专利名称：控制安装有相位器的凸轮的相位角的可变力螺线管的制作方法
相关申请的参考本申请要求2002年4月22日提交的题目为“通过阀芯位置反馈控制中心安装的滑阀位置从而控制安装有相位器的凸轮的相位角的可变力螺线管”的、以临时申请号60/374329公开的发明的优先权。在此要求获得根据美国专利法第119(e)条(35 USC§119(e))的权益，并将上述申请并入本文作为参考。
美国专利No.5,172,659和No.5,184,578中公开的控制系统都在一个滑阀的两端施加了液压作用力。在专利5,184,578示出的控制系统中，通过传感器检测曲轴和凸轮的位置，一个脉宽调制螺线管使滑阀运动，从而控制相位器的动作，并通过一种闭合回路控制来测量凸轮和曲轴之间的相位差，并相应地操作滑阀。
美国专利No.5,497,738使用了一种可变力螺线管来控制中心安装滑阀的相位角。这种类型的可变力螺线管可以无限地控制相位器的位置。通过一个优选为可变力螺线管形式的电磁致动器向在相位器中心的开放滑阀端部施加作用力，上述电磁致动器响应于监控发动机各种参数的发动机控制单元(“ECU”)所发出的电信号而直接作用在上述开放滑阀阀芯上。
上述ECU接收来自于传感器的相应于凸轮轴和凸轮位置的信号，并使用上述信息计算相对相位角。优选使用一个闭合回路反馈系统来修正相位角的误差。使用可变力螺线管可以解决延迟动态响应的问题。这样的一种装置可以被设计成与滑阀的机械响应一样快，当然比传统(完全液压的)压差控制系统快得多。上述快速响应允许使用的闭合回路增益增加，这就使得系统对于构件容差和工作环境不那么敏感了。
图1示出了5,497,738中示出控制系统的另一种改进形式的方框图。发动机控制单元(ECU)1基于发动机的各种需要和系统参数(温度、节气门位置、油压、发动机速度等等)选择一个相位设定点2。上述设定点在3处被滤波并在4处与一个VCT相位测量单元12结合到一个带有PI控制器5、相位补偿器6和抗扭振逻辑电路(anti-winduplogic)7的控制回路中。上述回路的输出在9处与一个空工作循环信号8结合到一个电流驱动器10中，上述当前驱动器的输出与一个抖动信号11结合以提供电流10来驱动可变力螺线管(VFS)201。VFS 201推动位于相位器14中心处的滑阀200。接下来，滑阀200或者通过向叶片室施加油压来控制流体(发动机油)以致动VDT相位器14，或者通过接通通道以允许凸轮转矩脉冲15来运动相位器14，如上述发明中所示。凸轮位置可通过一个凸轮传感器20来检测，同样，曲轴位置(或与曲轴相连的相位器驱动链轮齿的位置)可通过一个传感器21来检测，VCT相位测量电路19使用这两个传感器之间的差值来得出VCT相位信号12，反馈上述相位信号以完成上述回路。
但是上述系统存在的一个问题就是，可变力螺线管201和滑阀200都有摩擦和磁滞后。这会导致滑阀192的零点位置改变，因为滑阀增加电流320时的位置310与滑阀200降低电流320时的位置310不同。上述可变位置在图1的图表330和335中示出。
因此，现有技术中需要一种可使由于滞后而导致错误最小化的系统和方法。
图2是本发明具有可变力螺线管和位置传感器的凸轮相位器的截面图。
图3是本发明具有可变力螺线管和滑阀位置反馈并由凸轮转矩致动的可变凸轮定时装置的流程图。
相位器中的油能够从许多不同的通道中泄漏出。这包括相位器泄漏口、吸油口(凸轮轴颈轴承)、安装孔、滑阀余隙和零点位置泄漏口。当上述凸轮分度器阀装置具有一个“封闭零点”位置以保持一个稳定位置时，就没有油通过上述开孔进入相位器以补充泄漏出的油。因此上述阀装置需要具有适当泄漏的零点位置，以用发动机油补充泄漏的油。这些增加的开口(负重叠)便为油在反转过程(由于凸轮轴上的力而产生的转矩效应)中从一个腔室流到另一个腔室提供了直接的路径，这将使相位器变换位置，这也导致相位器振动的增加。因此，通过这些增加的泄漏路径并负重叠，就需要增大腔室容积，使得泄漏油的体积只占相位器部容积的很小的百分比。
