專利名稱：配氣機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動內燃機進氣閥或排氣閥的配氣機構。
背景技術：
驅動內燃機的進氣閥或排氣閥，使其由述內燃機曲軸的提供的動力開啟和關閉。近年來試圖通過電動機來開啟和關閉進氣閥或排氣閥。例如，已經提出一種配氣機構，由步進電動機轉動凸輪軸來開啟和關閉進氣閥(日本專利申請公開(JP-A)8-177536)。另外，存在JP-A59-68509作為與本發明有關的在先技術文件。
在采用電動機的氣門驅動中，由于能夠獨立于內燃機曲軸的轉速或旋轉方向來驅動凸輪，控制的自由度高，并且能夠獲得由傳統機械式配氣機構不能獲得的配氣機構特征。然而，還沒有詳細闡明適合于改善性能(諸如響應的提高)的具體控制方法。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種內燃機的配氣機構，其可以用于通過電動機合適地控制氣門的運動來改善性能。
根據本發明的第一方面，提供一種內燃機的配氣機構，其通過凸輪將電動機的轉動轉換為線性運動，并且驅動氣缸的氣門使其基于該線性運動被開啟和關閉，包括電動機控制裝置，其能夠以擺動驅動模式啟動電動機，在該模式下在氣門的提升期間改變凸輪的旋轉方向，其中電動機控制裝置包括用于控制電動機運動的擺動控制裝置，使在擺動驅動模式下所述凸輪在所述氣門提升開始前開始旋轉。
根據配氣機構的第一方面，在提升開始時凸輪的初速比從氣門提升起始位置轉動電動機的情況高，使氣門的提升速度變高，并且進氣閥的提升量在早期增加。因此，由所述氣門提升量的積分所獲的時間面積增加，可以增加進氣效率或排氣效率。
根據第一方面在配氣機構中，該擺動控制裝置可在擺動驅動模式下控制凸輪的轉速，使氣門提升開始時凸輪的轉速高于一基準轉速，該基準轉速由內燃機的發動機輸出軸轉速除以從進氣沖程開始到排氣沖程結束所述發動機輸出軸的旋轉數而獲得。根據該實施例，能夠設置提升開始時凸輪的初速高于在相同方向以固定速度轉動凸輪的情況相比的速度，以便驅動氣門。因此，能夠使提升速度在氣門開啟時足夠地高，使得所述時間面積進一步擴大。
在根據第一方面的配氣機構中，通過在氣門提升期間改變凸輪旋轉方向之后，在同方向轉動凸輪直到提升期間的下一次改變為止，該擺動控制裝置可以交替地使用凸輪鼻部的兩側來提升氣門。當以如上所述的方式驅動凸輪時，能夠降低凸輪和電動機旋轉方向的改變頻率，能夠由于旋轉的停止和旋轉方向的改變而防止配氣機構系統的各種零件的油膜被破壞，這樣改善了潤滑性能。因此，能夠抑制配氣機構系統零件的摩擦阻力，能夠以小負載驅動電動機，并且能夠采用具有小額定轉矩的緊湊電動機。還能夠防止所述凸輪的偏置磨損。
根據本發明的第二方面，提供一種內燃機的配氣機構，其通過凸輪將電動機的轉動轉換為線性運動，并且驅動氣缸的氣門使其基于該線性運動被開啟和關閉，包括電動機控制裝置，其能夠以正向旋轉驅動模式啟動電動機，在該模式下凸輪以一個方向持續旋轉，其中電動機控制裝置包括正向旋轉控制裝置，用來在正向旋轉驅動模式下、在所述氣門提升開始前改變凸輪的轉數，以改變氣門的工作角。根據配氣機構的第二方面，能夠通過在氣門提升開始時采用不同的凸輪速度，不同地改變內燃機的進氣特性或排氣特性，從而擴大或縮小工作角。
根據配氣機構的第二方面，在氣門提升開始前，該正向旋轉控制裝置可以將凸輪的轉速改變為預定速度，該預定速度不同于基準轉速，該基準轉速由內燃機的發動機輸出軸轉速除以從進氣沖程開始到排氣沖程結束所述發動機輸出軸的轉數而獲得，并在氣門提升期間以該預定速度轉動凸輪。
在凸輪以高速在一個方向轉動，在氣門提升時，由于慣性凸輪轉速可能不足以改變。在這種情況下，能夠通過在提升開始前對凸輪加速或減速到該預定速度，并在提升期間以該預定速度轉動凸輪，來確保目標工作角的實現。
根據本發明的第三方面，提供一種內燃機的配氣機構，其通過凸輪將電動機的轉動轉換為線性運動，并且驅動氣缸的氣門使其基于該線性運動被開啟和關閉，包括電動機控制裝置，其能夠以正向旋轉驅動模式或擺動驅動模式之一啟動電動機，該正向旋轉驅動模式下所述凸輪按同一方向持續旋轉，該擺動驅動模式下凸輪的旋轉方向在氣門的提升期間改變，其中電動機控制裝置包括改變控制裝置，用于在正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式中的至少一個下控制電動機的運動，使在改變正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式時，由所述氣門提升積分而獲取的時間面積在模式改變前后近似一致。
