发动机四冲程制动系统和方法与流程

1.本发明涉及机械领域，尤其涉及发动机气门驱动领域，特别是一种发动机四冲程制动系统和方法。

背景技术：

2.已有技术中，车辆发动机的常规气门驱动为人熟知，其应用已有一百多年的历史。常规气门驱动利用常规气门致动器(包括常规摇臂)控制发动机气门的运动，用于发动机的常规点火运作。但由于对发动机燃油效率、尾气排放和发动机制动的额外要求，越来越多的发动机采用可变气门驱动，包括发动机制动。发动机制动器已经在商用车发动机上广泛应用。目前市场上采用的是发动机四冲程制动，也就是在发动机的一个周期(四冲程：进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程)内只在压缩冲程快结束时(压缩上止点附近)做一次压缩释放制动。发动机两冲程制动则是在一个周期(四冲程)内分别在压缩上止点附近和膨胀上止点附近做两次压缩释放制动。所以，从理论上来说，两冲程制动的功率应该是四冲程制动的两倍。但是由于两冲程制动需要发动机停缸，也就是在制动时取消发动机点火的气门升程，技术难度大，机构复杂，成本高昂，至今没有产品。
3.发动机四冲程制动的一个先例是由康明斯(cummins)提供的美国专利号us 3,220,392披露，根据该专利所制造的发动机制动系统在商业上很成功。不过，此类发动机制动系统为顶置在发动机上的附件。为了安装该发动机制动器，在汽缸和阀盖之间要添加垫圈，因此，额外地增加了发动机的高度、重量及成本。此外，康明斯制动器采用液压连接驱动气门，有液压的三高(高载荷、高泄漏和高变形)以及液压千斤顶等问题。
4.美国专利us 5,937,807和us 5,975,251(1999年)披露了另一种四冲程制动，增加制动排气摇臂，与常规排气摇臂(又叫点火排气摇臂)并排地安置在摇臂轴上，制动时制动排气摇臂只驱动两个排气气门中的一个，驱动方式仍然是液压连接。
5.美国专利us 4,572,114(1986年)和us 5,537,976(1996)披露了发动机两冲程制动的装置和方法，其中包括凸轮驱动、液压连接、高速电磁阀和电子控制等手段，得到不同的气门运动，实现发动机点火或发动机制动。由于每一个周期内，电磁阀都需要开启至少一次，对电磁阀的可靠性和耐久性有特别高的要求。加上液压驱动的其它问题，如气门落座速度的控制、发动机的冷启动等等，该发明也没有得到实际应用。
6.美国专利us 6,293,248(2001年)披露了另一种发动机两冲程制动的装置和方法。采用四根摇臂：停缸排气摇臂，制动排气摇臂，停缸进气摇臂和制动进气摇臂驱动发动机的气门，结构与控制都很复杂，而且采用的也是液压驱动打开发动机的气门。
7.美国专利us 8,936,006(2015年)年披露了一种类似2001年美国专利的发动机两冲程制动装置和方法，也是采用四根摇臂：停缸排气摇臂，制动排气摇臂，停缸进气摇臂和制动进气摇臂。其中的停缸机构是集成在发动机气门桥内的运动丢失机构，制动排气摇臂和制动进气摇臂都是液压驱动打开一个气门(发动机点火时开双气门)，制动气门升程受气门桥倾斜的影响，可靠性和耐久性是一大难题。

