CN1854471A - 用于压燃式发动机的可变操作气门系统 - Google Patents

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Abstract

在用于压燃式发动机的可变操作气门系统中，通过控制部分根据发动机驱动状况来控制调节机构，以使进气门关闭正时与下止点分开，并且发动机启动保证部分在控制部分出现故障期间、在发动机停止期间以及在发动机启动期间的至少一种情况下仍能够保证发动机启动。

Description

用于压燃式发动机的可变操作气门系统
技术领域
本发明涉及一种用于往复式发动机的进气门或排气门的可变操作气门系统，更具体地说涉及适合用在压燃式发动机、例如四冲程和二冲程柴油发动机的可变操作气门系统。
背景技术
近来，根据发动机驱动状况来改变升程和进气门和/或排气门的打开和关闭正时的可变操作气门系统已经得到广泛使用，以便控制发动机的充气效率、有效压缩比和残余气体量，并且改善发动机性能和排放性能。在柴油发动机或预混合压燃式发动机中，由于伴随着发动机的压缩冲程而产生气体的温度升高，所以所喷射的燃料自点火。只有在缸内温度高并且压力高的条件下，才进行燃料的自点火。尽管自点火与燃料的品种有关，但是，除非温度等于或高于1000K并且压力等于或高于1MPa，否则不进行自点火。因此，在发动机的低温启动(所谓的冷启动)期间，缸壁的温度低并且气缸夺取气体的热量。除非压缩比增大至等于或高于例如15，以提高在气缸内的气体温度和压力，否则不会形成自点火，并且不能实现燃料的燃烧。但是，在发动机的预热完成的时刻，高压缩比使得作用在气缸活塞上的压力增大。因此，机械摩擦损失增大，并且发动机性能容易下降。为了避免出现这种情况，在发动机启动完成之后，已经提出将压缩比降低至等于或低于15，以改善发动机性能。在发动机启动之后，缸壁上的温度变得更高。即使在压缩比低的情况下，气缸也不会夺取气体的热量。因此，气体温度和压力变高并且进行自点火。众所周知，在压缩比中的变化是通过机械地改变活塞的余隙容积或者通过机械地改变活塞行程来进行的。但是，这些机构变得复杂。然而，进气门(或每个气缸的进气门)的气门关闭正时相对于曲柄角延迟或提前，从而在压缩冲程开始时的气体量会改变。相对于曲柄角在气体压力和温度中的升高会延迟。也就是说，可以降低有效压缩比。前面提出的可变操作气门系统其示例为于1989年12月20日公开的日本专利申请首次公开No.Heisei-315631，其中在二冲程柴油发动机中，电驱动可变操作设备(可以为扭转式)使得进气门关闭正时(IVC)接近下止点(BDC)，以提高有效压缩比。由此，确保了在发动机启动期间的自点火，并且使得IVC(进气门关闭)在通常驱动期间延迟，从而降低了有效压缩比并且降低了燃油经济性。另外，如在Yuuzou AKASAKA和Hajime MIURA出版的AutomotiveTechnology第59卷、第2期的题目为“Recent trends in variable valveactuation technologies to reduce the emission and improve the fueleconomy”的日本文章中所披露的那样，在由液压操作的旋转叶片中包括有另一种前面提到的可变操作气门系统。
发明内容
但是，在下述的情况下，即，在上面提出的上述可变操作系统的每一个中，出现机械故障、例如在液压开关阀的电子系统或液压开关阀的紧固件(锁)中的故障，或者在其液压系统中出现故障的情况下，在发动机启动期间，进气门关闭正时(IVC)与下止点(BDC)位置分开(脱离或不同)，从而有效压缩比没有充分升高，并且会出现启动故障。即使在电能驱动可变操作气门系统的情况中，出现这种故障、例如电动机的短路或蓄电池电压下降，也会产生IVC与BDC分开(脱离)，从而不能产生自点火，并且会出现启动故障。
因此，本发明的目的在于提供一种用于压燃式发动机的可变操作气门系统，它能够解决在发动机启动期间的不便，例如进气门关闭正时(IVC)与下止点(BDC)分开(脱离)、从而不会出现自点火并且会出现启动故障。在前面提到的在上述日本专利申请文献中所披露的可变操作气门系统中，设有了采用步进电机的相位调节机构(VTC、气门正时控制机构)。在流经步进电机的电流变为断开时，在相位调节结构正常操作的情况中，IVC自动到达靠近BDC的位置(在曲柄角(CA)中的下止点(BDC)之后20度)。如果流经步进电机的电流变为接通，则控制IVC接近从BDC延迟的位置(在曲柄角中的下止点(BDC)之后60度)。但是，在步进电机的旋转轴固定(锁定)的情况中，相位调节机构固定在该相位调节机构被固定的位置处。即使流经步进电机的电流被切断，IVC也不能被设定到靠近BDC的位置。因此，在发动机的启动期间，将IVC设定到靠近BDC的位置。在发动机启动之后，IVC被延迟。但是，如果步进电机被固定，则不能解决在发动机启动期间的不便。另外，在所述后一的日本文章中，已经提出了各种可变操作气门系统。