CN101813014A - 具有可变气门装置的内燃机 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有可变气门装置的内燃机，其对每个气缸上具备第一进气门(12)和第二进气门(13)，驱动第一进气门(12)的第一进气凸轮(10)和驱动第二进气门(13)的第二进气凸轮(11)同轴地枢转支撑在进气凸轮轴(2)上，并且该内燃机还具备第一凸轮相位改变机构(20)和第二凸轮相位改变机构(50)，该第一凸轮相位改变机构(20)改变第一进气凸轮(10)和第二进气凸轮(11)相对于曲轴的相位，该第二凸轮相位改变机构(50)改变第二进气凸轮(11)相对于第一进气凸轮(10)的相位，第二凸轮相位改变机构(50)的可变的相位角度范围被设定为比第一凸轮相位改变机构(20)的大。

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能够变更进气凸轮的相位的凸轮相位改变机构的内燃机。
背景技术
传统地，存在这样的内燃机：其具有使进气凸轮的相位变化的凸轮相位改变机构，来作为使进气门的打开和关闭正时变化的可变气门装置。而且，下述技术正在被开发：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上，且仅仅使多个进气门中的一部分的打开和关闭正时根据内燃机的负载和旋转速度来变化。
在这种仅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，根据内燃机的运转状态，通过凸轮相位改变机构使一部分进气门的打开和关闭正时延迟，由此，可以延长进气门的打开时段，其中包括不受延迟角控制的进气门的打开时段(日本特开平3-202602号公报)。
然而，在上述公报所记载的内燃机中，为了实现气门机构的小型化，而广泛地采用由叶片式致动器构成的叶片式凸轮相位改变机构。然而，在这样的叶片式凸轮相位改变机构中，因为构造上的制约，而很难产生大的相位差。因此，不能够使进气门的打开和关闭正时发生大的变化，从而很难大幅增大进气门的打开时段并很难大幅地降低泵气损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可变气门装置的内燃机，其既能够将气门机构抑制在小型化，又能延迟进气门的关闭正时，并且能够增大气门打开时段，使泵气损失大幅地降低。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有可变气门装置的内燃机，其对于每个气缸都具备第一进气门和第二进气门，第一进气门驱动用凸轮和第二进气门驱动用凸轮同轴地枢转支撑在进气凸轮轴上，并且该内燃机还具备第一凸轮相位改变机构和第二凸轮相位改变机构，该第一凸轮相位改变机构改变第一进气门驱动用凸轮和第二进气门驱动用凸轮相对于内燃机的曲轴的相位，该第二凸轮相位改变机构改变第二进气门驱动用凸轮相对于第一进气门驱动用凸轮的相位，第二凸轮相位改变机构的可变相位角度范围设定为比第一凸轮相位改变机构的大。
由此，通过将第二凸轮相位改变机构的可变相位角度范围设置得比第一凸轮相位改变机构的大，能够增大气门打开时段，其中，所述第二凸轮相位改变机构的可变相位角度范围是第一进气门和第二进气门的打开和关闭正时之间的相位差。因此，在例如低负载、低旋转速度时，通过进行该延迟角控制和气门打开时段的增大控制，能够大幅地降低泵气损失，可以大幅地提高燃料效率。另外，通过增大第一进气门和第二进气门的打开和关闭正时之间的相位差来提高缸内的流动。由此，即使在实际压缩比低的状态下，也可使用已降低泵气损失的少量空气来提高燃烧稳定性，从而能够进一步提高燃料效率。而且，因为空气和燃料的混合也被加强，所以能够降低废气内的未燃烧成分的排出。
