CN1611750A - 可变气门驱动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机的可变气门驱动装置，包括一进气门正时控制装置以改变进气门操作角度的中心相位；一排气门正时控制装置以改变排气门操作角度的中心相位；以及一进气门操作角度控制装置以改变发动机的进气门操作角度。故障安全控制系统设置用来检测排气门正时控制装置的故障；并在检测出故障时，通过操作进气门正时控制装置和进气门操作角度控制装置中的至少一个来对进气门开启时刻进行调节使之与发动机的排气门关闭时刻一致或在发动机的排气门关闭时刻之后。

Description

可变气门驱动系统及方法
技术领域
本发明涉及用于内燃机的可变气门驱动系统和方法，配设有进气和排气门的可变气门正时控制系统和进气门操作角度改变系统，而更为具体地涉及在排气可变气门正时控制系统中出现故障时的故障安全控制技术。
背景技术
为了改进内燃机的输出和燃油消耗以及废气污染控制，一种可变气门控制机构设置用来改变进气或排气门升程特性。专利文献1(已出版的日本专利申请公开号H07(1995)-139378)披露了一种气门驱动系统，当可变气门正时机构的控制系统中检测出失效故障时强制地减小气门重叠，以保持驱动性能。专利文献2(已出版的日本专利申请公开号2000-130196)披露了一种用于当在内燃机中检测出反常状况时通过控制用于改变进气/排气门升程和操作角度的气门操作角度改变机构的操作来强制地减小或消除气门重叠的系统。专利文献3(已出版的日本专利申请公开号2003-49671)披露了一种包括进气和排气可变气门正时控制机构的系统。当在可变气门正时机构之一中检测出反常状况时，此系统通过利用反常情况的数据控制各个可变气门正时控制机构。比如，此系统将反常可变气门正时机构固定在最为延迟的位置并通过利用用于反常情况的操作图来控制另一可变气门正时机构。或者，两个可变正时机构都固定在最为延迟的位置上。
在内燃机中，尤其是汽油机中，希望宽范围地调节进气和排气门开启和关闭定时以改进燃油消耗、输出和废气污染控制性能。因此，某些发动机配设有用于进气和排气门二者的可变气门正时机构，以及能够改变进气门操作角度或气门升程(量)的进气门操作角度改变机构。上述各专利文献没有任何一个涉及这样一种系统中的故障安全问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变气门驱动装置和/或方法，用于执行适当的故障安全控制操作。
按照本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的可变气门驱动装置，包括：进气门正时控制装置，用以改变发动机的进气门操作角度的中心相位；排气门正时控制装置，用以改变发动机的排气门操作角度的中心相位；进气门操作角度控制装置，用以改变发动机的进气门操作角度；故障检测装置，用以检测排气门正时控制装置的故障；以及故障安全控制装置，用以在检测出排气门正时控制装置的故障时，通过操作进气门正时控制装置和进气门操作角度控制装置中的至少一个来对发动机的进气门开启时刻进行调节使之与发动机的排气门关闭时刻一致或在发动机的排气门关闭时刻之后。
按照本发明的另一方面，提供了一种用于内燃机的可变气门驱动控制方法，包括：检测发动机排气门正时控制的故障；以及在检测出排气门正时控制的故障时，通过改变进气门操作角度的中心相位和进气门操作角度中的至少一个来进行故障安全操作，以调节进气门开启时刻使之与排气门关闭时刻一致或在排气门关闭时刻之后。
附图说明
图1是一示意图，表明符合本发明第一至第四实施例的可变气门驱动系统或装置。
图2是以时间为横坐标的图表，图示检测排气可变气门正时控制机构中的故障的操作。
图3A和3B是气门配气正时图，用于图示进气和排气门的气门开启时段(或持续时间)和气门开启和关闭定时。
图4是一气门配气正时图，用于图示第一实施例中的进气和排气门开启时段以及气门开启和关闭定时。
