CN1573032A - 内燃发动机的可变阀控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃发动机的可变阀控制系统，包括能改变进气阀和排气阀之一的阀提升特性的第一和第二可变阀控制机构，并且包括一个控制该第一和第二可变阀控制机构的控制器。该控制器包括一个检测第一可变阀控制机构失灵的检测部分，以及一个一旦检测出第一可变阀控制机构失灵则控制第二可变阀控制机构，从而使进气阀打开定时和排气阀关闭定时重合或者滞后于排气阀关闭定时的控制部分。

Description

内燃发动机的可变阀控制系统和方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机的可变阀控制系统，其具有二个用来改变进气阀和排气阀的阀提升特性的可变阀控制机构，并且更具体地涉及一种一旦一个可变阀控制机构失灵时的失效保险技术。本发明还涉及一种内燃发动机可变阀控制方法。
背景技术
为了改进内燃发动机的输出和燃料消耗，已经提出各种可变阀控制系统以便可变地控制进气阀和排气阀的阀提升特性。例如，如日本待审专利申请5-98916中公开那样，在一种具有为各组发动机汽缸设置的、用来改变进气阀和排气阀的阀定时的阀定时控制机构组的系统中，当检测出阀定时控制机构之一失灵时，强制性地控制其它阀定时控制机构的阀定时，从而和该失灵的阀定时控制机构的实际阀定时一致。
发明内容
同时，在为预先确定的进气阀和排气阀设置多个可变阀控制机构，以用来可变地控制各个阀提升特性的情况下，这些可变阀控制机构之一的失灵不能使发动机得到所需的进气阀和排气阀的阀提升特性，例如，可能非故意地造成进气阀和排气阀的同时打开，从而过分增加汽缸中剩余的废气并且使发动机不能得到防止启动失灵和不点火所需要的良好燃烧稳定性。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有多个可变阀控制机构的可变阀控制系统，即使其中的一个可变阀控制机构失灵，该系统仍可得到足以避免不良或差的启动和不点火的操作能力及燃烧稳定性。
本发明的另一个目的是为具有多个可变阀控制机构的内燃发动机提供一种能使发动机具有上述特性的可变阀控制方法。
为了达到上述目的，依据本发明的一个方面，提供一种用于内燃发动机的可变阀控制系统，其包括：能改变进气阀和排气阀之一的阀提升特性的第一和第二可变阀控制机构，以及一个控制该第一和第二可变阀控制机构的控制器，该控制器包括一个检测第一可变阀控制机构失灵的检测部分，以及一个一旦检测出第一可变阀控制机构失灵则控制第二可变阀控制机构以使进气阀打开定时与排气阀关闭定时一致或者比排气阀关闭定时滞后的控制部分。
依据本发明的另一个方面，为具有能改变进气阀和排气阀之一的阀提升特性的第一和第二可变阀控制机构的内燃发动机提供一种可变阀控制方法，该方法包括：检测第一可变阀控制机构的失灵，以及一旦检测出第一可变阀控制机构失灵则控制第二可变阀控制机构以使进气阀打开定时与排气阀关闭定时一致或者比排气阀关闭定时滞后。
附图说明
图1是依据本发明的第一实施例的用于内燃发动机的可变阀控制系统的透视图；
图2是时间图，示出对图1的可变阀控制系统的阀定时控制机构的失效的检测；
图3是由图1的可变阀控制系统执行的控制的流程；
图4示出图1的可变阀控制系统的操作；
图5是由依据本发明的第二实施例的可变阀控制系统执行的控制流程；以及
图6A至6C示出依据该第二实施例的可变阀控制系统的操作。
具体实施方式
参照图1，提供一个每个汽缸带有一对进气阀18的内燃发动机。对进气阀18提供二个能改变进气阀18的阀提升特性的可变阀控制机构，即，能改变进气阀18的阀定时的阀定时控制(VTC)机构30以及能改变进气阀18的操作角和提升的阀事件和提升(VEL)控制机构20。
通过滑轮或链轮(未示出)从曲轴(也未示出)向进气凸轮轴19传送转动驱动力，从而进气凸轮轴19可和曲轴连动地转动。
