CN108431401A - 起停系统中用于管理内燃机重新起动的方法 - Google Patents

起停系统中用于管理内燃机重新起动的方法 Download PDF

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Abstract

起停系统中用于管理内燃机的重新起动的方法，使用由电机控制单元(EMU)管理的电机，通过置于曲轴上的传感器通过内燃机控制单元(ECU)提供直接评估曲轴的旋转状态的第一步骤：如果旋转状态高于对应于传感器精度丧失的预定阈值，则在重新打开节流阀的情形中，所述内燃机控制单元(ECU)继续提供燃料并点火；否则，则通过电机控制单元(EMU)提供曲轴定位步骤，包括：曲轴前向旋转过预定前向旋转角度；检测随后的可能的活塞失速状态，在否定情形下，通过附加的前向曲轴旋转直到到达最大预定前向旋转角度为止；曲轴逆向旋转过预定角度；以及检测随后的可能的活塞失速状态，在否定情形下，通过附加的逆向曲轴旋转直到到达最大预定逆向旋转角度为止。

Description

起停系统中用于管理内燃机重新起动的方法
本发明涉及一种使用作用在内燃机的曲轴上且由电机控制单元(EMU)管理的电机在起停系统中用于管理内燃机、即单缸发动机的重新起动的方法。
该方法尤其有利于执行发动机的起动程序，其中，当车辆静止时设置有发动机的自动关闭，并且优选地，该方法适合于用于诸如摩托车之类的机动车辆的单缸发动机，在这类机动车辆中，显然甚至用作发电机的电机直接安装在曲轴上。
目前，这类发动机广为认知地被称作起停发动机。
在该构造中，人们试图优化尺寸和电机为了能够执行其功能而必须能够施加的转矩。
为此，当发动机必须重新起动时、即当发动机因车辆已停止而关闭时，使用重新起动程序，通过考虑后者必须在非常短的时间内发生并通过绝对避免活塞在气缸内的失速来提供电机的旋转，从而将活塞布置在气缸内的需要最低可能的转矩来重新起动的位置上。
欧洲专利申请第1,406,010 A2号公开了一种发动机起动控制装置，其中，曲轴的旋转状态通过置于电机上的昂贵且同时连接至电机控制单元(EMU)以及内燃机控制单元(ECU)的传感器检测。该步骤可能在起动系统内部所需连接方面是繁琐的，且需要较大的计算能力。
美国专利第5,458,098A号描述了一种为汽车类型的多缸发动机设计的这种类型的程序。
一般而言，电机在该步骤中以受限的转矩旋转，因而，通过使曲轴向前和向后旋转，活塞无法超出与压缩步骤相对应的上死点。
在上述文献中，在每次停止时执行后向旋转，所述逆向旋转将活塞从更接近压缩步骤的角度移开：从此时开始，电机前向旋转用以起动，即使转矩由于从更为接近的步骤起动而还未足以超出更接近的压缩阶段，在前向旋转期间积累的动能也允许通过重新起动发动机超出更接近的压缩步骤。
假设之前活塞不锁定逆向旋转，则以预先建立的旋转角度(在四缸发动机的情形下为π/4，其中，每旋转π/2存在压缩步骤)执行逆向旋转或持续预先建立的旋转时间执行逆向旋转。
然而，在单缸发动机中，相邻的压缩步骤之间就旋转角度而言隔开2π的角度，因而难以建立固定的角度和/或逆向旋转时间来确保执行重新起动。
甚至在美国专利第5,713,320 A号中描述了一种类似于前述程序的程序，其中，电机以低功率逆向地旋转，直到到达更接近的压缩步骤为止。
欧洲专利第1,046,813号描述了一种逆向旋转程序，其中，在逆向旋转期间设置有检测摩擦力的传感器的介入，以便了解逆向旋转何时可以停止。
然而，要指出的是，此类传感器必须作为点火系统的附加部件，而且系所要管理的额外资源。
另一方面，欧洲专利第1,233,175号描述了一种使用传感器的程序，该传感器能够检测曲轴的绝对角度位置，因而对前述文献的评述对其也是有效的。
类似地，欧洲专利第1,321,666号描述了一种程序，其中，检测的是施加至曲轴的逆向旋转角度。
欧洲专利申请第1,365,145号的程序类似于在所提及的文献中描述的那些程序。
在欧洲专利第1,375,907号的程序中，为了了解何时中断逆向旋转，则要检测曲轴的速度而非曲轴的位置，因而要求附加传感器的存在。
替代地，美国专利第6,877,470号描述了一种程序，其中，在逆向旋转之前，进行前向旋转直到压缩步骤为止，从而确实能够使用已完成的逆向旋转量。然而，该程序考虑用于存在小旋转和高转矩的汽车领域。
欧洲专利申请第1,055,816 A1号描述了一种程序，其中，为了能够执行重新起动，必须通过高精度地知悉发动机角度位置来进行定位。
