CN103775218A

CN103775218A - 一组气缸上具有可变阀位移的发动机组件及其控制方法

Info

Publication number: CN103775218A
Application number: CN201310489343.4A
Authority: CN
Inventors: A.W.海曼; R.S.麦克阿尔平
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: US20140109847A1; DE102013220438A1; US9109507B2; DE102013220438B4; CN103775218B

Abstract

一种发动机组件，包括发动机机体，所述发动机机体具有第一组汽缸和第二组汽缸。曲轴通过发动机机体支撑，且配置为通过由第一和第二组汽缸中的燃烧能量产生的扭矩而被驱动。第一组阀可操作为控制流入和流出第一组汽缸的空气流动。通过曲轴驱动的凸轮轴操作性地连接到第一组阀，以控制第一组阀的打开和关闭。第二组阀可操作为控制流入和流出第二组汽缸的空气流动。控制器操作性地连接到第二组阀，且配置为基于曲轴处的命令的扭矩，改变第二组阀的升程、持续时间和正时中的至少一个。

Description

一组气缸上具有可变阀位移的发动机组件及其控制方法

技术领域

本发明通常包括具有两组汽缸的发动机组件和对阀进行控制以控制空气流动进出汽缸的方法。

背景技术

由于成本节约和环境效益，燃料高效车辆是令人期望的。较小的发动机往往具有更高的燃料效率，但是可能中扭矩和功率输出方面更有限。性能灵活性可通过将发动机配备有连续可变汽缸阀而实现。替换地，具有相对高的最大扭矩的相对大的发动机可被使用，其中一些汽缸在扭矩需求相对较低时选择性地停用。然而，不均匀的扭矩脉冲可能会在一些汽缸停用时产生，或由于较高的扭矩峰值出现在较宽的间隔处，较高载荷下的扭矩脉冲会产生不期望的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)问题。这些问题会抑制停用汽缸的可用动态范围，且降低燃料经济性。进而，发动机通常具有预定的最佳运行参数，在该参数下其燃烧最高效。

发明内容

发动机组件配置在一些汽缸中具有可变位移，并且在其他汽缸中具有不可变位移，但是具有最佳的运行效率，同时仍然在曲轴和飞轮处提供平衡的扭矩脉冲。具体地，发动机组件包括发动机机体，所述发动机机体具有第一组汽缸和第二组汽缸。曲轴通过发动机机体支撑，且配置为通过由第一和第二组汽缸中的燃烧能量产生的扭矩而被驱动。如在本文使用的，一“组”汽缸是发动机机体中的一排汽缸，其中所述排平行于曲轴的长度延伸。第一组阀可操作为控制流入和流出第一组汽缸的空气流动。凸轮轴通过曲轴驱动，且操作性地连接到第一组阀，以控制第一组阀的打开和关闭。第二组阀可操作为控制流入和流出第二组汽缸的空气流动。控制器操作性地连接到第二组阀，且配置为基于曲轴处的命令扭矩，改变第二组阀的升程、持续时间和正时中的至少一个，以由此改变第二组汽缸中的燃烧。发动机机体可以例如V-6或V-8形式布置，使得第一和第二组汽缸中的每一组具有相同数量的汽缸。如果来自第一和第二组的汽缸以交替顺序点火，则作用在曲轴和飞轮上的扭矩脉冲将是对称的。

一种控制发动机组件的方法，所述发动机组件具有发动机机体、曲轴和通过曲轴驱动的凸轮轴，所述发动机机体具有第一和第二组汽缸，所述方法包括经由凸轮轴打开和关闭第一组阀。第一组阀控制流入和流出第一组汽缸的空气流动，以由此影响通过第一组汽缸中的燃烧提供到曲轴的驱动扭矩。所述方法进一步包括基于曲轴处的命令的扭矩，改变第二组阀的升程、正时和持续时间中的至少一个。第二组阀控制流入和流出第二组汽缸的空气流动，以由此通过第二组汽缸中的燃烧影响提供到曲轴的驱动扭矩。

在结合附图进行时，从下面实施本发明的最佳模式的详尽描述，能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明一个方面的发动机组件的第一实施例的示意性平面图。

