CN101641505A - 用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备 - Google Patents

Abstract

一种进气可变气门机构(34)，其设置成允许进气门(30)的闭合正时改变。进气可变气门机构(34)具有第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式将进气门(30)的IVC正时相对于包括进气下止点BDC的特定范围控制在角度提前侧，所述第二控制模式将进气门(30)的IVC正时相对于所述特定范围的角度控制在延迟侧。用于使进气门(30)的IVC正时根据负载变化的IVC可变控制(第一控制模式)被选择为用于在较低负载范围中的运转，并且用于以充分延迟的IVC正时控制进气门(30)的进气门闭合延迟控制(第二控制模式)被选择为用于在相对高负载范围中的运转。

Description

用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备

技术领域

本发明涉及一种用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备。

背景技术

例如，专利文献1公开了一种用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，以使得进气门的开启和闭合正时及其升程量可以改变。如专利文献1中所述，传统的控制设备构造成使得当检测到爆震时所述设备执行控制以抑制爆震并抑制扭矩的改变。更具体地说，作为当检测爆震时执行的控制的示例，传统的控制设备运转以增大进气门的开启面积，并提前其闭合正时。

包括上述文献，申请人了解如下文献为本发明的相关技术。

[专利文献1]日本专利特开No.2002-180857

[专利文献2]日本专利特开No.2004-116315

[专利文献3]日本专利特开平No.4-246249

发明内容

在一种内燃发动机中，所述内燃发动机具有用于使进气门的开启和闭合正时及其升程量能够变化的可变气门机构，如在前述传统的内燃发动机中一样，可以进行如下面概述的这种进气量控制以减少泵气损失从而改善燃料效率。也就是说，可以将进气量控制为使得：通过减小进气门的操作角以限制经过进气门的空气的量来提前进气门的闭合正时，同时节气门角度也相应地增大。

根据进气量的上述控制，当内燃发动机的运转范围从低负载范围改变到高负载范围时，通过根据内燃发动机所需的负载逐渐增大操作角来减少泵气损失。因此，在中等负载范围中将使用相当于正好在下止点附近闭合进气门的正时的操作角。当在下止点附近进气门闭合时，实际缸内压缩比将增大，并且更有可能发生爆震。

做出本发明是为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种控制设备，其能够在适当地避免具有可变气门机构的内燃发动机内的爆震的同时控制内燃发动机的运转状态，所述可变气门机构使得进气门的至少闭合正时可以改变。

上述目的通过用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备实现，所述可变气门机构至少使得进气门的闭合正时可变。进气门控制装置设置有第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式用于将进气门的闭合正时相对于包括进气下止点的特定范围控制在角度提前侧，所述第二控制模式用于将进气门的闭合正时相对于所述特定范围控制在角度延迟侧。所述进气门控制装置以第一控制模式或第二控制模式控制进气门的闭合正时。还设置有控制模式选择装置以对于较低负载范围中的运转选择第一控制模式，并对于较高负载范围中的运转选择第二控制模式。

在本发明的第二方面中，所述第一控制模式和所述第二控制模式中至少所述第一控制模式可以是根据所述内燃发动机的负载确定所述进气门的闭合正时的控制。

在本发明的第三方面中，所述第二控制模式可以是进气门闭合延迟控制，所述进气门闭合延迟控制确定所述进气门的闭合正时，使得即使在稳定状态下也发生进气被吹回到进气通道内。

在本发明的第四方面中，所述第一控制模式可以是根据所述内燃发动机的负载确定所述进气门的闭合正时的控制。

在本发明的第五方面中，在所述发动机以等于或小于特定值的转速以及等于或大于特定值的负载运行的运转范围中可以使用所述进气门闭合延迟控制。

在本发明的第六方面中，所述控制模式选择装置可以选择所述第一控制模式，直到所述内燃发动机的负载范围随着发动机转速的增加而达到更高范围为止。

本发明的第七方面可以包括扭矩控制装置，除了用于控制由所述进气门控制装置进行的所述进气门的闭合正时控制之外，所述扭矩控制装置用于控制所述内燃发动机的扭矩。可以设置扭矩控制改变装置以用于在通过所述控制模式选择装置选择所述第二控制模式时将由所述进气门控制装置执行的扭矩控制改变到由所述扭矩控制装置执行的扭矩控制。

在本发明的第八方面中，所述扭矩控制装置可以是控制进气量的节气门。并且所述扭矩控制装置可根据当所述第一控制模式被改变到所述第二控制模式时存在的所述进气门的闭合正时和操作角中的至少所述进气门的闭合正时来调整所述节气门的开启位置。

本发明的第九方面可包括点火正时改变装置，所述点火正时改变装置用于同步于在所述第一控制模式和所述第二控制模式之间的控制模式改变而改变所述内燃发动机的点火正时。

在本发明的第十方面中，所述点火正时改变装置可根据在执行所述第一控制模式和所述第二控制模式之间的控制模式改变时存在的气门重叠时间段来确定所述点火正时的提前量。

根据本发明的第一方面，因为取决于内燃发动机的具体负载状态选择第一控制模式或第二控制模式，所以能够防止进气门在下止点附近闭合。因此，根据本发明可以适当地控制内燃发动机的运转状态，同时适当地避免爆震。

