專利名稱：帶有增壓器的內燃機的制作方法
技術領域：
本發明涉及帶有增壓器的內燃機。
背景技術：
在帶有增壓器的內燃機中，為了阻止在發動機輸出功率上的過度增加，提供有連通通道，該連通通道用于連接在增壓器廢氣渦輪的上游側和下游側之間，以及廢氣閥門，該廢氣閥門用于打開和關閉連通通道，其中，當增壓壓力升高時，廢氣閥門打開以降低經過廢氣渦輪的廢氣的流速，以便阻止增壓壓力過度升高。
已知有一種技術，在該技術中，提供主推動裝置，該主推動裝置用于按照增壓壓力的升高在廢氣的下游方向上推動廢氣閥門，以及推動力修正裝置，該推動力修正裝置用于按照壓力差的大小在消除廢氣閥門的上游側和下游側之間的壓力差的方向上推動廢氣閥門，其中，通過平衡在廢氣閥門的上游側和下游側之間的壓力差的影響，喘振被抑制(參見，例如，第一專利文獻(日本實用新型申請公開NO.S63-82033，第二專利文獻(日本專利申請公開NO.2002-195046)，第三專利文獻(日本專利申請公開NO.H5-141258)，第四專利文獻(日本專利申請公開NO.H3-294623)，以及第五專利文獻(日本專利申請公開NO.H1-110832))。
但是，用于驅動廢氣閥門的彈簧如此設置，使得廢氣閥門在最大增壓壓力完全打開。以這種設置，當廢氣閥門的上游側和下游側之間的壓力差變得等于或者高于某個壓力時，該壓力正好低于最高增壓壓力，彈簧按照增加的壓力差逐漸移位，因此廢氣閥門被強迫逐漸打開。當廢氣閥門以這種方式逐漸打開時，用于旋轉渦輪的廢氣的量過度減少，因此使得增壓壓力的升高遲鈍或者緩慢。結果，發動機扭矩增加不迅速，因此惡化駕駛性能。
發明內容
鑒于上述問題做出本發明，本發明的目的為是，提供一種能夠在帶有增壓器的內燃機中迅速提高增壓壓力的技術。
為了實現上述目的，如本發明所述的帶有增壓器的內燃機包括連通通道，該連通通道連接在排氣道的增壓器廢氣渦輪的上游和下游的那些部分之間；以及廢氣閥門，該廢氣閥門布置在所述連通通道中，以便從所述連通通道的上游側向其下游側打開；以及其特征在于，包括驅動裝置，該驅動裝置將從所述連通通道的下游側指向上游側的固定力施加到所述廢氣閥門上。
本發明的主要特征在于通過向廢氣閥門施加固定力，所述廢氣閥門不打開，直到在廢氣閥門的上游側和下游側之間的壓力差變得大于固定力。
即，廢氣閥門通過驅動裝置用固定力關閉，從而所述廢氣閥門不打開，直到固定力在閥門開啟方向上作用到廢氣閥門上。因此，使全部廢氣量流過廢氣渦輪是可能的，因此增壓壓力能夠迅速提高。另外，當等于或大于固定力的壓力差作用到廢氣閥門上時，所述廢氣閥門打開以允許廢氣流入連通通道，結果流過廢氣渦輪的廢氣量減少，因此，抑制增壓壓力的進一步升高。
在這里，注意“固定力”可以是當增壓壓力變成最大時作用到廢氣閥門上的力。
在本發明中，進一步提供進氣節氣門，該進氣節氣門布置在內燃機的進氣道中，用于按照加速器開啟程度調節進氣的流速。
當加速器開啟小于或等于所述進氣節氣門的開度變成預定的開度時的加速器開啟程度時，從所述連通通道的下游側指向上游側的固定力作用到所述廢氣閥門，而當加速器開啟大于所述進氣節氣門的開度變成預定的開度時的加速器開啟程度時，在從所述連通通道的下游側到上游側的方向上作用到所述廢氣閥門上的力按照增加的加速器開啟程度增加。
