一体式油状态和油位传感器 |
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| 申请号 | CN200880018350.3 | 申请日 | 2008-04-11 | 公开(公告)号 | CN101680319B | 公开(公告)日 | 2012-08-08 |
| 申请人 | 伊顿公司; | 发明人 | R·D·凯勒; G·V·贝内克; | ||||
| 摘要 | 提供一种油状态和油位 传感器 ，其包括螺线管主体、线圈、 衔 铁 和磁极件。螺线管主体限定衔铁与磁极件之间的衔铁室。衔铁可响应线圈的通电而在衔铁室中运动。在油状态感测系统，线圈可操作地连接到 控制器 ，该控制器可确定油温、油 粘度 、油位和换油时间中至少一者。在一个 实施例 中，可检测到四种油位，包括满油位和过低油位。该传感器称为一体式油状态和油位传感器，因为一个传感器中结合了多个感测功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种油状态和油位传感器，包括： |
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| 说明书全文 | 一体式油状态和油位传感器[0001] 相关申请的交叉引用 技术领域[0003] 本发明涉及油传感器。 背景技术[0004] 较新的车辆通常具有允许车辆制造商对更高里程车辆保修的扩展条款。定期换油通常是维持保修条款范围的条件。为了确保正确的维护，可将油状态和油位传感器结合到车辆中以监控油的状态，当需要换油时警告驾驶者，并检测是否已进行换油。 [0005] 过去，换油频率凭经验确定(例如，每隔3000英里)。然而，油品添加剂和车辆调校的新技术可延长换油的时间间隔和距离。此外，更好地理解车辆操作对油状态的影响以及提高的发动机控制器计算能力允许基于油的实际状态定制和预测换油频率。 发明内容[0006] 提供一种油状态和油位传感器，其包括螺线管主体、线圈、衔铁和磁极件。螺线管主体限定衔铁和磁极件之间的衔铁室。衔铁可响应线圈的通电而在衔铁室中运动(movement)。在油状态检测系统中，线圈可操作地连接到可确定油温、油粘度、油位和换油事件中至少一者的控制器。在一个实施例中，可检测四个油位，包括满溢油位和极低油位。该传感器称为一体式油状态和油位传感器，因为在一个传感器中结合(集成)了多种检测功能。该传感器可用于其中需要测量流体液位、流体粘度和/或流体温度的许多不同应用中，例如发动机、食品加工、静压油齿轮箱和流体冷却系统中。 [0007] 衔铁、磁极件和螺线管主体限定构造成用以确立流体在衔铁移动时经衔铁室的正排量的多个孔和腔室。衔铁在衔铁室中的移动时间对应于经过孔的流体流的阻力。经过各相应的孔的“流体流”可以是空气、液体如油或者两者的组合，且取决于油位。 [0008] 例如，衔铁限定与衔铁室连通的第一孔。磁极件限定与衔铁室连通的第二孔。这些孔构造成用以使得流体在衔铁运动时经这些孔进入衔铁室和从衔铁室排出，且衔铁在衔铁室内的运动从而受经过这些孔的流体流的阻力的影响。如果第一孔和第二孔的尺寸不同则在衔铁室内形成压力差，造成流体在衔铁沿着竖直方向运动时经这些孔排进和排出衔铁室。传感器构造成用以浸于充满状态下的油盘内的油中。衔铁在衔铁室内的移动时间与流经该腔室和这些孔的流体的粘度有关。例如，如果油位低，则空气而不是油将被吸入衔铁室中。由于空气比油更加流动自如，所以当油位低时平均衔铁移动时间，也称“响应时间”，将更短。因此，文中所述的腔室和孔内的“流体流”可为空气或油。 [0009] 磁极件可具有大致圆锥形轮廓以减慢衔铁在衔铁室内的运动。通过减慢衔铁的运动，增加了从线圈吸取的电流与衔铁的移动时间相应的增益。磁极件的圆锥形轮廓消除了衔铁在其运动时的加速度，提供了接近线性的粘度对速率曲线，使得响应时间特性更一致，以更精确地检测油状态。可使用止回阀、密封机构和偏压机构以进一步减慢衔铁移动并在各腔室内形成正排量。 