用于发动机气门操作的连续可变差动相位调节的方法和装置的制作方法

专利名称：用于发动机气门操作的连续可变差动相位调节的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机的发动机气门的控制。
背景技术：
这一部分的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。内燃发动机特别是汽车内燃发动机通常分成两类，即火花点火发动机和压缩点火 发动机。已知的火花点火发动机例如汽油发动机通过以下过程而运行将燃料/空气混合 物引入到燃烧气缸中，然后在压缩冲程中压缩，并由火花塞点火。已知的压缩点火发动机例 如柴油发动机通过以下过程而运行在压缩冲程的上止点(TDC)附近将增压燃料引入或喷 入到燃烧气缸中，燃料在喷入时燃烧。已知的汽油发动机和柴油发动机中的燃烧涉及由流 体力学控制的预混合或扩散火焰。已知的汽油发动机系统在轻负荷和部分负荷运行条件下被节流以限制所引入的 被捕集空气质量到发动机中，作为一种控制发动机负荷的手段。这种节流发动机运行导致 高的泵送工作，从而限制了汽油发动机的燃料经济性潜力。已知的可变气门致动(VVA)系统可以通过以减小发动机的有效排量的方法操作 发动机来减小泵送损失。已知的操作系统包括提前进气门关闭(EIVC)和推迟进气门关闭 (LIVC) VVA策略。已知的LIVC系统在使用独立的两位置切换机构且缺少连续的凸轮相位调 节时可具有有限的优点。凸轮相位调节是已知的，由此进气凸轮轴、排气凸轮轴或者进气凸轮轴和排气凸 轮轴两者在一定限度内是连续可调的，从而实现对由相应凸轮轴致动的所有相应进气门和 排气门的受控相位调节。完全灵活的可变气门致动是已知的，由此通过包括电力地、液压地和这两种方式 的组合在内的各种实施方式来控制各个气门的正时、持续时间和升程。一种已知的柴油发动机包括单顶置凸轮轴，其携带有用于进气门致动的进气凸轮 和用于排气门致动的排气凸轮。凸轮轴包括同心的内轴和外轴。进气凸轮和排气凸轮中的 一者旋转地固定至内轴，进气凸轮和排气凸轮中的另一者旋转地固定至外轴。由此能够调 节进气凸轮和排气凸轮的相对定相，从而可以调节由单个凸轮轴服侍的进气门和排气门的 相对相位控制。然而，所有的进气门通常已被相位调节，并且所有的排气门通常已被相位调 节。

发明内容
一种内燃发动机包括凸轮轴和第一凸轮致动的进气门以及第二凸轮致动的进气 门。一种用于操作该发动机的方法包括提供第一进气凸轮，所述第一进气凸轮被构造成致 动所述第一凸轮致动的进气门；提供第二进气凸轮，所述第二进气凸轮被构造成致动所述 第二凸轮致动的进气门。所述第二进气凸轮能够独立于所述第一进气凸轮相对于所述曲轴的相位相对于所述曲轴进行相位调节。提供一种控制器，所述控制器被构造成选择性地延 迟所述第二进气凸轮的相位，以实现所述第二凸轮致动的进气门的推迟关闭，从而足以减 小发动机的有效压缩比。


现在将参照附图通过举例方式描述一个或多个实施例，在附图中图1是根据本发明的示例性双顶置凸轮轴发动机系统的局部示意性剖视图；图2示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第一实施例；图3示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第二实施例；图4示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第三实施例；图5示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第四实施例；图6示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第五实施例；图7示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第六实施例；图8示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第七实施例；图9示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第八实施例；图10示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第九实施例；图11示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第十实施例；图12示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第十一实施例；图13示意性地示出根据本发明的双顶置凸轮轴发动机的第十二实施例；以及图14A-14C示出根据本发明的对进气门运行的连续可变差动相位调节的方法。
具体实施例方式现在参照附图，其中，描绘仅是为了示出特定示例性实施例的目的，并不是为了对 其进行限制的目的，图1示意性地示出内燃发动机10和附随的控制模块5。发动机10选择 性地工作在受控的自动点火燃烧模式、均质火花点火燃烧模式和分层充气火花点火燃烧模 式下。示例性的发动机10包括具有往复活塞14的多缸直喷式四冲程内燃发动机，往复 活塞14可在气缸15中滑动移动，这限定可变体积的燃烧室16。每个活塞14连接到旋转 曲轴12，通过旋转曲轴12，活塞14的线性往复运动转变为旋转运动。空气进气系统将进气 空气提供给进气歧管29，进气歧管29将空气导引并分配到通往每个燃烧室16的进气流管 中。空气进气系统包括用于监控并控制空气流动的空气流管道系统和装置。空气进气装置 优选地包括用于监控质量空气流量和进气空气温度的质量空气流量传感器32。节气门34 优选地包括电子控制装置，电子控制装置响应于来自控制模块5的控制信号(ETC)控制到 达发动机10的空气流量。