气门驱动系统及其方法 【技术领域】
本发明涉及一种供内燃机使用的气门驱动系统以及运作该系统的相应方法。
背景技术
内燃机中一种常见的电磁式气门机构包括多个电磁气门，每个气门的主要部件至少包括一个磁铁和一对弹簧(见JP-A 59-213913)。典型地，弹簧的布置方式使得每个气门处于默认状态，即处于气门完全打开的行程末端(在下文中将以“全开位置”表示)与气门完全关闭的行程末端(在下文中将以“全闭位置”表示)之间的中心位置上。将默认气门位置设置为这样的一个中间位置上有利于用较小的功率来打开、关闭和保持气门。在这样的布置方式下，如果向维持气门在全开位置或全闭位置的磁铁停止作用电流，气门将会因受到每个弹簧的约束力而开始振荡。在下文中，每个气门的这种振荡被称作为“自由振荡”。
当气门振荡的时候，会引起噪声(将称作为“停止工作的气门噪声”)。这样，上文所述的这种机构存在这样的问题：当这种停止工作的气门噪声同时从具有多个气缸的内燃机的多个气门中产生时就会变得十分嘈杂。
另外有一种电磁式气门系统，其气门的默认状态是位于全闭的位置上(见JP-A 2000-161032)。但是，这种系统特别需要一种复杂的结构来使气门维持在这样的开度位置上。因此，理想地情况是在普通电磁式气门系统中达到减少停止工作的气门噪声的目的。
【发明内容】
考虑到上述的情况，本发明提供了一种能够减小在停止气门工作时所产生的上述停止工作的气门噪声的电子气门驱动系统，以及运作该系统的方法。
为了达到上述的目的，本发明的第一方面涉及了一种内燃机气门驱动系统，该气门驱动系统包括以下部件：多个气门；多个弹簧，每个弹簧迫使每个气门处于全开位置和全闭位置之间的中间位置；多个磁铁，每个磁铁作用电流后能产生电磁力，以克服每个弹簧的作用力来保持气门处于全开或全闭位置；以及一个控制器，在内燃机将要停止时，适用于在第一个时刻停止向用于气门中的第一个气门或第一组气门的至少一个磁铁作用电流，在不同于第一个时刻的第二个时刻停止向用于气门中的第二个气门或第二组气门的至少一个磁铁作用电流。
根据这种结构，当内燃机将要停止时，停止向第一个气门或第一组气门的磁铁作用电流与停止向第二个气门或第二组气门的磁铁作用电流将不在同一时刻，以致由于每个气门或每组气门的自由振荡而产生的噪声不同时发生，这就可以在停止它们工作时减小停止工作的气门噪声。
在上述的系统中，优选地，气门是内燃机的进气门和/或排气门。
同样在上述的系统中，优选地，第二个时刻是在第一个气门或第一组气门的自由振荡衰减到一定程度之后。在这种情况下，停止向一个气门的磁铁作用电流是在另一个气门的振荡衰减到某一程度之后，这样就可以更可靠地减小停止工作的气门噪声。
同样，可以另外提供一个气门位移检测装置，用于检测一个气门由于其自由振荡所产生的位移量，控制器就可以进一步根据该气门位移检测装置所检测到的气门位移量来判断第一个气门或第一组气门的自由振荡衰减到特定程度。在这种情况下，就可以在确认另一个气门或另一组气门的自由振荡已经衰减到足够的程度之后来决定停止向一个气门或一组气门的磁铁作用电流的时刻。这样，在上述方式中，可以在减小停止工作的气门噪声的同时立即停止气门的工作。
本发明的第二方面涉及了一种内燃机气门驱动系统，该气门驱动系统包括以下部件：一个气门；迫使该气门处于全开位置和全闭位置之间的中间位置的弹簧；一个磁铁，作用电流后能产生电磁力，以克服弹簧的作用力来保持气门处于全开或全闭位置；以及一个控制器，在内燃机将要停止时适于控制磁铁的作用电流，使得磁铁产生电磁力，以便在抑制该气门的自由振荡的同时使气门回到中间位置上。
