CN101813012B

CN101813012B - 具有可变气门装置的内燃机

Info

Publication number: CN101813012B
Application number: CN201010119913.7A
Authority: CN
Inventors: 村田真一
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: JP2010196486A; DE102010008759B4; JP4873194B2; DE102010008759A1; US8205587B2; CN101813012A; KR101169856B1; KR20100096020A; US20100212617A1

Abstract

提供一种具有可变气门装置的内燃机。在具有设置在进气凸轮轴(21，22)的一个端部上并且可变地改变进气门的驱动凸轮相对于曲轴的相位的凸轮相位改变机构(20)的内燃机中，将所述凸轮相位改变机构(20)构造成使得两个叶片式液压致动器(50，51)相对于进气凸轮轴(2)同轴地设置，该两个叶片式液压致动器(50，51)的以相同的供给油压产生的可变相位转矩是不同的。

Description

具有可变气门装置的内燃机

技术领域

本发明涉及一种具有凸轮相位改变机构的内燃机，该凸轮相位改变机构能够改变进气凸轮的相位。

背景技术

传统地，存在这样的内燃机，其包括作为变化进气门的打开和关闭正时的可变气门装置的凸轮相位改变机构，该凸轮相位改变机构改变进气凸轮的相位。此外，已经发展了一种技术，其中，将上述凸轮相位改变机构应用于在一个气缸上具有多个进气门的内燃机。根据该技术，仅仅一部分进气门的打开和关闭正时根据内燃机的负载和旋转速度来变化。

在这样改变多个进气门中的一部分的打开和关闭正时的内燃机中，例如在轻载操作时，一部分进气门的打开和关闭正时延迟，使得进气门的打开时段作为整体朝着延迟角侧增加，从而缓解了泵气损失(日本特开平3-202602号公报)。

然而，在上面的专利文献中描述的技术存在不可避免的增大了气门机构的尺寸的问题，因为相对于内燃机横向地设置了两个用于驱动进气门的凸轮轴。

此外，为了提高可燃性，独立于关闭正时来改变每个进气门的打开正时是明智的。具体地，尽管进气门的关闭正时应该优选为是在很大程度上可变的，但是气门打开正时仅仅需要是略微可变的。另一方面，如上面专利文献中描述的技术，对于单一的凸轮相位改变机构来说很难适当地控制必要的可变范围不同的进气门的打开正时和关闭正时两者。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变气门装置，其能够以独立的方式适当可变地控制进气门的打开正时和关闭正时两者，且将气门机构控制在小型的尺寸。

为了实现上面的目的，本发明提供了一种具有可变气门装置的内燃机，其具有设置在进气凸轮轴的一个端部上并且可变地改变进气门的驱动凸轮相对于内燃机的曲轴的相位的凸轮相位改变机构。将所述凸轮相位改变机构构造成使得两个叶片式液压致动器相对于进气凸轮轴同轴地设置，该两个叶片式液压致动器的以相同的供给油压产生的可变相位转矩是不同的。

因此，该凸轮相位改变机构由两个叶片式致动器形成，使得能够由该一个和另一个致动器以独立的方式分别可变地控制进气门的打开正时和关闭正时。此外，由于这两个叶片式致动器的以相同供给油压产生的可变相位转矩是不同的，所以能够用必要的可变响应性单独且合适地控制打开正时和关闭正时。

优选地，曲轴的旋转应该被输入到两个叶片式液压致动器中的第一叶片式液压致动器，而该第一液压致动器的旋转应该被输入到第二叶片式液压致动器，并且以相同供给油压产生的第一叶片式液压致动器的可变相位转矩应该大于第二叶片式液压致动器的可变相位转矩。

因此，以相同供给油压产生的第一叶片式液压致动器的可变相位转矩大于第二叶片式液压致动器的可变相位转矩，使得第一叶片式液压致动器可以可靠地改变凸轮相位。此外，不需要增大连接于内燃机的油泵的容量，因此没有增加摩擦。此外，可以根据最佳的叶片油分布实现高响应性相位改变，因此可以可靠地降低泵气损失。