在這里，注意在對內燃機不要求大輸出的運行狀態下，也不要求高增壓壓力。但是，在帶有增壓器的傳統內燃機中，廢氣閥門在低增壓壓力的狀態下不能打開，因此內燃機的輸出通過改變進氣節氣門的開度調節，直到增壓壓力提高到廢氣閥門能夠打開的壓力值。但是，如果輸出以這種方式通過改變進氣節氣門的開度調節，那么取決于廢氣渦輪的旋轉的機械損失、在增壓器和中冷器中的熱損失、由于廢氣壓力的升高的泵氣損失等等變大，導致發動機效率的減少。
另外，即使通過使廢氣閥門用電控制，所述廢氣閥門能夠在任意增壓壓力打開，按照駕駛員對加速踏板的控制平穩執行輸出調節也是困難的。
在這一點上，根據本發明，關于輸出增加要求，廢氣閥門用相對小的固定的或不變的力關閉，直到進氣節氣門的開度調節到變成預定開啟的加速器開啟程度。這時，輸出增加要求越大，也就是，加速器開啟程度、進氣節氣門的開度以及廢氣閥門的開度變得越大，以及在有進一步增加的輸出增加要求的情況下，輸出增加要求越大，產生越大的作用到廢氣閥門的力。在這種情況下，廢氣閥門的開度逐漸減少，據此內燃機的輸出增加。
因此，在不需要大輸出的運行狀態下，通過調節關閉廢氣閥門的力到相對小的常數值，廢氣閥門甚至能夠用低的增壓壓力打開。結果，進氣節氣門的開度能夠達到更大，發動機效率能夠提高。
另外，在進氣節氣門已經調節到預定開度的情況下，輸出調節能夠通過逐漸改變關閉廢氣閥門的力實現。結果，平穩輸出調節能夠實現。
考慮到上文，為了實現所述目的，如本發明所述的帶有增壓器的內燃機包括連通通道，該連通通道連接在排氣道的增壓器廢氣渦輪的上游和下游的部分之間；廢氣閥門，該廢氣閥門布置在所述連通通道中，以便從所述連通通道的上游側向其下游側打開；以及進氣節氣門，該進氣節氣門布置在內燃機的進氣道中，用于按照加速器開啟程度調節進氣的流速；以及其特征在于，進一步包括驅動裝置，該驅動裝置作用從所述連通通道的下游側指向上游側的力到所述廢氣閥門上。
其特征可以在于，當加速器開啟大于一個加速器開啟程度時，在該加速器開啟程度，所述進氣節氣門的開度變成預定開度，所述驅動裝置按照增加的加速器開啟程度增加作用到所述廢氣閥門的力。
此外，所述驅動裝置可以按照發動機每分鐘轉數改變作用到所述廢氣閥門的力。
另外，在本發明中，從驅動裝置作用到所述廢氣閥門的固定力能夠如此決定，從而所述廢氣閥門在所述進氣節氣門完全打開之前不完全打開。以這種布置，進氣節氣門能夠以快速的方式完全打開，發動機效率能夠提高。
在本發明中，從所述驅動裝置作用到所述廢氣閥門的力能夠決定為一個值，使用該值，在內燃機全負荷下的增壓壓力不超過允許值。
因此，通過決定從驅動裝置作用到廢氣閥門的力，從而在內燃機全負荷下的增壓壓力不超過允許值，廢氣閥門在增壓壓力超過允許值之前打開，從而廢氣開始流入連通通道。結果，抑制增壓壓力超過允許值是可能的。
如在上文中所述的，在如本發明所述的帶有增壓器的內燃機中，通過在增壓壓力升高到滿意的程度之前阻止廢氣閥門打開，增壓壓力能夠迅速提高或增加。
圖1是顯示內燃機和其進氣及排氣系統以及增壓器一起的示意性結構的視圖，如本發明的第一個和第二個實施例所述的帶有增壓器的內燃機應用于該內燃機。
圖2是顯示在帶有增壓器的傳統內燃機中廢氣閥門的開度和作用在廢氣閥門上的力的大小之間的關系的視圖。
圖3是顯示在如本發明的第一個實施例所述的帶有增壓器的內燃機中廢氣閥門的開度和作用在廢氣閥門上的力的大小之間的關系的視圖。
圖4是時間圖，顯示進氣節氣門(上線)、廢氣閥門的開度(中線)和增壓壓力(下線)的變化。