然而，要指出的是，一旦驾驶员在完成关闭之前、即当发动机保持旋转状态时决定重新起动，这些重新起动方法还受到发动机的固有惯性的影响。
在该情形中，必须指出的是，布置在发动机曲轴上的普通转速传感器提供了信号，该信号在特定的预定阈值以下丧失分辨度，预定阈值取决于所使用的传感器的质量。
该精度的丧失使得不能确切地评估发动机何时可仅通过惯性或由于发动机控制单元ECU继续提供燃料混合物并点火而无需完成关闭程序就重新起动。
然而，不考虑该数据，要在发动机尚未停止时重新打开节流阀的话，就需要完全停止发动机并重新起动发动机，该程序可能涉及时间浪费，这在驾驶员看来是不利的。
本发明的技术问题在于提供一种允许克服参考现有技术所提到的缺点的点火方法。
该问题由如上所详述且在所附权利要求1中所限定的起动方法来解决。
根据本发明的起动方法的主要优点在于允许即使通过使用在最大转矩和尺寸方面优化的电机且依赖于置于曲轴上的简易速度传感器也保证起动，内燃机控制单元不连接至电机控制单元的传感器。
事实上，逆向旋转的起动位置和结束位置两者都通过随后满足以下两个条件中的至少一个来确定：一个条件与可能导致的活塞失速有关，而另一条件则与最大旋转角度的实施有关。
活塞失速是指当内燃机的活塞达到压缩阶段时所确定的失速，该失速不可由电机克服，接近活塞行程的上死点和下死点。
如在下文中将变得清楚的，为了管理前向和后向(逆向)旋转，电机控制单元EMU并不需要使用附加的传感器。预定的前向和逆向旋转角的值存储在电机的电机控制单元(EMU)中。
下文将通过参考附图，根据作为示例而非出于限制性目的提供的较佳实施例来描述本发明，附图中：
图1示出了执行根据本发明的起动方法的点火系统的图；
图2示出了基于确定曲轴的旋转状态的重新起动逻辑；
图3示出了框图，说明了在根据本发明的起动方法中的定位策略；
图4示出了框图，说明了在根据本发明的重新起动方法中的点火策略；以及
图5示出了在重新起动期间关键的旋转状态时发动机的运行参数的图。
通过参考图1，呈现的是一种提供用于单缸内燃机的适合于执行根据本实施例的起动方法的点火系统。
点火系统包括具有永磁体的无刷式三相电机(三相机)，该三相电机由致动装置(电机驱动器)驱动，该致动装置又通过电池接收电流。
致动装置和电池两者都由电机控制单元(EMU)管理，电机控制单元布置成通过合适的输入(起动命令)接收发动机点火命令。在特定的情形中，该输入能接收由以下方式产生的信号：通过按钮、通过转动钥匙、通过打开来自加速器的燃料供应的系统的节流阀、通过换挡或者通过检测由驾驶员在命令、踏板或旋钮或加速器上施加的起动信号等等。
最后两种类型的起动信号是在发动机和点火系统布置成在每次停车时或者在每次停止超过一定持续时间时关闭发动机的情形下使用的信号，以便当驾驶员表现出恢复驾驶的意图时自动重新点火发动机，就好像发动机先前没有停止一样。
电机控制单元(EMU)通过一个或多个合适的电传感器(电流传感器)接收涉及至电机的电流供应的数据；电机控制单元(EMU)还接收代表电机的转子相对于定子的相对位置的脉冲。
在本实施例中，这种脉冲是由电机的定子的相位传感器(位置传感器)产生的相位脉冲，这些相位传感器也就是定子所配备的具有霍尔效应的三个传感器。
电机通过曲轴直接机械地连接至内燃机，该曲轴与电机的轴重合。
此外，电机的定子还配备有特别的传感器，该特别的传感器提供表示转子相对于定子的旋转方向的信号。
例如，由包括两个具有霍尔效应的子传感器的传感器所产生的这种信号不连接至电机控制单元，而是连接至用于内燃机控制单元(ECU)，该内燃机控制单元(ECU)调节内燃机的电力供应、也就是火花塞，以及燃料混合物的供应。
最后，转速传感器布置在曲轴上，从而直接检测轴的旋转状态，并将其提供至内燃机控制单元(ECU)。
通过参考本实施例，这种点火系统布置成用于基本上摩托车类型的四冲程单缸发动机。
参考图2，重新起动程序提供了对曲轴的旋转状态的直接评估：建立曲轴的第一旋转状态阈值，超过该第一旋转状态阈值，在发动机的节流阀重新打开的情形中，发动机继续仅通过惯性开启；此外，建立第二阈值，在该第二阈值以下，发动机将执行此后将详细说明的关闭和重新起动程序。
对于普通发动机上述阈值等于约800转/分(第一阈值)且等于100－150转/分(第二阈值)，在上述阈值之间，在发动机的节流阀重新打开的情形中，内燃机控制单元(ECU)进行燃料的喷射和火花塞的点火，使得发动机可快速重新起动而无需完整的关闭和重新起动程序。
