跳過點火發動機控制中的點火分數管理的製作方法
2023-09-15 03:38:55
本申請是2012年10月17日遞交的申請號為201280050603.1，發明名稱為「跳過點火發動機控制中的點火分數管理」的分案申請。
相關申請的交叉引用
本申請要求2011年10月17日提交的臨時申請號61/548,187以及2012年4月30日提交的臨時申請號61/640,646的優先權，這些申請均通過引用結合在此。
本發明總體上涉及內燃發動機的跳過點火控制。更具體地說，使用點火分數管理來幫助緩解跳過點火發動機控制中的nvh問題。
背景技術：
現今運行的大多數車輛(以及許多其他裝置)由內燃(ic)發動機提供動力。內燃發動機典型地具有用於發生燃燒的多個氣缸或其他工作室。在正常駕駛條件下，由內燃發動機產生的扭矩需要在一個寬的範圍上變動以便滿足駕駛員的操作要求。近年來，已提出並利用了許多控制內燃發動機扭矩的方法。一些這類方法考慮改變發動機的有效排量。通過有時跳過某些氣缸的點火來改變發動機的有效排量的發動機控制方法經常被稱為「跳過點火(skipfire)」發動機控制。一般來說，跳過點火發動機控制被認為提供大量潛在優點，包括在許多應用中顯著改善燃料經濟性的潛力。儘管跳過點火發動機控制的概念已經存在多年，並且它的益處得到理解，但跳過點火發動機控制尚未實現顯著的商業成功。
眾所周知，運行發動機勢必引起明顯的噪聲和振動，這些噪聲和振動在本領域中經常統稱為nvh(噪聲、振動以及聲振粗糙度)。一般來說，與跳過點火發動機控制相關聯的一個固定印象是一個發動機的跳過點火操作將會使該發動機運轉起來明顯比常規操作更粗糙。在許多應用(如汽車應用)中，跳過點火發動機控制提出的最重大挑戰之一是振動控制。的確，無法令人滿意地解決nvh問題被認為是阻礙跳過點火型發動機控制的廣泛採用的主要障礙之一。
共同受讓的美國專利號7,954,474；7,886,715；7,849,835；7,577,511；8,099,224；8,131,445和8,131,447以及共同受讓的申請號13/004,839；13/004,844；以及其他專利申請描述了使得以一種跳過點火工作模式操作多種多樣內燃發動機切實可行的多種發動機控制器。這些專利和專利申請各自通過引用結合在此。儘管所描述的控制器能良好地工作，人們仍在繼續努力以進一步改善這些以及其他跳過點火發動機控制器的性能以便進一步緩解在跳過點火控制下運行的發動機的nvh問題。本申請描述了在許多應用中可以改善發動機性能的另外的跳過點火控制特徵和增強。
技術實現要素：
在描述的不同實施例中，跳過點火控制用於傳輸所希望的發動機輸出。一個控制器確定適用於傳輸一個請求輸出的一個跳過點火的點火分數以及(在適當時)相關聯的發動機設置。
在一方面，該點火分數選自一組可供使用的點火分數，其中該組可供使用的點火分數隨著發動機速度的變化而變化，這樣使得在較高發動機速度下比在較低發動機速度下可供使用的點火分數多。該控制器然後以傳輸選定的點火分數的一種跳過點火方式指導點火。
在另一方面，首先確定一個請求點火分數，該請求點火分數適用於在選定的發動機運行條件下(其可以是優化的操作條件或其他條件)傳輸所希望的發動機輸出。在適當時，之後確定一個調整點火分數，該調整點火分數是一個更優選的操作點火分數。該調整(操作/命令)點火分數通常接近，但不同於請求點火分數。然後以大致上傳輸命令調整點火分數的一種跳過點火方式指導實際點火。適當調整至少一個發動機控制參數，這樣使得發動機在調整點火分數下輸出所希望的輸出。
這種調整點火分數的使用在請求點火分數可能導致產生包括不希望的頻率分量和/或易於誘導不希望的振動或聲學特徵的一種點火順序時尤其有用。在這類情況下，可以使用一個更理想的操作點火分數並且可以使用其他發動機控制參數(如進氣歧管壓力、氣門正時、點火正時等)以確保傳輸所希望的發動機輸出。在一些實施例中，一個調整點火分數確定單元被安排成用於確定一個操作點火分數，該操作點火分數相對於該請求點火分數減少一個限定頻率範圍內的振動。
在又另一方面，濾波可以用於在多個點火機會上擴展命令點火分數變化。這在跳過點火控制器中尤其有用，這些跳過點火控制器追蹤已被請求但尚未得到該點火控制器指導的點火的部分並且使用這類信息來幫助管理不同的命令點火分數之間的過渡。
在另一方面，在一些實施例中，控制器進一步被安排成用於調整一個或多個選定的發動機參數(例如，歧管壓力、氣門正時、點火正時、油門位置等)，作為跳過點火控制的一部分。一般來說，這類調整的響應要慢於可以做出的命令點火分數的改變。在這類應用中，濾波可以被安排成用於使得對命令點火分數的改變的響應對應於對一個或多個變化的發動機控制參數的改變的響應。
在不同的實施例中，一個動力傳動系參數調整塊可以被安排成用於使得以一種使得發動機在當前命令點火分數下產生所希望的輸出的方式調整一個或多個選定的動力傳動系控制參數。在另一方面，提供一個濾波器，該濾波器具有與一個或多個調整的動力傳動系控制參數的響應大致相匹配的響應。該濾波器被安排成用於使得命令點火分數的改變對應於調整的動力傳動系控制參數的改變。
在另一方面，跳過點火控制器被安排成用於選擇一個基礎點火分數，該基礎點火分數具有在當前發動機速度下每秒將重複至少指定次數的一個重複點火循環長度。這種安排可以幫助減少發生不希望的振動。
根據上述方面中任一方面的跳過點火發動機控制器優選被安排成用於追蹤已被命令但尚未得到指導的一個點火的部分，從而幫助管理不同命令點火分數之間的過渡。這些控制器還優選被安排成用於在傳輸命令點火分數的同時並且通過命令點火分數的變化來擴展點火。在一些實現方式中，這種功能性通過使用一階σ-δ轉換器(firstordersigmadeltaconverter)或其功能等效物來提供。
在一些實施例中，遲滯可以應用於點火分數的確定，以幫助降低在選定點火分數之間快速來回波動的機率。遲滯可以應用於請求扭矩、發動機速度和/或其他合適的輸入。
在一些實施例中，可以不定期地指示另外的點火來促進打破與一個命令點火分數相關聯的循環模式。另外或可替代地，高頻抖動可以添加至該命令點火分數以促進打破與一個重複點火循環相關聯的循環模式。
在一些實施例中，一個多維查找表可以用於確定操作點火分數。在選定的實現方式中，該查找表的第一索引是請求輸出和請求點火分數中的一個並且該查找表的第二索引是發動機速度。在不同的實施例中，該查找表的另外或替代的索引是傳動齒輪。
上文所述的不同方面以及特徵可以單獨實施或以任何組合實施。
附圖說明
結合附圖，通過參考以下描述可以最好地理解本發明及其優點，在附圖中：
圖1是示出根據本發明的一個實施例的基於跳過點火的發動機點火控制單元的方框圖。
圖2是示出適於用作調整點火分數計算器的循環模式發生器的方框圖。
圖3是在選定發動機速度下使用根據圖2的循環模式發生器比較傳輸點火分數與請求點火分數的示例性曲線圖。
圖4是示出結合選定過渡管理和模式打破特徵的另一個替代的基於跳過點火的發動機點火控制單元的方框圖。
圖5是示出在小範圍點火分數上操作發動機時觀察到的振動(以縱向加速度測量)的曲線圖。
圖6是根據點火控制單元的另一個實施例比較傳輸點火分數與請求點火的曲線圖。
圖7是在一個特定實現方式中比較傳輸點火分數與請求點火分數的放大段。
圖8是潛在可供使用的點火分數的數量隨著最大可能的循環點火機會變化的曲線圖。
圖9是潛在可供使用的點火分數的數量隨著發動機速度變化的曲線圖。
在附圖中，有時使用相似參考標號表示相似的結構元件。還應認識到的是，附圖中的描繪是圖解性的並且不成比例。
具體實施方式
