CN100480490C - 用于控制内燃机气门速度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种控制用于内燃机气门的电液执行单元中气门速度的方法，在该方法中，在气门关闭的最后阶段，气门液压执行器中流体的压力被控制。

Description

用于控制内燃机气门速度的方法和设备
技术领域
本发明是关于一种控制内燃机气门运动速度的方法和设备。
背景技术
通常，内燃机气门通过凸轮轴使它产生机械运动。在汽车工程领域长时间的占据统制地位，现在一种替代的系统被尝试。这些申请者对用于这种内燃机的气门所使用电液执行单元进行了试验，欧洲专利1 233 152是以这些申请者的名字发布的。电液单元被电子单元驱动，使精确的改变每个气门的打开和关闭时刻成为可能，通过与凸轮轴角速度和内燃机的其他运行参数所处的循环工况一致，因此可以充分的提升内燃机的性能。
对于内燃机的进气门和/或排气门，当前被测试的电液单元包括一个电液执行机构，它包括一个可以推动气门沿轴向从闭合位置到最大开启位置液压执行器，它克服用于保持气门在闭合位置的弹性元件的作用力，同时一个液压分配阀用于调整进入和流出这个液压执行器的压力油，以便于控制气门在闭合位置和最大开启位置之间的位置。
为了提供压力油，被测试的电—液单元包括一个液压回路，包括一个机油收集箱，在这里被提供到执行器的油被存储，和一个泵，用于把机油收集箱里的压力油直接输送到不同的分配器中。在欧洲专利1 233 152公布的电液单元包括一个滑动分配阀，它能够设定第一个工作位置，在这个位置下它使线性液压执行器直接和用于在周围压力的流体的收集箱连接，第二个工作位置，在这种情况下它分离线性液压执行器以避免流体进入或者流出执行器，第三个工作位置，在这种情况下，它使线性液压执行器直接和包含压力流体的支路进行连接。
公开的单元具有实际的优势，它的结构非常简单，能够保证随着时间具有高度的可靠性，因此可以保证它在汽车工程领域的使用。
然而，进行中的测试表明了每个气门以过高的速度接触到相关的气门座，导致了撞击。
发明内容
本发明的目标是提供一种控制内燃机气门运动速度的方法，能限制上面描述的缺点。
本发明关于控制用于内燃机气门的电液执行单元中气门的撞击速度，电液单元包括液体执行器用于使用压力流体开启每个气门，抵抗液压执行器的弹簧是用来关闭气门和从液压执行器放出液体到收集箱，这个方法的特点是在气门关闭的最后阶段，液压执行器中的流体压力被控制。
本发明是关于一种控制内燃机气门运动速度的设备。
本发明是关于一种用于内燃机气门的控制电液执行单元中气门的撞击速度，电液单元包括液体执行器用于使用压力流体开启每个气门，抵抗液压执行器的弹簧是用来关闭气门和从液压执行器放出液体到收集箱，其特征在于，它包括控制装置，用于在气门关闭的最后阶段控制液压执行器中的流体压力。
附图说明
参考附图，本发明将在下面被描述，它表示了它的不同的和没有限制的实施例，如下：
图1是用于内燃机气门的电液执行单元的示意图；
图2是关于图1中电液单元不同部件位置的时序图；
图3和4是关于气门设定的位置和速度的时序图；
图5和6分别表示了图3和4的细节，使用放大的比例；
图7是图1单元部件的剖视图。
具体实施方式
在图1中，用于内燃机M的气门2的执行器的电液单元总体上用1表示。仅仅一个气门2，相关各自的座2A，在图1所示，尽管它将被意识到电液单元1被用来驱动内燃机M中所有的进气和排气气门。在这个描述中，气门2的开启被定义为气门2从闭合位置到最大开启位置的过渡过程；气门2的关闭被定义为气门2从最大开启位置到闭合位置的的过渡过程；保持被定义为气门2保持在最大开启位置的状态。术语开启，关闭和保持因此有和上文描述的相同的意思。