本发明的设计方案使用一种开口无阀芯控制阀。其能够补偿经过止回阀直接进入前置腔和延迟腔的油。为使凸轮反转的驱动最小，止回阀可以防止油逆向流动。这与使相位器中泄漏最小一起降低了整个相位器的振动。通过相位器转子中的所有控制，响应增加了，相位器振动降低了。
图2示出了本发明的一个凸轮相位器，其中一个链轮齿132形式的壳体可振动地轴颈连接在一个凸轮轴126上。凸轮轴126可被认为是单凸轮轴发动机的单个凸轮轴，其或者是顶置凸轮轴形式，或者是整体凸轮轴形式。可选择地是，凸轮轴126或者可被认为是一个双凸轮轴发动机的进气阀操作凸轮轴，或者可被认为是上述双凸轮轴发动机的排气阀操作凸轮轴。在任何情况下，链轮齿132和凸轮轴126可一起转动，并通过由一个以虚线示出的无端滚子链138向链轮齿132施加转矩而产生转动，上述滚子链以其自身的链轮齿101啮合围绕链轮齿132，同样也啮合围绕曲轴100。如下文将更加详细所述的那样，链轮齿132可振动地轴颈连接在凸轮轴126上，使得它在凸轮轴的转动中至少可以通过一个相对凸轮轴126限定的弧进行振动，并相对于曲轴100作出调节凸轮轴126相位的动作。
环形泵叶片固定就位在凸轮轴126上，上述叶片具有一对沿直径对置的径向向外伸出的凸起部160a、160b并通过螺栓安装在凸轮轴承26的一个加大端部126a上，这些螺栓穿过叶片160进入端部126a。凸起部160a、160b分别被容纳在链轮齿132的径向向外伸出的凹槽132a、132b中，凹槽132a、132b中的每一个的周向延展度略大于被容纳在这样凹槽中的叶片凸起部160a、160b的周向延展度，从而只允许链轮齿132相对于叶片160有限的振动运动。凹槽132a、132b分别通过间隔开的、横向延伸的环形板166、168被围绕着凸起部160a、160b封闭住，这些环形板通过螺栓相对于叶片160固定，并且由此相对于凸轮轴126固定，这些螺栓从一个环形板穿过相同的凸起部160a、160b延伸到另一个环形板。
滑阀192由圆柱形件198和开口阀芯200构成，上述开口阀芯在空腔(198a、如在图2中简要示出的那样)内来回滑动。凸轮轴126被保持在一个相对于相连发动机曲轴的可选中间位置，其被称为滑阀200的“零点”位置。
在发动机润滑油形式示出的液压流体从滑阀192经过共同进入管线流入凹槽132a、132b，终止于连接凹槽132a、132b的相对置的止回阀184和186之间的连接点处。
在本发明中，开口阀芯200在构件198中的位置受到弹簧202的影响，上述弹簧作用于阀芯200的端部。因此，弹簧202向右弹性地驱动阀芯200，如图2中的取向。
阀芯200在构件198中的位置由一个电磁致动器201、优选为一个可变力螺线管控制，并安装了一个位置传感器300，以便检测螺线管电枢201b的位置。经过螺线管壳体201d将电流引入吸引或排斥电枢201b的螺线管线圈201a中，使上述电枢运动。电枢201b承靠在开口阀芯200上，因此使开口阀芯200向左运动，如图2中的取向。如果弹簧202的力与由电枢201b沿相反方向施加的力平衡，那么阀芯200将保持在其零点或中心位置处。因此，开口阀芯200能够通过增加或降低流入螺线管线圈201a的电流而按情况沿任一方向运动。当然，螺线管201的构形也可以反过来，以将阀芯延伸部200c上的力从“推”转变为“拉”，反之亦然。这需要重新设计弹簧202的功能，以抵消电枢201b沿新方向运动产生的力。
通常在上述优选实施例中使用的螺线管是圆柱形电枢、或者是图2中所示的可变面积螺线管。主空气间隙径向围绕电枢201b延伸设置，并可包含有非磁性轴承材料。主间隙201c的圆柱形面积随着电枢201b轴向运动而增加，但是上述力和到线圈的距离仍保持不变。因为上述力对于轴向电枢位置相对敏感，所以从螺线管壳体210d到开口阀芯200就不需要非常精确的距离。
