具有至少两个工作位置的可变升程的气门机构的制作方法

1.本发明涉及一种用于内燃机换气阀的可变升程的气门机构以及一种用于运行用于内燃机换气阀的可变升程的气门机构的方法。


背景技术：

2.由于对低燃料消耗和低排放的要求越来越高，所以在整个发动机特性曲线中力求实现无加浓的运行。在此，米勒燃烧方法的应用做出重要贡献。由此，可以有针对性地降低在点火时刻气缸中混合物的压力和温度。由于爆震倾向相应地减小，可以例如借助可变的凸轮轴控制来调节燃烧的较早的重心位置。废气温度的相应降低导致较小的加浓需求。
3.米勒内燃机是一种根据米勒已知的内燃机，在该内燃机中燃料在抽吸过程期间被引入到抽吸的空气中，这如在汽油机中那样在气缸中产生可点燃的混合物。不同于汽油机，米勒内燃机的特征在于第五工作步骤。因此，米勒内燃机也被称为“五冲程”。进气门在抽吸冲程期间就已经关闭，这导致混合物膨胀直至抽吸冲程结束。在随后的压缩阶段后，在点火时刻在燃烧室中产生更低的压力和温度。这降低所谓的爆震倾向。
4.这些变化的结果是更低的废气温度、更少的有害物质和内燃机的高效率。
5.如果内燃机要根据米勒燃烧方法来运行，则进气门升程曲线不应超过确定的打开持续时间。这种短的打开持续时间明显地低于以传统的奥托循环过程运行的内燃机的打开持续时间。由此，这通常导致明显增加的增压压力需求，这又限制了最大功率输出。
6.对于技术领域，例如指出了欧洲专利文献ep1387928b1。由该文献已知一种用于可变地调节内燃机换气阀的升程的气门传动装置，其中换气阀在中间连接有传递元件的情况下与可围绕旋转轴线运动的滚子连接并且与在为了换气阀的升程操作由凸轮轴控制的偏移杆的端部区域中包括空程曲线和升程曲线的控制轨道连接，其中，弹簧加载地通过曲线轨道配属给凸轮的偏移杆在另一端沿圆形轨道支撑用于通过借助调节装置控制的可改变位置且可固定的摆动支点的可变的升程调节。所述气门传动装置的特征在于，设置在内燃机的壳体部件上的圆形轨道作为具有围绕传递元件的滚子的旋转轴线的半径的滑槽用于受控制地位置可变地支撑偏移杆，其中，偏移杆的控制轨道在空程曲线与升程曲线之间的过渡区域中构造有在气门传动装置中的气门间隙上放置的斜面。
7.如果希望以燃烧方法来运行具有这种气门机构的内燃机，其中在最大功率的范围内存在减小的换气阀升程(米勒方法)，则不完全利用气门机构的动态极限，因为也必须在最大转速的情况下能实现最大的换气阀升程。
8.由de102015214115a1已知一种可变升程的气门机构，其中，偏移杆(在那里称为中间杆)通过偏心件偏移，该偏心件具有放置区域，从而在功能上适宜的位置产生运行可靠的最大换气阀加速度。
9.但为了尽可能好地实现换气要求，控制横截面(气门升程曲线下方的面积)必须在给定的最大打开持续时间的情况下最大化。为了在所要求的发动机最大转速下仍然获得机械上稳固的气门机构，然而在上述类型的已知气门机构中，气门加速度在其最大值、最小值
和变化曲线方面受到限制。从两个边界条件(气门打开持续时间和受限的气门加速度)中得出可呈现的最大控制横截面和气门升程。


技术实现要素：

10.在这种背景下，本发明的任务是，改进一种用于内燃机换气阀的可变升程的气门机构。
11.所述任务通过一种具有权利要求1的特征的可变升程的气门机构以及通过一种具有权利要求9的特征的用于运行可变升程的气门机构的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的有利的进一步改进方案。
12.根据本发明的一个方面，提出一种用于内燃机换气阀的可变升程的气门机构。所述内燃机例如可以是汽油机或柴油机。
13.可变升程的气门机构具有升程适配装置装置，该升程适配装置装置具有工作曲线，该工作曲线至少能设置在用于调节部分升程的第一工作位置中且能设置在用于调节最大升程的第二工作位置中，所述工作曲线在一个区域中具有最大的曲线曲率。
14.此外，该可变的气门机构具有升程调节器，该升程调节器具有用于使升程适配装置偏移的调节轮廓。
15.此外，该可变的气门机构具有升降杆，该升降杆借助工作曲线被偏移并且由此能调节换气阀的升程，其中，尤其是偏移的升程适配装置的工作曲线在该方法中通过升降杆的接触面能够调节该换气阀。
16.该气门机构设计用于在所述第一工作位置中并且在所述第二工作位置中以至少基本上相同的最大气门加速度调节所述换气阀。