根据这种结构，通过控制磁铁的作用电流，在抑制气门的自由振荡的同时使气门回到中间位置上，这样就可以减小由于气门自由振荡而引起噪声的程度或可能性。
在根据本发明第二方面的气门驱动系统中，优选地，气门是内燃机的进气门和/或排气门。
同样，优选地提供一种气门升程检测装置，可以检测气门的升程，从而使控制器进一步以此进行反馈控制，使气门的升程量收敛到随时间而变化的规定的目标量。这种反馈控制更可靠地降低气门位移时产生的停止工作的气门噪声。
同样，优选地，控制器进一步可以在预定时刻停止向磁铁的作用电流，此时气门应已经从全开位置或全闭位置上运动到接近中间位置的规定位置上。
在这种情况下，气门在到达指定位置前并不振荡。也就是说，气门在同一位置上开始振荡，但是这种自由振荡的强度小于气门从全开位置或全闭位置上就开始振荡的强度。除了降低停止工作的气门噪声之外，这种布置有另外一个优点，就是即使在使用一个相对低功耗的小磁铁时也可以实现噪声的降低。
同样，气门可以设置为多个，上述的时刻也可以为每个气门或每组气门而不同设置。在这种情况下，可以进一步实现降低停止工作的气门噪声。
本发明的第三方面涉及了一种驱动安装在内燃机的多个气门的方法。该内燃机包括多个弹簧，该弹簧迫使每个气门处于位于全开位置和全闭位置之间的中间位置上；多个磁铁，作用电流后产生电磁力以克服弹簧力来维持气门处于全开位置或全闭位置上。这种方法包括以下步骤：在内燃机将要停止时，在第一个时刻停止向第一个气门或第一组气门的至少一个磁铁作用电流，在不同于第一个时刻的第二个时刻停止向第二个气门或第二组气门的至少一个磁铁作用电流。
本发明的第四方面涉及了一种驱动安装在内燃机的一个气门的方法。该内燃机包括多个弹簧，该弹簧迫使该气门处于位于全开位置和全闭位置之间的中间位置上；以及一个磁铁，作用电流后产生电磁力以克服每个弹簧的作用力来维持气门处于全开位置或全闭位置上。这种方法包括以下步骤：在内燃机将要停止时，控制磁铁的作用电流，使得该磁铁产生电磁力，以便在抑制该气门的自由振荡的同时使气门回到中间位置上。
根据上述的方法，由于每个气门的自由振荡而产生的停止工作的气门噪声可以如本发明的电子气门驱动系统所述的情形得到降低。
【附图说明】
本发明的上述和/或进一步的目的、特点和优点将在以下的优选实施例结合附图的说明中更加清楚，图中，相同的数字用来表示相同的部件。
图1是一种装有根据本发明第一个典型实施例的气门驱动系统的四缸内燃机的结构原理图。
图2是示意地表示了安装在第一个典型实施例的气门驱动系统中的一种电磁驱动气门机构的结构的剖视图。
图3是描述气门升程与施加在每个线圈上的电流之间的一种典型关系的曲线图。
图4是说明第一个典型实施例中停止气门动作的控制过程程序的流程图。
图5是表示在图4所示程序执行过程中每个气门振荡情况的曲线图。
图6是说明第二个典型实施例中停止气门动作的控制过程程序的流程图。
图7图解地表示了在第二个典型实施例中所采用的目标升程量的变化。
图8图解地表示了在第二个典型实施例的一个修改例中目标升程量的变化。
【具体实施方式】
本发明的典型实施例将在下文参照附图进行说明。图1是根据本发明第一个典型实施例的一种装有气门驱动系统的四缸内燃机10的结构原理图。该发动机10安装在一辆汽车上。该发动机10包括一个气缸体20和一个气缸盖40，它们共同形成了同一个发动机10上的四个气缸(第一到第四气缸)。每个气缸中有一个活塞30，被燃料燃烧所产生的动力驱动作往复运动。气缸盖40上有进气门60和排气门70，在每个气缸的气缸盖40和活塞30之间形成了燃烧室80。气缸盖40上有一个用于点燃燃烧室里的空气燃料混合物的火花塞85。注意，为描述方便起见，在下文中该实施例的电磁式气门驱动系统将针对四个气缸中的其中一个进行说明。
