叶片控制的制作方法

专利名称：叶片控制的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及对用于可变几何涡轮的叶片的位置进行感测或控制。
背景技术：
最近已经可以获得目的在于解决增压问题的多种可变几何涡轮增压器(VGT)。VGT，例如但并不仅限于GARRETTVNTTM和AVNTTM涡轮增压器(加利福尼亚Garrett公司)，利用可调叶片、喷嘴或类似的装置来对穿过涡轮的排气流进行控制。例如，GARRETTVNTTM涡轮增压器在涡轮的进气口处对排气流进行调节，以利用所要求的负荷或者其它条件优化涡轮功率。叶片朝着封闭位置的移动典型地将排气流更切向地导向涡轮，这样就将更多的能量分配给涡轮，从而提高压缩机增压。相反，叶片朝着开放位置的移动典型地将排气流更径向地导向涡轮，这样就减少分配给涡轮的能量，从而降低压缩机增压。因此，在发动机速度低、排放气流小时，VGT涡轮增压器可提高涡轮功率和增压压力；而在发动机全速/全负荷和高气流时，VGT涡轮增压器可帮助避免涡轮增压器超速并帮助保持适当的或所要求的增压压力。
现在有多种用于对可变几何涡轮中的几何特征进行控制的方案。不过，这些方案往往表现出时滞、滞后以及可损害或限制几何特征控制的其它特点。因此，需要有一种可以克服这些缺点的新的控制方案。感测和、或控制可变几何涡轮中的几何特征的方法、装置和系统等在下面进行描述。


通过参考下面的详细描述并结合附图，就会对本文中所描述的各种方法、装置和系统等以及等同的方法、装置和系统等有更全面的了解，在这些图中图1是示出具有可变几何单元和内燃机的涡轮增压器的简化近似图。
图2A是用于可变几何涡轮的中心外壳的透视图。
图2B是控制系统的截面图，该控制系统至少部分地容纳在示于图2A的中心外壳内。
图3是控制系统和、或与示于图2B的控制系统对应的方法的框图。
图4是示范性控制系统和、或方法的框图，该范性控制系统和、或方法包括能够直接或间接地调节可变几何单元的几何特征的液压阀和用于直接或间接地感测可变几何单元的几何特征的位置传感器。
图5A是示范性控制系统的截面图，该示范性控制系统至少部分地容纳在中心外壳内。
图5B是示于图5A中的示范性控制系统的截面图。
图6A是用于可变几何涡轮的、包括控油阀的示范性中心外壳的透视图。
图6B是示出了示范性控油阀的、示于图6A中的示范性中心外壳的剖视图。
图7是包括脉宽调制的示范性控制系统。
图8是示范性位置传感器的不同元器件或与示范性位置传感器有关的元器件的分解图。
图9A是用于可变几何涡轮的、包括示范性位置传感器的示范性中心外壳的透视图。
图9B是示于图9A中的示范性位置传感器的不同元器件或与示范性位置传感器有关的元器件的分解图。
图9C是示于图9A中的另一个示范性位置传感器的不同元器件或与示范性位置传感器有关的元器件的分解图。
图9D是相对于可转动轴和外壳的示范性传感器排列的示意图。
图10A示出了包括一个或多个电路的示范性传感器排列，该一个或多个电路能够符合于弧。
图10B示出了包括一个或多个平面电路的示范性传感器排列。
图10C示出了示范性电子系统，该电子系统能够与示于图10A和图10B中的传感器排列或者其它排列一起使用。
图11是用于控制涡轮增压器的可变几何单元的示范性控制系统和、或方法的框图。
具体实施例方式
参看附图，在这些附图中，相同的参考数字意指相同的元件，所示出的不同的方法能够在适当的控制和、或计算环境中实现。虽然并没有要求，但不同的示范性方法在计算机可以执行的指令的一般性背景下进行描述，如程序模块，由计算机和、或其它计算装置执行。一般来讲，程序模块包括执行特别任务或实现特别抽象数据类型的例行程序、指令程序、目标程序、部件和数据结构等。
在本文的一些附图中，将不同的算法动作归纳在个别的“块”中。这些块说明在一个过程继续时做出的具体的行为或决定。如果采用微控制器(或者等同的装置)，那么本文中出现的流程图就为“控制程序”或者软件/固件提供了基础，该“控制程序”或者软件/固件可由这种微控制器(或者等同的装置)使用来完成所希望的控制。因此，这些过程在可存储于存储器中的机读指令由处理器执行来完成以框图示出的不同动作时实现。此外，不同的图示包括个别的“块”，这些块可以是装置和、或系统的结构性元件。例如，“控制器块”可以包括作为结构性元件的控制器，“致动器块”可以包括作为结构性元件的致动器，“涡轮增压器块”可以包括作为结构性元件的涡轮增压器，等等。在不同的块中，必然包括结构和功能。例如，控制器块可以包括用于控制增压(如功能)的控制器(如结构)。
本领域中熟练的技术人员可在流程图和出现在本文中的其它描述的基础上容易地写出这种控制程序。可以理解并认识到本文中所描述的主题不但包括将其编程以完成下面所描述的动作的装置和、或系统，而且还包括将其进行配置以将微控制器编程并另外将任何和所有机读媒介编程的软件，这种软件可在这些机读媒介上得到体现。这些机读媒介的示例包括以下媒介而并无限制软盘、硬盘、CD、RAM、ROM、闪存和类似的媒介。
涡轮增压器经常用于提高内燃机的输出。参看图1，该图示出了示范性系统100，系统100包括示范性内燃机110和示范性涡轮增压器120。内燃机110包括发动机气缸体118，发动机气缸体118容纳有效地将轴112驱动的一个或多个燃烧室。如图1所示，进气道114为燃烧气体(如空气)提供到发动机气缸体118的流路，而排气道116为来自发动机气缸体118的排气提供流路。
