用于可变气门升程挺杆变换的自适应控制的系统和方法

专利名称：用于可变气门升程挺杆变换的自适应控制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于在转换燃烧模式期间控制可变气门升程挺杆变换的系统和方法。
背景技术：
发动机可以使用各种汽缸进气门廓线和/或排气门廓线在一定范围的状态下改进 发动机操作。例如，发动机可以使用可变气门正时、凸轮廓线变换，及其他方法来提 供不同的气门搡作。通常通过可以具有可变延迟的液压管路来控制不同的气门廓线之 间的变换。这些延迟可以产生与给定的燃烧事件所需的气门操作不同的气门操作。
一种考虑用于改变气门特性的油路延迟的方法在美国专利6, 330,869号中描述， 其中在转换气门操作之前和之后的燃烧是火花点火燃烧。在该参考文献中，检测气门 驱动装置的液压气门特性改变机构中的工作机油的属性，并根据检测到的工作机油属 性更改延迟时间，以使气门操作的改变与发动机燃烧状态的改变一致。
然而，发明人在此认识到这样的方法的缺点，特别是应用于在变换气门操作，如 在火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间进行变换期间改变燃烧模式的发动机时。
具体来说，存在许多会影响气门变换和燃烧模式的因素。例如，时间延迟可以包 括如电子气门和电磁气门中的延迟这样的因素。此外，外界条件，如湿度或海拔，也 会影响在不同的燃烧模式，如火花点火和压缩点火之间转换燃烧模式所需的挺杆变换 顺序的响应时间。最后，挺杆变换的误差会在汽缸中产生不需要的燃烧模式，并可能 例如在压缩点火模式中造成发动机不点火。

发明内容
因此，在一种方法中，上述问题可以通过一种控制第一气门状态和第二气门状态 之间的汽缸气门变换，以在发动机的燃烧模式之间进行转换的方法来解决。该方法包 括响应于来自燃烧传感器的信息，调节用于在所述气门状态之间进行变换的信号的 正时，其中所述燃烧模式包括火花点火和均质充气压缩点火。
以此方式，可以通过燃烧传感器信息补偿油路的动态变化及电子元件中的延迟。 因此，可以在转换燃烧模式期间提供对气门变换顺序的精确控制，从而减少扭矩波动、 排放剧增、振动及可听噪声。在一个实施例中，有关何时变换每个挺杆的正时的信息 可用于提供适当的信号正时，从而可以将正确量的燃料喷射到相应的汽缸中，且可以 在该汽缸内实现所要求的温度和压力以执行所需的燃烧模式，如HCCI和SI。
此外，可以实现学习到的对变换时间和/或变换顺序的修改，允许基于来自燃烧传感器的信息随着时间推移进行适应，以便考虑系统劣化以及外部条件，如湿度或海 拔。


图l示出示例发动机汽缸配置；
图2A-B示出示例燃烧室的详细视图2C示出图2B的示例所使用的示例挺杆的详细视图3示出示例升程廓线。
图4- 5示出用于控制多汽缸气门驱动器系统的驱动的示例液压驱动器管路； 图6 - 7示出用于图4的示例配置的示例正时图和正时窗口； 图8 - 9示出用于图5的示例配置的示例正时图和正时窗口； 图10示出用于气门升程挺杆变换的自适应控制的示例流程图； 图11示出用于气门搡作的自适应控制的示例流程图，其中使用多个信号来控制 油路；及
图12示出用于发送变换信号的曲轴角与发动机转速的相关性基线及随时间自适 应的校准的示意图。
具体实施例方式
图1示出了多汽缸发动机的一个汽缸，以及连接到该汽缸的进气路径和排气路 径。继续图l,包括多个燃烧室的直接喷射内燃机10由电子发动机控制器12控制。 发动机IO的燃烧室30如图所示包括燃烧室壁32,活塞36位于其中并连接到曲轴40。 起动电动机(未示出)可以经由飞轮(未示出)连接到曲轴40。燃烧室或汽缸30如 图所示经由相应的进气门52a和52b (未示出，见图2)及排气门54a和54b (未示 出，见图2)与进气歧管44和排气歧管48连通。燃料喷射器66A如图所示直接连接 到燃烧室30以根据通过电子驱动器68从控制器12接收的信号脉冲宽度fpw成比例 地直接向其中供给喷射的燃料。燃料喷射器可以安装在例如燃烧室的侧壁上，或位于 燃烧室顶部。通过包括燃料箱、燃料泵和燃料导管的常规高压燃料系统(未示出)向 燃料喷射器66A供给燃料。
进气歧管44如图所示经由节气板62与节气门体58连通。在此具体示例中，节 气板62连接到电动机94,使得节气板62的位置通过电动机94由控制器12控制。 此配置通常称为电子节气门控制(ETC),这也可以在怠速控制期间使用。
排气传感器76如图所示连接到催化转化器70上游的排气歧管48。传感器76可 以是用于提供排气空燃比的指示的多种已知传感器中的任何一种，如线性氧传感器或 UEGO (通用或大范围排气氧)传感器、双态氧传感器或EGO、 HEGO (加热型EGO)、 N0x、 HC或C0传感器。在选择的搡作模式下，点火系统88经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花以 响应来自控制器12的点火提前信号SA。虽然示出了火花点火组件，但发动机10 (或 其汽缸的部分)可以用压缩点火模式操作，可以使用或不使用火花辅助，如下文详述。 此外，在可选实施例中，燃烧室没有火花塞。
控制器12可以配置为使得燃烧室30以各种燃烧模式工作，如在本文中所述。可 以改变燃料喷射正时来提供不同的燃烧模式，以及其他参数，如EGR、气门正时、气 门操作、气门停用等。
排放控制装置70如图所示位于排气歧管48下游。该装置可以是三元催化剂、N0x 捕集器、各种其他装置，或其组合。