用来改变相位(VTC)的调节机构和用来改变升程(提升量)的另一调节机构由响应于电子控制单元(ECU)的输出电信号来进行操作的电控部分(电动机和电磁铁)直接驱动。或者可以选择，间接地驱动由电控部分操作的液压力部分。在这些可变操作气门系统的每一个例子中，在控制部分已经按照与在前面日本专利申请首次公开中所披露的一样的方式出现故障的情况下，没有提供促使IVC接近位于BDC附近的位置的手段。因此，仍然不能解决在发动机启动期间的不便。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于压燃式发动机的可变操作气门系统；一种由控制部分控制以根据发动机驱动状况使进气门关闭正时与下止点分离的调节结构；以及一种发动机启动保证部分，该发动机启动保证部分即使在控制部分出现故障期间、在发动机停止期间以及在发动机启动期间的至少一种情况下，仍能够保证发动机启动。
需要指出的是，在该说明书中所述的IVC可以定义为如上所述的进气门关闭正时，但不是进气门完全关闭的正时，而是可以为没有包括斜坡间隔(ramp interval)的有效提升间隔完成的正时。如果有效关闭正时设定在BDC附近，则提升加速间隔完成时的实质上的关闭正时可以被认为是BDC，因此，可以更充分地提高有效压缩比。在包括用来根据发动机驱动状况控制IVC与BDC(下止点)分离的控制部分的、用于根据本发明的压燃式发动机的可变操作气门系统中，即使控制部分已经出现故障，机械偏压部分也总是将IVC设定在靠近BDC的状态中。因此，可以将有效压缩比保持在发动机所提供的最高水平，并且可以显著提高发动机启动的可靠性。进而，即使由于在控制部分中的不便而导致机械偏压部分不能将IVC设定在BDC附近，可启动性(启动特性)保证故障保险控制逻辑线路仍能够确保启动发动机。
本发明的发明内容部分不必描述所有的必要特征，本发明也可以为这些所述特征的任意组合。
附图说明
图1为在根据本发明的一个优选实施方案中的可变操作气门系统的结构图。
图2为用于说明在图1所示的实施方案中的可变操作气门系统中的四冲程发动机的情况下的操作的特征图。
图3为用于说明在图1所示的实施方案中的可变操作气门系统中的二冲程发动机的情况下的操作的特征图。
图4为流程图，显示出在用在图1所示的实施方案中的可变操作气门系统中使用的发动机1的启动期间的控制流程。
图5为用在图1所示的实施方案中的可变操作气门系统中的燃料喷射形式的说明图。
图6为在图1所示的实施方案中的可变操作气门系统中的用于进气门的相位调节机构的分解透视图。
图7A为说明图，显示出与在图6中所示的可变操作气门机构的结构图相关的提前角位置。
图7B为说明图，显示出与在图6中所示的可变操作气门机构的结构图相关的最大提前角位置。
图7C为说明图，显示出与在图6中所示的可变操作气门机构的结构图相关的最大延迟角位置。
图8A、8B和8C为在图1所示的可变操作气门系统的实施方案中的液压系统的示意图。
图9为特征图，显示出用在图1所示的可变操作气门系统的实施方案中的进气门的提前角侧。
图10为特征图，显示出用在根据本发明的可变操作气门系统的第二个实施方案中的进气门的延迟角侧。
图11为用来说明在图10所示的可变操作气门系统的第二个实施方案的情况中的偏压弹簧的操作的示意结构图。
图12为在用在根据本发明的可变操作气门系统的第三个优选实施方案中的发动机启动期间的控制流程图。
图13为流程图，显示出用在图12所示的可变操作气门系统的第三实施方案中的可启动性(启动特性)保证故障保险控制。
图14为在根据本发明的第四个优选实施方案中的可变操作气门系统的结构图。
图15为在图14所示的可变操作气门系统的第四实施方案中的进气门的特征图。
具体实施方式
下面将参照这些附图以便于更好地理解本发明。
首先，将参照图1对四冲程柴油发动机的可变操作气门系统进行说明。如从图1所看到的一样，发动机1的曲柄轴2沿着顺时针方向旋转。气缸活塞3位于底部位置(最下方位置)处的状态表示下止点(BDC)，下止点(BDC)表示曲柄角(CA)为180度。在曲柄轴2旋转并且活塞2已经到达上止点(从图1看的最高位置)时，它表示上止点(TDC)，并且其曲柄角(CA)表示为360度。在普通柴油机内燃料燃烧的情况中，燃料从燃油喷射阀4在气缸内喷射，并且由于气体的高温的产生而自点火，并且燃料燃烧。在预混合压燃情况中，燃料在吸入冲程中从燃油喷射阀4喷射，所喷射的燃料与气缸的充入空气充分混合。在活塞3上升时，在气缸内的预混合气体的温度和压力升高，空气的燃料混合物被自点火并且燃烧。燃油喷射阀4的燃油喷射定时与来自曲柄角传感器5的信号相对应，由电子控制单元(ECU)控制。另外，在发动机1的启动期间，起动机7与曲柄轴2连接，并且曲柄轴2因此而旋转。另外，在发动机1启动期间，使电流流经电热塞8以使电热塞8的温度升高。因此，促进燃料的蒸发以支持燃料空气混合物的自点火。通过催化转换器301来净化排气。
