內燃機的配氣機構的制作方法

專利名稱：內燃機的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門或排氣門的配氣機構。
背景技術：
作為這種配氣機構，一種現有的配氣機構通過步進電動機使內燃機的凸輪軸旋轉而打開和關閉進氣門(日本特開(JP-A)No.8-177536)。此外，JP-A No.59-68509是與本發明相關的現有技術文獻。
氣門彈簧和慣性產生的凸輪軸扭矩作為旋轉阻力施加給凸輪軸。然而，凸輪軸扭矩是對應于發動機的旋轉數(轉速)波動的，同時，由于這種波動而可能產生這樣的旋轉區域，該旋轉區域不能獲得期望的配氣機構特性。

發明內容
因此，本發明的一個目的在于提供一種內燃機的配氣機構，不管發動機轉速的變化如何，該機構都可以保持較高的氣門配氣機構特性的控制精度。
為了達到上述目的，依據本發明的一個方面，提供一種內燃機的配氣機構，包括電動機；通過凸輪將電動機旋轉運動轉換為氣門直線運動的凸輪機構，該氣門用于打開和關閉氣缸；以及電動機控制裝置，控制電動機使得進氣門上升過程中的加速度特性隨著內燃機的轉速改變。
氣門彈簧扭矩和慣性扭矩作為凸輪軸扭矩施加給凸輪軸，依據使氣門運動的氣門彈簧的壓縮反作用力產生該氣門彈簧扭矩，依據與氣門同步往復運動的配氣機構系統部件的慣性力產生該慣性扭矩。當凸輪軸低速旋轉時，氣門彈簧扭矩主要是作為凸輪軸扭矩施加的。氣門彈簧扭矩是由氣門彈簧的壓縮反作用力和在垂直于氣門往復方向的方向上、從凸輪旋轉中心到與相反部件的接觸位置之間的距離(偏移量)的乘積而獲得。此外，壓縮反作用力與氣門的升程成比例增大，且氣門上升速度與偏移量成比例增大。因此，為了減小低轉速區域的凸輪軸扭矩，優選的是將凸輪的輪廓設計成使得在升程盡可能小的階段上升速度變得最大。
另一方面，凸輪軸的慣性扭矩與轉速的平方成比例增大，且當凸輪軸高速旋轉時，慣性扭矩的影響相對增大，并且在氣門加速度變得最大的位置凸輪軸扭矩變得最大。當上升速度從開始上升的短時間內增加到最大的時候，氣門的加速度增大。相應的，凸輪軸高速旋轉時的凸輪軸扭矩顯著的增大了。因此，為了減小高速旋轉區域的凸輪軸扭矩，必須將凸輪的輪廓設計成使得氣門的最大加速度變得很小。
如上所述，氣門彈簧扭矩和慣性扭矩之間的關系是矛盾的。即使凸輪被設計成在凸輪軸的低速旋轉區域和高速旋轉區域中的任何一個區域減小凸輪軸扭矩，凸輪軸扭矩也會在其它轉速區域增大，從而不可能獲得期望的配氣機構特性。
然而，在電動機驅動氣門的情況下，即使內燃機的轉速是恒定的，也可以通過調整電動機的轉速而在氣門上升期間適當的改變加速度特性。在充分利用上述功能的情況下，通過改變凸輪的加速度，使得阻止當凸輪在輪廓設計的最佳轉速區域之外被驅動時產生的凸輪軸轉矩增大，無論發動機轉數如何，都可以將凸輪軸扭矩限制得很低。例如，將凸輪設計成使其剛好在上升開始之后和剛好在上升結束之前增大加速度，用以在低轉速區域減小氣門彈簧扭矩，在這種情況下，最好改變電動機的轉速，使得在高轉速區域內限制剛好在上升開始之后和剛好在提升結束之前的上升加速度。相反，將凸輪設計成使剛好在上升開始之后和剛好在提升結束之前限制加速度用以在高轉速區域減小慣性扭矩，在這種情況下，最好改變電動機的轉速，使得在低轉速區域內增加剛好在上升開始之后和剛好在上升結束之前的上升加速度。