图1还示出允许通过净化控制阀168回收来自燃料箱180和燃料蒸汽存储罐184 的燃料蒸汽的蒸汽回收系统。
控制器12如图l所示为常规的微型计算机，包括微处理器单元102、输入/输出 端口 104、用于可执行程序和校准值的电子存储介质，在此具体示例中如图所示为只 读存储器芯片106、随机存取存储器108、保活存储器IIO,及常规数据总线。除了 先前讨论的那些信号之外，控制器12如图所示还从连接到发动机10的传感器接收各 种信号，包括来自连接到节气门体58的质量空气流量传感器100的吸入质量空气流 量(MAF)测量值、来自连接到冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度 (ECT)、来自连接到曲轴40的霍尔效应(或其他类型的)传感器118的齿面点火传 感器信号(PIP),及来自节气门位置传感器120的节气门位置(TP),及来自传感 器122的歧管绝对压力信号(MAP)。发动机转速信号RPM由控制器12通过PIP信号 以常规方式生成，而来自歧管压力传感器的歧管绝对压力信号MAP提供进气歧管中的 真空或压力的指示。注意，可以使用上述传感器的各种组合，如使用MAF传感器而不 使用MAP传感器，或相反。在化学计量的操作期间，此传感器可以给出发动机扭矩的 指示。此外，此传感器和发动机转速一起可以提供吸入汽缸中的进气(包括空气)的 估计。在一个示例中，传感器118也被用作发动机转速传感器，它在曲轴每旋转一周 时产生预定数量的等距脉冲。
继续图1,发动机10如图所示具有进气凸轮轴130和排气凸轮轴132,其中凸轮 轴130驱动进气门52a、 52b两者，而凸轮轴132驱动排气门54a、 54b两者。可以通 过凸轮轴上的升程廓线(见图2)来驱动气门，其中不同气门之间的升程廓线可以在 高度、持续时间和/或正时上变化。然而，如果需要的话，可以使用可选的凸轮轴(顶 置和/或推杆)配置。
在参考图2A详述的实施例中，可以在一个或多个进气门52和排气门54的气门
杆中使用可停用的挺杆，以在选择的操作条件下提供单独的气门停用。在该示例中， 挺杆可能会有例如空动的动作。然而，图2B示出这样的可选示例，其中可选的可停 用挺杆如图所示仅停用挺杆的一部分。此外，在一个示例中，可以基于操作条件，通过驱动器136和I"来改变凸轮正时。驱动器可以为液压驱动，或电驱动，或其组合。 信号线1S0可以发送气门正时控制信号至单元136并接收凸轮正时测量值。类似地， 信号线1"可以发送气门正时控制信号至单元138并接收凸轮正时测量值。
如上所述，图l仅示出了多汽缸发动机中的一个汽缸，且每个汽缸都具有其自身 的一组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等等。在可选实施例中，可以使用进气 道燃料喷射配置，其中燃料喷射器在进气道中连接到进气歧管44,而不是直接连接 到汽缸30。
此外，在所公开的实施例中，排气再循环(EGR)系统引导所需部分排气经由EGR 闽(未示出)从排气歧管"进入进气歧管44。或者，可以通过控制排气门正时将一 部分燃烧气体保留在燃烧室中。
发动机IO可以用各种模式搡作，包括稀混合气操作、浓混合气搡作，及"接近 化学计量"的操作。"接近化学计量"的操作指在化学计量空燃比周围振荡的搡作。
也可以结合所示实施例使用湿度检测。例如，绝对或相对湿度传感器(140)可 用于测量环境空气或进气的湿度。例如，该传感器可以位于进入歧管44的进气流中， 或测量流过汽车发动机室的环境空气。同时注意，可以基于各种操作参数，如大气压 力来估计或推断湿度。或者，可以通过自适应学习基于自动点火特性来推断湿度。此 外，大气压力和自适应学习可以组合使用，且还可以和检测到的湿度值一起使用。
此外，可以结合所示实施例使用燃烧检测。例如，燃烧传感器142可以连接到汽 缸。在一个实施例中，燃烧传感器142可以是如图1所示连接到汽缸盖的爆震传感器。 在另一个实施例中，爆震传感器可以位于汽缸体上。在又一个实施例中，燃烧传感器 142可以是安装在汽缸内的压力传感器。在某些实施例中，燃烧传感器142可以是离 子电流传感器或垫片型传感器(gasket type sensor)。来自燃烧传感器142的信息 可以按如下所述确定燃烧类型/燃烧模式，并指示所执行的燃烧是否是预先定义的或 所需的。因此，可以基于来自燃烧传感器142的信息，对燃烧模式之间的转换进行自 适应控制。
如下详述，取决于操作条件，发动机10中的燃烧可以为各种类型/模式。在一个 示例中，可以使用火花点火(SI),其中发动机使用火花发生装置，如连接在燃烧室 中的火花塞，在膨胀行程上止点之后的预先确定的时间调节燃烧室气体的正时。在一 个示例中，在火花点火操作期间，进入燃烧室的空气的温度明显低于自动点火所需的 温度。虽然SI燃烧可以在大范围的发动机扭矩和发动机转速下使用，但与其他类型 的燃烧相比，它会产生增加的NOx水平及较低的燃料效率。
可由发动机IO使用的另一种类型的燃烧使用均质充气压缩点火(HCCI)或可控 自动点火(CAI),其中燃烧室气体的自动点火发生在燃烧循环的压缩行程之后的预 先确定的点处，或接近压缩行程的上止点处。通常，在使用预先混合的空气和燃料进 气的压缩点火时，通常将燃料与空气均质地预先混合，如进气道喷射火花点火发动机或进气行程期间直接喷射的燃料中那样，只是相对于燃料具有高比例的空气。因为空 /燃混合物由空气或残留的排气高度稀释，这带来较低的峰值燃烧气体温度，所以与 SI燃烧中出现的水平相比，可以减少NOx的产生。此外，通过减少发动机泵气损失， 增加气体比热比，及使用更高的压缩比，可以增加以压缩燃烧模式操作时的燃料效率。