跳過點火發動機控制器通常被認為易於產生不希望的振動。當使用一小組固定的跳過點火的點火模式時，可以選擇這些可供使用的點火模式以便於使穩定狀態使用期間的振動最小化。因此，許多跳過點火發動機控制器被安排成用於僅允許使用非常小的一組預定點火模式。雖然可以使這類設計工作，但將可供使用的跳過點火的點火模式局限於非常小的一組預定順序傾向於限制因使用跳過點火控制而變得可能的燃料效率增益。在點火分數之間的過渡期間，這類設計還傾向於經歷發動機粗糙度。最近，本申請的受讓人已提出便於以一種連續可變的排量模式操作發動機的多種跳過點火發動機控制器，其中動態確定點火以滿足駕駛員的要求。這類點火控制器(一些這類點火控制器在結合的專利和專利申請中進行描述)不局限於使用相對小的一組固定點火模式。相反，在一些描述的實現方式中，可以在任何時間通過以滿足駕駛員要求的方式改變傳輸跳過點火的點火分數來改變發動機的有效排量以遵循駕駛員的要求。雖然這類控制器能良好地工作，人們仍在繼續努力以更進一步改善跳過點火控制器設計的噪聲、振動以及聲振粗糙度(nvh)特徵。
在此所述的跳過點火的點火控制方法致力於獲得動態確定點火順序的靈活性，同時降低受控發動機操作期間產生不希望的點火順序的機率。在一些描述的實施例中，這部分地通過避免或最大程度減少使用具有不希望的nvh特徵的點火分數來實現。在一個特定實例中，已觀察到低頻率振動(例如，在0.2至8hz的範圍內)尤其會引起車輛乘坐者的反感，並且因此，在一些實施例中，已做出努力來最大程度減少使用最可能產生處於這一頻率範圍內的振動的點火順序。同時，優選對發動機進行控制以持續傳輸所希望的輸出並且平穩地處理過渡。在一些其他實施例中，提供促進使用具有更好nvh特徵的點火分數的機制。
問題的本質可能在一種跳過點火控制器的背景下能夠最容易看出，該跳過點火控制器將輸入到該點火控制器的信號視作對指定點火分數的請求並且利用一階σ-δ轉換器來確定具體點火正時。當使用一階σ-δ轉換器時，那麼從概念上來說，對於任何給出的數字方式實現的輸入信號水平(例如，對於任何具體的請求點火分數)，該點火控制器都將產生一個基本上固定的重複點火模式(部分歸因於輸入信號的量化)。在這種實施例中，一個穩定輸入會有效導致產生一個固定的點火模式(但是點火順序的相位可能會基於累加器中的初始值而略有偏差)。如本領域技術人員所熟知，在產生一些點火模式時，發動機將十分平穩地操作，而其他點火模式則更可能產生不希望的振動。我們觀察到具有在0.2至8hz的一般範圍內的頻率分量的點火順序傾向於產生最不希望的振動並且如果跳過點火的點火控制單元被局限於僅產生使那個範圍內的基頻分量最小化的點火順序模式，那麼車輛乘坐者將感受到明顯較平穩的乘坐。
接下來參考圖1，將描述根據本發明的一個實施例的一種發動機控制器。該發動機控制器包括一個點火控制單元120(跳過點火控制器)，該點火控制單元被安排成用於嘗試消除(或至少大致上減少)包括在一個指定頻率範圍內的基頻分量的點火順序的產生。出於說明目的，將0.2至8hz的頻率範圍視作關注頻率範圍。然而，應認識到的是，在此描述的這些概念可以更通常用於消除/最小化任何關注頻率範圍內的頻率分量，這樣使得點火控制器設計者可以容易地定製一種控制器來抑制該設計者關注的任何一個或多個頻率範圍。
跳過點火的點火控制單元120接收指示一個所希望的發動機輸出的一個輸入信號110並且被安排成用於產生一系列點火命令(驅動脈衝信號113)，這些點火命令一起協作以使發動機150使用跳過點火發動機控制來提供該所希望的輸出。點火控制單元120包括一個請求點火分數計算器122、一個調整點火分數計算器124、一個動力傳動系參數調整模塊133以及一個驅動脈衝發生器130。
在圖1中，輸入信號110示出為由一個扭矩計算器80提供，但是應認識到的是，該輸入信號可以來自任何其他合適的來源。扭矩計算器80被安排成用於在任何給定時間基於多個輸入來確定所希望的發動機扭矩。該扭矩計算器將一個所希望或請求的扭矩110輸出至點火分數計算器90。在不同的實施例中，該所希望的扭矩可以基於多個輸入，這些輸入在任何給定時間影響或指示該所希望的發動機扭矩。在汽車應用中，輸入到扭矩計算器的主要輸入之一典型地是指示加速器踏板位置的加速器踏板位置(app)信號83。其他主要輸入可以來自其他功能塊，如巡航控制器(ccs命令84)、變速器控制器(at命令85)、牽引力控制單元(tcu命令86)等。還存在可能影響扭矩計算的許多因素，如發動機速度。當這類因素用於扭矩計算中時，那麼適當的輸入(如發動機速度(rpm信號87))也將被提供或者必要時可由扭矩計算器獲得。應認識到的是，在許多情況下，扭矩計算器80的功能性可以由ecu提供。在其他實施例中，信號110可以接收自或源自多種其他來源中的任一來源，這些來源包括加速器踏板位置傳感器、巡航控制器等。
請求點火分數計算器122被安排成用於確定一個跳過點火的點火分數，該跳過點火的點火分數將適於在選定發動機運行條件下傳輸所希望的輸出(例如，使用對於燃料效率來說優化的操作參數，但這並非必要條件)。點火分數指示傳輸所希望的輸出將要求的、選定操作條件下的點火百分比。在一個優選實施例中，點火分數基於優化點火的百分比來確定，與如果所有氣缸在一個最優操作點處點火將產生的扭矩相比，該優化點火的百分比被要求用於傳輸駕駛員請求發動機扭矩。然而，在其他情況下，可以使用不同水平的參考點火來確定適當的點火分數。
請求點火分數計算器122可以採用多種多樣不同的形式。通過舉例，在一些實施例中，可以簡單且適當地縮放輸入信號110。然而，在許多應用中，希望將輸入信號110視作一個請求扭矩或以一些其他方式處理。應認識到的是，點火分數通常並不與請求扭矩線性相關，而是可能取決於多種變量，如發動機速度、傳動齒輪以及其他發動機/動力傳輸系統車輛操作參數。因此，在不同實施例中，請求點火分數計算器122可以在確定所希望的點火分數時，考慮當前車輛操作條件(例如，發動機速度、歧管壓力、齒輪等)、環境條件和/或其他因素。不管適當的點火分數如何確定，請求點火分數計算器122都將輸出指示一個點火分數的一個請求點火分數信號123，該點火分數將適於在參考操作條件下提供所希望的輸出。請求點火分數信號123被傳遞至調整點火分數計算器124。
如上文所論述，一些類型的跳過點火發動機控制器的一個特徵在於它們有時可能會指導使用能夠誘導不希望的發動機和/或車輛振動的點火順序。調整點火分數計算器124通常被安排成用於(a)選擇接近請求點火分數、已知具有希望的nvh特徵的一個點火分數；或者(b)抑制或防止使用最可能產生不希望的振動和/或聲學噪聲的點火分數。調整點火分數計算器124可以採用多種多樣不同的形式，如將在下文更詳細地描述。調整點火分數計算器124的輸出是指示發動機預期輸出的有效點火分數的命令操作點火分數信號125。命令點火分數125可以直接或間接地饋入到驅動脈衝發生器130中。驅動脈衝發生器130被安排成用於發出一系列點火命令(例如，驅動脈衝信號113)，這些點火命令使得發動機傳輸由命令點火分數125指示的點火百分比。
驅動脈衝發生器130也可以採用多種多樣不同的形式。例如，在一個描述的實施例中，驅動脈衝發生器130採用一個一階σ-δ轉換器的形式。當然，在其他實施例中，可以使用眾多其他驅動脈衝發生器，包括更高階σ-δ轉換器、其他預測自適應控制器、基於查找表的轉換器、或被安排成用於傳輸由命令點火分數信號125所請求的點火分數的任何其他合適的轉換器或控制器。通過舉例，受讓人的其他專利申請中描述的許多驅動脈衝發生器同樣可以用於這種點火控制結構中。驅動脈衝發生器130輸出的驅動脈衝信號113可以傳遞至一個發動機控制單元(ecu)或協調實際點火的燃燒控制器140。
由於命令點火分數信號125可以命令不同於請求點火分數計算器122確定的可能點火機會的百分比的點火，應認識到的是，如果未做出適當調整的話，那麼發動機的輸出將不一定與駕駛員要求相匹配。因此，點火控制器120可以包括一個動力傳動系參數調整模塊133，該動力傳動系參數調整模塊被適配成調整選定動力傳動系參數以調整每次點火的輸出，這樣使得實際發動機輸出大致上等於請求發動機輸出。通過舉例，如果請求點火分數123在參考點火條件下是48％，並且命令點火分數125是50％，那麼可以調整這些發動機參數，這樣使得每次點火的扭矩輸出是參考點火的約96％。以此方式，點火控制器120確保傳輸的發動機輸出大致上等於輸入信號110請求的發動機輸出。