根據第三方面的配氣機構，由于凸輪的驅動模式在時間面積近似一致的狀態下的正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式間轉換，能夠防止轉換前后進氣效率和排氣效率的變化，并且能夠實現平滑的改變，來防止耐久性變差。
在根據第三方面的配氣機構中，轉換控制裝置可以在擺動驅動模式下控制電動機的運動，使得越接近所述模式的改變時間，在所述擺動驅動模式下氣門的最大提升量越大。正向旋轉驅動模式下氣門的最大提升量是固定的，然而，擺動驅動模式下最大提升量可通過改變凸輪的轉角而改變。此外，凸輪的工作角可通過改變凸輪的轉速而任意設定。因此，與正向旋轉驅動模式相比，可以相對容易地調整氣門的時間面積，以便與正向旋轉驅動模式的時間面積相符。
此外，轉換控制裝置可以控制內燃機節氣閥的開度，使節氣閥的開度根據最大提升量的增加而減少。在通過增加最大提升量來增加時間面積的情況，通過降低節氣閥的開度來補償其增加，可以阻止進氣效率或排氣效率的改變。尤其是，對于進氣閥的驅動，具有優點，在擺動驅動模式下，當將最大提升量限制為較小時，可通過增大節氣閥的開度來抑制進氣的泵氣損失。
圖1是一透視圖，表示根據本發明的配氣機構示意的結構；圖2是一視圖，表示圖1中凸輪機構的細節；圖3是一流程圖，表示圖1中由電動機控制裝置執行電動機控制的程序的概略；圖4A和4B是分別表示正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式下凸輪的運動的視圖；圖5是一圖，表示下凸輪每一驅動模式的應用區域；圖6是一圖，表示在正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式下，曲軸轉角、進氣閥的提升量、凸輪的轉數和電動機的輸出轉矩的相應關系；圖7是一圖，表示擺動驅動模式下凸輪控制的另一個例子；圖8是一圖，表示在圖6和7的擺動驅動模式下，對應于內燃機的轉數所得的最大提升量的界限；圖9是一圖，表示在正向旋轉驅動模式下，曲軸轉角、進氣閥的提升量、凸輪的轉數和電動機的輸出轉矩的相應關系；圖10是一圖，表示驅動凸輪使所述工作角相對于圖9被進一步減少的一例子；
圖11是一圖，表示一例子，其凸輪速度相對于最大提升位置不對稱設置；圖12是一圖，表示正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式轉換時，進氣閥的時間面積、凸輪的驅動模式和節氣量的相應關系；圖13是一圖，表示在圖12的區域B1，曲軸轉角、進氣閥的提升量、凸輪的轉數和電動機的輸出轉矩的相應關系；圖14是一圖，表示在圖12的區域B2，曲軸轉角、進氣閥的提升量、凸輪的轉數和電動機的輸出轉矩的相應關系；圖15是一圖，表示一例子，正向旋轉小工作角的控制區域被設置于擺動驅動模式應用區域的相鄰位置，該正向旋轉小工作角的控制區域中將其工作角控制為較小，在該區域中應用正向旋轉驅動模式；圖16是一圖，表示當正向旋轉小工作角的控制區域如圖15所示，在正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式轉換時，進氣閥的時間面積、凸輪的驅動模式和節氣量的相應關系的另一個例子；圖17是一圖，表示在圖16的區域B2，曲軸轉角、進氣閥的提升量、凸輪的轉數和電動機的輸出轉矩的相應關系；圖18是一視圖，表示在擺動驅動模式下進氣閥停止期間，連續驅動凸輪的一個狀態；和圖19是一圖，表示當應用圖18中的驅動方法時，曲軸轉角、提升量、凸輪的轉數和電動機的輸出轉矩的相應關系。
具體實施例方式
圖1表示根據本發明的配氣機構的一個實施例。圖1中配氣機構11A和11B安裝在一4沖程多缸往復式內燃機。內燃機的一個氣缸1具有兩個進氣閥2和兩個排氣閥3，作為開啟和關閉氣缸1的氣門機構。所述兩個進氣閥(氣門機構)2是由一個配氣機構11A驅動，并且排氣閥(氣門機構)3由另一配氣機構11B驅動來被開啟和關閉。關于其他氣缸(未表示)，進氣閥和排氣閥由不同的配氣機構11A和11B以同樣的方式驅動，來開啟和關閉。進氣側的配氣機構11A和排氣側的所述配氣機構11B基本上具有相同的結構，只說明進氣側的配氣機構11A。
