發動機系統的製作方法

2023-09-13 20:24:20 4

專利名稱：發動機系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及內燃發動機，並具體涉及用於減少發動機的燃料消耗的方法。
背景技術：
通常希望減少發動機的燃料消耗，以便減少發動機的運行成本和發動機的排放 物。發動機的排放物與該發動機所消耗的燃料的量密切相關，在CO2排放物的情況下尤 其如此。影響燃料經濟性的兩個主要因素是1)冷起動旋轉曲軸(CSC)；和2)發動機預熱(EWU)。對於CSC，通常需要起動機馬達以旋轉具有冷稠粘滯機油的發動機與未潤滑因 此高摩擦的內部發動機部件。前面提到的兩個問題對起動機馬達提供增加的慣性，並對 蓄電池直接造成附加的消耗。當發動機已經起動時，蓄電池充電經由交流發電機再充 電，但是犧牲燃料的經濟性。對於EWU，一旦發動機已經起動，再一次需要該發動機努力工作，以克服冷的 粘滯機油，直到達到最佳發動機運行溫度和較低的油粘滯度。在EWU期間，額外的燃料 被消耗以補償較高的摩擦損耗，這進一步犧牲燃料的經濟性。在傳統的發動機中，稠的粘滯油和未潤滑的內部發動機部件的影響在整個發動 機中是不一致的。例如，與凸輪軸軸承相比，曲軸主軸承具有較高的和顯著的摩擦損 耗。因此，明確地以發動機內的較高摩擦區為目標並且減小發動機內的較高摩擦區的幫 助CSC和EWU的方法將是有利的。因此，已經知道，希望減小用來潤滑發動機的常規的潤滑劑的粘滯度，以便由 於減少摩擦損耗、減少泵送損耗以及減少泵送潤滑劑通過發動機所需要的功率而減少燃 料消耗。但是，存在與使用在環境溫度下具有非常低的粘滯度的潤滑劑相關的問題，其 中粘滯度隨著溫度的升高而減小。雖然隨著溫度的升高粘滯度的減小有利於燃料的經濟 性，但是這必需被限制，以便防止潤滑薄膜在高溫下破裂而帶來嚴重的後果，例如增加 軸承磨損和非常大的摩擦。因此通常的做法是，使用在高溫下具有足夠粘滯度的潤滑劑 以防止薄膜破裂，並且允許在低溫下增大的並且不希望的較高摩擦和大的泵送損耗，這 種做法導致使用比環境溫度下所希望的更粘滯的油。有利的是提供一種用於減少發動機燃料消耗的改進的方法，特別是在發動機的 預熱階段期間減少發動機燃料消耗的改進的方法。
發明內容根據本實用新型的第一方面，提供一種用於減少發動機燃料消耗的方法，其中 該方法包括使用磁流變(magneto-rheological)流體以潤滑該發動機，並且根據發動機的運 行條件對該磁流變流體施加磁場，以改變該磁流變流體的粘滯度。[0012]對磁流變流體施加磁場以改變該磁流變流體的粘滯度可以包括對磁流變流體施 加磁場以增加該磁流變流體的粘滯度。對磁流變流體施加磁場以改變該磁流變流體的粘滯度可以包括根據發動機的運 行條件改變施加於該磁流變流體的磁場強度，以改變該磁流變流體的粘滯度。發動機運行條件可以包括與發動機相關的溫度、發動機的旋轉速度和發動機的 載荷中的至少一個。對磁流變流體施加磁場以改變該磁流變流體的粘滯度可以包括在一個或多個特 定的位置施加磁場，以便局部地改變磁流變流體的粘滯度。在一個特定位置的磁場強度可以單獨地改變，與在另一個特定位置的磁場強度無關。每個特定的位置可以設置在兩組或更多組中，並且該方法還可以包括獨立地控 制在每組的磁場強度。該發動機可以具有由曲軸主軸承旋轉地支撐的曲軸，並且該一個或多個特定的 位置之一可以是該曲軸主軸承。該發動機可以具有由凸輪軸軸承旋轉地支撐的凸輪軸，並且該一個或多個特定 的位置之一可以是該凸輪軸軸承。