用于减少起动期间发动机转矩扰动的方法及设备的制作方法

专利名称：用于减少起动期间发动机转矩扰动的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机。更特别而言，本发明涉及内燃机启动。
背景技术：
人们一直在寻求对汽车系统中的噪声、振动和粗糙度(NVH)进行改进，特别是在包括发动机、传动装置及其它传动线路部件的动力系的领域中。一种容易识别的NVH源可归于在点火前的启动序列期间(即发动机起动期间)作用于发动机的活塞上的较高压缩和膨胀力所导致的扭矩扰动。由于从历史上看，发动机起动为比较罕见并且暂时性的事件-通常每个驾驶循环一次-所以改进来自其它源的NVH被放在更优先的位置。然而，由于出现了使得当不需要时(例如等待交通信号状态)能够在车辆操作期间关闭发动机的汽车，特别是混合型电动车辆，所以就要求在正常的驾驶循环期间进行频繁得多的发动机启动。发动机启动在没有常规的操作者交互作用(即转动点火锁气缸)的情况下进行。就是说，发动机启动可以在例如操作者松开车辆脚踏闸踏板并且压下车辆加速器踏板之后进行。此外，发动机启动的进行可以满足各种车辆需求，包括例如电池充电状态维护和废气催化剂热管理。尽管这些技术进步能够给总体车辆燃料经济性和尾管排放带来显著的有利影响，但是也由此为操作者产生了比较新的可能有害的NVH源。
在一些发动机中，发动机启动序列NVH可以通过高级气门机件控制而得以改进。例如，在其中除了一个气缸之外的所有其它气缸都以机械方式被停用的单气缸发动机启动中可以显示出NVH改进情况。同样，为实现同样的改进目标，可以利用凸轮定相来减少发动机启动期间的压缩力。然而，这种解决方案需要增加气门机件的复杂性和成本，而且不能在具有常规气门机件配件的发动机中实现。

发明内容
因此，通常需要使来自汽车中所有源的NVH最小化。在可能具有增长的发动机启动周期的汽车中，解决来自于发动机起动的NVH源问题的动力日益增加。非常需要对与发动机起动相关的NVH进行经济有效地改进，尤其需要的是不需要发动机气门机件改动及相关的成本且复杂性的解决方案。
内燃机包括进气歧管和多个燃烧室。根据本发明的方法，发动机按照通过在发动机起动之前使进气歧管内压力下降从而减少转矩扰动的方式来启动，而发动机的起动包括推动发动机转动、向燃烧室提供可燃燃料充量并使其燃烧。对电泵进行控制以便在起动之前抽空进气歧管。优选地，第二空气喷射泵适用于进行这种抽空。另外，有利的是在进行抽空之前关闭所有通向进气歧管的渗漏通道。因此，还需要关闭所有的进气节气门、废气再循环阀或与任一此类渗漏通道相关联的其它可控阀。
相应地，根据本发明的启动设备包括泵，泵选择性地联接于进气歧管上并且操作用于在发动机起动之前抽空进气歧管。这种设备还包括发动机起动设备，其操作用于推动发动机转动，向燃烧室提供可燃空气与燃料混合物以及使燃烧室内的可燃空气与燃料混合物燃烧。有利地，启动设备还包括在抽空进气歧管期间基本上关闭的进气节气门。发动机起动设备还可以包括点火系统，其操作用于提供点火火花以便开始燃烧室内的可燃空气与燃料混合物的燃烧。启动设备还可以包括用于将由泵从进气歧管抽出的气体送入发动机的排气管道的管道。优选地，泵为适用于抽空进气歧管的第二空气喷射反应泵。
根据本发明制造的物品中包括用于启动具有进气歧管的汽车内燃机的程序指令。程序指令包括用于在发动机起动之前抽空进气歧管的编码、用于起动内燃机的编码以及存储编码的计算机可读介质。用于起动内燃机的编码还包括用于控制着操作用于推动发动机转动的电机的编码、用于控制着操作用于在其被推动转动期间向发动机提供燃料的燃料输送系统的编码以及用于控制着操作用于在其被推动转动期间向发动机提供火花的火花输送系统的编码。发动机还可以包括进气节气门，而用于抽空进气歧管的编码还可以包括用于关闭进气节气门的编码和用于控制着操作用于抽空进气歧管的泵的编码。


