CN101429881B - 可变气门升程的转换控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于控制发动机的可变气门升程系统的系统，包括基于测量的和估算的可变气门升程系统的延迟中的至少一个来估算总延迟的延迟模块。可变气门控制模块基于总延迟控制从可变气门低升程形式到可变气门高升程形式的第一转换和从可变气门高升程形式到可变气门低升程形式的第二转换中的一种转换。

Description

可变气门升程的转换控制方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年10月19日提交的，申请号为60/981,275的美国临时专利申请的权益。上述申请的公开内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于控制可变气门驱动系统的方法和系统。

背景技术

本部分的内容仅仅是提供与本公开相关的背景技术信息并且可能并不构成现有技术。

进气气门控制空气/燃料混合物进入内燃机(ICE)气缸。排气气门控制气体从内燃机的气缸的排出。凸轮轴上的凸轮轴凸角(或“凸轮凸角”)随着凸轮轴的旋转推动气门以打开气门。气门上的弹簧使气门返回关闭位置。气门的正时，持续时间，和开度或“气门升程”可能会影响性能。

可变气门驱动(VVA)技术通过依据发动机工作状态调整气门动作的升程，正时和持续时间而提高燃料经济性，发动机效率，和/或性能。两步式(Two-step)VVA系统能够在进气气门和/或排气气门上进行两个分离的气门动作。发动机控制模块(ECM)选择最有利于每一种发动机工作状态的最佳气门动作形式。

在VVA系统的开发和应用中的一个问题是控制系统和硬件的响应时间变动性。可用于将切换滚子指状随动件(SRFF，Switching Roller Finger Follower)在接合和脱离之间进行切换的时间有限。如果控制气门导致挺杆流体通道内的流体压力变化相对于气门升程曲线过早出现，那么SRFF摇臂锁定销可能只能部分接合并随即在气门开始提升后脱离。这种意外脱离可能会导致发动机气门从高升程气门动作下降为低升程气门动作，或者下降到气门座上。在多次这样的动作后，SRFF摇臂或气门可能会表现出加速磨损或损坏的迹象。

发明内容

因此，一种用于控制发动机的可变气门升程系统的系统，包括基于测量的和估算的可变气门升程系统的延迟中的至少一个来估算总延迟的延迟模块。可变气门控制模块基于总延迟控制从可变气门低升程形式到可变气门高升程形式的第一转换或者从可变气门高升程形式到可变气门低升程形式的第二转换之一。

在其他特征中，可变气门控制模块基于根据总延迟调节的曲轴转角位置的范围控制第一转换和第二转换。该范围由最大曲轴转角位置和最小曲轴转角位置限定，并且其中可变气门控制模块通过从最大曲轴转角位置和最小曲轴转角位置的至少一个减去总延迟来调节该范围。

在其他特征中，发动机控制模块基于从可变气门低升程形式到可变气门高升程形式的第一转换控制节气门位置、点火正时、和凸轮轴移相器动作之一。发动机控制模块在从可变气门低升程形式到可变气门高升程形式的第一转换之前调节对节气门位置、点火正时、和凸轮轴移相器动作中的至少一个的控制。

在其他特征中，发动机控制模块基于从可变气门高升程形式到可变气门低升程形式的第二转换控制发动机扭矩。发动机控制模块在从可变气门高升程形式到可变气门低升程形式的第二转换之后控制发动机扭矩。

在其他特征中，可变气门控制模块基于期望的发动机扭矩控制从可变气门低升程形式到可变气门高升程形式的第一转换和从可变气门高升程形式到可变气门低升程形式的第二转换。

更多的应用领域将根据本文中提供的说明而变得显而易见。应该理解说明和特定实施例仅仅是为了介绍的目的而不是为了限制本公开的保护范围。

附图说明

本文中给出的附图仅仅是为了介绍的目的而不是为了以任何方式限制本公开的保护范围。

图1是包括了根据本公开的各个方面得到的可变气门升程(VVL)系统的示范性六气缸发动机的功能方块图。

图2是示出了根据本公开的各个方面得到的示范性VVL控制系统的数据流程图。

图3至图5是根据本公开的各个方面得到的示范性VVL控制方法的流程图。

具体实施方式

下面的说明本质上只是示范性的而不是为了限制本公开及其应用或用途。应该理解在所有附图中，对应的附图标记表示相同或相对应的部件和特征。如本文中所用，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)，电子电路，执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享，专用，或群组处理器)和存储器，组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其他合适部件。

