CN104520545B - 用于内燃发动机的阀门控制系统及其操作方法 - Google Patents

用于内燃发动机的阀门控制系统及其操作方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于内燃发动机的阀门控制系统，该发动机具有至少一个带有至少一组至少两个阀门(12，17，14，19)的汽缸。该组中的所有阀门为进气阀门或排气阀门，并且该系统被配置为用于有选择地以单阀门操作模式操作该组阀门，在该单阀门操作模式的过程中该组中仅一个阀门在任何时刻都是打开的。

Description

用于内燃发动机的阀门控制系统及其操作方法
发明领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的阀门控制系统，该发动机具有多个带有至少两个进气阀门和/或至少两个排气阀门的汽缸。更具体地，关注的是改善具有能够独立于发动机曲轴的旋转而被致动的多个阀门的发动机的效率和寿命。
发明背景
通过旋转的凸轮轴来操作内燃发动机的进气阀门和排气阀门是众所周知的。在很多较老的发动机设计中，凸轮轴的旋转机械地偶联至曲轴的旋转，并且更改与发动机的速度或负载有关的阀门正时是不可能的。然而，关于对发动机的要求来改变阀门操作可以实现更高的效率。
为了提供对于阀门致动的更好控制，已经提出通过使用由计算机控制的发动机管理系统所掌控的电磁螺线管致动器来操作这些阀门。WO 2004/097184中描述了一种替代性解决方案。该解决方案涉及一种具有通过适合的连接系与阀门相联接的从动转子的电磁致动器。
发明概述
本发明提供了一种用于内燃发动机的阀门控制系统，该发动机具有至少一个带有至少一组至少两个阀门的汽缸，并且该组中的所有阀门为进气阀门或排气阀门，其中该系统被配置为用于有选择地以单阀门操作模式操作该组阀门，在该单阀门操作模式过程中该组中的仅一个阀门在任何时刻都是打开的。
因此，在单阀门操作模式操作的一个周期中，如果该组中具有仅两个阀门，该组中的这两个阀门中的仅一个在任何一个时刻是打开的，或者这些阀门中的另一个在任何一个时刻是打开的。
已经确定，对于相当大一部分的燃烧发动机运行速度和负载范围而言，在多阀门汽缸中打开仅单一进气阀门和/或排气阀门就足够了，例如从而得到减少的附加损失以及更高的进气速度，这可以改善火花点火式发动机情况下的混合物准备。
优选地，该系统被配置为用于在该单阀门操作模式过程中、或在多个连续周期的单阀门操作模式过程中以一种顺序来致动该组中的这些阀门。
优选地该系统被配置为用于在单阀门模式过程中在发动机的任何整个冲程过程中致动这些阀门中的仅一个。
优选地，该系统被配置为用于在单阀门操作模式过程中依次地致动该组中的每个阀门。
因此，例如当该组具有两个阀门时，该系统可以被配置为用于以交替顺序来致动这些阀门。
结果是，在这些阀门之间机械磨损是大体相等的。而且，在单阀门操作模式过程中这样一种方法具有优于操作一组进气阀门中的同一阀门或一组排气阀门中的同一阀门的很多优点。在进气口喷射式发动机中的进气阀门的情况下，这避免了在静止阀门头后方的燃料积聚，在排放品质方面这可以是特别有益的。此外，因为在这些可用阀门之间共享了该阀门功能并且各个单独的阀门致动循环之间的周期被加倍，单独阀门上的热负载显著减少。在以电磁方式操作的系统的情况下，致动器部件温度将减小，并且能量消耗将减少，因为绕组的电阻在较低的温度下将降低。该热工作循环不仅被共享而且在绝对意义上被减少。
对于排气阀门，这种热学优点还延伸到这些阀门本身。典型地它们是燃烧室中最热的部件并且轮流地操作每个阀门而超过由于热量被传递到阀门座(对于排气阀门这是主要的冷却途径)所进行的冷却所消耗的时间与当高速排气将热量传递进入该阀门的时间之比的双倍。
