CN101737174A - 内燃机的可变阀动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机的可变阀动装置，其具有用于可变地控制进气阀的打开和关闭时刻的凸轮轴相位改变机构，控制凸轮轴相位改变机构和可变阀门升程机构，使得当内燃机的负载L小于第一预定值L1时，进气阀的关闭时刻提前为超出包括下止点的预定范围T1，以及使得当该内燃机的负载L不小于第一预定值L1时，进气阀的关闭时刻延迟为超出预定范围T1。

Description

内燃机的可变阀动装置

技术领域

本发明涉及一种内燃机的可变阀动装置，其能够改变进气阀的升程量以及打开和关闭时刻。

背景技术

传统地，已知用于改变进气阀和出气阀的升程量的可变阀门升程机构，以及用于改变进气阀和出气阀的打开和关闭时刻(相位)的可变阀门正时机构作为内燃机的可变阀动装置。近年来，越来越多的内燃机装配有上述两种机构，以便进一步改善燃料效率和输出性能。

在这种具有可变阀门升程机构和可变阀门正时机构的内燃机中，通过在轻载操作期间提前进气阀的关闭时刻，大体上减小或者减轻了进气歧管中的负压以及泵气损失，以改善燃料效率。另一方面，在重载操作期间，通过增加进气阀的升程量进而增加进气量而增强了输出(日本国特开2006-97647号公报)。

然而，在上述专利文献所述的技术中，由于在重载操作期间增加了进气阀的升程量而使进气阀的关闭时刻延迟。如果关闭时刻延迟为接近下止点，那么实际压缩比变得太高而导致引起爆震。如果发生这样的爆震，那么不可避免地会降低燃料效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可变阀门升程机构和可变阀门正时机构的内燃机的可变阀动装置，其能够在轻载操作期间提前进气阀的关闭时刻以提升燃料效率，并且也能够提升在重载操作期间的燃料效率。

为了实现本发明的目的，提供一种内燃机的可变阀动装置，用于可变地控制进气阀的打开和关闭时刻，该可变阀动装置的特征在于，包括：控制设备，用于控制进气阀的打开和关闭时刻，使得当内燃机的负载小于第一预定值时，进气阀的关闭时刻提前为超出包括下止点的预定范围，以及使得当内燃机的负载不小于第一预定值时，进气阀的关闭时刻延迟为超出预定范围。

因此，如果内燃机的负载小于第一预定值，则提前进气阀的关闭时刻，使得进气歧管中的负压减小，泵气损失减轻，从而提升了燃料效率。另一方面，如果内燃机的负载不小于第一预定值，则进气阀的关闭时刻延迟为超出包括下止点的预定范围，使得能够抑制爆震的发生，并且通过镜像循环效应(mirror cycle effect)提升了燃料效率。结果，能够提高轻载操作和重载操作的燃料效率。

优选地，可变阀动装置进一步包括可变阀门正时机构和可变阀门升程机构，该可变阀门正时机构通过改变内燃机的曲轴与进气凸轮轴之间的相位来可变地控制进气阀的打开和关闭时刻，该可变阀门升程机构在至少延迟进气阀的关闭时刻的同时增加进气阀的升程量，并且控制设备可以控制可变阀门正时机构以及可变阀门升程机构，以便根据内燃机的负载而使进气阀的关闭时刻提前或者延迟为超出预定范围。

因此，通过可变阀门正时机构和可变阀门升程机构这两种机构来控制进气阀的关闭时刻，所以能平稳地进行提前和延迟的转换，所说的提前和延迟是指使进气阀的关闭时刻提前或者延迟为超出包括下止点的预定范围。

此外，优选地，当内燃机的负载小于第一预定值的时候，控制设备应该通过可变阀门正时机构使进气阀的关闭时刻最提前，并且基于内燃机的负载，控制可变阀门升程机构。

因此，如果内燃机的负载小于预定值，那么在可变阀门正时机构的控制下，进气阀的关闭时刻随着进气阀的升程量的减小而进一步提前，以便增加进气的流动速度，从而使燃烧稳定并且进一步减轻了泵气损失，从而可以进一步提升燃料效率。