附图说明[0011] 图1是油状态和油位传感器的第一实施例的透视剖面示意图； [0012] 图2是油状态感测系统的透视示意图，该油状态感测系统包括安装在油盘中的图1的油状态和油位传感器，该油盘具有连接到传感器的控制器； [0013] 图3是油状态和油位传感器的第二实施例的剖面示意图； [0014] 图4是油状态和油位传感器的第三实施例的剖面示意图； [0015] 图5是油状态和油位传感器的第四实施例的剖面示意图；以及 [0016] 图6是用于图1-图5的油状态和油位传感器中任意一者中的移动的衔铁的示例性电流吸取对移动时间的示意曲线图，示出了感应冲击现象。 具体实施方式[0017] 参照附图，其中相似参考标号表示相似构件，图1示出支撑在安装支架12上的油状态和油位传感器10。在图2中，安装支架12固定到油盘14(oil pan)如车辆上的发动机油底壳，使得油状态和油位传感器12定位在油盘14中以便能够检测多种油状态，包括油温、油粘度、换油事件(oilchange occurrence)和多个油位，如文中将进一步描述。油状态和油位传感器10可操作地连接到电子控制器16，该电子控制器16可容纳在油盘内部或外部，例如容纳在车辆变速器上或车辆中的其它部位，以确立油状态感测系统18。 [0018] 参照图1，更详细地示出油状态和油位传感器10。螺线管主体20包括外部22-也称为“罐”、基座部24、线圈支撑部26、延伸部28和帽部34。线圈支撑部26(也称为“绕线筒”)环绕线圈30。外部22、基座部24、线圈支撑部26、延伸部28和帽部34可通过铸造、模制或其它工艺一体制造或相互制造成单一体。 [0019] 磁极件32(pole piece，极靴)压配合或以其它方式固定在外部22内。帽部34环绕磁极件32的远端并具有贯穿此处的孔36(孔36在文中称为“第六孔”或称为“另一孔”)。磁极件32、外部22、线圈30、磁通量收集器41和衔铁40(armature)形成电磁体。当线圈 30被电源(例如电池，未示出)通电(energize)时磁通线形成在磁极件32和衔铁40之间的气隙中。 [0020] 衔铁40可在由线圈支撑部26和基座部24限定的柱形空腔37内运动，衔铁40部分限定在衔铁40与磁极件32之间的衔铁室42，该衔铁室42的体积随着衔铁40响应于线圈通电形成的磁通量(flux)而运动而变化。磁通量收集器41邻近衔铁40定位。螺线管主体20、衔铁40和磁极件32具有为减慢衔铁40的移动时间以增加指示移动末端的信号感应冲击的增益(gain of signature inductive kick)(即，直到发生的时间)而设计的许多特征。通过减慢移动时间并从而增加增益，移动时间由于油粘度、油位或换油事件的变化而产生的相对差异被放大(即，传感器10的灵敏度增加)，且因此油状态被控制器16更精确地诊断和跟踪。 [0021] 参照图6，电流吸取对时间(current draw versus time)的示例性标绘形成具有感应冲击的电流吸取曲线39，将该感应冲击示出为电流吸取增加后明显骤降，指示螺线管衔铁40在已知油温(25摄氏度)和加油位(油位设为低，致使0.15秒的较快的感应冲击)下到达移动末端。图6的标绘仅为示例性的，且电流吸取和感应冲击时间(即，衔铁移动时间)的水平可如文中所述变化。 [0022] 杆44可在一端固定或未固定到活塞46。将塞状元件-文中称为“珠体48”-压配合、焊接或以其它方式在相对端固定到衔铁40。尽管称为珠体48(ball)，但可使用非球形塞状元件代替珠体48。珠体48并不相对于衔铁40运动。当传感器10的磁磁通量驱动衔铁40时，活塞46在磁极件32中的磁极件室50内运动。偏压(施力)机构，其在本例中为弹簧52，偏压衔铁40远离磁极件32。磁极件32具有内表面，该内表面具有与衔铁40的外表面的类似圆锥形轮廓接口(interface，接界)的圆锥形轮廓54。圆锥形轮廓54在邻近衔铁40的、相比于平直磁极件轮廓将会具有的气隙大的气隙上分配磁通量，从而减慢衔铁移动时间。 [0023] 第二主体室56形成在基座部24中。衔铁中的第一孔58经通道57(以虚线示出)与第二腔室56流体连通，该通道57经衔铁40的不同部段延伸。穿过衔铁40的通道60由止回球阀62选择性地打开和封闭。衔铁40中的另一孔64(文中称为“第四孔”)在固定的珠体48与止回球阀62的活动珠体或塞之间。孔64经由通道66与衔铁室42流体连通。磁极件32中的另一孔68(文中称为“第二孔”)与衔铁室42流体连通并与周围的油盘14流体连通。 [0024] 当衔铁40离开磁极件32时，阀62的活动珠体离开通道60，允许经孔58和64以及通道57、60和66从第二主体室56流动到衔铁室42，从而允许传感器10用作正排量泵(正容积式泵，positive displacementpump)，与在不具备止回球阀62的封闭装置的情况下发生的被动泵吸动作(泵作用)相反。孔之间的尺寸差异也有助于正排量。当衔铁40移向磁极件32时，活动珠体覆盖通道60，迫使衔铁室42中的流体经由通道67流出第二孔68。 [0025] 延伸部28具有腔室70，其在文中称为“第一主体室”或“下腔室”，因为其在油盘14中的位置比传感器10的其余部分低，如图2中明显示出。基座部24具有在文中称为“第三孔”的孔72，其将第二主体室56与第一主体室70流动连接。衔铁40具有在此实施例中为弹性体密封件的密封机构74，其密封第三孔72，防止当衔铁40被弹簧52偏压到图1中的极(最)低位置时(例如，当线圈未通电时)流体从第一腔室70流到第二腔室56。当衔铁49移向磁极件32时密封机构74不覆盖第三孔72。第五孔78确立刚好在以D代表的油盘 14中流体的液位上方时的第二腔室56与油盘14之间的流体连通。 [0026] 上述各种腔室和孔确立衔铁移动时间(时期，travel times)，其指示各种油状态如油粘度和换油事件，以及如以下所述油盘14中的各种油位。传感器也可操作以确定油温。 [0027] 油位 [0028] 将整个传感器10定位成浸于油盘14中的油中。当油盘14内的油处于图1和图2中均以A指示的预定满油位时，衔铁移动时间为流体经各孔36、68、64、58、78和72流动的阻力总和的函数，粘性阻力对衔铁和活塞运动也有轻微影响。由于这些阻力将随着油位变化而变化，所以油状态系统18可监控和记录油盘14内的油位，识别瞬时当前油位处于四个范围之一：满油位；满溢油位；“低一夸脱”(quart low)油位；以及过低油位。如果需要，可通过将监视器如仪表板屏幕连接到控制器16并编程控制器16以将显示信号发送到对应于所监控的油位的监视器而将此信息传送到车辆操作员。 [0029] 如果油盘14中的油位在低于第五孔78的任何液位，如图1和图2中以“过低”油位D所示，则迫使所有油流出第一衔铁循环上的腔室50、42和56。当弹簧52偏压衔铁40和活塞46时，空气代替油被吸入腔室50、42、56内，因为孔36、68和78在油位上方。在随后的循环上，由于只有空气经大多数孔运动，所以衔铁运动时间较快。因此，控制器16将识别此类衔铁移动时间为“过低”油位的指示，将储存此信息，并且可编程以将提示车辆操作员需要加油的信息发送到显示器。 [0030] 如果油盘14中的油位在第二孔68下方，如图1和图2中以“低一夸脱”油位C表示、但在第五孔78上方的任何液位，则衔铁室42将会将油排出第一衔铁循环上的腔室50、42和56。当弹簧52偏压衔铁40和活塞46时，空气代替油被吸入腔室50、42内，因为孔36和68在该油位上方。由于孔78现在在该油位下方，所以当传感器10通电时它将吸入油。 在随后的循环上，由于只有空气经孔68和36运动，所以衔铁运动时间比在极低油位时慢。 因此，衔铁移动时间将是经过孔72、58、64、68和36的流体流的阻力的总和的函数。因此，控制器16将识别此类衔铁移动时间为“低一夸脱”油位的指示。 [0031] 当如图1和图2所示油处于第二孔68上方并低于第六孔36的任何液位时，衔铁室42以及第一主体室70和第二主体室56将在衔铁40移动时一直充满油，且油将被迫经过孔72、58、64和68。