CN101779023B - 用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备具有通向涡轮增压器(20)的涡轮(20b)的第一排气通道(38)；不通向涡轮(20b)的第二排气通道(40)；打开和关闭第一排气通道(38)的第一排气门(42)；打开和关闭第二排气通道(40)的第二排气门(44)；以及可变排气门机构(54)，该可变排气门机构(54)具有作为驱动第二排气门(44)的凸轮的中凸轮(62)和小凸轮(64)，并能够通过切换凸轮轮廓来改变第二排气门(44)的升程量和工作角。供应到涡轮(20b)的排气能的量的调节以及涡轮转速和增压压力的调节是通过切换第二排气门(44)的凸轮轮廓来执行的。

Description

用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备
技术领域
本发明涉及一种用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备。
背景技术
例如，日本专利申请公开No.10-89106(JP-A-10-89106)描述了一种配装有涡轮增压器的内燃发动机。该内燃发动机具有打开和关闭通向涡轮的第一排气通道的第一排气门以及打开和关闭不通向涡轮的第二排气通道的第二排气门。在该内燃发动机中，在高速区域内，在膨胀行程结束前打开第一排气门并在排气行程的前半程中打开第二排气门。此外，该内燃发动机在旁通涡轮增压器的涡轮的通道中具有用于控制增压压力和涡轮转速的废气旁通阀。
例如，日本专利申请公开No.5-263671(JP-A-5-263671)也描述了一种配装有涡轮增压器的内燃发动机。与在JP-A-10-89106中所描述的内燃发动机类似，该内燃发动机也具有打开和关闭通向涡轮的第一排气通道的第一排气门以及打开和关闭不通向涡轮的第二排气通道的第二排气门。该内燃发动机进一步具有用于气门的液压驱动设备，该液压驱动设备用于以彼此独立的方式打开和关闭每个气缸中的第一排气门和第二排气门。
尽管JP-A-10-89106中所公开的控制设备具有用于独立驱动第一排气门和第二排气门的升程量的可变气门机构，但是也需要用于控制增压压力和涡轮转速的废气旁通阀。此外，在JP-A-5-263671中所描述的用于气门的液压驱动设备能够执行对第一排气门和第二排气门的升程量和工作角的无级调节，但是具有对升程量等进行无级调节这种功能的气门系统需要复杂的部件结构及控制。
发明内容
本发明提供了一种用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，所述控制设备能够在不依靠废气旁通阀并且采用简单的气门系统构造的情况下控制供应至涡轮增压器的排气能的量。
本发明的一方面涉及一种用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备。用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述内燃发动机包括：涡轮增压器，所述涡轮增压器对进气进行增压；第一排气通道，所述第一排气通道连接至所述涡轮增压器的涡轮；第一排气门，所述第一排气门打开和关闭所述第一排气通道；第二排气通道，所述第二排气通道不连接至所述涡轮；以及第二排气门，所述第二排气门打开和关闭所述第二排气通道。用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备包括：可变排气门机构，所述可变排气门机构能够改变所述第一排气门和所述第二排气门中的作为被切换排气门的一个排气门的气门开启特性；以及控制装置，所述控制装置用于调节供应至所述涡轮的排气能的量。所述可变排气门机构具有凸轮并驱动所述被切换排气门，所述凸轮具有多个凸轮轮廓。所述可变排气门机构能够分级地切换所述多个凸轮轮廓。所述控制装置通过切换所述多个凸轮轮廓来调节供应至所述涡轮的排气能的量。
依据上述方面，能够在不依靠废气旁通阀的情况下执行供应至所述涡轮的排气能的量的控制，并且相比设置了能够连续调节被切换排气门的气门开启特性的可变气门机构的情况，通过采用相对简单的气门系统构造实现了成本降低。
在上述方面中，所述内燃发动机可进一步包括：排气旁通通道，所述排气旁通通道旁通所述涡轮并连接所述涡轮的入口侧和所述涡轮的出口侧；以及废气旁通阀，所述废气旁通阀设置在所述排气旁通通道的中间区段。所述控制装置可切换所述多个凸轮轮廓，使得当所述废气旁通阀的开度比目标开度大预定值或更多时，第二排气通道侧的排气流量增加。
依据上述方面，可控制所述开度以将废气旁通阀的开度维持于目标开度，并且使得既能够通过切换凸轮轮廓来调节排气流量，又能够通过废气旁通阀的开度调节来调节排气流量。因此，能够防止由于将废气旁通阀的开度控制成过大值所导致的涡轮的能量回收效率的降低，并能够在内燃发动机的运转区域的宽范围内执行有效的扫气。
在上述方面中，所述控制装置可通过切换所述多个凸轮轮廓来调节增压压力和涡轮转速中的至少一个。
在上述方面中，分级地切换所述多个凸轮轮廓可以是分多级执行的或者是以无级的方式执行的。
依据上述方面，能够在不依靠废气旁通阀的情况下执行增压压力和涡轮转速中的至少一个的控制，并且相比设置了能够连续调节作为切换对象的排气门的气门开启特性的可变气门机构的情况，通过采用相对简单的气门系统构造实现了成本降低。
