多的燃油将不能充分燃烧；如果太多的燃油产生过分的缸内压力，制动载荷将超过极限；而发动机的温度（包括缸内压力）和制动载荷与发动机的转速密切相关。

此外，上面所说的预定量的燃油最好在打开排气门之前喷入发动机的汽缸，以免未燃烧的燃油遗留在缸内。

实施例2:

本发明的发动机制动方法的第二个实施例与第一个实施例之间的区别在与本实施例向发动机汽缸内喷射的不但有燃油，还包括其它气体或液体介质，如空气和水等。尽管喷入的空气和水不能燃烧，但都有可能增加汽缸内的压力和活塞往上止点运动的阻力，从而增加发动机的制动功率。如果缸内温度足够高的话，喷入的水有可能变成蒸汽而增加缸内压强。

本实施例的工作过程和第一个实施例相似，在此不再复述。

实施例3：

本实施例与上述第一或第二实施例的区别在于本实施例不是直接向发动机的汽缸内喷射介质，而是向发动机的排气管内注入空气，然后通过调控发动机的排压和打开排气门，将注入排气管内的空气压入发动机的汽缸。

本实施例的发动机制动方法的运作过程可以通过图6来说明。与第一实施例相比，本实施例增加了一个喷气机构，包括空气压缩机41（一般商用车的柴油机上配置了空气压缩机）、喷气管道43和喷气阀45。喷气管道43将空气压缩机的一个出口与发动机的排气管22连通，而喷气阀45设置在空气压缩机的出口或者在喷气管道43上。当发动机在预定转速下运行时，通过排气限流装置（图6中的涡轮增压机2，或者排气制动器28，或者两者的组合）限制排气流量，调节发动机排气管22内的压力；通过喷气装置向排气管22内喷入预定量的空气；在发动机的活塞33接近如图6所示的进气冲程的下止点时，由发动机制动机构100打开排气门300，让排气管22内的气体压入发动机的汽缸35内（此时排气压力大于缸内压力），增加缸内压力。这样，增加活塞33在接下来的压缩冲程中往上止点运动的阻力和发动机的制动功率。最后，在活塞33抵达压缩冲程的上止点之前，通过发动机制动机构100再次打开排气门300，释放掉缸内被压缩的气体。

上述说明包含了很多具体的实施方式，这不应该被视为对本发明范围的限制，而是作为代表本发明的一些具体例证，许多其他演变都有可能从中产生。举例来说，这里的发动机制动方法可以用于不同的发动机，包括顶置凸轮发动机和推杆发动机；可以用于单气门发动机，亦可以用于两个以上气门的多气门发动机；可以用于两冲程的发动机制动，也可以用于四冲程的发动机制动。

此外，发动机制动向汽缸内喷射的介质可以是不同的物质，喷射的时间可以调节，其目的都是为了增加缸内的压力，使得活塞在缸内的运动阻力增大，从而增大发动机的制动功率。

还有，这里往发动机排气管内喷气的机构、方式和时间等都可以不同。

因此，本发明的范围不应由上述的具体例证来决定，而是由权利要求来决定。