优选：同轴地配置第一进气凸轮轴和第二进气凸轮轴而构成进气凸轮轴，第一进气门驱动用凸轮固定在该第一进气凸轮轴上，第二进气门驱动用凸轮固定在该第二进气凸轮轴上，第二凸轮相位改变机构使第一进气凸轮轴和第二进气凸轮轴的相位改变，第一凸轮相位改变机构使第二凸轮相位改变机构和曲轴的相位改变。
由此，因为同轴地配置固定有第一进气门驱动用凸轮的第一进气凸轮轴和固定有第二进气门驱动用凸轮的第二进气凸轮轴而构成进气凸轮轴，因此能够将支撑第一进气门和第二进气门的进气凸轮轴设置成小型化。另外，由于第二凸轮相位改变机构使第一进气凸轮轴和第二进气凸轮轴的相位单独地改变，第一凸轮相位改变机构使第二凸轮相位改变机构和曲轴的相位单独地改变，所以容易使第一凸轮相位改变机构和第二凸轮相位改变机构的可变相位角度范围不相同，并且通过单独配置来提高设计自由度，从而提高安装到车辆的安装性。因此，能够将可变气门机构的整体小型化，提高在内燃机上的设计自由度。
另外，优选：第一凸轮相位改变机构配置于排气凸轮轴的一端部，第二凸轮相位改变机构配置于进气凸轮轴的一端部。
由此，因为第一凸轮相位改变机构配置于排气凸轮轴的一端，第二凸轮相位改变机构配置于进气凸轮轴的一端，所以，可变的相位角度范围不同的第一凸轮相位改变机构和第二凸轮相位改变机构被分别地配置到不同的场所。因此，进一步提高安装到车辆的安装性，并且抑制可变气门机构整体的增大化，从而能够一面抑制发动机前后尺寸的增加，一面配置第一凸轮相位改变机构和第二凸轮相位改变机构。
另外，优选：第二凸轮相位改变机构是电动致动器。
由此，即使在低温时，第二凸轮相位改变机构也能进行响应性良好的驱动。因此，即使是在如低温状态起动时的情况，由于泵气损失的降低等，也能够迅速地控制凸轮相位。另外，与液压致动器相比较，能够提高燃料效率。
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例方式给出，因此并不限制本发明，其中：
图1是本发明的一个实施方式的发动机的示意性结构图；
图2是发动机的气门机构的示意性构造图；
图3是示出了进气凸轮轴的构造的纵向剖视图；
图4是示出了第二进气凸轮的安装部的构造的顶视图；
图5是示出了第二进气凸轮的安装部的构造的剖视图；
图6是使用于第一凸轮相位改变机构的操作设定的图；
图7是使用于第二凸轮相位改变机构的操作设定的图；
图8是示出了进气门的升程量的推移的时间图。
具体实施方式
下面，将根据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，本实施方式的发动机1具有DOHC式气门机构，凸轮链轮5固定在发动机1的排气凸轮轴3的前端，该凸轮链轮5通过链条6与曲轴7连接。另外，排气凸轮轴3和进气凸轮轴2通过齿轮60a、60b而相连接。因此，随着曲轴7的旋转，排气凸轮轴3与凸轮链轮5一起被驱动而旋转，另一方面，进气凸轮轴2通过驱动齿轮60a、60b而旋转。而且，进气门12、13通过驱动进气凸轮轴2上所具备的进气凸轮10、11而被打开和关闭，排气门16、17通过驱动排气凸轮轴3上所具备的排气凸轮14、15而被打开和关闭。
图2是发动机1的气门机构的示意性构造图。
如图2所示，在发动机1上，第一凸轮相位改变机构20设置于排气凸轮轴3的前端部，第二凸轮相位改变机构50设置于进气凸轮轴2的前端部。