根据本发明的第二方面，能够实现通过泵气损失的减少来改善燃料效率，同时适当地避免爆震。

根据本发明的第三方面，在高负载范围能够实现适于改善燃料效率的进气门控制，同时适当地避免爆震。

根据本发明的第四方面，在适当地避免爆震的同时，能够根据内燃发动机的负载状态选择适于改善燃料效率的进气门控制。

根据本发明的第五方面，在适当避免爆震的同时，能够在低速高负载范围--即为其中最容易发生爆震的范围--中实现适于改善燃料效率的进气门控制。

根据本发明的第六方面，能够选择适当的控制模式使得根据当前发动机转速更可靠地使用在燃料效率方面最优的进气门控制。

根据本发明的第七方面，在选择第二控制模式的高负载范围中，如下运转是可能的，即：在这种运转中，由特定的扭矩控制装置控制进气量，同时使用进气闭合延迟控制充分地延迟进气门的闭合正时。

根据本发明的第八方面，当节气门用作第二控制模式中的扭矩控制装置时能够适当地设定节气门的角度。

根据本发明的第九方面，与第一控制模式或第二控制模式的选择相关联的扭矩改变能够得到适当地抑制。

根据本发明的第十方面，能够适当地抑制在控制模式选择期间由于燃烧变差所导致的扭矩改变。

附图说明

图1是说明根据本发明第一实施方式的内燃发动机的配置的图。

图2是图1中所示的系统上装备的进气可变气门机构的配置的图。

图3A和3B是示出进气门如何被凸轮驱动的示意图。

图4是示出发动机转速和内燃发动机的扭矩(负载)与凸轮的驱动模式之间关系的示意图。

图5是示出设置为用于凸轮轴的两个凸轮的细节的示意图。

图6是说明为了控制进气门的闭合正时而用于本发明的第一实施方式的技术的图。

图7A和7B是示出用于可变IVC正时控制中的进气门的开启/闭合正时的示例的图。

图8是示出在可变IVC正时控制期间易于引起爆震的进气门的开启/闭合正时的图。

图9是示出在本发明的第一实施方式中执行的程序的流程图。

图10是说明在本发明的第二实施方式中用作第二控制模式的进气门的开启/闭合正时的图。

图11是说明进气门闭合延迟控制的使用对提高燃料效率有效的运转范围的示意图。

图12是示出在本发明的第二实施方式中执行的程序的流程图。

图13是示出在本发明的第三实施方式中执行的程序的流程图。

具体实施方式

第一实施方式

[系统配置]

图1是说明根据本发明的第一实施方式的内燃发动机10的配置的图。本实施方式的系统包括内燃发动机10。而且，本实施方式采用直列四缸发动机作为内燃发动机10。内燃发动机10的每个气缸均包括活塞12。内燃发动机10的每个气缸均具有形成在活塞12顶上的燃烧室14。进气通道16和排气通道18与燃烧室14连通。

空气流量计20安装在进气通道16的入口附近以输出表示吸进进气通道16的空气的流量的信号。节气门22安装在空气流量计20的下游。节气门22是电子控制的节气门，其能够独立于加速器的开启位置而控制节气门的开启位置。检测节气门的开启位置TA的节气门位置传感器24设置在节气门22附近。

用于将燃料喷射到进气口内的燃料喷射阀26相对于节气门22设置在下游。在内燃发动机的气缸盖处，为每个气缸安装了火花塞28，火花塞28的安装形式为从燃烧室14的上部伸入到燃烧室14内。进气门30和排气门32分别设置在进气口和排气口处。进气门30建立了燃烧室14和进气通道16之间的通断，排气门32建立了燃烧室14和排气通道18之间的通断。

进气门30和排气门32分别由进气可变气门机构34和排气可变气门机构36驱动。后面将参照图2至5描述进气可变气门机构34和排气可变气门机构36的详细配置。

图1中的系统还包括电控单元(ECU)40。除如上所述的各个传感器外，用于检测发动机转速的曲轴转角传感器42以及用于检测加速器开度PA的加速器开度传感器44也电连接到ECU 40。另外，上述的各个致动器也电连接到ECU 40。ECU 40能够基于各个传感器的输出来控制内燃发动机10的运转状态。

[根据第一实施方式的可变气门机构的配置]

图2是说明图1中所示的系统装备的进气可变气门机构34的配置的图。下面将参照此图进一步描述进气可变气门机构34的细节。由于排气可变气门36的配置几乎与进气可变气门机构34相同，所以省略了排气可变气门机构36的详细附图和详细说明。

如图2中所示，内燃发动机10的每个气缸都装备有两个进气门30。如上所述，内燃发动机10具有四个气缸(气缸#1至#4)。爆燃冲程在气缸#1、#3、#4和#2中按所列顺序相继执行。进气可变气门机构34包括两个气门机构(即进气可变气门机构34A和可变气门机构34B)。进气可变气门机构34A驱动用于气缸#2和#3的进气门30。可变气门机构34B驱动用于气缸#1和#4的进气门30。

进气可变气门机构34A包括：电动马达(下面称其为马达)50A，其用作驱动源；齿轮传动系52A，其用作传递马达50A的旋转运动的机构；以及凸轮轴54A，其将从齿轮传动系传递来的旋转运动转换成进气门30的直线开启/闭合运动。类似地，进气可变气门机构34B包括马达50B、齿轮传动系52B以及凸轮轴54B。

马达50A、50B是伺服马达，马达50A、50B的旋转速度及旋转量是可控的。优选地，将DC无刷马达等用作马达50A、50B。马达50A、50B包括解码器、旋转编码器或检测这些马达的旋转位置(旋转角度)的其它内置旋转角度传感器。ECU 40控制马达50A、50B的旋转速度和旋转量。

