CN101109328A - 相角检测装置以及使用该装置的内燃机阀正时控制设备 - Google Patents

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CN101109328A CNA2007101366960A CN200710136696A CN101109328A CN 101109328 A CN101109328 A CN 101109328A CN A2007101366960 A CNA2007101366960 A CN A2007101366960A CN 200710136696 A CN200710136696 A CN 200710136696A CN 101109328 A CN101109328 A CN 101109328A
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Abstract

相角检测装置包括：曲柄角检测元件，用于通过预定的曲柄标靶来检测曲柄轴的旋转位置；凸轮标靶，固定与凸轮轴连接，并具有第一检测部件和至少一个第二检测部件，其中，第一检测部件的检测位置连续改变，第二检测部件的检测位置非连续地改变；以及凸轮角检测元件，用于检测凸轮标靶的位移。还提供一种控制器，被配置为基于由第一和第二检测部件产生的模拟传感器信号和/或由第一检测部件产生的传感器信号的改变率，采用内插方法通过所有引擎操作条件来充分更新凸轮轴相对于曲柄轴的相位差。

Description

相角检测装置以及使用该装置的内燃机阀正时控制设备
技术领域
本发明涉及一种被配置以检测至少两个旋转轴之间的旋转相位差的相角检测装置，特别涉及一种在内燃机阀正时控制设备中使用的相角检测装置，所述内燃机阀正时控制设备被配置以根据引擎操作条件来变化地控制引擎阀正时，例如，进气阀关闭正时(IVC)和进气阀打开正时(IVO)和/或排气阀关闭正时(EVC)和排气阀打开正时(EVO)。
背景技术
近些年来，已提出并开发了各种适合内燃机的可变阀正时控制(VTC)系统的相角检测装置。在第6-299876号日本专利临时公开(以下，称为“JP6-299876”，)中公开了一种所述相角检测装置。在JP6-299876中，配备有相角检测器的可变阀正时控制系统在安装在进气阀侧的VTC装置中作为示例。VTC系统包括：相位改变机构，被配置以通过根据引擎操作条件(诸如引擎速度和/或引擎负荷)来改变凸轮轴到引擎曲柄轴的相对相位而变化地调整引擎阀正时(IVO和IVC)；以及相角检测装置，被配置以检测凸轮轴到曲柄轴的相对旋转相位差，并向相位改变机构输出驱动信号(基于检测的相对旋转相位差和它的期望值的反馈信号)。
相角检测装置包括：曲柄角传感器(或曲柄轴位置传感器)，检测曲柄轴的旋转角；凸轮角传感器(或凸轮轴位置传感器)，检测凸轮轴的旋转角；以及控制器，被配置以基于来自这些传感器的传感器信号来检测曲柄轴与凸轮轴之间的相对旋转相位差。
存在各种适合曲柄角传感器和凸轮角传感器中的每一个的旋转角传感器，例如，电磁拾取类型、磁阻元件类型、光元件类型等。
发明内容
假设将电磁拾取旋转角传感器用作曲柄角传感器，通常，拾取类型的曲柄角传感器包括：基本为盘形的曲柄标靶(target)，其安装在引擎曲柄轴上，并具有多个形成于外围的标靶突起(就像外部锯齿)；以及曲柄角检测元件，被配置以通过拾取多个标靶突起来检测曲柄轴的旋转位置和旋转速度并向控制器产生检测的信号。通过类似的方式，假设将电磁拾取旋转角传感器用作凸轮角传感器，例如，拾取类型的凸轮角传感器包括：三个标靶突起，其安装在凸轮轴上并沿圆周彼此等距离地间隔开；以及凸轮角检测元件，其位于接近凸轮轴处，并被配置以通过拾取所述三个标靶突起中的每一个来检测凸轮轴的旋转位置，并向控制器产生检测的信号。
以下描述的是一种用于检测凸轮轴到曲柄轴的相对旋转相位差的方法。关于从曲柄角传感器产生的曲柄角脉冲信号，作为示例，假设每10°曲柄角(CA)产生一个脉冲信号，并且每120°CA另外设置缺失的外部锯齿部分(即，缺失的标靶突起)，从而每120°CA产生与缺失的锯齿部分相应的曲柄角传感器信号(例如，零输出或没有脉冲信号输出)。每120°CA产生的、与缺失的锯齿部分相应的曲柄角传感器信号输出用作曲柄角基准位置(简言之，曲柄角基准)。另一方面，关于从凸轮角传感器产生的凸轮角脉冲信号，假设由于安装在凸轮轴上并沿圆周彼此等距离地间隔开的所述三个标靶突起中的两个邻近标靶突起之间的角(即，120度)而每120°凸轮角产生一个脉冲信号。每120°凸轮角(因为凸轮轴对于每两次曲柄轴旋转将旋转一次，所以每120°凸轮角相应于每240°曲柄角)产生的、与所述三个标靶突起中的每一个相应的凸轮角传感器信号输出用作凸轮角基准位置(简言之，凸轮角基准)。因此，对于每240°CA仅更新一次凸轮角基准位置(凸轮角基准)。通过将检测到先前提到的凸轮角基准的正时(通常以曲柄角表示)与先前提到的曲柄角基准进行比较，可计算凸轮相角(换言之，凸轮轴到曲柄轴的相对旋转相位差)。更具体地说，基于检测的曲柄角基准来计算参考凸轮角基准(在没有相位改变的情况下产生的)，然后，计算检测的凸轮角基准与计算的参考凸轮角基准的偏离。将该偏离确定为凸轮相角(换言之，凸轮轴到曲柄轴的相对旋转相位差)。例如，当实际检测的凸轮角基准与参考凸轮角基准相比相位超前了60度时，控制器确定凸轮轴到曲柄轴的相对旋转相位是60度的相位超前。
然而，在先前讨论的相对旋转相位差检测方法中，以每120°凸轮角(换言之，每240°CA)输出的凸轮角脉冲信号的形式从凸轮角检测元件产生凸轮角基准信号。通过拾取三个沿圆周等距离地间隔的非连续标靶突起来获得凸轮角基准信号。在引擎速度为1200rpm或更多的中速或高速操作期间，可提供比较高精度的相角检测。相反，在引擎速度从200rpm变动到400rpm的非常低速的操作期间(诸如在曲柄传动期间)，由于所述三个圆周间隙(它们中的每一个被定义在所述三个沿圆周等距离地间隔得非连续标靶突起中的两个邻近标靶突起之间)，相角更新频率相对于VTC系统控制执行循环(取样时间间隔)趋于降低，由此损害了相角检测的精度。也就是说，无法在所有引擎的操作条件下保证相角检测的高精度。
因此，本发明的目的在于提供一种相角检测装置以及使用该装置的内燃机阀正时控制设备，其能够在从非常低速的操作变动到高速操作的所有引擎的操作条件下实现相角检测的高精度。
为了实现本发明的上述和其它目的，相角检测装置包括：传动轴角检测元件，被配置以通过预定的传动轴标靶来检测传动轴的旋转位置；从动轴标靶，固定与由传动轴驱动的从动轴连接，并具有第一检测部件和至少一个第二检测部件，其中，第一检测部件的检测位置连续改变，第二检测部件的检测位置非连续地改变，并且，第二检测部件形成于第一检测部件的一端；以及从动轴角检测元件，被配置以检测从动轴标靶的位移，其中，相角检测装置基于来自从动轴角检测元件的输出信号来检测从动轴的旋转角，基于来自传动轴角检测元件的输出信号来检测传动轴的旋转角，并基于检测的从动轴的旋转角以及检测的传动轴的旋转角来检测从动轴相对于传动轴的相角。
根据本发明的另一方面，一种相角检测装置包括：传动轴角检测元件，被配置以通过预定的传动轴标靶来检测传动轴的旋转位置；从动轴标靶，固定与由传动轴驱动的从动轴连接，并具有第一检测部件和至少一个第二检测部件，其中，第一检测部件的检测位置连续改变，第二检测部件的检测位置非连续地改变，并且，第二检测部件形成于第一检测部件的一端；从动轴角检测元件，被配置以检测从动轴标靶的位移；以及控制器，被配置以基于来自从动轴角检测元件的输出信号来检测从动轴的旋转角，基于来自传动轴角检测元件的输出信号来检测传动轴的旋转角，并基于检测的从动轴的旋转角以及检测的传动轴的旋转角来检测从动轴相对于传动轴的相角。
