CN102052111A

CN102052111A - 内燃机的可变气门装置

Info

Publication number: CN102052111A
Application number: CN2010105366887A
Authority: CN
Inventors: 村田真一
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: EP2320034A1; US8635988B2; EP2320034B1; US20110107987A1; KR20110050384A; CN102052111B; JP2011099393A; JP4702574B2; KR101110993B1

Abstract

本发明涉及一种设置有具有开口可变功能的相位可变机构的内燃机的可变气门装置，其中，在预定的泵气损失减少运转相位区，将第二进气凸轮的相位(开口量)控制在进气凸轮轴驱动转矩的转矩变化(转矩振幅)为最小的预定的相位(S1)。

Description

内燃机的可变气门装置

技术领域

本发明涉及一种内燃机的可变气门装置，并且特别地涉及一种用于使进气门和排气门的气门开闭时期最优化的技术。

背景技术

近年来，作为使气门的气门开闭时期(凸轮的相位)变化的可变气门装置，凸轮相位可变机构已经开始装配到越来越多的内燃机(发动机)中。而且，已经开发出一种在每个汽缸内都设置有多个气门的发动机中采用上述凸轮相位可变机构、并且根据内燃机的运转状态使多个气门中的仅仅一些气门的气门开闭时期变化(开口)的技术(日本特开2009-144521号公报)。

如果能够以这种方式使一个汽缸所配有的多个进气门中的仅仅一些气门的气门开闭时期变化，则能够使多个气门连续地开放，从而能够延长进气门的开放时段，实施高自由度的气门控制，可以提高内燃机的运转性能。

通常，在内燃机处于低转速低负荷状态的情况下，优选将进气门关闭时期设定到最大延迟角位置，因为通过使进气门关闭时期延迟角能够减少泵气损失。从这一方面考虑，可以认为，关于进气门的气门关闭时期，优选：将进气门控制在最大延迟角位置。由此，在上述公开中也公开了下述技术，当内燃机处于起动或空载运转时等的低转速低负荷状态时，将多个进气门中开闭时期可变的一方(在本说明书中为两个进气门中的一个)控制在最大延迟角位置。

然而，根据诸发明人的研究，已经确认，特别当内燃机处于热态空载运转状态下的预热后的极低转速低负荷状态时，如果如上所述地将多个进气门中开闭时期可变的一方控制在最大延迟角位置，则虽然能够减少泵气损失，但是反而发生诸如不稳定燃烧或者燃料消耗恶化的现象。在内燃机处于预热后的极低转速低负荷状态时，如果燃烧稳定性和燃料消耗恶化，则尤其是由于空载运转的实施频度高，因此不能实现内燃机的运转性能的提高，因而不优选。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种内燃机的可变气门装置，能够防止内燃机的泵气损失减少运转中的燃烧稳定性和燃料消耗率的恶化，能够提高内燃机的运转性能。

为了达到上述目的，本发明的内燃机的可变气门装置采用下述结构，该内燃机的可变气门装置，在一个汽缸中具有通过第一进气凸轮驱动的第一进气门和通过第二进气凸轮驱动的第二进气门，该内燃机的可变气门装置设置有使所述第二进气凸轮的相位相对于所述第一进气凸轮可变的凸轮相位可变机构，其特征在于：设置有控制所述凸轮相位可变机构的相位可变控制装置；所述凸轮相位可变机构，通过在由管部件形成的外凸轮轴内以可旋转的方式收纳内凸轮轴而构成，其结构为，具有通过所述内燃机的曲柄输出能够驱动的进气轴部件，在所述外凸轮轴的外周部设置有所述第一进气凸轮，并在所述外凸轮轴的轴心附近以可旋转的方式设置有所述第二进气凸轮，通过所述外凸轮轴与所述内凸轮轴的相对位移，使所述第二进气凸轮的相位以所述第一进气凸轮为基准可变；所述凸轮相位可变控制装置根据所述内燃机的运转状态，使所述第二进气凸轮的相位相对于所述第一进气凸轮可变，从而控制在可减少泵气损失的预定的泵气损失减少运转相位区；在所述预定的泵气损失减少运转相位区内，将所述第二进气凸轮的相位设定在使所述进气轴部件的驱动转矩变化为最小的预定的相位。