进气门9和排气门10设置在发动机1的上部，并且分别由进气门凸轮11和排气门凸轮12驱动。进气门凸轮11经由升程相位可变式的可变操作气门机构(VTC(可变正时控制机构))13与凸轮轴正时带轮14连接。曲柄轴2的旋转经由正时带或正时带轮传递给凸轮轴正时带轮14。来自水(冷却剂)温度传感器15的信号被输入给ECU(电子控制单元)6。来自VTC相位差位置传感器200的信号也被输入给ECU6。在曲柄轴2旋转时，凸轮轴正时带轮14也以曲柄轴2的旋转的1/2旋转。进气门凸轮11旋转，而且曲柄轴2每转动一圈进行一次进气门9的打开操作，并且将空气吸入气缸。另外，在凸轮轴正时带轮14旋转时，与之连接的排气门凸轮12旋转。因此，曲柄轴2每转动两圈就进行排气门12的打开操作，并且将空气吸入气缸。用来测量吸入空气量的空气流量传感器17、涡轮增压器、和废气再循环阀门(EGR)19设置在位于进气门9的上游位置处的进气系统16中。
图2显示出在图1所示的普通四冲程柴油发动机中的进气门9和排气门10的打开—关闭正时。排气门10在(负)180度的曲柄角(CA)处、于排气冲程开始时打开。该正时被称为EVO(排气门打开正时)。排气门10在排气冲程结束时关闭。该正时被称为EVC(排气门关闭正时)。进气门10在进气冲程开始时在靠近0度的曲柄角的位置处打开，并且在靠近与吸气冲程结束相对应的BDC附近关闭。前一正时被称为IVO(进气门打开正时)，而后一正时被称为IVC(进气门关闭正时)。在大约压缩冲程结束时自点火产生于TDC(上止点)之前的位置。如果IVC设定为比BDC更早(比BDC更提前的角度)，则充入到气缸中的气体量减少，并且降低了有效压缩比。另外，如果IVC比BDC(下止点)更晚(延迟)，则充入到气缸中的气体再次返回到进气系统16，在气缸内的充入气的量减少，并且降低了有效压缩比。
在二冲程发动机的情况中，如图3所示，一个循环经过360度(一圈)结束。因此，在180度的曲柄角期间，进行与四冲程对应的吸气冲程和压缩冲程。在下一个180度处，进行膨胀冲程和排气冲程。在TDC之前进行自点火。由于进气门9和排气门10的打开操作每圈进行一次，所以凸轮轴正时带轮14如图1所示那样以与曲柄轴2相同的转速驱动。在四冲程发动机的情况下的这些元件可以适用于在二冲程发动机的情况下的其它元件。如果IVC逼近BDC，则空气混合燃料在其中气体量很多的状态下被压缩并且有效压缩比变得更高。另外，如果IVC相对于BDC延迟，则在进气系统中的压力恒定的情况下充入在发动机气缸中的气体量减少并且有效压缩比降低。图4显示出在进行发动机启动时的ECU6的控制操作。在启动发动机1时，即，在从曲柄角传感器5的信号得出的发动机速度为零时、或者从由冷却剂(水)温度传感器15输出的信号得出的发动机温度低于40°时，控制单元(ECU)6确定发动机1处于低温启动(冷启动)，并且按照其中IVC变为处于接近BDC的状态中并且使有效压缩比提高的模式驱动发动机1。在发动机1的转速等于或高于500rpm时，控制单元(ECU)6确定发动机启动完成，并且使IVC比BDC延迟一相位角Δ。在四冲程发动机的情况下，通过使IVC比BDC提前，可以减小有效压缩比。在发动机停止的情况下，推测出将IVC设定为BDC的情况、以及在点火开关键接通的同时控制IVC到达BDC的情况。因此，在图4中的步骤83、84和86中，以VTC相位传感器200的信号为基础进行相位角Δ的检测和控制。在IVC在发动机停止期间已经被设定为BDC的情况下，在图4中的步骤83中只检测IVC的位置，并且直接进入起动器接通。在发动机转速升高时，在步骤86中使IVC只延迟相位角Δ。在发动机停止期间没有将IVC设定为BDC的情况下，在步骤83中进行控制操作，以使IVC大致等于BDC。根据来自空气流量传感器17的表示吸入空气的流量的信号和发动机1的转动信号，控制通过燃油喷射阀4喷射的燃料量。另外，考虑到废气再循环(EGR)阀门19和涡轮增压装置18的状态，确定出燃料量和燃料喷射正时。当然，进气门9的IVC的变化导致需要改变燃油喷射量(燃料量)和燃料喷射正时。因此，将VTC相位传感器200的信号输入给ECU6。根据VTC的相位、即IVC的位置来改变燃料喷射量。如图5所示，在柴油发动机的一个冲程的喷射期间，通过将燃料喷射划分为引燃喷射、前喷射、主喷射、副喷射和后继喷射来喷射燃料。该喷射形式根据驱动状态而变化。在图4的流程图中的步骤85处，将燃料喷射形式作为IVC的函数。IVC的变化直接反应在燃料喷射形式(燃料喷射量和喷射燃料的次数)上。
图6显示出在上述图4中的步骤83、84和86中执行的进气门VTC(可变正时控制机构)的分解透视图。该VTC为电控液压式。其上安装有进气门凸轮11的进气门凸轮轴20由中央螺栓21安装在液压叶片主框架22上。液压叶片主框架22装在液压外壳23内并且由前罩24密封。四个叶片安装在液压叶片主框架22内。通过向各个叶片的一个侧面施加液压力，可以在液压外壳23内改变液压叶片主框架22和液压外壳23的相位。在发动机驱动期间可以根据液压主框架22和液压外壳23的相位差来改变IVC。在这种情况下，可以同时改变IVO。