VEL控制机构20包括：一对固定地安装在进气凸轮轴19上的、通过阀挺杆17驱动相应的进气阀18的摆动凸轮21，偏心地和固定地安装在进气凸轮轴19上的盘状驱动凸轮23，枢轴地安装在驱动凸轮23上的枢轴连杆27，平行于进气凸轮轴19并在设置各汽缸(未示出)的方向上延伸的控制轴24，偏心地和固定地安装在控制轴24上的盘状控制凸轮25，枢轴地安装在控制凸轮25上并具有一个枢轴地与枢轴连杆27的凸臂部分连接的端部的摇臂26，具有枢轴地与摇臂26的另一端部连接的上端部以及枢轴地和一个摆动凸轮21连接的下端部的连接连杆28，以及一个充当用来改变控制轴24的转动角的致动器的电动VEL控制改变部件22。
利用上面描述的结构，当进气凸轮轴19与曲轴连动地转动时，驱动凸轮23造成枢轴连杆27上、下运动。枢轴连杆27的运动造成摇臂26绕控制凸轮25的轴转动。从而和摇臂26连接的连接连杆28使摆动凸轮21摆动并且通过阀挺杆17驱动进气阀18打开和关闭。
另外，通过利用VEL控制改变部件22改变控制轴24的转动或角位置，改变作为摇臂26的枢轴的控制凸轮25的轴，从而造成摇摆凸轮21的初始位置(即摇动角的中心相位)的改变。这能在进气操作角的中心相位几乎保持不变的情况下连续改变进气操作角以及阀提升。
由于摇臂26和连杆27、28集体地安装在进气凸轮轴19的周围，这种VEL控制机构20是紧凑的从而安装性是优秀的。而且，由于各构成部件的许多连接部分，例如驱动凸轮23、枢轴连杆27、控制凸轮25和摇臂26的支承部分，是彼此面对面接触构建的并因此容易润滑，并且还因为不需要诸如返回弹簧之类的偏置装置，这种VEL控制机构20在运行上还具有良好的耐久性和可靠性。此外，VEL控制机构20适用于使用直接驱动式阀操作系统，从而它可以利用简单紧凑的结构使转动限制更大。
在日本待审专利申请5-98916号中公开一种VTC机构30的例子，这种采用螺旋花键类型的和导向叶片类型的VTC机构是周知的。这里给出简单的描述，VTC机构30包括带有一个可与曲轴连动地转动的凸轮滑轮或链轮的外转子31，以及设置在外转子31内部并能和进气凸轮轴19一起转动的内转子(未示出)。通过液压VTC改变部件32这二个转子彼此相对转动，从而使进气阀操作角的中心相位(即，使进气阀提升为最大的相位)超前或者滞后。
发动机控制单元1是用周知的数字计算机构成的，其包括CPU、ROM、RAM和输入/输出接口并且具有存储和执行后面说明的各种控制处理的功能。对发动机控制单元1输入各种信号，例如，来自水温传感器的水温信号2，来自气流计的进气量信号3，来自节流传感器的节流传感器信号4，来自曲轴角传感器的曲轴角信号5，来自设置在排气通道中的氧传感器的O2传感器输出信号6，来自发动机速度传感器的发动机速度信号7，来自油温传感器的油温信号8，来自用于检测控制轴24的转动角或角位置的VEL控制角传感器15的VEL控制角传感器信号11，以及来自用于检测进气凸轮轴19的转动角或角位置的凸轮角传感器16的凸轮角传感器信号12。根据这些信号，发动机控制单元向各致动器输出控制信号，例如，空气/燃料比控制信号9，点火定时控制信号10，VEL控制改变部件控制信号13以及VTC改变部件控制信号，这些信号分别输出到燃料喷射系统、点火系统、VEL控制改变部件22和VTC改变部件32，从而控制它们的运行。
参照图3说明由依据本发明的第一实施例的可变阀控制系统执行的控制。下面的控制处理是在发动机控制单元1中执行的。
首先，在步骤S11，根据发动机运行条件确定目标改变角，其为要由VTC机构30得到的进气阀操作角的中心相位目标值。该目标改变角对应于曲轴角传感器信号和凸轮角传感器信号之间相位差的目标值t1(参照图2)。在步骤S12，把和该要由VTC机构30得到的目标改变角对应的控制信号输出到VTC改变部件32从而驱动VTC机构30以得到该目标改变角。
在步骤S13，检测VTC机构30出于某些原因不能工作或者不能正常运行的状态，即，检测VTC机构30的失灵(失灵检测装置或部分)。例如，根据曲轴角传感器信号5和凸轮角传感器信号12检测并计算VTC机构30的实际改变角，而且把该实际改变角和目标改变角进行比较从而完成失灵检测和判断。该实际改变角对应于曲轴角传感器信号和凸轮角传感器信号之间的偏差t2(参见图2)，即，曲轴和凸轮轴19之间的相位差。当t2和t1彼此不重合并且其间的偏差超过预定值时，判定产生VTC机构30的失灵，而且控制转到其中通过VEL控制机构20执行避免阀重叠(valve overlap)的控制的步骤S14。此外，尽管没有示出，通过告警灯等向司机告警VTC机构30的失灵。
