CN103670876B - 发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统和方法 - Google Patents

发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统和方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明原理的系统包括振动预测模块和点火序列模块。所述振动预测模块在发动机气缸停用时基于发动机的点火序列来预测车辆的模态响应。所述点火序列模块基于车辆的预测模态响应来调节发动机的点火序列。

Description

发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统和 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年9月10日提交的美国临时申请No. 61/699,216的权益。上述申请的公开内容在此作为参考全文引入。
本申请与2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,451、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,351、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,586、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,590、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,536、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,435、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,471、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,737、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,701、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,518、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,540、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,574、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/799,181、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/799,116、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,624、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,384、2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,775和2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,400有关。上述申请的公开内容在此作为参考全文引入。
技术领域
本发明涉及在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统和方法。
背景技术
在此提供的背景说明是为了总体上介绍本发明背景的目的。当前所署名发明人的工作（在背景技术部分描述的程度上）和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各方面，既不明显地也非隐含地被承认为与本发明相抵触的现有技术。
内燃发动机在气缸内燃烧空气和燃料混合物以驱动活塞，从而产生驱动扭矩。进入发动机的空气流量经由节气门调节。更具体地，节气门调节节气门面积，其增加或减少进入发动机的空气流量。当节气门面积增加时，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系统调节燃料喷射的速率，以给气缸提供期望空气/燃料混合物和/或实现期望扭矩输出。增加提供给气缸的空气和燃料量增加发动机的扭矩输出。
在火花点火发动机中，火花启动提供给气缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火发动机中，气缸中的压缩燃烧提供给气缸的空气/燃料混合物。火花定时和空气流量可以是调节火花点火发动机的扭矩输出的主要机制，而燃料流量可以是调节压缩点火发动机的扭矩输出的主要机制。
在某些情况下，发动机的一个或多个气缸可停用，以减少燃料消耗。例如，一个或多个气缸可在所述一个或多个气缸停用时发动机能够产生请求扭矩量时停用。气缸的停用可包括禁止气缸的进气和排气阀的打开，和禁止气缸的燃料供应。
发明内容
根据本发明原理的一种系统，包括振动预测模块和点火序列模块。所述振动预测模块在发动机气缸停用时基于发动机的点火序列来预测车辆的模态响应。所述点火序列模块基于车辆的预测模态响应来调节发动机的点火序列。
方案1. 一种系统，包括：
振动预测模块，所述振动预测模块在发动机气缸停用时基于发动机的点火序列来预测车辆的模态响应；和
点火序列模块，所述点火序列模块基于车辆的预测模态响应来调节发动机的点火序列。
方案2. 根据方案1所述的系统，其中，所述振动预测模块基于点火序列中的点火气缸和不点火气缸的扭矩脉冲来预测模态响应。
方案3. 根据方案2所述的系统，其中，所述振动预测模块：
预测每个扭矩脉冲的模态响应；
确定每个扭矩脉冲的模态响应的定时；以及
将时间上重叠的模态响应部分求和，以产生点火序列的模态响应。
方案4. 根据方案3所述的系统，还包括：扭矩估计模块，所述扭矩估计模块基于发动机进气歧管内的压力和发动机速度来估计扭矩脉冲。
