内燃机 |
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| 申请号 | CN201480056729.9 | 申请日 | 2014-10-08 | 公开(公告)号 | CN105814357A | 公开(公告)日 | 2016-07-27 |
| 申请人 | 弗瑞瓦勒夫股份公司; | 发明人 | A·霍格伦德; U·卡尔森; C·冯科尼希斯埃格; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 内燃机 ，所述内燃机包括： 气缸 盖(6)，所述气缸盖包括可控的 发动机 阀 (8)，所述发动机阀布置成打开/关闭被包括在所述内燃机(1)中的 燃烧室 (7)；阀 致动器 (10)，所述阀致动器操作地连接到所述发动机阀(8)并且构造成使得所述发动机阀移动；和闭合压 力 流体 回路 ，其中，所述阀致动器(10)布置在所述闭合 压力流体 回路中。所述内燃机的特征在于，所述内燃机包括气缸盖室(13)，所述气缸盖室被包括在所述闭合压力流体回路中，所述气缸盖室由所述气缸盖(6)和气缸盖 覆盖 件(14)界定，所述阀致动器(10)包括带有出口(12)的 气动 压力流体回路，所述出口与所述气缸盖室(13)流体连通，并且所述气缸盖室(13)包括 液压液 体排放阀(36)，其中，排放 导管 (37)从所述液压液体排放阀(36)延伸到所述内燃机(1)的液压液体容器(38)，用于排出聚集在所述气缸盖室(13)中的液压液体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种内燃机，包括： |
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| 说明书全文 | 内燃机技术领域[0001] 本发明整体涉及一种内燃机，所述内燃机适于为车辆(诸如汽车或卡车、船等)或机器(诸如发电单元等)提供动力。所涉及的内燃机是凸轮轴自由活塞发动机，所述凸轮轴自由活塞发动机还以概念“具有自由阀的发动机”而为人所知。本发明特别地涉及一种内燃机，所述内燃机包括气缸盖，所述气缸盖包括：可控的发动机阀，所述可控的发动机阀布置成打开/关闭被包括在内燃机中的燃烧室；阀致动器，所述阀致动器操作地与所述发动机阀联接并且构造成使得所述发动机阀移动；和闭合压力流体回路，其中，所述阀致动器布置在所述闭合压力流体回路中。 背景技术[0002] 在凸轮轴自由内燃机中，压力流体(诸如液体或气体)用于实现一个或多个发动机阀的移动/打开。这意味着已经用更少体积要求以及更加可控的系统来替换凸轮轴和有关设备，传统内燃机使用所述凸轮轴和有关设备打开发动机阀，以使得空气进入从燃烧室出来的相应排出废气中。 [0003] 在构造成用于重要角动量输出的发动机中，燃烧室中的压力随增加的角动量输出成比例增加，打开所述阀致动器以关于燃烧室向内开口打开发动机阀所需的力因此也随增加的角动量输出成比例增加。在高转数(诸如6-8000rpm)的条件下，还需要非常快速地打开发动机阀，以便不会限制填充空气来将来自发动机气缸的排出废气相应排出。这些要求(即，在打开排气阀时在具有发动机的燃烧室内高反压的高性能发动机中需要在高频时极其快速的打开)需要阀致动器上游的压力流体的压力高，大约为8-30bar。 [0005] 阀致动器既采用气动又采用液压进行其操作，并且，在阀致动器解决方案中，由于不同流体之间的密封不是百分一百的紧密，因此气体和液压流体发生混合的风险很大，并且随着时间推移存在流体彼此产生消极影响的风险。 [0006] 此外，存在于发动机的传统油润液压系统中的液压液体压力对于阀致动器中的液压而言并非总是足以在阀致动器以高频产生快速运动时适当地起作用，如果压力流体的压力大于液压液体的压力，则压力流体将进入液压液体中并且与液压液体混合。 [0007] 发明目的 [0008] 本发明的目的是解决先前已知的内燃机的上述缺陷和缺点并且提供一种改进的内燃机。本发明的根本目标是提供一种初始限定类型的改进的内燃机，其允许压力流体和液压液体混合，而没有对内燃机的操作产生负面影响。 [0009] 本发明的另一目标是提供一种内燃机，所述内燃机实现了布置成与闭合压力流体回路连接的机械部件的自动润滑。 [0010] 本发明的再一个目标是提供一种内燃机，所述内燃机实现了对压力流体冷却。 [0011] 对发明特征的简要描述 [0013] 根据本发明，提供了一种初始限定类型的内燃机，所述内燃机的特征在于内燃机还包括气缸盖室，所述气缸盖室被包括在所述闭合压力流体回路中，所述气缸盖室由所述气缸盖和气缸盖覆盖件界定，所述阀致动器包括气动压力流体回路，所述气动压力流体回路构造成操作阀致动器，以使得可控的发动机阀移动，所述气动压力流体回路包括用于压力流体的出口，所述出口与所述气缸盖室流体连通，所述气缸盖室包括液压液体排放阀，其中，排放导管从液压液体排放阀延伸到内燃机的液压流体槽，用于排出聚集在气缸盖室中的液压液体。 [0014] 因此，本发明基于下述见解：在那些情况中，在阀致动器中或在闭合压力流体回路中的另一个位置中发生液压液体向压力流体的受控且非常有限的泄漏/供应，通过来自阀致动器的在气缸盖室中被清空的富含液压液体的增压空气来实现液压液体俘获(trap)，压力流体中的剩余液压液体以可控方式聚集并且被排出。因此实现了积极效果，诸如冷却压力流体以及润滑可动的机械部件，所述可动的机械部件布置成与闭合压力流体回路连接，而没有富含液压液体的压力流体引发与内燃机操作有关的问题的风险。 [0015] 根据本发明的优选实施例，气缸盖包括上表面，所述上表面构成气缸盖室的底表面，其中，液压液体排放阀布置在上表面中的凹陷部中。这样，确保不允许压力流体在液压液体排放阀打开时逃逸出，而不会在液压液体排放阀上方的凹陷部中一直存在一些量的液压液体。 [0016] 根据优选实施例，内燃机包括增压泵，所述增压泵位于液压液体歧管和内燃机的液压液体泵之间，所述液压液体歧管连接到阀致动器的液压回路。这意味着以足够压力一直将液压液体供给到阀致动器，与由内燃机的普通液压液体泵所产生的压力无关。 [0017] 在另一优选实施例中，液压液体歧管包括单向阀，所述单向阀布置在增压泵和阀致动器之间，所述单向阀构造成允许沿着朝向阀致动器方向的流动。这样，确保在关闭内燃机时压力流体没有被压入到液压液体中。 [0018] 优选地，液压液体歧管包括压力平衡元件。压力平衡元件表示因阀致动器的操作而造成液压液体歧管中流量的快速变化不会产生液压液体歧管中的液压液体的振动或气穴现象，这会干扰其它阀致动器的操作。 [0020] 参照附图，根据优选实施例的以下详细描述，对本发明的上述和其它特征和优势的更加全面的理解将变得更加显而易见，其中： [0021] 图1是内燃机的一部分的示意性侧剖视图； [0022] 图2是阀致动器的示意性侧剖视图； [0023] 图3是关于图1从侧部观察的内燃机的一部分的示意性侧剖视图； [0024] 图4是气缸盖和气缸盖覆盖件的示意性局部剖透视图； [0025] 图5是示出了一个可替代实施例的图3的示意性放大的局部图。 具体实施方式[0026] 初始参照图1，所述图1是整体用1表示的本发明内燃机的一部分的示意图。内燃机1包括具有至少一个气缸3的气缸组2。所述气缸组2通常包括三个或四个气缸3。在示出的实施例中，仅仅参照了一个气缸3，但是应当认识到的是，关于示出的气缸3，下文描述的设备优选地应用于内燃机1的所有气缸，在本实施例中，内燃机包括多个气缸。 [0027] 而且，内燃机1包括活塞4，所述活塞4能够在所述气缸3内轴向移动。活塞4的运动(来回轴向移动)被以传统方式传递到与活塞4连接的连接杆5，连接杆5继而连接到曲柄轴(未示出)并且驱动所述曲柄轴转动。 [0028] 内燃机1还包括气缸盖6，所述气缸盖6与所述气缸3和所述活塞4一起界定了燃烧室7。在燃烧室7中，以传统方式点燃燃料和空气的混合物并且在此将不再对其进行描述。气缸盖6包括至少一个可控的第一发动机阀8，所述可控的第一发动机阀8还被称为气体交换阀。在示出的实施例中，气缸盖还包括可控的第二发动机阀9。一个发动机阀8在示出的实施例中构成进入阀，所述进入阀布置成选择性地打开/关闭将空气供到燃烧室7中的供应，而第二发动机阀9在示出的实施例中构成空气排出阀或排气阀，所述空气排出阀或排气阀布置成选择性打开/关闭以将废气从燃烧室7排出。 [0029] 内燃机1还包括整体用10表示的第一阀致动器，所述第一阀致动器10操作地连接到所述第一发动机阀8，并且布置在内燃机1的闭合压力流体回路中。阀致动器10包括气动的压力流体回路，其具有用于压力流体的至少一个入口11和用于压力流体的至少一个出口12。压力流体是气体或者气体混合物，优选的是空气或氮气。空气的优势在于其易于改变压力流体或者若闭合压力流体回路发生泄漏则供应更多的压力流体，而氮气的优势是没有氧气，这防止其它元件氧化。 [0030] 在内燃机包括若干个阀致动器的情况中，所述若干个阀致动器相互平行地布置在所述闭合压力流体回路中。每个阀致动器均可与一个或多个发动机阀操作地连接，所述内燃机例如可包括两个进气阀8，所述进气阀8由同一阀致动器10联动驱动。然而，优选的是每个阀致动器各操作一个发动机阀，以实现针对内燃机1的操作的最大程度的可控性。 [0031] 内燃机的以下描述将仅仅包括一个发动机阀8和一个阀致动器10，但是应当意识到的是，除非另有说明，否则对应的内容也应用于所有的发动机阀和阀致动器。 [0032] 内燃机1还包括气缸盖室13，所述气缸盖室13形成所述闭合压力流体回路的一部分，并且由所述气缸盖6和至少第一气缸盖覆盖件14界定。在示出的实施例中，气缸盖覆盖件14被分成两个部分，所述两个部分各自通过螺栓可附接到气缸盖6以及可从气缸盖6释放。气缸盖室13优选地拥有大约3-10升的容积，典型地大约为5-6升。在一个可替代实施例中，存在仅仅一个气缸盖覆盖件14，该气缸盖覆盖件与气缸盖6一起界定了气缸盖室13。 [0033] 阀致动器10的至少一个出口12与气缸盖室13流体连通，即，经由所述至少一个出口12离开阀致动器10的压力流体流出到气缸盖室13中。在内燃机1包括若干个阀致动器的那些情况中，用于压力流体排放的阀致动器的所有出口皆位于同一气缸盖室中。 [0034] 优选地，整个阀致动器10布置在所述气缸盖室13中，并且还优选的是阀致动器10例如通过螺栓16或类似的保持器件而可释放地连接到所述气缸盖覆盖件14。在这个实施例中，阀致动器10因此“悬挂”在气缸盖覆盖件14中，而没有与气缸盖6接触。如果阀致动器10应当与气缸盖覆盖件14和气缸盖6都接触，则导致了构造方式的不利公差链。 [0035] 现在参照图2，图2示出了阀致动器10的示意图。 [0036] 阀致动器10包括致动器活塞盘17和致动器缸体21，界定了向下开放的气缸体积。致动器活塞盘17将所述气缸体积分成第一上部部分19和第二下部部分20，并且在所述致动器缸体21中轴向移动。致动器活塞盘17形成整体用21表示的致动器活塞的一部分，所述致动器活塞布置成接触并且驱动所述第一发动机阀8。致动器活塞还包括游隙消除器件22，其用于相对于所述第一发动机阀8沿着轴向方向消除游隙。