該發動機可以具有由平衡器軸軸承旋轉地支撐的平衡器軸，並且該一個或多個 特定的位置之一可以是該平衡器軸軸承。該方法還可以包括根據該磁流變流體的劣化(degradation)改變施加於磁流變流 體的磁場的強度。只有當需要增加磁流變流體的粘滯度時，該磁場可以施加於該磁流變流體。根據本實用新型的第二方面，提供一種發動機系統，其包括發動機，該發動機 具有由多個曲軸主軸承支撐的曲軸，該曲軸主軸承由磁流變流體潤滑；與每個曲軸主軸 承相關的至少一個電磁鐵，以便對位於相應的曲軸主軸承的區域的磁流變流體選擇地施 加磁場；以及控制器，以根據發動機的運行條件控制對磁流變流體的磁場的施加，以便 選擇地改變該磁流變流體的粘滯度。與曲軸軸承相關的電磁鐵可以設置成至少兩個可單獨控制的組。每個曲軸軸承可以具有至少兩個與其相關的可單獨控制的電磁鐵。該發動機系統還可以包括由磁流變流體潤滑的多個另外的軸承；與每個該另外 的軸承相關的至少一個電磁鐵，以便對位於每個另外的軸承區域中的磁流變流體選擇地 施加磁場，並且該控制器能夠操作，以根據發動機的運行條件控制對在每個另外的軸承 區域中的磁流變流體的磁場的施加，以便選擇地改變該磁流變流體的粘滯度。與該另外的軸承相關的電磁鐵可以設置成至少兩個可單獨控制的組。每個另外的軸承可以具有至少兩個與其相關的可單獨控制的電磁鐵。該控制器可以運行以單獨地控制對曲軸主軸承和另外的軸承的磁場的施加。該另外的軸承可以包括凸輪軸軸承和平衡器軸軸承至少其中之一。當需要增加磁流變流體的粘滯度時才可以施加磁場。施加的磁場的強度可以根據發動機的運行條件改變。施加的磁場的強度可以根據磁流變流體的劣化或老化狀態改變。[0034]發動機的運行條件至少可以包括與發動機相關的溫度、發動機的旋轉速度和發 動機載荷其中之一。

下面將參考附圖以舉例的方式描述本實用新型，其中圖1是根據本實用新型一方面的發動機系統的示意框圖；圖2是根據本實用新型的用於減少發動機燃料消耗的方法的流程圖；圖3是用於減少能夠與圖2所示的方法一起使用的發動機的燃料消耗的方法的流 程圖；圖4是用於改變磁場強度的方法的流程圖，該磁場強度用於改變用來潤滑能夠 與圖1和圖2所示的方法一起使用的發動機的潤滑劑的粘滯度；圖5是根據本實用新型的用於減少發動機燃料消耗的方法高階流程圖。
具體實施方式
首先參考圖1，其顯示包括發動機10的發動機系統，該發動機10具有氣缸體11 和氣缸蓋12。發動機氣缸體11通過多個主軸承14a、14b、14c、14d、和14e可旋轉地支撐曲 軸13。多個活塞(未示出)以常規方式用連杆(未示出)與曲軸13連接。每個主軸承 14a、14b、14c、14d、和14e具有與其相關的電磁鐵15a、15b、15c、15d、和15e。該 電磁鐵15a、15b、15c、15d、和15e設置成產生與位於與其相關的各主軸承14a、14b、 14c、14d、和14e中潤滑劑相互作用的磁場。氣缸蓋12通過多個間隔開的凸輪軸軸承18a、18b、18c、18d、和18e支撐凸輪 軸16。正如在現有技術中所熟知的，凸輪軸16具有多個凸輪，該凸輪能夠運行以選擇地 打開發動機10的進氣閥和排氣閥。每個凸輪軸軸承17a、17b、17c、17d、和17e具有與 其相關的電磁鐵18a、18b、18c、18d、和18e，該電磁鐵設置成產生與位於與其相關的各 凸輪軸軸承17a、17b、17c、17d、和17e中的潤滑劑相互作用磁場。