CN101634250A - 包括爆震补偿的发动机控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括爆震补偿的发动机控制，公开了一种控制具有带有由可变气门机构(VVM)操作的至少一个气门的汽缸的发动机的方法，该可变气门机构具有连接到该气门的传感器，该方法包括响应于该汽缸中的可燃混合物的爆燃的指示调节至少一个操作参数，该指示基于连接到该气门的传感器。通过本发明，可以检测和响应发动机中的爆燃，并减轻该爆燃。

Description

包括爆震补偿的发动机控制

技术领域

本发明涉及包括爆震补偿的发动机控制。

背景技术

在各种工况下，内燃发动机会受到不期望的爆燃例如发动机爆震或提前点火的影响。不期望的爆燃会造成会使发动机构件劣化并降低发动机效率的压力上升增加和加热。因此，已使用各种方法用于识别和解决爆震，包括在发动机上设置声学传感器或加速度计，以及汽缸内压力传感器和离子传感器。

在美国专利US 2003/0230281描述的一种具体方法中，考虑到气门关闭事件例如进气门关闭事件产生的噪声，将识别发动机爆震的振动传感器安装到发动机汽缸体。具体地，控制系统试图补偿在监视爆震的特定窗口中进气门关闭产生的振动传感器中的噪声。

发明人在此认识到上述方法的各种问题。例如，即使系统可以识别气门关闭事件，这种事件产生的噪声仍然降低振动传感器关于爆震检测的信号质量。此外，当气门落座噪声太大时，爆震检测也是不可能的。因此，爆震检测和爆震减轻仍然妥协。

发明内容

提供用于控制具有带有由可变气门机构(VVM)操作的至少一个气门的汽缸的发动机的系统和方法，该可变气门机构具有连接到气门的位置传感器用于检测所述汽缸中的可燃混合物的爆燃。该气门位置中的振动用于检测所述爆燃。旨在响应于汽缸中的所述爆燃并减轻该爆燃的采取一个或多个动作的决定至少部分由于所述振动。旨在在后续发动机循环中减轻所述爆燃的动作包括改变气门正时、改变点火正时等。

在实施例中，具有位置传感器的电动气门执行器(EVA)、执行器控制器及微计算机用于监视和响应发动机爆震。在替代的示例中，可以通过气动、液动或其他可变气门机构控制气门。在其他的示例中，试图检测和控制的爆燃可以是提前点火，作为发动机爆震的替代或补充。

根据另一方面，提供具有发动机气门座的用于汽缸的系统。该系统包括连接到汽缸且配置为在气门座中关闭的汽缸气门；连接到汽缸气门且配置为使气门落座的电动执行器；配置为指示气门位置的位置传感器，该传感器甚至在气门落座时也产生信号数据；及用于响应于汽缸中的爆震指示调节至少一个操作参数的控制系统，该指示基于气门落座时的传感器信号。

本发明的一个特征在于其依赖于与发动机中的单个汽缸相关联的位置传感器。因为这种关联，可以在每个汽缸中精确地确定是否存在不期望的爆燃。精确的确定对于隔离发动机中集中响应减轻的位置是有用的。本发明的另一个特征在于仅当测量气门落座时采集位置数据。以此方式，窗口化数据，有必要地消除测量气门落座产生的振动中的失真。本发明的又一个特征在于，在汽缸中存在具有连接到位置传感器的可变气门机构的多个气门的情况下，一个或多个具有最大表面积的气门专门用于测量。在一个示例中，使用大于排气门的进气门。具有较大表面积的气门的使用可以具有用于指示爆燃的较高的信噪比。还有一个特征是从发动机汽缸中的一个以上气门操作中核实数据的能力。核实对于增加爆燃特征(例如正时、频率、强度等)的准确性和精确性是有用的。

应理解，提供上述发明内容以简化的方式介绍将在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。这并不意味着确定要求保护的主题的关键或主要特征，该主题的范围仅由本申请的权利要求限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上述任何缺点或本公开的任何部分中的实施例。

附图说明

图1是发动机的示意图。

图2是气门和控制气门的电动气门执行器(EVA)的详细示图。

图3是发动机中的构件和具体地为涉及爆震检测的电动气门执行器的方框图。

图4是检测和确定发动机爆震的过程及因为该确定执行的控制方案的流程图。

具体实施方式

图1是示出可以包括在汽车的推进系统中的多汽缸发动机10的一个汽缸的示意图。发动机10可以由包括控制器12的控制系统和由经输入装置130来自车辆驾驶员132的输入至少部分地控制。在该示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即汽缸)30可以包括具有活塞36定位在其中的燃烧室壁32。活塞36可以连接到曲轴40以便活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。曲轴40可以通过中间变速系统连接到车辆的至少一个驱动轮。此外，起动机马达可以通过飞轮连接到曲轴40以实现发动机10的起动操作。