游隙消除器件22优选的是液压驱动的，并且确保在第一发动机阀8关闭时，当致动器活塞盘21处于其上改向位置中时，致动器活塞21保持与第一发动机阀8接触，用于校正组装公差、热膨胀等。因此，通过游隙消除器件22来调节致动器活塞21的轴向长度。 [0037] 阀致动器10的缸体体积的另一部分20与所述气缸盖室13流体连通。这样，当致动器活塞21处于上改向位置中时，确保同样的压力从气缸体积的第一部分19以及相应地从气缸体积的第二部分20作用在致动器活塞盘17上。由此，致动器活塞盘17和致动器缸体12之间的密封并不重要，而是可允许发生一些泄漏，用于最小化致动器活塞盘17移动的阻力，并且在停止位置中致动器活塞盘不受低压水平改变的影响。 [0038] 阀致动器10包括：可控的进入阀23，所述可控的进入阀23布置成打开/关闭入口12；可控的排出阀27，所述可控的排出阀27布置成打开/关闭出口11；液压回路，所述液压回路整体用25表示并且继而包括单向阀26，所述单向阀26布置成允许填充液压回路25；和可控的清空阀27，所述可控的清空阀27布置成控制对液压回路25的清空。应当指出的是，示意性示出了阀致动器10中的阀，并且例如可由滑动阀、座阀等构成所述阀。而且，可以由单体构成上述可控阀中的若干个阀。还可直接或间接电控制各个阀。直接电控制表示通过例如电磁装置直接控制阀的位置，而间接电控制表示由压力流体控制阀的位置，所述压力流体继而由例如电磁装置控制。 [0039] 为了实现致动器活塞盘17向下运动以打开发动机阀8，打开进入阀26，以允许将高压压力流体填充到气缸体积的上部部分19中。当致动器活塞21向下移动时，液压回路25的单向阀26打开，因此吸入液压液体并且取代致动器活塞21留下的容积。此后，进入阀23关闭并且允许已经进入缸体容积的上部部分19中的压力流体膨胀，因此致动器活塞盘17继续向下运动。当缸体体积中的上部部分19中的压力流体不能使得致动器活塞盘17更远移动时，即，当作用在致动器活塞盘17的下侧上的压力和发动机阀8的回位弹簧28与致动器活塞盘17的上侧上的压力一样大时，致动器活塞盘17停止。通过在液压回路25的单向阀26自动关闭的同时保持液压回路25的清空阀27闭合而将致动器活塞盘17保持(锁定)在其下方位置中一段期望的时间。为了实现返回运动，打开排出阀24，以便允许压力流体从气缸体积的上部部分19排出，并且还打开液压回路25的清空阀27，因此致动器活塞盘在从液压回路25排出液压液体时向上移动，并且同时，压力流体从气缸体积的上部部分17排出到气缸盖室13。 [0040] 现在主要参照图3，图3特别地示出了气缸盖和气缸盖覆盖件的示意性局部剖视图。 [0041] 气缸盖覆盖件14包括压力流体歧管29，所述压力流体歧管29连接到阀致动器10的至少一个入口11。压力流体歧管29沿着气缸盖覆盖件14的轴向长度延伸。所述压力流体歧管29形成第一压力流体通道30的一部分，所述第一压力流体通道30从压缩机31延伸到阀致动器10的至少一个入口11。压缩机31布置成将处于高压下的压力流体供应到阀致动器。而且，第二压力流体通道32(也见图1)从气缸盖室13延伸到所述压缩机31。 [0042] 高压侧的第一压力流体通道30的容积将保持尽可能地小，使得压力流体的温度从压缩机31至阀致动器10尽可能小地下降。另一方面，低压侧的气缸盖室13和第二压力流体通道32的容积将最大化，使得当压缩机31从低压侧拉动气体/压力流体时尽可能小地影响低压侧和高压侧之间的压力比。优选地，气缸盖室13和第二压力流体通道32的容积至少是第一压力流体通道30的容积十倍，最为优选地为至少15倍。 [0043] 压缩机31具有可变的压缩机容积/排量，或通过其他方式可调的流出量，通常，由内燃机1的曲柄轴驱动压缩机31。