進氣側的配氣機構11A具有電動機(以下，稱其為電動機)12充當驅動源，一相當于傳動機構的齒輪組13用于傳遞電動機12的轉動還具有一凸輪機構14將齒輪組13傳來的轉動轉換為進氣閥2的線性開啟和關閉運動。電動機12采用轉速可以控制的直流電無電刷電動機或類似電機。電動機12具有一位置檢測傳感器12a，例如解算器，旋轉編碼器或類似傳感器，用于檢測電動機的轉動位置。所述齒輪組13將固定于輸出軸(未表示)的電動機齒輪15的轉動通過中間齒輪16傳遞到凸輪傳動齒輪17。所述齒輪組13可被構造為，使所述電動機齒輪15和所述凸輪傳動齒輪17等速旋轉，或可被構造為，使所述凸輪傳動齒輪17的速度相對于所述電動機齒輪15增加或下降。
如圖2所示，凸輪機構14具有一凸輪軸20，該凸輪軸與凸輪傳動齒輪17同軸或整體地旋轉；兩個凸輪21被設置為與凸輪軸20整體地旋轉；和一對搖臂24，支承該對搖臂使其相對于各自凸輪21繞搖臂軸23轉動。該凸輪21形成一種盤狀凸輪，其中由一與所述凸輪軸20同軸形成的圓弧基圓21b的一部分在徑向向外側伸出而形成一個鼻部21a。所述凸輪21的輪廓被設置為，繞所述凸輪21整個外圍產生非負曲率，即在徑向向外側形成一凸曲線。
每個凸輪21與搖臂24的一個端部24a相對。每個進氣閥2由一氣門彈簧28的壓縮反作用力施加到所述搖臂24的一側，這樣進氣閥2緊密地附著于進氣口的氣門座(未顯示)，進氣口被關閉。搖臂24的另一端部與調節器29接觸。調節器29壓緊搖臂24的另一端部，搖臂24被保持在這樣一個狀態，其中一個端部24a和所述進氣閥2的上端部接觸。
在如上所述的凸輪機構14中，當電動機12的轉動通過所述齒輪組13被傳遞到凸輪軸20時，凸輪21與所述凸輪軸20整體地旋轉，并且在所述鼻部21a越過所述搖臂24期間搖臂24在一固定范圍內繞所述搖臂軸23振動。這樣，搖臂24的一個端部24a被下壓，驅動進氣閥2克服氣門彈簧28而開啟和關閉。
在配氣機構11A中提供一力矩減少機構40。提供力矩減少機構40用于基于氣門彈簧28沿關閉方向壓回進氣閥2的力來減少施加于凸輪機構14上的力矩(以下該力矩被稱為氣門彈簧力矩)。該力矩減少機構40具有一相反相位的凸輪41，其可與所述凸輪軸20整體地旋轉，并且有一力矩施加裝置42，其布置為與該相反相位凸輪41相對。在該相反相位凸輪41上形成一凸輪面，該凸輪面具有基于氣門彈簧力矩的形狀，并且從扭矩施加裝置42將一相對氣門彈簧力矩具有相反相位的補充力施加到該凸輪面，由此抵消了施加到凸輪機構14的氣門彈簧力矩。
如圖1所示，各配氣機構11A和11B的電動機12的運動由作為電動機控制裝置的電動機控制裝置30控制。該電動機控制裝置30是一計算機裝置，其具有微處理機和外圍設備諸如微處理機工作所需的主存儲器裝置或類似設備。電動機控制裝置30根據存儲于其存儲器的氣門控制程序來控制各電動機12的運動。附帶地，圖1表示一個氣缸1的配氣機構11A和11B，然而其電動機控制裝置30可與其它氣缸1的配氣機構11A和11B共用。該電動機控制裝置30可被用于各氣缸1或各配氣機構。該電動機控制裝置30可專門用于控制所述配氣機構11A和11B，或可和其它目的一起使用。例如，用于控制內燃機燃油噴射量的發動機控制單元(ECU)可用作電動機控制裝置。
A/F傳感器31、節氣閥開度傳感器32、加速踏板開度傳感器33、空氣流量計34和曲軸轉角傳感器35等等作為信息輸入裝置連接到電動機控制裝置30上。其中，A/F傳感器31輸出與廢氣空燃比一致的信號，節氣閥開度傳感器32輸出與調整進氣量的節氣閥開度一致的信號，加速踏板開度傳感器33輸出與加速踏板開度一致的信號，空氣流量計34輸出與進氣量一致的信號，曲軸轉角傳感器35輸出與曲軸轉角一致的信號。附帶地，可使用基于預定函數表達式或圖確定的值來控制電動機12，以代替由這些傳感器的實際測量值。此外，也可將安裝在電動機12種的位置傳感器12a的輸出信號輸入到所述電動機控制裝置30。
