CN101446212A - 用于控制内燃机电子可变气门装置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制内燃机电子可变气门装置的方法和装置，无需考虑发动机条件的变化，在使用最少映象表的情况下，可对电子可变气门装置进行稳定控制，其通过使用滑动表面计算来控制可变气门装置以实现目标凸轮角度。

Description

用于控制内燃机电子可变气门装置的方法和装置

与相关申请的相互参考

本申请要求于2007年11月27号向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2007-0121456号的优先权及权益，其全部内容合并于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种内燃机。更具体地说，本发明涉及一种用于控制内燃机电子可变气门(electronic variable valve)装置的方法和装置。

背景技术

内燃机的性能，特别是汽油发动机，实质上取决于空气如何能够有效地引入燃烧室。

为了得到较好的进气效率，使用了改变气门正时的可变气门装置，从而使得能够针对不同的发动机速度将最佳空气量引入燃烧室。

典型情况下使用的液压可变气门装置所具有的缺点在于，当发动机的速度低或者发动机机油处于低温时，用于操作装置的扭矩就会增加。此外，这种液压可变气门装置通常不能使得凸轮角度充分改变。

为了克服这种缺点，对电子可变气门装置进行了广泛的研究，以作为这种液压可变气门装置的替代形式。

电子可变气门装置呈现出许多优点。例如，相对于传统液压可变气门装置其具有更高的响应速度。由于电子可变气门装置无需液压，可缩小发动机油泵的尺寸。即使发动机速度低或发动机机油处于低温，电子可变气门装置仍可正确地操作，这意味着启动发动机的负荷可以降低。另外，当发动机处于低温时还可以减少排气。

此外，电子可变气门装置可以在更广泛的角度范围内操作，从而使得改变气门正时的优点可以最大化。

典型地，电子可变气门装置由电子离合器或电机驱动。

使用电子离合器的方案花费较少但更加难以控制。使用电机的方案花费较多但更容易控制。

在日本专利提前公开第2002-276310号中，可以找到电子可变气门装置的例子。

根据传统方案，为了控制凸轮轴的角度，发动机控制单元计算由发动机状态决定的参考角度和由凸轮角度传感器检测的当前角度之间的角度差Δθ，并且确定角度差Δθ是否超过预先确定的误差值。

当角度差Δθ小于预先确定的误差值时，保持电流控制，并且不向离合器释放线圈和制动器控制线圈施加电流。

当角度差Δθ超过预先确定的误差值时，确定角度差Δθ为正值或负值。如果角度差Δθ为正值，则向离合器释放线圈和制动器控制线圈施加电流从而执行提前(advance)控制。如果角度差Δθ为负值，则向离合器释放线圈和制动器控制线圈施加电流从而执行延迟(retardation)控制。

根据上述方案，其中为了控制凸轮轴角度而对施加到离合器释放线圈和制动器控制线圈的电流进行通/断控制，应该根据控制响应、角度误差和发动机状态提供标定图。

根据这种方案，为了准备足够精确的标定图需要进行大量实验，这会使得新设计车辆的成本增加很多。

在背景技术这个部分中所揭示的以上信息仅用来增强对本发明背景技术的理解，因此，可能包含这样的信息：该信息并未构成已经被本国本领域普通技术人员所知的现有技术。

发明内容

本发明致力于提供一种用于控制电子可变气门装置的方法和装置，通过使用滑动表面计算(sliding surface calculation)其具有最少使用映象表而稳定控制的优点。

本发明例示性实施方案提供一种用于控制电子可变气门装置的装置，包括：检测凸轮角度的凸轮角度传感器；检测曲柄角度的曲柄角度传感器；以及控制器，其基于滑动表面计算确定目标凸轮角度并控制可变气门装置以实现目标凸轮角度。

控制器可以包括：同步单元，其通过使得凸轮角度信号和曲柄角度信号同步而获得当前凸轮角度；比较器，其获得目标凸轮角度和当前凸轮角度之间的偏差；控制单元，其基于从比较器接收的偏差输出用于针对提前和延迟调节凸轮角度的控制信号；以及执行单元，其根据来自控制单元的控制信号控制电子可变气门装置。