燃烧室30可以通过进气道42从进气歧管44接收进气且可以通过排气道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气道48可以通过相应的进气门52和排气门54与燃烧室30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或多个进气门和/或两个或多个排气门。

进气门52可以通过电动气门执行器(EVA)51由控制器12控制。类似地，排气门54可以通过EVA 53由控制器12控制。在一些工况下，控制器12可以改变提供到执行器51和执行器53的信号以控制相应的进气门和排气门的开启和关闭。进气门52和排气门54的位置可以分别通过指示气门沿着执行器的轴(见图2)的位移的气门位置传感器55和气门位置传感器57确定。在另一个示例中，汽缸30可以包括经电动气门驱动控制的进气门和经包括凸轮廓线变换(CPS)和/或可变凸轮正时(VCT)的凸轮驱动控制的排气门。

燃料喷射器66如图所示设置在进气歧管44中配置为向燃烧室30上游的进气道内提供所称的进气道燃料喷射。燃料喷射器66可以成比例于经电子驱动器68从控制器12接收的信号脉冲宽度FPW喷射燃料。燃料可以通过包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨的燃料系统(未示出)输送到燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可以替代地或附加地包括直接连接到燃烧室30的燃料喷射器，用于以所称的直接喷射的方式向燃烧室30内直接喷射燃料。

进气道42可以包括具有节流板64的节气门62。在该具体示例中，节流板64的位置可以由控制器12经提供到节气门62包括的电动马达或执行器的信号改变，该配置通常称为电子节气门控制(ETC)。以此方式，可以操作节气门62改变提供到燃烧室30和其他发动机汽缸的进气。节流板64的位置可以由节气门位置信号TP提供到控制器12。进气道42可以包括用于向控制器12提供相应的信号MAF和MAP的质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122。

点火系统88可以在选择的工作模式下响应于来自控制器12的点火提前信号SA，通过火花塞92向燃烧室30提供点火火花。

排气传感器126如图所示连接到排放控制装置70上游的排气道48。传感器126可以是提供排气空燃比指示的任何合适的传感器，如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、两态氧传感器或EGO传感器、HEGO(加热型EGO)传感器、NOx传感器、HC传感器，或CO传感器。排放控制装置70如图所示沿排气传感器126下游的排气道48设置。排放控制装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置、或其组合。

控制器12如图1所示为微计算机，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且在该具体示例中如图所示为只读存储器芯片106的电子存储媒体、随机存取存储器108、保活存储器110，及数据总线。除上述信号之外，控制器12还接收来自连接到发动机10的传感器的各种信号，包括来自质量空气流量传感器120的引入的质量空气流量(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的霍尔效应传感器118(或其他类型的传感器)的齿面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；及来自传感器122的绝对歧管压力信号(MAP)。发动机转速信号(RPM)可以由控制器12根据信号PIP生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供进气歧管中的真空或压力的指示。在一个示例中，传感器118也可用作发动机转速传感器，可以在曲轴每旋转一周时产生预定数量的等间隔的脉冲从而指示曲轴位置。

存储媒体只读存储器106可以用表示可由处理器102执行的用于执行下文所述的方法或例程及其他可预想的但未具体列出的变体的指令的计算机可读数据编程。

如上所述，图1仅示出多汽缸发动机的一个汽缸，每个汽缸类似地可以包括其自身的一组进气门/排气门、气门位置传感器、燃料喷射器、火花塞等。

图2示出示例双线圈振荡质量执行器总成240，其为EVA执行器51和/或53的一个示例。该总成240可以包括发动机气门254，该气门可以是进气门或排气门。发动机气门254还可以称为汽缸气门。发动机气门254由一对相反的电磁铁(电磁阀)250、252驱动，该对电磁铁设计为克服一对相反的气门弹簧242和244的力。该电磁铁可以包括线圈(未示出)。上部执行器246可以包含电磁铁250。下部执行器248可以包含电磁铁252。上部执行器可以是关闭执行器，而下部执行器可以是开启执行器。图2还示出口270，其可以是进气口或排气口。