根据本发明的另一方面是一种内燃机阀正时控制设备，其采用相位改变机构以通过取决于引擎操作条件改变凸轮轴与曲柄轴之间的相对旋转相位来变化地调整引擎阀正时，并采用控制器，所述控制器被配置以检测凸轮轴与曲柄轴之间的相对旋转相位差，并将基于检测的相位差的驱动信号输出到相位改变机构，所述阀正时控制设备包括：曲柄角检测元件，被配置以通过预定的曲柄标靶来检测曲柄轴的旋转位置；凸轮标靶，固定与由曲柄轴驱动的凸轮轴连接，并具有第一检测部件和至少一个第二检测部件，其中，第一检测部件的检测位置连续改变，第二检测部件的检测位置非连续地改变，并且，第二检测部件形成于第一检测部件的一端；凸轮角检测元件，被配置以检测凸轮标靶的位移，其中，所述控制器被配置以基于来自凸轮角检测元件的输出信号来检测凸轮轴的旋转角，基于来自曲柄角检测元件的输出信号来检测曲柄轴的旋转角，并基于检测的凸轮轴的旋转角以及检测的曲柄轴的旋转角来检测凸轮轴相对于曲柄轴的相角。
根据本发明的另一方面，一种内燃机阀正时控制设备包括：曲柄角检测元件，被配置以通过预定的曲柄标靶来检测曲柄轴的旋转位置；凸轮标靶，固定与由曲柄轴驱动的凸轮轴连接，并具有第一检测部件和至少一个第二检测部件，其中，第一检测部件的检测位置连续改变，第二检测部件的检测位置非连续地改变，并且，第二检测部件形成于第一检测部件的一端；凸轮角检测元件，被配置以检测凸轮标靶的位移；控制器，被配置以基于来自凸轮角检测元件的输出信号来检测凸轮轴的旋转角，基于来自曲柄角检测元件的输出信号来检测曲柄轴的旋转角，并基于检测的凸轮轴的旋转角以及检测的曲柄轴的旋转角来检测凸轮轴相对于曲柄轴的相角；以及相位改变机构，用于响应于从控制器产生并基于检测的相角所确定的控制信号来改变凸轮轴相对于曲柄轴的相角。
通过参照附图的以下描述，可理解本发明的其它目的和特点。
附图说明
图1是示出可应用实施例的相角检测装置的内燃机阀正时控制设备的示意性系统示图。
图2是示出构成实施例的相角检测装置的一部分的曲柄角传感器的曲柄标靶的正视图。
图3是示出构成实施例的相角检测装置的一部分的凸轮角传感器的凸轮标靶的正视图。
图4是示出改进的凸轮标靶的透视图。
图5是示出分别从包括在实施例的相角检测装置中的曲柄角传感器和凸轮角传感器产生的曲柄角脉冲信号(曲柄脉冲)和凸轮角传感器信号的信号输出特性图。
图6是示出在并入实施例的相角检测装置中的控制器之内执行的相角检测程序的流程图。
图7是局部放大的示出均采用曲柄旋转角“内插”定时器根据图6的相角检测程序生成的曲柄角脉冲信号和凸轮角传感器信号V的信号输出特性图。
图8是示出采用凸轮角传感器信号输出V的梯度Δv(每10°CA)的第一改进相角检测程序的流程图。
图9是局部放大的示出均根据图8的第一改进相角检测程序生成的曲柄角脉冲信号和凸轮角传感器信号的信号输出特性图。
图10A是示出在非相位改变周期(相角保持模式)期间、相位超前周期期间和相位延迟周期期间根据图8的第一改进相角检测程序生成的凸轮角传感器信号波形的信号输出特性图。
图10B是示出在非相位改变周期(在相角保持模式下)期间、相位超前周期期间和相位延迟周期期间根据图8的第一改进相角检测程序获得的凸轮相角检测信号波形的信号输出特性图。
图11是在引擎曲柄传动期间通过使用图6的相角检测程序或通过使用图8的第一改进相角检测程序获得的阶跃响应波形的阶跃响应波形图。
图12是示出第二改进相角检测程序的流程图。
图13是示出第三改进相角检测程序的流程图。
图14是示出第四改进相角检测程序的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，特别是图1，实施例的相角检测装置在内燃机的可变阀正时控制(VTC)系统中作为示例。为了简化公开的目的，在所示实施例中，仅将相角检测装置应用于进气侧的阀致动系统。当然，可将实施例的相角检测装置应用于排气侧的阀致动系统。
图1所示的VTC系统使用如第2005-180307号日本专利临时公开(相应于笫US 7,143,730号美国专利)中公开的所谓电磁制动阀正时控制装置。电磁制动阀正时控制装置本身是传统技术，这种电磁制动VTC装置的典型细节在笫7,143,730号美国专利中被阐述，所述专利在2006年12月5日授予Atsushi Yamanaka并被转让给本发明的受让人，通过引用将所述专利的教导合并于此。因此，仅在以下简要描述采用所述电磁制动VTC装置的VTC系统的示意性结构。
也就是说，VTC系统至少包括：正时链轮3、凸轮轴4、固定连接到凸轮轴4的一轴端的轴套(未示出)以及相位改变机构5。经由链2将转矩从用作传动轴的引擎曲柄轴1传送到正时链轮3。用作从动轴的凸轮轴4被旋转地支撑，从而在预定的角范围之内允许凸轮轴4到正时链轮3的相对旋转。在正时链轮3与固定连接到凸轮轴4的轴套之间设置相位改变机构5，用于取决于引擎操作条件来改变凸轮轴4到正时链轮3(即，曲柄轴1)的相对旋转相位。
相位改变机构5包括：基本为椭圆的径向导窗或基本为椭圆的径向导槽(简言之，径向导向装置)，形成于正时链轮3中；螺旋导向装置(螺旋槽)，形成于螺旋盘中；链接构件；啮合部分(具体地，啮合销钉)以及用作电磁闸的滞后闸。链接构件的基准端经由枢轴链接到上述轴套，而链接构件的末端与径向导向装置进行凸轮连接，从而所述末端可沿着径向导向装置作径向运动。链接构件的模块还形成有容纳啮合销钉的孔(或保留啮合销钉的口)。先前提到的啮合销钉保留在链接构件末端的容纳啮合销钉的孔内，而啮合销钉的基本为半球的部分与螺旋导向啮合。响应于适当地取决于引擎操作条件从电控制单元(CU)或控制器6(稍后描述)产生的控制信号来激活或激励滞后闸(电磁闸)，从而向螺旋盘施加制动力。更具体地说，将电磁制动作用(致动力)经由下述材料提供给螺旋盘，所述材料通过从控制器60产生并流经滞后闸的电磁线圈的控制电流来显示滞后。通过电磁制动作用，啮合销钉沿着螺旋导向装置滑动，同时沿着径向导向装置作径向运动。这允许上述轴套(换言之，凸轮轴4)在预定的角度范围之内相对于正时链轮3旋转，由此实现对进气侧的阀致动系统的引擎阀正时(即，进气阀打开正时(IVO)和进气阀关闭正时(IVC))的可变控制。
控制器6通常包括微计算机。控制器6包括：输入/输出接口(I/O)存储器(RAM、ROM)和微处理器或中央处理单元(CPU)。控制器6的输入/输出接口(I/O)从各种引擎/车辆传感器接收信息，所述引擎/车辆传感器即为曲柄轴传感器7、诸如气流计的进气量检测器(未示出)、引擎温度检测器(例如，引擎冷却剂温度传感器、润滑油温度传感器等)、诸如加速器踏板角度位置传感器的加速度打开检测器(或节流阀打开传感器)和凸轮角传感器8。在控制器6之内，中央处理单元(CPU)允许通过I/O接口来访问从先前讨论的引擎/车辆传感器输入的信息数据信号。控制器6的CPU负责实施存储在存储器中的控制程序(稍后参照图6、8以及12-14所示的流程图中的每一个描述的相角检测程序)并能够执行必要的算术和逻辑运算。通过控制器6到输出级的输出接口电路来延迟计算结果(算术计算结果)，即，计算的输出信号，其中，所述输出接口电路即为包括在采用本实施例的相角检测装置的VTC系统中的相位改变机构5的滞后闸(电磁制动器)的电磁线圈。
实际上，控制器6被配置以基于来自曲柄角传感器7、进气量检测器、引擎温度检测器和加速器打开检测器的最新近的信息数据信号来检测或估计或确定引擎操作条件(在当前的VTC系统控制执行循环)。提供曲柄角传感器7以检测曲柄轴1的旋转位置(即，旋转角)和旋转速度，即，引擎速度Ne。提供凸轮角传感器8以检测凸轮轴4的旋转位置。如稍后详细描述的，控制器6还被配置以基于来自曲柄角传感器7和凸轮角传感器8的最新近的信息数据信号来检测或估计或确定凸轮轴4到曲柄轴1的相对旋转相角，从而响应于反馈控制信号来驱动相位改变机构5，其中，基于检测到的相对旋转相角与其基于当前引擎操作条件的期望值的偏离(误差信号)来确定所述反馈控制信号。
更具体地说，在所示的实施例中，电磁拾取旋转角传感器被用作曲柄角传感器7。如图1所示，通过基本为盘形的薄壁的曲柄标靶9和用作脉冲产生器的曲柄角感测元件10来构建曲柄角传感器7(电拾取旋转角传感器)，其中，所述曲柄标靶9被栓到曲柄轴1的后端。曲柄标靶9具有多个曲柄标靶突起9a，其形成于它的圆周上并用作脉冲感生部分。提供曲柄角检测元件10以通过拾取所述多个曲柄角标靶突起9a来检测关于曲柄轴1的旋转位置(旋转角)和旋转速度的最新信息。