此外，优选地，第二叶片式液压致动器应该被设定为具有比第一叶片式液压致动器更宽的可变相位角度范围。

因此，以相同供给油压产生的第一叶片式液压致动器的可变相位转矩比第二叶片式液压致动器产生的高，使得可以将第二叶片式液压致动器的可变相位角度范围设定得更大。因此，可以将进气门打开期间的变化设定得更大，使得可以进一步降低泵气损失。

此外，优选地，内燃机在每个气缸中应该包括第一进气门和第二进气门，凸轮轴应该包括第一进气门的驱动凸轮被固定的空心的第一进气凸轮轴，以及第二进气门的驱动凸轮被固定并且可旋转地插入在第一进气凸轮轴中的第二进气凸轮轴，并且第一叶片式液压致动器应该设置于第一进气凸轮轴的端部上，而第二叶片式液压致动器应该设置于第二进气凸轮轴的端部上。

由此，能够通过使第一叶片式液压致动器动作，而使第一进气凸轮轴旋转，从而改变第一进气门的打开和关闭正时，另一方面，通过使第二叶片式液压致动器动作，而使第二进气凸轮轴旋转，从而改变第二进气门的打开和关闭正时。因此，可以用小型的构造单独且可变地控制第一和第二进气门的打开和关闭正时。

此外，优选地，第二叶片式液压致动器的叶片数应该比第一叶片式液压致动器的叶片数少。

因此，可以将第二叶片式液压致动器的可变相位范围设定为比第一叶片式液压致动器的更大。

此外，优选地，第一和第二叶片式液压致动器应该通过形成在凸轮轴和支撑该凸轮轴的凸轮轴颈中的油道而被供应液压油。

因此，可以经由形成于凸轮轴颈和凸轮轴中的油道，将液压油分别供给到与凸轮轴一起旋转的第一和第二叶片式致动器中，从而使第一和第二叶片式致动器动作。

附图说明

通过下面给出的详细说明以及附图，本发明将变得更加通俗易懂，该附图和说明仅以示意方式给出并且因此并不限制本发明。

图1是本发明的一个实施例的发动机的示意性结构图；

图2是气门机构的示意性结构图；

图3是示出了进气凸轮轴的结构的纵向剖视图；

图4是示出第二进气凸轮的安装部的结构的顶视图；

图5是示出第二进气凸轮的安装部的结构的剖视图；

图6是示出凸轮相位改变机构及其支撑部的结构的纵向剖视图；

图7是第一叶片式液压致动器的剖视图；

图8是第二叶片式液压致动器的剖视图；

图9是示出了第一和第二叶片式液压致动器的液压电路图；

图10A到图10C是示出了第一和第二叶片式液压致动器的工作状态的示意图，其中图10A示出了轻载或中载状态，图10B示出了高速、重载状态，而图10C示出了低速、重载状态；

图11是用于设定凸轮相位改变机构的操作的图式的一个例子；

图12是另一实施方式的气门机构的示意性结构图；以及

图13是示出另一实施方式的进气凸轮轴的结构的纵向剖视图；

具体实施方式

现在将参考附图来说明本发明的实施方式。

图1是本实施方式的具有可变气门装置的内燃机(发动机1)的示意性结构图。

如图1所示，发动机1包括DOHC气门机构。将凸轮链轮4和5分别连接到发动机1的进气凸轮轴2和排气凸轮轴3的前端。凸轮链轮4和5通过链条6连接于曲轴7。当曲轴7旋转时，进气凸轮轴2和排气凸轮轴3与凸轮链轮4和5一起旋转。进气门12和13通过进气凸轮轴2上的进气凸轮10和11而被打开和关闭，排气门16和17通过排气凸轮轴3上的排气凸轮14和15而被打开和关闭。