现在参照图1，发动机系统10包括燃烧空气/燃料混合物以产生驱动扭矩的发动机12。空气通过节气门16被引入进气歧管14。节气门16控制空气流入进气歧管14。进气歧管14内的空气被分配到气缸18内。尽管示出了六个气缸，但是发动机12可以包括更多或更少的气缸18。例如，具有2，3，4，5，8，10和12个气缸的发动机都是可以预期的。尽管图1中示出了V型结构的气缸，但是应该意识到气缸18也可以被实施为直列式结构。随着空气被引入气缸18，燃料喷射器19喷射出燃料与其混合。燃料喷射系统(未示出)控制(正时，喷射量等)燃料喷射器19以在每个气缸18内提供期望的空燃比。

根据本公开的一个示范性实施例，每个气缸18可以包括进气气门20和排气气门21。进气气门20选择性地打开和关闭以使空气和/或空气/燃料混合物能够进入气缸18。进气凸轮轴24控制进气气门的打开和关闭动作。排气气门21选择性地打开和关闭以使废气能够离开气缸18。排气气门的打开和关闭动作由排气凸轮轴32控制。尽管如图所示每个气缸18配有单个进气气门20和单个排气气门21，但是可以为每个气缸18设置多个进气气门和排气气门。

活塞(未示出)在气缸18内压缩空气/燃料混合物。火花塞(未示出)发起空气/燃料混合物的燃烧。活塞驱动曲轴(未示出)以产生驱动扭矩。曲轴利用正时链(未示出)驱动进气和排气凸轮轴24，32。应该意识到也可以实施双进气凸轮轴和双排气凸轮轴。发动机转速传感器35产生以每分钟转数(RPM)指示发动机12的转速的发动机转速信号。

发动机12可以包括分别调节进气和排气凸轮轴24，32的旋转正时的进气凸轮移相器36和排气凸轮移相器38。更具体地，进气和排气凸轮移相器36，38的相位角可以被延迟或提前以控制进气和排气凸轮轴24，32的相对正时。

可变气门(VVL)系统39和凸轮轴24，32互相作用以控制气门的打开和关闭动作。VVL系统39包括多个切换滚子指状随动件(SRFF)40。每个SRFF40都包括与固定至凸轮轴24，32的低升程凸轮凸角(未示出)相接的低升程触点，以及与固定至凸轮轴24，32的一个或多个高升程凸轮凸角(未示出)相接的一个或多个高升程触点(未示出)。随着凸轮轴24，32的旋转，凸轮凸角接触SRFF 40，SRFF 40继而打开和关闭相应的气门20，21。每个SRFF 40都被控制为使得根据低升程形式和高升程形式中的至少一种形式选择性地操作气门20，21。特别地，加压流体通过电磁操作阀42被供应给SRFF 40以释放和/或接合锁定销44。锁定销44用于激活和解除激活低升程触点和/或高升程触点。

控制模块50控制给每个SRFF 40系统的加压流体供应以接合和脱离锁定销44。特别地，控制模块50控制流体压力的供应以使得不会发生意外的锁定销脱离。在各种实施例中，控制模块50按以下步骤安排高升程形式和低升程形式之间的转换：首先计算当前的用曲轴旋转角度表示的延时；然后将所述延时应用到会出现不完全的锁定销接合的已知位置以确定应该发起控制的曲轴转角位置。随后在那一时刻发起控制以消除不期望的，意外的脱离和其伴随的声音。

现在参照图2，示出了可以被嵌入在控制模块50内的VVL控制系统49。根据本公开得到的VVL控制系统49的各种实施例可以包括任意数量的嵌入在控制模块50内的子模块。正如能够理解的那样，图示的子模块可以被组合和/或进一步划分用于类似地控制VVL系统39和/或其他的发动机部件。VVL控制系统49的输入可以从发动机系统10(图1)中感测，从其他的控制模块(未示出)接收，和/或由控制模块50内的其他子模块(未示出)确定。在各种实施例中，图2中的控制模块50包括延迟确定模块52、转换确定模块54、状态转换模块58、和发动机控制模块56。

延迟确定模块52基于测量到的和/或估算出的与控制VVL系统39(图1)所涉及的硬件相关的延时来估算总延时68。在各种实施例中，延迟确定模块52基于与控制电磁阀相关的延时(t_solenoid)、与压力上升相关的延时(t_{control_pressure_rise})、和与致动器相关的延时(t_actuator)来估算总延时68。在各种实施例中，总延时68可以基于以下公式进行估算：

t_delay＝t_solenoid+t_{control_pressure_rise}+t_actuator      (1)

控制电磁阀延时(t_solenoid)可以作为电压(V)和油温(T_oil)的函数进行估算，如下所示：

t_solenoid＝f(V，T_oil)             (2)