在上述方面中，所述内燃发动机可具有多个气缸。所述可变排气门机构对于每个气缸中的每个被切换排气门可具有所述多个凸轮轮廓。所述可变排气门机构可构造成能够为每个气缸分级地切换所述多个凸轮轮廓。所述控制装置可通过改变执行所述多个凸轮轮廓切换的气缸的数目来调节第一排气通道侧的排气流量。
在上述方面中，所述多个凸轮轮廓的分级切换可以是分两级执行的。
在上述方面中，所述多个气缸可以具有相同的多个凸轮轮廓。
在上述方面中，所述多个气缸中的至少两个气缸可具有不同的多个凸轮轮廓。所述控制装置可通过选择执行所述多个凸轮轮廓切换的气缸或者通过改变气缸的数目来调节所述第一排气通道侧的排气流量。
依据上述方面，可变排气门机构可被构造成具有用于调节排气流量的大量分级，同时减少用于切换凸轮轮廓的分级数目以简化结构。因此，即使当使用具有少量切换分级的可变排气门机构时，也可执行对供应至涡轮的诸如排气压力和排气流量之类的排气能的量的精细调节，以及对涡轮转速的精细调节和对增压压力的精细调节。因而，能够提高增压操作期间的内燃发动机性能和可操作性。
在上述方面中，所述内燃发动机可进一步包括：可变进气门机构，所述可变进气门机构能够改变进气门的气门开启特性。所述控制装置可在所述多个凸轮轮廓切换的同时通过使用所述可变进气门机构来执行所述内燃发动机的进气量的调节。
在上述方面中，所述可变进气门机构可控制所述进气门的开启-关闭正时、升程量以及工作角中的任意一个或者更多。
依据上述方面，通过在对作为切换对象的排气门进行驱动的凸轮的凸轮轮廓进行切换的同时由可变进气门机构调节进气门的气门开启特性，可以连续地进行进气量控制，即使切换了凸轮轮廓也如此。因此，可调节进气量以抵消多种影响，例如由凸轮轮廓的这种切换所引起的增压压力的降低、由于背压变化所引起的泵送损失的变化、以及伴随残留气体量变化的燃烧状态的变化。因而，能够提高增压操作期间的内燃发动机性能和可操作性。
在上述方面中，所述可变排气门机构可进一步构造成能够改变所述第一排气门和所述第二排气门中的至少一个的关闭正时。所述控制装置可通过使用所述可变排气门机构来执行气门重叠时长的调节，使得当使用所述可变进气门机构实施所述进气量的调节时，气缸内部的扫气量和残留气体量中的至少一个维持于固定值。
在上述方面中，所述可变排气门机构可进一步构造成能够改变所述第一排气门和所述第二排气门中的至少一个的开启-关闭正时。所述控制装置可通过使用所述可变排气门机构来执行气门重叠时长的调节，使得当使用所述可变进气门机构实施所述进气量的调节时，气缸内部的残留气体量和扫气量中的至少一个维持于固定值。
在上述方面中，所述可变排气门机构可进一步构造成能够改变所述第一排气门和所述第二排气门中的至少一个的开启-关闭正时。所述可变进气门机构可进一步构造成能够改变所述进气门的开启-关闭正时。所述控制装置可执行气门重叠时长的调节，使得当使用所述可变进气门机构和所述可变排气门机构实施所述气门重叠时长的调节时，气缸内部的残留气体量和扫气量中的至少一个维持于固定值。
依据上述方面，当在对作为被切换排气门进行驱动的凸轮的凸轮轮廓进行切换的同时使用可变进气门机构执行进气门的气门开启特性的调节时，通过同样控制排气门的气门开启特性能够将扫气量和残留气体量中的至少一个维持于固定值。因而，与通过调节进气量来抵消残留气体量的变化或扫气量的变化的过程形成对比，防止了单独部件之间的传播以及工作条件的传播。因此，能够有效抑制切换凸轮轮廓期间燃烧状态的变化。
附图说明
从以下参考附图对优选实施方式的描述，本发明的前述及进一步的目的、特征以及优点将变得清楚，其中，使用相同的数字表示相同的元件，而且其中：
图1图示了本发明第一实施方式的系统构造；
图2图示了图1所示的可变排气门机构中所包括的凸轮切换机构的特定构造；
图3A和图3B图示了图1所示的可变排气门机构中所包括的凸轮切换机构的特定构造；
图4表示使用图1所示的可变排气门机构所实现的排气门的升程曲线；
图5是在本发明第一实施方式中执行的程序的流程图；
图6示意性图示了本发明第二实施方式的系统中的液压控制单元的构造；
图7A至图7D图示了本发明第二实施方式中的凸轮轮廓的特定切换控制；
图8是在本发明第二实施方式中执行的程序的流程图；
图9是在本发明第三实施方式中执行的程序的流程图；
图10A至图10E是表示图9所示程序的步骤302中的过程示例的时间图；
图11是在本发明第四实施方式中执行的程序的流程图；
图12A至图12E是表示图11所示程序的步骤400中的过程示例的时间图；
图13图示了本发明第五实施方式中的系统构造；且
图14是在本发明第五实施方式中执行的程序的流程图。
具体实施方式
图1示出了本发明第一实施方式的系统构造。图1所示的系统包括具有四个气缸的内燃发动机10。
内燃发动机10的进气系统具有进气通道12。空气从大气吸入到进气通道12中并在各气缸的燃烧室14之间分配。空气滤清器16安装在进气通道12的入口上。空气流量计(AFM)18设置在空气滤清器16下游的附近区域内，空气流量计18输出与吸入进气通道12中的空气的流量相对应的信号。
涡轮增压器20设置在空气流量计18的下游。涡轮增压器20具有离心式压缩机20a和涡轮20b。用于冷却压缩空气的中冷器22设置在压缩机20a的下游。节气门24设置在中冷器22的下游。节气门24受到电操作并且由节气门马达26基于加速器开度来驱动。
用于检测节气门开度TA的节气门位置传感器28设置在节气门24附近。已穿过节气门24的进气通过进气歧管30分配到各气缸的进气口32。进气门34设置在各气缸的每个进气口32中。