图2是发动机1的气门机构的示意性结构图。

如图2所示，在进气凸轮轴2的端部上设置有作为可变气门装置的凸轮相位改变机构20。

发动机1的每个气缸都具有两个进气门(第一和第二进气门12和13)以及两个排气门16和17。第一和第二进气门12和13纵向排列在燃烧室18的中心部分的右侧上。两个排气门16和17纵向排列在燃烧室18的中心部分的左侧上。第一和第二进气门12和13分别通过第一和第二进气凸轮10和11来驱动。当第一和第二进气门12和13放置在适当的位置时，第一和第二进气凸轮10和11交替地设置在进气凸轮轴2上。

图3到图5是进气门的气门机构的结构图。图3是示出了进气凸轮轴2的结构的纵向剖视图，图4是是示出了第二进气凸轮11的安装部的结构的顶视图，而图5是示出了该安装部的结构的剖视图。

如图3至图5所示，进气凸轮轴2具有包括空心的第一进气凸轮轴21以及插入在该第一进气凸轮轴21中的第二进气凸轮轴22的双重结构。第一和第二进气凸轮轴21和22同心地设置，同时在其之间具有间隙，并且由形成在发动机1的气缸头上的凸轮轴颈23可转动地支撑。第一进气凸轮10固定于第一进气凸轮轴21。此外，第二进气凸轮11可转动地支撑在第一进气凸轮轴21上。第二进气凸轮11包括大致圆柱形的支撑部11a和凸轮部11b。第一进气凸轮轴21插入在支撑部11a中。凸轮部11b从支撑部11a的外周突出，并且用于驱动第二进气门13。第二进气凸轮11和第二进气凸轮轴22通过固定销24固定。固定销24穿过第二进气凸轮11的支撑部11a以及第一和第二进气凸轮轴21和22。该固定销24几乎没有间隙地插入在第二进气凸轮轴22的孔中，并且两端部被夹压并且固定于支撑部11a。固定销24所穿过的长孔25在周方向上延伸地形成在第一进气凸轮轴21中。

图6至图8示出了凸轮相位改变机构20及其支撑部的结构。图6是纵向剖视图，图7是第一叶片式液压致动器50的剖视图，图8是第二叶片式液压致动器51的剖视图。

如图6所示，将凸轮相位改变机构20构造成第一和第二液压致动器50和51在轴方向上排列。

如图6至图8所示，第一和第二叶片式液压致动器50和51分别包括外壳(盖子)50a和51a以及可转动地安装在该外壳50a和51a内的叶片转子50b和51b。第一进气凸轮轴21通过螺栓52固定在第一叶片式液压致动器50的外壳50a的后端部。第一和第二叶片式液压致动器50和51的各自的外壳50a和51a可转动地设置成彼此邻接。链轮4固定于第二叶片式液压致动器51的外壳51a的外周。第二叶片式液压致动器51的外壳51a和第一叶片式液压致动器50的叶片转子50b通过螺栓53而彼此紧固。第二叶片式液压致动器51的叶片转子51b通过螺栓54固定在第二进气凸轮轴22的前端部。

因此，本实施方式的凸轮相位改变机构20被构造成使得第一和第二进气凸轮轴21和22分别通过第一和第二叶片式液压致动器50和51连接于链轮4。

凸轮轴颈23轴向较宽并且形成有轴向设置的四个油道55a至55d。这些油道55a至55d分别与形成在第一进气凸轮轴21中的四个油道56a至56d相连通。油道56a至56d两个一组地连接于第一和第二叶片式液压致动器50和51。更具体地说，油道56a、56b与第一叶片式液压致动器50的延迟角侧储油室57a和提前角侧储油室57b相连通，并且油道56c和56d与第二叶片式液压致动器51的延迟角侧储油室58a和提前角侧储油室58b相连通。

在本实施例中，具体地，尽管第二叶片式液压致动器51的叶片直径大于第一叶片式液压致动器50的叶片直径，但是第二叶片式液压致动器51的叶片厚度小于第一叶片式液压致动器50的厚度，以便减小以相同的供给油压产生的可变相位转矩，即，将第二叶片式液压致动器51的转矩容量设定为小于第一叶片式液压致动器50的转矩容量。通过这样使得第二叶片式液压致动器51的转矩容量较小，可以将可变角度所需的油量设定得更小，因此提高可变响应性，并且有效地降低了泵气损失。此外，由于第一和第二叶片式液压致动器50和51轴向地设置，所以只要第二叶片式液压致动器51轴向较薄以便减小其转矩容量，就能够提高该第一和第二叶片式致动器50和51的可安装性。

