专利名称：可变气门时刻控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于一种致动器的控制技术，且特别是有关于一种可变气门时刻控制系统，其为针对致动器运动延迟造成的时刻误差的控制。
背景技术：
由于发动机可变气门系统对控制时刻的精确度具有较高的要求，但是电液控制系统的核心是快速换向阀的控制，快速换向阀的精确控制受到温度、电压变化，例如线圈的阻抗随着温度的变化而变化，工作电压随着汽车打开电器的多少而变化等情况，导致同样控制信号下控制快速换向阀的实际工作电流可能不同，电磁阀动作不准确。同时，快速换向阀和油缸运动还受到系统油压、工作油粘度随着温度发生变化的影响，导致运动阻力变化从而影响到电磁阀动作。该种变化导致的直接问题是发动机可变气门开启时刻受到上述各种因素的影响，这种影响导致可变气门实际运动对应于参考信号具有一定的延迟时间，延迟时间还随着各种外在因素的变化而变化。通过对可变气门的开关时刻的计算和循环间修正控制可以有效地消除系统油压、工作介质粘度及电压等因素变化或波动对可变气门开关时刻的影响，达到对发动机可变气门系统对控制时刻的精确度具有较高的要求。其中，上述循环是指发动机热力学循环。在目前的相关系统中，多使用闭环控制的方法解决可变气门开关时刻一致性及重复性的问题，闭环控制对硬件系统要求高，比如需要高精度及高响应的位移传感器，成本较高、控制难度大、鲁棒性差，这些直接影响发动机可变气门系统的产业化。
实用新型内容针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种可变气门时刻控制系统，其为针对致动器运动延迟造成的时刻误差的精准控制。本实用新型提出一种可变气门时刻控制系统，包括致动器、致动换向阀、电子控制单元及位移传感器。所述电子控制单元与致动换向阀电性连接。所述位移传感器与所述电子控制单元连接。在本实用新型的一个实施例中，所述可变气门时刻控制系统还包括启动换向阀，所述电子控制单元电性连接至启动换向阀驱动输出。在本实用新型的一个实施例中，所述电子控制单元还包括发动机控制电子单元及气门控制单元；所述发动机控制电子单元与所述位移传感器连接；所述气门控制单元连接至发动机控制电子单元，同时所述气门控制单元连接至启动换向阀驱动输出。在本实用新型的一个实施例中，所述可变气门时刻控制系统还包括电动液压泵，所述电子控制单元电性连接至电动液压泵源驱动输出。
在本实用新型的一个实施例中，所述电子控制单元还包括发动机控制电子单元及气门控制单元；所述发动机控制电子单元与所述位移传感器连接；所述气门控制单元连接至发动机控制电子单元，同时所述气门控制单元连接至电动液压泵源驱动输出。在本实用新型的一个实施例中，所述电子控制单元还包括发动机控制电子单元及气门控制单元；所述发动机控制电子单元与所述位移传感器连接；所述气门控制单元连接至发动机控制电子单元，同时所述气门控制单元连接至致动换向阀驱动输出。在本实用新型的一个实施例中，所述启动换向阀为二位三通阀。在本实用新型的一个实施例中，所述致动换向阀为二位四通阀。本实用新型所述的可变气门时刻控制系统可以保证气门开启/关闭的目标时刻与气门开启/关闭的实际时刻差别降到最小，消除影响气门时刻控制的因素，从而保证可变气门开启/关闭时刻的精准控制。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1为本实用新型较佳实施例的液压致动器的控制系统示意图。图2为图1所示液压致动器的弹簧控制油缸在大升程工况、而气门开启到最大时的结构示意图。图3为图1所示液压致动器的弹簧控制油缸在大升程工况、而气门处于关闭状态时的结构示意图。图4为用可变气门控制延 迟时间计算原理示意图。图5为用可变气门开启延迟时间算法框图。图6为用可变气门关闭延迟时间算法框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，但本实用新型的保护范围不以此实施例为限。