用於減少起動期間發動機轉矩擾動的方法及設備的製作方法
2023-05-23 00:00:01 1
專利名稱：用於減少起動期間發動機轉矩擾動的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機。更特別而言，本發明涉及內燃機啟動。
背景技術：
人們一直在尋求對汽車系統中的噪聲、振動和粗糙度(NVH)進行改進，特別是在包括發動機、傳動裝置及其它傳動線路部件的動力系的領域中。一種容易識別的NVH源可歸於在點火前的啟動序列期間(即發動機起動期間)作用於發動機的活塞上的較高壓縮和膨脹力所導致的扭矩擾動。由於從歷史上看，發動機起動為比較罕見並且暫時性的事件-通常每個駕駛循環一次-所以改進來自其它源的NVH被放在更優先的位置。然而，由於出現了使得當不需要時(例如等待交通信號狀態)能夠在車輛操作期間關閉發動機的汽車，特別是混合型電動車輛，所以就要求在正常的駕駛循環期間進行頻繁得多的發動機啟動。發動機啟動在沒有常規的操作者交互作用(即轉動點火鎖氣缸)的情況下進行。就是說，發動機啟動可以在例如操作者鬆開車輛腳踏閘踏板並且壓下車輛加速器踏板之後進行。此外，發動機啟動的進行可以滿足各種車輛需求，包括例如電池充電狀態維護和廢氣催化劑熱管理。儘管這些技術進步能夠給總體車輛燃料經濟性和尾管排放帶來顯著的有利影響，但是也由此為操作者產生了比較新的可能有害的NVH源。
在一些發動機中，發動機啟動序列NVH可以通過高級氣門機件控制而得以改進。例如，在其中除了一個氣缸之外的所有其它氣缸都以機械方式被停用的單氣缸發動機啟動中可以顯示出NVH改進情況。同樣，為實現同樣的改進目標，可以利用凸輪定相來減少發動機啟動期間的壓縮力。然而，這種解決方案需要增加氣門機件的複雜性和成本，而且不能在具有常規氣門機件配件的發動機中實現。
發明內容
因此，通常需要使來自汽車中所有源的NVH最小化。在可能具有增長的發動機啟動周期的汽車中，解決來自於發動機起動的NVH源問題的動力日益增加。非常需要對與發動機起動相關的NVH進行經濟有效地改進，尤其需要的是不需要發動機氣門機件改動及相關的成本且複雜性的解決方案。
內燃機包括進氣歧管和多個燃燒室。根據本發明的方法，發動機按照通過在發動機起動之前使進氣歧管內壓力下降從而減少轉矩擾動的方式來啟動，而發動機的起動包括推動發動機轉動、向燃燒室提供可燃燃料充量並使其燃燒。對電泵進行控制以便在起動之前抽空進氣歧管。優選地，第二空氣噴射泵適用於進行這種抽空。另外，有利的是在進行抽空之前關閉所有通向進氣歧管的滲漏通道。因此，還需要關閉所有的進氣節氣門、廢氣再循環閥或與任一此類滲漏通道相關聯的其它可控閥。
相應地，根據本發明的啟動設備包括泵，泵選擇性地聯接於進氣歧管上並且操作用於在發動機起動之前抽空進氣歧管。這種設備還包括發動機起動設備，其操作用於推動發動機轉動，向燃燒室提供可燃空氣與燃料混合物以及使燃燒室內的可燃空氣與燃料混合物燃燒。有利地，啟動設備還包括在抽空進氣歧管期間基本上關閉的進氣節氣門。發動機起動設備還可以包括點火系統，其操作用於提供點火火花以便開始燃燒室內的可燃空氣與燃料混合物的燃燒。啟動設備還可以包括用於將由泵從進氣歧管抽出的氣體送入發動機的排氣管道的管道。優選地，泵為適用於抽空進氣歧管的第二空氣噴射反應泵。
根據本發明製造的物品中包括用於啟動具有進氣歧管的汽車內燃機的程序指令。程序指令包括用於在發動機起動之前抽空進氣歧管的編碼、用於起動內燃機的編碼以及存儲編碼的計算機可讀介質。用於起動內燃機的編碼還包括用於控制著操作用於推動發動機轉動的電機的編碼、用於控制著操作用於在其被推動轉動期間向發動機提供燃料的燃料輸送系統的編碼以及用於控制著操作用於在其被推動轉動期間向發動機提供火花的火花輸送系統的編碼。發動機還可以包括進氣節氣門，而用於抽空進氣歧管的編碼還可以包括用於關閉進氣節氣門的編碼和用於控制著操作用於抽空進氣歧管的泵的編碼。
