CN101410607B - 可变气门正时设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

在基准位置学习时，致动器的操作量被设定为使得进气门相位改变到在进气门相位的改变量相对于致动器操作量较小的区域中的最大延迟角的位置(S110)。当进气门相位达到最大延迟角的位置并且进气门相位的改变停止(在S140为“是”)时，判定为进气门相位已经达到作为基准相位的最大延迟角的位置，并且学习完成。此外，响应于学习的完成，停止对作为致动器的电动机的电力供应。结果，在用于确保检测气门开启/关闭正时的精度的基准位置学习时，可以减小电力消耗，并可以保护设备。

Description

可变气门正时设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及可变气门正时设备。具体而言，本发明涉及具有将气门开启/关闭的正时改变根据致动器操作量的改变量的机构的可变气门正时设备。
背景技术
传统上已知VVT(可变气门正时)设备，VVT设备根据运行状况来改变进气门或排气门开启/关闭的正时，即，开启/关闭相位(曲轴转角)。通常，在可变气门正时设备中，通过使凸轮轴相对于链轮等旋转来改变相位，所述凸轮轴使进气门或排气门开启/关闭。由例如液压机构或电动机作为致动器来使凸轮轴旋转。
为了使用这种可变气门正时设备来精确地控制气门开启/关闭相位(气门正时)，需要防止在检测气门开启/关闭的实际相位中的误差。为了减小检测误差，已经有通用的实践方法来将气门开启/关闭正时设定在受到机械限制的规定基准位置，并将此时的气门开启/关闭正时的检测值的误差学习为偏移量(参见日本专利公开No.2004-340013和日本专利公开No.2004-156461)。
在专利文献1(日本专利公开No.2004-340013)所揭示的进气门驱动设备中，通过增加一个或多个学习校正值来设定目标工作角和目标相位，从而校正可变气门控制中的变动。具体而言，根据专利文献1，在低速、低负荷侧进行用于更新学习校正值的学习操作时，提高了抑制变动的效果。
在专利文献2(日本专利公开No.2004-156461)所揭示的可变气门正时设备中，在规定学习条件(例如，每次发动机运行开始)下学习气门正时的基准位置，以确保实际气门正时的精确检测。此外，根据该公开，在学习未完成时，判断为检测精度较低，并限制气门正时的改变率。因此，可以防止由可动部分高速撞击止挡部等引起的对设备的损害。
作为一种可变气门正时设备，已经使用了下列机构：在操作用于改变气门正时的可动部分的致动器停止时，由弹簧等推压可动部分，或者由锁止销等限制可动部分的操作，使得气门正时自动返回到基准位置。在这种机构中，在这种返回发生时自然完成了基准位置学习。
在具有其中将气门正时改变根据致动器的操作量的量并且在致动器停止时固定气门正时的机构的可变气门正时设备中，考虑到保护设备以及致动器的操作能量(电力消耗)，需要执行基准位置学习以确保检测实际气门正时的精度。上述专利文献1和2未基于这个角度描述基准位置学习的任何具体内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变气门正时设备等，其实现了在用于确保检测气门正时的精度的基准位置学习期间对设备的保护和电力消耗的减小。
本发明提供了一种可变气门正时设备，其用于改变设置在发动机中的进气门和排气门中至少一者的开启/关闭正时，所述可变气门正时设备包括致动器、改变机构、基准位置学习部分和电力供应停止部分。致动器操作可变气门正时设备。改变机构将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的改变量。具体地，改变机构被构造为当所述开启/关闭正时在第一区域中时将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的第一改变量，并且当所述开启/关闭正时在与所述第一区域不同的第二区域中时将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的第二改变量，所述第二改变量大于所述第一改变量。基准位置学习部分被构造为产生致动器操作命令使得将所述开启/关闭正时改变为所述第一区域内的规定正时，并且响应于所述开启/关闭正时达到所述规定正时而学习所述开启/关闭正时的基准正时。电力供应停止部分被构造为当由所述基准位置学习部分对所述基准正时的学习完成时停止对所述致动器的电力供应。
可选地，本发明提供了一种可变气门正时设备，其用于改变设置在发动机中的进气门和排气门中至少一者的开启/关闭正时，所述可变气门正时设备包括致动器、改变机构和控制单元。致动器操作可变气门正时设备。改变机构将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的改变量。具体地，改变机构被构造为当所述开启/关闭正时在第一区域中时将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的第一改变量，并且当所述开启/关闭正时在与所述第一区域不同的第二区域中时将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的第二改变量，所述第二改变量大于所述第一改变量。控制单元控制可变气门正时设备的操作。具体地，控制单元产生致动器操作命令使得所述开启/关闭正时改变为第一区域内的规定正时，并且响应于所述开启/关闭正时达到所述规定正时而学习所述开启/关闭正时的基准正时，并且当对所述基准正时的学习完成时停止对所述致动器的电力供应。
