空气阀及其使用方法

专利名称：空气阀及其使用方法
技术领域：
0010本公开涉及控制系统并且更具体地涉及用于发动机的电子控
制系统。
0011
背景技术：
0012现有技术包括用于火花点火发动机的技术，火花点火发动机 借助电子控制实现空气管理。用于发动机应用的空气流管理装置过去 已经使用有刷永磁电机和脉宽调制速度控制。由于有刷永磁电机具有 相对短的预期寿命，因此其不能保持足够的可靠性。因此需要使用无 刷电机。
0013由于有刷DC电机的低预期寿命， 一些原始设备(OE)公司 已经研发了进一歩包括无刷直流(BLDC)电机技术的节流阀。使用 BLDC电机技术是由于高振动/负载、大的扭矩与包装的比、高速以及 角精度。然而，这种阀的主要应用是计量进气系统的空气流，进气系 统位于自然进气或增压发动机应用的入口段上。因此需要在各种需长 寿命的应用中使用的鲁棒无刷设计。
0014现有技术中，高水平控制一般地由发动机控制单元(ECU) 提供。从ECU到电机的命令由特定应用运行策略基于包括负载和速度 的多发动机运行参数而确定。在这些应用中需要空气阀轴位置传感器 以提供给ECU的反馈。
0015节流位置传感器典型地使用现有技术的接触刮水器。由于相 对短的预期寿命，该装置也具有可靠性问题。因此需要具有改进的可 靠性和精度的无接触传感器。
0016此外，现有技术包括用于空气阀和传感器的复杂和繁琐的设 计，由于大小、重量和其它考虑，这些空气阀和传感器很难满足应用。 因此，需要可用在各种应用中的小型、高效封装的设计。
0017

发明内容
0018本发明提供空气阀，该空气阀包括空气阀壳；置于节流轴上 的节流板；附在节流轴上的被动齿轮；经由小齿轮与被动齿轮连接的 无刷直流电机组件；包括电路板上的数字信号处理的整体式/集成电子 阀控制器；以及电路板上的节流位置传感器，其中节流位置传感器包 括至少一个非接触式传感器。在一个优选的实施例中，空气阀可包括 如下特征扭力弹簧，其中齿轮减速可通过单级齿轮组来实现，其中 空气阀可管理大于大约125psi (绝对)的流体，其中被动齿轮是斜齿 轮、弹簧齿轮、锥齿轮或螺旋齿轮，其中整体式电子阀控制器能经由 PWM和CAN信号与电机控制单元通信，其中空气阀对于所述节流板 的全旋转具有少于大约125ms的响应时间，其中空气阀具有小于大约 1角度的阀位置分辨率，其中空气阀包括进气口和经由进气歧管连在发 动机上的出气口，其中在能使得再循环废气流进入进气歧管的空气阀 之后，空气阀的节流功能在进气系统的下游区段内产生低压区域，其 中通过板载控制器基于从车辆发动机控制单元接收到的命令信号来确 定节流板的位置，其中来自发动机控制单元的信号是脉宽调制或控制 区域网络协议的，和/或其中所述空气阀是蝶式空气阀。
0019本发明也提供使用空气阀的方法，其包括如下步骤，通过使 用电路板上的节流位置传感器来感应置于节流轴上的节流板的位置， 其中该节流轴连接于被动齿轮，被动齿轮在所述空气阀内的空气阀壳 内，其中所述节流位置传感器包括至少一个非接触传感器，致动与被 动齿轮相连的无刷直流电机组件；以及旋转所述节流板。本发明也可 以包括使用扭力弹簧偏压处于开启位置的所述节流板，其中所述空气 阀包括进气口和经由进气歧管连接于发动机的出气口，从而使得再循 环废气可以被引入所述进气歧管内；通过使用板载控制器基于从车辆 发动机控制单元接收到的命令信号来定位节流板；和/或使用整体式电 子阀控制器，该整体式电子阀控制器包括BLDC控制器内的数字信号
6处理。
0020本发明是被研发以用于位于单级或复合增压发动机的空气阀，
其中所述单级或复合增压发动机在进气系统的高压段。这种空气阀的 执行器是无刷直流伺服电机。空气阀设计包括能经受单级或复合增压 发动机中所遇高压的高压轴封。该装置的主要应用是重负载压縮点火 发动机，不过该装置也具有在新发动机技术中的潜在应用，诸如在无 节流火花点火发动机或均质充量压縮点火发动机中。
