专利名称：可变凸轮正时控制模块和控制方法
技术领域：
本发明涉及用于一台内燃机的动力传动系统的一种可变凸轮正时 控制装置。更具体地说，本发明涉及一种可变凸轮正时控制模块，该模 块执行按照常规位于遍及该发动机室的多个分离的位置上的多个传感 器、多个致动器以及多个微控制器所执行的多种功能。
背景技术：
在一个闭环的动力传动系统中，可变凸轮正时("vc丁")是测量一 个凸轮轴相对于曲轴的角位移、或相位角的系统，它被可运行地连接至 该曲轴然后通过改变该相位角以便响应对于动力增加或减小的多个需 求来调整不同的发动机特性。典型地，存在一种反馈回路，在其中此类 发动机的特性的希望的值是对照它们现有的值来进行测量，并且响应于 任何变化在该发动机内部实现改变。为了实现这一点，现代的汽车通常
具有一个或多个电子控制单元("ECU")，该单元不断地分析输送给它 们的来自该发动机的不同零件、汽车的其他部分以及多种环境条件(多 个排气传感器、多个压力和温度传感器，等)的数椐。然后响应于这些 数据发出一个控制信号。例如，关于VCT系统，当发动机和/或外界条 件发生多个改变时，相应地调整凸轮轴和曲轴之间的角位移。
一个VCT系统包括一个凸轮定相控制装置(有时被称为一个相位 器)、多个控制阀、多个控制阀致动器、以及控制电路。VCT是指控制 和/或改变在该驱动轴与一个或多个凸轮轴(该凸轮轴控制该发动机的多 个进气以及排气阀)之间角度关系("相位")的一个过程。相位被定 义为在该曲轴或从动外链轮齿与一个凸轮轴之间的相对的角位置。该相 位器安装到该凸轮的前面并且典型地由一个转子、多个止回阀以及一个 滑阀组成。该转子是相位器的内部零件，它连接在该凸轮轴的末端。为 响应多个输入信号， 一个螺线管，通常是一个力量可变的螺线管 ("VFS"),将移动该相位器转子的位置，这进而将该凸轮轴调整到提 前或延迟的发动才几正时。
将一个系统(诸如一个VCT系统)连接到该控制模块的常规方法是将一组来自各个螺线管、阀门、致动器或马达以及每个传感器的电线延伸回到该发动机的ECU。作为汽车发送机复杂性增加的结果，进入到 该ECU的大量电线可能会变得难以管理。例如，某些ECU的电线数量 可能约为150条到200条外接电线。随着发动机不断增加的复杂性以 及对于来自大量传感器的日益增加的输入数据量的快速响应的需要，对 于该ECU来说有效地管理所有这些功能性元件就变得越来越困难。为了以一种有效的且经济的方式解决这种增加的发动机复杂性的 问题已经进行了多种尝试。例如，授予松尾等人(Matsuoetal.)的美国 专利第5,353,755号披露了结合到V型内燃机的前盖中的一种可变阀正 时控制系统。该专利披露了一种V型发动机，该发动机包括用于两个气 缸组的多个液压致动阀运行方式的控制致动器。 一个液压流体网络^f皮置 于该气缸体的一个主通道以及多个液压阀运行方式的控制致动器之间， 并且包括一个单一的控制阀，该控制阀对于所有这些液压阀运行方式控 制的致动器来说是公用的。将该控制阀连接到一个罩上，该罩用于容纳 一个驱动系统，该驱动系统将多个发动机凸轮轴连接到该发动机曲轴 上。该罩也具有多个内部通道，这些通道形成在该控制阀与这些液压阀 运行方式的控制致动器之间的液压流体网络的一部分。然而，该'755专 利没有披露或建议这些传感器或一个VCT控制装置整合为发动机的前 盖中的一个单独的单元。本领域技术人员应当理解在本发明的背景下，术语"前盖"是指位 于发动机动力传动系统的多个部件( 一个或多个凸轮轴驱动元件(齿轮、 链轮或滑轮)以及一个或多个凸轮相位器、该曲轴末端以及驱动元件(齿 轮、链轮或者滑轮)，以及将该曲轴驱动连接到一个或多个凸轮驱动器 上的动力传递部件(链、皮带或者多个齿轮))之上的盖。