CN1508416A - 内燃机的进气控制设备 - Google Patents

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Abstract

提供用于内燃机的进气控制设备。把该气控制设备配置成控制一个可变阀操作机构和一个节流阀的开度。该可变阀操作机构改变进气阀的阀提升特性以控制进入发动机的气缸的进气量。该节流阀在集气管内产生负压，但是在包括中等负载的阀控制区中把集气管内的压力固定在弱负压上，并通过改变进气阀的阀提升特性来控制进气量。在低负载的内部EGR优先区中，该负压略微更负并且增大各进气阀的提升/持续时间。当发动机为冷时，把该负压调整到接近大气压力并且减小各进气阀的提升/持续时间。

Description

内燃机的进气控制设备
技术领域
本发明涉及一种配置成和安装成控制吸到内燃机的气缸中的进气量的进气控制设备。更具体地，本发明涉及一种用于内燃机的进气控制设备，其通过组合进气阀的阀提升特性的可变控制与所谓的电控节流阀的开度的控制实现进气量的控制。
背景技术
汽油机的进气量通常是通过控制进气通道中所设置的节流阀的节流开度控制的。众所周知，此方法具有当节流阀的节流开度小时在低至中等负载操作期间泵送损失(pumping loss)大的的问题。同时，过去一直试图通过改变进气阀的打开/关闭时以及提升量而独立于节流阀控制进气量。已经提出“无节流(throttle-less)”结构，其类似于柴油机在进气系统中不具有节流阀并且通过控制阀提升特性实现对进气量的控制。
日本专利公开刊物2002-89341公开一种实现进气阀的提升(lift)和持续时间的连续可变控制的可变阀操作机构。利用该刊物中说明的这种类型的可变阀操作机构，可以如上面所述独立于节流阀的节流开度而改变吸入气缸中的进气量。尤其当发动机在小负载段运行时，可以实现无节流操作或实现把节流阀开度保持足够大的操作，并且可以大大减少泵送损失。
鉴于上述，本领域技术人员从上述公开中清楚需要一种用于内燃机的改进型进气控制设备。本发明解决现有技术中的此需要及其它需要，从本公开对这些需要对本领域技术人员变得清楚。
发明内容
当在无节流方式下通过可变地控制进气阀的阀提升特性控制进气量时，不存在可利用的现有系统(例如，把窜漏气体以及汽化器清洗气体回流到进气系统中的系统)。如果发动机完全按无节流方式操作并且不在进气系统中产生负压，难以得到致动器用作为驱动源的负压。
从而，本发明的目的之一是通过提供一个电控节流阀并且通过组合对该节流阀的节流开度的控制以及对进气阀提升特性的可变控制，在大部分操作区中达到基本无节流的操作状态。为了降低该节流阀造成的泵送损失，通常把该节流阀的节流开度调整成尽可能地大，从而把该节流阀下游的集气管内的负压保持在所需的最小水平。接着，通过利用一个可变阀操作机构控制进气阀的提升特性来把气缸摄取的气量控制到目标进气量。根据发动器操作状态控制该节流阀的节流开度和阀的提升特性。尤其当发动机在负载相对低的运行区中操作时，通过把进气阀的打开持续时间置为一个略大的值以便确保燃料消耗为大值重叠(ample valueoverlap)是有好处的，从而以进取方式执行内部EGR。换言之，为了把持续时间置为大值，必须降低节流阀的节流开度并且减小集气管内的压力。尽管当节流阀的节流开度减小时因节流阀造成的泵送损失增加，存在一个其中内部EGR对燃料消耗上的改进超过由泵送损失造成的燃料消耗劣变的操作区。
本发明认识到存在着这种被称为“内部EGR优选区”的操作区的事实。从而，本发明的目的之一是，当发动机在该内部EGR优先区中操作时改进燃料消耗，并且同时当发动机在低温下操作时改进排气和燃料消耗。换言之，由于当发动机在低温下操作时燃料的雾化差，故本发明配置成即使发动机在内部EGR优先区中操作时，减小进气阀的提升并且增加进气的流速。为了达到这些目的，提供一种用于内燃机的进气控制设备，其包括一个可变阀操作机构、一个集气管、一个节流阀以及一个控制单元。该可变阀操作机构配置成并且安装成改变多个进气阀的阀提升特性。集气管与多个流体地和该内燃机的多个气缸耦合的进气通道连接。设在该集气管的上游的该节流阀是可调定位的，以便通过改变该节流阀的开度控制吸到该集气管中的气量。该控制单元配置成通过控制该节流阀来调整该开度，并且通过控制该可变阀操作机构来调整阀的提升特性，从而使吸到各气缸中的进气量达到根据内燃机的操作状态设定的目标进气量。还把该控制单元配置成，当该内燃机在包括中等负载的阀控制区内操作时，通过控制该可变阀操作机构调整阀的提升特性，以便改变进气量，并且同时把该节流阀的开度基本上保持在于该集气管内达到第一预定负压的开度。还把该控制单元配置成，当该内燃机在其负载低于阀控制区中的中等负载的内部EGR优先区内操作时，控制该节流阀以改变其开度从而达到比阀控制区的第一预定负压更负的第二预定负压，并且通过控制该可变阀操作机构调整阀的提升特性以便控制进气量，从而利用该第二预定负压促进内部EGR。还把该控制单元配置成，当该内燃机在内部EGR优先区内操作并且内燃机的温度低于预定温度时，通过控制该可变阀操作机构调整进气阀的阀提升特性，并且通过控制该节流阀的开度把该集气管内的压力调整成比第二预定负压更接近大气压力。