圖5是顯示如第二個實施例所述的加速踏板壓下的量、進氣節氣門開啟和廢氣閥門的關閉力之間的關系的視圖。
圖6是顯示如第二個實施例所述的加速踏板壓下的量和由內燃機產生的扭矩之間的關系的視圖。
圖7是顯示如第二個實施例所述的加速踏板壓下的量和廢氣閥門的開度之間的關系的視圖。
具體實施例方式
在下文中，如本發明所述的優選實施例將會參照
。
圖1是顯示內燃機和其進氣及排氣系統以及增壓器一起的示意性結構的視圖，如本發明的該實施例所述的帶有增壓器的內燃機應用于該內燃機。在圖1中所示的內燃機1是水冷四沖程柴油機。
進氣管2和排氣管3與內燃機1相連。渦輪增壓器4的壓氣機機殼4a布置在進氣管2上，該渦輪增壓器4由作為動力源的廢氣的能量運轉。此外，進氣節氣門5布置在進氣管2上，在壓氣機機殼4a的下游側，該進氣節氣門5調節經過進氣管2的進氣的流速。進氣節氣門5由電動執行機構打開和關閉。
另一方面，渦輪增壓器4的渦輪機殼4b布置在排氣管3上。廢氣渦輪4c被布置在渦輪機殼4b內，該廢氣渦輪4c由廢氣的能量驅動以旋轉。
另外，布置有連通通道6，該連通通道6連接在渦輪機殼4b的上游和下游的排氣管3的那些部分之間。閥座61布置在該連通通道6內，該閥座61用來使連通通道6的橫截面面積變窄。另外，廢氣閥門7如此布置在連通通道6內，從而與閥座61是可接觸的，該廢氣閥門7用來調節經過所述連通通道6的廢氣的流速。
廢氣閥門7與電動機9通過連接機構8相連。此外，廢氣閥門7能夠平行于經過連通通道6的廢氣的流動方向移動。當廢氣閥門7被強迫移向其打開側時，它在從連通通道6內的廢氣流動的上游側到下游側的方向上移動，而當廢氣閥門7被強迫移向其關閉側時，它在從連通通道6內的廢氣流動的下游側到上游側的方向上移動。即，當閥座61的下游側接觸廢氣閥門7的上游側時，廢氣在連通通道6內的流動被切斷。在這里，注意廢氣閥門7可以選取任何其他形狀，只要當在連通通道6內廢氣閥門7的上游的壓力高于其下游的壓力時，壓力差作用在打開廢氣閥門7的方向上。
以電控單元的形式用于控制內燃機1的ECU10與如所述方式構造的內燃機1一起提供。該ECU10用來按照內燃機1的運行條件和駕駛員的要求控制內燃機1的運行狀態。
另外，通過電線連接到ECU10的是加速器開啟傳感器12，曲軸位置傳感器13以及其他各種傳感器，該加速器開啟傳感器12能夠輸出對應于駕駛員已經壓下加速踏板11的壓下的量的電信號，并檢測發動機負荷狀態，該曲軸位置傳感器13檢測發動機的每分鐘轉數，從而各種傳感器的所述變量的輸出信號輸入ECU10。
另一方面，進氣節氣門5和電動機9通過電線連接到ECU10，從而進氣節氣門5和電動機9能夠由ECU10控制。例如，ECU10根據加速器開啟傳感器12的輸出信號控制進氣節氣門5的開度。
當ECU10給電動機9提供電力時，電動機9被驅動以在關閉廢氣閥門7的方向上旋轉。在這里，注意通過給電動機9提供固定電壓和固定電流，由電動機9產生的扭矩能夠保持不變。結果，可使關閉廢氣閥門7的力(在下文中稱為關閉力)為常量。當固定電壓加到電動機9時，從電動機產生的扭矩能夠按照流入電動機9的增加的電流增加，因此廢氣閥門7的關閉力能夠增加。在這里，注意在該實施例中的電動機9對應在本發明中的驅動裝置。
但是，在帶有增壓器的傳統內燃機中，廢氣閥門由彈簧的推動力關閉。