凸轮驱动齿轮56和凸轮58分别安装在凸轮轴54A、54B的外周上。凸轮驱动齿轮56和凸轮58均与凸轮轴54A、54B一起旋转。

齿轮传动系52A可以配置成使得凸轮轴54A和安装在马达50A的输出轴60上的马达齿轮62A经由中间齿轮64A而同速旋转，或者配置成使得凸轮驱动齿轮56以比马达齿轮62A更高或更低的速度旋转。类似地，齿轮传动系52B经由中间齿轮64B(未示出于图2中)将安装在马达50B的输出轴上的马达齿轮62B的旋转传递到凸轮轴54B上的凸轮驱动齿轮56。

如图2中所示，凸轮轴54A位于用于气缸#2和#2的进气门30上。用于气缸#2和#3的进气门30由安装在凸轮轴54A上的凸轮58开启/闭合。被分成两段的凸轮轴54B位于用于气缸#1和#4的进气门30上。用于气缸#1和#4的进气门30由安装在凸轮轴54B上的凸轮58开启/闭合。由于凸轮轴54B的两段由插在中空的凸轮轴54A内的联接构件连接，所以凸轮轴54B的这两段一起旋转。

图3A和3B是示出进气门30如何由凸轮58驱动的示意图。凸轮58形成为板状凸轮，其尖部58a通过使与凸轮轴54A、54B同轴的圆形基圆58b的一部分沿径向向外凸起而形成。凸轮58的外形设计成使得其整个圆周都不具有负的曲率，即，沿径向向外引出有凸曲线。在本实施方式中，示出了直接驱动气门机构的示例，其中，凸轮58直接驱动进气门30。但是，也可以替代地使用其中凸轮经由摇臂驱动进气门的气门机构。如果使用了其中凸轮经由摇臂驱动进气门的气门机构，则凸轮的外形可以设计成使得沿径向向外引出有凹曲线。

如图2中所示，每个进气门30都包括气门杆30a。每个凸轮58都正对着气门挺杆66，气门挺杆66位于用于进气门30的气门杆30a的一端处。气门弹簧(未图示)的压缩反作用力向着凸轮58推动每个进气门30。因此，如果气门挺杆66正对着凸轮58的基圆58b，则进气门30在气门弹簧的力的作用下与进气口的气门片(未图示)形成紧密接触，从而关闭进气口。

当马达50A、50B的旋转运动通过齿轮传动系52A、52B被传递到凸轮轴54A、54B时，凸轮58与凸轮轴54A、54B一起旋转。在尖部58a在气门挺杆66上爬行时，气门挺杆66被压下。然后，进气门30克服气门弹簧的力而开启/闭合。

图3A和3B还示出凸轮58的两种驱动模式：正常旋转驱动模式和摆动驱动模式。在正常旋转驱动模式下，马达50A、50B沿一个方向连续旋转以使凸轮58沿正常旋转方向(沿如图3A中的箭头所示的方向)连续地旋转超过如图3A中所示的最大升程位置，即，凸轮58的尖部58a与配合件(在此例中为气门挺杆66)形成接触的位置。相反，在摆动驱动模式下，通过在达到正常旋转驱动模式的最大升程位置之前改变马达50a、50B的旋转方向而如图3B中所示地使凸轮58往复运动。

在正常旋转驱动模式下，通过控制凸轮58的旋转速度来控制进气门30的操作角。在摆动驱动模式下，能够通过控制凸轮58的旋转速度和凸轮58的摆动角度范围来控制进气门30的操作角和升程量。这样，根据进气可变气门机构34，进气门30能够在操作角和升程量(气门开启特性)根据运转状态而得以优化的同时被驱动。

图4是示出内燃发动机10的发动机转速和扭矩(负载)与凸轮58的驱动模式之间关系的示意图。凸轮58的驱动模式的选用与发动机转速和扭矩(负载)相关。在低发动机转速范围，基本上选用摆动驱动模式。相反，在高发动机转速范围，基本上选用正常旋转驱动模式。因此，执行控制从而在低发动机转速范围中减小进气门30的操作角和升程量，并且在高发动机转速范围中增大进气门30的操作角和升程量。结果，可以根据发动机转速和扭矩将最优量的空气输送到发动机气缸内。

图5是示出设置为用于凸轮轴54A的两个凸轮58的细节的示意图。如图5中所示，用于驱动气缸#2的进气门30的凸轮58和用于驱动气缸#3的进气门30的凸轮58设置为相距180度。在四缸内燃发动机内，气缸#1、#3、#4及#2经过720°曲轴转角按所列顺序相继地执行爆燃冲程。因此，气缸#2和#3的进气冲程以360°曲轴转角的间隔执行。进气可变气门机构34A以使得气缸#2的凸轮58和气缸#3的凸轮58以360°曲轴转角的间隔交替地驱动气缸#2的进气门30和气缸#3的进气门30的方式旋转或摆动凸轮轴54A。类似地，凸轮轴54B设置有用于驱动气缸#1和#4的进气门30的凸轮58，进气可变气门机构34B通过旋转或摆动凸轮轴54B来驱动气缸#1的进气门30和气缸#4的进气门30。

在本实施方式中如此构造的系统中，在正常旋转驱动模式中，通过改变凸轮58每次旋转的旋转角度，更具体地说，通过改变马达50A、50B的旋转角度从而改变凸轮58顶起进气门30的时间段，能够改变进气门30的操作角。在正常旋转驱动模式下，在ECU 40中根据内燃发动机10的运转状态设定所需的进气门30的操作角。ECU 40控制马达50A、50B的操作，使得对于所需的操作角度能够实现适当的马达转速。

