CN102454491A - 改善发动机起动期间发动机转速控制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善发动机起动的系统。在一个示例中，通过在发动机起动期间向发动机提供可变负载而改善了发动机起动。可通过在发动机起动期间控制交流发电机励磁电流提供可变负载。

Description

改善发动机起动期间发动机转速控制的方法和系统
技术领域
本发明涉及控制发动机再起动的方法和系统。
背景技术
已经开发出在满足特定发动机怠速-停机(idle-stop)条件时执行发动机停机并随后在满足再起动条件时自动再起动发动机的车辆。这种怠速-停机系统能够节约燃料，减少排气排放，降低车辆噪音等。在一些怠速-停机系统中，在发动机再起动期间通过经由机械连接至发动机的交流发电机为发动机增加负载来限制发动机转速。然而，在发动机再起动期间，起动机需要来自电池的较大电流量用于起动发动机。随后，当从电池吸取了较高电流量时，电池电压可能降低且交流发电机提供至发动机的机械负载可能以不期望和/或不可预知的方式改变。
试图通过在发动机起动期间起动机使用电池电压转动起动发动机时简单地向交流发电机励磁线圈施加基本上恒定的电池电压来限制发动机转速的系统在发动机起动期间控制发动机转速的能力较为有限。具体地，当基本上恒定的电压施加至交流发电机励磁线圈时，交流发电机励磁线圈中的电流可与线圈阻抗和交流发电机转子速度有关，而非受控为具体值。并且，由于交流发电机提供给发动机的负载与交流发电机的磁场强度有关，向交流发电机励磁线圈施加基本上恒定的电池电压可能无法得到所需程度的交流发电机负载控制。
发明内容
发明人已经开发出了一种用于在发动机起动期间控制发动机转速的系统，包含：发动机；在发动机起动期间与发动机起动机电连通的第一电池；机械连接至发动机的交流发电机，该交流发电机具有在发动机起动期间由电池电缓冲的励磁线圈，在发动机起动期间该励磁线圈与上述电池之外的其它电源电连通；以及通过调节励磁线圈电流来改变励磁线圈所产生的磁场强度的电路。
通过在发动机起动期间调节由电池(所述电池用于供应能量以转动起动发动机)电缓冲的电源提供的交流发电机励磁电流，能够在不同的发动机起动工况期间向发动机提供不同的负载从而能够改善发动机起动。例如，在较低的发动机温度下可减小交流发电机励磁电流，这样可补偿较低发动机温度下的较高发动机摩擦。此外，当在较高海拔起动发动机时可减小交流发电机励磁电流，在较高海拔处发动机起动扭矩可能较低，因为较少的空气可用于起动发动机。并且，由于从用于供应能量以转动起动发动机的电池来电缓冲的电源供应交流发电机励磁电流，交流发电机励磁电流控制可简化且可更为稳健。
本发明可提供多个优点。例如，该方法可在多个发动机工况期间提供灵活的交流发电机励磁线圈电流控制，这样发动机起动速度可更为稳定。此外，该方法可简化交流发电机励磁线圈电流控制，因为从用于起动发动机的电池来缓冲励磁电流。通过从用于起动发电机的电池来电缓冲励磁线圈电源，能够消除交流发电机励磁控制上可能具有的有效电池电压下降。另外，该方法可允许根据自发动机起动后的多个汽缸燃烧事件调节交流发电机励磁强度，这样可响应于发动机运转而非时间来控制交流发电机励磁。因此，可控制交流发电机励磁使得可以更加可重复的方式调节交流发电机负载。
应理解，提供上述概要是为了以简化形式引入一系列原理，将在具体实施方式进一步对其进行描述。其并非意味着确定所要求保护的主题的关键或实质特征，所要求保护的主题的范围仅由权利要求确定。此外，所要求保护的主题并不限于解决上文或本说明书中任意部分所提到的任何不足的实施方案。
附图说明
图1显示了示例车辆系统布局。
图2-7显示了发动机控制电路的示例。
图8显示了根据本发明用于在发动机起动期间向发动机施加交流发电机负载的方法的高级流程图。
具体实施方式
下文的描述涉及用于在发动机起动期间调节交流发电机通过交流发电机转子施加在车辆发动机上的发动机负载以控制发动机转速的系统与方法。如图1所示，发动机系统可配置有机械连接至发动机的交流发电机。交流发电机的励磁线圈电路可配置用于调节通过交流发电机施加至发动机的负载，这样可在发动机起动期间控制发动机转速。发动机系统还可包括电池用于在发动机起动期间驱动发动机起动机。如图2-7所示，影响发动机转速的发动机电路可配置为使得交流发电机的励磁线圈激励电路从在发动机起动期间供应能量用于转动起动发动机的电池电缓冲。发动机控制器可配置用于执行控制方法(例如图8的控制方法)以在交流发电机向发动机施加更为可预测且更稳定的机械负载时控制发动机转速。可替代地，控制器可调节施加至交流发电机励磁电路的电流从而基于所需发动机起动转速模式改变由交流发电机施加至发动机的机械负载。这样，可以控制交流发电机励磁线圈激励电路并且从起动期间供应能量以转动起动发电机的电池来电缓冲。同时，可减少由于电池老化(或电压下降的其它原因)所引起的交流发电机性能的劣化。因此，可改善对交流发电机施加至发动机的负载的调节。此外，可改善对发动机起动期间交流发电机输出至辅助电力装置的电流的控制。
图1显示了车辆系统10的框图布局，包括车辆传动系20。传动系20可由发动机22驱动。在一个示例中，发动机22可为汽油发动机。在替代示例中，可采用其它发动机配置，例如柴油发动机。可通过发动机起动系统24起动发动机22。在一个示例中，起动机可包括电动马达。起动机可配置用于在处于或低于预定的接近零的阈值转速时(例如处于或低于50rpm或100rpm)再起动发动机。可通过扭矩致动器26(例如燃料喷射器、节气门、凸轮轴等)调节发动机22的扭矩。另外，在混合动力车辆的情况下，动力系可用于根据需要减慢或增加发动机转速。
发动机输出扭矩可传递至变矩器28以驱动自动变速器30。在一些示例中，变矩器可称为变速器的组件。变矩器28的输出可由变矩器锁止离合器34控制。当变矩器锁止离合器34完全分离时，变矩器28通过变矩器涡轮和变矩器泵轮之间的流体传递向自动变速器30传递扭矩，从而使得能够放大扭矩。相反，当变矩器锁止离合器34完全接合时，通过变矩器28离合器将发动机输出扭矩直接传递至变速器30的输入轴(未显示)。可替代地，变矩器锁止离合器34可部分接合，从而使得能够调节传送至变速器的扭矩量。