在步骤S14，根据曲轴角传感器信号5和凸轮角传感器信号12，计算VTC机构30的失灵位置，即，进气阀操作角的中心相位θ。如图4中所示，进气阀操作角的中心相位θ用一个超前最大滞后相位θ0(其为VTC机构30的初始位置)的角表示并且随着超前的增加而变得更大。
在步骤S15，计算VEL控制机构20的目标操作角，从而进气阀打开定时IVO和排气阀关闭定时EVC一致(或者前者对后者滞后)，即，消除进气阀18和排气阀都打开的阀重叠阶段41(参照图4)。在步骤S16，向VEL控制改变部件22输出和步骤S15算出的目标操作角对应的控制信号，由此驱动VEL控制机构20以得到该目标操作角。
例如，在其中检测出存在如图4所示的阀重叠41的状态的VTC机构30失灵的情况下，驱动VEC控制机构20以得到较小的操作角以及较小的阀提升从而IVO对EVC滞后。
通过该实施例，在检测出VTC机构30失灵的情况下，驱动VEL控制机构20从而立刻消除阀重叠41，这使得能得到良好的发动机性能和良好的燃烧稳定性，其足以防止在别的情况下由于阀重叠41在汽缸中保持过多的废气而造成的启动失灵和不点火。
另外，由于VEL控制改变部件22是电动式的，其响应性出色，从而可以在出现失灵时迅速消除阀重叠现象。
现照图5说明由依据本发明的第二实施例的可变阀控制系统执行的控制。除了ECU 1中执行的控制之外，第二实施例基本上和第一实施例相同。
步骤S11至S14中的控制处理和第一实施例中的处理相同。即，在步骤S11，确定VTC机构30的目标改变角。在步骤S12，驱动VTC机构30以得到该目标改变角。如果在步骤S13检测出VTC机构30的失灵，控制转到步骤S14，在该步骤中计算和VTC机构30的失灵位置对应的进气阀操作角的中心相位θ。
在后面的步骤S21至S24中，驱动VEL控制机构20，以便不产生阀重叠而是使进气阀闭合定时IVC和下死点BDC更接近。
即，在步骤S21，判定表示失灵位置的进气阀操作角的中心相位θ是否等于或大于基准中心相位θ1。基准中心相位θ1是排气阀闭合定时EVC和下死点BDC之间时间间隔的中点处的相位，并且与使IVO与EVC一致以及使IVC和BDC一致的中心相位对应。
如图6A中所示，在进气阀操作角的中心相位θ超前基准中心相位θ1(θ＞θ1)的情况下，如果进气阀操作角使IVO和EVC彼此重合则IVC超前BDC。从而，如果为了使IVC更靠近BDC增大进气阀操作角，IVO超前EVC，从而导致阀重叠的可能性。相应地，在本实施例中，在进气阀操作角的中心相位θ超前基准中心相位θ1的情况下，控制转到步骤S22，其中和第一实施例的步骤S15类似，计算使IVO几乎和EVC重合或者滞后于EVC的VEL控制机构20的目标操作角。
如图6C中所示，在进气阀操作角的中心相位θ滞后基准中心相位θ1(θ＜θ1)的情况下，如果进气阀操作角使IVO和EVC彼此重合则IVC滞后BDC。从而，当为了使IVC和BDC重合使进气阀操作角较小时，使IVO向滞后一侧离开EVC，从而增加所谓的反重叠(minus overlap)但永不造成阀重叠。这样，在进气阀操作角的中心相位θ滞后基准中心相位θ1的情况下，控制转到步骤S23，其中计算使IVC几乎和下死点BDC重合的VEL控制机构20的目标操作角。接着，在步骤S24，驱动VEL控制机构20以得到步骤S22或S23中算出的目标操作角。
通过该第二实施例，除了通过第一实施例得到的类似效果之外，有可能在不造成阀重叠的情况下使IVC更接近BDC，从而能使实际压缩比更高，由此进一步改进燃烧稳定性。
可以在所有的发动机运行范围内或者在特定发动机运行范围内，在出现VTC机构30的失灵时进行图3和图5中示出的控制处理。例如，在发动机启动时，当由于VTC机构30的失灵而不能得到需要的阀提升特性时可能造成启动失灵。从而，在发动机启动时或者在包含发动机启动的发动机运行范围中进行图3和图5的控制就足够了。
日本专利申请P2003-144625(2003年5月22日申请)的整个内容收录作为参考。