在摆动驱动模式下，通过改变马达50A、50B的旋转速度和旋转量从而改变凸轮58的旋转速度和凸轮58摇摆的角度范围，能够改变进气门30的操作角和最大升程量。在摆动驱动模式下，在ECU 40中根据内燃发动机10的运转状态设定进气门30的所需操作角及其所需最大升程量。ECU 40控制马达50A、50B的运转，使得根据进气门30的所需的操作角和所需的最大升程量能够实现马达50A、50B的适当的旋转速度和旋转量。

[第一实施方式的特征部分]

图6是说明为了控制进气门30的闭合正时而用于本发明的第一实施方式的技术的示意图。下面将称进气门30的闭合正时为IVC(进气门闭合)。图6中所示的波形表示等操作角线。图6中给出的爆震信息的细节将在图9中所示的程序中进行说明。

在本实施方式的系统中，上述进气可变气门机构34和节气门22都能够被用作进气量控制器。本实施方式主要通过用进气可变气门机构34控制进气门30的气门开启特性的方式来控制进气量。

更具体地说，本实施方式的系统按如下方式控制进气量以通过减少泵气损失来提高燃料效率：通过减小进气门30的操作角而提前IVC正时，从而限制经过进气门30的空气的量，同时，节气门角度TA相应地增大。

为此目的，根据内燃发动机10的负载系数需求和发动机转速确定进气门30的所需操作角，并且在确定所需操作角之后确定进气门30的开启/闭合正时，以在适当的气门开启阶段中实现所确定的操作角。以这种方式控制进气量使得操作角根据内燃发动机10的负载(负载系数)和发动机转速变化，从而控制进气门30的IVC正时。更具体地说，如图6中所示，当负载系数和发动机转速增大时，操作角逐渐增大，并且进气门30的IVC正时逐渐延迟。

下面将以这种方式执行以使进气门30的IVC正时变化并且根据负载调整进气量的控制称为“IVC可变控制”。

图7A和7B是示出在可变IVC正时控制中使用的进气门30的开启/闭合正时的示例的图。图7A示出了在低负载范围中开启/闭合进气门30的正时，在所述低负载范围中选择小的操作角。在这种情况下，进气门30在进气上止点TDC附近开启之后，在比进气门在下止点BDC附近闭合的正时相对较早的阶段闭合。图7B示出在选择大操作角的高负载范围中进气门30的气门正时。在这种情况下，进气门30在关于进气上止点TDC角度比图7A中的情况更提前的曲轴位置处开启以获得所需的气门重叠时间段后，在下止点BDC附近闭合之后以一正时延迟闭合。此正时延迟的提供使得有足够量的空气被吸入气缸内。

例如，对于在上述可变IVC正时控制期间从低负载范围到高负载范围的改变，虽然节气门角度TA基本上被维持在相当大的角度处，但是，也能够根据内燃发动机10的负载需求延迟(例如在从图7A的阶段开始向着图7B的阶段改变)进气门30的IVC正时，使得操作角逐渐增加。使用这种控制技术使得可以在适当地减小泵气损失的同时控制进气量。

图8是示出在上述可变IVC正时控制期间易于引起爆震的进气门30的开启/闭合正时的图。如果在不对进气门的IVC正时进行任何考虑的情况下执行上述可变IVC正时控制，则在负载系数约为60％至70％的中等负载范围中使用等效于进气门正好在下止点BDC附近闭合时的正时的操作角，如图8中所示。在这种中等负载范围中，部分地由于节气门角度被控制到相当大的值，所以，如果进气门在接近于进气下止点BDC的所需角度范围内闭合，则气缸的实际内部压缩比将增大，将更有可能发生爆震。

因此，本实施方式提供了两个控制模式。一个是第一控制模式，其中，控制系统基本上利用IVC可变控制通过根据负载控制进气门30的IVC正时来控制进气量，然后将进气门30的IVC正时相对于包括进气下止点BDC的特定角度范围控制在正时提前角度位置处。另一个是第二控制模式，其中，控制系统将进气门30的IVC正时相对于包括进气下止点BDC的上述特定角度范围控制在正时延迟角度位置处。在负载相对较低的范围中选择第一控制模式，在负载相对较高的范围中选择第二控制模式。

图9是为了实现上述功能在本第一实施方式中由ECU 40执行的程序的流程图。在图9的程序中，首先在步骤100中计算内燃发动机10的当前负载系数。负载系数根据加速器开度、发动机转速、由空气流量计20测得的进气量以及例如进气管道真空压力等传感器数据进行计算。

接下来，在步骤102中，基于当前负载系数和发动机转速选择取决于当前运转状态的第一控制模式或第二控制模式。此步骤之后，执行步骤104，从而判断所选择的当前控制模式是不是第一控制模式。

如果在步骤104中判定当前控制模式是第一控制模式，则接下来在步骤106中基于加速器开度和加速器开度改变速度判断是否存在对于更高负载的负载增加要求(加速要求)。如果结果判定为存在这种负载增加要求，则在步骤108中判断负载增加要求是否与增加来自可能发生爆震的气门正时范围的负载有关。

