CN102259644B - 通过双顶置凸轮发动机和强混合动力改进燃料经济性 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用双顶置凸轮发动机和强混合动力改进燃料经济性。控制动力系的方法包括：基本以全开度节气门操作发动机；监视输出扭矩请求；基于输出扭矩请求通过控制发动机气缸的气门重叠配置来控制发动机输入扭矩，其中控制气缸的气门重叠配置使用排气门关闭曲线的延长低斜率部分和进气门开度曲线的延长低斜率部分中的至少一个来调制气缸内的残留燃烧后气体百分率；以及基于输出扭矩请求和输出扭矩请求与受控发动机输入扭矩之间的时间延迟差异控制电机输入扭矩。

Description

通过双顶置凸轮发动机和强混合动力改进燃料经济性
技术领域
本发明涉及控制混合动力发动机中的发动机所产生的扭矩，且更具体地涉及使用凸轮重叠和节气门来控制发动机所产生的扭矩。
背景技术
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且不必构成现有技术。
通过部分关闭的节气门操作发动机会导致不期望的泵气损失。然而，以基本全开度节气门操作的发动机由于增加的燃烧速率而导致降低的燃料效率和增加的排放。该增加的燃烧速率还用于使得扭矩增加。已知的是，通过使用残留燃烧后气体来稀释未燃烧气体混合物，可以控制发动机燃烧速率并且增加燃料效率。稀释存在于未燃烧气体混合物中，因为已经燃烧的残留气体降低峰值燃烧后气体温度并且降低燃烧速率和得到的发动机扭矩。
例如，已知使用凸轮移相器来调制进气门和排气门之间的凸轮重叠状况，其中气门重叠状况控制未燃烧气体混合物中稀释的量。当气门重叠状况增大时，残留燃烧后气体所提供的稀释同样增加。然而，包括现有液压系统的凸轮移相器响应缓慢。液压系统凸轮移相器的缓慢响应速率产生在操作者对加速器踏板的输入所提供的输出扭矩请求与发动机的受控输入扭矩之间的时间延迟差异。在混合动力变速器中，除了输入扭矩之外，电机还将提供马达扭矩，用于产生输出扭矩以满足输出扭矩请求。电气凸轮移相器足够快以用于瞬态控制，但是太昂贵。存在对于混合动力变速器中的控制系统的需求，用于增加用户输出扭矩请求与凸轮定相所控制的输入扭矩之间的时间延迟差异。
发明内容
一种动力系，包括机电变速器、内燃机和电机，所述发动机将发动机输入扭矩提供给变速器，所述电机将电机输入扭矩提供给变速器，所述变速器提供输出扭矩，包括发动机输入扭矩和电机输入扭矩。一种控制动力系的方法包括：基本以全开度节气门操作发动机；监视输出扭矩请求；基于输出扭矩请求通过控制发动机的气缸的气门重叠设定来控制发动机输入扭矩，其中控制气缸的气门重叠设定利用排气门关闭曲线的延长低斜率部分和进气门开度曲线的延长低斜率部分中的至少一个来调制气缸内的残留燃烧后气体百分率；以及基于输出扭矩请求和输出扭矩请求与受控发动机输入扭矩之间的时间延迟差异来控制电机输入扭矩。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种用于控制动力系的方法，所述动力系包括机电变速器、内燃机和电机，所述发动机将发动机输入扭矩提供给变速器，且所述电机将电机输入扭矩提供给变速器，所述变速器提供包括发动机输入扭矩和电机输入扭矩的输出扭矩，所述方法包括：
基本以全开度节气门操作发动机；
监视输出扭矩请求；
基于输出扭矩请求通过控制发动机气缸的气门重叠设置来控制发动机输入扭矩，其中控制气缸的气门重叠设置使用排气门关闭曲线的延长低斜率部分和进气门开度曲线的延长低斜率部分中的至少一个来调制气缸内的残留燃烧后气体百分率；以及
基于输出扭矩请求和输出扭矩请求与受控发动机输入扭矩之间的时间延迟差异来控制电机输入扭矩。
2. 根据技术方案1所述的方法，其中，延长低斜率部分包括小于1 mm的气门升程以及在大约75度至100度之间的曲轴角持续时间。
3. 根据技术方案1所述的方法，其中，从查询表确定气门重叠设置。
4. 根据技术方案1所述的方法，其中，从输出扭矩请求、发动机输入扭矩和残留燃烧后气体百分率的编程函数关系确定气门重叠设置。
5. 根据技术方案1所述的方法，其中，控制电机扭矩包括反馈控制。
6. 根据技术方案1所述的方法，其中，控制电机扭矩包括前馈控制。
7. 根据技术方案1所述的方法，其中，基本以全开度节气门操作所述发动机包括在所监视的输出扭矩请求超过最小输出扭矩请求时基本以全开度节气门操作所述发动机。
8. 根据技术方案1所述的方法，其中，监视输出扭矩请求包括监视加速器踏板位置。
9. 根据技术方案1所述的方法，其中，调制残留燃烧后气体百分率产生对于气缸中后续未燃烧气体混合物的稀释。
10. 根据技术方案1所述的方法，其中，动力系还包括多个电机，控制电机输入扭矩包括控制所述多个电机的电机输入扭矩。
11. 一种用于控制包括机电变速器、内燃机和电机的动力系的方法，所述发动机将发动机输入扭矩提供给变速器，所述电机将电机输入扭矩提供给变速器，所述变速器提供包括发动机输入扭矩和电机输入扭矩的输出扭矩，所述方法包括：
基本以全开度节气门操作发动机；
监视输出扭矩请求；
经由通过控制气缸的排气门和进气门的气门重叠稀释发动机气缸内的空气燃料充气来响应于所监视输出扭矩请求转变发动机输入扭矩；以及
在转变发动机输入扭矩期间，响应于输出扭矩请求和发动机输入扭矩控制电机输入扭矩。
12. 根据技术方案11所述的方法，其中，由排气门关闭曲线与进气门开度曲线重叠的延长低斜率部分提供气门重叠。
13. 根据技术方案11所述的方法，其中，由进气门开度曲线与排气门关闭曲线重叠的延长低斜率部分提供气门重叠。
14. 根据技术方案12所述的方法，其中，进气门开度曲线包括进气门开度曲线的延长低斜率部分。
15. 根据技术方案12所述的方法，其中，延长低斜率部分包括小于1 mm的气门升程和在大约75度至100度之间的曲轴角持续时间。