请参阅图1至图3，本实用新型实施例所述的气门控制系统，包括:致动器10、位移传感器961、电子控制单元90、致动换向阀81、启动换向阀82、高压液压源70、低压液压源(图未示)。致动器10包括壳体200，在该壳体中，沿着纵向轴线110并且沿第二方向，即在附图中从顶部至底部的方向，具有启动端口 260、空腔250、第一控制孔271、第一上端口 211、第二上端口 212、致动油缸230、流体旁路240、第二下端口 222、第一下端口 221、第二控制孔272，以及设置在空腔250里的第一弹簧系统、设置在第一控制孔271中的第一活塞杆410、设置在致动油缸230和流体旁路240中的致动活塞300、设置在第二控制孔中的第二活塞杆420 ;以及第二弹簧系统、发动机气门700。所述第一活塞杆410以接近所述致动活塞300的顺序即沿第一方向，在附图中从底部至顶部的方向上依次包括第一活塞杆第一颈411、第一活塞杆第一轴肩412、第一活塞杆第二颈413和第一活塞杆第二轴肩414。所述第二活塞杆420以接近所述致动活塞300的顺序即沿第二方向在附图中从顶部至底部的方向上依次包括第二活塞杆第一颈421、第二活塞杆第一轴肩422、第二活塞杆第二颈423和第二活塞杆第二轴肩424。在致动油缸230中，具有由致动油缸第一端部231和致动活塞第一表面310限定的第一流体空间和由致动油缸第二端部232和致动活塞第二表面320限定的第二流体空间。第一端部231和第二端部232之间为致动油缸230，第一边缘241和第二边缘242之间为流体旁路240，流体旁路240在致动油缸230的大部长度上提供液压短接。通过该液压短接，流体可以在第一流体空间和第二流体空间之间以基本上很低的阻力流动，并且整个致动油缸230处于基本上相等的压力。当致动活塞300第一表面310在第一方向上超过旁路第一边缘241，或者致动活塞300第二表面320在第二方向上超过旁路第二边缘242时，液压短接都不起作用。旁路第一边缘241和致动油缸第一端部231之间的纵向空间为第一有效油压腔。旁路第二边缘242和致动油缸第二端部232之间的纵向空间为第二有效油压腔，当致动活塞300没有与第一有效油压腔和第二有效油压腔中任何之一接合时，流体旁路240是有效的。所述第一弹簧系统包括上驱动弹簧512、弹簧座514、弹簧控制油缸缸体513和柱塞514，所述上驱动弹簧512连接所述弹簧座514和弹簧控制油缸缸体513，所述弹簧座514与所述第一活塞杆410连接，之间可通过半环515固定，所述弹簧控制油缸缸体513中有一油腔5133，所述柱塞514安装在所述油腔5133中，所述柱塞514中有一流道5141连通所述油腔和启动端口 260。本实示例中设计上驱动弹簧512顶置且与第一活塞杆410同心，柱塞514固定且内有流道5141，为弹簧控制油缸缸体513压缩上驱动弹簧512时的往复运动实现导向，配油。该结构具有以下优点:避免上驱动弹簧512与第一活塞杆410重叠同心布置时，因弹簧控制装置，例如附图中的弹簧座511与弹簧有效工作行程引起的第一活塞杆410过长；减短了第一活塞杆410的长度，第一活塞杆410直径能相应减小，质量轻，有效减小了整个致动器运动件质量，提高了致动器运动速度，降低了能耗。上驱动弹簧控制结构紧凑，导向稳定可靠，避免上驱动弹簧512在压缩时产生侧向力。采用活塞杆的两端与壳体支承结构；使活塞杆运动时获得最大的有效支承长度，最大限度减小了活塞杆上的侧向力矩，提高了致动器运动的稳定性。·所述第二弹簧系统包括气门弹簧座521、气门回位弹簧522、气门导筒524和缸盖体523，气门弹簧座521和气门杆730 —端连接，气门杆730另一端与发动机气门头710连接，所述缸盖体523位于气门弹簧座521和发动机气门头710之间，气门导筒524套装缸盖体上，气门杆710从气门导筒套中穿过，所述气门回位弹簧522套装在气门杆730上并同时与缸盖体523和气门弹簧座521接触。