凸轮轴相位器系统和使用于该凸轮轴相位器系统的电动机换向的方法与流程

本发明通常涉及凸轮轴相位器系统，且更具体涉及一种使用于凸轮轴相位器系统的电动机换向的方法。

背景技术：

本领域中已知的常规汽车可变气门正时系统通常包括具有曲轴和由一个或多个凸轮轴相位器控制的一个或多个凸轮轴的内燃机。相位器用于改变气门事件的正时，以便改善发动机性能、燃料经济性和排放。相位器通常被操作地附接至凸轮轴的端部，并且还与发动机曲轴旋转连接，以提前或延迟凸轮轴相对于曲轴的相位。相位器可以以若干不同的方式被致动，且其一直都是通过利用伺服控制液压压力而被控制。然而，本领域的最近趋势是通过电动机对相位器进行控制，其可提供更广泛的相位控制和改善的响应时间。电动机和相位器操作地附接至彼此，并相互形成旋转连接，以便允许电动机的旋转以调节凸轮轴的相位角。电动机通常由控制燃料输送和点火正时的发动机控制单元(ECU)进行控制。

与本领域中已知的与凸轮轴相位器一起使用的电动机通常为无刷直流电动机，其与常规的有刷直流电动机相比具有更长的使用寿命、更好的控制性和更快的响应。然而，与常规的有刷直流电动机不同，无刷直流电动机不通过机械开关来进行换向，因而，它需要额外的电路来实现换向。为了达到这个目的，无刷直流电动机通常包括多个内部霍尔效应传感器和电路，其中该电路用于使电动机换向，并随后致动和控制相位器，以便控制凸轮轴的相位。

以上描述的类型的可变气门正时系统的部件中的每一个都必须相协作，以有效地控制凸轮轴相位器。此外，部件中的每一个都必须设计成不仅有助于提高性能和效率，而且还要降低生产和装配相位器系统的成本和复杂性。尽管相关领域中已知的凸轮轴相位器系统对于其预期目的来说通常表现突出，但在本领域中仍然需要一种具有较好的操作特性并同时减少制造系统部件的成本和复杂性以及各种部件的外形尺寸的凸轮轴相位器系统。

技术实现要素：

本发明克服了相关领域中的凸轮轴相位器系统存在的缺点，其中该凸轮轴相位器系统用于控制内燃机的凸轮轴与曲轴之间的相位。该系统包括相位器、电动机和控制器。相位器操作地附接至凸轮轴并与曲轴旋转连接，且被配置成用于调节凸轮轴相对于曲轴的相位。电动机致动相位器，且操作地附接至相位器并与其旋转连接，以使得曲轴的旋转反向驱动电动机，且电动机随后生成信号。控制器与电动机电通信，并对信号作出响应。控制器利用信号来确定电动机的旋转位置和速度，以因而使电动机换向，并随后驱动电动机，以便致动相位器并控制凸轮轴的相位。

此外，本发明涉及一种使用于致动相位器的同步电动机换向的方法，其中该相位器用于控制内燃机的凸轮轴与曲轴之间的相位。该方法包括步骤：提供操作地附接至凸轮轴并与曲轴旋转连接的相位器；提供操作地附接至相位器并与相位器旋转连接的电动机；提供与电动机电通信的控制器；以预定的速度旋转曲轴，以使得相位器反向驱动电动机；响应于被反向驱动，电动机生成信号；利用控制器来检测该信号；基于该信号利用控制器来确定电动机的反向驱动速度；基于该信号利用控制器来使电动机换向；以及，利用控制器来驱动电动机，以便致动相位器并控制凸轮轴的相位。

进一步地，本发明涉及一种用于控制内燃机的凸轮轴与曲轴之间的相位的凸轮轴相位器系统。该系统包括相位器、电动机和控制器。相位器操作地附接至凸轮轴并与曲轴旋转连接，且被配置成用于调节凸轮轴相对于曲轴的相位。电动机致动相位器，且操作地附接至相位器并与相位器旋转连接。电动机具有多个线圈，其与转子形成间隔径向布置。控制器与电动机电通信，并具有确定部分和控制部分。确定部分被编程成通过电动机的线圈发送载波信号，以确定转子的静止位置。控制部分被编程成利用来自确定部分的静止位置来使电动机换向，并随后驱动电动机，以便致动相位器和控制凸轮轴的相位。

