电磁致动的进气或排气阀的缺陷检测方法 本发明涉及用作内燃机进气阀或排气阀的电磁致动阀，更具体地说涉及检测这种电磁致动阀的缺陷的方法。
内燃机的进/排气阀按常规通常都是由根据曲轴之旋转而驱动的凸轮轴驱动工作的。为了根据各种工作条件获得最佳地阀工作时间，并因此而改善内燃机的性能，在实际应用中已经发展了各种用于阀传动系统的可变机构，其包括两级切换系统(开/关控制系统)及连续变化系统。一部分的这些可变机构可使该凸轮轴的旋转相位移动，而其它的可变机构包括该凸轮轴的一组凸轮型线。
然而，在上述由凸轮轴驱动的进/排气阀中，阀的升程，开启时间长度及工作正常时所有这些参数都不能独立地并任意地设定。在努力满足当代内燃机的高性能的要求的过程中，一种电磁制动的阀传动系统(其中上述这些参数可根据各种工况设定为理想值)已蓬悖发展起来。
例如日本专利JP-A-61-250309(对应于US4823825)描述了一种具有这样的结构的电磁致动阀，即，其中由一对弹簧的弹力支承于中间位置的阀体，借助于作用在与该阀体相连的活动铁芯电磁力而从该中间位置运动到全开或全关位置。就在同一专利中还特别公开了一种控制检测该种阀的缺陷的方法。该缺陷检测方法包括下列步骤：当给该电磁致动阀通电致动时检测出线圈中的电流变化，然后当该电流在预定的时期内降低时认为该阀工作工常，当该电流在这一预定时期内不降低时认为该阀之工作存在缺陷。
电流降低的理由说明如下。磁通量即回路电感是与电磁阀活动铁芯的电磁和铁芯之间的距离之平方成反比的；并且在该活动铁芯刚要接触到磁芯前，从理论上讲该磁通量突然增加。由于磁通量增加，则感生电动势e按下列公式增加：
e＝-dψ/dt＝-N(dφ/dt)＝-L(di/dt)
ψ＝Nφ
其中ψ为磁通链数，φ为磁通量，N为线圈匝数，L为电感，i为电流，t为时间。因此电压源之电压基本上由该感生电动势抵消掉从而基本上不用于产生电流，故导致电流降低。
然而，这种现象不总是发生。依赖于该硬件结构(例如包括材料及几何形状)，在早期磁通是饱和的。在这种情况下，即使该活动铁芯正常地被吸引到该磁芯上，电流也不减小。此外，在该活动铁芯刚要接触该磁芯之前为了减小电流而进行的最终定位控制操作中，电流也不会减小。
根据这种情况，因此本发明的目的是提供一种检测电磁致动的进/排气阀中的缺陷并在先有技术基础上产生精确的改进的方法。
为了实现上述目的，按本发明一方面之内容，其提供了一种电磁致动阀的缺陷检测方法，其中一阀体由弹性体的弹力弹性地支承于中间位置上，并且由供给设置于与该阀体相结合为一体的活动铁芯的两侧上的线圈的电流产生的电磁力作用于该活动铁芯上，从而使该阀工作，该方法包括下列步骤：
(a)该活动铁芯的位置从第一线圈吸收并保持该活动铁芯的位置转换到第二线圈的位置；
(b)在执行步骤(a)间，利用该第一线圈的电感变化检测该第一线圈中的电流变化；及
(c)根据步骤(b)中检测的电流变化检测缺陷。
按本发明第二方面内容，其提供一种检测电磁致动进/排气阀的缺陷的方法，其中上述的步骤(c)最好包括这样的步骤，即该步骤根据滞后时间检测缺陷，该滞后时间为：在一线圈驱动电路中的控制电流变化以便使第一线圈中流动的电流减少一预定值时的时刻至对应于该控制电流值的变化而在第一线圈中流动的实际电流达到一预定值时的时刻。
根据本发明的第三方面内容，其提供一种检测电磁致动进/排气阀的缺陷的方法，其中上述的步骤(c)最好包括根据作用于线圈驱动电路上以使该第一线圈中流动的电流减少一预定量的控制电流值与该线圈中流动的实际电流之间的差来检测缺陷。