可以通过螺线管线圈201a的电流来控制电枢201b的运动，上述电流响应于或者直接来自于发动机电控单元(ECU)1，或者如图2所示来自于一个VCT控制单元25的控制信号。上述VCT控制单元接收来自(ECU)1相位设定点的信号并相应地进行检测和改变相位位置的所必需的处理。
本发明的VCT控制单元25优选使用来自一个相邻曲轴100的传感器21和另一个相邻于相位器或凸轮轴126的传感器20的输出信号来检测凸轮轴126和曲轴100的相对相位。螺线管传感器300作为构成VCT控制单元25的另一路输入，下面将结合图3说明上述VGT控制单元的功能。
虽然在附图中位置传感器300物理接触致动杆201d，但是物理接触不是必要的。例如，位置传感器300可以是光学地、电容地或电磁地连接到致动器201b上，并可以构造成可变力螺线管。可用于本发明的位置传感器300包括线性电位计、霍耳效应传感器或带端传感器，但不局限于此。
图3示出了本发明控制电路的方框图，其使用了反馈回路来控制滑阀的位置，从而减少了滑阀和电磁控制系统中的任何摩擦和磁滞后。还使用了一个第二反馈回路控制相位角。内回路30控制滑阀位置，外回路(类似于图1中所示的回路)控制上述相位角。优选给滑阀位置增加一个偏移量，以使滑阀移动到其稳定状态或零点位置。上述零点位置是需要的，从而阀芯能够运动进来使相位器沿一个方向运动，并运动出去使相位器沿另一个方向运动。
图3的基本相位器控制回路与图1的相同，对于这两个附图中相同的电路部分就不再单独说明了。图3中所示的本发明和图1现有技术的区别在于，通过相位补偿器6的输出启动内控制回路30。补偿器6的输出与一个偏移的零点位置410以及阀芯位置传感器300的输出400相结合，并被输入内回路401的PI控制器401中。PI控制器401的输出被输入一个电流驱动器402，上述电流驱动器的输出与一个抖动信号11相结合，所合成的电流驱动VFS 201。VFS 201的位置由位置传感器300来读取，然后反馈位置传感器300的输出400，从而完成回路30。
相应地，应该理解这里所说明的本发明实施例仅仅是用来解释本发明应用的原理。本文对所述实施例的详细描述并不旨在限制权利要求书的范围，权利要求书本身阐述了那些本发明认为必要的特征。
权利要求
1.一种用于内燃机的可变凸轮定时(VCT)系统，上述内燃机具有一个曲轴、至少一个凸轮轴、一个连接到上述曲轴上的凸轮驱动件和一个可变凸轮相位器，上述可变凸轮相位器具有一个安装在至少一个凸轮轴上的内部分和一个连接到上述凸轮驱动件上同心的外部分，可响应于流体控制输出来控制上述外部分，从而通过改变可变凸轮相位器流体控制输入中的流体，转换上述曲轴和至少一个凸轮轴的相对相位，上述可变凸轮定时系统包括一个滑阀(192)，其包括一个可滑动地安装在可变凸轮相位器内部分中心轴线处的孔内的阀芯，上述孔具有数个与上述可变凸轮相位器的流体控制输出相连的通道，从而上述阀芯在孔中的轴向运动控制流体在上述可变凸轮相位器的流体控制输出时的流动；一个可变力螺线管(201)，其具有一个电输入和一个连接到上述阀芯上的电枢(201b)，从而上述电输入中的电信号使上述电枢运动，上述运动使阀芯在孔中轴向运动；一个连接到上述电枢上的位置传感器(300)，其具有一个代表上述电枢物理位置的位置信号输出；VCT相位测量传感器(20、21)，其连接到上述曲轴上和上述至少一个由上述可变凸轮定时系统控制的凸轮轴上；一个VCT控制电路，其包括一个凸轮相位输入，其与上述VCT相位测量传感器相连；一个相位设定点输入，其用于接收表示凸轮轴和曲轴理想的相对相位信号；一个螺线管位置输入，其与上述位置信号输出相连；和一个螺线管驱动输出，其与上述可变力螺线管的电输入相连；一个信号处理电路，其接收来自于上述相位设定点输入、凸轮相位输入和螺线管位置输入的信号，并输出螺线管驱动输出，使得当在上述相位设定点输入施加上述相位设定点信号时，上述控制电路在螺线管驱动输出时提供电信号以使可变力螺线管移动上述阀芯，从而控制可变凸轮相位器按所选择的相位设定点信号转换凸轮轴的相位。