存在可以以其調整這些發動機參數以改變由每次點火提供的扭矩的多種方式。一種有效方法是調整傳輸至每個點燃氣缸的進氣質量(massaircharge；mac)並且允許發動機控制單元(ecu)140針對命令的mac提供適當的燃料供應。這最容易通過調整油門位置進而改變進氣歧管(map)壓力來實現。然而，應認識到的是，可以使用其他技術(例如，改變氣門正時)來改變mac並且同樣存在可以用於改變每次點火提供的扭矩的許多其他發動機參數，包括燃料供應、點火提前正時等。如果受控發動機允許空氣燃料比的廣泛變化(例如，如在大多數柴油機中所允許的)，那麼有可能僅通過調整燃料供應來改變氣缸扭矩輸出。因此，能夠以所希望的任何方式調整每次氣缸點火的輸出以便於確保在命令點火分數下的實際發動機輸出大致上與所請求發動機輸出相同。
在一些操作模式下，在跳過點火機會期間，氣缸被禁用。也就是說，除了在跳過工作循環期間不給這些氣缸供燃料之外，氣門也將保持關閉以減少泵送損失。在相應氣缸被點燃的有效點火機會期間，這些氣缸優選在靠近或處於它們的最優操作區域(如與最優燃料效率相對應的一個操作區域)在一定條件(例如，氣門正時和點火正時，以及燃料噴射水平)下操作。雖然認為優化燃料效率將是許多實現方式中的主要目的之一，但應認識到的是，在任何特定應用中，增大的扭矩或減少的排放也可能是用於確定最優操作區域的因素。因此，能夠以控制器設計者認為合適的任何方式選擇參考或「最優」點火的特徵。
在圖1所示出的實施例中，許多部件圖解性地示出為獨立的功能塊。雖然在實際實現方式中，獨立的部件可以用於每個功能塊，但應認識到的是，不同塊的功能性能夠以任意數量的組合容易地集成在一起。通過舉例，請求點火分數計算器122、調整點火分數計算器124以及動力傳動系參數調整模塊133都可以容易地一起集成到一個單一的點火分數確定單元224中(圖4中標出)或者可以實現為合併多種不同功能塊組合的部件。可替代地，該調整點火分數計算器和該動力傳動系調整模塊的功能性可以集成到一個振動控制單元中。不同功能塊的功能性能夠以算法方式、以模擬或數字邏輯方式、使用查找表或以任何其他合適的方式來實現。任何描述的部件也可以根據需要合併到發動機控制單元140的邏輯中。
在一個具體實例中，應認識到的是，在圖1示出的實施例中，請求點火分數計算器122和調整點火分數計算器124合作以產生指示點火分數的一個信號，該信號基於當前加速器踏板位置以及其他操作條件是希望的、適當的。雖然作為兩個獨立部件的這些部件的功能性的描述有助於解釋點火分數計算器的總體功能，並且這兩個部件的組合能良好地工作以選擇一個適當的點火分數，但應認識到的是，相同或相似的功能性可以經由許多其他技術來容易地實現。例如，在一些實施例中，一個扭矩請求可以直接轉化成所希望的點火分數。該扭矩請求可能是一個所希望的扭矩計算的結果(例如，由ecu或有效充當扭矩計算器的其他部件計算)，該扭矩請求可以直接或間接源自加速器踏板位置，或者該扭矩請求可以由任何其他合適的來源提供。
在其他實施例中，可以使用一個多維查找表來選擇所希望的點火分數，而無需計算或確定請求點火分數的單獨步驟。通過舉例，在一個具體實現方式中，該查找表可以基於(a)加速器踏板位置；(b)發動機速度(例如rpm)；以及(c)傳動齒輪。當然，包括歧管絕對壓力(map)、發動機冷卻劑溫度以及凸輪設置(即氣門開啟和閉合次數)、點火正時等的多種其他索引同樣可以用於其他具體實現方式中。使用查找表的一個優點在於建模允許發動機設計者定製並且預設計將用於任何具體操作條件的點火分數。這類選擇可以被定製以結合針對振動緩解、聲學特徵、燃料經濟性以及其他競爭且潛在衝突的因素所希望的權衡。這種表也可以被安排成用於鑑別適當的進氣質量(mac)和/或與選定點火分數一起使用以提供所希望的發動機輸出的其他適當的發動機設置，從而同樣結合動力傳動系參數調整模塊133的功能性。
任何以及所有描述的部件都可以被安排成用於十分快速地更新它們的決定/計算。在一些優選的實施例中，這些決定計算基於逐個點火機會(又稱為逐個工作循環)更新，但這並非必要條件。不同部件的逐個點火機會操作的一個優點在於它使控制器非常易於對改變的輸入和/或條件作出響應(特別是在與控制器僅可以在一個整個點火模式已完成之後或在其他設置延遲之後作出響應相比較時)。雖然逐個點火機會操作非常有效，但應認識到的是，這些不同部件(並且尤其是點火控制器130之前的部件)可以更緩慢地更新，同時仍提供可接受的控制(如(例如)通過更新曲軸的每次迴轉等)。
在許多優選的實現方式中，點火控制器130(或等效功能性)基於逐個點火機會做出一個不連續點火/不點火的決定。這並不意指必須在發生燃燒事件的同時做出這個決定，因為可能要求一些前置時間來適當地排空氣缸並且為氣缸供燃料。因此，點火決定典型地是與點火事件同時期做出的，但不必是同時的。這個點火決定可以在點火機會工作循環之前不久或大致上同時做出，或者該決定可以在早於實際點火機會一個或多個工作循環做出。另外，雖然許多實現方式獨立做出每個工作室點火機會的點火決定，但在其他實現方式中，可能希望同時做出多個決定(例如兩個或更多個)。
在一些優選的實施例中，點火控制單元120可以以與發動機速度和氣缸相位(例如，到達氣缸1上的上止點(tdc)或一些其他參考)同步的一個信號操作。該tdc同步信號可以用作該點火控制單元的一個時鐘。該時鐘可以被配置，這樣使得它具有與每次氣缸點火機會相對應的一個上升數位訊號。例如對於一個六氣缸、四衝程的發動機來說，該時鐘可以具有三個上升數位訊號/發動機迴轉。連續時鐘脈衝中的上升數位訊號可以調整相位以大致上與每個氣缸在其壓縮衝程結束時的tdc(上止點)位置相匹配，但這並非必要條件。因此，時鐘與發動機之間的相位關係可以出於方便而選擇並且也可以使用不同的相位關係。
循環模式發生器
接下來參考圖2，將更為詳細地描述一個調整點火分數計算器124(在此有時稱為一個循環模式發生器(cpg)124(a)的一個具體實現方式。從概念上來說，循環模式發生器124(a)被安排成用於確定接近請求點火分數的一個操作點火分數，同時試圖確保所得點火順序消除或最小化人類最大敏感度的頻率範圍內的點火頻率分量。已經存在涉及振動對車輛乘坐者作用的大量研究。例如，iso2631提供了與振動對車輛乘坐者的影響有關的指導。一般來說，頻率在0.2與8hz之間的振動被認為屬於從乘客舒適性觀點來說最糟糕的振動類型(但當然存在許多對最相關界限有爭議的理論)。因此，在一些實現方式中，希望以使該範圍(或者車輛/發動機設計者最關注的任何一個或多個範圍)內的振動頻率最小化的一種控制模式操作發動機。
在第一個描述的實施例中，這部分通過確保使用了以超過指定閾值的頻率重複的一種點火「模式」或「順序」來實現。因此，循環模式發生器124(a)有效充當用於減少由請求點火分數計算器確定的點火分數中可能存在的低頻成分的一個濾波器。實際重複閾值可以根據任何具體應用的需要而變化，但通常認為約6至12hz的最小重複閾值在許多應用中都能良好地工作。出於說明目的，以下實例利用一個8hz的最小重複閾值，該最小重複閾值已被發現適用於許多應用。然而，應認識到的是，所使用的實際閾值水平可以在應用之間變化，並且在某些應用中，該閾值實際上可以基於操作條件(例如像發動機速度)而發生一些變化。
返回該實例，如果選擇每秒重複八次或更多次的一種循環點火模式，那麼我們可以相當確信該點火模式自身將不具有或具有低於8hz的最小基頻分量。換句話說，如果該點火模式是周期性的並且該循環模式每秒重複的次數是8或更多，那麼發動機將以低於8hz的最小振動操作。在這個實施例中，圖2中示出的調整點火分數計算器124(a)被安排成用於使得驅動脈衝發生器130輸出每秒重複至少8次(即處於或高於重複閾值)的一種點火指令重複模式。
為了更好地說明該概念，考慮在2400rpm下以所希望的重複閾值8hz操作的一種四衝程、六氣缸發動機。這種發動機將每分鐘具有7200次點火機會或每秒具有120次點火機會。因此，只要使用不超過15次以上點火機會(即每秒120次點火機會除以8hz)的一個重複點火順序(在此稱為一個循環點火順序)，就可以認為該循環點火模式自身將不具有低於8hz的頻率分量。