进气门34由可变进气门机构36打开-关闭。在此，假设可变进气门机构36具有VVT机构(图中未示出)，VVT机构能够连续地改变每个气缸的进气门34的气门开启相位(能够在不改变工作角的情况下改变开启-关闭正时)。但是，可变进气门机构36不限于这种VVT机构，只要其能够改变进气门34的气门开启特性(升程量、工作角、开启正时、关闭正时等)以调节进气量即可，并且可以是能够连续地改变进气门34的升程量或工作角的任意常规的机械式可变气门机构。
内燃发动机10的排气系统具有两个排气通道，即，第一排气通道38和第二排气通道40。更具体地，涡轮增压器20的涡轮20b设置在第一排气通道38的中间区段。第二排气通道40构造成在涡轮20b的下游与第一排气通道38合并。换言之，第一排气通道38被构造为连接至涡轮20b的排气通道，而第二排气通道40被构造为不连接至涡轮20b的排气通道。
在每个气缸中设置第一排气门42和第二排气门44。第一排气通道38通过第一排气歧管46分叉并连接至第一排气口48，每个气缸的第一排气门42设置在第一排气口48处。此外，第二排气通道40通过第二排气歧管50分叉并连接至第二排气口52，每个气缸的第二排气门44设置在第二排气口52处。换言之，第一排气门42被构造为打开和关闭第一排气通道38的排气门，而第二排气门44被构造为打开和关闭第二排气通道40的排气门。
第一排气门42和第二排气门44由可变排气门机构54打开-关闭。在此，假设可变排气门机构54具有与可变进气门机构36相似的VVT机构，作为用于连续地改变每个气缸的第一排气门42和第二排气门44的气门开启相位的机构。此外，可变排气门机构54在每个气缸中具有凸轮切换机构56，用于独立改变第一排气门42和第二排气门44的升程量和工作角。
图2、图3A和图3B图示了设置在图1所示的可变排气门机构54中的凸轮切换机构56的特定构造。更具体地，图2是第一排气门42、第二排气门44、以及可变排气门机构54的立体图。图3A和图3B是凸轮切换机构56的主要部分的剖视图。如图2所示，可变排气门机构54具有排气凸轮轴58。在排气凸轮轴58上，在每个气缸处设置有三个凸轮60、62、64。更具体地，大凸轮60是用于驱动第一排气门42的凸轮，而中凸轮62和小凸轮64是用于驱动第二排气门44的凸轮。
中凸轮62具有提供比大凸轮60的升程量和工作角小的升程量和工作角的凸轮轮廓。小凸轮64具有提供比中凸轮62的升程量和工作角小的升程量和工作角的凸轮轮廓。
第一摇臂66设置在大凸轮60的下方，而第二摇臂68设置在小凸轮64的下方。第三摇臂70设置在两个摇臂66、68之间。这三个摇臂66、68、70都在它们的一端处由设置成平行于排气凸轮轴58的摇臂轴72以可转动的方式支撑。此外，第一摇臂66的另一端以及第二摇臂68的另一端由第一排气门42和第二排气门44支撑。此外，第三摇臂70在其另一端处由空动弹簧74朝向中凸轮62偏置。
如图3A和图3B所示，液压腔室76形成在第二摇臂68内部，销78插入到液压腔室76中。在用作为液压通道的摇臂轴72的内部，工作油被从摇臂轴72供应到液压腔室76中。供应至每个气缸的液压腔室76的液压压力由油控制阀(图中未示出)控制，油控制阀设置在液压通道(图中未示出)中。
另一方面，销孔80形成于第三摇臂70中，该销孔80具有位于第二摇臂68侧的开口。复位弹簧82和活塞84从销孔80的底端设置在销孔80内。这种销78和销孔80都设置在相同的圆弧上，摇臂轴72用作为该圆弧的中心。
使用上述构造，当销孔80的位置与销78的位置匹配时，销78抵靠活塞84。在液压腔室76内的液压压力推动活塞84的力大于复位弹簧82推动活塞84的力的这种情况下，销78前进到销孔80中，并且推动活塞84更深地进入销孔80中。当销78插入到销孔80中时，第二摇臂68和第三摇臂70经由销78连接在一起。
图4图示了由图1所示的可变排气门机构54操作的第一排气门42和第二排气门44的升程曲线。使用具有上述凸轮切换机构56的可变排气门机构54，能够独立地分两级调节与第一排气门42分开的第二排气门44的升程量和工作角。
更具体地，当第二摇臂68和第三摇臂70未由销78连接在一起时，选择小凸轮64作为驱动第二排气门44的凸轮。在这种情况下，如图4所示，第一排气门42由大凸轮60控制于大升程量和大工作角，而第二排气门44由小凸轮64控制于小升程量和小工作角。
另一方面，当第二摇臂68和第三摇臂70由销78连接在一起时，选择中凸轮62作为驱动第二排气门44的凸轮。因此，在这种情况下，如图4所示，第一排气门42不受影响，但第二排气门44被控制到比在选择小凸轮64的情况下的升程量和工作角大的升程量(以下称作为“中等升程量”)和工作角。
以下将参考相同的图1来说明本实施方式的系统构造。用于检测排气空燃比的空燃比传感器88设置在第一排气通道38和第二排气通道40的合并点下游的合并后排气通道86中。用于排气净化的催化剂90设置在空燃比传感器88的下游。
内燃发动机10的控制系统具有电子控制单元(ECU)100。除了上述传感器之外，用于检测发动机转速的曲柄角传感器102、用于检测加速器开度的加速器位置传感器104、以及用于检测进气压力的进气压力传感器106连接至ECU 100。此外，除了上述致动器之外，用于将燃料喷射到各气缸的燃烧室14中的燃料喷射阀108连接至ECU 100。ECU 100基于这些传感器的输出来控制内燃发动机10的工作状态。