2.如权利要求1所述的可变凸轮轴定时系统，其中，位置传感器(300)是从一组包括线性电位计、霍耳效应传感器或带端传感器的器件中选出的。
3.如权利要求1所述的可变凸轮轴定时系统，其中，上述电枢和位置传感器通过一个机构相连，上述机构是从一组包括物理连接、光学连接、磁连接和电容连接的机构中选出的。
4.如权利要求1所述的可变凸轮轴定时系统，其中，上述流体包括来自于加压润滑油源的发动机润滑油。
5.如权利要求1所述的可变凸轮轴定时系统，其中，上述信号处理电路包括一个用于控制相位角的外回路，其与上述设定点输入、凸轮相位输入和螺线管驱动输出相连；一个用于控制滑阀位置的内回路，其与上述螺线管驱动输入和上述外回路相连；从而上述由外回路设定的螺线管驱动输出可以基于上述螺线管的位置进行修改。
6.如权利要求5所述的可变凸轮轴定时系统，其中a)上述外回路包括i)一个抗扭振回路包括A)一个第一PI控制器(5)，其具有一个与上述设定点输入相连的第一输入；一个与上述凸轮相位输入相连的第二输入；一个第三输入和一个输出；B)一个相位补偿器(6)，其具有一个与上述第一PI控制器的输出相连的输入、一个第一输出和一个第二输出；和C)抗扭振逻辑电路(7)，其具有一个与上述相位补偿器的第二输出相连的输入和与上述PI控制器第三输入相连的输出；ii)一个合成器(402)，其具有一个与一个零点位置偏置信号(410)相连的第一输入、一个与上述相位补偿器的输出相连的第二输入、一个第三输入和一个输出；iii)一个第二PI控制器(401)，其具有一个与上述合成器的输出相连的输入和一个输出；iv)一个电流驱动器(402)，其具有一个与上述第二PI控制器的输出相连的输入和一个与上述螺线管驱动输出相连的输出；b)上述内回路包括上述螺线管位置输入和上述合成器的第三输入的连接。
7.如权利要求6所述的可变凸轮轴定时系统，其还包括一个与上述螺线管驱动输出相连的抖动信号(11)。
8.一个内燃机，包括a)一个曲轴；b)至少一个凸轮轴；c)一个连接到上述曲轴上的凸轮驱动件；d)一个可变凸轮相位器，其具有一个安装在至少一个凸轮轴上的内部分和一个连接到上述凸轮驱动件上同心的外部分，可响应于流体控制输出来控制上述外部分，从而通过改变可变凸轮相位器流体控制输出中的流体，转换上述曲轴和至少一个凸轮轴的相对相位；e)一个可变凸轮定时系统，包括i)一个滑阀(192)，其包括一个可滑动地安装在可变凸轮相位器内部分中心轴线处的孔内的阀芯，上述孔具有数个与上述可变凸轮相位器的流体控制输出相连的通道，从而上述阀芯在孔中的轴向运动控制流体在上述可变凸轮相位器的流体控制输出时的流动；ii)一个可变力螺线管(201)，其具有一个电输入和一个连接到上述阀芯上的电枢(201b)，从而上述电输入中的电信号使上述电枢运动，上述运动使阀芯在孔中轴向运动；iii)一个连接到上述电枢上的位置传感器(300)，其具有一个代表上述电枢物理位置的位置信号输出；iv)VCT相位测量传感器(20、21)，其连接到上述曲轴上和上述至少一个由上述可变凸轮定时系统控制的凸轮轴上；v)一个VCT控制电路，其包括一个凸轮相位输入，其与上述VCT相位测量传感器相连；一个相位设定点输入，其用于接收表示凸轮轴和曲轴理想的相对相位信号；一个螺线管位置输入，其与上述位置信号输出相连；和一个螺线管驱动输出，其与上述可变力螺线管的电输入相连；一个信号处理电路，其接收来自于上述相位设定点输入、凸轮相位输入和螺线管位置输入的信号，并输出螺线管驱动输出，使得当在上述相位设定点输入施加上述相位设定点信号时，上述控制电路在螺线管驱动输出时提供电信号以使可变力螺线管移动上述阀芯，从而控制可变凸轮相位器按所选择的相位设定点信号转换凸轮轴的相位。