现在参看用于示例而非限制的附图，其中该图为用于示出本发明优选实施例的示例性内燃机系统的示意图。
具体实施例方式
现在参看附图，其中发动机控制模块(ECM)36为带有标准控制与逻辑电路的基于微控制器的装置和包括只读存储装置的标准存储装置，其中存储着用于执行发动机控制和诊断操作的多个例程，包括用于执行实现本发明的方法所用的操作的例程。每个例程包括由微控制器在预先设立的发动机事件之后或根据时间执行的指令序列。可以在发动机操作时-包括发动机启动序列期间-在每个相继的发动机气缸事件之后重复执行的这种例程包括用于产生并发出燃料与火花定时命令的燃料控制与火花定时例程。这些命令被提供给相应的燃料控制器和点火控制器(并未单独示出)，以便控制包括发动机启动序列期间在内的每个气缸事件所用的燃料输送与点火定时。这种燃料与火花控制器对于本发明所属领域的普通技术人员而言众所周知。
操作者控制型加速器踏板(未示出)，又名节气门踏板，由车辆操作者手动压下以便指示预期发动机操作水平。踏板远离静止或低角度位置压下的程度由常规电势测定位置传感器(未示出)转换成输出信号PPS，其作为控制输入提供给ECM36，用于指示预期发动机操作水平和发动机重新启动顺序。节气门致动和节气门位置检测由电子节气门体、节气门致动配件和节气门位置检测配件完成，如下所述。进气阀位置命令在线路46上被转化成脉冲宽度调制(PWM)致动器驱动信号，以便命令致动器18的输出轴移向预期转动位置。进气阀位置信号TP由用于闭环控制操作的ECM36接收。替代地，分离式节气门控制模块(未示出)包括由众所周知的元件诸如中央处理单元和输入/输出电路构成的常规控制器体系结构。一般而言，节气门控制模块通过双向串行数据链路接收来自ECM36的发动机操作条件信息，以及接收转换器信号并且通过执行一系列控制例程形式的存储指令产生进气阀位置命令(即致动器驱动电流信号)以便命令致动器18的输出轴移向预期转动位置。在这种设置结构中，信号TP由用于闭环控制操作的节气门控制模块接收。
操作者控制型制动踏板(未示出)由车辆操作者手动压下以便指示预期车辆制动水平。例如，制动踏板作用力(BR)的程度可以从常规压力转换器提供于气压与液压制动系统(未示出)中。制动踏板作用力BR作为控制输入提供给ECM36，用于指示预期制动水平和发动机重新启动顺序。
在正常的发动机操作中，进气经过厚膜或热线型质量气流计14穿过进气孔12，以便将发动机进气质量流速转换成输出信号MAF。例如蝶型或旋转型的电子控制型进气阀16置于进气孔12中并在其中旋转以便改变进气孔12对穿过该孔的进气的限制程度。例如DC马达或步进马达型机电致动器18包括可转动的输出轴(未示出)，其以机械方式如通过齿轮组件(未详细示出)连接于阀16上。致动器18的输出轴的转动位置通过改变由ECM36发出的电流命令来控制，例如通过对由可从市场上买到的用于双向电流控制的全H桥(未示出)构成的四个门电路进行脉冲宽度调制控制来进行。通过电流命令幅值的定时变化，就可以为发动机进气阀速度控制提供对发动机进气阀位置的高分辨率、高响应控制。致动器18可以是任何可从市场上买到的能提供高性能动态定位的高性能机电致动器，这根据在特定发动机操作条件下，如高发动机进气速度(高发动机负载)操作条件下电子节气门控制应用中的要求而得以良好建立。进气阀16的转动位置由任何常规类型的电势测定位置传感器20转换成输出信号TP。
穿过进气阀16的进气容放于进气歧管21中以便分配给多个发动机气缸的进气通路(未示出)。进气歧管21中的进气绝对压力由常规转换器22转换成输出信号MAP。环境大气压力(BARO)由常规大气压力传感器(未示出)转换，或者，替代地，在特定操作条件下，如其中跨过进气阀16的压降基本为零的条件下，被设定成由信号MAP表示的压力值。