从下述结合本发明的一种实施例的各附图的详细说明，本发明的这些和其它目的、特点、方面和优点对于本领域技术人员会变得清楚。
附图说明
现参照构成本原始公开的一部分的附图：
图1是一个略图，其示出依据本发明的一实施例的一种用于内燃机的进气控制设备的配置；
图2是一个透视图，示出依据本发明一优选实施例的用于内燃机的进气控制设备的可变阀操作结构的关键部件；
图3A是一个简图，示出依据本发明的该优选实施例的可变阀操作机构的提升/持续时间改变机构的零提升(zero lift)操作；
图3B是一个简图，示出依据本发明的该优选实施例的可变阀操作机构的提升/持续时间改变机构的全提升(full lift)操作；
图4示出阀提升特性的提升和持续时间如何因该依据本发明的该优选实施例的提升/持续时间改变机构而改变。
图5是一个时间图，示出阀提升特性的相位如何因该依据本发明的该优选实施例的可变阀操作机构的一个相位改变机构而改变；
图6连同该依据本发明的该优选实施例的用于内燃机的进气控制设备的各种阀定时示出多个控制区；
图7A是一个简图，示出在该依据本发明的该优选实施例的用于内燃机的进气控制设备中达到某目标转矩的第一阀定时；
图7B是一个简图，示出在该依据本发明的该优选实施例的用于内燃机的进气控制设备中达到该相同目标转矩的第二阀定时；
图8是曲线图，示出阀提升特性和目标负压特性对温度的变化曲线的一个例子；以及
图9是一个在该依据本发明的该优选实施例的用于内燃机的进气控制设备中执行的控制流程的流程图。
具体实施方式
现在参照各附图解释本发明的选定实施例。本领域技术人员从该公开会清楚，对本发明的该实施例的下述说明仅是出于示意提供的并且不用于限制本发明，本发明是用附后的权利要求书以及等同物定义的。
最初参照图1，图中示出依据本发明的一实施例的用于内燃机的进气控制设备的系统配置的一个例子。如图1中所示，内燃机1是一个火花点火汽油机，其具有多个带有多个进气阀3(只示出一个进气阀3)和多个排气阀4(只示出一个排气阀4)的气缸。进气阀3可操作地和一个充当阀操作机构的可变阀操作机构2耦合。可变阀操作机构2配置成和安装成改变进气阀3的阀提升特性。进气阀3的阀提升特性包括(但不限于)进气阀3的提升和持续时间。这样，可变阀操作机构2配置成和安装成同时并且连续地加大或减小进气阀3的提升和持续时间。进气阀3的持续时间是通过进气阀3打开期间曲轴的工作角或作动角来定义的。因此，可以通过可变阀操作机构2连续地改变进气阈3的阀提升特性。另一方面，通过排气凸轮轴5直接驱动排气阀4，并且因此排气阈4的阀提升特性总是保持不变。
催化转化器7与收集来自每个气缸的排出气体的排气岐管6的排出侧连接。在排气岐管6中配置和安装一个空气燃料比传感器8以检测催化转化器7上游某位置的空气燃料比。空气燃料比传感器8可以是一个只检测空气燃料比是高还是低的氧气传感器，或者是一个提供与空气燃料比值对应的输出的宽量程空燃料比传感器。在催化转化器7的下游设置第二催化转化器10和消声器11。
在每个气缸上设置一个燃料注入阀12并且其配置成向每个气缸的进气口注入燃料。每个注入口与一个分支通道15连接。每个分支通道15的上游和集气管16连接。集气管16的一端与进气进入通道17连接。进气进入通道17带有一个电控节流阀18。节流阀18具有一个包含电动马达的致动器18a。通过发动机控制单元19发送的控制信号控制节流阀的节流开度。节流阀18带有一个配置成检测节流阀18的实际开度的传感器18b。最好按闭环方式控制节流阀18的节流开度，从而根据传感器18b的检测信号与目标开度匹配。另外，在节流阀18的上游设置一个配置成检测进气的流速的气流计20。另外，还在气流计20的上游设置一个空气滤清器21。
相对于曲轴设置一个曲柄角传感器22以便检测内燃机1的转动速度以及曲轴的角位置。配置并且安装一个加速器位置传感器23以便检测由驾驶员操作的加速器的位置(压下量)。配置并且安装一个油温传感器25以检测润滑油的温度。最好把油温传感器25安装在内燃机1的气缸块中。最好把润滑油的温度用作为内燃机1的温度。来自曲柄角传感器22、加速器位置传感器23及油温传感器25的检测信号与来自上面提到的气流计20及空气燃料比传感器8的检测信号一起馈入发动机控制单元19。根据这些检测信号，把发动机控制单元19配置成通过燃料注入阀12控制注入的燃料的量和定时，控制多个火花塞24的点火计时，控制通过可变阀操作机构2确定的阀提升特性，控制节流阀18的节流开度，并且控制在操作内燃机1中的其它因素或特性。