弹簧244和242连接到电枢212。当气门被驱动时，电枢212沿着气门电枢轴258向上移动或向下移动，分别实现气门的开启或关闭。位置检测器256位于下部执行器248之上和上部执行器246之下，且配置为检测电枢212沿着气门电枢轴258的垂直电枢位移(VAD)。来自位置检测器256的信号VAD可被发送到控制系统，该控制系统的一个示例是控制器12。以此方式，控制系统可以识别气门位置，并确定气门254是否静止、开启、关闭等。应理解，在替代的实施例中，位置检测器256可以位于沿着气门电枢212的另一个位置，例如在弹簧244之上和弹簧242之下或位于振荡质量执行器总成240之内。

对电磁铁的线圈施加可变电压产生电流流过，其控制由每个电磁铁产生的力。由于所示设计，组成执行器的每个电磁铁不依赖于电磁铁线圈中的电流的极性产生一个方向的力。所需可变电压的高精确控制和有效生成因此可以通过使用开关式电力电子变换器实现。替代地，可以使用具有永磁体的电磁铁，其可相吸或相斥。此外，可以使用其他电动气门系统。

如上所示，当不对执行器施加电压时发动机中的机电驱动的气门可以保持一半或部分开启中间位置。因此，在发动机燃烧操作之前，每个气门经历初始化循环。在初始化期间，执行器以规定的方式用电流脉冲调制，以便将气门设置在完全关闭或完全开启的位置。在该初始化之后，随后根据期望的气门正时(和点火顺序)由一对电磁铁驱动气门，一个电磁铁用于拉动气门开启(下部)，而另一个电磁铁用于拉动气门关闭(上部)。虽然图2示出气门一直连接到执行器，但在实践中可以有间隙以适应执行器和气门热膨胀。

每个电磁铁的磁性使得在任何时候仅单个电磁铁(上部或下部)需要被施加电压。因为上部电磁铁在每个发动机循环的大部分时间保持气门关闭，其比下部(开启)电磁铁操作更高百分比的时间。然而，在替代的示例中，可以使用单线圈气门执行器。应理解，在另外的替代示例中，可以气动或液动地执行气门的开启和关闭而不是电磁执行。

在电流流过上部执行器一段时间后，汽缸气门将不再保持移动而是停靠在位于口270和发动机汽缸30之间的开口处的称为气门座(未示出)的底座上，密封了口和发动机汽缸之间的通道。这种气门位置可以称为落座后。应理解，当气门落座时，该气门可以部分密封到汽缸的开口。在一个示例中，部分气门密封可以通过向上部执行器和下部执行器提供电流控制。

当气门落座时，位置传感器256可以继续感测气门的位移或运动(例如VAD)，包括基本上不落座气门发生的振动位移。以此方式，位置传感器指示和测量气门位置。在落座位置中的气门位移会受发动机汽缸的状态包括汽缸内压力的影响。以此方式，关于燃烧室内的压力的上升和时间变化的信息可以经位移VAD传送。在选择的工况下，例如当给定的发动机汽缸中的所有汽缸气门落座时，该位移VAD特别与汽缸压力工况关联。

在一个特别示例中，位移VAD可以与爆燃工况，例如发动机爆震关联。如上所述，可燃混合物的爆燃是发动机汽缸内的压力的突然急剧上升超过特定量的过程。应理解，因为爆燃产生特有的工况，这种状态产生的位置传感器的信号可以具有当与非爆燃燃烧相比时可被识别的可识别标记。检测和响应该爆燃的过程在图3和图4A-4C中进一步描述。

图3是示出电动气门执行器系统300、发动机汽缸310和发动机控制器312之间的相互作用的方框图。系统300进一步包括气门控制器314、执行器302、用于对执行器供电的电路304、连接到执行器的气门和电枢系统308，以及连接到气门和电枢的传感器306。该传感器306测量和指示电枢的垂直位移(即，气门位置)。发动机控制器312可用于控制发动机系统和操作参数，且其为微计算机12的一个示例。发动机汽缸310是发动机燃烧室30的一个示例，且用于控制的燃料点火。如参考图1所述，其可包括活塞、气门(气门的一个示例可包括在气门电枢系统308中)和火花塞。

气门和电枢系统308可包括汽缸气门；例如，进气门或排气门、气门弹簧、气门座和可由执行器302驱动的电枢，如参考图2所述。气门控制器314，除其他功能外，可以执行气门和电枢系统的反馈控制。使用反馈控制允许在多种发动机工况下的气门的准确控制。该控制器可以发送信号到对执行器302供电的电路304。该执行器可以驱动电枢和气门系统。传感器306连接到电枢且可以与气门控制器关于气门状态通信。

