用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統及其操作方法
【專利摘要】提供了一種用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統，該發(fā)動機具有至少一個帶有至少一組至少兩個閥門(12，17，14，19)的汽缸。該組中的所有閥門為進氣閥門或排氣閥門，并且該系統被配置為用于有選擇地以單閥門操作模式操作該組閥門，在該單閥門操作模式的過程中該組中僅一個閥門在任何時刻都是打開的。
【專利說明】用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統及其操作方法發(fā)明領域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統，該發(fā)動機具有多個帶有至少兩個進氣閥門和/或至少兩個排氣閥門的汽缸。更具體地，關注的是改善具有能夠獨立于發(fā)動機曲軸的旋轉而被致動的多個閥門的發(fā)動機的效率和壽命。
[0002]發(fā)明背景
[0003]通過旋轉的凸輪軸來操作內燃發(fā)動機的進氣閥門和排氣閥門是眾所周知的。在很多較老的發(fā)動機設計中，凸輪軸的旋轉機械地偶聯至曲軸的旋轉，并且更改與發(fā)動機的速度或負載有關的閥門正時是不可能的。然而，關于對發(fā)動機的要求來改變閥門操作可以實現更高的效率。
[0004]為了提供對于閥門致動的更好控制，已經提出通過使用由計算機控制的發(fā)動機管理系統所掌控的電磁螺線管致動器來操作這些閥門。WO 2004/097184中描述了一種替代性解決方案。該解決方案涉及一種具有通過適合的連接系與閥門相聯接的從動轉子的電磁致動器。
[0005]發(fā)明概述
[0006]本發(fā)明提供了一種用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統，該發(fā)動機具有至少一個帶有至少一組至少兩個閥門的汽缸，并且該組中的所有閥門為進氣閥門或排氣閥門，其中該系統被配置為用于有選擇地以單閥門操作模式操作該組閥門，在該單閥門操作模式過程中該組中的僅一個閥門在任何時刻都是打開的。
[0007]因此，在單閥門操作模式操作的一個周期中，如果該組中具有僅兩個閥門，該組中的這兩個閥門中的僅一個在任何一個時刻是打開的，或者這些閥門中的另一個在任何一個時刻是打開的。
[0008]已經確定，對于相當大一部分的燃燒發(fā)動機運行速度和負載范圍而言，在多閥門汽缸中打開僅單一進氣閥門和/或排氣閥門就足夠了，例如從而得到減少的附加損失以及更高的進氣速度，這可以改善火花點火式發(fā)動機情況下的混合物準備。
[0009]優(yōu)選地，該系統被配置為用于在該單閥門操作模式過程中、或在多個連續(xù)周期的單閥門操作模式過程中以一種順序來致動該組中的這些閥門。
[0010]優(yōu)選地該系統被配置為用于在單閥門模式過程中在發(fā)動機的任何整個沖程過程中致動這些閥門中的僅一個。
[0011]優(yōu)選地，該系統被配置為用于在單閥門操作模式過程中依次地致動該組中的每個閥門。
[0012]因此，例如當該組具有兩個閥門時，該系統可以被配置為用于以交替順序來致動這些閥門。
[0013]結果是，在這些閥門之間機械磨損是大體相等的。而且，在單閥門操作模式過程中這樣一種方法具有優(yōu)于操作一組進氣閥門中的同一閥門或一組排氣閥門中的同一閥門的很多優(yōu)點。在進氣口噴射式發(fā)動機中的進氣閥門的情況下，這避免了在靜止閥門頭后方的燃料積聚，在排放品質方面這可以是特別有益的。此外，因為在這些可用閥門之間共享了該閥門功能并且各個單獨的閥門致動循環(huán)之間的周期被加倍，單獨閥門上的熱負載顯著減少。在以電磁方式操作的系統的情況下，致動器部件溫度將減小，并且能量消耗將減少，因為繞組的電阻在較低的溫度下將降低。該熱工作循環(huán)不僅被共享而且在絕對意義上被減少。
