发动机起动系统和方法与流程

1.本公开内容涉及内燃机起动系统。


背景技术：

2.内燃机可以通过旋转发动机曲轴同时向气缸提供燃料来起动。取决于所涉及的发动机类型，燃料可以通过火花或压缩来点燃。大排量发动机和更高压缩比的发动机在发动机起动时需要很大的旋转力。
3.一种已知的发动机起动系统包括通过小齿轮选择性地接合发动机飞轮齿圈的起动马达。对于起动机电机，曲轴扭矩在低速时较高，主要是由于齿圈与小齿轮的传动比较高，但随着速度的增加会急剧下降。另一种已知的发动机起动系统包括通过皮带和皮带轮装置连接到发动机曲轴的起动机/发电机单元(sgu)。对于起动机/发电机单元(sgu)，由于低的皮带传动比，曲轴扭矩在低速时较低，但是在较高的发动机速度时可以提供相对较高的扭矩。成功的起动需要在起动循环期间保持发动机速度足以可靠地起动发动机，避免失速和避免导致令人讨厌的噪音、振动和不平稳(nvh)性能的大的速度偏差。一些车辆可能配置有用于发动机冷启动的启动马达系统和用于在停止/启动情况下(例如在交通信号灯处停止时)发动机重新启动的起动机/发电机单元(sgu)。


技术实现要素：

4.在一个示例性实施例中，用于内燃机的起动系统可以具有可旋转地连接到发动机曲轴的第一电机，可旋转地连接到发动机曲轴的第二电机以及执行发动机起动循环的控制器，包括使第一电机转动发动机，从停止的发动机状态开始并在基本上对应于经历第一压缩冲程的第一活塞的上止点燃烧位置的曲轴角度处结束，并使第二电机在经历第一压缩冲程的第一活塞的下止点进气位置之后的曲轴角度处开始转动发动机。
5.除了这里描述的一个或多个特征，第一电机可以选择性地可旋转地连接到发动机的曲轴。
6.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一电机可以包括起动马达单元。
7.除了这里描述的一个或多个特征之外，第二电机可以包括起动机/发电机单元。
8.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一电机可以通过第一电机的小齿轮可旋转地连接到发动机的曲轴，该小齿轮与连接到飞轮的环形齿轮啮合，该飞轮连接到曲轴。
9.除了这里描述的一个或多个特征之外，第二电机可以通过皮带传动装置可旋转地连接到发动机的曲轴，该皮带传动装置包括连接到第二电机的第一皮带轮、连接到曲轴的第二皮带轮以及连接在第一皮带轮和第二皮带轮之间的皮带。
10.除了这里描述的一个或多个特征之外，执行发动机起动循环的控制器还可以使第一电机在至少一个后续压缩冲程期间的曲轴角度开始转动发动机，并在基本上对应于至少一个后续压缩冲程结束的曲轴角度结束。
11.在另一个示例性实施例中，起动系统可以包括具有曲轴的内燃机、连接到曲轴的
飞轮和在其周边连接到飞轮的环形齿轮、具有可旋转地连接到电动机的小齿轮的起动机电动机单元，小齿轮可控制地接合到环形齿轮，电动机可控制地通电以引起小齿轮的旋转，起动机/发电机单元可旋转地连接到曲轴，以及控制器，其使小齿轮与环形齿轮啮合，并激励电动机从停止的发动机状态开始转动发动机，并在基本上对应于经历压缩冲程的第一活塞的上止点燃烧位置的曲轴角度处结束，并使起动机/发电机单元在经历压缩冲程的第一活塞的下止点进气位置之后的曲轴角度处开始转动发动机。
12.除了在此描述的一个或多个特征之外，当发动机滑行至发动机停止状态时，可以使小齿轮与环形齿轮啮合。
13.除了在此描述的一个或多个特征，当发动机低于预定的曲轴速度目标时，可以使小齿轮与环形齿轮啮合。
14.除了在此描述的一个或多个特征之外，起动机/发电机单元可以包括励磁线圈，并且控制器可以在电动机通电时并且在起动机/发电机单元转动发动机之前引起励磁线圈的预磁通。
15.除了这里描述的一个或多个特征之外，起动系统可以包括感测曲轴旋转的旋转传感器，其中旋转传感器向控制器提供曲轴角度信息。
16.除了这里描述的一个或多个特征之外，起动系统可以包括旋转传感器，该旋转传感器感测起动机/发电机单元的旋转，该旋转与曲轴的旋转同步，其中旋转传感器向控制器提供曲轴角度信息。