16. 根据技术方案13所述的方法，其中，延长低斜率部分包括小于1 mm的气门升程和在大约75度至100度之间的曲轴角持续时间。
17. 根据技术方案14所述的方法，其中，延长低斜率部分包括小于1 mm的气门升程和在大约75度至100度之间的曲轴角持续时间。
18. 根据技术方案11所述的方法，其中，控制电机输入扭矩补偿输出扭矩请求与发动机输入扭矩之间的差异。
19. 一种动力系系统，包括：
机电变速器；
将发动机输入扭矩提供给变速器的内燃机，所述发动机包括节气门装置、燃烧室、排气门、进气门、排气凸轮、进气凸轮、调节排气凸轮正时的排气凸轮移相器、以及调节进气凸轮正时的进气凸轮移相器，其中至少一个排气凸轮包括排气门关闭曲线的延长低斜率部分，进气凸轮包括进气门开度曲线的延长低斜率部分；
电机，所述电机将电机输入扭矩提供给变速器；
变速器，所述变速器提供包括发动机输入扭矩和电机输入扭矩的输出扭矩；和
控制模块，所述控制模块：
    以基本全开度位置操作节气门装置；
    监视输出扭矩请求；
控制发动机输入扭矩，包括控制排气凸轮移相器和进气凸轮移相器中的至少一个，以实现控制燃烧室中充气稀释的气门重叠设置；以及
基于输出扭矩请求和输出扭矩请求与发动机输入扭矩之间的时间延迟差异控制电机输入扭矩。
20. 根据技术方案19所述的动力系系统，还包括多个电机。
21. 根据技术方案19所述的动力系系统，其中，延长低斜率部分包括小于1 mm的气门升程和在大约75度至100度之间的曲轴角持续时间。
附图说明
现将通过示例的方式结合附图来描述一个或多个实施例，在附图中：
图1是适于本发明的将其部分去除以示出内部部件的发动机的示意图；
图2是根据本发明的示例性动力系的示意图，所述示例性动力系包括可操作地连接到发动机以及第一和第二电机的双模式、复合分流、机电混合动力变速器；
图3是根据本发明的分布式控制模块系统的示意性框图；
图4图示了根据本发明的针对扭矩请求的变化的示例性混合动力动力系部件的反应时间；
图5示出了用于控制并管理动力系系统中的扭矩和动力流的控制系统架构，所述动力系系统具有多个扭矩产生装置并且在控制模块中驻留有可执行算法和标定值；
图6是根据本发明的四冲程循环发动机中的压力和体积的曲线图；
图7是示出了根据本发明的在常规正时设置中排气凸轮和进气凸轮的升程曲线、或开度和关闭曲线的曲线图；
图8是根据本发明的类似于图7的曲线图，但是示出了具有根据本发明修整的排气凸轮的发动机的升程曲线；
图9是类似于图7和8的曲线图，但是示出了具有根据本发明修整的进气凸轮的凸轮轴的升程曲线；以及
图10是根据踏板而变化的节气门开度和气门重叠的曲线图。
具体实施方式
现参考附图，其中图示仅用于描述一些示例性实施例的目的并且不是为了对其进行限制，图1描述了适于本发明的将其部分去除以示出内部部件的发动机的示意图。总体上以附图标记10表示内燃机，其具有带有多个气缸14的单个气缸组12。气缸由气缸盖16封闭，该气缸盖具有用于允许进气充气到气缸中的多个进气门18以及用于将排气从气缸排出的多个排气门20。进气门18由进气凸轮轴24的进气凸轮22致动。排气门20由排气凸轮轴28所携载的排气凸轮26致动。
两个凸轮轴均可旋转地安装到气缸盖中，且分别由发动机曲轴30通过链式驱动进气和排气链轮34、36驱动，该链式驱动进气和排气链轮34、36分别驱动地连接到进气和排气凸轮轴24、28。排气链轮36包括凸轮移相器38，其可操作在从用于正常操作的排气凸轮轴初始位置开始的预定角度范围内改变排气凸轮轴的相的角度位置。
参考图2和3，描述了示例性机电混合动力动力系。根据本发明的示例性机电混合动力动力系在图2中示出，包括可操作地连接到发动机10以及第一电机（MG-A）56和第二电机（MG-B）72的双模式、复合分流、机电混合动力变速器40。发动机10以及第一电机56和第二电机72每个均产生可传输到变速器40的功率。由发动机10以及第一电机56和第二电机72产生并且传输给变速器40的功率以输入扭矩（在本文分别称为TI、TA和TB）和速度（在本文分别称为NI、NA和NB）描述。
如本文所述，示例性发动机10包括多气缸内燃机，其以几种状态可选择性操作以经由输入轴42将扭矩传递给变速器40，该发动机可以是火花点火发动机或压缩点火发动机。发动机10包括可操作地联接到变速器40的输入轴42的曲轴（未示出）。旋转速度传感器11监视输入轴42的旋转速度。由于扭矩消耗部件位于在发动机10和变速器40之间的输入轴42上（例如，液压泵（未示出）和/或扭矩管理装置（未示出）），来自于发动机10的功率输出（包括旋转速度和输出扭矩）可不同于变速器40的输入速度NI和输入扭矩TI。
示例性变速器40包括三个行星齿轮组44、46和48以及四个可选择性接合的扭矩传递装置，即离合器C1 70、C2 62、C3 73和C4 75。如本文所使用的，离合器指代任何类型的摩擦扭矩传递机构，例如包括单个或复合的盘式离合器或离合器组、带式离合器以及制动器。液压控制回路50优选地由变速器控制模块（TCM）17控制，其可操作控制离合器状态。离合器C2 62和C4 75优选地包括液压施用型旋转摩擦离合器。离合器C1 70和C3 73优选地包括液压控制固定装置，其可选择性地固接到变速器壳体68。离合器C1 70、C2 62、C3 73和C4 75中的每个优选为液压施用型，其经由液压控制回路50选择性地接收加压液压流体。
第一电机56和第二电机72优选地包括三相AC电机，每个均包括定子（未示出）和转子（未示出）以及相应的解析器80和82。每个电机的马达定子被固接到变速器壳体68的外部，并且包括具有从其延伸的带线圈电绕组的定子芯。第一电机56的转子被支承在毂板齿轮上，该毂板齿轮经由第二行星齿轮组46可操作地附连到轴60。第二电机72的转子固定地附连到套管轴毂66。