接下來，解釋由所述電動機控制裝置30執行的對電動機12的控制。在此情況下，解釋用于驅動一個氣缸1的進氣閥2的電動機12的控制，然而，同樣方式被用于驅動所述另一個進氣閥2的電動機12控制。圖3表示所述電動機控制裝置30執行控制電動機12輸出轉矩的電動機控制程序。在該電動機控制程序中，所述電動機控制裝置30首先在步驟s1中參照各傳感器31到35的輸出確定內燃機的運轉狀態，并在隨后的步驟s2中確定凸輪21關于所述進氣閥2的驅動模式。
凸輪21的驅動模式包括正向旋轉驅動模式，該模式使電動機12按同一方向持續旋轉，從而使凸輪21在正向旋轉方向(圖中箭頭的方向)持續轉動超過最大提升位置，最大提升位置即凸輪21的鼻部21a與一相對側部接觸(在此情況下為所述搖臂24)，如圖4a所示；還包括擺動驅動模式，在進氣閥2的提升中間(在氣缸1打開的中間)改變電動機12的旋轉方向，來使所述凸輪21如圖4B所示往復。附帶地，在擺動驅動模式下所述凸輪21的旋轉方向在凸輪21到達正向旋轉驅動模式的最大提升位置前被改變。
此外，結合內燃機的轉數和輸出轉矩，例如，如圖5所示，適當地使用凸輪21的驅動模式。在圖5中，在低旋轉區域基本上選擇擺動驅動模式，而在高旋轉區域基本上選擇正向旋轉驅動模式，然而，當內燃機的輸出轉矩變得較高，調整兩種模式邊界的轉數，使其偏向于低旋轉側。在圖3的步驟S2中，基于曲軸轉角傳感器35的輸出來確定發動機轉數，基于節氣閥開度傳感32所檢測的節氣閥開度和空氣流量計34所檢測的進氣量來估算輸出轉矩，基于圖5中的圖(實際上存儲在ROM中的圖中的數據)充分地確定與所獲的發動機轉數和輸出轉矩一致的模式。
在步驟2中確定驅動模式后，該程序進行到步驟s3，在那兒相應于內燃機的運轉狀態和凸輪21的驅動模式，用算術運算(計算)電動機輸出轉矩。例如，基于內燃機的運轉狀態確定用于進氣閥2的配氣機構特性(相位和工作角)，并且用算術運算出用于實現所確定的配氣機構特性所需的電動機12的輸出轉矩。在步驟s3中，通過經過一段適當周期來確定進氣閥2的配氣機構特性和電動機12的輸出轉矩。例如，在內燃機中包括進氣、壓縮、膨脹、排氣沖程的四沖程與圖3中控制程序的算術運算周期相一致，可在每一算術運算周期中確定配氣機構特性和輸出轉矩。在此情況下，通過重復地執行圖3的控制程序，每當完成四沖程時，根據內燃機的運轉狀態更新電動機12的輸出轉矩。
如下所述，可基于所述進氣閥2的配氣機構特性確定電動機12的輸出轉矩。如果確定了用于進氣閥2的所述配氣機構特性，則根據配氣機構特性唯一確定曲軸轉角和所述進氣閥2提升量之間的關系，并且通過求該提升量的微分確定用于進氣閥2的提升速度和所述曲軸轉角之間的關系。由于進氣閥2的提升速度可基于所述凸輪21的凸輪輪廓由凸輪軸20的轉速替代，所以，如果確定了進氣閥2的配氣機構特性，則可基于進氣閥2的配氣機構特性唯一確定所述轉速和用于凸輪軸20的所述曲軸轉角之間的相應關系。在此情況下，進氣閥2的提升速度和凸輪軸20的轉速之間的相應關系根據所述凸輪21傳動模式而不同，然而，將隨后描述具體細節。
最好，通過求在上述模式中獲得的轉速的微分來確定電動機12應該作用于凸輪軸20的加速度，并算術運算獲得加速度所必需的電動機12的輸出轉矩。附帶的，當考慮到與進氣閥2同步而往復運動的各種配氣機構系統部件(搖臂24及類似)施加的慣性扭矩，來確定電動機12的輸出轉矩，則較好地提高控制精度。當進氣閥2的提升速度和加速度增加，由于慣性扭矩大大影響高旋轉時間，因此尤其在高旋轉時間選擇的正向旋轉驅動模式，希望考慮扭矩影響。相反地，在低旋轉時間的擺動驅動模式，可不考慮慣性扭矩而確定電動機12的輸出轉矩。
在圖3的步驟s3算術運算電動機12的輸出轉矩后，程序進行到步驟s4，計算出的轉矩作為扭矩命令值輸出到電動機12的驅動電路(非顯示)。輸出后程序暫時結束，并且，等待下一次算術運算循環的開始，重新開始圖3中的程序。從所述電動機控制裝置30接收扭矩命令的驅動電路根據扭矩命令控制在下一驅動循環中提供給所述電動機12的電流。因此，驅動進氣閥2，使其基于適合于內燃機運轉狀態的特性開啟和關閉。
接下來，將參考圖6到16解釋由所述配氣機構11A進行凸輪21的運動控制的多個特征。圖6表示在每個正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式下，曲軸轉角θ、進氣閥2的提升量y、凸輪21的轉速(有時稱為轉數)Nc和電動機12的輸出轉矩Tm的相應關系。這里表明沿開啟方向越接近上部，提升量y增加。從所述凸輪旋轉數Nc＝0的位置沿正向旋轉方向越接近上部，所述凸輪旋轉數將增加。轉矩Tm相應于橫軸的轉矩Tm＝0，并且沿正向旋轉方向越接近上部而增加。