此外，优选地，在内燃机的负载不小于第一预定值的时候，控制设备通过可变阀门正时机构使进气阀的关闭时刻最延迟，并且控制可变阀门升程机构以便达到最大升程量。

因此，如果内燃机的负载不小于第一预定值，则进气阀的关闭时刻最延迟，并且进气阀的升程量具有最大值，因此能够使镜像循环效应最大限度地发挥，从而进一步提升燃料效率。

此外，优选地，当内燃机的加速器完全打开的时候，控制设备应该控制可变阀门正时机构和可变阀门升程机构，以便进气阀的关闭时刻提前为超出最大延迟角，并且进气阀的升程量减小到最大值以下。

因此，如果加速器完全打开，则通过将进气阀的关闭时刻提前为超出最大延迟角，并且将进气阀的升程量减小到最大值以下，由此能够使内燃机的输出性能得到最大限度的发挥。

此外，优选地，当内燃机的加速器完全关闭时，控制设备应该控制可变阀门升程机构，以便进气阀的升程量变为大于最小值。

因此，如果加速器完全关闭，则使得进气阀的升程量大于最小值，因此可以减小进气歧管中的压力。因此，在怠速或者刹车期间，能够保证用于制动真空助力器(brake master back)的负压。

此外，优选地，当发动机的旋转速度不小于第二预定值的时候，控制设备应该控制可变阀门正时机构和可变阀门升程机构，以便进气阀的关闭时刻提前为超过最大延迟角，并且进气阀的升程量减小到最大值以下，而与内燃机的负载无关。

因此，如果内燃机的旋转速度不小于预定值，则与负载无关，升程量和相位被规定，因此可以抑制不需要的可变阀门正时机构的切换。因此，能够抑制执行器在高速旋转区域动作，使得耐久性能够得到提升。

附图说明

通过下面给出的详细说明以及仅以实例的方式给出而不会限制本发明的附图，将更全面地了解本发明，其中：

图1是本发明第一实施例的具有可变阀动装置的发动机的示意性结构图；

图2是凸轮轴相位改变机构的结构图；

图3是可变阀门升程机构的结构图；

图4是用于设定第一实施例的凸轮轴相位改变机构和可变阀门正时机构的绘图；

图5是示出了与负载对应的凸轮轴相位改变机构和可变阀门升程机构的设定状态以及发动机状态的图表；以及

图6是用于设定第二实施例的凸轮轴相位改变机构和可变阀门升程机构的绘图。

具体实施方式

现在将参考附图说明本发明的各实施例。

首先说明本发明的第一实施例。

图1是具有本实施例的可变阀动装置的内燃机(下文中称为发动机)1的示意性结构图。

本实施例的发动机1包括DOHC式气阀机构并且作为行走用驱动源而安装于车辆中。正时齿带轮(timing pulley)4和5分别连接到发动机1的进气凸轮轴2与出气凸轮轴3的各自的前端。该正时齿带轮4和5通过正时带(timing belt)6而连接于曲轴7。随着曲轴7的旋转，进气凸轮轴2和出气凸轮轴3与正时齿带轮4和5一起旋转。进气阀8通过驱动进气凸轮轴2上的进气凸轮2a而被打开和关闭，并且出气阀9通过出气凸轮轴3上的出气凸轮3a而被打开和关闭。

本实施例的可变阀动装置用于驱动进气阀8的气阀机构。该可变阀动装置具有凸轮轴相位改变机构(可变阀门正时机构)11以及可变阀门升程机构12，这将在后面描述。

图2是凸轮轴相位改变机构11的内部结构图。下面，与图1相结合来说明凸轮轴相位改变机构11。

凸轮轴相位改变机构11设置于进气凸轮轴2与进气侧正时齿带轮4之间，例如采用在日本特开2000-27609号公报或者日本专利第3846605号公报中所记载的那样的叶片式凸轮轴相位改变机构。