本发明例示性实施方案提供一种控制离合器型电子可变气门装置的方法，包括：根据发动机运行状态设定参考凸轮角度；检测当前凸轮角度、发动机速度和发动机油温；计算滑动表面；计算当前凸轮角度相对参考凸轮角度的偏差；确定计算偏差是否超过参考值；当计算偏差超过参考值时计算用于维持滑动表面的估计电流；利用计算滑动表面和估计电流计算施加电流；以及通过由施加电流转换得到的驱动负载(duty)来操作可变气门装置而调节当前凸轮角度。

根据本发明的例示性实施方案，可稳定控制离合器型电子可变气门装置，而与以发动机油温为例的发动机的各种状态无关。

附图说明

图1是根据本发明例示性实施方案用于控制内燃机可变气门装置的装置的方块图。

图2是显示根据本发明例示性实施方案用于控制内燃机可变气门装置的装置详细结构的方块图。

图3是根据本发明例示性实施方案的内燃机可变气门装置的分解图。

图4是根据本发明例示性实施方案用于控制内燃机可变气门装置的方法的流程图。

图5和6显示了在不同发动机油温条件下应用根据本发明例示性实施方案控制电子可变气门装置的方案所获得的曲线图。

<附图中指示主要元件的附图标记的描述>

100：凸轮角度传感器       200：曲柄角度传感器

300：控制器               400：可变气门装置

具体实施方式

在以下具体描述中，仅仅是简单地通过说明的方式显示和描述了本发明的某些例示性实施方案。

本领域技术人员将会理解，所描述的实施方案在不背离本发明的精神和范围的情况下可以以各种不同的方式进行修改。

因此，附图和说明应被视为本质上是说明性的而非限制性的。说明书中相同的附图标记始终表示相同的元件。

图1是根据本发明例示性实施方案用于控制内燃机可变气门装置的装置的方块图。

如图1中所示，根据本发明例示性实施方案用于控制内燃机可变气门装置的装置包括：凸轮角度传感器100、曲柄角度传感器200、控制器300和可变气门装置400。

凸轮角度传感器100检测内燃机凸轮轴的角位置(以下称为凸轮角度)，并且将检测到的凸轮轴角位置的信息提供给控制器300。

曲柄角度传感器200检测内燃机曲柄轴的角位置(以下称为曲柄角度)，并且将检测到的曲柄角度信息提供给控制器300。

基于从凸轮角度传感器100接收到的凸轮角度和从曲柄角度传感器200接收到的曲柄角度，控制器300确定目标凸轮角度，并且通过一种包含滑动表面计算的方法来控制可变气门装置400，从而使得凸轮角度可以变为目标凸轮角度。

可变气门装置400从控制器300接收控制信号，并且根据从控制器300接收到的控制信号控制凸轮角度。

图2是显示根据本发明例示性实施方案用于控制内燃机可变气门装置的装置详细结构的方块图。

如图2中所示，控制器300包括同步单元310、比较器320、控制单元330和执行单元340。

同步单元310通过使得从凸轮角度传感器100接收到的凸轮角度方波信号和从曲柄角度传感器200接收到的曲柄角度方波信号同步而获得当前凸轮角度。

比较器320将通过同步单元310获得的当前凸轮角度与由运行条件决定的目标凸轮角度进行比较，并且输出比较结果。

控制单元330接收来自比较器320的比较结果，并且输出用于针对提前和延迟调节凸轮角度的控制信号。

执行单元340根据从控制单元330接收的控制信号控制电子离合器型可变气门装置400的运行，从而使得凸轮角度可以根据当前发动机状态变为目标角度。

图3是根据本发明例示性实施方案的内燃机可变气门装置的分解图。

如图3中所示，可变气门装置400包括电子离合器410、阻尼盘420、提前板430、外部轴440、内部轴450和链轮460。

电子离合器410安装在发动机链罩上，并且在施加控制信号的时候其可以被磁化从而与阻尼盘420接触并产生摩擦力。

内部轴450安装在凸轮轴的端部。提前板430以斜齿轮形式构成内部轴450的外圆周。外部轴440以斜齿轮形式构成提前板430的外圆周。于是就形成了花键轴。

链轮460位于凸轮轴上花键轴单元的内部轴450和外部轴440之后，并且通过正时链条使得能量可以从曲柄轴的链轮传递。

阻尼盘420位于花键轴单元的内部轴450之前。阻尼盘420的后侧由提前板430支撑，并且在阻尼盘420的后侧和外部轴440之间放置扭转螺旋弹簧。在阻尼盘420的前侧形成摩擦表面，从而通过与电子离合器410接触而产生摩擦力。