現在參看用於示例而非限制的附圖，其中該圖為用於示出本發明優選實施例的示例性內燃機系統的示意圖。
具體實施例方式
現在參看附圖，其中發動機控制模塊(ECM)36為帶有標準控制與邏輯電路的基於微控制器的裝置和包括只讀存儲裝置的標準存儲裝置，其中存儲著用於執行發動機控制和診斷操作的多個例程，包括用於執行實現本發明的方法所用的操作的例程。每個例程包括由微控制器在預先設立的發動機事件之後或根據時間執行的指令序列。可以在發動機操作時-包括發動機啟動序列期間-在每個相繼的發動機氣缸事件之後重複執行的這種例程包括用於產生並發出燃料與火花定時命令的燃料控制與火花定時例程。這些命令被提供給相應的燃料控制器和點火控制器(並未單獨示出)，以便控制包括發動機啟動序列期間在內的每個氣缸事件所用的燃料輸送與點火定時。這種燃料與火花控制器對於本發明所屬領域的普通技術人員而言眾所周知。
操作者控制型加速器踏板(未示出)，又名節氣門踏板，由車輛操作者手動壓下以便指示預期發動機操作水平。踏板遠離靜止或低角度位置壓下的程度由常規電勢測定位置傳感器(未示出)轉換成輸出信號PPS，其作為控制輸入提供給ECM36，用於指示預期發動機操作水平和發動機重新啟動順序。節氣門致動和節氣門位置檢測由電子節氣門體、節氣門致動配件和節氣門位置檢測配件完成，如下所述。進氣閥位置命令在線路46上被轉化成脈衝寬度調製(PWM)致動器驅動信號，以便命令致動器18的輸出軸移向預期轉動位置。進氣閥位置信號TP由用於閉環控制操作的ECM36接收。替代地，分離式節氣門控制模塊(未示出)包括由眾所周知的元件諸如中央處理單元和輸入/輸出電路構成的常規控制器體系結構。一般而言，節氣門控制模塊通過雙向串行數據鏈路接收來自ECM36的發動機操作條件信息，以及接收轉換器信號並且通過執行一系列控制例程形式的存儲指令產生進氣閥位置命令(即致動器驅動電流信號)以便命令致動器18的輸出軸移向預期轉動位置。在這種設置結構中，信號TP由用於閉環控制操作的節氣門控制模塊接收。
操作者控制型制動踏板(未示出)由車輛操作者手動壓下以便指示預期車輛制動水平。例如，制動踏板作用力(BR)的程度可以從常規壓力轉換器提供於氣壓與液壓制動系統(未示出)中。制動踏板作用力BR作為控制輸入提供給ECM36，用於指示預期制動水平和發動機重新啟動順序。
在正常的發動機操作中，進氣經過厚膜或熱線型質量氣流計14穿過進氣孔12，以便將發動機進氣質量流速轉換成輸出信號MAF。例如蝶型或旋轉型的電子控制型進氣閥16置於進氣孔12中並在其中旋轉以便改變進氣孔12對穿過該孔的進氣的限制程度。例如DC馬達或步進馬達型機電致動器18包括可轉動的輸出軸(未示出)，其以機械方式如通過齒輪組件(未詳細示出)連接於閥16上。致動器18的輸出軸的轉動位置通過改變由ECM36發出的電流命令來控制，例如通過對由可從市場上買到的用於雙向電流控制的全H橋(未示出)構成的四個門電路進行脈衝寬度調製控制來進行。通過電流命令幅值的定時變化，就可以為發動機進氣閥速度控制提供對發動機進氣閥位置的高解析度、高響應控制。致動器18可以是任何可從市場上買到的能提供高性能動態定位的高性能機電致動器，這根據在特定發動機操作條件下，如高發動機進氣速度(高發動機負載)操作條件下電子節氣門控制應用中的要求而得以良好建立。進氣閥16的轉動位置由任何常規類型的電勢測定位置傳感器20轉換成輸出信號TP。