示范性涡轮增压器120起到从排气中提取能量并利用这种能量来增加进气充气压力(如燃烧气体的压力)的作用。如图1所示，涡轮增压器120包括燃烧气体进气口134、轴122、压缩机124、涡轮126、可变几何单元130和排气口136。可变几何单元130可选择性地具有与在商业上可以得到的可变几何涡轮增压器(VGT)有关的特征，例如但并不仅限于GARRETT VNTTM和AVNTTM涡轮增压器，这些涡轮增压器利用多个可调叶片来控制通过喷嘴并穿过涡轮的排气流。如图所示，可选择性地将可变几何单元130的位置确定在涡轮126或与之非常接近。转移到涡轮126的来自发动机110的排气导致轴122转动，轴122接着将压缩机124转动。在转动时，压缩机124激发燃烧气体(如环境空气)，以在燃烧气体压力(如每个单位面积的力或每个单位体积的能量)中产生“增压”，这种“增压”通常称为“增压压力”。涡轮增压器可利用这种方式来帮助向发动机提供质量更大的燃烧气体(典型地与碳基和、或氢基燃料混合)，而这种燃烧气体在燃烧时转化成更大的发动机输出。
图2A示出了用于可变几何涡轮的中心外壳202的透视图。这个特别的视图示出了中心外壳202的后侧，即，与涡轮叶轮相对的一侧。许多可变几何涡轮和涡轮增压器系统包括这种位于涡轮增压器的涡轮叶轮与压缩机叶轮之间的中心外壳。一般来讲，涡轮外壳附在这种中心外壳上，其中涡轮外壳包括用于排气的进气口以及出气口、连接到进气口的蜗壳和邻近于蜗壳的整体外喷嘴壁。可变几何可由多个活动叶片造成，例如，具有从基本上平行于该外喷嘴壁的第一表面延伸的转动柱，其中，这些转动柱容纳在该外喷嘴壁中的沿圆周隔开的孔中。每个叶片通常具有作用片，该作用片从叶片的第二表面延伸，该第二表面位于第一表面的远端。可部分地通过活动调和环(unison ring)来实现叶片的定位，该调和环位于该中心外壳与这些叶片的中间。一般来讲，这种调和环具有多个作用槽，这些作用槽朝着调和环的圆周倾斜定向以容纳叶片的作用片。这种调和环还可具有径向槽，该径向槽帮助调和环的运动进而帮助叶片的定位。虽然不同的示例与涡轮增压器的外壳有关，但这些可变几何涡轮的几何特征的感测和、或控制的示例也可选择用于并不附在压缩机叶轮上的涡轮外壳。例如，涡轮可具有附在发电机或其它装置上的轴，其中，几何特征的调节对涡轮与发电机或其它装置之间的相互作用有影响。这种涡轮可包括涡轮外壳或中心外壳。
如图所示，中心外壳202包括能够容纳用于涡轮轴的轴承组件的中心钻孔或开口203、能够容纳可起到将多个叶片定位作用的曲柄轴的曲柄轴钻孔或开口204、具有电连接器206的电致动器205、多个液压液端口207和用于容纳活塞的活塞罩208，其中，活塞的运动导致曲柄轴的运动，如下文所述。
对于前面所述的调和环和叶片系统来讲，这种曲柄轴可包括用于将调和环的径向槽接合的销。因此，曲柄轴从第一位置向第二位置的运动导致销在径向槽中转移并施加垂直于径向槽的力，从而促使调和环的旋转运动。因此，调和环的这种旋转运动导致叶片作用片横穿作用槽，例如，从该槽的第一端向该槽的第二端。作用片的运动将叶片定位并因此而有效地改变涡轮的几何特征(如流动几何特征)。中心外壳202的不同特征为确定叶片的位置提供了手段，例如，将曲柄轴从第一位置向第二位置移动的手段。
图2B是用于可变几何涡轮可变几何单元的控制系统200的详细示意图，如示于图1的可变几何单元130。在控制系统200中示出的不同特征对应于将与中心外壳202有关的叶片定位的手段，例如，对操作性地联接到调和环的叶片进行控制。正如所提到的那样，这种调和环典型地结合几个槽，每个槽容纳各自的叶片作用片。因此，调和环的转动为将叶片定位做好了准备，在此示例中，叶片部分地限定喷嘴或流路，因此，叶片的定位确定喷嘴或流路打开或关闭的范围。
系统200包括能够将这种调和环转动的元器件。特别地，系统200包括电致动器210(如螺线管等)、具有阀杆222的阀门220、具有齿条机构232的活塞轴230、具有小齿轮242的可转动曲柄轴240和具有凸轮252和弹簧254的机构250，其中，阀杆222具有远端224，小齿轮242与齿条机构232啮合，凸轮252与可转动轴240一起转动，且阀杆222的远端224和凸轮252将弹簧254偏压。可转动轴240的位置反馈通过由不同的力所偏压的弹簧254发生并且根据电致动器210所要求的或者提供给电致动器210的电流发生。
这种系统在Arnold等人的美国专利No.6,269,642中公开和描述，于2001年8月7日公告(‘642专利)，并且出于所有的目的通过参考结合于本发明之中。根据该‘642专利，螺线管作为电致动器210，该螺线管能够对液压阀门220进行伺服比例四通控制。例如，如果没有给螺线管输入电流，就将有通道的阀杆222定位成端口A打开、端口B(活塞的顶部)连接到排出端口D。当从上面安装有涡轮增压器的发动机施加油压时，油压就从标有“进入(in)”的入口引导，穿过端口A并通过导管C1进入活塞的底部，这样就将调和环转动并将这些叶片置于完全打开的位置。在给螺线管输入电流时，端口A被关闭，端口A(活塞的底部)被连接到排出端口D，端口B打开，通过导管C2(活塞轴230中的导管)将油压引导到活塞的顶部，这样就将活塞移动到左边并因此而以关闭这些叶片的方式开始转动该调和环(如移动到关闭位置)。