(在正向旋轉驅動模式下的基本控制)如圖6所示，在正向旋轉驅動模式下，所述凸輪21在基準速度Nb下旋轉，即相當于曲軸轉速一半的旋轉速度(可稱為曲軸旋轉數)。即，在此實施例中，基準速度確定為，曲軸轉速除以從進氣沖程開始到排氣沖程結束期間的曲軸旋轉數而獲得的一速度。在所述4沖程往復式內燃機，曲軸的旋轉數相當于兩個。在這時候，所述凸輪21由所述電動機12驅動，然而，由于施加于凸輪21的氣門彈簧力矩被力矩減少機構40抵消，因此電動機12的輸出轉矩接近于0。上述模式下獲得的進氣閥2提升量y的變化，例如，等于通過1/2減速比的傳動機構機械驅動所述曲軸和所述凸輪軸20所獲得的提升量的變化。
(在擺動驅動模式下的控制)另一方面，在擺動驅動模式下，所述凸輪21的旋轉在早于提升起始位置Ps前的階段開始，并且凸輪21的轉速Nc在提升起始位置Ps增加到基準速度Nb。換句話說，在開始提升前就開始驅動凸輪21，從而使凸輪21在提升起始位置Ps的初速與基準速度Nb一致。此后，凸輪21以基準速度Nb旋轉一段時間，在最大提升位置Pp前的第一轉換位置Pa，凸輪21的轉速Nc下降，在最大提升位置Pp所述凸輪21被設置為轉速Nc＝0的暫時停止狀態，然后將凸輪21的旋轉方向改變為相反的旋轉方向，其后轉速逐漸地增加。此外，從凸輪21的轉速在所述反方向達到基準速度Nb的第二轉換位置Pb到提升終止位置Pe，所述凸輪21在所述反方向以基準速度Nb旋轉，在提升終止位置Pe凸輪21開始減速，凸輪21隨后停止。通過將上述運動作用到凸輪21上，可以使曲軸轉角與提升量的相應關系與在正向旋轉驅動模式下，從凸輪21的提升起始位置Ps到轉換位置Pa和改變位置Pb到提升終止位置Pe時的相應關系相符合。在圖6的擺動驅動模式下，由于凸輪21在低速下驅動，可忽略慣性扭矩。在此情況下，電動機21的輸出轉矩呈一波形，其在凸輪21加速期間與所述曲軸轉角成比例增加，在凸輪21減速期間與所述曲軸轉角成比例降低。
在圖6的擺動驅動模式下，由于凸輪21的減速在到達最大提升位置Pp前開始，在最大提升位置Pp的進氣閥2的提升量比正向旋轉驅動模式的稍小。在此情況下，提升量的差Δy比圖6中虛線表示的對比例小，即執行所述控制以便從提升起始位置Ps開始驅動凸輪21并在提升終止位置Pe停止凸輪21的一個例子。此外，與該對比例比較，進氣閥2的提升量特性曲線圖在最大提升位置Pp邊界上側向擴張，從而使進氣閥2提升運動的時間面積增加。這樣，盡管從正向旋轉驅動模式時段最大提升下降，也能夠充分確保時間面積，以防止所述氣缸1進氣效率的變差。附帶的，所述時間面積與由表示所述曲軸轉角的橫軸和表示提升量變化的曲線所圍成的范圍區域相一致，并且通過對提升量積分而獲得該時間面積。
圖7表示從提升起始位置Ps到第一轉換位置Pa，和從第二轉換位置Pb到提升終止位置Pe，以高于基準速度Nb的固定速度驅動凸輪21的一個例子。為比較目的，在圖6的擺動驅動模式下形成的波形以虛線表示。由于在圖6凸輪21的最大速度在擺動驅動模式下被設置為基準速度Nb，因此，如果所述工作角(在位置Ps和Pe之間的曲軸轉角)固定，與正向旋轉驅動模式相比最大提升位置較小。然而，根據圖7的例子，進氣閥2的提升速度比在圖6的正向旋轉驅動模式高，從而在使擺動驅動模式下的工作角與在正向旋轉驅動模式的工作角一致時，可以使最大提升量與在正向旋轉驅動模式的最大提升量一致。附帶的，如果凸輪21的轉數按以下方式設置，從在圖7中提升起始位置Ps到最大提升位置Pp、在表示凸輪21轉數和基準速度的線段之間產生的兩個陰影區域A1和A2的面積互相相等，并且從最大提升位置Pp到提升終止位置Pe、在表示凸輪21轉數和基準速度Nb(在此情況下為反方向)的線段之間產生的兩個陰影區域A3和A4的面積等于互相相等，就能夠使關于所述進氣閥2提升量的時間面積與在正向旋轉驅動模式完全一致。
圖8是表示在圖6和7的擺動驅動模式下，及圖6中虛線表示比較例情況下，進行凸輪控制獲得的最大提升量2和發動機轉數之間的相應關系。從圖8中顯然可見存在一趨向，在擺動驅動模式下如果發動機轉速增加而超過某一界限，其控制的響應是不夠的，并且最大提升量迅速下降，然而，根據圖6和7中的例子，與所述比較例子比較有可能減少所述下降趨勢，尤其可以進行圖7的控制將擺動驅動模式運用到高旋轉區域。通過以圖6或7所示方式控制凸輪21，電動機控制裝置30用作本發明的擺動驅動機構。