[0014]對于排氣閥門，這種熱學優(yōu)點還延伸到這些閥門本身。典型地它們是燃燒室中最熱的部件并且輪流地操作每個閥門而超過由于熱量被傳遞到閥門座(對于排氣閥門這是主要的冷卻途徑)所進行的冷卻所消耗的時間與當高速排氣將熱量傳遞進入該閥門的時間之比的雙倍。
[0015]這在火花點火式發(fā)動機中是特別有利的，其中該發(fā)動機的工作汽缸內的最熱表面的溫度對于點火正時可以接近理論理想情況的程度有影響。典型地，點火正時被提前而使得在壓縮沖程過程中在活塞到達上止點之前的一個點產生火花。理想地，正時方式將依據發(fā)動機速度和負載而改變并且在校準過程中通過從“晚的”(推遲的)正時開始并將其提前直到達到最佳性能來確定，這還將給出最佳的燃料消耗。將火花正時進一步提前超出理想正時可能會造成在到達上止點之前汽缸壓力太快地變得太高。這可能意味著與由在上止點之后更高的汽缸壓力所獲得的相比必須對該活塞做更多的功。在使用當今可用的標準燃料的現代發(fā)動機中，存在顯著的速度:負載映射圖區(qū)域，在這些區(qū)域中不能實現理想正時，因為由正在燃燒的燃料-空氣混合物造成的與理想正時有關的壓力升高可能足以在正常燃燒完成之前造成未燃燒的燃料/空氣發(fā)生不受控制的爆炸。這導致了通常被稱為輕微爆震、爆炸或爆震的現象。此現象可以在達到火花正時的最佳提前(從推遲的位置)之前發(fā)生。在實踐中，這意味著點火正時通常被設置在小于最佳的提前，典型地在至少一定比例的速度:負載映射圖上從該“爆炸邊界線”推遲3°?，F代發(fā)動機管理系統使用爆震傳感器和適應性控制技術以將點火正時維持在被最多提前的可實現設定值。
[0016]已經認識到，排氣閥門溫度在確定該發(fā)動機對震爆的敏感性方面是一個影響參數，并且因此降低排氣閥門溫度使得點火能夠進一步提前，更接近于其最佳正時。實際上，降低排氣閥門溫度具有不成比例的效果，因為根據史蒂芬定律(Stefan’s Law)，從該閥門輻射的熱量將與其絕對溫度的四次冪成比例。
[0017]大家相信，依次致動這些排氣閥門可以使火花點火式發(fā)動機中的點火正時能夠比同時致動這兩個或者全部排氣閥門將得到的情況提前得更遠。
[0018]在單閥門操作模式過程中，一組中的每個閥門可以依次執(zhí)行單一致動循環(huán)、或依次執(zhí)行多個致動循環(huán)。
[0019]依次執(zhí)行多個閥門致動循環(huán)(例如，使僅第一閥門運行多個發(fā)動機循環(huán)并且然后使僅第二閥門運行后續(xù)的多個循環(huán))與依次執(zhí)行單一致動循環(huán)相比具有很多潛在優(yōu)點。
[0020]首先，當這種方法被用于進氣口噴射式發(fā)動機的進氣閥門時，依次執(zhí)行多個致動循環(huán)意味著，需要較少的瞬時進氣口壁膜燃料補償來在該進氣口中為發(fā)動機的后續(xù)進氣循環(huán)重新建立最佳的空氣/燃料條件。在該單一致動情況下，可能需要額外的燃料以在發(fā)動機的每個其他循環(huán)上重新建立該壁膜。其次，對于該多致動循環(huán)方法，每個閥門的相應致動器需要以較低的頻率經歷開啟/關掉過程。這使得該多致動方法的開啟/關掉機械損失和電力損失(這尤其與電磁致動器關于)跨過若干循環(huán)而不是損失在單一循環(huán)上，所以用多循環(huán)切換的能量損失按比例地小于單循環(huán)切換的能量損失。無論該組的這些閥門是進氣閥門還是排氣閥門，此優(yōu)點都適用。
[0021]此外，在每個閥門(在單閥門模式的過程中)于另一閥門被致動之前被致動多次的情況下，啟動和停止時的熱損失減少，因為與該多循環(huán)切換相關聯的溫度波動不及排氣閥門和/或進氣閥門的單循環(huán)切換的情況那樣快。
[0022]該多致動循環(huán)特征的另一個潛在優(yōu)點是，當被應用于這些進氣閥門時，可能中斷該進氣口燃料注入系統和控制策略的穩(wěn)定運行的瞬時進氣口壓力波影響將較小。