本发明还提供了一种控制可变气门正时设备的方法，所述可变气门正时设备用于改变设置在发动机中的进气门和排气门中至少一者的开启/关闭正时，并且所述可变气门正时设备包括操作所述可变气门正时设备的致动器以及改变机构，所述改变机构将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的改变量。改变机构被构造为当所述开启/关闭正时在第一区域中时将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的第一改变量，并且当所述开启/关闭正时在与所述第一区域不同的第二区域中时将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的第二改变量，所述第二改变量大于所述第一改变量。控制方法包括基准位置学习步骤和电力供应停止步骤。在基准位置学习步骤中，产生致动器操作命令使得所述开启/关闭正时改变为所述第一区域内的规定正时，并且响应于所述开启/关闭正时达到所述规定正时而学习所述开启/关闭正时的基准正时。在电力供应停止步骤中，当在所述基准位置学习步骤中的所述基准正时的学习完成时，停止向所述致动器供应电力。
根据可变气门正时设备或其控制方法，基准位置学习完成时的开启/关闭正时(气门正时)处于开启/关闭正时的改变量相对于致动器操作量较小的区域(第一区域)中。因而，即使当致动器操作在学习完成之后被不很精确地控制时，也能维持学习完成时的气门正时。结果，可以响应于基准位置学习的完成停止对致动器的电力供应，因而，当执行基准位置学习时，能够减小电力消耗并保护设备。
优选地，在本发明的可变气门正时设备中，改变机构被构造成在规定正时以机械的方式限制开启/关闭正时的变化。此外，基准位置学习部分包括检测部分。所述检测装置在产生用于将所述开启/关闭正时改变为所述规定正时的操作命令期间，当所述开启/关闭正时的改变量达到大约零时，检测到所述开启/关闭正时已经达到所述规定正时。或者，所述控制单元在产生用于将所述开启/关闭正时改变为所述规定正时的操作命令期间，当所述开启/关闭正时的改变量达到大约零时，检测到所述开启/关闭正时已经达到所述规定正时。
优选地，在根据本发明的控制可变气门正时设备的方法中，改变机构被构造成在规定正时以机械的方式限制开启/关闭正时的变化，并且基准位置学习步骤包括检测步骤。在检测步骤中，在产生用于将所述开启/关闭正时改变为所述规定正时的操作命令期间，当所述开启/关闭正时的改变量达到大约零时，检测到所述开启/关闭正时已经达到所述规定正时。
根据该可变气门设备或其控制方法，在基准位置学习时开启/关闭正时(气门正时)的变化被机械地限制。因此，通过监控在基准位置学习时气门正时的改变量是否大约为零，可以迅速检测学习的完成。此外，在这种机构中，在气门正时的改变被机械地限制时由致动器引起的热产生和能量消耗增大，所以通过停止向致动器供应电力带来的电力消耗减小和保护设备的效果尤为重要。
此外，在根据本发明的可变气门正时设备或其控制方法中，与由所述改变机构改变的所述开启/关闭正时的可变范围的限制位置相对应地设定所述规定正时。
根据该可变气门正时设备或其控制方法，可以通过利用开启/关闭正时(气门正时)的可变范围的限制位置(例如最大延迟角的相位)，无需增加任何特定机构就能执行基准位置学习。
可选地或者更优选地，在根据本发明的可变气门正时设备或其控制方法中，所述致动器由电动机实现，并且所述致动器的操作量是所述电动机的转速相对于凸轮轴的转速的差，所述凸轮轴驱动其开启/关闭正时被改变的所述气门。
根据该可变气门正时设备或其控制方法，在其中电动机是致动器并且致动器的操作量是电动机的转速相对于凸轮轴(其旋转在发动机停止时停止)的转速的差的构造中，当基准位置学习完成时停止对电动机的电力供应，由此在学习时能减小电力消耗并保护设备。
因此，本发明的主要优点在于，在确保检测气门开启/关闭正时(气门正时)时的精度的基准位置学习期间，能够减小电力消耗并能够保护设备。
附图说明
图1的示意图示出了其上安装根据本发明第一实施例的可变气门正时设备的车辆的发动机的构造。
图2示出了对进气门的相位进行界定的对照图。
图3是示出进气VVT机构的截面。
图4是沿图3中的A-A的截面。
图5是沿图3中的B-B的(第一)截面。
图6是沿图3中的B-B的(第二)截面。
图7是沿图3中的C-C的截面。
图8是沿图3中的D-D的截面。
图9示出了进气VVT机构整体的减速比。
图10示出了引导板相对于链轮的相位与进气凸轮轴的相位之间的关系。
图11的示意性框图图示了由根据本发明实施例的可变气门正时设备执行的进气门相位的控制结构。
图12的框图图示了作为根据本实施例的可变气门正时设备的致动器的电动机的转速控制。
图13的示意图表示电动机的转速控制。
图14的流程图表示根据本发明实施例的可变气门正时设备的基准位置学习。
图15是在图14所示的基准位置学习期间的波形图。
具体实施方式
以下将参考附图对本发明的实施例进行说明。在以下说明中，相似的部件由相似的标号表示。它们的名称和功能也相同。因此将不再重复其详细说明。
参考图1，给出对车辆的发动机的说明，在该车辆上安装有根据本发明实施例的可变气门正时设备。
发动机1000是V型8缸发动机，其具有第一气缸列1010和第二气缸列1012，每个气缸列包括一组四个气缸。这里，本发明的应用不限于任何发动机类型，将在下文描述的可变气门正时设备也可以应用至与V型8缸发动机不同类型的发动机。
空气从空气滤清器1020吸入发动机1000中。所吸入的空气量由节气门1030调节。节气门1030是由电动机驱动的电子节气门。
空气经过进气歧管1032供应到气缸1040中。空气与燃料在气缸1040(燃烧室)中混合。燃料从喷射器1050直接喷射到气缸1040中。换言之，喷射器1050的喷射孔设置在气缸1040内。
在进气冲程中喷射燃料。燃料喷射正时不限于进气冲程。此外，在本实施例中，将发动机1000描述为直喷式发动机，其所具有的喷射器1050的喷射孔设置在气缸1040内。但是，除了直喷式(缸内)喷射器1050外，还可以设置进气口喷射器。而且，可以只设置进气口喷射器。