解析器80和82中的每个均优选地包括变阻装置，包括解析器定子（未示出）和解析器转子（未示出）。解析器80和82合适地定位并组装到相应的第一电机56和第二电机72上。相应解析器80和82的定子可操作地连接到第一电机56和第二电机72的定子中的一个。解析器转子可操作地连接到相应的第一电机56和第二电机72的转子。解析器80和82中的每个均信号连接且可操作地连接到变速器功率逆变器控制模块（TPIM）19，且每个均感测并监视解析器转子相对于解析器定子的旋转位置，从而监视相应的第一电机56和第二电机72的旋转位置。此外，从解析器80和82输出的信号被解释为分别提供第一电机56和第二电机72的旋转速度，即NA和NB。
变速器40包括输出构件64，例如轴，其可操作地连接到车辆（未示出）的传动系90，以将输出功率提供给例如车辆车轮93，在图2中示出其中的一个车轮93。输出功率以输出旋转速度NO和输出扭矩TO表征。变速器输出速度传感器84监视输出构件64的旋转速度和旋转方向。每个车辆车轮93优选地配备有传感器94，该传感器适于监视车轮速度VSS-WHL，传感器的输出由参考图2描述的分布式控制模块系统的控制模块监视，以确定用于制动控制、牵引控制、以及车辆加速管理的车辆速度以及绝对和相对的车轮速度。
由于来自于燃料的能量转化或者存储在电能存储装置（ESD）74的电势，产生来自于发动机10以及第一电机56和第二电机72的输入扭矩和马达扭矩（分别为TI、TA和TB）。ESD 74是经由DC导电导体27而DC耦合到TPIM 19的高电压。导电导体27包括触点开关52。当触点开关52闭合时，在正常操作中，电流可在ESD 74与TPIM 19之间流动。当触点开关52断开时，在ESD 74与TPIM 19之间的电流流动被中断。响应于第一电机56和第二电机72的扭矩请求，TPIM 19通过导电导体29将电功率传递至第一电机56并从第一电机56传递电功率，TPIM 19类似地通过导电导体31将电功率传递至第二电机72并从第二电机72传递电功率，以实现马达扭矩TA和TB。根据ESD 74在充电或放电，电流被传递至ESD 74或从ESD 74传递。
TPIM 19包括一对功率逆变器（未示出）和相应电机控制模块（未示出），该电机控制模块配置成接收扭矩请求并且从其控制逆变器状态，用于提供马达驱动或再生功能，以实现马达扭矩TA和TB。功率逆变器包括已知的互补三相功率电子装置，且每个包括多个绝缘栅双极晶体管（未示出），用于通过以高频开关来将来自于ESD 74的DC功率转化为AC功率，用于向相应的第一电机56和第二电机72供电。绝缘栅双极晶体管形成开关模式电源，其配置成接收控制指令。每个三相电机的每相通常具有一对绝缘栅双极晶体管。绝缘栅双极晶体管的状态被控制以提供马达驱动机械功率再生或电功率再生功能。三相逆变器经由DC导电导体27接收DC电功率或者供应DC电功率，并将其转化为三相AC功率或从三相AC功率转化，该三相AC功率分别经由导电导体29和导电导体31被传导给第一电机56和第二电机72或者从第一电机56和第二电机72传导，以作为马达或发电机操作。
图3是分布式控制模块系统的示意性框图。下文所描述的元件包括整个车辆控制架构的子块，并且提供对图2所述的示例性动力系的协调系统控制。分布式控制模块系统将相关信息和输入合成，并且执行算法以控制各个致动器来实现控制目标，包括与燃料经济性、排放、性能、驾驶性能、以及包括ESD 74和第一电机56和第二电机72的蓄电池的硬件保护相关的目标。分布式控制模块系统包括发动机控制模块（ECM）23、TCM 17、蓄电池组控制模块（BPCM）21、以及TPIM 19。混合动力控制模块（HCP）5提供对于ECM 23、TCM 17、BPCM 21、以及TPIM 19的监督控制和协调。用户接口（UI）13可操作地连接到多个装置，车辆操作者通过该装置控制或引导机电混合动力动力系的操作。该装置包括加速器踏板113（AP），从其确定操作者扭矩请求；操作者制动器踏板112（BP）；变速器档位选择器114（PRNDL）；以及车辆速度巡航控制设备（未示出）。变速器档位选择器114可具有离散数量的操作者可选择位置，包括实现前进和后退方向中的一个的输出构件64的旋转方向。
前述控制模块经由局域网（LAN）总线54与其它控制模块、传感器和致动器通信。LAN总线54允许各个控制模块之间的操作参数状态和致动器指令信号的结构化通信。针对具体应用使用具体的通信协议。LAN总线54和合适协议提供在前述控制模块之间以及和提供例如防抱死制动、牵引控制和车辆稳定的功能的其它控制模块之间的稳固消息传输和多控制模块相互作用。多路通信总线可用于改进通信速度并且提供一定程度的信号冗余和集成。单个控制模块之间的通信还可使用直接链路来实现，例如串行外围设备接口（SPI）总线（未示出）。
HCP 5提供对动力系的监督控制，用于协调ECM 23、TCM 17、BPCM 21、以及TPIM 19的操作。基于来自于用户接口13和动力系（包括ESD 74）的各种输入信号，HCP 5产生各种指令，包括：输出扭矩请求（TO_REQ）；传动系90的指令输出扭矩（TCMD）；发动机10输入扭矩请求；用于变速器40的扭矩传递离合器C1 70、C2 62、C3 73、C4 75的离合器扭矩；以及分别用于第一电机56和第二电机72的扭矩请求。TCM 17可操作地连接到液压控制回路50并且提供各种功能，包括监视各种压力感测装置（未示出）以及产生并传输控制信号至各个螺线管（未示出），藉此控制液压控制回路50内所包含的压力开关和控制阀。