根据本发明第四方面的内容，其提供一种检测电磁致动进/排气阀的缺陷的方法，其中一阀体由一弹性件的弹性力弹性地支承于中间位置处，并且由供给设置于与该阀体相结合为一体的活动铁芯的两侧上的线圈的电流产生的电磁力作用于该活动铁芯上，从而使该阀工作，该方法包括下列步骤：
(a)该活动铁芯的位置从第一线圈吸引并保持该活动铁芯的位置转换到第二线圈的位置；
(b)检测在步骤(a)中该第二线圈中流动的电流的上升时间；
(c)根据步骤(b)中检测到的电流上升时间检测缺陷。
当阀工作存在缺陷时，该活动铁芯不能被吸到该线圈的附近，因此而增加的空气间隔使线圈电感减小，导致在线圈中流动的电流随控制电流而变化的能力改善。根据本发明的第一，第二和第三方面的内容，在用于电磁致动的进/排气阀的上述缺陷检测方法中，当阀从吸收及保持状态转换到松开的状态时，实际线圈电流随着控制电流变化的能力(即响应滞后及响应电流值)因此而得到确定。
用于吸收并保持活动铁芯的线圈被供给预定的保持电流，并且转换来释放引力的电流值也是预定的。这就促进了实际电流值和控制电流之间相互比较，从而不需任何缺陷检测单元就有可能进行高精度的缺陷检测。
当活动铁芯的引力从一个线圈转换至另一线圈时，由于存在不同步，该活动铁芯不能达到该新的吸收线圈的新位置，此时，该引力线圈的小电感及该线圈电流随该控制电流变化的高的能力使该线圈电流迅速上升。因此，在根据本发明上述第四方面内容所述的电磁致动进/排气阀的缺陷检测方法中，借助于检测电流上升的时间就可检测该阀之工作是否存在缺陷，诸如不同步，从而可取消独立的缺陷检测装置。
本发明的其它特点及优点将参照附图从下列描述中可变得更清楚。其中：
图1是根据本发明的一个实施例所述的电磁致动进/排气阀的纵剖视图；
图2是表示本发明的一个实施例的电磁致动阀的驱动电路的示意图；
图3A和3B是实际线圈电流(跟踪电流)Im的接通电路的示意图；
图4是表示活动铁芯位置及由一上电磁铁作用于该活动铁芯上的电磁力之间的关系图(实线)，并用上线圈电流作参数；及该活动铁芯位置与由一对弹簧作用于该活动铁芯上的弹力之间的关系图(虚线)；
图5A，5B和5C分别表示阀升程，上线圈控制电流和下线圈控制电流相对样品时间之曲线；
图6A，6B和6C分别表示阀升程，上线圈控制电流和下线圈控制电流相对另一样品时间之曲线；
图7A和7C是表示该释放线圈的控制电流(实线)及当该控制电流Ic从保持电流Ih变到0以便释放该活动铁芯的引力及保持力时流动的实际电流Im(虚线)与时间的波形关系图；图7B和7D表示各自情况下阀的升程与时间的关系图，其中图7A和7B表示工常工作，而图7C和7D表示失去同步时的工作；
图8A和8C是表示该释放线圈的控制电流Ic(实线)及当该控制电流Ic从保持电流Ih暂时变化到负电注Ir然后又升到零以便释放该活动铁芯的引力及保持力时流动的实际电流Im(虚线)与时间的波形关系图；图8B和8D表示各自情况下阀的升程与时间的关系图，其中图8A和8B表示正常工作，图8C和8D表示失去同步时的工作；
图9A和9C是表示吸引线圈的控制电路Ic(实线)及当该控制电流Ic从零开始变化时流动的实际电流Im(虚线)与时间的波形关系图；图9B和9D是表示各自情况下阀的升程与时间的关系图，其中图9A和9B表示正常工作而图9C和9D表示失去同步时的工作；
图10是表示电磁致动阀控制路径的工作步骤的流程图；