實施這種方法的一種方式是計算可以用於一個重複順序而沒有引入低於所希望的閾值(例如8hz)的頻率分量的風險的點火機會的最大數量。這個值在此稱為最大可能循環點火機會(mpcfo)並且可以通過用每秒的點火機會除以所希望的最小振動頻率來計算。mpcfo也可以使用查找表(lut)來確定。在這個實例中，mpcfo＝120/8＝15。mpcfo的任何分數值可以向下捨入或舍位以避免在一個不想要的頻率範圍內的頻率成分。注意，mpcfo是反映每個循環的點火機會的一個無因次數，因為它反映了點火機會頻率與最小所希望的振動頻率的比。
將mpcfo取作15，確保點火順序的重複處於或高於所希望的頻率的各種可能的操作點火分數可以通過將所有可能分數視為具有15或更小的分母來確定。這些可能的操作點火分數包括：15/15、14/15、13/15、12/15、11/15…3/15、2/15、1/15；14/14、13/14、12/14…3/14、2/14、1/14；等，重複分母值是13至1的這種模式。各種可能的操作點火分數的回顧表明對於為15的mpcfo，存在73個獨特的可能操作點火分數(即，消除了重複的值，因為許多分數(例如6/15、4/10、2/5)將是重複的)。調整點火分數計算器124(a)可以將這組可能的點火分數視作與為15的mpcfo相關聯的一組可供使用的操作點火分數。應認識到的是，mpcfo將隨著發動機速度的變化而變化，並且不同的mpcfo將具有不同組可供使用的操作點火分數。為了進一步說明這一點，圖8是示出潛在可供使用的點火分數的數量隨著mpcfo變化而變化的曲線圖。
可以在發動機操作期間容易地動態確定可供使用的操作點火分數組，該組可供使用的操作點火分數確保點火順序將以大於最小重複閾值的速率重複。此確定能夠以算法方式計算；通過使用查找表或其他合適的數據結構來尋找；或者通過任何其他合適的機制來計算。應認識到的是，這十分容易實施，部分原因是mpcfo相當容易計算並且每個獨特的mpcfo將具有一個固定的可允許點火分數組。
一般來說，使用mpcfo計算方法鑑別的該組可供使用的點火分數可以視為一組候選點火分數。如下文將更詳細論述，還可能希望進一步排除一些選定的特定點火分數，因為它們會激發車輛共振或引起令人不快的噪聲。這些排除的點火分數可以取決於動力傳動系參數(如傳動齒輪速比)而變化。
循環模式發生器124(a)通常被安排成用於選擇在任何給定發動機速度下最合適的可供使用的操作點火分數。應清楚，很多(事實上大多數)時候，命令點火分數125將是不同的，儘管相對接近請求點火分數123。圖3是比較請求點火分數與在mpcfo為15的情況下可能由一個代表性調整點火分數計算器124產生的傳輸點火分數的示例性曲線圖。如在圖3中可以看到，僅使用有限數量的離散點火分數導致了一個階梯步進型傳輸點火分數行為。
如上文指出，請求點火分數123基於將適於在具體點火條件(例如，優化點火)下傳輸所希望的發動機輸出的點火百分比來確定。當命令點火分數125不同於請求點火分數123時，如果氣缸在與確定請求點火分數中設想的條件完全相同的條件下被點燃，那麼發動機150的實際輸出將與所希望的輸出不匹配。因此，動力傳動系參數調整模塊133(其可以任選實施為調整點火分數計算器124(a)的一部分)還被安排成用於適當地調整發動機的一些操作參數，這樣使得在使用調整點火分數時，實際發動機輸出與所希望的發動機輸出相匹配。雖然動力傳動系參數調整模塊133被示出為一個獨立的部件，但應認識到的是，這種功能性可以容易地(並且經常會)合併到ecu或其他合適的部件之中。如本領域技術人員將認識到，可以容易地改變許多參數以適當地調整每次點火傳輸的扭矩，以確保使用該調整點火分數的實際發動機輸出與所希望的發動機輸出相匹配。通過舉例，可以容易地調整參數(如油門位置、點火提前/正時、進氣門定時和排氣門定時、燃料供應等)來提供每次點火所希望的扭矩輸出。
如在圖3中可以看到，對於除接近0和1的那些以外的所有請求點火分數水平來說，循環模式發生器124(a)輸出的離散點火分數水平相對接近請求水平。如在其他地方所描述，當請求點火分數接近1時，可能優選以一種正常工作模式而不是一種跳過點火操作模式來運轉發動機。當請求點火分數可能接近零(如(例如)當發動機在空轉時)，可能優選以一種正常(非跳過點火)操作模式運轉發動機，或者減少每次點火的輸出，這樣使得一個更高的點火分數被要求。從控制觀點來說，這通過以下來容易地實現：(a)簡單地減少請求點火分數計算器123中利用的參考點火輸出；並且(b)相應地調整發動機參數。
如下文將更詳細論述，循環模式發生器124(a)(或者其他調整點火分數計算器)可以任選包括一個rpm遲滯模塊和一個點火分數遲滯模塊。這些模塊用於使因發動機速度或請求扭矩的微小改變造成的cpg水平的不必要波動最小化。遲滯閾值可以隨著發動機速度和請求扭矩的變化而變化。而且，這些遲滯閾值取決於是否請求增大或減小扭矩而可以是不對稱的。遲滯水平也可以隨著動力傳動系參數(如傳動齒輪速比或其他車輛參數(如是否應用剎車))的變化而變化。
噪聲
上文所述循環模式產生方法在減少發動機振動方面是非常有效的。然而，使用重複模式存在一些潛在缺點(如果不適當解決的話)。首先，如下文將更詳細解釋，該模式自身的重複性質會使共振或差頻受到激發，從而導致一種嗡嗡聲或嗡響聲。其次，一些重複模式導致跳過氣缸時間延長，從而可能引起發動機的熱問題、機械問題和/或控制問題。在一個v8發動機中，可以表示為分數n/8的所有跳過點火的點火分數都具有這種潛在問題。例如，一個1/2的點火分數可能潛在地始終點燃一組四個汽缸並且從不點燃其他四個(這基於被點燃的具體氣缸可能是希望的或不希望的)。類似地，一個1/8的點火分數可能始終點燃一個氣缸，但從不點燃其他七個。其他分數也可以顯示出這種特性。當然，其他型號的發動機具有類似問題。
為了更好地理解聲學差頻問題的本質，考慮一個1/3的命令點火分數，該命令點火分數傾向於在許多類型的發動機中非常平滑地運轉。在這種安排中，點火分數可以通過每三個氣缸點火來實施。以1500rpm運轉的一個四衝程v8發動機每三個氣缸點火會導致331/3hz的基頻。在如此高的點火頻率下，駕駛員幾乎檢測不到振動。不幸的是，所得模式的規律性會產生聲學問題。確切地說，實際氣缸點火的順序每24個機會重複來點火。因此，如果個彆氣缸點火具有略微不同的聲學特徵(由於如排氣系統設計等因素，這是常見的)，那麼可以產生4.2hz的聲學差頻。這種差頻可以發生的原因在於雖然在1500rpm下每三個氣缸點火會導致331/3hz的基頻，但在一個八氣缸發動機中，完全相同的氣缸點火模式每24個點火機會進行重複。在1500rpm下，每秒存在100個點火機會，從而導致完全相同的氣缸順序每秒重複約4.2次(即100÷24≈4.2)。因此，存在產生約4.2hz的差頻的潛力。這種差頻有時對車輛乘坐者來說是可察覺的並且當可以感知時，就會在聲學上變得令人討厭。在另一方面，該差頻足夠低以至於觀察者需要花費一些時間才能認識到它。因此，當在相同點火分數下持續驅動車輛數秒時，在其他情況下不會引人注意的聲學共振會變得明顯起來。當然，可以存在同樣可以受到激發的許多其他共振差頻。
在實踐中，已觀察到在一些發動機中，少數允許的循環點火模式/點火分數產生不希望的聲學特徵。事實上，一些最平滑的點火分數(如1/3和1/2)有時易於產生不希望的聲學特徵。在一些情況下，這些不希望的聲學特徵與上文論述的共振差頻的類型相關聯，這些共振差頻的類型似乎與排氣路徑的特徵和/或駐留頻率相關。在其他情況下(例如，在使用1/2時)，噪聲可能與切換至氣缸排或組或在氣缸排或組之間切換相關聯。對於任何特定發動機和任何特定車輛(具有它們的相關聯的排氣系統等)來說，可以容易地鑑別產生不希望的聲學噪聲的點火分數/發動機速度組合。這種鑑別可以通過經驗或分析來實現。