17.为了为此设计该气门机构，本领域技术人员可使用本身已知的工具来使驱动部件的拓扑结构优化。这种处理方式被证实比试错处理方式目的更明确，如其例如在重复地适配升程调节器的调节轮廓(例如凸轮轴的凸轮的凸轮轮廓)时会被使用的那样。在此，参与气门运动的各个部件的轮廓通常间接地通过运动设定值(例如关于凸轮角的气门升程)来影响。
18.在当前情况中，根据本发明的方案包含多种变型问题的解决方案：对于根据本发明的气门机构的构型，该气门机构必须在这两个工作位置中实现至少基本上相同的最大气门加速度。为此，升程调节器(调节轮廓)、升程适配装置(包括工作曲线)和升降杆的轮廓必须相互协调。
19.尤其是，因此与工作曲线在第一或第二工作位置中的定位无关地在升程调节器(例如凸轮轴)的确定的转速情况下所述气门必须以相同的最大加速度来设置。
20.在气门机构的一种典型的设计方案中，根据一种实施方式，升程适配装置是中间杆(也称作偏移杆)，该中间杆一方面可滑动运动地支承在滑槽的滑槽轨上并且另一方面具有工作曲线，该中间杆能利用第二调节装置沿着滑槽轨移动。
21.在所述气门机构的一种典型的设计方案中，根据升降杆的一种实施方式，中间元件例如是滚子拖杆，工作曲线通过该滚子拖杆与换气阀作用连接。
22.在所述气门机构的一种典型的设计方案中，根据一种实施方式，升程调节器是第一调节装置、尤其是凸轮轴的凸轮，以用于使中间杆克服弹簧元件的弹簧力围绕靠近滑槽
的点偏转。
23.根据另一个方面，提出一种用于运行用于内燃机换气阀的可变升程的气门机构的方法，该气门机构尤其是根据本发明的一种实施方式来构造。该方法至少具有以下步骤：(i)求取内燃机的废气温度和/或至少一个另外的温度参数的特征值；(ii)根据所求取的温度来求取要切换的运行模式、尤其是传统的运行模式或米勒运行模式；以及(iii)根据所求取的运行模式将升程适配装置切换到工作曲线的第一工作位置中或第二工作位置中。
24.本发明尤其是基于以下考虑：与可变的气门机构相结合，对于米勒运行所必需的打开持续时间应在每个任意的时刻被调节。在全负荷要求中，首先调节具有至少几乎最大打开持续时间的常规的(非米勒)运行(奥托循环过程)，其方式尤其是调节气门机构的升程适配装置的第二工作位置。
25.由于构件的热惯性，在全负荷开始之后的一段时间延迟内才达到最大可允许的废气温度并且常规控制时间的低增压压力需求对可移动性和功率输出产生积极影响。只有在达到最大的废气温度的情况下，才将内燃机转换到米勒运行，其方式尤其是调节气门机构的升程适配装置的第一工作位置。
26.在此，废气温度和/或另外的相关的运行温度例如可通过物理模型和/或通过传感器来确定。
27.在申请人的产品中所使用的气门机构能够实现在接近全负荷的条件下为了实现米勒运行所需的缩短的打开持续时间，然而由此会产生气门升程的严重减小并且因此产生控制横截面的严重减小。而有针对性地设计成米勒运行的气门机构实现改进的米勒升程轮廓。在可比较的打开持续时间中产生比之前更大的控制横截面。现在挑战在于，即使对于较大的控制横截面也能够实现针对米勒运行设计的完全可变的气门机构。此外，与当前的气门机构相比，全升程轮廓应当能够在增压压力需求略微提高时实现非米勒运行。
28.本发明现在尤其是基于如下想法，即总体上实现在非米勒运行与米勒运行之间的优化折衷，该折衷使组合的运行策略的优点最大化。为了尽可能也实现对于传统的运行的优化的气门升程曲线，尤其是这样设计气门机构，使得例如活动空间和/或其它功能方面能够实现相比于能够以米勒打开持续时间呈现的最大升程而言高的升程。
29.所述米勒气门升程不是设计成该系统的最大气门升程，而是设计成部分升程。如果额定气门升程现在提高超过米勒升程，则打开持续时间和控制横截面增大，直至达到功能上最大的升程。
30.此外决定性的是，在力求的升程调节直至绝对最大的气门升程的情况下不出现气门加速度的提高，该加速度的提高在曲线和最大值方面超过允许的极限。与此对应地，尤其是这样设计完全可变的气门机构，使得加速度在米勒气门升程区域中且从那起直至绝对的气门升程最大值几乎恒定地最大。由此确保：不仅传统的气门升程而且米勒气门升程都能够释放最大可行的控制横截面并且在此是机械稳固的。
31.为了相应地适配气门机构，本领域技术人员可以使用本身已知的工具来使驱动部件的拓扑结构最优化。为了实现相互对应的最大加速度，凸轮轮廓、中间杆在与凸轮的接触区域中并且在工作曲线上的轮廓以及滚子拖杆与工作曲线的接触区域相互协调。在申请人的运行实践中例如适合于适配凸轮轮廓，由此现有的气门机构结构组合件在狭义上能够不改变地继续使用。