图5是一气门配气正时图，用于图示第二实施例中的进气和排气门开启时段以及气门开启和关闭定时。
图6是一气门配气正时图，用于图示第三实施例中的进气和排气门开启持续时间以及气门开启和关闭定时。
图7是一气门配气正时图，用于图示第四实施例中的进气和排气门开启时段以及气门开启和关闭定时。
图8是一流程图，表明符合本发明第一实施例的控制过程。
图9是一流程图，表明符合本发明第二实施例的控制过程。
图10是一流程图，表明符合本发明第三实施例的控制过程。
图11是一流程图，表明符合本发明第四实施例的控制过程。
具体实施方式
图1表明一内燃机，配设有符合本发明第一至第四实施例的气门驱动系统或装置。在此实例中，发动机的每一缸配设有一对进气门18和一对排气门。
符合每一实施例的气门驱动系统包括第一和第二可变进气门控制机构或装置，用于以两种不同的方式改变各进气门18的气门升程特性；以及一可变排气门控制机构或装置，用于改变各排气门的气门升程特性。
在此实例中，第一可变进气门控制机构是一可变进气门正时控制(进气VTC)(机构或装置)30，用于改变各进气门18(进气凸轮轴)的操作中心相位(或中心角度位置)也就是各进气门18的配气正时。此实例的第二可变进气门控制机构是一进气可变气门动作和升程控制(VEL)(机构或装置)20，后者是一进气门操作角度改变机构，能够连续地改变进气门操作角度和进气门升程(量)。此实例的可变排气门控制机构是一可变排气门正时控制(排气VTC)(机构或装置)40，用于改变各排气门的操作的中心相位(或中心角度位置)也就是各排气门的配气正时。
一进气凸轮轴或进气门驱动轴19设置用来经由一带轮或链轮接受来自发动机曲轴的转动。因此，进气凸轮轴19围绕其自身轴线与曲轴连动。一摆动凸轮21可摆转地装在进气凸轮轴19上，正好位于每一进气门18的气门挺杆17上方。
示于图1之中的进气VEL 20包括一偏心圆形凸轮23，固定地或成一体地形成在进气凸轮轴19上，使得圆形凸轮的中心偏离开凸轮轴19的中心轴线；一控制轴24，在发动机的缸排列方向上平行于进气凸轮轴19延伸；一圆形控制凸轮25，以偏心方式固定地或成一体地形成在控制轴24上，使得此凸轮的中心偏离开控制轴24的中心轴线；一摇杆26，包括套装在控制凸轮25上的中心部分并可摆转地装在控制凸轮25上；成形得状为一环的第一联杆27，套装在偏心凸轮23上，使得第一联杆27可以相对于偏心凸轮23转动，并设置用来连接偏心凸轮23和摇杆26的第一臂；一杆状的第二联杆28，连接摇杆26的第二臂和摆动凸轮21的一端；以及一VEL转换装置22，用于改变控制轴24的转动角度。在此实例中，VEL转换装置22是一电动致动器。
当进气凸轮轴19由曲轴驱动时，进气凸轮轴19转动，而装在此转动轴19上的偏心凸轮23使第一联杆27大致上以平移运动的方式运动，第一联杆27的一端围绕进气凸轮轴19的轴线转动。第一联杆27的这一平移运动于是转换为摇杆26的摆动，而第二联杆28使摆动凸轮21在一摆转角度范围之内摆转。此摆动凸轮21下推进气门18的气门挺杆17，并借此开启进气门18。
VEL转换装置22设置用来改变控制轴24的转动角度，并从而相对于控制轴24的轴线转动摇杆26绕之摆转的控制凸轮25的中心。借助控制凸轮25的中心的这种转动位移，VEL转换装置22可以通过联杆27和28改变摆动凸轮21的初始方位(此初始方位是一摆转范围的中心相位)。这样，在相对于曲轴转角的进气门18操作角度的中心相位(或中心角度位置的相位)基本上保持不变的同时，VEL转换装置或致动器22可以连续地改变进气门18的操作角度和气门升程量。
在如此构成的VEL机构20中，摇杆26以及联杆27和28配置得紧密围绕进气凸轮轴19，有利于机构的紧凑且在发动机中安装便利。大多数零件表面贴表面地在某一面积上彼此接触。这种结构在润滑、耐久性和可靠性能方面都很有利，不需要诸如复位弹簧之类的偏压装置。例如，偏心凸轮23与第一联杆27之间的支承界面部分，以及控制凸轮25与摇杆26之间的支承界面部分都具有相当大的接触面积。这种VEL控制机构20实际上具有直接驱动式气门操作配置，使得可以以一种简易和紧凑的结构来提高转动范围。
