CN100516472C - 可变气门系统 - Google Patents

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Abstract

一种可变气门机构，其被安装以用于根据控制轴的旋转位置来改变进气门的操作角和提升量。一蜗轮被固定到该控制轴。该蜗轮通过蜗轮传动装置连接到电动机致动器。在正常操作过程中，该电动机致动器被控制，以便控制轴的旋转位置在正常操作范围内改变。低端止动器和高端止动器安装在正常操作范围之外，以便机械地限制控制轴的旋转。

Description

可变气门系统
技术领域
本发明涉及一种可变气门系统，特别是涉及一种用于改变内燃机气门体的操作角和/或提升量的可变气门系统。
背景技术
传统的已知可变气门系统已在例如特许公开号为2002-349215的日本专利中公开了，其能通过改变控制轴的旋转位置来改变内燃机气门体的提升量。该传统的系统包括一个根据控制轴的旋转位置来改变其输出的旋转角传感器，和一个旋转驱动机构，其根据该传感器的输出而提供对控制轴旋转位置的反馈控制。
更特别地，上述传统的可变气门系统执行一个根据旋转角传感器的基准输出和实际输出之间的差异来检测当前旋转位置的工序，还执行一个控制该旋转驱动机构以确保所检测的旋转位置与目标位置相一致的工序。当执行这些工序时，控制轴的旋转位置与目标位置相一致，从而提供一个目标提升量。
为了通过执行上述工序而精确地获得目标提升量，有必要确保旋转角传感器的输出与实际旋转位置精确地一致。但是，通常，由于旋转角传感器安装位置的改变及其随时间的各种变化，传感器输出和旋转位置之间的关系不能被事先确定。
在上述情形下，上述传统的可变气门系统包括一个用于阻止该控制轴的不必要旋转的止动器。更特别地，该传统的可变气门系统包括一个止动器，其用于限制该控制轴在一定旋转位置处的旋转，其中最小提升产生在该旋转位置。当止动器提供限制时，该传统的可变气门系统将旋转角传感器的输出作为基准输出。在该情形中，可以确保基准输出与控制轴较小提升侧的旋转端相一致。
正如上文所述，基于可确保基准输出与控制轴的旋转端相一致，上述传统的可变气门系统获得了旋转角传感器的实际输出。因此，上述传统的可变气门系统所使用的机构可精确地检测控制轴的旋转位置，而不受到例如旋转角传感器安装位置变化的影响。
除包括上述文献外，申请人还将下列文献作为本申请的相关文献。
专利文献1：日本专利特许公开No.2002-349215
专利文献2：日本专利特许公开No.2000-234507
但是，上述传统可变气门系统的止动器位于控制轴正常旋转范围的端部。当使用这种配置时，在正常操作条件下，可能会发生控制轴经常性地与止动器机械碰撞。即使是旋转驱动机构被控制，以便控制轴在上述端部停止旋转，由于例如旋转系统的惯性及在旋转位置检测中出现故障，控制轴在该端部也不能精确地停止旋转。因此，当使用上述传统配置时，最小提升量将被需要，从而控制轴将可能经常性地与止动器相碰撞。
如果控制轴经常性地与止动器相碰撞，止动器及与止动器相碰撞的部件将可能磨损和变形。当发生这种碰撞时，旋转驱动机构受到强有力的冲击，从而旋转驱动机构的零件可能磨损及变形。于是，上述传统的可变气门系统的各种元件将可能永久地损坏。
发明内容
本发明用于解决上述问题。本发明的一个目的是提供一种可变气门系统，只要控制轴在正常旋转范围内转动，其不允许控制轴与止动器相碰撞。
上述目的可通过一种可变气门系统来实现，该系统包括可变气门机构，其用于根据控制轴的旋转位置来改变气门体的操作角和/或提升量。设置有用于转动控制轴的旋转驱动机构。还设置有用于控制旋转驱动机构的驱动机构控制单元，以便在正常操作过程中，控制轴的旋转位置在正常旋转范围内改变。还设置有用于在正常旋转范围之外机械地限制控制轴的旋转的止动器。