穿過進氣閥16的進氣容放於進氣歧管21中以便分配給多個發動機氣缸的進氣通路(未示出)。進氣歧管21中的進氣絕對壓力由常規轉換器22轉換成輸出信號MAP。環境大氣壓力(BARO)由常規大氣壓力傳感器(未示出)轉換，或者，替代地，在特定操作條件下，如其中跨過進氣閥16的壓降基本為零的條件下，被設定成由信號MAP表示的壓力值。
進氣與所噴射的燃料量混合併被輸送至用於在其中燃燒的發動機氣缸以便在氣缸內往復驅動活塞(未示出)，活塞以機械方式連接於發動機輸出軸30上以便旋轉驅動輸出軸。燃料從常規燃料系統(未示出)輸送，該燃料系統包括燃料箱或儲蓄器、燃料泵、燃料管路與軌道以及燃料噴射器。各種燃料噴射設備中的任何一種都可以使用，包括節氣門體噴射、埠燃料噴射或直接氣缸噴射。燃料控制例程產生並發出對應於預期燃料噴射器開放時間的脈衝寬度形式的燃料命令，在這期間，加壓燃料穿過活動式發動機氣缸所用的燃料噴射器以便提供預期的發動機氣缸空氣/燃料比率。燃料命令產生應用於活動式發動機氣缸所用的燃料噴射器上的驅動電流。如所述，所噴射的燃料量與進氣量在節氣門體、進氣轉子或直接在發動機氣缸中混合，並在發動機氣缸中被點燃。
發動機位置由緊靠輸出軸定位的轉動傳感器32例如常規霍爾效應或可變磁阻轉換器轉換，以便將經過的形成於輸出軸上的齒或凹口(未示出)的編碼型式轉換成轉換器輸出信號EPS的周期。根據EPS可以推導出發動機速度(RPM)，這為發動機控制領域內的常規實踐。
在燃燒過程期間發動機氣缸中所產生的氣體通過排氣轉子而被導出氣缸，排至排氣歧管33並通過排氣歧管33通向廢氣管道34。所燃燒的氣體穿過催化處理裝置41，該催化處理裝置41可以包括常規三元催化劑和緊耦合型催化劑以便改進冷啟動排放性能。預催化與過催化氧氣檢測通過轉換或寬範圍氧氣傳感器42和43來執行，以便向ECM36提供氧氣含量信號(O2)從而用於閉環燃料控制中，如本領域內眾所周知。
廢氣再循環(EGR)管道44在第一端開通進入排氣歧管33中，而在與第一端相對的第二端進入進氣歧管21中以便提供從排氣歧管進入進氣歧管的廢氣再循環，從而稀釋發動機進氣並進而降低進氣的氧含量並且降低燃燒溫度，這符合減少由氧化氮NOx構成的發動機排放物組分的一般程序。電控螺線管型EGR閥45放置於再循環管道44中，並且響應於用於改變對通過管道的廢氣流的限制的控制信號，以便對進氣充量稀釋提供控制。電勢測定位置傳感器(未示出)與閥45相關聯，以便使得可動式檢測元件如刮水器搖臂與閥45的樞軸(未示出)一起運動從而改變傳感器輸出信號(EGRPOS)，該信號指示由受控閥位置所強加的限制程度。線路50表示由ECM36提供的EGR位置命令和提供給ECM36的EGR閥位置信號EGRPOS的連通。
第二空氣噴射反應(AIR)管道47在第一端開通進入排氣管道34中，而在第二端開通進入電控制螺線管型換向閥49中。電空氣泵48放置於AIR管道47中，並且響應於來自ECM36的控制信號以便將新鮮空氣通過管道抽吸至排氣管道34。優選地，空氣泵馬達為無電刷式並且速度可變以便分別滿足耐用性與控制能力要求。換向閥49與ECM36相連通，因而選擇性地定位，以便將AIR管道47通過位於進氣閥16下遊的上遊管道54或進氣歧管21，通過下遊管道55而聯接於位於進氣閥16上遊的進氣孔12之一上。止回閥57和53示出於AIR管道47和上遊管道54中以便阻止不合需要的氣流。在需要的情況下，另一種受控閥可以代替止回閥。
ECM36接收包括所述的轉換器和傳感器輸出信號PPS、BR、MAF、MAP、EPS、EGRPOS、O2、TP和BARO在內的多個輸入信號，並且通過執行各個例程，產生燃料與火花命令以及包括用於根據電子節氣門控制而進行節氣門定位在內的其它控制命令。在由ECM36執行的發動機控制例程中，對於每個所檢測的發動機氣缸事件而言，各個例程均執行一次。在本文中，氣缸事件可以定義為每個氣缸轉矩生成事件。當發生可以由來自傳感器32的每個循環EPS信號指示的每個氣缸事件時，為多個發動機參數產生當前值，這些參數包括冷卻劑溫度、發動機速度、歧管絕對壓力、發動機火花定時以及發動機空氣/燃料比率(在閉環控制期間)。發動機控制領域中眾所周知，當前火花定時值根據包括發動機性能和排放目標在內的各種常規發動機控制目標來確定。空氣/燃料比率響應於提供實際發動機空氣/燃料比率的指示的氧氣傳感器輸入信號O2而確定。
