CN1523214A - 发动机用气门正时控制设备 - Google Patents
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Abstract
提供了一种发动机用气门正时控制设备，其包括：可变气门机构，其能够使发动机中的进气门的开启正时和排气门的关闭正时中的至少一个改变；经过时间检测装置，用于对发动机冷态起动后所经过的时间段进行检测；以及正时控制装置，用于对可变气门机构进行控制。正时控制装置提供提前角控制，以便把进气门的开启正时和/或排气门的关闭正时提前得早于排气上死点，直到由经过时间检测装置所检测到的经过时间段已达到预定时间段。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机用气门正时控制设备，具体涉及一种用于当发动机处于冷态时无论燃料种类如何都能实现稳定的发动机旋转的发动机用气门正时控制设备。
背景技术
一般来说，进气门和排气门的开启/关闭正时对发动机功率有很大影响，并且可能会存在以下情况：通过改变开启/关闭正时的设定来设置气门重叠范围。在气门重叠范围内，为使进气门和排气门的操作角重叠而设定的气门重叠量可实现进气效率的改进，这是因为当发动机高速旋转时，由于进气的惯性而可把排气向排气通路压出。
随着发动机速度从低速变为高速，需要根据要求来改变气门重叠范围。具体地说，假定使用一种在活塞的排气冲程中通过进气口喷射燃料的MPI(多点喷射)型发动机，例如在发动机的冷态起动时，燃料将附着到进气口的壁面，从而造成缓慢的加速。因此，需要根据发动机的运转状态来改变气门重叠范围。因此，公开了一种根据发动机的运转状态来开启进气门和排气门并且改变重叠的气门正时控制设备(例如，日本公开专利10-176557号公报)。
气门正时控制装置通过在发动机处于冷态时减少重叠量来减少内部EGR(废气再循环)。这可防止缓慢的加速，并可减少内部EGR，从而确保燃烧的稳定性。
而且，气门正时控制装置对发动机所用燃料的汽化特性做出判定。当判定为使用了汽化特性良好的轻质燃料时，重叠量增加到比在使用汽化特性不良的重质燃料的情况下的大。因此，即使在发动机处于冷态时，根据燃料种类，燃料也不大可能附着到进气口的壁面等上。
而且，如果由于例如在发动机的冷态起动时空燃比的变化而使燃烧不稳定，则重叠量减少到接近零，以便在活塞的排气上死点(TDC)使排气门的关闭正时和进气门的开启正时彼此对应。这可减少内部EGR，从而确保燃烧的稳定性。
另外，如上所述，在发动机冷态起动时把重叠量减少到接近零可减少内部EGR，因此可确保燃烧稳定性。然而，在该情况下，向进气口回吹的排气量减少，并且一次排出并再吸入到气缸内的排气的百分率降低，从而产生某些问题。具体地说，减少内部EGR会产生以下问题：当发动机进行冷态起动时，由于不能促进燃料雾化，所以燃料汽化恶化了。特别是在使用汽化特性不良的重质燃料的情况下，空燃比过度贫化，从而造成不稳定的发动机旋转和发动机熄火。
为了解决该问题，可以设想通过增加燃料来使空燃比富化，但这会产生以下问题：在发动机的冷态起动时，未燃燃料(HC)增加，从而使排气性能恶化。
因此，有必要针对发动机冷态起动时的不稳定的发动机旋转采取某些措施。然而，根据上述现有技术，尽管当发动机处于冷态时把重叠量设定得较小，但是重叠量的这种设定是在对燃料的汽化特性做出判定之后进行的。具体地说，尽管可以根据燃料的汽化特性来改变重叠量，但当发动机进行冷态起动时，却未对重叠量加以特别考虑，从而由于燃料种类的变化，将造成不稳定的发动机旋转和发动机熄火。
发明内容