据此，按照所述外凸轮轴与所述内凸轮轴的相对位移，进气轴部件的转矩变化增减，如果该转矩变化增大，则润滑油的润滑状态容易由流体润滑变为边界润滑，进气轴部件的摩擦容易增大。然而，因为当进行泵气损失减少运转时，为使所述进气轴部件的驱动转矩变化为最小而能够将所述第二进气凸轮的相位控制在预定的相位，所以能够减小进气轴部件的摩擦，从而能够良好地防止伴随燃烧稳定性的恶化而产生的燃料消耗的恶化。

优选：在每个汽缸具有通过排气凸轮驱动的排气门的同时，具有通过所述内燃机的曲柄输出能够驱动的排气轴部件，在该排气轴部件的外周部设置有所述排气凸轮；在所述预定的泵气损失减少运转相位区内，将所述第二进气凸轮12的相位设定在使所述进气轴部件与所述排气轴部件的合成的驱动转矩变化为最小的预定的相位。

据此，按照所述外凸轮轴与所述内凸轮轴的相对位移，进气轴部件的转矩变化增减，准确地讲，进气轴部件的转矩变化应加上排气轴部件的转矩变化，如果该合成的转矩变化增大，则润滑油的润滑状态容易由流体润滑变为边界润滑，进气轴部件的摩擦容易增大。然而，因为当进行泵气损失减少运转时，能够为使所述进气轴部件与所述排气轴部件的合成的驱动转矩变化为最小而将所述第二进气凸轮的相位控制在预定的相位，所以能够减小进气轴部件及排气轴部件的摩擦，从而能够更加良好地防止燃料消耗的恶化。

另外，优选：所述凸轮相位可变控制装置，当所述内燃机的运转处于预定的极低转速低负荷区时，将所述第二进气凸轮的相位控制在所述预定的相位。

据此，因为特别当内燃机的运转处于预定的极低转速低负荷区时，例如当内燃机进行热态空载运转时，能够为使所述进气轴部件的驱动转矩变化或所述进气轴部件与所述排气轴部件的合成的驱动转矩变化为最小而将所述第二进气凸轮的相位控制在预定的相位，所以特别当发动机进行实施频度较高的热态空载运转时，能够减小进气轴部件的摩擦或者进气轴部件及排气轴部件的摩擦，从而能够良好地防止燃料消耗的恶化。

附图说明

根据以下给出的详细说明和附图，能够充分理解本发明。这些详细说明和附图仅以例证的方式给出，因而不应成为本发明的限制。其中：

图1示出了根据本发明的内燃机的可变气门装置的概略构造图；

图2示出了用于实施第一凸轮相位可变机构和第二凸轮相位可变机构的操作控制的图；

图3示出了在低转速低负荷区域执行操作控制时的发动机的曲柄转动角与第一进气门、第二进气门和排气门的气门升程量之间的关系；

图4为斯特里贝克曲线图；

图5示出了第一进气门和第二进气门的开口量与施加于进气凸轮轴的驱动转矩之间的关系；以及

图6示出了第一进气门和第二进气门的开口量与施加于进气凸轮轴和排气凸轮轴的驱动转矩之间的关系。

具体实施方式

以下，根据附图，将描述本发明的一个实施例。

图1概略地示出了根据本发明的内燃机的可变气门装置的构造。更具体地，图1为显示发动机1的汽缸盖2内的结构的俯视图。

发动机1，例如为具有DOHC式的气门机构的直列四汽缸的发动机。如图1所示，在以可自由旋转的方式支撑于汽缸盖2的内部的排气凸轮轴3和进气凸轮轴4上，分别安装有凸轮链轮5、6。该凸轮链轮5、6通过链条7与未示出的曲柄轴连结。

在发动机1的每一个汽缸8上，设置有两个进气门9、10和两个排气门14、14。通过交替地设置在进气凸轮轴4上的第一进气凸轮11和第二进气凸轮12来驱动两个进气门9、10。具体而言，两个进气门中，第一进气门9由第一进气凸轮11驱动，第二进气门10由第二进气凸轮12驱动。另一方面，通过固定于排气凸轮轴3上的各排气凸轮13来驱动两个排气门14、14。