控制压力上升延时(t_{control_pressure_rise})可以作为供油压力(P_supply)和油温(T_oil)的函数进行估算，如下所示：

t_{control_pressure_rise}＝f(P_supply，T_oil)           (3)

致动器延时(t_actuator)可以作为控制压力(P_control)和油温(T_oil)的函数进行估算，如下所示：

t_actuator＝f(P_conlrol，T_oil)               (4)

基于总延时68和当前的发动机转速(RPM)66，延迟确定模块52将总延时68转化为曲轴旋转角度。在各种实施例中，总延时68可以基于以下公式被转化为曲轴旋转角度(Deg_delay)：

${\mathrm{Deg}}_{\mathrm{delay}}=360*[\frac{\mathrm{RPM}}{120}{\left(t_{\mathrm{delay}}\right)}^2+\frac{\mathrm{RPM}}{60}\left(t_{\mathrm{delay}}\right)]---\left(5\right)$

转换确定模块54基于当前升程状态72和期望扭矩70估算是否期望进行低升程形式和高升程形式之间的转换。例如，转换确定模块54在当前升程状态72是低升程状态且期望扭矩70大于低升程扭矩阈值时估算出从低升程形式到高升程形式的转换是所期望的(期望升程状态74)。在另一个例子中，转换确定模块54在当前升程状态72是高升程状态且期望扭矩70小于高升程扭矩阈值时预计出从高升程形式到低升程形式的转换是所期望的(期望升程状态74)。在各种实施例中，期望扭矩70可以基于发动机工作参数进行估算。

状态转换模块58基于期望升程状态74安排转换并在预定时间通过流体控制指令82控制加压流体以使转换发生。在各种实施例中，通过从用曲轴角度表示的会出现不完全的锁定销接合的已知位置中减去用曲轴角度表示的总延时68来安排转换。这样的已知位置可以被预先确定和/或基于发动机性能被实时估计。

发动机控制模块56基于当前升程状态72控制发动机系统(图1)中的一个或多个部件。发动机控制模块56控制一个或多个部件用于使发动机12(图1)准备好进行低升程形式和高升程形式之间的转换。在各种实施例中，发动机控制模块56在流体控制指令，也就是状态转换指令被发出之前通过控制信号78，70和76分别控制节气门16(图1)、凸轮移相器36，38(图1)、和火花塞(未示出)中的至少一个。在各种实施例中，发动机控制模块56在流体控制指令，也就是状态转换指令被发出之后通过执行现有技术中已知的一种或多种扭矩平滑化方法来控制发动机扭矩。

现在参照图3至图5，流程图示出了能够通过根据本公开的各个方面的图2中的VVL控制系统49执行的VVL控制方法98。正如能够理解的那样，VVL控制方法98各步骤的执行顺序可以在不改变该方法实质的前提下进行变化。VVL控制方法98可以在控制模块工作期间被周期性地执行或者被安排为基于某些事件运行。该方法可以在100处开始。

当前升程状态72和期望扭矩70在110，120和130处被估算。如果在110处当前升程状态72是低升程状态，并且在120处期望扭矩70大于低升程扭矩阈值，那么在140处计算用曲轴角度表示的总延时68(如上所述)；并在150处调节节气门16(图1)、凸轮移相器36，38(图1)、和火花塞(未示出)用于状态改变。但是，如果在110处当前升程状态72是低升程状态并且在120处期望扭矩70小于或等于低升程扭矩阈值，那么就不期望进行转换并且该方法可在260处结束。

如果在110处当前升程状态72是高升程状态(不等于低升程状态)，并且在130处期望扭矩70小于高升程扭矩阈值，那么在160处继续进行控制以再次评估当前升程状态72。否则，如果在110处当前升程状态72是高升程状态，并且在130处期望扭矩70大于或等于高升程扭矩阈值，那么就不期望进行转换并且该方法即可在260处结束。

在160处，一旦转换是所期望的，如果当前升程状态72仍然是低升程状态或者已经变为低升程状态，那么在170处识别要执行进气填料的下一个气缸(气缸ID)，在190处确定允许转换为下一个升程状态的最小和最大角位置，并在200和210处评估最小和最大角位置。最小和最大角位置限定了转换能够发生的范围。通过估算的总延时68来调节该范围(例如从最小和最大角位置中减去总延时)。如果当前的曲轴位置超出了针对该气缸的调节范围，那么不进行转换。如果在200和210处当前的曲轴位置处于针对该气缸的调节范围之内，那么就在220处选择适当的电磁操作阀42(图1)，在230处转换状态，并在240处控制进行扭矩平滑化。

