内燃发动机的控制装置.pdf

本发明的内燃发动机控制装置包括：内燃发动机(10)，其中，气缸设有涡轮侧排气门(14)和旁通侧排气门(16)，涡轮侧排气门打开和关闭与通往涡轮增压器(12)的涡轮机的进口(12a)的涡轮侧排气通道(18)相连通的排气口，旁通侧排气门打开和关闭与旁通涡轮机(12)的旁通侧排气通道(20)相连通的排气口；旁通控制阀(22)，其设在旁通侧排气通道上；排气侧气门操作装置，其根据凸轮轮廓而打开和关闭所述涡轮侧排气门和所述旁通侧排气门，为所述涡轮侧排气门(14)和所述旁通侧排气门(16)中的每一个仅提供一种所述凸轮轮廓；以及控制部，其根据发动机的运转状况来控制旁通控制阀(22)的开度。

1.  一种内燃发动机控制装置，包括：
内燃发动机，在所述内燃发动机中，气缸设有涡轮侧排气门和旁通侧排气门，所述涡轮侧排气门打开和关闭与通往涡轮增压器的涡轮机入口的涡轮侧排气通道相连通的排气口，所述旁通侧排气门打开和关闭与旁通所述涡轮机的旁通侧排气通道相连通的排气口；
旁通控制阀，所述旁通控制阀设在所述旁通侧排气通道上；
排气侧气门操作装置，所述排气侧气门操作装置根据凸轮轮廓而打开和关闭所述涡轮侧排气门和所述旁通侧排气门，为所述涡轮侧排气门和所述旁通侧排气门中的每一个仅提供一种所述凸轮轮廓；以及
控制部，所述控制部根据所述内燃发动机的运转状况而控制所述旁通控制阀的开度。

2.  如权利要求1所述的内燃发动机控制装置，其特征在于，
所述凸轮轮廓设计成使得所述旁通侧排气门在所述涡轮侧排气门关闭之前打开，并且使得所述旁通侧排气门在所述涡轮侧排气门关闭之后关闭。

3.  如权利要求1或2所述的内燃发动机控制装置，进一步包括：
排气门暂停机构，所述排气门暂停机构使所述涡轮侧排气门暂停在关闭状态而允许所述旁通侧排气门处于工作中；以及
气门暂停机构控制器，所述气门暂停机构控制器在所述内燃发动机起动时使所述排气门暂停机构将所述涡轮侧排气门暂停在关闭状态，
其中，如果所述涡轮侧排气门被暂停则所述控制部打开所述旁通控制阀。

4.  如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机控制装置，其特征在于，
所述涡轮增压器未设置废气旁通阀；并且
所述控制部控制所述旁通控制阀的开度使得所述旁通控制阀起到所述废气旁通阀的作用。

5.  如权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机控制装置，其特征在于，
所述控制部控制所述旁通控制阀的开度以便调节所述涡轮增压器的增压压力。

6.  如权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机控制装置，其特征在于，
所述控制部使所述旁通控制阀处于完全关闭状态，直至所述内燃发动机的转速达到所述涡轮增压器的截止点。

7.  如权利要求6中任一项所述的内燃发动机控制装置，其特征在于，
所述截止点是增压压力达到预定的增压压力的点。

8.  如权利要求1至7中任一项所述的内燃发动机控制装置，其特征在于，
所述控制部在所述内燃发动机处于高转速且高负荷状态时使所述旁通控制阀处于完全打开状态。

9.  如权利要求1至8中任一项所述的内燃发动机控制装置，其特征在于，
当所述内燃发动机处于高转速且高负荷状态时，所述涡轮侧排气门与进气门之间的气门重叠完全不存在或者大约为零，并且所述旁通侧排气门与所述进气门具有气门重叠。