在传统的纵 向发动机中，此盖应位于该发动机的前面(因此该术语，"前盖")，但 应当理解在其他发动机安装方案中，它可能朝向车辆的侧面(如在一个 横向安装的发动机中)或朝向车辆的尾部。美国专利第6,435,154号披露了用于一台内燃机的一种前盖，该内 燃机包括整合到前盖中的多个VCT控制器。这些控制器包括一个力量 可变的螺线管(VFS)以及一个凸轮位置传感器，该螺线管和该凸轮位 置传感器位于各个凸轮相位器之前且可运行地被连接到该各个凸轮相 位器上。在所披露的构思的一个实施例中， 一旦安装后该前盖就包括整5合到该盖中的、具有一个电子接口模块(EIM)的一个单独单元、多个 VFS单元以及多个凸轮位置传感器。该专利进一步披露每个VCT控制 单元是通过一个线束与位于该前盖中多个分隔的位置处的其他多个 VCT控制单元以及一个单独EIM是处于电子通讯状态。这些先有技术的解决方案没有完全解决简化该复杂性的问题，该复 杂性问题关联到如下事项汇集来自多个传感器的大量输入、处理这些 输入、确定最佳信号输出、将这些输出信号发送到适当的目标致动器然 后实时地监测这些结果。发明内容本发明是一种可变凸轮正时("VCT")控制模块，该模块包括用于 在其上安装至少一个凸轮位置传感器的一个刚性平面背板、 一个从动外 凸轮链轮传感器、至少一个螺线管以及一个微控制器。所有这些部件通 过位于该背板和一个共平面支架之间的电路互相连接，该共平面支架与 背板间隔开。该VCT控制模块可以位于该发动机的前盖之内或该凸轮 盖之下。它还包括穿过该凸轮盖或该发动机的前盖的表面的一个连接 器。该连接器为该发动机电力系统提供电源和接地以及控制器局域网 (以下称，"CAN")的输入和输出信号。该CAN是该发动机用于车辆 的控制器通讯网络。
图1示出了本发明的VCT控制模块的非接口侧的一个等轴视图。 图2示出了该VCT控制模块的接口側的一个等轴视图。 图3示出了该VCT控制模块的一个分解图。图4a示出了一个发动机凸轮盖的外側，具有通过该凸轮盖的表面 伸出的该VCT控制模块连接器。图4b是一个倒置视图，示出了具有该VCT控制模块的凸轮盖的内部。图5示出了具有两个VCT控制模块的一个发动机前盖的内部，这 两个模块各自位于一个"v"型双顶置凸轮发动机中每个凸轮组的前端。 图6是本发明的VCT控制模块的一个电路示意图。
具体实施方式
图1和图2示出根据本发明的一种可变凸轮正时控制("VCT")的 控制模块IO。它包括一个背板12,该背板是用于安装该VCT控制模块 的不同部件的主要的支撑结构。这些VCT部件固定安装在背板12的后 表面15上。这些VCT部件包括至少一个螺线管14 (14，)、至少一个 凸轮位置传感器(例如， 一个霍尔效应器、磁阻的或可变磁阻传感器) 16 ( 16')以及一个从动外凸轮链轮传感器18 (该传感器提供一个通过 该链条、皮带或齿轮参照该曲轴位置的一个信号)。该背板12的前表面13朝向该一个或多个凸轮定相装置、或一个或 多个相位器(未示出)。每个相位器可运行地连接到一个单一凸轮轴上。 各个螺线管14和14'分别具有一个可动活塞17和17',该活塞通过该背 板12的前表面13伸出从而功能性地接触和调节其对应的相位器。该优 选的螺线管是一种力量可变的螺线管(VFS)。本领域技术人员应当理解本发明的VCT控制模块可用于不同的内燃机配置。例如， 一台单一凸轮"直列式"发动机可能只具有一个凸轮。