此外，将第二叶片式液压致动器51构造成使其叶片的数目小于第一叶片式液压致动器50的叶片的数目，以增大可变相位范围，即，叶片转子相对于外壳可旋转的角度。因此，第一叶片式液压致动器50可以受到延迟角控制，以便第一进气门12的打开正时靠近上止点，并且第二液压致动器51也能受到延迟角控制，以便第二进气门13的关闭正时大大地延迟到压缩冲程的后半时。因此，可以大幅降低泵气损失以提升燃料效率。此外，即使在通过第一液压致动器50朝着提前角侧控制第一进气门12的打开正时，以延伸用于与排气门重叠的时段，以便使内部EGR增大以减少燃料消耗或者废气排放的情况下，第二叶片式液压致动器51的叶片转子的可旋转角度非常大以至于也可以充分地延迟第二进气门13的关闭正时。因此，降低了泵气损失，并且使得第一和第二进气门12和13的打开正时不同。通过这样做，可以在燃烧室18中形成漩涡，还能提升燃烧稳定性。

图1所示的ECU40设置有未图示的输入-输出设备、诸如ROM和RAM等的存储设备、中央处理设备(CPU)等，并且综合地控制发动机1。

诸如曲柄角传感器41和节流传感器42的各种传感器连接于ECU40的输入侧。曲柄角传感器41检测发动机1的曲柄角。节流传感器42检测未图示的节流阀的开度。此外，燃料注入阀43、火花塞44等连接于ECU40的输出侧。该ECU40基于来自各传感器的检测信息来确定点火时刻、燃料注入量等，并且驱动地控制火花塞44和燃料注入阀43。而且，用于驱动地控制第一叶片式液压致动器50和第一燃油控制阀(下面称为OCV)45和用于驱动地控制第二叶片式液压致动器51的第二OCV46连接于ECU40的输出侧。ECU40基于来自各传感器的检测信息来控制第一和第二OCV45和46。

图9是示出了第一和第二叶片式液压致动器50和51的液压电路图。另外，图9示出了发动机停止或者刚起动时的状态。图10A至图10C是示出了第一和第二叶片式液压致动器50和51的工作状态的示意图，其中图10A示出了轻载或中载状态，图10B示出了高速、重载状态，而图10C示出了低速、重载状态。

在第一叶片式液压致动器50中，如图9所示，当切换第一OCV45的时候，从发动机1的油泵35将液压油选择性地供给到延迟角侧储油室57a或者提前角侧储油室57b。另一方面，在第二叶片式液压致动器51中，当切换第二OCV46的时候，从油泵35将液压油选择性地供给到延迟角侧储油室58a或者提前角侧储油室58b。

第一叶片式液压致动器50具有锁紧设备60，该锁紧设备60用于控制在最大延迟角位置的叶片转子50b的移动。如果液压油被供应到第一叶片式液压致动器50，那么锁紧设备60解锁。第二叶片式液压致动器51具有用于在提前角侧激励的弹簧61和锁紧设备62，该锁紧设备62用于控制在最大提前角位置的叶片转子51b的移动。如果液压油被供应到第二叶片式液压致动器51，那么锁紧设备62解锁。

如果来自油泵35的液压油供应是不足的，那么当发动机停止或者刚好启动的时候，如图9所示，第一和第二叶片式液压致动器50和51的叶片转子50b和51b分别位于延迟角侧和提前角侧，并且分别用锁紧设备60和62锁紧在适当位置。