方案5. 根据方案2所述的系统，其中，所述振动预测模块基于曲轴扭矩和模态响应之间的预定关系来预测每个扭矩脉冲的模态响应。
方案6. 根据方案2所述的系统，其中，对于每个扭矩脉冲，所述振动预测模块基于车辆的模态特性来预测多个振动模式的模态响应。
方案7. 根据方案6所述的系统，其中，对于每个振动模式，所述振动预测模块基于模态响应和倍数来预测多个方向的振动幅度。
方案8. 根据方案7所述的系统，其中，所述振动预测模块通过将所有振动模式的对应振动幅度相加来确定每个方向的总振动。
方案9. 根据方案1所述的系统，其中：
所述振动预测模块预测与多个点火序列选项相对应的车辆模态响应；以及
所述点火序列模块基于车辆的预测模态响应来选择点火序列选项中的一个。
方案10. 根据方案9所述的系统，其中，所述振动预测模块：
确定先前点火序列的第一模态响应 ；
预测每个点火序列选项的第二模态响应；
基于第一模态响应和对应第二模态响应来确定每个点火序列选项的总模态响应；以及
基于总模态响应来选择点火序列选项中的一个。
方案11. 一种方法，包括：
在发动机气缸停用时基于发动机的点火序列来预测车辆的模态响应；和
基于车辆的预测模态响应来调节发动机的点火序列。
方案12. 根据方案11所述的方法，还包括：基于点火序列中的点火气缸和不点火气缸的扭矩脉冲来预测模态响应。
方案13. 根据方案12所述的方法，还包括：
预测每个扭矩脉冲的模态响应；
确定每个扭矩脉冲的模态响应的定时；以及
将时间上重叠的模态响应部分求和，以产生点火序列的模态响应。
方案14. 根据方案13所述的方法，还包括：基于发动机进气歧管内的压力和发动机速度来估计扭矩脉冲。
方案15. 根据方案12所述的方法，还包括：基于曲轴扭矩和模态响应之间的预定关系来预测每个扭矩脉冲的模态响应。
方案16. 根据方案12所述的方法，还包括：对于每个扭矩脉冲，基于车辆的模态特性来预测多个振动模式的模态响应。
方案17. 根据方案16所述的方法，还包括：对于每个振动模式，基于模态响应和倍数来预测多个方向的振动幅度。
方案18. 根据方案17所述的方法，还包括：通过将所有振动模式的对应振动幅度相加来确定每个方向的总振动。
方案19. 根据方案11所述的方法，还包括：
预测与多个点火序列选项相对应的车辆模态响应；以及
基于车辆的预测模态响应来选择点火序列选项中的一个。
方案20. 根据方案19所述的方法，还包括：
确定先前点火序列的第一模态响应 ；
预测每个点火序列选项的第二模态响应；
基于第一模态响应和对应第二模态响应来确定每个点火序列选项的总模态响应；以及
基于总模态响应来选择点火序列选项中的一个。
本发明的进一步应用领域从下文提供的详细说明显而易见。应当理解的是，详细说明和具体示例仅旨在用于说明的目的且并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图将更充分地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明原理的示例性发动机系统的功能框图；
图2是根据本发明原理的示例性控制系统的功能框图；
图3是图示根据本发明原理的示例性控制方法的流程图；
图4至11是图示根据本发明原理的示例性扭矩脉冲信号和车辆振动响应信号的曲线图；
图12是图示根据本发明原理的示例性车辆振动响应的表；和
图13和14是图示根据本发明原理的示例性车辆振动响应的曲线图。
具体实施方式
当气缸停用系统停用发动机的气缸时，发动机的点火序列可以以随机或周期性的方式调节，以实现期望数量的停用气缸和/或改变哪些气缸停用。点火序列可以与车辆的噪音和振动性能无关地调节。因而，驾驶员可感知噪音和振动的增加，且可能限制气缸停用系统的应用。
根据本发明原理的控制系统和方法在发动机气缸停用时优化发动机的点火序列以达到扭矩输出、燃料经济性和振动之间的平衡。振动响应针对实现期望数量的停用气缸的多个点火序列选项预测。点火序列选项中的一个基于点火序列选项的预测振动响应来选择。
通过预测与点火序列中的气缸有关的扭矩脉冲的振动模态响应，确定模态响应的定时，且将这些模态响应求和，可预测由点火序列引起的振动响应。扭矩脉冲可以针对点火序列中的点火气缸和不点火气缸估计。每个扭矩脉冲可对应于预定数量（例如，2个）曲轴转数。每个扭矩脉冲的多个（例如，5个）振动模式的响应可基于车辆的模态特征来预测，包括其模态频率和阻尼比率，可预先确定且存储在表中。
振动模式通过其模态频率和模态形状或方向（例如，弯曲，扭转）来表征。在车辆上的每个位置，每个方向的振动幅度与模态响应成正比。因而，每个方向的振动幅度可通过将模态响应乘以倍数（对每个方向可以是唯一的）来确定。车辆上给定位置和给定方向的总振动可以通过将每个模式的贡献求和来预测。
未来点火序列的模态响应可受先前点火序列的模态响应影响。因而，先前点火序列的模态响应可以求和以产生当前模态响应，未来点火序列的预测模态响应可与当前模态响应相加，以产生总振动响应。每个点火序列选项的总振动响应可以表示为单个值，例如最大峰至峰值，可用于选择点火序列选项中的一个。
如上所述，基于模态来预测车辆的振动响应减少预测每个点火序列选项的振动响应所需的计算次数。继而，使用相同量的处理能力可增加在给定时段内评估的点火序列选项的数量。增加评估的点火序列选项的数量可改进车辆的振动性能。
现在参考图1，发动机系统100包括发动机102，发动机102燃烧空气/燃料混合物以产生用于车辆的驱动扭矩。由发动机102产生的驱动扭矩量基于来自于驾驶员输入模块104的驾驶员输入。空气通过进气系统108被吸入发动机102。进气系统108包括进气歧管110和节气门阀112。节气门阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块（ECM）114控制节气门致动器模块116，节气门致动器模块116调整节气门阀112的开度来控制抽吸到进气歧管110中的空气量。
空气从进气歧管110被抽吸到发动机102的气缸中。为了说明目的，示出了单个的具有代表性的气缸118。然而，发动机102可包括多个气缸。例如，发动机102 可能包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。ECM 114在某些发动机操作条件下可停用一个或多个气缸，这可改善燃料经济性。