技术实现要素：

8.本发明提供一种发动机四冲程制动系统，在提高发动机制动功率的同时，解决现有发动机制动技术中结构与控制复杂、可靠性与耐久性差、液压驱动“三高”、成本昂贵和无法成为产品等问题。
9.本发明提供一种发动机四冲程制动系统，包括制动进气凸轮和一个半摇臂，用于驱动发动机的常规进气摇臂，产生所述发动机制动的进气气门升程，所述的半摇臂内设有连杆活塞机构，所述的连杆活塞机构包括第一连杆，第二连杆和连接活塞，第一连杆的一端和第二连杆的一端转动式地相连，第一连杆的另一端与所述的半摇臂转动式地相连，第二连杆的另一端与连接活塞的一端转动式地相连，第一连杆和第二连杆之间的收缩与伸展改变连杆活塞机构的长度，用来丢失与传递所述制动进气凸轮的运动，当连接活塞将第一连杆和第二连杆拉直时，连接活塞的另一端与所述的常规进气摇臂相连，将制动凸轮的运动传递给发动机的进气气门。
10.进一步的，所述的半摇臂和发动机的常规摇臂并排地安置在发动机的摇臂轴上，发动机制动时，发动机的油压驱动半摇臂内的连接活塞将第一连杆和第二连杆拉直，连接活塞作用于常规进气摇臂靠近发动机进气气门的一端，产生所述发动机制动的进气气门升程。
11.进一步的，所述的转动式地相连包括柱面连接。
12.进一步的，所述的转动式地相连包括柱球面连接。
13.进一步的，还包括防飞脱弹簧，所述的防飞脱弹簧将所述的半摇臂推向发动机的制动进气凸轮。
14.进一步的，还包括预紧弹簧，所述的预紧弹簧使上连杆和下连杆之间的夹角减小、连杆活塞机构变短。
15.进一步的，还包括弹簧活塞，弹簧活塞的一侧包括所述的预紧弹簧，弹簧活塞的另一侧可以承受油压作用。
16.本发明提供一种发动机四冲程制动方法，采用四个摇臂驱动发动机的气门，所述的四个摇臂包括常规排气摇臂、制动排气摇臂、常规进气摇臂和制动进气摇臂，在发动机四冲程制动期间，
17.a.利用常规排气摇臂，产生与发动机点火时相同的排气气门升程，
18.b.利用制动排气摇臂，产生发动机四冲程制动的制动排气气门升程，
19.c.利用常规进气摇臂，产生与发动机点火时相同的进气气门升程，和
20.d.利用制动进气摇臂，在发动机的膨胀冲程打开发动机的进气气门，
21.产生发动机的制动进气气门升程。
22.进一步的，所述的四个摇臂为固链式机构，将发动机凸轮运动通过固体连接方式传递给发动机的气门。
23.进一步地，所述的发动机制动进气气门升程在发动机的压缩上止点之后打开，在发动机的膨胀下止点附近关闭，其高度小于发动机点火时的进气气门升程。
24.进一步地，所述的制动进气摇臂包括半摇臂，所述的半摇臂驱动常规进气摇臂产生发动机制动的进气气门升程。
25.进一步的，所述发动机四冲程制动的排气气门升程包括：
26.a.在发动机压缩上止点附近的压缩释放的排气气门升程，和
27.b.在发动机进气下止点附近的排气循环的排气气门升程。
28.进一步的，所述发动机四冲程制动的排气气门升程来自发动机的单个排气门。
29.本发明和已有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明的发动机四冲程制动系统和方法采用固链式摇臂，通过固体连接方式传递载荷，特别是保留常规进/排气摇臂和由其产生的常规进/排气气门升程，只在常规的发动机四冲程制动的基础上，增加制动进气气门升程(第二次进气气门升程)和发动机气缸进气，提高排气冲程期间的排气阻力，增加制动功率，具有结构简单可靠、制造组装容易、降低成本和应用广泛等优点。
附图说明
30.图1是发动机常规运作(点火)时进、排气气门升程的示意图。
31.图2是发动机四冲程制动时进、排气气门升程的示意图。
32.图3是本发明的发动机四冲程制动的进、排气气门升程的示意图。
33.图4是本发明的发动机四冲程制动的四个摇臂的示意图。
34.图5是本发明的制动进气摇臂采用固链式制动机构的一种具体结构中连杆活塞机构缩回状态的示意图。