进气与所喷射的燃料量混合并被输送至用于在其中燃烧的发动机气缸以便在气缸内往复驱动活塞(未示出)，活塞以机械方式连接于发动机输出轴30上以便旋转驱动输出轴。燃料从常规燃料系统(未示出)输送，该燃料系统包括燃料箱或储蓄器、燃料泵、燃料管路与轨道以及燃料喷射器。各种燃料喷射设备中的任何一种都可以使用，包括节气门体喷射、端口燃料喷射或直接气缸喷射。燃料控制例程产生并发出对应于预期燃料喷射器开放时间的脉冲宽度形式的燃料命令，在这期间，加压燃料穿过活动式发动机气缸所用的燃料喷射器以便提供预期的发动机气缸空气/燃料比率。燃料命令产生应用于活动式发动机气缸所用的燃料喷射器上的驱动电流。如所述，所喷射的燃料量与进气量在节气门体、进气转子或直接在发动机气缸中混合，并在发动机气缸中被点燃。
发动机位置由紧靠输出轴定位的转动传感器32例如常规霍尔效应或可变磁阻转换器转换，以便将经过的形成于输出轴上的齿或凹口(未示出)的编码型式转换成转换器输出信号EPS的周期。根据EPS可以推导出发动机速度(RPM)，这为发动机控制领域内的常规实践。
在燃烧过程期间发动机气缸中所产生的气体通过排气转子而被导出气缸，排至排气歧管33并通过排气歧管33通向废气管道34。所燃烧的气体穿过催化处理装置41，该催化处理装置41可以包括常规三元催化剂和紧耦合型催化剂以便改进冷启动排放性能。预催化与过催化氧气检测通过转换或宽范围氧气传感器42和43来执行，以便向ECM36提供氧气含量信号(O2)从而用于闭环燃料控制中，如本领域内众所周知。
废气再循环(EGR)管道44在第一端开通进入排气歧管33中，而在与第一端相对的第二端进入进气歧管21中以便提供从排气歧管进入进气歧管的废气再循环，从而稀释发动机进气并进而降低进气的氧含量并且降低燃烧温度，这符合减少由氧化氮NOx构成的发动机排放物组分的一般程序。电控螺线管型EGR阀45放置于再循环管道44中，并且响应于用于改变对通过管道的废气流的限制的控制信号，以便对进气充量稀释提供控制。电势测定位置传感器(未示出)与阀45相关联，以便使得可动式检测元件如刮水器摇臂与阀45的枢轴(未示出)一起运动从而改变传感器输出信号(EGRPOS)，该信号指示由受控阀位置所强加的限制程度。线路50表示由ECM36提供的EGR位置命令和提供给ECM36的EGR阀位置信号EGRPOS的连通。
第二空气喷射反应(AIR)管道47在第一端开通进入排气管道34中，而在第二端开通进入电控制螺线管型换向阀49中。电空气泵48放置于AIR管道47中，并且响应于来自ECM36的控制信号以便将新鲜空气通过管道抽吸至排气管道34。优选地，空气泵马达为无电刷式并且速度可变以便分别满足耐用性与控制能力要求。换向阀49与ECM36相连通，因而选择性地定位，以便将AIR管道47通过位于进气阀16下游的上游管道54或进气歧管21，通过下游管道55而联接于位于进气阀16上游的进气孔12之一上。止回阀57和53示出于AIR管道47和上游管道54中以便阻止不合需要的气流。在需要的情况下，另一种受控阀可以代替止回阀。
ECM36接收包括所述的转换器和传感器输出信号PPS、BR、MAF、MAP、EPS、EGRPOS、O2、TP和BARO在内的多个输入信号，并且通过执行各个例程，产生燃料与火花命令以及包括用于根据电子节气门控制而进行节气门定位在内的其它控制命令。在由ECM36执行的发动机控制例程中，对于每个所检测的发动机气缸事件而言，各个例程均执行一次。在本文中，气缸事件可以定义为每个气缸转矩生成事件。当发生可以由来自传感器32的每个循环EPS信号指示的每个气缸事件时，为多个发动机参数产生当前值，这些参数包括冷却剂温度、发动机速度、歧管绝对压力、发动机火花定时以及发动机空气/燃料比率(在闭环控制期间)。发动机控制领域中众所周知，当前火花定时值根据包括发动机性能和排放目标在内的各种常规发动机控制目标来确定。空气/燃料比率响应于提供实际发动机空气/燃料比率的指示的氧气传感器输入信号O2而确定。