图3示出了与示于图2的系统200结合使用的控制系统和方法300的框图。控制系统和方法300包括电致动器块310，电致动器块310作用于阀门和弹簧块320并从阀门和弹簧块320接收反馈。例如，在收到电信号(如电流)时，电致动器210起动部分地由弹簧254偏压的液压阀门220。根据前面所述的示例，到电致动器210的零电流对应于完全打开的叶片，而向电致动器210提供一些电流对应于叶片的一些程度的关闭。
在控制系统和方法300中，阀门和弹簧块320从电致动器310并且从轴凸轮和弹簧块350接收输入，并且将输出传输给电致动器310并传输给活塞和齿条机构块330。正如已经进行过描述的那样，在这种系统中，阀门220将液压液(如油等)导向不同的端口和、或导管，这些端口和、或导管接着导致活塞轴230平移齿条机构232。因此，活塞和齿条机构块330向轴齿轮和叶片块340提供输出。在此示例中，齿条机构232与小齿轮轴242啮合，因此，活塞轴230的平移导致可转动轴240的转动。可转动轴240的转动接着导致叶片的位置的变化。
可转动轴240的转动还导致凸轮252的位置的变化。因此，轴齿轮和叶片块340向轴凸轮和弹簧块350提供输入。例如，在可转动轴240转动时，凸轮252要么增加要么减少相对于弹簧254的半径。半径的变化反过来导致弹簧254经受更大或更小的力。由于弹簧254向阀杆222的远端224施加力，所以轴凸轮和弹簧块350向阀门和弹簧块320提供反馈或输入。这样就在控制系统和方法中建立闭环控制，其中，机构250提供机械力反馈，这种机械力反馈可受到电致动器210的电气力抗衡和、或与活塞轴230相关的液压压力的抗衡。在系统300中，提供给电致动器210的电流电平表明凸轮252的位置，并因此而表明叶片的位置。
这种系统和相关的方法表现出能够对可变几何单元的控制进行限制的时间行为、滞后和功率消耗。例如，直到电气力、机械力和液压力到达稳定状态时才可以确定叶片的位置。叶片位置的精确获知的延迟可对控制有所损害或限制。对于滞后来讲，这种系统在沿着一条路径从打开到关闭将叶片定位并沿着另一条路径从关闭到打开将叶片定位时可表现出滞后。这种滞后还可影响稳定状态条件并损害对叶片位置的精确获知。对于功率消耗来讲，无论何时叶片至少部分地关闭，均要求有电流。电流可导致电致动器的温度升高并因此而导致内部部件的阻抗的增加。因此，当叶片处于完全关闭位置(大电流)时，致动器的反应与叶片处于完全打开位置(无电流)时相比有实质上的不同。
图4是示范性控制系统和方法400的框图。与控制系统和方法300相比，示范性控制系统和方法400具有允许增强控制的时间行为、滞后和功率消耗特征。特别地，示范性控制系统和方法400并不包括用于反馈和叶片位置的确定的凸轮和弹簧机构，而是利用利用电子传感器直接或间接地确定叶片的位置，并且可有选择性地提供反馈。因此，如果需要，这种控制系统和方法可超越叶片位置信息、对叶片位置的改变做出更快的反应和、或无需获知提供给电致动器的实际电流。
根据示范性控制系统和方法400，电致动器块410向阀门块420提供输出并可选择地从电子传感器块450接收输入。例如，如果电致动器块410需要完全关闭的叶片或完全打开的叶片，那么可选择来自电子传感器块450的输入。此外，如果需要超越叶片位置信息，那么可选择来自电子传感器块450的输入。
在从电致动器块410收到输入时，阀门块420典型地通过将液压液流动调节到与活塞有关的一个或多个端口和、或导管来向活塞和齿条机构块430提供输入，该活塞具有齿条机构或其它机构以移动可转动轴。因此，活塞和齿条机构块430典型地通过机械联接向轴齿轮和叶片块440提供输入，齿条机构通过该机械联接与可转动轴的轴齿轮啮合，且该可转动轴将调和环或其它机构定位，以确定一个或多个叶片的位置。最后，轴齿轮和叶片块440向前面所描述的电子传感器块450提供输入。在下面的描述中会出现电子传感器的不同示例。虽然不同的示例与用于几何特征的调节或控制的可转动轴有关，但其它的示例也可使用可转动和、或可转移的构件，以进行几何特征的调节或控制。能够感测线性转移的示范性传感器在下面进行进一步的描述(如考虑示于图10B中的示范性传感器，其中一个或多个支架是平面型)。
图5A是示范性控制系统500的详细示意图，示范性控制系统500用于可变几何涡轮的可变几何单元，如示于图1中的可变几何单元130。示范性控制系统500适于对叶片进行控制，例如，操作性地联接到调和环。示范性控制系统500还可选择性地适用于实现示于图4中的示范性控制系统和方法400。这种示范性控制系统可与中心外壳202一起来实现。这种实现可能要求根据阀门运行和、或传感器对中心外壳202内的端口或导管进行调节，如果包括阀门或传感器的话。
示范性控制系统500包括能够转动调和环或以其它方式将叶片定位或者打开或关闭可变几何单元的喷嘴的元器件。系统500包括电致动器510(如螺线管等)、具有阀杆522的阀门520、具有齿条机构532的活塞轴530、具有小齿轮542的可转动曲柄轴540和凸轮552，其中，阀杆522具有远端524，小齿轮542与齿条机构532啮合，凸轮552与可转动轴540一起转动。