在依據本發明以上方面的配氣機構中，電動機控制裝置可以控制電動機，使得當內燃機的轉速較低的時候，在氣門上升開始之后和上升結束之前、預定區段內的凸輪速度變得高于凸輪所述預定區段之間區段的速度，并且當內燃機的轉速較高的時候，凸輪在氣門上升期間以恒定速度旋轉。在這種情況下，在低速區域，可以在氣門升程較小的階段使氣門的速度達到最大，從而限制氣門彈簧扭矩。在高轉速區域，可以通過使凸輪以恒定速度旋轉來減輕用以控制高速旋轉的電動機的負荷，從而防止由于缺乏控制響應而導致的氣門運動控制變差。在以上方面中，通過采用上述方法改變速度，電動機控制裝置可以依據內燃機轉速的增加來控制電動機使得預定區段和中間區段之間的凸輪轉速差減小。在這種情況下，可以相對于內燃機轉速的變化平滑地改變氣門加速度特性，從而防止駕駛性能變差。
此外，在依據本發明上述方面的配氣機構中，電動機控制裝置可以控制電動機，使得當內燃機的轉速較低的時候，凸輪在上升階段以恒定速度旋轉，并且當內燃機的轉速較高的時候，在氣門上升開始之后和上升結束之前的預定區段內的凸輪的速度變得小于所述預定區段之間的中間區段的凸輪速度。在這種情況下，可以通過在高速區域減小氣門的最大加速度來限制慣性扭矩。在上述方面中，電動機控制裝置可以依據內燃機轉速的增加來控制電動機使得預定區段和中間區段之間的凸輪轉速差增大。在這種情況下，通過采用上述方法改變速度，可以相對于內燃機轉速的變化平滑地改變氣門加速度特性，從而防止駕駛性能變差。
依據本發明的另一個方面，提供一種內燃機的配氣機構，包括電動機；通過凸輪將電動機旋轉運動轉換為氣門直線運動的凸輪機構，該氣門用于打開和關閉氣缸；以及控制電動機使得進氣門上升過程中的加速度特性隨著內燃機的轉速改變的電動機控制裝置。


圖1為根據本發明實施例的配氣機構的透視圖；圖2為圖1中的配氣機構的正視圖；圖3為圖1中的配氣機構用于進氣門時的上升特性曲線圖；圖4為圖1中的電動機控制裝置控制電機轉速和電機扭矩的時間進程圖；圖5為圖4中的電機扭矩差的絕對值Δ|T|與發動機轉速之間的對應關系曲線圖；圖6為圖1中的配氣機構用于進氣門時的另一個上升特性曲線圖；圖7為圖1中的電動機控制裝置控制電機轉速和電機扭矩的另一個時間進程圖；圖8為圖7中的電機扭矩差的絕對值Δ|T|與發動機轉速之間對應的關系曲線圖；以及圖9為凸輪以搖擺驅動模式運轉的示意圖。
具體實施例方式
(第一實施例)圖1為一實施例，提供一種根據本發明的配氣機構來驅動往復型內燃機的進氣門。在本實施例中，內燃機的各個氣缸1(圖中僅顯示一個)中設置有兩個進氣門2，并且進氣門2由設置在各個氣缸1中的配氣機構11驅動而打開和關閉。眾所周知，進氣門2具有氣門頭2a和氣門桿2b。氣門桿2b穿過固定到氣缸蓋(圖中未示)的套筒3，由此在氣門桿2b的軸向上滑動地引導進氣門2。氣門彈簧6布置在從套筒3延伸出來的凸緣4和氣門彈簧座5之間，以壓縮狀態連接到氣門桿2b，并且進氣門2向緊密靠近氣門座(圖中未示)的方向移動，也就是，在氣門彈簧6壓縮反作用力的作用下向圖1中的頂側移動。