具有上述构造的本实施方式的系统不具有旁通涡轮增压器20的涡轮20b的排气旁通通道，因此不具有废气旁通阀。在本实施方式中，在不依靠废气旁通阀的情况下，通过使用上述可变排气门机构54分级地改变驱动第二排气门44的凸轮轮廓(小凸轮64、中凸轮62)执行排气能(排气压力或排气流量)的量的调节以调节涡轮20b的转速。
图5是为了实现上述功能而在第一实施方式中由ECU 100实施的程序的流程图。在图5所示的程序中，ECU 100首先获取内燃发动机10的目标增压压力(步进工作角)。更具体地，ECU 100存储映射(图中未示出)，该映射确定与内燃发动机10的工作状态(负荷率和发动机转速)相关的目标增压压力，并且在该步骤100中参考这样的映射获取目标增压压力。
随后，ECU 100判定在步骤100中获取的目标增压压力相对于由进气压力传感器106确定的实际增压压力的偏差是否大于预定的阈值(步骤102)。因而，当判定增压压力的偏差等于或小于阈值(在步骤102中为“否”)时，即，当判定实际增压压力已被控制到比较接近目标增压压力的值时，ECU 100选择中凸轮62的轮廓作为驱动第二排气门44的凸轮轮廓(步骤104)。
另一方面，当在步骤102中判定增压压力的偏差大于阈值(在步骤102中为“是”)时，即，当判定实际增压压力尚未完全达到接近目标增压压力的值时，ECU 100将驱动第二排气门44的凸轮轮廓切换到小凸轮64的轮廓(步骤106)。
使用图5所示的上述程序，基于目标增压压力相对于实际增压压力的偏差分两级控制驱动第二排气门44的凸轮轮廓，第二排气门44打开和关闭不连接至涡轮20b的第二排气通道40。因而，例如当第二排气门44的升程量已从中等升程量变化至小升程量时，限制了通过第二排气门44释放的排气的流量。因此，可相对于中等升程控制增大通过第一排气门42释放的排气的流量，即，被引入到涡轮20b的排气的流量。
因此，使用上述程序的处理，对应于内燃发动机10的工作状态分两级控制用于表示供应至涡轮20b的排气能的量的变化的特性。因而，能够分级执行涡轮20b的转速的调节，并能够分级执行增压压力的调节。如以上所述，使用本实施方式的系统，能够在不依靠废气旁通阀的情况下执行供应到涡轮20b的排气能的量以及涡轮转速和增压压力的控制，同时相比设置了以无级方式调节排气门的气门开启特性的可变气门机构的情况，通过采用相对简单的气门系统构造实现了成本降低。
在上述第一实施方式中，说明了以下示例：采用分两级切换驱动第二排气门44的凸轮轮廓的机构作为可变排气门机构。但是，依据本发明的可变排气门机构并不局限于在两级之间执行切换的机构，只要能够在数个分级中以步进的方式改变设置在每个气缸中的多个排气门中的至少一个排气门的凸轮轮廓即可。因此，可变排气门机构例如可以分三级切换凸轮轮廓，使得第二排气门的升程量可以步进的方式在中等升程量、小升程量以及零升程中变化。
在上述第一实施方式中，第二排气门44可相当于依据本发明的“作为切换对象的排气门”，而实施图5所示的上述程序的处理的ECU 100可相当于依据本发明的“控制装置”。
以下将参考图6至图8来说明本发明的第二实施方式。除了以下参考图6所描述的特征之外，本实施方式的系统以与第一实施方式的上述系统相同的方式构造。
图6以简化方式图示了本发明第二实施方式的系统中的液压控制单元的构造。如图6所示，工作油被从液压泵112经由液压通道110供应至每个气缸的可变排气门机构54的液压腔室76。在本实施方式中，在每个气缸上设置用于对将工作油供应至液压腔室76进行开/关控制的油控制阀114。使用这种构造，能够对每个气缸单独地切换第二排气门44的凸轮轮廓。
如上所述，使用本实施方式的系统，能够单独地对每个气缸在小升程量与中等升程量之间切换第二排气门44的升程量。在本实施方式中，对应于内燃发动机10的工作状态，更具体地，依据目标增压压力相对于实际增压压力的偏差，改变以下气缸的数目：其中，凸轮62、64的轮廓驱动第二排气门44。
图7A至图7D图示了本发明第二实施方式中的凸轮轮廓的切换控制。为了简化说明，在图7A至图7D中，将对气缸数目为三个的情况进行说明。在设置了分两级切换驱动第二排气门44的凸轮62、64的可变排气门机构54的情况下，如在本实施方式中那样，能够以图7A至图7D所示的四种模式控制每个气缸的第二排气门44的升程量。
更具体地，如图7A所示，通过在所有气缸(在图7A至图7D所图示的示例中为三个气缸)中选择小凸轮64，能够将所有气缸的第二排气门44的升程量都设定成小升程量。此外，如图7B所示，通过在两个气缸中选择小凸轮64并在余下的一个气缸中选择中凸轮62，能够将两个气缸的第二排气门44的升程量设定成小升程量并将余下的一个气缸的第二排气门44的升程量设定成中等升程量。
如图7C所示，通过在一个气缸中选择小凸轮64并在余下的两个气缸中选择中凸轮62，能够将一个气缸的第二排气门44的升程量设定成小升程量并将余下的两个气缸的第二排气门44的升程量设定成中等升程量。此外，如图7D所示，通过在所有气缸(在图7A至图7D所图示的示例中为三个气缸)中选择中凸轮62，能够将所有气缸的第二排气门44的升程量都设定成中等升程量。