进气凸轮轴4是一种具备中空状的外凸轮轴和***该外凸轮轴的内凸轮轴的双重结构。在发动机1的汽缸盖2上，形成有多个凸轮轴颈23。在该多个凸轮轴颈23上，以可旋转的方式支撑有外凸轮轴和内凸轮轴，该外凸轮轴和内凸轮轴具有细微的间隙且呈同心状地布置。

每个第一进气凸轮11都固定于外凸轮轴上。另外，在外凸轮轴上，以可旋转的方式支撑有第二进气凸轮12，该第二进气凸轮12和内凸轮轴通过固定销固定，该固定销贯通于沿外凸轮轴的周向伸长的长孔。据此，通过外凸轮轴的旋转，驱动第一进气凸轮11；通过内凸轮轴的旋转，驱动第二进气凸轮12。

在进气凸轮轴4上，设置有第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构(本发明的“凸轮相位可变机构”)31。每个第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31都由例如公知的叶片式液压动力传动装置所形成。该叶片式液压动力传动装置由可旋转地设置在圆筒状的外壳(外罩)内的叶片转子而构成，并且具有下述功能，按照从液压装置50经过电磁液压阀52、54向外壳内供给的工作油量、即外壳内的工作油压，使叶片相对于外壳的旋转角可变。

在进气凸轮轴4的前端，设置有第一凸轮相位可变机构30；在第一凸轮相位可变机构30的外壳上，固定有凸轮链轮6；在第一凸轮相位可变机构30的叶片转子上，固定有上述外凸轮轴。

在进气凸轮轴4的后端，设置有第二凸轮相位可变机构31；在第二凸轮相位可变机构31的外壳上，固定有外凸轮轴；在第二凸轮相位可变机构31的叶片转子上，固定有内凸轮轴。

通过这种结构，第一凸轮相位可变机构30具有使外凸轮轴相对于凸轮链轮6的旋转角可变的功能，另一方面，第二凸轮相位可变机构31具有使内凸轮轴相对于外凸轮轴的旋转角可变的功能。即，第一凸轮相位可变机构30具有使第一进气门9与第二进气门10整体的气门开闭时期相对于排气门14的气门开闭时期可变的功能，而第二凸轮相位可变机构31具有使第一进气门9的气门开闭时期与第二进气门10的气门开闭时期之间的相位差(开口量)可变的开口可变功能。

在汽缸盖2上，安装有用于检测外凸轮轴的实际旋转角的第一凸轮传感器32。根据来自该第一凸轮传感器32的信息，能够通过调整电磁液压阀52的开度来实施第一凸轮相位可变机构30的操作控制。

进气凸轮轴4的后端贯穿汽缸盖2的后壁2a，第二凸轮相位可变机构31配置于汽缸盖2的外部，并覆盖有致动器盖40。

在致动器盖40上，安装有用于检测第二凸轮相位可变机构31的叶片转子的旋转时刻、从而检测内凸轮轴的实际旋转角的第二凸轮传感器45。

由此，根据来自第二凸轮传感器45的信息和来自第一凸轮传感器32的信息，能够测出内凸轮轴与外凸轮轴之间的实际旋转角差，并且根据该实际旋转角差，通过调整电磁液压阀54的开度，能够实施第二凸轮相位可变机构31的操作控制。

电子控制装置(ECU)60，是实施发动机1的各种控制的控制装置，由CPU、存储器等构成。在电子控制装置60的输入侧，除连接有上述第一凸轮传感器32、第二凸轮传感器45以外，还连接有用于测出发动机1的油门开度的油门开度传感器(APS)62、以及用于检测发动机1的曲柄转动角的曲柄转动角传感器64等的各种传感器类。另外，在电子控制装置60的输出侧，连接有上述电磁液压阀52、54等的各种设备类。另外，根据通过油门开度传感器62测出的油门开度信息，能够测出发动机负荷；根据通过曲柄转动角传感器64测出的曲柄转动角信息，能够测出发动机转速Ne。