0021空气阀被设计成在入口压被单级或复合增压装置增大后约束 入口系统的高压区段内的空气流。在空气阀下游产生的低压区域导致 再循环废气(EGR)流进入进气歧管内。通过改变控制下流压力的空 气阀的节流度来实现EGR的计量。通过使用板载控制器基于从车辆 ECU接收到的命令信号来确定阀的位置。此命令信号可以是PWM或 CAN类型。阀控制器经由非接触位置传感器来测量节流位置。位置反 馈能经由PWM或CAN被发送到发动机ECU。通过为每个功能分派具 体脉宽而经由PWM通道来发送阀位置反馈和阀故障信号。在某个阀 发生故障的情况下，故障代码经由PWM或CAN被提供给ECU。
0022正常运行中阀在两个方向(顺时针和逆时针)被电机驱动而 且不依赖扭力弹簧。当发动机关闭或阀发生故障时，扭力弹簧将节流 件驱动到全开位置。这就为柴油发动机空气管理应用提供了良性失效 模式。
0023在一个优选的实施例中，BLDC电机可以实现如下特征从 全开到全闭的响应时间为小于大约125ms，承受大约18g RMS的振动 信号和从大约-40。C到大约15(TC的温度极限，提供工作大约20,000小 时的预期寿命，与具有大约从40mm到大约150mm的孔尺寸范围的空 气阀兼容，和/或在12V和24V电气系统上运行。
0024


0025图1描述了优选实施例的顶部横截面；以及0026图2示出了实施例的流程图。
0027本发明可具有不同修改和变更形式，不过仅有几个具体实施 例在附图中以示例的形式被示出且在下面被具体描述。这些具体实施例的附图和详细描述不意图以任何方式来限制创造性概念或附加权利 要求的宽度和范围。而是，附图和详细的书面描述被用来为本领域普 通技术人员提供发明性概念并且使这些人员实现和使用这些创造性概 念。
0028
具体实施例方式
0029下面将给出包括在此公开的发明的一个或多个实施例。为了 清晰，并不是所有实际实施的特征在本申请中均被描述和显示。可以 理解的是在包括本发明的实际实施例的研发中，必须做出许多详细实 施的决定来达到开发者的目标，如与系统相关、商业相关、政府相关 和其他约束相兼容，这些目标时常会根据实施来改变。虽然研发者的 尝试可能是复杂且耗时的，不过这些尝试是本领域的普通技术人员能 承担的且有益于本公开内容的例行程序。
0030本发明被设计成提供增强的发动机废气排放管理。在一个优 选的实施例中，空气阀的特征在于带有单一电接头的优化封装的铝主 体。空气阀能用在诸如用于内燃(IC)发动机和柴油(DI)发动机的 空气管理的传统发动机技术中以及诸如混合燃料、汽油直喷式(GDI) 发动机应用的空气管理以及冷或热EGR管理和废气流应用或增压进气
废气的阀门管理的先进发动机技术中。在一个优选的实施例中，该阀 能够管理从大约0到大约125 psi (绝对)(大约0到大约860kPa (绝 对))的流体并且可以用于具有55、 65、 75、 85、 100mm的孔尺寸中 以及对于12V和24V发动机电气系统都是可用的。0031空气阀的特征在于带有单级齿轮系的BLDC电机技术和基于 非接触式传感器技术的节流位置传感器。高强度合金和先进机加工工 艺用在齿轮系的制造中以确保精确的阀位置、低NVH、最大耐久性和 效率。
0032参考图1，空气阀110可被用来计量在带有单一或复合增压进 气装置的发动机应用中的EGR。如所示，空气阀110包括空气阀壳112， 在该空气阀壳112中节流板114被放置在节流轴116上。
0033节流轴116被滚针轴承118和球轴承124径向支撑。轴向平 移被球轴承124约束。