在進氣側的配氣機構11設置有用作驅動源的電動機(下文稱為電機)12，相當于用于傳遞電機12旋轉運動的傳遞機構的傳動機構13，以及將傳動機構13傳來的旋轉運動轉換為進氣門2的線性打開和關閉運動的凸輪機構14。對于電機12，采用轉速可以控制的直流無刷電機或類似電機。電機12那里具有用于檢測電機旋轉位置的位置檢測傳感器12a，比如解算器、旋轉編碼器或類似傳感器。傳動機構13將安裝到電機12輸出軸(圖中未示)的電機齒輪15的旋轉通過中間齒輪16傳遞到凸輪主動齒輪17。傳動機構13可以設置成電機齒輪15和凸輪主動齒輪17以相同的速度旋轉，或者可以設置成凸輪主動齒輪17的速度相對于電機齒輪15增大或減小。
此外，如圖2所示，凸輪機構14設置有與凸輪主動齒輪17同軸一體旋轉的凸輪軸20，與凸輪軸20一體旋轉的兩個凸輪21，以及設置在每個凸輪21和進氣門2之間的搖臂22。凸輪21為一種平板凸輪，其突出部21a是通過與凸輪軸20同軸的圓弧基圓21b的一部分沿徑向向外突出形成的。
搖臂22可旋轉的安裝到氣門搖臂軸23，其中一個端部22a與進氣門2的氣門桿2b的上端接觸，并且另一個端部22b與間隙調節器24接觸。間隙調節器24上推搖臂22的一個端部22a，從而搖臂22的這個端部22a保持與進氣門2的上端部分始終接觸的狀態。搖臂22根據凸輪21的旋轉搖動氣門搖臂軸23，并且進氣門2根據該搖動進行沿氣門桿2b軸向的線性運動，氣缸被打開和關閉。
回到圖1，配氣機構11設置有電動機控制裝置30，用作控制電機12運動的電動機控制裝置。電動機控制裝置30為計算機單元，設置有微處理器以及微處理器運行所需要的外圍設備比如主存儲器或類似設備。當設置有多個配氣機構11的時候，各個配氣機構11可以共同使用電動機控制裝置30。另一種選擇是，在各個氣缸1或各個配氣機構中設置電動機控制裝置30。電動機控制裝置可以專門用于控制配氣機構11，或者用于其它預期用途的計算機單元可以與電動機控制裝置30一起使用。例如，用于控制內燃機燃油噴射量的發動機控制單元(ECU)可以用作電動機控制裝置。
對于電動機控制裝置30，其連接有多個傳感器，比如輸出對應曲軸角度的信號的曲柄角傳感器31和類似的傳感器，與上述位置檢測傳感器12a一樣作為信息輸入裝置。電動機控制裝置30根據存儲在ROM中的氣門控制程序，參考這些傳感器的輸出來控制電機12的運動。作為與本發明的特征相關的控制器，電動機控制裝置30改變電機12的轉速，使得進氣門2的加速度特性對應于進氣門2的發動機轉速而改變。對于這一點，以下將給出詳細說明。
圖3表示進氣門2的升程Y、上升速度V和上升加速度A與凸輪21的轉角θ之間的對應關系。在這種情況下，假定凸輪軸20的轉速為基本速度，也就是，內燃機的曲軸(發動機輸出軸)轉速的一半，并且該基本速度保持常值。此外，圖3給出了從進氣門2開始上升時的凸輪角(上升開始的角度)θr到達到最大升程Y0max時的凸輪角(最大升角)θy的進氣門2的配氣機構特性，并且假定從最大升角θy到進氣門2上升結束時的凸輪角的配氣機構特性是關于最大升角θy處的垂直軸對稱的。這樣確定凸輪速度V和凸輪加速度A的正負，使得進氣門2打開的方向為正方向。