在這里，圖2是顯示在帶有增壓器的傳統內燃機中廢氣閥門的開度和作用在廢氣閥門上的力的大小之間的關系的視圖。橫坐標的軸代表廢氣閥門的開度，以及縱坐標的軸代表作用在廢氣閥門上的力的大小。
在圖2中的虛線表示在廢氣閥門的上游側和下游側之間的壓力差的大小，也就是，打開廢氣閥門的力的大小。進氣節氣門的開度越大，廢氣閥門的上游側和下游側之間的壓力差變得越大。即，在圖2中，隨著進氣節氣門的開度增大，虛線向上方移動。此外，在圖2中的實線表示關閉廢氣閥門的力，也就是，彈簧的推動力。在這里，注意打開廢氣閥門的力是從廢氣閥門的上游側指向下游側的力，以及關閉廢氣閥門的力是從廢氣閥門的下游側指向上游側的力。
廢氣閥門的開度由關閉廢氣閥門的力和打開廢氣閥門的力的交叉點表示(例如，在圖2中的點A到D)。
當進氣節氣門的開度小的時候以及當打開廢氣閥門的力小于關閉廢氣閥門的力(在圖2中的點A)的時候，廢氣閥門保持關閉。
當進氣節氣門的開度增加時，打開廢氣閥門的力增加。當進氣節氣門開啟變成大于在打開廢氣閥門的力和關閉廢氣閥門的力變成相等(在圖2中的點B)時的進氣節氣門開啟時，打開廢氣閥門的力變得大于關閉廢氣閥門的力，因此廢氣閥門被打開(在圖2中的點C)。此外，當進氣節氣門的開度增大時，打開廢氣閥門的力變大，因此廢氣閥門的開度相應增加。彈簧的彈簧常數如此設置，從而當進氣節氣門變成完全打開時(在圖2中的點D)，廢氣閥門也完全打開。
以這種方式，在帶有增壓器的傳統內燃機中，廢氣閥門由彈簧推動。因此，在進氣節氣門完全打開之前，打開廢氣閥門的力變得大于關閉廢氣閥門的力，因此，廢氣閥門開始打開。結果，廢氣流入連通通道6，因此，經過渦輪機殼4b的廢氣的量相應減少，因此使得增壓壓力的升高遲鈍或緩慢。
另一方面，圖3是顯示在如該實施例所述的帶有增壓器的內燃機中廢氣閥門的開度和作用在廢氣閥門上的力的大小之間的關系的視圖。橫坐標的軸代表廢氣閥門7的開度，以及縱坐標的軸代表作用在廢氣閥門7上的力的大小。在這里，注意在圖3中的點A到D和在圖2中的具有相同的意義。
在該實施例中，通過一直給電動機9提供固定電壓和固定電流，電動機9產生不變的或固定的扭矩。因此，關閉廢氣閥門7的力總是變成常量。提供給電動機9的電流和電壓如此設置，從而關閉廢氣閥門7的力(也就是，由電動機9作用到廢氣閥門7的力)以及當進氣節氣門5完全打開時打開廢氣閥門7的力(也就是，由廢氣閥門7的上游側和下游側之間的壓力差作用到廢氣閥門7的力)變成相等。因此，通過使關閉廢氣閥門7的力不變，當廢氣閥門7打開時進氣節氣門5的開度變大。因此，廢氣閥門7在增壓壓力變得更高之前不會打開，因此，如在常規情況下的增壓壓力的遲鈍或緩慢升高能夠被抑制。結果，增壓壓力能夠以迅速的方式升高。
圖4是時間圖，顯示進氣節氣門開啟(上線)、廢氣閥門的開度(中線)和增壓壓力(下線)的變化。實線代表如該實施例所述的帶有增壓器的內燃機，以及虛線代表帶有增壓器的傳統內燃機。
因此，在如該實施例所述的帶有增壓器的內燃機中，與傳統內燃機相比較，在進氣節氣門打開之后，廢氣閥門開始打開的時間較晚。因此，增壓壓力迅速升高。
盡管在該實施例中，通過在加固定的或不變的電壓到其上時給電動機9提供固定的或不變的電流，使廢氣閥門7的關閉力為常量，如果提供用來使廢氣閥門7的關閉力不變的結構，那么可以不需要在電動機9上的這種控制。例如，可以將在隔板上打開和關閉廢氣閥門7的壓力保持不變。