本发明的其它目的和进一步特征通过与附图相联系并结合下述详细说明将更加明显。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的可变气门系统的整体配置的透视图；
图2是根据本发明第一实施例的可变气门系统从图1的II处看去的侧视图；
图3是示于图2中的蜗轮和蜗轮周围部件的放大示意图；
图4是在本发明第一实施例中执行的程序流程图。
具体实施方式
第一实施例
【第一实施例的基本配置和基本操作】
图1是根据本发明第一实施例的可变气门系统整体配置的透视图。根据本实施例的该系统将被用在联合于直列式四缸内燃机中，并且其具有四个可变的气门机构10，该气门机构被设置以用于单个的气缸。根据该实施例的系统还包括一个控制轴12。控制轴12被定位，以便其穿过所有的可变气门机构10并相应于四个气缸纵向运转。一个轴承(未显示)将控制轴12固定到内燃机的气缸盖。
控制轴12设置有一个蜗轮14。蜗轮14定位在控制轴12的端部附近。控制轴12的端部还设置有一个旋转角传感器16，其产生一个相应于控制轴12的旋转位置的输出。蜗轮14与蜗轮传动装置18相啮合，其纵向垂直于控制轴12的轴向。该蜗轮传动装置18是一个螺旋形切制的齿轮。其中，蜗轮14具有倾斜的齿，从而与螺旋形切制的齿轮相啮合。蜗轮传动装置18和蜗轮14的组合以较大的减速比将蜗轮传动装置18的旋转转换为控制轴12的旋转。
蜗轮传动装置18联结到电动机致动器20。当收到来自外部的驱动信号后，电动机致动器20以任意的速度转动其旋转轴。因此，根据本实施例的系统可通过控制电动机致动器20的旋转而以所需的速度转动控制轴12。
根据本实施例的系统包括一个ECU30。上述旋转角传感器16的输出以及车辆速度传感器32的输出被提供给ECU30。ECU30根据旋转角传感器16的输出检测控制轴12的旋转位置。而且，ECU30根据车辆速度传感器32的输出检测车辆速度SPD和行驶距离。电动机致动器20连接到ECU30。ECU30输出合适的驱动电压以驱动电动机致动器20，并检测电动机电流IM以便确定施加给电动机致动器20的负荷。
在该实施例中，内燃机的每一个气缸设置有两个进气门40。每一进气门40具有一个气门杆42。气门弹簧(未显示)工作，以便气门杆42的上端与摇臂44的一个端部相接触。摇臂44的另一端部由液压间隙调节器46支撑，以便摇臂44可在这样的一个支撑点上转动。摇臂44的中心设置有一个辊子48。
由于设置有两个进气门40，每一气缸具有两个摇臂44和两个辊子48，其中辊子建立在摇臂44中。每一可变气门机构10包括两个辊子48和两个振动臂50。振动臂50以可自由转动的方式安装在控制轴12上。当振动臂50在一方向转动时，它们降低摇臂44的辊子48，以便打开进气门40。上述“一方向”在下文指的是“气门打开的方向”，而相反的方向在下文指的是“气门关闭的方向”。
空转弹簧52安装在振动臂50的一侧。中间臂54位于两个振动臂50之间。中间臂54的一个端部以其可自由转动的方式连接到固定于控制轴12的一个臂。而且，中间臂54的中心与一凸轮(未显示)机械接触。当该凸轮向中间臂54施加推压力时，中间臂54在上述端部转动并通过另一端部将该推压力传递至振动臂50。
按上述工作传递的推压力作为扭矩，其在气门打开的方向转动振动臂50。其间，空转弹簧52作用于振动臂50。空转弹簧52的作用力作为扭矩，其用于在气门关闭的方向转动振动臂50。换句话说，空转弹簧52的作用力确保了振动臂50，中间臂54，以及凸轮(未显示)在任何时间都彼此机械接触。