磁极件室50将充满空气。此结合将形成被控制器16识别为满油位指示的唯一衔铁移动时间，且该衔铁移动时间为流体流经孔72、58、64、78、36和68的阻力的总和的函数。 [0032] 如果油盘14中的油位在第六孔36上方的任何液位，则油满溢，如图1和图2中以满溢液位B所指示。迫使流体在压力作用下经过孔36以及磁极件室50中的油产生的附加粘性阻力将相对于在满油位或任何更低的油位的衔铁移动时间而减慢衔铁40。衔铁移动时间将是经过孔72、58、64、78、36、68和36的流体流的阻力的总和的函数。控制器16将识别此类衔铁移动时间作为满溢状态的指示。 [0033] 油粘度 [0034] 当线圈30通电和断电时，衔铁40在空腔37内运动，该空腔37包括衔铁室42。当衔铁40离开磁极件32时，衔铁室42和磁极件室50中的压力减小并且大气压力推动流体(无论是油还是空气)在磁极件32中分别经过第二孔68和第六孔36。流体还经孔58、通道57、通道60、孔64和通道66从主体室56被吸入衔铁室42中。油还从腔室56被推动经过孔72和78。当衔铁40移向磁极件32时，衔铁室42内的流体(无论是油还是空气)被迫流出第二孔68，且球阀62如上所述选择性地防止流体经孔58离开衔铁室42。此外，磁极件室50中的流体被迫经过第六孔36。同样，第二主体室56中的压力减小并且大气压力迫使流体经过第三孔72和第五孔78。通过合计所有不同孔的流体流的总阻力和运动零件的摩擦，这减慢了衔铁运动使得通过测量衔铁运动的时间并且然后应用算法，响应时间就对应于指示流体粘度的值。 [0035] 第二孔68在尺寸上大于第一孔58，或至少连同通道67构造成用以形成比通道57、孔58、孔64和通道66大的液压阻力，形成衔铁室42中的压力差，并且使传感器10用作泵。如上所述，球阀62也有助于泵吸作用。流经孔58、64和68以及通道57、60、66和67的油减慢了衔铁40。更高的油粘度致使衔铁40在其循环时运动得更缓慢，增加了衔铁响应时间。此外，第二主体室56的体积(容积)随着衔铁40移向磁极件32而增加，同时油经孔72和78被吸入腔室56内且然后当衔铁40离开磁极件32时被泵吸到衔铁室42。第三孔72在直径上大于第一孔58和通道57，在衔铁40运动形成压力差。发生在该循环中的衔铁移动的末端的感应“冲击”由连接到线圈30的控制器16检测。油越稠，则发生感应冲击所需时间就越长。然后在储存在控制器16中的查询表核对总衔铁响应时间以获得油的相对粘度。因此可使用传感器10测量油粘度(除了当油处于极低液位时(即，低于孔78，例如液位D))。 [0036] 还可测量传感器10的阻力并且可控制发动机控制器电压以控制对传感器10的操作电流。这减少了电流变化对衔铁响应时间的任何影响。将电压限制在12伏以下可更进一步地减慢衔铁40以修改响应时间对粘度关系并从而增加传感器灵敏度。 [0037] 换油事件 [0038] 油状态和油位传感器10构造成用以使得在许多螺线管循环(solenoidcycle)上监控传感器10的电流冲击(current kick)可指示换油事件。当传感器10关闭时(即，当线圈30未通电时)，弹性体密封件74截留(trap)第一主体室70内的任何空气。也可使用备选密封结构如止回阀、金属密封件或针阀截留第一主体室70中的空气。基座部24在第一主体室70形成的圆锥形结构82(特征，feature)引导处于第一主体室70中的任何空气，以保持邻近第三开口72直到被从第一主体室70泵吸出来为止。在换油期间，油从油盘14排出，且油还从第一主体室70排出。当油盘14重新注油时空气将被截留在第一主体室 70内。压力差，其部分是由于开口58、64、78和72的尺寸差异，以及衔铁的运动和截留在第一主体室70中的气泡的尺寸，因此指明在空气被泵出第一主体室70以及相继的腔室56和 42之前操作循环(衔铁在柱体37中的往复运动为单个循环)的数目。在截留的空气经传感器10被泵吸时，响应时间变化，且然后当所有截留空气均已被排出时稳定。