在发动机1的每个气缸上，设置有两个进气门(第一进气门12和第二进气门13)以及两个排气门16、17。第一进气门12和第二进气门13纵向排列并配置在比燃烧室18的中心部更靠右的图中右侧上，另一方面，两个排气门16、17纵向排列并配置在比燃烧室18的中心部更靠左的左侧上。第一进气门12由第一进气凸轮10驱动，第二进气门13由第二进气凸轮11驱动。第一进气凸轮10和第二进气凸轮11随着第一进气门12和第二进气门13的合适配置而交替地配置在进气凸轮轴2上。
第一凸轮相位改变机构20采用传统的由叶片式致动器构成的叶片式凸轮相位改变机构。将第一凸轮相位改变机构20构造成：叶片转子可旋转地设置在固定有齿轮60a的外壳内，并将排气凸轮轴3固定在该叶片转子上。凸轮链轮5固定在排气凸轮轴3上。
如图1所示，燃油控制阀(下面称为OCV)34与第一凸轮相位改变机构20相连接。根据OCV34的切换，作动油从发动机1的油泵35向形成在叶片转子和外壳之间的油室供应，从而使叶片转子旋转，由此，第一凸轮相位改变机构20具有改变齿轮60a相对于凸轮链轮5的旋转角的功能。也就是说，第一凸轮相位改变机构20能够连续地调整进气凸轮轴2相对于曲轴7的相位，即，第一进气门12和第二进气门13的打开和关闭正时。
图3至图5是进气门的气门机构的构造图，图3是示出了进气凸轮轴2的构造的纵向剖视图，图4是示出了第二进气凸轮11的安装部的构造的顶视图，而图5是示出了第二进气凸轮11的安装部的构造的剖视图。
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。第一进气凸轮轴21和第二进气凸轮轴22同心地配置，同时在其之间具有间隙，并且由形成在发动机1的气缸头上的支撑部23可旋转地支撑。第一进气凸轮10固定在第一进气凸轮轴21上。此外，第二进气凸轮11可旋转地支撑在第一进气凸轮轴21上。第二进气凸轮11由大致圆筒状的支撑部11a和凸轮部11b构成，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而彼此固定。固定销24贯穿第二进气凸轮11的支撑部11a、第一进气凸轮轴21和第二进气凸轮轴22，同时几乎没有间隙地插入到设置于第二进气凸轮轴22的孔中，并且其两端部被夹压而固定于支撑部11a。固定销24所穿过的长孔25在周向上延伸地形成在第一进气凸轮轴21上。
第二凸轮相位改变机构50是电动马达，在其主体部50a上固定有齿轮60b和第一进气凸轮轴21，并且第二进气凸轮轴22与旋转轴50b相连接。因此，第二凸轮相位改变机构50可以朝着延迟角侧连续地调整第二进气凸轮轴22相对于第一进气凸轮轴21的相位，即，相对于第一进气门12的打开和关闭正时的第二进气门13的打开和关闭正时。如果使第二进气门13的打开和关闭正时相对于第一进气门12的打开和关闭正时延迟，则第一进气门12的打开正时和第二进气门13的关闭正时之间的时段，即，进气门打开时段，变长。相反，如果使第二进气门13的打开和关闭正时相对于第一进气门12的打开和关闭正时提前并设置为同相位，则进气门的打开时段就变短。
ECU40具备未图示的输入和输出装置、ROM和RAM等存储装置、中央处理装置(CPU)等，并且综合地控制发动机1。
检测发动机1的曲柄角的曲柄角传感器41和检测未图示的节流阀的开度的节流传感器42等的各种传感器连接于ECU40的输入侧。而且，除了上述OCV34外，还有第二凸轮相位改变机构50、燃料注入阀43以及火花塞44等也连接于ECU40的输出侧。ECU40基于来自各传感器的检测信息来确定点火时刻和燃料注入量等，并且驱动地控制火花塞44和燃料注入阀43。另外，ECU40基于来自各传感器的检测信息，驱动地控制OCV34，即，控制第一凸轮相位改变机构20的操作，同时也控制第二凸轮相位改变机构50的操作。
图6是用于第一凸轮相位改变机构20的动作设定的图的一例。