歧管中的压力传感器36适于监控歧管绝对压力和大气压力。外 部流动通道使来自发动机排气的废气再循环至进气歧管，该外部流动通道具有被称作为废 气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5可操作以通过控制EGR阀38的开度来控 制进入进气歧管29的废气的质量流量。从进气歧管29进入到每个燃烧室16中的空气流量由一个或多个进气门20控制。 燃烧后的气体从每个燃烧室16到排气歧管39的流动由一个或多个排气门18控制。进气门20和排气门18的打开和关闭优选地利用双凸轮轴(如图所示)来控制，双凸轮轴的旋 转与曲轴12的旋转相联系并由曲轴12的旋转转位。发动机10配备有用于控制进气门和 排气门的气门升程的装置，被称作为可变升程控制(后面称作VLC)装置。在该实施例中， 可变升程控制装置可操作以将气门升程或开度控制到两个不同级中的一个，这两个不同级 例如是，用于低速、低负荷发动机运行的低升程气门开度(大约4-6mm)和用于高速、高负荷 发动机运行的高升程气门开度(大约8-10mm)。发动机还配备有用于控制进气门20和排气 门18的打开和关闭的调相(即，相对正时)的装置，被称作为可变凸轮调相(VCP)，用于控 制由两级VLC升程所实现的调相以外的调相。VCP/VLC系统22用于进气门20和VCP/VLC 系统24用于发动机排气门18。VCP/VLC系统22和24由控制模块5控制，并且将信号反馈 提供给控制模块5，例如通过用于进气凸轮轴和排气凸轮轴的凸轮轴旋转位置传感器将信 号反馈提供给控制模块5。当发动机10运行在具有排气再压缩气门策略的HCCI燃烧模式 下时，优选将VCP/VLC系统22和24控制到低升程气门开度。当发动机运行在均质火花点 火燃烧模式下时，优选将VCP/VLC系统22和24控制到高升程气门开度，以使泵送损失最小 化。当运行在HCCI燃烧模式下时，低升程气门开度和负气门重叠可被指令以在燃烧室16 中产生重整料。由于系统的物理和机械性质，在改变VCP/VLC系统22和24中的一个系统 的凸轮相位调节和/或气门升程的指令与转变的执行之间可能存在时间延迟。进气VCP/VLC系统22和排气VCP/VLC系统24限制了进气门18和排气门20的打 开和关闭可被控制的能力范围。VCP系统可以具有大约60° -90°的凸轮轴旋转的相位调 节能力范围，因而准许控制模块5提前或延迟气门打开和关闭。相位调节能力范围由VCP 的硬件和致动VCP的控制系统来限定和限制。可以使用由控制模块5控制的电液压、液压、 和电控制力中的一者来致动进气VCP/VLC系统22和排气VCP/VLC系统24。进气门20和排 气门18的气门重叠是指相对于气缸的进气门20的打开定义排气门18的关闭的时段。气 门重叠可以以曲柄角度形式测量，其中，正气门重叠(后面称作PV0)是指排气门18和进气 门20均打开的时段，负气门重叠(后面称作NV0)是指排气门18的关闭和进气门20的随 后打开之间的时段，在这一时段中，进气门20和排气门18均关闭。当运行在HCCI燃烧模 式下时，进气门和排气门可以具有NV0，作为排气再压缩策略的一部分。在SI-均质燃烧模 式下，通常有PV0。发动机10包括燃料喷射系统，后者包括多个高压燃料喷射器28，高压燃料喷射器 28每个均适于响应于来自控制模块5的信号(INJ_PW)将大量燃料直接喷射到一个燃烧室 16中。从燃料分配系统向燃料喷射器28提供增压燃料。发动机10包括火花点火系统，通过该火花点火系统，响应于来自控制模块5的信 号(IGN)火花能量被提供给火花塞26，以便点燃或有助于点燃每个燃烧室16中的气缸充 气。火花塞26在某些状况下(例如，在冷起动期间和在接近低负荷运行限制时)提高发动 机的点火正时控制。发动机10配备有各种感测装置，用于监控发动机运行，包括监控曲轴旋转位置， 即曲柄角和速度。感测装置包括曲轴旋转速度传感器(曲柄传感器)42、适于监控燃烧的燃 烧传感器30和适于监控废气的废气传感器40，例如使用空气/燃料比传感器。燃烧传感器 30包括可操作以监控燃烧参数的状态的传感器装置，并被描述为可操作以监控气缸内燃烧 压力的气缸压力传感器。燃烧传感器30、废气传感器40和曲柄传感器42的输出由控制模
6块5监控，控制模块5在每个燃烧循环确定每个气缸15的燃烧定相，即相对于曲轴12的曲 柄角的燃烧压力正时。燃烧传感器30还可以由控制模块5监控，以在每个燃烧循环确定每 个气缸15的平均有效压力(IMEP)。优选地，使发动机10和控制模块5机械化以在每个气 缸点火事件期间监控并确定每个发动机气缸15的IMEP的状态。可选地，在本发明的范围 内，可以使用其他感测装置来监控其他燃烧参数的状态，例如，离子传感点火系统和非插入 式气缸压力传感器。发动机10被设计成在发动机速度和负荷的扩展范围内以受控自动点火燃烧模式 靠汽油或类似燃料混合物无节流地运行。然而，火花点火和节流控制运行可以在下述条件 下使用，即不利于受控自动点火燃烧模式以及不利于获得最大发动机功率而在由发动机 速度和负荷限定的发动机功率下满足操作员扭矩请求。广泛可获得等级的汽油及其轻乙醇 混合物是优选的燃料；然而，可以使用替代的液体和气体燃料，例如较高的乙醇混合物(例 如，E80、E85)、纯乙醇(E99)、纯甲醇(M100)、天然气、氢、沼气、各种重整油、合成气等。控制模块5执行存储在其中的算法代码以控制上述致动器，从而控制发动机操 作，包括节气门位置、火花正时、燃料喷射质量和正时、进气门和/排气门正时和定相、以及 控制再循环废气流的EGR阀位置。气门正时和相位可以包括预定的气门重叠，其包括在排 气再吸入策略下进气门20和排气门18的NV0和低升程。