第二阈值取决于布置在曲轴上且连接至内燃机控制单元(ECU)的传感器(转速传感器)所提供的信号何时失去准确性，且第二阈值基于该评估而设定。
以此方式，可能直接重新起动发动机，而无需将内燃机控制单元(ECU)连接至比曲轴上的传感器更复杂的传感器。
接着，在本方法中，基于上述根据曲轴上所使用的转速传感器而预定的阈值提供对曲轴的旋转状态的直接评估：如果旋转状态在该预定阈值以上，则在节流阀重新打开的情形中，内燃机控制单元(ECU)继续向发动机提供燃料和点火。
参考图5，从顶部起的第一曲线(节流阀)代表节流阀的位置，当节流阀打开时，节流阀确定了重新起动要被关闭的发动机的命令(打开大约发生在时刻149.5处)。
从顶部起的第二曲线代表了由直接位于曲轴上的传感器检测的曲轴的旋转状态(转速)；还用实现表示了取决于传感器的所述预定阈值(在该情形中为150转/分)。
从顶部起的第三曲线代表了来自传感器的信号的分辨度(转速提取)。
从顶部起的第四曲线代表了最小空气阀的命令(空气)。
从顶部起的第五曲线代表了汽油喷射(汽油)。
从顶部起的第六曲线代表了火花致动(火花)。
转速传感器用来使内燃机控制单元(ECU)知悉曲轴的位置，且因而该步骤是完全被动类型的，因而，当曲轴速度降至预定阈值以下、优选地不高于150转/分时，不再有足够的流量变化，因而，所产生的信号不再被认为是可靠的，且随后可能发生由内燃机控制单元(ECU)提供的命令的同步性的丧失。
因而，在从曲轴的零速度起动的起动步骤中，可能在重新建立同步并尝试正确起动发动机之前超过150转/分。这转变为起动热机所需的时间的增加。
于是，该策略设置为，如果在发动机的关闭期间接收到新起动的请求，则发动机控制单元(ECU)中断关闭程序，且如果回转阈值保持在150转/分上方，则发动机控制单元(ECU)再次驱动热机，这样一来，节省了重新建立从零速起动的同步所需的全部时间。
在该图中要指出的是，在时刻149.0处，汽油信号降至零(第五曲线)，这预告了停止发动机的请求；在时刻149.5处，使用者通过打开节流阀表明了重新起动的意图，且发动机控制单元(ECU)知悉曲轴的旋转状态仍在预设阈值、即150转/分以上，因而，喷射器被再次驱动，且发动机立刻重新起动，就像从未失去同步那样。
在相反情形中，执行关闭和起动程序，特别地，此后详细说明在通过电机控制单元(EMU)关闭发动机、即车辆的完全停止之后发生的第一定位步骤。
该定位步骤包括使得电机第一次前向旋转过第一预定前向旋转角度。该旋转使得内燃机的活塞接近其后续压缩步骤，理想的是，可以旋转过包括在0°至720°之间的旋转角度。
第一次前向旋转的第一预定角度可包括在350°至700°之间，优选地是550°。
如果在该旋转期间电机由于活塞到达活塞失速位置而停止、即如果活塞到达压缩步骤，则电机控制单元(EMU)通过电机的表现、即借助电流强度传感器或者通过计数会过早地中断的相位脉冲来检测活塞失速，并在此时点处，电机准备好受控进行逆向旋转。
在否定的情形下，如果未检测到可能的活塞失速状态，则电机由该电机的控制单元(EMU)控制进行附加的前向旋转，直到到达最大预定前向旋转角度为止，此时电机停止。
这种最大前向旋转角度通过由所述相位传感器所检测出的相位脉冲的数量N来确定。脉冲的数量N的选择使得确保了旋转角度能确切地达到前向压缩步骤。
优选地，N包括在35至70之间，例如等于55。
要满足该第二条件，定位步骤包括逆向旋转，该逆向旋转以与针对前向旋转所描述的类似的方式发生。
首先，执行第一次逆向旋转，以转过优选地包括在350°至700°之间的、例如是550°的第一预定逆向旋转角度；如果如前描述电机控制单元(EMU)检测到到达活塞失速状态，则电机准备好进行后续的点火步骤。
在否定的情形下、即如果并未检测到活塞失速，则电机由该电机的控制单元(EMU)控制进行附加的逆向旋转，直到到达最大预定逆向旋转角度为止。
同样，该最大逆向旋转角度对应于由所述相位传感器所检测到的相位脉冲的数量M，从而确保失速。优选地，M包括在35至70之间，例如是55。
要满足该第二条件，结束定位步骤且点火系统准备好执行后续点火步骤(图3)。
甚至点火步骤也遵循与之前所描述模式类似的模式。
首先，通过以最大转矩致动电机来控制该电机向前(旋转)，而在之前旋转中，该条件并非是严格必需的。
如果之前执行的定位是正确的且如果所有其它环境条件允许，则发动机通过越过后续压缩阶段而开启。