17.除了在此描述的一个或多个特征之外，控制器可以使起动马达单元在至少一个随后的压缩冲程期间以曲轴角度开始转动发动机，并且在基本上对应于至少一个随后的压缩冲程结束时的曲轴角度结束。
18.在又一个示例性实施例中，一种执行发动机起动循环的方法可以包括在初始起动时间段期间用起动机转动发动机，该初始起动时间段从停止的发动机状态开始并在基本上对应于经历压缩冲程的第一活塞的第一压缩冲程的结束的曲轴角度处结束，并且用起动机/发电机转动发动机不晚于在第一压缩冲程期间的曲轴角度处开始并持续直到发动机起动循环结束。
19.除了在此描述的一个或多个特征，用起动机/发电机起动发动机可以从停止的发动机状态开始。
20.除了在此描述的一个或多个特征，用起动机/发电机转动发动机可以在第一压缩冲程期间开始。
21.除了在此描述的一个或多个特征之外，发动机起动循环可以包括在至少一个随后的压缩冲程期间以一个曲轴角度开始并且在基本上对应于至少一个随后的压缩冲程结束的曲轴角度结束时用起动马达起动发动机。
22.除了在此描述的一个或多个特征之外，发动机起动循环可以包括在初始起动期间预磁通起动机/发电机的励磁线圈，直到用起动机/发电机开始转动发动机。
23.除了在此描述的一个或多个特征之外，发动机起动循环可以包括在发动机滑行到发动机停止状态时，将起动机的小齿轮接合到与曲轴相连的飞轮的环形齿轮上。
24.当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
25.其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中:
26.图1示意性地描绘了根据一个或多个实施例的车辆和内燃机系统；
27.图2示出了根据一个或多个实施例的示例性内燃机系统中的电机的一般扭矩对速度特性的图表；
28.图3示意性地示出了根据一个或多个实施例的车辆的电气系统；
29.图4示出了根据一个或多个实施例的示例性汽缸压缩和相应的电机命令；和
30.图5是示出根据一个或多个实施例的发动机起动方法的示例性实施的流程图。
具体实施方式
31.以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。如这里所使用的，控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、电子控制单元、处理器和类似的术语表示一个或多个专用集成电路(asic)、电子电路、中央处理单元(优选微处理器)和相关的存储器和存储装置(只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电可编程只读存储器(eprom)、硬盘驱动器等)中的任何一个或各种组合。)或执行一个或多个软件或固件程序或例程的微控制器、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备(i/o)以及适当的信号调节和缓冲电路、高速时钟、模数(a/d)和数模(d/a)电路以及提供所述功能的其他组件。控制模块可以包括各种通信接口，包括点到点或离散线路以及到网络的有线或无线接口，所述网络包括广域网和局域网、车辆控制器局域网以及厂内和服务相关网络。在本公开中阐述的控制模块的功能可以在几个联网的控制模块之间的分布式控制架构中执行。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语是指任何控制器可执行指令集，包括校准、数据结构和查找表。控制模块具有一组被执行以提供所述功能的控制例程。例程例如由中央处理单元执行，并且可操作以监测来自感测装置和其他联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。在正在进行的发动机和车辆操作期间，可以定期执行程序。可选地，例程可以响应于事件的发生、软件调用或者根据经由用户界面输入或请求的要求来执行。