控制模块5适于接收来自操作员 的输入信号，例如从油门踏板位置和制动踏板位置接收输入信号，以确定操作员扭矩请求， 并从传感器接收指示发动机速度、进气空气温度、冷却剂温度和其他环境条件的输入信号。控制模块5优选为通用数字计算机，该通用数字计算机通常包括微处理器或中央 处理单元、存储介质、高速时钟、模数和数模电路、输入/输出电路和装置以及适当的信号 调节和缓冲电路，其中存储介质包括非易失性存储器和随机存取存储器，非易失性存储器 包括只读存储器和电可编程只读存储器。控制模块具有一组控制算法，包括存储在非易失 性存储器中的驻留程序指令和标准。算法优选地在预设的循环周期期间执行。算法由中央 处理单元执行，并可操作以使用预设的标准来监控来自上述感测装置的输入并执行控制和 诊断程序以控制致动器的运行。循环周期可以在正在进行的发动机和车辆运行期间以规则 的间隔例如每3. 125毫秒、6. 25毫秒、12. 5毫秒、25毫秒和100毫秒执行。可选地，算法可 以响应于事件的发生例如特定的曲柄角位置而执行。现在参照图2-13的示意图，示出根据本发明的多个实施例构造的双顶置凸轮轴 内燃发动机的单个缸。发动机的其他缸按照所描述的来类似地构造。与在各个图1-13中 出现的标号共同的标号对应于同样的元件。在当前实施例中，从发动机进气进入每个燃烧 室的空气流动由两个或更多个进气门控制，为简单起见，最少地示出了两个进气门20A和 20B。然而，在其他实施例中，可以采用多于两个的进气门。在当前实施例中，燃烧后的气体 从每个燃烧室到排气系统的流动由两个或更多个排气门控制，为简单起见，最少地示出了 两个排气门18A和18B。然而，在其他实施例中，可以采用多于两个的排气门。在图2-13示出的实施例中，附图的左侧部分对应于示例性的进气门系，而附图的 右侧部分对应于示例性的排气门系。第一进气门20A和第二进气门20B的打开和关闭由相 应的第一进气凸轮和第二进气凸轮控制。类似地，第一排气门18A和第二排气门18B的打 开和关闭由相应的第一排气凸轮和第二排气凸轮控制。因此，在示例性的双顶置凸轮轴发 动机中，具有用于每个缸的第一进气门和第二进气门和用于每个缸的相应的第一进气凸轮和第二进气凸轮。所有进气凸轮位于每一气缸排的单个进气凸轮轴上。类似地，具有用于 每个缸的第一排气门和第二排气门和用于每个缸的相应的第一排气凸轮和第二排气凸轮。 所有排气凸轮位于每一气缸排的单个排气凸轮轴上。根据本发明，双顶置凸轮轴内燃发动机包括具有进气凸轮凸角的进气凸轮轴和具 有排气凸轮凸角的排气凸轮轴。进气凸轮轴和排气凸轮轴中的至少一个是包括内轴和外轴 的双同心凸轮轴。内轴和外轴被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一凸轮凸角 固定地附接至外轴，第二凸轮凸角固定地附接至内轴。在第7，069，892号美国专利中公开 了包括 内轴和外轴的示例性的双同心凸轮轴，通过引用将上述专利的内容并入本文。根据本发明，VCP系统操作地联结到双同心凸轮轴。VCP系统可操作地联结到双 同心凸轮轴的内轴和外轴中的一个或两个。联结到内轴和外轴中之一的VCP系统包括单相 位调节器，该单相位调节器被构造成调节相应联结的内轴或外轴关于发动机曲轴12的相 位关系。联结到内轴和外轴两者的VCP系统包括相应的第一相位调节器和第二相位调节 器，该第一相位调节器和第二相位调节器被构造成使得一个相位调节器调节外轴关于发动 机曲轴12的相位关系，另一个相位调节器调节内轴关于发动机曲轴12的相位关系。干涉 驱动机构例如齿轮、滑轮、带、链等可以被定位成将曲轴旋转传送到凸轮轴，其中当情况是 要根据由VCP系统作出的相位调节影响凸轮轴旋转时上述传送包括经由VCP系统。在优选 的实施例中，单凸轮正时带提供发动机曲轴12与所有的发动机凸轮轴之间的旋转驱动联 结。VCP系统由控制模块控制。凸轮位置传感器优选地监控内轴和外轴中的每个相对于发 动机曲轴的旋转位置，并将控制反馈提供给控制模块。因此，相对于曲轴的每个内轴和外轴 相位(即，绝对相位)得到确定，由此可以容易地导出相对的内轴和外轴相位(即，相对相 位)。相位调节能力的范围由VCP系统的硬件和致动VCP系统的控制系统来定义和限制。 VCP系统可以使用由控制模块控制的电液压、液压和电控制力来致动。在美国专利公布号 2007/0272183的专利文献中公开了一种示例性的VCP系统，通过引用将上述文献的内容并 入本文。具体参照图2的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。单相位调节器进气 VCP系统22B操作地联结到双同心进气凸轮轴50的内轴51，并包括相位调节器。该相位调 节器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关系。本领域普通技术人员将认识 至IJ，虽然在当前描述且示出的实施例中，在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是内轴51，但 替代的对外轴53的相位调节是基本等效的布置。排气门系包括单轴排气凸轮轴60'，其中 单轴排气凸轮轴60'具有固定地附接至其的第一排气凸轮凸角67'和第二排气凸轮凸角 65'，以使第一排气凸轮凸角67'和第二排气凸轮凸角65'彼此处于固定的相对相位。使 单轴排气凸轮轴60'关于发动机曲轴12的相位关系固定。具体参照图3的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。单相位调节器进气 VCP系统22B操作地联结至双同心进气凸轮轴50的内轴51，并包括相位调节器。相位调节 器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关系。