参照图2，示出曲柄标靶9的详细配置。如图2所示，将曲柄标靶9形成为具有预定直径的基本为盘形的薄壁构件。盘形的曲柄标靶9形成有用作螺栓插入孔的中央过孔9b。如先前所述，盘形的曲柄标靶9在它的圆周上形成有多个曲柄标靶突起9a。实际上，通过在盘形的曲柄标靶的圆周上间隔地形成多个较小的矩形凹口部分来形成所述多个曲柄标靶突起9a。如图2中清楚所示，几乎所有的矩形凹口部分沿圆周按照相等的距离(换言之，按照10°曲柄角(CA)的相等圆周齿距)彼此等距离地间隔开，但是每120°CA设置缺失的矩形凹口部分(换言之，缺失的锯齿部分)。因此，所述多个曲柄标靶突起9a中沿圆周彼此间隔120°的三个突起被形成为相对较宽的曲柄标靶突起，它们均具有基本相当于20°CA的圆周宽度。剩余的每个曲柄标靶突起均具有基本相当于10°CA的圆周宽度。
曲柄角检测元件10被固定连接到引擎摇杆盖(未示出)并在曲柄轴1的轴向上位于极接近曲柄标靶9的圆周处，以便拾取曲柄标靶突起9a，产生所谓的10°CA脉冲信号(参见图5)(其由于具有基本上相当于10°CA的圆周宽度的每个相对较窄的曲柄标靶突起9a而生成)，并产生与所述三个缺失的矩形凹口部分中的每一个(也就是说，所述三个沿圆周彼此间隔120°并具有基本相当于20°CA的圆周宽度的较宽的曲柄标靶突起中的每一个)相应的曲柄角传感器信号。如从图5的信号输出特性图可看出的，实际上，以零输出或没有脉冲信号输出的形式来生成与所述三个沿圆周的较宽的曲柄标靶突起中的每一个(所述三个缺失的锯齿部分中的每一个)相应的曲柄角传感器信号。每120°CA产生的与缺失的锯齿部分(具有基本相当于20°CA的圆周宽度的较宽的曲柄标靶突起)相应的曲柄角传感器信号输出(零输出或没有脉冲信号输出)用作曲柄角基准位置(简言之，由“CrB”标示的曲柄角基准或曲柄基准)。如先前所讨论的，在所示的实施例中，电磁拾取旋转角传感器被用作曲柄角传感器7。在其替代方案中，可通过诸如磁阻元件类型(例如，根据霍尔效应工作的霍尔效应装置)或光元件类型的其它类型的旋转角传感器来构建曲柄角传感器7。
另一方面，通过螺栓将凸轮角传感器8安装在凸轮轴4的后端(见图1)。通过被栓到凸轮轴4的后端的凸轮标靶11以及凸轮角检测元件12来构建凸轮角传感器8。凸轮标靶11被形成为复叶形的薄壁部件，其整体形成有沿圆周等距离地间隔并沿径向延伸(沿径向突出)的三个标靶部分13。凸轮角检测元件12是用于检测沿圆周等距离地间隔得标靶部分13中每一个的位移的缺口传感器。
现在参照图3，示出凸轮标靶11的详细配置。如图3所示，凸轮标靶11形成有用作螺栓插入孔的中央过孔11a。凸轮标靶11整体上形成有先前提到的沿圆周等距离间隔的三个标靶部分13、13、13，它们均从所述中央螺栓插入孔11a沿径向延伸。应注意：在实施例的相角检测装置中，沿圆周等距离间隔的三个标靶部分13中的每一个具有第一检测部件13a和第二检测部件13b，其中，所述第一检测部件13a具有连续的弧形弯曲，所述第二检测部件13b从第一检测部件13a的径向最外端沿径向向内切断。如可通过图3的正视图所认识到的，第一检测部件13a的圆周沿圆周相对于凸轮轴4的旋转方向弯曲，并形成为圆弧形状。
如先前所讨论的，沿圆周等距离间隔的三个标靶部分13中的每一个的第一检测部件13a被配置或形成为圆弧形状，从而圆弧形状的第一检测部件13a的曲率半径从第一端部分(即，其沿径向向内末端13c)到第二端部分(即，其沿径向向外末端13d)逐渐增加，并且将由凸轮角检测元件12检测的第一检测部件13a的检测位置连续改变。另一方面，沿圆周等距离间隔的三个标靶部分13中的每一个的第二检测部件13b被配置或形成为径向切断，其从第一检测部件13a的沿径向向外末端13d向螺栓插入孔11a的中央沿着与凸轮轴4的轴垂直的方向径向延伸，从而，将由凸轮角检测元件12检测的第二检测部件13b的检测位置非连续地改变。
凸轮角检测元件12是电磁拾取旋转角传感器。凸轮角检测元件12被固定连接到引擎摇杆盖并位于接近凸轮轴4的后端处，从而按照以下方式沿凸轮轴4的径向方向来布置凸轮角检测元件12：使凸轮角检测元件12沿凸轮轴4的径向方向指向凸轮标靶11的第一检测部件13a和第二检测部件13b。如从图5的信号输出特性图所知，凸轮角检测元件12基本通过检测凸轮标靶11的第一检测部件13a和第二检测部件13b产生连续的锯齿波形信号(或连续的模拟信号形式的渐进电压信号)。如可从图5的凸轮角传感器信号波形(锯齿波形)可知，与圆弧形的笫一检测部件13a相应的信号区段被检测为锯齿波形的连续向上倾斜的信号部分。另一方面，与第二检测部件13b相应的信号区段被检测为非连续的后沿的信号部分，所述信号部分对于凸轮轴的每一次旋转被循环地生成三次。在图5中，纵坐标左手边的轴指示凸轮角传感器电压信号输出(单位：伏特)，而纵坐标右手边的轴指示曲柄角传感器脉冲信号输出(单位：伏特)。
可通过监视由凸轮角检测元件12检测的凸轮角传感器信号波形来精确地检测或确定在凸轮角检测元件12的信号输出电平中出现快速改变(即，快速下降)的位置，换言之，与由于第二检测部件13b检测的非连续的后沿信号部分相应的角度位置。与非连续的后沿信号部分(每120°凸轮角生成所述信号部分，即，因为曲柄轴1每旋转两次凸轮轴4将旋转一次，所以每240°CA生成所述信号部分)相应的角度位置用作凸轮角基准位置(简言之，由“CaB”标示的凸轮角基准或凸轮基准)。从凸轮角检测元件12产生的传感器信号的最大信号值Vmax和最小信号值Vmin取决于引擎操作条件而变化或波动。充分考虑均取决于引擎操作条件而变化的最大信号值Vmax和最小信号值Vmin中的每一个中的改变，每当检测出先前提到的凸轮基准“Cab”，时，通过学习控制来适当地修改最大信号值Vmax和最小信号值Vmin(参见图5中由虚线指示的上面和下面的小圆圈包围的信号部分)。在其替代方案中，可将最大凸轮传感器信号值Vmax修改或更新为在与引擎曲柄轴1的预定数量的旋转相应的时间段期间检测的最大凸轮传感器信号值Vmax的先前值的算术平均值(简单平均值)，而可将最小凸轮传感器信号值Vmin修改或更新为在与引擎曲柄轴1的预定数量的旋转相应的时间段期间检测的最小凸轮传感器信号值Vmin的先前值的算术平均值(简单平均值)。或者，可将最大凸轮传感器信号值Vmax修改或更新为在当前控制执行循环之前检测的最大凸轮传感器信号值Vmax的预定数量的先前值的简单平均值，而可将最小凸轮传感器信号值Vmin修改或更新为在当前控制执行循环之前检测的最小凸轮传感器信号值Vmin的预定数量的先前值的简单平均值。
以下将详细描述用于将由凸轮标靶11的第一检测部件13a和第二检测部件13b生成的锯齿信号(凸轮角传感器电压信号输出V)转换为凸轮轴4的凸轮角的具体方法。如先前所讨论的，对于凸轮轴4的每一次旋转，将生成三次与凸轮基准“Cab”相应的非连续的后沿信号部分。因此，通过下面的转换表达式来计算或确定转换速度(凸轮角/V)，确切地说，每单位凸轮角传感器电压信号输出的凸轮轴旋转角(凸轮轴4的凸轮角)。
凸轮角/V＝(720°CA/凸轮轴的每次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(Vmax-Vmin)。假设V指示检测的凸轮角传感器电压信号输出，最大凸轮传感器信号值Vmax等于4V(4伏特)，最小凸轮传感器信号值Vmin等于1V(1伏特)，则通过下面的近似表达式来表示上述转换表达式。
凸轮角/V＝(720°CA/3)/(4V-1V)＝240°CA/3V＝80°CA/V
现在参照图4，示出凸轮标靶11的改进。将图4中的改进凸轮标靶11形成为三维部件，其整体上形成有轴向隆起的三个标靶部分13，还形成有中央过孔(螺栓插入孔11a)。如图4所示，三个标靶部分13在整体上彼此形成为围绕螺栓插入孔11a并按照相等间隔沿圆周布置。三个标靶部分13、13、13中的每一个具有：第一检测部件13a，其具有弯曲轴向端面；笫二检测部件13b，其形成轴向隆起部分的形状。第一检测部件13a的轴向端面在圆周方向形成圆弧(参见图4中在凸轮轴4的旋转方向上向下倾斜的弯曲轴向端面)。在径向方向以及轴向方向，第二检测部件13b的形状为线性隆起或从第一检测部件13a的轴向最外端升起。