在這里，盡管考慮到廢氣閥門是電動的或者電控的，從而廢氣閥門隨著廢氣的壓力打開和關閉，但由于檢測廢氣壓力的傳感器、檢測廢氣閥門開度的傳感器等等的熱膨脹，所以精確控制是困難的。這是因為與進氣節氣門相比較，廢氣閥門即使在其開度上有輕微的差異，也會對內燃機的輸出產生很大的影響。
如在前文中所述的，在該實施例中，通過使關閉廢氣閥門7的力不變，當廢氣閥門7打開時，能夠使進氣節氣門5的開度更大，因此增壓壓力能夠迅速升高，因此使得提高駕駛性能是可能的。另外，更少受廢氣的熱量的影響，因此，在增壓壓力上的控制的精確性能夠提高。
(實施例2)在該實施例中，增壓壓力通過控制進氣節氣門5的開度和廢氣閥門7的開度而控制。硬件和第一個實施例中的硬件相同，因此，省略其解釋。
在這里，圖5是顯示如該實施例所述的加速踏板11壓下的量(加速器開啟)、進氣節氣門5開啟和廢氣閥門7的關閉力之間的關系的視圖。加速踏板11壓下的量、進氣節氣門5開啟和廢氣閥門7的關閉力之間的關系根據內燃機1的每分鐘轉數變化。
另外，圖6是顯示如該實施例所述的加速踏板11壓下的量和由內燃機1產生的扭矩之間的關系的視圖。
此外，圖7是顯示如該實施例所述的加速踏板11壓下的量和廢氣閥門7的開度之間的關系的視圖。
在這里，注意在圖5、6和7中加速踏板11壓下的量Z都是相同的值。
在該實施例中，當加速踏板11壓下的量相對小(也就是，小于或等于加速踏板11壓下的量Z)時，固定電壓被加到電動機9以及固定電流被提供給電動機9，從而關閉廢氣閥門7的力變成在相對小的值不變，直到進氣節氣門5的開度是完全打開的。這時，固定電壓和固定電流被提供給電動機9，從而廢氣閥門7的開度隨著穿過廢氣閥門7的增大的壓力差增加。另外，關閉廢氣閥門7的力，也就是，提供給電動機9的電壓和電流如此設置，從而即使當進氣節氣門5變成完全打開時，廢氣閥門7也不是完全打開的。關閉廢氣閥門7的力預先通過實驗等等獲得，如內燃機1的每分鐘轉數和加速踏板11壓下的量之間的關系實驗，并繪成圖以及儲存在ECU10中。
在這里，注意即使能夠在閥門關閉方向上移動廢氣閥門7的力作用在廢氣閥門7上，完全打開時的廢氣閥門7也不立刻移動。在這一點上，通過設置關閉廢氣閥門7的力，以便即使當進氣節氣門5變成完全打開時，也阻止廢氣閥門7完全打開，提高廢氣閥門7的響應性能是可能的。
此外，當在進氣節氣門5完全打開之后，加速踏板11進一步壓下(大于加速器11壓下的量Z)時，關閉廢氣閥門7的力隨著加速踏板11壓下的量增加，直到進氣節氣門5完全打開。這時，關閉廢氣閥門7的力如此設置，從而廢氣閥門7的開度隨著增大的加速踏板11壓下的量增加。關閉廢氣閥門7的力預先通過試驗等等獲得，如內燃機1的每分鐘轉數和加速踏板11壓下的量之間的關系，并繪成圖以及儲存在ECU10中。
因此，因為當加速踏板11壓下的量小于或者等于加速踏板11壓下的量Z時，增壓壓力不需要升高，所以當加速踏板11壓下的量增加時，使得廢氣閥門7的開度增加。結果，當內燃機1的輸出相同時，能夠使得進氣節氣門5的開度遠遠高于在帶有增壓器的傳統內燃機中的值，因此，增壓壓力能夠降低。因此，由于渦輪旋轉的機械損失能夠降低，以及另外，在渦輪增壓器4和中冷器中的熱損失以及由于廢氣壓力升高的泵損失能夠降低。另外，與廢氣閥門7的開度以反饋的方式控制的情況相比較，能夠更平穩地實現內燃機的輸出控制。