9.如权利要求8所述的内燃机，其中，位置传感器(300)是从一组包括线性电位计、霍耳效应传感器或带端传感器的器件中选出的。
10.如权利要求8所述的内燃机，其中，上述电枢和位置传感器通过一个机构相连，上述机构是从一组包括物理连接、光学连接、磁连接和电容连接的机构中选出的。
11.如权利要求8所述的内燃机，其中，上述流体包括来自于加压润滑油源的发动机润滑油。
12.如权利要求8所述的内燃机，其中，上述信号处理电路包括一个用于控制相位角的外回路，其与上述设定点输入、凸轮相位输入和螺线管驱动输出相连；一个用于控制滑阀位置的内回路，其与上述螺线管驱动输入和上述外回路相连；从而上述由外回路设定的螺线管驱动输出可以基于上述螺线管的位置进行修改。
13.如权利要求12所述的内燃机，其中a)上述外回路包括i)一个抗扭振回路包括A)一个第一PI控制器(5)，其具有一个与上述设定点输入相连的第一输入；一个与上述凸轮相位输入相连的第二输入；一个第三输入和一个输出；B)一个相位补偿器(6)，其具有一个与上述第一PI控制器的输出相连的输入、一个第一输出和一个第二输出；和C)抗扭振逻辑电路(7)，其具有一个与上述相位补偿器的第二输出相连的输入和与上述PI控制器的第三输入相连的输出；ii)一个合成器(402)，其具有一个与一个零点位置偏置信号(410)相连的第一输入、一个与上述相位补偿器的输出相连的第二输入、一个第三输入和一个输出；iii)一个第二PI控制器(401)，其具有一个与上述合成器的输出相连的输入和一个输出；iv)一个电流驱动器(402)，其具有一个与上述第二PI控制器的输出相连的输入和一个与上述螺线管驱动输出相连的输出；b)上述内回路包括上述螺线管位置输入和上述合成器的第三输入的连接。
14.如权利要求13所述的内燃机，其还包括一个与上述螺线管驱动输出相连的抖动信号(11)。
15.用在具有可以改变凸轮轴相对于曲轴相位角的可变凸轮轴定时系统的一种内燃机中的一种调节方法，其可以调节来自一个流体源的流体向一个用于将曲轴的旋转运动传递给壳体的机构的流动，上述方法包括如下步骤检测凸轮轴和曲轴的位置；计算凸轮轴和曲轴之间的相对相位角，上述计算步骤使用一个发动机控制单元来处理从检测步骤获得的信息，上述发动机控制单元还相应于上述相位角发出电信号；控制可滑动地设置在滑阀主体内的开口阀芯的位置，上述控制步骤响应于从上述发动机控制单元接收的信号，上述控制步骤使用一个电磁致动器来改变上述开口阀芯的位置，并使用一个位置传感器来检测上述阀芯的位置，上述电磁致动器包括一个可变力螺线管；从上述源经上述滑阀向一个用于向上述凸轮轴传递旋转运动的机构供给流体，上述滑阀可选择地允许流体经过入口管线和返回管线的流动或堵住上述流动；和以这样的方式向上述凸轮轴传递旋转运动，从而改变凸轮轴相对曲轴的相位角，上述旋转运动被传递经过一个安装在上述凸轮轴上的壳体，上述壳体还与上述凸轮轴一起旋转并可相对于上述凸轮轴振动。
16.如权利要求15所述的方法，其中，上述位置传感器是从一组包括线性电位计、霍耳效应传感器或带端传感器的器件中选出的。
全文摘要
本发明的凸轮相位器包括一个可变力螺线管(201)，其具有反馈回路以控制一个中心安装的滑阀(192)位置和控制安装有相位器的凸轮的相位角。在上述滑阀位置安装了一个位置传感器(300)，使得一个控制回路(400)得以控制滑阀的位置。一个第二外回路(430)控制上述相位角。优选给滑阀位置增加一个偏移量，以使滑阀移动到其稳定状态或零点位置。上述零点位置是需要的，从而阀芯(200)能够运动进来使相位器沿一个方向运动，并运动出去使相位器沿另一个方向运动。上述类型的系统减少了阀芯和电磁控制系统中的任何摩擦和磁滞后。
文档编号F02D13/02GK1459551SQ03123210
公开日2003年12月3日 申请日期2003年4月22日 优先权日2002年4月22日
发明者R·辛普森 申请人:博格华纳公司