在低发动机转速范围中，特别是在负载系数超过约60％的负载范围中，内燃发动机易于发生爆震。因此，在步骤108中，当应用了IVC可变控制时，负载系数为约50％至80％的范围(参见图6)--包括最可能发生爆震的负载系数为约60％至70％的负载范围--被定义为“易于爆震的气门正时范围”，从而防止进气门30的IVC正时被控制成正好停留在靠近进气下止点BDC的特定范围内。在图6中，易于爆震的气门正时范围被设定成保持不变，与发动机转速无关。但是，易于爆震的气门正时范围并不总是设定成不变的，而是可以响应于发动机转速或压缩结束温度而变化。

如果在步骤108中判定当前负载增加要求与增加来自易于爆震的气门正时范围的负载无关，则在步骤110中确定继续使用第一控制模式--即当前的控制模式。因此，在这种情况下，根据负载控制进气门30的IVC正时，从而获得适于所述负载的进气量。

相反，如果在步骤108中判定当前负载增加要求与增加来自易于爆震的气门正时范围的负载有关，则在步骤112中立即将第一控制模式--即当前控制模式--改变到第二控制模式。更具体地说，进气可变气门机构34立即执行从第一控制模式--对于第一控制模式操作角被设定成达到例如约150°CA--到第二控制模式--对于第二控制模式操作角被设定成达到例如约210°CA--的模式转换。在这种情况下，接下来在步骤114中调整节气门角度TA和点火正时，从而调整扭矩，使得所述控制模式改变不会引起扭矩的不同。

在图9的程序中，如果在步骤104中判定当前控制模式不是第一控制模式，即，当前控制模式是第二控制模式，则接下来在步骤116中基于加速器开度、加速器开度改变速度等判断是否存在对于低负载的负载减小要求(减速要求)。如果结果判定为存在这种负载减小要求，则在步骤118中判断所述负载减小要求是否与来自可能发生爆震的气门正时范围的负载减小有关。

如果在步骤118中判定当前负载减小要求与来自易于爆震的气门正时范围的负载减小无关，则在步骤120中确定继续使用第二控制模式--即当前控制模式。因此，在这种情况下，根据所述负载控制进气门30的IVC正时，从而获得适于所述负载的进气量。

相反，如果在步骤118中判定当前负载减小要求与来自易于爆震的气门正时范围的负载减小有关，则在步骤122中立即将第二控制模式--即当前控制模式--改变到第一控制模式。更具体地说，进气可变气门机构34立即执行从第二控制模式--对于第二控制模式操作角被设定成变为例如约210°CA--到第一控制模式--对于第一控制模式操作角被设定成变为例如约150°CA--的模式改变。在这种情况下，接下来在步骤124中调整节气门角度TA和点火正时，从而调整扭矩，使得控制模式改变不引起扭矩的不同。

根据图9中的上述程序，当内燃发动机10的当前负载范围进入易于爆震的气门正时范围时，如果存在负载改变要求，则控制进气门30的IVC正时以防止气门在进气下止点BDC附近闭合。另外，在根据本实施方式的进气可变气门机构34中，对于内燃发动机10的每个循环都能够立即执行对于这种控制的第一或第二控制模式的选择。根据上述程序的处理，在易于发生爆震的负载范围中的控制模式改变期间，能够一直控制进气门30的IVC正时，使得不使用进气下止点BDC附近的闭合正时。以这种方式，本实施方式的系统通过使用基于IVC可变控制的进气量控制而适当地控制内燃发动机10的运转状态，这样在适当地避免爆震发生的同时提供了高燃料节省性能。

在上述的第一实施方式中，当ECU 40执行步骤110、112、120或122时，实现根据本发明第一方面的“进气门控制装置”；当ECU 40执行步骤102、108或118时，实现根据本发明第一方面的“控制模式选择装置”。

第二实施方式

现在将参照图10至12描述本发明的第二实施方式。

通过采用图1中所示的硬件配置并允许ECU 40执行图12中所示的程序而非图9中所示的程序来实现根据第二实施方式的系统。

[第二实施方式的特征部分]

图10是说明用作本发明的第二实施方式中的第二控制模式的进气门30的开启/闭合正时的图。图10示出一示例，其中，除了在相对于进气上止点TDC角度相对提前的位置处被开启外，进气门30的IVC正时充分延迟到有意发生进气被吹回到进气通道内的情况的程度，以降低实际压缩比。

此处到有意发生进气被吹回到进气通道的情况的这种程度的IVC正时指的是进气在稳态下被吹回的IVC正时，所述稳态是在发动机达到其中进气门被控制在具体的IVC正时处闭合的所需运转状态后实现的。更具体地说，上述IVC正时指的是比为高速高载运转所采用的为确保在一般内燃发动机中获得所需输出的IVC正时(例如30°至40°CAABDC)延迟得更多的IVC正时。进一步更具体地说，上述IVC正时指的是例如包括图10中所示的90°CA ABDC的80°至100°CAABDC的IVC正时。

下面，也将在本实施方式中使用的上述第二控制模式--即目的为基于进气门30延迟的闭合实现阿特金森循环发动机性能的进气门30的IVC正时控制--称为“进气门闭合延迟控制”。更具体地说，在进气门闭合延迟控制的执行期间，进气门30的IVC正时被控制到以前述方式充分延迟的、特定的IVC正时，然后用节气门22控制进气量。另外，在进气门闭合延迟控制的执行期间，进气门30的IVC正时可以不是固定的。相反，IVC正时可以根据与运转状态有关的负载、发动机转速和/或其它参数进行改变。