气缸1040中的空气燃料混合物由火花塞1060点燃，并因而燃烧。燃烧之后的空气燃料混合物(即排气)由三元催化剂1070净化，随后被排放到车辆外部。燃烧空气燃料混合物以对活塞1080下压，从而使曲轴1090旋转。
进气门1100和排气门1110设置在气缸1040的顶部。进气门1100由进气凸轮轴1120驱动。排气门1110由排气凸轮轴1130驱动。进气凸轮轴1120和排气凸轮轴1130通过例如链条和齿轮之类的零件连接，从而以相同的转速(曲轴1090转速的一半)旋转。诸如轴之类的旋转体的转速通常由每单位时间的转数(通常为每分钟转数：rpm)表示。
进气门1100的相位(开启/关闭正时)由设置于进气凸轮轴1120的进气VVT机构2000控制。排气门1110的相位(开启/关闭正时)由设置于排气凸轮轴1130的排气VVT机构3000控制。
在本实施例中，由VVT机构使进气凸轮轴1120和排气凸轮轴1130旋转，以控制进气门1100和排气门1110各自的相位。这里，相位控制方法不限于前述的这一种方法。
进气VVT机构2000由电动机2060(图3中示出)操作。电动机2060由电子控制单元(ECU)4000控制。电动机2060的电流和电压由安培表(未示出)和伏特表(未示出)检测，测量结果被输入到ECU4000。
排气VVT机构3000以液压方式操作。这里，进气VVT机构2000也可以以液压方式操作，而排气VVT机构3000可以由电动机操作。
表示曲轴1090的转速和曲轴转角的信号从曲轴转角传感器5000输入到ECU4000。此外，表示进气凸轮轴1120和排气凸轮轴1130各自的相位(相位：在旋转方向上的凸轮轴位置)的信号从凸轮位置传感器5010输入到ECU4000。
此外，来自冷却剂温度传感器5020的表示发动机1000的水温(冷却剂温度)的信号以及来自气流计5030的表示发动机1000的进气量(吸入或取入发动机1000的空气的量)的信号输入到ECU4000。
根据从传感器输入的这些信号以及储存在存储器(未示出)中的对照图和程序，ECU4000控制例如节气门开度、点火正时、燃料喷射正时、喷射燃料量、进气门1100的相位和排气门1110的相位，从而使发动机1000以所期望的运行状态运行。
在本实施例中，ECU4000根据图2所示的对照图来确定进气门1100的相位，该对照图使用发动机速度NE和进气量KL作为参数。储存了针对各个冷却剂温度的多个对照图来确定进气门1100的相位。
以下，将给出进气VVT机构2000的进一步说明。这里，排气VVT机构3000可以具有与如下所述的进气VVT机构2000相同的构造，即，进气VVT机构2000和排气VVT机构3000每个都可以具有与如下所述的进气VVT机构2000相同的构造。
如图3所示，进气VVT机构2000包括链轮2010、凸轮板2020、连杆机构2030、引导板2040、减速齿轮2050和电动机2060。
链轮2010经过链条等连接到曲轴1090。如同进气凸轮轴1120和排气凸轮轴1130的情况，链轮2010的转速是曲轴1090的转速的一半。进气凸轮轴1120设置成与链轮2010的旋转轴线同心，并可相对于链轮2010旋转。
凸轮板2020用销(1)2070连接到进气凸轮轴1120。凸轮板2020在链轮2010内与进气凸轮轴1120一起旋转。这里，凸轮板2020和进气凸轮轴1120可以集成为一个单元。
连杆机构2030由臂(1)2031和臂(2)2032构成。图4是沿图3中的A-A所取的截面，如图4所示，一对臂(1)2031设置在链轮2010内，使得这些臂关于进气凸轮轴1120的旋转轴线彼此点对称。每个臂(1)2031连接到链轮2010，使得该臂能够绕销(2)2072摆动。
图5是沿图3中的B-B所取的截面，图6示出了进气门1100的相位相对于图5中的状态提前的状态，如图5和图6所示，臂(1)2031和凸轮板2020通过臂(2)2032连接。
臂(2)2032被支撑为使得该臂能够绕销(3)2074相对于臂(1)2031摆动。此外，臂(2)2032还被支撑为使得该臂能够绕销(4)2076相对于凸轮板2020摆动。
一对连杆机构2030使进气凸轮轴1120相对于链轮2010旋转，并从而改变进气门1100的相位。因此，即使这对连杆机构2030中的一个连杆机构损坏或断裂，也可以用另一个连杆机构来改变进气门1100的相位。
再参考图3，控制销2034设置在每个连杆机构2030(臂(2)2032)的表面处，所述表面是面向引导板2040的表面。控制销2034被设置为与销(3)2074同心。每个控制销2034在设置于引导板2040中的引导槽2042中滑动。
每个控制销2034在引导板2040的引导槽2042中滑动以沿径向偏移。每个控制销2034的径向偏移使进气凸轮轴1120相对于链轮2010旋转。
图7是沿图3中的C-C所取的截面，如图7所示，引导槽2042被形成为螺旋形状，由此引导板2040的旋转使每个控制销2034沿径向偏移。这里，引导槽2042的形状不限于此。
控制销2034从引导板2040的轴心沿径向偏移越大，进气门1100的相位就被延迟到更大的程度。换言之，相位的改变量具有与由控制销2034的径向偏移所产生的连杆机构2030的操作量相对应的值。或者，也可以是控制销2034从引导板2040的轴心沿径向偏移越大，进气门1100的相位就被提前到更大的程度。
如图7所示，在控制销2034抵靠引导槽2042的端部时，连杆机构2030的操作受到限制。因此，控制销2034抵靠引导槽2042的端部时的相位是最大延迟角或最大提前角的相位。
再参考图3，在引导板2040中，在其面向减速齿轮2050的表面中设有多个凹入部分2044，用于使引导板2040和减速器2050彼此连接。