如图2所示，凸轮轴相位改变机构11以这种方式构造，即，叶片转子14可旋转地设置在正时齿带轮4的壳体13中，并且进气凸轮轴2连接于叶片转子14。

燃油控制阀(下文中称为OCV)15通过在进气凸轮轴2中形成的燃油通道而连接于凸轮轴相位改变机构11。当OCV15被切换时，从发动机1的燃油泵16所供应的液压油被馈送到形成于叶片转子14与壳体13之间的燃油腔17中，从而叶片转子14旋转，由此，可以连续地调节进气凸轮轴2相对于正时齿带轮4的相位角，即，进气阀8的打开和关闭时刻。

此外，凸轮轴相位改变机构11具有锁紧销18和弹簧(激励装置)19。锁紧销18被插入到叶片转子14中的装配孔20中而具有防止叶片转子14旋转的功能，因此，可以设定叶片转子14的最大前进位置。弹簧19位于壳体13与叶片转子14之间，并且用于在前进方向上激励叶片转子14。

图3是可变阀门升程机构12的示意性结构图。下面，将参考图3并结合图1来描述可变阀门升程机构12的结构。

关于可变阀门升程机构12的结构，例如在日本特开2005-299536号公报中被记载，省略其详细结构，但如图3所示，除了进气凸轮轴2和驱动进气阀8的摇臂30之外，还设置了中心摇臂31和摆动凸轮32。在通过旋转进气凸轮轴2而垂直移动摇臂30的时候，摇杆轴34通过电机33枢转，以移动中心摇臂31的支点位置，由此，可以改变进气阀8的最大升程量，并且从最大升程量到最小升程量为止，阀门打开时刻保持基本不变，同时阀门关闭时刻随着升程量的减小而提前。因此，可变阀门升程机构12是将中心摇臂31和摆动凸轮32组合到进气凸轮轴2和摇臂30上的单独的机构，并且具有基本连续地改变进气阀8的升程量和阀门打开时刻。

ECU40具有未图示出来的输入-输出装置、诸如ROM和RAM的存储装置、中心处理装置(CPU)、定时计数器等，并且综合控制发动机1。

曲轴角度传感器41、节流阀传感器42、加速器位置传感器(accelerator position sensor)46等各种传感器连接于ECU40的输入侧，其中，曲轴角度传感器41检测发动机1的曲轴角度，节流阀传感器42检测节流阀(未示出)的开度。加速器位置传感器46检测由司机操作的加速器踏板的下降量。此外，燃料注入阀43、火花塞44等，以及所述OCV15和电机33连接于ECU40的输出侧。ECU40根据来自各传感器的检测信息来判定点火时刻、燃料注入量等，并且主动地控制火花塞44和燃料注入阀43，而且ECU40主动地控制OCV15和电机33，即，凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12。

图4是用于设定根据本发明的第一实施例的凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12的绘图。

如图4所示，ECU40根据发动机旋转速度N和负载L来切换可变阀门升程机构12和凸轮轴相位改变机构11。发动机旋转速度N可以根据由曲轴角度传感器41所检测到的曲轴角度的转变来测量，并且负载L根据由加速器位置传感器46检测到的加速器踏板的下降量来计算。

如果负载L小于第一预定值L1，则ECU40控制凸轮轴相位改变机构11以将进气阀8设定为最大提前角，并且控制可变阀门升程机构12以设定与负载相对应的最小升程量(图4中的区域1)。

如果负载L不小于第一预定值L1，则将凸轮轴相位改变机构11控制在最大延迟角，并且通过可变阀门升程机构12将升程量设定为最大值(图4中的区域2)。

如果负载L处于最大区域，或者更具体地，如果加速器完全打开，则控制该凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12，使得发动机1的输出最大化。在本实施例的发动机1中，通过略微提前阀关闭时刻在最大延迟角之前以及使得升程量在一定程度上小于最大值(图4中的区域3)，而使得输出最大化。

如果负载L处于最小区域，或者更具体地，如果加速器完全闭合如在怠速或者减速模式，则控制该可变阀门升程机构12，以便超过最小升程量，同时凸轮轴相位改变机构11保持在最大提前角。