要指出的是，在该步骤中，内燃机控制单元(ECU)基于由方向传感器所接收的信号而授权火花塞的点火和混合物供应，而不通过电机控制单元管理该信息。
如果发动机未开启，则该发动机会处于附加失速的状态中。在该情形中，借助之前针对定位步骤所描述的仅逆向旋转来重复定位程序。
然而，要指出的是，在该逆向旋转期间，即使在可能到达压缩步骤时，借助由所述方向传感器所接收的信号，内燃机控制单元(ECU)也会直接地抑制火花塞的点火和混合物的供应。
在甚至可能执行第二预定逆向旋转角度的逆向旋转结束时，再次执行点火步骤，并重复持续，直到点火为止或者直到执行预定尝试数量X为止，在尝试数量X结束时，系统将发出故障情况的信号。
对于上述用于起动内燃机的方法，本领域技术人员为了满足附加的且不确定的需求可引入若干附加的修改和变型，然而，所有这些修改和变型均落在由所附权利要求所限定的本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种起停系统中用于管理内燃机的重新起动的方法，所述方法使用作用在所述内燃机的曲轴上且由电机控制单元(EMU)管理的电机，通过直接置于所述曲轴上且连接至所述内燃机的内燃机控制单元(ECU)的转速传感器提供直接评估所述曲轴的旋转状态的第一步骤：如果所述旋转状态高于预定阈值，则在重新打开节流阀的情形中，所述内燃机控制单元(ECU)继续向发动机提供燃料并点火；如果所述旋转状态低于所述预定阈值，则提供在起动命令之后启动的曲轴定位步骤和点火步骤，所述预定阈值对应于所述转速传感器的信号精度损失，其中，借助所述电机控制单元(EMU)的所述曲轴定位步骤包括：
·曲轴前向旋转过预定前向旋转角度；
·检测随后的可能的活塞失速状态，在否定情形下，通过附加的前向曲轴旋转直到到达最大预定前向旋转角度为止；
·曲轴逆向旋转过预定角度；以及
·检测随后的可能的活塞失速状态，在否定情形下，通过附加的逆向曲轴旋转直到到达最大预定逆向旋转角度为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定阈值不超过150转/分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活塞失速状态由所述发动机控制单元(EMU)检测，所述发动机控制单元通过电传感器(电流传感器)接收涉及所述电机的电流供应的数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活塞失速状态由所述发动机控制单元(EMU)检测，所述发动机控制单元接收由所述电机的定子的相位传感器所检测到的涉及相位脉冲数的信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机的定子配备有传感器，所述传感器提供表示转子相对于所述定子的旋转方向的信号，所述信号被发送至所述内燃机控制单元(ECU)，从而调节所述内燃机的燃料供应和点火。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次前向旋转的所述预定前向旋转角度包括在350°至700°之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大前向旋转角度通过由所述相位传感器所检测出的相位脉冲数N来确定。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次前向旋转的所述预定逆向旋转角度包括在350°至700°之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大逆向旋转角度通过由所述相位传感器所检测出的相位脉冲数M来确定。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括点火步骤，所述点火步骤提供曲轴前向旋转，以确定所述内燃机的起动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，如果尚未实施起动，则借由之前针对所述定位步骤所描述的仅逆向曲轴旋转来重复定位程序，直到点火为止或者直到执行预定尝试次数X为止，在所述预定尝试次数X结束时，系统将发出故障情况的信号。
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