内燃发动机的控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的控制装置。
背景技术
通常，配备涡轮增压器的发动机存在以下问题：在高转速且高负荷运转区域中背压有时变得过高，从而难以从气缸排出已燃气体，因此留存在气缸中的气体的量会很大。如果气缸中的残留气体的量变大，则燃烧率就会变低而缸内温度变高，因此很可能发生爆燃。于是，为了避免爆燃，必然要进行点火正时延迟，而这导致燃料经济性降低且发动机输出功率减小。此外，残留气体的量增大使空气的量相应地减少。这些因素导致难以在高转速运转区域中提高配备涡轮增压器的发动机的输出功率。
为了解决上述问题，例如，日本专利申请公报No.10-89106(JP-A-10-89106)公开了一种发动机，其中每个气缸均设有涡轮侧排气门和旁通侧排气门，涡轮侧排气门打开和关闭与通往涡轮增压器的涡轮机进口的涡轮侧排气通道相连通的排气口，旁通侧排气门打开和关闭与不通往涡轮机进口的旁通侧排气通道相连通的排气口。
前述出版物描述了涡轮侧排气门和旁通侧排气门的气门升程特性可以是从低转速区域到高转速区域为恒定的，并且还描述了，可替代地，可设置气门升程特性可变装置，而且在高转速区域期间涡轮侧排气门与旁通侧排气门在气门打开时段和气门升程量方面可以基本相同，但是在低转速区域期间可使涡轮侧排气门的气门打开时段以及气门升程量与在高转速区域期间相比较大而使旁通侧排气门的气门打开时段和气门升程量与在高转速区域期间相比较小(见JP-A-10-89106的[0018]段)。
但是，在涡轮侧排气门和旁通侧排气门的气门升程特性设定成从低转速区域到高转速区域恒定的情况下，在低转速区域期间废气以占废气总量的一定百分比的量流入旁通侧排气通道，而流入涡轮机的废气的量相应变少，从而引发增压压力的升高变迟(涡轮延迟变长)的问题。另一方面，在设置气门升程特性可变装置的情况下，存在排气侧气门操作装置的结构变得非常复杂的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于内燃发动机的控制装置，其能够改善配备涡轮增压器的内燃发动机的特性，而不会使排气侧气门操作装置复杂化。
本发明的第一方面是一种内燃发动机控制装置，其包括：内燃发动机，在内燃发动机中，气缸设有涡轮侧排气门和旁通侧排气门，涡轮侧排气门打开和关闭与通往涡轮增压器的涡轮机入口的涡轮侧排气通道相连通的排气口，旁通侧排气门打开和关闭与旁通涡轮机的旁通侧排气通道相连通的排气口；旁通控制阀，旁通控制阀设在旁通侧排气通道上；排气侧气门操作装置，排气侧气门操作装置根据凸轮轮廓而打开和关闭涡轮侧排气门和旁通侧排气门，为涡轮侧排气门和旁通侧排气门中的每一个仅提供一种凸轮轮廓；以及控制部，控制部根据内燃发动机的运转状况而控制旁通控制阀的开度。
根据第一方面，因为每个气缸均设有打开和关闭与通往涡轮增压器的涡轮机的进口的涡轮侧排气通道相连通的排气口的涡轮侧排气门以及打开和关闭与旁通涡轮机的旁通侧排气通道相连通的排气口的旁通侧排气门，所以能够有效地在高转速且高负荷运转区域中将已燃气体从气缸排放到旁通侧排气通道中，从而使残留气体的量非常少。因此能够提高高转速区域中的发动机输出功率。另外，因为发生爆燃变难，所以能够避免或抑制点火正时延迟，并且能够获得较好的燃料经济性。而且，在第一方面中，排气侧气门操作装置具有这样的简单构造：根据凸轮轮廓打开和关闭涡轮侧排气门和旁通侧排气门，所述凸轮轮廓是根据仅一个用于每一个的原则而设置用于这两种气门。因此，能够放宽在设计气缸盖方面的约束，并且不会导致可安装性劣化且较少地增加成本和重量。此外，由于根据发动机的运转状况来控制旁通控制阀开度，因此能够适当地控制流入旁通侧排气通道的中的废气的量。上述特征使得能够优化配备涡轮增压器的内燃发动机的各种特性。
在控制装置中，可以将凸轮轮廓设计成使得旁通侧排气门在涡轮侧排气门关闭之前打开，并且使得旁通侧排气门在涡轮侧排气门关闭之后关闭。
因此，在高转速且高负荷运转区域中，气缸中的已燃气体能够以更高的效率排放到旁通侧排气通道中，因此可使残留气体的量进一步减少。
所述内燃发动机控制装置可进一步包括：排气门暂停机构，排气门暂停机构使涡轮侧排气门暂停在关闭状态而允许旁通侧排气门处于工作中；以及气门暂停机构控制器，气门暂停机构控制器在内燃发动机起动时使排气门暂停机构将涡轮侧排气门暂停在关闭状态。如果涡轮侧排气门被暂停则控制部也可以打开旁通控制阀。