当凸轮根据内燃机的操作旋转，而可变气门机构10按照上述配置时，由于凸轮的旋转，中间臂54和振动臂50同步地振动。当振动臂50振动时，摇臂44振动，以便进气门40打开/关闭。因此，当内燃机操作时，由于凸轮的旋转，可变气门机构10同步地打开和关闭进气门40。
图2是根据本实施例的可变气门系统的侧视图。该侧视图是从图1的II方向看得到的。正如先前的描述，根据本实施例的可变气门系统使电动机致动器20(见图1)转动蜗轮传动装置18。随后，蜗轮14旋转以便转动控制轴12。中间臂54的一个端部与固定到控制轴12的臂相连。因此，当控制轴12的旋转位置改变时，中间臂54改变其位置但保持与凸轮(未显示)的接触。
振动臂50通过空转弹簧52被一直推向中间臂54。因此，当中间臂54的状态改变时，振动臂50改变其旋转位置，该改变与中间臂54的状态相一致。更特别地，在图2中，当控制轴12顺时针旋转时，可变气门机构10内的振动臂50在气门关闭的方向旋转。当控制轴12以相反方向旋转时，振动臂50在气门打开的方向旋转。因此，当控制轴12在以前的方向(顺时针)旋转时，可变气门机构10在气门关闭的方向改变振动臂50的振动范围。当控制轴12在相反方向(逆时针)旋转时，可变气门机构10在气门打开的方向改变振动臂50的振动范围。
当振动臂50的振动范围向气门关闭的方向转变时，振动臂50开始在气门打开方向振动的时刻和摇臂44实际上开始在气门打开方向被推动的时刻之间的时间间隔(旋转角)增加了。因此，进气门40的气门打开周期(操作角)和提升量，当振动臂50的振动范围向气门关闭的方向转变时减小，并且当振动范围向气门打开的方向转变时增加。
换句话说，在图2中，当控制轴12顺时针旋转时，可变气门机构10减小了进气门40的操作角和提升量。当控制轴12在相反方向旋转时，可变气门机构10将增加进气门40的操作角和提升量。用于减小提升量的控制轴旋转方向在下文指的是“小提升量”，而用于增加提升量的控制轴旋转方向在下文指的是“大提升量”。
【第一实施例的特征】
对于可变气门机构10而言，在内燃机的正常操作期间，其最大提升量和最小提升量是被预先确定的。用于提供最大提升量(最大操作角)的控制轴旋转位置被称为“最大提升位置”。用于提供最小提升量(最小操作角)的控制轴旋转位置被称为“最小提升位置”。图2示出了控制轴12的旋转位置被设定为最小提升位置。
图3是示于图2中的蜗轮14和蜗轮14周围部件的放大示意图。图3还示出了控制轴12的旋转位置，也即蜗轮14的旋转位置，被设定为最小提升位置。如图3所示，可变气门机构10包括一个低端止动器60，当控制轴12旋转超过最小提升位置并且随后沿小提升方向通过预定角度θ0时，该止动器将与蜗轮14的侧壁相接触。在正常旋转范围之外，低端止动器60阻止蜗轮14在小提升方向过度地移动。
当控制轴12沿大提升方向从图3所示的位置旋转通过预定角度θ1时，控制轴12到达最大提升位置。可变气门机构10包括一个高端止动器62，当控制轴12旋转超过最大提升位置并且随后通过预定角度θ2时，该止动器将与蜗轮14相接触。在正常旋转范围之外，高端止动器62阻止蜗轮14沿大提升方向过度地移动。
如上所述，根据本实施例的系统包括低端止动器60和高端止动器62。低端止动器60设置在从最小提升位置转向较小提升侧的位置处。高端止动器62设置在从最大提升位置转向较大提升侧的位置处。当使用这种配置时，只要控制轴12的旋转位置被控制并且保持在正常旋转范围内，蜗轮14将不与低端止动器60或高端止动器62相碰撞。
另一方面，如果低端止动器60和高端止动器62被分别设置在最小提升位置和最大提升位置，在正常操作环境下，蜗轮14将经常性地与低端止动器60和高端止动器62相碰撞。在这种情形下，止动器60、62的侧面和蜗轮14可能会磨损。而且，蜗轮14和传动装置18之间的啮合部分可能形成凿槽并且随后很快磨损。根据本实施例的系统可充分减小这种磨损的可能性，并因此能提供良好的耐久性。