自动变速器30的输出扭矩可随之传送至车轮36以驱动车辆。具体地，自动变速器30可响应于车辆行驶工况在将输出驱动扭矩传递至车轮之前调节输入轴(未显示)的输入驱动扭矩。例如，可通过接合一个或多个离合器(包括前向离合器32)将变速器扭矩传输至车轮36。同样，可根据需要接合多个这种离合器。此外，可通过接合车轮制动器38来锁止车轮36。在一个示例中，可响应于驾驶员以脚踩压制动踏板(未显示)来接合车轮制动器38。同样，可响应于驾驶员将脚从制动踏板移离而通过分离车轮制动器38来解锁车轮36。
动力系统之外的车辆系统组件可包括交流发电机42、电池46、和电助力转向系统(EPAS)48。其它辅助负载(未显示)可包括灯、无线电系统、HVAC系统(用于加热和/或冷却车厢)等。交流发电机42可配置用于将发动机22运行期间产生的机械能转换为电能以存储在电池46中。交流发电机42可包括励磁线圈激励电路44。励磁线圈激励电路44可为线性或脉宽调制的电压调节器。在一个示例中，励磁线圈激励电路可将来自控制器40的电压指令与电池电压相比较。如果控制器的电压指令与电池电压不同，则增加励磁线圈激励电路施加至交流发电机磁场的平均电压以便增加励磁线圈电流。这样，当电压施加至交流发电机励磁线圈激励电路42时，线圈至少部分充能，并因此在发动机22上施加负载。可通过电连接52检测电池电压。机械连接至交流发电机的旋转的发动机22使得交流发电机42的定子中的电流通过连接55流至电池。
如图所示，在一个示例中，发动机22可配置为选择性地(且自动地)在满足怠速-停机条件时关闭并在满足再起动条件时再起动。即使在发动机关闭时，一个或多个辅助负载也可维持在例如12V。可至少部分由电池46和/或缓冲器50在发动机关闭时提供维持辅助负载运转的功率。缓冲器50可包含一个或多个额外的电池(例如一个或多个额外的较小电池)和/或DC/DC变换器。电连接54将缓冲器50的电压输出电连接至交流发电机励磁线圈激励电路44。在一个示例中，基于DC/DC变换器的装置【例如电压质量模块(voltagequality module，VQM)或稳压模块(VSM)】可配置用于根据DC电压输入(或电源)例如电池46提供经调节的DC电压输出。DC/DC变换器的输出可施加至多个辅助负载，包括交流发电机励磁线圈激励电路和交流发电机励磁线圈。
如图2-6中所示，励磁线圈激励电路44和交流发电机42的交流发电机励磁线圈可由配置为输出经调节的电压的缓冲器(例如DC/DC变换器或基于DC/DC变换器的装置)从电池46电缓冲。在其它示例中，励磁线圈激励电路44和交流发电机磁场可通过替代缓冲器(例如二极管)从用于起动发动机的电池缓冲。通过在发动机起动期间从电池缓冲交流发电机励磁线圈激励电路和交流发电机励磁线圈，可在发动机起动期间改善对交流发电机磁场的控制。此外，通过改善对交流发电机磁场的控制，在发动机起动期间可通过交流发电机向发动机施加更为可预测且更稳定的机械负载。图2-6的电路提供了对交流发电机励磁线圈的示例缓冲交流发电机励磁电压控制，而图7的电路提供用于响应于其它的发动机和车辆工况对交流发电机励磁线圈的电流进行调节。如图8所示，控制器40可配置用于改变施加至交流发电机励磁线圈的电压或电流从而调节发动机起动期间通过交流发电机施加至发动机的机械负载。通过改变交流发电机励磁电压或电流，能够改变交流发电机在起动期间施加至发动机的负载，这样交流发电机负载可根据并非严格依赖于发动机转速的控制参数而改变。例如，可调节交流发电机励磁电压或电流以补偿与发动机温度相关的发动机摩擦。可替代地，控制器40可通过基本上维持交流发电机励磁线圈电路的稳定电压而在发动机上提供可预测的恒定机械负载。然而应注意，当稳定电压施加至交流发电机磁场时，交流发电机提供的励磁电流和负载并不稳定。相反当稳定电压施加至交流发电机励磁时，交流发电机励磁电流随着转子的角速度而改变。因此，尽管交流发电机提供给发动机的负载随着发动机转速改变，交流发电机提供的负载具有可在每次起动时更为稳定的负载模式。
控制器40可配置用于从发动机22接收输入并相应地通过调节供应给交流发电机励磁线圈的电压或电流来调节由交流发电机施加至发动机的机械负载。例如，可选择发动机起动速度模式，且控制器可基于实际发动机转速和所需发动机转速模式之间的差调节供应给交流发电机励磁线圈的电压或电流。通过调节励磁线圈电压或电流，可调节交流发电机转子中励磁线圈所产生的磁场密度，这样旋转交流发电机转子将变得更加困难或更加容易。这样，能够在发动机起动期间通过机械连接至发动机的交流发电机调节施加于发动机的负载，从而可将发动机转速控制为所需发动机转速。
控制器40还可通过调节火花正时、燃料脉宽、燃料脉冲正时、和/或充气(通过控制节气门开口和/或气门正时、气门升程和涡轮增压或机械增压发动机的增压)的组合来调节发动机扭矩输出。在柴油发动机的情况下，控制器40可通过控制燃料脉宽、燃料脉冲正时、和充气的组合来控制发动机扭矩输出。在所有情况下，可在逐缸基础上进行发动机控制来控制发动机扭矩输出。
当满足怠速-停机条件时(例如当车辆怠速且发动机运转参数处于所需范围内时)，控制器40可例如通过控制传动系和/或附属组件的运转来选择性地关闭发动机。类似地，当满足发动机再起动条件时(例如当车辆已经处于怠速-停机状态且一个或多个发动机运转参数处于所需范围之外时)，控制器40可通过使用电池驱动起动机来选择性地再起动发动机。此外，控制器40可在发动机起动期间使用发动机扭矩驱动器以及对供应至交流发电机励磁线圈的电流进行调节来控制发动机转速。通过控制发动机扭矩驱动器和控制通过交流发电机施加至发动机的负载，能够减少发动机起动期间的发动机转速突增。
图2-7描述了可用于在发动机起动期间通过交流发电机控制施加至发动机的机械负载的发动机起动系统的示例。应了解，在数幅附图中，相同的附图标记指示相同或对应的组件和单元。