電磁鐵15a至15e和電磁鐵18a至18e連接於磁鐵電源控制單元21，磁鐵電源控 制單元21的功能是為電磁鐵15a至15e和18a至18e提供電源，以便使每個電磁鐵產生磁 場。每個電磁鐵15a至15e和電磁鐵18a至18e可以包括單個電磁鐵，或者可以包括 相同尺寸或不同尺寸的多個電磁鐵。此外，所有的電磁鐵15a至15e和電磁鐵18a至18e 能夠單個地切換或控制，或者能夠以分組的方式設置。例如與第一和第五曲軸主軸承14a 和14e相關的電磁鐵15a和15e可以形成一組，而與第二、第三和第四曲軸主軸承14b、 14c和14d相關的電磁鐵15b、15c和15d可以形成能夠單獨控制或切換的另一組。應當理解，雖然關於與發動機10的曲軸13和凸輪軸16相關的其軸承的使用描 述了本實用新型，但是本實用新型能夠應用於接收增壓油供給以減少摩擦和磨損的發動 機10上的任何軸承，例如但不限於，用於平衡軸的軸承，油泵軸承和接收增壓油供給的 輔助裝置。磁鐵電源控制單元21連接於控制器20，在機動車輛的情況下，該控制器20可以是動力系控制模塊(PCM)。控制器20被設置成接收來自附圖標記22所示的各種傳感器的多個輸入。這些 傳感器可以包括，例如但不限於，測量來自發動機冷卻劑溫度傳感器、氣缸蓋溫度傳感 器和汽缸體溫度傳感器中的至少一個；給出發動機速(RPM)度指示的曲軸位置傳感器； 節氣門位置傳感器；質量型空氣流量計以及絕對歧管壓力傳感器。這些傳感器由控制器 20使用以確定發動機的溫度、發動機的速度和發動機10的載荷。為了潤滑發動機10的各種軸承，磁流變流體用作發動機10的潤滑劑。這種磁 流變流體選擇成以便在正常的環境溫度下具有非常低的粘滯度，因而明顯地減少泵送它 通過發動機10所需要的能量，並且還減少在發動機10的各軸承中所產生的摩擦。但是， 當磁場施加於該磁流變流體時，其粘滯度增加，因而使該潤滑劑的粘滯度能夠改變，以 適合運行條件而不是依賴於諸如溫度的運行條件。下面將參考圖1和圖5描述控制器20的操作和其對發動機系統所起的作用，在 圖5中假設發動機10安裝於具有由車輛駕駛員控制的點火鑰匙或車輛系統接通/斷開裝 置的機動車輛。在混合動力車輛的情況下，控制20可以附加地連接於停止-起步控制 器，使得當停止-起步控制器停止發動機10時，磁鐵控制的操作處於暫停執行的狀態， 並且當發動機10由停止-起步控制器自動重新啟動時，重新開始磁鐵控制的操作。如步驟50所示，在將鑰匙移動到「接通」位置之後，控制器20根據從傳感器 22接收的輸入在步驟60確定磁流變流體的粘滯度是否需要增加。在室溫下該磁流變流體 的粘滯度非常低，所以當發動機10的溫度增加，特別是當發動機10變熱並且在高載荷下 運行時，該磁流變流體的粘滯度必需增加。因此，如果在步驟60對所提問題的響應是「是」，則如步驟70所示，通過控制 器20向磁鐵電源控制單元21發送「接通電源」信號，電磁鐵15a至15e和18a至18e或 者單獨地或者作為一組或多組而被通電。於是磁鐵電源控制單元21從電源(未示出)向 電磁鐵15a至15e和18a至18e供給電力。可選地，如果在步驟60對所提問題的響應是 「否」，則如步驟80所示，電磁鐵15a至15e和18a至18e不被控制器20通電，並且控