32.根据一个或多个示例性实施例，本文描述了用于发动机起动的方法和系统。更具体地，本文描述了一种起动系统和方法，其在发动机起动循环期间在所有发动机曲轴速度下向发动机提供足够的起动扭矩。
33.图1示出了示例性车辆10的实施例。车辆10可以是任何汽车、卡车、飞机、建筑设备、农场设备、工厂设备等。无论是用户操作还是自主操作。车辆10包括内燃机系统101，内燃机系统101包括多缸内燃机(发动机)102。内燃发动机系统101可包括控制系统架构135，该控制系统架构135包括一个或多个电子控制单元(ecu)137，该电子控制单元137可通过总线结构139通信连接以执行控制功能和信息共享，包括本地和以分布式方式执行控制例程。总线结构139可包括控制器局域网(can),如本领域普通技术人员所熟知的。一个示例性ecu可包括控制器145，其主要基于多个输入执行与内燃机监测、控制和诊断相关的功能。如本领域普通技术人员所理解的，输入可以直接耦合到控制器145，或者可以从各种众所周知的传感器、计算、推导、合成、其他ecu并通过can或其他总线结构139提供给控制器145或在控
制器145内提供。发动机102包括可旋转地连接到飞轮105和曲轴皮带轮107的曲轴103。编码器或其他旋转传感器147可以向控制器145提供曲轴103速度和绝对位置(曲轴角度)信息。飞轮105的外周包括环形齿轮109。起动机马达单元(smu)111包括起动机马达(smu马达),该起动机马达可旋转地连接到小齿轮113，该小齿轮113可控制地与飞轮105的环形齿轮109接合，用于在发动机起动循环期间将旋转传递给飞轮105和发动机曲轴103。smu111可以包括减速齿轮装置，例如将smu马达连接到小齿轮113的行星齿轮组。在所示的一个实施例中，起动机-发电机单元(sgu)115可以通过皮带传动装置连接到发动机曲轴103。sgu 115因此可以包括sgu滑轮117。皮带119将sgu皮带轮117可旋转地连接到曲轴皮带轮107上，用于在它们之间双向连接扭矩。作为非限制性示例，替代的驱动装置可包括链条、齿轮驱动或流体扭矩耦合器。此外，替代实施例可包括与发动机102缸体集成的sgu，并直接或通过替代的扭矩耦合装置如行星齿轮装置，提供到发动机102曲轴103的耦合。发动机102曲轴103可以驱动作为发电机运行的sgu 115，或者可以由作为起动机运行的sgu 115驱动。sgu 115可以包括编码器或其他旋转传感器116，以向控制器145提供sgu 115的速度和位置信息。sgu115的位置可以与曲轴103的位置同步，从而从sgu 115旋转传感器116的信息中提供曲轴103的速度和绝对位置(曲轴角度)信息。
34.smu 111可以包括用于将小齿轮113接合到环形齿轮109的受控拉入螺线管。当小齿轮113和环形齿轮109接合时，螺线管也可以接合高电流触点，用于激励smu电机。可选地，小齿轮113与环形齿轮109的接合可以与smu马达通电分开控制，而smu马达通电由例如单独的大电流继电器或固态开关控制。因此，smu 111可以响应来自控制器145的控制命令来控制小齿轮113与环形齿轮109的接合以及smu马达的通电。sgu 115可以可控地作为电动机操作以向曲轴103传递扭矩，或者作为由从曲轴103接收的扭矩驱动的发电机操作。sgu 115可包括可控制地作为电动机或发电机运行的任何旋转电机，例如多相交流同步或交流异步电机。示例性交流同步电机可包括永磁转子(未单独示出)。另一示例性交流同步电机可包括励磁线圈(未单独示出)。又一示例性交流同步电机可包括永磁体和励磁线圈。sgu 115可以包括逆变器118，逆变器118包括根据sgu 115的操作模式用于整流和逆变的集成sgu控制。sgu控制器响应来自控制器145的控制命令来控制励磁线圈通电和逆变器118的操作。