单元1包括一个液压回路3和控制机构4。依次的，液压回路3包括回路5连接到所有的气门2和大部分的执行机构6上，它们中的每个都和单独的气门2相关。在图1中，为了简单的原因，仅仅机构6和它相关的气门2被表示出来。
回路5包括油收集箱7，泵单元8和两个支路9和10，它们被提供了压力液体，同时沿着它们各自的压力调节器11和12和各自的蓄压器13和14按顺序布置。在各自蓄压器13和14的下游，回路5的两个支路9和10被连接到执行机构6上，它们中的每一个都包括一个控制选择器15，滑动分配阀16和一个坚固的连接到气门2上的液压执行器17。选择器15被连接到支路10，油箱7和支路18上，为了驱动滑动阀16，支路18连接选择器15到滑动阀16上。
滑动阀16被连接到支路9，油箱7和连接到执行器17的供油支路19和来自于执行器17的的排出支路20。支路19和20被排出支路21所连接，沿着此流，孔22被布置。排出支路21和孔22的功能是减缓气门2的速度和在气门关闭过程中保持气门2关闭速度的恒定。气门2的速度降低特别是最后时刻气门2关闭时的撞击，如下面所述。
选择器15是一个由电磁体23和弹簧24控制的三通阀，用于设定两个位置：当电磁体未被激活时，弹簧24维持选择器15在第一个位置，在这里，支路10被关闭，而支路18被连接到油箱7(图1)；当激活时，电磁体将会克服弹簧24的力，同时将选择器15置于第二个位置，在这里支路10和支路18相连。
滑动分配阀体16是一个被活塞25和弹簧26驱动的四通阀，被用来设定四个工作位置，如图1所示的P1，P2，P3和P4。尽管滑动阀体16有四个工作位置P1，P2，P3和P4，实际上，它只有两个稳定位置，即如图1分别所示的末端位置P1和P4。在工作位置P1和P4之间，工作位置P2和P3是过渡位置。在工作位置P1，支路20被连接到油箱7，而支路9和支路19没有连接；在工作位置P2，所有的连接都没有连接；在工作位置P3，支路9被连接到支路19，而返回支路20被关闭；由于这个原因工作位置P3被定义为执行器位置；工作位置P4再次表明了和工作位置P2相同的特点。
线性液压执行器17包括液压缸27，连到气门2上的活塞28和用于维持气门2在闭合位置的弹簧29。液压缸27有缸头27a和缸套27b，沿着液压缸一个侧向的排出口被布置。活塞28包括顶部28a和侧表面28b，在特定情况下，它关闭活塞28的开口30。
为了更好的理解单元1的工作，有必要从构造的角度描述滑动分配阀16，参考图7，在图7里，从构造的角度单元1的一些部件被表示出来，同时具有和图1相同的参考号。滑动阀16包括一个衬套31和一个在衬套31中沿着轴33滑动的滑动体32。支路19，支路9和支路20与衬套31中的每个系列中的径向孔34，35和36相连。每个系列中的径向孔34，35和36沿着轴33分布，而孔34，35和36在空间上沿着轴33分布则是由滑动体32的几何特性的功能决定，它包括两个与衬套31滑动和被中空部分39隔开的表面37和38。举例来说，在轴向扩展的表面37和38与孔34，35，26的系列的轴向位置之间有一种几何关系，以便于定义滑动体32的所有工作位置P1，P2，P3和P4。特别的，滑动体32的尺寸和衬套31使同时处理在孔34和35系列位置处的中空部分39与在孔36系列位置处的表面28成为可能，以至于截断回流支路20同时提供从支路9到19的压力油。描述的位置与图1的工作位置P3一致，同时实际上不是滑动体32的一个稳定位置；油能够从支路9移动到支路19的通道截面或开启位置不同于滑动体32的位置的功能。
控制机构4包括电子控制单元40，它利用从内燃机M上检测的数据的功能，例如，旋转速度和其他工作参数，决定每个气门2的开启和关闭时刻。单元40因此控制电磁体23为了决定滑动分配阀体16的选择器15和线性执行器17的执行。控制机构4还包括油温T的传感器41，滑动分配阀体16的位置传感器42和气门2的撞击速度传感器43。