发动机控制单元19最好包括一个带有控制程序的微计算机，该控制程序如下面讨论那样控制进气量。发动机控制单元19还可包括其它常规组件，例如输入接口电路、输出接口电路以及诸如ROM(只读存储器)部件和RAM(随机存取存储器)部件的存储部分。发动机控制单元19的该微计算机被编程为控制进气量。存储器电路存储处理结果以及由处理器电路运行的控制程序。发动机控制单元19可操作地按常规方式与该用于内燃机的进气控制设备的其它组件耦合。发动机控制单元19的内部RAM存储操作标志的状态和各种控制数据。发动机控制单元19能根据该控制程序选择性地控制该用于内燃机的进气控制设备的控制系统的各组件。从本公开本领域技术人员会清楚，该发动机控制单元19的确切机构可以是实现本发明的功能的任何软硬件组合。换言之，说明书和权利要求书中所使用的“装置加功能”语句应包括任何可以用来实现该“装置加功能”语句的功能的结构或硬件和/或算法或软件。
从而，在本发明的进气控制设备中，把发动机控制单元19配置成并且安装成控制节流阀18的节流开度以及各进气阀3的阀提升特性，以使吸到各气缸中的进气量达到根据内燃机1的操作状态设定的目标进气量。尤其，当内燃机1在内部EGR优先区内运行时并且当内燃机1不处于冷发动机状态下时(例如，当内燃机1的温度不低于某预定温度)，把发动机控制单元19配置成并且安装成将节流阀18的节流开度设置成促进内部EGR。
内部EGR优先区是一种负载相对低的发动机运行区，其中对由内部EGR造成的燃料消耗的改善超过由于泵送损失造成的燃料消耗的劣化。因此，把节流阈18的节流开度设置成使得在集气管16中形成实现内部EGR所需的负压。另外，把阀提升特性的提升和持续时间设置成相对大以便提供足够的阀重叠从而促进内部EGR。然而，当内燃机1处于冷发动机状态下时(例如当内燃机1的温度等于或小于预定温度时)，燃料的雾化差并且内部EGR使燃烧不稳定。从而，即使当内燃机1在内部EGR优先区内运行，当内燃机1在冷发动机状态下操作时，把本发明的进气控制设备配置成并且安装成把节流阀18的阀开度控制到较弱的负压并且减小进气阀3的提升和持续时间，从而阀重叠变小以便抑制内部EGR。另外，通过把进气阀3的提升被置为相对小的量，从而增大进气流速并且促进燃料的雾化。这样，当内燃机1在冷发动机状态下操作时，本发明的进气控制设备可以更一步改进燃料消耗并且减少碳氢化合物。
现参照图2更详细地解释进气阀3的可变阀操作机构2。可变阀操作机构2例如是按照在上述日本专利公开刊物2002-89341号中公开的机构建造的。更具体地，如图2中所示，可变阈操作机构2包括提升/持续时间改变机构51和相位改变机构52。可变阈操作机构2的相位改变机构52配置成并且安装成超前和滞后提升中心角的相位(相对于曲轴的相位)。如前面所述，把可变阀操作机构2配置成并且安装成按连续方式改变各进气阀3的提升和持续时间。由于把可变阀操作机构2配置成并且安装成组合提升/持续时间改变机构51和相位改变机构52的操作，故可以彼此独立地控制进气阀3的打开定时和关闭定时。另外，通过改变经可变阀操作机构2确定的阀提升特性，当负载低时可减小进气阀3的提升(最大提升量)，从而把进气量限制到和负载相称的量。此外，当内燃机1在提升量相对大的区段内运行时，主要通过进气阀3的开、关定时确定气缸摄入的气量。然而，当内燃机1在提升量足够小的状态下运行时，气缸摄入的气量主要通过提升量控制。
现参照图2、3A和3B说明提升/持续时间改变机构51的操作的概况。提升/持续时间改变机构51基本上包括空心驱动轴53、偏心凸轮53、控制轴56、偏心凸轮件57、摇臂58以及多个摇摆凸轮60。驱动轴53由气缸头支承，从而它可以自由转动并且通过与曲轴的互锁转动。偏心凸轮55固定到驱动轴53上。控制轴56自由转动并且安装在驱动轴53上方并与之平行。摇臂58可移动地支承在偏心凸轮件57上，后者以可使摇臂58自由摇摆的方式固定地与控制轴56耦合。摇摆凸轮组60配置成并且安装成和位于各进气阀3上端处的各阀杆59接触。通过连臂61把偏心凸轮55和摇臂58连接在一起。通过连件62把摇臂58和各摇摆凸轮60连接在一起。连臂61包括一个配置成和安装成环绕偏心凸轮55的外周边表面装配的环件61a，从而偏心凸轮55可在该环件61a内转动。连臂61还包括一个和摇臂58的一端连接的延伸件61b。摇臂58的另一端和连接件62的上端连接。偏心凸轮件57相对于控制轴56的中央轴偏心。从而，摇臂58的摇摆中心(支点)根据控制轴56的角位置改变。
图2中示出的各摇摆凸轮60配置成并且安装成可移动地装配在驱动轴53的外表面上而且支承在其上，从而各摇摆凸轮60可相对于驱动轴53自由地转动。摇摆凸轮60包括向外延伸的、与连接件62的低端连接的端件60a。摇摆凸轮60的底表面各包括一个形成相对于驱动轴53偏心的圆弧的圆形基表面64a以及一个沿着一条从该圆形基表面64a到端件60a的预定曲线延伸的凸轮表面64b。圆形基表面64a和凸轮表面64b之间的过渡表面是光滑的。圆形基表面64a是当提升量为零时与阀杆59接触的部分，如图3A中所示。随着摇摆凸轮60的转动，提升量逐渐增加，并且凸轮表面64b和阀杆59接触，如图3B中所示。
控制轴56的转动位置例如通过一个最好带有电动马达的提升/持续时间控制致动器65来控制。如图2中所示，最好在控制轴56的一端上设置提升/持续时间控制致动器65。