ECM 23可操作地连接到发动机10，且用于通过多个离散线路获取传感器的数据和控制发动机14的致动器，该离散线路为了简单起见示出为聚合双向接口电缆35。ECM 23从HCP 5接收发动机输入扭矩请求。ECM 23确定实际发动机输入扭矩TI，其基于传输给HCP 5的监视发动机速度和负载在该时间点提供给变速器40。ECM 23监视来自于旋转速度传感器11的输入，以确定输入轴42的发动机输入速度，该发动机输入速度转换为变速器输入速度NI。ECM 23监视来自于传感器（未示出）的输入，以确定其它发动机操作参数的状态，包括例如岐管压力、发动机冷却剂温度、环境空气温度、以及环境压力。例如，发动机负载可从岐管压力确定，或替代性地从加速器踏板113的监视操作者输入确定。ECM 23产生并传输指令信号以控制发动机致动器，包括例如燃料喷射器、点火模块、以及节气门控制模块，上述所有均未示出。
TCM 17可操作地连接到变速器40并且监视来自于传感器（未示出）的输入，以确定变速器操作参数的状态。TCM 17产生并传输指令信号以控制变速器40，包括控制液压控制回路50。从TCM 17至HCP 5的输入包括每个离合器（即，C1 70、C2 62、C3 73和C4 75）的估计离合器扭矩、以及输出构件64的旋转输出速度NO。其它致动器和传感器可用于提供从TCM 17至HCP 5的附加信息，用于控制目的。TCM 17监视来自于压力开关（未示出）的输入并且选择性地致动液压控制回路50的压力控制螺线管（未示出）和转换螺线管（未示出），以选择性地致动各个离合器C1 70、C2 62、C3 73和C4 75，从而实现各种变速器操作范围状态，如下文所述的那样。
BPCM 21信号连接到传感器（未示出），以监视ESD 74，包括电流和电压参数的状态，以将表示ESD 74的蓄电池的参数状态的信息提供给HCP 5。蓄电池的参数状态优选地包括蓄电池荷电状态、蓄电池电压、蓄电池温度、以及可用蓄电池功率（称为从PBAT_MIN至PBAT_MAX的范围）。
控制模块可采用任何合适的形式，包括专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的中央处理单元（优选为微处理器）和相关记忆和存储设备（只读、可编程只读、随机读取、硬盘驱动器等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供所述功能的其他合适部件的各种组合。控制模块具有一组控制算法，包括存储在存储器中并被执行以提供期望功能的驻留软件程序指令和标定值。该算法优选地在预设循环期间被执行。算法例如通过中央处理单元被执行，并且可操作以监视来自于感测装置和其它联网控制模块的输入，以及执行控制和诊断例程从而控制致动器的操作。
控制模块ECM 23、TCM 17、TPIM 19、以及BPCM 21中的每个均优选是通用数字计算机，包括微处理器或中央处理单元、存储介质（包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和电子可编程只读存储器（EPROM））、高速时钟、模数(D/A)和数模(A/D)电路、输入/输出电路和装置（I/O）以及合适的信号调节和缓冲电路。每个控制模块具有一组控制算法，包括存储在一种存储介质中并被执行以提供每个计算机的各自功能的常驻程序指令和标定值。控制模块之间的信号传递优选使用LAN总线54和SPI总线完成。控制算法在预设循环期间被执行，使得每个算法在每个循环期间至少被执行一次。存储在非易失性存储装置中的算法由一个中央处理单元执行，以监视来自感测装置的输入并且执行控制和诊断例程从而用预设标定值控制致动器的操作。在持续进行的动力系操作期间，循环通常以规则间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。
响应于由用户接口13捕获的通过加速器踏板113和制动器踏板112的操作者输入，HCP 5和一个或多个其它控制模块确定指令输出扭矩TCMD，旨在满足在输出构件64执行并传递给传动系90的输出扭矩请求TO_REQ。最终车辆加速度受其它因素影响，例如包括道路负荷、道路级别、和车辆质量。基于动力系的多个操作特性，确定变速器40的操作范围状态。这包括通过加速器踏板113和制动器踏板112传输到用户接口13的操作者扭矩请求，如前所述。可基于由指令将第一电机56和第二电机72以电能产生模式或扭矩产生模式操作引起的动力系扭矩要求来预计操作范围状态。操作范围状态可通过最优算法或例程确定，该算法或例程例如在HCP 5的混合动力策略控制模块内启动，该控制模块基于操作者功率要求、蓄电池充电状态、以及发动机10和第一电机56及第二电机72的能量效率确定最优系统效率。控制系统基于所执行的最优例程的结果管理来自于发动机10和第一电机56及第二电机72的扭矩输入，且藉此优化系统效率，从而管理燃料经济性和蓄电池充电。此外，可基于部件或系统中的故障确定操作。HCP 5监视扭矩产生装置、并确定实现期望输出扭矩所需的来自于变速器40的功率输出，以满足操作者扭矩请求。如从上述说明中应当显而易见的，ESD 74和第一电机56及第二电机72被电气地操作性耦合，以在其间实现功率流动。此外，发动机10、第一电机56和第二电机72、以及机电变速器40被机械地操作性耦合，以在其间传递功率，从而产生至输出构件64的功率流。
如上所述，管理输出扭矩以便保持驾驶性能在控制混合动力动力系中是优先的。响应于通过变速器施加的输出扭矩请求的变化的扭矩中的任何变化会导致施加到传动系的输出扭矩的变化，从而导致车辆的推进力的变化以及车辆加速度的变化。扭矩请求的变化可来自于操作者输入，例如与输出扭矩请求相关的踏板位置、车辆中自动控制变化（例如巡航控制或气体控制策略）、或者响应于环境状况的发动机变化（例如，车辆经历上坡或下坡阶段）。通过控制施加到混合动力动力系内的变速器的各个输入扭矩的变化，车辆加速度的急剧变化可被控制并最小化，以便减少对驾驶性能的不利影响。