具体实施方式
35.图1是现有技术中发动机点火时进、排气气门升程的示意图。发动机常规点火的气门运动是公知常识。发动机的排气凸轮驱动常规(点火)排气摇臂，在发动机的排气冲程打开排气门，排出燃烧后的废气。排气门的气门升程20(图1中的细实线)在发动机的膨胀(做功)下止点之前开启，到发动机的排气上止点之后关闭。发动机的进气凸轮驱动常规(点火)进气摇臂，在发动机的进气冲程打开进气门，吸入新鲜的空气。进气门的气门升程30(图1中的粗实线)在发动机的排气上止点之前开启，到发动机的进气下止点之后关闭。特别值得指出的是，发动机的功能主要是点火产生正功率。无论是发动机二冲程制动还是发动机的四冲程制动，都必须保证在发动机点火时具有图1所示的进、排气气门升程20和30。
36.图2是现有技术中发动机四冲程制动时进、排气气门升程的示意图。发动机四冲程制动的气门运动也为人熟知，其生成的方法很多，目前应用最广的一种是排气制动凸轮通过制动排气摇臂驱动发动机的气门。发动机制动时，除了保留发动机常规点火的排气气门升程20和进气气门升程30之外，增加了发动机制动的排气气门升程201和204(图2中的细虚线)。其中排气气门升程201为压缩释放制动气门运动，发生在发动机压缩上止点附近(压缩上止点之前开启，压缩上止点之后关闭)，用来释放发动机压缩冲程期间在气缸内被压缩的高压气体(空气)；排气气门升程204为排气循环制动气门运动，发生在发动机进气下止点附近(进气下止点之前开启，进气下止点之后关闭)，使得排气管内的气体在进气气门关闭附近反充气缸，增加制动功率。
37.图3是本发明的发动机四冲程制动的进、排气气门升程的示意图。与图2显示的现有技术的发动机四冲程制动不同的是在发动机的膨胀(做功)冲程期间增加了制动进气气门升程302(图3中的粗虚线)，也叫第二进气气门升程(在进气冲程产生的进气气门升程30为第一进气气门升程)，它在压缩上止点之后开启，膨胀下止点附近关闭。相对于点火进气
气门升程30，制动进气气门升程(第二进气气门升程)302比点火时的第一进气气门升程30小(低)，但是比制动排气升程(201，202)大(高)。
38.本发明在发动机的膨胀(做功)冲程期间增加制动进气气门升程302，将新鲜空气引入发动机的气缸，使得接下来的发动机排气冲程中气缸活塞上升的阻力增大(增加泵压做功)，提高发动机的制动功率。此外，在每一个发动机制动循环周期内增大进气量，将增加排气量(排气压力)和涡轮增压器的转速，进一步增加进气量，形成良性循环，增加制动功率。
39.图4是用来描述本发明的发动机四冲程制动的四根摇臂的示意图。发动机制动系统包括常规排气摇臂21、制动排气摇臂22(也即上述现有技术四冲程制动中的制动排气摇臂)、常规进气摇臂31和制动进气摇臂32。这里的常规摇臂(常规排气摇臂21和常规进气摇臂31)是指上述用于发动机点火的摇臂，与制动摇臂(制动排气摇臂22和制动进气摇臂32)相区分。图4所示的四根摇臂并排地安置在同一根摇臂轴205上，但还有其它安装方式，比如四根摇臂安置在两根不同的摇臂轴上。
40.注意到发动机两冲程制动需要取消点火时的进气和排气气门运动，也就是说，需要将常规摇臂转化为制动时取消气门运动的停缸摇臂。由于停缸摇臂的技术难度大，机构复杂，成本增加，点火运作的可靠性降低等问题，至今在商用车发动机领域，还没有停缸摇臂的产品。
41.本技术实施例既没有使用停缸排气摇臂，也没有使用停缸进气摇臂(保留传统的常规摇臂)，只是在现有技术发动机四冲程制动的基础上，增加了制动进气摇臂32，在发动机的膨胀冲程打开发动机的进气气门(这里是半摇臂32驱动常规进气摇臂31)，产生发动机的制动进气气门升程302。本实施例中，制动进气摇臂32采用固链式的制动机构，具体结构如下所述。