发动机102可使用四冲程循环操作。四个冲程包括进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴（未示出）每一转期间，在气缸118内发生四个冲程中的两个。因而，气缸118需要两个曲轴转数来经历所有四个冲程。
在进气冲程期间，空气从进气歧管110通过进气阀122抽吸到气缸118中。ECM 114控制燃料致动器模块124，燃料致动器模块124调节燃料喷射器125，以控制提供给气缸的燃料量，以实现期望的空气/燃料比。燃料射器125可以直接喷射燃料到气缸118中或者喷射燃料到与气缸118有关的混合腔中。燃料致动器模块124可以中止向要停用的气缸喷射燃料。
喷射的燃料与空气混合且在气缸118中形成空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，气缸118中的活塞（未显示出）压缩空气/燃料混合物。发动机102可以是压缩点火发动机，在该情况下气缸118中的压缩点火空气/燃料混合物。可选地，发动机102可以是火花点火发动机，在该情况下，基于来自ECM 114的信号，火花致动器模块126激励气缸118中的火花塞128。火花点火空气/燃料混合物。火花的定时可相对于活塞处于其最上位置时的时间（称为上止点（TDC））来规定。
火花致动器模块126可以由定时信号控制，定时信号指定在TDC之前或之后多远产生火花。由于活塞位置与曲轴旋转直接相关，因而火花致动器模块126的操作可以与曲轴角度同步。在各个实施方式中，火花致动器模块126可中止将火花提供给停用气缸。
产生火花可以称为点火事件。点火事件在空气/燃料混合物提供给气缸时（例如，在气缸有效时）引起气缸内的燃烧。火花致动器模块126可具有针对每个点火事件改变火花定时的能力。火花致动器模块126可甚至能够在火花定时信号在上一次点火事件和下一次点火事件之间变化时改变下一次点火事件的火花定时。在各个实施方式中，发动机102可包括多个气缸，且火花致动器模块126可对于发动机102的所有气缸将火花定时相对于TDC改变相同量。
在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下运动，从而驱动曲轴。当空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下运动时，活塞从TDC移动到其最下位置（称为下止点（BDC））。
在排气冲程期间，活塞开始从BDC向上移动并且通过排气阀130排出燃烧副产物。燃烧副产物通过排气系统134从车辆中排出。
进气阀122可被进气凸轮轴140所控制，而排气阀130可被排气凸轮轴142所控制。在各种实施方式中，多个进气凸轮轴（包括进气凸轮轴140）可以控制气缸118的多个进气阀（包括进气阀122）和/或可以控制多组气缸（包括气缸118）的进气阀（包括进气阀122）。类似地，多个排气凸轮轴（包括排气凸轮轴142）可以控制气缸118的多个排气阀和/或可以控制多组气缸（包括气缸118）的排气阀（包括排气阀130）。
进气阀122打开的时间可由进气凸轮移相器148相对于活塞TDC变化。排气阀130打开的时间可由排气凸轮移相器150相对于活塞TDC变化。ECM 114可禁止打开被停用气缸的进气阀122和排气阀130。移相器致动器模块158可根据来自ECM 114的信号控制进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150。在实施时，各种阀升程（未示出）还可以由移相器致动器模块158控制。
ECM 114可通过指导阀致动器模块160停止进气阀122和/或排气阀130的打开来停用气缸118。阀致动器模块160控制打开和关闭进气阀122的进气阀致动器162。阀致动器模块160控制打开和关闭排气阀130的排气阀致动器164。在一个示例中，阀致动器162，164包括通过将凸轮从动件从凸轮轴140，142断开而停止阀122，130打开的螺线管。在另一个示例中，阀致动器162，164是电磁或电动液压致动器，其独立于凸轮轴140，142控制阀122，130的升程、定时和持续时间。在该示例中，可省去凸轮轴140，142、凸轮移相器148，150和移相器致动器模块158。
曲轴位置可以使用曲轴位置（CKP）传感器180测量。发动机冷却剂的温度可以用发动机冷却剂温度（ECT）传感器182测量。ECT传感器182可以设置在发动机102中或在冷却剂循环的其他位置，例如散热器（未示出）。
进气歧管110中的压力可以使用歧管绝对压力（MAP）传感器184测量。在各种实施方式中，发动机真空度可以被测量，发动机真空度是环境空气压力和进气歧管110中压力之间的差。流入进气歧管110的空气质量流率可以使用空气质量流量（MAF）传感器186测量。在各种实施方式中，MAF传感器186可以位于还包括节气门阀112的壳体内。
节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器（TPS）190监测节气门阀112的位置。被抽吸到发动机102中的空气的环境温度可以使用进气空气温度（IAT）传感器192测量。ECM 114可以利用来自传感器的信号对发动机系统100作出控制决定。
现在参考图2，ECM 114的示例性实施方式包括扭矩请求模块202、发动机速度模块204和气缸停用模块206。扭矩请求模块202基于来自于驾驶员输入模块104的驾驶员输入来确定驾驶员扭矩请求。驾驶员输入可基于加速踏板的位置。驾驶员输入还可以基于来自于巡航控制系统的输入，巡航控制系统可以是改变车辆速度以保持预定跟车距离的自适应巡航控制系统。扭矩请求模块202可以存储加速踏板位置到期望扭矩的一个或多个映射表，且可以基于映射表中的选定一个来确定驾驶员扭矩请求。扭矩请求模块202输出驾驶员扭矩请求。
发动机速度模块204确定发动机速度。发动机速度模块204可基于从CKP传感器180接收的输入来确定发动机速度。发动机速度模块204可以基于齿检测和对应时段之间的曲轴转数来确定发动机速度。发动机速度模块204输出发动机速度。
气缸停用模块206基于驾驶员扭矩请求停用发动机102中的气缸。当发动机102在气缸停用时能够满足驾驶员扭矩请求时，气缸停用模块206可以停用一个或多个气缸。当发动机102在气缸停用时不能满足驾驶员扭矩请求时，气缸停用模块206可再次起用气缸。气缸停用模块206输出停用气缸数量和/或有效气缸数量。