制器20向磁鐵電源控制單元21發送「斷開電源」的信號。應當理解，磁鐵電源控制單元21可以形成為控制器20的部件，但是優選備有高 電流切換元件，用來切換電磁鐵15a至15e和18a至18e接通和斷開，電磁鐵15a至15e 和18a至18e與控制器20的微電子元件分開以便減少它們之間的相互幹擾。在步驟70或80之後，控制器20在步驟90確認鑰匙是否仍然在接通位置，並且 如果是在接通位置，則控制器20復位，以在步驟60檢查粘滯度是否需要增加，並且如果 鑰匙已經斷開，則如步驟99所示，由控制器20操作的方法結束。在圖5中提出的方法表示以其最簡單的形式用於控制電磁鐵15a至15e和18a至 18e的操作的方法。參考圖2，圖2示出用於減少燃料消耗的方法的可選形式。在步驟110該方法開始，並且在步驟120發生鑰匙接通事件，其後控制器20從 傳感器22，具體說從發動機溫度傳感器，確定發動機10的溫度。然後在步驟130確定是否進行冷起動。這是根據在步驟120確定的發動機的溫 度是否低於第一預定溫度，如果低於第一預定溫度，則起動將是冷起動，如果該溫度高於第一預定溫度，則起動不是冷起動。如果該溫度高於第一預定溫度，於是該方法前進到步驟190並且該方法結束(或 者可以前進到圖3中步驟240)。也就是說，在這個實施例中，電磁鐵15a至15e和18a 至18e保持斷開，除非磁鐵電源控制單元21接收到對它們通電的特殊指令。如果發動機10的溫度低於第一預定溫度，於是該方法前進到步驟140，在步驟 140確認電磁鐵15a至15e和18a至18e是否斷開，並且如果電磁鐵15a至15e和18a至 18e仍然從前面的事件接通，於是它們被斷開。然後在步驟150起動發動機10，並且在步驟160繼續監控發動機10的溫度。然後在步驟170，步驟170對應於圖5中的步驟60和70，當發動機10的溫度達 到高於第一預定溫度的第二預定溫度時，控制器20向磁鐵電源控制單元21發送電源接通 信號，以接通電磁鐵15a至15e和18a至18e。然後該方法在步驟190結束。也就是說，一旦發動機20處在或高於其可以是發 動機10的正常運行溫度的第二預定溫度時，電磁鐵15a至15e和18a至18e保持接通，直 到發動機10斷開並且重新起動。參考圖3，圖3示出該方法的另一個實施例，在步驟210起動之後，在步驟 220，該方法在鑰匙接通事件確認電磁鐵15a至15e和18a至18e是否斷開，如果電磁鐵 15a至15e和18a至18e沒有斷開，則附加確定發動機10的當前溫度。然後在步驟230，通過將當前的測量溫度與預定的溫度值進行比較確定發動機起 動是否是熱旋轉曲軸事件。如果當前的發動機溫度值低於預定溫度值，那麼如步驟245 所示，進行諸如圖2所示的冷起動過程。也就是說，在該步驟中詢問的「否」響應對應 於步驟130的「是」響應。如果在步驟230對於詢問的響應是「是」，於是方法前進到步驟240，在步驟 240，確認電磁鐵15a至15e和18a至18e是否應當保持斷開，因而使磁流變流體的粘滯 度保持低。如果響應是「是」，則方法轉移到步驟245，並且如圖2所示進行冷起動過 程，但是，如果響應是「否」，於是方法進行到步驟250，在步驟250電磁鐵15a至15e 和18a至18e被接通。「否」響應在步驟240的詢問，只有當發動機10的溫度處於或 高於其正常運行溫度時才得到，並且磁流變流體的粘滯度需要增加以防止薄膜破裂。應 當理解，在任何時候能夠保持電磁鐵15a至15e和18a至18e斷開是有利的，以便減少由 電磁鐵15a至15e和18a至18e消耗的功率，並且在任何時候能夠保持磁流變流體的粘滯 度。在步驟250之後，在步驟260起動發動機10，於是方法在步驟290結束。