在圖3中，對升程Y進行微分得到上升速度V，對上升速度V進行微分得到上升加速度A。相應的，上升速度V在早于最大升角θy的凸輪角(最大速度凸輪角)θv達到最大上升速度Vmax，上升加速度A在早于上升加速度A的凸輪角(最大加速度凸輪角)θa達到正向最大上升加速度Amax。如上所述，為了限制低轉速區域的凸輪軸扭矩，需要將進氣門2的上升特性設定為在升程Y盡可能小的階段獲得最大上升速度Vmax，另一方面，為了限制高轉速區域的凸輪軸扭矩，需要限制最大上升加速度Amax。只要凸輪軸20的轉速在進氣門2上升期間保持不變，上升速度V和上升加速度A就能基于凸輪21的輪廓明確的確定。因此，可以當減小最大加速度Amax的同時加快最大速度凸輪角θv。
因此，首先優先考慮限制高轉速區域的慣性扭矩，凸輪21的輪廓設計成內燃機轉速最大時的最大加速度Amax小于允許的極限值。在這種情況下，如果凸輪21在進氣門2上升期間以基本速度運轉，那么最大速度凸輪角θv被延遲，并且低轉速區域的氣門彈簧扭矩增大。為了避免這種情況，在低轉速區域，電機12的轉速在上升開始之后和上升結束之前高于基本速度，從而增大進氣門2的最大加速度Amax，如圖3中的箭頭I所示。因此，可以加快最大速度凸輪角θv，如箭頭II所示，以此限制氣門彈簧扭矩，從而降低凸輪軸扭矩。
圖4為電機12的轉速(電機轉速)和輸出扭矩(電機扭矩)的變化的時間圖，電動機控制裝置30控制用來以上述方式改變進氣門2的加速度特性。在圖中，假定不考慮發動機的轉速，凸輪21是由電機12驅動持續在相同的方向旋轉。
當內燃機以最大轉速運轉的時候，電動機控制裝置30將電機扭矩固定為常值T1，如圖4中的實線Lt1所示，并且將電機12的轉速固定為常值V1，如實線Lv1所示。速度V1等于凸輪21以對應于曲軸最大轉速一半的基本速度旋轉所需的電機12的轉速。相反，當內燃機處于怠速運轉的時候，在上升開始之后的預定區段Xs內和在上升結束之前的預定區段Xe內，電動機控制裝置30相對于扭矩T2增大和減小電機扭矩，該扭矩T2是在怠速時以基本速度驅動凸輪21所必須的，如圖中的實線Lt2所示，從而在區段Xs和Xe內增大電機12的轉速，使其高于對應于怠速時的基本速度的速度V2。在上升期間位于區段Xs和Xe之間的中間區段Xm中，電機扭矩保持為T2，并且電機速度設定為低于速度V2。原因是為了使進氣門2的配氣區域(被升程曲線圍繞的區域)與驅動電機12以恒定速度V2旋轉的情況相一致。
當內燃機處于怠速和最大轉速之間的中間轉速時，電動機控制裝置30在上升開始之后和上升結束之前的預定區段Xs和Xe內增大和減小電機扭矩和電機速度，如圖4中的實線Lt3和Lv3所示，然而，根據發動機轉速的增加將這個時候的電機速度和扭矩的差值控制得很小。例如，假定在上升開始之后和上升結束之前要施加的電機扭矩差值的絕對值設為Δ|T|，如圖4所示，當發動機轉速如圖5增大的時候，值Δ|T|設的小些，并設定關系式Δ|T|＝0，也就是，在達到最大轉速Nemax時獲得沒有加速度的恒定轉速運轉狀態。
當按上述方式控制電機12的扭矩和速度時，即使凸輪21的輪廓設計成優先考慮限制最大轉速時的慣性扭矩，也可以在低轉速區域改變進氣門2的加速度特性，使得在上升開始之后和上升結束之前的有限區段Xs和Xe內產生最大上升速度Vmax，其中升程是相對來說較小的，從而可以限制低轉速區域的氣門彈簧扭矩，減輕施加給電機12的負荷。