在压缩点火操作模式中，可能需要对自动点火的正时执行精密控制。初始进气温 度直接影响自动点火的正时。点火的开始并不由诸如标准柴油发动机中的燃料喷射或 火花点火发动机中的火花塞点火这样的事件直接控制。此外，热释放速率并不像在柴 油发动机中那样由燃料喷射过程的速率或持续时间控制，也不像在火花点火发动机中 那样由紊流火焰传播时间控制。
注意，自动点火也是一种可在火花点火发动机中产生爆震的现象。在火花点火发 动机中不希望发生爆震，因为爆震增强了汽缸内的热传输，而且可能烧毁或损坏活塞。 在具有高空燃比的可控压缩点火操作中，爆震通常不会造成发动机的劣化，因为稀释 的进气保持压力上升速率较低，并保持燃烧废气的最高温度相对较低。较低的压力上 升速率缓解了火花点火爆震的破坏性压力振荡特性。
与火花点火发动机相比，通常增加压缩行程开始处的进气温度，以便在压缩行程 结東处或接近结東处达到自动点火条件。本领域技术人员应理解，可以使用大量的其 他方法来提高初始进气温度。这些方法中的部分包括加热进气(热交换器)，通过 调节进气门和/或排气门正时在汽缸中保持部分带有热量的燃烧产物(内部EGR), 压縮进气(涡轮增压和机械增压)，改变向发动机提供的燃料的自动点火特性，及加 热进气(外部EGR)。
在HCCI燃烧期间，可以控制燃烧室气体的自动点火，使其发生在活塞或曲轴角 的所需位置处，以产生所需的发动机扭矩，因此不需要由点火机构产生火花来实现燃 烧。然而，在未发生自动点火的情况下，可以将自动点火温度之后本应达到的较晚的 火花塞正时用作备用点火源。
可由发动机IO在诸如包括火花发生装置的情况下执行第三种类型的燃烧，可以 在燃烧室气体的温度接近自动点火温度(如，达到非常接近自动点火但未产生燃烧的 水平)时，使用该火花发生装置来发起(或辅助)燃烧。这样的火花辅助类型的燃烧 与SI燃烧相比具有增加的燃料效率，并减少N0x产生，然而与HCCI燃烧相比可能在 更高的扭矩范围中搡作。火花辅助还可以提供总体上更大的窗口，以用于控制发动机 循环中指定的正时处的温度。换句话说，如果没有火花辅助，则温度的少量改变会导 致燃烧正时的很大改变，从而影响发动机输出和性能。在火花辅助模式中，可以获得 HCCI燃烧的很多益处，而仍然依赖于点火正时来提供实现自动点火所需的最终的能 量，以便更加精确地控制燃烧的正时。因此，在一个示例中，在某些条件下，也可以 在SI燃烧和HCCI之间的转换期间使用火花辅助。
在一个实施例中，火花辅助模式可以这样搡作，其中向接近火花塞处的气体提供
9少量燃料。这一小团燃料可用于允许火焰在汽缸中更好地传播并产生增加的压力，从 而发起其余空/燃混合物的自动点火。因此，可以在接近火花塞处使用相对小的一团 较浓气体，该团气体也可以是均质的、分层的，或稍微分层的。 一种提供此类操作的 方法可以在压缩行程中使用第二直接燃料喷射。
至少涉及上述三种燃烧模式的应用的一个示例可以包括在起动和/或发动机起动 之后发动机暖机阶段期间使用SI。在这样的发动机起动和发动机暖机之后，燃烧过 程可以从火花辅助燃烧转换至HCCI燃烧，以便改进燃料经济性及排放。在高发动机 扭矩需求期间，可以启用火花辅助来确保正确的燃烧正时。在发动机返回到低或中等 扭矩需求时，可以停止使用火花辅助，以便实现HCCI的全部益处。
如上所述，由于进气用不能被氧化的物质稀释且因为水的比热高于空气，所以在 进气行程期间吸入发动机的空气的环境湿度会影响燃烧温度。因此，在湿度增加时， 为了获得所需的自动点火正时，应根据湿度水平调节初始进气温度。例如，使用湿度 检测或估计可以允许改进对多个发动机搡作参数的调节，以帮助实现或保持HCCI燃 烧，即使在汽车经历变化环境湿度水平时亦如此。因此，在给定的转速和扭矩下，对 于给定的自动点火正时，增加的湿度可以要求更高的初始温度，而较低的湿度可以要 求较低的初始温度。
在进气行程期间吸入发动机的空气的环境湿度还会影响峰值燃烧温度，因为它具 有比空气更高的比热，而空气是更加常见的稀释剂。随着在进气行程期间吸入发动机 的空气的环境湿度增加，不能被氧化的物质稀释了进气，峰值燃烧温度降低，进而升 高所要求的初始进气温度来获得高效的HCCI燃烧。环境湿度或相对湿度可以使用传 感器140和/或141确定，或可以从其他数据推断，并传递给发动机控制器12,以确 定对用于高效操作的发动机控制参数的理想调节。
注意，多个其他参数会影响峰值燃烧温度及高效的HCCI燃烧所需的温度两者。 嵌入发动机控制器12中的例程可以考虑这些参数及任何其他适用的参数，并可将参 数用于确定最优的操作条件。例如，在燃料的辛烷值增加时，所需的峰值燃烧温度增 加，因为燃料需要更高的峰值燃烧温度来实现点火。同时，进气稀释水平会受到各种 因素影响，其中包括湿度及出现在进气中的排气量两者。以此方式，可以调节发动机
参数来补偿湿度变化对自动点火的影响，即水的影响使得自动点火可能性降低。
虽然在某些示例中使用所述燃烧模式中的一种或多种，但仍然可以使用其他燃烧 模式，如具有或不具有火花发起的燃烧的分层搡作。
如本文所述，在能够进行压缩或自动点火的发动机的一个示例中，取决于选择的 燃烧模式，进气门由高升程凸轮廓线或低升程凸轮廓线驱动。低升程凸轮廓线用于捕 集汽缸中高水平的残留气体(排气)。在某些示例中，所捕集的气体通过增加初始进 气温度来促进压缩或自动点火。然而，在火花点火模式中(高负荷或低负荷)，使用 高升程凸轮廓线。这样的可变换凸轮廓线可以通过例如在内岸和外岸之间变换的各种凸轮和挺杆系统来实现。变换可以通过机油流量液压驱动器来实现，这样的驱动器需 要高流量机油泵，从而可能增加重量和成本并降低效率(如，由于增加的机油量及缺 乏足够流量进入油路可能引起的问题，高流量机油泵会造成较高的寄生损失)。作为 另一个示例，这样的系统可能涉及更多数量的挺杆以及增加的加工成本。