下面定义进气门闭合延迟控制和前述第一实施方式中的IVC可变控制之间的不同。IVC可变控制是这样一种技术，其用于通过在充分增大节气门角度TA的同时根据负载和/或发动机转速控制进气门30的IVC正时使得当判定为可以获得所需进气量时进气门30在适当的正时处闭合的方式来控制进气量。因此，在使用IVC可变控制作为第一控制模式和第二控制模式的第一实施方式中，在接收到负载增加要求后紧接着执行了从第一控制模式到第二控制模式的模式改变之后的过渡状态下，可能暂时发生进气的吹回，即使在使用IVC可变控制期间也是如此。但是，IVC可变控制将不同于在稳态期间意在吹回进气的进气门闭合延迟控制。

图11是说明进气门闭合延迟控制的使用变得对于提高燃料效率有效的运转范围的图。在图11中用阴影线标出的低速高载范围表示其中进气门闭合延迟控制的燃料效率优于IVC可变控制的范围。之所以说在低速高载范围中进气门闭合延迟控制优于IVC可变控制有两个原因。一个原因是，尽管这两种控制的泵气损失相等，但是进气门闭合延迟控制是有利的，因为与由于进气上止点TDC附近气门重叠时间段的增加而使得废气再循环(EGR)气体量的增加相关地，这种控制能够使冷却损失降低(即燃烧温度的降低)。另一个原因是，进气门闭合延迟控制由于进气长时间的流动而能够帮助改善缸内混合气的分布，并且由于进气扰动的增大而能够帮助改善燃烧。

相反，在图11中的阴影范围之外的范围中，IVC可变控制的燃料效率优于进气门闭合延迟控制。下面将具体描述之所以说在低速低载范围IVC可变控制在燃料效率更优的原因。也就是说，一个原因是，当使用进气门闭合延迟控制时，由于在将空气吸入到气缸期间已经通过与进气门30、燃烧室14的壁表面等热交换而被加热的进气被吹回到进气通道内，所以不易于充分增加压缩结束温度。一个原因是，由于进气的压缩时间段短(基于延迟闭合的实际压缩比小)，所以不易于充分增加压缩结束温度。一个原因是，低速低载范围原本是对于确保获得适当燃烧的范围。由于这些原因，在低速低载范围，由于改善了燃烧情况，所以IVC可变控制的燃料效率更优。

如图11中所示，当在约2500转每分或更低(作为一个示例)的发动机转速范围之间进行比较时，其中进气门闭合延迟控制在燃料效率方面更优的范围向下延伸到低于可能会发生爆震的范围的负载侧。因此，本实施方式被构造成使得在IVC可变控制期间，当在不超过特定发动机转速(在图11的示例中约为2500转每分)的范围内给出负载增加要求时，根据所需的燃料效率改善要求，控制模式从IVC可变控制改变到进气门闭合延迟控制。更具体地说，进气门30的闭合正时(即IVC正时)及其开启正时(即IVO正时)立即改变，使得在IVC正时被控制到操作角变成例如140°CA(约40°CABBDC)的程度之后紧接着获得已经被控制到操作角变成例如280°CA(约80°CAABDC)的程度的进气门30的IVC正时。

在本实施方式中，在高于上述特定发动机转速的中等发动机转速范围中，即，如果易于爆震的范围向下延伸到低于其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围的负载侧，则根据所需的爆震避免要求，控制模式也从IVC可变控制改变到进气门闭合延迟控制。更具体地说，进气门30的IVC正时和IVO正时立即改变，使得在IVC正时已经被控制到操作角变成例如160°CA(约20°CABBDC)的程度之后紧接着能够获得已经被控制到操作角变成例如280°CA(约80°CAABDC)的程度的IVC正时。

图12是为了实现上述功能在第二实施方式中由ECU 40执行的程序的流程图。图12中的程序在不超过特定发动机转速(在图11的示例中3000转每分)的范围内采用所述控制。此程序可以同样地应用于其它更高的发动机转速。替代地，在更高的发动机转速范围中，在使用第二控制模式作为IVC可变控制期间可以执行与前述第一实施方式中的图9中的程序基本相同的程序。在图12中，与用于第一实施方式的图9中所示的步骤相同的步骤分别被分配了相同的附图标记或符号，下面省略或简化了这些步骤的描述。

在图12的程序中，在步骤100中计算了内燃发动机10的当前负载系数后，在步骤200中基于当前的负载系数和发动机转速选择取决于当前运转状态的第一或第二控制模式。在此程序中，在第一控制模式中使用IVC可变控制，在第二控制模式中使用进气门闭合延迟控制。

在图12的程序中，如果在步骤104中判定当前控制模式为是第一控制模式，并且在步骤106中判定为存在负载增加要求，则接下来在步骤202中进行判别以检验当前负载增加要求是否为朝着其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围增加负载的要求。如图11中所示的这种关系，即，其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围示出于由负载系数和发动机转速表示的运转范围中的关系贮存在ECU 40内。此关系和当前负载增加要求被互相比较，并且执行步骤202的过程。

在步骤202中，如果负载增加要求被判定为不是朝着其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围增加负载的要求，则接下来在步骤108中判别当前负载增加要求是否为来自易于爆震的气门正时范围的负载增加要求。结果，如果步骤108中的判断标准不成立，则在步骤110中继续保持原样地使用第一控制模式，即当前控制模式。