当如图3A中所示，致动器65使偏心凸轮件57处于高位时，整个摇臂58定位得高并且相对向上地拉摇臂60的端件60a。从而，摇摆凸轮60的初始位置使凸轮表面64b从阀杆59倾斜。从而，当摇摆凸轮60响应驱动轴53的转动摇摆时，圆形基表面64a长时间保持和阀杆59接触而凸轮表面64b短时间和阀杆59接触。这样，进气阀3的总提升量变小并且缩短从阀打开到阀关闭的工作角范围，即持续时间。
另一方面，当如图3B所示偏心凸轮件57定位低时，整个摇臂58定位得低并且相对向下地推摇摆凸轮60的端件60a。从而，摇摆凸轮60的初始位置使凸轮表面64b向阀杆59倾斜。这样，当摇摆凸轮60响应驱动轴53的转动摇摆时，凸轮表面64b相对长时间地和阀杆59接触。从而，获得大提升量并且持续时间增大。
由于可以按连续方式改变偏心凸轮件57的初始位置，如图4中的曲线所示，可以按连续方式改变阀提升特性。换言之，通过控制可变阀操作机构2的提升/持续时间改变机构51，可以按连续方式同时增大和减小提升和持续时间。
再次参照图2，现在更详细地说明可变阀操作机构2的相位改变机构52。相位改变机构52基本上包括链轮71和相位控制液压致动器72。链轮71设置在驱动轴53的前端部分。相位控制液压致动器72配置成并且安装成在预定相关角之内彼此相对地转动链轮71和驱动轴53。通过一条定时链或定时带(未示出)链轮71和曲轴互锁。通过控制相位控制液压致动器72的液压，链轮71和驱动轴53彼此相对地转动并且提升中心角滞后或超前，如图5中的曲线所示。从而，在不改变图4中示出的提升特性曲线形状的情况下，进气阀3的整个阀提升特性超前或者滞后。换言之，进气阀3的提升中心角与进气阀3的提升以及持续2时间无关地超前或者滞后。
最好通过其中配置着用于检测实际提升、持续时间和相位的传感器的闭环控制来控制提升/持续时间改变机构51以及相位改变机构52。替代地，可以通过其中根据运行条件控制各机构的简单开环控制来控制提升/持续时间改变机构51和相位改变机构52。
从而，在本发明的进气控制设备中，由于各进气阀3带有如上面所说明的可变阀操作机构2，故可以通过基本上独立于节流阀18可变地控制进气阀来实现进气量的控制。然而，在实际情况中，为了再循环窜漏气体等，最好在内燃机1的进气系统中存在一定的负压。从而，即使在其中进行进气阀3的可变控制以控制进气量的操作区域中，也略微关闭节流阀18以在集气管16内产生负压。
图6示出由依据本发明一实施例的发动机转速和转矩定义的多个控制区。在图6中，第一规定区定义为阀控制区A，该区主要包括中等负载。包含比阀控制区A低的负载的第二规定区定义为内部EGR优先区B。此外，在本发明的一实施例中，高负载区定义为完全打开区C，并且包括空载的极低负载区定义为限制提升区D。
在阀控制区A中，主要通过利用可变阀操作机构2控制各进气阀3的阀提升特性(例如，提升和持续时间)来控制进气量。在阀控制区A中节流阀18的节流开度最好保持成使集气管16内的压力变成大致接近第一预定负压，即最小负压。该最小负压接近大气压力，并且是充当负压源(例如，-50mmHg)所需的最小负压量。更具体地，节流阀18的节流开度保持相对大的几乎完全打开的程度。在本发明的一种简单方案里，节流阀18的节流开度可保持固定以保持最小负压。替代地，可以通过根据内燃机1的转速来控制节流阀18的节流开度以保持该最小负压。例如，在阈控制区A中，当内燃机1的转速减小时，可以稍微关闭节流阀18以产生或者保持约-50mmHg的负压。在任何情况，通过可变阀操作机构3可最终实现进气量的控制。
图6还示出某些代表性运行点处进气阀3的阀提升特性的例子。图6中示出的阀提升特性是当内燃机1充分变热，即内燃机1不处于冷发动机状态时所使用的阀提升特性的一些例子。例如，最好把阀控制区A中的运行点a1处的阀提升特性设置成IVO(进气阀打开定时)等于上死点前的40度并且IVC(进气阀关闭定时)等于下死点前的60度。最好把阀控制区A中的运行点a2处的阀提升特性设置成IVO为上死点前的50度并且IVC为下死点前的30度，如图6中所示。阀控制区A中的这些阀提升特性是根据在集气管16内存在接近大气压的最小负压(例如，-50mmHg)的假定而设置的。在此假定下，通常把IVC设置在大大超前下死点的位置以便限制进气量，并且通常把IVO设置在更超前上死点的位置。
从而，当内燃机1在阀控制区A中工作时，把发动机控制单元19配置成通过控制由可变阀操作机构2确定的阀特性来控制进气量，同时把节流阀18保持在使集气管16内达到第一预定负压的开度。如前面提及，第一预定负压是充当负压源所需的最小负压，例如大约-50mmHg。换言之，节流阀18的节流开度相当大并且接近完全打开，同时进气量由可变阀操作机构2最终控制。例如，如果通过改变阀提升特性减小进气阀3的提升和持续时间，则相应地减少吸入到气缸中的进气量。换言之，在阀控制区A中，根据内燃机1的运行条件改变阀提升特性，并且通过由可变阀操作机构2确定的阀提升特性来控制进气量即发动机转矩。这样，即使设置了节流阀18，也把集气管16内的压力设置为接近大气压力的弱负压，即最小负压，并且通过控制进气阀3的阀提升特性来控制进气量。从而达到基本无节流的操作，并且通过把节流阀18保持在充分大的开度显著地减小因节流阀18的泵送损失。同时，因为在集气管16中保证最小负压，实质上无需重大修改即可采用各种实际发动机中所要求的使用负压的系统，例如再循环窜漏气体。