本领域普通技术人员将认识到，虽然在当前描述且示出的实施例中，在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是内轴51，但另 选的对外轴53的相位调节是基本等效的布置。排气门系包括单轴排气凸轮轴60'，其中 单轴排气凸轮轴60'具有固定地附接至其的第一排气凸轮凸角67'和第二排气凸轮凸角 65'，以使第一排气凸轮凸角67'和第二排气凸轮凸角65'彼此处于固定的相对相位。排 气VCP系统24A操作地联结至单轴排气凸轮轴60'，并包括相位调节器。相位调节器被构 造成调节单轴排气凸轮轴60'关于发动机曲轴12的相位关系。具体参照图4的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。单相位调节器进气 VCP系统22B操作地联结至双同心进气凸轮轴50的内轴51，并包括相位调节器。相位调节 器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关系。本领域普通技术人员将认识到， 虽然在当前描述且示出的实施例中，在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是内轴51，但另 选的对外轴53的相位调节是基本等效的布置。排气门系包括具有内轴61和外轴63的双 同心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一 排气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸轮凸角65固定地附接至内轴61。单相 位调节器排气VCP系统24B操作地联结至双同心排气凸轮轴60的内轴61，并包括相位调节 器。相位调节器被构造成调节内轴61关于发动机曲轴12的相位关系。本领域普通技术人 员将认识到，虽然在当前描述且示出的实施例中，在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是 内轴61，但是另选的对外轴63的相位调节是基本等效的布置。
具体参照图5的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。单相位调节器进气 VCP系统22B操作地联结至双同心进气凸轮轴50的内轴51，并包括相位调节器。相位调节 器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关系。本领域普通技术人员将认识到， 虽然在当前描述且示出的实施例中，在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是内轴51，但另 选的对外轴53的相位调节是基本等效的布置。排气门系包括具有内轴61和外轴63的双 同心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一 排气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸轮凸角65固定地附接至内轴61。双相 位调节器排气VCP系统24C操作地联结至双同心排气凸轮轴60的内轴61和外轴63，并包 括相应的第一相位调节器和第二相位调节器。第一相位调节器被构造成调节外轴63关于 发动机曲轴12的相位关系，而第二相位调节器被构造成调节内轴61关于发动机曲轴12的 相位关系。具体参照图6的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。双相位调节器进气 VCP系统22C操作地联结至双同心进气凸轮轴50的内轴51和外轴53，并包括相应的第一 相位调节器和第二相位调节器。第一相位调节器被构造成调节外轴53关于发动机曲轴12 的相位关系，而第二相位调节器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关系。排 气门系包括单轴排气凸轮轴60'，其中单轴排气凸轮轴60'具有固定地附接至其的第一排气凸轮凸角67'和第二排气凸轮凸角65'，以使第一排气凸轮凸角67'和第二排气凸轮凸角65'彼此处于固定的相对相位。使单轴排气凸轮轴60'关于发动机曲轴12的相位 关系固定。具体参照图7的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。双相位调节器进气 VCP系统22C操作地联结至双同心进气凸轮轴50的内轴51和外轴53，并包括相应的第一 相位调节器和第二相位调节器。第一相位调节定相器被构造成调节外轴53关于发动机曲 轴12的相位关系，而第二相位调节器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关 系。排气门系包括单轴排气凸轮轴60'，单轴排气凸轮轴60'具有固定地附接至其的第一 排气凸轮凸角67'和第二排气凸轮凸角65'，以使第一排气凸轮凸角67'和第二排气凸 轮凸角65'彼此处于固定的相对相位。排气VCP系统24A操作地联结至单轴排气凸轮轴 60'，并包括相位调节器。相位调节器被构造成调节单轴排气凸轮轴60'关于发动机曲轴 12的相位关系。具体参照图8的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。双相位调节器进气 VCP系统22C操作地联结至双同心进气凸轮轴50的内轴51和外轴53，并包括相应的第一 相位调节器和第二相位调节器。第一相位调节器被构造成调节外轴53关于发动机曲轴12 的相位关系，而第二相位调节器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关系。排 气门系包括具有内轴61和外轴63的双同心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是 同心的，并能够适当地相对旋转。