在叶片部分的侧面(四个位置)和液压外壳23的止动面(四个位置)之间布置有总共八个、位于四个位置的两排偏压弹簧25。这些偏压弹簧25沿着顺时针方向、即沿着凸轮轴22前进的方向偏压液压叶片主框架22。前罩24通过四个紧固螺栓107固定在液压外壳23上。在前罩24上设有观察孔(inspiration hole)150。在图6、7A、7B和7C中，通过提前角液压通道32、延迟角液压通道33、一提前角液压孔106和一延迟角液压孔107将油提供到提前角液压腔室30和延迟角液压腔室31中。这些提前角度液压通道32和延迟角度液压通道33布置在图6中所示的进气门凸轮轴20内。借助用来将润滑油提供给发动机1的油泵，经由提前角液压沟槽34和延迟角液压沟槽35从外面提供油(润滑油)。提前角液压沟槽34和延迟角液压沟槽35布置在凸轮轴颈轴承108的一部分内。在进气门凸轮轴20的顶端上设有中央螺栓拧紧螺纹孔140。该液压活塞110可以配合到凸轮轴正时带轮14的支座111中。在将液压活塞110装配到支座111中时，将叶片主框架22固定在凸轮轴正时带轮14上并采取与凸轮轴正时带轮14相同的操作。在作用在叶片主框架22上的液压在例如发动机启动期间不充分时，进行该固定操作，从而可以防止叶片主框架22振动。该配合的这个位置被设定在这样一个位置处，即，如图6所示，该IVC大致等于BDC。在发动机1开始转动时，作用在叶片主框架22上的液压变高。这时，利用从提前角液压孔106和延迟角液压孔107提供的润滑油使液压活塞110朝着克服活塞回复弹簧112解除所述配合的方向运动。这解除了在叶片主框架22和凸轮轴正时带轮14之间的连接，从而通过普通的液压机构来控制叶片主框架22。
在图6中，可以加入用于使叶片主框架22与前罩24联接的偏压扭簧120。设置在液压外壳23内的偏压弹簧25的位置与配置偏压弹簧120的位置不同。因此，这些弹簧25、120实际上不会相互干扰，从而可以形成较大的偏压力an。从图6中可以了解，位于偏压扭簧120两端的钩子分别插入到安装在前罩24上的扭簧钩子插入孔122和设在叶片主框架22上的扭簧钩子插入孔121中。该偏压扭簧120沿着顺时针方向、即沿着提前角方向偏压进气门凸轮轴20。在图7A、7B和7C中，液压外壳23被发动机1经由凸轮轴正时带轮132和正时链条131驱动。在四冲程发动机的情况下，曲柄轴2每转动一圈，液压外壳23转动半圈。在二冲程发动机的情况下，曲柄轴2每转动一圈，液压外壳23也转动一圈。通过提前角液压通道32和延迟角液压通道33将油提供到提前角液压腔室30和延迟角液压腔室31中。这时，在提前角液压腔室30内的液压与在延迟角液压腔室31内的液压相同、或者大于在延迟角液压腔室内的液压的情况下，该油填充在提前角液压腔室30内。因此，叶片主框架22变为在图7B中所示的状态，并且以比凸轮轴正时带轮14的转动(曲柄角：CA)更早的正时(最大提前角度)进行IVO和IVC的操作。在液压没有作用在提前角液压腔室30和延迟角液压腔室31上的情况下，偏压弹簧25在图7B中所示的提前角位置处自动地控制IVO和IVC。另一方面，在延迟角液压腔室31内的液压充分高于在提前角液压腔室30内的液压的情况下，油填充在延迟角液压腔室31内，并且在液压叶片主框架22内的状态如图7C中所示。因此，IVO和IVC的操作为这样一种状态，其中，IVO和IVC最大延迟(最大延迟角)。因此，在提前角液压腔室30上设置偏压弹簧25允许在没有任何液压力作用时将IVC自动设定在最大提前角状态(例如，BDC)。作为偏压弹簧15的替代方案，可以包括伸展式盘簧和板状弹簧。另外，偏压扭簧120也可以在没有液压作用时自动地将IVC设定在最大提前角状态(例如BDC)。
上述油流受到图8A、8B和8C中所示的油控制阀39的控制。油控制阀39包括螺线管部分40、滑柱部分41和滑柱偏压弹簧42。在图8A、8B和8C中，符号4表示提前角液压通道32，并且符号R表示延迟角液压通道33。来自图1中所示的ECU6的信号被输入给螺线管部分40。在图8A中，在如图8A所示根据来自ECU6的信号安置滑柱部分41时，在提前角液压通道32中的液压力变得更高，并且在延迟角液压通道33内的压力降低。因此，叶片主框架22朝着提前角侧运动。滑柱部分41其实际(稳定位置)状态为在图8A中所示的状态。因此，IVC的事实状态为BDC(最大提前角)。也就是说，使IVC大致等于BDC。在滑柱部分41克服滑柱偏压弹簧42处于在图8B中所示的状态时，提前角液压通道32的压力减小，并且延迟角液压通道33的液压增大，从而叶片主框架22在延迟角侧中转动。如图8C所示，在滑柱部分41保持在中间位置时，提前角液压通道32和延迟角液压通道33关闭。叶片主框架22保持在预定位置。也就是说，IVC保持在位于最大延迟角状态和最大提前角状态之间的任意位置处。这些控制为由ECU6根据VTC相位传感器200的输出进行的闭环控制。