在图7中，位置传感器42包括两个永久磁铁44和45，它们嵌入滑动体32同时被布置在沿着轴33相互距离等于需要分别连接支路9和支路19的滑动体32的开启和关闭的冲程差，如图7滑动体32从左向右的的位移。基本上，传感器42包括沿着衬套31布置的检测器：滑动分配阀16的几何体使支路9和支路19相连，被第一个范围产生的滑动体32的位移之后开启，在第二个范围产生的滑动体32的位移之后关闭。在这种情况下，检测器46检测磁铁45的代表通道截面的开启的过渡过程(第一个位移范围)，和磁铁44的代表通道截面的关闭的过渡过程，当位移从P1到P4的过程中。对于从P4到P1的回流位移，细节是相反的。基本上，使用两个极端44和45和一个检测器46，有可能确定通道截面的开启和关闭位置作为滑动体32在两个方向位移的结果。
传感器43是由一个加速度传感器组成，它检测气门2返回到相应气门座2A时的撞击。作为替代方案，传感器43是一个爆震传感器，它的检测和过滤的信号使用气门2校正。作为结果，因此内燃机M的爆震传感器有可能检测内燃机M每个气门2的撞击速度。
单元40，控制电磁体23，也控制压力调节器11和12和不同截面的孔22的通道截面。
在工作状态下，气门2的移动与图2中曲线图一致，其中，a部分中曲线A表示了选择器15的位移(纵坐标)和时间(横坐标)的函数；b部分曲线B表示了滑动分配阀16的位置(纵坐标)，曲线C表示了通道截面或连接支路9和支路19的开启(纵坐标)和时间(横坐标)的函数；c部分的曲线D表示了气门2的位置(纵坐标)和时间的函数，a，b，c部分对齐以便于所有的部分a、b、c可以应用相同的时间比例。在这种情况下，就有可能比较选择器15位置的关系，滑动分配阀16在通道截面位置的效果和气门2的位置。
工作原理基于事实，单元40根据内燃机功能决定的循环决定电磁体23：即工作参数，如扭矩，转速和排放。在图2c中，气门2有需要打开气门2的预先决定的时间topen和需要关闭气门2的预先决定的时间tclose，至少在这部分，它是恒定的和可以被系统等效的质量和刚度决定，这里，系统被理解为由活塞28，气门2，弹簧29和液压缸27中包括的油组成的装配体。时间topen和tclose受到油的特性影响，可以使用试验确定。为了获得气门2所需的轨迹，同时最小的能量损失，通道部分的开启时间在气门的开启阶段必须和topen一致，而关闭时间在气门的关闭阶段必须和tclose一致。
然而，如前所述，滑动分配阀16的工作位置P3是不稳定的位置，因此不检测滑动体32的位置就不可能检测到通道部分的开启时间。实际上，如图2b所示，传感器42检测曲线B两个点X1和X2为了决定通道部分的曲线C。事实上，单元40检测时间tx1和tx2，同时计算时间tspo，它等于tx1和tx2的差和代表了检测到的两点X1和X2花费的时间：即时间tspo与气门2的开启过程中通道部分的开启时间相关，同时可以被定义为在气门2开启阶段中执行器17的执行时间。类似的，单元40计算两点X1和X2检测所花费的时间tspc：时间tspc等于时间tx1和tx2之间的差值，与在气门2的关闭过程中通道截面的开启时间相关，它可以被定义为在气门2关闭阶段中执行器17的执行时间。因此，单元40计算tspo和tspc以及tx1和tx2各自的差别，当计算出的差别超出各自限值，产生各自的误差信号Eo和Ec。
参考图1，在没有误差信号Eo、Ec的情况下，选择器15依据一个循环工作。在这个循环内，从图1中所示的位置到支路10、18连接的位置的变化导致了气门的开启，支路10、18之间连接的保持导致了气门2在开启位置的保持，支路10、18之间连接的停止导致了气门2的关闭。