32.这样适配的气门机构通过在限定的米勒气门升程变化曲线之上调节升程和打开持续时间的可行性还具有其它优点。
33.如果发动机在不同的边界条件(温度、高度等)下运行，则优化的米勒额定打开持续时间可以变化。现在，优化的打开持续时间能够始终根据这些边界条件并且由此得到的运行策略来调节并且在此始终释放尽可能好的控制横截面。
34.如果将该气门机构作为相同部件安装到具有不同外围和/或一般运行策略的不同发动机中，则这可以在不改变运动学的情况下进行。根据发动机不同的优化打开持续时间可以在没有硬件变化的情况下被调节并且始终释放尽可能好的控制横截面。
35.尤其是在恒定的最大曲线曲率情况下，根据一种实施方式，所述升程适配装置的工作曲线在一个区域中具有最大曲线曲率，其中，升程调节器的调节轮廓设计用于使所述工作曲线在第一工作位置中并且在第二工作位置中以恒定的速度移动，只要升降杆的接触面贴靠在工作曲线的最大曲线曲率的区域上。
36.为了实现所述换气阀的至少基本上相同的最大加速度，根据一种实施方式，最大曲率的区域设置在升程区域的边缘上，尤其是升程区域的所述边缘是在升程过程开始时升降杆的接触元件经过工作曲线的边缘。
37.为了实现换气阀的至少基本上相同的最大加速度，根据一种实施方式，升程区域具有至少较少地弯曲的、尤其是不弯曲的区域，该区域尤其是直接邻接于最大曲率的区域地设置。
38.尤其是，在较少地弯曲的区域上设置有在达到最大升程时升降杆与工作曲线的接触位置和/或在达到米勒升程时升降杆与工作曲线的接触位置。
39.为了能够在米勒运行中尽可能早地操控气门升程，根据一种实施方式，所述气门机构设计用于尤其是借助可变的凸轮轴控制来适配升程调节器的调节时刻。
40.根据一种实施方式，发动机、尤其是发动机控制装置具有基于传感器的和/或基于模型的温度检测装置以用于检测内燃机的废气温度和/或至少一个另外的温度参数。
41.根据一个实施方式，所述气门机构具有用于运行气门机构的控制单元，该控制单元尤其是设计用于调节工作曲线的不同工作位置。控制单元例如可以是上级的发动机控制装置、驱动控制装置或车辆控制装置的一部分。
42.根据一种实施方式，在切换米勒运行模式时尤其借助可变的凸轮轴控制来调节升程调节器的较早的调节时刻。
附图说明
43.本发明的其它优点和应用可行性由下面结合附图的说明得出。
44.图1示出根据本发明的一种示例性实施方式的可变升程的气门机构的剖面。
45.图2示出图表，在该图表中当根据图1的气门机构以根据本发明的一种示例性实施方式的方法运行时，对于根据图1的可变升程的气门机构的凸轮轴的回转而言分别相对于曲轴的曲轴转角绘制出换气阀的升程或气门偏移的速度或在气门偏移时的加速度。
46.图3示出根据图1的气门机构的工作曲线。
具体实施方式
47.图1示出在用于未示出的内燃机的气缸盖15中的安装位置中的可变升程的气门机构1的剖面，考虑到第一换气阀操纵单元3。该换气阀操纵单元3设置用于操纵起相同作用的换气阀2。在本实施例中，内燃机具有四个排成一列的气缸，这些气缸分别具有两个起相同作用的换气阀2。设置在气缸盖15中的可变升程的气门机构1具有升程适配装置4、中间杆，该中间杆一方面以未编号的滚子可滑动运动地支承在滑槽7的滑槽轨6上并且另一方面具有工作曲线8。
48.如由图3可以推断出，该工作曲线划分成基圆区域bg和升程区域bh，其中，工作曲线8至少在升程区域bh的一部分中包括带有保持相同的最大曲率kmax的区域bkmax。在与其邻接的另一区域bn中，升程区域bh没有曲率或具有至少一个较小的曲率。
49.工作曲线8通过升降杆9、滚子拖杆与换气阀2这样作用连接，使得换气阀2可沿着所绘出的轴线以确定的升程h以速度v和加速度a偏移。
50.滚子拖杆9一方面支撑在换气阀2的杆上并且另一方面支撑在间隙补偿元件5、即液压间隙补偿元件上。
51.此外，设置有升程调节器10(也称为第一调节装置10)、凸轮轴的凸轮，该凸轮具有调节轮廓nk(＝凸轮轮廓)以用于使中间杆4克服弹簧元件12的弹簧力围绕靠近滑槽的点11、即支撑在滑槽轨6上的滚子的旋转中点而偏转。调节轮廓nk由围绕凸轮10的旋转点的半径轮廓沿着标出的周向方向u10限定。
52.中间杆4能利用第二调节装置13、偏心轴的偏心盘沿着滑槽轨6通过将中间杆4支撑在滑槽轨6上的滚子来移动。根据第二调节装置13的偏心轮廓，中间杆4在未标出的零工作位置、用于米勒运行的第一工作位置a1以及用于正常运行的第二工作位置a2之间移动。偏心轮廓通过围绕偏心件沿着绘出的周向方向u13的旋转点的半径轮廓来限定。