ECU40根据发动机的旋转速度N和负载L来控制第一凸轮相位改变机构20的操作。具体地说，如图6所示，在低负载、低旋转速度时，ECU40使其为最大延迟角，并且随着负载或旋转速度增大而使其角度提前。而且，在高负载、高旋转速度时设定为中间相位，在低旋转速度、高负载时设定为使其在最大提前角位置。
图7是用于第二凸轮相位改变机构50的动作设定的图的一例。
ECU40根据发动机的旋转速度N和负载L来控制第二凸轮相位改变机构50的动作。具体地说，如图7所示，ECU40按如下方式来控制第二凸轮相位改变机构50的动作：在低负载、低旋转速度时，将相对于第一进气门12的打开和关闭正时的第二进气门13的打开和关闭正时控制在延迟角侧，从而增大进气门打开时段，并且随着负载或旋转速度的增大，气门打开时段变小。
图8是示出了进气门的升程量的推移的时间图。
如图8所示，在本实施方式的发动机1中，在低负载、低旋转速度时，因为第二进气门13通过第一凸轮相位改变机构20而延迟，并且起气门打开时段通过第二凸轮相位改变机构50而变大，所以，能够使第二进气门13的关闭正时大幅地延迟。因此，可以大幅地降低泵气损失，大幅地提高燃料效率。尤其是，通过将由第二凸轮相位改变机构50实现的相位可变范围设定为比由第一凸轮相位改变机构20实现的相位可变范围大，可以增加第一进气门和第二进气门的各自的打开和关闭正时之间的相位差，从而能够将第二进气门13的关闭正时延迟到压缩冲程的后半阶段，可以进一步降低泵气损失。此时，增强了缸内流动，即使在实际压缩比低的状态下，也能够用已降低泵气损失的少量空气来提高燃烧稳定性，从而可以进一步提高燃料效率。而且，因为也加强了空气和燃料的混合，所以能够降低废气内的未燃烧成分的排出。再者，由于与第一凸轮相位改变机构20的相位可变范围独立地设定第二凸轮相位改变机构50的相位可变范围，所以增加了设计自由度，提高了安装到车辆上的安装性。因此，抑制可变气门机构整体的增大化，从而可以容易地实现所述范围的设定，同时抑制发动机的前后尺寸的增加，并能够提高应用于发动机时的设计自由度。
另一方面，在高负载、高旋转速度时，因为第二进气门13被第一凸轮相位改变机构20设置为中间相位，并且气门打开时段被第二凸轮相位改变机构50变小，所以第二进气门13的关闭正时比低负载、低旋转速度时的提前。例如，通过在压缩冲程的前半阶段，即在进气被活塞推回到进气口的区域附近，关闭第二进气门13，可以提高进气的充气效率，能够确保输出。
另外，在高负载、低旋转速度时，因为通过第一凸轮相位改变机构20来提前第一进气门12的打开正时，所以，例如，通过使第一进气门12的打开正时提前到上止点(TDC)或比上止点更提前一些，可以降低进气冲程初期的泵气损失，并且能够获得较强的惯性效果和脉动效果。因此，在高负载、低旋转速度时，具体地说，例如在启动时，既提高燃料效率又确保燃烧性，从而可以提高启动性能。
而且，在本实施方式中，因为将第一凸轮相位改变机构20配置在排气凸轮轴3的前端部，并且将第二凸轮相位改变机构50配置在进气凸轮轴2的前端部，所以能够容易地安装凸轮相位改变机构20、50，且几乎不增大发动机1的宽度尺寸，可以抑制在小型化。再者，虽然需要使第一凸轮相位改变机构20驱动第一进气门12、第二进气门13和第二凸轮相位改变机构50，但是，即使为此而将第一凸轮相位改变机构20大型化以使其能力增大，也能够抑制发动机的前后尺寸等的增加。
此外，因为使用叶片式凸轮相位改变机构和电动马达作为变更进气门12、13的打开和关闭正时的机构，所以与通过增加和减少升程量来变更进气门的关闭正时的机构相比较，可以减少摩擦，能够提高气门机构的动作可靠性和耐久性。