因此，在另一个实施例中，可以使用至少具有两个进气门的汽缸，其中每个气门 都具有不同的升程廓线(至少对该汽缸来说如此)，而不是使用具有在不同的廓线之 间进行变换的单个进气门(或多个可变换进气门)的汽缸。在压缩或自动点火期间， 可以通过使用可折叠挺杆来停用较高和/或较长升程的进气门，而较低和/或较短升程 的进气门保持活动。在火花点火期间，可以操作较高和/或较长升程的进气门来增加 进入发动机的空气流量，而较低/较短升程的进气门继续操作。
由于在该示例中目前只有半数的气门需要变换这一事实，气门驱动的机油流量需 求显著减少，从而减少了发动机系统的总体机油流量需求。考虑到气门顺序，在该示 例中，只有半数的挺杆是可变换单元，且凸轮轴可以用加工步骤明显少的成本更低的 制造方法来制造。此外，机油泵可以具有更低的工作流率、降低的成本，及更低的寄 生损失。以此方式，可以降低系统成本，而仍然提供火花点火及压缩或自动点火两者， 以及它们之间的转换。
活动气门搡作可以指汽缸循环期间的气门开启和关闭，其中停用的气门可以在该 汽缸循环中保持在关闭位置(或在该循环中保持在固定的位置)。
虽然上述示例示出了特定情形的优点，但本文中的方法可以应用于各种不同的系 统和配置，如应用于排气系统，以及每汽缸具有两个以上进气门或两个以上排气门的 系统。
回到示例进气门系统，第一进气门可以具有较低的升程廓线，其自身能够流过足 够的空气以便以压縮或自动点火方式搡作发动机。此外，第一进气门可以具有为压缩 或自动点火设置的(固定或可调节的)气门正时。第二进气门可以具有提供用于火花 点火的空气多出压缩或自动点火所需空气的差额的(固定或可调节的)气门升程和/ 或气门正时，如图3的示例所示。
气门停用可以通过与较高/较长升程的气门配合的可变换挺杆来提供，这样的气 门在一个示例中仅在火花点火搡作期间活动。在压缩或自动点火期间，可以停用该挺 杆，以便在汽缸循环期间使该较高/较长升程的气门保持关闭。较低/较短升程的气门 可以永久活动，以便在汽缸循环期间开启和关闭，提供压缩或自动点火期间的所有空 气，或提供用于火花点火的部分空气。
然而，在另一个实施例中，较高/较长升程的进气门也可以在压缩或自动点火之 外的状态下停用，如在减少空气流量的汽车减速期间，在切断燃料进行的减速期间， 或在其他条件期间。此外，不同的气门已标记为具有较高或较短的升程，这可以通过 最大气门升程或平均气门升程高度(开启到汽缸中)来识别。类似地，即使气门可能在汽缸循环期间较早或较晚地开启和/或关闭，也可以通过例如曲轴角开启持续时间 来识别具有较短或较长升程的气门。
现参考图2A,其中示出了示例汽缸配置，在该配置中，发动机10的汽缸30的 两个进气门(52a和52b)通过公共凸轮轴130进行驱动，每个气门具有不同的凸轮 廓线210和212,凸轮廓线的示例参考图3更详细地描述。图中示出气门52a具有比 气门52b更长和更高的气门升程廊线。在该示例中，通过挺杆216驱动气门52b,而 通过可折叠挺杆214驱动气门52a,这可以通过控制器12来控制。
图2A还示出两个排气门54a和54b,通过挺杆224和226经由廓线220和222 驱动这两个排气门，其中可以通过控制器12停用挺杆224。在该示例中，气门54a 如图所示具有比气门54b更长和更高的气门升程廓线。
虽然该示例示出具有连接到气门杆的挺杆的顶置凸轮发动机，但挺杆也可用于使 用推杆的发动机，且可折叠挺杆因此也可以连接到推杆。
此外，图2A中仅示出发动机10的一个汽缸，其中该发动机可以是多汽缸发动机， 而每个汽缸可以和图2A中所示汽缸相同、类似或不同。此外，虽然上述气门系统可 以在压缩或自动点火发动机中提供各种优点，但也可以用在其他发动机燃烧系统中。
现参考图2B,其中示出可选的凸轮轴和挺杆配置。具体来说，在该示例中，将 升程廓线210划分为升程部分210A和210C及零升程部分210B。在活动气门操作期 间，挺杆284作为一个单元由廓线210A和210C驱动，而在停用期间，284的外侧部 分如图2C所示从内侧部分断开，从而不启用气门52a。类似地，以类似的方式划分 升程廓线220,而挺杆294类似于挺杆284。因此，示出可以提供例如改进可制造性 的可选的停用方法。同时注意，可以使用单廓线，如210A，而不是所示的双廓线(210A 和210C)。
具体来说，图2C示出可选的可停用挺杆，其中使用锁定销254来连接或断开内 侧部分252与外侧部分25 0。以此方式，在销处于锁定位置时，与廓线210A和210C 接触所造成的运动使内侧部分跟随该运动，因此驱动连接到内侧部分的气门杆及气 门。或者，在销处于非锁定位置时，内里部分256中的空动弹簧使外侧部分250独立 于内侧部分252移动。此外，因为与内侧部分252接触的廓线210B已减小了升程或 没有升程，所以气门基本上保持关闭，且因此停用汽缸。在一个示例中，可以通过由 液压阀控制的液压来驱动销254,而液压阀与控制器连通。
以此方式，可以使用可选的使用可停用挺杆的方法，其中挺杆的可制造性增加， 而仍然保留所需的动作。
最后，如果需要，还可以使用气门停用的其他示例。