进气VTC 30和排汽VTC 40可以采用已知各种VTC机构中的一种。已公开的日本专利申请出版物No.H05(1993)-98916披露了一种可变气门正时控制机构，可以用作进气VTC 30和排气VTC 40。在已知的能够连续改变气门升程操作角度中心的相位的各种VTC机构中，有一种类型采用叶片，另有一种类型采用螺旋花键。
在示于图1之中的实例中，进气VTC(机构或装置)30包括一外部转动件31，具有一可与曲轴连动的凸轮带轮(或链轮)；以及一内部转动件(未示出)，可转动地装设在外部转动件31中并与进气凸轮轴19连接，使得内部转动件与进气凸轮轴19作为一个单元转动。一进气VTC转换装置(或VTC致动器)32设置用来相对于彼此转动外部转动件31和内部转动件。通过这样作，进气VTC转换装置32可以提前和延迟进气门配气正时，亦即相对于曲轴转角的进气操作角度中心角度位置的相位(或中心相位)。在此实例中，进气VTC转换装置32是一种液压致动器。
类似地，排气VTC(机构或装置)40包括一外部转动件41，具有一可与曲轴呈定时关系转动的凸轮带轮(或链轮)；以及一内部转动件(未示出)，可转动地装设在外部转动件41中并与配设有用于驱动排气门的固定凸轮的排气凸轮轴43连接，使得内部转动件与排气凸轮轴43作为一个单元转动。一排气VTC转换装置(或VTC致动器)42设置用来相对于彼此转动外部转动件41和内部转动件。通过这样作，排气VTC转换装置42可以提前和延迟排气门配气正时，亦即相对于曲轴转角的排气操作角度中心角度位置的相位(或中心相位)。在此实例中，排气VTC转换装置42是液压致动器。此外，在此实例中，进气VTC 30和排气VTC 40属于液压操纵式的，且VTC 30和40二者都连接于作为液压源的单一的共用油泵。
发动机控制单元(ECCS C/U)1由包括CPU、ROM、RAM和输入/输出接口的已知数字计算机构成，并如后所述的那样设置用来贮存和执行各种控制过程。控制过程所需的、关于车辆操作状况的信息从各个传感器输入到发动机控制单元1。
输入信号是：水温信号2，来自水温传感器；进气量信号3，来自空气流量计；节流传感信号4，来自节流传感器；曲轴转角传感信号5，来自曲轴转角传感器50；氧气传感信号6，来自设置在发动机排气通路之中的氧气传感器；转动信号或发动机转速信号7；来自油温传感器的信号8；信号11，来自用于检测控制轴24的转动角度的VEL角度传感器15；信号12，来自用于检测进气凸轮轴19的转动角度的进气凸轮角度传感器16；以及信号45，来自用于检测排气凸轮轴43的转动角度的排气凸轮角度传感器44。按照如此收集到的关于发动机操作状况的输入信息，发动机控制单元1产生控制信号9、10、13、14和46，并将相应控制信号发送到燃油喷射装置的致动器、点火系统的致动器、VEL转换装置22以及进气和排气VTC转换装置32和42，以执行相应控制动作。这样，发动机控制单元1用作包括各传感器和各致动器的可变气门正时控制系统的控制器。此外，发动机控制单元1用作一种故障安全控制装置，用于执行故障安全操作，一如稍后所述的那样。
图3A和3B以气门正时图的形式表明进气和排气门开启和关闭时刻以及开启时段或持续时间(操作角度)。例如，在高速、高负荷区域，气门驱动系统产生大的气门重叠度VO，其中如图3B之中所示，进气和排气门都开启以提高进气充填效率。在此示于图3B中的实例中，此气门驱动系统通过推后排气中心相位(排气门操作的中心点的相位)、提前进气中心相位(进气门操作的中心位置的相位)以及利用进气VEL 20增大进气门的操作角度而比图3A所示的设定状态增大气门重叠度VO。
图4～7以气门正时图的方式分别图示了符合本发明的第一至第四实施例中的控制操作，而图8-11以流程图的方式分别表明第一至第四实施例中的控制过程。