图2描述了发动机起动系统的第一示例200，包括在发动机起动期间通过电连接216与发动机起动机204电连接的第一电池202。具体地，在发动机起动期间第一电池202驱动起动机204。交流发电机206可机械连接至发动机，在发动机怠速-停机工况期间选择性地关闭该发动机(例如图1的发动机22)。交流发电机206的定子的电枢绕组可与电池202电连通。交流发电机206还具有与交流发电机转子集成的交流发电机励磁线圈208。通过交流发电机励磁线圈激励电路210向交流发电机励磁线圈208供电。在一个示例中，交流发电机励磁线圈激励电路为可变电压控制器，其通过调节施加至交流发电机励磁线圈激励电路210的输入端的电压脉宽来向交流发电机励磁线圈208提供可变平均电压。在替代示例中，交流发电机励磁线圈激励电路为线性可变电压控制器。在一个示例中，可由交流发电机外部的控制器(例如图1的控制器40)指令交流发电机励磁线圈激励电路调节交流发电机励磁电压从而达到所需的发动机负载。例如，可通过从指令电池电压减去实际电池电压来比较实际电池电压与指令电压。如果比较结果为非零值，则交流发电机励磁线圈激励电路可调节从DC/DC变换器212施加至交流发电机励磁线圈的电压脉宽。发动机起动期间，交流发电机励磁线圈激励电路210可通过电连接218与第一电池202之外的其它电源电连通。在一个示例中，如图2-3的示例中所示，该电源为DC/DC变换器212或基于DC/DC变换器的装置，其配置用于在发动机起动期间从第一电池来电缓冲交流发电机励磁线圈和交流发电机励磁线圈激励电路。发动机起动系统还可包括与电源或缓冲器并行连接(例如在图2-3的示例中与DC/DC变换器212并联)的开关220或继电器。控制系统(例如图1的控制器40)可包括指令用于在发动机起动期间断开开关220以通过DC/DC变换器或替代装置从电池202缓冲交流发电机励磁线圈激励电路210和交流发电机励磁线圈208。发动机再起动之后，控制器可闭合开关220以电旁通缓冲电路(例如212)并将交流发电机励磁线圈激励电路直接电连接至向起动机提供能量的电池。可替代地，可在发动机起动之后将交流发电机励磁线圈激励电路电连接至交流发电机输出(例如交流发电机定子的电枢绕组)。在一个示例中，在DC/DC变换器212输入处的电压超过阈值电压之后或发动机转速达到阈值发动机转速后预定量时间之后，控制器可闭合开关220。这样，当开关220断开时，从第一电池202电缓冲励磁线圈激励电路210和交流发电机励磁线圈208。
DC/DC变换器212可进一步电连接至一个或多个辅助电负载214。即使在选择性关闭发动机时，辅助负载中的一个或多个也可维持在12V或其它所需电压。在一个示例中，辅助电负载214可包括车辆内部照明。在另一示例中，辅助电负载214可包括电动助力转向系统(EPAS)。当包括EPAS时，控制器可进一步配置用于在发动机起动期间维持DC/DC变换器施加至动力转向系统的电流以从而改善动力转向辅助响应时间。在替代示例中，EPAS可电连接至交流发电机定子的交流发电机电枢绕组的输出。由于通过DC/DC变换器向交流发电机励磁线圈激励电路和交流发电机励磁线圈供应经缓冲的电压和/或电流改善了对交流发电机励磁电流的控制，交流发电机定子的交流发电机电枢绕组向EPAS的电压输出得到了改善。同时，可改善EPAS性能。
图3显示了发动机起动系统的第二示例300，其在从第一电池202电缓冲交流发电机励磁线圈208和交流发电机励磁线圈激励电路210的电路中还包含二极管302。二极管302的阴极指向交流发电机励磁线圈激励电路210，而二极管302的阳极指向第一电池202。这样，二极管302限制了从DC/DC变换器210的输出流向第一电池202的电流。增加的二极管302可用于在开关220劣化的情况下作为开关220运转的替补。例如，如果当电池电压高于DC/DC变换器212的电压输出时开关220未闭合，则二极管302开始以正向传导从电池202和交流发电机206电枢绕组流向交流发电机励磁线圈激励电路210和电负载214的电流。这样，二极管302通过限制从励磁线圈激励电路210向第一电池202的方向上的电流而从第一电池202电缓冲交流发电机励磁线圈激励电路210和交流发电机励磁线圈208。
图4-5分别显示了发动机起动系统的示例400、500，其中在发动机起动期间向交流发电机励磁线圈激励电路210供应电压和电流的电源为第二电池402。具体地，图4的示例电路与图2的示例电路基本上类似，除了交流发电机励磁线圈激励电路210和交流发电机励磁线圈208的电源为第二电池402而非DC/DC变换器212。此外，在发动机起动期间，第二电池402不像图2的DC/DC变换器212那样从第一电池接收电荷。类似地，图5的示例与图3的示例基本上类似，除了交流发电机励磁线圈激励电路210和交流发电机励磁线圈208的电源为第二电池402而非DC/DC变换器212。此外，在发动机起动期间，第二电池402不像图3的DC/DC变换器212那样从第一电池接收电荷。如图所示，图5的示例包括额外的二极管302，其可用于在开关220劣化的情况下作为开关220运转的替补。这样，在图4-5的示例中，通过第二电池402向交流发电机励磁线圈激励电路供应基本上恒定的电压。
应了解，尽管所描述的示例说明了起动机204连接至电池，在替代示例中，可额外地包括非VQM负载，例如燃料泵、座椅马达、及车窗除霜器。
图2-5的电路可在起动期间向发动机提供更可重复且更稳定的交流发电机负载。然而，在一些工况下可能需要通过调节交流发电机励磁线圈供应的电压来控制交流发电机励磁电流。例如，在发动机起动期间可能需要响应于发动机转速或根据预定模式调节交流发电机励磁电流而非响应于指令电池电压和实际电池电压之间的差而调节励磁电压。
现在参考图6，其显示了发动机起动系统的又一示例电路600。其中，除了上文在图2-5中介绍的组件之外，该系统可包括差分放大器608以通过交流发电机励磁线圈激励电路210调节交流发电机励磁线圈。通过改变供应给交流发电机励磁线圈的平均电压，能够改变交流发电机励磁电流并改变交流发电机励磁线圈208产生的磁场强度。
