CN105736168A - 曲轴角控制方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种曲轴角控制方法及其系统，首先取得一熄火信号并判断引擎转速，若该引擎转速低于一特定值时，则在齿讯信号中的缺齿信号的结束点将发电机设定成驱动模式，使发电机以驱动模式带动曲轴越过气缸上死点，并在曲轴达到气缸下死点时，将该发电机设定成三相电流错相的吸住模式，藉由发电机在驱动状态时，给定三相电流错相使其瞬间停止以固定该曲轴可落在预设停止的角度范围位置。藉此，本发明能有效降低引擎启动扭矩。
Description
技术领域
本发明涉及一种曲轴角控制方法及其系统，尤指一种可降低一体式引擎发电机的引擎启动扭矩的曲轴角控制方法及其系统。
背景技术
利用永磁设计一体式引擎发电机应用在惰转熄火功能时，引擎从静止状态到可进行点火喷油的转速是需要很大的扭力来加以完成，尤其是引擎停止时的活塞位置刚好在压缩行程的上死点附近的情况，在下次启动时往往需要最大的启动扭矩，因此一体式发电机必须提供能够同步带动引擎曲轴跨越该压缩行程的上死点的启动扭矩，方能顺利启动引擎将转速带到可进行点火喷油的转速域。然而，为了产生此最大的启动扭矩，除了引擎通常必须长期负荷大扭力之外，一体式发电机在设计上也必须以较大的扭矩来设计，增加了磁铁及驱控器功率组件的成本，同时电池必须提供大电流，不仅耗能，电池寿命长时间亦会受到影响。
为了使在上述的情况下引擎具备高扭力特性，或是克服最大的启动扭矩的问题，现有技术为仅单采用引擎减压缩装置，或是同时采用引擎减压缩装置及在引擎停止后将曲轴逆转的方法，而后者相较于前者更可把启动扭力降至最低。该引擎停止后将曲轴逆转的方法，是在引擎熄火后并完全停止时，控制马达带动该引擎的曲轴往回倒转，直到引擎停在非压缩行程。据此，下次引擎启动时，在活塞到达压缩行程为止可充分加速以取得较大的惯性力，此惯性力即可与引擎的驱动扭矩结合来超过前述的最大启动扭矩，让活塞得以跨越压缩行程。
然而，上述现有技术必须在引擎停止后才驱动马达移动曲轴位置，而有驱动耗能大的问题。此外，由于是停止后才产生驱动，所以会有瞬间微振动现象，舒适性不佳。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种曲轴角控制方法及其系统，能有效降低引擎启动扭矩。
本发明的曲轴角控制方法，应用于一体式引擎发电机在惰转熄火功能的一引擎中，包括：取得熄火信号，并依据该引擎的齿讯信号及上死点判断信号取得该引擎的曲轴的上死点及下死点；判断该引擎的引擎转速是否低于一特定值，若是，则在该齿讯信号中的缺齿信号的结束点将该引擎的发电机设定成驱动模式；以及依据该上死点判断信号判断该曲轴达到该上死点时，将该发电机设定成待机模式，并在该曲轴进一步达到该下死点时，将该发电机设定成吸住模式，以固定该曲轴位置。
本发明的另一目的在于提供一种曲轴角控制系统，包括：引擎，用于提供齿讯信号及上死点判断信号；发电机，用于提供三相霍尔信号；整车控制器，用于提供熄火信号；以及驱动控制器，连接该引擎、该发电机及该整车控制器，该驱动控制器包括：脉波宽度调变单元；功率信号闸，用于控制该脉波宽度调变单元的作动，以控制电池的电流输出；及计算单元，接收该熄火信号、该上死点判断信号、该齿讯信号及该三相霍尔信号，并依据该齿讯信号及该上死点判断信号取得该引擎的曲轴的上死点及下死点，且在该曲轴达到该上死点时关闭该功率信号闸，在该曲轴进一步达到该下死点时，启动该功率信号闸并令该脉波宽度调变单元改变该三相霍尔信号顺序，以固定该曲轴位置。
藉由本发明的曲轴角控制方法及其系统，在取得熄火信号后，即将引擎的发电机设定成待机模式，在引擎转速低于一特定值时，即将引擎的发电机设定成驱动模式，由该发电机提供电流以驱动曲轴继续顺转，且依据上死点判断信号判断曲轴到达上死点时，即将引擎的发电机设定成待机模式，并在曲轴到达下死点时，将该发电机设定成吸住模式，以固定该曲轴位置。据此，能够在不改变引擎及发电机装置的情况下达成惰速熄火的功能，具有低成本的功效，并且在引擎停止后无任何发电机作动。此外，本发明的曲轴角控制方法及其系统能达成曲轴位置控制性佳，进一步有效解决引擎启动时启动扭矩过大的问题，且引擎停止前后平顺无顿转、耗能低。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明曲轴角控制方法的流程示意图；