因此，本发明的目的就是提供一种在发动机处于冷态时无论燃料种类如何都能实现稳定的发动机旋转的发动机用气门正时控制设备。
为了达到上述目的，提供了一种发动机用气门正时控制设备，其包括：可变气门机构，其能够使发动机中的进气门的开启正时和排气门的关闭正时中的至少一个改变；经过时间检测装置，用于对发动机冷态起动后所经过的时间段进行检测；以及正时控制装置，用于对可变气门机构进行控制；其中，正时控制装置提供提前角控制，以把进气门的开启正时和排气门的关闭正时中的至少一个提前得早于排气上死点，直到由经过时间检测装置所检测的经过时间段已达到预定时间段。
附图说明
以下将参照附图对本发明的性质以及其他目的和优点进行说明，在所有图中，类似的参考符号表示相同或类似的部分，图中：
图1是示出根据本发明实施例的发动机系统的布置的图；
图2是示出由图1的气门正时控制设备所执行的冷态起动控制例程的流程图；
图3是示出由图1的气门正时控制设备所执行的冷态起动控制过程的正时图；以及
图4是示出由所述气门正时控制设备所执行的另一冷态起动控制过程的正时图。
具体实施方式
现在将参照示出本发明优选实施例的附图对本发明进行详细说明。
图1是示出应用于根据本发明实施例的发动机气门正时控制设备的发动机系统的布置的图。
作为用于根据本实施例的气门正时控制设备的内燃发动机(以下称为“发动机”)1，例如采用一种其中可通过进气口9喷射燃料的多点喷射型发动机(MPI型发动机)。
如图1所示，在发动机1内的各气缸的气缸盖2处，沿基本上水平的方向形成进气口9。在各进气口9的燃烧室5侧设置有进气门11，该进气门11使各进气口9与燃烧室5连通或隔绝。进气门11使进气口9a根据随着发动机1的旋转而旋转的凸轮轴12的凸轮12a的运动而开启和关闭。向各气缸内喷射燃料的电磁式喷射器6装设到各进气口9上。包括燃料箱在内的燃料供给装置(未示出)通过燃料管7与喷射器6相连接。喷射器6在活塞21的排气冲程中向燃烧室5喷射燃料。
进气歧管10的一端与各进气口9连接。对进气量进行调节的电磁式节气门17设置在进气歧管10内。对节气门开度进行检测的节气门位置传感器(TPS)18设置在节气门17的附近。并且，对进气量进行检测的卡门涡旋式空气流量传感器19设置在进气歧管10内的节气门17的上游。
火花塞4装设到各气缸的气缸盖2上，并且输出高电压的点火线圈8与该火花塞4相连接，使得来自进气歧管10的新鲜空气和来自喷射器6的燃料的空气-燃料混合物在燃烧室5内被火花点燃。
并且，在发动机1内的各气缸的气缸盖2处，沿基本上水平的方向形成排气口13。在各排气口13的燃烧室5侧设置排气门15，该排气门15使各排气口13与燃烧室5连通或隔绝。排气门13使排气口13a根据随着发动机1的旋转而旋转的凸轮轴16的凸轮16a的运动而开启和关闭。
排气歧管14的一端与各排气口13相连接。排气管20与排气歧管14的另一端相连接，而在排气管20内设置有三元催化转化器30，该三元催化转化器30能够在空燃比接近化学计量空燃比的情况下有效地净化HC、CO和NOx。并且，在排气管20内的三元催化转化器30的正上游设置有O2传感器22，该O2传感器22对排气的空燃比以及排气中的氧浓度进行检测。
气缸盖2设有可变气门机构40，该可变气门机构40能够通过使凸轮12a和凸轮16a的相位改变到提前角侧或延迟角侧来改变进气门11和排气门15的开启/关闭正时。例如，将用于摇动凸轮轴12、16的摆动式可变气门正时机构用作可变气门机构40。应该注意，摆动式可变气门正时机构是公知的，因此省略其详细说明。