因而，能够以如下递减的顺序设置引入涡轮20b的排气的流量：图7A、图7B、图7C、图7D。换言之，当要单独对每个气缸调节第二排气门44的升程量时，用于调节排气流量的分级数目可增加至四级，即使当可变排气门机构54具有仅分两级切换第二排气门44的升程量的功能时也如此。另外，在内燃发动机10是直列四缸发动机的情况下，如图1所示，因为多增加一个气缸，用于调节排气流量的分级数目可变为五个。此外，例如，当可变排气门机构54被构造为将第二排气门44升程量的调节改变为在包括零升程在内的三个分级中进行调节的机构时，用于调节排气流量的分级数目可进一步增加。
图8是为了实现上述功能而在第二实施方式中由ECU 100实施的程序的流程图。在图8中，以相同的参考数字标示与图5所示的步骤相同的步骤并省略和简化其说明。当ECU 100在步骤102中判定上述增压压力的偏差大于阈值(在步骤102中为“是”)时，ECU 100控制可变排气门机构54以增加选择小凸轮64的气缸的数目(换言之，以增加将第二排气门44控制为小升程量的气缸的数目)(步骤200)。
更具体地，在图7A至图7D所示的示例中，在当前步骤200中，沿着从图7D所示的控制状态到图7A所示的控制状态的方向，ECU 100增加出现第二排气门44被控制到小升程量的气缸的数目。第二排气门44被控制到小升程量的气缸的数目可基于增压压力的偏差量来确定。
使用图8所示的上述程序，当判定实际增压压力尚未完全达到目标增压压力时，适当增加选择小凸轮64作为驱动第二排气门44的凸轮的气缸的数目，从而增加被引入到涡轮20b中的排气的流量。使用这样的过程，在可变排气门机构54的构造中，能够增加用于调节排气流量的分级数目，并且减少凸轮轮廓的切换分级的数目以简化结构。因此，即使当使用具有少量切换分级的可变排气门机构54时，也可执行对供应到涡轮的排气能--例如排气压力和排气流量--的量的精细调节，以及对涡轮转速的精细调节和对增压压力的精细调节。因而，能够提高增压操作期间内燃发动机10的性能以及可操作性。
在本实施方式中，多个凸轮轮廓即升程量在所有气缸中是相同的，且排气流量是通过改变凸轮轮廓变化了的气缸的数目来调节的。但是，也可在至少两个或更多气缸中改变多个凸轮轮廓即升程量。在这种情况下，排气流量不仅能够通过选择凸轮轮廓变化了的气缸的数目来调节，而且能够通过选择凸轮轮廓变化了的气缸或者选择气缸的组合来调节。
以下将参考图9和图10来说明本发明的第三实施方式。本实施方式的系统使用图1至图3A和图3B所示的硬件构造并通过在ECU 100中执行图5或图8所示的程序以及图9所示的下述程序来操作。
使用上述第一实施方式的控制，可通过切换凸轮轮廓来执行供应到涡轮20b的排气的流量的调节，但是排气流量的调节量受可变排气门机构54中的凸轮轮廓的切换分级的数目限制。此外，使用上述第二实施方式的控制，排气流量的调节余度相比第一实施方式的控制的调节余度被扩大，但是问题是，仍然存在不可能进行流量调节的区域。
为了确保内燃发动机10的可操作性，可确保内燃发动机10的输出值的连续性，即使当涡轮转速或增压压力的连续性未被维持时也如此，而且可为此目的确保进气量等的连续性。相应地，在本实施方式中，当切换第二排气门44的凸轮轮廓以调节增压压力等时，与凸轮轮廓的切换同时地，由可变进气门机构36控制进气门34的开启-关闭正时的提前角量。
图9示出了在第三实施方式中由ECU 100实施以实现上述功能的程序的流程图。假设与图5或图8所述的上述程序并行地实施本程序。
在图9所示的程序中，ECU 100首先基于目标增压压力相对于实际增压压力的偏差来判定是否需要对驱动每个气缸的第二排气门44的凸轮64、66的凸轮轮廓进行切换(步骤300)。
当判定需要对驱动第二排气门44的凸轮64、66的凸轮轮廓进行切换(在步骤300中为“是”)时，ECU 100实施对驱动第二排气门44的凸轮轮廓的切换，同时，使用可变进气门机构36调节进气门34的开启-关闭正时(步骤302)。
图10A至图10E示出了表示在图9所示程序的步骤302中的过程示例的时间图。图10A至图10E所示的示例是加速期间的控制的示例。在这种情况下，如图10D和图10E所示，排气流量随着发动机转速的增大而增大，因此，涡轮转速升高，从而增大增压压力。
在图10A至图10E所示的示例中，将驱动第二排气门44的凸轮从小凸轮64切换至中凸轮62以在增压压力达到其目标值的点处减小涡轮转速，如图10C所示。当执行凸轮轮廓的这种切换时，增压压力暂时减小，如图10D所示。
图10B所示的波形表示进气门34的开启-关闭正时(气门开启相位)的提前角量(进气VVT提前角)的变化。如图10B所示，当增压压力增大以增加进气量(充填气缸的空气量)时，进气门34的开启-关闭正时基本延迟。但是，尽管凸轮轮廓的这种切换减小了增压压力，并且进气门34的开启-关闭正时保持为相同，但是进气量由于进入进气口32中的进气的快速吹过而减少。
在步骤300的处理中，与凸轮轮廓的切换同时地，将进气门34的开启-关闭正时提前，如图10B所示，以避免进气量的这种减少。如图10A所示，使用这样的控制，可限制增压压力的变化，从而防止在切换凸轮轮廓时出现进气充填效率的差异。
更具体地，考虑到提前角量与凸轮轮廓的变化模式之间的关系，可使用与内燃发动机10的工作状态相对应的值作为进气门34的开启-关闭正时的提前角量。但是，如在图10A至图10E所示的示例那样，在内燃发动机10的某些工作模式下，进气门34的开启-关闭正时并不局限于具有恒定提前角的正时。与图10A至图10E所示的示例形成对比，在增压压力由于第二排气门44的凸轮轮廓的切换而升高的情况下，如在从中凸轮62切换到小凸轮64的情况下，在步骤300中，与凸轮轮廓的切换同时地，调节进气门34的开启-关闭正时的提前角量以减少进气量。