【第一实施例的学习处理】
在该实施例中，ECU30根据旋转角传感器16(见图1)的输出检测控制轴12的位置。ECU30适当地驱动电动机致动器20，以便所检测的旋转位置与目标位置一致。旋转角传感器16具有根据控制轴12的旋转位置改变其输出的功能，并且不会输出一个与该旋转位置相当的绝对值。为了根据旋转角传感器16的输出精确地检测控制轴12的旋转位置，有必要预先确定旋转角传感器16在一基准旋转角处产生怎样的基准输出。
在根据本实施例的系统中，低端止动器60和高端止动器62的位置可以高精度而被机械确定。此外，蜗轮14和控制轴12之间的位置关系可以高精度而被机械确定。因此，当蜗轮14与低端止动器60或高端止动器62相接触时，控制轴12的旋转位置可被精确地设定在预定的位置处。从此观点出发，根据本实施例的系统使蜗轮14在预定的时间间隔与低端止动器60相接触，并且根据产生于旋转角传感器16的输出学习(校准)旋转角传感器16的基准输出。
图4是一流程图，其示出了为了执行上述功能，ECU30所执行的程序。在图4所示的程序中，首先根据车辆速度传感器32的输出来计算行驶距离的累积值(步骤100)。在后面将要叙述，每当旋转角传感器的基准输出更新时，所计算的累积值被重置。因此，在步骤100中，行驶距离的累积值在最近的基准输出更新后被计算。
步骤102随后被执行，以判断上述行驶距离的累积值是否达到了判定值。如果得到的判定结果表明没有达到判定值，重新执行步骤100。另一方面，如果得到的判定结果表明行驶距离的累积值达到了判定值，电动机致动器20以低速被驱动，以便蜗轮14向低端止动器60转动(步骤104)。
步骤106随后执行以检测流向电动机致动器20的电动机电流IM。随后步骤108执行，以判断电动机电流IM是否达到了接触判定值ITH。在完成步骤104后，预定电压施加给电动机致动器20以提供低速驱动。在该情形中，电动机电流IM随着施加在电动机致动器20上的负荷增加而增加。因此，当蜗轮14与低端止动器60相接触时，电动机电流IM将突然增加。
用在步骤108的接触判定值ITH稍大于最大电动机电流值，其产生于蜗轮14不与低端止动器60相接触时。因此，当蜗轮14与低端止动器60相接触，以便电动机电流IM升高到正常水平之上时，在步骤108中执行的工序立即检测出电动机电流IM的变化并迅速检测出蜗轮14与低端止动器60相接触。
如果对步骤108询问的回答是“否”，可以得知蜗轮14没有与低端止动器60相接触。在该情形，步骤106被重新执行。另一方面，如果对步骤108询问的回答是“是”，可以得知蜗轮14已与低端止动器60相接触。在该情形，对电动机致动器20的驱动停止(控制轴12的位置被固定)(步骤110)。随后步骤112被执行以检测旋转角传感器16的输出，而对电动机致动器20的驱动由于控制轴12的位置被固定而停止。
当执行上述工序时，只要确保控制轴12从最小提升位置处在小提升方向旋转θ0，旋转角传感器16的输出可被检测。在图4所示的程序中，旋转角传感器16的基准输出根据上述工序所检测的传感器输出被学习(步骤114)。例如当低端被接触时，占优势的输出将作为基准输出被确定，步骤112所检测的输出作为基准输出被直接学习。当相应于最小提升位置的输出作为基准输出被确定时，为了校正，步骤112所检测的输出改变θ0的角度。作为结果的校正输出随后被用作基准输出。当上述工序完成时，当前得到的行驶距离的累积值被最终重置(步骤116)。
每当行驶距离的累积值达到预定判定值时，上述工序使得机械地固定控制轴12的位置以及学习旋转角传感器16的基准输出成为了可能。因此，根据本实施例的系统可定期地吸收，例如，旋转角传感器16的安装位置的振动以及各种变化随时间的影响。结果，控制轴12的真实旋转位置可根据旋转角传感器16的输出被精确地检测。