在高转数和高转矩输出的条件下，要求第一压力流体通道30中的压力流体压力较高，而在低转数和低转矩输出的条件下，要求第一压力流体通道30中的压力流体压力较低。 [0044] 在足够速度的条件下大约为8-30bar的作用在高压侧上的压力水平打开向内开口的发动机阀，其中，在内燃机中存在高背压，而作用在低压侧上的压力水平大约为4-8bar，以便实现低于1:4的压力比，优选地压力比低于1:3。目的在于保持第一压力流体通道30中的压力流体的温度在正常操作条件下低于120℃，以避免氧化存在于压力流体中的液压流体雾，然而，可允许温度高达150℃一段很短时间。 [0045] 气缸盖覆盖件14还包括液压液体歧管33，所述液压液体歧管33与阀致动器10的所述液压回路25的入口34连接。液压液体歧管33平行于压力流体歧管29沿着气缸盖覆盖件14的轴向长度延伸。气缸盖覆盖件14还包括所有必需的电气设施(未示出)，尤其用于控制第一阀致动器10，用于各种传感器等。 [0046] 阀致动器10采用了气动以及液压来进行其操作，并且在阀致动器10操作期间，允许来自液压回路25的液压液体以受控且非常有限的方式泄漏到阀致动器10的压力流体回路中的气体。液压液体和气体形成气溶胶或者具有液压液体雾的压力流体，其经由气缸盖室13的出口12清空。液压液体雾产生积极效果，诸如润滑阀致动器10和压缩机31以及冷却压力流体。液压液体优选是润滑油，并且优选地由内燃机1的常规机油构成液压液体。 [0047] 当气缸盖室13中的压力流体饱和时，液压液体的一部分将形成液滴，所述液滴被收集在气缸盖6的上表面35上，所述上表面35构成气缸盖室13的底表面。气缸盖室13包括液压液体排放阀36，所述液压液体排放阀36构造成经由排放导管37从气缸盖室13排放多余的液压，所述排放导管37从液压液体排放阀36延伸至内燃机1的液压液体容器38。液压液体排放阀36布置在气缸盖6的上表面35上。 [0048] 液压液体排放阀36优选地是电控制的，并且将其偏压到排放导管37闭合位置，用于确保若发生任何控制故障则关闭液压液体排放阀36，以防止压力流体逃逸出。液压液体液位传感器39布置在气缸盖室13中并且操作地连接到液压液体排放阀36。液压液体液位传感器39可直接操作连接到液压液体排放阀36，用于形成所谓的自动单元，或可以经由控制单元(未示出)与液压液体排放阀36间接操作连接，所述控制单元优选地由发动机控制单元或阀致动器控制单元构成。液压液体液位传感器39应当优选地在预定液压液体水平的条件下打开液压液体排放阀36而在另一个预定液压液体水平的条件下关闭液压液体排放阀36。可替代地，液压液体液位传感器39可以在预定液压液体水平条件下打开液压液体排放阀36而在预定时间之后关闭。 [0049] 在一个优选实施例中，液压液体排放阀36位于气缸盖6的上表面35的凹陷部40中。更加优选地，液压液体排放阀36至少位于所述上表面35下方的四厘米处，并且另外液压液体液位传感器39优选地位于液压液体排放阀36和气缸盖6的上表面35之间，其中，液压液体应当一直位于液压液体排放阀36的上方，以确保在液压液体排放阀打开时压力液体不会经由液压液体排放阀36逃逸出。优选地，气缸盖6的上表面35朝向液压液体排放阀36向下倾斜。此外，第二压力流体通道在气缸盖室13中的高于气缸盖6的上表面的高度处进行排放，以便确保液压液体不会沿其被拉至压缩机31。 [0050] 为了确保在压力流体中存在足够量的液压液体雾抵达压缩机31以充分润滑压缩机31，内燃机1可以包括喷嘴41，所述喷嘴41布置成将液压液体供应到压力流体，所述喷嘴41布置在所述第二压力流体通道32中或与压缩机31的入口连接。