本發明需要至少一個電動馬達操作聯接於發動機上以便發動機可以由此從零速度條件下加速旋轉。馬達可以直接聯接於發動機輸出軸上或者可以通過各種齒輪組(包括減速齒輪傳動裝置)或者可選擇性地接合的裝置如啟動離合器、範圍離合器或者齒圈與小齒輪設置結構如嚙合式接合的啟動器小齒輪與發動機飛輪中的任何一種而聯接於其上。啟動馬達可以是可接合於發動機飛輪上的常規型啟動器馬達、主要用作適度混合電路應用中的啟動器/加速器的電機、或其它混合電動車輛應用中的牽引馬達/發電機，包括電變速傳動裝置。在本文中使用時，將發動機起動理解成包括發動機的被推動轉動，如通過電機或發動機加燃料以便產生燃燒轉矩而被推動。
在正常冷啟動操作下，氣缸充量一般被設定為富化學計量以便幫助並確保穩定燃燒。冷啟動條件可以例如通過發動機冷卻劑溫度、傳動裝置流體溫度、發動機油溫等等而確定。富燃料充量可能導致過高的未燃燒碳氫化合物排放。如果廢氣中帶有過量的未燃燒碳氫化合物，那麼常規三元催化劑一般無效。另外，在冷啟動期間，在催化劑達到點火溫度之前，即使按化學計量的廢氣混合物也未被有效處理。因此，空氣泵用於通過適當定位換向閥49而將來自進氣通道12的新鮮空氣抽入排氣管道34，以便在催化劑之前氧化過量的碳氫化合物並且為催化劑提供附加熱量以便更快實現點火。空氣泵還可以通過適當定位換向閥49而將來自進氣通道12的新鮮空氣提供給排氣管道34，以便在當燃料/空氣比率可能過度豐富時的其它時間如減速與敞開節流操縱期間，在催化劑之前氧化過量的碳氫化合物。在某些發動機排放系統中，緊耦合型催化劑可以通過實現緊耦合催化劑的快速點火和對過度豐富的燃料/空氣混合物的充分氧化來取代對這種空氣噴射的需要。
根據本發明的方法與設備，在發動機啟動序列期間，特別是在混合車輛頻繁再啟動期間，換向閥49被定位成通過下遊管道55將位於進氣閥16下遊的進氣歧管21聯接於AIR管道47上。令空氣泵48致動以便在隨後的發動器起動之前或其早期基本上抽空進氣歧管。因此，空氣泵和換向閥用於在發動機起動之前或者發動機起動的初始階段中降低進氣歧管中的壓力，這就實現了減少在起動期間的發動機轉矩波動。這種抽空得到最有效地執行，並且通過關閉通向進氣歧管的任何可能滲漏通道而使其得到幫助。例如，需要控制聯接於進氣歧管上並使進氣歧管與大氣層或有效容積如發動機曲柄箱和真空儲蓄器相連通的任一個閥。因此，有利的是在抽空期間關閉節氣門16。類似地，有利的是在抽空期間關閉EGR閥。有利地，還關閉了可控曲軸箱洩壓閥(未示出)與通常依靠進氣歧管作為真空源的任何其它可控線路。
以上相對於某些優選實施例對本發明進行了描述，這些實施例用於示出本發明而並非作為限制。例如，儘管相對於火花點火的以汽油為燃料的發動機來描述本發明，但是經過適當改動，其可以同樣適用於以汽油為燃料的受控自動點火型發動機。
權利要求
1.一種用於啟動包括進氣歧管和多個燃燒室的內燃機的方法，包括抽空進氣歧管；以及在抽空進氣歧管之後，起動發動機，包括使發動機轉動，向燃燒室提供在其中燃燒所用的可燃空氣與燃料混合物，以及使可燃空氣與燃料混合物在燃燒室內燃燒。