本发明需要至少一个电动马达操作联接于发动机上以便发动机可以由此从零速度条件下加速旋转。马达可以直接联接于发动机输出轴上或者可以通过各种齿轮组(包括减速齿轮传动装置)或者可选择性地接合的装置如启动离合器、范围离合器或者齿圈与小齿轮设置结构如啮合式接合的启动器小齿轮与发动机飞轮中的任何一种而联接于其上。启动马达可以是可接合于发动机飞轮上的常规型启动器马达、主要用作适度混合电路应用中的启动器/加速器的电机、或其它混合电动车辆应用中的牵引马达/发电机，包括电变速传动装置。在本文中使用时，将发动机起动理解成包括发动机的被推动转动，如通过电机或发动机加燃料以便产生燃烧转矩而被推动。
在正常冷启动操作下，气缸充量一般被设定为富化学计量以便帮助并确保稳定燃烧。冷启动条件可以例如通过发动机冷却剂温度、传动装置流体温度、发动机油温等等而确定。富燃料充量可能导致过高的未燃烧碳氢化合物排放。如果废气中带有过量的未燃烧碳氢化合物，那么常规三元催化剂一般无效。另外，在冷启动期间，在催化剂达到点火温度之前，即使按化学计量的废气混合物也未被有效处理。因此，空气泵用于通过适当定位换向阀49而将来自进气通道12的新鲜空气抽入排气管道34，以便在催化剂之前氧化过量的碳氢化合物并且为催化剂提供附加热量以便更快实现点火。空气泵还可以通过适当定位换向阀49而将来自进气通道12的新鲜空气提供给排气管道34，以便在当燃料/空气比率可能过度丰富时的其它时间如减速与敞开节流操纵期间，在催化剂之前氧化过量的碳氢化合物。在某些发动机排放系统中，紧耦合型催化剂可以通过实现紧耦合催化剂的快速点火和对过度丰富的燃料/空气混合物的充分氧化来取代对这种空气喷射的需要。
根据本发明的方法与设备，在发动机启动序列期间，特别是在混合车辆频繁再启动期间，换向阀49被定位成通过下游管道55将位于进气阀16下游的进气歧管21联接于AIR管道47上。令空气泵48致动以便在随后的发动器起动之前或其早期基本上抽空进气歧管。因此，空气泵和换向阀用于在发动机起动之前或者发动机起动的初始阶段中降低进气歧管中的压力，这就实现了减少在起动期间的发动机转矩波动。这种抽空得到最有效地执行，并且通过关闭通向进气歧管的任何可能渗漏通道而使其得到帮助。例如，需要控制联接于进气歧管上并使进气歧管与大气层或有效容积如发动机曲柄箱和真空储蓄器相连通的任一个阀。因此，有利的是在抽空期间关闭节气门16。类似地，有利的是在抽空期间关闭EGR阀。有利地，还关闭了可控曲轴箱泄压阀(未示出)与通常依靠进气歧管作为真空源的任何其它可控线路。
以上相对于某些优选实施例对本发明进行了描述，这些实施例用于示出本发明而并非作为限制。例如，尽管相对于火花点火的以汽油为燃料的发动机来描述本发明，但是经过适当改动，其可以同样适用于以汽油为燃料的受控自动点火型发动机。
权利要求
1.一种用于启动包括进气歧管和多个燃烧室的内燃机的方法，包括抽空进气歧管；以及在抽空进气歧管之后，起动发动机，包括使发动机转动，向燃烧室提供在其中燃烧所用的可燃空气与燃料混合物，以及使可燃空气与燃料混合物在燃烧室内燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中抽空进气歧管包括基本上关闭所有通向进气歧管的渗漏通道并将气体抽出进气歧管。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述内燃机还包括进气节气门并且基本上关闭所有通向进气歧管的渗漏通道的步骤包括关闭进气节气门。