80034节流轴116穿过轴封120和122。被密封的轴116能够处理从 大约0到大约125 psi (绝对)(大约0到大约860kPa (绝对))的流体 管理并且避免加压凝结渗透，不过优选的是轴封120和122能处理超 过大约125 psi (绝对)(860 kPa (绝对))的流体管理。节流轴116也 被放置在滚珠轴承124上，该滚珠轴承124优选地包括用于提高耐久 性、可靠性以及位置精度的双唇密封轴承(dual lip sealed bearing)。
0035扭力弹簧126经由被动齿轮128将该扭力弹簧126的扭转力 传递给节流轴116。不同于现有技术，本发明的扭力弹簧126不是关闭 阀110的主要手段。在一个优选的实施例中，扭力弹簧126能够将节 流板114偏压在开启位置内。轴定位磁铁130被压入被动齿轮128内， 其中被动齿轮128被连接或其它方式附加到节流轴116上。
0036BLDC电机组件132的轴包括螺旋小齿轮134，螺旋小齿轮 134穿过齿轮罩136和印刷电路板138。 BLDC电机螺旋小齿轮134与 被动齿轮128相互作用。被动齿轮128优选地可以是螺旋扇形齿轮、 弹簧齿轮、锥齿轮或螺旋锥齿轮。在单级形式下实现齿轮减速。
0037印刷电路板138位于BLDC电机壳112内用于最小化电损失 和来自外部源的EMI，并且该印刷电路板138容纳在轴定位磁铁130 附近的轴位置传感器，从而产生了高度致密的执行器设计封装。轴116 的旋转可被印刷电路板138上的传感器根据轴定位磁铁130产生的磁 场的方位的变化而检测到。此紧凑的BLDC电机组件132允许通用的 非常紧密的封装，该封装可被用于具有受限不动产的各种空气阀应用 中。在包含在印刷电路板138内的空气阀控制器和发动机ECU之间的 通信是通过PWM信号或CAN协议(根据J1939)被处理的。PWM命 令/反馈信号以229Hz的基础频率被传输，不过固件能适应任意229Hz 倍数的频率，也就是1*229、 2*229、 0.5*229等等。命令/反馈信号的 幅值分别是0-12V和0-5V，不过信号能被微调为适应本申请的通信需
求的任意信号幅值。本优选实施例包括六个错误编码信号选项，经由 根据SAE J1939的PWM或CAN通信选项可传输上述六个错误编码信
号选项。
0038母电接头140被显示成与靠近BLDC电机组件132的空气阀 壳112连接。本发明可包括四销(仅PWM)或六销(PWM和CAN)或(PWM和RS232)的密封电接头140，不过适于容纳本申请所需的 具体执行器-ECU通信的任意多销电接头类型均是可行的。RS232连接 能被用于密码或加密保护的诊断和/或程序升级。接头140优选地经由 与公接头的线束被远程连接到ECU 142。
0039空气阔110的执行器是无刷型直流伺服电机，这里显示为 BLDC电机组件132。空气阀设计包括高压轴封120和122，高压轴封 120和122能承受增压发动机内所遇的高压，其中该增压发动机包括复 合增压发动机。该装置的主要应用是增压重载压缩点火发动机的废气 排放管理，不过该装置也具有在诸如无节流火花点火发动机或均质充 量压缩点火发动机的新发动机技术中的潜在应用。
0040优选的是阀对于90。旋转具有低于大约125ms的响应时间。阀
可具有小于大约1角度的阀位置分辨率，和小于大约1角度的可重复 性，和相对于命令位置大约±0.5角度的阀位置。0041印刷电路板138上的微处理器根据环境温度和供给电压调整 阀的运转速度。通过微调电机的电流和占空比来使得电机的响应时间 保持恒定。
0042参考图1，正常运行中阀在两个方向(顺时针和逆时针)被发 动机组件132驱动而不依赖扭力弹簧126。当发动机关闭或阀发生故障 时，扭力弹簧126将节流板114驱动到全开位置。这就提供了用于柴 油发动机空气管理应用的良性失效模式。