在气缸盖40上设有电磁式气门驱动机构100，110，该气门驱动机构构造为使用电磁力来分别打开/关闭进气门60和排气门70。图2为示意地表示了安装在该气门驱动系统中进气侧电磁气门驱动机构100的结构的剖视图。在这里，应当注意到，用于驱动排气门70的排气侧电磁气门驱动机构110基本上与进气侧电磁气门驱动机构100具有相同的结构，因此在图中没有示意出来。
参照图2，进气侧电磁气门驱动机构100包括一个上弹簧160，在一个方向上迫压进气门60；一个下弹簧150，在另一个与上弹簧160迫压进气门60的方向相反的方向上迫压进气门60；一个与进气门60一端相连的电枢轴170，驱动气门沿着它的轴线方向前后运动；一个装在电枢轴170上的电枢180；以及上和下磁铁210，200，每个磁铁通电后被吸引并紧靠电枢180，从而使进气门60处于全开或全闭位置。
进气门60包括一个气门阀体60a和一个气门杆60b。进气门60打开时，使燃烧室80与形成于气缸盖40上的进气口65相通，关闭时则切断该连通。在进气口65的出口周边处形成一个气门座130，气门关闭时气门阀体60a便位于该气门座上。另外，在气缸盖40上，沿着气门杆60b的轴线方向形成一个内壁嵌有柱形气门导管140的轴环，这样，当气门杆60b和气门导管140紧紧密封时，气门杆60b就被驱动。
在气门杆60b的上部有一个圆盘形的下保持架155。气门杆60b的上端与电枢轴170的下端相连，从而使它们俩一起上下运动。在电枢轴顶端有一个上保持架165，电枢180位于电枢轴170的中部。
受上弹簧160和下弹簧150的作用力时，电枢轴170保持原来的位置不动。上弹簧160压缩地布置在上保持架165的上表面和固定于法兰盘上的顶盖190的内表面之间，该法兰盘在图中没有画出。同时，下弹簧150压缩地布置在下保持架155的下表面和气缸盖40的一个表面之间。这样，上弹簧160产生一个使进气门60打开的力，而下弹簧150则产生一个使进气门60关闭的力。受这些弹簧的作用力，电枢轴170基本上保持在默认的状态，即全开位置和全闭位置之间的中心位置。
上磁铁210位于电枢180的上面并固定在一个法兰盘上，该法兰盘在图中没有画出，而下磁铁200则位于电枢180的下面并固定在另一个法兰盘上，该法兰盘在图中也没有画出。上磁铁210包括一个上衔铁217和一个上线圈215。将电流通到上线圈215就会产生一个电磁场，提供一个将电枢180吸引到气门座130上的电磁力，从而使进气门60关闭。同样，下磁铁200包括一个下衔铁207和一个下线圈205。将电流通到下线圈205上就会产生一个电磁场，提供一个吸引电枢180的电磁力，从而使进气门60打开。在下文中，气门160处于完全打开的位置被称作为“全开位置”，气门160处于完全关闭的位置被称作为“全闭位置”。上衔铁217和下衔铁207在各自的轴心上都形成一个轴环，电枢轴170插入在这些轴环里，使电枢轴170在受到上磁铁210和下磁铁200的电磁力驱动时作上下运动。
一个升程传感器250，用于检测进气门60提升量(在下文中将在合适的地方称作“升程量”)，布置在顶盖190的上方。更加明确地，升程传感器250输出的电压V随着安装在电枢轴170轴线方向上的指针240的位置而变化。升程传感器250与一个ECU(电子控制单元)120相连，该ECU控制打开—关闭进气门60的操作，因此，在控制过程中升程传感器250的读数(如电压V)输入到ECU120中并被使用，以停止进气门60的动作(在下文将称作“气门停止控制”)。ECU120分别在预定的时刻向上磁铁210和下磁铁200作用驱动电流。同样，ECU120与EFI ECU90相连，这样，一旦ECU120接收到来自EFI ECU90的相应命令时就会开始进行气门停止控制。