(第二實施例)在第一實施例中，凸輪21的輪廓設計成優先考慮減小在高轉速區域內的慣性扭矩，然而，也可以從相反的方面實現本發明。圖6至圖8將顯示其中的一個實施例。
在這個實施例中，首先假定優先考慮限制在低轉速區域內的氣門彈簧扭矩，凸輪21的輪廓設計成使得提供最大上升速度Vmax的最大速度凸輪角θv變得盡可能的提前。在這種情況下，如果不考慮發動機轉速而以基本速度驅動凸輪21，那么上升開始之后和上升結束之前的最大加速度Amax與發動機轉速增大的平方成比例增大，并且高轉速區域內的慣性扭矩也顯著加大了。為了避免這種情況，當發動機轉數從怠速轉數增大的時候，改變電機12的轉速，使得上升開始之后和上升結束之前的進氣門2的最大加速度與轉速的平方成反比地降低。因此，可以限制進氣門2的最大加速度Amax，如圖6的箭頭III所示，并且可以延遲最大速度凸輪角θv，如箭頭IV所示，以此抑制高轉速區域內慣性扭矩的增大。
圖7為電機12的轉速(電機轉速)和輸出扭矩(電機扭矩)的變化的時間圖，電動機控制裝置30控制用來以上述方式改變進氣門2的加速度特性。在圖中，假定不考慮發動機的轉速，凸輪21是由電機12驅動持續在相同的方向旋轉。
當內燃機以怠速轉數運轉的時候，電動機控制裝置30將電機扭矩固定為常值T4，如圖7中的實線Lt4所示，并且將電機12的轉速固定為常值V4，如實線Lv4所示。速度V4等于凸輪21在內燃機處于怠速狀態時以基本速度旋轉所需的電機12的轉速。相反，當內燃機以最大轉速運轉的時候，在上升開始之后和在上升結束之前的預定區段Xs和Xe內，電動機控制裝置30相對于扭矩T5增大和減小電機扭矩，該扭矩T5是驅動凸輪21以對應于最大轉速的基本速度旋轉所必須的，如圖中的實線Lt5所示，從而使得在區段Xs和Xe內的電機12的轉速低于驅動凸輪21以對應于最大轉速的基本速度旋轉所必須的速度V5。在上升期間位于區段Xs和Xe之間的中間區段Xm中，電動機控制裝置30將電機扭矩保持為T5，并且將電機12的轉速設定為高于速度V5。原因是為了使進氣門2的配氣區域(被升程曲線圍繞的范圍)與驅動電機12以恒定速度V5旋轉的情況相一致。
當內燃機處于怠速轉速和最大轉速之間的中間轉速時，電動機控制裝置30在上升開始之后和上升結束之前的預定區段Xs和Xe內改變電機扭矩和電機速度，如圖7中的實線Lt6和Lv6所示，然而，這個時候電機速度和扭矩的差值當發動機轉速增加時變大。例如，假定在上升開始之后和上升結束之前要施加的電機扭矩差值的絕對值設為Δ|T|，如圖7所示，并設定關系式Δ|T|＝0，也就是，在怠速轉速Neid時獲得沒有加速度的恒定轉速運轉狀態，如圖8所示，然而，當發動機轉速增大的時候，扭矩差值的絕對值|T|增大，并且在高轉速Nemax時扭矩增大和減小變化最大。
當按上述方式控制電機12的扭矩和速度的時候，即使凸輪21的輪廓設計成限制低轉速區域內的氣門彈簧扭矩，也可以抑制高轉速區域內進氣門2的最大加速度增大，從而可以將慣性扭矩限制的較小，減輕施加給電機12的負荷。