聲學噪聲問題能夠以多種不同方式解決。例如，易於產生不希望的聲學噪聲的一個或多個點火分數可以相對容易地根據經驗鑑別，並且調整點火分數計算器可以被設計來排除在特定操作條件下使用這類分數。在一個這種安排中，可以使用下一個更高或下一個最接近的點火分數來代替感知到可能產生聲學噪聲的點火分數。在其他實施例中，命令點火分數與計算點火分數之間可以存在少量偏移，如下文將更詳細描述。雖然首先在循環模式發生器124(a)的背景中論述了聲學噪聲問題，但應認識到的是，基本聲學問題可應用於任何點火分數確定單元的設計之中。
還觀察到，聲學噪聲問題並不總是嚴格地是點火分數的函數。相反，包括發動機速度、齒輪等的其他變量可能對發動機操作的聲學特徵具有影響。因此，調整點火分數確定單元可以被安排成用於避免使用產生這種不希望的聲學噪聲的任何點火分數/發動機速度/齒輪組合。在利用查找表來確定適當的調整點火分數125的實施例中，可以簡單地從可供使用的點火分數組中消除任何具有不希望的聲學特徵的點火分數。在實時計算(例如，以算法方式或使用邏輯)命令點火分數125的實施例中，可以首先計算一個建議點火分數並且之後可以檢查該建議點火分數以確保該建議點火分數不是一個禁止點火分數。如果結果證明一個建議點火分數是被禁止的，那麼可以選擇一個相鄰的點火分數(例如，下一個更高的點火分數)來代替該禁止點火分數。這種檢查可以使用任何合適的技術來進行。通過舉例，使用發動機速度作為一個索引的一個查找表可以用於鑑別對於任何給定發動機速度來說被禁止的潛在點火分數。
另一種方法將是簡單地將充分緩解聲學噪聲的一個因素添加到禁止點火分數中。例如，如果已知一個建議點火分數(如1/3)具有不希望的聲學特徵，那麼可以使用一個不同的點火分數(例如17/50或7/20)代替該建議點火分數。這些分數幾乎具有為1/3的相同點火頻率，所以將僅要求稍微減小每個點火扭矩以使輸出扭矩大致上與請求扭矩相匹配。同樣，實際偏移可以基於具體的發動機運行條件來預設或計算。
可以用於解決潛在的聲學問題的另一種機制是有時打破由點火控制器產生的重複模式。為了預防在僅某些氣缸被點燃/未被點燃的情況中產生的熱問題和機械問題，這也可能是希望的。打破循環模式的一種方法是使控制器不定期地添加一次額外的點火。這能夠以多種方式來實現。在圖4示出的實施例中，提供了一個額外點火插入器272，該點火插入器可以被編程，以有時少量增大輸入點火控制器230的值。這具有增大請求點火分數的作用並且將產生一些額外的點火。例如，如果插入器使命令點火分數增大1％持續延長的時期，那麼點火控制器將每100個點火機會提供一次額外的點火。可以改變這些額外點火的頻率和一般正時來滿足任何具體設計的需要，但通常希望保持相當低的額外點火數，這樣使得它們不會顯著影響發動機總輸出。通過舉例，將由命令點火分數信號125指導的點火百分比增大約0.5％至5％通常足以充分打破這些模式以顯著減少聲學噪聲。在示出的實施例中，插入器位於點火控制器230的上遊。然而，還應清楚的是，這些額外點火可以在多個位置處引入到點火控制單元邏輯中以實現相同的功能。
插入器272也可以被編程以插入僅與特定點火分數(例如，被認為具有聲學問題或其他問題的點火分數)相關聯的另外的點火(例如，增大點火分數)。相反地，該插入器可以被安排成用於不插入與特定點火分數相關聯的另外的點火。在一個具體實現方式中，該插入器可以包括用於鑑別額外點火插入的頻率的一個二維查找表(該二維查找錶針對任何具體的操作狀態可以是零、正數或負數)，其中一個索引是請求扭矩或命令點火分數並且另一個是發動機速度。當然，更高或更低維度的查找表以及使用其他索引(例如，齒輪)和/或多種算法以及其他方法的表同樣可以用於確定插入的頻率。在一些實現方式中，可能同樣希望隨機化這些插入的正時。仍然在其他實現方式中，可能希望隨著時間改變插入的量值(例如，對於一個穩定狀態輸入來說，第一短周期增加1％，之後增加2％插入並且然後增加零插入)。因此，可以廣泛改變插入的性質來滿足任何具體應用的需要。
打破模式的另一種方法是將高頻抖動引入到cpg命令信號中。高頻抖動可以被視為疊加在主信號或第二信號上的一個隨機類噪聲信號。如果需要，那麼除另外的點火之外或代替這些另外的點火，可以由插入器272引入該高頻抖動。在其他實現方式中，可以在點火控制器230內內部地引入該高頻抖動(或者插入器272的任何其他功能)。
下文相對於圖6和圖7論述了緩解聲學問題的另外其他方法。另外，應認識到的是，除了控制點火分數和點火順序之外，一些聲學問題還可以通過車輛機械設計來解決。點火順序控制算法與車輛機械設計的複雜度之間可能存在一個權衡，其中本領域技術人員可以確定一個成本有效的工程解決方案。
平滑操作
已觀察到在常規跳過點火控制器(該控制器典型地利用一小組有效點火分數)中，一些更為明顯的發動機粗糙度傾向於與不同點火模式之間的過渡相關聯。上文相對於圖1所述的跳過點火控制器的一個特徵在於基於σ-δ的點火控制器(驅動脈衝發生器)130固有地擴展點火命令，甚至是在改變命令點火分數的中途。應認識到的是，點火命令的這種擴展具有若干不希望的效果。首先，該擴展傾向於使發動機在任何給定點火分數下的操作平滑，這是因為點火傾向於相當均勻地擴展。另外，該擴展幫助使不同點火分數之間的過渡平滑，因為σ-δ轉換器的累加器功能有效地追蹤先前已被請求但尚未被傳輸的一個點火的部分–並且因此點火分數之間的過渡並不傾向於像沒有這種追蹤將觀察到的一樣中斷。換句話說，該σ-δ轉換器有效地追蹤了已被請求(例如，被命令點火分數信號125請求)但尚未得到指導(例如，以驅動脈衝信號113的形式指導)的一個點火的部分。對最近點火的這種追蹤或「記憶」促進了一個點火分數與點火順序中任何點處的下一個點火分數之間的過渡，這是相當有利的。也就是說，一種模式沒有必要在一個不同的點火分數被命令之前完成一個循環。
再者，一些描述的實現方式涵蓋一個基於發動機速度(rpm)的時鐘的使用。使用一個基於rpm的時鐘的一個潛在伴隨問題是每次氣缸點火傾向於引起發動機rpm的明顯改變。從控制觀點來說，這會有效地引起時鐘的跳動，該跳動會不利地影響控制器。使用一個rpm時鐘的控制器中的點火的更為均勻的擴展的另一個益處在於該擴展還傾向於減少時鐘跳動的不利影響。
雖然基於σ-δ的點火控制器(以及其他相似類型的轉換器)為使發動機操作平滑做出很多，但仍存在可以用於幫助進一步使該發動機操作平滑的許多其他控制特徵。再次參考圖4，將描述可以添加至任何描述的跳過點火控制器或與其一起使用來進一步改善受控發動機/車輛的平滑度和運行性能的若干另外的部件和控制方法。在圖4的實施例中，點火控制單元220包括一個點火分數確定單元224、一對低通濾波器270、274，以及一個點火控制器230(以及任選插入器272)。在這個實施例中，動力傳動系參數調整模塊133也負責確定所希望的進氣質量(mac)和/或希望用於幫助確保實際發動機輸出與請求發動機輸出相匹配的其他發動機設置。點火控制器230可以採用一個σ-δ轉換器或傳輸命令點火分數的任何其他轉換器的形式。
已觀察到在穩定狀態操作期間，大多數駕駛員在駕駛時無法將他們的腳完美地仍然保持在加速器踏板上。也就是說，大多數駕駛員的腳在駕駛期間甚至是在他們試圖使踏板保持穩定時都傾向於略微上下振蕩。這被認為部分歸因於生理因素並且部分歸因於道路固有的振動。無論何種原因，這類振蕩都會轉化成請求扭矩的微小振動，從而會潛在地引起相鄰點火分數之間相對頻繁的來回切換，如果這些振蕩恰好超過一個閾值，那麼這通常會引起點火分數計算器在兩個不同點火分數之間切換。點火分數之間這類頻繁的來回切換通常是不希望的並且典型地不會反映駕駛員實際上改變發動機輸出的任何意圖。多種不同的機制可以用於緩解加速器踏板信號110中這類微小振動的影響。通過舉例，在一些實施例中，提供一個預濾波器261來過濾出這類微小輸入信號振蕩。該預濾波器可以用於有效地消除輸入信號110中被認為是駕駛員不期望的一些微小振蕩振動。在其他實施例中，除預濾波器261之外或代替該預濾波器，在命令點火分數的確定中，點火分數確定單元224可以被安排成用於應用遲滯至加速器踏板輸入信號110，或否則忽略加速器踏板輸入信號110中的微小振蕩振動。這可以容易地通過使用一個遲滯常數來實現，該遲滯常數要求輸入信號110在請求/命令點火分數做出任何改變之前改變一個設定量。當然，這種遲滯常數的值可以廣泛地變化來滿足任何具體應用的需要。類似地，除一個常數之外，遲滯閾值還可以採用扭矩請求百分比變化的形式或使用其他合適的閾值函數。