在所描述的示例中，差分放大器608通过转换函数610从控制器40接收电压，该转换函数610将交流发电机励磁电流与电压指令相关联。在一个示例中，将所需的交流发电机扭矩负载转换为所需交流发电机励磁电流并作为电压输出至差分放大器608。差分放大器308可由第一电池202之外的其它电源而驱动。例如，差分放大器608可由DC/DC变换器212或由第二电池402驱动(如图4-5中的示例所示)。通过在发动机起动期间经由交流发电机励磁线圈激励电路改变穿过交流发电机励磁线圈208的电流，可改变发动机起动期间交流发电机提供给发动机的机械负载。例如，为了实现所需发动机起动转速模式610，控制器40可改变施加至交流发电机励磁线圈的电流从而调节发动机起动期间施加至发动机的机械负载。控制器还可例如响应于例如自发动机起动后的多个燃烧事件改变穿过励磁电路的电流。控制器还可基于大气压力改变电流以改善较高海拔处的发动机起动。例如，当大气压力增加(即处于较低海拔)时控制器可增加穿过交流发电机励磁线圈电路的电流。类似地，当大气压力降低(即处于较高海拔)时控制器可减小穿过交流发电机励磁线圈电路的电流。在较高海拔处较少空气可用于燃烧时，通过在发动机起动期间经由交流发电机励磁线圈激励电路调节供应至交流发电机励磁线圈的平均电压来调节流至交流发电机励磁线圈的电流使得控制器40得以补偿较低发动机起动扭矩。这样，当在较高海拔处起动发动机时，发动机起动转速模式可与在海平面(该处更多空气可用于增加发动机扭矩)的发动机起动转速模式更加匹配。因此，可调节交流发电机向发动机提供的机械负载以将发动机起动扭矩的差异考虑在内，其可能与发动机起动期间的发动机充气量相关。
控制器40还可依据发动机磨损及其它发动机环境工况(包括发动机温度、自发动机转动起动起的时间、及自发动机停机起的燃烧事件数目)通过交流发电机励磁线圈激励电路调节交流发电机励磁电流。此外，图6的系统允许控制器40响应于上述在一些情况下可能导致发动机转速与所需发动机转速有所偏离的环境工况和发动机工况改变交流发电机励磁电流量。例如，如果发动机在较冷环境下起动且在发动机起动期间发动机转速小于所需发动机转速，可调节(例如降低)交流发电机励磁电流使得发动机转速增加。可将电流调节量保存在存储器中并在类似工况中后续发动机再起动期间使用。
在又一示例中，控制器可在发动机停机期间调节穿过交流发电机励磁线圈电路的电流以控制发动机位置。通过改善发动机停机位置的精确性，可改善后续的发动机再起动。
在一个示例中，图6的系统运转用于通过控制器40输出对应于所需交流发电机扭矩负载的电压来控制交流发电机励磁线圈电流。所需交流发电机扭矩负载可依据发动机工况根据经验确定并可通过表格或函数进行索引。例如，可通过根据发动机温度和海拔进行索引的表格来确定交流发电机扭矩负载。随后根据由交流发电机角速度和所需交流发电机扭矩指令进行索引确定所需交流发电机励磁电流的表格可将交流发电机扭矩指令转换为所需交流发电机励磁电流。此外，随后可将所需交流发电机励磁电流转换为控制器40输出至交流发电机励磁线圈激励电路的电压指令。
差分放大器608从控制器40接收电压指令并将该电压与励磁电流感应电阻器606处的电压相比较。如果电压匹配，则差分放大器608的输出维持不变。如果来自控制器40的电压高于电阻器606处的电压，则差分放大器增加对交流发电机励磁线圈激励电路210的电压指令。在此示例中，交流发电机励磁线圈激励电路调节施加至晶体管604基极的电流的平均电压。由于电压由DC/DC变换器212供应并通过交流发电机励磁线圈激励电路210进行控制，交流发电机励磁电流可较少地受到电池202电压改变的影响。
如上所述，在各个示例电路中，当发动机停机时开关218断开直至电池202或交流发电机206的定子的电枢绕组的线电压上升至阈值(例如第二电池402的电压或DC/DC变换器212的电压)以防止连接至DC/DC变换器的输出的电组件的可用电压下降。在所描述的配置中，通过增加交流发电机励磁线圈激励电路210作为电源(例如DC/DC变换器212或第二电池)的额外负载，交流发电机励磁线圈电流可在发动机起动期间维持得更为稳定以允许在发动机转动起动及转速上升期间(例如发动机转速在转动启动转速和所需发动机怠速转速之间增加的阶段)更可预测且更精确地控制发动机转速。例如，如果DC/DC变换器212的输出基本上维持在12V，每次发动机起动时流入交流发电机励磁线圈208的电流将更为稳定。因此，在起动期间每次发动机起动通过交流发电机施加至发动机的机械负载更加稳定，这样发动机转速更加可重复。此外，在可如图6中所示地调节供应至交流发电机励磁线圈的电流的情况下，可调节发动机起动期间通过交流发电机施加至发动机的机械负载以改善在不同工况下(例如不同的海拔、不同的温度)对发动机转速的控制。这样，至少在一些工况期间可独立于电池202的寿命和工况以及独立于发动机转动起动负载而控制交流发电机励磁电流。
现在参考图7，显示了发动机起动系统的又一示例电路700。此处，除了上文在图2-5中介绍的组件之外，该系统可包括差分放大器708以调节交流发电机电流从而改变交流发电机励磁线圈208所产生的磁场强度。
在所描述的示例中，晶体管704配置用于调节穿过励磁线圈电路的电流。通过调节交流发电机励磁电流而非励磁电压，图7的系统基本上去除了励磁电感(field inductance)所导致的延迟并改善了系统响应。晶体管704可电连接至励磁电流感应电阻器706，并可由差分放大器708所驱动。差分放大器708可由第一电池202之外的其它电源驱动。例如，差分放大器708可由DC/DC变换器212或由第二电池402(如图4-5的示例中所示)驱动。通过改变发动机起动期间穿过励磁线圈208的电流，可改变发动机起动期间交流发电机提供给发动机的机械负载。例如，类似于图6的系统，控制器40可指令所需的发动机起动转速模式以改变施加至交流发电机励磁线圈的电流从而调节发动机起动期间施加至发动机的机械负载。控制器可响应于例如自发动机起动起多个燃烧事件或如对图6的说明中所描述的其它运转参数来改变穿过交流发电机励磁线圈的电流。