这在火花点火式发动机中是特别有利的，其中该发动机的工作汽缸内的最热表面的温度对于点火正时可以接近理论理想情况的程度有影响。典型地，点火正时被提前而使得在压缩冲程过程中在活塞到达上止点之前的一个点产生火花。理想地，正时方式将依据发动机速度和负载而改变并且在校准过程中通过从“晚的”(推迟的)正时开始并将其提前直到达到最佳性能来确定，这还将给出最佳的燃料消耗。将火花正时进一步提前超出理想正时可能会造成在到达上止点之前汽缸压力太快地变得太高。这可能意味着与由在上止点之后更高的汽缸压力所获得的相比必须对该活塞做更多的功。在使用当今可用的标准燃料的现代发动机中，存在显著的速度：负载映射图区域，在这些区域中不能实现理想正时，因为由正在燃烧的燃料-空气混合物造成的与理想正时有关的压力升高可能足以在正常燃烧完成之前造成未燃烧的燃料/空气发生不受控制的爆炸。这导致了通常被称为轻微爆震、爆炸或爆震的现象。此现象可以在达到火花正时的最佳提前(从推迟的位置)之前发生。在实践中，这意味着点火正时通常被设置在小于最佳的提前，典型地在至少一定比例的速度：负载映射图上从该“爆炸边界线”推迟3°。现代发动机管理系统使用爆震传感器和适应性控制技术以将点火正时维持在被最多提前的可实现设定值。
已经认识到，排气阀门温度在确定该发动机对震爆的敏感性方面是一个影响参数，并且因此降低排气阀门温度使得点火能够进一步提前，更接近于其最佳正时。实际上，降低排气阀门温度具有不成比例的效果，因为根据史蒂芬定律(Stefan's Law)，从该阀门辐射的热量将与其绝对温度的四次幂成比例。
大家相信，依次致动这些排气阀门可以使火花点火式发动机中的点火正时能够比同时致动这两个或者全部排气阀门将得到的情况提前得更远。
在单阀门操作模式过程中，一组中的每个阀门可以依次执行单一致动循环、或依次执行多个致动循环。
依次执行多个阀门致动循环(例如，使仅第一阀门运行多个发动机循环并且然后使仅第二阀门运行后续的多个循环)与依次执行单一致动循环相比具有很多潜在优点。
首先，当这种方法被用于进气口喷射式发动机的进气阀门时，依次执行多个致动循环意味着，需要较少的瞬时进气口壁膜燃料补偿来在该进气口中为发动机的后续进气循环重新建立最佳的空气/燃料条件。在该单一致动情况下，可能需要额外的燃料以在发动机的每个其他循环上重新建立该壁膜。其次，对于该多致动循环方法，每个阀门的相应致动器需要以较低的频率经历开启/关掉过程。这使得该多致动方法的开启/关掉机械损失和电力损失(这尤其与电磁致动器关于)跨过若干循环而不是损失在单一循环上，所以用多循环切换的能量损失按比例地小于单循环切换的能量损失。无论该组的这些阀门是进气阀门还是排气阀门，此优点都适用。
此外，在每个阀门(在单阀门模式的过程中)于另一阀门被致动之前被致动多次的情况下，启动和停止时的热损失减少，因为与该多循环切换相关联的温度波动不及排气阀门和/或进气阀门的单循环切换的情况那样快。
该多致动循环特征的另一个潜在优点是，当被应用于这些进气阀门时，可能中断该进气口燃料注入系统和控制策略的稳定运行的瞬时进气口压力波影响将较小。
根据另一个实施例，该阀门控制系统被配置为用于使该组阀门运行该单阀门操作模式的一个周期直到需要一种不同的操作模式或该发动机停止、并且用于将该组阀门中的一个阀门使用该单阀门操作模式的一个周期并且将该组阀门中的另一阀门使用该单阀门操作模式的下一个周期。以这种方式，随着时间过去，所有这些阀门平均经历大体相同的工作循环。因此，这些阀门系的机械磨损和热工作循环均在其之间被共享。还相信，当应用于这些排气阀门时，此方法可以给出最佳的点火性能(即，最接近于理想点火正时)。
本发明还提供了一种操作用于内燃发动机的阀门控制系统的方法，该发动机具有至少一个带有至少一组至少两个阀门的汽缸，并且该组中的所有阀门为进气阀门或排气阀门，该方法包括以下步骤：通过该系统以单阀门操作模式致动该组阀门，在该单阀门操作模式的过程中该组中仅一个阀门是在任何时刻都打开的。
该阀门控制系统可以包括一个电控制器，该电控制器被安排来输出控制信号以用于控制机械地联接到相应阀门的多个致动器。
将认识到，本概念适用于具有独立于发动机曲轴的旋转可运行的多个阀门的发动机。这些阀门致动器可以按电磁、液压和/或气动方式运行。因此，术语“致动器”旨在涵盖产生使相关阀门运行的力或转矩的任何电磁、气动或液压的装置。在一个“致动循环”过程中，阀门杆从其初始的开始位置移走且然后回到那个位置。
附图简要说明
现在参考附带示意图仅通过举例方式来描述本发明的实施例，其中：
图1是一个已知的内燃发动机的汽缸的上部分的截面侧视图；
图2是包括体现了本发明的阀门控制系统的一个发动机控制系统的框图、还以及具有由该系统控制的多个阀门的发动机的汽缸盖的一部分；并且