沿圆周等距离布局的三个标靶部分13中的每一个的第一检测部件13a被形成为向下倾斜的弯曲表面，其具有预定的下坡(或预定的向下倾斜角)，并从第一端部分13c(其尖端与相关的第二检测部件13b等同)向下倾斜到第二端部分(轴向凹进部分)13d。因此，按照以下方式来配置第一检测部件13a：将由凸轮角检测元件12检测的图4的三维改进凸轮标靶11的第一检测部件13a的受保护部分连续改变。另一方面，第二检测部件13b被形成为径向陡峭上升的部分，该部分具有从第一检测部件13a的第一端部分13c轴向延伸的平面，从而，将由凸轮角检测元件12检测的第二检测部件13b的被检测部分将非连续地改变。此外，凸轮角检测元件12被固定连接到引擎摇杆盖并位于极接近凸轮轴4的后端处，从而按照以下方式沿凸轮轴4的轴向方向来布置凸轮角检测元件12：使得凸轮角检测元件12沿凸轮轴4的轴向方向指向三维改进凸轮标靶11的第一检测部件13a和第二检测部件13b。
为了简化以下的讨论，在凸轮标靶11中解释检测凸轮相角的方法，如图3所示，凸轮标靶11被形成为复叶薄壁结构，其整体上形成有沿圆周等距离间隔的径向延伸的三个标靶部分13。将认识到：本发明并不受限于这种复叶形状的凸轮标靶，而由于图4的三维改进凸轮标靶可提供与图3的复叶形状的凸轮标靶相同的操作和效果，所以可使用如图4所示的三维改进凸轮标靶。在形状简单且易于生产或容易而高精度的机械加工方面，图3的复叶形状的凸轮标靶优于图4的三维改进凸轮标靶。反之，在减少径向尺寸方面，图4的三维改进凸轮标靶优于图3的复叶形状的凸轮标靶。图4的具有减小的径向尺寸的三维改进凸轮标靶增强了在引擎上安装相角检测装置本身和/或配备由VTC设备的相角检测器时布局的自由度，同时有效压缩了径向大小。
现参照图6，示出在控制器6内执行的凸轮相角检测程序。具体说来，图6的相角检测方法(凸轮相角检测程序)，特别是，对于给定数量N的曲柄脉冲，在检测第一凸轮基准CaB的正时与检测下一凸轮基准CaB的正时之间的某处寻找凸轮角的近似的方法基于通过局部放大的图7中的信号输出特性图示出的“内插”。图6所示的相角检测程序作为时间触发的中断程序而执行，该程序每隔预定的采样时间间隔Tcon(诸如10毫秒)被触发。
作为图6的步骤S1，通过曲柄角传感器7来检测曲柄角基准位置(即，曲柄基准CrB)。
在步骤S2，通过凸轮角传感器8来检测凸轮角基准位置(即，凸轮基准CaB)。
在步骤S3，通过普通相角检测方法来检测或计算凸轮相角(凸轮轴4到曲柄轴1的相对旋转相位差)，并指定没有相位改变的参考凸轮基准，其中，在所述普通相角检测方法中，基于将通过步骤S2检测的凸轮基准CaB与通过步骤S1检测的曲柄基准CrB进行比较的结果来计算凸轮相角。
在步骤S4，进行检查以确定引擎速度Ne是否小于或等于指定的引擎速度(即，预定的引擎速度阈值NTHR)。当步骤S4的答案为否定(否)，也就是说，Ne＞NTHR时，程序从步骤S4进行到步骤S5。相反，当步骤S4的答案为肯定(YES)，也就是说，Ne≤NTHR时，程序从步骤S4进行到步骤S6。
在步骤S5，根据普通凸轮相角检测方法(即，基于CaB-CrB比较的相角检测方法)，在检测下一凸轮基准CaB的正时更新凸轮相角，然后，程序返回步骤S1。
应注意到，根据实施例的相角检测装置，在Ne≤NTHR的情况下，通过如系列步骤S6-S10定义的改进凸轮相角检测方法(采用曲柄旋转角“内插”定时器)来检测或计算凸轮相角(凸轮轴4到曲柄轴1的相对旋转相位差)。
在步骤S6，控制器6的处理器检测在检测凸轮基准CaB的正时从凸轮角传感器8输出的凸轮角传感器电压信号的最大传感器信号值Vmax和最小传感器信号值Vmin(见图5)，其中，在算术和逻辑程序(图6的相角检测程序)的当前执行循环已通过步骤S2检测凸轮基准CaB。
在步骤S7，在算术上通过先前讨论的转换表达式，即，(凸轮角/V)＝(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(Vmax-Vmin)来计算凸轮角传感器电压信号输出的每次变化时的凸轮轴4的凸轮角，换言之，转换速度(凸轮角/V)，确切地说，每单位凸轮角传感器电压信号输出的凸轮轴旋转角。
在步骤S8，当检测凸轮基准CaB的正时(在曲柄角方面)从曲柄10° CA脉冲信号输出偏离(+α°CA)时，也就是说，当通过10度曲柄角(10° CA)加上某些额外角度(即，10° CA+α°CA)来表示检测曲柄10° CA脉冲信号输出之后的凸轮基准CaB的正时时，通过曲柄旋转角“内插，，定时器来计算所述额外角度(+α°CA)。这是因为：由于曲柄角传感器7和/或凸轮角传感器8的安装误差，检测曲柄10°CA脉冲的前沿(上升边沿)的正时(或检测曲柄10°CA脉冲的后沿(下降边沿)的正时)与检测凸轮基准CaB的正时并不总是彼此相等，结果，出现先前讨论的误差角“+α°CA”。如从图7可以看出：可通过“内插”定时器计算由于安装差错出现的误差角“+α°CA”。
在步骤S9，从检测凸轮基准CaB的正时开始，一检测出预定数量N个曲柄10° CA脉冲，就检测凸轮角传感器电压信号输出V，此外，基于下面的表达式在算术上计算距离检测的凸轮基准CaB的凸轮轴旋转角(凸轮角A)。应注意：还可对与缺失的锯齿部分(具有基本上相当于20° CA的圆周宽度的较宽曲柄标靶突起)相应的曲柄角传感器信号输出(零输出或没有脉冲信号输出)进行计数，并将其看作预定数量N个曲柄10° CA脉冲之一。
凸轮角A＝(凸轮角/V)×(V-Vmin)
其中，(凸轮角/V)指示转换速度，确切地说，每单位凸轮角传感器电压信号输出的凸轮轴旋转角，假设最大凸轮传感器信号值Vmax等于4V(4伏特)，最小凸轮传感器信号值Vmin等于1V(1伏特)，则转换速度(凸轮角/V)为80°CA。
在步骤S10，从检测凸轮基准CaB的正时开始，一检测出预定数量N个曲柄10° CA脉冲，就通过下面的表达式在算术上计算距离检测的凸轮基准CaB的曲柄轴1的旋转角(凸轮角A)。
曲柄角A＝(10°CA)×N-(α°CA)
其中，N指示曲柄10°CA脉冲的预定数量，α指示由于曲柄角传感器7和/或凸轮轴传感器8的安装误差而出现的安装误差角。
此外，在步骤S10，通过将计算出的曲柄角A(＝(10°CA)×N-(α°CA))与通过步骤S9获得的计算出的凸轮角A(＝(凸轮角/V)×(V-Vmin))进行比较来计算相角(即，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差)。由正号“+”指示的比较结果(计算结果)，即，凸轮轴4到曲柄轴1的正相位差表示相位超前。相反，由负号“-”指示的比较结果，即，凸轮轴4到曲柄轴1的负相位差表示相位延迟。通过新计算出的相角来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。
例如，假设在相角保持模式期间，检测凸轮基准CaB的正时从检测曲柄10° CA脉冲输出的正时偏离α＝8°CA，并且从检测凸轮基准CaB的正时开始检测和计数的曲柄10° CA脉冲的预定数量N被设置为4，则通过表达式A＝(10°CA)×4-(8°CA)＝32°CA，将曲柄轴1的旋转角(即，曲柄角A)计算为32° CA。另一方面，因为在相角保持模式中凸轮角传感器信号输出V＝1.4伏特(见图7)，所以通过表达式A＝(80°CA)×(1.4-1)＝32°CA，将凸轮轴4的旋转角(即，凸轮角A)计算为32°CA。因此，两者的差(凸轮角A-曲柄角A＝32°CA-32°CA)变为0°CA。在这种情况下，曲柄轴1的旋转角变得与凸轮轴4的旋转角相等，因此，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差变为0°CA。
在步骤S11，当检测下一凸轮基准CaB时，根据普通凸轮相角检测方法(即，基于CaB-CrB比较的相角检测方法)来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。同时，基于更新的相角来纠正相角检测误差。然后，程序从步骤S11返回步骤S3。在Ne≤NTHR的条件下重复执行系列步骤S6-S10(即，采用“内插”定时器的凸轮相角检测方法)，直到检测下一凸轮基准CaB。