第一排气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸 轮凸角65固定地附接至内轴61。单相位调节器排气VCP系统24B操作地联结至双同心排 气凸轮轴60的内轴61，并包括相位调节器。相位调节器被构造成调节内轴61关于发动机 曲轴12的相位关系。本领域普通技术人员将认识到，虽然在当前描述且示出的实施例中， 在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是内轴61，但是另选的对外轴63的相位调节是基本 等效的布置。具体参照图9的实施例，进气门系包括具有内轴51和外轴53的双同心进气凸轮 轴50。内轴51和外轴53被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一进气凸轮凸角 57固定地附接至外轴53，第二进气凸轮凸角55固定地附接至内轴51。双相位调节器进气 VCP系统22C操作地联结至双同心进气凸轮轴50的内轴51和外轴53，并包括相应的第一 相位调节器和第二相位调节器。第一相位调节器被构造成调节外轴53关于发动机曲轴12 的相位关系，而第二相位调节器被构造成调节内轴51关于发动机曲轴12的相位关系。排 气门系包括具有内轴61和外轴63的双同心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是 同心的，并能够适当地相对旋转。第一排气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸 轮凸角65固定地附接至内轴61。双相位调节器排气VCP系统24C操作地连接至双同心排 气凸轮轴60的内轴61和外轴63，并包括相应的第一相位调节器和第二相位调节器。第一 相位调节器被构造成调节外轴63关于发动机曲轴12的相位关系，而第二相位调节器被构 造成调节内轴61关于发动机曲轴12的相位关系。
具体参照图10的实施例，进气门系包括单轴进气凸轮轴50'，单轴进气凸轮轴 50'具有固定地附接至其的第一进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'，以使第一 进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'彼此处于固定的相对相位。进气VCP系统22A 操作地联结至单轴进气凸轮轴50'，并包括相位调节器。相位调节器被构造成调节单轴进 气凸轮轴50'关于发动机曲轴12的相位关系。排气门系包括具有内轴61和外轴63的双 同心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一 排气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸轮凸角65固定地附接至内轴61。单相 位调节器排气VCP系统24B操作地联结至双同心排气凸轮轴60的内轴61，并包括相位调节 器。相位调节器被构造成调节内轴61关于发动机曲轴12的相位关系。本领域普通技术人 员将认识到，虽然在当前描述且示出的实施例中，在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是 内轴61，但是另选的对外轴63的相位调节是基本等效的布置。具体参照图11的实施例，进气门系包括单轴进气凸轮轴50'，单轴进气凸轮轴 50'具有固定地附接至其的第一进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'，以使第一 进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'彼此处于固定的相对相位。进气VCP系统22A 操作地联结至单轴进气凸轮轴50'，并包括相位调节器。相位调节器被构造成调节单轴进 气凸轮轴50'关于发动机曲轴12的相位关系。排气门系包括具有内轴61和外轴63的双 同心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一 排气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸轮凸角65固定地附接至内轴61。双相 位调节器排气VCP系统24C操作地联结至双同心排气凸轮轴60的内轴61和外轴63，并包 括相应的第一相位调节器和第二相位调节器。第一相位调节器被构造成调节外轴63关于 发动机曲轴12的相位关系，而第二相位调节器被构造成调节内轴61关于发动机曲轴12的 相位关系。具体参照图12的实施例，进气门系包括单轴进气凸轮轴50'，单轴进气凸轮轴 50'具有固定地附接至其的第一进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'，以使第一 进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'彼此处于固定的相对相位。使单轴进气凸轮 轴50'关于发动机曲轴12的相位关系固定。排气门系包括具有内轴61和外轴63的双同 心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一排 气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸轮凸角65固定地附接至内轴61。单相位 调节器排气VCP系统24B操作地联结至双同心排气凸轮轴60的内轴61，并包括相位调节 器。相位调节器被构造成调节内轴61关于发动机曲轴12的相位关系。