图11A，11B和11C分别是表示下线圈控制电流，阀升程及上线圈控制电流与时间的关系图，以便对故障检修过程进行解释。
现在参照附图来描述本发明的各实施例。
图1是按本发明的一实施例所述的电磁致动进/排气阀的纵剖视图。图1所示的阀体10包括一阀头12和一阀杆14。阀头12的阀面13落坐于或离开形成于内燃机进/排气口32中的阀座33，从而使该进/排气口32工作。该阀体10的阀杆14在轴向可滑动地由阀导向装置31保持。一活动铁芯16固定于该阀杆14上。
该活动铁芯16是由软磁材料制成的圆盘件。上铁芯22设置于该活动铁芯16上方与该铁芯16保持预定的间隔关系，下铁芯23设置于该活动铁芯16之下方与该铁芯16也保持预定的间隔关系。该上下铁芯22和23都由软磁材料制成并按预定的相对位置由一由非磁性材料制成的壳体20固定。一上线圈24安装于该上铁芯22上，一下线圈25安装于该下铁芯23中。
该阀杆14在其杆的方向由上弹簧26和下弹簧27支承。该上下弹簧26和27之弹力彼此间是按这样的方式平衡的，即使该活动铁芯16的位置(中间位置)在该上下线圈24和25都没通电时处于该上下铁芯22和23之间。一旦该活动铁芯16处于中间位置，该阀体10认为是处于全开移动端和全闭移动端之间的位置。
利用这一结构，则绕上线圈24通过上铁芯及活动铁芯16和形成于该上铁芯22与活动铁芯16之间的空气间隔而形成磁路。接着，当在该上线圈24中有电流流动时，则磁通在该磁路中循环，并且电磁力在减小空气间隙的方向，即使该活动铁芯16朝上移动的方向产生。在另一方面，绕下线圈25通过下铁芯23和活动铁芯16及该下铁芯23与活动铁芯16之间的空气间隙而形成磁路。当在该下线圈25中有电流流动时，则相似地电磁力在使该活动铁芯16朝下移动的方向产生。这就是说该活动铁芯16可垂直地往复运动，从而该阀体10可借助于交替地将电流供给该上下线圈24和25而在开启和关闭方法交替驱动。
图2是一电路示意图，其表示用于驱动图1所示的电磁致动阀的电路结构。如图1所示，与上线圈24相关的各元件及与下线圈25相关的各元件具有相同的电路结构。因此只对与该上线圈24相关的元件进行说明即可。
该上线圈24的第一端24a连接到一个由一NPN三极管构成的正向切换装置40的发射极及一个由一NPN三极管构成的反向切换装置41的集电极上。在另一方面，该上线圈24的第二端24b连接到一个由一NPN三极管构成的正向切换装置42的集电极的一个同样由一NPN三极管构成的反向切换装置43的发射极上。
该正向及反向切换装置40和43的集电极两者都连接到电源50的正极上。该反向及正向切换装置41和42的发射极两者都连接到电源50的负极上。此外，该正向切换装置40和42的基极都连接到一切换装置驱动电路47的正向输出端47f上。以相同的方式，该反向切换装置41和43的基极都连接到该切换装置驱动电路47的反向输出端47r上。
在该上线圈24中流动的实际电流Im由线圈电流检测电路45检测，并且该线圈电流检测电路的输出信号被施加到减法电路48的负极上。该减法电路48的正极被供给从发动机电子控制单元(发动机ECU)中输出的线圈控制电路Ic.。该减法电路48的输出值Ic-Im被施加到切换装置驱动电路47上。