步骤S11-S14对第一至第四实施例是共同的。如图8～11中的每一图中所示，在S11处，控制单元1按照检测出的发动机操作状况确定一目标转换角度，该目标转换角度是每一进气VTC 30和排气VTC 40的气门操作角度的中心相位的目标值。这一目标转换角度对应于进气或排气凸轮轴19或23相对于曲轴转角的相位差的目标值t1(示于图2之中)。在S12处，控制单元1通过将代表相应目标转换角度的控制信号发送给VTC转换装置32和42来朝向相应的目标转换角度驱动进气VTC 30和排气VTC 40。
步骤S13是检测排气VTC 40的故障(包括反常和失效)的步骤(故障检测装置或部分)，该故障是由于液压转换装置中的阻滞或某种其他原因造成的排气VTC系统40不能正确运作的反常状态。在此实例中，控制单元1根据曲轴转角传感信号5和排气凸轮角度传感信号45计算排气VTC 40的实际转换角度，并通过比较实际转换角度与上述目标转换角度来确定排气VTC40故障的存在或不存在。这一实际转换角度对应于凸轮角度传感信号相对于曲轴转角传感信号的差别t2(示于图2中)，亦即，凸轮轴相对于曲轴转角的相位差。当t2不等于t1，且t2与t1之间的差别大于预定数值时，控制单元1作出结论：排气VTC 40中出现故障，并因此从S13前进至S14。此外，在此实例中，此系统借助于诸如警示灯等警示装置来警示司机故障的出现。在此实例中，排气凸轮角度传感器44用作故障检测装置来探测诸如发动机操作状况等状况以便检测排气VTC 40中的故障。
当在S13处检测出排气VTC 40中的故障时，控制单元1前行至步骤S14和随后各步骤，并执行包括避免气门重叠的操作的故障安全控制操作(故障安全措施)。在S14处，控制单元1按照曲轴转角传感信号5和排气凸轮角度传感信号45计算排气VTC 40的故障位置。故障位置是排气门操作角度的中心角度位置的排气中心相位θ。S11-S14的操作在所有实施例中是一样的。
在继S14之后的步骤S15处，如图8之中所示，控制单元1计算使进气门开启定时IVO重合于或迟于排气门关闭定时EVC，亦即消除进气和排气门二者同时开启的气门重叠VO所需的进气VTC 30和进气VEL 20的目标角度。计算目标角度的方法在各实施例中是不同的。在第一实施例中，如图4之中所示，控制系统主要通过操作响应快速的电动式进气VEL 20达到较小操作角度和较小的气门升程而将IVO移向接近EVO(与EVO一致或稍后于EVO)的点。
在步骤S16处，控制单元1将分别对应于在S15处算出的目标角度的各控制信号发送给进气VTC转换装置32和VEL转换装置22，并从而驱动进气VTC 30和进气VEL 20以达到相应的目标。
这样，当在排气VTC 40中检测出故障时，该控制系统驱动进气VTC 30和进气VEL 20中的至少之一，并消除气门重叠VO。因此，即使在发动机重新启动操作时或在发动机转速由于紧急制动而急剧减小的迅速减速时，控制系统也可以可靠地防止残余废气由于气门重叠向进气侧的回流。因此，该控制系统可以提供良好的可燃性和稳定的燃烧，并避免失火和不良的启动操作。
尤其是，在第一实施例中，控制系统通过将快速、响应电动式进气VEL20驱动到较小的操作角度和较小的气门升程而对表明检测出故障的故障检测信号(S13的“是”)作出响应，而无需使用液压进气VTC 30。因此，控制方面的响应特性和可靠性是很优越的。
在第二实施例中，如图5和9之中所示，一当检测出排气VTC 40中的故障(S13)，控制单元1计算进气VEL 20的进气操作角度的目标值(在S15A处)以及进气VTC的中心角度位置的相位的目标值(在S15B处)，使得IVO与EVC一致或在EVC之后(更为具体地说，IVO重合于EVC或稍迟于EVC)，而且同时，进气门关闭定时IVC接近下死点BDC。为达到如此算出的各目标值，控制单元1驱动进气VEL 20和进气VTC 30(在S16处)。