系统500还包括用于感测前面所述的一个或多个元器件的位置和、或一个或多个叶片的位置的示范性电子传感器560。如前面所述，示范性电子传感器可依靠电场和、或磁场或信号进行感测。根据示范性传感器相对于其它元器件的排列，阀杆522、活塞轴530、可转动轴540、小齿轮542和、或凸轮552的位置可显示叶片的位置。
根据示范性系统500，电致动器510和阀门520并不与机械反馈机构相互作用，如示于图2中的系统200的弹簧和凸轮机构250。而反馈可通过电子传感器560实现。而且，电致动器510可起到将阀杆520定位的作用，而无需补偿或以其它方式考虑机械反馈力。因此，在示范性系统500中，阀杆520与可转动轴540机械式隔离且可转动轴540与阀杆520机械式隔离。换言之，在阀杆520与可转动轴540之间没有提供反馈的机械联接。在此示例中，液压联接导致阀杆520的变化，以导致可转动轴540的位置的变化。在其它的一些示例中可存在一些类型的机械连接，不过，对叶片的位置的反馈至少部分地由电子传感器提供。
虽然图5A示出了特别的阀门和电子致动器，但也可使用其它的元器件。例如，可在商业上得到的不同元器件可作为电致动器510和、或阀门520。这些在商业上可以得到的元器件包括典型地用于在内燃机中的凸轮正时控制的控油阀。例如，Denso国际公司(密歇根州南菲尔德市)在市场上出售控油阀；Delphi公司(密歇根州特洛伊市)在市场上出售四通控油阀；Husco国际公司(威斯康星州沃喀莎市)在市场上出售控油阀。这些阀门利用小于几安培的电流信号典型地进行操作。
这些致动器/阀门可通过脉宽调制(PWM)信号任意进行控制。例如，示范性致动器可包括连接到电源的正电终端和连接到脉宽调制控制器的负或接地电终端，脉宽调制控制器反过来具有与负电终端或接地终端的连接。
图5B是示范性控制系统500的另一个截面图，该截面图详细地示出了示范性传感器560。在此示例中，传感器560具有另外的元器件560′，元器件560′在轴540和、或凸轮552转动时转动。元器件560′与传感器560的可最接近于轴540的端部的一个或多个其它元器件相互作用。在此示例中，元器件560′可以转动且传感器560的其它元器件感测这种转动。
图6A是示范性中心外壳602的透视图，示范性中心外壳602包括控油阀605，如Husco国际公司在市场上出售的阀门。如图所示，控油阀605包括用于进行信息和、或动力联系的连接器606。中心外壳602的不同特征对应于针对示于图2中的中心外壳202所描述的特征。例如，外壳602包括用于容纳涡轮轴的钻孔或开口603、用于容纳可转动曲柄轴的钻孔或开口604、用于液压液的各种端口607和用于活塞的罩608。正如本文所描述的那样，钻孔通常横穿外壳的尺寸且开口通常横穿外壳的尺寸或尺寸的一部分。
图6B是示于图6A中的示范性中心外壳602的剖视图。控油阀605包括电致动器610和阀杆620。电致动器610允许对阀杆620进行控制。如图所示，阀杆620包括各种孔，以能够有选择地对液压液路径进行控制，这些路径可与端口和、或导管联系。一般来讲，对这些路径的控制确定装在罩608中的活塞所经受的液压压力。活塞的运动接着导致轴的运动，该轴直接或间接地操作性连接到可变几何单元的可变几何元件(如叶片等)。
图7示出了示范性系统700，示范性系统700包括电致动器710，电致动器710操作性地连接到液压阀门720和能够对向电致动器710的输入进行控制的脉宽调制控制器770。电致动器710和液压阀门720是适用于叶片控制的凸轮移相器控制阀门的可选择部件。例如，由Delphi汽车系统在市场上出售的凸轮移相器阀门可用于这种叶片控制。
各种Delphi阀门包括四通滑阀，以将油流导向凸轮移相器中的活塞的前部或后部。这种阀门可由来自发动机控制单元的PWM信号起动。控制阀门根据PWM输入的占空比典型地将油流引导到移相器活塞两侧中的任何一侧。当到阀门的占空比为零(如断开电源)时，确定滑阀的位置，以将供油压力引导到活塞的后部。在占空比增加时，滑阀向前移动并且逐渐地从活塞的后部切断供应压力。在供应压力向移相器的前部打开之前有一个区域，活塞的任何一侧在这个区域容纳起动压力。
各种Delphi阀门设计成在50％(0.5)的占空比时处于标称保持位置。在占空比向100％增加时，将供应引导到前部且将移相器移动并倚在弹簧上。保持位置是制造这种系统时单一的最重要参数。滑阀的保持位置是非常小的机械区域。因此，对应于此机械位置的占空比可根据情况而发生变化。
在示于图7的示例中，当脉宽调制信号的占空比超过预先确定的值(如约50％等)时，液压阀门720导致一个或多个可变几何元件(如叶片等)向更开放的位置移动；当脉宽调制信号的占空比在预先确定的值(如约50％等)时，导致一个或多个可变几何元件保持在当前的位置；且当脉宽调制信号的占空比低于预先确定的值(如约50％等)时，导致一个或多个可变几何元件向更闭合的位置移动。在其它的示例中，开放和闭合状态可以颠倒。
在示于图7的示例中，脉宽的变化用于改变占空比。注意用于关闭的脉宽WC大于用于零位的脉宽WN，WN大于用于打开的脉宽WO。而且，在此示例中，用于打开信号、零信号和关闭信号的循环长度Δtcycle相同。虽然这个特别的示例使用单一的和、或恒定的频率(如1/Δtcycle)，但其它的示例可使用多于一个的频率和、或变频率。在不同的示例中，恒定的非零占空比将阀门(如阀杆等)保持在大体上稳定的位置(如零位)。