2.根據權利要求1所述的方法，其中抽空進氣歧管包括基本上關閉所有通向進氣歧管的滲漏通道並將氣體抽出進氣歧管。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述內燃機還包括進氣節氣門並且基本上關閉所有通向進氣歧管的滲漏通道的步驟包括關閉進氣節氣門。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述內燃機包括火花點火源並且燃燒燃燒室內的可燃空氣與燃料混合物的步驟包括為其提供點火火花。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述內燃機為火花點火型發動機。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述內燃機為受控自動點火型發動機。
7.根據權利要求2所述的方法，其中將從進氣歧管抽出的氣體送入內燃機的排氣管道。
8.根據權利要求7所述的方法，其中通過第二空氣噴射反應泵將氣體從進氣歧管抽出並送入內燃機的排氣管道。
9.根據權利要求1所述的方法，其中抽空進氣歧管的步驟由選擇性地聯接於進氣歧管與內燃機的排氣管道之間的第二空氣噴射反應泵來實現。
10.一種用於包括進氣歧管的內燃機的啟動設備，包括泵，其選擇性地聯接於進氣歧管上並且操作用於在發動機起動之前抽空進氣歧管；以及發動機起動設備，其操作用於使發動機轉動，向燃燒室提供可燃空氣與燃料混合物並且使燃燒室內的可燃空氣與燃料混合物燃燒。
11.根據權利要求10所述的設備，還包括在抽空進氣歧管期間基本上關閉的進氣節氣門。
12.根據權利要求10所述的設備，其中發動機起動設備還包括點火系統，其操作用於提供點火火花以便開始燃燒室內的可燃空氣與燃料混合物的燃燒。
13.根據權利要求10所述的設備，還包括位於泵與內燃機的排氣管道之間的管道，其有效用於將由泵從進氣歧管抽出的氣體送入排氣管道。
14.根據權利要求10所述的設備，其中所述泵包括適於抽空進氣歧管的第二空氣噴射反應泵。
15.一種製造的物品，其中具有用於啟動具有進氣歧管的汽車內燃機的程序指令，包括所述程序指令包括用於在發動機起動之前抽空進氣歧管的編碼；用於起動內燃機的編碼；以及存儲編碼的計算機可讀介質。
16.根據權利要求15所述的製造的物品，其中用於起動內燃機的編碼還包括用於控制著操作用於使發動機轉動的電機的編碼；用於控制著操作用於在其被推動轉動期間向發動機提供燃料的燃料輸送系統的編碼；以及用於控制著操作用於在其被推動轉動期間向發動機提供火花的火花輸送系統的編碼。
17.根據權利要求15所述的製造的物品，其中發動機還包括進氣節氣門，而用於抽空進氣歧管的編碼還包括用於關閉進氣節氣門的編碼；以及用於控制著操作用於抽空進氣歧管的泵的編碼。
18.根據權利要求15所述的製造的物品，其中發動機還包括排氣管道和聯接於進氣歧管與排氣管道之間的第二空氣噴射反應泵，用於抽空進氣歧管的編碼還包括用於控制著第二空氣噴射反應泵以便抽空進氣歧管並且由第二空氣噴射反應泵將從進氣歧管抽出的氣體送入排氣管道的編碼。
19.根據權利要求18所述的製造的物品，其中發動機還包括進氣節氣門，而用於抽空進氣歧管的編碼還包括用於在抽空進氣歧管期間關閉進氣節氣門的編碼。
全文摘要
通過在發動機起動之前使進氣歧管壓力下降而減少內燃機的起動轉矩擾動。在優選的設置結構中，第二空氣噴射反應泵適用於抽空進氣歧管以便實現預期的進氣歧管壓力的下降。
文檔編號F02N99/00GK1831315SQ20061005953
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月10日 優先權日2005年3月10日
發明者D·R·蘭卡斯特, M·G·科索夫斯基, M·A·特奧巴爾德, J·A·科格斯維爾二世, B·R·斯奈德, J·P·米勒, D·J·弗賴曼 申請人:通用汽車公司