图2为本发明曲轴角控制方法中曲轴扭矩与曲轴角度的关系示意图；
图3为本发明三相霍尔信号、凸轮信号及齿讯信号对应关系的示意图；
图4为本发明曲轴角控制系统的方块图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本发明的曲轴角控制方法的主要目的在于惰速熄火时，驱动曲轴越过上死点并固定曲轴位置在下死点，如图2所示，本发明的曲轴的动态点14、15皆被驱动顺转越过压缩上死点后，将曲轴位置停在停止位置的区域，而非先前技术的曲轴在停止点13时控制曲轴往回倒转至停止位置的区域。
请参阅图1所揭示的本发明的曲轴角控制方法的流程示意图。本发明曲轴角控制方法应用于一引擎中的惰转熄火功能，该引擎可为一体式引擎发电机(IntegratedStarterGenerator,ISG)整合设计，即引擎与发电机为同轴。
在步骤S01中，先取得熄火信号。在取得熄火信号后，即在步骤S02中将发电机设定成待机模式。所谓的待机模式，是指发电机不驱动亦不发电的模式，亦是使脉波宽度调变不作动、电池不输出电流的模式。
而在取得熄火信号时，一并从引擎取得齿讯信号及上死点判断信号。在一实施例中，该上死点判断信号可为凸轮信号、控制器局域网络(ControllerAreaNetwork)信号、曲轴角速度变化信号、歧管绝对压力传感器(TheManifoldAbsolutePressuresensor，MEPsensor)信号或点火电流感测信号。以下以凸轮信号作说明，但本发明并不以此为限。如图3所示，所谓的齿讯信号，可用于代表引擎运转的机械角位置，透过两个固定齿讯之间的时间差，即可计算出目前引擎的转速。其中，该齿讯信号包括一缺齿信号11，该缺齿信号11用于提供引擎作为点火喷油的判断时点；另该凸轮信号包括一脉波信号12，该脉波信号12用于提供引擎判断曲轴的位置位于压缩上死点，而非位于排气上死点。
在一实施例中，以四行程单缸引擎为例，如图2所示，所谓的四行程具有进气行程、压缩行程、动力行程及排气行程。而压缩行程及动力行程之间的曲轴扭矩最大值即为压缩上死点，排气行程与进气行程之间为排气上死点，而位在动力行程末端与排气行程之间则为下死点。请再参阅图3，在齿讯信号中的缺齿信号11的结束点(即A点)时，若曲轴的机械角再往前顺转120度，即往齿讯方向10的方向进行顺转，则引擎活塞会到达压缩行程与动力行程之间的上死点(TDC，即B点)，并经凸轮信号的脉波信号12确认。该曲轴的机械角再进一步往前顺转180度时，则引擎活塞会到达动力行程与排气行程之间的下死点(BDC，即C点)。因此，可轻易的从引擎的齿讯信号及凸轮信号中取得该引擎的曲轴的上死点及下死点的位置。除了凸轮信号外，也可由前述的控制器局域网络信号、曲轴角速度变化信号、歧管绝对压力传感器信号或点火电流感测信号来取得该引擎的曲轴的上死点的位置。
接着在步骤S03中，判断引擎转速是否低于一特定值。若引擎转速未低于该特定值，则持续判断直到引擎转速低于该特定值；若是引擎转速低于该特定值时，则在齿讯信号中的缺齿信号11的结束点(即A点)将引擎的发电机设定成驱动模式(步骤S04至S05)。所谓的驱动模式，即可令发电机提供一电流来让曲轴继续进行转动。
在一实施例中，该特定值以曲轴能达到或越过上死点的扭力加上引擎转速从该特定值到零之间所剩余的惯量来决定。在特定值较低时，即代表引擎快接近停止状态，此时从特定值到零之间所剩余的惯量将会非常的小；在特定值仍较高时，即代表引擎所剩余的惯量仍有一定程度。而特定值的设定，将决定引擎所剩余的惯量大小，进而影响曲轴能达到或越过上死点的扭力的大小，以决定发电机所应提供的电流大小。惯量大时，顺转曲轴以达到或越过上死点的扭力可相对较小，即发电机可提供的较小电流；但惯量小时，顺转曲轴以达到或越过上死点的扭力则必须相对较大，即发电机必须提供较大电流。因此，特定值可依据不同引擎型号给予不同的设定值，本发明并不限定特定值必须为一固定值。
在步骤S06中，判断曲轴是否到达上死点。以凸轮信号为例，即依据凸轮信号的脉波信号来确认曲轴是否到达压缩上死点。若该曲轴未到达上死点，则使发电机仍维持驱动模式并持续确认曲轴是否到达上死点；若该曲轴到达上死点时，则将发电机设定成待机模式(步骤S07)。除了凸轮信号外，亦可由前述的控制器局域网络信号、曲轴角速度变化信号、歧管绝对压力传感器信号或点火电流感测信号来取得该引擎的曲轴的上死点的位置。