53.对于可变升程的气门机构1本身的工作原理，也参考国际专利申请wo2002/092972a1。
54.因此，第二调节装置13具有用于零升程的零调节点、用于部分升程的第二调节点和用于换气阀2的全升程的第三调节点。每个调节点通过偏心盘的圆弧段的曲线点呈现，也就是说在第二调节装置13旋转的情况下，中间杆4在其位置方面沿着滑槽轨6移动，由此能改变通过升程调节器10的旋转实现的换气阀升程。
55.零升程意味着换气阀2关停，这对应于气缸切断。部分升程意味着换气阀2具有小于全升程的换气阀升程，例如在米勒运行中。全升程意味着可行的最大气门升程。
56.在另一种实施例中，第二调节装置13也可以代替凸轮盘而由线性调节装置代替，该线性调节装置具有不同的止挡部或卡锁装置，对应于换气阀2的零升程、部分升程和全升程。在此，所述操纵可以电地和/或机械地或液压地进行。在本实施例中，所述操纵是电动机地进行。
57.为了能够实现在第一工作位置a1和第二工作位置a2中至少基本上相同的最大气门加速度，在气门机构1的设计中升程调节器(调节轮廓nk)、升降适配装置4(包括工作曲线8)和升降杆9的轮廓相互协调。
58.在本实施例中，为了相应地适配气门机构，使用了一种用于驱动部件的拓扑结构优化的通用的软件工具。为了在第一工作位置a1和第二工作位置a2中达到相互对应的最大
加速度amax或
‑
amax，凸轮轮廓nk、中间杆在与凸轮10的接触区域中并且在工作曲线8上的轮廓以及滚子拖杆9与工作曲线8的接触区域相互协调。
59.在此，在该实施例中，仅凸轮轮廓nk被合适地适配，以便现有的气门机构结构组合件、换气阀操纵单元3可不变地继续使用。
60.如在单个使用情况下必须使凸轮轮廓nk(即凸轮10的半径轮廓沿周向方向u10)适配，以便达到相同对应的最大加速度amax，对于本领域技术人员而言在个别情况下从本身已知的应用用于拓扑结构优化的软件工具和从在个别情况下已知的来自发动机的运行策略的要求中得出。
61.下面借助图2对根据本发明的一种示意性实施方式的方法的一种实施方式进行解释。
62.图2示出三个图：在上部的图表中记录了关于曲轴转角kw的升程h，在中间的图表中记录了关于曲轴转角kw的升程速度v并且在下部的图表中记录了关于曲轴转角kw的升程加速度a。
63.在所述三个图表的每个图表中，关于曲轴转角的相应的参数变化h、v、a一方面绘出用于最大升程hmax(实线)并且另一方面绘出用于米勒升程(部分升程；虚线)。
64.在全负荷要求中，首先调节具有至少几乎最大打开持续时间的常规的(非米勒)运行，其方式尤其是调节气门机构的升程适配装置的第二工作位置。这种运行情况在图中用实线示出。
65.只有在达到最大废气温度t时(参见在燃烧室中的图1的示范性的记录，在该实施例中基于模型来确定)，内燃机才转换到米勒运行，尤其是通过调节气门机构的升程适配装置的第一工作位置。这种运行情况在图中用虚线示出。
66.从上部的图表(升程图表)中一方面可以看出与最大升程hmax相比在米勒运行中需要的较小的升程高度hmill。另一方面，在图1中未示出的可变的凸轮轴控制确保：相对于曲轴转角在米勒运行时的最大升程hmill比正常运行时的最大升程hmax更早地发生。
67.由中间的图表(速度图表)中可以推断出，与在正常运行中的最大速度vmax相比，对于米勒运行在调节时达到气门2的更小的最大速度vmill。
68.由下部的图表(加速度图表)中可以推断出，根据本发明的所述实施例的凸轮轮廓nk的适配：不仅对于正常运行而且对于米勒运行而言最大加速度amax或
‑
amax是相同的。在那些在加速度图表中表明最大加速度amax或
‑
amax的曲轴转角区域中，工作曲线8在其最大曲率bkmax的区域中在滚子拖杆9上滚动。
69.如由图3可以推断出，滚子拖杆9的滚子根据运行方式在点hmill或点hmax处、即相应地在区域bn中接触工作曲线。
70.附图标记列表
[0071]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气门机构
[0072]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
换气阀
[0073]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