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述内燃机包括火花点火源并且燃烧燃烧室内的可燃空气与燃料混合物的步骤包括为其提供点火火花。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述内燃机为火花点火型发动机。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述内燃机为受控自动点火型发动机。
7.根据权利要求2所述的方法，其中将从进气歧管抽出的气体送入内燃机的排气管道。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过第二空气喷射反应泵将气体从进气歧管抽出并送入内燃机的排气管道。
9.根据权利要求1所述的方法，其中抽空进气歧管的步骤由选择性地联接于进气歧管与内燃机的排气管道之间的第二空气喷射反应泵来实现。
10.一种用于包括进气歧管的内燃机的启动设备，包括泵，其选择性地联接于进气歧管上并且操作用于在发动机起动之前抽空进气歧管；以及发动机起动设备，其操作用于使发动机转动，向燃烧室提供可燃空气与燃料混合物并且使燃烧室内的可燃空气与燃料混合物燃烧。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括在抽空进气歧管期间基本上关闭的进气节气门。
12.根据权利要求10所述的设备，其中发动机起动设备还包括点火系统，其操作用于提供点火火花以便开始燃烧室内的可燃空气与燃料混合物的燃烧。
13.根据权利要求10所述的设备，还包括位于泵与内燃机的排气管道之间的管道，其有效用于将由泵从进气歧管抽出的气体送入排气管道。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述泵包括适于抽空进气歧管的第二空气喷射反应泵。
15.一种制造的物品，其中具有用于启动具有进气歧管的汽车内燃机的程序指令，包括所述程序指令包括用于在发动机起动之前抽空进气歧管的编码；用于起动内燃机的编码；以及存储编码的计算机可读介质。
16.根据权利要求15所述的制造的物品，其中用于起动内燃机的编码还包括用于控制着操作用于使发动机转动的电机的编码；用于控制着操作用于在其被推动转动期间向发动机提供燃料的燃料输送系统的编码；以及用于控制着操作用于在其被推动转动期间向发动机提供火花的火花输送系统的编码。
17.根据权利要求15所述的制造的物品，其中发动机还包括进气节气门，而用于抽空进气歧管的编码还包括用于关闭进气节气门的编码；以及用于控制着操作用于抽空进气歧管的泵的编码。
18.根据权利要求15所述的制造的物品，其中发动机还包括排气管道和联接于进气歧管与排气管道之间的第二空气喷射反应泵，用于抽空进气歧管的编码还包括用于控制着第二空气喷射反应泵以便抽空进气歧管并且由第二空气喷射反应泵将从进气歧管抽出的气体送入排气管道的编码。
19.根据权利要求18所述的制造的物品，其中发动机还包括进气节气门，而用于抽空进气歧管的编码还包括用于在抽空进气歧管期间关闭进气节气门的编码。
全文摘要
通过在发动机起动之前使进气歧管压力下降而减少内燃机的起动转矩扰动。在优选的设置结构中，第二空气喷射反应泵适用于抽空进气歧管以便实现预期的进气歧管压力的下降。
文档编号F02N99/00GK1831315SQ20061005953
公开日2006年9月13日 申请日期2006年3月10日 优先权日2005年3月10日
发明者D·R·兰卡斯特, M·G·科索夫斯基, M·A·特奥巴尔德, J·A·科格斯维尔二世, B·R·斯奈德, J·P·米勒, D·J·弗赖曼 申请人:通用汽车公司