本發明并不局限于上述實施例，可以在各種實施例的基礎上實施本發明。例如，在上述實施例中，不考慮發動機的轉速，電機12是持續在相同的方向旋轉，然而，本發明可以應用到電機12以搖擺驅動模式運轉的情況中，其中在到達獲得最大升程的凸輪角之前改變凸輪21的旋轉方向。配氣機構11可以分開設置在各個氣缸中，或多個氣缸1共用一個配氣機構11。本發明可以應用于驅動排氣門的配氣機構。本發明可以應用于所謂直推型配氣機構，其中凸輪和進氣門是不使用搖臂而直接相互接觸的。
在上述實施例中，因為電機扭矩差值的絕對值Δ|T|是一直變化的，如圖5和圖8所示，所以可以根據發動機轉速的變化來抑制進氣門2的上升特性的不連續變化，從而可以防止駕駛性能變差。然而，本發明并不局限于上述應用連續變化的實施例，電機扭矩和電機速度的差值也可以是采用等于或大于兩級的有限級數間斷變化。本發明并不局限于四沖程內燃機，其中用作發動機輸出軸的曲軸從進氣行程開始到排氣行程結束旋轉兩次，也可以用于二沖程內燃機，其中在發動機輸出軸的一次旋轉過程中完成進氣到排氣行程。在這種情況下，凸輪的基本速度與發動機輸出軸的轉速是一致的。換句話說，將凸輪旋轉時的基本速度確定為，將內燃機的發動機輸出軸的轉速除以從進氣行程開始到排氣行程結束的發動機輸出軸的旋轉數而獲得的速度。
權利要求
1.一種內燃機的配氣機構，包括電動機；通過凸輪將電動機旋轉運動轉換為氣門直線運動的凸輪機構，該氣門用于打開和關閉氣缸；以及電動機控制裝置，其控制所述電動機使得氣門上升過程中的加速度特性隨著內燃機的轉速改變。
2.根據權利要求1所述的配氣機構，其特征在于所述電動機控制裝置控制所述電動機，使得當內燃機的轉速較低時，在氣門上升開始之后和上升結束之前的預定區段內的凸輪速度變得高于所述預定區段之間的中間區段的凸輪速度，并且當內燃機轉速較高時，凸輪在氣門上升期間以恒定速度旋轉。
3.根據權利要求2所述的配氣機構，其特征在于所述電動機控制裝置控制所述電動機，使得在所述預定區段和中間區段之間的凸輪轉速差隨內燃機轉速的增大而減小。
4.根據權利要求1所述的配氣機構，其特征在于所述電動機控制裝置控制所述電動機，使得當內燃機的轉速較低時，凸輪在氣門上升期間以恒定速度旋轉，并且當內燃機轉速較高時，在氣門上升開始之后和上升結束之前的預定區段內的凸輪速度變得低于在所述預定區段之間的中間區段的凸輪速度。
5.根據權利要求4所述的配氣機構，其特征在于所述電動機控制裝置控制所述電動機，使得所述預定區段和中間區段之間的凸輪轉速差隨內燃機轉速的增大而增大。
6.一種內燃機的配氣機構，包括電動機；通過凸輪將電動機旋轉運動轉換為氣門直線運動的凸輪機構，該氣門用于打開和關閉氣缸；以及電動機控制裝置，其控制所述電動機使得氣門上升過程中的加速度特性隨著內燃機的轉速改變。
全文摘要
本發明提供一種配氣機構(11)，包括有電動機(12)、凸輪機構(14)和電動機控制裝置(30)，該凸輪機構(14)通過凸輪(21)將電動機(12)旋轉運動轉換為進氣門(2)直線運動，該電動機控制裝置(30)控制電動機(12)使得進氣門(2)上升過程中的加速度特性隨著內燃機的轉速改變。
文檔編號F01L1/04GK1894487SQ20048003729
公開日2007年1月10日 申請日期2004年12月15日 優先權日2003年12月17日
發明者江崎修一, 淺田俊昭, 辻公壽, 日下康 申請人:豐田自動車株式會社