依靠频率、振幅等的脉宽调制控制还可起到减少静摩擦的作用。静摩擦是与相互接触的两个表面之间的移动相对的力，因此，静摩擦与所加的力相对。通常使用下面的等式来通过摩擦系数μ描述静摩擦及其与标称力的关系Fs＝μFn。相反，动摩擦力与与其相对而起作用的移动相对且通常小于静摩擦力。示范性方法包括电致动器的脉宽调制控制，电致动器联接到用于可变几何涡轮的液压阀杆，其中脉宽调制控制减少或消除静摩擦。根据这种示范性方法，脉宽调制控制采用一种信号，这种信号导致电致动器将液压阀门的可动元器件如阀杆振动。例如，具有范围在约80Hz至约150Hz的频率的信号能够减少或消除静摩擦，如常规的控制系统200和300中所遇到的静摩擦。关于信号频率，可进行现场测试以确定哪个或哪些频率提供最佳反应。因此，示范性方法包括在安装在内燃机中的可变几何涡轮中实现电致动器和液压阀门，然后确定用于控制信号的一个或多个频率，其中一个或多个频率减少静摩擦或最佳地减少与液压阀门的一个或多个移动部件有关的静摩擦。
控制可变几何单元的示范性方法包括向联接到液压阀门的电致动器提供脉宽调制信号，这种脉宽调制信号具有小于约1安培的电流和、或范围在约80Hz至约150Hz的频率。
图8示出了示范性传感器800，示范性传感器800能够感测可转动轴的位置，如示范性系统500的轴540。在此示例中，传感器800包括用于发送辐射的发送器810、用于变换辐射的衰减器820和用于接收辐射的接收器830。有时将这种传感器称为收发器传感器。发送器810包括孔812和用于发送辐射的一个或多个天线814(如环形天线等)。孔812允许将发送器810附在轴上或者将轴穿过发送器810。接收器830包括孔832和用于接收辐射的一个或多个天线834(如环形天线等)。孔832允许将发送器830附在轴上或者将轴穿过接收器830。衰减器820包括孔822，孔822用于将衰减器820附在轴上或者将轴穿过偏转器820。在示范性实施中，偏转器820附在穿过发送器810和、或接收器830的轴上。因此，在轴转动时，衰减器820相对于由发送器810所发送的辐射改变位置并因此而变换由接收器830所接收的辐射。术语辐射一般适用于粒子或波辐射(如电磁波)，不过，在一些示例中，磁场的改变可用于确定位置，其中电场元器件对位置的确定可以无关紧要或不重要。
根据示范性传感器800，所接收到的辐射的可变衰减特征与衰减器820的相对于发送器810和接收器830的位置有关。虽然从理论上来讲单信道足以检测和提供位置和、或角位移信息，但通过使用多信道来提高性能。
示范性传感器可使用多信道和幅相变换技术，以将辐射振幅信息变换成相信息。根据这种传感器，可将所接收到的辐射信号的总和通过加法放大器变换成单正弦波形，以使辐射信号的相移变化与干扰(如角位)的程度成比例。在此示例中，由多信道所接收的辐射信号彼此之间是比例式，因此，发送辐射信号振幅中的变化将不会对相信息造成影响。
虽然示于图8的传感器800具有安装在发送器与接收器之间的衰减器，但另一个示范性传感器具有邻近于接收器的发送器和从收发器对卸下的衰减器。图9A示出了包括示范性位置传感器960的示范性中心外壳902。传感器960可作为示于图5中的示范性控制系统500的传感器560。在此示例中，位置传感器960位于邻近于用于可转动轴的钻孔或开口的位置，该可转动轴能够确定几何元件(如叶片等)的位置。位置传感器960还可选择性地包括中心孔962和连接器964，中心孔962可容纳可转动轴的端部，连接器964用于电功率和、或发送位置信号。
图9B是与传感器960有关的元器件的分解图。在此示例中，传感器960包括能够发送和接收辐射的收发器。例如，第一天线980可发送辐射，而第二天线990可接收辐射。在其它的示例中，在具有切换电路的情况下，单天线可用于发送辐射和接收辐射。
非对称偏转器970可作为反射由第一天线980发射的辐射的衰减器，这种辐射可由第二天线990接收。非对称偏转器970可以是示于图5中的控制系统500的可转动曲柄轴540(如凸轮552)的一部分、可以用于示于图5中的控制系统500的可转动曲柄轴540(如凸轮552)、可附在示于图5中的控制系统500的可转动曲柄轴540(如凸轮552)上，等等。因此，曲柄轴540的转动导致非对称偏转器970的转动。然后，由非对称偏转器970反射的辐射由传感器960接收且转变成位置信号。示范性控制器可接收该位置信号并至少部分地基于这种信息来确定叶片的新位置。
图9C示出了另一个示范性传感器960′。这种传感器的一些元器件在Dames等人的美国专利No.5,815,091中公开，于1998年9月29日公告，并且出于与传感器和感测有关的目的通过参考结合于本发明之中。传感器960′包括支架992，在支架992上，螺旋形绕组966和966′以大体上圆形的方式卷绕，其中每个螺旋形绕组有三个周期。支架992还包括激励环路964，激励环路964能够激励安装在另一个支架上的谐振电路。在此示例中，支架982包括谐振电路984，不过，在其它的示例中，这种电路可以是可转动曲柄轴如示于图5中的轴540的一部分、可以用于可转动曲柄轴如示于图5中的轴540、可附在可转动曲柄轴如示于图5中的轴540上，等等。因此，曲柄轴540的转动导致谐振电路984的转动。正如已经提及的那样，其它的一些示例可依靠可平移和、或可转动轴(见图10B中可选择性地适用于感测构件的平移的传感器排列)。