本领域普通技术人 员将认识到，虽然在当前描述且示出的实施例中，在内轴和外轴中相位可调节的一个轴是 内轴61，但是另选的对外轴63的相位调节是基本等效的布置。具体参照图13的实施例，进气门系包括单轴进气凸轮轴50'，单轴进气凸轮轴 50'具有固定地附接至其的第一进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'，以使第一 进气凸轮凸角57'和第二进气凸轮凸角55'彼此处于固定的相对相位。使单轴进气凸轮 轴50'关于发动机曲轴12的相位关系固定。排气门系包括具有内轴61和外轴63的双同 心排气凸轮轴60。内轴61和外轴63被构造成是同心的，并能够适当地相对旋转。第一排 气凸轮凸角67固定地附接至外轴63，第二排气凸轮凸角65固定地附接至内轴61。双相位 调节器排气VCP系统24C操作地联结至双同心排气凸轮轴60的内轴61和外轴63，并包括
11相应的第一相位调节器和第二相位调节器。第一相位调节器被构造成调节外轴63关于发 动机曲轴12的相位关系，而第二相位调节器被构造成调节内轴61关于发动机曲轴12的相 位关系。图2-5的单相位调节器VCP实施例，其中仅双同心进气凸轮轴50的内轴51被构 造成用于选择性相位调节，以及替代实施例，其中仅双同心进气凸轮轴50的外轴53被构造 成用于选择性相位调节，使得能够相位调节第一进气门和第二进气门中的一个，以根据选 择性相位可调的进气门的相位调节方向实现提前进气门打开或推迟进气门关闭。图6-9的 双相位调节器VCP实施例，其中双同心进气凸轮轴50的内轴51和外轴53均被构造成用于 选择性相位调节，使得能够相位调节第一进气门和第二进气门，以根据选择性地相位可调 的进气门的相位调节方向实现提前进气门打开、推迟进气门关闭或者实现提前和推迟进气 门关闭两者。类似地，图4、图8、图10和图12的单相位调节器VCP实施例，其中仅双同心排气 凸轮轴60的内轴61被构造成用于选择性的相位调节，以及替代实施例，其中仅双同心排气 凸轮轴60的外轴63被构造成用于选择性的相位调节，使得能够相位调节第一排气门和第 二排气门中的一个，以根据选择性地相位可调的排气门的相位调节方向实现提前排气门打 开或推迟排气门关闭。图5、图9、图11和图13的双相位调节器VCP实施例，其中双同心排 气凸轮轴60的内轴61和外轴63均被构造成用于选择性的相位调节，使得能够相位调节第 一排气门和第二排气门，以根据选择性地相位可调的排气门的相位调节方向实现提前排气 门打开、推迟排气门关闭或者实现提前和推迟排气门关闭两者。图2-9的采用双同心进气凸轮轴50的各个实施例中的每个实施例，不管被构造 成具有单相位调节器VCP 22B (图2-5)还是具有双相位调节器VCP 22C (图6_9)，均可以 具有以不同方式构造的排气门系，这些排气门系包括带有被构造成具有单相位调节器VCP 24B(图4和图8)或双相位调节器VCP 24C(图5和图9)的双同心排气凸轮轴60和被构 造成具有排气VCP 24A(图3和图7)或不具有排气VCP(图2和图6)的单轴排气凸轮轴 60'。类似地，图4、图5和图8-13的采用双同心排气凸轮轴60的各个实施例中的每个 实施例，不管被构造成具有单相位调节器VCP 24B(图4、图8、图10和图12)还是具有双 相位调节器VCP 24C(图5、图9、图11和图13)，均可以具有以不同方式构造的进气门系， 这些进气门系包括带有被构造成具有单相位调节器VCP 22B (图2-5)或双相位调节器VCP 22C(图6-9)的双同心进气凸轮轴50和被构造成具有进气VCP 22A(图10和图11)或不具 有进气VCP(图12和图13)的单轴进气凸轮轴50'。被构造成包括具有双同心进气凸轮轴和单相位或双相位调节器VCP的进气门系 的双顶置凸轮轴发动机能够在连续的且宽范围的操作条件下以较低的泵送损失工作，并能 够提高缸内充气运动，这两者提供了燃料经济性的优点。泵送损失主要通过延迟两个进气 门中的一个进气门的进气门关闭以实现推迟进气门关闭来减小，因而使得发动机在更宽范 围的运行条件下以更高的进气歧管压力工作。另外，随着最初通过单个气门导引进气充气 以在燃烧室内产生旋流和滚流的组合，产生了更高的缸内充气运动，从而改进燃烧过程。这 种更高水平的充气运动改进了燃烧过程，从而允许在更高的稀释水平下标定发动机，这同 样增加了燃料经济性优点。这种更高的稀释可以通过EGR阀外部地提供，或通过第一和第二进气门的独立相位可调节性借助于以下过程内部地控制提前打开其中一个进气门以在 排气冲程期间实现将废气逐入进气口中，其中在进气冲程中再次吸入该废气，由此实现更 多的内部EGR。可通过延迟排气门关闭使其在进气冲程期间发生从而在进气冲程期间再次 吸入来自排气口的废气来提高内部EGR。这些进气和排气口废气再吸入方案可以单独地或 以组合方式实施。还想到，借助于通过在排气冲程期间提前排气门关闭捕集的废气来实现 内部EGR。在通常应用到柴油发动机和以贫理论配比运行的发动机时，第一进气门和第二进 气门中的一个或两个的关闭的延迟可通过减小有效压缩比、降低缸内充气温度、并降低发 动机排出的NOx排放水平来减小发动机排出的NOx排放水平。希望减小以贫理论配比条件 运行的发动机的NOx排放。根据本发明的各个进气门相位调节实现了期望的推迟进气门关 闭。另外，以贫理论配比运行的发动机受益于高的缸内充气运动水平以达到最佳性能。各 个进气门和排气门相位调节产生了所需要的更高的充气运动水平。特别对于柴油发动机的应用来说，延迟进气门关闭事件是用于减小发动机排出的 NOx排放水平的有效手段。这里，延迟的进气门关闭事件减小了有效压缩比、降低了缸内充 气温度、并最终降低了发动机排出的NOx排放水平。当柴油发动机在贫理论配比条件下运 行时，这些排放物不能由常规的三效催化剂消耗，并且需要贫燃后处理来管理这些贫燃NOx 排放物。