接着，在步骤S08中，判断曲轴是否到达下死点。若该曲轴未到达下死点，则使发电机仍维持待机模式并持续等待曲轴到达下死点；若该曲轴进一步到达该下死点时，则将该发电机设定成吸住模式(步骤S09)，以固定该曲轴位置。
接着，在步骤S10中，判断该发电机在吸住模式中固定该曲轴位置的秒数是否高于一特定秒数，若是高于特定秒数时，则释放发电机吸住力(步骤S11)，即将发电机从吸住模式改成待机模式，以确保发电机可处于待机状态，且曲轴位置已进入预设角度范围不再产生移动。在一实施例中，该特定秒数为使用者所自行设定的秒数。
在一实施例中，该引擎的曲轴的上、下死点的侦测方式，为将该引擎的机械角转换成该发电机的电气角后来进行侦测，即以电气角来控制该引擎的曲轴位置。详言之，请再参阅图3，发电机可提供三相霍尔信号，如U相、V相、W相，据此可计算得知曲轴的电气角信息。以上死点判断信号中的凸轮信号为例，将此三相霍尔信号对应至齿讯信号及凸轮信号，即可建立如图3所示的对应关系。在缺齿信号11的结束点(A点)的曲轴继续顺转120度机械角，即为上死点(B点)，此亦为凸轮信号的脉波信号12的产生点，进一步继续顺转180度机械角，即为下死点(C点)。
而此120度、180度的机械角能进一步转换成发电机的电气角后，以电气角控制曲轴位置。在一实施例中，以14极一体式马达发电机搭配60齿系列为例，寻找曲轴上、下死点的计算方式，能分别以下述公式求得：
故驱动840度电气角后，曲轴即到达压缩行程与动力行程之间的压缩上死点(如图2所示)。再进一步驱动1260度电气角后，曲轴即到达动力行程与排气行程之间的下死点，但本发明并不需要准确地将曲轴位置停在下死点，只需要将曲轴位置停在越过压缩上死点后的停止位置的区域即可，曲轴位置自然会落在下死点的位置(如图2所示)。由不同齿系对应三相霍尔信号的关系就可以知道移动几度的机械角需要移动几度的电气角，而以电气角控制机械角的方式能有效提高角度分辨率，达到精准控制的目的。
在一实施例中，所谓的发电机的吸住模式，是指改变脉波宽度调变的三相霍尔信号顺序，而使该发电机的磁场短暂交错。详言之，脉波宽度调变的U、V、W相霍尔信号使曲轴转动有其顺序，例如使曲轴正转可依序提供U、V、W相，欲使曲轴逆转则可依序提供W、V、U相。然而，若要使发电机的磁场短暂交错，则可提供错相的三相霍尔信号的顺序，例如依序提供U、W、V相，发电机则会因为此错相而其磁场会短暂交错，曲轴则瞬间停止运转，据此可达到固定曲轴位置的目的。
如图4所示，本发明更提供一种曲轴角控制系统，其包括引擎21、发电机22、电池23、整车控制器24以及驱动控制器20，该驱动控制器20连接该引擎21、发电机22、电池23及整车控制器24。
在一实施例中，该引擎21及该发电机22为同轴，即为一体式引擎发电机(IntegratedStarterGenerator,ISG)整合设计。
该引擎21用于提供齿讯信号及上死点判断信号。该发电机22以霍尔传感器、编码器或解角器来提供转子位置，即用于提供三相霍尔信号。该整车控制器24则用于提供熄火信号。在一实施例中，该上死点判断信号可为凸轮信号、控制器局域网络信号、曲轴角速度变化信号、歧管绝对压力传感器信号或点火电流感测信号。
该驱动控制器20包括功率信号闸201、脉波宽度调变单元203及计算单元202，该脉波宽度调变单元203用于将模拟信号转换并输出脉波宽度调变信号，该功率信号闸201用于控制该脉波宽度调变单元203的作动，以控制电池23的电流输出。例如利用该驱动控制器20关闭该功率信号闸201时，脉波宽度调变单元203即不作动，故电池23不会有电流输出。若该驱动控制器20开启该功率信号闸201时，控制该脉波宽度调变单元203开始作动，故电池23会有电流输出。藉由驱动控制器20控制该功率信号闸201，得以控制脉波宽度调变单元203的作动及电池23的电流输出。其中，该电池23可为太阳能电池、燃料电池或二次电池等电力能源。
该计算单元202用于接收整车控制器24所提供的熄火信号、该引擎21的齿讯信号、上死点判断信号及该发电机22的三相霍尔信号，并能依据该齿讯信号及上死点判断信号取得引擎21的曲轴的上死点及下死点。该上死点及下死点的取得方式如前所述，在此不再赘述。
在一实施例中，该计算单元202在接收到该熄火信号时，控制该驱动控制器20先关闭该功率信号闸201，以使该脉波宽度调变单元203不作动，电池23也不会有电流输出。