完全打开区C如图6中所示是高负载区。在完全打开区C中，需要高加注效率或高进气效率(气缸实际进气与理论上可能的进气量之比)。从而，根据所需要的转矩加大节流阀18的节流开度直至其完全打开。换言之，在完全打开区C中，根据所需转矩在-50mmHg和大气压力之间调节集气管16内的压力。阀提升特性设置成提升和持续时间相对大以便保证高进气效率。更具体地，最好把完全打开区C中的阀提升特性设置成IVO位于上死点之前而IVC位于下死点之后。
包含低速和低负载区的限制提升区D是其中主要通过控制节流阀18的节流开度控制进气量的操作区。在限制提升区D中，通过可变阀操作机构2把各进气阀3的提升和持续时间减小到相对小的提升和持续时间。更具体地，在限制提升区D中，进气阀3的阀提升特性通过可变阀操作机构2保持固定，并且主要通过控制节流阀18的节流开度来根据运行条件控制所需的进气量。换言之，根据内燃机1的运行条件增大和减小节流阀18的节流开度。从而，通过节流阀18的节流开度控制进气量，即发动机转矩。
内部EGR优选区是其中由内部EGR造成的燃料消耗改善超过由泵送损失产生的燃料消耗劣化的区。从而，在内部EGR优先区B中，减小节流阀18的节流开度并且延长进气阀3的持续时间以确保实现内部EGR。在内部EGR优先区B中，即使通过减小节流阀18的节流开度增加泵送损失，由于内部EGR总的说来进一步改善了燃料消耗。集气管16内的压力控制成比阀控制区A中使用的接近大气压力的第一预定负压(例如，-50mmHg)为更负。把该比第一预定负压更负的负压定义为第二预定负压。例如，在内部EGR优先区B中，最好把节流阀18的节流开度调整成使该负压变成约为-100mmHg。最好根据所需转矩通过逐渐改变集气管16内压力达到内部EGR优先区B的目标负压(例如，-100mmHg)，以便抑制各控制区之间边界处的剧烈改变。替代地，可以在整个内部EGR优先区B中保持第二预定负压不变以简化控制。通过可变阈操作机构2，根据内部EGR优先区B中的负压设定进气阀3的阀提升特性。从而，如果把负压设置成和阀控制区A中的负压(例如-50mmHg)相同，则把阀提升特性置成使其提升和持续时间变大。例如，如图6所示，把内部EGR优先区B中的运行点b1处的阀提升特性设置成使IVO在上死点前20度并且IVC在下死点前60度。同样，在内部EGR优先区B中的运行点b2处的阀提升特性设置成使IVO在上死点前25度并且IVC在下死点前55度。如前面所述，当内燃机1充分变暖时使用图6中所示的阀提升特性。通过增加进行气阀3的持续时间，相对于打开排气阀4的周期确保足够的阀重叠，并且达到程度比较大的内部EGR。结果，燃料消耗良好。
因此，把内部EGR优先区B定义为负载比阀控制区A低的区。换言之，当在阀控制区A中时节流阀18造成的泵送损失的减小取优先，而在内部EGR优先区B中时内部由EGR造成的对燃料消耗的改善取优先。这样，当内燃机1在内部EGR优先区B运行时，把发动机控制单元19配置成控制节流阀18的节流开度以使集气管16内的压力要比阀控制区A中的最小负压更负。发动机控制单元19还配置成根据该更强的负压利用阀提升特性的较大提升和较大持续时间来控制进气量，从而在内燃机1内实现内部EGR。这样，相对大程度地控制提升和持续时间以便通过阀重叠实现内部EGR，并且同时减小集气管内的压力。于是，把节流阀18的节流开度控制成达到比阀控制区A中采用的最小负压更强的负压，并且调整阀提升特性从而达到该更强负压下的目标进气量。
接着说明当内燃机1的温度低时(冷发动机状态)执行的进气控制。当内燃机1的温度低，并且内燃机1在内部EGR优先区B中运行时，不促进燃料的雾化。这种冷发动机状态造成燃料消耗的劣化并且提高废气中的碳氢化合物的比率。从而，当内燃机1处于冷发动机状态并且在内部EGR优先区B中运行时，将发动机控制单元19配置为把可变阀操作机构2以及节流阀18控制成减小内部EGR优先区B中使用的提升和持续时间，并且使集气管16内的压力变成与内燃机1完全加热时相比更接近大气压力。由于当内燃机1的温度低时减小进气阀3的提升，流入气缸的气体的速度增大。在本发明中，最好通过从位于进气阀上游的燃料注入阀12向进气口喷射来提供燃料。这样，进气流速的增大改善了燃料的雾化。于是，燃料消耗加大并且减少废气中的碳氢化合物。例如，把进气阀3的提升从大约0.3毫米设置于大约2毫米会把进气流速提高到接近声速并且会促进雾化。
另外，通过在冷发动机状态期间减小进气阀3的提升还可以同时减小进气阀3的持续时间。这样，阀重叠变得更小从而抑制内部EGR。当内燃机1的温度低时，内部EGR使燃烧变不不稳定。从而，为了在冷发动机状态期间抑制内部EGR，如上面所说明那样减小进气阀3的提升和持续时间是合乎需要的。
当把进气阀3的可变阈操作机构2如本发明中那样配置成可滞后或超前提升中心角的相位时，最好在内燃机1的温度低时与减小提升和持续时间的同时滞后提升中心角。例如，最好把提升中心角滞后到使IVO在活塞达到上死点后才出现的位置。由此，通过把IVO设成在上死点之后来增强气缸内的气流。