参考图2，单元40移动选择器15(曲线A的A1段)以开启气门(滑动分配阀16的曲线B的B1段和气门2的曲线D的D1段)。然后，在存在误差信号Eo的情况下，在升高阶段内点X1位置之后和点X2之前，单元40移动选择器15(曲线A的A2段)以暂时中止支路10和18之间的联系，以此来延迟通道开启的关闭和使时间tspo和时间topen同步。滑动分配阀16在支路9和19之间的连接位置上振荡(曲线B的B2部分)。
当气门2保持(图2c中曲线D的D2部分)在开启位置时，选择器15保持在支路10和18之间的连接位置上(图2a中曲线A的A3部分)，其结果是滑动分配阀16处于工作位置P4上(图2b中曲线B的B3部分)。
支路10和18之间连接的中止导致了气门2开始关闭(曲线D的D3部分)。
在存在误差信号的情况下，在气门2关闭阶段内的点X2测定之后和点X1测定之前，单元40暂时将支路10连接到支路18(图2a中曲线A的A4部分)，以用来延迟支路9和19之间连接的关闭。滑动分配阀16在关闭阶段内支路9和19的连接位置上振荡。
在图2的图表所描述与图解的实施例中，选择器15在tx1测定之后工作，以此暂时来切断支路10和18的连接，并且改变在开启阶段内的连接时间tspo。然而，这个暂时的中断可能在tx1时刻之前发生。
在每个循环内，单元40计算误差信号Eo和Ec，通过修改作为时间Topen和Tclose的函数的滑动分配阀16的位移，就可能调整连续循环的时间Tspo和Tspc。
为了理解单元1的动态行为，有必要记住，在气门2开启过程中，由线性执行器17、这种情况下的位置28和气门2组成的总成，在预定时间topen内完成了一个冲程，该冲程比需要在弹簧29与回路3压力之间达到平衡所需的冲程大。这一点归因于由位置28、气门2、弹簧29和油组成的总成的动态特性。因为在气门2的开启阶段，支路9和19的连接被关闭，并且返回支路20关闭，所以没有时间来建立一个在弹簧29的力与环路3的压力之间的平衡。实际上，因为弹簧29被超过需要的动态压缩，这就使得液压缸27的压力比支路9中液体的压力大。这种情况意味着，在气门2的关闭过程中，当支路9和19相互连接的时候，部门保留在液压缸27内的油沿着支路19流回到支路9。基本上，支路19不仅具有输送支路的功能，还具有返回支路的功能。从执行器17中经由支路9排出油的过程在预定的时间tclose内完成。就用支路9排出油的过程与气门2关闭的初始过程对应。它可以被理解为一个摩擦的结果，回复没有完成，气门2在初始过程结束没有完全关闭。
然后，滑动分配阀16到达工作位置P1，在该位置上，保留在液压缸27中的油通过开口30和支路20开始排出(图2c中曲线D的D4部分)。在油排出到油箱7的过程中位置29的位移使得开口30逐步关闭，液压缸27内的残余油由此经由排出支路21和孔22排出(图2b中曲线D的D5部分)。孔22的功能是减慢气门2的下降，并且使关闭速度基本上保持匀速。单元40能改变孔的通道截面，从而控制关闭速度。油先经由支路20，然后经由支路20和21排出，这一点与气门2关闭的最后阶段对应。
在图3中，与涉及气门2位移的曲线D与涉及选择器15位移的曲线A一起，涉及气门2速度的曲线F被示出。在图5中，曲线F的最终部分F1包括了一个基本上水平的部分和一个基本上竖直的部分，水平部分意味着此时速度为常数(大约是0.35m/s)，而竖直部分意味着有撞击(突然的减速)。在图4中，选择器15在气门2的接近过程中工作了一个瞬间，从而改变了曲线F的F2部分。这使得速度降低到0.05m/s，从而减小了撞击。基本上，选择器15和串联的滑动分配阀16的起动使得在排出油的最终过程中，控制液压缸27中的压力成为可能。