减速齿轮2050由外齿轮2052和内齿轮2054组成。外齿轮2052相对于链轮2010固定，使得该齿轮与链轮2010一起旋转。
内齿轮2054在其上具有多个突起部分2056，这些突起部分被接纳在引导板2040的凹入部分2044中。内齿轮2054被支撑为可绕联轴器2062的偏心轴线2066旋转，所述联轴器2062被形成为相对于电动机2060的输出轴的轴心2064偏心。
图8示出了沿图3中的D-D的截面。内齿轮2054被设置为使其齿的一部分与外齿轮2052啮合。在电动机2060的输出轴的转速与链轮2010的转速相同时，联轴器2062和内齿轮2054以与外齿轮2052(链轮2010)相同的转速旋转。在此情况下，引导板2040以与链轮2010相同的转速旋转，因而进气门1100的相位得以保持。
在电动机2060使联轴器2062绕轴心2064相对于外齿轮2052旋转时，在内齿轮2054绕偏心轴线2066旋转的同时内齿轮2054作为整体相应地绕轴心2064公转。内齿轮2054的旋转运动使引导板2040相对于链轮2010旋转，从而改变进气门1100的相位。
通过减速齿轮2050、引导板2040和连杆机构2030使电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速(电动机2060的操作量)减小，来改变进气门1100的相位。这里，也可以增大电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速来改变进气门1100的相位。在电动机2060的输出轴上设置了电动机转角传感器5050，其输出表示该输出轴的转角(输出轴在旋转方向上的位置)的信号。电动机转角传感器5050通常被构造为每次电动机的输出轴转过规定角度时就产生脉冲信号。基于电动机转角传感器5050的输出，可以检测电动机2060的输出轴的转速(此后也简称为电动机2060的转速)。
如图9所示，进气VVT机构2000整体的减速比R(θ)，即电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速对于相位改变量的比率，可以具有基于进气门1100的相位的值。在本实施例中，减速比R(θ)越高，相位改变量相对于电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速就越小。
在进气门1100的相位处于从最大延迟角至CA(1)的第一区域(6001)中时，进气VVT机构2000整体的减速比为R(1)。在进气门1100的相位处于从CA(2)(CA(2)相比CA(1)提前)至最大提前角的第二区域(6002)中时，进气VVT机构2000整体的减速比为R(2)(R(1)>R(2))。
在进气门1100的相位处于从CA(1)至CA(2)的第三区域(6003)中时，进气VVT机构2000整体的减速比以预定改变率((R(2)-R(1))/(CA(2)-CA(1)))改变。
基于上述构造，以下将说明本实施的可变气门正时设备的进气VVT机构2000的功能。
在要使进气门1100(进气凸轮轴1120)的相位提前的情况下，操作电动机2060，以使引导板2040相对于链轮2010旋转，从而如图10所示使进气门1100的相位提前。
在进气门1100的相位处于最大延迟角与CA(1)之间的第一区域中时，以减速比R(1)降低电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速，以使进气门1100的相位提前。
在进气门1100的相位处于CA(2)与最大提前角之间的第二区域中的情况下，以减速比R(2)降低电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速，以使进气门1100的相位提前。
在要使进气门1100的相位延迟的情况下，使电动机2060的输出轴相对于链轮2010沿与要使其相位提前的情况下的方向相反的方向旋转。与要使相位提前的情况类似，在要使该相位延迟并且进气门1100的相位处于最大延迟角与CA(1)之间的第一区域中时，以减速比R(1)降低电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速，以使该相位延迟。此外，在进气门1100的相位处于CA(2)与最大提前角之间的第二区域中时，以减速比R(2)降低电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速，以使该相位延迟。
因此，只要电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的方向相同，则对于最大延迟角与CA(1)之间的第一区域以及CA(2)与最大提前角之间的第二区域两者都可以使进气门1100的相位提前或延迟。这里，对于CA(2)与最大提前角之间的第二区域，可以使该相位提前更多或延迟更多。这样，可以在较宽的范围内改变相位。
此外，由于对于最大延迟角与CA(1)之间的第一区域(6001)的减速比较高，所以为了由随着发动机1000的运行而作用在进气凸轮轴1120上的转矩使电动机2060的输出轴旋转，需要较大的转矩。因此，即使在例如电动机2060停机的情况下电动机2060不产生转矩，也可以防止由作用在进气凸轮轴1120上的转矩引起的电动机2060的输出轴的旋转。因此，可以抑制实际相位从根据控制确定的相位发生改变。
如上所述，在进气VVT机构2000中，由于存在减速比R(θ)，所以在停止向作为致动器的电动机2060供应电力时，不容易产生不期望的相位改变。在包括最大延迟角的第一区域中，可以尤其良好地实现该效果。
在进气门1100的相位处于CA(1)与CA(2)之间的第三区域(6003)中时，电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速以根据预定改变率改变的减速比进行减速，这可以造成进气门1100的相位提前或延迟。