如上所述，油控制阀39的螺线管部分40控制滑柱41的位置。因此，如图9所示，可以在其中IVC逼近BDC的最大提前角位置的状态中将进气门9的打开间隔控制为其中IVC比BDC延迟(在曲柄角中大约为40度)的最大延迟角度位置的状态。这时，同时改变IVO。通过使IVC逼近BDC，减小了有效压缩比并且降低了发动机1的机械摩擦损失。因此，可以减小在发动机启动之后的燃料消耗。另外，有效压缩比的降低能够抑制在燃烧温度中的过度升高。因此，可以减少NOX排放。在上述实施方案中，在实际的状态中，滑柱部分偏压弹簧42使延迟角液压通道33向大气压开放。因此，偏压弹簧25使得液压叶片主框架22在实际的状态中处于最大提前状态中。因此，在发动机1停止期间，最大提前角状态可以自动设定，即处于其中IVC大致等于BDC的状态中。可以在压缩比高的情况下启动发动机1。因此，与其中没有设置任何机械偏压部分的情况相比，可以明显改善发动机启动的可靠性。在螺线管部分40出现故障并且不能进行油控制阀39的操作的情况下，最低确保其中IVC大致等于BDC的状态。因此，虽然增大了油耗，但是发动机1能够稳定地燃烧燃料。在不存在偏压部分的情况中，IVC不总是大致等于BDC，并且难以保证高可靠性的启动。
如果油控制阀39出现故障，例如当螺线管部分40由于其固定到其壁上(所谓的螺线管部分40粘附或螺线管部分40附着)上而不工作并且滑柱部分41处于图8B的状态中时，液压试图使得IVC被控制向延迟角侧。但是，在根据本发明的可变操作气门系统的这个实施方案中，偏压弹簧25使得叶片主框架22被转向提前角侧，从而使IV朝着提前角侧运动。因此，避免了IVC朝着延迟角侧运动，从而使IVC保持在提前角侧处。因此，可以增大有效压缩比，并且可以确保发动机的可启动性(启动特征)。尤其是，当按照试图使凸轮轴20朝着延迟角方向运动的力矩大于试图使进气门凸轮轴20朝着延迟角方向运动的力矩的方式设定在发动机启动的摇转期间产生的液压时，可以提升能够预期精确操作的优点。即使在油控制阀39由于其故障而处于在图8A中所示的提前角状态中的情况下，并且即使在其中由于在液压系统中的故障和响应延迟而没有将足够的液压提供给叶片主框架22的情况下，偏压弹簧25通过叶片主框架22仍将IVC强制保持在最大提前角状态，并且可以确保启动特征。另外，在发动机启动期间，在油控制阀29的故障使得液压状态处于在图8C中所示的保持控制状态中时，在该实施方案中，作用在叶片主框架22上的偏压弹簧25使得用于IVC的叶片主框架22处于提前状态。因此，可以确保令人满意的启动特征。将每个偏压弹簧25的扭矩设定为2Nm至3Nm，这可以克服进气门凸轮轴20的可变操作气门力矩。每个偏压弹簧25的长度例如为5cm，并且其力例如为1至2Kg。如果设定了更大的扭矩，则可以确保更大的益处。
即使使IVC比BDC更早(更提前)也能够减小有效压缩比。由于进气门9在吸气冲程的中途关闭，所以减少了充入空气的量并且减小了有效压缩比。图10显示出在利用上述操作原理来构成根据本发明第二实施方案的情况中进气门9的IVO和IVC正时。在最大延迟角侧的情况下，IVC逼近BDC。在最大提前角侧的情况下，IVC比BDC更提前。在发动机1的启动期间，将IVC控制为逼近BDC，提高了有效压缩比，并且确保了启动特性。在发动机1的启动结束时，将IVC控制到最大提前角度位置，并且IVC比BDC更提前。因此，由于进气门9在吸气冲程期间被关闭，所以减小了充入气体的量，提高了有效压缩比，减少了摩擦损失，并且降低了燃料消耗。在该情况下，由于在实际的状态中，IVC大致等于BDC，如图11所示一样，按照叶片主框架22沿着叶片顺时针方向变为最大延迟角度侧的方式安装偏压弹簧25。油控制阀39的操作与在图7A至7C中所示的第一实施方案的情况相同。但是，提前角侧液压通道(A)与延迟角侧液压通道(B)相反。也就是说，在发动机1的启动期间，VTC处于在图7A中所示的状态，并且IVC大致等于BDC。
这时，由于IVO在TDC之后的正时处延迟，穿过进气门9的空气被迅速排出，从而加强了气流。由于促进了燃料喷射，所以能够更加加强发动机启动特性。在发动机1的启动结束时，控制阀39的操作使得叶片主框架22被控制在最大提前角的状态。因此，IVC比BDC更提前。因此，降低了有效压缩比，并且能够实现低燃料消耗的驱动。