根据这种构造，当发动机起动时，能够将涡轮侧排气门暂停在关闭状态并且打开旁通控制阀。这样使内燃发动机的全部量的废气的都能够流入旁通侧排气通道中。也就是说，可使全部量的废气都旁通涡轮机并流入催化剂中。因为能够避免废气温度在涡轮机中降低，能够使高温废气流入催化剂中，所以使得催化剂能够快速预热。因而，能够减少排放。
在控制装置中，涡轮增压器可以未设置废气旁通阀；并且控制部可以控制旁通控制阀的开度使得旁通控制阀起到废气旁通阀的作用。
根据这种构造，因为可使旁通控制阀很好地发挥废气旁通阀的功能，所以无需设置用于涡轮增压器的废气旁通阀，从而能够简化涡轮增压器的结构。
另外，在控制阀中，控制部可使旁通控制阀处于完全关闭的状态，直至达到涡轮增压器的截止点。
根据这种构造，可将旁通控制阀保持在完全关闭的状态直至达到涡轮增压器的截止点。这将导致内燃发动机的全部量的排气都经涡轮侧排气通道流入涡轮机中。因此，可迅速提高涡轮增压器的转速，并能够缩短增压压力的响应延迟。
进一步地，在控制装置中，当内燃发动机处于高转速且高负荷状态时，控制部可使旁通控制阀处于完全打开的状态。
根据这种构造，在高转速且高负荷发动机运转期间，可使旁通控制阀处于完全打开状态。这使得气缸中的已燃气体能够有效地排放到旁通侧排气通道中，从而使残留气体的量非常少。因此，能够在高转速区域中增大发动机的输出功率。另外，因为发生爆燃变难，所以能够避免或抑制点火正时延迟，并且能够获得较好的燃料经济性。
进一步地，在控制装置中，当内燃发动机处于高转速且高负荷状态时，涡轮侧排气门与进气门之间的气门重叠可以完全不存在或者大约为零，并且旁通侧排气门与进气门可以具有气门重叠。
根据这种构造，在高转速且高负荷发动机运转期间，涡轮侧排气门与进气门之间的气门重叠可被消除或使得近乎为零，并且可使旁通排气门与进气门之间存在气门重叠。因此，在旁通侧排气门与进气门之间存在气门重叠期间，气缸中的已燃气体能够被经由进气门流入的新鲜空气清出，从而能够有效地排放到背压低的旁通侧排气通道中。此外，因为涡轮侧排气门与进气门之间几乎没有气门重叠，所以能够可靠地防止废气从背压高的涡轮侧排气通道回流到气缸或进气口中。因此，能够使在高转速且高负荷发动机运转期间留存在气缸中的气体的量进一步减少，使得能够进一步增大发动机输出功率，进一步提高抗爆燃性，并进一步优化燃料经济性。
附图说明
从参照附图对优选实施方式的以下描述中，本发明的前述以及其它目的、特征和优点将变得明显，附图中用同样的附图标记代表同样的元件，其中：
图1是用于说明本发明的实施方式1的系统构造的图；
图2是示出进气门和排气门的凸轮轮廓的图；以及
图3是示出发动机转速与轴转矩的关系图。
具体实施方式
实施方式1
图1是示意性地示出本发明的实施方式1的系统构造的图。如图1所示，本实施方式的系统包括内燃发动机10。在本发明中，内燃发动机10的气缸数量及其气缸布置没有具体限制。本实施方式的内燃发动机10具有布置成V形的六个气缸，并且图1中示出了两个气缸列中的一个。
内燃发动机10配备有涡轮增压器12。内燃发动机10的每个气缸均设有两个排气门，即涡轮侧排气门14和旁通侧排气门16。设有涡轮侧排气门14的排气口与通往涡轮增压器12的涡轮机12a的进口的涡轮侧排气通道18连通。另一方面，设有旁通侧排气门16的排气口与不通往涡轮机12a的进口的旁通排气通道20连通。
打开和关闭旁通侧排气通道20的旁通控制阀22安装在旁通侧排气通道20中。位于涡轮机12a的下游侧上的涡轮侧排气通道18与位于旁通控制阀22的下游侧上的旁通侧排气通道20汇合成单个通道。净化排气的催化剂24安装在两个通道之间的汇合部位的下游侧上。
本实施方式的系统包括用作控制装置的ECU(电子控制单元)50。尽管图中未示出，但是除了旁通控制阀22之外，还有多个部件电连接至ECU 50，其中包括燃料喷射装置、点火装置和节气阀的各种致动器以及诸如曲柄角传感器、空气流量计和增压压力传感器等各种传感器。