根据第一实施例，喷嘴41向压力流体连续提供了液压液体。在一个可替代实施例中，经由可控的喷嘴31提供了液压液体，用于能够连续优化压缩机31的润滑和压力流体的温度。 [0051] 优选地。内燃机1包括增压泵42，所述增压泵42位于导管43上、在液压液体歧管33和液压液体容器38之间，用于在液压液体歧管33中产生压力，所述压力比气缸盖室13中的压力大至少2bar。优选地，增压泵42位于液压液体歧管33和内燃机1的传统油泵44之间。增压泵42可经由电马达电控制或者可由高压侧的压力流体或来自内燃机1的机油压力的液压来机械控制，所述增压泵还称为伺服泵或增压器。增压泵42可以由具有旋转活塞的泵或者具有驱动活塞的双活塞泵构成，所述驱动活塞的面积大于其泵活塞的面积。 [0052] 机械控制的增压泵42构造成尽可能快地泵送，即，增压泵42的流出压力一下降到低于已确定的流出压力就立即泵送，面积关系布置成产生所述已确定的流出压力，这导致或多或少的恒定流出压力。 [0053] 电控制的增压泵42与控制单元操作地连接，并且另外，液压液体歧管33包括压力传感器45，所述压力传感器45与增压泵42操作地连接，以确保存在于液压液体歧管33中的压力最优。 [0054] 为了防止在关闭内燃机1并且增压泵42停止工作时压力流体经由液压液体歧管33从闭合压力流体回路泄漏，单向阀46布置在增压泵42和阀致动器10之间，所述单向阀46构造成允许沿着朝向阀致动器10方向的流动。阀致动器10和单向阀46之间的液压流体的压力因阀致动器10中发生泄漏而下降，并且当液压液体压力等于气缸盖室13中的压力时，实现了均衡并且防止压力流体泄漏到液压液体歧管33中。此外，过滤器47可布置在增压泵42和阀致动器10之间，用于防止液压液体中的颗粒进入到阀致动器10中并且破坏阀致动器10。 [0055] 现在参照图5。在示出的实施例中，液压液体歧管33包括压力平衡元件48，所述压力平衡元件48沿着液压液体歧管33的轴向长度全部或一部分延伸。压力平衡元件48用于防止源自液压回路25的入口34的脉冲所导致的液压液体歧管33中的液压液体中的气穴或振动。沿着液压液体歧管33的整个轴向长度或一部分延伸的压力平衡元件48的优势是压力平衡元件48定位成与每一个阀致动器10的用于液压的入口直接连接。 [0056] 压力平衡元件48可例如由柔性气体填充管或柔性材料管构成。在具有气体填充管的实施例中，管可以包含大隔间或若干个较小的隔间，可替代地，气体填充管可以包含泡沫，所述泡沫具有更大量的充气泡体。在另一个可替代实施例中，多孔材料带或挠性材料带可以构成压力平衡元件48，例如，氯丁橡胶带或另一种抗油橡胶带。若干个充气隔间或泡体的优势在于即使一个隔间/泡体破裂，也会使整体功能受到的影响最小。 [0057] 本发明的可设想的变型 [0058] 本发明并不仅仅局限于上述以及在附图中示出的实施例，所述实施例仅仅用于进行说明和举例。本专利申请旨在涵盖在此描述的优选实施例的所有变型和改变，并且因此本发明由所附权利要求的语句限定并且因此能够以处于所附权利要求的框架内的所有可设想的方式来修改设备。 [0059] 还应当指出的是，应当根据附图定向的设备来理解/解读关于/涉及诸如上方、下方、上、下等术语的所有信息，其中，附图以使得能够以正确方式解读附图标记的方式定向。结果，这些术语仅仅表示示出的实施例中的相对关系，如果根据本发明的设备设置有另一种构造/设计，则可改变这些关系。 [0060] 应当指出的是，即使没有明确指出具体实施例中的特征可与另一个实施例的特征组合，但是当有可能时该组合应当视为是显而易见的。 |
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