点火序列模块208确定发动机102中气缸的点火序列。点火序列模块208可在每个发动机循环之后评估和/或调节点火序列。可选地，点火序列模块208可在发动机102中的每个点火事件之前评估和/或调节点火序列。发动机循环可对应于曲轴旋转720度。点火序列可包括一个或多个气缸事件。例如，点火序列可包括4、5、8或16个气缸事件。气缸事件可称为点火事件和/或曲柄角增量，在此期间，在气缸有效时，火花在气缸中产生。点火序列模块208输出点火序列。
点火序列模块208可从一个发动机循环到下一个发动机循环改变点火序列，以改变有效气缸的数量，而不改变气缸点火的顺序。例如，对于具有点火序列1-8-7-2-6-5-4-3的8缸发动机，对于一个发动机循环可指定点火序列1-8-7-2-5-3，且对于下一个发动机循环可指定点火序列1-7-2-5-3。这将有效气缸的数量从6减为5。
点火序列模块208可以基于从气缸停用模块206接收的指令从一个发动机循环到下一个发动机循环改变有效气缸数量。气缸停用模块206可使得有效气缸的数量在两个整数之间轮换，以实现等于两个整数的平均值的有效气缸数。例如，气缸停用模块206可使得有效气缸的数量在5和6之间同等地轮换，得到5.5的有效气缸数。
气缸停用模块206可基于与每个有效气缸数量相对应的发动机循环数量来将加权因数分配给每个有效气缸数量。气缸停用模块206然后可以基于有效气缸数量的加权平均来确定有效气缸数。例如，气缸停用模块206可以对于两个相继发动机循环将有效气缸数量调节为5且然后对于一个发动机循环将有效气缸数量变为6。在该情况下，气缸停用模块206可将加权因数2分配给有效气缸数量5且将加权因数1分配给有效气缸数量6。气缸停用模块206于是可确定三个发动机循环的有效气缸数为5.33。
点火序列模块208可从一个发动机循环到下一个发动机循环改变点火序列，以改变哪些气缸点火，从而改变哪些气缸有效，而不改变有效气缸的数量。例如，当上述8缸发动机的三个气缸停用时，对于一个发动机循环可指定点火序列1-7-2-5-3，对于下一个发动机循环可指定点火序列8-2-6-4-3。这停用气缸1，7和5且再次起用气缸8，6和4。
扭矩脉冲模块210估计点火气缸和不点火气缸的扭矩脉冲。振动预测模块212基于点火序列和扭矩脉冲预测车辆的振动响应。振动预测模块212可预测多个点火序列选项的振动响应且输出预测振动。点火序列模块208和/或振动预测模块212可以基于由气缸停用模块206输出的停用气缸数量来确定点火序列选项。
点火序列模块208可以基于预测振动来选择点火序列选项中的一个。点火序列模块208可以优化点火序列以满足驾驶员扭矩请求，同时最大化燃料经济性且最小化振动。点火序列模块208将优化的点火序列输出给燃料控制模块214、火花控制模块216和阀控制模块218。
扭矩脉冲模块210基于发动机操作条件来估计扭矩脉冲，例如歧管压力和发动机速度。在各个实施方式中，扭矩脉冲模块210可基于可分别从火花控制模块216和阀控制模块218接收的火花定时和阀定时来估计扭矩脉冲。当估计扭矩脉冲时，扭矩脉冲模块210可假定每个点火气缸产生相同扭矩脉冲且每个不点火气缸产生相同扭矩脉冲，而不管（例如，相对于进气歧管110的）位置的不同。
每个扭矩脉冲的持续时间可对应于气缸内的热动力循环的周期。例如，对于四冲程发动机，每个扭矩脉冲的持续时间可对应于两个曲轴转数。扭矩脉冲可以在活塞在气缸中处于TDC时在进气冲程之前开始。可选地，扭矩脉冲可以在活塞在气缸中处于BDC时在排气冲程之前开始，这可对应于进气阀122和排气阀130停用的时间。
振动预测模块212可以预测车辆的一个或多个（例如，5个）振动模式对点火序列中的每个扭矩脉冲的响应。振动预测模块212可以基于车辆的模态特征（包括其模态频率和阻尼比率）来预测每个模式对每个扭矩脉冲的响应。振动预测模块212可将对每个扭矩脉冲的模态响应求和以产生车辆的总振动响应。
振动预测模块212可基于曲轴扭矩和模态响应之间的预定关系来预测每个模式对每个扭矩脉冲的响应。预定关系可以通过实验室试验和/或计算机辅助模拟产生，且可以以方程和/或查询表实施。在各个实施方式中，预定关系可以实施为脉冲响应函数，例如单位脉冲响应函数。
振动预测模块212可预测一个或多个位置处的振动响应。例如，振动预测模块212可预测驾驶员接口部件（例如，驾驶员座椅、方向盘或踏板）处的振动响应。振动预测模块212可预测一个或多个方向的振动响应。例如，振动预测模块212可预测纵向、横向和竖直方向的振动响应。
振动模式通过其模态频率和模态形状或方向（例如，弯曲，扭转）来表征。在每个位置和每个方向的振动响应的幅度与模态响应成正比。因而，振动预测模块212可通过确定模态响应和倍数（对每个位置和每个方向可以是唯一的）的乘积来预测每个位置和每个方向的振动幅度。
振动预测模块212可通过将每个扭矩脉冲与单位脉冲模态响应函数卷积来预测每个模式对点火序列中每个扭矩脉冲的响应。振动预测模块212可通过确定点火序列中每个扭矩脉冲的模态响应的定时且将时间上重叠的模态响应部分求和来预测每个模式对点火序列的响应。振动预测模块212可基于曲轴位置和发动机速度来确定模态响应的定时。
由于模态响应在时间上可能重叠，未来点火序列的模态响应可受先前点火序列的模态响应影响。因而，振动预测模块212可将先前点火序列的模态响应求和以产生当前模态响应，且将未来点火序列的模态响应与当前模态响应相加，以产生总模态响应。
模态响应可以由其幅度和相位表征，其可以由每个振动周期旋转一次的复数矢量来表示。模态响应的幅度根据其阻尼比率衰减。因而，一旦当前模态响应的幅度和相位已知，当前模态响应衰减的方式可以基于其相位进程和幅度衰减来预测。相位进程和幅度衰减可基于车辆的模态特征来确定。
总振动模态响应可以根据单个值表示。例如，总振动模态响应可以表示为总振动模态响应的最大峰至峰值。附加地或可选地，总振动模态响应可以表示为总振动模态响应与预定振动模态响应的比值。可以使用各种其它振动标准来量化总振动模态响应。振动预测模块212可输出点火序列选项和对应总振动响应。