在车辆正常运行的过程中，EFI ECU 90接收各种指示信号，如曲轴转角CA，进气量Q，加速踏板下压α等，并利用这些参数来判断车辆的运行状态。根据该确定的运行状态，EFI ECU 90计算出打开或关闭气门的合适时刻，并将这些时刻信息输出给ECU 120。获得这些时刻信息后，ECU 120就相应地向每个下磁铁200和上磁铁210作用电流，以打开和关闭气门160。
图3是描述气门升程与施加在每个线圈上的电流之间的一种典型关系的曲线图。参照图3，首先切断使进气门60保持在全闭位置上的作用于上线圈215的电流，由此进气门60开始向全开位置运动。这种保持气门在全开位置或全闭位置上的作用电流，在下文中将称作为“保持电流”。经过规定的一段时间后，便开始向下线圈205作用电流，以吸引气门60。当气门60在弹簧作用力下运动的时候，该吸引力也作用于该气门上，以保证气门驱动的快速响应。这种吸引气门(也就是电枢)的作用电流将在下文中称作为“吸引电流”。典型地，保持电流可以是克服每个弹簧作用力而保持电枢180在每个磁铁上所需的最小电流。同时，吸引电流要求足够大，在电枢180与每个磁铁之间的空间外运动时足以吸引住该电枢180，因此，该吸引电流一般要比保持电流大。
如上所述，在图3所述的情形下，作用在上线圈215上的保持电流被切断，以消除对上磁铁210的吸引力。在这个时候，电枢180(即气门60)便开始在上弹簧160的作用力下向中间位置运动。经过规定的一段时间后，电流开始作用在下线圈205上，使下磁铁200吸引电枢180接近。当下磁铁200和电枢180接近后，保持电流便开始作用在下磁铁200上，使进气门60保持在全开位置上。之后，轮到作用在下磁铁200上的保持电流被切断，如上所述的方式，经过规定的一段时间后，吸引电流开始作用在上磁铁210上。这样，通过反复分别接通和切断作用在上磁铁210和下磁铁200上的电流(即保持电流，吸引电流)来控制每个气门的打开和关闭。
下面，一个典型的停止气门动作的控制程序将结合图4进行说明。图4显示了由ECU 120执行的同一个过程的程序。参照图4，ECU120接收来自EFI ECU 90的停止气门动作的命令，然后执行“气门静止过程”，一个将气门置于它们的静止位置(步骤S400)上的过程。在这个过程中，通过作用电流在下磁铁200上来使排气门70位于全开位置，通过作用电流在上磁铁210上来使进气门60位于全闭位置。这样，气门分别位于它们的全开位置和全闭位置上。这种过程分别在每个气缸上执行。如果该车辆是在运行操作的某种特定阶段停止发动机10的一种类型(如混合动力车，具有怠速停止模式的车辆)，气门将会保持在这样的静止位置上，并在发动机重新起动后重新工作。在这种情况下，当车辆停止运行时ECU 120就执行如图4所示的程序。
然后，ECU 120切断第一个气缸的进气门60的保持电流Ai1和同一个气缸上的排气门70的保持电流Ae1(步骤S410)。这时，进气门60和排气门70由于弹簧的作用力而开始相对于它们的中间位置振荡起来。每个气门的这种振荡会因摩擦力而衰减，最终会停下来。然后ECU 120通过每个升程传感器250对进气门60自由振荡的振幅Fi1、排气门70自由振荡的振幅Fe1进行读数(步骤S420)。这些振幅的数值是根据每个升程传感器250在规定时间内所检测到的电压V的变化而确定的。然后ECU 120判断振幅Fi1和Fe1是否已经充分减小(步骤S425)。在这一步如果确定这些振幅值已经减小到低于预定值α，ECU 120就开始进入对第二个气缸的控制阶段，ECU 120首先切断对应于第一个气缸的保持电流Ai1，Ae1的保持电流Ai2和Ae2(步骤S430)。