如上所述，气门和电枢系统308会受到发动机汽缸310中的可燃混合物的爆燃的影响，因此气门位置信号VAD可以由控制系统处理以识别可燃混合物的爆燃，例如发动机爆震。

然而，气门位移对于可燃混合物的爆燃的动态响应会受到各种参数的影响，包括气门系统和气门座的结构构件，以及燃烧事件的特性。在一个示例中，在燃烧事件中，气门落座的反作用力、气门弹簧及执行器会影响气门位置信号分布曲线。因此，气门位移爆燃响应会受到气门弹簧的弹簧系数的影响。在另一个示例中，该响应会受到发动机汽缸中的燃烧的压力分布的影响，该压力分布会受到空燃比、温度、点火正时等的影响。

位置传感器306产生的位置信号响应于气门的移动，且该信号由气门控制器314接收。当产生位置信号时，气门可以落座，给出位置测量值。或者，该位置信号可以由发动机控制器312接收。

气门控制器314可以包括用于处理气门位置VAD的各种滤波器和窗口。滤波可以包括各种带通滤波器以使接近落座状态中的气门系统的谐振频率的频率通过。窗口化可以包括从选择的曲轴转角，例如对应于当汽缸中的一个或多个气门落座时的状态的曲轴转角窗口，使信号成分通过。该窗口还可以基于在点火正时之前开始的期望的爆震窗口调节。额外的细节参考图4A-图4C描述。

基于窗口化和滤波的气门位置，控制系统可以做出该信号是否指示爆震的确定。这可以通过比较该信号与在类似工况下没有爆震的发动机汽缸的预定信号代表来完成。该比较可以包括时频分析，或可以比较多个选择的频率的振幅。以此方式，来自位置传感器的信息可以实现发动机爆震的检测。虽然上述示例参考控制器314中的信号处理描述，但在替代的实施例中，可以通过控制器312执行这种操作。

当对操作参数的调节可以通过控制系统完成时，一旦识别发动机爆震，控制器可以进入工况。例如，发动机控制器可以调节一个或多个发动机系统，例如点火、燃料喷射、节气门开启角度、发动机冷却、气门正时等。这些进而会影响汽缸310中的燃料的燃烧以减轻爆燃。以此方式，这些构件相互作用以检测和响应爆燃，例如爆震。

图4A-图4C是在一个或多个汽缸气门中使用位置传感器识别和响应发动机爆震的控制例程的实施例。该控制例程可以在一个或多个控制系统中执行，该控制系统的示例包括控制器312和314。

在402，该例程选择一个或多个发动机汽缸以监视。该汽缸的选择可以基于操作参数，例如，汽缸温度、发动机冷却剂温度、发动机转速、节气门位置、排气温度及从选择的汽缸中的先前爆震感测起的持续时间。在一个示例中，该例程监视每个包括电动气门的发动机汽缸。在另一个示例中，该例程监视子发动机汽缸，例如具有电动气门的单个发动机汽缸，且该例程分配监视的汽缸的工况到另一个发动机汽缸。

接下来，在404，该例程确定选择的汽缸中的气门的状态。在一个示例中，该例程可以基于传感器指示的气门的位置/位移对汽缸中的每个气门确定该气门是落座，开启还是移动，该传感器的一个示例是传感器256。以此方式，通过气门位置的测量值确定气门的状态。

如果没有气门落座，则该例程继续到406，并基于来自气门位置传感器的反馈执行气门位置控制。如果至少一个气门落座，则在408，该例程选择监视哪一个落座气门位置以识别选择的汽缸中的爆震。当多个气门落座时，该例程可以选择具有最大表面积的气门，例如比排气门大的进气门，因为其可以具有较高的信噪比用于指示发动机爆震。在另一个示例中，该例程可以选择所有落座的气门，且结合每个气门的位置信号数据以更好地识别选择的汽缸中的爆震。以此方式，通过使用来自汽缸中的多个落座的气门的多个气门位置传感器的信息，位置信号数据对于特征化爆燃可以更准确、更精确。

此外，该例程可以取决于工况在不同的落座的气门(或不同的气门组)中选择以监视。从而，在第一工况中(例如在低负荷下)，该例程可以监视落座的进气门位置以指示发动机爆震。然而，在高负荷下，该例程可以监视落座的排气门位置以识别发动机爆震。另外，在高转速工况下，该例程可以监视落座的进气门和排气门位置两者以识别发动机爆震。以此方式，该例程可以通过气门位置数据的适当选择提高整个工况范围内的爆震检测中的准确性。