另一方面，當加速踏板11壓下的量大于加速踏板11壓下的量Z時，進氣節氣門5完全打開，因此泵損失小。通過改變廢氣閥門7的關閉力，廢氣閥門7的開度改變，以及增壓壓力相應被調節，因此其變得更少受廢氣的熱量的影響。因此，能夠精確地控制增壓壓力，此外能夠提高駕駛性能。
權利要求
1.一種帶有增壓器的內燃機，該內燃機包括連通通道，該連通通道連接在增壓器廢氣渦輪的上游和下游的排氣道的那些部分之間，以及廢氣閥門，該廢氣閥門布置在所述連通通道中，以便從所述連通通道的上游側向其下游側打開，其特征在于，包括驅動裝置，該驅動裝置將從所述連通通道的下游側指向上游側的固定力作用到所述廢氣閥門上。
2.如權利要求1所述的帶有增壓器的內燃機，其特征在于，進一步包括進氣節氣門，該進氣節氣門布置在內燃機的進氣道中，用于按照加速器開啟程度調節進氣的流速，其中，當加速器開啟小于或等于在該加速器開啟程度下所述進氣節氣門的開度變成預定開度的加速器開啟程度時，從所述連通通道的下游側指向上游側的固定力作用到所述廢氣閥門，而當加速器開啟大于在該加速器開啟程度下所述進氣節氣門的開度變成預定開度的加速器開啟程度時，在從所述連通通道的下游側到上游側的方向上作用到所述廢氣閥門上的力按照增加的加速器開啟程度增加。
3.一種帶有增壓器的內燃機，該內燃機包括連通通道，該連通通道連接在增壓器廢氣渦輪的上游和下游的排氣道的那些部分之間；廢氣閥門，該廢氣閥門布置在所述連通通道中，以便從所述連通通道的上游側向其下游側打開；以及進氣節氣門，該進氣節氣門布置在內燃機的進氣道中，用于按照加速器開啟程度調節進氣的流速，其特征在于，進一步包括驅動裝置，該驅動裝置將從所述連通通道的下游側指向上游側的力作用到所述廢氣閥門上，其中，當加速器開啟大于在該加速器開啟程度下所述進氣節氣門的開度變成預定開度的加速器開啟程度時，所述驅動裝置按照增加的加速器開啟程度增加作用到所述廢氣閥門上的力。
4.如權利要求2或3所述的帶有增壓器的內燃機，其特征在于，所述驅動裝置按照發動機每分鐘轉數改變作用到所述廢氣閥門的力。
5.如權利要求2到4的任一個所述的帶有增壓器的內燃機，其特征在于，從所述驅動裝置作用到所述廢氣閥門的固定力能夠如此決定，從而所述廢氣閥門不完全打開，直到所述進氣節氣門已經完全打開。
6.如權利要求1到4的任一個所述的帶有增壓器的內燃機，其特征在于，從所述驅動裝置作用到所述廢氣閥門的力能夠決定為一個值，使用該值，在內燃機的全負荷下的增壓壓力不超過允許值。
全文摘要
在帶有增壓器的內燃機中，提供有能夠迅速提高增壓壓力的技術。在帶有增壓器的內燃機中，該內燃機包括連通通道6，該連通通道6連接在排氣道3的增壓器4廢氣渦輪4c的上游和下游的部分之間，以及廢氣閥門7，該廢氣閥門7布置在所述連通通道6中，以便從所述連通通道6的上游側向其下游側打開，提供驅動裝置，該驅動裝置作用固定力到所述廢氣閥門7上，該固定力從所述連通通道6的下游側指向上游側。通過作用固定力到廢氣閥門7，所述廢氣閥門7不會打開，直到在廢氣閥門7的上游側和下游側之間的壓力差變得大于固定力，因此增壓壓力平穩升高。
文檔編號F02D23/00GK101018934SQ200580030959
公開日2007年8月15日 申請日期2005年10月7日 優先權日2004年10月8日
發明者永樂玲 申請人:豐田自動車株式會社