雖然迄今為止已經參考實施例描述了本實用新型，在該實施例中電磁鐵15a至 15e和18a至18e只是「接通」或「斷開」，但是應當理解，由電磁鐵15a至15e和18a 至18e所產生的磁場強度根據發動機運行條件可以改變。也就是說，與發動機10在諸如 空轉的低載荷下的熱運行相比，當發動機10在高載荷下的熱運行時，電磁鐵15a至15e和 18a至18e能夠產生比較強的磁場強度。以這種方式在所有的時間能夠保持磁流變流體的 粘滯度最小，因而使本實用新型的燃料經濟性利益最大。同樣，由電磁鐵15a至15e和18a至18e所產生的磁場強度不必是一致的，它可 以被處理以適合環境，使得，例如由每個電磁鐵15a至15e所產生的磁場強度能夠被控制成大於由每個電磁鐵18a至18e所產生的磁場強度，以便適合存在於不同位置的軸承載荷 條件，或者電磁鐵15a至15e能夠被控制成使得由電磁鐵15a和15e所產生的磁場大於由 電磁鐵15b、15c和15d所產生的磁場。作為又一種可選方案，每個電磁鐵15a至15e能夠構造成產生磁場，該磁場大 於由每個電磁鐵18a至18e所產生的磁場，使得電磁鐵15a至15e和18a至18e的簡單的
「接通」和「斷開」在其相應的軸承中將產生不同的粘滯度。參考圖4，圖4示出能夠附加於圖2、圖3和圖5提出的方法的附加特徵。不過 不是電磁鐵15a至15e和18a至18e的「接通」和「斷開」，由電磁鐵15a至15e和18a 至18e提供的磁場強度能夠根據磁流變流體的劣化而變化。也就是說，與當磁流變流體是新的時相比，如果已知磁流變流體隨著它的老化 而變成更加粘滯，那麼當發動機10上升到正常運行溫度時，電磁鐵15a至15e和18a至 18e能夠被通電以產生比較低水平的磁場，或者可選地，與當磁流變流體是新的時相比， 如果磁流變流體是已知的隨著它的老化而變成不太粘滯，那麼當發動機10是熱的時，電 磁鐵15a至15e和18a至18e能夠被通電以產生比較高水平的磁場。作為一種可選方案，與當磁流變流體是新的時相比，如果磁流變流體是已知的 隨著它的老化而變成更加粘滯，則電磁鐵15a至15e和18a至18e能夠在比較高的預定溫 度下被通電，或者可選地，與當磁流變流體是新的時相比，如果磁流變流體是已知的隨 著它的老化而變成不太粘滯，則電磁鐵15a至15e和18a至18e能夠在比較低的溫度下被 通電。因此回過來參考圖4，在步驟310開始該方法，並且然後在步驟320發動機10上 升到一定溫度並且電磁鐵被接通，在步驟330控制器20繼續監控發動機10的溫度。在步驟340，磁流變流體的退化或老化通過使用潤滑劑耗損傳感器或通過利用編 程在控制器20中的算法確定，該算法將發動機10的工作負載循環和發動機10的累積運 行用於模型，改變磁流變流體的粘滯度。然後，在步驟350，施加於磁流變流體的磁場的強度隨著發動機使用的增加而增 加，為了在這種情況下減小由於老化引起的粘滯度，於是該方法在步驟390結束。應當 理解，如果磁流變流體的粘滯度由於它的老化而增加，那麼在步驟350磁場強度將隨著 發動機使用的增加而減小。應當理解，通過以這種方式改變磁場強度，在磁流變流體需 要更換之前它的有效壽命能夠潛在地增加。應當理解，如果磁流變流體被改變或被更換，由於潤滑劑變化的原因控制器20 可以要求重新設置或重新校準，並且這可以由維護技術人員利用連接於控制器20或動力 系控制模塊的電子維護工具來進行。