ECU(电子控制单元)60设有输入/输出装置、存储装置、中央处理单元(CPU)等，并对发动机1的总体操作进行控制。
ECU 60的输入侧连接有各种传感器，例如：水温传感器62，用于对发动机1的冷却水温度进行检测；曲轴转角传感器64，用于对发动机1的曲轴转角进行检测；以及上述TPS 18、空气流量传感器19以及O2传感器22，并且来自这些传感器的检测信息都被输入到ECU 60。发动机1的发动机速度(实际Ne)是根据曲轴转角传感器64的检测结果来检测的。并且，与燃料的预定汽化特性对应的发动机1的目标发动机速度(目标Ne)被设定在ECU 60的存储装置内；当使用汽化特性良好的轻质燃料时，把燃料量和空气量设定成使实际Ne等于或大于目标Ne。
另一方面，ECU 60的输出侧连接有各种输出装置，例如：上述喷射器6、点火线圈8、节气门17以及可变气门机构40。根据从各种传感器提供的检测信息来表示燃料喷射量、燃料喷射正时、点火正时以及节气门开度的信号被输出到喷射器6、点火线圈8以及节气门17。结果，可在合适正时从喷射器6喷射合适量的燃料，可在合适正时由火花塞4执行火花点燃，并且可把节气门开度控制到合适的开度。并且，可把合适的气门正时指令发给可变气门机构40。
特别是，在根据本发明的气门正时控制设备中，ECU 60设有对可变气门机构40进行控制的正时控制器(正时控制装置)61。
正时控制器61包括：经过时间检测装置，用于对发动机1冷态起动后所经过的时间段进行检测；实际发动机速度检测装置，用于对发动机1的发动机速度(实际Ne)进行检测；目标发动机速度设定装置，用于根据发动机1中所用燃料的预定汽化特性来设定发动机1的目标发动机速度(目标Ne)；以及冷态起动目标正时设定装置，用于根据来自经过时间检测装置、实际发动机速度检测装置和目标发动机速度设定装置的输出信号来设定发动机1的冷态中的目标VVT相位。
冷态起动目标正时设定装置把目标VVT相位设定成使进气门11的开启正时位于活塞21的排气冲程中的上死点(排气上死点)TDC、并把排气门15的关闭正时EC提前得早于排气上死点TDC，直到由经过时间检测装置所检测的经过时间段达到预定时间段(第一预定时间段)。
如上所述，首先，冷态起动目标正时设定装置把排气门15的关闭正时EC设定得比排气上死点TDC早，直到从冷态起动经过了第一预定时间段，而不管使用的是轻质燃料还是重质燃料。因此，与新鲜空气一起吹回到燃烧室5内的残留气体的流动促进了燃料的雾化，从而使发动机旋转稳定。
然后，冷态起动目标正时设定装置在第一预定时间段过去后的第一怠速运转期间根据不同燃料种类间的发动机速度差来设定目标VVT相位。具体地说，如果在第一预定时间段过去后，实际Ne等于或大于目标Ne，则判定所用燃料的汽化特性是良好的，并且把可变气门机构40控制成使排气门15的关闭正时EC延迟到排气上死点TDC，并禁止可变气门机构40提供用于把排气门15的关闭正时EC设定得比排气上死点TDC早的提前角控制。如果在第一预定时间段过去后，实际Ne小于目标Ne，则判定所用燃料的汽化特性不良，并且把可变气门机构40控制成继续提前角控制，以把排气门15的关闭正时EC设定得比排气上死点TDC早。应该注意，排气上死点TDC是活塞21在排气冲程中最接近气缸盖2时的正时，并且第一怠速运转对应于把N范围设定成变速器的换档位置的情况。
这样，冷态起动目标正时设定装置通过在第一预定时间段过去后的第一怠速运转期间对实际Ne和目标Ne进行相互比较来判定所用燃料的汽化特性，并且根据判定结果来设定排气门14的关闭正时EC，以便禁止或促进燃料的雾化，从而防止未燃燃料(HC)的排出，或者使发动机旋转稳定。