第二上端口 212连接有第一缓冲器，所述第一缓冲器包括并列的第一单向阀612、第一节流口 613和第一溢流阀614 ;第二下端口 222连接有第二缓冲器，所述第二缓冲器包括并列的第二单向阀622、第二节流口 623和第二溢流阀624。其中，单向阀的作用是正向供压力油，反向截止回油形成缓冲腔；节流口的作用是缓冲节流，设置合理节流面积的节流口，使得活塞杆在缓冲阶段的最后制动时落座速度小、稳定，缓冲效果受温度变化影响小。溢流阀的作用是限定缓冲峰值压力，调节缓冲时间。溢流阀优选采用的溢流压力可调式溢流阀，缓冲峰值压力可根据负载情况的不同进行调控，避免了过高冲击压力对系统的影响，同时其高响应速度使得溢流阀动态性能好，能有效的调节了活塞杆刚进入缓冲阶段时的运动速度。为了简化设计，也可以不用第一溢流阀614及第二溢流阀624，这样所述第一缓冲器只包括并列的第一单向阀612及第一节流口 613，这样所述第二缓冲器只包括并列的第二单向阀622及第二节流口 623。所述第一活塞杆第一轴肩412靠近第一活塞杆第二颈413的端面上有至少一个第一节流斜槽4121，所述第一节流斜槽4121为变节流面积，沿第一方向面积逐渐变小。所述第二活塞杆第一轴肩422靠近第二活塞杆第二颈423的端面上有至少一个第二节流斜槽4221，所述第二节流斜槽4221为变节流面积，沿第二方向面积逐渐变小。所述第一节流斜槽4121配合所述第一缓冲器，使第一活塞杆410在沿第一方向运动终止时获得平稳的缓冲过程。所述第二节流斜槽4221配合所述第二缓冲器，使第二活塞杆420在沿第二方向运动终止时获得平稳的缓冲过程。高压液压源70包括液压泵71、高压调节阀73、高压蓄能器74、高压供给管线75和油箱72。高压液压源70提供在高压P_H下的必要的液压流。液压泵71通过高压供给管线75使液压流体从油箱72流通到该系统的其余地方。高压P_H通过高压控制阀73进行控制。高压蓄能器74有助于使压力和流动的波动减少，并且根据总的系统容量或弹性、流动平衡和/或功能需要，该高压蓄能器是可取舍的。液压泵71可以是变排量的或者固定变排量的，前者提供更好的 能量效率。高压控制阀73能根据功能需要和/或能量效率来变化高压值。低压液压源(图未示)指系统下游或回油部分，其压力P_L因流道阻力或背压控制而稍高于大气压力或油箱压力。致动换向阀81和启动换向阀82通过合适的流量供给管线为液压致动器10的端口供油。如图1所示，启动换向阀82为二位三通阀，其为三通阀是因为它具有三条外部液压管线一包括两条输入管线和流体管线190。所述两条输入管线为低压P_L管线和高压P_H管线。启动换向阀82为二位阀是因为它具有两个稳定的控制位置，由图中的左方块和右方块来表示。当电磁铁没有通电时，左位置由返回弹簧的弹簧力来保证，并且其也称为自然或默认位置。右位置通过开通电磁铁来保证。在左右位置上，启动换向阀82分别将流体管线190与低压P_L管线和高压P_H管线连接起来。致动换向阀81为二位四通阀，其具有四条外部液压管线低压P_L管线、高压P_H管线、流体管线192和流体管线194。致动换向阀81的默认位置是由返回弹簧保证其右位置，并且它的其它位置是由电磁铁施力至左位置。在其默认或者右位置，致动换向阀81分别将流体管线192和194与低压P_L管线和高压P_H管线连接起来。当致动换向阀81在其左位置时，该连接顺序被切换。电子控制单元90对致动换向阀81、启动换向阀82和电动液压泵源(图未示)控制。电子控制单元90由发动机控制电子单元(EOJ, Engine Control Unit) 91和气门控制单元92组成。发动机控制电子单元91是协调控制整个发动机运转的控制系统，发动机控制电子单元91同时负责计算发动机气门何时开启及何时关闭，并把计算结果通过信号线束931传送到气门控制单元92。