0043在一个优选的实施例中，BLDC电机132可实现大约125ms 的从全开到全闭的响应时间，承受大约18gRMS的振动信号以及从大 约-4(TC到大约15(TC的温度极限，提供大约20,000小时的预期工作寿 命，与具有从大约40mm到大约150mm的孔尺寸的空气阔兼容，禾口/ 或在12V和24V电气系统上均能运行。
0044本优选实施例包括蝶式空气阀。本优选实施例利用被偏压到 开启位置的扭力弹簧。被动齿轮优选地为用于封装、鲁棒性、可靠性 和减少的噪音的单级螺旋齿轮。
0045此外，BLDC电机组件和传动配置优选地被成形为使得本优
选实施例包括能够适合各种内流管道直径和各种进口/出口配置的整体 式电机/控制器/齿轮箱，所述内流管道直径包括但不限制于大约45mm到大约150mm的内直径，所述进口/出口配置包括直通、成角度的或复 杂配置。轴封120优选地能够适应在高达大约125psia (860kPa (绝 对))的高流体压力下运行。
0046关于空气阀的电子设备，可想到优选地整体式电子阀控制器 与非接触轴位置传感器和高效电机驱动电路一同使用，其中整体式电 子阀控制器包括BLDC控制器内的先进模拟和数字信号处理(DSP) 和印制在电路板138的传感器上的传感器。鲁棒系统与固件被出厂编 程以用于和具体的客户ECU通信。
0047BLDC电机组件132优选地包括整体式无刷BLDC伺服电机 和齿轮箱密封器以实现高扭矩、高速和精确度。预想的是该组件是与 PWM和CAN I/O协议兼容的、在大约-4(TC到大约125"C完全运行的、 以及与12V和24V兼容的。预想的是本发明正常使用下，B10的预期 寿命大约是20,000小时。
0048参考图2，空气阀210在一个优选配置中被示出。在该实施例 中，空气阀210具有被示出的进气口 212和出气口 214。使用中，空气 进入低压涡轮增压器218的空气入口 216。穿过低压涡轮增压器218 后，空气穿过低压空气增压器冷却器220。空气离开低压空气增压器冷 却器220且进入高压涡轮增压器222。空气离开高压涡轮增压器222 并且进入高压空气增压器冷却器224。来自于高压空气增压器冷却器 224的空气进入空气阀210的进气口 212。
0049吸入的空气经由进气歧管228从出气口 214进入发动机226。 在图2所示的布置中，再循环废气流(EGR) 230进入出气口 214和发 动机226之间的进气歧管228。由于在进气歧管228上游的空气阀210 的节流效应产生的低压区域，所以EGR被吸入进气歧管228。当空气 阀根据由ECU做出的节流板的受命令的位置阻塞空气流动时，吸入的 EGR流速与空气阀210的进气口 212和出气口 214之间产生的压力差 直接成正比。
0050本发明已在优选的和其它实施例中被描述并且不是每个本发 明的实施例都被描述。根据被描述的实施例的明显修改和变更对于实 习本领域技术的人是可用的。公开或未公开的实施例不是为了限制和 限定本申请设想的发明的范围和应用，而是与专利法律相一致，申请
ii是为了完全保护所有这样的修改和更正使其落入随后权利要求等价的 领域和范围内。
权利要求
1.空气阀，其包括空气阀壳；置于节流轴上的节流板；附在所述节流轴上的被动齿轮；经由小齿轮与所述被动齿轮连接的无刷直流电机组件；包括电路板上的数字信号处理的整体式电子阀控制器；以及在所述电路板上的节流位置传感器，其中所述节流位置传感器包括至少一个非接触式传感器。
2. 根据权利要求1所述的空气阀，其进一步包括扭力弹簧。
3. 根据权利要求1所述的空气阀，其中通过单级齿轮组来实现齿轮 减速。
4. 根据权利要求1所述的空气阀，其中所述空气阀能管理超过大约 125psi绝对压的流体。