通过这种方式，本发明明显地减少了电动机及其相关联的部件的复杂性、成本和封装尺寸。此外，本发明降低了制造具有较好的操作特性(例如，改善的性能、控制和效率)的凸轮轴相位器系统的成本。

附图说明

在结合附图阅读随后的说明书之后，将容易理解本发明的其它目的、特征和优点，同时也更容易理解这些目的、特征和优点，其中：

图1是根据本发明的一个实施例示出了凸轮轴相位器、电动机和控制器的汽车发动机的局部分解透视图。

图2是图1的发动机的示意性俯视图。

图3是位于第一位置中的凸轮轴和相位器的放大局部正视图。

图4是位于第二位置中的凸轮轴和相位器的放大局部正视图。

图5是位于第三位置中的凸轮轴和相位器的放大局部正视图。

图6是位于解锁配置中的相位器的放大局部横截面视图。

图7是图6的位于锁止配置中的相位器的放大局部横截面视图。

图8是根据本发明的一个实施例的无传感器无刷直流电动机的放大示意图。

具体实施方式

现参考附图，其中相同的标号用于表示相同的结构，在图1中，汽车内燃机的一部分在以标号10示出。发动机10包括缸体12和安装至缸体12的一个或多个气缸盖14。曲轴16可旋转地支撑在缸体12中，且一个或多个凸轮轴18可旋转地支撑在气缸盖14中。曲轴16经由通常以标号20示出的正时系统来驱动凸轮轴18。正时系统20通常包括链条(在图1中通常以标号22示出)，其使曲轴链轮24互连至一个或多个凸轮轴链轮26和相位器28。正时系统20还可包括张紧引导件30，以确保链条22在操作中的适当张紧。尽管在图1中示出的代表性实施例示出了链条22及链轮24、26，但是本领域技术人员将理解的是，在不偏离本实例的范围的情况下，正时系统20可利用任何合适的足以利用曲轴16来驱动凸轮轴18的配置。通过非限制性实例，可利用与正时齿轮相结合的正时皮带。

发动机10产生旋转扭矩，其随后由曲轴16传递至凸轮轴18，凸轮轴18随后致动气缸盖14中的气门(未示出，但在本领域中通常是公知的)，用于控制进气和排气的流动正时。具体地，凸轮轴18控制本领域中通常被称作的“气门事件”，从而使凸轮轴18相对于曲轴16的旋转位置以特定的时间间隔打开和关闭进气气门和排气气门，以实现发动机10的完整热力循环。将被理解的是，曲轴16可以以相应于发动机10的操作状态的不同的预定速度旋转。通过非限制性实例，曲轴16可在发动机10的怠速、巡航、启动、加速度等操作期间以不同的速度旋转。尽管在图1中示出的发动机10为配置成V型的双顶置凸轮(DOHC)火花点火式奥托循环发动机，其中每一进气凸轮轴18上都设置有相位器28，但是本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，发动机10可具有任何合适的配置，并具有任何合适数量的以任何合适方式进行设置的凸轮轴18，而且其可通过任何合适的热力循环来进行控制，并可具有任何合适数量的相位器28。如图1和2中最佳地示出，相位器28操作地附接至一个或多个凸轮轴18的端部，并与曲轴16旋转连接。相位器28被配置成用于调节凸轮轴18相对于曲轴16的相位，以便改变以上所讨论的气门事件的正时。为了达到这个目的，相位器通常包括具有与正时链条22连接的齿34的外部部分32和与凸轮轴18和致动器(例如，由控制器40驱动的电动机38)旋转连接的内部部分36。因而，如以上所讨论，相位器28、电动机38和控制器40限定了用于控制发动机10的凸轮轴18与曲轴16之间的相位的系统42。以下将更详细地描述这些部件中的每一个。