气门控制单元92负责把发动机控制电子单元91的控制信号转换成驱动电流或电压输出，这里的驱动输出包括三路，一路是致动换向阀驱动输出(0utput_SI) 951，第二路是启动换向阀驱动输出(0utput_S2) 952，第三路是电动液压泵源驱动输出(Output_Ml)953。在不需要启动换向阀的致动器10的实施例中，就可省掉启动换向阀驱动输出(0utput_S2) 952 ;在不需要电动液压泵源的实施例中，就可省掉电动液压泵源驱动输出(0utput_Ml)953。发动机控制电子单元91和气门控制单元92的功能及电路的分界不是绝对的，如果需要，气门控制单元92可以组合到发动机控制电子单元91中去。 在本实施例中，所述位移传感器961把检测到的位移信号通过电子控制单元入口传送到气门控制单元92，用于获得到气门实际开启或关闭的时刻。位移传感器961可以采用不同的传感原理，也可放置在致动器的不同方位。譬如，可以采用差分可变磁阻传感器(DVRT)，并如图1所示那样安装在弹簧座511附近来检测其位移变化，弹簧座511基本与气门700 —起移动。另外也可把位移传感器961放在适当的位置来直接测量气门杆730的位移。在其他实施例中图未示，也可以通过其它(S卩非位移式)传感器来间接地推断气门位移信息。譬如，可利用两个压力传感器来检测致动器上下端口的压力变化，并根据此变化与气门位移的关联性来判断气门位置，从而获得气门实际开启和关闭的时刻。液压泵71优选由发动机直接驱动，这可通过适当的与发动机输出轴或曲轴的机械传动连接(图未示)来实现。在发动机启动时，就需要液压泵71的有效工作以给液压回路加压，如果需要，可增加上述电动液压泵源。电动液压泵源可以是电力补偿驱动装置(图未示)来辅助驱动液压泵71，或者是电驱动补偿泵(图未示)。电驱动补偿泵可以与液压泵71流体串联或并联。电动液压泵源的驱动控制是根据发动机的运行状态，由发动机控制单元91计算得出。发动机控制单元91通过线束931发出需求压力信号，气门控制单元92把输入的控制信号转换成电动液压泵源驱动输出(0utput_Ml) 953，来控制电动液压泵源的运行。系统可以通过电动液压泵源来进行动态流量控制，以实现系统压力或高压P_H控制，同时可取代高压调节阀73及其压力调节功能。致动器10可提供两级气门升程，气门小升程工况主要用于发动机起动和低速小负荷工作，气门大升程工况主要用于发动机中、高速大负荷工况。气门小升程和气门大升程之间的切换主要通过启动换向阀82来实现切换。结合图1所示，当启动换向阀82处于默认位置，启动端口 260和低压液压源连通，此时致动器10处于气门小升程工况，即，缸体上表面5131和空腔第一限位面251接触，上驱动弹簧512具备一定的或有限的弹簧压缩量，上驱动弹簧512和下驱动弹簧522的稳态净弹簧合力将致动活塞300、活塞杆410、420及发动机气门700固定在图1所示的位置或此位置附近，将发动机气门20固定在其关闭位置，还赋予所需的气门接触力。结合图2所示，当发动机低负荷工况切换高负荷工况时，发动机控制单元91发切换信号给气门控制单元92，气门控制单元92发出信号给启动换向阀82，启动换向阀82切换到右边的位置，启动端口 260和低压液压源70连通，油液通过流到5141进入油腔5133，将弹簧控制油缸缸体513下压，从气门小升程工况切换到气门大升程工况；缸体下表面5132和空腔第二限位面252接触，上驱动弹簧512具备一较大的弹簧压缩量。在发动机启动时，两个换向阀81和82在它们的默认位置。启动端口 260连接到P_L管线，而包含第一 上端口 211和第二上端口 212在内的上端口连接到P_L管线、包含第一下端口 221和第二下端口 222在内的下端口连接到P_H管线。系统刚启动后，致动器下腔即第二流体空间处于系统高压P_H，气门处于关闭状态。请一并参阅图4，下面介绍气门开启和关闭的原理。