如本领域技术人员已知的，任何控制系统包括反应时间和响应延迟。由控制信号的变化驱动动力系操作点的变化，包括实现期望车辆操作所需的动力系的各个部件的速度和扭矩。这些控制信号变化作用在动力系的各个部件上并且根据其相应反应时间对其每个进行反应。例如表示新扭矩请求（例如根据由输出扭矩请求的变化驱动或者按照执行变速器换挡的需要）的控制信号施加到混合动力动力系的任何变化在每个受影响的扭矩产生装置中进行反应，以便执行对相应输入扭矩的所需变化。从发动机10施加的输入扭矩的变化被发动机扭矩请求控制，该发动机扭矩请求例如通过ECM 23控制来设置发动机10所产生的扭矩。针对发动机10的扭矩请求变化的发动机10内反应时间受多个本领域已知的因素影响，且发动机操作的具体变化严重依赖于所采用的具体发动机和被使用的燃烧模式。在许多情况下，针对扭矩请求变化的发动机10反应时间将是混合动力驱动系统的部件的最长反应时间。针对扭矩请求变化的电机内反应时间包括致动任何必要开关、中继器或其它控制机构的时间以及针对所施加电功率的变化激励或去激励电机的时间。
图4示意性地描述了根据本发明的针对扭矩请求变化的示例性混合动力动力系部件的反应时间。示例出了示例性混合动力动力系系统的部件，包括发动机TI和第一电机TA以及第二电机TB。描述了扭矩请求和每个扭矩产生装置所产生的输入扭矩和马达扭矩的得到的变化。如上所述，数据显示，电机TA和TB快速响应扭矩请求的变化，而发动机TI较慢地跟随扭矩请求的变化。
图5示出了用于控制并管理动力系系统中的扭矩和功率流的控制系统架构，所述动力系系统具有多个扭矩产生装置，如下文参考图2和3所示的混合动力动力系系统，并且在前述控制模块中驻留有以可执行算法和标定值。控制系统架构可应用到具有多个扭矩产生装置的任何动力系系统中，例如包括具有单个电机的混合动力动力系系统、具有多个电机的混合动力动力系系统、以及非混合动力动力系系统。
图5的控制系统架构描述了通过控制模块的有关信号流。在操作中，加速器踏板113和致动器踏板112的操作者输入被监视，以确定TO_REQ。发动机10和变速器40的操作被监视，以确定输入速度（NI）和输出速度（NO）。策略优化控制方案（策略控制机构）310基于输出速度和操作者扭矩请求确定优选输入速度（NI_DES）和优选发动机状态以及变速器操作范围状态（混合动力范围状态Des），并且基于混合动力动力系的其它操作参数优化，该其它操作参数包括蓄电池功率极限值和发动机10、变速器40、以及第一电机56和第二电机72的响应极限值。策略优化控制方案310优选由HCP 5在每个100 ms的循环以及在每个25 ms的循环期间被执行。
策略优化控制方案310的输出用于换档执行和发动机启动/停止控制方案（换档执行和发动机启动/停止）320，以指令变速器操作（变速器指令）中的变化，包括改变操作范围状态。这包括在通过指令应用一个或多个离合器C1 70、C2 62、C3 73和C4 75和其它变速器指令使得优选操作范围状态不同于当前操作范围状态时，指令执行操作范围状态的变化。可确定当前操作范围状态（实际混合动力范围状态）和输入速度曲线（NI_PROF）。该输入速度曲线是对迫近输入速度的估计，且优选包括标量参数值，该标量参数值是将至循环的目标输入速度。发动机操作指令和操作者扭矩请求基于在变速器的操作范围状态的转变期间的输入速度曲线。
战术性控制方案（战术控制和操作）330在一个控制循环期间重复执行，以基于输出速度、输入速度、以及操作者扭矩请求和变速器的当前操作范围状态确定用于操作发动机的发动机指令（发动机指令），包括从发动机10至变速器40的优选输入扭矩。发动机指令还包括这样的发动机状态，其包括所有气缸操作状态和气缸停用操作状态（其中发动机气缸的一部分被停用并未被提供燃料）之一；以及这样的发动机状态，其包括燃料供应状态和燃料被切断状态之一。
在TCM 17中估计每个离合器的离合器扭矩（TCL），包括当前施用的离合器和未施用的离合器，并且在ECM 23中确定与输入构件42反应的当前发动机输入扭矩（TI）。马达扭矩控制方案（输出和马达扭矩确定）340被执行以确定来自于动力系的优选输出扭矩（TO_CMD），其在该实施例中包括用于控制第一电机56和第二电机72的马达扭矩指令（TA, TB）。优选输出扭矩基于每个离合器的估计离合器扭矩、来自于发动机10的当前输入扭矩、当前操作范围状态、输入速度、操作者扭矩请求以及输入速度曲线。第一电机56和第二电机72基于优选输出扭矩通过TPIM 19控制，以满足优选马达扭矩指令。马达扭矩控制方案340包括算法代码，该算法代码在6.25 ms和12.5 ms的循环期间被定期执行，以确定优选马达扭矩指令。
现参考图6，描述了根据四冲程循环发动机中压力和体积而变化的泵气循环的绘图。区域A加上区域B是在进气和排气冲程期间活塞与气缸气体之间的功传递，并且在本领域通常称为泵气功。当在进气冲程期间的压力低于在排气冲程期间的压力时，泵气功传递将会传递到气缸气体。相反，当排气冲程压力低于进气压力时，泵气功传递将会从气缸气体传递到活塞。部分关闭的节气门将导致泵气功降低，在本领域称为泵气损失。因此，期望将节气门布置成全开度或接近全开度，用于使得泵气损失最小化，进而增加进气压力。如下文将详细讨论的，将显而易见的是，当燃烧速率通过凸轮重叠状况控制时，将发动机以节气门的全开度或接近全开度操作会导致增加燃料经济性并且减少NO-X排放。
当前描述的实施例采用燃烧后残留气体和排气再循环（EGR），用于SI发动机燃烧速率和NOX排放的控制，其中一部分排气通过控制阀从排气系统再循环到发动机进气系统。EGR起作用为未燃烧气体混合物中的附加稀释剂，因为EGR已经从先前的循环燃烧，进而降低峰值燃烧后气体温度和NOX形成速率。该燃烧后气体包括来自于先前的循环中的残留气体和再循环到进气系统的排气。残留气体百分率受负载和气门正时、尤其是进气和排气门重叠程度的影响。由于残留燃烧后气体和EGR稀释未燃烧混合物，燃烧后达到的绝对温度与燃烧后气体质量百分率成反比例地变化。因此，增加燃烧后气体百分率将降低燃烧速率并且减少NOX排放的形成。