35.图2示出了如图1所示的示例性内燃机系统101中的smu 111和sgu115的总体扭矩对速度特性的图表。扭矩沿着垂直轴201绘制，并代表发动机102的曲轴103处的扭矩。曲轴103的速度沿着水平轴203绘制。在原点205，扭矩和速度为零。扭矩和速度分别沿着相应的垂直轴201和水平轴203远离原点205逐渐增加。smu111扭矩被绘制为曲线207(实线)，sgu扭矩被绘制为曲线209(虚线)。应当理解，相对较高的环形齿轮109与小齿轮113的比率可表现出高于最小期望零速度起动转矩211的相对较高的曲轴转矩，该转矩在低于最小期望发动机怠速215的smu极限曲轴速度213下迅速降低至零转矩。还应当理解，相对低的皮带传动比(即，sgu皮带轮117与曲轴皮带轮107之比)可以表现出低于最小期望零速度起动转矩211的相对低的曲轴转矩，该转矩缓慢降低，但是在smu极限曲轴速度213下保持在零转矩以上，并且超过最小期望发动机怠速215。
36.根据本发明，smu 111和sgu 115的总体扭矩对速度特性有利地用于示例性内燃机系统101的发动机102的起动循环中。图3示意性地示出了示例性车辆10的电气系统301的实施例。电气系统301可以包括低压(例如，12伏)电池303，例如常规用于启动、照明和点火
(sli)用途的常规铅酸化学电池。电池303可为smu 111和sgu 115处的发动机起动功能以及车辆的低压负载305提供电能。低压负载305可以包括敏感负载307和非敏感负载309。非敏感负载309可以直接来自低压轨311，而敏感负载307可以经由中间的dc调节器和滤波器设备(例如dc-dc转换器313)来获得。控制器145可以根据在其中执行的一组预定的程序指令向smu 111和sgu 115提供控制命令。控制器145可以接收发动机启动请求321，例如来自用户界面，如钥匙激活点火开关或一键启动按钮。发动机启动请求也可以响应于其他用户界面输入和/或车辆控制而产生，例如在发动机自动启动的情况下释放制动开关。
37.图4分别在图表410、420和430中示出了示例性汽缸压缩和相应的smu111和sgu 115命令。图表410示出了发动机102的单个气缸的缸内压力405。相对压力“p”沿纵轴示出，发动机曲轴角度沿横轴示出。在多缸发动机中，图表410表示在示例性发动机起动循环期间第一汽缸活塞经历压缩冲程的汽缸内压力。图表420和430共享发动机曲轴角度的同一水平轴线。相对和绝对发动机曲轴角度信息是已知的，例如，从旋转传感器147和/或旋转传感器116(图1)得知。图表420表示在示例性发动机起动循环期间用于smu 111的smu开/关状态命令421。类似地，图表430表示在示例性发动机起动循环期间用于sgu 115的sgu开/关状态命令431。smu状态命令421和sgu状态命令431由控制器145根据在其中执行的一组预定程序指令提供，作为整个发动机起动循环控制程序的一部分。在发动机起动循环之前，smu状态命令421和sgu状态命令431都关闭。在发动机起动循环开始时，例如响应于用户界面输入，smu 111接收smu开启状态命令421，而sgu状态命令431保持关闭。因此，smu 111被调用以静止曲轴角度从停止的发动机状态开始起动发动机。smu状态命令421保持开启预定量的曲轴旋转，在经历压缩冲程的第一发动机气缸活塞的上止点压缩冲程位置(tdc)或其附近结束。由于静止曲轴角度下的绝对曲轴位置是已知的，对应于经历压缩冲程的第一发动机气缸活塞的tdc位置或其附近的曲轴旋转量也是已知的。tdc对应于需要最大起动扭矩的发动机曲轴的旋转位置。在tdc之前的预定提前角“θ”,sgu 115接收sgu开启状态命令431，同时smu状态命令421保持开启。因此，当smu状态命令421和sgu状态命令431都开启时，施加到曲轴103的起动扭矩由smu 111和sgu 115的组合扭矩提供，并且与压缩气缸的增加的扭矩需求一致。在随后的预定曲轴角度，不再需要smu111和sgu 115的重叠扭矩应用，并且smu状态命令421可以切换到关闭，同时保持sgu状态命令打开。smu状态命令关闭的切换可以在曲轴103的tdc位置或其附近重合，因为在tdc之后，气缸内的压缩气体工作以将扭矩传递给曲轴，从而辅助来自sgu 115的起动扭矩。因此，应当理解，来自smu 111和sgu 115的起动转矩的重叠是暂时的，并且仅被配置用于与汽缸压缩一致的峰值起动转矩需求，从而相对于在发动机起动循环期间持续重叠smu 111和sgu 115转矩贡献，减少来自电池303的电流需求。