以下，将描述如上述所构成的根据本发明的内燃机的可变气门装置的作用。

根据图2所示的图，电子控制装置60(相位可变控制装置)，按照发动机1的运转状态、即发动机负荷和发动机转速Ne，实施第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31的操作控制。

如图2的图所示，根据发动机1的划分的运转区域来实施第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31的操作控制，即，发动机1的起动和预热运转区域X；发动机负荷和发动机转速Ne均小的低转速低负荷运转区域A；发动机负荷大而发动机转速Ne小的低转速高负荷区域B；发动机转速Ne大的高转速区域C。

首先，在与发动机1的起动和预热运转对应的区域X，因为没有来自液压装置50的充分的油压供给，所以通过用锁定销保持相位，将第一凸轮相位可变机构30(图中以“第一VVT”表示)固定在最大延迟角位置，将第二凸轮相位可变机构31(图中以“第二VVT”表示)固定在最大提前角位置。

在区域A中，与位于上述区域X的发动机1的起动和预热时不同，基于由油门开度传感器62测出的油门开度信息，将第一凸轮相位可变机构30控制在最大延迟角位置，将第二凸轮相位可变机构31控制在任意的相位。具体而言，在发动机转速Ne大于或等于给定值N0且小于给定值N1的情况下，因为来自控制性液压装置50的油压供给少，所以第一凸轮相位可变机构30与第二凸轮相位可变机构31相比、相位可变的气门的数量少的第二凸轮相位可变机构31能够获得较高的控制性。通过用止动销保持相位，或者通过液压，将第一凸轮相位可变机构30控制在最大延迟角位置，将第二凸轮相位可变机构31控制在任意的相位。另外，即使在发动机负荷小于给定值L1且发动机转速Ne大于等于给定值N1小于给定值N2的情况下，也将第一凸轮相位可变机构30控制在最大延迟角位置，将第二凸轮相位可变机构31控制在任意的相位。

在区域B中，将第一凸轮相位可变机构30控制在任意延迟角位置，将第二凸轮相位可变机构31控制在最大提前角位置。具体而言，根据来自油门开度传感器62测出的油门开度信息，在发动机负荷大于等于给定值L1且发动机转速Ne大于等于给定值N1小于给定值N2的情况下，将第一凸轮相位可变机构30控制在任意延迟角位置，将第二凸轮相位可变机构31控制在最大提前角位置。

在区域C中，与在上述区域X的情况同样，将第一凸轮相位可变机构30控制在最大延迟角位置，而将第二凸轮相位可变机构31控制在最大提前角位置。具体而言，在发动机转速Ne大于或等于给定值N2的情况下，将第一凸轮相位可变机构30控制在最大延迟角位置，将第二凸轮相位可变机构31控制在最大提前角位置。

即，在发动机负荷和发动机转速Ne均小的区域A，要将第一凸轮相位可变机构30固定在最大延迟角位置而优先地控制第二凸轮相位可变机构31；在发动机负荷大且发动机转速Ne小的区域B，要将第二凸轮相位可变机构31固定在最大提前角位置而优先地控制第一凸轮相位可变机构30；在发动机转速Ne大的区域C，要将第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31分别固定在最大延迟角位置、最大提前角位置。

如果如上所述地固定第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31的至少任一方而控制另一方，则能够不同时提供工作油压给第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31的双方而限定于第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31的至少一方。即使在区域A、B、C中任一区域，也能够抑制工作油压的供给的变动的发生，从而第一凸轮相位可变机构30和第二凸轮相位可变机构31二者均被稳定且高精度地控制。

据此，能够使第一进气门9和第二进气门10连续、平滑且自由地操作而延长气门开放期间，就发动机1而言，能够在精密控制进气歧管压和排气歧管压的同时良好地减少泵气损失，从而能够使得发动机输出的提高和燃料消耗的降低。

此外，在发动机负荷和发动机转速Ne均小的区域A，对于第二凸轮相位可变机构31，在其区域中心部分，将其控制在最大延迟角位置，另一方面，在区域A的外周部分，如向视图所示越远离中心部分越要使角延迟，因而要将第二凸轮相位可变机构31控制在任意延迟角位置。