如图10A所示，在轻载或者中载的状态下，来自油泵35的液压油被引入到第一和第二叶片式液压致动器50和51的延迟角侧储油室57a和58a。

如图10B所示，在高速且重载的状态下，来自油泵35的液压油被引入到第一叶片式液压致动器50的延迟角侧储油室57a以及第二液压致动器51的提前角侧储油室58b。

如图10C所示，在低速、重载的状态下，来自油泵35的液压油被引入到第一和第二叶片式液压致动器50和51的提前角侧储油室57b和58b。

根据基于发动机旋转速度N和负载L的图式来连续地切换第一和第二OCV45和46。

图11是用于设定凸轮相位改变机构20的操作的图式的一个例子。

如图11所示，在轻载的状态下，为了最大延迟角而控制第一叶片式液压致动器50，并且根据负载L和发动机旋转速度N驱动地控制第二叶片式液压致动器51(图11中的D)。另一方面，在重载的状态下，为了最大提前角而控制第二叶片式液压致动器51，并且根据负载L和发动机旋转速度N驱动地控制第一叶片式液压致动器50(图11中的E)。

因此，在本实施方式的发动机1中，轻载的时候，第一进气门12的打开和关闭正时通过第一叶片式液压致动器50成为最大延迟角，并且通过第二叶片式液压致动器51而延迟。如上所述，由于第二叶片式液压致动器51的可旋转角度或者可变相位范围比第一叶片式液压致动器50的可变相位范围更宽，所以可以大大地延迟第二进气门13的关闭正时。因此，能够朝着延迟角侧大大地增大在第一进气门12的打开正时与第二进气门13的关闭正时之间的时段，即，气门打开时段。结果，可以降低泵气损失，提升燃料效率。

此外，第二叶片式液压致动器51的转矩容量非常小，以至于可以将可变响应性设定得很高，并且可以顺应变化的工作状态，有效地缓解泵气损失，以进一步提升燃油效率。

在另一方面，在重载的状态下，提前控制第二叶片式液压致动器51，以便减小阀门打开的时段。例如，如果第二进气门13关闭在压缩冲程的上半时，即，靠近进气被活塞推回到进气口的区域，那么可以增强进气的充气效率，以确保输出。在低速、重载的状态下，具体地，通过第一叶片式液压致动器50提前了第一进气门12的打开正时。因此，例如，通过将第一进气门12的打开正时提前到上止点(TDC)或者刚在上止点之前，由此，可以降低在进气冲程的初始阶段中的泵气损失，并且可以获得大的惯性或者脉冲增压效果。因此，在低速、重载的状态下，可以进一步提高燃料效率以确保良好的燃烧稳定性。

因此，通过根据发动机1的工作状态来驱动地控制第一和第二叶片式液压致动器50和51，可以恰当地控制进气门12和13的打开和关闭正时。

由于凸轮相位改变机构20具有一体的构造，以便两个叶片式液压致动器纵向地排列，所以能够使得该凸轮相位改变机构20成为小型的结构。

此外，可以将第二叶片式液压致动器51的容量设定为比第一叶片式液压致动器50的容量更小，而其叶片直径更大。具体地，由于可以大幅地减小叶片厚度，因此可以轴向地压缩凸轮相位改变机构20。

在另一方面，第一叶片式液压致动器50的叶片厚度大于第二液压致动器51的叶片厚度。因此，尽管叶片直径小也能确保大的容量。

此外，在轻载的状态下，ECU40控制第二叶片式液压致动器51，以在为了最大延迟角控制第一叶片式液压致动器50之后，扩大气门打开时段。因此，不是同时使第一和第二叶片式液压致动器50和51动作，而是顺序地控制，因此可以实现精确的驱动控制，而不涉及油压的不足。

尽管在本实施例中第二叶片式液压致动器51比第一液压致动器使用更少的叶片，但是这两个致动器也可以使用相同数目的叶片。

此外，尽管在上面所说明的实施方式中，第一和第二叶片式液压致动器50和51彼此临近地设置在进气凸轮轴2的前端部上，但是本发明并不局限于该实施方式。

如图12和13所示，例如，第一和第二叶片式液压致动器50和51可以分别设置在进气凸轮轴2的前端部和后端部上。

在图12和图13所示的本发明的另一个实施方式中，凸轮链轮4设置在第一叶片式液压致动器50的外壳上，并且第一进气凸轮轴21固定于第一叶片式液压致动器50的叶片转子。在另一方面，第一进气凸轮轴21固定于第二叶片式液压致动器51的外壳，并且第二进气凸轮轴22连接于第二叶片式液压致动器51。