图2是根据本发明替换方面的发动机组件的第二实施例的示意性平面图。

图3是图1的发动机组件的一部分的示意性透视图。

图4是制动油耗率对发动机扭矩的曲线图，其用于在多个汽缸停用或多个汽缸通过连续可变阀门促动的情况下操作的多个发动机。

图5是控制发动机组件的方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记指代相同的部件，图1和3显示了发动机组件10，其具有发动机机体12，所述发动机机体12配置为具有第一组14汽缸14A、14B、14C和第二组16汽缸16A、16B、16C。第一汽缸盖18通过发动机机体12被支撑在第一组汽缸14的上方。第二汽缸盖20被发动机机体12支撑在第二组16汽缸16A、16B、16C的上方。汽缸盖18支撑第一组阀，所述第一组阀包括定位在汽缸14A、14B、14C中的每一个上方的一对排气阀26和一对进气阀24。在其他实施例中，每一个汽缸14A、14B、14C、16A、16B、16C可以仅具有一个进气阀和一个排气阀。火花塞28也定位在汽缸14A、14B、14C中的每一个的上方。汽缸盖20支撑第二组阀，所述第二组阀包括在汽缸16A、16B、16C中的每一个上方的一对排气阀27和一对进气阀25。排气阀26、27还在本文中称为排气门。火花塞28也定位在汽缸16A、16B、16C中的每一个上方。

空气从空气入口通道30通过单个电子节气门32而被引导到共用的空气进气岐管34，在进气阀24、25以本文所述的方式相继选择性地打开时，所述进气岐管提供到汽缸14A、14B、14C、16A、16B、16C中的每一个的进入空气。空气质量流量(MAF)传感器29将表示进入空气密度的参数提供到电子控制器72。排气阀26随后以本文所述的方式打开，以允许汽缸14A、14B、14C通过排气通道36排出到排气出口38。排气可被三元催化转化器（three-way catalyst）40处理，三元催化转化器的性能通过上游氧气传感器42A和下游氧气传感器42B监测，所述上游氧气传感器42A和下游氧气传感器42B将表示催化器40性能的感测的参数提供到控制器72。汽缸16A、16B、16C的排气阀26也根据本文所述的方式打开，以允许汽缸16A、16B、16C通过相似的排气通道36排气到排气出口38。来自汽缸16A、16B、16C的排气可被另一三元催化转化器40处理，该三元催化转化器的性能通过上游氧气传感器42A和下游氧气传感器42B监测。传感器42A、42B操作性地连接到控制器72，但是为了简明，附图中连接导线未示出。替换地，发动机组件10可被布置为使得来自两组14,16的汽缸14A、14B、14C、16A、16B、16C的排气可馈送到共用的排气通道中。

燃料以与火花塞28的点火同步的方式而被选择性地引入到汽缸14A、14B、14C、16A、16B、16C中，以使得每一个汽缸14A、14B、14C、16A、16B、16C中的活塞48(如图3所示)将旋转由气缸体12支撑的曲轴50。活塞48在汽缸14A、14B、14C、16A、16B、16C中上下行进，且经由连接活塞杆52，使曲轴50旋转。曲轴50支撑飞轮54，所述飞轮54用于辅助维持动量，且驱动操作性地连接到曲轴50的变速器（未示出)。

发动机组件10配置为平衡满足扭矩需求的需要，并且以显著的燃料效率和成本节约运行。具体地，第一组14的汽缸14A、14B和14C中的燃烧是根据固定、预定的发动机运行效率进行的。第一组汽缸14A、14B、14C的进气阀24通过顶部的凸轮轴60（如图3所示）而被升起和下降。类似地，第一组汽缸14A、14B、14C的排气阀26通过排气凸轮轴61升起和下降。在图3中，凸轮轴盖被去除，以暴露凸轮轴60、61。进而，出于图面简单的目的，用于将凸轮轴60支撑在汽缸盖18上方的支撑轴承或安装件未示出。这种安装件可附接到气缸体12或汽缸盖18，如本领域普通技术人员易于理解的。

凸轮轴60、61具有多个偏心凸轮瓣（eccentric lobes）62A、62B、62C、62D、62E、62F，其被布置为使得汽缸14A、14B、14C的阀24、26以预定顺序和预定时间升起和下降。凸轮轴60、61通过传动带驱动装置64被曲轴50驱动，所述传动带驱动装置64可包括安装在曲轴50上的链轮66A、安装在凸轮轴60上的链轮66B和安装在凸轮轴61上的链轮66C。传动带68连接链轮66A、66B、66C。传动带张紧件和引导件可以安装到发动机机体12，但是出于图面简明的目的未示出。在其他实施例中，传动带驱动装置64可以是齿轮系或链驱动装置。进而，两个分开的传动带可被曲轴16驱动，以分别地驱动凸轮轴60、61。