在一实施例中，该计算单元202在引擎21的引擎转速低于一特定值时，能在该齿讯信号中的缺齿信号的结束点控制该驱动控制器20开启该功率信号闸201，此频率波宽度调变单元203开始作动，电池23会有电流输出。因此，电池23能输出电流到发电机22来驱动引擎21的曲轴，进一步使曲轴达到或越过上死点。如前所述，此一电流大小能依据引擎转速的特定值来加以决定，在此不再赘述。
在一实施例中，该计算单元202能在曲轴到达上死点时，控制该驱动控制器20关闭该功率信号闸201，让脉波宽度调变单元203不作动，电池23不会有电流输出。
在一实施例中，该计算单元202能在曲轴到达下死点时，控制该驱动控制器20启动该功率信号闸201并令该脉波宽度调变单元203改变该三相霍尔信号顺序，以固定该曲轴位置。改变三相霍尔信号顺序的叙述内容如前所述，在此不再赘述。
在一实施例中，该计算单元202在固定该曲轴位置时，会判断固定该曲轴位置的秒数是否高于一特定秒数，若是，则令该脉波宽度调变单元203回复该三相霍尔信号原有的顺序，并让该计算单元202控制该驱动控制器20关闭该功率信号闸201，以使该脉波宽度调变单元203不作动，电池23也不会有电流输出，进一步让曲轴不再因发电机22磁场短暂交错而被固定，以使曲轴位置已进入预设角度范围不再产生移动。
综上所述，本发明的曲轴角控制方法及其系统，能在取得熄火信号后引擎即将惰转熄火时，先将发电机设定成待机模式。接着，判断引擎转速是否低于一特定值。在引擎转速低于特定值时，即在惯量未消失前，将发电机设定成驱动模式，以提供一电流驱动曲轴达到或越过压缩行程与动力行程之间的上死点后，再将发电机设定成待机模式。而在曲轴到达动力行程与排气行程之间的下死点时，将发电机设定成吸住模式，以固定曲轴停留在动力行程后段(排气阀即将打开前)的位置。据此，能够在不改变引擎及发电机装置的情况下达成惰速熄火的功能，具有低成本的功效，有效解决引擎启动时启动扭矩过大的问题。且利用惯量能减少驱动耗能，使引擎停止前后平顺无顿转现象。
此外，本发明的曲轴角控制方法及其系统中侦测曲轴是否到达上死点及下死点的位置的方法，由引擎的机械角转换成发电机的电气角后来进行。以电气角控制机械角的方式能有效提高角度分辨率，故能达精准控制的目的。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (25)
1.一种曲轴角控制方法，其特征在于，应用于一引擎中，包括：
取得熄火信号，并依据该引擎的齿讯信号及上死点判断信号取得该引擎的曲轴的上死点及下死点；
判断该引擎的引擎转速是否低于一特定值，若是，则在该齿讯信号中的缺齿信号的结束点将该引擎的发电机设定成驱动模式；以及
依据该上死点判断信号判断该曲轴达到该上死点时，将该发电机设定成待机模式，并在该曲轴进一步达到该下死点时，将该发电机设定成吸住模式，以固定该曲轴位置。
2.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该上死点判断信号为凸轮信号、控制器局域网络信号、曲轴角速度变化信号、歧管绝对压力传感器信号或点火电流感测信号。
3.如权利要求2所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该引擎的曲轴的上死点及下死点的侦测方式，是将该引擎的机械角转换成该发电机的电气角后，并依据该凸轮信号上的脉波信号确认该上死点的位置，以依据该电气角控制该引擎的曲轴位置。
4.如权利要求3所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该发电机的电气角由该发电机的三相霍尔信号所计算出。
5.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，取得该熄火信号时，更包括将该引擎的发电机设定成待机模式的步骤。
6.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该上死点是指压缩行程与动力行程之间的上死点。
7.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该下死点是指动力行程与排气行程之间的下死点。
8.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该引擎与该发电机为同轴。
9.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，将该引擎的发电机设定成驱动模式后，由该发电机提供一电流以驱动该曲轴达到或越过该上死点。