因此，在该相位从第一区域改变到第二区域或从第二区域改变到第一区域的情况下，相位改变量相对于电动机2060的输出轴与链轮2010之间的相对旋转的转速可以逐渐增大或减小。以此方式，可以对相位改变量的突然阶跃式的改变进行抑制，从而抑制相位的突然改变。因此，可以改善相位的可控性。
如上所述，在用于本实施例的可变气门正时设备的进气VVT机构中，在进气门的相位处于从最大延迟角至CA(1)的区域中时，VVT机构2000整体的减速比是R(1)。在进气门的相位处于从CA(2)至最大提前角的区域中时，VVT机构2000整体的减速比是小于R(1)的R(2)。因此，只要电动机的输出轴的旋转方向相同，就可以对于这两个区域(即，最大延迟角和CA(1)之间的第一区域以及CA(2)和最大提前角之间的第二区域)提前或延迟进气门的相位。这里，对于CA(2)和最大提前角之间的第二区域，可以将相位提前或延迟到更大程度。因此，可以在较宽范围内改变相位。此外，对于最大延迟角和CA(1)之间的第一区域，减速比较高，因此可以防止由随着发动机的运行而作用在进气凸轮轴上的转矩引起的电动机的输出轴的旋转。因此，可以抑制实际相位从根据控制确定的相位发生改变。因此，可以在较宽范围内改变相位，并可以精确地控制相位。
接着，将详细说明用于控制进气门1100的相位(此后也简称为进气门相位)的结构。
参考图11，如已经参考图1所述，发动机1000被构造为使得来自曲轴1090的动力借助于正时链条1200(或正时带)分别通过链轮2010和2012传递到进气凸轮轴1120和排气凸轮轴1130。此外，凸轮位置传感器5010安装在进气凸轮轴1120的外周侧上，用于在每个规定凸轮转角时输出凸轮转角信号Piv。曲轴转角传感器5000安装在曲轴1090的外周侧上，用于在每个规定曲轴转角时输出曲轴转角信号Pca。此外，电动机转角传感器5050安装在电动机2060的转子(未示出)上，用于在每个规定转角时输出电动机转角信号Pmt。凸轮转角信号Piv、曲轴转角信号Pca和电动机转角信号Pmt被输入到ECU4000。
此外，基于检测发动机1000的状态的传感器的输出并基于运行状况(驾驶员的踏板操作、当前车速等)，ECU4000控制发动机1000的运行，使得能够获得发动机1000的要求输出。作为发动机控制的一部分，ECU4000基于如图2所示的对照图来设定进气门1100和排气门1110的相位目标值。
此外，ECU4000产生作为进气VVT机构2000的致动器的电动机2060的转速命令值Nmref，使得进气门1100的相位达到目标相位。如下文将说明的，与电动机2060的输出轴相对于链轮2010(进气凸轮轴1120)的转速相对应地确定转速命令值Nmref。电动机2060相对于进气凸轮轴1120的转速差对应于致动器的操作量。电动机EDU(电子驱动单元)4100根据来自ECU4000的转速命令值Nmref来控制电动机2060的转速。
图12是图示作为根据本实施例的进气VVT机构2000的致动器的电动机2060的转速控制的框图。
参考图12，致动器操作量设定部分6000包括气门相位检测部分6010、凸轮轴相位改变量计算部分6020、相对转速设定部分6030、凸轮轴转速检测部分6040、转速命令值产生部分6050和切换部分6150。此外，设置学习控制部分6100，用于学习进气门相位的基准位置。通过在每个规定控制周期执行根据预先存储在ECU4000中的规定程序的控制处理，来实现致动器操作量设定部分6000和学习控制部分6100的操作。
气门相位检测部分6010基于来自曲轴转角传感器5000的曲轴转角信号Pca、来自凸轮位置传感器5010的凸轮转角信号Piv和来自电动机2060的电动机转角传感器5050的电动机转角信号Pmt，来计算进气门相位IV(θ)(此后也表示为相位检测值IV(θ))。
气门相位检测部分6010可以基于曲轴转角信号Pca和基于凸轮转角信号Piv来计算相位检测值IV(θ)。例如，在产生凸轮转角信号Piv时，将凸轮转角信号Piv与产生曲轴转角信号Pca的时间差转换为曲轴1090和进气凸轮轴1120之间的相位差，从而可以计算进气凸轮轴1120的当前相位检测值IV(θ)(第一相位计算方法)。
或者，在根据本发明的实施例的进气VVT机构2000中，可以基于作为致动器的电动机2060的操作量(相对转速ΔNm)来精确地追踪进气门的相位改变量。具体而言，基于各种传感器的输出，计算实际的相对转速ΔNm，并基于计算得到的实际相对转速ΔNm根据表达式(1)的运算，可以计算每单位时间(控制周期)进气门相位的改变量dIV(θ)。因此，通过对相位改变量dIV(θ)积分，气门相位检测部分6010可以连续计算进气凸轮轴1120的当前相位检测值IV IV(θ)(第二相位计算方法)。
气门相位检测部分6010可以在考虑计算负荷或发动机速度的稳定性的情况下通过适当地使用第一和第二相位计算方法来计算相位检测值IV(θ)。
凸轮轴相位改变量计算部分6020具有计算部分6022和需求相位改变量计算部分6025。计算部分6022计算相位与目标相位IV(θ)r的偏差ΔIV(θ)(ΔIV(θ)＝IV(θ)—IV(θ)r)。需求相位改变量计算部分6025根据由计算部分6022计算的偏差ΔIV(θ)，来计算此控制周期的进气凸轮轴1120的需求改变量Δθ。
例如，预先设定在单个控制周期中相位改变量Δθ的最大值Δθmax，并且需求相位改变量计算部分6025在上至最大值Δθmax的范围内根据相位偏差ΔIV(θ)来确定相位改变量Δθ。这里，最大值Δθmax可以是规定固定值，或者可以由需求相位改变量计算部分6025根据发动机1000的运行状态(转速、进气量等)或相位偏差ΔIV(θ)的大小来可变地设定。