通过不等式1≤N≤(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”，出现的数量)/(10°CA)-1来获得先前讨论的曲柄10°CA脉冲的预定数量N(图14的步骤S74-S75所需的)。在所示实施例中，凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量为“3”，因此，在指定的范围1≤N≤23内设置预定数量N。
如先前所述，根据参照图1-图7解释的实施例的相角检测装置，可检测凸轮标靶信号(该信号由凸轮标靶部分13的第一检测部件13a生成并能够以模拟信号的形式连续改变)，同时检测并采用用作最小检测循环的参考(REF)的曲柄10°CA脉冲信号。即使当曲柄轴1的旋转数量较低时，例如，即使在引擎速度从200rpm变动到400rpm的非常低速操作期间(诸如在曲柄传动期间)，也可显著提高凸轮轴4到曲柄轴1的相对旋转相位差的检测频率，由此避免凸轮相角的检测精度受曲柄轴1的旋转速度方面的正波动和负波动的不良影响。也就是说，可更加精确地检测凸轮轴4与曲柄轴1之间的相对旋转相位差。
结果，可增强相位改变机构5的操作响应，从而即使当曲柄传动和开启冷引擎时或者即使在空转期间，也能够快速达到最佳阀正时。这有助于减少引擎启动期间的废气排放，改进燃料节约，稳定空转速度，并增强车辆在车辆启动周期期间的加速能力。
现参照图8，示出第一改进相角检测程序。图8的第一改进相角检测程序也作为时间触发的中断程序而执行，该程序每隔预定的采样时间间隔(诸如10毫秒)被触发。图8的第一改进相角检测程序类似于图6的算术和逻辑处理，只是在图8的第一改进相角检测程序中，通过凸轮标靶部分13的第一检测部件13a检测的凸轮角检测值(即，凸轮角传感器电压信号输出V)的梯度Δv(稍后描述)被用于检测相位差。为此，用包括在图8所示的程序中的步骤S28-S31来替代包括在图6所示的程序中的步骤S8-S10。图8的第一改进程序的步骤S21-S27和S32等同于图6的程序的各个步骤S1-S7和S11。在这里，仅参照附图详细描述图8的区别步骤S28-S31，而因为上面对步骤S21-S27的描述已经能够说明问题，所以将省略对步骤S21-S27的详细描述。
在图8的步骤S28，从检测凸轮基准CaB的正时开始，一检测出预定数量N个曲柄10° CA脉冲，就检测凸轮角传感器信号值V(N)。在这一阶段，仅检测并存储凸轮角传感器电压信号输出V(N)(见图9)。
在步骤S29，从检测凸轮基准CaB的正时开始，一检测出预定数量N+1个曲柄10° CA脉冲，就检测凸轮角传感器信号值V(N+1)。
在步骤S30，在算术上计算V(N+1)和V(N)这两个信号的差值Δv(＝V(N+1)-V(N))，另外，通过下面的表达式在算术上计算曲柄10° CA旋转的凸轮轴旋转角(凸轮角B)。
凸轮角B＝(凸轮角/V)×(V(N+1)-V(N))＝(凸轮角/V)×Δv。
在步骤S31，因为(N+1)-N＝1，也就是说，只有一个表示10° CA旋转的10° CA脉冲输出的增加，所以从检测预定数量N个连续曲柄10° CA脉冲的正时到检测预定数量N+1个连续曲柄10°CA脉冲的正时之间曲柄轴1的旋转角(曲柄角B)总是被设置为10°CA。此外，在步骤S31，通过将曲柄角B(＝10°CA)与通过步骤S30获得的计算出的凸轮角B(＝(凸轮角/V)×Δv)进行比较，也就是说，通过从计算出的凸轮角B(＝(凸轮角/V)×Δv)减去曲柄角B(＝10°CA)来计算相角(即，凸轮轴4到曲柄轴1的相位差)。由正号“+”指示的比较结果(计算结果)，即，凸轮轴4到曲柄轴1的正相位差表示相位超前。相反，由负号“-”指示的比较结果，即，凸轮轴4到曲柄轴1的负相位差表示相位延迟。通过新计算出的相角来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。
例如，假设在相角保持模式期间，凸轮角传感器信号输出值V(N)为1.5伏特，凸轮角传感器信号输出值V(N+1)为1.625伏特，曲柄10°CA旋转(换言之，只有一个表示10° CA旋转的10° CA脉冲输出的增加)的电压差(或梯度或凸轮角传感器模拟信号的改变率)变为0.125伏特。因此，通过表达式B＝(80°CA)×(1.625-1.5)＝(80°CA)×(0.125)＝10°CA，将凸轮轴4的旋转角(即，凸轮角B)计算为10°CA。另一方面，将曲柄轴1的旋转角(即，曲柄角B)设置为10°CA。因此，两者之间的差(凸轮角B-曲柄角B＝10°CA-10°CA)变为0°CA。在这种情况下，曲柄轴1的旋转角变为与凸轮轴4的旋转角相等，因此，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差变为0°CA。
在步骤S32，当检测下一凸轮基准CaB时，根据普通凸轮相角检测方法(即，基于CaB-CrB比较的相角检测方法)来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。同时，基于更新的相角来纠正相角检测误差。然后，程序从步骤S32返回步骤S23。在Ne≤NTHR的条件下重复执行包括在采用凸轮角传感器信号输出V的梯度Δv(每10°CA)的第一改进凸轮相角检测方法中的系列步骤S26-S31，直到检测下一凸轮基准CaB。
根据图8到图9的第一改进相角检测程序，可在算术上对于每个10°曲柄角计算凸轮角(即，凸轮角传感器模拟信号输出V)检测值的梯度(电压差)Δv。因此，当就在检测凸轮基准CaB的正时之后检测曲柄10°CA脉冲信号输出时，可增强凸轮相角检测的精度(相位差检测的精度)，然而，却没有相角差信息数据的输出。为此，如果控制器6具有足够的处理能力，则仅当就在检测凸轮基准CaB之后检测曲柄10°CA脉冲信号输出时，可结合使用先前讨论的采用曲柄旋转角“内插”定时器的凸轮相角检测方法。这进一步改进了凸轮相角的检测精度。
通过不等式1≤N≤(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(10°CA)-1来获得先前讨论的曲柄10°CA脉冲的预定数量N(图8的步骤S28-S29所需的)。在所示实施例中，凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量为“3”，因此，在指定的范围1≤N≤23内设置预定数量N。
现参照图10A和图10B，其示出根据图8的第一改进相角检测程序生成的凸轮角传感器信号波形，以及在三种不同的凸轮相位模式(即，在相角保持模式、相位超前模式、相位延迟模式下)下的凸轮相角改变。为了简明，基于以下假设示出图10A到图10B的三种特征：VTC在第一240°曲柄角范围内维持在相角保持模式，在第二240°曲柄角范围内相位超前，在第三240°曲柄角范围内相位延迟。
从相角保持模式期间第一240°曲柄角范围内凸轮角传感器电压信号输出V的向上倾斜的特性可看出：通过4V/240°CA＝0.0125V/1°CA＝0.125V/10°CA来表示凸轮角传感器电压信号输出V的梯度。因此，由于凸轮角/V＝80°CA/V，所以通过表达式：凸轮角B＝(凸轮角/V)×Δv ＝(80 °CA/V)×(0.125V)＝10 °CA(每10 °曲柄角)，将凸轮角B计算为10°CA。也就是说，在相位保持模式期间，每10 °曲柄角更新的梯度(电压差)Δv被固定到0.125V/10°CA，因此，所述差(凸轮角B-曲柄角B＝10°CA-10°CA)变为0°CA，结果，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差也变为0°CA。