这种可变气门装置400可以用以下的方程1来表示，该方程为二阶微分方程。

(方程1)

$\mathrm{Jd}\&times;\frac{d{\mathrm{\&theta;}}^2}{d^{2}t}+\mathrm{Dd}\&times;\frac{\mathrm{d\&theta;}}{\mathrm{dt}}+(\mathrm{Kn}\&times;\mathrm{\&theta;}+T)=\mathrm{\&mu;}\&times;\mathrm{rd}\&times;\mathrm{kl}\&times;I$

这里，T表示弹簧扭矩，Jd表示动量惯性，θ表示凸轮角度，Dd表示粘性系数，Kn表示弹簧常数，μ表示离合器的摩擦系数，rd表示离合器的有效半径，kl表示离合器的引力，而I表示施加的电流。

以上的方程1可转换成以下的方程2。

(方程2)

$\frac{d{\mathrm{\&theta;}}^2}{d^{2}t}+a\frac{\mathrm{d\&theta;}}{\mathrm{dt}}+b\&times;\mathrm{\&theta;}+c=d\&times;I$

其中， $a=\frac{\mathrm{Dd}}{\mathrm{Jd}},$ $b=\frac{\mathrm{Kn}}{\mathrm{Jd}},$ $c=\frac{T}{\mathrm{Jd}},$ $d=\frac{\mathrm{\&mu;}\&times;\mathrm{rd}\&times;\mathrm{kl}}{\mathrm{Jd}}$

在方程2中，在估计误差

定义为 $\widetilde{\mathrm{\&theta;}}=\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;d}$ 并且滑动表面S定义为 $S=(\widetilde{\mathrm{\&theta;}}\&prime;+\mathrm{\&lambda;}\widetilde{\mathrm{\&theta;}})$ 的时候，S′可用以下的方程3表示。

(方程3)

$S\&prime;=\mathrm{dI}-\mathrm{a\&theta;}\&prime;-\mathrm{b\&theta;}-c+\mathrm{\&lambda;}\widetilde{\mathrm{\&theta;}}\&prime;\&prime;$

从方程3中，用于保持滑动表面的估计电流可以由以下方程4得到。

(方程4)

$\hat{I}=\frac{\mathrm{\&theta;}\&prime;\&prime;d+\mathrm{a\&theta;}\&prime;-\mathrm{\&lambda;}\widetilde{\mathrm{\&theta;}}+\mathrm{b\&theta;}+c}{d}$

从方程4中，用于非线性控制的施加电流Ieq可以由以下方程5得到。

(方程5)

$\mathrm{Ieq}=\hat{I}+\mathrm{K\; sgn}\left(S\right)$

这里，K为控制常数。

以下描述根据发动机状态调节凸轮角度的操作。

当发动机运行时，链轮460通过正时链由发动机驱动，因此使得连接到其上的凸轮轴旋转。

花键轴单元具有通过斜齿轮彼此啮合的提前板430、外部轴440和内部轴450，其也随着链轮460的旋转而旋转。此外，置与内部轴450之前的阻尼盘420也以同样方式旋转。

同时，控制器300接收来自凸轮角度传感器100的凸轮角度信号和来自曲柄角度传感器200的曲柄角度信号，并且根据当前发动机状况确定目标凸轮角度。然后，控制器300向可变气门装置400输出用于调节凸轮角度的控制信号。