从工作观点来看，传感器43获得了一个与撞击速度VI与时刻tc相关联的量，在时刻tc时气门2闭合在其各自的气门座2A上。单元40获得撞击速度VI的值，并且计算出名义撞击速度VN，它是发动机M的转速数值的函数：对于低数值的转速来说，低的撞击速度VI较好，而对于高数值的转速来说能够容忍高的撞击速度VI。控制单元40计算冲击速度VI与名义速度VN之间的差别。当这个差别比预定的阈值S大时，单元40计算并且发出一个误差信号Ev，以使选择器15在气门2的关闭的最终阶段瞬间处于支路10与支路18之间的连接位置，同时使滑动分配阀16从工作位置P1移动到工作位置P2，从而中止液压缸27的排出。此脉冲的供给时间在先前循环检测到的时刻tc之前的时刻发生。这个检测时刻tc可被如此选择，使得在指定循环的基础上，预测气门2的关闭时刻成为可能。
如果在接下来的循环中撞击速度VI的减小不够大，随着一个更大的误差信号Ev的发出，选择器15的工作延长。作为一个选择，工作时间保持不变而工作的时刻变化。作为一个选择，此调整也能通过合并上述两种行为而实现。此控制也可以通过以下方法实现：使滑动分配阀16进入位置P3，并且供给压力油至执行器17内，从而增强气门2的减速并且进一步减小撞击速度VI。
闭环控制的功能是检测撞击速度是否对应于名义速度VN。因此就有可能检测是否有必要增加先前循环的撞击速度VI，例如当发动机M从低数值的转速变化到高数值的转速时，在这种情况下设备4就不增加液压缸27内的压力。
在排出的最终阶段，油排出的暂时中止和油的暂时供给都是通过移动分配阀16的位移来控制压力的部分方法。基本上，此控制包括调整液压缸27内的压力增加，以此来使活塞28的下降和由此产生的气门2的关闭减速。在压力调节中，有可能忽略液压缸27的压力增加。
此描述中描述了两种在最终阶段降低气门关闭速度的方法。第一种方法用到了孔22，它拥有一个校准的孔。第二种方法基于对滑动分配阀16的控制。第一种和第二种方法可以如描述一样被用在一起，或者被单独使用。
闭环控制尤其有利，虽然可以认为液压缸27内的压力控制在最终排出阶段时是开环控制。
此描述中明确参考使用油来作为液压系统内的流体，虽然由此在不超出本发明保护的范围内，油可以被其他的流体代替。

Claims (19)

1.一种控制用于内燃机(M)的气门(2)的电液执行单元(1)中气门(2)进入相应气门座的撞击速度(VI)的方法，该电液执行单元(1)包括：液压执行器(17)，以便用压力流体开启相应气门(2)；对抗液压执行器(17)的弹簧(29)，以便关闭气门(2)并且将流体从液压执行器(17)排出到收集箱(7)；其中，在气门(2)关闭的最后阶段，在液压执行器(17)中，流体压力被滑动分配阀(16)控制，该滑动分配阀(16)是非比例型四通阀，被用来设定第一工作稳定末端位置(P1)、第二及第三过渡工作位置(P2、P3)、和第四工作稳定末端位置(P4)；第二及第三过渡工作位置(P2、P3)在相对的第一工作稳定末端位置和第四工作稳定末端位置(P1、P4)之间；在第一工作稳定末端位置(P1)中，液压执行器(17)连接到收集箱(7)，从而允许从液压执行器(17)排出流体并关闭气门；在第二过渡工作位置(P2)中，所有四通都中止；在第三过渡工作位置(P3)中，液压执行器(17)被补给压力流体；并且在第四工作稳定末端位置(P4)中，所有四通都中止；滑动分配阀(16)包括衬套(31)和在衬套(31)内侧在第一和第四工作稳定末端位置(P1、P4)之间往复运动的滑动体(32)；移动所述滑动体(32)，以便经过第二过渡工作位置(P2)和第三过渡工作位置(P3)中的至少一个过渡，从而增大液压执行器(17)中的压力。
2.如权利要求1的方法，其特征在于：在气门(2)关闭的最后阶段，在液压执行器(17)中，流体压力暂时增加。
3.如权利要求1的方法，其特征在于：在气门(2)关闭的最后阶段，液压执行器(17)暂时与收集箱(7)隔离。
4.如权利要求1的方法，其中：在气门(2)关闭的最后阶段，滑动分配阀(16)暂时从第一工作稳定末端位置(P1)变到第二过渡工作位置(P2)。