在一个示例中，图7的系统运转以通过控制器40输出对应于所需交流发电机扭矩负载的电压来控制交流发电机励磁线圈电流。在一个示例中，可依据发动机工况根据经验确定所需交流发电机扭矩负载并通过表格或函数进行索引。例如，可从根据发动机温度和海拔进行索引的表格确定交流发电机负载。随后可根据由交流发电机角速度和所需交流发电机扭矩指令进行索引确定所需交流发电机励磁电流的表格将交流发电机扭矩指令转换为所需交流发电机励磁电流。此外，随后可将所需交流发电机励磁电流转换为控制器40输出至差分放大器708的电压指令。
差分放大器708从控制器40接收电压指令并将该电压与励磁电流感应电阻器706处的电压相比较。转换函数710将所需交流发电机励磁电流变换为电压指令。如果电压匹配，则差分放大器708的输出维持不变。如果来自控制器40的电压高于电阻器706处的电压，则差分放大器增加流至晶体管704基极的电流。当增加晶体管704的基极的电流时，允许额外的电流穿过交流发电机励磁线圈208和晶体管704。由于电流由DC/DC变换器212供应并通过晶体管704进行控制，交流发电机励磁电流可较少地受到电池202电压改变的影响。
如上文所述，在各个示例电路中，当发动机停机时开关220断开并直至电池202或交流发电机206的定子的电枢绕组的线电压上升至阈值(例如第二电池402的电压或DC/DC变换器212的电压)以防止连接至DC/DC变换器212的输出的电组件的可用电压下降。在所描述的配置中，通过增加交流发电机励磁线圈作为电源(例如DC/DC变换器212或第二电池)上的额外负载，发动机起动期间可维持供应至交流发电机励磁线圈的电流更加稳定以允许在发动机转动起动及转速上升期间(例如在转动起动转速和所需发动机怠速之间增加发动机转速的时间段)更加可预测且更精确地控制发动机转速。例如，如果DC/DC变换器212的输出基本上维持在12V，每次发动机起动流入交流发电机励磁线圈208的电流将更加稳定。因此，在起动期间每次发动机起动通过交流发电机施加至发动机的机械负载更加稳定，这样发动机转速更加可重复。此外，在可如图6和图7中所示的可调节供应至交流发电机励磁线圈的电流的情况下，可以调节发动机起动期间通过交流发电机施加至发动机的机械负载以改善在不同工况下(例如不同的海拔、不同的温度)对发动机转速的控制。这样，至少在一些工况期间可独立于电池202的寿命和工况以及独立于发动机转动起动负载而控制交流发电机励磁电流。
可参考描述交流发电机运转的方程表示对交流发电机励磁电流的控制。交流发电机皮带轮轴的扭矩可表示为：
Tshaft＝Kt*If*Iarm，                    (1)
其中Kt为特定机器(例如交流发电机)的扭矩常量，If为交流发电机转子中的设备的励磁电流，而Iarm为电枢电流。
类似地，交流发电机功率输出可表示为：
Pout＝Vbat*Iarm                (2)
其中Vbat为老化的电池(电池202)的电压。
如果交流发电机未从电池电缓冲，例如在常见发动机起动电路中那样，交流发电机励磁电流动态特性可表示为：
VBplus＝Lf*dif/dt+Rf*If+K*Bemf*ωrot    (3)
其中VBplus为交流发电机电压输出，Lf为电枢励磁线圈电感，dif/dt为励磁电流关于时间的微分，Rf为励磁线圈电阻，K为与交流发电机线圈绕组的尺寸和数目相关的常量，Bemf为转子磁场B的量，而ωrot为转子角速度。这样，当发动机停机时，方程3简化为：
VBplus＝Rf*If                        (4)
这样，在发动机停机时，由于老化电池的电压下降，励磁线圈电流可能发生成比例的下降。从方程(3)可以看出，整个转动起动事件可能受到VBplus降低的不良影响，导致整个发动机停机和再起动事件期间励磁电流较低。
作为比较，如图2-7的示例中所示，通过增加交流发电机励磁电压和电流作为电源上的额外负载，方程(3)的VBplus项可由维持在更为稳定和调节的电压级别的、不会受到发动机转动起动负载影响的电源所替代。这样，方程(3)可改写为：
VBplus_controlled＝Lf*dIf/dt+Rf*If+Bemf*ωrot    (5)
现在，在图2-7的示例中，使用方程(1)和(5)，可更好地调节发动机上的交流发电机负载，并使交流发电机功率输出对主电池(202)的老化效应以及相关的转动起动及转速上升的电压降十分不敏感。
此外，如从方程(3)、(5)可看出，通过如图7中所示以电流源直接控制或如图6中所示间接控制If，可实时控制方程(1)中的发动机扭矩以根据需要增加或降低交流发电机轴扭矩以得到所需发动机转动起动轴扭矩和加速度以及相关NVH特性。例如，根据方程(1)，对于相同的发动机转速，动态地增加/降低励磁电流导致发动机轴扭矩动态增加或降低，并导致电枢电流动态增加或降低。这样，通过在发动机起动期间维持稳定的交流发电机励磁电流或者通过在发动机起动期间调节交流发电机励磁电流以主动控制交流发电机提供至发动机的负载，可改善发动机起动的质量(例如NVH)。
因此，图1-7所描述的示例提供了一种发动机起动系统，包含：发动机；发动机起动机；在发动机起动期间与发动机起动机电连通的第一电池；以及机械连接至发动机的交流发电机，该交流发电机具有励磁线圈激励电路，其在发动机起动期间从第一电池电缓冲，发动机起动期间励磁线圈激励电路与第一电池之外的其它电源电连通。发动机起动系统包括，其中所述电源为第二电池。发动机起动系统包括，其中所述电源为配置用于在发动机起动期间从第一电池电缓冲励磁线圈激励电路的DC/DC变换器。发动机起动系统包括，其中励磁线圈激励电路包括在发动机起动期间用于调节交流发电机励磁电压的电压控制器。发动机起动系统还包含控制器，该控制器包括用于在发动机怠速-停机工况期间选择性地停机发动机并在再起动工况期间选择性地再起动发动机的指令。发动机起动系统还包含与所述电源并联的开关，当开关断开时励磁线圈激励电路从第一电池进行电缓冲。发动机起动系统包括，其中控制器还包括在发动机起动期间断开开关、以及在所述电源输入处的电压超过阈值电压之后或者在发动机转速达到阈值发动机转速后预定量时间之后闭合开关的指令。发动机启动系统还包含电路中的二极管，其将第一电池电连接至励磁线圈激励电路，其中二极管的阴极朝向励磁线圈激励电路，且其中二极管的阳极朝向第一电池，二极管通过限制从励磁线圈激励电路至第一电池方向上的电流来从第一电池电缓冲励磁线圈激励电路。