参考图7，发动机的示例性凸轮升程示意图包括额定排气门升程曲线140，其中在峰值升程的相反两侧上具有额定排气门开度曲线142和额定排气门关闭曲线144；以及额定进气门升程曲线146，在峰值的相反两侧上类似地具有额定进气门开度曲线148和额定进气门关闭曲线150。本领域技术人员将认识到，额定气门升程曲线140、146分别以相对低斜率的加速度和减速度部分152、154开始和结束，该加速度和减速度部分152、154转变至用于气门的快速开启和关闭的相对高斜率开度和关闭部分或者从该相对高斜率开度和关闭部分转变。本领域技术人员将认识到，气门升程曲线可通过凸轮型面来实现。替代性地，气门升程曲线可通过完全灵活的气门致动机构（例如，电气和液压致动气门）来实现。
本文所使用的“重叠区域”表示指示在气门正时视图中的重叠时段的曲轴角上的重叠气门升程的累加区域，例如在附图中的图7-9所示的。因而，重叠区域可以mm-度来描述，从而描述曲线上的累加区域。“重叠中心线”表示在两个气门均开启相同量时的选定时间点。如上所述，重叠区域增加通过发动机循环的残留燃烧后气体的气体量，其中残留燃烧后气体起作用为未燃烧气体混合物的稀释剂。将显而易见的是，增加气门重叠会导致增加的稀释。
在用于图7中所描述的总体发动机操作的进气和排气凸轮的额定固定正时中，额定排气门升程曲线140的减速部分154与额定进气门升程曲线146的加速部分152重叠大约50°的发动机曲轴角旋转的量。在该重叠中心线，两个气门均开启大约0.3毫米。结果是相对小的气门重叠区域。示例性重叠区域156也在图7中描述，示出了基于延迟排气门正时和提前进气门正时的增加重叠。
如图1所示，发动机10的凸轮移相器38允许排气凸轮26的相角延迟高达例如80°。将可以看到，由于额定排气门关闭曲线144和额定进气门开度曲线148交叉的高斜率，气门曲线的交叉快速上升时，增加按照曲轴角度数计量的重叠将快速增加EGR的重叠区域。在最大延迟80°时，气门重叠区域将以增加的速率增加至初始重叠区域的示例性十倍。图7中所描述的两个重叠区域的比较示出了，对气门正时的相对小调节会形成重叠区域中的大百分比增加。
结果是，排气凸轮相角的任何均匀最小延迟会导致EGR的快速增加，这使得难以以合理的精确度数控制EGR并且难以在不达到出现不稳定性的一些发动机中的点前提下适应发动机之间的差异。因此，包括相角变化的控制标定优选是连续的，以便避免燃烧不稳定性。该标定控制策略导致缓慢的反应时间和不稳定性，以在许多发动机状况下提供所期望的尽可能多的EGR流。
现在参考附图中的图8，附图标记158代表根据本发明的修整的一对气门升程曲线，以减少先前指出的控制问题。在图8中，进气门升程曲线146是如图7所示的额定值。然而，修整排气门升程曲线160具有以预定曲轴角提前的排气门关闭曲线164，例如，相对于额定排气门关闭曲线144提前大约50°。通过大约1毫米的气门升程，排气门关闭曲线164呈平稳态进入延长低斜率升程部分166，其具有例如在大约75°至100°的预定相角持续时间的水平斜率或低向下斜率，之后排气门关闭曲线升程降低至零。延伸低斜率升程部分166的大约1毫米升程仅仅是示例性的，且可构想出其它升程。由于低斜率升程部分166的水平斜率或低向下斜率，由具有体现出这种曲线的型面的排气凸轮的相角调节实现的气门重叠区域的变化相对于相角调节相对呈线性。替代性地，重叠可通过进气凸轮的相角调节来实现。使用这种延伸低斜率升程部分166允许可预计受控气门重叠区域以及在下一燃烧循环中得到的残留燃烧后气体百分率。
因此，与源自图7的额定升程曲线的大体上指数函数相反，具有凸轮定相变化的EGR流的变化变成对相角变化的大体上线性函数。由此，更容易适应EGR流的控制，因为EGR流的突然变化基本上被消除并且提供大体上线性函数。
现参考附图中的图9，附图标记168表示根据本发明的修整的一对气门升程曲线，以减少先前指出的控制问题。在图9中，排气门升程曲线140为图7所述额定值。然而，修整进气门升程曲线170具有进气门开度曲线172，其相对于额定进气门开度曲线148以预定曲轴角延迟，例如延迟大约50°。通过大约1毫米的气门升程，进气门开度曲线172呈平稳态进入延长低斜率升程部分174中，该低斜率升程部分具有例如在大约75°至100°的预定相角持续时间的水平斜率或低向上斜率，之后开度曲线转变到进气门开度曲线172的相对高斜率开度部分中。延长低斜率升程部分174的大约1毫米升程仅仅是示例性的，并且可构想出其它升程。由于延长低斜率升程部分174的水平斜率或稍微向上斜率，由具有体现出这种曲线的型面的进气凸轮的相角调节实现的气门重叠区域的变化相对于相角调节相对呈线性。替代性地，重叠可通过排气凸轮的相角调节来实现。使用这种延伸低斜率升程部分174允许可预计受控气门重叠区域以及在下一燃烧循环中得到的残留燃烧后气体百分率。
此外，在排气和进气凸轮均具有体现为上述说明的延长低斜率升程部分的型面时，可得到类似的结果。于是，进气凸轮和排气凸轮中的任一个或者两者均可定相调节，以相对于相角调节实现期望线性重叠。
如上所述，气门重叠可用于保留排气中会正常从气缸驱出的部分，该气体用作随后燃烧循环中的稀释剂。通过增加燃烧室中存在的稀释剂，可减少燃烧室中可用于燃烧的空气-燃料充气的得到容积。减少的空气-燃料充气的燃烧会导致来自于气缸的降低功输出或者可用于变速器的降低发动机输入扭矩TI。