在这种情况中，该VCT控制模块在该从动外凸轮链轮传感器以及该微控制器之外将仅具有一个凸轮位置传感器和仅一个螺线管用于致 动一个单一相位器。具有两个凸轮的一台直列式发动机(一个凸轮用于控制多个活塞的多个进气阀而另 一个用于控制多个活塞的多个排气阀) 将要求具有两个螺线管和两个凸轮位置传感器的一个VCT控制模块。 对于两个活塞"组"的每一组具有两个凸轮的一种"V型"发动机结构是已 知的一种双顶置凸轮(或"DOHC")发动机，该发动机将要求有两个VCT 控制模块， 一个用于两组活塞中的每一组，每个VCT控制模块除该从 动外凸轮链轮传感器和微控制器之外，还具有两个螺线管和两个凸轮位 置传感器。由于这是当今非常普遍的一种发动机设计，这些附图示出了 将适合用于一台DOHC发动机构造的一种VCT控制模块。背板12包括用于将该VCT控制模块10固定安装到该发动机壳体 (未示出)的装置20。该安装装置20可以形成为背板12的一个整体部 分，如图1和图2所示，或者它可由已知的常规手段固定到背板12上， 如按希望通过使用多个铆钉、螺栓或焊接。一个平面支架22与背板12的后表面相分离并且基本上与其共平 面地进行安装，且位于这些螺线管14与14'之间。该支架22包括操作该VCT控制;^莫块10所需的信号条件处理电路并且在图3中该VCT控 制模块的分解视图中最清楚地示出。该信号条件处理电路包括连接到多 个输入和输出端子的电导线。通过这些导线该VCT多个部件被电连接 到一个微控制器26上，该微控制器被安装在背板12的后表面15以及 支架22之间，从而保护其免于该发动机的恶劣环境。该支架22还包括 一个刚性连接器壳体24,它包括用于分别连接到该发动机的电源网的电 源以及接地的电路的插头24a和24b，以及用于分别地接收和传送控制 器局域网("CAN")总线信号的输入插头24c以及输出插头24d。本发 明的该信号条件处理电路示于图6中，并将在以下更详细地论述。这些VCT部件的输入、输出以及信号端子被连接至该信号条件处 理电路上，这是通过任何常规的手段来实现的，诸如将这些导线连接焊 接在一起或通过将该VCT多个部件的常规的阳性输入和输出端子插入 该支架22中的多个常规的阴性插口。在图3所示的分解视图中，螺线 管14的对应的输入以及输出端子14a 、 14b固定连接到对应的端口 14c 和14d上。螺线管14'的对应的输入以及输出端子14a' 、 14b'固定连接 在对应的端口 14c'和14d'上。凸轮位置传感器16的对应的输入、输出、 以及信号端子16a、 16b和16s固定连接在对应的端口 16c、 16d以及16p 上。凸轮位置传感器16'的对应的输入、输出以及信号端子16a'、 16b'和 16s'固定连接到对应的端口 16c' 、 16d'以及16p'上。该从动外凸轮链 轮传感器18的对应的输入、输出、以及信号端子18a、 18b和18s固定 连接到对应的端口 18c、 18d以及18p上。电导线将这些端口的每一个 连接至该微控制器26，该微控制器进而分别通过插头24a、 24b、 24c以 及24d被连接至该发动机的电源和该发动机的通讯总线或CAN总线上。 图4a示出了内部装有VCT控制模块10的凸轮盖40的外侧。连 接器壳体24从凸轮盖40的顶部表面的一开口中伸出。图4b示出了固 定安装在该凸轮盖40内的VCT控制模块10。该VCT控制模块10的前 表面13朝向这些相位器(未示出)，它们中的每一个进而可运行地连 接到在一台DOHC发动机结构中与其相应的凸轮轴上(未示出)。