图1-7的示例还包括一种车辆系统，包含：在发动机怠速-停机工况期间选择性地停机的发动机；电池；起动机；电连接至电池的DC/DC变换器，该DC/DC变换器配置用于提供经调节的电压输出；包括交流发电机励磁线圈激励电路的交流发电机，发动机起动期间交流发电机励磁线圈激励电路电连接至DC/DC变换器的输出，交流发电机机械连接至发动机；以及带有计算机可读指令的控制器，用于在发动机从怠速-停机工况起动期间通过至少一个扭矩致动器调节发动机扭矩。车辆系统包括，其中在发动机起动期间起动机由电池驱动。车辆系统包括，其中交流发电机的电枢与电池电连通，电池向DC/DC变换器供应电能，且其中交流发电机励磁线圈激励电路通过DC/DC变换器从电池进行电缓冲。车辆系统包括，其中在发动机转动起动期间DC/DC变换器的输出电压高于电池的电压。车辆系统还包含电路中的二极管，其将电池电连接至交流发电机励磁线圈激励电路，二极管的阴极朝向励磁线圈激励电路，且其中二极管的阳极朝向电池，二极管通过限制从励磁线圈激励电路至电池方向上的电流从而电池电缓冲励磁线圈激励电路。车辆系统还包含与DC/DC变换器并联的开关，控制器还包括在发动机起动期间断开开关以从电池电缓冲交流发电机励磁线圈激励电路、并在发动机再起动之后闭合开关以旁通交流发电机励磁线圈激励电路和电池之间的缓冲电路的指令。车辆系统包括，其中DC/DC变换器还电连接至一个或多个辅助电负载(包括车辆内部照明)。车辆系统还包含电连接至交流发电机的动力转向系统，控制器还包括用于在发动机起动期间控制交流发电机供应至动力转向系统的电流的指令。
图1-7的示例还提供了一种在发动机起动期间控制发动机转速的系统，包含：发动机；在发动机起动期间与发动机起动机电连通的第一电池；机械连接至发动机的交流发电机，交流发电机具有从第一电池进行电缓冲的励磁线圈激励电路，发动机起动期间励磁线圈激励电路与第一电池之外的其它电源电连通；以及通过调节励磁线圈激励电路的输入来改变励磁线圈所产生的磁场强度的控制器。该系统包括，其中所述电源为第二电池。该系统包括，其中所述电源为DC/DC变换器，且其中该DC/DC变换器在发动机起动期间从第一电池电缓冲励磁线圈。该系统还包含改变磁场强度的电路，该电路包括差分放大器，且控制器还包含在发动机起动期间通过调节差分放大器的输出来改变交流发电机励磁线圈电压的指令。该系统包括，其中控制器包括在发动机起动期间改变交流发电机励磁线圈平均电压以在发动机起动期间改变交流发电机提供至发动机的负载的指令。该系统包括，其中响应于自发动机停机起的燃烧事件数来调节交流发电机励磁线圈平均电压。该系统包括，其中还响应于大气压力或发动机磨损来调节交流发电机励磁线圈平均电压。该系统包括，其中调节交流发电机励磁线圈平均电压包括在大气压力增加时降低施加至励磁线圈的交流发电机励磁线圈平均电压。该系统包括，其中控制器还包括在发动机怠速-停机工况期间选择性地停机发动机、以及在再起动工况期间选择性地再起动发动机的指令。该系统包括，其中控制器还包括在发动机停机期间调节交流发电机励磁线圈平均电压以控制发动机位置的指令。该系统包括，其中差分放大器由第一电池之外的其它电源驱动，且其中第一电池之外的其它电源为DC/DC变换器。该系统还包含电连接至差分放大器的电阻器。
在各个示例中，通过将交流发电机励磁线圈电连接至DC/DC变换器(或第二电池)，可确保对交流发电机励磁线圈的经调节的功率输出，从而缓冲了电池衰退或老化的效应对交流发电机励磁线圈的影响。这样，通过由DC/DC变换器(或第二电池)从电池电缓冲交流发电机励磁线圈，可改善对施加至交流发电机励磁线圈的电流的控制。同样，通过改善对交流发电机励磁线圈电流的控制，可在发动机起动期间通过交流发电机对发动机施加更可预测且更可控的负载。如图6、7中所示，基于发动机起动期间的发动机工况，控制器可在发动机上提供更为稳定量的负载。可替代地，为了实现所需发动机起动转速模式，控制器可配置用于改变施加至交流发电机励磁线圈的电流从而调节发动机起动期间施加至发动机的机械负载。
现在参考图8，描述了用于选择性地停机并再起动包括图2-7的发动机起动系统的发动机的示例方法800。因此，图8的方法适合用于控制交流发电机励磁电压或电流。
在802处，可确认发动机怠速-停机工况。这些工况可包括例如验证发动机正在运转(例如执行燃烧)、电池荷电状态高于阈值(例如超过30％)、车辆移动速度处于理想范围内(例如不超过30mph)、不需要空调、发动机温度处于选择的温度范围内、车辆驾驶员尚未要求起动，驾驶员要求的扭矩小于预定阈值、已踩压制动踏板等。这样，对于要确认的怠速-停机工况，可满足上述怠速-停机工况中的任意一些或全部。
如果不满足怠速-停机工况，该方法可停止。然而，如果满足怠速-停机工况中的一些或所有，则在804处控制器可开始执行怠速-停机运转并继续以停止发动机。同样，其可包括切断至发动机的燃料和/或火花。此外，在发动机停机期间，可调节供应至交流发电机励磁线圈的电流以控制停机时的发动机位置。例如，如果发动机转速接近零且发动机位置接近所需停机位置，可增加供应至交流发电机励磁线圈的励磁电流这样发动机可更快地在所需发动机停机位置附近停止。另一方面，如果发动机转速接近零而发动机位置远离所需发动机停机位置，可降低交流发电机励磁电流这样发动机可旋转更长时间段使得发动机停机在更为接近所需发动机位置处。