现参考图3，其中在310示出气门52b的示例升程廓线，该升程廓线可用于如通 过在压缩开始时提供较高的初始进气温度，提供所需的新鲜空气进气和残留的进气来 改进压缩或自动点火。如本文中所述，在一个示例中，气门5化并不具有停用机构。图3还在312示出气门52a的示例升程廓线，该升程廓线可用于提供用于火花点火搡 作的所需操作。在图3的示例中，廓线312具有比310更高的某些升程部分，且具有 比310更长的升程。如本文所述，可以通过可停用挺杆在压缩或自动点火操作期间选 择性地停用气门312。
在两个进气门都活动时，可以实现如314所示的有效升程廓线，而至少在一个示 例中，可以在压缩或自动点火期间使用廓线310。
上述示例实施例及可选实施例可用于在燃烧模式之间转换发动机的一个或多个 汽缸。然而，为了减少变换期间的扭矩波动、排放剧增及NVH，很重要的是知道每个 挺杆在何时变换，从而可以将正确量的燃料喷射到相应的汽缸中。 一种方法可以是在 挺杆处测量变换，这会使用附加的传感器及其他系统而增加系统成本。另一种方法是 通过变换之后紧随的汽缸内压力值对压缩的测量来推断变换的挺杆。
如上所述，可以使用可变换的挺杆机构，该机构可以包括根据对销施加的机油压 力而滑入锁定或非锁定位置的销。在每个挺杆变换时的具体位置可以高度取决于油路 的动态特性。此外，在特定的挺杆中，如果气门开启且达到了机油压力变换阈值，则 锁定销可以不移动，直到气门已完全关闭，且改变后的气门升程将不出现，直到下一 个气门事件发生。同时，如果锁定销已开始移动且气门事件在销已完全接合或分离之 前发生，则销可能劣化。这些因素，以及其他老化和劣化效应，使得对挺杆变换正时 及变换顺序的健壮控制成为重要的考虑因素。
在下面的实施例中应用于四汽缸发动机的一种方法使用这样的油路配置，该配置 可以降低复杂性但提供具有足够可重复性和健壮性及足够可变性的系统来处理各种 操作条件，其中可以预先定义并健壮地实现汽缸变换顺序。
参考图4,第一示例配置如图所示使用第一液压驱动器410及第二液压驱动器 412,这两个液压驱动器如图所示控制到达汽缸1至4中的驱动器的相应的机油压力。 在该示例中，发动机点火顺序是1-3-4-2,然而这只是一个示例。继续图4，两个驱 动器的每个都对每个进气挺杆及排气挺杆使用单独的油道。该配置允许独立控制每组 进气门和排气门，且可以允许足够大的变换窗口 (取决于响应时间和变换速度)，以 实现用于进气门和排气门两者的预先定义的汽缸变换顺序，如下文中参考图6和7详 述。如图所示，可以用这样的系统对进气挺杆和排气挺杆两者实现相同的汽缸变换顺 序。换句话说，因为用于以预先定义的汽缸变换顺序实现可接受及健壮的变换两者的 凸轮事件变换窗口并不在进气侧和排气侧之间重叠，所以对多个汽缸的进气门和排气 门的单独控制可用于获得所需的变换顺序。
然而，在可选实施例中，可以通过图5的油路配置实现对健壮控制的进一步改进。 在该实施例中，油路使用四个驱动器(510、 512、 514及516)来控制四个分离的油 道中的机油压力。同样，图5的配置也使用1-3-4-2的汽缸点火顺序。
注意，上述方法可以适配和/或修改以适应其他点火顺序。例如，可以重新配置油道来实现相同的效果或其他所需效果，如通过连接点火序列中任意两个连续的汽缸 至同一油道。注意，在上述示例中，图中示出单排四汽缸发动机。然而，该方法可以 扩展至V-8发动机，例如，具有两排发动机汽缸，而每排都包括四个汽缸。在该情况 下，即使总体发动机点火顺序可以在汽缸组排列之间周期性地变换，特定汽缸组排列 中汽缸的点火顺序以可用于配置油道。换句话说，即使另一排汽缸组中的汽缸可以在 汽缸1和3之间点火，在所示特定汽缸组排列的汽缸中，汽缸3也可以紧接在汽缸1 之后点火。
上述配置可用于将驱动气门改变机构的变换窗口扩展至通常量级在220至270度 曲轴角的值，这对应于6000 rpm下6. 1至7. 5ms的增加的范围。示出图5实施例的 正时图在图8和9中示出，其中分别示出示意性的凸轮事件正时图以及从SI至HCCI 的变换及相反变换的安全变换窗口。
现具体参考图6-7,示出了用于图4的配置(具有汽缸点火顺序1-3-4-2的四 汽缸发动机)的示意性的凸轮事件正时图，两个图分别对应于从高升程长持续时间 SI至低升程短持续时间HCCI的变换及相反的变换。具体来说，图中示出每个汽缸的 进气门和排气门开启持续时间。此外，示出了每个驱动器410和412的凸轮廓线变换 (CPS)窗口 。
CPS窗口示出曲轴角范围，在该范围中，可以将信号发送给驱动器以发起气门操 作的变换。窗口的开始区域和结東区域由点火顺序、气门开启持续时间等定义。对开 始于汽缸1的示例模式变换，排气信号窗口的开始定义为在汽缸2的排气门开启角之 后，而其结東在汽缸1的高升程凸轮的排气门开启角之前(在汽缸1的排气凸轮开启 窗口上由虛线示出)。同时注意，在该示例中，控制变换，使得对SI模式中的最后 一个燃烧事件，排气升程廓线是HCCI类型的升程廓线，而HCCI模式中的第一个燃烧 事件使用HCCI类型的进气升程廓线。
继续图6，对开始于汽缸1的示例模式变换，进气信号窗口的开始定义为在汽缸 2的进气门开启角之后，而其结束在汽缸1的高升程凸轮的进气门开启角之前(在汽 缸1的进气凸轮开启窗口上由虛线示出)。
相反，图7示出从HCCI至SI操作的转换及与这样的操作对应的窗口。注意，该 窗口的开始角、结東角和/或持续时间可以不同于图6中的那些。这是因为例如不同 的升程廓线之间不同的气门开启正时和持续时间。
类似于图6的示例，图7中相应的进气窗口和排气窗口嵌入到紧接在变换之前及 紧接在变换之后点火的汽缸的进气门和排气门正时中，这样的变换是在具有公共凸轮 轴的特定发动机汽缸组排列或一组汽缸中的汽缸的点火顺序上的变换。然而，在该示 例中，因为所示的气门开启以和图6相同的方式确定窗口，所以不需要虛线。