包含 在连接器壳体24中的是多个插头24a、 24b、 24c、以及24d,这些插头 用于通过一个相配的电端子连接器(未示出)将该VCT控制模块连接 到发动机的电源以及通讯总线或CAN总线上。在本发明的背景下，一 个替代实施例包括该连接器壳体24成角度的通过在前盖表面的一个开口中突出，这可能是不同发动机的特殊设计参数所需要的。一台"V，，型发动机具有至少两个凸轮轴(每組气缸一个)。目前大多数"v"型发动机具有四个凸轮轴(用于两组气缸的每一组的进气以及排气凸轮)。这些被称作是双顶置凸轮发动机。图5示出了被安装在双 顶置凸轮发动机中临近每一凸轮组的前发动机盖50的顶部的两个分离 的VCT控制模块10以及10，。图6是该VCT控制模块10的信号条件处理电路的一个示意图。螺 线管14和14'、凸轮定位传感器16和16'、以及该从动外凸轮链轮传 感器18由发动机的电气系统提供动力。在连接器壳体24内部是用于连 接到该发动机供电网的多个插头。这些插头是一个12伏输入24a、 一 个地线24b、 一个CAN+总线输入24c以及一个CAN总线输出24d。通 过一个CAN收发器30对这些CAN信号进行滤波。这些螺线管，CAN 电路以及微控制器运行于12伏。然而，这些传感器运行于5伏。因此， 一个电压调节器34将输入到该凸轮位置传感器16和16'以及该从动外凸 轮链轮传感器18的电压从12伏降到5伏。在运行中，将一个相位角设定点信号通过该CAN+的输入插头24c 从ECU (未示出)发送到微控制器26。来自这些凸轮位置传感器16和 16'以及该从动外凸轮链轮传感器18的多个信号也同时被微控制器26 接收。该微控制器响应于这些输入确定适当的凸轮相位角然后将一个信 号发送到螺线管驱动器32以及32'从而指令它们各自的螺线管14和M' 以调整这些相位器，从而使凸轮相位角与指令的设定点相匹配。以上概括的控制方案的另 一个实施例涉及该VCT控制模块10的微 控制器26将一个所测量的相位角发送到该发动机的ECU。然后，该ECU 通过该CAN电路将一个指令信号发送到该VCT控制;^莫块，进而，该 VCT控制模块发送一个信号来指令所选择的多个螺线管驱动器致动它 们对应的相位器。然后，这些相位器将它们相应的凸轮调整到所希望的 相位角。因此，应该理解这里所描述的本发明的多个实施例仅是对应用本 发明原理的说明。这里参考这些示例性实施例的详细描述并非旨在限制 权利要求的范围，这些权利要求本身列举了被认为是本发明所必需的特征。
权利要求
1.在一台内燃机的动力传递系统中用于调节多个凸轮定相装置的一种可变凸轮正时控制模块，这些定相装置各自与该内燃机的一个凸轮轴可运行地相接合，该可变凸轮正时控制模块包括a)具有一个前表面以及一个后表面的一个平面的刚性背板，其中该前表面朝向该凸轮定相装置；b)与该刚性背板的后表面相分离并且固定安装在其上并且基本上与其共平面上一个平面支架；c)固定安装在该刚性背板的后表面以及该平面支架二者上的至少一个螺线管，其中来自该螺线管的一个可移动活塞穿过该刚性背板上的一个孔伸出从而与该凸轮定相装置可运作地相接合；d)固定安装在该刚性背板的后表面以及该平面支架二者上的至少一个凸轮位置传感器，其中来自该凸轮位置传感器的一个探测器通过该刚性背板上的一个孔探测该凸轮的位置；e)固定安装在该刚性背板的后表面以及该平面支架二者上的一个参照曲轴的从动外凸轮链轮传感器，其中来自该从动外凸轮链轮传感器的一个探测器通过穿过该刚性背板上的一个孔探测该动力传动驱动装置来探测该从动外凸轮链轮的位置，以及f)在该刚性背板的后表面和该平面支架之间固定安装在该平面支架上的一个微控制器。