仍然在其他應用中，扭矩遲滯可以由一個扭矩計算器、ecu或作為確定請求扭矩的一部分的其他部件來應用。所使用的實際扭矩遲滯閾值和/或所使用的應用遲滯的性質可以廣泛地變化來滿足所希望的設計目標。
重要的是認識到將相關點火分數確定單元122、224等局限於僅改變請求/命令點火分數以響應大於一個閾值量的輸入信號振動並不意指點火控制單元120、220等不傳輸遵循駕駛員請求的一個實際發動機輸出。相反，該輸入信號的任何較小的振動能夠通過適當地改變發動機設置(例如，進氣質量)同時使用相同的點火分數以一種更傳統的方式來處理。
在此描述的一些點火分數計算器的一個特別值得注意的特徵在於可供使用的點火分數的數量基於發動機的操作速度是或可能是可改變的。也就是說，在較高發動機速度下可供使用的點火分數的數量可能大於(並且潛在地顯著大於)在較低發動機速度下可供使用的點火分數的數量。這個特徵相當不同於常規跳過點火控制器，該常規跳過點火控制器通常被局限於使用獨立於發動機速度的一個相對較小的固定的點火分數組。通過舉例，上文所述的循環模式發生器124(a)的算法實現方式被安排成用於動態地計算發動機操作期間可能的操作點火分數狀態的數量和值。因此，該組可能的操作點火分數將在mpcfo整數值改變的任何時間發生改變。當然，在其他(例如，基於表的)實現方式中，更多點火分數變得可供使用時所處的閾值能夠以不同方式改變。
無論如何，由於命令點火分數可以隨著發動機速度的變化而部分地發生變化，所以可能存在發動機速度的小變化將引起命令點火分數的改變的情況。已觀察到點火分數之間的過渡傾向於是不希望的振動和/或聲學噪聲的一個潛在來源並且相鄰點火分數之間的快速來回波動往往是特別不希望的。為了幫助降低這類波動的頻率，點火分數確定單元124、124(a)、224等可以被安排成用於提供一個基於動態rpm的遲滯，這樣使得發動機速度的相對較小的振動不會引起點火分數的改變。
為了更好地說明問題的本質，考慮利用一個循環模式發生器(cpg)124(a)來確定命令點火分數的一個點火控制單元120、220。應認識到的是，每次氣缸點火都可能各自引起發動機速度(rpm)的一個不可忽略的改變。因此，如果發動機在接近閾值的速度下在cpg水平之間操作，那麼特定氣缸的連續點火和不點火將會使控制器在cpg水平之間來回波動並且因此使命令點火分數來回波動，而這是不希望的。(注意，輸入或請求點火分數的一個範圍映射到一個公用命令點火分數，即一個公用cpg水平上)。因此，在這種實現方式中，希望確保發動機速度的一個改變在循環模式發生器124(a)實際上將一個初始cpg水平改變至一個不同的cpg水平之前高於一個最小步進值。任何具體控制器設計中應用的rpm遲滯的量可以發生變化以滿足具體車輛控制方案的需要。然而，通過舉例，適用於描述的循環模式發生器124(a)實現方式的一個公式如下：
rpm遲滯＝(高通截止頻率*120/#氣缸)
其中高通截止頻率(highpasscutofffrequency)是指示了一個點火指令的重複模式每秒預期重複的最小次數的重複閾值-例如上文提供的實例中的8hz，並且#氣缸是發動機具有的氣缸數量。如上文所論述，在一些實現方式中，可能希望隨著發動機速度、齒輪或其他因素的變化而變化高通截止頻率。在一些實現方式中，rpm遲滯的應用水平也可以隨著這類因素的變化而變化。
在其他應用中，可能希望使用一個預定的rpm遲滯閾值(即，要求發動機速度變化大於一個指定值(例如，200rpm))或基於發動機速度百分比的一個rpm遲滯(例如，要求發動機速度變化大於一個指定發動機速度百分比(例如，標稱發動機速度的5％))。當然，用於這類閾值的實際值可以廣泛地變化以滿足任何具體應用的需要。
在另一個具體的實現方式中，可以提供一個鎖存器來保持在最近的發動機速度波動中觀察到的一個最小發動機速度值(例如，rpm)。鎖存的發動機速度之後僅在觀察到發動機速度的變化超過rpm遲滯時增大。這個鎖存的發動機速度然後可以用於要求發動機速度作為一個計算或查找表的一部分的不同計算之中。這類計算的實例可能包括用於mpcfo的計算或用作不同查找表的索引等的發動機速度。在某些計算中使用這個鎖存的最小發動機速度值的一些優點在於：(a)它幫助確保對扭矩請求減小(例如，在駕駛員釋放加速器踏板時)的快速響應；以及(b)確保高通截止頻率不下降到請求值以下。
瞬態響應
採用基於描述的點火分數管理的跳過點火控制器，在命令點火分數做出改變的任何時間都將典型地存在請求進氣質量(mac)的一個步進改變。然而，在許多情況下，油門的響應時間和與增大或減小穿過進氣歧管來提供mac的所請求改變的氣流流率相關聯的固有延遲是如此以使得如果存在請求mac的一個步進改變，那麼在接下來幾個點火機會期間實際上可供使用的空氣量(即，實際mac)可以略微不同於請求mac。因此，在這類情況下，實際上可供用於接下來的命令點火(或接下來幾個命令點火)的mac可以略微不同於請求mac。通常有可能預測和改正這類錯誤。
在圖4示出的實施例中，點火分數計算器224的輸出在它傳輸到點火控制器230之前通過一對濾波器270、274。濾波器270和274(這些濾波器可以是低通濾波器)緩解命令點火分數中的任何步進變化的影響，這樣使得在較長的時期內擴展點火分數的變化。這種「擴展」或延遲可以幫助使不同命令點火分數之間的過渡平滑並且還可以用於幫助補償改變發動機參數的機械延遲。
具體來說，濾波器270使不同命令點火分數(例如，不同的cpg水平)之間的突然過渡平滑以提供對發動機行為的更好響應並且因此避免一種衝擊的瞬態響應。在cpg水平之間的過渡期間在非cpg水平下操作通常是可接受的，因為響應的瞬態性質避免了產生低頻率振動。
如前文所論述，在點火分數確定單元224指導命令點火分數的一個改變時，也將典型地使動力傳動系調整模塊133指導發動機設置(例如，可以用於控制歧管壓力/進氣質量的油門位置)的一個相應的改變。從濾波器270的響應時間不同於用於實施指導的發動機設置的改變的一個或多個響應時間的意義上來說，請求的發動機輸出與傳輸的發動機輸出之間可以存在失配。事實上，在實踐中，與實施這類改變相關聯的機械響應時間遠遠慢於點火控制單元的時鐘速度。例如，歧管壓力的命令改變可以涉及改變油門位置，這具有一個相關聯的機械時間延遲並且存在該油門的實際移動與所希望的歧管壓力的實現之間的另一個時間延遲。最終結果是在單個點火機會的時間範圍內經常是不可能實施某些發動機設置的命令改變的。如果不加以應對的話，那麼這些延遲將導致請求發動機輸出與傳輸發動機輸出之間的差異。在示出的實施例中，提供濾波器274來幫助減少這類偏差。更確切地說，對濾波器274進行縮放，因此它的輸出以與發動機行為相似的速率改變；例如，它可以大致上與進氣歧管填充/未填充動力學相匹配。
在圖4示出的實施例中，點火分數確定單元224的輸出225(a)通過濾波器270，從而產生信號225(b)。如果使用了一個插入器272，那麼在這個階段它的輸出通過加法器226來添加，從而產生信號225(c)。當然，如果未使用插入器(或者未應用插入)，那麼信號225(b)和225(c)將是相同的。這個信號225(c)優選地是在確定適當的動力傳動系設置中由動力傳動系參數調整模塊133可見並且使用的命令點火分數，這樣使得這些發動機設置經過適當地計算來傳輸針對考慮了濾波器270和(如果存在)插入器272的影響的命令點火分數的所希望的發動機輸出。然而，信號225(c)在它實際上作為命令點火分數225(d)傳輸到點火控制器230之前通過濾波器274。如上文所述，濾波器274被安排成用於幫助解決改變發動機設置中固有的瞬態響應延遲。因此，濾波器274幫助確保點火控制器230實際上要求的點火分數能解決這類固有的延遲。