该切换装置驱动路47其中包括一个用于产生预定时期的三角形波的三角形波振荡电路和一个用于将该三角形与该输入信号Ic-Im进行比较的比较电路。因此该切换装置驱动电路47产生一个调节相应于该输入信号Ic-Im的大小的工作状态因子PWM(脉宽调)剂脉冲信号。一旦该信号Ic-Im之值为正值，则该切换装置驱动电路47从正向输出极47f输出一相应于该信号Ic-Im之大小的工作的状态因子PWM(脉宽调)脉冲。当该信号Ic-Im为负值时，相比较地，具有相应于Ic-Im信号的大小的工作状态因子的PWM脉冲信号是从负输极47r输出的。
因此，当输入信号Ic-Im为正时，制该两正向切换装置40和42接通，并且具有一相应于信号Ic-Im的工作状态因子。在另一方面，当输入信号Ic-Im为负值时，两反向切换装置41和43接通并具有一相应于信号Ic-Im的工作状态因子。在该过程中，该正向切换装置40，42从不与反向切换装置41，43同时接通。因此，由切换装置驱动电路47可控制该信号Ic-Im的值变为零。因此，在该上线圈24中流动的实际电流Im可认为是与该控制电流值Ic是精确的一致的，因此可形成相对电源电压之变化具有稳定性的特点及电路的特点。
此外，将线圈电流控制电路45的输出施加于发动机ECU60上，这就可利用在该线圈24，25中流动的实际电流Im来检测该电磁致动的阀的缺陷(如后文所述)。该线圈电流控制电路45的输出信号Im是一个具有相应于在线圈中流动的实际电流的电压的模拟信号。因此，如图3A所示，该信号可供给到在该发动机控制单元ECU60中的CPU(中央处理单元)62中构成的A/D(数/模)转换器64。然而，该A/D转换是一个通常又消耗大量时间并会意想不到地增加成本的过程。这种趋势随着致动器(即所涉及的电磁致动阀)之数量的增加而更突出了，从而导致不断要求改进CPU的处理性能，从而进一步提高了成本。按这一观点，在只要求确定该线圈电流Im是否大至一预定最低值的情况下，借助于增加一故障确定电路66就可获得相同的效果，该故障确定电路66具有一个用于将代表线圈电路的电压信号Im与一预定的最低值电压VR比较的比较器68，如图3B所示，并将其输出的数字信号输给该CPU62。
在图4中，一组由实线标出的曲线表示该活动铁芯16(将与上铁芯22接触的位置设为0)和由与该上线圈24相关的电磁铁作用于该活动铁芯16上的电磁力(引力)之间的关系，以在该上线圈24中流动的电流值为参数。如这些曲线所述，随着阀体10接近该全封闭移动端，作用于该活动铁芯上的电磁力(引力)迅速增加。图4所示的直线相似地表示该活动铁芯16的位置和由该上下弹簧37施加于阀体10上的弹力(在下铁芯23一侧)之间的关系。从该直线可看出，即使当阀体10接近全封闭移动端时，弹簧之弹力也是简单地呈线性增加。这一点对由电磁铁施加电磁力于下铁芯23上时也是这样，如图4所示，在该图中只需将全闭位置直接换成全开位置即可。结果，距全开位置或全闭位置越近，则要求用来产生与该阀处于中间位置时所要求的力相比较的弹力大的的电磁力的电流越小。考虑到上述的电磁力及弹力特性，下列对驱电磁致动阀的方法进行解释。
图5A，5B和5C分别是表示阀升程，上线圈控制电流和下线圈控制电流随时间的关系曲线。如图5B所示，在全闭状态，向该上线圈24供给一该上线圈24吸引并保持该活动铁芯16所要求的最小电流(以下称为保持电流)。当该阀将开启时，首先停止供给保持电流。然后，该阀体10由一弹簧质量系统的简单调谐振动(自由振动)而朝全开位置运动。但阀杆14如阀导套31之间的摩擦损失及各弹簧的内部摩擦损失抑制了该阀体10与理想状况相比的运动幅度。因此电流以预定的正时供给该下线圈25。该电流分成三种电流，其包括吸引电流，过渡电流及保持电流。