图9D示出了一个示例，在该示例中，一个或多个电路985(如一个或多个电路984、964、966和966′等)安装到可转动支架或构件987，且一个或多个电路965(如一个或多个电路984、964、966和966′等)安装到固定支架或构件997，固定支架或构件997可选择性地包括孔(如，可考虑孔962)。构件987可具有用于安装在叶片定位系统(如凸轮、齿轮等)的元器件952上的一个或多个插脚或其它附加机构。附加机构可允许相对于外部构件(如外部构件997)的调节。这些调节允许与传感器的操作有关的校准或其它调节。在替代示例中，可使用包括一个或多个电路的内固定构件和包括一个或多个电路的外可转动构件。
图9D示出了将旋转式无触点位置传感器结合在涡轮增压器的中心外壳中。这种排列提供了可适合于现有的涡轮增压器外壳开口或外罩的小型总包、具有很少的部件并且能够直接联接到负责叶片定位的元器件和、或对安装在非常接近于涡轮的位置的调和环的转动直接负责的元器件。而且，这种示范性传感器的校准可在涡轮增压器生产线的端部或端部的附近进行。示范性传感器可用能够耐受与涡轮增压器外壳相关的操作温度的材料制成。用于电气连接的连接器也可以用能够耐受与涡轮增压器外壳相关的操作温度的材料制成。
正如所描述的那样，示范性传感器960′包括感测电路，该感测电路能够通过串联导电环路966和966′感测交变磁场，其中，由交变磁场在一个环路中所产生的任何EMF与邻近连接的环路所产生的EMF相对。在此示例中，激励电路964或电源电路能够激励交变磁场。而且，谐振电路984能够电磁联接到感测电路(如包括环路966和966′)和激励电路964。在谐振器电路984谐振时，就产生交变磁场，该交变磁场能够在该感测电路(如包括环路966和966′)产生交变信号。为了帮助确定位置，谐振器电路984与感测电路(如包括环路966和966′)之间的电磁联接可以以谐振器电路984与感测电路(如包括环路966和966′)的相关位置的正弦函数变化。利用收发器和反射器、谐振器和衰减器等的其它排列也是可能的。在不同的示例中，反射器、谐振器或衰减器相对于固定的收发器移动。收发器可包括作为辐射发送器的激励或电源电路。正如本文所描述的那样，电磁场可选择性地具有无关紧要的电场元器件(如初级磁场)和、或对位置的确定并不重要的电场元器件。
现已用在涡轮增压器可变几何作用系统中的另一种示范性传感器由Hella KG Hueck & Co.公司(德国Lippstadt)作为无触点电感传感器在市场上出售。这种传感器基于电感原理并包括定子和转子。定子包括激励线圈、接收器线圈和用于信号处理的电子装置。在这种传感器中，转子是被动的且具有一个导电闭环。因此，激励线圈、转子环路与接收器线圈之间的电感联接导致比例式信号，这种比例式信号取决于转子的角位。虽然Hella传感器包括专用集成电路(ASIC)，但本文中所描述的其它示范性传感器液可包括ASIC，例如，用于控制发送器、接收器和信号处理等。
示范性传感器可选择性地使用基于磁原理的无触点感测技术，这种传感器为感测元件与移动元件之间的联接做好了准备。例如，这种示范性传感器可包括跟踪板组件或支架以及靶谐振器组件，其中，跟踪板组件是静止的且容纳该感测元件和电子装置，目标谐振器是被动装置并附在移动元器件上或位于移动元器件上面或内部的支架上。在此示例中，操作依靠具有激发器线圈的跟踪板，激发器线圈发射由目标所接收的2兆赫信号，目标接着以激发器频率谐振。来自谐振靶的磁场接着耦合回跟踪板。而且，跟踪板可结合电路，这些电路具有可由来自谐振靶的磁场激活的正弦和余弦型式。在此方式中，正弦和余弦电路的振幅将根据谐振靶的位置发生变化。然后可通过计算两种信号的反正切函数将变化振幅变换成位置和、或角度。示范性传感器可选择使用缠绕线性传感器和、或靶、扇形螺旋传感器和、或靶、嵌入式传感器和、或靶。
图10A示出了示范性传感器排列1060，示范性传感器排列1060包括一个或多个支架，该支架能够包括电路并适合于弧。第一支架1092可形成弧并可相对于圆柱形壁的内表面、圆柱体的外表面等定位。第二支架1082可以是平面型和、或可形成弧并可相对于圆柱形壁的内表面、圆柱体的外表面等定位。在排列1060中，第一支架1092包括半径R1，第二支架1082以半径R2定位，半径R2小于半径R1。在一个示例中，支架1082安装在可转动轴的上面或内部，支架1092安装在壁的上面或内部，该壁至少部分地包围该可转动轴的一部分。在此示例中，轴的转动导致这些支架的相互之间的位置上的变化。当可将第一电路的第一半径和第二电路的第二半径相对于可转动轴的旋转轴进行限定时，这些半径之间的差异可选择性地在从约0.1mm到约10mm的范围内，优选小于约5mm(如|R1-R2|＜～5mm)。对于用于调节几何特征的可平移构件来讲，两个或更多移动电路之间的类似差异适用。
图10B示出了制成平面图的示范性传感器排列1060，其中，每个支架包括一个或多个电路。当然，平面排列也可选择性地用于感测可平移构件的位置。支架1092包括螺旋绕组1066和1066′以及能够激励安装在另一个支架上的谐振电路的激励环路1064。在此示例中，支架1082包括谐振电路1084，不过，在其它的示例中，这种电路可以是可转动轴如示于图5中的轴540的一部分、可以用于可转动轴如示于图5中的轴540、可附在可转动轴如示于图5中的轴540上，等等。因此，曲柄轴540的转动会导致谐振电路1084的转动。当支架1092为弧形且半径大于可转动轴的半径时，该轴的转动可由适当的电子装置跟踪，该可转动轴包括谐振电路1084。