2. 根据权利要求1所述的可变凸轮正时控制模块，其中，该控制模 块位于该内燃机的 一个凸轮盖内。
3. 根据权利要求1所述的可变凸轮正时控制模块，进一步包括一个 连接器壳体，该壳体包括用于连接到该内燃机的一个供电网和一个控制 器局域网的多个插头。
4. 根据权利要求3所迷的可变凸轮正时控制模块，其中，该连接器 壳体从该凸轮盖的一个表面中的一个开口伸出。
5. 根据权利要求1所述的可变凸轮正时控制模块，其中，该控制模 块位于该内燃机的一个前盖内。
6. 根据权利要求1所述的控制模块，其中，该微控制器被电连接到 该至少一个凸轮定位传感器、该至少一个螺线管、该至少一个从动外凸 轮链轮传感器以及该内燃机的 一个电子控单元上。
7. 根据权利要求1所述的控制^t块，其中，该螺线管是一种力量可 变的螺线管。
8. 控制一台内燃机的一个凸轮的相位角的一种方法，包括步骤如下a) 从该内燃机的一个电子控单元向一个可变凸轮正时控制模块的 一个微控制器发出一个电子信号，其中该信号确定一个希望的定点角 度，所述可变凸轮正时控制模块进一步包括至少一个凸轮位置传感器、 至少一个螺线管、以及至少一个从动外凸轮链轮传感器；其中，至少一 个螺线管中的每一个可操作地连接到一个凸轮定相控制装置上；b) 将来自该至少一个凸轮位置传感器以及该从动外凸轮链轮传感 器的多个输入信号与该设定角度的信号进行比较；并且c) 从该微控制器发出一个控制信号对该至少一个螺线管进行致动 以便调整该凸轮定相控制装置，从而使该凸轮相位角与所希望的设定点 的角度相匹配。
9. 根据权利要求8所迷的方法，其中该螺线管是一种力量可变的螺线管。
10. 控制 一 台内燃机的 一 个凸轮的相位角的 一 种方法，该内燃机具 有安装在一个凸轮定相控制装置上的一个可变凸轮正时控制模块，该凸 轮定相控制装置可操作地与该凸轮接合，该可变凸轮正时控制模块包括 至少一个凸轮位置传感器，至少一个螺线管， 一个从动外凸轮链轮位置 传感器以及一个微控制器，所述方法包括步骤如下a) 根据来自该至少 一个凸轮位置传感器以及该从动外凸轮链轮位 置传感器的多个输入信号计算一个相位角；b) 将一个确认该计算出的相位角的信号发送到该发动机的一个 电子控制单元；并且c) 发出一个指令信号对该至少一个螺线管进行致动以便调节该凸 轮定相控制装置，从而使该凸轮相位角与所计算的相位角相匹配。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中该微控制器计算该相位角。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中该螺线管是一种力量可变 螺线管。
全文摘要
用于一台内燃机的一种可变凸轮正时控制模块，具有至少一个凸轮位置传感器、用于致动一个凸轮定相装置的至少一个螺线管、一个从动外凸轮链轮位置传感器以及一个微控制器。该微控制器能够接收来自该发动机的电子控制单元的一个设定点角度信号，其中将该定点角度信号与来自该从动外凸轮链轮位置传感器以及该至少一个凸轮位置传感器的多个输入信号相比较以确定该适当的凸轮相位角。然后该微控制器将一个信号发送到该至少一个螺线管以调整该相应的凸轮定相装置，从而使该凸轮相位角与该指令的定点角度相匹配。
文档编号F01L1/02GK101316987SQ200680044267
公开日2008年12月3日 申请日期2006年11月20日 优先权日2005年11月28日
发明者D·泰勒, R·辛普森 申请人:博格华纳公司