当如本发明中那样提供带有可变阀操作机构2以及电控节流阀18的内燃机1时，可以使用各种可能的阀定时或阀提升特性以达到给定的目标转矩。换言之，可以利用不同的阀定时产生相同的转矩。图7A和7B示出进气阀3的二种不同的、可以通过改变集气管16内的负压达到相同转矩的阀定时。通过图7A和7B中示出的阀定时达到的转矩是相对低的转矩。比较图7A和7B中示出的阀提升特性，为了达到该相同转矩，当采用图7A中示出的阀提升特性时把集气管16内的负压设置为更负，而当采用图7B中示出的阀提升特性时，把集气管16内的负压设置成更接近大气压力。如图7A和7B中示出那样，图7B中所示的阀提升特性的持续时间以及提升要比图7A中示出的阀提升特性的持续时间及提升小。从而，在采用图7B中所示的阀提升特性的情况下，经进气阀3流入气缸的进气流速更大。这样，对于燃料的雾化，图7B中示出的特性是更优的，并且在通过更强的气流改进燃烧稳定性方面上是有利的，当内燃机1的温度低时燃料的雾化是一个问题。
从而，即使当内燃机1在图6中所示的内部EGR优先区B里运行时，把本发明的进气控制设备配置成并且安装成采用更适应于冷发动机状态的阀提升特性。即，内燃机1的温度低时采用的阀提升特性具有比当内燃机1完全变暖后于内部EGR优先区B中采用的阀提升特性更小的提升(持续时间)。最好从由油温传感器25检测出的油温确定内燃机1的温度。同时，当内燃机1在内部EGR优先区B中运行时，并且当内燃机1的温度低时，把节流阀置成开度相对大，以便获得适当的目标进气量，从而集气管16内的压力要比在内燃机1完全变暖后使用的压力值更接近大气压力。换言之，当内燃机1在内部EGR优先区B中运行时并且当内燃机1的温度低时，把集气管16内的压力设置成要比当内燃机1完全变暖时更弱的负压。
图8示出为内部EGR优先区B中的一个运行点画出的作为内燃机1的温度的函数的阀提升特性以及目标负压的例子。如前面说明那样，当内燃机1完全变暖后(热发动机)并且在内部EGR优先区B中运行时，把集气管16内的负压例如控制到约为-100mmHg。而且，加大提升和持续时间以满足达到内部GER的阀提升特性。此外，如图8中所示，把提升中心角调整成相对超前的状态。但是，当内燃机1的温度低时(冷发动机状态)，即使内燃机1在内部EGR优先区B中运行，也把集气管16内的负压调整到阀控制区A中使用的接近大气压力的值，例如-50mmHg。并且，减小提升和持续时间，而且如图8中所示大大滞后提升中心角。把目标负压以及阀提升特性设置成使流入气缸中的空气流量基本和内燃机1完全变暖时的空气流量相同。随着内燃机1的温度的升高，如图8中所示，逐步加大提升和持续时间，逐步提前提升中心角并且逐步增强集气管16内的负压。从而，随着内燃机1逐渐加暖，以连续的方式改变阀提升特性。接着，在内燃机1完全变热后，最终达到前面说明的内部EGR优先区B中所使用的阀提升特性以及目标负压。
这样，在冷发动机状态期间的控制中，把阀提升特性设置成使进气阀3的提升变小。从而，流入气缸的空气的流速增大，并由因此促进从燃料注入阀12喷入的燃料的雾化。另外，由于气体在气缸中更积极流动，内部EGR被抑制。从而达到良好、稳定的燃烧。相应地，抑制碳氢化合物的排放并且改进冷发动的燃料消耗。在冷发动机状态期间的控制中最好还通过推迟提升中心角把IVO定时调整成如图7B中所示在上死点之后出现，从而进一步提高气流的活动程度。
图9中的流程图概括依据本发明的用于内燃机机的进气控制设备中在冷发动机状态期间所执行的控制流程。在步骤S1中，把发动机控制单元19配置成判定内燃机1的温度是否小于或等于预定温度。最好根据通过由油温传感器25检测出的油温确定内燃机1的温度。当然，根据本发明，本领域技术人员清楚，也可以用冷却剂的温度或者进气的温度替代油温作为发动机的温度。把预定温度设置为某一温度，超过该温度时内燃机1被认为是完全加热。当内燃机1的温度(油温)高于该预定温度时，该进气控制设备进入步骤S3并且根据内燃机1正在运行的控制区执行常规控制。另一方面，如果在步骤S1中判定内燃机1的温度小于或等于该预定值，则控制转到步骤S2。
在步骤S2中，把发动机控制单元19配置成判定内燃机1是否运行在内部EGR优先区B。当步骤S2中判定操作状态在内部EGR优先区之外时，控制转到步骤S3。换言之，当内燃机1不在内部EGR优先区B内运行时，即使油温小于预定温度，发动机控制单元19仍继续常规控制。
当在步骤S2中判定操作状态位于内部EGR优先区B时，发动机控制单元19进入步骤S4。在步骤S4，根据加速踏板位置计算为达到所需转矩要求的所需进气量。
在步骤S5中，发动机控制单元19配置成根据步骤S1中得到的油温确定为得到的所要求的进气量而需要的目标持续时间/提升、目标提升中心角以及目标负压。在这些计算中还考虑到发动机转速。尽管存在无数可达到该要求的进气量的持续时间、提升中心角和负压的组合，但如前面说明那样，把目标持续时间、目标提升中心角及目标负压设置为油温越低则所采用的特性的持续时间越短，并且提升中心角的滞后越大。根据本公开，本领域技术人员清楚，存在各种可行的确定这些参数(目标持续时间，目标提升中心角和目标负压)值的方法。例如，可以通过根据油温补偿常规控制期间使用的对应值得到这些值。替代地，可以从这些值与温度的关系图中通过按油温查找这些值来得到这些值。