当蜗轮14与低端止动器60相接触时，上述工序还可确保旋转角传感器16的基准输出可被学习。换句话说，当控制轴12沿小提升方向被固定在旋转端时，根据本实施例的系统使得学习旋转角传感器16的基准输出成为了可能。旋转角传感器16的输出与控制轴12的实际旋转位置之间的差异可能随着旋转位置与在得到基准输出的位置之间的距离增加而增加。因此，根据本实施例的学习方法使得在小提升范围内以增加的精度检测控制轴12的旋转位置以及对控制轴12的旋转位置进行控制成为了可能。
进入内燃机的空气量可通过调节进气门40的提升量和操作角来控制。在该情形下，空气吸入量对提升量和操作角的改变敏感，其随提升量和操作角的减小而增加。如先前所述，根据本实施例的系统适合于在小提升范围内对控制轴12达到足够的控制精度。因此，根据本实施例的系统可在小提升范围内精确地控制进气门40的提升量。结果，空气吸入量可在所有操作范围内通过进气门40而被精确地控制。
在上述工序中，电动机致动器20以低速被驱动，以便使蜗轮14与低端止动器60相接触。低速驱动方法用于使电动机致动器20以一预定速度旋转，该预定速度低于正常操作条件的旋转速度。当蜗轮14与低端止动器60相接触时，这种低速驱动模式的使用可充分地减小施加给蜗轮14和低端止动器60的冲击。在蜗轮14与低端止动器60相接触的时刻与这种接触被检测的时刻之间的时间间隔过程中，该低速驱动模式的使用还可充分地减小对蜗轮14，低端止动器60，以及蜗轮传动装置18的损坏。因此，根据本实施例的系统使得学习该基准输出而不导致耐久性的减小或者随时间加速损坏成为了可能。
在上述第一实施例中，同时设置了低端止动器60和高端止动器62。但是，本发明并不限定于同时使用低端止动器60和高端止动器62。一种替换是仅在一侧设置一个止动器。
当基准输出在上述第一实施例被学习时，蜗轮14与低端止动器60以低速驱动模式相接触。但是，上述条件对于基准输出学习并不总是必须的。换句话说，低速驱动模式优选的被使用以使蜗轮14与低端止动器60相接触。可替换地，在正常驱动模式下，基准输出可在蜗轮14与高端止动器62相接触后被学习。
在上述第一实施例中，可变气门机构10能够改变进气门40的操作角和提升量。但是，没有必要使可变气门机构总是具有这种功能。并且，由可变气门机构驱动的气门体并不限定于进气门。更特别地，由可变气门机构驱动的气门体可以是排气门。而且，可变气门机构可替换地能够改变气门体的操作角或者提升量。
上述本发明的主要特征和优点可概括如下：
根据本发明第一方面的可变气门系统包括根据控制轴的旋转位置来改变气门体操作角和/或提升量的可变气门机构。设置有用于转动控制轴的旋转驱动机构。还设置有用于控制旋转驱动机构的驱动机构控制单元，以便在正常操作过程中，控制轴的旋转位置在正常旋转范围内改变。还设置有用于在正常旋转范围之外机械地限制控制轴的旋转的止动器。
本发明的第二方面可包括用于根据控制轴的旋转位置来改变输出的旋转角传感器。可设置有学习时间驱动机构控制单元，其用于在预定条件下驱动旋转驱动机构，直到控制轴的旋转被止动器所限制。还可设置一个限制输出检测单元，其用于检测旋转角传感器的输出，同时控制轴的旋转被止动器所限制。还可设置一个基准输出学习单元，其用于根据由限制输出检测单元所检测的输出来学习旋转角传感器的基准输出。
本发明的第三方面，学习时间驱动机构控制单元可在控制轴的旋转位置超出正常旋转范围区域内以一定速度转动旋转驱动机构，该速度低于在正常操作过程中的速度。