换气阀操纵单元
[0074]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
升程适配装置(尤其是中间杆)
[0075]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
间隙补偿元件
[0076]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滑槽轨
[0077]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滑槽
[0078]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
工作曲线
[0079]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
升降杆(尤其是滚子拖杆)
[0080]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一调节装置(尤其是凸轮轴的凸轮)
[0081]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
靠近滑槽的点
[0082]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
弹簧元件
[0083]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二调节装置(尤其是偏心板)
[0084]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气缸盖
[0085]
a1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
升程适配装置的第一工作位置
[0086]
a2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
升程适配装置的第二工作位置
[0087]
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
换气阀的加速度
[0088]
bg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
工作曲线的基圆区域
[0089]
bh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
工作曲线的升程区域
[0090]
bkmax
ꢀꢀꢀ
所使用的工作曲线的最大曲率的区域
[0091]
h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
换气阀的升程
[0092]
hmax
ꢀꢀꢀꢀ
最大升程
[0093]
hmill
ꢀꢀꢀ
米勒升程
[0094]
kmax
ꢀꢀꢀꢀ
工作曲线的最大曲率
[0095]
kw
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
内燃机的曲轴转角
[0096]
nk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一调节装置的调节轮廓(尤其是凸轮轮廓)
[0097]
ot
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
上止点
[0098]
phmax
ꢀꢀꢀ
在hmax时的接触位置
[0099]
phmill
ꢀꢀ
在hmill时的接触位置
[0100]
ut
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
下止点
[0101]
u10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一调节装置的周向方向
[0102]
u13
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二调节装置的周向方向
[0103]
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
换气阀的速度