另外，如在图2中用虚线所示的那样，区域A进一步地划分为发动机负荷和发动机转速Ne均极小的区域A1和区域A1以外的区域A2，区域A1显示包括热态空载运转区在内的、预热后的极低转速低负荷区(预定的极低转速低负荷区)，而区域A2显示通常的低转速低负荷区。

因为区域A1的极低转速低负荷区位于远离区域A的中心部分的、区域A的外周部分，所以在作为该极低转速低负荷区的区域A1中，如上所述，将第一凸轮相位可变机构30控制在最大延迟角位置，另一方面，将第二凸轮相位可变机构31控制在其中泵气损失良好减少的泵气损失减少运转相位区(预定的泵气损失减少运转相位区，例如开口量为20°至90°的范围)内任意的延迟角位置。

在此，参考图3，图3显示有操作控制在上述区域A实施的场合的发动机1的曲柄转动角与第一进气门9、第二进气门10和排气门14的气门升程量之间的关系。(a)显示下述情况，例如，与位于区域X的发动机1的起动及预热时同样，将第二凸轮相位可变机构31控制在最大提前角位置而将第一进气门9和第二进气门10的气门关闭时期控制在提前角侧。通过提高实际压缩比来提高点火性能以及燃烧稳定性。另外，(b)显示下述情况，在区域A1的极低转速低负荷区，将第二凸轮相位可变机构31控制在泵气损失减少运转相位区内任意的延迟角位置，在通过延迟角进气门的气门关闭时期减少泵气损失的同时，借助于因第一进气门和第二进气门的气门开放时期的不同而产生的缸内流动强化和因进气门的气门关闭时期的实际压缩比的平衡，提高燃烧稳定性，从而降低燃料消耗。另外，(c)显示下述情况，在区域A2中区域A的中心部分，将第二凸轮相位可变机构31控制在最大延迟角位置而将第一进气门9的开闭时期和第二进气门10的开闭时期的相位差即开口量扩大到最大限度，使因进气门的气门关闭时期的延迟而形成的实际压缩比最大程度地降低，泵气损失最大程度地降低，增进缸内流动强化，降低燃料消耗。

在区域A1的极低转速低负荷区，将第二凸轮相位可变机构31如此控制在泵气损失减少运转相位区任意的延迟角位置，其根据为下述已经确认的情况，即，如果在极低转速低负荷区，将第二凸轮相位可变机构31控制在最大延迟角位置而将第一进气门9和第二进气门10的开口量扩大到最大限度，则反而存在一种降低燃烧稳定性恶化以及与其伴随的燃料消耗恶化的倾向。

经考察已知，即使在泵气损失减少运转相位区，一旦将第二凸轮相位可变机构31控制在最大延迟角位置，燃料消耗就恶化，其根源在于，因进气凸轮轴4和进气门9、10上的润滑油的润滑状态的变化而导致的摩擦增大。以下，对此加以说明。

参考图4，图4为显示润滑油的粘度、滑动速度、变动载荷{(粘度)×(滑动速度)/(变动载荷)}与润滑状态的关系的所谓斯特里贝克曲线图。根据该图4可知，润滑油粘度越小，滑动速度越小，变动载荷越大，润滑状态越容易由流体润滑变为混合润滑或边界润滑，摩擦系数μ变得越大。

另一方面，在极低转速低负荷区，当驱动进气凸轮轴4时，产生变动载荷。在显示进气凸轮轴驱动转矩的图5，显示了第一进气门9和第二进气门10的开口量与施加于进气凸轮轴4的驱动转矩的振幅中最大转矩值(实线)和最小转矩值(虚线)，根据该图可知，在位置S1(预定的相位)，进气凸轮轴4的驱动转矩振幅、即变动载荷为最小。

即，根据上述图4，就开口量为上述位置S1的情况而言，驱动进气凸轮轴4的转矩变动载荷最小，容易确保流体润滑，保持较小的摩擦系数μ。即，在驱动凸轮的链条等的传动***本身的滑动部上发生效力的最大载荷减小，另外，在通过传动***连接的轴的轴承上发生效力的最大载荷也减小，驱动摩擦变小，从而防止燃料消耗的恶化。