从相角提前模式期间第二240°曲柄角范围内凸轮角传感器电压信号输出V的多变向上倾斜的特性可看出：通过(3.5V-1.5V)/80°CA＝2V/80°CA＝0.025V/1°CA＝0.25V/10°CA来表示凸轮角传感器电压信号输出V的梯度。因此，由于凸轮角/V＝80°CA/V，所以通过表达式：凸轮角B＝(凸轮角/V)×Δv＝(80°CA/V)×(0.25V)＝20°CA(每10°曲柄角)，将凸轮角B计算为20°CA。也就是说，在相位超前模式期间，每10°曲柄角更新的梯度(电压差)Δv被设置为0.25V/10°CA，因此，所述差(凸轮角B-曲柄角B＝20°CA-10°CA)变为+10°CA(每10°曲柄角)。如图10A可清楚看出的那样，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差也变为+10°CA(每10°曲柄角)。结果，凸轮相角变为提前10°CA(每10°曲柄角)，在与8个连续曲柄10°CA脉冲相应的时间间隔连续检测相位超前状态，因此，VTC装置的相位超前角变为(+10°CA)×8＝+80°CA。
相反，从相角提前延迟期间第三240°曲柄角范围内凸轮角传感器电压信号输出V的水平延伸特性线可看出：通过(2V-2V)/80°CA＝0V/80°CA＝0V/10° CA来表示凸轮角传感器电压信号输出V的梯度。因此，通过表达式：凸轮角B＝(凸轮角/V)×Δv＝(80°CA/V)×(0V)＝0°CA，将凸轮角B计算为0°CA。也就是说，在相位延迟模式期间，每10°曲柄角更新的梯度(电压差)Δv被设置为0V/10°CA，因此，所述差(凸轮角B-曲柄角B＝0°CA-10°CA)变为-10°CA(每10°曲柄角)，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差也变为-10°CA(每10°曲柄角)。结果，凸轮相角变为推延10°CA(每10°柄角)。如图10A清楚示出的那样，在与8个连续曲柄10°CA脉冲(包含与缺失的锯齿部分相应的零脉冲信号输出)相应的时间间隔连续检测相位延迟状态，因此，VTC装置的相位延迟角变为(-10°CA)×8＝-80°CA。
如先前参照图8到图10B所解释的，根据采用凸轮角传感器信号输出V的梯度Δv(每10°CA)的第一改进相角检测方法，每次检测曲柄10°CA脉冲，可检测凸轮轴4与曲柄轴1之间的相对旋转相位差，由此改进检测凸轮相角的精度。
现参照图11，其示出在近似200rpm的引擎曲柄传动期间，通过图6的相角检测方法或通过图8的笫一改进相角检测方法获得的阶跃响应波形。在图11中，由粗实线指示的矩形相应于凸轮角传感器8的凸轮标靶11的形状，而细实线指示凸轮轴4到曲柄轴1的实际相角。如通过图1的阶跃响应特征可理解：通过使用图6和图8所示的改进相角检测方法，凸轮标靶11的形状和凸轮相角的实际波形匹配良好并基本上彼此等同。因此，图6和图8所示的改进相角检测方法均实现更精确的相角检测。
现参照图12，其示出第二改进相角检测程序。图12的第二改进相角检测程序也作为时间触发的中断程序而执行，该程序每隔预定的采样时间间隔(诸如10毫秒)被触发。基本上，图12的第二改进相角检测程序类似于图6的算术和逻辑处理。然而，图12的第二改进相角检测程序某种程度上不同于图6的程序，所述不同在于：通过步骤S46进一步执行对从曲柄角传感器7产生的曲柄10°CA脉冲的检测数量的稀疏处理。图12的第二改进程序的步骤S41-S45和S47-S50等同于图6的程序的相应步骤S1-S3和S6-S11。以下将仅参照附图详细描述图12的区别步骤S46，而因为上面对所述步骤的描述已经能够说明问题，所以将省略对步骤S41-S45和S47-S50的详细描述。
在步骤S41，检测曲柄基准CrB。在步骤S42，检测凸轮基准CaB。在步骤S43，通过基于CaB-CrB比较的普通相角检测方法来计算凸轮相角(凸轮轴4到曲柄轴1的相对旋转相位差)。在步骤S44，控制器6的处理器在检测凸轮基准CaB的正时检测从凸轮角传感器8输出的凸轮角传感器电压信号输出的最大传感器信号值Vmax和最小传感器信号值Vmin(见图5)。在步骤S45，通过先前讨论的转换表达式，即，(凸轮角/V)＝(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(Vmax-Vmin)在算术上计算每单位凸轮角传感器电压信号输出的凸轮轴旋转角。
在步骤S46，通过下面的不等式来确定稀疏处理的稀疏数量NTHIN。也就是说，将满足以下不等式的最大整数确定为稀疏数量NTHIN。
NTHIN＜(Tcon×Ne×360°)/(60×(可检测的最小曲柄角))，其中，Tcon指示控制循环(即，预定的采样时间间隔，诸如10毫秒)，Ne指示引擎速度，并且(可检测的最小曲柄角)在该实施例的控制系统中为10°CA。
例如，假设引擎速度Ne为1000rpm，并且控制执行循环Tcon为10毫秒(即，1/100秒)，则通过不等式NTHIN＜(1/100×1000×360°)/(60×10°)＝6来表示稀疏数量NTHIN。因此，在Ne＝1000rpm的情况下，满足不等式NTHIN＜6的正整数为5、4、3、2、1，因此，这些整数的最大值为“5”。相反，假设引擎速度Ne为200rpm(例如，在曲柄传动期间)，并且控制执行循环Tcon为10毫秒(即，1/100秒)，则通过不等式NTHIN＜(1/100×200×360°)/(60×10°)＝1.2来表示稀疏数量NTHIN。因此，在Ne＝200rpm的情况下，满足不等式NTHIN＜1.2的正整数为1，结果，将稀疏数量NTHIN确定为“1”。因此，稀疏处理的稀疏数量NTHIN倾向于随着引擎速度Ne的增加而增加。更具体地说，关于对从曲柄角传感器7产生的曲柄10°CA脉冲的检测数量的稀疏处理，如先前所讨论的，在1000rpm的引擎速度Ne下，将稀疏数量NTHIN确定或设置为“5”。在这种情况下，根据稀疏处理，控制器6省略从首次检测曲柄10°CA脉冲(例如，第一脉冲输出)到下次检测曲柄10°CA脉冲(例如，第七脉冲输出)之间的检测5个连续曲柄10°CA脉冲的操作。这是因为：在引擎速度Ne为1000rpm时，每秒钟出现10°CA脉冲的数量是600，换言之，1/600秒存在一个10°CA脉冲输出(即，1.6667毫秒出现一个脉冲输出)。另一方面，控制执行循环是10毫秒。如从控制执行循环(10毫秒)与10°CA脉冲输出的频率(引擎速度Ne为1000rpm时为1.6667毫秒)的比较可认识到：不必要检测从曲柄角传感器7产生的所有10°CA脉冲。由于上述原因，步骤S46的稀疏处理具有优点和成效，从而减少了控制器6的任何电路上的负荷。在实施例的控制系统中，在大于或等于预定速度值的曲柄轴1的旋转速度范围之内循环执行图12的步骤S46的稀疏处理。
通过与图6的程序的步骤S8-S10相同的方式，图12的第二改进程序的步骤S47-S49实现采用“内插”定时器的凸轮相角检测方法。然后，在步骤S50，当检测下一凸轮基准CaB时，根据普通凸轮相角检测方法(即，基于CaB-CrB比较的相角检测方法)来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。同时，基于更新的相角来纠正相角检测误差。然后，程序从步骤S50返回步骤S43。重复执行被包括在包括稀疏处理并采用“内插”定时器的第二改进凸轮相角检测方法中的系列步骤S44-S49，直到检测下一凸轮基准CaB。
通过不等式1≤N≤(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(10°CA)-1来获得先前讨论的曲柄10°CA脉冲的预定数量N(图12的步骤S48-S49所需)。在所示实施例中，凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量为“3”，因此，在指定的范围1≤N≤23内设置预定数量N。
现参照图13，其示出第三改进相角检测程序。图13的第三改进相角检测程序也作为时间触发的中断程序而执行，该程序每隔预定的采样时间间隔(诸如10毫秒)被触发。图13的第三改进相角检测程序是图12的步骤S41-S46与图8的步骤S28-S32的组合程序。图13的第三改进程序的步骤S51-S56等同于图12的程序的各个步骤S41-S45，而图13的第三改进程序的步骤S57-S61等同于图8的程序的各个步骤S28-S32。因此，因为上面对所述步骤的描述已经能够说明问题，所以将省略对步骤S51-S61的详细描述。