如以上所讨论，本发明的系统42包括电动机38。电动机38致动相位器28，且被操作地附接至相位器28并与相位器旋转连接，以使得曲轴16的旋转反向驱动电动机38，其中该电动机响应于所受到的反向驱动而生成信号。如在图8中最佳地示出，本发明的电动机38为无传感器无刷直流电动机，并具有内部转子44和带有多个绕组或线圈48的外部定子46，其中该多个绕组或线圈与转子44相间隔径向布置。此外，本领域技术人员将理解的是，由于电动机38缺乏内部旋转传感器(例如，霍尔效应传感器)，因而其无法在内部进行换向。进一步地，将被理解的是，该配置提供了系统42的明显减小的几何结构和封装，且在于电动机38连接中需要更少的导线和不太复杂的连接器。如在图2和图8中最佳地示出，如以上所述，电动机38的一个实施例包括多个线圈48。电动机38的多个线圈48中的每一个都可与控制器40电通信。如此，由电动机38生成的信号可被进一步限定为多个信号，当电动机38被反向驱动时，该多个信号中的每一个都由电动机38的每个线圈48中的一个生成。在一个实施例中，信号中的每一个都可被进一步限定为振荡电压。尽管在图8中示意性地示出的电动机38包括总共六个线圈48，但是本领域技术人员将理解的是，如以下更详细地描述，在不偏离本发明的范围的情况下，电动机38可以任何合适的方式进行配置，包括短轴型电动机或轴向磁通电动机，而且该电动机可具有任何合适数量的线圈48，且具有足以在被反向驱动时生成信号的任何几何结构，以使得控制器40可随后使电动机38换向。

如以上所讨论，本发明的系统42还包括与电动机38电通信的控制器40。现参考图1和图2，控制器40响应于来自电动机38的信号，并利用该信号来确定电动机38的转速，以因而使电动机38换向，并随后驱动电动机38，以便致动相位器28并控制凸轮轴18的相位。在所有附图中示出的实施例中，电动机38经由线束49连接至控制器40。然而，本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，电动机38和控制器40可以以任何合适的方式电通信。此外，尽管本发明的控制器38被示出为电子控制单元(ECU)(其还控制发动机10的点火正时和燃料输送)，但是本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，控制器38可与ECU间隔开，或通过其它方式位于ECU的外部。

如以上所讨论，本发明的系统42利用无传感器电动机38来驱动相位器28。因而，将理解的是，电动机38在其可被控制器40驱动之前必须进行换向。这在启动时尤其重要。此外，本领域技术人员从以下描述将理解的是，本发明的系统42中的无传感器无刷直流电动机38可由控制器40通过与相位器28的不同特征件相协作或通过控制器40本身来进行换向。

现参考图3-5，在一个实施例中，相位器28可包括限定凸轮轴18与曲轴16之间的相位极限的至少一个端部止动件50，其中响应于曲轴16与电动机38之间的预定转速差，相位器可移动至端部止动件50。为了达到这个目的，相位器28可包括在分别地限定全延迟(参照图4)和完全提前(参照图5)的两个端部止动件50A、50B之间的狭槽54内移动的销52，由此销52可沿着狭槽54移动至端部止动件50A与端部止动件50B(参照图3)之间的任何合适位置。然而，本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，相位器28可具有适合于响应于凸轮轴18与电动机38之间的预定转速差而移动至端部止动件50的任何结构、配置或特征。

在一个实施例中，如以上所讨论，当相位器28移动至端部止动件50时，相位器28可反向驱动电动机38，以生成信号。在操作中，当发动机启动时，曲轴16的旋转经由正时链条22传递至相位器28的外部部分32的齿34。当曲轴16旋转时，相位器28的外部部分32以与相位器28的内部部分36的速度不同的速度旋转，这致使销52在狭槽54内移动并抵靠端部止动件50。一旦销52到达全延迟50A或全提前50B，相位器28的两个部分32、38便一起旋转，且因而，旋转被传递至凸轮轴18和电动机38。一旦电动机38旋转，生成信号，且该信号被控制器40解释，以使得控制器40确定电动机38的旋转位置和/或速度，并随后能够使电动机38换向。本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，相位器28可具有不同于以上所述的销52和狭槽54的结构，其中该结构足以使相位器28移动至端部止动件50。