相对转速设定部分6030计算为了产生由需求相位改变量计算部分6025计算的需求相位改变量Δθ所需要的、电动机2060的输出轴相对于链轮2010的转速的相对转速ΔNm。例如，相对转速ΔNm在要使进气门相位提前时被设定为正值(ΔNm>0)，在要使进气门相位延迟时被设定为负值(ΔNm<0)，而在要保持进气门相位时被设定为大约零(ΔNm＝0)。
这里，与控制周期相对应的每单位时间的相位改变量Δθ与相对转速ΔNm之间的关系由以下表达式(1)表示。在表达式(1)中，R(θ)表示根据进气门相位改变的减速比，如图9所示。
Δθ∝ΔNm·360°·(1/R(θ))·ΔT           ...(1)
因此，相对转速设定部分6030可以根据表达式(1)的运算来计算电动机2060的相对转速ΔNm，以用于产生在控制周期ΔT所需的凸轮轴相位改变量Δθ。
凸轮轴转速检测部分6040将链轮2010的转速(即，进气凸轮轴1120的实际转速IVN)计算为曲轴1090的转速的一半。凸轮轴转速检测部分6040可以被构造为基于来自凸轮位置传感器5010的凸轮转角信号Piv来计算进气凸轮轴1120的实际转速IVN。但是，通常进气凸轮轴1120的每一圈旋转输出的凸轮转角信号的次数小于曲轴1090的每一圈旋转输出的曲轴转角信号的次数。因此，通过基于曲轴1090的转速来检测凸轮轴转速IVN，可以提高检测精度。
切换部分6150布置在转速命令值产生部分6050与相对转速设定部分6030及学习控制部分6100之间。除了在正由学习控制部分6100执行基准位置学习时之外，切换部分6150将由相对转速设定部分6030设定的相对转速ΔNm输入到转速命令值产生部分6050。下文将详细说明根据本实施例的基准位置学习。
转速命令值产生部分6050将由凸轮轴转速检测部分6040检测到的进气凸轮轴1120的实际转速IVN和从切换部分6150输入的相对转速ΔNm相加以产生电动机2060的转速命令值Nmref。因此，除了在基准位置学习时之外，在包括正常操作在内的操作期间，基于由相对转速设定部分6030设定的相对转速ΔNm来产生电动机2060的转速命令值Nmref。在基准位置学习时，基于由学习控制部分6100设定的相对转速ΔNm0来产生电动机2060的转速命令值Nmref。由转速命令值产生部分6050产生的转速命令值Nmref被传输到电动机EDU4100。
电动机EDU4100通过中继电路4250连接到电源4200。由控制信号SRL来控制中继电路4250的接通/关断。通常，由能够在发动机运行时充电的二次电池来形成电源4200。因此，通过使中继电路关断，可以停止对电动机2060的电力供应。
电动机EDU4100执行转速控制，使得电动机2060的转速与转速命令值Nmref相符。例如，电动机EDU4100控制功率半导体器件(例如晶体管)的开关，使得根据电动机2060的实际转速与转速命令值Nmref的转速偏差(Nref-Nm)来控制从电源4200向电动机2060供应的电力(由电动机电流Imt表示)。具体而言，控制这种功率半导体器件的开关操作的占空比。注意，可以通过电动机EDU4100的开关控制(例如，将占空比设定为零)来停止向电动机2060的供应电力。
特别地，为了提高电动机可控性，电动机EDU4100根据以下等式(2)来控制作为转速控制中的调节量的占空比DTY。
DTY＝DTY(ST)+DTY(FB)                  ...(2)
在等式(2)中，DTY(FB)是基于上述转速偏差和具有规定控制增益的控制操作(例如，通用P控制、液压需求PI控制等)的反馈项。
在等式(2)中，DTY(ST)是基于电动机2060的转速命令值和所设定的相对转速ΔNm来设定的预设项。
参考图13，与在相对转速ΔNm＝0时(即，在电动机2060要针对转速命令值Nmref以与链轮2060相同的转速旋转(ΔNm＝0)时)需求的电动机电流值相对应的占空比特性6060被预先设定为表。然后，通过将与相对转速ΔNm相对应的电流值加上根据占空比特性6060的基准值/从根据占空比特性6060的基准值减去与相对转速ΔNm相对应的电流值，来设定等式(2)中的DTY(ST)。通过由预设项和反馈项的组合来控制对电动机2060的电力供应的这种转速控制，与简单地通过等式(2)的项DTY(FB)进行的转速控制相比，电动机EDU4100使得电动机2060的转速迅速地跟随转速命令值Nmref的任何改变。
(根据本发明实施例的基准位置学习)
为了提高检测进气凸轮轴1120的相位时的精度，进气VVT机构2000在满足指示学习的规定条件时使用学习控制部分6100执行进气门相位的学习。在本发明的实施例中，在减速比R(θ)较大的区域中进行基准位置学习。具体地，通过使进气门相位达到最大延迟角来进行基准位置学习。
参考图12，响应于当满足指令学习的规定条件时接通的学习指令信号，学习控制部分6100将电动机2060的相对转速ΔNm0设定为用于执行基准位置学习的致动器操作量。在基准位置学习时，开关部分6150将学习控制部分6100的输出向转速命令值产生部分6050输入，因而基于由学习控制部分6100设定的相对转速ΔNm0，产生电动机2060的转速命令值Nmref。
在其中电动机2060根据相对转速ΔNm0运行的基准位置学习期间，学习控制部分6100基于由气门相位检测部分6100检测到的相位检测值IV(θ)来判定进气门相位是否已经到达作为基准相位的最大延迟角(例如，0°)。
当检测到进气门相位已经到达基准相位时，学习控制部分6100结束基准位置学习，并将此时的相位检测值IV(θ)设定为相位学习值θ1n。以此方式获得的相位学习值θ1n此后反映在由气门相位检测部分6010对相位检测值IV(θ)的计算中。具体地，气门相位检测部分6010在考虑到基于传感器信号计算的进气门相位和以上所述的相位学习值θ1n之间的相对差对应于当前进气门相位和基准位置学习时的基准相位(即，0°)之间的差的情况，来计算相位检测值IV(θ)。这消除了检测进气门相位中的任何偏离误差。