凸轮轴相位器70A可操作地连接到凸轮轴60，且由如图1所示的控制器72控制，以改变凸轮轴60关于曲轴50的相对角度取向，由此改变阀24相对于汽缸14A、14B、14C中相应活塞48位置的打开和关闭正时。类似地，凸轮轴相位器70B可操作地连接到凸轮轴61且由控制器72控制，以改变凸轮轴61关于曲轴50的相对角度取向，由此改变阀26的打开和关闭正时。相位器70A、70B可以是液压叶片相位器，在该情况下，控制器72最终控制液压流体到相位器70A、70B的流动，以调整凸轮轴60、61。到相位器70A、70B的液压连接可以是发动机机体12中且通过汽缸盖18到达相位器70A、70B的穿通通道。这些通道出于附图简明的目的而未示出。本领域普通技术人员应了解在控制器72的控制下液压流体到相位器70A、70B的路径规划的多种方式。可使用任何合适的相位器。

因此，第一组14汽缸14A、14B、14C中的燃烧可被控制为满足预定效率要求。例如，经由凸轮轴60、61的阀24、26的正时以及节气门32的位置可被控制，以允许汽缸14A、14B、14C中的燃烧，从而发动机组件10根据预定燃烧效率运行，例如可以通过制动油耗率(BSFC)曲线示出。通过MAF传感器29测量的进入空气参数可在确定最佳的阀门正时和节气门位置时被控制器72使用。

相反，第二组16汽缸16A、16B、16C中的燃烧被控制为根据需要以“按需”方式控制，以满足增加的载荷需求。具体说，以下所列的任何项或所有项：(i)阀25、27打开正时；(ii)阀25、27打开持续时间；和(iii)阀25、27升程量，包括零升程(即汽缸停缸)，可通过控制器72实施，以根据需要增加位移，从而满足载荷需求。载荷需求可通过控制器72基于连接到车辆底板77上方的油门踏板76的位置传感器74确定。位置传感器74可操作为将传感器信号发送到控制器72。载荷需求可以进一步通过控制器72基于其他感测的发动机运行条件确定，例如操作性地连接到曲轴50的速度传感器或扭矩传感器。

在一个实施例中，进气阀25打开持续时间和正时以及排气阀27的升程量根据需要变化。阀门25、27以这种方式的控制可被称为连续可变阀门位移或连续可变虚拟位移。任何合适的可变阀门机构可被用于实现正时、持续时间和升程的变化。例如控制器72可控制到螺线管阀的电信号，所述螺线管阀控制到阀25、27的液压流动，以改变其正时、持续时间和升程。

汽缸组14、16的每一组可被配置为具有相同数量的汽缸。在图1的实施例中，气缸组14具有三个汽缸14A、14B、14C，气缸组16具有三个汽缸16A、16B、16C。在扭矩需要可通过仅使用根据预定燃烧效率运行的第一组14汽缸满足时，则汽缸14A、14B、14C的火花塞28可被致动，从而汽缸以顺序14A、14B、14C点火。

如果控制器72确定需要额外位移以满足扭矩需求，则第二组16汽缸16A、16B、16C的火花塞28也可被致动，火花塞28和阀25、27被以这样的方式控制：使得第一组14的汽缸和第二组16的汽缸以交替顺序点火。即汽缸以14A、16A、14B、16B、14C、16C的顺序点火。因为通过每一个汽缸14A、14B、14C中的燃烧产生的扭矩基本上是相等的，且通过每一个汽缸16A、16B、16C中的燃烧产生的扭矩是基本上相等的，但是可能与汽缸14A、14B、14C中产生的扭矩不同，通过所述的交替点火顺序，传递到飞轮54的扭矩脉冲将被对称地传送。例如，通过汽缸14A、14B、14C中的燃烧产生的扭矩脉冲可以比通过汽缸16A、16B、16C中的燃烧产生的扭矩脉冲大得多。所有较大的扭矩脉冲将随后从同一方向以相等的间隔传送。相比较，如果V形布置的六个汽缸发动机以四汽缸模式运行，则即使每一个组中的一个汽缸被停用，扭矩脉冲仍被不对称地传送。例如，取决于哪两个汽缸被停用，可以从一个组传送两个脉冲（在它们之间为零扭矩脉冲），随后从另一组传送两个脉冲（在它们之间为零扭矩脉冲）。替换地，可从一个组输出两个脉冲，随后从另一组输出两个脉冲，随后是两个零扭矩脉冲。