图10C示出了示范性电子系统1098，电子系统1098可与示于图10A和10B的传感器排列一起使用，也可选择性地与其它排列一起使用。根据系统1098，放大器向激励电路1064输出能量，其中，激励电路1064发出的能量能够由谐振器电路接收和、或改变。螺旋绕组1066和1066′接着与能量相互作用并向相位检测器提供信息，相位检测器可依靠正时控制器和、或谐振器。复位器可起到在位置(如相位)变化之后将不同的电子装置周期性地复位的作用，等等。滤波器可将来自相位检测器和、或复位器的信息过滤并提供表明电路1066、1066′与电路1084之间的关系的输出。例如，滤波器可提供适于与自动电子装置一起使用的范围内的模拟电压。
示范性涡轮增压器外壳包括弧形支架，弧形支架用于支撑一个或多个电路，电路能够与其它的位于可转动轴内部或上面的一个或多个电路相互作用。示范性涡轮增压器外壳包括一个或多个螺旋绕组，螺旋绕组能够向相位检测器提供相位信息并位于接近于开口的位置，该开口能够容纳选自一个组的构件，该组由可转动构件、可平移构件和可平移可转动构件组成。这种示范性涡轮可选择性地包括至少部分地位于该开口中的构件，其中，该构件包括谐振器电路，该谐振器电路位于该构件的上面或内部。这种构件可转动和、或平移，以在响应可变几何单元和、或可变几何涡轮的元件的调节时进行调节或转动和、或平移。
示范性涡轮外壳包括一个或多个谐振器电路，该谐振器电路能够与一个或多个螺旋绕组相互作用并位于接近于开口的位置，该开口能够容纳可转动构件(如轴等)、可平移构件或可平移可转动构件。这种示范性涡轮增压器外壳可选择性地包括至少部分地位于该开口中的构件，其中，该构件包括一个或多个螺旋绕组，该一个或多个螺旋绕组位于该构件的上面或内部。这种构件可转动和、或平移，以在响应可变几何单元和、或可变几何涡轮的元件的调节时进行调节或转动和、或平移。
图11示出了用于控制可变几何单元的几何元件的示范性系统和、或方法1100。发动机块1110通过传感器或其它装置向控制逻辑块1130提供信息。控制逻辑块1130还可接收用户输入(如与制动、加速和减速等有关的信息)。控制逻辑块1130至少部分地基于从发动机块1110接收的信息并选择性地部分基于从位置传感器块1160接收的信息和、或用户输入确定所希望的运行条件。控制逻辑块1130然后向可变几何作用块1140输出信息，以控制能够调节向涡轮的排气流的可变几何致动器。可变几何作用块1140命令致动器将，例如，可变几何单元(如VGT、喷嘴和叶片等)，调节到所希望的几何特征。在可变几何块1150中，与可变几何单元相关的一个或多个可变几何元件调节到所希望的几何特征，几何特征接着实现涡轮增压器块1120的运行。涡轮增压器块1020的运行进一步实现发动机块1110的运行，进而形成具有一个或多个闭环的控制系统和、或方法。
示范性方法包括至少部分地基于发动机运行条件、可变几何单元的一个或多个几何元件(如叶片等)的位置和、或用户输入/要求来确定一个或多个控制参数。
控制可变几何涡轮的示范性方法包括向具有阀杆的控制阀门提供脉宽调制信号；响应于这种提供，移动阀杆；响应于移动，流动液压液；响应于流动，平移活塞；响应于平移，转动曲柄轴，其中，曲柄轴与阀杆机械式隔离；响应于转动，调节可变几何涡轮的一个或多个几何元件；至少部分地基于曲柄轴的角位确定几何特征。
虽然一些示范性方法、装置和系统等在附图中进行了图示并在前面的详细描述中进行了说明，但可以理解这些方法、装置和系统等并不是对所公开的示范性实施例进行限制，而是能够进行多种排列、修改并可替换，而并不脱离由下面的权利要求书所提出的和限定的精神。
权利要求
1.一种可变几何涡轮，包括涡轮外壳，所述涡轮外壳具有用于排气的进气口以及出气口、连接到所述进气口的蜗壳和邻近于所述蜗壳的整体外喷嘴壁；中心外壳，所述中心外壳附在所述涡轮外壳上且具有承载轴承组件的中心钻孔；涡轮叶轮，所述涡轮叶轮容纳在所述涡轮外壳中且附在轴上，所述轴延伸穿过所述中心外壳并且由所述轴承组件支撑；多个叶片，所述叶片具有转动柱，所述这些转动柱从基本上平行于所述外喷嘴壁的第一表面延伸，所述转动柱容纳在所述外喷嘴壁中的沿圆周隔开的孔中，所述叶片还具有作用片，所述这些作用片从所述叶片的第二表面延伸，所述第二表面位于所述第一表面的远端；调和环，所述调和环位于所述中心外壳与所述叶片的中间，所述调和环具有多个槽，所述槽容纳所述片，所述调和环还具有径向槽；曲柄轴，所述曲柄轴具有与所述径向槽接合的销，所述曲柄轴可连续地从第一位置向第二位置移动，所述曲柄轴的移动导致所述销在所述径向槽中平移并分配垂直于所述径向槽的力，以促使所述调和环的旋转运动，所述调和环的旋转运动导致所述片在所述作用槽中移动；控油阀，所述控油阀用于将所述曲柄轴从所述第一位置向所述第二位置移动，其中，所述控油阀包括电致动器和阀杆，所述阀杆与所述曲柄轴的移动机械式隔离；以及电子传感器，所述电子传感器用于感测所述曲柄轴的移动。
2.如权利要求1所述的可变几何涡轮，其特征在于所述电致动器起动所述阀杆，以响应于脉宽调制信号。