图14是表示根据本发明实施例的基准位置学习的流程图，图15示出了在基准位置学习期间的操作波形。在规定周期由作为进气VVT机构2000的气门正时控制的一部分的ECU4000执行根据图14的流程图的基准位置学习例程。
参照图14，在步骤S100，ECU4000判定是否满足用于执行学习的规定条件。如参照图9所述的那样，在本实施例的进气VVT机构2000中，当向作为致动器的电动机2060的电力供应停止时，因为减速比R(θ)，所以不期望的相位变化的可能性较低。因而，通过将在ECU4000中相继检测到的相位检测值IV(θ)存储在即使当点火开关关断时(当运行停止时)仍保留所存储的内容的存储区域(诸如SRAM：静态随机存取存储器)中，可以不需要在每次发动机起动时执行基准位置学习。当采用这种配置时，在存储在存储器中的内容被清除时(例如，在电池更换等时)，满足用于执行步骤S100的学习的条件。
可选地，为了提高检测进气门相位的精度，可以在每次发动机起动时满足用于执行步骤S100的学习的条件。
当不满足用于执行学习的条件(步骤S100中的“否”)，由于不指示基准位置学习，所以ECU4000结束处理。
相反，当满足用于执行学习的条件(在步骤S100中的“是”)时，ECU4000将输入到学习控制部分6100(图12)的学习指令信号转为“接通”，并通过步骤S110以后的处理执行基准位置学习。
在步骤S110，ECU4000将电动机2060的相对转速ΔNm0设定为用于执行基准位置学习的致动器操作量。相对转速ΔNm0被设定为用于将进气门相位改变为作为基准相位的最大延迟角(0°)的值。具体地，在本实施例中，相对转速ΔNm0被设定为规定负值。这与响应于图12的学习指令信号转为“接通”而进行的学习控制部分6100的操作相对应。
参考图15，当满足用于执行学习的条件并且在时间点t0学习指令信号转为“接通”时，电动机2060根据相对转速命令值ΔNm0(<0)运行，由此以恒定速率来延迟相位检测值IV(θ)。
当实际进气门相位在时间点t1达到最大延迟角(0°)时，连杆机构2030的操作被锁止，并且进气门相位的改变量变得大致为零。此时，电动机2060的相对转速也变成大约为零。
当在相位检测值IV(θ)中存在偏离误差时，实际进气门相位在IV(θ)＝0之前达到最大延迟角，并且电动机2060的相对转速达到零，相位检测值IV(θ)的变化停止。因而，可以根据相位检测值IV(θ)的改变量或者根据基于实际相对转速ΔNm的改变量dIV(θ)(即，值dIV(θ)达到dIV(θ)≈0)来检测实际进气门相位是否已经到达作为基准相位的最大延迟角。
响应于此，基准位置学习完成，并且学习完成标记转为“接通”。此时的相位检测值IV(θ)存储为相位学习值θ1n，并反映在此后对相位检测值IV(θ)的计算中(换言之，反映在此后的气门正时控制中)。
此外，响应于基准位置学习完成，通常，控制信号SRL转为“关断”，并且中继电路4250转为“关断”。因而，向电动机2060的电力供应停止。
再次参照图14，为了实现图15的时间点t0之后的操作，ECU4000执行下述步骤S120至S160。
在步骤S120，ECU4000检测通过电动机2060根据相对转速ΔNm0进行的操作而产生的进气门相位的变化。这对应于由气门相位检测部分6010对相位检测值IV(θ)的计算。
此外，在步骤S130，ECU4000基于在步骤S120对进气门相位的检测来计算相位改变量。如上所述这相当于对相位改变量dIV(θ)的计算。
在步骤S140，ECU4000将在步骤S130计算出的相位改变量与判定值θ0进行比较。判定值θ0被设定为零附近的规定值，以能够对相位改变量几乎到达零进行检测。
当相位改变量≥θ0(步骤S140中的“否”)时，ECU4000判定实际进气门相位尚未达到基准相位(最大延迟角)，并且在步骤S150，继续对电动机2060进行电力供应，由此继续基准位置学习。具体地，在图15的时间点t0和t1之间，执行步骤S150。
当相位改变量<θ0(步骤S140中的“是”)，ECU4000判定实际进气门相位已经达到基准相位(最大延迟角)，并完成基准位置学习。然后，ECU4000获得相位学习值θ1n，并且在步骤S160，通常关断中继电路4250以停止对电动机2060的电力供应。具体地，在图15的时间点t1，执行步骤S160。
在响应于基准位置学习完成而停止对电动机2060的电力供应之后，在规定的时间段之后或者响应于可变气门正时设备的操作请求，中继电路4250再次被接通(或者电动机EDU4100被控制以恢复电力供应)，由此对电动机2060的电力供应被恢复。以此方式，能够基于反映了基准位置学习结果的对进气门相位的高精度检测来控制气门正时。
如上所述，在根据本实施例的可变气门正时设备中，基准位置学习结束时的进气门相位被设定为高减速比的区域中所包含的最大延迟角。因而，在完成学习之后，即使当作为致动器的电动机2060被不是很精确地控制时，从学习完成时的气门正时相位的任何变化的可能性降低，因而，能响应于基准位置学习的完成而停止对电动机2060的电力供应。因而，当执行基准位置学习时，能够减小电力消耗，并且能够保护设备。
在本实施例中，基准位置学习中的基准相位可以是除了最大延迟角以外的相位，只要它在高减速比的区域中即可。然而，在此情况下，需要诸如锁止销之类的机构以机械的方式在基准相位处限制进气门相位的变化。即，通过将基准位置学习中的基准相位设定为与进气门相位的可变范围的限制位置相对应的相位(即，本实施例中的最大延迟角)，无需增加任何特定的机构就能执行基准位置学习。
此外，在进气门相位的改变量几乎为零处的基准位置学习的完成时，处于锁止状态下，因而预期电动机电流的增大。当采用其中响应于基准位置学习的完成而停止对电动机2060的电力供应的本实施例的配置时，能够改善减小电力消耗和保护设备的效果。