如果步骤108中的判断标准成立，则在步骤204中立即将作为当前控制模式的第一控制模式改变成第二控制模式。更具体地，进气可变气门机构34立即执行从第一控制模式--对于第一控制模式操作角被设定成变为例如约160°CA--到第二控制模式--对于第二控制模式操作角被设定成变为例如约280°CA--的模式改变。在这种情况下，与控制模式改变同步地选择通过节气门22进行的扭矩控制，并且改变点火正时。而且，在步骤206中调整节气门角度TA和点火正时以调整扭矩，使得控制模式改变不会引起扭矩的不同。

如果在步骤202中，负载增加要求被判定为朝着其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围增加负载的要求，则在步骤208中立即将作为当前控制模式的第一控制模式改变为第二控制模式。更具体地说，进气可变气门机构34立即执行从第一控制模式--对于第一控制模式操作角被设定成变为例如约140°CA--到第二控制模式--对于第二控制模式操作角被设定成变为例如约280°CA--的模式改变。在这种情况下，与控制模式改变同步地选择通过节气门22进行的扭矩控制并且改变点火正时。而且，在步骤210中调整节气门角度TA和点火正时以调整扭矩，使得控制模式改变不会引起扭矩的不同。

在图12的程序中，如果在步骤104中当前控制模式被判定为是第二控制模式，并且在步骤116中判定存在负载减小要求，则接下来在步骤212中进行辨别以检验当前负载增加要求是否为将负载减小到其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围的要求。

如果在步骤212中判定当前负载减小要求是将负载减小到其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围的要求，则在步骤214中继续保持原样地使用第二控制模式，即当前控制模式。

相反，如果在步骤212中判定为当前负载减小要求不是将负载减小到其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围的要求，即，如果判定为当前负载增加要求是将负载减小到其中IVC可变控制的燃料效率更优的范围的要求，则在步骤216中立即将作为当前控制模式的第二控制模式改变为第一控制模式。更具体地说，进气可变气门机构34立即执行从第二控制模式--对于第二控制模式操作角被设定成变为例如约280°CA--到第一控制模式--对于第一控制模式操作角根据发动机转速被设定成变为例如约140°至160°CA--的模式改变。在这种情况下，与控制模式改变同步地选择通过节气门22进行的扭矩控制并改变点火正时。而且，在步骤218中调整节气门角度TA和点火正时以调整扭矩，使得控制模式改变并不引起扭矩的不同。

根据图12的上述程序，当要求进行跨越其中IVC可变控制的燃料效率更优的范围和其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围的负载改变时，用进气可变气门机构34立即执行使用IVC可变控制的第一控制模式和使用进气门闭合延迟控制的第二控制模式之间的模式改变。这种控制的使用使得即使在可能发生爆震的负载范围附近也能够一直控制进气门30的IVC正时，使得在控制模式改变期间不使用在进气下止点BDC附近的闭合正时。另外，在本实施方式中，使用其中进气门30的IVC正时被延迟得比IVC可变控制期间更多的进气门闭合延迟控制作为更高负载侧的第二控制模式。因此，本实施方式的系统允许进气量控制的实施，在适当避免发生爆震的同时，所述进气量控制产生与通过使用第一实施方式的系统所获得的燃料效率相比更高的燃料效率。

另外，如图11中所示，随着发动机转速的增加，其中进气门闭合延迟控制的燃料效率更优的范围和其中IVC可变控制的燃料效率更优的范围之间的界线向着更高负载范围移动。在图12的程序中，通过考虑图11的关系，在步骤202、212中判别当前负载改变要求是否需要控制模式改变。在这种控制下，在特定的低发动机转速范围中，不执行从IVC可变控制到进气门闭合延迟控制的改变，直到内燃发动机的负载范围随着发动机转速的增加而达到较高的范围为止。相反，不执行从进气门闭合延迟控制到IVC可变控制的改变，直到内燃发动机的负载范围随着发动机转速的增加而达到较低的范围为止。这些都意味着能够选择适当的控制模式，使得能够根据当前发动机转速更可靠地使用在燃料效率方面最优的控制。

在如上面所述的第二实施方式中，节气门22对应于根据本发明第七方面的“扭矩控制装置”；当ECU 40执行步骤206、210或218时实现根据本发明第七方面的“扭矩控制改变装置”。

另外，在如上所述的第二实施方式中，当ECU 40执行步骤206、210或218时实现根据本发明第九方面的“点火正时改变装置”。

第三实施方式

现在将参照图13描述本发明的第三实施方式。

通过采用如图1中所示的硬件配置并且允许ECU 40执行如图13中所示的程序而非如图12中所示的程序来实现根据第三实施方式的系统。

[第三实施方式的特征部分]

本实施方式的系统的特征在于与当立即在IVC可变控制和进气门闭合延迟控制之间改变控制模式时执行的扭矩调整(在步骤300等中详细说明了所述扭矩调整)相关的技术。更具体地说，本实施方式基于IVC正时和控制模式改变后存在的进气门30的操作角调整节气门角度TA的改变范围。

当执行使用如图10中所示的进气门30的这种开启/闭合正时的进气门闭合延迟控制时，提前进气门的开启正时(即IVO正时)增加气门重叠时间段，从而增加内部EGR气体量。内部EGR气体量的适当增加提供了燃料效率改善效果，但是使燃烧稍稍劣化。因此，在本实施方式中，点火正时与控制模式改变同步改变。另外，根据气门重叠时间段(进气门30的IVO正时)调整在执行了控制模式改变之后提前的点火正时的量。更具体地说，随着气门重叠时间段变长，点火正时更显著地提前。