取决于基准发动机凸轮正时和持续时间，窗口可以对于从SI至HCCI的变换具有 在150度曲轴角的量级，而对于从HCCI至SI的变换通常具有50度曲轴角的量级。在6000 rpm下，这对应于1. 4至4. 2ms的范围，这要求精确的控制，特别是在考虑 机油及机油系统的老化和劣化效应时。然而，如果变换限于较低的发动机转速，则可 以实现增加的健壮性。
现参考图8-9,示出了用于图5的配置(具有汽缸点火顺序l-3-4-2的四汽釭 发动机)的示意性凸轮事件正时图，两个图分别对应于从高升程长持续时间SI至低 升程短持续时间HCCI的变换及相反的变换。具体来说，图中示出每个汽缸的进气和 排气门开启持续时间。此外，示出了每个驱动器510至516的凸轮廓线变换(CPS) 窗口。
CPS窗口示出曲轴角范围，在该范围中，可以将信号发送给驱动器以发起气门操 作的变换。窗口的开始区域和结東区域由点火顺序、气门开启持续时间等定义。对开 始于汽缸1的示例模式变换，汽缸1和3的排气信号窗口的开始定义为在汽缸3的排 气门开启角之后，而其结束在汽缸1的高升程凸轮的排气门开启角之前(在汽缸1的 排气凸轮开启窗口上由虛线示出)。同样，在该示例中，控制变换，使得对SI模式 中的最后一个燃烧事件，排气升程廓线是HCCI类型的升程廓线，而HCCI模式中的第 一个燃烧事件使用HCCI类型的进气升程廓线。
继续图8，对开始于汽缸1的示例模式变换，汽缸1和3的进气信号窗口的开始 定义为在汽缸3的进气门开启角之后，而其结東在汽缸1的高升程凸轮的进气门开启 角之前(在汽缸1的进气凸轮开启窗口上由虛线示出)。类似的分析应用于汽缸2和 4的窗口，只是汽缸2和4的排气信号窗口的开始定义为在汽缸2的排气门开启角之 后，而其结東在汽缸4的高升程凸轮的排气门开启角之前(在汽缸4的排气凸轮开启 窗口上由虛线示出)。此外，汽缸2和4的进气信号窗口的开始定义为在汽缸2的进 气门开启角之后，而其结束在汽缸4的高升程凸轮的进气门开启角之前(在汽缸4的 进气凸轮开启窗口上由虛线示出)。
相反，图9示出从HCCI至SI搡作的转换及与这样的操作对应的窗口。注意，该 窗口的开始角、结東角和/或持续时间可以不同于图8中的那些。这是因为例如不同 的升程廓线之间不同的气门开启正时和持续时间。
如图6 - 9所示的凸轮廓线变换窗口示出了在液压变换通过油道发生时的曲轴 角。然而，如上所述，很多因素会影响对挺杆变换正时和变换顺序的健壮控制。在一 个示例中，在使用包括油道的挺杆变换技术时，每次挺杆变换都作用于多个汽缸，这 样的挺杆变换可以在达到机油压力阈值时发生。因此，每个挺杆进行变换的位置取决 于油路的动态特性。此外，如果挺杆在达到机油压力阈值时被凸轮凸角压下，则该挺 杆将不变换，直到凸轮轴的下一次旋转。此外，发动机的老化、劣化效应及外部条件 也会相对于发送信号来发起变换的正时影响气门操作中变换的正时。这些因素包括但 不限于电子气门和电磁气门的延迟、油路中的可变时间延迟、劣化，及外部条件。因 为对气门廓线变换的精确控制影响燃烧模式的转换，如从HCCI至SI的转换或相反的转换，且可能影响压缩或自动点火燃烧的操作，所以可以在控制策略中考虑影响变换 的因素中的至少部分。
在一种方法中，可以使用燃烧传感器，根据汽缸中的燃烧状态来调节挺杆变换正 时。在该方法中，所需的挺杆或汽缸变换顺序可以假定为是已知且可实现的。例如， 汽缸变换顺序在四汽缸发动机中可以是1、 4、 3、 2。发送变换信号所处的曲轴角可 以随着发动机转速或任何其他操作参数变化。在一个实施例中，可以用不同的发动机 转速对曲轴角进行校准，以实现可重复的挺杆变换正时或变换顺序。在另一个实施例 中，可以用不同的机油温度对曲轴角进行校准，以实现所需的变换正时或变换顺序。 对操作参数的校准可以考虑出现在电子气门和电磁气门中的相对恒定的纯粹时间延 迟，以及油路中极其易变的时间延迟。然而，对变换信号所请求的曲轴角的校准可能 不足以随着时间推移进行自适应，因为气门机构的搡作之外的因素会影响挺杆变换的 正确响应时间。
因此，在某些实施例中，可以使用燃烧传感器向控制系统提供信息，这可以解释 为检测早于或晚于预期进行变换的挺杆。现参考图IO,示出了用于气门升程挺杆变 换的自适应控制的示例流程图。例程在1010确定是否满足挺杆变换的条件。这样的 条件可以是稳态条件，其中所需的挺杆和/或汽缸变换顺序是已知且可实现的，和/ 或在均质充气压缩点火和火花点火之间需要改变燃烧模式时。如果是，则例程进入 1020向油路发送变换信号，以在校准中定义的曲轴角处变换挺杆。校准可以是曲轴 角与发动机转速、机油温度，或可实现可重复的挺杆变换正时和变换顺序的任何适合 的搡作参数之间的相关性。然后，在1030,例程包括使用燃烧传感器来检测变换正 时和/或变换顺序是否是所需的或预先定义的。在一个实施例中，燃烧传感器可以是 连接在发动机汽缸盖上或在位于汽缸附近的发动机汽缸体上的爆震传感器。在另一个 实施例中，燃烧传感器可以是安装在汽缸内部的压力传感器。在某些实施例中，燃烧 传感器可以是离子电流传感器或垫片型传感器。所需的变换顺序可以包括执行所需燃 烧顺序，如SI或HCCI的汽缸的预先定义的顺序。
接下来，例程在1040确定挺杆是否早于或晚于所需进行变换。来自燃烧传感器 的信息可以包括燃烧是火花点火还是压缩或自动点火。或者，可以由燃烧传感器检测 不需要的燃烧，如扭矩波动、振动、噪声或不点火。此外，燃烧传感器的信息可用于 检测和/或调节燃烧正时(如，通过峰值压力的位置)。因此，可以在1 040中确定挺 杆变换中的误差。如果对步骤10 4 0的回答为是，则例程进入10 5 0 ，否则例程回到1010 。 继续图10,例程在1 050基于检测到的变换顺序和/或变换正时更新对变换信号的曲 轴角的校准。