在以上所述的本实施例中，图14的步骤S110至S150对应于本发明的“基准位置学习装置(步骤)”，步骤S160对应于本发明的“电力供应停止装置(步骤)”。此外，步骤S140对应于本发明的“检测装置(步骤)”。
尽管已经详细描述和图示了本发明，但是可清楚理解到其可以仅仅是图示和示例的方式，不是限制的方式，本发明的精神和范围仅由各项权利要求限制。

Claims (10)

1.一种可变气门正时设备，其用于改变设置在发动机中的进气门和排气门中至少一者的开启/关闭正时，所述可变气门正时设备包括：
致动器，其操作所述可变气门正时设备；以及
改变机构，其用于将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的改变量；其中
所述改变机构被构造为当所述开启/关闭正时处于第一区域中时根据所述致动器的操作量以第一变化率改变所述开启/关闭正时，并且当所述开启/关闭正时处于与所述第一区域不同的第二区域中时根据所述致动器的操作量以第二变化率改变所述开启/关闭正时，所述第二变化率大于所述第一变化率；
所述气门正时设备还包括：
基准位置学习装置，其被构造为产生致动器操作命令使得将所述开启/关闭正时改变为处于所述第一区域内的基准正时，并且当所述开启/关闭正时达到所述基准正时的时候执行基准位置学习，用于消除检测所述开启/关闭正时的偏离误差；以及
电力供应停止装置，其用于当由所述基准位置学习装置的所述基准位置学习完成时停止对所述致动器的电力供应。
2.根据权利要求1所述的可变气门正时设备，其中，
所述改变机构被构造为使得在所述基准正时，以机械的方式限制所述开启/关闭正时的改变；并且
所述基准位置学习装置包括检测装置，所述检测装置用于在产生用于将所述开启/关闭正时改变为所述基准正时的操作命令期间，当所述开启/关闭正时的改变量达到零时，检测到所述开启/关闭正时已经达到所述基准正时。
3.一种可变气门正时设备，其用于改变设置在发动机中的进气门和排气门中至少一者的开启/关闭正时，所述可变气门正时设备包括：
致动器，其操作所述可变气门正时设备； 
改变机构，其用于将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的改变量；以及
控制单元，其控制所述可变气门正时设备的操作；其中
所述改变机构被构造为当所述开启/关闭正时处于第一区域中时根据所述致动器的操作量以第一变化率改变所述开启/关闭正时，并且当所述开启/关闭正时处于与所述第一区域不同的第二区域中时根据所述致动器的操作量以的第二变化率改变所述开启/关闭正时，所述第二变化率大于所述第一变化率；并且
所述控制单元产生致动器操作命令使得将所述开启/关闭正时改变为处于所述第一区域内的基准正时，并且当所述开启/关闭正时达到所述基准正时的时候执行基准位置学习，用于消除检测所述开启/关闭正时的偏离误差，并且当所述基准位置学习完成时停止对所述致动器的电力供应。
4.根据权利要求3所述的可变气门正时设备，其中，
所述改变机构被构造为使得在所述基准正时，以机械的方式限制所述开启/关闭正时的改变；并且
所述控制单元在产生用于将所述开启/关闭正时改变为所述基准正时的操作命令期间，当所述开启/关闭正时的改变量达到零时，检测到所述开启/关闭正时已经达到所述基准正时。
5.根据权利要求2或4所述的可变气门正时设备，其中，
与由所述改变机构改变的所述开启/关闭正时的可变范围的限制位置相对应地设定所述基准正时。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的可变气门正时设备，其中，
所述致动器由电动机实现，并且所述致动器的操作量是所述电动机的转速相对于凸轮轴的转速的差，所述凸轮轴驱动其开启/关闭正时被改变的所述气门。
7.一种控制可变气门正时设备的方法，所述可变气门正时设备用于改变设置在发动机中的进气门和排气门中至少一者的开启/关闭正时，其中，
所述可变气门正时设备包括
致动器，其操作所述可变气门正时设备；以及 
改变机构，其用于将所述开启/关闭正时改变根据所述致动器的操作量的改变量；其中
所述改变机构被构造为当所述开启/关闭正时处于第一区域中时根据所述致动器的操作量以第一变化率改变所述开启/关闭正时，并且当所述开启/关闭正时处于与所述第一区域不同的第二区域中时根据所述致动器的操作量以第二变化率改变所述开启/关闭正时，所述第二变化率大于所述第一变化率；
所述控制方法包括：
基准位置学习步骤，其产生致动器操作命令使得将所述开启/关闭正时改变为处于所述第一区域内的基准正时，并且当所述开启/关闭正时达到所述基准正时的时候执行基准位置学习，用于消除检测所述开启/关闭正时的偏离误差；以及
电力供应停止步骤，其在所述基准位置学习步骤的所述基准位置学习完成时，停止向所述致动器供应电力。
8.根据权利要求7所述的控制可变气门正时设备的方法，其中，
所述改变机构被构造为使得在所述基准正时，以机械的方式限制所述开启/关闭正时的改变；并且
所述基准位置学习步骤包括检测步骤，所述检测步骤在产生用于将所述开启/关闭正时改变为所述基准正时的操作命令期间，当所述开启/关闭正时的改变量达到零时，检测到所述开启/关闭正时已经达到所述基准正时。
9.根据权利要求8所述的控制可变气门正时设备的方法，其中，
与由所述改变机构改变的所述开启/关闭正时的可变范围的限制位置相对应地设定所述基准正时。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的控制可变气门正时设备的方法，其中，
所述致动器由电动机实现，并且所述致动器的操作量是所述电动机的转速相对于凸轮轴的转速的差，所述凸轮轴驱动其开启/关闭正时被改变的所述气门。 
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