现参考图1-5，在一个实施例中，控制器40将换向状态的预定序列发送至电动机38，以使得电动机38使相位器28移动至端部止动件50，其中曲轴16的随后旋转致使相位器28反向驱动电动机38，并生成如上所述的由控制器40利用来使电动机38换向的信号。本领域技术人员将理解的是，预定换向状态的序列基于发动机10的正时系统20的配置、相位器28的构造以及电动机38的转子44和定子46的配置进行确定。因而，将理解的是，以上所讨论的序列可被确定，以使得控制器40可以以足以将相位器28移动至端部止动件50的速度来驱动电动机38。此外，将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，该序列可在曲轴16的任何旋转之前、发动机10的启动期间或任何其它合适的时间被发送至电动机38。

在一个实施例中，如在图1和图2中最佳地示出，本发明的系统42还可包括至少一个凸轮轴位置传感器62，其与控制器40电通信，并适合于将旋转位置信号提供至控制器40。控制器40利用该旋转位置信号来确定以上所讨论的换向状态序列。本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，系统42可包括任何合适数量的凸轮轴位置传感器62，其设置在发动机10上的任何合适位置处。同样地，在一个实施例中，本发明的系统42可包括至少一个曲轴位置传感器64，其与控制器40电通信，并适于将旋转位置信号提供至控制器40，其中，控制器40同样利用该旋转位置信号来确定以上所讨论的换向状态序列。将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可利用凸轮轴位置传感器62和曲轴位置传感器64的任何组合。

现参考图6和图7，在一个实施例中，相位器28可包括具有解锁位置56A(参见图6)和锁止位置56B(参见图7)的锁止机构(通常以标号56示出)，其中，在该解锁位置处，电动机38可控制凸轮轴18的相位；在该锁止位置处，相位器28固定在凸轮轴18与曲轴16之间的预定相位处。锁止机构56在解锁位置56A与锁止位置56B之间是选择性地可移动的。如图6和图7所示，锁止机构56可包括致动器58，其选择性地接合接纳装置60，以便从解锁位置56A移动至锁止位置56B。尽管图6和图7示出了设置在相位器28的外部部分32上的致动器58以及设置在相位器28的内部部分36中的接纳装置60，但本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，锁止机构56可以不同的方式进行定向、配置或设置，以便将相位器28固定在凸轮轴18与曲轴16之间的预定相位处，以使得电动机38由曲轴16的旋转进行反向驱动。此外，本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，锁止机构56的致动器58可以以任何合适的方式致动。

在一个实施例中，当锁止机构56处于锁止位置56B(参见图7)处时，相位器28可反向驱动电动机38。在操作中，当发动机启动时，曲轴16的旋转经由正时链条22传递至相位器28的外部部分32的齿34。在相位器28的锁止机构56处于锁止位置56B处的情况下，当曲轴16旋转时，相位器28的外部部分32以与相位器28的内部部分36的速度相同的速度进行旋转，且因而，来自曲轴16的旋转被传递至凸轮轴18和电动机38。一旦电动机38旋转，就会生成信号，且该信号由控制器40进行解释，以使得控制器40确定电动机38的旋转位置和/或速度，并随后能够使如以上所述的电动机38换向，其中，锁止机构56可随后移动至解锁位置56A，由此电动机38可控制凸轮轴18的相位。然而，将被理解的是，锁止机构56可在任何合适的时间或发动机10的任何操作条件下移动至锁止位置56B。通过非限制性实例，在曲轴16的旋转之前，锁止机构56可移动至锁止位置56B，以使得当发动机10启动时，立即对电动机38进行反向驱动。此外，可构想的是，锁止机构56可与以上所讨论的端部止动件50特征相结合使用。