如上参考图4 - 5所述，用于控制挺杆变换的油路可以具有多个油道。图11示出 了气门操作的自适应控制的示例流程图，其中使用多个信号来控制油路。例程在1110 确定是否满足挺杆变换的条件。这样的条件可以是稳态条件，其中所需的挺杆和/或
16汽缸变换顺序，和/或燃烧模式是已知且可实现的。如果是，则例程在1120向多个油 道发送在预先定义的曲轴角窗口处变换挺杆的变换信号，其中每个油道控制一组汽缸 的气门操作。凸轮廓线变换或燃烧模式的曲轴角窗口可以如图6 - 9所示那样预先定 义。在图6-9中还提供了每个汽缸中的燃烧模式及燃烧顺序的示例。可以通过校准 或任何其他适合的方法来定义曲轴角窗口。然后，在1130,例程包括使用燃烧传感 器来检测每个汽缸中的燃烧。传感器可以检测每个汽缸中的燃烧是否以所需的模式执 行，如火花点火或压缩点火。传感器还可以检测压缩点火模式中的不点火。另外，燃 烧传感器的信息可用于检测和/或调节燃烧正时(如，通过峰值压力的位置)。
接下来，例程在1140确定是否在其气门搡作由一个油道控制的每组汽缸中执行 预先定义的燃烧模式。如果回答为是，则例程进入步骤1U0。否则，例程进入1150, 通过用燃烧传感器在每个汽缸中检测是否发生了劣化的燃烧来确定应调节发送到多 个汽缸的油道的哪个信号。该确定可以进一步基于在预先定义的燃烧模式中发生劣化 的燃烧的汽缸数，该组中的哪个汽缸发生了劣化的燃烧，和/或发生劣化的燃烧的汽 缸的顺序或序列。
接下来，例程在1160对于要调节的信号，确定在哪个方向上调节油道的每个信 号。该确定可以基于其气门操作由一个油道控制的一组汽缸的燃烧状态。同样，如在 预先定义的燃烧模式中发生劣化的燃烧的汽缸数， 一组中的哪个汽缸发生劣化的燃 烧，和/或发生劣化的燃烧的汽缸的顺序或序列这样的因素会影响挺杆变换信号的调 节。因此，可以基于上述因素提前或延迟向油道发送变换信号或曲轴角窗口的正时， 以适应改变的燃烧状态并控制燃烧模式的改变。
接下来，在1170，例程调节曲轴角窗口以向油道发送变换信号。 以此方式，可以至少基于来自燃烧传感器的信息，调节向多个汽缸发送气门变换 信号的正时。
现参考图12,示出曲轴角和发动机转速之间的校准曲线的示意图。应注意，校 准曲线可以表示曲轴角与机油温度或任何其他适合参数的相关性。图12中的实线表 示例程1000或1100开始时的基线校准。两条虛线表示基线校准之后在一个时间tl 及另一个时间t2上的校准曲线。
图12示出，可以根据来自燃烧传感器的信息随着时间推移修改用于挺杆变换正 时的校准曲线。因此，上述方法允许学习到的对校准的修改随着时间推移进行适应， 以考虑到系统劣化或外部差异，如可能影响挺杆变换响应时间的湿度或海拔。此外， 基于学习到的修改的正确的变换正时可以确保高效的HCCI或自动点火燃烧。如上所 述，多种参数会影响HCCI或自动点火燃烧。这些参数包括但不限于湿度、燃料的辛 烷值、排气量等。通过基于实时的燃烧状态修改挺杆控制信号变换时间，可以考虑到 上述参数的不断变化。因此，可以精确地控制挺杆变换，使得可以避免或减少特定燃 烧模式的不需要的状态。在一个示例中，可以减少HCCI模式中的不点火。应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应 被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。例如，上述技术可以应用于V-6、 I-4、 1-6、 V-12,对置4,及其它发动机类型。作为另一个示例，可以在对汽缸中的 每个气门使用两种不同的气门廓线的系统中使用各种其他机构。此外，系统可以选择 性地停用一个或多个气门来为压缩或自动点火燃烧提供正确的流量条件。本发明的主 题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其它特征、功能，和/或属性的所有新颖 和非易见的组合及子组合。
下面的权利要求特别指出视为新颖和非易见的特定组合及子组合。这些权利要求 可能引用"一个"元素或"第一"元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对 一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的元素。 所公开的特征、功能、元素和/或属性的其它组合及子组合可以通过本发明权利要求 的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权利要 求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括在本 发明的主题之内。
权利要求
1. 一种控制第一气门状态和第二气门状态之间的汽缸气门变换，以在发动机的 燃烧模式之间进行转换的方法，包括响应于来自燃烧传感器的信息，调节用于在所述气门状态之间进行变换的信号的 正时，其中所述燃烧模式包括火花点火和均质充气压缩点火。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述燃烧传感器是爆震传感器。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述燃烧传感器是汽缸压力传感器、 离子电流传感器及垫片型传感器之一。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述气门状态包括第一进气门升程 廓线和第二进气门升程廓线，其中第一廓线由均通过公共凸轮轴驱动的第一和第二进 气门提供，其中第一气门的升程廓线不同于第二气门的升程廓线，且通过变换所述第 一和第二进气门之一的至少一根挺杆来提供所述第二升程廓线，所述变换由接收所述信号的油路控制。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述气门是排气门。