图3是该汽缸盖的底侧的简图，示出了两个进气阀门和两个出气阀门。
附图详细说明
图1示出了一种众所周知的内燃发动机构型的汽缸的截面视图。活塞2被安排在一个汽缸体4内进行上下往复运动。使用进气提升阀12来控制从汽缸盖8内的进气口6进入燃烧室10的充入空气流(或空气燃料混合物，这取决于发动机构型)。排气提升阀14允许在已经发生燃烧之后排气从该燃烧室逸出，这些排气经由排气口16被带走。
图1中仅示出了单一进气阀门和单一排气阀门。在多阀门发动机中，每个汽缸具有多于两个阀门。即，它具有一组至少两个进气阀门和/或一组至少两个排气阀门，从而得到改善的性能。已经开发了各种构型。这些包括具有单一大排气阀门和两个较小进气阀门的一种三阀门汽缸盖。更普遍的是具有两个进气阀门和两个排气阀门的四阀门汽缸盖。已经开发了具有两个排气阀门和三个进气阀门的五阀门汽缸盖。将了解的是，本发明可应用于其他的多阀门构型。
图2示出了包括体现了本发明的至少一个阀门控制系统的一种发动机控制系统。汽缸盖20具有一种多阀门构型(但该图仅示出了单一进气阀门12和单一排气阀门14)，为两个进气阀门和两个排气阀门，其中每个阀门打开和关闭该汽缸盖中的相应进气和排气口。
在图3中，示出了该汽缸盖以展示所有四个阀门的位置，在该图中这些阀门的阀门头是可见的。第二进气阀门17打开和关闭一个第二进气口，并且第二排气阀门19打开和关闭一个第二排气口。将了解的是，这一对进气阀门和这一对出气阀门各自构成各自相应的组，各自具有两个阀门。尽管本发明是关于单缸发动机来描述的，但该汽缸盖可以被配置成用于具有多个汽缸的发动机，每个汽缸与相应一组进气阀门和相应一组两个排气阀门相关联。因此，例如，四缸发动机将具有总共十六个进气/排气阀门。
在这个实例中，进气阀和排气阀二者都是独立于发动机曲轴的旋转可单独地电子控制的。本发明还可应用于以下构型：其中(a)该组排气阀门和(b)该组进气阀门中仅一者是独立于发动机曲轴的旋转可控制的。每个阀门由相应致动器来操作。因此提供了一个致动器30来操作进气阀门12以及一个致动器32来操作排气阀门14。例如每个致动器可以是在WO 2004/097184中所示的种类。
由一个发动机控制单元34来掌控发动机的总体运行。在发动机控制单元34与一个阀门控制单元40之间提供了一个双向通信链路38。在实践中，控制单元34和40可以是物理上分开的单元或者被集成到单一控制器中。阀门控制单元40与一个致动器功率电子模块42和这些致动器30和32一起形成了控制这组进气阀和这组排气阀的操作的一个阀门控制系统。
考虑到来自该发动机控制单元的控制信号，该阀门控制单元进而产生被发送至致动器功率电子模块42的进气致动器驱动信号和排气致动器驱动信号44、46。响应于这些信号，模块42产生沿着相应导线48和50的进气致动器驱动电流和排气致动器驱动电流。为了使得这些致动器的运行能够响应于它们的运行条件的变化，反馈信号52和54被对应地从该进气阀致动器和排气阀致动器传达至该阀门控制单元。这些反馈信号可以提供关于相应阀门致动器的一个或多个运行条件的信息，这些运行条件是例如该阀门致动器的位置、电磁绕组的温度、绕组中的电流、或可以影响在送入该致动器的控制信号与该致动器所操作的阀门的位置的所得变化之间的关系的任何其他参数。当然，这些信号所传达的信息可以根据采用的致动类型而改变，例如是电磁式、液压式还是气动式的。该信息被用于校准在该发动机的第一点火循环期间这些致动器的运行、并且被用作在正常运行过程中该控制系统的自适应输入。
该阀门控制单元能够根据多种不同的操作模式来操作这些阀门，这些操作模式包括多阀门操作模式，在多阀门操作模式中该组进气阀门中的所有阀门同时工作并且该组排气阀门中的所有阀门同时工作。在该多阀门操作模式中，与该汽缸盖相关联的这两个进气阀门因此被同时致动(即，被打开和关闭)，这两个排气阀门也是如此。在具有多于一个汽缸的发动机中，通过相关联的活塞的阶段来掌控这些进气阀门和排气阀门的打开和关闭的正时，但是在此情况下每个汽缸的这些进气阀门均在相关联的活塞的进气冲程过程中被打开，而这些排气阀门均在排气冲程过程中被打开。该阀门控制单元还可以根据单阀门操作模式来操作这些阀门，在单阀门操作模式中取决于在发动机的操作循环中相关联活塞的阶段，仅一个进气阀门或排气阀门在任何一个时刻都是打开的。