现参考图2和图8，如上所述，本发明的系统42中的无传感器无刷直流电动机38可通过控制器40本身进行换向。为了达到这个目的，在一个实施例中，控制器40可包括确定部分(通常以标号66示出)和控制部分(通常以标号68示出)。控制器40的确定部分66被编程成通过电动机38的线圈48来发送载波信号，以确定转子44的静止位置。控制器40的控制部分68被编程成利用来自确定部分66的静止位置来使电动机38换向，并随后驱动电动机38，以便致动相位器28并控制凸轮轴18的相位。本领域技术人员将理解的是，确定部分66可包括在控制部分68内，或可构想地，其可与控制部分68间隔开。将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，确定部分66和控制部分68可在控制器40内以任何合适的形式存在。通过非限制性实例，在不偏离本发明的范围的情况下，部分66、68可为彼此一致或彼此明显间隔开的多行代码、子程序、程序等。

如以上所讨论，本发明还涉及一种使用于控制内燃机10的凸轮轴18与曲轴16之间的相位的同步电动机38换向的方法。一般地说，本发明的方法包括步骤：提供操作地附接至凸轮轴18并与曲轴16旋转连接的相位器28；提供操作地附接至相位器28并与其旋转连接的电动机38；提供与电动机38电通信的控制器40；以预定速度旋转曲轴16，以使得相位器28反向驱动电动机38；响应于被反向驱动，电动机38生成信号；利用控制器40来检测该信号；基于该信号利用控制器40来确定电动机38的反向驱动速度；基于该反向驱动速度利用控制器40来使电动机38换向；以及利用控制器40来驱动电动机38，以便致动相位器28并控制凸轮轴18的相位。

此外，利用控制器40来检测信号的步骤可进一步包括如下步骤：利用控制器44来检测由电动机38的线圈48所生成的振荡电压；以及基于信号利用控制器40来确定电动机38的反向驱动速度的步骤可进一步包括如下步骤：基于振荡电压利用控制器40来确定电动机38的反向驱动速度。

进一步地，使曲轴16以预定速度进行旋转以使得相位器28反向驱动电动机38的步骤可进一步包括如下步骤：以预定速度旋转曲轴16，以使得相位器28移动至端部止动件50并随后反向驱动电动机38。此外，本发明的方法可进一步包括步骤：利用控制器40来将换向状态的预定序列发送至电动机38，以使得在曲轴16的旋转之前，电动机38移动至端部止动件50。更进一步地，以预定速度旋转曲轴16以使得相位器28反向驱动电动机38的步骤可在如下额外步骤之后进行：提供与控制器40电通信的凸轮轴位置传感器62和曲轴位置传感器64中的至少一个；利用控制器40通过传感器62、64来确定凸轮轴18和曲轴16中的一个的旋转位置；基于该旋转位置利用控制器40来制定换向状态序列；以及利用控制器40来将换向状态序列发送至电动机38，以使得电动机38将相位器28移动至端部止动件50。

本发明的方法可进一步包括步骤：锁止相位器28，以使得在曲轴16的旋转之前，相位器28被固定在凸轮轴18与曲轴16之间的预定相位处。同样地，本发明的方法可进一步包括步骤：解锁相位器28，以使得在驱动电动机38之前，可控制凸轮轴18的相位。

通过这种方式，本发明的方法和系统42显著地减少了电动机38及其相关联的部件的复杂性、成本和封装尺寸。具体地，将理解的是，本发明允许使用无传感器无刷直流电动机38，其相较于具有内部霍尔效应传感器的无刷直流电动机具有显著较小的几何结构、重量和布线要求。另外，本发明还允许换向。此外，本发明降低了制造凸轮轴18的相位器系统42的成本，且该系统具有较好的操作特性，例如，改善的性能、控制能力、重量、部件使用寿命和耐久性以及效率。

已经以示意性的方式对本发明进行了描述。将理解的是，已使用的术语是用来描述而不是用来限制的。根据上述教导，本发明的许多修改和变型是可能的。因此，在所附权利要求书的范围内，除了具体描述的方式以外，还可通过其它方式实施本发明。