38.图5是示出了根据本发明的发动机起动方法的示例性实施方式的流程图500。流程图500可代表至少部分地由设置在图1的车辆10中的一个或多个处理器执行或实施的例程和功能，包括在控制器145内，并且作用于或结合各种有形的硬件和装置，包括在此描述的内燃机系统101。为了说明的目的，结合图1的示例性车辆10的内燃机系统101和图3的示例性车辆10的示例性电气系统301来讨论流程图500。此外，可以结合图2和图4的各种示例性图表来讨论和理解流程图500。注意，流程图500的各方面可以由任何合适的处理设备或系统来执行，并且各个方面可以全部或部分地由与smu 111和sgu 115集成的电路和控制器来实现。
39.流程图500开始于开始框501。框503和521一起确定是否执行发动机起动或停止程序。例如，框503确定是否要执行发动机起动程序。当框503确定要执行发动机起动时，则执行发动机起动程序504(框505-517)。当框503确定不执行发动机起动时，则框521确定是否执行发动机停止程序。当框521确定要执行发动机停止时，则执行停止程序522(框523-531)。当框521确定不执行发动机停止时，则框521返回框503，在框503，确定是否执行发动机起动或停止程序的过程继续。发动机起动可以基于各种输入和标准被肯定地确定，包括当前发动机关闭状态、用户发动机起动请求、系统发动机起动请求及其组合。类似地，可以基于各种输入和标准来肯定地确定发动机停止，这些输入和标准包括当前发动机开启状态、用户发动机停止请求、系统发动机停止请求及其组合。因此，发动机的启动和停止可以由用户直接调用，例如通过点火开关、按钮或由密钥卡、移动设备或远程服务中心的远程请求。发动机的起动和停止可以由用户间接调用，例如当以起动/停止模式操作车辆时，其中发动机可以部分地基于用户控制的制动踏板应用状态在车辆处于交通空闲时(例如，在交通信号灯处)停止或起动。发动机起动和停止可由车辆控制请求，例如当车辆在交通中长时间怠速(例如，在交通信号灯处)时，并且发动机起动和停止可被调用，因为各种考虑(例如，燃料消耗、电池耗尽、车厢气候控制)由车辆控制仲裁。
40.当在框503指示发动机起动时，用于当前发动机起动循环的发动机起动程序504(框505-517)从框505开始执行，在框505仅使用smu 111起动发动机。这可以通过向smu 111提供smu开状态命令421(图4)来实现。smu111可以以各种方式配置，包括具有响应于smu on状态命令421的受控吸合螺线管，以将小齿轮113接合到发动机102的环形齿轮109，并且在行程结束时闭合高电流触点以激励smu电机。可选地，小齿轮113与环形齿轮109的接合可以独立于smu电机通电来控制。因此，如将关于停止程序522(框523-531)更全面描述的，小齿轮113可能已经通过单独的控制与环形齿轮109接合，其中smu on状态命令421实现smu马达的通电，以旋转已经接合的小齿轮113并旋转飞轮105和曲轴103。例如通过曲轴旋转传感器147或sgu旋转传感器116监测曲轴103的曲轴角度，并且框507确定曲轴位置是否在tdc(tdc-θ)之前的预定提前角“θ”内。在一个实施例中，tdc-θ是发动机102的经历其压缩冲程的第一气缸活塞开始其压缩冲程处或附近的曲轴角度。因此，提前角“θ”可以表示tdc之前高达大约180度的曲轴角，或者在下止点进气冲程位置(bdc)或其附近的绝对曲轴角。直到曲轴位置在tdc之前的预定提前角“θ”(tdc-θ)内，例程返回到框505，并且仅用smu 111继续起动。此外，在sgu 115包括励磁线圈的实施例中，如框509所示，当smu起动时，可以执行励磁线圈的预磁通。