图2是示出内燃发动机10的进气门和排气门的凸轮轮廓的图。如图2所示，旁通侧排气门16设计成在涡轮侧排气门14的关闭正时之前打开(即，在排气冲程后半时段打开)并在涡轮侧排气门14的关闭正时之后关闭(即，上止点之后关闭)。优选地，旁通侧排气门16的动作角度和升程量基本上分别为涡轮侧排气门14的动作角度和升程量的一半。此外，涡轮侧排气门14与进气门的气门重叠、即各气门的气门打开时段之间的重叠几乎为零。另一方面，旁通侧排气门16与进气门的打开时段之间具有气门重叠。
在内燃发动机10的排气侧气门操作装置中，涡轮侧排气门14和旁通侧排气门16均仅设有如图2所示的一种凸轮轮廓(气门升程曲线)。也就是说，内燃发动机10的排气侧气门操作装置既没有配备在低速轮廓与高速轮廓之间转换涡轮侧排气门14和旁通侧排气门16中的每一个的凸轮轮廓的凸轮轮廓转换机构，也没有配备能够连续改变涡轮侧排气门14和旁通侧排气门16的升程量的气门升程可变机构等等。因此，内燃发动机10的排气侧气门操作装置可以构造得非常简单。
然而，在本实施方式中，内燃发动机10的排气侧气门操作装置配备有涡轮侧排气门暂停机构26，其仅将涡轮侧排气门14暂停在关闭状态而允许旁通侧排气门16处在工作中。由于涡轮侧排气门暂停机构26的结构是公知的，因此省略其详细描述。简而言之，涡轮侧排气门暂停机构26在构造上远比上面提及的凸轮轮廓转换机构和气门升程可变机构简单。因此，设置涡轮侧排气门暂停机构26不会使内燃发动机10的排气侧气门操作装置复杂化。顺带地，涡轮侧排气门暂停机构26的动作由ECU50控制。
ECU50根据内燃发动机10的运转状况来控制旁通控制阀22的开度和涡轮侧排气门暂停机构26的动作。
(1)当发动机起动时
当发动机起动时，ECU 50使旁通控制阀22完全打开，并使涡轮侧排气门暂停机构26将涡轮侧排气门14暂停在关闭状态。这将导致内燃发动机10的全部量的废气都流入旁通侧排气通道20中。具体地，所有废气旁通涡轮机12a流入催化剂24中。因为避免了废气温度在涡轮机12a中降低，使高温废气流入催化剂24中，所以使得催化剂24能够快速升温。因此，能够减少排放。
当催化剂升温完成时，ECU 50转换涡轮侧排气门暂停机构26的状态，使得涡轮侧排气门14以常规方式操作。
(2)在发动机起动至增压压力达到截止点期间
图3是示出内燃发动机10的发动机转速和轴转矩的图。如图3所示，本实施方式的内燃发动机10的运转区域分为三个区域A、B和C。区域A与区域B之间的分界线是通过连接截止点获得的线。截止点是增压压力达到预定增压压力的点。在直至达到截止点期间，ECU 50将旁通控制阀22保持在完全关闭状态。具体地，在图3的区域A中，ECU50使旁通控制阀22处于完全关闭状态。这将导致内燃发动机10的全部量的废气都经涡轮侧排气通道18流入涡轮机12a中。因此，涡轮增压器12的转速能够迅速提高，进而能够缩短增压压力的响应延迟。
(3)在增压压力达到截止点之后
当在已经达到截止点之后内燃发动机10处于图3中的区域B中时，ECU 50控制旁通控制阀22的开度，使得由增压压力传感器检测到的增压压力变成等于设定的增压压力(目标增压压力)。这种操作使旁通控制阀22很好地发挥了废气旁通阀的功能。因此，在本实施方式中，无需设置用于涡轮增压器12的废气旁通阀，从而能够简化涡轮增压器12的结构。
(4)当高转速且高负荷时
当内燃发动机10处于接近最大输出点的高转速且高负荷区域(图3中的区域C)中时，ECU 50使旁通控制阀22完全打开。在这种状态下，由于以下原因留存在气缸中的气体能够减少到非常小的量。首先，因为旁通侧排气通道20并不通往涡轮机12a的进口，因此背压低。所以气缸中的已燃气体容易经由旁通侧排气门16排放。而且，因为旁通侧排气门16与进气门具有气门重叠，因此气缸中的已燃气体能够被经由进气门流入的新鲜空气清出，进而能够有效地排放到旁通侧排气通道20中。另外，因为涡轮侧排气门14与进气门几乎没有气门重叠，因此能够可靠地防止废气从背压高的涡轮侧排气通道18回流到气缸或进气口中。如此一来，因为能够如上所述使气缸中的残留气体的量非常少，并且相应地能够使空气的量很大，所以能够提高内燃发动机10的输出功率。此外，因为残留气体的量小，因此能够抑制爆燃，并能够避免点火正时延迟。所以，能够实现增大的发动机输出功率和更好的燃料经济性。
尽管已经根据附图中所示的实施方式描述了本发明的用于内燃发动机的控制装置，但是本发明并非局限于上述实施方式。例如，本发明中的内燃发动机中的排气侧气门操作装置可配备有能够改变驱动排气门的凸轮的相位的凸轮相位可变机构。