應清楚的是，完成由濾波器270賦予的點火分數之間的命令過渡的延遲在大多數情況下對發動機的總體響應來說將是無關緊要的。然而，存在可能不希望這種延遲的時候，如(例如)在請求點火分數存在大的改變時。為了適應這類情況，濾波器可以結合一個旁通模式，該旁通模式使點火分數確定單元224的輸出225(a)在指導點火分數的大改變時直接傳遞到點火控制器230中。這類旁通式濾波器的設計在濾波器設計領域中是熟知的。例如，濾波器內部設置可以重新初始化以便於迫使該濾波器的輸出達到一個預定值。
多種低通濾波器設計可以用於實施低通濾波器270和274二者。這些濾波器的結構可以發生變化以滿足任何具體應用的需要。可替代地，傳感器可以被安排成用於將積極監測map時間演變的信號饋入點火控制單元220中。給出這種信息和一個精確的map模型後，濾波器274可以基於這種信息來調整。在一些具體實施例中，低通iir(無限脈衝響應)濾波器用作濾波器270和274並且已發現這些濾波器工作起來特別良好。與命令點火分數信號225和點火控制器230類似，這種iir濾波器優選以每次點火機會計時。接下來解釋適用於這種應用的一個具體一階iir濾波器設計的結構。雖然描述了一個具體的濾波器設計，但應認識到的是，同樣可以利用包括fir(有限脈衝響應)濾波器等的多種多樣其他低通濾波器。
如熟悉濾波器設計領域的技術人員將認識到，具有取樣時間t的離散一階iir濾波器的公式將是：
yn＝ct*xn+(1-ct)y(n-1)
然而，在描述的實施例中，時鐘是可變的並且依賴於發動機速度。因此，為了將一階iir濾波器從一個常數採樣時間轉換成基於曲軸角度的一個可變採樣時間一階濾波器，係數必須重新計算如下：
cf＝(ct/t)*(60/rpm)/(#氣缸2)
cf＝(2*ct/t)*(60/rpm)/(#氣缸)
cf＝k*(60/rpm)/(#氣缸)
其中濾波器的係數ct和cf分別用於一個時間基準「t」濾波器和一個角度或點火分數基準「f」濾波器。
因此，具有與以上提到的時間基準iir濾波器相同的特徵的一個一階iir濾波器的公式將是：
yf＝cf*xf+(1-cf)y(f-1)
雖然已描述了一個具體的一階iir濾波器，但應認識到的是，包括更高階iir濾波器和其他合適的濾波器的其他濾波器可以容易地用於代替描述的離散一階iir濾波器。
扭曲點火分數
在上文所述的方法中，鑑別了具有良好振動(或nvh)特徵的一組操作點火分數並且在發動機操作期間，點火分數確定單元224著重使用這些點火分數。該組操作點火分數可以通過分析、根據經驗或使用其他合適的方法來獲得。將一個跳過點火控制器限制於使用這類點火分數可以顯著減少發動機振動。查看這種方法的一種方式是觀察到請求扭矩的範圍被映射到單個點火分數，從而導致該請求扭矩與命令點火分數之間如圖3中所示的一個階梯步進式映射。換句話說，在這種方法中，命令點火分數在一個扭矩請求範圍內(在圖3中反映為一個請求點火分數範圍)保持恆定。
在相對於圖2描述的實施例中，披露了用於鑑別某些點火分數值的一種具體方法，這些點火分數值已知用於降低由以跳過點火模式操作發動機產生的振動量。為了便於描述，那些點可以稱為cpg點，但這類點可以通過分析、根據經驗或使用混合技術來確定。在實踐中，在使用十分接近一個cpg點但並不與其完全相同的點火分數的情況下，觀察到的振動將不會急劇攀升。相反地，雖然關係遠不是線性的，但離任何cpg點越遠的點火分數的振動特徵傾向于越差。這種特徵可以(例如)在圖5中以圖形形式看出，該圖5示出了在cpg點1/3處附近的點火分數下的測量的縱向加速(振動的一個尤其顯著的特徵)。將參考圖6至圖7描述的一個替代的調整點火分數計算器124(b)中利用了這種特徵。
在這個實施例中，調整點火分數計算器124被安排成用於以一種方式將請求點火分數(或請求扭矩)映射到命令點火分數，該方式有些類似於圖3的階梯步進式方法，但區別在於「階梯」的延伸部分375被設計成具有輕微的斜率(即不是水平的)而「階梯」的上升部分377具有更陡峭的斜率，如可以在圖6和圖7二者中看出。從概念上來說，以這種方式將請求扭矩(或請求點火分數)映射到一個命令點火分數125的一個點火分數計算器具有若干有趣的特徵。
通過將一個輕微的斜率添加到階梯的延伸部分，與一個請求扭矩範圍相關聯的命令點火分數125被扭曲，這樣使得它停留在一個目標cpg點附近，但並不是恆定的。以此方式，振動被減少，因為接近cpg點的值也傾向於具有良好的振動特徵。同時，聲學共振極少可能受到激發，特別是在請求扭矩/點火分數持續變化，甚至是變化很小量的情況下。如上文指出，研究已發現事實上即使是在穩定狀態驅動條件下，加速器踏板輸出的信號也傾向於輕微振蕩。可以利用輸入信號的這種固有特徵來幫助減少聲學共振。
階梯的上升部分從概念上來說可以被認為代表cpg階段之間的過渡。通過推測，這些過渡區域通常反映具有不太希望的振動特徵的區域。如果這個區域中映射的斜率相對較陡，那麼cpg階段之間的過渡將相對較快，這意指從概率上來說，請求扭矩將處於這些過渡區域中的時間量相對較低。通過最小化點火控制器130、230經過指導來輸出處於這些過渡區域內的一個點火分數的時間，顯著降低了產生不希望的振動的可能性並且可以獲得良好的nvh特徵。
存在可以用於產生具有這種性質的映射的許多算法。一種簡單的方法是一種分段線性映射。這種映射可以容易地通過以下內容來表徵：(1)一組希望的操作點(例如，cpg點)；(2)規定操作點附近的映射的斜率的一個參數；以及(3)規定處於這些操作點之間的中間處置處的點的映射的斜率的一個參數。該組操作點可以使用任何合適的方法(例如，以算法方式、根據經驗等)來鑑別。注意，先前描述的cpg點針對這個目的工作得特別良好，並且下文描述使用cpg點作為操作點。然而，應認識到的是，使用cpg點當然並非必要條件。這些cpg點附近的映射的斜率(se)與階梯的延伸部分375的斜率相對應。這個斜率(se)將小於1並且優選顯著小於1。通過舉例，1/3或更小以及更優選地0.1或更小的斜率能良好地工作。處於這些cpg點之間的中間位置處的點的映射的斜率(sm)與階梯的上升部分377的斜率對應。這個斜率(sm)將大於1(並且優選顯著大於1，例如3或更大，並且更優選地10或更大)。在示出的實施例中，階梯的上升部分的中心位於cpg點之間的中點處，這能良好地工作，但是這同樣並非嚴格的必要條件。
採用這組限制條件，完全確定了從輸入點火分數至輸出點火分數的映射。給出以上參數後，在任何時間都可以使用以下算法來計算該輸出點火分數。
步驟1：找出輸入點火分數(cpglo)下方的最大cpg點以及輸入點火分數(cpghi)上方的最小cpg點。
步驟2：計算cpglo與cpghi的中點(mp)。
步驟3：確定通過cpglo具有斜率se的一條線與通過mp具有斜率sm的一條直線的交點。這是低分割點(bplo)。
步驟4：確定通過cpghi具有斜率se的一條直線與通過mp具有斜率sm的一條直線的交點。這是高分割點(bphi)。
步驟5：確定該請求點火分數位於哪個分段。三個分段分別：a)在cpglo與bplo之間；b)在bplo與bphi之間；以及c)在bphi與cpghi之間。
步驟6：使用相應的線(表示為一個線性方程)來計算該輸出點火分數。
在即時計算線段的一個實現方式中，步驟1至5僅在點火分數從一個分段移到另一個時或在這些輸入參數之一(例如，該組可供使用的cpg點)改變時需要進行計算。因此，僅最後步驟將每次點火機會都需要計算。當然，前五個步驟的結果還可以容易地以查找表形式實施以更進一步簡化計算。應認識到的是，cpg點之間的一個或多個線段的形狀可以容易地使用這種方法來定製，並且這些分段可以容易地使用不同於相鄰cpg點之間的中點的一個或多個中間點來限定。
點火分數的這種描述的扭曲是緊湊的並且易於計算。這還有益於降低在使用單個點火分數持續延長時間段時更有可能發生的聲學共振建立的機率。輸入點火分數到輸出點火分數的映射的性質使發動機偏好在低振動區域內操作。這兩個目的(即，停留在一個振動良好的點上的偏好相對於避免聲學共振的希望)之間的權衡可以使用一小組參數來做出。