由于空气经开口和腔室更加流动自如，所以当所有空气均已经经第二主体室56、经衔铁室42从第一主体室70泵吸出来并回到油盘14中时，油的粘性阻力将显著减慢衔铁移动时间。编程控制器16以识别所监控的衔铁移动时间的此模式作为换油事件的指示。 [0039] 油温 [0040] 整个传感器10定位成当油盘14内的油处于在图1和图2两者中均表示为A的预定满液位时浸于油盘14中的油中。结果，线圈30的温度将达到与油温相同的温度。为了测量油温，测量线圈电阻且然后与储存在控制器内的温度查询表进行核对以确定油的温度。可替代地，传感器10可使用预定电压循环。通过测量电流，可计算出线圈电阻然后与温度关联。 [0041] 相应地，作为油感测系统18的一部分，油状态和油位传感器10可操作以确定油位和换油事件，以及油状态如油温和油粘度。油状态和油位传感器的其它实施例提供类似的性能。例如，参照图3，油状态和油位传感器110具有螺线管主体120，该螺线管主体120包括外部122、单体式基座和线圈支撑件124，以及延伸部128。该单体式基座和线圈支撑件124环绕线圈130。 [0042] 与油状态和油位传感器10相似，油状态和油位传感器110可定位成当油盘14内的油处于在图1和图2两者中均表示为A的预定满液位时浸于油盘14中的油中。结果，线圈温度将达到与油温相同的温度。为了测量油温，测量线圈电阻且然后与储存在控制器16内的温度查询表进行核对，以确定油的温度。 [0043] 油状态和油位传感器110包括压配合或以其它方式固定在外部122内的磁极件132。磁极件132的塞部133具有穿过该塞部133的孔168(孔168在文中称为“第二孔”)。 [0044] 衔铁140可在由基座部和线圈支撑部124限定的柱形空腔137内运动，衔铁140部分限定衔铁140与磁极件132之间的衔铁室42，该衔铁室142的体积随着衔铁140响应于通过对线圈130通电产生的磁通量的运动而增加。磁通量收集器141邻近衔铁140定位。 [0045] 在本例中为弹簧152的偏压机构偏压衔铁140远离磁极件132。磁极件132具有内表面，该内表面具有与衔铁140的外表面的相似的圆锥形轮廓接口的圆锥形轮廓154。圆锥形轮廓154在邻近衔铁140的比平直磁极件轮廓将具有的气隙大的气隙上分配磁通量，从而减慢衔铁移动时间。 [0046] 第二主体室156形成在基座和线圈部124中。衔铁140的臂部143中的第一孔158与第二腔室156流体连通。第三孔172容许第二主体室156和形成在延伸部128中的第一主体室170之间的流体连通。孔171容许第一主体室170与周围的油盘环境之间的流体连通。第一主体室170中的任何空气将上升并被保持在腔室170邻近孔172的顶部173。当衔铁140被远离磁极件132地偏压时，连接到衔铁140的臂部143的弹性体密封件174密封第三孔172。第一孔158在直径上小于第二孔168，第二孔168在直径上又小于第三孔172。当线圈130通电时，衔铁140将截留在衔铁室142中的油排出孔158、168两者，并且还被填充第二主体室156的油减慢。假设油位为使得衔铁室142充满油，经过孔158、168的油流动的阻力和油流经腔室142的粘性阻力提供抵抗衔铁运动的阻力，从而减慢衔铁的行程速度并改变螺线管电流吸取的信号(signature)(即，曲线)。更高的油粘度致使衔铁140更缓慢地运动。在储存在控制器16中的查询表中核对衔铁响应时间以获得油的相对粘度。 [0047] 油状态和油位传感器110可用来指示满油位或低油位。当油盘14中的油位高于孔168时，减慢了从衔铁室142的排油，满油位由电流吸取指示。当油盘14中的油位低于孔168时，低油位由电流吸取指示，由于空气经孔168被吸入衔铁室142中，所以允许衔铁140以更小的阻力运动。油状态和油位传感器110可通过压力差来指示换油事件，该压力差的形成部分是由于孔172、158、168的孔尺寸差异，衔铁140的运动，以及截留在第一主体室170中的气泡的尺寸。