使用图9所示的上述程序，通过在对驱动第二排气门44的凸轮64、66的凸轮轮廓进行切换的同时由可变进气门机构36调节进气门34的开启-关闭正时，即使当切换凸轮轮廓时也可进行连续的进气量控制。当在没有在本实施方式中实施进气门34的控制的情况下执行凸轮轮廓的这种切换时，导致增压压力减小、由背压压力变化所引起的泵送损失变化、以及伴随残留气体量的变化的燃烧状态的变化。这种背压压力变化以及燃烧状态的变化的影响最终反映在内燃发动机的输出值中。
与上述程序形成对比，因为通过本实施方式的程序维持了进气量的连续性，所以能够调节进气量以抵消与凸轮轮廓的这种切换相伴的各种影响。因而，能够相对于上述第二实施方式进一步提高在瞬态操作期间的内燃发动机10的性能和可操作性。
在上述第三实施方式中，在切换第二排气门44的凸轮轮廓的同时，由可变进气门机构36调节进气门34的开启-关闭正时的提前角量。但是，与凸轮轮廓的切换同时实施的进气门的气门开启特性的控制并不局限于这样的调节。由此，例如，可与凸轮轮廓的切换同时地调节进气门的升程量或工作角。
以下将参考图11和图12A至图12E来说明本发明的第四实施方式。本实施方式的系统可通过使用图1至图3A和图3B所示的硬件构造并通过在ECU 100中执行图5或图8所示的程序以及图11所示的下述程序来实现。
在配装有涡轮增压器的内燃发动机中，如在本实施方式的内燃发动机10中那样，在增压压力变为高于排气压力的情况下，新空气快速吹过并进入排气通道中。当出现新空气的这种快速吹过时，气缸内的残留气体由新空气扫气。因此，当出现增压压力变化时，残留气体量出现变化，如上所述，并且新空气的快速吹过量(扫气量)也改变。残留气体量或扫气量的这种变化引起燃烧状态的变化。
在上述第三实施方式中，对如下程序进行了说明：其中，通过与驱动第二排气门44的凸轮62、64的凸轮轮廓的切换同时地执行进气门34的开启-关闭正时的调节，将进气量调节至几乎固定的值，并相对于由凸轮轮廓的切换所引起的增压压力的变化或残留气体量的变化确保了内燃发动机10的可操作性。
但是，考虑到由残留气体量的变化或扫气量的变化所产生的影响，如果可阻止残留气体量的这种变化的出现，则从消除单独部件之间的传播或工作条件的传播的影响的立场看，通过进气量的调节相比抵消其而言将更为理想。在此，气门重叠时长用作为确定残留气体量或扫气量的因素。
相应地，在本实施方式中，当与第二排气门44的凸轮轮廓的切换同时地通过可变进气门机构36执行用于调节增压压力等的进气门34的开启-关闭正时的调节时，由可变排气门机构54执行排气门42、44的开启-关闭正时的提前角量的调节。更具体地，执行排气门42等的开启-关闭正时的提前角量的调节，使得气门重叠时长基本不因为通过可变进气门机构36调节了进气门34的开启-关闭正时而改变。此外，在某些情况下，响应于进气门34的开启-关闭正时的调节来调节排气门42等的开启-关闭正时，使得气门重叠量响应于增压压力的变化而增大或减小。
图11是为了实现上述功能而在第四实施方式中由ECU 100执行的程序的流程图。假设与图5或图8所示的上述程序并行地执行本程序。此外，在图11中，以相同的参考标记标示与图9所示的步骤相同的步骤，并省略或简化其说明。
在图11所示的程序中，当ECU 100在步骤300中确定存在对驱动第二排气门44的凸轮62、64的凸轮轮廓进行切换的需要时，ECU 100在步骤302中在切换第二排气门44的凸轮轮廓的同时通过可变进气门机构36实施进气门34的开启-关闭正时的调节。此外，在本程序中，ECU 100通过使用可变排气门机构54来调节第二排气门42等的开启-关闭正时以获得气门重叠量，使得残留气体量或扫气量不因为与凸轮轮廓的切换相伴的增压压力变化而改变(步骤400)。
图12A至图12E示出了表示在图11所示程序的步骤400中的过程示例的时间图。类似于上述第三实施方式中的图10A至图10E所示的示例，图12A至图12E所示的示例涉及加速期间的控制。在图12A至图12E所示的示例中，将图12F所示的表示气门重叠时长的控制量的波形以及图12G所示的表示排气门42等的开启-关闭正时的提前角量(排气VVT提前角)的波形添加至图10A至图10E所示的示例。
更具体地，在图12A至图12E所示的示例中，如图12B所示，随着从小凸轮64切换至中凸轮62，进气门34的开启-关闭正时被提前。同时，通过将排气门42等的开启-关闭正时提前一提前角量，该提前角量小于进气门34的开启-关闭正时的提前角量(参见图12G)，执行控制使得气门重叠时长延伸过切换凸轮轮廓之前的时长以维持恒定的残留气体量和扫气量，无关于增压压力的减小(参见图12F)。
在图12A至图12E所示的示例中，执行控制使得与凸轮轮廓的切换同时地延长气门重叠时长。但是，对于内燃发动机10的工作条件或凸轮轮廓的某些切换模式，有时理想的是，执行控制使得气门重叠时长维持恒定。
使用图11所示的上述程序，当与驱动第二排气门44的凸轮62、64的凸轮轮廓的切换同时地通过可变进气门机构36执行进气门34的开启-关闭正时的调节时，能够同样通过控制排气门42等的开启-关闭正时将残留气体量或扫气量控制为固定值。因而，与通过进气量的调节来抵消残留气体量或扫气量的变化的程序形成对比，消除了单独部件之间的传播或工作条件的传播的影响，因此，能够有效阻止在切换凸轮轮廓期间燃烧状态的变化。