[0023]根據另一個實施例，該閥門控制系統被配置為用于使該組閥門運行該單閥門操作模式的一個周期直到需要一種不同的操作模式或該發(fā)動機停止、并且用于將該組閥門中的一個閥門使用該單閥門操作模式的一個周期并且將該組閥門中的另一閥門使用該單閥門操作模式的下一個周期。以這種方式，隨著時間過去，所有這些閥門平均經歷大體相同的工作循環(huán)。因此，這些閥門系的機械磨損和熱工作循環(huán)均在其之間被共享。還相信，當應用于這些排氣閥門時，此方法可以給出最佳的點火性能(即，最接近于理想點火正時)。
[0024]本發(fā)明還提供了一種操作用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統的方法，該發(fā)動機具有至少一個帶有至少一組至少兩個閥門的汽缸，并且該組中的所有閥門為進氣閥門或排氣閥門，該方法包括以下步驟:通過該系統以單閥門操作模式致動該組閥門，在該單閥門操作模式的過程中該組中僅一個閥門是在任何時刻都打開的。
[0025]該閥門控制系統可以包括一個電控制器，該電控制器被安排來輸出控制信號以用于控制機械地聯接到相應閥門的多個致動器。
[0026]將認識到，本概念適用于具有獨立于發(fā)動機曲軸的旋轉可運行的多個閥門的發(fā)動機。這些閥門致動器可以按電磁、液壓和/或氣動方式運行。因此，術語“致動器”旨在涵蓋產生使相關閥門運行的力或轉矩的任何電磁、氣動或液壓的裝置。在一個“致動循環(huán)”過程中，閥門桿從其初始的開始位置移走且然后回到那個位置。
[0027]附圖簡要說明
[0028]現在參考附帶示意圖僅通過舉例方式來描述本發(fā)明的實施例，其中:
[0029]圖1是一個已知的內燃發(fā)動機的汽缸的上部分的截面?zhèn)纫晥D；
[0030]圖2是包括體現了本發(fā)明的閥門控制系統的一個發(fā)動機控制系統的框圖、還以及具有由該系統控制的多個閥門的發(fā)動機的汽缸蓋的一部分；并且
[0031]圖3是該汽缸蓋的底側的簡圖，示出了兩個進氣閥門和兩個出氣閥門。
[0032]附圖詳細說明
[0033]圖1示出了一種眾所周知的內燃發(fā)動機構型的汽缸的截面視圖?；钊?被安排在一個汽缸體4內進行上下往復運動。使用進氣提升閥12來控制從汽缸蓋8內的進氣口 6進入燃燒室10的充入空氣流(或空氣燃料混合物，這取決于發(fā)動機構型)。排氣提升閥14允許在已經發(fā)生燃燒之后排氣從該燃燒室逸出，這些排氣經由排氣口 16被帶走。
[0034]圖1中僅示出了單一進氣閥門和單一排氣閥門。在多閥門發(fā)動機中，每個汽缸具有多于兩個閥門。即，它具有一組至少兩個進氣閥門和/或一組至少兩個排氣閥門，從而得到改善的性能。已經開發(fā)了各種構型。這些包括具有單一大排氣閥門和兩個較小進氣閥門的一種三閥門汽缸蓋。更普遍的是具有兩個進氣閥門和兩個排氣閥門的四閥門汽缸蓋。已經開發(fā)了具有兩個排氣閥門和三個進氣閥門的五閥門汽缸蓋。將了解的是，本發(fā)明可應用于其他的多閥門構型。
[0035]圖2示出了包括體現了本發(fā)明的至少一個閥門控制系統的一種發(fā)動機控制系統。汽缸蓋20具有一種多閥門構型(但該圖僅示出了單一進氣閥門12和單一排氣閥門14)，為兩個進氣閥門和兩個排氣閥門，其中每個閥門打開和關閉該汽缸蓋中的相應進氣和排氣
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[0036]在圖3中，示出了該汽缸蓋以展示所有四個閥門的位置，在該圖中這些閥門的閥門頭是可見的。第二進氣閥門17打開和關閉一個第二進氣口，并且第二排氣閥門19打開和關閉一個第二排氣口。將了解的是，這一對進氣閥門和這一對出氣閥門各自構成各自相應的組，各自具有兩個閥門。盡管本發(fā)明是關于單缸發(fā)動機來描述的，但該汽缸蓋可以被配置成用于具有多個汽缸的發(fā)動機，每個汽缸與相應一組進氣閥門和相應一組兩個排氣閥門相關聯。因此，例如，四缸發(fā)動機將具有總共十六個進氣/排氣閥門。