6. —种用于控制气门变换顺序以转换发动机的燃烧模式的方法，所述发动机还 具有多个汽缸，每个汽缸至少具有第一气门廓线和第二气门廓线，其中通过变换由油 路控制的挺杆来改变所述气门廓线，包括向所述油路发送信号以便以第一预先确定的变换顺序变换所述挺杆来转换燃烧 模式；使用燃烧传感器检测在所述汽缸中执行的燃烧；及 基于来自所述燃烧传感器的信息，调节发送所述信号的正时。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃烧模式包括火花点火和均质 充气压缩点火。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃烧传感器是爆震传感器。
9. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃烧传感器是汽缸压力传感器、 离子电流传感器及垫片型传感器之一。
10. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气门是进气门。
11. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气门是排气门。
12. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，基于发动机中的哪个汽缸发生劣化 的燃烧、发生劣化的燃烧的汽缸的顺序，及发生劣化的燃烧的汽缸数中的至少一个， 调节所述正时。
13. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述油路还包括控制第一组汽缸的 气门廓线的第一油道，及控制第二组汽缸的气门廓线的第二油道，其中基于第一组中 的每个汽缸的燃烧信息，调节向所述第一油道发送信号的正时，而基于第二组中的每 个汽缸的燃烧信息，调节向所述第二油道发送信号的正时。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，基于发生劣化的燃烧的汽缸的顺 序，调节所述正时。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，基于所述传感器检测到的有关发 动机中的哪个汽缸发生劣化的燃烧的信息，调节所述正时。
16. —种用于搡作汽车发动机的系统，所述发动机具有至少第一汽缸，所述系统 包括所述汽缸中的第一进气门； 所述汽缸中的第二进气门；通过公共凸轮轴驱动所述第一进气门和第二进气门，其中所述第一进气门的升程 廓线不同于所述第二进气门的升程廓线，其中所述第二进气门的驱动挺杆具有配置为 停用所述第二进气门的停用装置，且其中所述第一进气门的驱动挺杆由所述凸轮轴连 续驱动；燃烧传感器；及配置为发送信号来驱动所述挺杆的控制器，其中响应于来自所述燃烧传感器的信 息，调节发送所述信号的正时。
17. 如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述第一进气门的升程廓线比所述第二进气门的升程廓线短。
18. 如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第一进气门的升程廓线比所 述第二进气门的升程廓线小。
19. 如权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器用于 在第一模式期间，在汽缸循环期间以所述第一进气门活动而所述第二进气门停用的方式搡作，其中在所述操作期间，所述第一进气门在进气行程期间至少部分开启， 以至少允许空气进入所述汽缸，其中所述空气与燃料混合并在压縮下实现自动点火； 及在第二模式期间，在汽缸循环期间以所述第一进气门和第二进气门均活动的方式 操作，其中在所述操作期间，所述第一进气门和第二进气门在进气行程期间至少部分 开启，以至少允许空气进入所述汽缸，其中所述空气与燃料混合并通过来自火花塞的 火花进行点火。
20. 如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括 所述汽缸中的第一排气门； 所述汽缸中的第二排气门；通过公共凸轮轴驱动所述第一排气门和第二排气门，其中所述第一排气门的升程 廓线不同于所述第二排气门的升程廓线，其中所述第二排气门的驱动挺杆具有配置为 停用所述第二排气门的停用装置，且其中所述第一排气门的驱动挺杆在所有状态下均 由所述凸轮轴驱动。
全文摘要
一种控制第一气门状态和第二气门状态之间的汽缸气门变换，以在发动机的燃烧模式之间进行转换的方法包括响应于来自燃烧传感器的信息，调节用于在所述气门状态之间进行变换的信号的正时，其中所述燃烧模式包括火花点火和均质充气压缩点火。
文档编号F01L13/00GK101311511SQ200710109229
公开日2008年11月26日 申请日期2007年5月24日 优先权日2007年5月24日
发明者塞米·腓利门·佩特里迪斯 申请人:福特环球技术公司