42.图5用来描述本发明的制动进气摇臂采用的固链式制动机构的一种具体结构。图中显示的制动进气摇臂32是半摇臂，其中有连杆活塞机构100，包括第一连杆152、第二连杆154和连接活塞160。第一连杆152的一端和第二连杆154的一端转动式地相连，第一连杆152的另一端与摇臂32转动式地相连，第二连杆154的另一端与连接活塞160的一端转动式地相连。当连杆活塞机构100展开时，连接活塞160的另一端面(伸出端)与常规进气摇臂31相连(见图4，常规进气摇臂31靠近进气气门300的一端36在制动进气半摇臂32的一侧有一突出部分38，并设置有间隙调节机构，设定连接活塞160与制动进气摇臂32之间的间隙)，将制动进气凸轮330的运动传递给进气气门。当连杆活塞机构100缩回时(见图5)，第一连杆152与第二连杆154之间的收缩使连杆活塞机构100缩短，取消(丢失)制动进气凸轮330的运动。也就是说，制动进气凸轮330的运动不会传递给常规进气摇臂31和进气气门300。
43.连杆活塞机构100的第一连杆152和第二连杆154之间伸缩的夹角在大于0
°
到小于等于180
°
之间，最小夹角可以通过止位机构控制。当夹角为平角(180
°
)时，第一连杆152和第二连杆154在连接活塞160的轴线上，连接活塞160完全伸出，连杆活塞机构100最长。当夹角减小时，连接活塞160回缩，连杆活塞机构100变短。
44.本实施例还包括防飞脱弹簧198，经由滚轮轴331和滚轮335将半摇臂32推向制动进气凸轮330，防止半摇臂32和常规进气摇臂31之间产生冲击。
45.本实施例的操作过程如下。在常规(或默认)状态，制动控制阀(未显示)断开卸油，
弹簧活塞油腔132和驱动活塞油腔162内的油压为零，预紧弹簧136将弹簧活塞130推出(向上)，将连接活塞机构100推到图5所示的缩回(收缩)位置，消除(丢失)制动进气凸轮330的运动，进气气门只产生来自常规进气摇臂31的常规(点火)进气凸轮产生的气门运动。
46.当需要制动进气气门升程(第二次进气气门升程)302时，制动控制阀(未显示)开通供油，发动机的机油通过油路(如摇臂轴205b内的油孔(未显示)，摇臂32内的油道213和214)，向驱动活塞油腔162供油，油压将驱动活塞160(注意这里连接活塞和驱动活塞为同一个活塞)推出(向左)，将图5中处于收缩位置的连杆152和154拉直，连接活塞160伸出，将制动进气半摇臂32与常规进气摇臂31相连，制动进气凸轮330的运动传递给发动机的进气气门，产生如图4所示的制动进气气门升程302。当然，也可以通过油孔213同时向弹簧活塞油腔132供油，克服预紧弹簧136的作用力，将弹簧活塞130推回(如图5中向下)，这样更容易将图5中处于缩回位置的连杆活塞机构100拉直到完全伸出展开的位置。
47.本发明保留了常规排气摇臂21和常规进气摇臂31及其产生的常规(点火)排气气门升程20和常规(点火)进气气门升程30，只是在传统的发动机四冲程制动中增加了制动进气气门升程(第二次进气气门升程)302，消除了发动机两冲程制动将常规(进/排气)摇臂转化为停缸摇臂而带来的机构复杂、成本增加、可靠性和耐久性降低等问题。
48.上述说明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具体例证，许多其他演变都有可能从中产生。举例来说，这里显示的发动机制动方法或系统，不但可用于顶置式凸轮发动机，也可用于推杆/推管式发动机；不但可以开单气门，也可以开双气门。此外，这里的连杆活塞机构也可以安置在制动排气(半)摇臂内，由制动排气凸轮驱动，推动常规排气摇臂，打开排气气门制动。还有，四个摇臂的结构、排列和安置方式也可不同，比如说，它们均可以是单体摇臂，也可以是两节摇臂，还可以均是被安置在不同的摇臂轴上。此外，连杆与活塞之间的转动式连接可以是柱销(柱面)，也可以是球头(球面)。还有，除了采用固链式的摇臂驱动发动机气门之外，也可选择液压等其它驱动方式。