在上述第四实施方式中，由可变排气门机构54同时地改变排气门42的开启正时和关闭正时。但是，根据本发明，可使用至少改变排气门的关闭正时的机构作为用于控制气门重叠时长的机构。
以下将参考图13和图14来说明本发明的第五实施方式。图13图示了本发明第五实施方式中的系统构造。如图13所示，除了本实施方式的系统包括排气旁通通道120和废气旁通阀122之外，本实施方式的系统具有与在上述图1中示出的构造相同的构造。更具体地，作为旁通涡轮20b并连接涡轮20b的入口侧和出口侧的通道，排气旁通通道120连接至第一排气通道38。此外，废气旁通阀122设置在排气旁通通道120的中间区段。
为了执行上述第一实施方式至第四实施方式中的通过切换凸轮轮廓来调节增压压力的程序，有必要检测增压压力、使用ECU 100执行计算、并操作气门系统致动器(液压凸轮切换机构56)。为此，就控制响应性和稳定性而言，用于通过切换凸轮轮廓来调节增压压力的方法有时次于使用废气旁通阀122的方法，废气旁通阀122具有基于增压压力直接控制的阀开度。
相应地，可以考虑通过使用废气旁通阀122来执行排气流量的精细调节，并通过调节凸轮轮廓来执行排气流量的粗略调节。但是，当一起执行这两种调节时(换言之，当未连接至涡轮20b的第二排气通道40中的排气流量减小得超过必要时)，产生了以下问题。连接至涡轮20b的第一排气通道38中的排气温度或排气压力(背压)升高。因此，当废气旁通阀122的开度变得太大时，在为了有效驱动涡轮增压器20所必需的泄气期间的排气脉动的峰值降低，因此涡轮20b处的能量回收效率降低。因而，难以有效增大增压压力以在宽的工作区域中确保充足的扫气量。
相应地，在本实施方式中，对应于所检测到的废气旁通阀122的开度来执行对驱动第二排气门44的凸轮62、64的凸轮轮廓的切换，以获得增压压力的良好可控性，而不过度增大第一排气通道38侧的排气流量。
图14是在第五实施方式中由ECU 100执行以实现上述功能的程序的流程图。在图14所示的程序中，ECU 100首先检测废气旁通阀(图中为WG)122的开度(步骤500)。例如，可基于内燃发动机10的发动机转速与负荷比之间的关系，通过比较增压压力的估计值和增压压力的实际值的处理来执行废气旁通阀122的开度检测。
随后，ECU 100判定检测到的废气旁通阀122的开度是否大于预定的目标值(步骤502)。步骤502中的废气旁通阀开度的目标值设定成使得排气流量如果可能的话在不依靠废气旁通阀122的情况下能够被调节的值。更具体地，该目标值设定成使得由废气旁通阀122执行的排气流量的调节与总的流量调节余度的比率为大约10％，总的流量调节余度包括了由废气旁通阀122执行的流量调节和通过切换凸轮轮廓所执行的流量调节。
当在步骤502中判定废气旁通阀122的开度等于或小于目标值(在步骤502中为“否”)时，ECU 100判定存在调节废气旁通阀122的开度的余度。因此，在这种情况下，选择小凸轮64作为用于驱动第二排气门44的凸轮以增大连接至涡轮20b的第一排气通道38侧的排气流量(换言之，减小第二排气通道40侧的排气流量)(步骤504)。
另一方面，当在步骤502中判定废气旁通阀122的开度大于目标值(在步骤502中为“是”)时，ECU 100判定处于如下状态：即，供应到废气旁通阀122的排气超过了预期值。因此，在这种情况下，选择中凸轮62作为用于驱动第二排气门44的凸轮以增大未连接至涡轮20b的第二排气通道40侧的排气流量(步骤506)。
使用图14所示的上述程序，通过执行经由凸轮轮廓切换的增压压力调节以及经由废气旁通阀122的开度调节的增压压力调节，可反馈控制废气旁通阀122的开度以使该开度维持于小目标值。因此，能够防止因将废气旁通阀开度控制成过大值所引起的涡轮的能量回收效率的降低，并能够在内燃发动机10工作区域的宽范围内执行扫气。
在上述第五实施方式中，可变排气门机构54被解释为分级(两级)切换第二排气门44的升程量和工作角的机构。但是，将上述第一实施方式至第四实施方式与第五实施方式进行对比，可变排气门机构的构造并不局限于这样的机构。例如，也可以无级的方式切换第二排气门44的升程量和工作角。
在上述第一实施方式至第五实施方式中，对驱动第二排气门的凸轮62、64的凸轮轮廓进行切换，其中第二排气门打开和关闭未连接至涡轮20b的第二排气通道。但是，依据本发明，具有控制供应到涡轮的排气能的量、以及涡轮转速和增压压力的气门开启特性的排气门并不局限于第二排气门。该排气门可以是另一排气门42，即，连接至涡轮20b的第一排气门42。
尽管已参考本发明的示例实施方式对本发明进行了描述，应当理解，本发明并不局限于所述实施方式或构造。相反，本发明倾向于覆盖各种改型和等同方案。另外，尽管所公开的发明的各种元件以各种示例组合及构造示出，但是包括更多、更少或者仅包括单个元件的其它组合及构造也落在所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述内燃发动机包括：
涡轮增压器(20)，所述涡轮增压器对进气进行增压；
第一排气通道(38)，所述第一排气通道连接至所述涡轮增压器(20)的涡轮(20b)；
第一排气门(42)，所述第一排气门打开和关闭所述第一排气通道(38)；
第二排气通道(40)，所述第二排气通道不连接至所述涡轮(20b)；以及
第二排气门(44)，所述第二排气门打开和关闭所述第二排气通道(40)，