在806处，可确认再起动工况。这些工况可包括例如验证发动机处于怠速-停止(例如未执行燃烧)、电池荷电状态小于阈值(例如小于30％)、车辆移动速度处于理想范围内(例如小于30mph)、需要空调、车辆驾驶员尚未要求起动、驾驶员要求的扭矩超过预定阈值、已释放制动踏板等。如果不满足再起动工况，则在808处发动机可维持在怠速-停机直至满足再起动工况。
如果满足再起动工况，可在810处确定发动机工况(例如发动机转速、驾驶员要求的扭矩、电池电压、大气压力等)。可通过传感器或计算确定发动机工况。
在812处，方法800判断在发动机起动期间是否要动态控制交流发电机励磁电压或电流。可通过交流发电机励磁线圈激励电路调节交流发电机励磁电压(例如图2-6中所讨论的)，同时可通过电流控制晶体管(例如图7)或通过响应于代表交流发电机励磁线圈电流的感应到的电流和电压指令调节交流发电机励磁线圈激励电路(例如图6)来调节交流发电机励磁电流。如果是，方法800前进至816。如果否，则将交流发电机励磁电压指令设定为常量并由交流发电机励磁线圈激励电路(例如图2-5的210)控制且方法800前进至814。
在814处，方法800在发动机起动期间调节发动机扭矩致动器以控制发动机扭矩。这样，在发动机起动期间通过发动机扭矩致动器并通过由基本上恒定的电压源提供给交流发电机励磁线圈的电流来控制发动机转速。在一些示例中，发动机扭矩致动器可为节气门。在其它示例中，发动机扭矩致动器可为火花正时或燃料喷射正时。在其它示例中，可调节从一组扭矩致动器(包括燃料喷射、火花提前、及节气门)中选择的扭矩致动器的组合以提供所需发动机转速。在调节发动机扭矩致动器之后退出方法800。
在816处，基于发动机工况，可选择发动机起动模式。在一个示例中，发动机起动模式为发动机起动转速模式。发动机起动转速模式可基于时间或燃烧事件数。例如，发动机起动转速模式可为对于各个发动机汽缸燃烧事件直至具体燃烧事件数输出发动机转速的函数。类似地，发动机起动转速模式可为发动机起动期间在具体时间处输出发动机转速的函数。起动模式为发动机起动期间交流发电机提供至发动机的负载。在818处，由系统电池驱动的发动机起动机可运转以起动发动机。
在820处，可确定实现所选择的发动机起动模式所需的交流发电机励磁线圈电流或电压设定。在一个示例中，可基于选择的发动机起动模式确定交流发电机励磁线圈电流或电压模式。例如，在第一发动机汽缸燃烧事件处，交流发电机励磁线圈电流或电压模式可要求2.0安交流发电机励磁线圈电流或6伏。在第五发动机汽缸燃烧事件处，交流发电机励磁线圈电流模式可要求2.2安交流发电机励磁线圈电流或6.5伏。发动机起动期间可在预定时间发布类似的交流发电机励磁电流或电压指令。这样，通过前馈电流或电压指令控制交流发电机励磁电流或电压。
在822处，交流发电机励磁线圈电流或电压可施加至交流发电机励磁线圈。输入励磁电流或电压对应于交流发电机通过交流发电机转子轴施加至发动机的所需负载。为了施加交流发电机励磁线圈输入电流或电压，在一个示例中，控制器40可输出对应于所需交流发电机励磁电流或电压的电压(例如参见图6的控制器40和放大器608)。此外，可针对与海拔高度相关的发动机扭矩改变调节控制器40的电压输出。例如，当发动机在较高海拔高度(起动期间较少空气可用于发动机汽缸)运转时，控制器40可减小交流发电机励磁电流或电压。在其它示例中，当交流发电机励磁电流或电压不由控制器电压输出直接控制时，DC/DC变换器212的输出电压和交流发电机励磁线圈208的阻抗确定了交流发电机励磁电流。
通过交流发电机向发动机施加所需负载可包括例如在824处基本上维持交流发电机励磁电压以控制通过交流发电机施加至发动机的机械负载。同样，其可包括在发动机起动期间基本上维持施加至交流发电机励磁线圈的电压处于基本上稳定的值。如果稳定电压施加至交流发电机励磁线圈而没有交流发电机励磁电流控制，则方法800在824之后前进至814
在另一示例处，在828处通过交流发电机向发动机施加所需负载可包括通过调节交流发电机励磁线圈电流或电压来调节通过交流发电机施加至发动机的负载。同样，其可包括发动机起动期间改变施加至交流发电机励磁线圈的电流或电压以控制发动机转速。在一个示例中，控制器可监测实际发动机起动模式，并且控制器可基于监测到的发动机起动模式与所需起动模式的偏差调节交流发电机励磁线圈电流或电压，从而调节施加至发动机的负载。在另一示例中，可响应于自发动机起动起的燃烧事件数改变励磁线圈电流或电压。在另一示例中，可进一步响应于交流发电机角速度调节励磁线圈电流或电压。还可进一步响应于大气压力调节励磁线圈电流或电压。其变化可包括例如当大气压力增加时降低施加的电流、当大气压力增加时增加施加的电流、或当大气压力增加时增加施加的电压。
当调节通过交流发电机施加至发动机的负载时，还可在发动机起动期间控制交流发电机电枢绕组供应至辅助系统(例如动力转向系统)的电流或电压。例如，可在需要向驾驶员提供增加的动力转向辅助时增加交流发电机励磁电流或电压。这样，其可改善动力转向系统的响应时间。如果实施交流发电机励磁线圈电流或电压控制，则方法800在828之后前进至814。
这样，通过电源(例如DC/DC变换器或第二系统电池)从用于转动起动发动机的系统电池来电缓冲交流发电机励磁线圈，在发动机起动期间交流发电机励磁线圈可较少受到由电池老化或衰退引起的电压下降及相关励磁线圈电流变化的影响。通过在发动机起动期间能够控制交流发电机励磁线圈激励电路输入电压或交流发电机励磁线圈电流，可更好地控制发动机起动。由此，可以改进在起动期间的发动机速度控制。
因此，图8的方法提供了一种控制发动机转速的方法，包含：在发动机起动期间从向发动机起动机供应电能的电池电缓冲交流发电机励磁线圈，并且改变供应至励磁线圈的电学特性(electrical property)以在发动机起动期间控制发动机转速，供应至励磁线圈的电学特性是通过基本恒定的电压源提供的。该方法包括，其中电学特性为电流或平均电压。该方法包括，其中还响应于大气压力改变电学特性，改变电学特性包括当大气压力增加时增加施加至交流发电机励磁线圈的电学特性。该方法还包含在发动机起动期间控制交流发电机施加至动力转向系统的电流。该方法包括，其中电缓冲励磁线圈包括断开开关以防止旁通过配置用于向励磁线圈提供经调节的电压输出的DC/DC变换器。