图2显示了具有许多与发动机组件10相同部件的发动机组件10A。相同部件以相同附图标记示出。发动机组件10A具有两个分开的节气门32A、32B，它们控制到两个分开的进气岐管34A、34B的空气流动。具体地，空气从空气入口通道30A经过电子节气门32A引导到空气进气歧管34A，空气进气歧管34A在进气阀24以本文所述的方式相继选择性地打开时，提供到第一组14汽缸14A、14B、14C中的每一个的进入空气。空气从分开的空气入口通道30B经过电子节气门32B引导到空气进气歧管34B，空气进气歧管34B在进气阀25以本文所述的方式相继选择性地打开时，提供到第二组16汽缸16A、16B、16C中的每一个的进入空气。操作性地连接到控制器72A的空气质量流量传感器29A、29B用于确定进入空气的性能，进入空气的性能影响用以实现汽缸组14中的最佳的燃烧效率的节气门32A和相位器70A、70B的最佳位置。

控制器72A可控制每一个节气门32A、32B到不同位置，以实现两个汽缸组14、16的单独的功能。即节气门32A可被定位为有助于实现汽缸14A、14B、14C中的最佳的燃烧效率，而节气门32B可被控制为实现汽缸16A、16B、16C所需的变化的额外扭矩，以满足所需扭矩中的变化。发动机组件10A的其他部件操作性地连接到控制器72A，以如关于图1的控制器72所述进行控制。例如，进气阀24、25、排气阀26、27、火花塞28、氧气传感器42A、42B和位置传感器74与控制器72操作通信。

图4是针对以多种不同方式控制的不同发动机的制动油耗率对发动机扭矩的图表，所述多种不同方式为例如通过所选择汽缸的连续可变阀门促动或停用。具体地，曲线202显示了用于示例性发动机组件的以克每千瓦时(g/kw-h)表示的制动油耗率，所述发动机组件具有两个汽缸组，所述两个汽缸组以V-6形式布置(即每一个组三个汽缸，类似于发动机组件10和10A)。曲线204表示用于同一发动机组件的理论制动油耗率，如果该发动机组件配备有可被控制以实现所有六个汽缸上的连续可变阀升程的进气阀和排气阀的话。曲线206表示用于同一发动机组件的理论制动油耗率，如果该发动机组件配备有使得两个汽缸停用，以由此运行为四汽缸模式的能力。点207是两个汽缸停用情况下的四汽缸模式的理论极限。曲线208表示用于同一发动机组件的理论制动油耗率，如果该发动机组件配备有使得三个汽缸停用，以运行为三个汽缸模式的能力。点209是三个汽缸停用情况下三汽缸模式的理论极限。曲线210表示用于同一发动机组件的理论制动油耗率，如果一组汽缸配备有能够实现连续可变阀升程的阀的话。这将允许发动机组件沿曲线208以三个汽缸停缸的模式运行，直到达到点209的极限处。已经停用的三个汽缸随后可被控制为在至少一些燃烧的情况下运行，由此扩展沿曲线210的运行。

具有一组16汽缸16A、16B、16C（带有被控制以进行连续可变阀门位移）的发动机组件10或10A可由此沿类似于曲线208的延伸到曲线210的曲线运行。发动机组件10、10A将首先在汽缸16A、16B、16C停用的情况下（例如通过关闭排气阀27），且在汽缸14A、14B、14C运行的情况下运行，以实现沿曲线208的预定燃烧效率。在点209处的三个汽缸停用的极限处，三个汽缸16A、16B、16C将随后沿曲线210运行，其中一些燃烧使用在控制器72或72A控制下的连续可变升程、持续时间或阀25、27的正时，且汽缸14A、14B、14C继续被控制为根据预定燃烧效率运行。

图5是运行例如发动机组件10或10A这样的发动机组件的方法的流程图300，其通过控制器72或72A的处理器中存储的算法执行。方法300以图块302开始，其中控制器72或72A从加速器位置传感器74接收扭矩命令信号。扭矩命令信号表示由车辆操作者命令的在曲轴50处的扭矩量。在图块304中，控制器72或72A还从发动机组件10中的节气门32上的位置传感器或从发动机组件10A中的节气门32A和32B接收指示节气门32或32A、32B的位置的传感器信号。至少部分地基于图块302和304中接收的传感器信号，控制器72或72A随后在图块306中控制第二组汽缸16A、16B的阀25、27，以在图块306中改变第二组阀25、27的持续时间、正时和升程中的至少一个。控制器72或72A可具有与阀门升程、正时和持续时间相应的存储的扭矩和发动机速度数据的查询表。图3的凸轮轴60、61机械地控制阀24、26的打开和关闭，且配置为如此进行以实现汽缸14A、14B、14C中的预定燃烧效率。在该方法下，在图块308中，控制器72或72A还可控制相位器70A、70B，例如图3中所示，以维持汽缸14A、14B、14C中的预定燃烧效率。控制器72或72A由此控制第二组汽缸16A、16B、16C的阀25、27，以实现命令的曲轴扭矩，其中第二组汽缸16A、16B、16C根据需要增加扭矩水平，以在添加到通过根据预定燃烧效率运行的第一组汽缸14A、14B、14C而传送到曲轴的扭矩时，满足命令的曲轴扭矩。