当曲轴位置在tdc(tdc-θ)之前达到预定提前角“θ”时，发动机使用smu 111和sgu 115起动，如框511所示。这可以通过向sgu 115提供sgu开启状态命令431(图4)来实现。sgu 115可响应于sgu开启状态命令431以在电动模式下控制sgu，并通过皮带119和皮带轮117、107装置向曲轴103提供起动扭矩。例如通过曲轴旋转传感器147或sgu旋转传感器116监控曲轴103的曲轴角度，并且框513确定曲轴位置是否已经达到tdc。直到曲轴位置达到tdc，例程返回到框511，并且smu 111和sgu 115继续起动。当曲轴位置达到tdc时，仅使用sgu 115起动发动机，如框515所示。仅用sgu 115继续当前的发动机起动循环，并且框517确定当前的发动机起动循环是否应该结束。直到当前的发动机起动循环结束，例程返回到框515，并且仅用sgu 115继续起动。当当前发动机起动循环结束时，发动机起动程序504在框519结束。当前发动机起动程序的结束可返回到框501以再次开始流程，在此框503和521一
起确定是否执行发动机起动或停止程序。框517可基于多个考虑因素确定当前发动机起动程序的结束，这些考虑因素包括例如发动机实现稳定燃烧、起动时间、预定曲轴转数和低电池电压等。注意，尽管本示例性实施例仅在第一压缩冲程提供smu 111和sgu 115同时起动，并且此后在当前发动机起动循环期间仅利用sgu 115，但是替代实施例根据特定发动机应用，电机设计输出或者操作性能/退化，可响应于环境和发动机运行历史(例如，冷环境温度和冷浸泡发动机起动)、低曲轴速度极限以及在发动机压缩冲程期间可能受益于这种重叠起动努力的其他考虑，在一个或多个后续压缩冲程提供smu 111和sgu 115同时起动。
41.当在框521指示发动机停止时，在框523开始执行当前发动机滑行循环的停止程序522(框523-531),在框523设定曲轴角度目标。发动机曲轴角度目标是当发动机在发动机停止状态下停止时要达到的期望曲轴角度。例如通过曲轴旋转传感器147或sgu旋转传感器116监测曲轴103的曲轴角度，并且框525安排滑行(例如，燃料逐渐减少/切断、火花控制)并且利用sgu115管理滑行到曲轴角度目标。曲轴103的曲轴角度被监控，并且当在框527确定曲轴速度为零(0)时，当前发动机滑行循环结束，并且当前停止程序522在框519结束。直到曲轴速度为零(0)，例程返回到框525，并且管理滑行继续。此外，在smu 111包括可单独控制的拉入螺线管的实施例中，该拉入螺线管用于将小齿轮113接合到环形齿轮109，而也没有给smu马达通电，小齿轮113到环形齿轮109的软接合可如框529和531所示实现。小齿轮113的软接合可能发生在发动机滑行减速期间，曲轴速度高于零(0)且低于预定曲轴速度目标，例如20rpm。因此，当曲轴速度不为零(0)并且高于曲轴速度目标时，框529在框525继续受控滑行。然而，当曲轴速度不为零(0)并且低于曲轴速度目标时，框529允许smu 111小齿轮113的软接合，例如通过框531向smu 111发出小齿轮接合命令，随后框525继续管理发动机滑行，直到在框527确定零(0)曲轴速度，并且当前停止程序522在框519结束。这种软接合在停止/起动操作期间可能是有利的，并且在随后的发动机起动程序中改善了操作者的体验。当前停止程序的结束可返回到框501以再次开始流程，在此框503和521一起确定是否执行发动机起动或停止程序。
42.这里使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是为了限制。如这里所使用的，单数形式“一个”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或其组合的存在或添加。
43.虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。