(在正向旋轉驅動模式下的控制)
接下來，參照圖9來解釋正向旋轉驅動模式下對凸輪21的控制。在圖6的正向旋轉驅動模式下，凸輪21以基準速度被連續地驅動，然而，所述進氣閥2的工作角可由提升中間凸輪21的速度變化而適當變化。在圖9所示例子中，在提升起始位置Ps之前凸輪21開始加速，使凸輪21在提升起始位置Ps的初始速度與基準速度Nb一致，在提升中間持續該加速直到所述凸輪21到達高于基準速度Nb的預定速度，凸輪21隨后以預定的不變速度旋轉，并且在獲得最大提升后凸輪21在適當的時刻減速，從而將進氣閥2的提升終止位置Pe移動到比圖6中基本控制例(圖中虛線表示)更早的位置。因此，與圖6的情況比較，所述工作角減小。由于在進氣閥2的提升中凸輪21以高于基準速度Nb的速度正向旋轉，所以在從提升終止位置Pe到下一提升起始位置Ps期間有必要以一低于基準速度Nb的速度驅動凸輪21。在此情況下，由于在該期間基圓21b在搖臂24上滑動或基圓21b與搖臂24分離，即使以一低于基準速度Nb的速度驅動凸輪21，所述進氣閥2的運動也不受影響。這時，由于在凸輪21加速和減速時電動機12需要扭矩，電動機12的輸出轉矩成一如圖9所示的波形。
圖10表示正向旋轉驅動模式下凸輪21控制的另一個例子。附帶的，圖10中的虛線表示圖6中正向旋轉驅動模式下的一例子。在圖10的控制中，凸輪21的加速直到提升起始位置Ps才結束，而使凸輪21在提升起始位置Ps的初速與一高于基準速度Nb的預定速度一致。此外，凸輪21從提升起始位置Ps到提升終止位置Pe期間保持一預定速度，并且凸輪21的減速從提升終止位置Pe開始。如圖9所示在進氣閥2的提升中當凸輪21加速或減速時，由于其響應因配氣機構的慣性影響而變差，凸輪21的速度變化量不能被設置得很大，并且進氣閥2的工作角的調整限于一相對窄的范圍。然而，如果凸輪21的加速或減速僅當如圖10所示基圓21b與搖臂24相對時才進行，并且凸輪21在提升期間以一固定速度驅動，就有可能抑制所述慣性的影響，也可能在相對寬的范圍內調整進氣閥2的工作角。
如上所述，通過如圖9或10所示控制電動機12，電動機控制裝置30用作根據本發明的正向旋轉控制裝置。根據本發明的正向旋轉控制裝置并不限于啟動凸輪21使工作角減少的結構。與圖6的情況比，通過在提升開始前使凸輪21減速和在提升結束后使凸輪21加速，可擴大所述工作角。此外，在圖9和10，凸輪21的提升量相對于最大提升位置Pp對稱變化，然而，所述結構不限制于這樣的配置，所述結構可以，例如，如圖11所示，通過在最大提升位置Pp前后不對稱地改變凸輪21的速度，使凸輪21的提升量相對于最大提升位置Pp不對稱地變化。在這點上，在圖11的例子中，采用這樣提升特性，使得通過將在進氣閥2開啟過程中凸輪21的轉速設置為高于進氣閥2關閉過程中凸輪21的轉速，使進氣閥2以高速開啟而以相對低速關閉。
(在變化模式時的控制)接下來，參照圖12到14來解釋，在正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式互相轉換時凸輪21的控制。根據本發明，通過執行下述控制，電動機控制裝置30用作變化控制裝置。在如上所述的圖5，基于內燃機的轉數和輸出轉矩來選擇正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式中任何一個。然而，由于在兩種模式中用于進氣閥2的提升特性(尤其，最大提升量)不同，存在一可能性，即當凸輪21的驅動模式改變時，受所述影響進氣量呈非連續變化，從而影響駕駛性能。因此，如圖12所示，在凸輪21的控制從擺動驅動模式變化為正向旋轉驅動模式時，隨著進氣閥2的時間面積(所述氣門的時間面積)逐漸增加(區域B1)節氣量逐漸地減少，使所述氣門的時間面積與正向旋轉驅動模式時一致(區域B2)，之后執行向擺動驅動模式的改變(區域B3)。尤其是，以下的控制是更優選的。
當采用在擺動驅動模式可實現的最大提升量時的提升特性如圖13中虛線表示，并且當選擇擺動驅動模式時，首先這樣擺動凸輪21，使最大提升量被限制得較小的提升特性如圖中實線所示。在此情況下，由于進氣閥2的時間面積減少，通過由電動機控制裝置30將開啟命令作用到所述節氣閥36(參見圖1)，增大節氣閥開度。因此，當所述節氣閥36控制到小開度時，有可能減少泵氣損失。當存在控制節氣閥開度的另一計算機，可通過施加一增大節氣閥開度的命令到該計算機，來實現由電動機控制裝置30對節氣閥36的控制。