在第二实施例中，当在排气VTC 40中检测出故障时，该气门正时控制系统可以象在第一实施例中那样通过朝向EVC移动IVO而提供稳定的燃烧。此外，符合第二实施例的系统通过朝向BDC移动IVC而增大压缩比，并借此进一步提高燃烧稳定性。
在第三和第四实施例中，当在排气VTC 40中检测出故障时，进气VTC30被固定地保持在初始位置上。进气VTC 30和排气VTC 40二者都是液压装置，采用单一的共同油泵作为共同的液压源。因此，在故障存在于排气VTC 40中的状态下，同一液压式进气VTC可能像排气VTC 40那样遭受故障。具体地说，当VTC 30和40两者都属于液压操作式的时，进气侧和排气侧二者都可能因诸如异物阻塞在油路中等反常状况而陷入故障状态。因此，第三和第四实施例中每一个的系统设置用来在检测出排气VTC 40的故障时将进气VTC 30固定在初始位置。
在第三实施例中，如图6和10之中所示，一当在排气VTC 40中检测出故障(S13)，控制单元1首先前行至步骤S15C。在S15C处，控制单元1将进气VTC固定地保持在作为最延迟位置的初始位置上，并防止进气VTC 30自此之后的移动。亦即，进气VTC30的目标值被设定并不变地保持等于表示最延迟位置的初始值。在下一步骤S15D处，控制单元1通过利用在S14处算出的排气VTC 40的故障位置以及进气VTC 30的初始位置确定进气VEL 20的进气操作角度的目标值，使得IVO与EVC一致或在EVC之后(更为具体地说，IVO重合于EVC或稍迟于EVC)。然后，在步骤S16A处，控制单元1驱动进气VEL 20以达到如此确定的目标。
在第三实施例中，当在排气VTC 40中检测出故障时，该气门定时控制系统可以象在第一实施例中那样通过朝向EVC移动IVO而提供稳定的燃烧。此外，通过将进气VTC 30固定在初始位置上，符合第三实施例的系统可以肯定地消除气门重叠VO，即使进气VTC 30不能够正确运作。因而，第三实施例在稳定性和可靠性方面是很有利的。
在第四实施例中，如图7和11之中所示，当在排气VTC 40中检测出故障时(S13)，控制单元1在S15C处首先将进气VTC固定地保持在初始(最延迟的)位置上并防止此后进气VTC 30的移动。亦即，进气VTC 30的目标值被保持等于表示最延迟位置的初始值。在下一步骤S15E处，控制单元1通过利用在S14处算出的排气VTC 40的故障位置和进气VTC 30的初始位置确定进气VEL 20的进气操作角度的目标值，使得IVC在BDC附近。然后，在步骤S16A处，控制单元1驱动进气VEL 20以达到如此确定的目标。
在第四实施例中，当在排气VTC 40中检测出故障时，该气门定时控制系统可以通过将IVC设定得接近BDC而提高更高压缩比下的燃烧稳定性。此外，通过将进气VTC 30固定在初始位置上，即使进气VTC 30不能够正确地运作，符合第四实施例的系统可以将进气门关闭定时IVC肯定地设定得接近BDC。因而，第四实施例在稳定性和可靠性方面是很有利的。由于进气VTC 30保持在最为延迟的位置上，所以IVO在EVC之后充分地被延迟，使得气门重叠被消除以提供稳定的点火和稳定的燃烧。
在排气VTC 40之中出现故障之后发动机重新启动操作易于产生故障，因为配气正时的控制由于排气VTC 40的故障会变得不准确。因此，当发动机在检测出排气VTC 40中的故障之后重新启动时，可选择性地进行故障安全控制操作(S15、S15A-S15E)以避免气门重叠。在此情况下，控制系统可以减少由于气门重叠造成的残余废气的量，并确保足够高的压缩比。因此，系统可以提高可燃性和燃烧稳定性，以及将发动机转速稳定地增加到空转速度区域。