图2是示出由根据本发明的上述气门正时控制设备所执行的冷态起动进气/排气VVT相位控制例程的流程图。现在将参照图2的流程图对VVT相位控制过程进行说明。
在图2中的步骤S201处，接通点火SW，并在步骤S202处，根据来自水温传感器62的输出信号来判定冷却水温度是否低于预定温度，即发动机1是否进行冷态起动。如果在步骤S202处判定冷却水温度低于预定温度，即判定结果是肯定的(是)，则过程转到步骤S203，在步骤S203处，冷态起动目标正时设定装置把用于排气门15的关闭正时EC的目标VVT相位设定得比排气上死点TDC早，并且过程转到步骤S204。另一方面，如果在步骤S202处判定冷却水温度等于或高于预定温度，则过程转到步骤S205。
在步骤S204，经过时间检测装置判定作为从发动机1冷态起动到第一怠速运转开始的时间段的第一预定时间段是否已过去。如果在步骤S204处判定第一预定时间段已过去，即判定结果是肯定的(是)，则过程转到步骤S205。另一方面，如果在步骤S204处判定第一预定时间段未过去，则过程转到步骤S203，以便继续提供用于排气门15的关闭正时EC的提前角控制。
在步骤S205处，冷态起动目标正时设定装置对由实际发动机速度检测装置所检测到的实际Ne与由目标发动机速度设定装置所设定的目标Ne进行相互比较，以判定实际Ne是否等于或大于目标Ne。如果判定实际Ne等于或大于目标Ne并且所用燃料的汽化特性良好，即，判定结果是肯定的(是)，则过程转到步骤S206，在步骤S206处，把用于排气门15的关闭正时EC的目标VVT相位设定在提前角侧，以便可使排气门15的关闭正时从比排气上死点TDC早的正时延迟到排气上死点TDC。因此，减少了内部EGR。
另一方面，如果在步骤S205处判定实际Ne小于目标Ne并且因此判定所用燃料的汽化特性不良，则过程转到步骤S208，把用于排气门15的关闭正时EC的目标VVT相位设定在与排气上死点TDC相比更早的提前角侧，以便继续提供用于排气门15的关闭正时EC的提前角控制。应该注意，为目标VVT相位设置了提前角限制值，这是出于以下原因：尽管内部EGR将促进燃料的雾化，但是内部EGR的过度增加可能会造成发动机熄火。
在步骤S208处，经过时间检测装置判定第二预定时间段是否已经过去，该第二时间段用于指示第一怠速运转结束并且确保即使使用重质燃料也能有充分的燃烧稳定性。如果判定第二预定时间段已经过去，即，判定结果是肯定的(是)，则使例程结束，以便准备起动。另一方面，如果判定第二预定时间段尚未过去，则过程返回到步骤S205，以便在第一怠速运转期间继续提供对排气门15的关闭正时EC的控制。
图3A和图3B是示出由上述气门正时控制设备所提供的冷态起动控制(步骤S203、S206和S207)的定时图。在图3A和图3B中，纵轴表示气门升程Lf，横轴表示曲轴转角θ。EO和EC分别表示排气门15的开启正时和关闭正时，IO和IC分别表示进气门11的开启正时和关闭正时。
如图3A所示，如在步骤S203或S207中一样，把进气门11的开启正时IO设定成紧跟在排气上死点TDC之后，并把排气门15的关闭正时EC提前得早于排气上死点TDC，直到作为表示第一怠速运转开始的时间段的第一预定时间段已经过去或者直到表示第一怠速运转结束的第二预定时间段已经过去。把负重叠VOLn设定在进气门11的开启正时IO与排气门15的关闭正时EC之间，并把燃烧室5密封起来。
这样，如果把目标VVT相位设定成把排气门15的关闭正时EC提前得早于排气上死点TDC，则残留气体由于活塞21的向上运动而被压缩并升温，并且随着进气门11的开启而通过进气口9a从燃烧室5被一次吹出。然而，由于充分的负压使残留气体与从进气口9喷射的燃料和新鲜空气一起返回到燃烧室5内。这将促进燃料和空气的混合及燃料的雾化。