根据本发明所描述的实施例，图10描述了使用基本全开度节气门的方法，藉此降低气缸中的泵气损失，同时通过调制气缸中残留燃烧后气体百分率来控制输入扭矩。视图示出了根据所施用加速器踏板（%所施用踏板（TO_REQ））而变化的节气门开度（%节气门开度）和气门重叠（气门重叠）。如上所述，加速器踏板可被监视以确定输出扭矩请求TO_REQ。如表示常规节气门方法的虚线所示，当输出扭矩请求增加时，节气门以与TO_REQ基本成比例的速率开启。在常规节气门方法下，发动机直到加速器踏板的操作者输入达到大致100%才以基本全开度节气门操作。如上所述，当节气门部分关闭时，出现不期望的泵气损失。泵气损失会导致降低的泵气功传递，其中在进气冲程中的压力小于在排气冲程中的压力。应当理解的是，部分关闭的节气门附加地产生稀释未燃烧气体混合物的燃烧速率的不稳定性。该不稳定性源自于与进气空气相互作用的残留燃烧后气体百分率，该进气空气具有源自于泵气损失的在进气岐管内的变化压力。然而，为了根据TO_REQ保持TI，节气门必须部分关闭，以便根据期望燃烧输出控制燃烧室中的空气燃料充气。
图10附加地描述了根据本发明的构想出的节气门方法，其中残留燃烧后气体百分率被调制以根据TO_REQ控制TI。根据构想出的节气门方法，当TO_REQ从零增加时，节气门位置快速上升并且快速实现全开度位置。在示例性操作中，当输出扭矩请求超过最小输出扭矩请求时，节气门可称为基本全开度节气门。图10示出了在大约20%踏板位置处实现全开度节气门。结果是，与在常规节气门方法中的操作相比，在气缸中显著地降低了泵气损失。在构想出的节气门方法中，描述了由残留燃烧后气体百分率引起的气门重叠或稀释。如上所述，燃烧室中的残留燃烧后气体百分率稀释空气燃料充气并且降低得到的发动机的TI。构想出的节气门方法结合气门重叠使用，以补偿常规节气门方法中节气门曲线与构想出的节气门方法中节气门曲线之间的差异，以便保持TI至TO_REQ。
可通过许多方法来确定根据TO_REQ正确地补偿TI的所需气门重叠。发动机配置可通过测试、确定用于各个节气门设置的TI的差异、以及确定在TI的不同节气门设置处的各个气门重叠设定的效果来进行标定。在替代方式中，节气门设置和气门重叠设置的效果可通过足以预计发动机操作的任何系统来可预计地建模。这种标定结果可存储用于车载使用，用于例如使用节气门位置（即，TO_REQ）用作独立查询变量的查询表中。替代性地，这种结果可应用到各种发动机状况的函数关系中，且这些函数关系可用于车辆上，以控制节气门和气门设置。在替代方式中，可在车辆上使用足以预计发动机操作的预计模型，以确定控制设置。这种车载模型可根据预计发动机操作预编程。附加地，这种车载模型可使用本领域已知的机器学习算法或模糊逻辑方法，以根据具体车辆中所观测到的行为来适应性地控制发动机设置。
可使用上述示例性方法来以基本全开度节气门操作节气门，同时根据TO_REQ控制TI。然而，如上述图4中所述，发动机响应时间相对缓慢，该发动机响应时间根据TO_REQ中的变化而改变TI。TO的缓慢响应时间降低驾驶性能、降低与车辆性能相关的操作者满意度。例如，通过快速压下加速器踏板，操作者预期经历TO的快速增加。在其它示例中，期望停止时，加速器踏板可快速地返回至零位置。在零节气门位置，操作者期望车辆快速稳定至未提供动力或怠速滑行。为了实现根据TO_REQ的梯级变化的TI的变化，改变气门重叠会花费时间来正确地适应对于TO_REQ的梯级变化。然而，如根据图5所示的，混合动力驱动变速器通过控制TI和马达扭矩而可协同地适应TO_REQ。在图5的示例性配置中，战术性控制和操作模块330控制至ECM 23的发动机指令，以便实现TI的变化。然后，得到的TI由输出和马达扭矩确定模块340使用，连同TO_REQ来指令马达扭矩TA和TB，从而实现马达扭矩，以便校正TI和TO_REQ之间的任何差异。
示例性方法使用气门重叠，控制残留燃烧后气体百分率，以根据TO_REQ控制TI，并且通过TI中的转变使用电机来调节TO。因此，电机的相对快速扭矩响应被用来补偿由使用控制TI的气门重叠引起的发动机的相对缓慢扭矩响应。因此，发动机的扭矩响应中的任何延迟由电机扭矩补偿。通过监视TI和TO_REQ，可根据本领域已知的反馈和前馈方法来控制马达扭矩，以便保持驾驶性能并且减少针对TO_REQ变化的缓慢发动机反应时间的影响。
在上文参考包括发动机10和一对电机56、72的实施例描述了该方法和系统。替代性地，该系统可结合图2和3所示的其它机电变速器系统使用，该其它机电变速器系统具有比两个电机更多或更少的电机。替代性地，该系统可结合其它混合动力变速器系统（未示出）使用，该其它混合动力变速器系统使用扭矩产生机械和能量存储系统，例如液压机械混合动力变速器和氢燃料电池应用等等。
本发明已经描述了其一些优选实施例及其变换。技术人员在阅读并理解申请文件之后可想到进一步的变换和变型。因此，本发明旨在不局限于作为构想用于实施本发明的最佳模式所公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种用于控制动力系的方法，所述动力系包括机电变速器、发动机和电机，所述发动机将发动机输入扭矩提供给变速器，且所述电机将电机输入扭矩提供给变速器，所述变速器提供包括发动机输入扭矩和电机输入扭矩的输出扭矩，所述方法包括：
基本以全开度节气门操作发动机；
监视输出扭矩请求；
基于输出扭矩请求通过控制发动机气缸的气门重叠设置来控制发动机输入扭矩，其中控制气缸的气门重叠设置使用修整排气门升程曲线和修整进气门升程曲线中的至少一个来调制气缸内的残留燃烧后气体百分率，所述修整排气门升程曲线以第一向下斜率从峰值排气门开度下降到预定排气门开度，且然后对于预定排气门相角持续时间根据延长低斜率部分以第二向下斜率从预定排气门开度下降，第一向下斜率的大小大于第二向下斜率的大小；所述修整进气门升程曲线对于预定进气门相角持续时间根据延长低斜率部分以第一向上斜率从预定进气门开度上升，且在预定进气门相角持续时间之后以第二向上斜率上升，第一向上斜率的大小小于第二向上斜率的大小；以及