需要气门开启时，发动机控制单元91检测发动机的工作状态及动力需求,当发动机热动力循环需要发动机气门700开启时，确定发动机气门700的开启时刻。如图4中的控制信号250所示，根据可变气门时刻控制方法在触发时刻251发出触发信号，发动机控制单元91通过线束931发出触发信号，气门控制单元92把来自线束931的触发信号与来自线束933的位移传感器信号(Input,Dl) 941、外界环境温度信号(Input_Tl) 942、工作介质温度信号(Input_T2) 943及工作介质压力信号(Input_P) 944转换成致动换向阀驱动输出0utput_Sl、启动换向阀驱动输出(0utput_S2)952及电动液压泵源驱动输出(0utput_Ml)953。致动换向阀驱动输出0utput_SI在高电位时致使致动换向阀81切换成通电状态，实现致动换向阀81转换到左位置，此时上端口和高压液压源70连通，下端口和低压液压源连通。位移传感器信号(Input_Dl)941来自位移传感器961，外界环境温度信号(1即此_11) 942来自外界环境温度传感器(图未示)，工作介质温度信号(Input_T2) 943来自工作介质温度传感器(图未示)，工作介质压力信号(Input_P) 944来自工作介质压力传感器(图未示)。工作介质压力可以直接是系统高压P_H或者是一个以上不同压力值的某种复合或平均值。所述制动器的系统或环境的状态参数(包括外界环境温度、工作介质温度及工作介质压力)在不同程度上影响所述制动器的响应或工作状态，电子控制单元会在控制过程中考虑它们的影响，这也可以是有选择或有重点的。如图4中气门位移曲线255所示，气门在开启起始时刻t2达到气门开启时刻位置阈值Xl (—般为，但不局限于，气门全升程的1%至3%)，气门在关闭起始时刻t4返回到气门关闭时刻位置阈值X2 (—般为，但不局限于，气门全升程的99%至97%)。关闭发动机气门700事实上与上述的开启过程相反。通过转换致动换向阀81到如图1所示的默认或者右位置来启动。完成后，液压致动器10和发动机气门700返回到如图1所示的默认状态。 本实用新型还揭示一种可变气门时刻控制方法，其包括如下步骤:根据设定的气门开启时刻位置阈值Xl和气门关闭时刻位置阈值X2，从而判定气门开启起始时刻t2和气门关闭起始时刻t4。在图4中，气门运动曲线255是实际的气门运动曲线，在本实施例中，使用位移传感器961测量出该曲线，也可以使用其他方法获得该位置点，从而判定气门已经开启或气门已经开始关闭。图4中的气门控制信号250是根据发动机进排气控制算法的需求由气门控制单元92发出的信号，该信号可以在包括TTL在内的多种信号形式中根据需要而选择，该信号在气门开启信号时刻tl进行高低切换，在气门关闭信号时刻t3时刻再进行一次高低切换而得出。气门开启信号发出之后，由于致动换向阀81电磁线圈及油液等因素的影响，在气门开启实际时刻t2气门才会实际开启，tl时刻与t2时刻之间的时间延迟为气门开启延迟dtl = t2 — tl。同理，t3时刻与t4时刻之间的时间延迟为气门关闭延迟dt2 = t4 一 t3。在气门实际开启或关闭之前，根据发动机进气控制算法确定出气门开启目标时刻t20或气门关闭目标时刻t40，时刻t20需要气门开始开启，时刻t40需要气门开始关闭。由于各种因素的存在，气门开启运动到气门开启时刻位置阈值Xl处一般与目标时刻t20有一定的偏差，也就是气门开启目标时刻t20与实际时刻t2 —般都存在一定的偏差，这个偏差为气门开启控制偏差ddtl，计算为:ddtl = t20 — t2。同样，气门关闭控制偏差ddt2计算为:ddt2 = t40 - t4。在气门开启控制算法中，可变气门时刻控制算法的输入参数是气门开启的目标时刻t20，计算出气门开启信号时刻tl。此时，气门开启的目标时刻t20与气门开启信号tl时刻之间的差值dtlO为气门开启预估延迟，即dtlO = t20 - tl。