图13是为了实现上述功能在第三实施方式中由ECU 40执行的程序的流程图。除了用步骤300、302和304取代了步骤206、210和218之外，图13的程序的内容与图12的程序的内容类似。因此，对于图13中的与在图12中示出第二实施方式的步骤相同的步骤，使用了相同的附图标记，省略或简化了它们的描述。另外，该程序是通过结合图12的程序和本实施方式中的扭矩调整方法获得的。但是，替代地，该扭矩调整方法可以与上述第一实施方式中的图9的程序相结合。

在图13的程序中，如果在步骤108中判定当前负载增加要求为来自易于爆震的气门正时范围的负载增加要求，并且在步骤204中立即执行从作为当前控制模式的第一控制模式到第二控制模式的控制模式改变，接下来在步骤300中调整节气门角度TA和点火正时以调整扭矩，使得控制模式改变不引起扭矩的不同。

在ECU 40中存储有映射(未图示)，在所述映射中，在已执行控制模式改变之后获得的进气门30的IVC正时和操作角的关系中预定义了节气门角度TA的变化。在控制模式改变之后，ECU 40参照此映射并且调整当前的节气门角度TA。在ECU 40中还存储有映射(未图示)，在所述映射中，在与控制模式改变之后存在的气门重叠时间段(或者进气门30的IVO正时)相关的关系中预定义了点火正时的提前量。ECU40参照此映射并且调整在所述控制模式改变之后获得的点火正时的提前量。

在图13的程序中，执行基本上与步骤300相同的步骤302、304，但是由于步骤302、304中执行的过程基本上与步骤300中执行的过程相同，所以省略了这些过程的详细描述。

根据图13的上述程序，能够根据在控制模式改变之后建立于IVC正时和进气门30的操作角之间的关系适当地调整控制模式改变后的节气门角度。另外，根据上述程序，根据在控制模式改变之后关于气门重叠时间段建立的关系，能够适当地调整控制模式改变后提前点火正时的量，以改善燃料经济性。因此，本实施方式的系统使得可以适当地抑制由于控制模式改变而产生的内燃发动机10的扭矩的不同。

在上述第一至第三实施方式中，通过进气可变气门机构34的马达50A、50B驱动凸轮轴54A、54B，从而驱动每个气缸的进气门30的开启/闭合。但是，在本发明中至少使进气门的IVC正时能够变化的可变气门机构可以并不总是局限于这种配置或受这种配置的限制。相反，可变气门机构可以采用例如电磁驱动阀致动器以由电磁力驱动进气门。替代地，可变气门机构可以具有一种机械配置，只要该机构具有至少在第一控制模式中持续改变进气门的IVC正时的功能并且能够通过例如接合或脱开销的连接而立即选择第一控制模式或第二控制模式即可。

Claims (10)

1.一种用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，所述可变气门机构至少能够改变进气门的闭合正时，所述控制设备包括：

进气门控制装置，所述进气门控制装置具有第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式用于将所述进气门的闭合正时相对于包括进气下止点的特定范围控制在角度提前侧，所述第二控制模式用于将所述进气门的闭合正时相对于所述特定范围控制在角度延迟侧，其中，所述进气门控制装置以所述第一控制模式或所述第二控制模式控制所述进气门的闭合正时；以及

控制模式选择装置，所述控制模式选择装置对于较低负载范围的运转选择所述第一控制模式，并且对于较高负载范围的运转选择所述第二控制模式。

2.如权利要求1所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，

其中，所述第一控制模式和所述第二控制模式中至少所述第一控制模式是根据所述内燃发动机的负载确定所述进气门的闭合正时的控制。

3.如权利要求1所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，

其中，所述第二控制模式是进气门闭合延迟控制，所述进气门闭合延迟控制确定所述进气门的闭合正时，使得即使在稳定状态下也发生进气被吹回到进气通道内。

4.如权利要求3所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，

其中，所述第一控制模式是根据所述内燃发动机的负载确定所述进气门的闭合正时的控制。

5.如权利要求3或4所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，

其中，在所述发动机以等于或小于特定值的转速以及等于或大于特定值的负载运行的运转范围中使用所述进气门闭合延迟控制。

6.如权利要求4所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，

其中，所述控制模式选择装置选择所述第一控制模式，直到所述内燃发动机的负载范围随着发动机转速的增加而已经达到更高范围为止。

7.如权利要求1至6中任一项所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，所述控制设备进一步包括：

扭矩控制装置，除了用于控制由所述进气门控制装置进行的所述进气门的闭合正时控制之外，还用于控制所述内燃发动机的扭矩；以及

扭矩控制改变装置，所述扭矩控制改变装置用于在当所述控制模式选择装置选择了所述第二控制模式时，将由所述进气门控制装置执行的扭矩控制改变到由所述扭矩控制装置执行的扭矩控制。

8.如权利要求7所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，

其中，所述扭矩控制装置是控制进气量的节气门，

所述扭矩控制装置根据当所述第一控制模式被改变到所述第二控制模式时存在的所述进气门的所述闭合正时和操作角中的至少所述进气门的闭合正时来调整所述节气门的开启位置。

9.如权利要求1至8中任一项所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，所述控制设备进一步包括：

点火正时改变装置，所述点火正时改变装置用于同步于在所述第一控制模式和所述第二控制模式之间的控制模式改变而改变所述内燃发动机的点火正时。

10.如权利要求9所述的用于具有可变气门机构的内燃发动机的控制设备，

其中，所述点火正时改变装置根据在执行所述第一控制模式和所述第二控制模式之间的所述控制模式改变时存在的气门重叠时间段来确定所述点火正时的提前量

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