3.如权利要求2所述的可变几何涡轮，其特征在于所述脉宽调制信号具有范围在约80Hz至约150Hz的频率。
4.如权利要求2所述的可变几何涡轮，其特征在于所述脉宽调制信号减少所述阀杆的静摩擦。
5.如权利要求1所述的可变几何涡轮，其特征在于所述电致动器基于具有占空比的信号起动所述阀杆，其中，恒定的非零占空比将所述阀杆保持在大体上稳定的位置。
6.如权利要求1所述的可变几何涡轮，其特征在于所述电子传感器包括谐振器电路。
7.如权利要求6所述的可变几何涡轮，其特征在于移动所述曲柄轴将所述谐振器电路移动。
8.一种用于可变几何涡轮的控制系统，包括控制阀门，所述控制阀门包括操作性地联接到阀杆的电致动器；活塞，所述活塞操作性地联接到由所述控制阀门控制的一个或多个液压液路径并包括活塞轴；可转动轴，所述可转动轴操作性地联接到所述活塞轴、与所述阀杆机械式隔离并能够调节所述可变几何涡轮的几何特征；以及电子传感器，所述电子传感器能够感测所述可转动轴的角位。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于所述电子致动器至少部分地基于脉宽调制信号起动所述阀杆。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于所述脉宽调制信号具有范围在约80Hz至约150Hz的频率。
11.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于所述脉宽调制信号减少所述阀杆的静摩擦。
12.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于所述电子传感器包括谐振器电路。
13.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于所述可转动轴的转动导致所述谐振器电路的转动。
14.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于在提供给所述控制阀门的控制信号与所述电子传感器的输出信号之间有控制闭环。
15.如权利要求14所述的控制系统，其特征在于所述控制闭环依靠与内燃机的运行条件有关的一个或多个参数。
16.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于所述控制阀门适用于对内燃机的凸轮正时进行控制。
17.一种控制可变几何涡轮的方法，包括向具有阀杆的控制阀门提供脉宽调制信号；响应于所述提供步骤，移动所述阀杆；响应于所述移动步骤，流动液压液；响应于所述流动步骤，平移活塞；响应于所述平移步骤，转动曲柄轴，其中，所述曲柄轴与所述阀杆机械式隔离；响应于所述转动步骤，调节所述可变几何涡轮的一个或多个几何元件；以及至少部分地基于所述曲柄轴的角位确定几何特征。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述移动依靠所述脉宽调制信号的占空比。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述提供步骤提供信号，所述信号具有范围在约80Hz至约150Hz的频率。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述确定包括从谐振器电路接收一个或多个信号，所述谐振器电路转动以响应于所述转动。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述一个或多个信号中的至少一个呈正弦变化。
22.一种涡轮增压器外壳，所述涡轮增压器外壳包括一个或多个螺旋绕组，所述螺旋绕组能够向相位检测器提供相位信息并位于接近于开口的位置，所述开口能够容纳选自一个组的构件，所述组由可转动构件、可平移构件和可平移可转动构件组成。
23.如权利要求22所述的涡轮增压器外壳，其特征在于所述涡轮增压器外壳还包括至少部分地位于所述开口中的构件，其中，所述构件包括位于所述构件的上面或内部的谐振器电路。
24.一种涡轮增压器外壳，所述涡轮增压器外壳包括一个或多个谐振器电路，所述谐振器电路能够与一个或多个螺旋绕组相互作用并位于接近于开口的位置，所述开口能够容纳选自一个组的构件，所述组由可转动构件、可平移构件和可平移可转动构件组成。
25.如权利要求24所述的涡轮增压器外壳，其特征在于所述涡轮增压器外壳还包括至少部分地位于所述开口中的构件，其中，所述构件包括位于所述构件的上面或内部的一个或多个螺旋绕组。
全文摘要
一种示范性控制器，包括控制阀门(520)，控制阀门(520)包括电致动器、活塞、可转动轴(540)和电子传感器(560和5601)，该电致动器操作性地联接到阀杆(522)，该活塞操作性地联接到一个或多个液压液路径并包括活塞轴(530)，该一个或多个液压液路径由该控制阀门(520)控制，可转动轴(540)操作性地联接到活塞轴(530)、与阀杆(522)机械式隔离，并且能够调节可变几何涡轮(130)的几何特征，电子传感器(560和5601)能够感测可转动轴(540)的角位。
文档编号F02B39/00GK1973118SQ200580013942
公开日2007年5月30日 申请日期2005年3月8日 优先权日2004年3月8日
发明者C·C·格里特里 申请人:霍尼韦尔国际公司