下面将主要参照图12对可变操作气门系统的第三个优选实施方案进行说明。图12显示出用来保证在发动机停止后的随后的启动期间的启动特征的控制功能的控制流程。也就是说，在图12的步骤91′中，控制单元6确定点火钥匙(开关)是否关掉。如果点火钥匙开关91′被关掉(是)，则该程序转到步骤91。在步骤91中，控制单元6发送用于油控制阀39的信号，以使IVC朝着BDC运动(在图7A中所示的实施方案的情况中，发出信号以便使IVC朝着提前角侧运动，并且在图11所示的实施方案中，发出信号以便使IVC朝着延迟角侧运动)。在步骤S92中，控制单元6经由VTC相位传感器200检测实际IVC。然后，在步骤S92＇，控制单元6确定IVC是否朝着BDC运动。如果实际IVC在步骤92′中没有朝着BDC运动(否)，则该程序转到步骤92″。在步骤92″中，控制单元6确定是否经过了预定时间。如果没有经过(否)，则程序返回到步骤91。如果在步骤92″中经过了预定时间(是)或者如果IVC在步骤92′大致等于BDC(是)，则控制单元6发出发动机停止信号，以停止通过燃油喷射阀4进行燃油喷射，从而停止发动机1的操作。另一方面，如果IVC不是BDC，则该程序返回到步骤91以按照重复控制操作以实现IVC→BDC的方式控制油控制阀39。如果实际IVC由于在油控制阀39中的故障没有再接近BDC，则在经过预定时间(例如，30秒)之后使发动机1强制停止。如上所述，用来将叶片主框架22固定到凸轮轴正时带轮14上的液压(压力)活塞110的配合位置被设定成使IVC大致等于BDC。因此，在确定IVC大致等于BDC的时刻，使发动机1停止。这时，由于油泵的压力降低，所以活塞返回弹簧112(参见图6)的作用使得液压活塞110配合到支座11上，以便将IVC固定成与BDC大致相等。因此，在发动机1的随后启动时，叶片主框架22在IVC大致等于BDC的状态下固定到凸轮轴正时带轮14上。因此，能够避免液压叶片主框架22的波动振动。在步骤93中，即使在发动机1在IVC与BDC分离的状态下停止(在步骤93′中)的情况中，在步骤94中，偏压弹簧25也将叶片主框架22自动地设置在IVC大致等于BDC的位置处。在步骤95中，液压活塞110使得用于IVC的叶片主框架22锁定在BDC的位置处。因此，根据图12的控制操作赋予了高可靠性。在发动机启动期间，在步骤93和94处的操作，在大多数情况中使得IVC处于IVC大致等于BDC的状态中。但是，在液压叶片主框架22的机构已经出现故障的情况中，甚至是偏压弹簧25的作用也经常使得IVC与BDC不同(分离)。如果没有采取任何应对措施，则发动机启动的可靠性降低。因此，可以加入图13中所示的可启动性(启动特性)保证故障保险控制逻辑线路。如果将点火开关接通(在步骤95′为是)并且通过VTC传感器200得知IVC与BDC大为不同(在步骤96′中为是)，则执行在步骤97中的启动特性保证故障保险控制。在该控制中，通过提高施加给电热塞8的电流，促进燃料蒸发。即使降低有效压缩比，仍然存在确保燃烧的方法。存在这样一种方法，其中将电加热器设置在进气系统16中，以预先提高吸入空气的温度。进而，该电加热器加热燃料本身并且促进燃料蒸发。
另外，如图5所示，存在一种改变燃料喷射形式、以在共轨燃料喷射系统中支持发动机启动的有效方法。也就是说，在图13的步骤95′中，控制单元6确定点火钥匙开关是否接通。然后，当在步骤S95′中点火开关接通(是)时，该程序转到步骤96和96′。在步骤96′中，控制单元6确定IVC与BDC的差异是否大。如果IVC大致等于BDC(下止点)，则控制单元6跳过步骤97的控制操作，并且进行在步骤98中的发动机1的普通启动控制(在步骤98中，进行燃料喷射形式的改变)。步骤97的操作引起燃料消耗增大。但是，即使IVC与BDC分离，即，即使由偏压弹簧25进行的控制操作没有在第一时刻按照所期望的方式执行，也能够保证发动机1启动。在该可变操作气门系统中，除了已经改变了相位角的系统之外，如在与2004年3月11日公开的日本专利申请首次公开No.2004-76618中所披露的那样，还存在另一种系统(VEL(可变事件和升程机构))，它连续地改变例如进气门9的升程。下面将对在图14中所示的第四个实施方案中的偏压弹簧的操作进行说明。也就是说，在图14中，每个气缸设置有两个进气门9。这两个进气门9的运动是相同的。在四冲程发动机的情况中，驱动轴202被驱动曲柄轴2的半圈。在二冲程发动机的情况中，驱动轴202被驱动与曲柄轴2相同的圈数。
如图6所示的相位改变部分可以介于驱动轴202和凸轮轴正时带轮14之间。在该情况下，每个进气门9的气门打开—关闭正时(相位)和升程可以被同时并且通用地控制。在根据本发明的实施方案中，可以利用这些元件的组合，或者可以单独利用这些元件。通过偏心凸轮212经由连杆臂216和摇臂203使驱动轴202的旋转转变成输出凸轮204的摆动运动，并且进行进气门9的打开操作。另一个偏心凸轮211设置在摇臂203上。控制轴206的旋转使得摇臂203的支点变化，并且输出凸轮204的升程变化。交换促动器210使得滚珠丝杠轴207旋转。螺母204的运动使得控制轴206旋转。位置传感器215向ECU(控制单元)6的信号输入和用于交换促动器210的闭环控制可以使进气门9以目标升程打开。