因此，在本实施方式中，第一叶片式液压致动器50改变第一和第二进气凸轮10和11相对于曲轴7的相位，同时第二叶片式液压致动器51改变第二进气凸轮11相对于第一进气凸轮10的相位。

通过这样配置，即使在本实施例中，也可以抑制发动机1由于具备凸轮相位改变机构而在横向尺寸上的增大，以实现小型的构造。根据本实施方式的构造适合于在发动机1的后侧有宽的空间而前侧的空间较窄的情况。

此外，在本实施方式中，第一叶片式液压致动器50需要稍大的转矩容量，以容纳曲轴旋转的输入并且改变第一进气凸轮轴21和第二液压致动器51的相位。在另一方面，第二叶片式液压致动器51仅仅需要小的转矩容量，因为其被设计成接收来自第一叶片式液压致动器50的旋转的输入并且改变第二进气凸轮轴22的相位。因此，在第二叶片式液压致动器51中，减小了叶片的尺寸和数目，使得他们受到叶片的油压的面积更小并且可变角度所需的燃油量更少，由此，可以维持供应到第一叶片式液压致动器50的燃油量，使得第一叶片式液压致动器50可以可靠地一起改变第一和第二进气凸轮轴21和22的相位。

Claims

1.一种具有可变气门装置的内燃机，该可变气门装置具有设置在进气凸轮轴(2)的一个端部上并且可变地改变进气门(12，13)的驱动凸轮相对于曲轴(7)的相位的凸轮相位改变机构，其特征在于，将所述凸轮相位改变机构(20)构造成使得两个叶片式液压致动器(50，51)相对于进气凸轮轴(2)同轴地设置，该两个叶片式液压致动器(50，51)的以相同的供给油压产生的可变相位转矩是不同的，

所述两个叶片式液压致动器(50，51)包括第一叶片式液压致动器(50)和第二叶片式液压致动器(51)，所述曲轴(7)的旋转被输入到所述第一叶片式液压致动器(50)，所述第一叶片式液压致动器(50)的旋转被输入到第二叶片式液压致动器(51)，

并且，以相同供给油压产生的所述第一叶片式液压致动器(50)的可变相位转矩大于所述第二叶片式液压致动器(51)的可变相位转矩。

2.根据权利要求1所述的具有可变气门装置的内燃机，其特征在于，所述第二叶片式液压致动器(51)被设定为具有比所述第一叶片式液压致动器(50)更宽的可变相位角度范围。

3.根据权利要求2所述的具有可变气门装置的内燃机，其特征在于，所述内燃机在每个气缸中包括第一进气门(12)和第二进气门(13)，

所述进气凸轮轴(2)包括第一进气门(12)的驱动凸轮被固定的空心第一进气凸轮轴(21)，以及第二进气门(13)的驱动凸轮被固定并且可旋转地插入在所述第一进气凸轮轴(21)中的第二进气凸轮轴(22)，

并且所述第一叶片式液压致动器(50)设置于所述第一进气凸轮轴(21)的端部上，而所述第二叶片式液压致动器(51)设置于所述第二进气凸轮轴(22)的端部上。

4.根据权利要求2所述的具有可变气门装置的内燃机，其特征在于，所述第二叶片式液压致动器(51)的叶片数比所述第一叶片式液压致动器(50)的叶片数少。

5.根据权利要求1所述的具有可变气门装置的内燃机，其特征在于，所述第一叶片式液压致动器(50)和所述第二叶片式液压致动器(51)的液压油通过形成在所述进气凸轮轴(2)和支撑该进气凸轮轴(2)的凸轮轴颈(23)中的油道来供应。