然后，可变气门装置400中的电子离合器410被磁化，并且向阻尼盘420移动以与其接触，从而通过阻尼盘420的摩擦表面产生摩擦扭矩。

因此，阻尼盘420受到如箭头所示的力。

因此，与链轮460啮合的内部轴450改变与凸轮轴连接的链轮460的角度。

因此，凸轮角度由于链轮460角度的改变而改变。

在执行这一操作时，控制器300中的同步单元310通过比较来自凸轮角度传感器100和曲柄角度传感器200的信号而获得当前凸轮角度。

在比较器320中获得的当前凸轮角度与目标凸轮角度进行比较，比较的结果提供给控制单元330。

根据比较结果，控制单元330通过执行单元340改变施加给可变气门装置400的电子离合器410的电流水平，直到当前凸轮角度变为目标凸轮角度。

图4是根据本发明例示性实施方案用于控制内燃机可变气门装置的方法的流程图。

首先，在步骤S101中，控制器300根据发动机运行状态计算参考凸轮角度θr。

然后，在步骤S102中，控制器300基于来自凸轮角度传感器100和曲柄角度传感器200的信号获得当前凸轮角度θ和发动机速度。

此外，控制器300获得发动机油的油温，并且计算凸轮角度的变化率。

离合器型电子可变气门装置的控制响应取决于发动机速度和发动机油温的条件。因此，在步骤S103中，控制器300计算与发动机速度和发动机油温相对应的补偿电流值。

随后，在步骤S104中，控制器300通过计算估计误差及其导数，以当前凸轮角度θ设置滑动表面S。

然后，在步骤S105中，控制器300计算凸轮角度偏差，作为当前凸轮角度θ和参考凸轮角度θr之间的偏差，并且确定偏差是否超过参考值，例如最小允许偏差。

在凸轮角度偏差小于参考值的时候，过程返回到步骤S102。当凸轮角度偏差超过参考值的时候，控制器在步骤S106中计算用于保持滑动表面的估计电流。

然后在步骤S107中，控制器300使用计算滑动表面S和估计电流通过方程5计算施加电流Ieq。

然后，控制器300在步骤S108中将施加电流Ieq转换为驱动占空比(duty ratio)，并且在步骤S109中通过输出占空比来操作电子可变气门装置400，从而使得凸轮角度可以变成目标凸轮角度。

图5显示了在发动机油温为60℃和发动机速度为2,000RPM的条件下应用根据本发明例示性实施方案控制电子可变气门装置的方案所获得的曲线图。

如图5中所示，以实验方式确认：凸轮角度精确跟随参考凸轮角度。

图6显示了在发动机油温为0℃和发动机速度为2,000RPM的条件下应用根据本发明例示性实施方案控制电子可变气门装置的方案所获得的曲线图。

如图6中所示，以实验方式确认：即使发动机条件改变也无需调整具体参数而凸轮角度仍精确跟随参考凸轮角度。

虽然已经通过结合当前认为是实用的例示性实施方案来描述了本发明，但应该认识到的是，本发明并不是仅仅限制于所揭示的实施方案；相反地，本发明意在覆盖包括在所附的权利要求的精神和范畴之内的不同修改和等价形式。

Claims (6)

1、一种用于控制电子可变气门装置的装置，包括：

检测凸轮角度的凸轮角度传感器；

检测曲柄角度的曲柄角度传感器；以及

控制器，其基于滑动表面计算确定目标凸轮角度并控制可变气门装置以实现目标凸轮角度。

2、如权利要求1所述的装置，其中控制器包括：

同步单元，其通过使得凸轮角度信号和曲柄角度信号同步而获得当前凸轮角度；

比较器，其获得目标凸轮角度和当前凸轮角度之间的偏差；

控制单元，其基于从比较器接收的偏差输出用于针对提前和延迟调节凸轮角度的控制信号；以及

执行单元，其根据来自控制单元的控制信号控制电子可变气门装置。

3、一种控制离合器型电子可变气门装置的方法，包括：

根据发动机运行状态设定参考凸轮角度；

检测当前凸轮角度、发动机速度和发动机油温；

计算滑动表面；

计算当前凸轮角度相对参考凸轮角度的偏差；

确定计算偏差是否超过参考值；

当计算偏差超过参考值时计算用于维持滑动表面的估计电流；

利用计算滑动表面和估计电流计算施加电流；以及

通过由施加电流转换得到的驱动负载来操作可变气门装置而调节当前凸轮角度。

4、如权利要求3所述的方法，其中滑动表面的导数通过 $S\&prime;=\mathrm{dI}-\mathrm{a\&theta;}\&prime;-\mathrm{b\&theta;}-c+\mathrm{\&lambda;}\widetilde{\mathrm{\&theta;}}\&prime;\&prime;$ 得到。

5、如权利要求3所述的方法，其中用于保持滑动表面的估计电流

通过 $\hat{I}=\frac{\mathrm{\&theta;}\&prime;\&prime;d+\mathrm{a\&theta;}\&prime;-\mathrm{\&lambda;}\widetilde{\mathrm{\&theta;}}+\mathrm{b\&theta;}+c}{d}$ 得到。

6、如权利要求3所述的方法，其中施加电流通过 $\mathrm{Ieq}=\hat{I}+\mathrm{Ksgn}\left(S\right)$ 得到。

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