图5是示出了负载对应的可变阀门升程机构12和凸轮轴相位改变机构11的设定状态以及与发动机状态的图表。在图5中，(A)代表进气阀8的关闭时刻；(B)代表由凸轮轴相位改变机构11可变地控制的进气阀8的相位；(C)代表由可变阀门升程机构12可变地控制的进气阀8的升程量；(D)代表在进气歧管中的压力；以及(E)代表燃料效率。上述所有的这些值都与发动机1的负载分别对应。在图5中，圆(○)表示在进气阀8的关闭时刻是最早的情况时的值，而菱形(◇)表示在进气阀8的关闭时刻是最迟的情况时的值。

在负载L小于第一预定值L1的区域1中，如图5所示，进气阀8的关闭时刻提前，使得能够减小进气歧管中的负压(或者可以增加压力)。因此，可以减轻泵气损失，使得可以提升燃料效率。

在负载L不小于第一预定值L1的区域2中，凸轮轴相位改变机构11受到最大延迟角控制，并且升程量由可变阀门升程机构12设定为最大值，从而最大延迟了进气阀8的关闭时刻。因此，可以使进气阀8的关闭时刻延迟为超出包括下止点的预定范围T1，从而能够抑制爆震的发生，并且可以通过镜像循环效应提升燃料效率。

在加速器完全打开的区域3中，进气阀8的关闭时刻提前在最大延迟角之前，并且使得升程量小于最大值，从而最大限度地发挥出发动机1的输出性能。

在加速器完全关闭的区域4中，将阀门升程量设定为略大于最小值，从而可以减小进气歧管中的压力，以保证用于制动真空助力器的足够的负压。

因此，在根据本实施例的具有凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12二者的发动机中，通过在轻载区域中减小进气歧管中的压力而减轻泵气损失。另一方面，在重载区域，使进气阀8的关闭时刻延迟为超出下止点附近的点，以便可以抑制爆震的发生，并且可以通过镜像循环效应提升燃料效率。可以提升从轻载区域到重载区域的整个区域的燃料燃烧性能。

此外，由于通过凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12二者能够变更进气阀8的关闭时刻，因此可以使进气阀8的关闭时刻平稳地提前或者延迟为超出包括下止点的预定区域T1。结果，减小了在切换控制的转换期间进气阀8的关闭时刻处于包括下止点的预定区域T1中的时间。此外，凸轮轴相位改变机构11通过油压来操作，而与此不同地，可变阀门升程机构12通过电力来操作，以便假如以相同的驱动力来操作凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12时，能够减小由油压不足或者电力不足而引起的不良运动等。

此外，由于可变阀门升程机构12通过电力驱动，因此即使油温与低温起动时的情况一样低，或者即使油压由于轻载操作而没有足够地增加，也能够准确地控制升程量。因此，可以提升用于低温、低速操作时的燃料效率。

此外，由于阀门的升程量非常依赖于空气量，所以可变阀门升程机构12需要保持非常高的可变响应性，从而适合电动化。

如果负载位于最小区域，例如加速器是完全关闭的区域，此外，缓和了进气歧管中的负压的减小，以保证用于制动真空助力器的足够的负压。从而，不需要使用负压泵来保证用于制动真空助力器的负压，使得可以抑制部分成本的增加。

如果负载位于最大值区域，例如加速器完全打开的区域，通过提前进气阀8的关闭时刻在最大延迟角之前，以及使得升程量稍微小于最大值，可以获得发动机1的最小输出，而不是通过将这些值都调节到最大值。从而，可以根据需要最大限度地发挥发动机性能，使得可以提升车辆的加速性能。

应该设置重叠部分，以便即使在进气阀8在重载区域中受到最大延迟角控制的时候，进气阀8和出气阀9二者也是打开的。如果这样做，那么在进气冲程的初始阶段减轻了泵气损失，使得可以进一步提升燃料效率。