然后，如第一个气缸的情形，ECU 120读入振幅Fi2，Fe2(步骤S440)，然后判断第二个气缸每个气门的自由振荡是否已充分衰减(步骤S445)。如果是，ECU 120便开始进入对第三个气缸的控制阶段，首先切断保持电流Ai3，Ae3(步骤S460)，并对每个气门自由振荡的振幅进行同样的判断(步骤S475)。步骤S475中如果判断结果为“是”，ECU 120便切断第四个气缸的气门60，70的保持电流Ai4，Ae4。相反，如果ECU 120判断出在步骤S475中的自由振荡并没充分衰减，ECU 120便重复同样的判断，直到每个振幅减小到低于预定值α。
图5是表示上述程序执行过程中每个气门振荡情况的曲线图。参照图5，在每个气缸内，每个气门的保持电流是在另一个气门自由振荡的振幅减小到低于预定值α后才被切断(时刻t2，t3，t4)，以致每个气门在不同的时刻开始振荡。
这样，根据第一个典型实施例，供给每个气门的保持电流是在气门自由振荡得到充分的衰减之后才被切断，从而使这种自由振荡带来的噪声不在同一时间内产生。也就是说，由于噪声不同时产生，气门所发出的噪声的总量级得到了减小。另外，每个气门的自由振荡都经过测量，在检测到所测量的振荡(即振幅)已经得到充分衰减，另一个气缸的气门的保持电流便立即被切断。在这种方式下，就可以快速地停止所有气门的动作。而且，在第一个实施例中，在通过每个升程传感器250监测每个气门自由振荡的振幅来决定切断每个气门的保持电流的时刻的同时，供给每个气门的同一电流可以顺序地在规定时间间隔内被切断，该规定时间间隔应该足够长以使气门的振荡可以衰减到目标程度。同样，虽然在第一个实施例中进气门60和排气门70的保持电流是同时被切断的，它们也可以在每个气缸中在不同的时刻被切断。而且，在两个或更多个组气门中，保持电流的切断时刻可以不同，也就是说，由第一个气缸和第二个气缸的气门组成的一组气门，和由第三个气缸以及第四个气缸的气门组成的一组气门。在这种情况下也可以取得同样的优势和效果。
根据本发明第二个典型实施例的一种气门驱动系统将在下面进行说明。该系统基本上具有与第一个典型实施例的气门驱动系统同样的结构，不同的只是ECU 120执行不同的气门停止控制，因此，在下面的说明中仍然用相同的数字来表示相同的部件。图6是在第二个典型实施例中气门停止控制的程序流程图。虽然为了说明的方便，该流程图只代表一个气缸的过程，但应该注意到该过程同样在其他气缸内进行。参照图6，ECU 120首先如第一个实施例所述的那样执行同样的气门静止过程，将每个气门置于全闭或全开的位置上(步骤S500)。该控制的以下步骤在下文中将针对排气门70进行说明。
首先，ECU 120切断排气门70的保持电流Ih，并开始计数时间t(步骤S510)。然后，ECU 120通过读入升程传感器250的电压V来决定当前的实际升程量L(t0)(步骤S520)。然后，ECU 120从数据存储器中读入一个目标升程量Lm(t0)，该存储器没有在图中画出(步骤S530)。