在步骤S6中，根据这些参数以及目标转矩计算目标节流阀开度TVO。在步骤S7中，把节流阀18控制到该目标开度TVO。并且，在步骤S7中，分别控制可变阀操作机构2的提升/持续时间改变机构51和相位改变机构52以达到目标持续时间以及目标提升中心角。
从而，本发明的进气控制设备通过以基本不节流的方式运行来减小泵送损失，并且因此允许改进燃料消耗。当内燃机1在其中负载低的内部EGR优先区B中操作时，本发明的进气控制设备通过采用相对大的进气阀3提升和持续时间甚至可以进一步改进燃料消耗。另外，当内燃机1的温度低时，即使内燃机1在内部EGR优先区B中操作时，本发明的进气控制设备把进气阀3控制为小的提升值，从而促进燃料的雾化。当内燃机1的温度低时，在减少碳氢化合物和改进燃料消耗方面，这种特性是有益的。
如本文中使用那样，方向术语“超前、滞后、上、下、垂直、水平、下面和横向”以及任何其它类似方向术语，指的是装备着本发明的车辆的这些方向。从而，这些为了说明本发明而使用的术语应解释成是相对于装备着本发明的车辆而言的。
术语“配置”如文中使用那样，描述包括为实现所需功能而构建和/或编程的硬件和/或软件在内的构件、片段或部分。
另外，权利要求书中表达成“装置加功能”语句应包括任何可用来实现本发明的该部分的功能的结构。
本文中使用的诸如“基本”、“大约”和“接近”等程度术语意味着不会明显改变最终结果的被修改项的合理偏差量。例如，这些术语可解释成包括被修改项的至少±5％的偏差，如果该偏差不会使被修改项的意义失效的话。
本申请要求日本2002-363229号专利申请的优先权。日本2002-363229号专利申请的全部公开收录在此作为参考资料。
尽管只挑选了一些选定实施例来说明本发明，但本领域技术人员清楚，在不背离附后权利要求书中定义的本发明的范围的情况下，可做出各种改变和修改。此外，上述对依据本发明的各实施例的说明只是示意性的，它们不具有限制由附后权利要求及其等同物所定义的本发明的目的。从而，本发明的范围不受这些公开的实施例的限制。

Claims (13)

1.一种用于内燃机的进气控制设备，包括：
被配置并安装成改变多个进气阀的阀提升特性的可变阀操作机构；
集气管，其连接到与该内燃机的多个气缸以流体方式耦合的多个进气通路；
节流阀，其可调节地定位在该集气管的上游，以便通过改变该节流阀的开度控制吸入到该集气管内的空气量；以及
控制单元，其被配置成通过控制该节流来阀调整所述开度，以及通过控制该可变阀操作机构来调整所述阀提升特性，从而使吸入各气缸的空气进气量达到根据该内燃机的运行状态设定的目标空气进气量；
该控制单元还被配置成当该内燃机在包括中等负载的阀控制区中运行时，通过控制该可变阀操作机构来调整所述阀提升特性以改变空气进气量，并且同时把所述节流阀的开度基本保持为使该集气管内达到第一规定负压的开度；
该控制单元还被配置成，当该内燃机在包括比所述阀控制区内的中等负载低的负载的内部EGR优先区运行时，控制所述节流阀以改变所述开度从而达到比该阀控制区的所述第一规定负压更负的第二规定负压，并且通过控制该可变阀操作机构来调整所述阀提升特性以控制空气进气量，从而利用该第二规定负压促进内部EGR；
该控制单元还被配置成，当该内燃机在该内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于预定温度时，通过控制所述可变阀操作机构来调整进气阀的阀提升特性，并且通过控制所述节流阀的开度把所述集气管内的压力调整到比所述第二规定负压更接近大气压力。
2.如权利要求1所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述可变阀操作机构包括一个提升/持续时间改变机构，该提升/持续时间改变机构被配置并安装成同时增加和减小各进气阀的提升以及持续时间，并且连续改变各进气阀的阀提升特性。
3.如权利要求2所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述控制单元还被配置成，当该内燃机在内部EGR优先区中运行时，控制所述可变阀操作机构以达到相对大的进气阀提升和持续时间。
4.如权利要求2所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述控制单元还被配置成，当该内燃机在内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于规定温度时，控制所述可变阀操作机构以减小进气阀的提升和持续时间。
5.如权利要求3所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述控制单元还被配置成，当该内燃机在内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于规定温度时，控制所述可变阀操作机构以减小进气阀的提升和持续时间。