回到图4，控制器继续到410以确定是否执行爆震监视和控制处理。如果为否，则该例程继续到结束。否则，该例程继续到412。在412，该例程执行图4B的例程420以获得和滤波来自选择的气门的位置数据。

接下来，在416比较414的发动机预定环境噪声与滤波的气门信号。在一个示例中，该例程确定发动机爆震是否在一个或多个选择的汽缸中存在。如果发动机爆震被识别，则该例程继续到418以通过调节一个或多个操作参数，例如气门开启正时和气门关闭正时和/或延迟点火正时，采取减轻动作，更多的细节参考图4C的例程440描述。否则，该例程结束。

虽然上述实施例旨在识别和补偿发动机爆震，但在替代的示例中，该例程可以识别和补偿提前点火。

现参考图4B，描述用于窗口化和滤波气门位置传感器数据的例程。首先，在422，该例程从位置传感器信号获得气门位置的测量值。然后，在424，该例程窗口化信号数据。在一个进气门传感器数据的示例中，该窗口开始于进气门关闭正时并结束于排气门开启正时。然后，在426，该例程以发动机爆震的频率特征带通滤波位置信号。接下来，在428，该例程矫正和积分该位置传感器信号数据。

现参考图4C的例程440，在422该例程首先指示一个或多个选择的气门内的爆震。以此方式，该例程识别存在可燃混合物的爆燃。在444，该例程采集关于发动机中的气门的位置和正时的信息。此外，在446控制器确定其他发动机系统的工况，例如点火正时、发动机温度等。

一旦信息被采集，控制器就选择448处的一连串动作以减轻检测到的爆震。控制器执行450处的这些动作旨在解决爆震。控制器选择和执行可称为相应工况下的动作。这些动作可以包括操作参数调节，例如改变一个或多个汽缸进气门和/或排气门的升程、角度或正时，增加或减少空燃比和/或延迟点火正时。

应注意，本文中包括的示例控制和估值例程可用于各种发动机和/或车辆系统配置。本文所述的具体例程可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种步骤、操作或功能可以按所示的顺序执行、并行执行，或在一些情况下略去。类似地，处理的顺序不是实现本文中所述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示步骤或功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以在图形上表示编程到控制系统中的计算机可读存储媒体中的代码。

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。本申请的主题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合及子组合。

本申请的权利要求特别指出视为新颖和非显而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/或属性的其他组合及子组合可以通过本申请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申请的主题之内。

Claims (10)

1.一种控制具有带有由可变气门机构操作的至少一个气门的汽缸的发动机的方法，所述可变气门机构具有连接到所述气门的传感器，所述方法包括：

响应于所述汽缸中的可燃混合物的爆燃的指示调节至少一个操作参数，所述指示基于连接到所述气门的传感器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器是所述气门的位置传感器，且所述爆燃的指示是基于当所述气门落座时来自所述传感器的气门位置的测量值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可变气门机构是电动执行器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节包括在所述汽缸的后续循环中在所述汽缸中延迟点火正时。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节包括在所述汽缸的后续循环中调节所述气门的气门开启正时和/或气门关闭正时。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，用于指示发动机爆震的所述气门位置的测量值开始于所述汽缸的进气门关闭之后且结束于排气门开启之前。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节包括控制所述气门的开启正时或关闭正时。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述爆燃的指示是基于当所述汽缸中的至少两个气门落座时所述至少两个气门的气门位置。

9.一种控制具有带有第一和第二电动气门的汽缸的发动机的方法，每个气门具有连接到其上的位置传感器，所述方法包括：

在第一工况期间，响应于所述汽缸中的可燃混合物的爆燃的指示调节至少一个操作参数，所述指示至少基于连接到所述第一气门的传感器；及

在不同于所述第一工况的第二工况期间，响应于所述汽缸中的可燃混合物的爆燃的指示调节所述至少一个操作参数，所述指示至少基于连接到所述第二气门的传感器。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一气门是所述汽缸的第一进气门，所述第二气门是所述汽缸的第二进气门，且所述方法还包括，在不同于所述第一工况和第二工况的第三工况期间，响应于所述汽缸中的可燃混合物的爆燃的指示调节所述至少一个操作参数，所述指示至少基于连接到所述第一气门的传感器和连接到所述第二气门的传感器两者。

Images