下面是对本发明第二实施例的描述。

图6是用于设定本发明第二实施例的凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12的绘图。

在第二实施例中，不仅如在第一实施例中那样根据负载，同时也基于发动机旋转速度N来切换对凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12的控制。

更具体地，如果发动机旋转速度N小于第二预定值N1，那么基于负载来选择在区域1至4中的任意区域中的控制，如在第一实施例中那样。如果发动机旋转速度N不小于第二预定值N1，根据本实施例，控制凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12，使得可以最大限度地发挥发动机的性能，如在区域3中那样，而与负载无关。

因此，在第二实施例，在对实际燃料效率的影响很小的高速旋转状态中，因为没有根据负载进行不需要的凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12的切换控制，因此可以提升凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12的耐用性。

根据本实施例，本发明应用于具有凸轮轴相位改变机构11和可变阀门升程机构12的发动机。然而，本发明不限于该实施例，并且也可以应用于具有可变地控制进气阀8的关闭时刻的功能的发动机。在这种情况下，如果负载L不小于第一预定值L1，通过使进气阀8的关闭时刻延迟为超出包括下止点的预定范围T1，至少可以提升重载区域中的燃料效率。

Claims (7)

1.一种内燃机的可变阀动装置，用于可变地控制进气阀(8)的打开和关闭时刻，该可变阀动装置的特征在于，包括：

控制设备(40)，用于控制所述进气阀(8)的打开和关闭时刻，使得当内燃机的负载小于第一预定值时，所述进气阀的关闭时刻提前为超出包括下止点的预定范围，以及使得当内燃机的负载不小于该第一预定值时，所述进气阀的关闭时刻延迟为超出所述预定范围。

2.根据权利要求1所述的内燃机的可变阀动装置，其特征在于，进一步包括可变阀门正时机构(11)和可变阀门升程机构(12)，该可变阀门正时机构(11)通过改变所述内燃机的曲轴与进气凸轮轴之间的相位，而可变地控制所述进气阀(8)的打开和关闭时刻，该可变阀门升程机构(12)在至少延迟所述进气阀(8)的关闭时刻的同时增加该进气阀的升程量，

所述控制设备(40)控制所述可变阀门正时机构(11)以及所述可变阀门升程机构(12)，以便根据内燃机(1)的负载，使所述进气阀的关闭时刻提前或延迟为超出所述预定范围。

3.根据权利要求2所述的内燃机的可变阀动装置，其特征在于，当内燃机的负载小于所述第一预定值的时候，基于所述内燃机(1)的负载，所述控制设备(40)控制所述可变阀门正时机构(11)使所述进气阀的关闭时刻最提前，并且控制所述可变阀门升程机构(12)。

4.根据权利要求3所述的内燃机的可变阀动装置，其特征在于，在所述内燃机(1)的负载不小于所述第一预定值的时候，所述控制设备(40)控制所述可变阀门正时机构(11)使所述进气阀(8)的关闭时刻最延迟，并且控制所述可变阀门升程机构(12)以便达到最大升程量。

5.根据权利要求4所述的内燃机的可变阀动装置，其特征在于，当所述内燃机(1)的加速器完全打开的时候，所述控制设备(40)控制所述可变阀门正时机构(11)和可变阀门升程机构(12)，以便使所述进气阀(8)的关闭时刻提前为超出最大延迟角，并且使所述进气阀的升程量减小到最大值以下。

6.根据权利要求3所述的内燃机的可变阀动装置，其特征在于，当所述内燃机(1)的加速器完全关闭时，所述控制设备(40)控制所述可变阀门升程机构(12)，使得所述进气阀(8)的升程量大于最小值。

7.根据权利要求2至6中的任意一项所述的内燃机的可变阀动装置，其特征在于，当所述内燃机(1)的旋转速度不小于第二预定值的时候，所述控制设备(40)控制所述可变阀门正时机构(11)和可变阀门升程机构(12)，使得所述进气阀(8)的关闭时刻提前为超过最大延迟角，并且所述进气阀的升程量减小到最大值以下，而与所述内燃机(1)的负载无关。

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