在第一至第四实施例的每一个中，在高发动机负荷区域，避免气门重叠的故障安全控制操作可能增大泵气损失并劣化燃料消耗，因为故障安全控制操作阻止残余废气向进气侧的回流。因此，优选的是，在高发动机负荷区域禁止执行故障安全控制操作，而只在低和中发动机负荷区域进行故障安全控制操作。在此情况下，例如，步骤S13除了进行检验以检测排气VTC 40中的故障之外，还进行发动机负荷是否处在低和中区域之内的判断。于是，控制单元1只在排气VTC 40中检测出故障并且同时发动机负荷处在低和中负荷区域时才进行故障安全控制操作(S15、S15A-S15E)。
本发明不限于图示的各实施例。在本发明的范畴之内多种修改和变更都是可能的。比如，进气VTC和排气VTC二者都可以是电气装置而非液压式的。
本申请基于2003年10月29日提出的在先日本专利申请No.2003-368377。这一日本专利申请No.2003-368377的全部内容在此纳入作为参考。
虽然上面已经参照本发明的某些实施例对本发明进行了说明，但本发明不限于上述各实施例。本技术领域的技术人员借助以上的教益将会想到上述各实施例的各种修饰和变更。本发明的范畴参照以下各项权利要求予以限定。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的可变气门驱动装置，包括：
进气门正时控制装置，用以改变发动机的进气门操作角度的中心相位；
排气门正时控制装置，用以改变发动机的排气门操作角度的中心相位；
进气门操作角度控制装置，用以改变发动机的进气门操作角度；
故障检测装置，用以对状况进行测定以检测排气门正时控制装置的故障；以及
故障安全控制装置，用以在检测出排气门正时控制装置的故障时，通过操作进气门正时控制装置和进气门操作角度控制装置中的至少一个来对发动机的进气门开启时刻进行调节使之与发动机的排气门关闭时刻一致或在发动机的排气门关闭时刻之后。
2.按照权利要求1所述的可变气门驱动装置，其中故障安全控制装置用以在检测出排气门正时控制装置的故障时，通过操作进气门正时控制装置和进气门操作角度控制装置中的至少一个来朝向下死点调节进气门关闭定时。
3.按照权利要求2所述的可变气门驱动装置，其中故障安全控制装置用以在检测出排气门正时控制装置的故障时，将进气门正时控制装置固定在初始位置处并操作进气门操作角度控制装置。
4.按照权利要求1所述的可变气门驱动装置，其中故障安全控制装置用以在检测出排气门正时控制装置的故障时，将进气门正时控制装置固定在初始位置处并操作进气门操作角度控制装置。
5.按照权利要求1-4中任一项所述的可变气门驱动装置，其中进气门正时控制装置和排气门正时控制装置在驱动模式方面是相同的。
6.按照权利要求1-4中任一项所述的可变气门驱动装置，其中在检测出故障之后发动机重新启动操作时，故障安全控制装置通过操作进气门正时控制装置和进气门操作角度控制装置中的至少一个、通过调节进气门开启时刻使之与排气门关闭时刻一致或在排气门关闭时刻之后。
7.按照权利要求1-4中任一项所述的可变气门驱动装置，其中故障安全控制装置用以在内燃机工作于高发动机负荷区域中时禁止响应于排气门正时控制装置的故障的故障安全操作。
8.按照权利要求1-4中任一项所述的可变气门驱动装置，其中进气门正时控制装置和排气门正时控制装置中的每一个都是液压驱动装置，而进气门操作角度控制装置是电动装置；以及故障安全控制装置用以在检测出排气门正时控制装置的故障时通过仅只操作进气门操作角度控制装置来执行故障安全操作。
9.按照权利要求1-4中任一项所述的可变气门驱动装置，其中故障安全控制装置用以在检测出排气门正时控制装置的故障时，通过仅只操作进气门操作角度控制装置来将进气门开启时刻延迟到与排气门关闭时刻一致或在排气门关闭时刻之后的定时点。
10.一种内燃机的可变气门驱动控制方法，包括：
检测发动机排气门正时控制的故障；以及
在检测出排气门正时控制的故障时，通过改变进气门操作角度的中心相位和进气门操作角度中的至少一个来进行故障安全操作，以调节进气门开启时刻使之与排气门关闭时刻一致或在排气门关闭时刻之后。
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