5.如权利要求1的方法，其中：在气门(2)关闭的最后阶段，滑动分配阀(16)暂时从第一工作稳定末端位置(P1)变到第三过渡工作位置(P3)。
6.如权利要求1的方法，其特征在于：气门(2)的撞击速度(VI)在关闭阶段被检测，并且在气门(2)关闭的最后阶段，作为此撞击速度(VI)和名义撞击速度(VN)的函数，液压执行器(17)中来自所述收集箱(7)的流体压力暂时升高。
7.如权利要求6的方法，其特征在于：当撞击速度(VI)超过名义撞击速度(VN)时，发出一个误差信号(Ev)，液压执行器(17)的压力作为该误差信号(Ev)的函数而变化。
8.如权利要求7的方法，其特征在于：撞击速度(VI)同名义撞击速度(VN)相比较，当撞击速度(VI)同名义撞击速度(VN)之间的差超过一个预定的阈值(S)时，发出一个误差信号(Ev)。
9.如权利要求6的方法，其特征在于：名义撞击速度(VN)是发动机(M)转速数值(RPM)的函数。
10.如权利要求1的方法，其特征在于：通过至少一个加速度计(43)来取得撞击速度(VI)。
11.如权利要求1的方法，其特征在于：通过至少一个安装在发动机(M)上的爆震传感器来取得撞击速度(VI)。
12.如权利要求9的方法，其特征在于：设置传感器(43)用于检测气门(2)关闭的瞬时时刻(tc)。
13.如权利要求12的方法，其特征在于：在气门(2)关闭的所述瞬时时刻(tc)之后的气门(2)关闭过程中，气门(2)关闭的所述瞬时时刻(tc)的数值用来决定另一个瞬时时刻，在该另一个瞬时时刻增加液压执行器(17)中的压力来限制撞击速度(VI)。
14.一种用于控制内燃机(M)的气门(2)的电液执行单元(1)中气门(2)的撞击速度(VI)的设备，该电液执行单元(1)包括：液压执行器(17)，该液压执行器(17)适于用压力流体开启相应气门(2)；对抗液压执行器(17)的弹簧(29)，以便关闭气门(2)并且将流体从液压执行器(17)排出到收集箱(7)；该设备包括滑动分配阀(16)，在气门(2)关闭的最后阶段，该滑动分配阀(16)适用于控制液压执行器(17)中的流体压力；该滑动分配阀(16)是非比例型四通阀，被用来设定第一工作稳定末端位置(P1)、第二及第三过渡工作位置(P2、P3)、和第四工作稳定末端位置(P4)；第二及第三过渡工作位置(P2、P3)在相对的第一工作稳定末端位置和第四工作稳定末端位置(P1、P4)之间；在第一工作稳定末端位置(P1)中，液压执行器(17)连接到收集箱(7)，从而允许从液压执行器(17)排出流体并关闭气门；在第二过渡工作位置(P2)中，所有四通都中止；在第三过渡工作位置(P3)中，液压执行器(17)被补给压力流体；并且在第四工作稳定末端位置(P4)中，所有四通都中止；滑动分配阀(16)包括衬套(31)和在衬套(31)内侧在第一和第四工作稳定末端位置(P1、P4)之间往复运动的滑动体(32)；通过液压选择器(15)移动所述滑动体(32)，以便经过第二过渡工作位置(P2)和第三过渡工作位置(P3)中的至少一个过渡，从而增大液压执行器(17)中的压力。
15.如权利要求14的设备，其特征在于：它包括一个传感器(43)，适于取得一个与在关闭阶段中气门(2)撞击速度(VI)相关的信号。
16.如权利要求15的设备，其特征在于：它包括了在撞击速度(VI)超过名义撞击速度(VN)时用于计算误差信号(Ev)的装置，和用于作为误差信号(Ev)的函数驱动滑动分配阀(16)的装置。
17.如权利要求14的设备，其特征在于：名义撞击速度(VN)是发动机(M)转速数值(RPM)的函数。
18.如权利要求15的设备，其特征在于：传感器(43)是一个加速度计。
19.如权利要求15的设备，其特征在于：传感器(43)是安装在发动机(M)上的爆震传感器。
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