振动预测模块212可预测点火序列选项的振动响应且点火序列模块208可在第一时间选择点火序列选项中的一个。第一时间和与气缸事件开始相对应的第二时间之间的第一时段可以调节，以允许ECM 114根据所选择点火序列选项来起用或停用气缸。例如，第一时段可基于停用进气阀122和排气阀130所需的时间量来调节。
燃料控制模块214根据点火序列指导燃料致动器模块124将燃料提供给发动机102的气缸。火花控制模块216根据点火序列指导火花致动器模块126在发动机102的气缸中产生火花。火花控制模块216可以输出表示在点火序列中接下来是哪个气缸的信号。火花控制模块216可以将点火气缸的火花定时输出给扭矩脉冲模块210。阀控制模块218根据点火序列指导阀致动器模块160以打开发动机102的进气阀和排气阀。阀控制模块218可以将点火气缸的阀定时输出给扭矩脉冲模块210。
在各个实施方式中，对于每个点火序列选项，振动预测模块212可以预测多个火花定时和多个歧管压力的振动响应。火花定时和歧管压力可以分别从火花定时的预定范围和歧管压力的预定范围选择。振动预测模块212可以输出点火序列选项、火花定时、歧管压力、以及与点火序列选项、火花定时和歧管压力的每个组合相对应的振动响应。
点火序列模块208可优化点火序列、火花定时和歧管压力，以满足驾驶员扭矩请求，同时最大化燃料经济性和最小化振动。点火序列模块208可输出优化的点火序列、火花定时和歧管压力。火花控制模块216于是可以将优化火花定时输出给火花致动器模块126。此外，节气门控制模块（未示出）和阀控制模块218可基于优化点火序列和/或优化歧管压力来分别调节节气门面积和阀定时。节气门控制模块可将节气门面积输出给节气门致动器模块116。此外，燃料控制模块214可基于优化点火序列来控制喷射量和/或喷射定时。
在各个实施方式中，优化模块（未示出）可优化点火序列、火花定时和歧管压力，以满足驾驶员扭矩请求，同时最大化燃料经济性。优化模块可输出优化的点火序列、火花定时和歧管压力。优化模块可取代点火序列模块208执行优化且输出结果。优化模块可从振动预测模块212接收与点火序列选项、火花定时和歧管压力的每个组合相对应的振动响应。优化模块可分别从扭矩估计模块（未示出）和燃料经济性模块（未示出）接收与每个组合相对应的扭矩输出和与每个组合相对应的燃料经济性。燃料经济性模块可针对点火序列选项、火花定时和歧管压力的每个组合估计车辆的燃料经济性。扭矩估计模块可针对点火序列选项、火花定时和歧管压力的每个组合估计发动机102的扭矩输出。
现在参考图3，在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法在302开始。在304，方法确定点火序列选项。方法可基于停用气缸的数量来确定点火序列选项。
在306，方法估计点火和不点火气缸的扭矩脉冲。方法可基于发动机操作条件来估计扭矩脉冲，例如歧管压力、发动机速度、火花定时和/或阀定时。当估计扭矩脉冲时，方法可假定每个点火气缸产生相同扭矩脉冲且每个不点火气缸产生相同扭矩脉冲。然而，如果期望更大准确性，方法可不进行该假定。
每个扭矩脉冲的持续时间可对应于气缸内的热动力循环的周期。例如，对于四冲程发动机，每个扭矩脉冲的持续时间可对应于两个曲轴转数。扭矩脉冲可以在活塞在气缸中处于TDC时在进气冲程之前开始。可选地，扭矩脉冲可以在活塞在气缸中处于BDC时在排气冲程之前开始。
在308，方法预测车辆的多个（例如，5个）振动模式对点火序列选项中的每个扭矩脉冲的响应。方法可基于车辆的模态特征（包括其模态频率和阻尼比率）来预测每个模式对每个扭矩脉冲的响应。方法可基于曲轴扭矩和模态响应之间的预定关系来预测每个模式对每个扭矩脉冲的响应。预定关系可以通过实验室试验和/或计算机辅助模拟产生，且可以以方程和/或查询表实施。在各个实施方式中，预定关系可以实施为脉冲响应函数，例如单位脉冲响应函数。
方法可预测车辆上的一个或多个位置处的振动响应。例如，方法可预测驾驶员接口部件（例如，座椅、踏板或方向盘）处的振动响应。方法可预测一个或多个方向的振动响应。例如，方法可预测纵向、横向和竖直方向的振动响应。
振动模式通过其模态频率和模态形状或方向（例如，弯曲，扭转）来表征。每个方向的振动幅度与模态响应成正比。因而，方法可通过确定模态响应和倍数（对每个方向可以是唯一的）的乘积来预测每个方向的振动幅度。
方法可通过将每个扭矩脉冲与单位脉冲模态响应函数卷积来预测每个模式对点火序列选项中每个扭矩脉冲的响应。在一些情况下，扭矩脉冲和单位模态响应函数可以卷积一次，且得到的模态响应可以存储，以用于重复使用。然后，当发动机操作条件与产生扭矩脉冲的条件相同或类似时，存储模态响应可以从存储器取回，而不是估计扭矩脉冲和然后预测扭矩脉冲的模态响应。
在310，方法可确定每个模式对点火序列选项中每个扭矩脉冲的响应的定时。方法可基于曲轴位置和发动机速度来确定模态响应的定时。在312，方法将点火序列选项中扭矩脉冲的模态响应求和以产生点火序列选项的模态响应。方法将点火序列选项的模态响应与先前点火序列的模态响应相加以产生与点火序列选项有关的总振动响应。
总振动模态响应可以根据单个值表示。例如，总振动模态响应可以表示为总振动模态响应的最大峰至峰值。附加地或可选地，总振动模态响应可以表示为总振动模态响应与预定振动模态响应的比值。可以使用各种其它振动标准来量化总振动模态响应。
在314，方法确定模态响应是否对每个点火序列选项预测。如果模态响应对每个点火序列选项预测，那么方法继续316。否则，方法继续310。在316，方法基于预测模态响应来选择点火序列选项中的一个。方法可优化点火序列，以最大化燃料经济性且最小化振动，同时满足扭矩指令。
现在参考图4，车辆在给定位置和对于给定模式对曲轴扭矩的单位脉冲响应的示例以402示出。单位脉冲响应402及其幅度的包络线404相对于x轴406和y轴408绘出。x轴406表示时间，单位：秒。y轴408表示加速度，单位：米每平方秒（m/s2）。
单位脉冲响应402针对车辆的一个自然振动模式确定。单位脉冲响应402可通过计算机辅助模拟（例如，有限元分析）和/或实验室测试（例如，物理测量）获得。单位脉冲响应402对于不同模式和车身上的不同测量点且随着测量振动方向变化。
单位脉冲响应402表征具有13赫兹（Hz）的自然频率和0.05的阻尼比率（即，5％）的模式。单位脉冲响应402的包络线404平滑地衰减，使得在当前幅度已知时包络线404容易预测。该平滑“振铃”简化了扭矩脉冲一结束每个模式对给定扭矩脉冲的振动响应的计算。