这样，在极低转速低负荷区，在泵气损失减少运转相位区，通过将第二凸轮相位可变机构31如上所述地控制在驱动摩擦小且燃料消耗变得最低的位置S1，能够实现发动机1的低燃料消耗。

另外，在此，虽然仅考虑了施加于进气凸轮轴4的驱动转矩，但是也可考虑施加于排气凸轮轴3和进气凸轮轴4的合成的驱动转矩。

即，在显示进气/排气凸轮轴驱动转矩的图6，第一进气门9和第二进气门10的开口量与施加于排气凸轮轴3和进气凸轮轴4的合成的驱动转矩之间的关系，与图5同样，以最大转矩值(实线)和最小转矩值(虚线)表示。根据该图可知，在位置S1’(预定的相位)，排气凸轮轴3和进气凸轮轴4的驱动转矩振幅、即变动载荷为最小。

由此，在极低转速低负荷区，在泵气损失减少运转相位区，通过将第二凸轮相位可变机构31如上所述地控制在气门驱动摩擦小且燃料消耗变得最低的位置S1’，也能够实现发动机1的低燃料消耗。

虽然以上完成了本发明涉及的内燃机的可变气门装置的说明，但是本发明不限于上述实施例。

例如，在上述实施例，除了设置有使第一进气门9的气门开闭时期与第二进气门10的气门开闭时期的相位差(开口量)可变的第二凸轮相位可变机构31以外，还设置有使第一进气门9与第二进气门10全体的气门开闭时期可变的第一凸轮相位可变机构30。然而，即使是仅设置有第二凸轮相位可变机构31的发动机，也能够良好地适用本发明。

另外，在上述实施例中，说明了发动机1为具有DOHC式的气门机构的直列四汽缸的发动机的情况，然而，如果是具有DOHC式的气门机构的发动机，则发动机1不限于直列汽缸，也可以是V型汽缸，另外，关于汽缸数，也不限于四汽缸。

Claims

1.一种内燃机的可变气门装置，在一个汽缸(8)中具有通过第一进气凸轮(11)驱动的第一进气门(9)和通过第二进气凸轮(12)驱动的第二进气门(10)，该内燃机的可变气门装置设置有使所述第二进气凸轮的相位相对于所述第一进气凸轮可变的凸轮相位可变机构(31)，其特征在于：

设置有控制所述凸轮相位可变机构的相位可变控制装置(60)；

所述凸轮相位可变机构，通过在由管部件形成的外凸轮轴内以可旋转的方式收纳内凸轮轴而构成，其结构为，具有通过所述内燃机(1)的曲柄输出能够驱动的进气轴部件，在所述外凸轮轴的外周部设置有所述第一进气凸轮，并在所述外凸轮轴的轴心附近以可旋转的方式设置有所述第二进气凸轮，通过所述外凸轮轴与所述内凸轮轴的相对位移，使所述第二进气凸轮的相位以所述第一进气凸轮为基准可变；

所述凸轮相位可变控制装置根据所述内燃机的运转状态，使所述第二进气凸轮的相位相对于所述第一进气凸轮可变，从而控制在可减少泵气损失的预定的泵气损失减少运转相位区内；

在所述预定的泵气损失减少运转相位区内，将所述第二进气凸轮的相位设定在使所述进气轴部件的驱动转矩变化为最小的预定的相位。

2.根据权利要求1所述的内燃机的可变气门装置，其特征在于：

另外，在每个汽缸(8)具有通过排气凸轮(13)驱动的排气门(14)的同时，具有通过所述内燃机(1)的曲柄输出能够驱动的排气轴部件，在该排气轴部件的外周部设置有所述排气凸轮；

在所述预定的泵气损失减少运转相位区内，将所述第二进气凸轮(12)的相位设定在使所述进气轴部件与所述排气轴部件的合成的驱动转矩变化为最小的预定的相位。

3.根据权利要求1所述的内燃机的可变气门装置，其特征在于：

所述相位可变控制装置(60)，当所述内燃机(1)的运转处于预定的极低转速低负荷区时，将所述第二进气凸轮(12)的相位控制在所述预定的相位。