6.如权利要求1所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述控制单元还被配置成，当该内燃机在内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于所述规定温度时，调整所述节流阈的开度以把所述集气管内的压力调整到所述第一规定负压。
7.如权利要求3所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述控制单元还被配置成，当该内燃机在内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于所述规定温度时，调整所述节流阀的开度以把所述集气管内的压力调整到所述第一规定负压。
8.如权利要求2所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述控制单元还被配置成，随着内燃机温度的上升调整所述节流阀的开度，以便逐渐把所述集气管内的压力改变到所述第二规定负压，并且控制所述可变阀操作机构以逐渐增大所述进气阀的提升和持续时间。
9.如权利要求2所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述可变阀操作机构包括一个相位改变机构，该相位改变机构被配置并安装成超前和滞后所述进气阀的提升中心角以改变所述进气阀的提升特性。
10.如权利要求9所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述提升/持续时间改变机构还被配置并安装成，当该内燃机在内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于所述预定温度时，减小提升和持续时间；以及
所述相位改变机构还被配置并安装成，当该内燃机在内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于所述规定温度时，滞后提升中心定时。
11.如权利要求9所述的用于内燃机的进气控制设备，其中
所述相位改变机构还被配置并安装成，当该内燃机的温度低于所述规定温度时，滞后提升中心角以使进气阀打开定时在上死点之后出现。
12.一种用于内燃机的进气控制设备，包括：
可变阀操作装置，用于改变多个进气阀的阀提升特性；
集气装置，用于收集空气进气并把该空气进气输送到以流体方式与该内燃机的多个气缸耦合的多个进气通路；
节流阀装置，用于通过改变该节流阀装置的开度控制吸入到该集气装置中的空气量；以及
控制装置，用于调整该节流阀装置的开度并且用于通过控制所述可变阀操作装置来调整所述进气阀的阀提升特性，从而使吸入各气缸的空气进气量达到根据该内燃机的运行状态设定的目标空气进气量；
所述控制装置还被配置成，当该内燃机在包括中等负载的阀控制区中运行时，通过控制所述可变阀操作机构来调整阀提升特性以改变空气进气量，同时把所述节流阀的开度基本保持为使所述集气装置内的压力达到第一规定负压的开度；
所述控制装置还被配置成，当该内燃机在包括比所述阀控制区内的中等负载低的负载的内部EGR优先区运行时，控制所述节流阀以改变所述开度，从而达到比该阈控制区的所述第一规定负压更负的第二规定负压，并且通过控制所述可变阀操作装置来调整所述阀提升特性以控制空气进气量，从而利用该第二规定负压促进内部EGR，
所述控制装置还被配置成，当该内燃机在所述内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于规定温度时，通过控制所述可变阀操作装置来调整进气阀的阀提升特性，并且通过控制所述节流阀的开度把所述集气装置内的压力调整到比所述第二规定负压更接近大气压力。
13.一种用于控制内燃机的空气进气的方法，包括：
改变多个进气阀的阀提升特性；
把空气进气收集到集气管中并且把该空气进气输送到以流体方式与内燃机的多个气缸耦合的多个进气通路；
通过改变位于该集气管上游的节流阀的开度来控制吸入到该集气管中的空气进气量；
控制该节流阀的开度和阀提升特性，从而使吸入各气缸的空气进气量达到根据该内燃机的运行状态设定的目标进气量；
当该内燃机在包括中等负载的阀控制区中运行时，控制所述阀提升特性并且同时把所述节流阀的开度基本保持为使所述集气管内的压力达到第一规定负压的开度；
当该内燃机在包括比所述阀控制区里的中等负载低的负载的内部EGR优先区运行时，控制所述节流阀的开度以达到比该阀控制区的所述第一预定负压更负的第二规定负压，并且通过调整所述阀提升特性来控制空气进气量，从而利用该第二规定负压促进内部EGR；以及
当该内燃机在所述内部EGR优先区中运行并且该内燃机的温度低于规定温度时，调整进气阀的所述阀提升持性和所述节流阀的开度，以便把所述集气管内的压力调整到比所述第二规定负压更接近大气压力。
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