现在参考图5，以1250转每分（RPM）操作的发动机中的点火气缸的扭矩脉冲的示例以502示出，且发动机中的不点火气缸的扭矩脉冲的示例以504示出。扭矩脉冲502，504相对于x轴506和y轴508绘出。x轴506表示时间，单位：秒。y轴508表示扭矩，单位：牛顿-米（N-m）。扭矩脉冲502，504持续大约0.096秒。然而，如上所述，扭矩脉冲持续时间可以基于预定数量（例如，2个）曲轴转数，因而可取决于发动机速度。
现在参考图6，由单位脉冲响应402表征的模式的示例性振动响应以602示出。模态振动响应602由于扭矩脉冲502。模态振动响应602通过将扭矩脉冲502与单位脉冲响应402卷积来获得。模态振动响应602相对于x轴604和y轴606绘出。x轴604表示时间，单位：秒。y轴606表示模态振动响应602的幅度。尽管扭矩脉冲502仅仅持续大约0.096秒，模态振动响应602持续大约1秒，如图6所示。
模态振动响应602具有两个不同部分：在施加扭矩脉冲502期间的强制响应608和在之后发生的自由响应610。在强制响应608期间，模态振动响应602的幅度从零开始增长，振荡，且在扭矩脉冲502结束612时获得一定最终幅度。在强制期间，模态振动响应602的振荡取决于扭矩脉冲502的频率内容以及模式的自然频率和阻尼比率。
在自由响应610期间，模态振动响应602的幅度以强制结束时的幅度开始，且从那里以服从简单方程的指数衰减正弦振荡。正弦的频率等于模式的自然频率。自由响应610衰减的速率取决于模式的阻尼比率。较高阻尼比率产生较快衰减。
一旦获得点火和不点火扭矩脉冲的模态响应，可以计算来自于时间上隔开的一系列扭矩脉冲的模态响应。例如，在均匀点火四冲程V8中，扭矩脉冲隔开曲轴角的90度间隔或者在1200 RPM时0.0125秒。
现在参考图7，由以1200 RPM操作的V8发动机中13个扭矩脉冲引起的车辆模态振动响应的示例以702示出。振动响应702相对于x轴704和y轴706绘出。x轴704表示时间，单位：秒。y轴706表示模态响应702的幅度。
V8发动机具有1-1-0-1-1-1-0-1-1-0-1-1-0的点火模式，其中，“1”表示点火，“0”表示不点火。模式是随机的，平均每2转8个气缸中的5.54个点火。扭矩脉冲在0和0.250秒之间的5个曲轴转数期间发生。在该时段期间，模态响应702积聚到高度调制的振动，峰值幅度在0.05和0.15秒。该振动水平比均匀点火V8产生的更大且更不规则。在708，扭矩脉冲结束且模态响应702开始以形成自由响应710的指数衰减正弦衰减为零。
一旦获得模态响应，由模态响应引起的振动可以对车辆中的任何响应位置和方向（例如，座椅轨道前后、座椅轨道横向、方向盘前后）计算。包括所有模式的整个振动可以通过在给定为位置和方向将来自于每个模式的贡献相加来获得。
现在参考图8，模态响应702的复数表示以802示出。在噪音和振动分析中，振荡运动的幅度和相位通常以复数形式表示，而不是直接以正弦表示。这允许许多正弦响应轨迹（例如，来自于许多扭矩脉冲）简单相加，而不用使用三角函数明确地。
复数表示802相对于x轴804、y轴806和z轴808绘出。x轴804表示时间，单位：秒。y轴806表示模态幅度的实数分量，如图7所示。z轴808表示模态幅度的虚数分量。
复数表示802可以用如下关系建模：
(1) η= Aeiθ = A*(cosθ + i*sinθ)
其中，η是模态响应702，A是模态响应702的瞬时幅度，θ表示模态响应702的相位角，Acosθ表示模态响应702的实数分量，Asinθ表示模态响应702的虚数分量。
关系（1）使用欧拉公式推出，为：
(2) eiθ = cosθ + i*sinθ
模态幅度的实数分量还可以表示为：
(3) y = Re(η) = A*(eiθ + e-iθ)/2
此外，模态幅度的虚数分量还可以表示为：
(4) z = Im(η) = A*(eiθ - e-iθ)/2i。
现在参考图9，从x轴804上的点的视角看的复数表示802的端视图以902图示。平行于x轴804来看复数表示802可能是有益的，如图9所示，从而仅仅示出模态响应702的实数和虚数分量。这图示了模态矢量（例如，模态矢量904）的旋转性质。端视图902和模态矢量904相对于x轴906和y轴908绘出。y轴906表示模态响应702的实数分量。z轴908表示模态响应702的虚数分量。
单个扭矩脉冲引起的模态响应以零（0，0）开始且在扭矩脉冲激发模式时总体上螺旋状向外。然而，在该时间期间，幅度不总是增加，取决于扭矩脉冲相对于模态频率的频率内容。在910，扭矩脉冲结束，且模态响应从强制响应912过渡至自由响应914。在过渡点处，复数幅度是（-0.07，0.12）。
在扭矩脉冲结束之后，模态响应立即开始朝向图中心（0，0）成螺旋状。螺旋状的实数分量是指数衰减正弦，如图7所示，在强制响应912和自由响应914之间过渡时，轨迹中存在可见的扭结。
在任何时刻，瞬时复数幅度可以表示为矢量。模态矢量904表示给定时间的响应且可以表示为“0.64 + i 1.42”或者“在角度65.7度时幅度1.56”。图9详细地示出了模态幅度。然而，模态幅度可以以均匀隔开的间隔跟踪，例如90度曲轴旋转。
现在参考图10，除了端视图1002图示了每90度曲轴旋转的运动（代替详细地示出模态响应）之外，端视图1002类似于端视图902。此外，图10仅仅示出了在扭矩脉冲激发期间的模态矢量。端视图1002相对于x轴1004和y轴1006绘出。x轴1004表示模态幅度的实数分量。y轴1006表示模态幅度的虚数分量。
图10假定初始模态幅度是零，且图示模态矢量从初始复数幅度的累积变化。在每个时间点，当前矢量（从（0，0）开始）的结束标记为η 1,η 2…，且示出为点，同时每个变化标记为Δη 01,Δη 12…，且示出为箭头。
在该示例中，模态响应比曲轴旋转更慢地振荡（13 Hz模式对比20 Hz曲轴速度），从而曲轴旋转90度，13 Hz运动仅仅移动通过58.4度相位（360度相位为一个振荡）。然而，在强制期间，该振荡还取决于施加的扭矩脉冲的特性。