在气门关闭控制算法中，可变气门时刻控制算法的输入参数是气门关闭的目标时刻t40，计算出气门关闭信号时刻t3。此时，气门关闭的目标时刻t40与气门关闭信号t2时刻之间的差值dt20为气门关闭预估延迟，即dt20 = t40 - t2。影响延迟时间dtl和dt2的主要因素包括:外界环境温度Tl、工作介质的温度T2及工作介质的压力P，这些影响因素的变化都是一个连续而非瞬态的变化，所以上一个循环周期的开启控制偏差ddtl或关闭控制偏差ddt2能够修正下一个循环的计算。图5及图6分别是本实用新型的气门开启和关闭算法框图，核心分别是气门开启控制算法258及气门关闭控制算法259，它们的执行在气门控制单元92内进行。在实施例中，控制算法258、259使用自适应PID (比例-积分-微分)控制，PID控制由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。气门开启及关闭控 制算法258、259的输入分别是气门开启时刻控制偏差ddtl及关闭时刻控制偏差ddt2，输出分别是气门开启时刻延迟修正值ddt3及关闭时刻延迟修正值ddt4，计算公式分别为式(1-1)及(1-2)。控制算法的比例单元、微分单元和积分单元之间相互作用，通过比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd来调整控制算法的响应、误差及超调性能。
权利要求1.一种可变气门时刻控制系统，包括致动器及致动换向阀，其特征在于，该可变气门时刻控制系统还包括: 对致动换向阀进行控制的电子控制单元，所述电子控制单元与致动换向阀电性连接；以及 用于检测气门位移信号的位移传感器，所述位移传感器与所述电子控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的可变气门时刻控制系统，其特征在于，所述可变气门时刻控制系统还包括启动换向阀，所述电子控制单元电性连接至启动换向阀驱动输出。
3.根据权利要求2所述的可变气门时刻控制系统，其特征在于，所述电子控制单元还包括发动机控制电子单元及气门控制单元；所述发动机控制电子单元与所述位移传感器连接；所述气门控制单元连接至发动机控制电子单元，同时所述气门控制单元连接至启动换向阀驱动输出。
4.根据权利要求1所述的可变气门时刻控制系统，其特征在于，所述可变气门时刻控制系统还包括电动液压泵，所述电子控制单元电性连接至电动液压泵源驱动输出。
5.根据权利要求3所述的可变气门时刻控制系统，其特征在于，所述电子控制单元还包括发动机控制电子单元及气门控制单元；所述发动机控制电子单元与所述位移传感器连接；所述气门控制单元连接至发动机控制电子单元，同时所述气门控制单元连接至电动液压栗源驱动输出。
6.根据权利要求1所述的可变气门时刻控制系统，其特征在于，所述电子控制单元还包括发动机控制电子单元及气门控制单元；所述发动机控制电子单元与所述位移传感器连接；所述气门控制单元连接至发动机控制电子单元，同时所述气门控制单元连接至致动换向阀驱动输出。
7.根据权利要求 2所述的可变气门时刻控制系统，其特征在于，所述启动换向阀为二位三通阀。
8.根据权利要求1所述的可变气门时刻控制系统，其特征在于，所述致动换向阀为二位四通阀。
专利摘要本实用新型提出一种可变气门时刻控制系统，所述可变气门时刻控制系统包括致动器、致动换向阀、电子控制单元及位移传感器。所述电子控制单元与致动换向阀电性连接。所述位移传感器与所述电子控制单元连接。本实用新型所述的可变气门时刻控制系统消除影响气门时刻控制的因素，从而保证可变气门开启/关闭时刻的精准控制。
文档编号F01L9/02GK203114432SQ20132000048
公开日2013年8月7日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者娄征, 文韶, 朱国明 申请人:江苏公大动力技术有限公司