该方法继续针对每一个气缸转换状态直到所有的电磁操作阀42(图1)都已转换为止。一旦所有的电磁操作阀42(图1)都已在250处转换，该方法即可在260处结束。否则，该方法在180处通过增加气缸ID和在190，200和210处估算最小和最大角位置而继续。

本领域普通技术人员现在可以从前述的说明中理解到本公开的宽泛教导能够以多种形式实施。因此，尽管已经结合其中的特定实施例对本公开进行了介绍，但是本公开的实质保护范围不应该被这样限定，因为其他的变形对于研究了附图，说明书，和所附权利要求的本领域普通技术人员来说将变得显而易见。

Claims (22)

1.一种用于控制发动机的可变气门升程系统的系统，包括：

基于测量的和估算的所述可变气门升程系统的延迟中的至少一个来估算总延迟的延迟模块；和

基于所述总延迟控制从可变气门低升程形式到可变气门高升程形式的第一转换和从可变气门高升程形式到可变气门低升程形式的第二转换中的一种转换的可变气门控制模块。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述可变气门控制模块基于根据所述总延迟调节的曲轴转角位置的范围控制所述第一转换和所述第二转换。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述范围由最大曲轴转角位置和最小曲轴转角位置限定，并且其中所述可变气门控制模块通过从所述最大曲轴转角位置和所述最小曲轴转角位置的至少一个减去所述总延迟来调节所述范围。

4.如权利要求1所述的系统，进一步包括基于从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换控制节气门位置、点火正时、和凸轮轴移相器动作中的至少一个的发动机控制模块。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述发动机控制模块在从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换之前控制所述节气门位置、所述点火正时、和所述凸轮轴移相器动作中的至少一个。

6.如权利要求1所述的系统，进一步包括基于从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换控制发动机扭矩的发动机控制模块。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述发动机控制模块在从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换之后控制发动机扭矩。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述可变气门控制模块基于期望的发动机扭矩控制从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换和从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换。

9.一种控制发动机的可变气门升程系统的方法，包括：

基于测量的和估算的所述可变气门升程系统的延迟中的至少一个未估算总延迟；和

基于所述总延迟控制从可变气门低升程形式到可变气门高升程形式的第一转换和从可变气门高升程形式到可变气门低升程形式的第二转换中的一种转换。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述控制包括基于根据所述总延迟调节的曲轴转角位置的范围控制从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换和从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换中的一种转换。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括通过从最大曲轴转角位置和最小曲轴转角位置的至少一个减去所述总延迟来调节所述曲轴转角位置的范围。

12.如权利要求10所述的方法，其中对所述发动机的每一个气缸执行对所述曲轴转角位置的范围的调节。

13.如权利要求9所述的方法，进一步包括基于从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换控制节气门位置、点火正时、和凸轮轴移相器动作中的至少一个。

14.如权利要求13所述的方法，其中控制所述节气门位置、所述点火正时、和所述凸轮轴移相器动作中的至少一个发生在控制从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换之前。

15.如权利要求9所述的方法，进一步包括基于从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换控制发动机扭矩。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述控制包括在控制从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换之后控制发动机扭矩。

17.如权利要求9所述的方法，其中所述控制包括基于期望的发动机扭矩控制从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换和从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换。

18.如权利要求9所述的方法，其中所述估算包括：

计算所述总延迟，所述总延迟是测量的和估算的所述可变气门升程系统的延迟中的至少一种延迟的总和；以及

将所述总延迟转化为曲轴旋转角度，并且

其中控制从所述可变气门低升程形式到所述可变气门高升程形式的所述第一转换和从所述可变气门高升程形式到所述可变气门低升程形式的所述第二转换是基于所述转化后的总延迟进行的。

19.如权利要求18所述的方法，其中将所述总延迟(t_delay)转化为曲轴旋转角度(Deg_delay)是基于发动机转速(RPM)和以下公式进行的：

${\mathrm{Deg}}_{\mathrm{delay}}=360*[\frac{\mathrm{RPM}}{120}{\left(t_{\mathrm{delay}}\right)}^2+\frac{\mathrm{RPM}}{60}\left(t_{\mathrm{delay}}\right)]$

20.如权利要求9所述的方法，其中所述总延迟的估算是基于作为电压和流体温度的函数确定的电磁阀延时进行的。

21.如权利要求9所述的方法，其中所述总延迟的估算是基于作为流体供给压力和流体温度的函数确定的控制压力上升延时进行的。

22.如权利要求9所述的方法，其中所述总延迟的估算是基于作为控制压力和流体温度的函数确定的致动器延时进行的。

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