在步骤S51，检测曲柄基准CrB。在步骤S52，检测凸轮基准CaB。在步骤S53，通过基于CaB-CrB比较的普通相角检测方法来计算凸轮相角(凸轮轴4到曲柄轴1的相对旋转相位差)。在步骤S54，控制器6的处理器在检测凸轮基准CaB的正时检测从凸轮角传感器8输出的凸轮角传感器电压信号输出的最大传感器信号值Vmax和最小传感器信号值Vmin(见图5)。在步骤S55，通过先前讨论的转换表达式，即，凸轮角/V＝(720° CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(Vmax-Vmin)在算术上计算每单位凸轮角传感器电压信号输出的凸轮轴旋转角。在步骤S56，通过下面的不等式来确定对从曲柄角传感器7产生的曲柄10°CA脉冲的检测数量的稀疏处理的稀疏数量NTHIN：NTHIN＜(Tcon×Ne×360°)/(60×(可检测的最小曲柄角CAmin))，其中，Tcon指示控制执行循环(即，预定的采样时间间隔，诸如10毫秒)，Ne指示引擎速度，并且(可检测的最小曲柄角)在该实施例的控制系统中为10°CA。
然后，在图13的步骤S57，从检测凸轮基准CaB(通过步骤S52检测)的正时开始，一检测出预定数量N个曲柄10°CA脉冲，就检测凸轮角传感器信号值V(N)。在步骤S58，从检测凸轮基准CaB(通过步骤S52检测)的正时开始，一检测出预定数量N+1个曲柄10°CA脉冲，就检测凸轮角传感器信号值V(N+1)。在步骤S59，在算术上计算V(N+1)和V(N)这两个信号的差值Δv(＝ V(N+1)-V(N))，另外，通过下面的表达式在算术上计算曲柄10°CA旋转的凸轮角B：凸轮角B＝(凸轮角/V)×(V(N+1)-V(N))＝(凸轮角/V)×Δv。在步骤S60，因为(N+1)-N＝1，所以从检测预定数量N个连续曲柄10°CA脉冲的正时到检测预定数量N+1个连续曲柄10°CA脉冲的正时之间曲柄轴1的旋转角(曲柄角B)总是被设置为10°CA。此外，在步骤S60，通过将曲柄角B(＝10°CA)与通过步骤S59获得的计算出的凸轮角B(＝(凸轮角/V)×Δv)进行比较，也就是说，通过从计算出的凸轮角B(＝(凸轮角/V)×Δv)减去曲柄角B(＝10°CA)来计算相角(即，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差)。然后，通过新计算出的相角来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。在步骤S61，当检测下一凸轮基准CaB时，根据普通凸轮相角检测方法(即，基于CaB-CrB比较的相角检测方法)来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。同时，基于更新的相角来纠正相角检测误差。然后，程序从步骤S61返回步骤S53。重复执行被包括在包括稀疏处理并采用凸轮角传感器信号输出V的梯度Δv(每10° CA)的组合凸轮相角检测方法中的系列步骤S54-S60，直到检测下一凸轮基准CaB。
通过不等式1≤N≤(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(10°CA)-1来获得先前讨论的曲柄10°CA脉冲的预定数量N(图13的步骤S57-S58所需)。在所示实施例中，凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量为“3”，因此，在指定的范围1≤N≤23内设置预定数量N。
现参照图14，其示出第四改进相角检测程序。图14的第四改进相角检测程序也作为时间触发的中断程序而执行，该程序每隔预定的采样时间间隔(诸如10毫秒)被触发。在从凸轮角传感器8产生的传感器信号值V取决于引擎速度Ne的改变而改变的前提下设计并配置先前讨论的图6、图8、图12和图13中所示的相角检测方法。相反，图14的第四改进相角检测程序(第四改进相角检测方法)采用激光位移计，其缺口检测信号输出不受引擎速度Ne改变(即，凸轮标靶11的通过时间)的影响。这种激光位移计可不考虑引擎速度Ne(曲柄轴1的旋转速度)的影响而产生恒定信号输出。基本上，图14的第四改进程序类似于图8的第一改进相角检测方法。通过将激光位移计用作凸轮角传感器8，没有必要在曲柄基准CrB与凸轮基准CaB之间进行比较。因此，图14的第四改进程序仅由与图8的程序的各个步骤S22和S26-S31相应的步骤S71-S77构建，取消图8的程序的步骤S21、S23-S25以及S32。
在步骤S71，基于来自激光位移计(用作凸轮角传感器8)的信号来检测凸轮基准CaB。在步骤S72，控制器6的处理器在检测凸轮基准CaB的正时从激光位移计(用作凸轮角传感器8)检测最大凸轮角传感器信号值Vmax和最小凸轮角传感器信号值Vmin(见图5)，其中，已经通过步骤S71检测出凸轮基准CaB。图14的第四改进程序的步骤S73-S77等同于图8的第一改进程序的步骤S27-S31，均采用凸轮角传感器信号输出V的梯度Δv(每10°CA)。也就是说，在步骤S73，在算术上通过转换表达式：(凸轮角/V)＝(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(Vmax-Vmin)来计算每单位凸轮角传感器电压信号输出的凸轮轴旋转角。在步骤S74，从检测凸轮基准CaB的正时开始，一检测出预定数量N个曲柄10°CA脉冲，就检测凸轮角传感器信号值V(N)。在这一阶段，仅检测并存储凸轮角传感器电压信号输出V(N)(见图9)。在步骤S75，从检测凸轮基准CaB的正时开始，一检测出预定数量N+1个曲柄10°CA脉冲，就检测凸轮角传感器信号值V(N+1)。在步骤S76，在算术上计算V(N+1)和V(N)这两个信号的差值Δv(＝V(N+1)-V(N))，另外，通过下面的表达式在算术上计算曲柄10°CA旋转的凸轮轴旋转角(凸轮角B)：凸轮角B ＝(凸轮角/V)×(V(N+1)-V(N))＝(凸轮角/V)×Δv。在步骤S77，因为(N+1)-N＝1，所以从检测预定数量N个连续曲柄10° CA脉冲的正时到检测预定数量N+1个连续曲柄10°CA脉冲的正时之间曲柄轴1的旋转角(曲柄角B)总是被设置为10°CA。此外，在步骤S77，通过将曲柄角B(＝10°CA)与通过步骤S76获得的计算出的凸轮角B(＝(凸轮角/V)×Δv)进行比较，也就是说，通过从计算出的凸轮角B(＝(凸轮角/V)×Δv)减去曲柄角B(＝10°CA)来计算相角(即，凸轮轴4相对于曲柄轴1的相位差)。由正号“+，，指示的比较结果(计算结果)，即，凸轮轴4到曲柄轴1的正相位差表示相位超前，而由负号“-”指示的比较结果，即，凸轮轴4到曲柄轴1的负相位差表示相位延迟。通过新计算出的相角来更新涉及相位差(或凸轮相角)的信息数据。
通过不等式1≤N≤(720°CA/凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量)/(10°CA)-1来获得先前讨论的曲柄10° CA脉冲的预定数量N(图14的步骤S74-S75所需的)。在所示实施例中，凸轮轴的每一次旋转中凸轮基准“CaB”出现的数量为“3”，因此，在指定的范围1≤N≤23内设置预定数量N。
在实施例的相角检测装置中，将凸轮角传感器8的凸轮标靶11配置为具有三个第一检测部件13a、13a、13a以及三个第二检测部件13b、13b、13b。在其替代方案中，可将凸轮标靶11配置为仅具有一个第一检测部件13a并仅具有一个第二检测部件13b。或者，可将凸轮标靶11配置为具有沿圆周等距离间隔的两个标靶部分13，它们均具有第一检测部件13a和第二检测部件13b。在所示实施例中，第一检测部件13a具连续的圆弧形弯曲。应认识到：第一检测部件13a的形状并不受限于这里示出和描述的具体实施例，而是如果第一检测部件13a的形状是连续的形状，则可使用任何种类的形状。