图7是一个曲线图，描述了一个随时间变化的目标升程量Lm(t)的例子。在该图中，双虚线表示在保持电流被切断时气门的自由振荡，如在上文第一个实施例中说明的那样。同时，图中的实线表示将排气门70线性地从全开位置移动到中间位置上的目标升程量。该目标升程量是时间的函数，存储在如图6方框所示的图表中，目标升程量Lm则是在规定的时间间隔下根据该图表而确定。利用该图表，更明确地，ECU 120对前一循环的目标升程量Lm(i)和下一循环的目标升程量Lm(i+1)进行插值计算对应时刻ts的目标升程量Lm。另外，该目标升程量也可以利用随时间线性变化的预定函数进行计算，以致该目标升程量可以根据每个时刻进行设定。在这里，应该注意的是，只要气门在向中间位置移动的过程中没有发生过度的振荡，该目标升程量就不一定是令气门“线性地”移动的一个量。
接着，ECU 120检测出在t0时刻下目标升程量Lm(t0)与实际升程量L(t0)之间的差值e，并通过将测得的e乘以一个增益K来设定控制电流If(步骤S540)。然后，ECU 120判断是否已经到达控制结束时间β(步骤S550)。由于目前时刻t＝t0，也就是说，尚未到达控制结束时间β，因此ECU 120把在步骤S540设定的控制电流If作用在下线圈205上，并返回到步骤S520。供有控制电流If的下线圈205就产生电磁力，吸引即将运动或刚开始从全闭位置移动到中间位置的排气门70。这样，排气门70每次运动到一个位置，在该位置上下线圈205产生的电磁力与下弹簧150的作用力相互平衡。这时(ta＝t0≤ta＜β)，ECU 120再次检测出步骤S520中读入的实际升程量L(ta)与步骤S530中决定的目标升程量Lm(ta)之间的差值e，并将e乘以一个增益K来设定控制电流If(步骤S540)。由于还没到达控制结束时间β，ECU 120将设定的控制电流作用在下线圈205上。通过这种方式，ECU 120重复步骤S520，S530和S540，使实际升程量L接近目标升程量Lm。也就是说，进行一个反馈控制来使差值e变为零。这样，重复对下线圈205作用电流，直到到达控制结束时间β结束控制程序而取得目标量。
如上所述，排气门70是在控制其升程量接近每次确定的目标升程量的过程中从全闭位置移动到中间位置上。这种方式减少了排气门70振荡的机会或程度，从而有效地消除或减小由于排气门70的振荡而产生的噪声。同样，虽然在第二个典型实施例中保持电流Ih被切断，但该电流并不一定要切断，可以只减小到某一程度，使下磁铁200产生的电磁力比每个弹簧的作用力小就行。同样，虽然在上述典型实施例中反馈控制用的是一个简单的比例计算方法，但也可以用所谓的PID计算方法，该PID计算方法采用与目标量偏差的微分和积分。可选地，下磁铁200的控制电流可以如图7所示的实曲线JL来预先设置，同时可以通过随时间变化而改变控制电流，进行合适的前馈控制。
此外，在第一个和第二个典型实施例中采用的气门停止控制程序可以结合起来进行。图8示意了这样的一个例子。参照图8，当排气门70的升程在受到如图6所示的反馈控制时，排气门70从全开位置移动到位置X处，该反馈控制使用一个使排气门70线性地从全开位置移向位置X的目标升程量。然后，排气门70达到位置X后，经过规定的一段时间，下磁铁200的控制电流被切断，排气门70便由此从位置X开始在中间位置附近振荡。不过，在这种情况下，振荡的幅度相对很小，因此振荡的强度和噪声也相对很小。在第二个实施例中，如果每个气门是在另一个气门的自由振荡充分衰减之后才停止动作，那么这种停止工作的气门噪声将会进一步减小。此外在这种情况下，磁铁消耗的功率也可以使得比所有气门同时向中间位置运动的这种情况小。
虽然本发明是结合优选实施例进行说明的，但应该知道本发明并不局限于所述的优选实施例或所述的结构。相反，本发明意在覆盖不同的修改或等价的结构布置，比如一个包含不同数目的气缸的发动机结构。此外，虽然优选实施例中的各种部件是用典型的各种组合或结构进行说明，但其他包括更多、更少或单个部件的组合和结构，也包括在本发明的精神和范围之内。