因为贫燃后处理在NOx排放物可被消耗的程度方面能力有限，所以，使发动机产生 的NOx排放物最少化变得至关重要。因此，根据被构造成具有能够延迟进气门关闭的进气 门系的各个实施例，能够实现这样的效果。另外，柴油发动机通常需要高的缸内充气运动水 平以达到最佳性能，这个特定构思将有助于产生所需要的充气运动，藉此进气充气最初且 最后被引导通过单个气门，从而产生更高的气体速度，并提高旋流和滚流混合运动的流动 幅值。仅提前一个进气门的相位的效果是产生更加优化的内部EGR水平，同时没有增 加发动机的有效排量或没有增加泵气损失，因为有效的进气门关闭时间根据其它进气门相 位调节保持标称。另一效果是通过局部优化排气门打开正时可以实现更加优化的内部 EGR水平，而没有损害效率提高。通过仅延迟一个进气门，对于每个缸，实现了更长的有效气 门升程持续时间。这种延迟实现了有效发动机排量和泵送损失的减小。对于柴油发动机， 该实施例通过减小有效压缩比可提供降低大多数NOx的优点。两个进气门中的一个进气门 的推迟关闭和另一个进气门的提前打开的组合实现了最优化的内部EGR水平、要实现的最 优化的有效排量水平、和用于做功冲程的最大有效膨胀比的排气门打开的最优化正时。对 于柴油发动机应用，这能够在减小有效压缩比和NOx排放的情况下使得内部EGR水平最优 化。排气凸轮轴布置的类似实施例可以产生与下述有关的优点，S卩，提高诸如催化器 和涡轮机构之类的装置的排气焓，而没有在重叠周期期间使EGR的量局部最优化。如所描述的发动机的运行通过在典型的驱动条件期间局部地或完全地不节流汽 油发动机而实现改善的燃料经济性。能够对发动机不节流的程度将依赖于特定的运行条件 和气门事件。该发动机和策略提供了更低的泵送工作和改进的缸内充气运动的组合，这两 者都改善汽油发动机的燃料经济性。与将全部进气门一起进行相位延迟相比，通过延迟一 些但不是全部的进气门，可以实现足够的气门重叠，以使泵送损失最小化，并保持发动机的燃料经济性。图14A至图14B示出根据本发明的对进气门运行的连续可变差动相位调节的方 法。图14A-14C示出示例性发动机中的排气冲程和进气冲程之间的上止点(TDC)活塞行程。 相对于曲柄角(CAD)示出第一进气门升程轮廓(IV1)、第二进气门升程轮廓(IV2)、第一排 气门升程轮廓(EV1)和第二排气门升程轮廓(EV2)。图14A-14C还示出相对于峰值进气门 打开(开度)的标称进气门相位度量70和相对于峰值排气门打开的标称排气门相位度量 80。因此，在图14A中示出的进气门轮廓和排气门轮廓被称作标称曲线，并且本领域普通技 术人员将理解，这些轮廓与在上止点处具有标称正气门重叠的传统内燃发动机运行基本上 一致。图14B示出了以如下方式对第二进气门的相位控制使气门轮廓IV2从标称延迟， 由此使得发动机的有效压缩比减小，如本文上面更详细地描述的。图14B示出的控制可以 通过被构造成用于相位控制的第二进气凸轮来实现，而与第一进气凸轮无关。本领域技术 人员将明白，这样的构造还可以用于将气门轮廓IV2从标称提前，以实现内部废气再循环 的增加，如本文上面更详细地描述的。除了相对于图14B描述的第二进气门的相位控制以外，图14C还示出了以如下方 式对第一进气门的相位控制将气门轮廓IV1从标称提前，由此使得内部废气再循环增加， 如本文上面更详细地描述的。图14C示出的控制可以通过被构造成用于相位控制的第一进 气凸轮来实现，而与第二进气凸轮无关。本领域技术人员将明白，这样的构造还可以用于将 气门轮廓IV1从标称延迟，以实现发动机的有效压缩比的减小，如本文上面更详细地描述 的。本领域技术人员将明白，可以使用如本文上面更详细地且组合地公开的合适的机 械化对排气门轮廓EV1和EV2类似地进行相位控制。例如，第一排气凸轮和第二排气凸轮 中的任一者或两者可以被构造成用于相位可调节性，以实现相应的排气门轮廓的延迟或提
、r -本发明已经描述了特定的优选实施例及其修改。在阅读并理解说明书的基础上， 可以对其它实施例进行进一步的修改和改变。因此，本发明旨在不局限于作为用于实施本 发明所构思的最佳模式的所公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范 围内的所有实施例。
权利要求
一种用于操作内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括曲轴、第一凸轮致动进气门和第二凸轮致动进气门，所述方法包括提供第一进气凸轮，所述第一进气凸轮被构造成致动所述第一凸轮致动进气门；提供第二进气凸轮，所述第二进气凸轮被构造成致动所述第二凸轮致动进气门，所述第二进气凸轮能够独立于所述第一进气凸轮相对于所述曲轴的相位相对于所述曲轴进行相位调节；以及提供控制器，所述控制器被构造成选择性地延迟所述第二进气凸轮的相位，以实现所述第二凸轮致动进气门的推迟关闭，从而足以减小发动机的有效压缩比。
2.如权利要求1所述的用于操作内燃发动机的方法，还包括其中，所述第一进气凸轮能够独立于所述第二进气凸轮相对于所述曲轴的相位相对于 所述曲轴进行相位调节；以及其中，所述控制器被构造成选择性地提前所述第一进气凸轮的相位，以实现所述第一 凸轮致动进气门的提前打开，从而足以提高内部废气再循环。
3.如权利要求1所述的用于操作内燃发动机的方法，所述发动机还包括第一凸轮致动 排气门和第二凸轮致动排气门，所述方法还包括提供第一排气凸轮，所述第一排气凸轮被构造成致动所述第一凸轮致动排气门；提供第二排气凸轮，所述第二排气凸轮被构造成致动所述第二凸轮致动排气门，所述 第二排气凸轮能够独立于所述第一排气凸轮相对于所述曲轴的相位相对于所述曲轴进行 相位调节；以及其中，所述控制器被构造成选择性地延迟所述第二排气凸轮的相位，以实现所述第二 凸轮致动排气门的推迟关闭，从而足以提高内部废气再循环。