具体地讲，首先供给吸引电流以便使该活动铁芯16运动。然而，考虑上述图4的特点，供给按给定的时间顺序变化率减少的过渡电流，从而利用减弱的电磁力(引力)吸引该活动铁芯16。当吸引该活动芯16后，供给一个用于吸引并保持该阀体10所需的最小电流，即保持电流。相似地，在从全开状态关闭该阀体的过程中，首先停止将该保持电流供给该下线圈25，并且依次将吸引电流过渡电流及保持电流供给该上线圈24。按该方式，该实施例的电磁致动的进/排气阀之结构是这样构成的，即借助于在该阀体刚要达到全开位置或全闭位置之前减少的电流值而控制该阀体的运动。
对于根据该活动铁芯的吸力的释放而作出满意响应的自由振动，消除铁芯中的残余磁场很重要的。为该目的，在释放该活动铁芯的引力及保护力时，如图6B和6C所示，负的控制电流被有效地供给，但控制电流并不如图5B和5C所示那样，从而为了吸引并保持该活动铁芯，在与线圈电流相反的方向供给线圈电流。
此时，当将一电流i供给线圈时，如上所述，下述的感生电动势e会在过渡期产生：
e＝-dψ/dt ψ＝Nφ其中ψ为磁通链数，N为线圈匝数，φ为磁通。该感生电动势是沿这样的方向作用的，即当欲减小一电流时，其总是趋向于使电流增加，当欲增加一电流时，其总是趋向于使电流减小。因此，该感生电力势阻止该实际电流跟随该控制电流。
随该活动铁芯与各铁芯之间的空气间隙的大小而变化的电感L，随着该空气间隙的减小而增加。换句话说，一旦电磁致动阀工常工作，几乎没有电流流动，并且该实际电流在带有一更小的空气间隙的区域中将更加缓慢地跟随控制电流。在另一方面，当失去同步时，电流在带有稍大一点的空气间隙的区域中流动，从而实际电流可更迅速地跟随控制电流。按基于这种认识的本发明，对该实际电流跟随控制电流的能力进行跟踪检测，从而确定电磁致动阀的工作是否正常。
图7A和7C是控制电流Ic(实线)和实际电流(虚线)在吸引与保持线圈(释放线圈)中的控制电流Ic，从保持电流Ih变化到零(如图5B或5C所示)以便解释该活动铁芯的吸引力及保持力时的时间波形图，图7B和7D为表示该过程中阀的升程随时间的关系图。在这些图中，图7A和7B表示正常工作，图7C和7D表示失去同步时的工作。在时间点t0处Ic减少到零时，该实际电流Im在正常条件下是逐渐减少的，并且不久就会因感生电动势的作用而开始增加并在时间点t1处达到局部最大值，接着开始减小直到该控制电流值在时间是t2处达到零为止。
然而，当不同步时，该实际电流从不增加，但跟随该控制电流并在早于时间点t2的时间点t2a处达到零。根据控制电流Ic从保持电流Ih变到零实际电流Im达到零所需的时间t2-t0被测量出并与预定的限定值进行比较。如果该侧量值不比该限定值高，可确定为不正常或存在缺陷。此外，如上所述，在正常条件下以相对较大的值I.l的形式出现的实际电流Im，在失去同步时呈现为相当小的值I12。按这一观点，借助于测量该附近时间点t1处的实际电流值I1并将其与一预定的限定值比较来决定它不高于该限定值就可确定缺陷。
图8A和8C是控制电流Ic实线)和实际电流(虚线)当释放线圈中的控制电流Ic从保持电流Ih暂时变化到负值然后如图6B或6C所示又增加到零，以便解释该活动铁芯的吸引力和保持力时的时间的波形图，图8B和8D是表示在该过程中阀的升程的时间关系图。在这些图中，图8A和8B表示正常工作，图8C和8D表示失去同步时的工作。电流首先达到零时的时间点t1趋前于缺陷的时间点t12。此外，当实际电流最终到达零时的时间t4超前于t4a。为了按时间滞后把握该实际电流跟随控制电流的能力，测量出t1-t0或t4-t。并将其与一预定限定值比较。如果这些值不高于该限定值，则确定为存在缺陷。