图10示出了预测由于曲轴角的一致步级的每个扭矩脉冲引起的模态幅度的变化的方法。改变间隔步级可产生步级之间的模态幅度的不同变化。例如，从90度切换到30度可产生幅度的较小步级。然而，两个曲轴转数的最终影响可仍相同。所选择步级之间的曲轴角间隔可以足够小，以合适地描述重要模式的活动（例如，以寻找峰值且避免混叠）。
一旦完成扭矩脉冲，扭矩脉冲引起的模态幅度的部分成指数衰减。因而，如果显示，步级9处的幅度将相对于步级8的幅度逆时针旋转58.4度，且具有稍微更小的大小。随着更多的时间经过，模态幅度将由图9所示的指数螺旋状衰减的更粗略形式表示。
现在参考图11，在扭矩脉冲完成后13 Hz模式的指数衰减以90度曲轴间隔示出。模态矢量在（1，0）开始。每个步级的模态矢量标记为η 1, η 2…，且通过箭头示出。前述讨论提供评估在扭矩脉冲施加时和在扭矩脉冲施加之后扭矩脉冲对模式的影响的方法。
（下文的）表1示出了在扭矩脉冲有效时类似于10的13 Hz模式的复数幅度（实数和虚数部分）的变化。然而，不是跟踪扭矩脉冲的累积影响，列出了扭矩脉冲之间的各个变化。
表1
使用来自于表1的每个步级的已知变化，可以产生将扭矩脉冲的影响组合的表，连同对先前累积响应的阻尼的影响。
现在参考图12，表示出了13 Hz模式的幅度的进程和每个扭矩脉冲的影响。曲轴角由标记为1202的行表示，步级数由标记为1204的行表示，扭矩脉冲标记为1206至1220，强制响应由标记为1222的行表示，衰减响应由标记为1224的行表示。图12的表示出了在模态幅度通过扭矩脉冲变化时每个步级的模态幅度，由标记为1226的行表示。初始幅度（步级0时的模态幅度）为（1.0，-0.5）。每个步级的实数分量由标记为1228的列表示，每个步级的虚数分量由标记为1230的列表示。
最后脉冲（脉冲1220）在曲轴角0度时发生，但是其影响在曲轴角90度时第一个看到，且其强制影响持续，直到曲轴角720度。先前脉冲（脉冲1206至1218）仅仅具有其左边的激励部分。每隔一个扭矩脉冲的对应影响加阴影线。每个脉冲从先前脉冲时间上偏移90度，每个气缸间隔。所有气缸点火，但是脉冲1220是该“基准线”振动预测中认为的最后脉冲。“基准线”响应是预测响应，仅仅包括一直到该点时被选择点火/不点火的气缸。
两个因素确定每个90度步级的模态幅度：1）强制函数（每个扭矩脉冲）引起的模态幅度的变化；和2）先前步级的累积模态幅度，在根据模态频率相位旋转且根据阻尼比率衰减之后。第一因素（强制）是第三至最后一行（行1222）。其是对应列中扭矩脉冲的所有影响的总和。第二因素（衰减）是第二至最后一行（行1224）。其是在应用合适相位和阻尼的情况下来自于先前步级的模态幅度（行1226）。在每个步级，强制和衰减响应（第二和第三至最后一行－行1222和1224）的实数和虚数部分相加以产生模态幅度（最后一行－行1226）。
该基准线响应可以与来自于未来气缸事件序列的响应相加，且取决于所选择模式，结果可以是增加或减少的模态幅度。在扭矩脉冲的强制响应之后，基准线响应简单地为累积响应的指数衰减。图12的表中步级9中的幅度是来自于步级8的幅度，旋转且衰减。这对于每个步级（在该示例中，每90度）重复，直到适应优化例程所需。要注意的是，由于各个模式的简单衰减运动，基准线响应中模式的未来幅度根据步级8中的响应已知。不需要与先前点火有关的其它信息来预测未来基准线响应。这与使用标准卷积（具有复杂得多的脉冲响应）不同。
图13绘出了图12的表中的基准线响应的模态矢量的幅度，但是执行15个步级而不是9个。模态矢量的幅度以1302表示，且相对于表示步级数的x轴1304和表示幅度的y轴1306绘出。幅度在强制（以1308表示）期间显著地振荡，在结束时（步级8）稍微更小。随后是平滑衰减，以1310表示。
一旦找到模式的基准线响应，模态幅度基于扭矩需求等对于此时考虑的多个不同点火模式预测。为了预测模态幅度，每个点火模式引起的引发响应可以与上述基准线响应相加。这可以包括获得所示的基准线响应表，且产生所考虑的每个点火序列的附加表。该过程可以对每个模式进行，每个具有其自身的频率和阻尼。
图14示出了来自于两个可能随后点火序列（以1402和1404表示）的结果，每个与图13的基准线响应相加。点火序列1402，1404相对于表示步级数的x轴1406和表示幅度的y轴1408绘出。每个随后模式以11种可能点火方式点火6次。点火序列1402具有点火模式0-1-1-0-1-0-1-0-1-1-0，点火序列1404具有点火模式0-1-0-1-1-0-1-0-1-1-0，其中，“1”表示点火，“0”表示不点火。虽然点火序列1402，1404的幅度一直到步级4实际上相同，但是在步级5之后，点火序列1402，1404的幅度变化非常不同。
在实际实践中，可以测试更多选项，且看到更大差别。同样，这可能不对仅仅一个模式进行。所有其它显著模式可以类似地处理，且给定点火模式可以可能是平滑一些模式且加剧其它。这是振荡度量中折衷的一部分。
前述说明本质上仅为示范性的且绝不旨在限制本发明、其应用或使用。本发明的广泛教示可以以多种形式实施。因此，尽管本发明包括特定的示例，但是由于当研究附图、说明书和所附权利要求书时，其他修改是显而易见的，所以本发明的真实范围并不如此限制。为了清楚起见，在附图中使用相同的附图标记标识类似的元件。如在此所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当理解为意味着使用非排他逻辑“或”的一种逻辑（A或B或C）。应当理解的是，方法内的一个或多个步骤可以以不同顺序（或同时地）执行而不改变本发明的原理。
如本文所使用的，措辞“模块”可以指代以下项、是以下项的一部分、或者包括以下项：专用集成电路（ASIC）；分立电路；集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享、专用或者群组）；提供所述功能的其它合适硬件部件；或者上述中的一些或全部的组合，例如在系统级芯片中。措辞“模块”可以包括存储由处理器执行的代码的存储器（共享、专用或者群组）。
如上使用的措辞“代码”可以包括软件、固件和/或微码，可指程序、例程、函数、类和/或对象。如上使用的措辞“共享”表示可使用单个（共享）处理器执行来自多个模块的一些或全部代码。另外，来自多个模块的一些或全部代码可由单个（共享）存储器存储。如上使用的措辞“群组”表示可使用一组处理器执行来自单个模块的一些或全部代码。另外，来自单个模块的一些或全部代码可使用一组存储器来存储。