本发明的第四方面，可变气门机构可同时地增加或减小气门体的操作角和提升量。止动器可包括一个低端止动器，其用于在操作角和提升量被最小化的一侧上机械地限制控制轴的旋转。学习时间驱动机构控制单元可在预定条件下驱动旋转驱动机构，直到控制轴的旋转被低端止动器所限制。
在本发明的第一方面中，用于机械地限制控制轴旋转的止动器安装在控制轴的正常旋转范围之外。因此，本发明有效地防止了在正常操作期间控制轴与止动器的碰撞。
当预定条件被建立后，本发明的第二方面使止动器限制控制轴的旋转并在结果状态中检测旋转角传感器的输出。因此，获得与确定的旋转位置相一致的输出是可能的。本发明根据以上述方法得到的传感器输出来学习旋转角传感器的基准输出，从而使得适当地学习旋转角传感器的基准输出成为了可能。
当控制轴的旋转位置超出正常旋转范围时，本发明的第三方面可减小控制轴的旋转速度。因此，当止动器限制控制轴的旋转位置时，可充分地减小所产生的冲击。
当旋转角传感器的基准输出被学习时，本发明的第四方面允许低端止动器限制控制轴的旋转。当使用该学习方法时，在提升量小的区域中可获得高的传感器精度。提升量越小，当气门体刚一打开时的气体循环量对于提升量越敏感。因此，气门体的提升量需要在提升量小的区域内被精确地控制。由于本发明可在提升量较小的区域内提高传感器的精度，因此可满足这种需要。
在上述第一实施例中，根据本发明的第一方面，电动机致动器20，蜗轮传动装置18，以及蜗轮14相当于“旋转驱动机构”。根据本发明的第一方面，低端止动器60和高端止动器62相当于“止动器”。在正常操作条件下，当ECU30控制控制轴12的旋转位置在最小提升位置和最大提升位置之间时，执行根据本发明第一方面的“驱动机构控制单元”。
在上述第一实施中，当ECU30执行步骤100至110的程序时，执行根据本发明第二方面的“学习时间驱动机构控制单元”。当ECU30执行步骤112的程序时，执行根据本发明第二方面的“限制输出检测单元”。当ECU30执行步骤114的程序时，执行根据本发明第二方面的“基准输出学习单元”。
另外，本发明并不限定于这些实施例，而是可在不偏离本发明范围的前提下作出各种变化和改进。

Claims (4)

1、一种可变气门系统，包括：
可变气门机构，其用于根据控制轴的旋转位置来改变气门体的操作角和/或提升量；
旋转驱动机构，其用于转动所述控制轴；
驱动机构控制装置，其用于控制所述旋转驱动机构，以便在正常操作过程中，所述控制轴的旋转位置在正常旋转范围内改变；以及
安装在所述正常旋转范围之外的止动器，其用于在所述正常旋转范围之外机械地限制所述控制轴的旋转。
2、根据权利要求1所述的可变气门系统，还包括：
旋转角传感器，其用于根据所述控制轴的旋转位置来改变输出；
学习时间驱动机构控制装置，其用于在预定条件下驱动所述旋转驱动机构，直到所述控制轴的旋转被止动器所限制；
限制输出检测装置，其用于检测所述旋转角传感器的输出，同时所述控制轴的旋转被所述止动器所限制；以及
基准输出学习装置，其用于根据由所述限制输出检测装置所检测的输出来学习所述旋转角传感器的基准输出。
3、根据权利要求2所述的可变气门系统，其特征在于：
所述学习时间驱动机构控制装置在所述控制轴的旋转位置超出所述正常旋转范围的区域内以一定速度转动所述旋转驱动机构，该速度低于在正常操作过程中的速度。
4、根据权利要求2或3所述的可变气门系统，其特征在于：
所述可变气门机构同时地增加/减小气门体的操作角和提升量；所述止动器包括一个低端止动器，其用于在所述操作角和提升量被最小化的一侧上机械地限制所述控制轴的旋转；并且所述学习时间驱动机构控制装置可在所述预定条件下驱动所述旋转驱动机构，直到所述控制轴的旋转被所述低端止动器所限制。
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