在时间点t2处，控制电流值Ic和实际电流I2的差值I2-It在存在缺陷的时间处比在正常情况下要低，如图8C所示I2a-Ic。此外，在存在缺陷时由感生电动势产生的电流I.3相对正常工作时相应的电流减小，如图8C所示的I3a。如果实际电流跟随控制电流的能力被检测为该实际电流与控制电流之间的差，则测出I2-It或I3值并与一预定的限定值比较，所以如果该比较结果不高于限定值，则检测为缺陷(或故障)。
图9A和9C是表示在第二线圈(吸引线圈)中的控制电流Ic(实线)和在该控制电流Ic从0开始变化以便由该第二线圈启动该活动铁芯的吸引时所流动的实际电流(虚线)Im随时间的波形图，图9B和9D在该过程中阀的升程随时间的变化图。在这些图中，图9A和9B表示正常工作，图9C和9D表示失去同步时的工作。在正常工作条件下电路电感使实际电流以一倾度角θ缓慢上升。然而，一旦同步消失，则因活动铁芯不能到达该吸引线圈附近可减小电路电感，从而实际电流Im迅速上升(倾角θ2＞θ)。根据这一观点，测出斜角θ并与预定的限定比较，如果差值不小于该限定值，则可确定存在缺陷(故障)。代替该倾角θ，也可测出达到预定电流值Ix所需的时间t1-t0，并与预定的限定值比较，所以如果该差值不大于该限定值，则可确定存在缺陷。
图10是一个表示由检测缺陷(故障)的发动机控制单元(PCU)60控制的电磁致阀用的控制程序步骤流程图。这种流程之结构设计得在每个预定的曲轴转角期间都执行。首先，步骤110确定目前的曲轴转角是否表示该阀工作的启动正时，如果该正时是用于操作该阀，则该过程进行到步骤120，同时，当该正时不是用于开启或关闭该阀时，该程序中止。步骤120控制如图5A、5B、5C或6A，6B，6C中所示的电流；以便中断由一线圈对该活动铁芯进行保持并由另一线圈开始吸引。
然后，步骤130测出该时间或电流，作为如上所述(参见附图7A至7D，8A至8D或9A至9D)缺陷检测的参数。然后，步骤140将该参数与预定的限定值比较，从而确定电磁致动阀的工作缺陷是否存在存在。如果确定不存在缺陷，该程序中止，但如果确定存在缺陷，则该程序进行步骤150，在此执行预定的故障检修过程，然后程序中止。
该故障检修过程例如在将吸引电流供给该线圈时而不是在根据由图9A至9D所述的方法进行缺陷检测。而检测到失去同步时(如图11A至11C所示)由改变控制电流而进行。具体地说，该吸引电流(峰值电流)增加ΔA或者该吸引电流超前ΔT使用。然后，该活动铁芯，即阀体恢复工常工作。该吸引电流可在开始施加该吸引电流的时间被提前的同时增加。
因此从前述描述中应该看出，按本发明，在从吸引和保持状态过渡到非吸引状态的过渡过程中，该实际电流跟随控制电流的能力或者在开始吸引中，该实际电流跟随控制电流的能力可得到确定，所以不需任何独立的缺陷(故障)检测装置就可高精度地检测带缺陷的阀的工作。
在不脱离本发明的基本特征的精神实质的条件下，本发明可具有其它的具体实施例形式。因此本文的实施无论如何只能认为是示意性的而不是限制性的，本发明的范围是由所附的权利要求书表明的而不是由前述描述表明的，因此，处于各权利要求的含义及等同物范围内的所有变型都认为是包含于本发明中的。