本文所述的设备和方法可通过由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来部分地或全部地实施。计算机程序包括存储在至少一个非临时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括和/或依赖于存储数据。非临时性有形计算机可读介质的非限制性示例为非易失性存储器、易失性存储器、磁性存储器和光存储器。

Claims (20)

1.一种在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，包括：
振动预测模块，所述振动预测模块在发动机气缸停用时基于发动机的点火序列以及车辆的模态特性来预测车辆的模态响应；和
点火序列模块，所述点火序列模块基于车辆的预测模态响应来调节发动机的点火序列。
2.根据权利要求1所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中，所述振动预测模块基于点火序列中的点火气缸和不点火气缸的扭矩脉冲来预测模态响应。
3.根据权利要求2所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中，所述振动预测模块：
预测每个扭矩脉冲的模态响应；
确定每个扭矩脉冲的模态响应的定时；以及
将时间上重叠的模态响应部分求和，以产生点火序列的模态响应。
4.根据权利要求3所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，还包括：扭矩估计模块，所述扭矩估计模块基于发动机进气歧管内的压力和发动机速度来估计扭矩脉冲。
5.根据权利要求2所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中，所述振动预测模块基于曲轴扭矩和模态响应之间的预定关系来预测每个扭矩脉冲的模态响应。
6.根据权利要求2所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中，对于每个扭矩脉冲，所述振动预测模块基于车辆的模态特性来预测多个振动模式的模态响应。
7.根据权利要求6所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中，对于每个振动模式，所述振动预测模块基于模态响应和倍数来预测多个方向的振动幅度。
8.根据权利要求7所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中，所述振动预测模块通过将所有振动模式的对应振动幅度相加来确定每个方向的总振动。
9.根据权利要求1所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中：
所述振动预测模块预测与多个点火序列选项相对应的车辆模态响应；以及
所述点火序列模块基于车辆的预测模态响应来选择点火序列选项中的一个。
10.根据权利要求9所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的系统，其中，所述振动预测模块：
确定先前点火序列的第一模态响应 ；
预测每个点火序列选项的第二模态响应；
基于第一模态响应和对应第二模态响应来确定每个点火序列选项的总模态响应；以及
基于总模态响应来选择点火序列选项中的一个。
11.一种在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，包括：
在发动机气缸停用时基于发动机的点火序列以及车辆的模态特性来预测车辆的模态响应；和
基于车辆的预测模态响应来调节发动机的点火序列。
12.根据权利要求11所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：基于点火序列中的点火气缸和不点火气缸的扭矩脉冲来预测模态响应。
13.根据权利要求12所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：
预测每个扭矩脉冲的模态响应；
确定每个扭矩脉冲的模态响应的定时；以及
将时间上重叠的模态响应部分求和，以产生点火序列的模态响应。
14.根据权利要求13所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：基于发动机进气歧管内的压力和发动机速度来估计扭矩脉冲。
15.根据权利要求12所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：基于曲轴扭矩和模态响应之间的预定关系来预测每个扭矩脉冲的模态响应。
16.根据权利要求12所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：对于每个扭矩脉冲，基于车辆的模态特性来预测多个振动模式的模态响应。
17.根据权利要求16所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：对于每个振动模式，基于模态响应和倍数来预测多个方向的振动幅度。
18.根据权利要求17所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：通过将所有振动模式的对应振动幅度相加来确定每个方向的总振动。
19.根据权利要求11所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：
预测与多个点火序列选项相对应的车辆模态响应；以及
基于车辆的预测模态响应来选择点火序列选项中的一个。
20.根据权利要求19所述的在发动机气缸停用时控制发动机点火序列以减少振动的方法，还包括：
确定先前点火序列的第一模态响应 ；
预测每个点火序列选项的第二模态响应；
基于第一模态响应和对应第二模态响应来确定每个点火序列选项的总模态响应；以及
基于总模态响应来选择点火序列选项中的一个。
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