因此總之，本發明人已經實現將磁流變流體用作潤滑劑具有許多有益效果，具 體說通過利用非常低粘滯度潤滑劑能夠使發動機的燃料經濟性增加，因而在低到中等發 動機溫度下減少摩擦損耗，而不損害發動機軸承磨損，減少循環潤滑劑通過發動機所需 要的能量。本實用新型的優點之一是磁流變流體的粘滯度僅僅在所需要的特定位置中增 加，以便滿足軸承的要求並且在所有其他位置它保持低粘滯度狀態，因而進一步增加燃 料經濟性利益。[0080]雖然已經關於特定類型的往復式內燃發動機描述了發動機，但是應當理解，它 能夠用於具有有利效果的其他類型的發動機。本領域的技術人員應當理解，雖然關於一個或多個實施例已經用舉例的方式描 述了本實用新型，但是本實用新型不限於所公開的實施例，並且在不脫離由權利要求所 提出的本實用新型的範圍的情況下能夠對於所公開的實施例或可選實施例進行一個或多 個修改。
權利要求1.一種發動機系統，包括發動機，其特徵在於所述發動機具有由多個曲軸主軸承 支撐的曲軸，所述曲軸主軸承由磁流變流體潤滑；與每個所述曲軸主軸承相關的至少一 個電磁鐵；以及控制器。
2.根據權利要求1所述的發動機系統，其特徵在於，其中與所述曲軸軸承相關的所述 電磁鐵可以被設置成至少兩個可單獨控制的組。
3.根據權利要求1或2所述的發動機系統，其特徵在於，其中每個曲軸軸承具有至少 兩個與其相關的可單獨控制的電磁鐵。
4.根據權利要求1所述的發動機系統，其特徵在於，其中所述發動機系統還包括由磁 流變流體潤滑的多個另外的軸承；與每個所述另外的軸承相關的至少一個電磁鐵，以便 對位於每個另外的軸承區域中的磁流變流體選擇地施加磁場。
5.根據權利要求4所述的發動機系統，其特徵在於，其中與所述另外的軸承相關的所 述電磁鐵可以被設置成至少兩個可單獨控制的組。
6.根據權利要求4或5所述的發動機系統，其特徵在於，其中每個另外的軸承具有至 少兩個與其相關的可單獨控制的電磁鐵。
7.根據權利要求4所述的發動機系統，其特徵在於，其中所述另外的軸承包括凸輪軸 軸承和平衡器軸軸承中的至少一個。
8.根據權利要求1所述的發動機系統，其特徵在於，其中所述曲軸主軸承區域的所述 磁流變流體潤滑的粘滯度由所述至少一個電磁鐵施加的磁場改變，磁場的改變由所述控 制器控制。
9.根據權利要求8所述的發動機系統，其特徵在於，其中與所述曲軸軸承相關的所 述電磁鐵可以被設置成至少兩個可單獨控制的組。
10.根據權利要求8所述的發動機系統，其特徵在於，其中每個曲軸軸承具有至少兩 個與其相關的可單獨控制的電磁鐵。
11.根據權利要求8所述的發動機系統，其特徵在於，其中所述發動機系統還包括由 磁流變流體潤滑的多個另外的軸承；與每個所述另外的軸承相關的至少一個電磁鐵，以 便對位於每個另外的軸承區域中的磁流變流體選擇地施加磁場。
12.根據權利要求11所述的發動機系統，其特徵在於，其中與所述另外的軸承相關的 所述電磁鐵可以被設置成至少兩個可單獨控制的組。
13.根據權利要求11所述的發動機系統，其特徵在於，其中每個另外的軸承具有至少 兩個與其相關的可單獨控制的電磁鐵。
專利摘要本實用新型公開一種發動機系統，包括發動機。發動機具有由多個曲軸主軸承支撐的曲軸，曲軸主軸承由磁流變流體潤滑；與每個曲軸主軸承相關的至少一個電磁鐵；以及控制器。本實用新型的系統能夠減少發動機燃料消耗。
文檔編號F01M9/00GK201802453SQ20102013466
公開日2011年4月20日 申請日期2010年3月5日 優先權日2009年3月5日
發明者I·帕格, J·奧尼爾 申請人:福特環球技術公司