如图3B所示，除了在发动机1的冷态起动期间以外，如在步骤S206中那样，还把进气门11的开启正时IO设定成紧跟在排气上死点TDC之后，并使排气门15的关闭正时EC延迟到排气上死点TDC，直到第一预定时间段已经过去、并且在使用轻质燃料的情况下表示第一怠速运转结束的第二预定时间段已经过去。因此，消除了上述重叠VOLn。也就是说，使排气门15的关闭正时EC与进气门11的开启正时IO一致，因此把重叠量减少到零。
这样，如果把目标VVT相位设定成使排气门15的关闭正时EC延迟到排气上死点TDC，则减少了内部EGR，从而即使在使用汽化特性良好的轻质燃料时也可以防止燃料的过度雾化。
如上所述，根据本发明，包括对发动机1的进气门11的开启正时IO和排气门15的关闭正时EC进行控制的正时控制器61在内的发动机1的气门正时控制设备设有：经过时间检测装置，用于对发动机1冷态起动后的经过时间段进行检测；实际发动机速度检测装置，用于对发动机1的实际Ne进行检测；目标发动机速度设定装置，用于根据在发动机1中所用燃料的预定汽化特性来设定发动机1的目标Ne；以及冷态起动目标正时设定装置，用于设定目标VVT相位，当发动机1处于冷态时，该冷态起动目标正时设定装置对实际Ne与目标Ne进行比较，以设定目标气门正时。冷态起动目标正时设定装置把排气门15的关闭正时EC设定得比排气上死点TDC早，直到由经过时间检测装置所检测的经过时间段已达到预定时间段。因此，快速地将经过压缩和升温的气体再次吸入到燃烧室5内，从而使得无论使用何种燃料都可以促进燃料的雾化，并且使得紧随发动机1的冷态起动之后可以确保稳定的发动机旋转。
并且，在由经过时间检测装置所检测的经过时间段已达到第一预定时间段之后，当实际Ne等于或大于目标Ne时，冷态起动目标正时设定装置判定汽化特性良好，禁止排气门15的开启正时EC提前，并且把排气上死点TDC附近的气门重叠量减少到零。这将减少内部EGR，从而使燃烧稳定。换句话说，如果使用汽化特性良好的轻质燃料等，并且如果把排气门15的关闭正时EC连续地控制成提前较长时间段，则将过度促进燃料的汽化，并且之后，空燃比变得过度贫化，从而使发动机旋转不稳定。为防止这一点，可以设想增加燃料，但禁止上述提前角可防止空燃比变得过度贫化。这样，可以减少未燃燃料(HC)而不增加燃料。
并且，在由经过时间检测装置所检测到的经过时间段已达到第一预定时间段之后，当实际Ne小于目标Ne时，冷态起动目标正时设定装置判定汽化特性不良，从而继续对排气门15的关闭正时EC的提前角进行控制。因此，如果使用汽化特性不良的重质燃料等，则即使在第一怠速运转期间也将促进燃料的雾化，从而继续确保稳定的发动机旋转。
应该理解，本发明不限于上述实施例，而是可在不偏离本发明的精神的情况下对上述实施例进行各种变型。
例如，尽管在上述实施例中，仅把排气门15的关闭正时EC提前得早于排气上死点TDC，然而本发明不限于此，而是可以把进气门11的开启正时IO和排气门15的关闭正时EC中的至少一个提前得早于排气上死点TDC。
图4A和图4B是示出由所述气门正时控制设备所提供的另一冷态起动控制的正时图。具体地说，图4A示出了使进气门11的开启正时IO以及排气门15的关闭正时EC都提前的情况，而图4B则示出了仅使进气门11的开启正时IO提前的情况。