當如上所述從提升量被限于正向旋轉驅動模式的狀態改變該控制時，所述提升量朝由一圖13虛線表示的提升特性逐漸增加，這樣所述氣門的時間面積如圖12所示逐漸增加。所述節氣閥36的開度(所述節氣量)與該操作同步降低，以此限制進氣量的變化。此外，如圖14所示，使擺動驅動模式下進氣閥2的時間面積與正向旋轉驅動模式時一致，隨后執行向正向旋轉驅動模式的改變。根據如上所述的控制，可以無需非連續地改變進氣量而改變凸輪21的驅動模式。附帶地，上述描述是從擺動驅動模式轉換為正向旋轉驅動模式的舉例說明，然而，當從正向旋轉驅動模式轉換為擺動驅動模式時，執行與如上所述相反的控制，即，在使氣門時間面積一致的狀態下改變驅動模式，并且當擺動驅動模式下提升量逐漸地減少時，隨后增加節氣閥36的開度。
在如上所述的結構，擺動驅動模式下的提升量有意地控制為較小，然而，在正向旋轉驅動模式下，當在其原地增加節氣閥36開度時，通過將工作角控制得小，如圖9和10所示，以同樣的方式將氣門時間面積限制得小，可以減少泵氣損失。例如，如圖15所示，代替圖5的圖，在應用正向旋轉驅動模式的區域中，設置一個用于將工作角控制為較小的正向旋轉小工作角控制區域的圖在與應用擺動驅動模式的區域相鄰的一個位置上被使用。在此情況下，如圖16所示當從擺動驅動模式變化為正向旋轉驅動模式時，首先改變提升量，使擺動驅動模式下氣門的時間面積逐漸地增加，而節氣閥36的開度(所述節氣量)逐漸地被減少(區域B1)，使氣門的時間面積與正向旋轉驅動模式下一致，隨后執行向正向旋轉驅動模式(在此情況下，正向旋轉的小工作角控制區域)的改變(區域B4)。
附帶地，在插入正向旋轉小工作角控制區域的情況，在如圖17所示的區域B2，通過擴大擺動驅動模式下的工作角大于正向旋轉小工作角控制區域的，同時控制擺動驅動模式下的最大提升量小于正向旋轉小工作角控制區域的，使兩個氣門的時間面積相互一致。在此情況下，想要的是擺動驅動模式下的最大提升位置Pp與正向旋轉小工作角區域的最大提升位置Pp相互一致。
當提供正向旋轉小工作角區域時，只要可以使改變模式時的氣門的時間面積一致，如圖17所示，就不必總是進行擺動驅動模式下提升量的增加和節氣量的減少。然而，鑒于正向旋轉驅動模式下實現的工作角范圍內的響應，存在與內燃機轉數相應的一下限值。該發動機轉數下限值的存在導致正向旋轉小工作角區域中的氣門的時間面積具有一下限，并且存在一情況，能夠無需通過在擺動驅動模式下對提升量進行設置而改變提升量，使時間面積一致。在此情況下，在圖16的區域B1的控制是重要的。
(擺動驅動模式下凸輪運動的其他例子)圖18和19表示擺動驅動模式下凸輪21的另一個驅動方法。在上述每一實施例中，如圖4B所示，在擺動驅動模式下通過使凸輪21在比一個圓狹窄的區域內向前向后轉動，僅使用了在凸輪21鼻部21a一側的區域21c，用圖4B的陰影線表示。相反地，在圖18A到18C所示的驅動模式下，這樣驅動凸輪21，使凸輪21鼻部21a的兩側交替使用。換句話說，如圖18A所示，通過在正旋轉方向(方向+)轉動凸輪21，使用鼻部21a的一側21c，使進氣閥2提升，隨后通過在相反旋轉方向(方向-)驅動凸輪21使進氣閥2關閉，其后在不停止凸輪21的情況下，凸輪21連續地沿反方向被驅動。此外，當下一次進氣閥2的開啟和關閉時反向轉動凸輪21時，通過使用鼻部21a的相反側區域21d使進氣閥2提升，其后，通過在正向旋轉方向回轉凸輪21來關閉進氣閥2。隨后，凸輪21被連續地沿正向驅動。這就能夠通過重復上述運動來開啟和關閉進氣閥2，從而交替地使用凸輪21鼻部21a的兩側區域21c和21d。
圖19表示如上所述驅動凸輪21的情況下，曲軸轉角θ、進氣閥2的提升量y、凸輪21的轉數Nc和電動機12的輸出轉矩Tm的相應關系。從例子中顯然可見，根據交替地使用凸輪21鼻部21a的兩側區域21c和21d的驅動模式，除進氣閥2的最大提升位置Pp外凸輪21總在旋轉，而電動機12在低頻下停止。因此，可以防止由于凸輪21停止引起的凸輪機構14中的油膜短缺，并可以改善所述凸輪機構14每一部分的潤滑性能。此外，摩擦阻力由于潤滑性能的改進而減少，這就能夠以小負載驅動電動機12。此外，由于電動機12的停止頻率減少，電動機12輸出的有效轉矩變小，這就有可能選擇更小的電動機。此外，存在一優點，即能夠均勻使用凸輪21的兩側21c和21d，可以防止偏置磨損。