尽管上面参照本发明的一些实施例说明了本发明，但本发明不受上面说明的实施例的限制。根据上面的教导，本领域技术人员会想到对上面说明的实施例的各种修改和改变。例如，可以检测VEL控制机构20的失灵，并且可以按一旦检测出VEL控制机20失灵时消除阀重叠的方式来控制或者驱动VTC机构30。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机的可变阀控制系统，包括：
能改变进气阀和排气阀之一的阀提升特性的第一和第二可变阀控制机构；以及
一个用于控制该第一和第二可变阀控制机构的控制器；
该控制器包括：
一个用于检测第一可变阀控制机构失灵的检测部分；和
一个控制部分，其在一旦检测出第一可变阀控制机构失灵时则控制第二可变阀控制机构，从而使进气阀打开定时与排气阀关闭定时重合或者滞后于排气阀关闭定时。
2.依据权利要求1的可变阀控制系统，其中，该第一可变阀控制机构包括一个能改变进气阀的阀定时的阀定时控制机构，并且该第二可变阀控制机构包括一个能连续改变进气阀的操作角和阀提升的阀事件和提升控制机构。
3.依据权利要求2的可变阀控制系统，其中，该阀事件和提升控制机构包括：一个可与发动机的曲轴连动地转动的进气凸轮轴，一个固定安装在该进气凸轮轴上的、用来驱动发动机的进气阀的摆动凸轮，一个偏心地和固定地安装在进气凸轴轴上的盘状驱动凸轮，一个枢轴地安装在该驱动凸轮上的枢轴连杆，一个控制轴，一个偏心地和固定地设置在该控制轴上的盘状控制凸轮，一个枢轴地安装在该控制凸轮上、并具有一个枢轴地与该枢轴连杆的凸臂部分连接的端部的摇臂，一个具有枢轴地与该摇臂的另一端部连接的上端部以及枢轴地与该摆动凸轮连接的下端部的连接连杆，以及一个用于改变该控制轴的转动角的致动器。
4.依据权利要求3的可变阀控制系统，其中，当第一可变阀控制机构失灵时以及在进气阀操作角的中心相位滞后于基准中心相位的情况下，该控制器控制该阀事件和提升控制机构以使进气阀关闭定时更接近下死点，其中，所述基准中心相位是排气阀关闭定时和该下死点之间的中心处的相位。
5.依据权利要求3的可变阀控制系统，其中，当该阀定时控制机构失灵时以及在进气阀操作角的中心相位超前基准中心相位的情况下，该控制器控制该阀事件和提升控制机构以使进气闭打开定时大致和排气阀关闭定时重合，其中所述基准中心相位是排气阀闭合定时和下死点之间的中心处的相位。
6.依据权利要求1的可变阀控制系统，其中，该控制器只在包括启动发动机的特定发动机运行条件下控制该第一和第二可变阀控制机构。
7.一种用于内燃发动机的可变阀控制系统，包括：
能改变进气阀和排气阀之一的阀提升特性的第一和第二可变阀控制机构；
用于检测第一可变阀控制机构失灵的检测装置；以及
控制装置，其在一旦检测出第一可变阀控制机构失灵时则控制第二可变阀控制机构，从而使进气阀打开定时与排气阀关闭定时重合或者滞后于排气阀关闭定时。
8.一种用于内燃发动机的可变阀控制方法，其中该内燃发动机具有能改变进气阀和排气阀之一的阀提升特性的第一和第二可变阀控制机构，该方法包括：
检测第一可变阀控制机构的失灵；以及
一旦检测出第一可变阀控制机构失灵则控制第二可变阀控制机构，从而使进气阀打开定时与排气阀关闭定时一致或者滞后于排气阀关闭定时。
9.依据权利要求8的可变阀控制方法，其中，该第一可变阀控制机构包括一个能改变进气阀的阀定时的阀定时控制机构，并且该第二可变阀控制机构包括一个能连续改变进气阀的操作角和阀提升的阀事件和提升控制机构，并且其中当第一可变阀控制机构失灵时以及在进气阀操作角的中心相位超前于基准中心相位的情况下，该控制包括控制阀事件和提升控制机构以使进气阀打开定时大致与排气阀关闭定重合，其中，所述基准中心相位是排气阀关闭定时和下死点之间的中心处的相位。
10.依据权利要求8的可变阀控制方法，其中，该第一可变阀控制机构包括一个能改变进气阀的阀定时的阀定时控制机构，并且该第二可变阀控制机构包括一个能连续改变进气阀的操作角和阀提升的阀事件和提升控制机构，并且其中当第一可变阀控制机构失灵时以及在进气阀操作角的中心相位超前于基准中心相位的情况下，该控制包括只在包含启动发动机的特定发动机运行条件下控制该第一和第二可变阀控制机构，其中，所述基准中心相位是排气阀关闭定时和下死点之间的中心处的相位。
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