在图14中所示的上述实施方案中，将偏压弹簧201加入到上述元件上。在没有力矩作用在交换促动器210上时，该偏压弹簧201使得螺母214朝着在图14中所示的箭头标出的方向运动。如果螺母214沿着箭头标出的方向运动，则控制轴206沿着逆时针方向旋转。该逆时针方向旋转使得控制轴206旋转直到设置在控制轴206顶端的销208与设置在气缸盖上的止动件209接触为止。如由图15中的升程A所示，在其中销208与止动件209接触的状态下，每个进气门9的升程小，并且IVC大致等于BDC。在由在图13中的步骤97的启动特性保证控制(通过VEL的IVC校正)所示那样、VTC相位控制已经出现故障(IVC与下止点BDC分离)的情况下，在整个升程(在图15中所示的升程B)期间的IVC与BDC分离。但是，如果通过VEL使每个进气门9的升程减小，则偏压弹簧201的作用可以将IVC设定为接近BDC。因此，即使在图6所示的VTC(可变正时控制)的功能由于故障而没有进行、从而IVC与BDC分离的情况下，偏压弹簧201也能将IVC强制设定为逼近BDC。在只通过VEL进行的控制中，在升程大时，将升程B(在图15中所示)设定为使IVC相对于BDC延迟。相位控制VTC使得控制处于由虚线所示的正常状态中(在图15中所示的升程C)，其中IVC接近BDC。在没有VTC并且升程过大时，设定在图15中的故障位置(IVC与下止点BDC分离(不一致))。这时，交换促动器210的操作根据发动机1的驱动状况使升程增大、减小(调节)。如果停止交换促动器210的操作，则偏压弹簧201使得IVC在实际状态中大致等于BDC。因此，在单独采用VEL的情况中，有效压缩比增大，并且可以改善发动机1的可启动性(启动特性)。要指出的是，在图13中所述的术语不一致(不同)与脱离(或分离)术语一致。
本申请基于2005年4月26日在日本提交的在先日本专利申请No.2005-127788，其内容通过参照被结合在这里。

Claims (21)

1.一种用于压燃式发动机的可变操作气门系统，包括：
调节机构，该调节机构由控制部分根据发动机驱动状况来进行控制，以使进气门关闭正时与下止点分开；以及
发动机启动保证部分，该发动机启动保证部分即使在控制部分出现故障期间、发动机停止期间、以及发动机启动期间中的至少一种情况下仍能够保证发动机启动。
2.如权利要求1所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述发动机启动保证部分包括安装在所述调节机构中的机械偏压部分，该机械偏压部分在控制部分出现故障期间、发动机停止期间、以及发动机启动期间的至少一种情况下，将调节机构偏压成使得进气门关闭正时逼近下止点附近的位置。
3.如权利要求2所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述调节机构包括用来相对于发动机曲柄角改变进气门打开和关闭相位的相位调节机构、和用于改变进气门升程的升程调节机构中的至少一个。
4.如权利要求3所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述调节机构包括相位调节机构，并且进气门关闭正时的最大提前角位置设定在比进气门关闭正时的最大延迟角位置更靠近下止点的位置，并且机械偏压部分作用在相位调节机构上，以便处于最大提前角位置的状态中。
5.如权利要求3所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述调节机构包括升程调节机构，并且将进气门关闭正时的最大提前角位置设定在比进气门关闭正时的最大延迟角位置更靠近下止点的位置，并且机械偏压部分作用在升程调节机构上，以便处于最大提前角位置的状态中。
6.如权利要求3所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述调节机构包括相位调节机构，并且将进气门关闭正时的最大延迟角位置设定在比进气门关闭正时的最大提前角位置更靠近下止点的位置，并且机械偏压部分作用在相位调节机构上，以便处于最大延迟角位置的状态中。
7.如权利要求3所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述调节机构包括升程调节机构，并且将进气门关闭正时的最大延迟角位置设定在比进气门关闭正时的最大提前角位置更靠近下止点的位置，并且机械偏压部分作用在升程调节机构上，以便处于最大延迟角度位置的状态中。
8.如权利要求1所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述启动保证部分包括控制单元，该控制单元将用于将进气门关闭正时控制在靠近下止点的状态中的信号传送给控制部分，之后，在发动机停止期间输出发动机的停止信号。
9.如权利要求1所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述启动保证具有包括发动机可启动性保证故障保险控制功能，在发动机启动期间，该功能在进气门关闭正时与下止点分开的情况下支持发动机启动。
10.如权利要求1所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述启动保证部分具有控制功能，用来根据在进气门关闭正时位置上的信息来改变燃料喷射形式。