用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的所述控制设备的特征在于包括：
可变排气门机构(54)，所述可变排气门机构能够改变所述第一排气门(42)和所述第二排气门(44)中的作为被切换排气门的一个排气门的气门开启特性；以及
控制装置(100)，所述控制装置用于调节供应至所述涡轮(20b)的排气能的量，
其中，所述可变排气门机构(54)具有凸轮并驱动所述被切换排气门，所述凸轮具有多个凸轮轮廓，
其中，所述可变排气门机构(54)能够分级地切换所述多个凸轮轮廓，并且
其中，所述控制装置(100)通过切换所述多个凸轮轮廓来调节供应至所述涡轮(20b)的排气能的量；
其中，所述内燃发动机进一步包括：
排气旁通通道(120)，所述排气旁通通道旁通所述涡轮(20b)并连接所述涡轮(20b)的入口侧和所述涡轮(20b)的出口侧；以及
废气旁通阀(122)，所述废气旁通阀设置在所述排气旁通通道(120)的中间区段，
其中，所述控制装置(100)切换所述多个凸轮轮廓，使得当所述废气旁通阀(122)的开度比目标开度大预定值或更多时，第二排气通道(40)侧的排气流量增加。
2.如权利要求1所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述控制装置(100)通过切换所述多个凸轮轮廓来调节增压压力和涡轮转速中的至少一个。
3.如权利要求1所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述多个凸轮轮廓的分级切换是分多级执行的或者是以无级的方式执行的。
4.如权利要求1所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，
所述内燃发动机具有多个气缸；
所述可变排气门机构(54)对于每个气缸中的每个被切换排气门具有所述多个凸轮轮廓；
所述可变排气门机构构造成能够为每个气缸分级地切换所述多个凸轮轮廓；并且
所述控制装置(100)通过改变执行所述多个凸轮轮廓切换的气缸的数目来调节第一排气通道(38)侧的排气流量。
5.如权利要求4所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述多个凸轮轮廓的分级切换是分两级执行的。
6.如权利要求4所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述多个气缸具有相同的多个凸轮轮廓。
7.如权利要求4所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中：
所述多个气缸中的至少两个气缸具有不同的多个凸轮轮廓，并且
所述控制装置(100)通过选择执行所述多个凸轮轮廓切换的气缸或者通过改变气缸的数目来调节所述第一排气通道(38)侧的排气流量。
8.如权利要求1所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述内燃发动机进一步包括：可变进气门机构(36)，所述可变进气门机构能够改变进气门(34)的气门开启特性，
其中，所述控制装置(100)在所述多个凸轮轮廓切换的同时通过使用所述可变进气门机构(36)来执行所述内燃发动机的进气量的调节。
9.如权利要求8所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中，所述可变进气门机构(36)控制所述进气门(34)的开启-关闭正时、升程量以及工作角中的任意一个或更多。
10.如权利要求8所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中：
所述可变排气门机构(54)进一步构造成能够改变所述第一排气门(42)和所述第二排气门(44)中的至少一个的关闭正时；并且
所述控制装置(100)通过使用所述可变排气门机构(54)来执行气门重叠时长的调节，使得当使用所述可变进气门机构(36)实施所述进气量的调节时，气缸内部的残留气体量和扫气量中的至少一个维持于固定值。
11.如权利要求8所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中：
所述可变排气门机构(54)进一步构造成能够改变所述第一排气门(42)和所述第二排气门(44)中的至少一个的开启-关闭正时；并且
所述控制装置(100)通过使用所述可变排气门机构(54)来执行气门重叠时长的调节，使得当使用所述可变进气门机构(36)实施所述进气量的调节时，气缸内部的残留气体量和扫气量中的至少一个维持于固定值。
12.如权利要求8所述的用于配装有涡轮增压器的内燃发动机的控制设备，其中：
所述可变排气门机构(54)进一步构造成能够改变所述第一排气门(42)和所述第二排气门(44)中的至少一个的开启-关闭正时；
所述可变进气门机构(36)进一步构造成能够改变所述进气门(34)的开启-关闭正时；并且
所述控制装置(100)执行气门重叠时长的调节，使得当使用所述可变进气门机构(36)和所述可变排气门机构(54)实施所述气门重叠时长的调节时，气缸内部的残留气体量和扫气量中的至少一个维持于固定值。
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