尽管已经对执行本发明的很多方面的最佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换方面。

Claims

1.一种发动机组件，包括：

发动机机体，具有第一组汽缸和第二组汽缸；

曲轴，通过发动机机体支撑，且配置为通过由第一和第二组汽缸中的燃烧能量产生的扭矩而被驱动；

第一组阀，可操作为控制流入和流出第一组汽缸的空气流动；

一对凸轮轴，通过曲轴驱动，且操作地连接到第一组阀，以控制第一组阀的打开和关闭；

第二组阀，可操作为控制流入和流出第二组汽缸的空气流动；和

控制器，操作性地连接到第二组阀，且配置为基于曲轴处命令的扭矩，改变第二组阀的升程、持续时间和正时中的至少一个，以由此改变第二组汽缸中的燃烧。

2.如权利要求1所述的发动机组件，进一步包括：

单个节气门，通过该单个节气门，空气流动被引导到第一和第二组阀；

其中，控制器配置为至少部分地基于节气门的位置，改变所述第二组阀的升程、持续时间和正时中的至少一个。

3.如权利要求1所述的发动机组件，进一步包括：

第一节气门，通过该第一节气门，空气流动被引导到第一组汽缸；

第二节气门，通过该第二节气门，空气流动被引导到第二组汽缸；

其中，控制器配置为定位第一节气门，以在第一组汽缸中以预定发动机运行效率提供燃烧；和

其中，控制器配置为定位第二节气门，以实现第二组汽缸中的燃烧。

4.如权利要求1所述的发动机组件，其中，第二组阀包括配置为通过升程和持续时间改变的进气阀，和配置为被选择性地停用到零阀门升程的排气阀。

5.如权利要求1所述的发动机组件，其中，控制器至少部分地基于存储的扭矩与发动机速度数据，改变第二组汽缸中的燃烧。

6.如权利要求1所述的发动机组件，其中，第一组阀和凸轮轴配置为使得第一组汽缸中的燃烧在预定发动机运行效率下进行。

7.如权利要求6所述的发动机组件，进一步包括：

凸轮轴相位器，操作性地连接到凸轮轴和控制器；和

其中，控制器控制凸轮轴相位器，以在预定发动机运行效率下实现第一组汽缸中的燃烧。

8.如权利要求1所述的发动机组件，其中，发动机机体以V形形式布置，且第一和第二汽缸组中的各组具有相同数量的汽缸。

9.如权利要求1所述的发动机组件，其中，飞轮定位在曲轴上；并且其中，第一和第二组汽缸布置为使得由汽缸中燃烧能量产生的驱动曲轴的扭矩被对称地传送到飞轮。

10.一种发动机组件包括：

发动机机体，具有第一组汽缸和第二组汽缸；

第一组阀，包括可操作为控制流入和流出第一组汽缸的空气流动的进气阀，和可操作为控制流出第一组阀的空气流动的排气阀；

第一凸轮轴，通过曲轴驱动，且操作性地连接到第一组阀的进气阀，以控制第一组阀的进气阀的打开和关闭；

第二凸轮轴，通过曲轴驱动，且操作性地连接到第一组阀的排气阀，以控制第一组阀的排气阀的打开和关闭；

第二组阀，包括可操作为控制流入第二组汽缸的空气流动的进气阀，和可操作为控制流出第二组汽缸的空气流动的排气阀；

控制器，操作性地连接到第二组阀，且配置为改变第二组汽缸的进气阀的升程和持续时间，且选择性地使得第二组汽缸的排气阀停用到零阀门升程，以由此改变第二组汽缸中的燃烧，从而使由第一和第二组汽缸中的燃烧提供的扭矩满足命令的扭矩；和

其中，发动机机体以V形形式布置，且第一和第二组汽缸中的各组具有相同数量的汽缸。