10.如权利要求9所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该特定值为依据该曲轴能达到或越过该上死点的扭力及该引擎转速从该特定值到零之间所剩余的惯量来加以决定。
11.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该发电机的待机模式是指该发电机不驱动亦不发电的模式。
12.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，该发电机的吸住模式是指改变脉波宽度调变的三相霍尔信号顺序而使该发电机的磁场短暂交错的模式。
13.如权利要求1所述的曲轴角控制方法，其特征在于，在将该发电机设定成吸住模式后，更包括下列步骤：判断该发电机在吸住模式中固定该曲轴位置的秒数是否高于一特定秒数，若是高于特定秒数时，将该发电机设定成待机模式。
14.一种曲轴角控制系统，其特征在于，包括：
引擎，用于提供齿讯信号及上死点判断信号；
发电机，用于提供三相霍尔信号；
整车控制器，用于提供熄火信号；以及
驱动控制器，其连接该引擎、该发电机及该整车控制器，该驱动控制器包括：
脉波宽度调变单元；
功率信号闸，用于控制该脉波宽度调变单元的作动，以控制电池的电流输出；及
计算单元，接收该熄火信号、该上死点判断信号、该齿讯信号及该三相霍尔信号，并依据该齿讯信号及该上死点判断信号取得该引擎的曲轴的上死点及下死点，且在该曲轴达到该上死点时关闭该功率信号闸，在该曲轴进一步达到该下死点时，启动该功率信号闸并令该脉波宽度调变单元改变该三相霍尔信号顺序，以固定该曲轴位置。
15.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该上死点判断信号为凸轮信号、控制器局域网络信号、曲轴角速度变化信号、歧管绝对压力传感器信号或点火电流感测信号。
16.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该计算单元在该引擎的引擎转速低于一特定值时，在该齿讯信号中的缺齿信号的结束点开启该功率信号闸，以使该电池输出电流至该发电机以驱动该引擎的曲轴达到或越过该上死点。
17.如权利要求16所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该特定值为依据该曲轴能达到或越过该上死点的扭力及该引擎转速从该特定值到零之间所剩余的惯量来加以决定。
18.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该引擎与该发电机为同轴。
19.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该上死点是指压缩行程与动力行程之间的上死点。
20.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该下死点是指动力行程与排气行程之间的下死点。
21.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该发电机以霍尔传感器、编码器或解角器来提供该三相霍尔信号。
22.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该电池为太阳能电池、燃料电池或二次电池等电力能源。
23.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该计算单元在接收到该熄火信号时，控制该驱动控制器先关闭该功率信号闸，以使该脉波宽度调变单元不作动，电池亦不会有电流输出。
24.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，脉波宽度调变单元用于将模拟信号转换并输出脉波宽度调变信号，该功率信号闸用于控制该脉波宽度调变单元的作动，以控制电池的电流输出。
25.如权利要求14所述的曲轴角控制系统，其特征在于，该计算单元在固定该曲轴位置时，判断固定该曲轴位置的秒数是否高于一特定秒数，若是，则关闭该功率信号闸并令该脉波宽度调变单元回复该三相霍尔信号的顺序。
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