5. 根据权利要求1所述的空气阀，其中所述被动齿轮是斜齿轮、弹 簧齿轮、锥齿轮或螺旋齿轮。
6. 根据权利要求1所述的空气阀，其中所述整体式电子阀控制器能 经由PWM和CAN信号与发动机控制单元通信。
7. 根据权利要求1所述的空气阀，其中所述空气阀对于所述节流板 的全旋转有着少于大约125ms的响应时间。
8. 根据权利要求1所述的空气阀，其中所述空气阀具有小于大约1 角度的阀位置分辨率。
9.根据权利要求1所述的空气阀，其中所述空气阀进一步包括: 进气口；被进气歧管连接到发动机上的出气口；以及再循环废气源；其中所述源被连接到所述进气歧管。
10.根据权利要求1所述的空气阀，其中所述节流板的定位借助板 载控制器基于从车辆发动机控制单元接收到的命令信号来建立。
11.根据权利要求1所述的空气阀，其进一步包括RS232连接。
12. 根据权利要求1所述的空气阀，其中来自所述发动机控制单元 的信号是脉宽调制或控制器区域网络协议的。
13. 根据权利要求l所述的空气阀，其中所述空气阀是蝶式空气阀。
14.空气阀，其包括 空气阀壳；置于节流轴上的节流板； 能够在所述节流轴上作用的被动齿轮； 与所述被动齿轮连接的无刷直流电机组件； 扭力弹簧；以及位于电路板上的节流位置传感器，其中所述节流位置传感器包括至 少一个非接触式传感器；其中所述节流板的定位借助板载控制器基于从车辆发动机控制单 元接收到的命令信号来建立。
15. 根据权利要求14所述的空气阀，其中所述被动齿轮是斜齿轮、 弹簧齿轮、锥齿轮或螺旋齿轮。
16. 根据权利要求14所述的空气阀，其中所述空气阔包括进气口和经由进气歧管连接到发动机的出气口，其中再循环废气源被连接到所 述进气歧管。
17. 根据权利要求14所述的空气阔，其进一步包括整体式电子阀控制器，所述整体式电子阀控制器包括在BLDC控制器内的数字信号处 理和在所述电路板上的传感器。
18. 根据权利要求14所述的空气阀，其进一步包括RS232连接。
19. 使用空气阀的方法，其包括以下步骤(a) 通过使用在电路板上的节流阀位置传感器来感应节流板的位 置，其中该节流板被置于连接到被动齿轮的节流轴上，该被动齿轮在 所述空气阀内的空气阀壳里，其中所述节流阀位置传感器包括至少一 个非接触传感器；(b) 驱动与所述被动齿轮相连的无刷直流电机组件；以及(c) 旋转所述节流板。
20. 根据权利要求19所述的方法，其进一步包括用扭力弹簧来偏压 处于开启位置的所述节流板的步骤。
21. 根据权利要求19所述的方法，其中所述空气阀包括进气口和经 由进气歧管连接在发动机上的出气口，该方法进一步包括使废气再循 环到所述进气歧管的步骤。
22. 根据权利要求19所述的方法，其进一步包括通过使用板载控制 器基于从车辆发动机控制单元接收到的命令信号来定位所述节流板的 步骤。
23. 根据权利要求19所述的方法，其进一步包括使用整体式电子阀 控制器，其中该整体式电子阀控制器包括在BLDC控制器内的数字信 号处理。
全文摘要
空气阀及其使用方法，该空气阀包括空气阀壳；置于节流轴上的节流板；附在节流轴上的被动齿轮；经由小齿轮与被动齿轮连接的无刷直流电机组件；包括电路板上的数字信号处理的整体式电子阀控制器；以及电路板上的节流位置传感器，其中节流位置传感器包括至少一个无接触式传感器。在一个优选的实施例中，空气阀包括进气口和经由进气歧管连在发动机上的出气口，使得再循环废气被引入进气歧管内。
文档编号F02D9/02GK101568711SQ200780048116
公开日2009年10月28日 申请日期2007年11月12日 优先权日2006年11月13日
发明者J·A·勃兰特, J·A·比格利, J·C·林德塞, N·C·詹斯, N·R·戈博尔, O·巴斯卡, R·E·特德, S·艾特塞耶基 申请人:华立性能产品公司