[0037]在這個實例中，進氣閥和排氣閥二者都是獨立于發(fā)動機曲軸的旋轉可單獨地電子控制的。本發(fā)明還可應用于以下構型:其中(a)該組排氣閥門和(b)該組進氣閥門中僅一者是獨立于發(fā)動機曲軸的旋轉可控制的。每個閥門由相應致動器來操作。因此提供了一個致動器30來操作進氣閥門12以及一個致動器32來操作排氣閥門14。例如每個致動器可以是在WO 2004/097184中所示的種類。
[0038]由一個發(fā)動機控制單元34來掌控發(fā)動機的總體運行。在發(fā)動機控制單元34與一個閥門控制單元40之間提供了一個雙向通信鏈路38。在實踐中，控制單元34和40可以是物理上分開的單元或者被集成到單一控制器中。閥門控制單元40與一個致動器功率電子模塊42和這些致動器30和32 —起形成了控制這組進氣閥和這組排氣閥的操作的一個閥門控制系統。
[0039]考慮到來自該發(fā)動機控制單元的控制信號，該閥門控制單元進而產生被發(fā)送至致動器功率電子模塊42的進氣致動器驅動信號和排氣致動器驅動信號44、46。響應于這些信號，模塊42產生沿著相應導線48和50的進氣致動器驅動電流和排氣致動器驅動電流。為了使得這些致動器的運行能夠響應于它們的運行條件的變化，反饋信號52和54被對應地從該進氣閥致動器和排氣閥致動器傳達至該閥門控制單元。這些反饋信號可以提供關于相應閥門致動器的一個或多個運行條件的信息，這些運行條件是例如該閥門致動器的位置、電磁繞組的溫度、繞組中的電流、或可以影響在送入該致動器的控制信號與該致動器所操作的閥門的位置的所得變化之間的關系的任何其他參數。當然，這些信號所傳達的信息可以根據采用的致動類型而改變，例如是電磁式、液壓式還是氣動式的。該信息被用于校準在該發(fā)動機的第一點火循環(huán)期間這些致動器的運行、并且被用作在正常運行過程中該控制系統的自適應輸入。
[0040]該閥門控制單元能夠根據多種不同的操作模式來操作這些閥門，這些操作模式包括多閥門操作模式，在多閥門操作模式中該組進氣閥門中的所有閥門同時工作并且該組排氣閥門中的所有閥門同時工作。在該多閥門操作模式中，與該汽缸蓋相關聯的這兩個進氣閥門因此被同時致動(即，被打開和關閉)，這兩個排氣閥門也是如此。在具有多于一個汽缸的發(fā)動機中，通過相關聯的活塞的階段來掌控這些進氣閥門和排氣閥門的打開和關閉的正時，但是在此情況下每個汽缸的這些進氣閥門均在相關聯的活塞的進氣沖程過程中被打開，而這些排氣閥門均在排氣沖程過程中被打開。該閥門控制單元還可以根據單閥門操作模式來操作這些閥門，在單閥門操作模式中取決于在發(fā)動機的操作循環(huán)中相關聯活塞的階段，僅一個進氣閥門或排氣閥門在任何一個時刻都是打開的。
[0041 ] 在具有兩個進氣閥門和兩個排氣閥門的汽缸蓋的實例中，單閥門模式過程中的操作在這兩個進氣閥門各自之間并且在這兩個排氣閥門各自之間進行交替。這種交替可以在單閥門操作模式過程中在逐一循環(huán)的基礎上在這些閥門之間發(fā)生，其中這些進氣閥門之一在一個進氣沖程過程中被致動并且另一個在下一個進氣沖程過程中被致動，而一個排氣閥門在一個排氣沖程過程中被致動并且另一個在下一個排氣沖程過程中被致動，以此類推。替代地，可以通過每個閥門在切換到另一個之前來進行兩個或更多個循環(huán)。參考圖3，這些進氣閥門和出氣閥門被標記為A和B以幫助展示可能的操作順序。通過交替的致動，按以下順序致動每組的進氣閥門和排氣閥門:A-B-A-B-A-B等，而單閥門操作模式(其中，在切換到一個進氣/排氣閥門之前，另一個進氣閥門或排氣閥門經歷了多個致動循環(huán))可以提供 A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A 的順序等等。