11.如权利要求3所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述相位调节机构包括：进气门凸轮轴，在其上安装有用于进气门的进气门凸轮；液压叶片主框架，其上固定着所述进气门凸轮；凸轮轴正时带轮，它固定在液压外壳上，所述液压叶片框架装在液压外壳内，相对于前罩密封，并且具有四个叶片，对所述叶片每一侧施加液压力以便使得液压叶片主框架和液压外壳的相位改变，在液压叶片主框架和液压外壳之间的相位差使得进气门关闭正时在发动机的通常驱动期间改变；多个偏压弹簧，它们介于所述液压叶片主框架和液压外壳之间，使得进气门关闭正时在发动机的通常驱动期间改变；多个偏压弹簧，它们介于叶片的侧面和液压外壳的止动面之间并沿着提前角方向偏压凸轮轴；至少一个提前角液压腔室和至少一个延迟角液压腔室，两个液压腔室都由液压叶片构件和液压外壳确定，并且从其中经由提前角液压通道、延迟角液压通道、提前角液压孔和延迟角侧液压孔供油；以及液压活塞，它装配到支座上，以便液压叶片主框架固定在凸轮轴正时带轮上，液压叶片主框架的装配位置被设定在进气门关闭正时与下止点大致相等的位置处。
12.如权利要求11所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述相位调节机构还包括偏压弹簧，用来使液压叶片主框架与前罩连接并且沿着提前角方向偏压进气凸轮轴，该偏压扭簧的两个端部的钩子与液压叶片主框架和前罩的扭簧钩子插入孔连接。
13.如权利要求12所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，在提前角液压腔室的液压等于或大于延迟角液压腔室的液压的情况下，在最早的正时处进行相对于凸轮轴正时带轮的旋转的进气门打开和关闭操作。
14.如权利要求12所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，在没有液压作用在提前角液压腔室和延迟角液压腔室两者上的情况中，偏压弹簧自动地控制进气门打开和关闭正时的操作而使其处于最大提前角位置中。
15.如权利要求12所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，在延迟角液压腔室的液压大于提前角液压腔室的情况下，相对于凸轮轴正时带轮的转动的进气门打开和关闭正时的操作，相对于曲柄角处于最大延迟角位置中。
16.如权利要求14所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述偏压弹簧构成机械偏压部分。
17.如权利要求12所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述偏压扭簧构成机械偏压部分。
18.如权利要求12所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，在位于提前角液压通道和延迟角液压通道之间的液压通道中设有油控制阀，该油控制阀包括：与所述控制部分连接的螺线管；滑柱部分；以及滑柱偏压弹簧，该滑柱偏压弹簧通过偏压弹簧使得油控制阀的滑柱部分处于实际状态中，在所述实际状态中，气门关闭正时处于与下止点对应的最大提前角位置处并且液压主框架处于逼近下止点的状态中。
19.如权利要求12所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，在位于提前角液压通道和延迟角液压通道之间的液压通道中设有油控制阀，该油控制阀包括：与所述控制部分连接的螺线管；滑柱部分；以及滑柱偏压弹簧，该滑柱偏压弹簧通过偏压弹簧使得油控制阀的滑柱部分处于实际状态中，在所述实际状态中，气门关闭正时处于与下止点对应的最大延迟角位置处并且液压主框架处于逼近下止点的状态中。
20.如权利要求9所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述可启动性保证故障保险功能包括增加施加给电热塞的电流以促进燃料蒸发的方法。
21.如权利要求3所述的用于压燃式发动机的可变操作气门系统，其特征在于，所述升程调节机构包括：驱动轴，该驱动轴与进气门凸轮正时带轮连接以便与发动机曲柄轴的旋转同步，并且驱动轴的旋转经由连杆臂和摇臂转变成输出凸轮的摆动运动，该输出凸轮的摆动运动经由挺杆进行进气门的打开操作；偏心凸轮，该偏心凸轮设置在摇臂上，并且使控制轴转动以便使摇臂的支点变化，从而改变输出凸轮的升程；以及交换促动器，该交换促动器使得滚珠丝杠轴旋转，并且使螺母运动以使控制轴旋转；以及另一偏压弹簧，所述另一偏压弹簧构成机械偏压部分并且在螺母上运动，以便偏压控制轴使其旋转直到安装在控制轴顶端的销与止动件接触。
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