如果把排气门15的关闭正时EC和进气门11的开启正时IO都提前得早于排气上死点TDC，如图4A所示，则各气缸内的残留气体将被更快速地再次吸入到燃烧室5内，从而与仅把排气门15的关闭正时EC提前得早于排气上死点TDC的情况相比，可确保更长的汽化时间。另外，如果如图4B所示，把进气门11的开启正时IO提前得早于排气上死点TDC，同时把排气门15的关闭正时EC设定在排气上死点TDC，则可确保更长的汽化时间。
并且，在上述把进气门11的开启正时IO和排气门15的关闭正时EC中的至少一个提前得早于排气上死点TDC的变型例中，在发动机1起动时，如图3A所示，把进气门11的开启正时IO设定成紧跟在排气上死点TDC之后，并把排气门15的关闭正时EC提前得早于排气上死点，之后，在排气门15的关闭正时EC未改变的情况下，把进气门11的开启正时提前得早于排气上死点TDC。在该情况下，与上述实施例一样，可确保较长的汽化时间。
并且，尽管在上述实施例中使用了MPI型发动机，然而本发明不限于此，而是可以把所述气门正时控制设备应用于气缸喷射型发动机，而且在该情况下，与上述实施例一样，在发动机1冷态起动时，无论燃料种类如何都能使发动机旋转稳定。
Claims (8)
1.一种发动机用气门正时控制设备，其包括：
可变气门机构，其能够使发动机中的进气门的开启正时和排气门的关闭正时中的至少一个改变；
经过时间检测装置，用于对发动机冷态起动后所经过的时间段进行检测；以及
正时控制装置，用于对所述可变气门机构进行控制；
其中，所述正时控制装置提供提前角控制，以把进气门的开启正时和排气门的关闭正时中的至少一个提前得早于排气上死点，直到由所述经过时间检测装置所检测的经过时间段已达到预定时间段。
2.根据权利要求1所述的发动机用气门正时控制设备，
其中，所述正时控制装置提供控制，以仅把排气门的关闭正时提前得早于排气上死点，直到所述经过时间段已达到预定时间段。
3.根据权利要求1所述的发动机用气门正时控制设备，
其中，所述正时控制装置提供控制，以把排气门的关闭正时和进气门的开启正时都提前得早于排气上死点，直到所述经过时间段已达到预定时间段。
4.根据权利要求1所述的发动机用气门正时控制设备，
其中，所述正时控制装置提供控制，以仅把进气门的开启正时提前得早于排气上死点，直到所述经过时间段已达到预定时间段。
5.根据权利要求1所述的发动机用气门正时控制设备，
其中，所述正时控制装置提供控制，以仅把排气门的关闭正时提前得早于排气上死点，并且之后仅把进气门的开启正时提前得早于排气上死点，直到所述经过时间段已达到预定时间段。
6.根据权利要求1所述的发动机用气门正时控制设备，还包括：
实际发动机速度检测装置，用于对发动机的发动机速度进行检测；
其中，在所述预定时间段已经过去之后，当由所述实际发动机速度检测装置所检测到的发动机速度等于或高于目标发动机速度时，禁止所述正时控制装置提供提前角控制。
7.根据权利要求6所述的发动机用气门正时控制设备，
其中，在所述预定时间段已经过去之后，当由所述实际发动机速度检测装置所检测到的发动机速度小于目标发动机速度时，所述正时控制装置继续提前角控制。
8.根据权利要求7所述的发动机用气门正时控制设备，
其中，在所述预定时间段已经过去之后，当由所述实际发动机速度检测装置所检测到的发动机速度等于或高于目标发动机速度时，所述正时控制装置判定燃料具有良好的汽化特性，而当由所述实际发动机速度检测装置所检测到的发动机速度小于目标发动机速度时，所述正时控制装置判定燃料具有不良的汽化特性；并且所述正时控制装置根据上述判定来控制所述可变气门机构。
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