这些因素指明直到所有空气均被泵吸出第一主体室以及相继的腔室156和142为止(即，直到衔铁移动时间响应泵吸代替空气的油而减慢和稳定为止)的衔铁循环数目，以指示换油事件。 [0048] 参照图4，示出螺线管传感器210在所有方面和功能均与螺线管传感器110相似，除了通过将衔铁240构造有带有具有圆锥形形状274的远端的臂部243来替代传感器110的弹性体密封件174之外。圆锥形形状274通过堵塞孔272用作密封机构，该孔272具备与孔172相同的功能。相对于螺线管传感器110，使用相似参考标号来表示相似构件。 [0049] 参照图5，示出螺线管传感器310，其在功能上与图3的螺线管传感器110相似，除了在形成在螺线管主体320的塞部329中的孔372之间不存在密封机构之外，该螺线管主体320也包括外部322、单体式线圈支撑和基座部324、延伸部328和腔室密封部331。 [0050] 油状态和油位传感器310包括压配合或以其它方式固定在外部322内的磁极件332。磁极件332的塞部333具有穿过该插塞部333的孔368(孔368在文中称为“第二孔”)。 [0051] 衔铁340可在由基座和线圈支撑部324限定的柱形空腔338内运动，衔铁340部分限定衔铁340和磁极件332之间的衔铁室342(其为空腔337的一部分)，该衔铁室342的体积随着衔铁340响应当线圈330通电时产生的磁通量的运动而变化。磁通量收集器341邻近衔铁340定位。 [0052] 在本例中为弹簧352的偏压机构偏压340远离磁极件332。磁极件332具有内表面，该内表面具有与衔铁340的外表面的相似的圆锥形轮廓接口的圆锥形轮廓354。圆锥形轮廓354在邻近衔铁340的比平直磁极件轮廓将会具有的气隙大的气隙上分配磁通量，从而减慢衔铁移动时间。 [0053] 第二主体室356形成在基座和线圈部324中。衔铁340的塞部343中的第一孔358与第二主体室356流体连通。第三孔372容许第二主体室356和形成在延伸部328中的第一主体室370之间的流体连通。尽管与传感器110中一样在孔372上方未设密封件，但第三孔372在直径上大于第一孔358，从而在衔铁340往复运动时在腔室356产生被动泵吸动作。因此，衔铁移动时间不仅受油经孔358、356泵进和泵出腔室340影响，而且受经过孔372的油流动影响。传感器310可用来以与关于传感器110所述相似的方式确定油温、油粘度、满油位和低油位。 [0054] 称为“两孔设计”的低含油状态和液位传感器(low content oil conditionand level sensor)-未示出-可构造成与油状态和油位传感器310相似，但不具备主体室356、塞部329和第三孔372。相应地，第一孔358将与下主体部370直接流体连通。此类油状态和油位传感器在功能上将与油状态和油位传感器310相似，但减慢衔铁移动时间将不及具备第三孔372的情况，因此提供更少的电流吸取增益。 [0055] 油通气和油泵功能 [0056] 除上述油状态指示外，传感器10、110、210和310可用来检测油的通气水平(level of aeration)。通气度更大的油将具有更小的粘度，将易于强制经过孔，并且将在衔铁上形成更小的阻力(曳力，drag)。这将致使在油盘内的特定油位具有更快的移动时间。可对控制器编程以将此类衔铁移动时间的差异与油通气水平相关联。 [0057] 另外，可在车辆上使用传感器10、110、210和310来确定在起动时泵吸入发动机中的油的体积。当发动机在起动时吸油以进行润滑和冷却时发生油盘中的向下吸油(draw down of oil)。下吸的量将形成油盘中油位的差异，这可如上所述通过衔铁移动时间的差异来检测。可在油状态和油位传感器内增设另外的孔和腔室以更精密地跟踪和区分各种油位。作为数据储存在控制器内的预期下吸量与检测到的下吸——控制器将其与预期下吸进行对比——之间的差别可指示发动机油泵的不正常工作。 |
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