技术特征：

1.一种发动机制动系统，其特征在于，包括制动进气凸轮和一个半摇臂，用于驱动发动机的常规进气摇臂，产生所述发动机制动的进气气门升程，所述的半摇臂内设有连杆活塞机构，所述的连杆活塞机构包括第一连杆，第二连杆和连接活塞，第一连杆的一端和第二连杆的一端转动式地相连，第一连杆的另一端与所述的半摇臂转动式地相连，第二连杆的另一端与连接活塞的一端转动式地相连，第一连杆和第二连杆之间的收缩与伸展改变连杆活塞机构的长度，用来丢失与传递所述制动进气凸轮的运动，当连接活塞将第一连杆和第二连杆拉直时，连接活塞的另一端与所述的常规进气摇臂相连，将制动进气凸轮的运动传递给发动机的进气气门。2.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于：所述的半摇臂和所述常规进气摇臂并排地安置在发动机的摇臂轴上，发动机制动时，发动机的油压驱动半摇臂内的连接活塞将第一连杆和第二连杆拉直，连接活塞作用于常规进气摇臂靠近发动机进气气门的一端，产生所述发动机制动的进气气门升程。3.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于：所述的转动式地相连包括柱面连接。4.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于：所述的转动式地相连包括球面连接。5.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于：还包括防飞脱弹簧，所述的防飞脱弹簧将所述的半摇臂推向发动机的制动进气凸轮。6.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于：还包括预紧弹簧，所述的预紧弹簧使上连杆和下连杆之间的夹角减小、连杆活塞机构变短。7.如权利要求1和6所述的发动机制动系统，其特征在于：还包括弹簧活塞，弹簧活塞的一侧包括所述的预紧弹簧，弹簧活塞的另一侧可以承受油压作用。8.一种发动机制动的方法，其特征在于：采用四个摇臂驱动发动机的气门，所述的四个摇臂包括常规排气摇臂、制动排气摇臂、常规进气摇臂和制动进气摇臂，在发动机制动期间，a.利用常规排气摇臂，产生与发动机点火时相同的排气气门升程，b.利用制动排气摇臂，产生发动机制动的制动排气气门升程，c.利用常规进气摇臂，产生与发动机点火时相同的进气气门升程，和d.利用制动进气摇臂，在发动机的膨胀冲程打开发动机的进气气门，产生发动机的制动进气气门升程。9.如权利要求8所述的发动机制动方法，其特征在于：所述的四个摇臂为固链式机构，将发动机凸轮运动通过固体连接方式传递给发动机的气门。10.如权利要求8所述的发动机制动方法，其特征在于：所述的发动机制动进气气门升程在发动机的压缩上止点之后打开，在发动机的膨胀下止点附近关闭，其高度小于发动机点火时的进气气门升程。11.如权利要求8所述的发动机制动方法，其特征在于：所述的制动进气摇臂包括半摇臂，所述的半摇臂驱动常规进气摇臂产生发动机制动的进气气门升程。12.如权利要求8所述的发动机制动方法，其特征在于：所述发动机制动的排气气门升程包括：
a.在发动机压缩上止点附近的压缩释放的排气气门升程，和b.在发动机进气下止点附近的排气循环的排气气门升程。13.如权利要求8或10所述的发动机制动方法，其特征在于：所述发动机制动的排气气门升程来自发动机的单个排气门。

技术总结

本发明提供的发动机四冲程制动的系统和方法，采用四个摇臂产生发动机制动的气门运动，包括利用常规排气摇臂产生与发动机点火时相同的排气气门升程，利用制动排气摇臂产生发动机四冲程制动的制动排气气门升程，利用常规进气摇臂产生与发动机点火时相同的进气气门升程，利用制动进气摇臂，在发动机的膨胀冲程打开发动机的进气气门，产生发动机的制动进气气门升程，增加引入发动机气缸进气量，增大发动机排气冲程中气缸活塞上升的阻力和排气背压，增加泵压做功和涡轮增压器的转速，提高发动机的制动功率。动机的制动功率。动机的制动功率。