4.如权利要求2所述的用于操作内燃发动机的方法，所述发动机还包括第一凸轮致动 排气门和第二凸轮致动排气门，所述方法还包括提供第一排气凸轮，所述第一排气凸轮被构造成致动所述第一凸轮致动排气门；提供第二排气凸轮，所述第二排气凸轮被构造成致动所述第二凸轮致动排气门，所述 第二排气凸轮能够独立于所述第一排气凸轮相对于所述曲轴的相位相对于所述曲轴进行 相位调节；以及其中，所述控制器被构造成选择性地延迟所述第二排气凸轮的相位，以实现所述第二 凸轮致动排气门的推迟关闭，从而足以提高内部废气再循环。
5.如权利要求1所述的用于操作内燃发动机的方法，所述发动机还包括第一凸轮致动 排气门和第二凸轮致动排气门，所述方法还包括提供第一排气凸轮和第二排气凸轮，所述第一排气凸轮和所述第二排气凸轮被构造成 致动所述第一凸轮致动排气门和所述第二凸轮致动排气门，所述第一排气凸轮和所述第二 排气凸轮具有固定的相对相位，并相对于所述曲轴能够进行相位调节；以及其中，所述控制器被构造成选择性地延迟所述第一排气凸轮和所述第二排气凸轮的相 位，以实现所述第一凸轮致动排气门和所述第二凸轮致动排气门的推迟关闭，从而足以提 高内部废气再循环。
6.如权利要求2所述的用于操作内燃发动机的方法，所述发动机还包括第一凸轮致动 排气门和第二凸轮致动排气门，所述方法还包括提供第一排气凸轮和第二排气凸轮，所述第一排气凸轮和所述第二排气凸轮被构造成 致动所述第一凸轮致动排气门和所述第二凸轮致动排气门，所述第一排气凸轮和所述第二 排气凸轮具有固定的相对相位，并相对于所述曲轴能够进行相位调节；以及其中，所述控制器被构造成选择性地延迟所述第一排气凸轮和所述第二排气凸轮的相 位，以实现所述第一凸轮致动排气门和所述第二凸轮致动排气门的推迟关闭，从而足以提 高内部废气再循环。
7.一种具有气缸排和第一凸轮轴的双顶置凸轮轴内燃发动机，每一气缸包括多个进气 门，每一气缸包括多个排气门，改进包括所述第一凸轮轴被构造成致动进气门和排气门中的一个，所述第一凸轮轴具有同心 的内轴和外轴，所述内轴和所述外轴被构造成用于在它们之间进行可变的相位调节，所述 第一凸轮轴包括每一气缸的第一凸轮凸角和每一气缸的第二凸轮凸角，其中每一气缸的第 一凸轮凸角被构造成致动每一气缸的第一气门，每一气缸的第二凸轮凸角被构造成致动每 一气缸的第二气门，所述第一凸轮凸角固定地联结至所述外轴，所述第二凸轮凸角固定地 联结至所述内轴，由此每一气缸的第一气门和每一气缸的第二气门能够独立地进行相位调 节。
8.一种具有气缸排和进气门凸轮轴的双顶置凸轮轴内燃发动机，每一气缸包括多个进 气门，每一气缸包括多个排气门，改进包括所述进气门凸轮轴具有相应的同心的内轴和外轴，所述内轴和所述外轴被构造成用 于在它们之间进行可变的相位调节，所述进气门凸轮轴包括每一气缸的第一进气凸轮凸角 和每一气缸的第二进气凸轮凸角，其中每一气缸的第一进气凸轮凸角被构造成致动每一气 缸的第一进气门，每一气缸的第二进气凸轮凸角被构造成致动每一气缸的第二进气门，所 述第一进气凸轮凸角固定地联结至所述外轴，所述第二进气凸轮凸角固定地联结至所述内 轴，由此每一气缸的第一进气门和每一气缸的第二进气门能够独立地进行相位调节。
9.如权利要求8所述的双顶置凸轮轴内燃发动机，还包括排气门凸轮轴，所述排气门凸轮轴具有相应的同心的内轴和外轴，所述内轴和所述外 轴被构造成用于在它们之间进行可变的相位调节，所述排气门凸轮轴包括每一气缸的第一 排气凸轮凸角和每一气缸的第二排气凸轮凸角，其中每一气缸的第一排气凸轮凸角被构造 成致动每一气缸的第一排气门，每一气缸的第二排气凸轮凸角被构造成致动每一气缸的第 二排气门，所述第一排气凸轮凸角固定地联结至所述外轴，所述第二排气凸轮凸角固定地 联结至所述内轴，由此每一气缸的第一排气门和每一气缸的第二排气门能够进行独立地相 位调节。
10.一种具有气缸排和排气门凸轮轴的双顶置凸轮轴内燃发动机，每一气缸包括多个 进气门，每一气缸包括多个排气门，改进包括所述排气门凸轮轴具有相应的同心的内轴和外轴，所述内轴和所述外轴被构造成用 于在它们之间进行可变的相位调节，所述排气门凸轮轴包括每一气缸的第一排气凸轮凸角 和每一气缸的第二排气凸轮凸角，其中每一气缸的第一排气凸轮凸角被构造成致动每一气 缸的第一排气门，每一气缸的第二排气凸轮凸角被构造成致动每一气缸的第二排气门，所 述第一排气凸轮凸角固定地联结至所述外轴，所述第二排气凸轮凸角固定地联结至所述内 轴，由此每一气缸的第一排气门和每一气缸的第二排气门 够独立地进行相位调节。
全文摘要
本发明涉及用于发动机气门操作的连续可变差动相位调节的方法和装置。一种内燃发动机包括曲轴、第一凸轮致动进气门和第二凸轮致动进气门。一种操作所述发动机的方法，包括提供第一进气凸轮，所述第一进气凸轮被构造成致动所述第一凸轮致动进气门；提供第二进气凸轮，所述第二进气凸轮被构造成致动所述第二凸轮致动进气门。所述第二进气凸轮能够独立于所述第一进气凸轮相对于所述曲轴的相位相对于所述曲轴进行相位调节。提供一种控制器，所述控制器被构造成选择性地延迟所述第二进气凸轮的相位，以实现所述第二凸轮致动进气门的推迟关闭，从而足以减小发动机的有效压缩比。另外，所述第一进气凸轮可以独立于所述第二进气凸轮相对于所述曲轴的相位相对于所述曲轴进行相位调节，并且所述控制器可以额外地被构造成选择性地提前所述第一进气凸轮的相位，以实现所述第一凸轮致动进气门的提前打开，从而足以提高内部废气再循环。
文档编号F02D45/00GK101861446SQ200880116366
公开日2010年10月13日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年9月27日
发明者C·D·马里奥特, D·J·克莱里, J·昌, P·M·纳特 申请人:通用汽车环球科技运作公司