在具有两个进气阀门和两个排气阀门的汽缸盖的实例中，单阀门模式过程中的操作在这两个进气阀门各自之间并且在这两个排气阀门各自之间进行交替。这种交替可以在单阀门操作模式过程中在逐一循环的基础上在这些阀门之间发生，其中这些进气阀门之一在一个进气冲程过程中被致动并且另一个在下一个进气冲程过程中被致动，而一个排气阀门在一个排气冲程过程中被致动并且另一个在下一个排气冲程过程中被致动，以此类推。替代地，可以通过每个阀门在切换到另一个之前来进行两个或更多个循环。参考图3，这些进气阀门和出气阀门被标记为A和B以帮助展示可能的操作顺序。通过交替的致动，按以下顺序致动每组的进气阀门和排气阀门：A-B-A-B-A-B等，而单阀门操作模式(其中，在切换到一个进气/排气阀门之前，另一个进气阀门或排气阀门经历了多个致动循环)可以提供A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A的顺序等等。
在另一种方法中，一个进气阀门仅运行多个连续循环直到需要多阀门操作或该发动机停止。一旦再次需要单阀门操作，则使用另一个进气阀门来恢复该单阀门操作模式。
相应的选择同等地适用于这些排气阀门的操作。
该系统可以被配置成针对多缸发动机以多种不同的模式来操作多个不同的汽缸或以可变排量模式来操作该发动机，其中一些汽缸失活并且它们的阀门被维持在关闭的位置。此外，可以在仅一组阀门(例如这些进气阀门)上使用该单阀门操作模式，而以双模式来操作另一组阀门(例如这些排气阀门)，其中所述另一组中的这些阀门在该发动机的每个循环过程中均被致动(例如同时被打开和关闭)。

Claims (9)

1.一种用于内燃发动机的阀门控制系统，该发动机具有至少一个带有至少一组至少两个阀门的汽缸，并且该组中的所有阀门为进气阀门或排气阀门，其中该系统被配置为用于有选择地以单阀门操作模式操作该组阀门，在该单阀门操作模式过程中该组中的仅一个阀门在任何时刻都是打开的，其中该系统被配置为用于在该单阀门操作模式过程中、或在多个连续周期的单阀门操作模式过程中以一种顺序来致动该组中的这些阀门，并且其中该组中的每个阀门被该系统控制来依次地执行多个顺序阀门致动循环。
2.如权利要求1所述的系统，其中该系统被配置为用于在该单阀门操作模式过程中依次致动该组中的每个阀门。
3.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其中该系统被配置为用于在该单阀门操作模式过程中在该发动机一个冲程的整个过程中致动所述仅一个阀门。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中该组中的这些阀门为排气阀门。
5.如权利要求1所述的系统，其中该系统被配置为用于使该组阀门运行该单阀门操作模式的一个周期直到需要一种不同的操作模式或该发动机停止、并且用于使用该组阀门中的一个阀门来持续该单阀门操作模式的一个时间段并且使用该组阀门中的另一个阀门来持续该单阀门操作模式的下一个周期。
6.一种内燃发动机，该内燃发动机包括如以上任一项权利要求所述的阀门控制系统、以及至少一个带有至少一组至少两个阀门的汽缸，其中该组中的所有阀门为进气阀门或排气阀门。
7.一种操作用于内燃发动机的阀门控制系统的方法，该发动机具有至少一个带有至少一组至少两个阀门的汽缸，并且该组中的所有阀门为进气阀门或排气阀门，该方法包括以下步骤：通过该系统以单阀门操作模式致动该组阀门，在该单阀门操作模式的过程中该组中仅一个阀门是在任何时刻都打开的，其中在该单阀门操作模式过程中、或在多个连续周期的单阀门操作模式过程中以一种顺序来致动该组中的这些阀门，并且其中该组中的每个阀门依次地执行多个致动循环。
8.如权利要求7所述的方法，其中该组中的每个阀门在该单阀门操作模式过程中依次被致动。
9.如权利要求7所述的方法，包括以下这些步骤：
使该组阀门中的一个阀门运行该单阀门操作模式的一个周期直到需要一种不同的操作模式或该发动机停止；并且
使该组阀门中的另一个阀门运行该单阀门操作模式的下一个周期。
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