尽管将实施例的相角检测装置在内燃机的可变阀正时控制(VTC)系统中作为示例，但是实施例的相角检测装置的应用并不仅限于VTC系统。可将实施例的相角检测装置应用于任何种类的具有两个旋转轴的设备/装置，所述两个旋转轴中的一个为传动轴，另一个为从动轴，以便检测从动轴到传动轴的相对旋转相位差。
在所示实施例中，以脉冲信号(确切地说，用作最小检测循环的参考的曲柄10°CA脉冲信号)的形式从曲柄角检测元件10输出曲柄轴1的旋转角。在其替代方案中，可将曲柄角传感器7配置为类似于如图4所示的凸轮角传感器8的模拟信号发生器。
通过引用将第2006-198828号(2006年7月21日提交)的日本专利申请的全部内容合并于此。
尽管以上描述了本发明中实施的优选实施例，但是应理解：本发明并不受限于这里示出和描述的具体实施例，而是，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种改变和修改。

Claims (15)

1.一种相角检测装置，包括：
传动轴角检测元件(10)，被配置以通过预定的传动轴标靶(9)来检测传动轴(1)的旋转位置；
从动轴标靶(11)，固定地与由传动轴(1)驱动的从动轴(4)连接，并具有第一检测部件(13a)和至少一个第二检测部件(13b)，其中，第一检测部件(13a)的检测位置连续改变，第二检测部件(13b)的检测位置非连续地改变，第二检测部件(13b)形成于第一检测部件(13a)的一端处；以及
从动轴角检测元件(12)，被配置以检测从动轴标靶(11)的位移，
其中，相角检测装置基于来自从动轴角检测元件(12)的输出信号(V)来检测从动轴(4)的旋转角，基于来自传动轴角检测元件(10)的输出信号来检测传动轴(1)的旋转角，并基于检测的从动轴(4)的旋转角以及检测的传动轴(1)的旋转角来检测从动轴(4)相对于传动轴(1)的相角。
2.如权利要求1所述的相角检测装置，其中：
将从动轴标靶(11)配置为沿从动轴(4)的径向方向突起，并且沿从动轴(4)的径向布置从动轴角检测元件(12)。
3.如权利要求1所述的相角检测装置，其中：
将从动轴标靶(11)配置为安装在从动轴(4)的轴端，沿从动轴(4)的轴方向布置从动轴角检测元件(12)。
4.如权利要求1所述的相角检测装置，其中：
将相角检测装置配置为：在算术上计算基于检测的从动轴(4)的旋转角和检测的传动轴(1)的旋转角而检测的从动轴(4)相对于传动轴(1)的相角。
5.如上述权利要求1-4中的任何一个所述的相角检测装置，其中：
从传动轴角检测元件(10)作为模拟信号输出传动轴(1)的旋转角。
6.如上述权利要求1-4中的任何一个所述的相角检测装置，其中：
从传动轴角检测元件(10)作为脉冲信号输出传动轴(1)的旋转角。
7.如权利要求6所述的相角检测装置，其中：
在高于传动轴(1)的预定速度的速度范围之内，对从传动轴角检测元件(10)输出的、预定正时的脉冲信号进行稀疏处理。
8.一种相角检测装置，包括：
传动轴角检测元件(10)，被配置以通过预定的传动轴标靶(9)来检测传动轴(1)的旋转位置；
从动轴标靶(11)，固定地与由传动轴(1)驱动的从动轴(4)连接，并具有第一检测部件(13a)和至少一个第二检测部件(13b)，其中，第一检测部件(13a)的检测位置连续改变，第二检测部件(13b)的检测位置非连续地改变，第二检测部件(13b)形成于第一检测部件(13a)的一端处；
从动轴角检测元件(12)，被配置以检测从动轴标靶(11)的位移；以及
控制器(6)，被配置以基于来自从动轴角检测元件(12)的输出信号(V)来检测从动轴(4)的旋转角，基于来自传动轴角检测元件(10)的输出信号来检测传动轴(1)的旋转角，并基于检测的从动轴(4)的旋转角以及检测的传动轴(1)的旋转角来检测从动轴(4)相对于传动轴(1)的相角。
9.一种内燃机阀正时控制设备，其采用相位改变机构(5)，用于通过根据引擎操作条件改变凸轮轴(4)与曲柄轴(1)之间的相对旋转相位来变化地调整引擎阀正时，并采用控制器(6)，所述控制器(6)被配置以检测凸轮轴(4)与曲柄轴(1)之间的相对旋转相位差，并将基于检测的相位差的驱动信号输出到相位改变机构(5)，所述阀正时控制设备包括：
曲柄角检测元件(10)，被配置以通过预定的曲柄标靶(9)来检测曲柄轴(1)的旋转位置；
凸轮标靶(11)，固定地与由曲柄轴(1)驱动的凸轮轴(4)连接，并具有第一检测部件(13a)和至少一个第二检测部件(13b)，其中，第一检测部件(13a)的检测位置连续改变，第二检测部件(13b)的检测位置非连续地改变，第二检测部件(13b)形成于第一检测部件(13a)的一端处；以及
凸轮角检测元件(12)，被配置以检测凸轮标靶(11)的位移，
其中，所述控制器(6)被配置以基于来自凸轮角检测元件(12)的输出信号(V)来检测凸轮轴(4)的旋转角，基于来自曲柄角检测元件(10)的输出信号来检测曲柄轴(1)的旋转角，并基于检测的凸轮轴(4)的旋转角以及检测的曲柄轴(1)的旋转角来检测凸轮轴(4)相对于曲柄轴(1)的相角。
10.一种内燃机阀正时控制设备，包括：
曲柄角检测元件(10)，被配置以通过预定的曲柄标靶(9)来检测曲柄轴(1)的旋转位置；
凸轮标靶(11)，固定地与由曲柄轴(1)驱动的凸轮轴(4)连接，并具有第一检测部件(13a)和至少一个第二检测部件(13b)，其中，第一检测部件(13a)的检测位置连续改变，第二检测部件(13b)的检测位置非连续地改变，第二检测部件(13b)形成于第一检测部件(13a)的一端处；
凸轮角检测元件(12)，被配置以检测凸轮标靶(11)的位移；
控制器(6)，被配置以基于来自凸轮角检测元件(12)的输出信号(V)来检测凸轮轴(4)的旋转角，基于来自曲柄角检测元件(10)的输出信号来检测曲柄轴(1)的旋转角，并基于检测的凸轮轴(4)的旋转角以及检测的曲柄轴(1)的旋转角来检测凸轮轴(4)相对于曲柄轴(1)的相角；以及
相位改变机构(5)，用于响应于从控制器(6)产生并基于检测的相角所确定的控制信号来改变凸轮轴(4)相对于曲柄轴(1)的相角。
11.如权利要求10所述的相角检测装置，其中，还对控制器(6)编程以用于：
(a)基于由于第二检测部件(13b)而从凸轮角检测元件(12)产生的输出信号(V)，检测凸轮角基准位置(CaB)；以及
(b)基于由于第一检测部件(13a)而从凸轮角检测元件(12)产生的输出信号(V)，通过进行内插检测凸轮轴(4)在两个连续检测的凸轮角基准位置(CaB)之间的中间旋转角。
12.如权利要求10所述的相角检测装置，其中，还对控制器(6)编程以用于：
(a)基于由于第二检测部件(13b)而从凸轮角检测元件(12)产生的输出信号(V)，检测凸轮角基准位置(CaB)；以及
(b)基于由于第一检测部件(13a)而从凸轮角检测元件(12)产生的输出信号(V)，通过改变率(Δv)检测凸轮轴(4)在两个连续检测的凸轮角基准位置(CaB)之间的中间旋转角。
13.如上述权利要求10-12中的任何一个所述的相角检测装置，其中：
曲柄角检测元件(10)包括脉冲生成器；并且
还对控制器(6)编程以用于：
在高于曲柄轴(1)的预定速度的速度范围之内，对从曲柄角检测元件(10)输出的、预定正时的脉冲信号进行稀疏处理。
14.如权利要求13所述的相角检测装置，其中，还对控制器(6)编程以用于：
通过下面的不等式来计算用于对从曲柄角检测元件(10)输出的脉冲的检测进行稀疏处理的稀疏数量：NTHIN＜(Tcon×Ne×360°)/(60×CAmin)，其中，Tcon指示控制执行循环，Ne指示引擎速度，并且CAmin指示可检测的最小曲柄角；以及
将满足所述不等式的最大整数确定为稀疏数量。
15.如权利要求14所述的相角检测装置，其中，还对控制器(6)编程以用于：
相应于所确定的稀疏数量对连续产生的脉冲的检测循环地进行稀疏。
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