[0042]在另一種方法中，一個進氣閥門僅運行多個連續(xù)循環(huán)直到需要多閥門操作或該發(fā)動機停止。一旦再次需要單閥門操作，則使用另一個進氣閥門來恢復該單閥門操作模式。
[0043]相應的選擇同等地適用于這些排氣閥門的操作。
[0044]該系統可以被配置成針對多缸發(fā)動機以多種不同的模式來操作多個不同的汽缸或以可變排量模式來操作該發(fā)動機，其中一些汽缸失活并且它們的閥門被維持在關閉的位置。此外，可以在僅一組閥門(例如這些進氣閥門)上使用該單閥門操作模式，而以雙模式來操作另一組閥門(例如這些排氣閥門)，其中所述另一組中的這些閥門在該發(fā)動機的每個循環(huán)過程中均被致動(例如同時被打開和關閉)。
【權利要求】
1.一種用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統，該發(fā)動機具有至少一個帶有至少一組至少兩個閥門的汽缸，并且該組中的所有閥門為進氣閥門或排氣閥門，其中該系統被配置為用于有選擇地以單閥門操作模式操作該組閥門，在該單閥門操作模式過程中該組中的僅一個閥門在任何時刻都是打開的。
2.如權利要求1所述的系統，其中該系統被配置為用于在該單閥門操作模式過程中、或在多個連續(xù)周期的單閥門操作模式過程中以一種順序來致動該組中的這些閥門。
3.如權利要求2所述的系統，其中該系統被配置為用于在該單閥門操作模式過程中、或在所述這些連續(xù)周期的過程中依次致動該組中的每個閥門。
4.如權利要求3所述的系統，其中該組中的每個閥門被該系統控制來依次地執(zhí)行單一致動循環(huán)。
5.如權利要求3所述的系統，其中該組中的每個閥門被該系統控制來依次地執(zhí)行多個致動循環(huán)。
6.根據以上權利要求中任一項所述的系統，其中該系統被配置為用于在該單閥門模式過程中在該發(fā)動機一個沖程的整個過程中致動所述僅一個閥門。
7.根據以上權利要求中任一項所述的系統，其中該組中的這些閥門為排氣閥門。
8.如權利要求5所述的系統，其中該系統被配置為用于使該組閥門運行該單閥門操作模式的一個周期直到需要一種不同的操作模式或該發(fā)動機停止、并且用于使用該組閥門中的一個被控制的閥門來執(zhí)行多個致動循環(huán)而持續(xù)該單閥門操作模式的一個時間段并且使用該組閥門中的另一個被控制的閥門來執(zhí)行多個致動循環(huán)而持續(xù)該單閥門操作模式的下一個周期。
9.一種內燃發(fā)動機，該內燃發(fā)動機包括一個如以上任一項權利要求所述的閥門控制系統、以及至少一個帶有至少一組至少兩個閥門的汽缸，其中該組中的所有閥門為進氣閥門或排氣閥門。
10.—種操作用于內燃發(fā)動機的閥門控制系統的方法，該發(fā)動機具有至少一個帶有至少一組至少兩個閥門的汽缸，并且該組中的所有閥門為進氣閥門或排氣閥門，該方法包括以下步驟:通過該系統以單閥門操作模式致動該組閥門，在該單閥門操作模式的過程中該組中僅一個閥門是在任何時刻都打開的。
11.如權利要求10所述的方法，其中該組中的每個閥門在該單閥門操作模式過程中依次被致動。
12.如權利要求11所述的方法，其中該組中的每個閥門依次地執(zhí)行單一致動循環(huán)。
13.如權利要求11所述的方法，其中該組中的每個閥門依次地執(zhí)行多個致動循環(huán)。
14.如權利要求10所述的方法，包括以下這些步驟: a.使該組閥門中的一個閥門運行該單閥門操作模式的一個周期直到需要一種不同的操作模式或該發(fā)動機停止；并且 b.使該組閥門中的另一個閥門運行該單閥門操作模式的下一個周期。
【文檔編號】F01L9/02GK104520545SQ201380041527
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2012年9月25日
【發(fā)明者】R·D·斯通, R·J·蒂勒爾 申請人:卡姆肯汽車有限公司