另外，在本实施方式中，因为第二凸轮相位改变机构50是电动马达，所以即使在低温时也能进行响应性良好的驱动。因此，即使在如低温状态启动时那样的情况下，也可以迅速地控制进气凸轮的相位。再者，与油压致动器相比较，可以提高燃料效率。而且，与第一凸轮相位改变机构20相同，也可以将第二凸轮相位改变机构50设置为油压驱动式。
另外，在低温、低负载时，ECU40在将第一凸轮相位改变机构20控制在最大延迟角之后，控制第二凸轮相位改变机构50以增大气门打开时段。这样，因为并不是使第一凸轮相位改变机构20和第二凸轮相位改变机构50同时动作，而是分阶段地进行动作控制，所以，即使在将第一凸轮相位改变机构20和第二凸轮相位改变机构50都任意地设置为油压驱动式的情况下，也不会造成油压不足，而是能够进行正确的动作控制。
再者，本发明并不将用于第一凸轮相位改变机构20的动作设定的图限定于图6。而且也不将用于第二凸轮相位改变机构50的动作设定的图限定于图7。在本发明中，至少在低负载、低旋转速度时，优选设定为：仅仅需要将第一凸轮相位改变机构20控制在最大延迟角，并且通过第二凸轮相位改变机构50来相对地增大气门打开时段，而其它区域优选根据发动机的特性来进行适当地设定。另外，也可以将最大延迟角锁定机构设置在第一凸轮相位改变机构20上，而将最大提前角锁定机构设置在第二凸轮相位改变机构50上。由此，可以正确地设定第一凸轮相位改变机构20和第二凸轮相位改变机构50的切换点。
再者，也可以设置在减小第一进气凸轮轴21和第二进气凸轮轴22之间的相位差的方向上激励第二凸轮相位改变机构50的弹簧。由此，可以抑制第一进气门12和第二进气门13之间的相位差的变动，能够稳定地控制气门打开时段。

Claims (4)

1.一种具有可变气门装置的内燃机，其特征在于，
在每个气缸上具备第一进气门(12)和第二进气门(13)，驱动所述第一进气门(12)的第一进气凸轮(10)和驱动所述第二进气门(13)的第二进气凸轮(11)同轴地枢转支撑在进气凸轮轴(2)上，
并且该内燃机具备：
第一凸轮相位改变机构(20)，其改变所述第一进气凸轮(10)和所述第二进气凸轮(11)相对于所述内燃机的曲轴的相位；
第二凸轮相位改变机构(50)，其改变所述第二进气凸轮(11)相对于所述第一进气凸轮(10)的相位，
所述第二凸轮相位改变机构(50)的可变相位角度范围被设定为比所述第一凸轮相位改变机构(20)的可变相位角度范围大。
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，
同轴地配置第一进气凸轮轴(21)和第二进气凸轮轴(22)而构成所述进气凸轮轴(2)，所述第一进气凸轮(10)固定在第一进气凸轮轴(21)上，所述第二进气凸轮(11)固定在第二进气凸轮轴(22)上，
所述第二凸轮相位改变机构(50)使所述第一进气凸轮轴(21)和所述第二进气凸轮轴(22)的相位改变，
所述第一凸轮相位改变机构(20)使所述第二凸轮相位改变机构(50)和曲轴的相位改变。
3.根据权利要求1或2所述的具有可变气门装置的内燃机，其特征在于，
所述第一凸轮相位改变机构(20)设置于排气凸轮轴(3)的一端部，所述第二凸轮相位改变机构(50)设置于进气凸轮轴(2)的一端部。
4.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，
所述第二凸轮相位改变机构(50)是电动致动器。
CN201010125180.8A 2009-02-23 2010-02-23 具有可变气门装置的内燃机 Active CN101813014B (zh)

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