图8的方法还包括运转发动机的方法，包含：在发动机起动期间响应于所选择的发动机起动转速模式调节供应至交流发电机励磁线圈的电学特性，其中在发动机起动期间交流发电机励磁线圈电连接至DC/DC变换器的输出，至少部分通过电池驱动DC/DC变换器，通过DC/DC变换器从电池电缓冲交流发电机励磁线圈。该方法包括，其中供应至交流发电机励磁线圈的电学特性为电压，且其中还响应于交流发电机角速度调节该电学特性。该方法包括，其中供应至交流发电机励磁线圈的电学特性为电流，且其中通过晶体管调节供应至交流发电机励磁线圈的电流，且其中通过差分放大器控制晶体管。
图8的方法还包括一种控制车辆系统的方法，该车辆系统包括在发动机怠速-停机工况期间选择性地停机的发动机，包含：在发动机起动期间，从向起动机供应电能的电池电缓冲交流发电机的交流发电机励磁线圈激励电路；以及维持交流发电机励磁线圈激励电路输入电压以控制通过交流发电机转子施加至发动机的负载。该方法还包含在电池的电压高于阈值电压之后旁通交流发电机的励磁线圈激励电路的电缓冲。该方法包括，其中维持交流发电机励磁线圈激励电路输入电压包括通过DC/DC变换器维持交流发电机励磁线圈激励电路输入电压。该方法包括，其中通过开关进行电缓冲。
应注意，本说明书中所包括的示例控制和估算方法可用于多种发动机和/或车辆系统配置。本说明书中所描述的具体方法可代表任意数目的处理策略中的一个或多个，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样，所说明的多个操作、运转或功能可以所说明的顺序执行、并行执行，或者在一些情况下可省略。类似地，处理的顺序并非实现本说明书中所描述的示例的特征和优点所必需，而是提供用于说明和描述的方便。取决于所使用的特定策略，可反复执行所说明的操作或功能中的一个或多个。此外，所描述的操作可形象地代表要编程入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的代码。
应该明白的是，本说明书中所公开的配置和方法实际上为示例性的，并且这些具体示例不应被理解为限制，因为可能有许多变化。例如，上述技术能够应用V-6、I-4、I-6、V-12、对置四缸、及其它发动机类型。本发明主题包括所有多种系统和配置以及本文公开的其它特征、功能和/或特性的新颖和非显而易见的组合和子组合。
本申请的权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可引用“一个”元素或“第一”元素或其等同物。这些权利要求应该理解为包括一个或多个这种元素的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元素。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求得到主张。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，也被认为包括在本发明主题内。

Claims (10)

1.一种在发动机起动期间控制发动机转速的系统，包含：
发动机；
在所述发动机起动期间与发动机起动机电连通的第一电池；
机械连接至所述发动机的交流发电机，所述交流发电机具有在所述发动机起动期间从所述第一电池进行电缓冲的励磁线圈激励电路，所述励磁线圈激励电路在所述发动机起动期间与所述第一电池之外的其它电源电连通；以及
通过调节所述励磁线圈激励电路的输入来改变励磁线圈所产生的磁场强度的控制器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电源为第二电池。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电源为DC/DC变换器，且其中在所述发动机起动期间所述DC/DC变换器从所述第一电池电缓冲所述励磁线圈。
4.根据权利要求1所述的系统，其中还包含改变所述磁场强度的电路，所述电路包括差分放大器，且所述控制器还包含通过调节所述差分放大器输出来在所述发动机起动期间改变所述交流发电机励磁线圈电压的指令。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括在所述发动机起动期间改变所述交流发电机励磁线圈平均电压以在所述发动机起动期间改变所述交流发电机提供至所述发动机的负载的指令。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，响应于自发动机停机起的燃烧事件的数目来调节所述交流发电机励磁线圈平均电压。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，还响应于大气压力或发动机磨损来调节所述交流发电机励磁线圈平均电压。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，调节所述交流发电机励磁线圈平均电压包括当所述大气压力增加时，降低施加至所述励磁线圈的所述交流发电机励磁线圈平均电压。
9.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还包括在发动机怠速-停机工况期间选择性地停机所述发动机以及在所述再起动工况期间选择性地再起动所述发动机的指令。
10.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还包括在发动机停机期间调节所述交流发电机励磁线圈平均电压以控制发动机位置。
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