雖然描述的分段線性映射能良好地工作，但應認識到的是，多種多樣其他映射可以容易地用於此處。例如，使用三次多項式來匹配cpg和中點處的斜率和值的技術可以容易地使用並且傾向於良好地工作。另外，在示出的實施例中，將使用單個函數來定義cpg點之間的映射的過渡。然而，這並非必要條件。在替代的實施例中，不同的函數可以用於映射相鄰cpg點對之間的過渡和/或不同的斜率可以用於各個不同的分段。例如，cpg點1/2附近的斜率可以是零，而相鄰分段可以具有一個正斜率。這對於在點火分數接近一半(或者與傳統可變排量操作狀態共存的其他點火分數)時允許發動機以與常規可變排量發動機更相似的一種方式操作是合乎需要的。可替代地，通過cpg點1/2的斜率可以是非常大或無窮大的，從而有效地排除在那個cpg水平下的操作。
其他特徵
描述的點火分數管理技術利用發動機操作特徵的知識來鼓勵使用具有較低振動特徵同時通過改變合適的發動機操作參數(如進氣質量)來補償點火分數變化的點火分數。所得控制器通常相對易於實施並且與常規跳過點火發動機控制相比較時可以顯著減輕nvh問題。雖然僅詳細描述了本發明的幾個實施例，但應認識到的是，本發明在不脫離本發明的精神或範圍的情況下能夠以許多其他方式實施。
值得注意的是，許多特徵，如濾波器270和274、插入器272、預濾波器261、點火分數計算器(或其他部件)內計算中使用的不同輸入信號上遲滯的使用、基於發動機速度或曲柄角的時鐘的使用等，都在具體實施例的背景下進行了描述。雖然這些特徵在某些實施例的背景下進行了具體論述，但應認識到的是，概念在本質上是更一般性的並且這類部件和它們的相關聯函數可有利地併入任何描述和/或要求的跳過點火的點火控制單元之中。
允許控制器利用與大多數跳過點火控制器所涵蓋的相當小的一組(或常規可變排量發動機中允許的極度受限的排量選擇)相比相當廣泛的一個點火分數範圍有助於實現比這類常規設計可能具有的更好的燃料效率。有效點火分數管理和描述的不同技術有助於緩解nvh問題。同時，請求扭矩通過調整適當的發動機設置(如油門設置)(這幫助控制歧管壓力以及因此控制mac)來適當地傳輸以傳輸所希望的發動機輸出。所得組合有助於設計多種不同經濟的跳過點火發動機控制器。
上文注意到在許多實現方式中，可供使用的點火分數的數量可以隨著發動機速度的變化而變化。雖然不存在固定截止值，但一般來說，在1000rpm或更高的發動機速度下操作的八氣缸發動機的可供使用的點火分數狀態的數量具有至少23個可供使用的點火分數並且在高於1500rpm的發動機速度下操作的相同發動機具有的點火分數數量大於該可供使用的點火分數狀態的數量的兩倍。通過舉例，圖8圖解性示出了潛在可供使用的點火分數隨著圖2的實施例中的mpcfo的增加而增加。對於一個固定截止頻率來說，mpcfo與發動機速度線性成比例。圖9繪製了具有一個8hz固定截止頻率的一個八氣缸四衝程發動機的潛在可供使用的點火分數的增加。如在其中可以看到，潛在可供使用的點火分數的數量隨著發動機速度而大於線性地增加，這促進了更好的燃料效率以及點火分數之間更平滑的過渡。
描述的若干實施例論述了基於算法或邏輯的方法以確定一個調整點火分數。應認識到的是，任何描述的功能性可以容易地以算法方式、使用查找表、以離散邏輯方式、以可編程邏輯方式或以任何其他合適的方式來實現。
雖然描述了跳過點火管理，但應認識到的是，在實際實現方式中，跳過點火控制並不需要用於排斥其他類型的發動機控制。例如，將經常存在以下操作條件：希望以一種常規(點燃所有氣缸)模式操作發動機，其中與點火分數相比，主要通過油門位置調節發動機的輸出。另外或可替代地，在一個命令點火分數與在一個標準可變排量模式(即，在所有時間內只能點燃一個固定氣缸組)中可供使用的一個操作狀態共存時，可能希望僅操作一個特定的預指定氣缸組以在這類點火分數下模擬常規可變排量發動機操作。
已在控制適用於機動車輛的四衝程活塞式發動機的點火的背景下主要描述了本發明。然而，應認識到的是，描述的連續可變排量方法非常適於用在多種多樣內燃發動機之中。這些包括用於幾乎任何類型的車輛(包括汽車、卡車、船、飛機、摩託車、踏板車等)、非車輛應用(如發電機、割草機、落葉吹掃機、模型等)、以及利用內燃發動機的幾乎任何其他應用的發動機。描述的不同方法利用在多種多樣不同熱力循環下操作的發動機–包括幾乎任何類型的二衝程活塞式發動機、柴油機、奧託循環發動機(ottocycleengine)、雙循環發動機、米勒循環發動機(millercycleengine)、阿金森循環發動機(atkinscycleengine)、汪克爾發動機(wankelengine)以及其他類型的旋轉發動機、混合循環發動機(如雙奧託和柴油機)、混合式發動機、星型發動機等。還相信，無論它們是否利用當前已知或後來開發的熱力循環操作，所描述的方法都將能利用新近開發的內燃發動機良好地工作。
結合的專利和專利申請中的一些實例涵蓋一種優化的跳過點火方法，其中點燃的工作室在大致上最優的條件(熱力或其他條件)下被點燃。例如，引入這些工作室用於每次氣缸點火的進氣質量可以設置為在發動機當前操作狀態(例如，發動機速度、環境條件等)下提供大致上最高的熱力效率的進氣質量。描述的控制方法在與這種類型的優化跳過點火發動機操作結合使用時能非常良好地工作。然而，這絕不是必要條件。相反，該描述的控制方法不管這些工作室在何種條件下被點燃都能非常良好地工作。
如在一些參考專利和專利申請中解釋，描述的點火控制單元可以作為一個獨立的點火控制協同處理器或以任何其他合適的方式實施在一個發動機控制單元內。在許多應用中，將希望將跳過點火控制作為一個另外的操作模式提供給常規(即，所有氣缸點火)發動機操作。這允許發動機在條件不太適合於跳過點火操作時以一種常規模式操作。例如，常規操作在某些發動機狀態(如發動機起動、低發動機速度等)中可能是優選的。
在一些實施例中，假設在管理點火分數時可以使用所有氣缸。然而，那並非必要條件。如果希望用於特定應用，那麼點火控制單元可以容易地被設計來在要求排量低於一些指定閾值時始終跳過一些指定氣缸。仍然在其他的實現方式中，在它們的一些氣缸已被關閉的模式下操作時，可以將任何描述的工作循環跳過方法應用到傳統可變排量發動機中。
描述的跳過點火控制可以容易地與多種其他燃料經濟性和/或性能增強技術(包括稀燃技術、燃料噴射成型技術(fuelinjectionprofilingtechnique)、渦輪增壓、增壓作用等)一起使用。上文所述的大多數點火控制器實施例都利用了σ-δ轉換。雖然相信σ-δ轉換器非常適合用於這種應用中，但應認識到的是，這些轉換器可以採用多種多樣的調製方案。例如，脈衝寬度調製、脈衝高度調製、面向cdma的調製或其他調製方案可以用於傳輸命令點火分數。一些描述的實施例利用一階轉換器。然而，在其他實施例中，可以使用更高階轉換器。
大多數常規可變排量活塞式發動機被安排成用於通過在整個工作循環內保持氣門關閉來禁用未使用的氣缸，從而試圖使通過未使用的氣缸的泵送空氣的負面效應最小化。描述的實施例非常適用於能夠以一種類似方式來禁用或關閉被跳過的氣缸的發動機。雖然這種方法能良好地工作，但活塞仍然在氣缸內往復運動。活塞在氣缸內的往復運動引入摩擦損耗，並且在實踐中，氣缸內的一些壓縮氣體典型地將通過活塞環逃逸，由此還引入一些泵送損耗。由於活塞往復運動造成的摩擦損耗在活塞式發動機中相對較高，並且因此從理論上來說可以通過在被跳過的工作循環期間使活塞分離來實現總體燃料效率的顯著進一步提高。在過去數年裡，有若干發動機設計曾試圖通過使活塞脫離往復運動來減少可變排量發動機中的摩擦損耗。本發明人不知道有任何這類設計曾實現商業成功。然而，猜測這類發動機的有限市場阻礙了它們在批量生產的發動機中的發展。由於與活塞脫離(對於結合了描述的跳過點火和可變排量控制方法的發動機來說是潛在可行的)相關聯的燃料效率增益相當顯著，可能能使開發活塞脫離發動機在商業上非常可行。
鑑於上述內容，應清楚本發明實施例應視為是說明性的而非限制性的，並且本發明不限於在此給出的細節，而是可以在隨附權利要求書的範圍內進行修改。