在如上所述實施例中，給出了進氣閥2控制的描述，然而，本發明可以被用于排氣閥3。本發明并不被限制于4沖程內燃機，其中作為發動機輸出軸的曲軸從進氣沖程開始到排氣沖程結束旋轉兩次，但也可用于2沖程內燃機，其中進氣沖程到排氣沖程在發動機輸出軸轉一圈期間完成。在此情況下，凸輪的基準速度與發動機輸出軸的轉速一致。
權利要求
1.一種內燃機的配氣機構，通過凸輪將電動機的旋轉運動轉換為線性運動，并且驅動氣缸的氣門使其基于該線性運動而被開啟和關閉，所述配氣機構包括電動機控制裝置，其能夠以擺動驅動模式啟動電動機，在該模式下在氣門的提升期間改變所述凸輪的旋轉方向，其中，所述電動機控制裝置包括擺動控制裝置，該擺動控制裝置控制電動機的運動以便在所述擺動驅動模式下所述凸輪在所述氣門開始提升前開始旋轉。
2.根據權利要求1所述的配氣機構，其中擺動控制裝置以擺動驅動模式來控制所述凸輪的轉速，使所述氣門提升開始時凸輪的轉速高于一基準轉速，該基準轉速由內燃機的發動機輸出軸的轉速除以從進氣沖程開始到排氣沖程結束所述發動機輸出軸的旋轉數而獲得。
3.根據權利要求1所述的配氣機構，其中，所述氣門的提升期間在所述凸輪的旋轉方向改變后，通過在同一方向旋轉所述凸輪直至提升過程中的下一次改變為止，所述擺動控制裝置交替使用所述凸輪鼻部的兩邊來提升所述氣門。
4.一種內燃機的配氣機構，通過凸輪將電動機的旋轉運動轉換為線性運動，并且驅動氣缸的氣門使其基于該線性運動而被開啟和關閉，所述配氣機構包括電動機控制裝置，其能夠以正向旋轉驅動模式啟動電動機，使所述凸輪按一個方向持續旋轉，其中所述電動機控制裝置包括正向旋轉控制裝置，用于在正向旋轉驅動模式下在所述氣門開始提升前改變所述凸輪的速率，以改變所述氣門的工作角。
5.根據權利要求4所述的配氣機構，其中，所述正向旋轉控制裝置在所述氣門開始提升前將所述凸輪的轉速改變到與基準轉速不同的預定速度，并在所述氣門提升期間使凸輪以所述預定速度旋轉，該基準轉速由內燃機的發動機輸出軸的轉速除以從進氣沖程開始到排氣沖程結束所述發動機輸出軸的旋轉數而獲得。
6.一種內燃機的配氣機構，通過凸輪將電動機的旋轉運動轉換為線性運動，并且驅動氣缸的氣門使其基于該線性運動而被開啟和關閉，所述配氣機構包括電動機控制裝置，其能夠以正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式中的每一個啟動電動機，在該正向旋轉驅動模式下使所述凸輪按同一方向持續旋轉，在該擺動驅動模式下使在氣門的提升期間改變凸輪的旋轉方向，其中所述電動機控制裝置包括改變控制裝置，該改變控制裝置用于以正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式中至少之一來控制電動機運動，使在改變正向旋轉驅動模式和擺動驅動模式時，通過積分所述氣門提升量而獲取的時間面積在模式改變前后近似符合。
7.根據權利要求6所述的配氣機構，其中，所述改變控制裝置在所述擺動驅動模式下控制所述電動機的運動，使得越接近所述模式的改變時間，在所述擺動驅動模式下氣門的最大提升量越大。
8.根據權利要求7所述的配氣機構，其中所述改變控制裝置控制所述內燃機節氣閥開度，使節氣閥開度隨著氣門最大提升量的增加而減少。
全文摘要
本發明提供內燃機的配氣機構(11A，11B)，通過凸輪(21)將電動機的轉動轉換為線性運動，并且驅動氣缸(1)的進氣閥(2)或排氣閥(3)，使其基于該線性運動而被開啟和關閉，一電動機控制裝置(30)，其能夠以擺動驅動模式啟動電動機(12)，該模式下凸輪(21)的旋轉方向在氣門(2，3)的提升期間被改變。所述電動機控制裝置(30)控制電動機(12)的運動，使擺動驅動模式下凸輪(21)在氣門(2，3)開始提升之前開始旋轉。
文檔編號F02D13/02GK1890461SQ200480036938
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月8日 優先權日2003年12月12日
發明者日下康, 淺田俊昭, 江崎修一, 辻公壽 申請人:豐田自動車株式會社