基于输出扭矩请求和输出扭矩请求与受控发动机输入扭矩之间的时间延迟差异来控制电机输入扭矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，预定排气门开度和预定进气门开度包括小于1 mm的气门升程，预定排气门相角持续时间和预定进气门相角持续时间包括在75度至100度之间的曲轴角持续时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，从查询表确定气门重叠设置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，从输出扭矩请求、发动机输入扭矩和残留燃烧后气体百分率的编程函数关系确定气门重叠设置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，控制电机扭矩包括反馈控制。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，控制电机扭矩包括前馈控制。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，基本以全开度节气门操作所述发动机包括在所监视的输出扭矩请求超过最小输出扭矩请求时基本以全开度节气门操作所述发动机。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，监视输出扭矩请求包括监视加速器踏板位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，调制残留燃烧后气体百分率产生对于气缸中后续未燃烧气体混合物的稀释。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，动力系还包括多个电机，控制电机输入扭矩包括控制所述多个电机的电机输入扭矩。
11.一种用于控制包括机电变速器、发动机和电机的动力系的方法，所述发动机将发动机输入扭矩提供给变速器，所述电机将电机输入扭矩提供给变速器，所述变速器提供包括发动机输入扭矩和电机输入扭矩的输出扭矩，所述方法包括：
基本以全开度节气门操作发动机；
监视输出扭矩请求；
经由通过控制气缸的排气门和进气门的气门重叠稀释发动机气缸内的空气燃料充气来响应于所监视输出扭矩请求转变发动机输入扭矩，所述气门重叠由修整排气门升程曲线和修整进气门升程曲线中的至少一个提供，所述修整排气门升程曲线以第一向下斜率从峰值排气门开度下降到预定排气门开度，且然后对于预定排气门相角持续时间根据延长低斜率部分以第二向下斜率从预定排气门开度下降，第一向下斜率的大小大于第二向下斜率的大小；所述修整进气门升程曲线对于预定进气门相角持续时间根据延长低斜率部分以第一向上斜率从预定进气门开度上升，且在预定进气门相角持续时间之后以第二向上斜率上升，第一向上斜率的大小小于第二向上斜率的大小；以及
在转变发动机输入扭矩期间，响应于输出扭矩请求和发动机输入扭矩控制电机输入扭矩。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，修整排气门升程曲线的延长低斜率部分与进气门开度曲线重叠。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，修整进气门升程曲线的延长低斜率部分与排气门关闭曲线重叠。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，预定排气门开度包括小于1 mm的气门升程，预定排气门相角持续时间包括在75度至100度之间的曲轴角持续时间。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，预定进气门开度包括小于1 mm的气门升程，预定进气门相角持续时间包括在75度至100度之间的曲轴角持续时间。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，控制电机输入扭矩补偿输出扭矩请求与发动机输入扭矩之间的差异。
17.一种动力系系统，包括：
机电变速器；
将发动机输入扭矩提供给变速器的发动机，所述发动机包括节气门装置、燃烧室、排气门、进气门、排气凸轮、进气凸轮、调节排气凸轮正时的排气凸轮移相器、以及调节进气凸轮正时的进气凸轮移相器，其中至少一个排气凸轮包括排气门关闭曲线的延长低斜率部分，进气凸轮包括进气门开度曲线的延长低斜率部分；
电机，所述电机将电机输入扭矩提供给变速器；
变速器，所述变速器提供包括发动机输入扭矩和电机输入扭矩的输出扭矩；和
控制模块，所述控制模块：
以基本全开度位置操作节气门装置；
监视输出扭矩请求；
控制发动机输入扭矩，包括控制排气凸轮移相器和进气凸轮移相器中的至少一个，以实现控制燃烧室中充气稀释的气门重叠设置，所述气门重叠由修整排气门升程曲线和修整进气门升程曲线中的至少一个提供，所述修整排气门升程曲线以第一向下斜率从峰值排气门开度下降到预定排气门开度，且然后对于预定排气门相角持续时间根据延长低斜率部分以第二向下斜率从预定排气门开度下降，第一向下斜率的大小大于第二向下斜率的大小；所述修整进气门升程曲线对于预定进气门相角持续时间根据延长低斜率部分以第一向上斜率从预定进气门开度上升，且在预定进气门相角持续时间之后以第二向上斜率上升，第一向上斜率的大小小于第二向上斜率的大小；以及
基于输出扭矩请求和输出扭矩请求与发动机输入扭矩之间的时间延迟差异控制电机输入扭矩。
18.根据权利要求17所述的动力系系统，还包括多个电机。
19.根据权利要求17所述的动力系系统，其中，预定排气门开度和预定进气门开度包括小于1 mm的气门升程，预定排气门相角持续时间和预定进气门相角持续时间包括在75度至100度之间的曲轴角持续时间。
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