用于确定可变阀定时发动机中的凸轮轴位置的系统和方法 【技术领域】
本发明涉及可变阀致动系统， 且更具体地涉及用于确定凸轮轴位置的系统和方法。 背景技术
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息， 且可能不构成现有技术。
车辆包括内燃机， 内燃机产生驱动扭矩。 更具体地， 进气阀选择性地开启以将空气 抽吸到发动机的气缸内。空气与燃料混合以形成燃烧混合物。燃烧混合物在气缸内压缩且 被燃烧以驱动气缸内的活塞。排气阀选择性地开启以允许排气在燃烧之后从气缸排出。
旋转凸轮轴调节进气阀和排气阀的开启和关闭。 凸轮轴包括随凸轮轴一起旋转的 多个凸轮凸角。凸轮凸角的轮廓确定阀升程时间表。更具体地， 阀升程时间表包括阀开启 的时间量 ( 持续时间 ) 和阀开启的幅度或程度 ( 升程 )。
可变阀致动 (VVA) 技术通过根据发动机操作条件来修改阀升程事件、 定时和持续 时间而改进燃料经济性、 发动机效率和 / 或性能。两级 VVA 系统包括可变阀组件， 例如液压 控制的可切换摇臂指形物从动件 (SRFF)。SRFF 允许进气阀和 / 或排气阀上的两个分立阀 状态 ( 例如， 低升程状态或高升程状态 )。
控制模块基于指令发动机速度和负载来使 SRFF 机构从低升程状态过渡至高升程 状态， 反之亦然。 例如， 以升高的发动机速度 ( 例如， 4000 转每分 (RPM)) 操作的内燃机通常 需要 SRFF 机构以高升程状态操作以避免对内燃机的潜在硬件损坏。
对于配备有可变阀定时的发动机， 准确的凸轮位置测量确保内燃机的适当操作。 在当前 GM 发动机中， 所使用的测量值是来自于凸轮轴上的四齿编码器的直接测量值。每个 齿具有独特形状， 在被检测时表示具体的凸轮位置测量值。最新的测量值被存储在存储器 中， 以供各种控制器使用。 具体地， 进气充气估计算法在每次低分辨率进气事件时使用该测 量值来计算每个气缸的充气量。
由于编码器分辨率 ( 齿数 ) 低， 因而在测量更新和需要测量的低分辨率事件之间 通常存在大的延迟。由于凸轮移相器在该延迟期间继续移动， 因而， 测量值可能变得不准 确。在一个试验中， 确定了在实际位置和测量位置之间的高达 5 度的差。 发明内容 凸轮轴位置估计器用于减少由延迟引起的测量误差。 为此， 建模所述测量延迟。 估 计凸轮轴移相器的速度。基于凸轮轴移相器， 可以计算在该延迟期间发生的移动量。所述 移动量可用于形成可用于校正测量值的补偿。
在本发明的一个方面， 一种方法包括 ： 确定凸轮轴位置变化 ； 基于所述凸轮轴位 置变化来确定凸轮移相器速度 ； 基于所述凸轮移相器速度来确定补偿因子以及基于所述补 偿因子来产生校正后的凸轮位置信号。
在本发明的另一个方面， 一种控制模块包括凸轮轴位置模块， 所述凸轮轴位置模
块确定凸轮轴的凸轮轴位置变化。所述控制模块还包括凸轮移相器速度模块， 所述凸轮移 相器速度模块基于所述凸轮轴位置变化来确定凸轮移相器速度。 凸轮移相器速度模块基于 所述凸轮移相器速度来确定补偿因子。 凸轮位置补偿模块基于所述补偿因子来产生校正后 的凸轮位置信号。
方案 1. 一种控制发动机的方法， 包括 ：
确定凸轮轴位置变化 ；
基于所述凸轮轴位置变化来确定凸轮移相器速度 ；
基于所述凸轮移相器速度来确定补偿因子 ； 以及
基于所述补偿因子来产生校正后的凸轮位置信号。
方案 2. 根据方案 1 所述的方法， 还包括 ： 基于凸轮移相器位置来产生曲轴延迟时 间， 其中， 确定补偿因子包括基于所述凸轮移相器速度和所述曲轴延迟时间来确定补偿因 子。
方案 3. 根据方案 1 所述的方法， 还包括 ： 基于凸轮移相器位置和凸轮移相器延迟 来产生曲轴延迟时间， 其中， 确定补偿因子包括基于所述凸轮移相器速度和所述曲轴延迟 时间来确定补偿因子。 方案 4. 根据方案 1 所述的方法， 还包括 ： 基于在凸轮提前状态下的第一凸轮移相 器位置和在凸轮提前状态下的第一凸轮移相器延迟以及在凸轮延迟状态下的第二移相器 位置和在凸轮延迟状态下的第二凸轮移相器延迟来产生曲轴延迟时间， 其中， 确定补偿因 子包括基于所述凸轮移相器速度和所述曲轴延迟时间来确定补偿因子。
方案 5. 根据方案 1 所述的方法， 还包括 ： 响应于所述校正后的凸轮位置信号来产 生空气充气估计值。
方案 6. 根据方案 1 所述的方法， 还包括 ： 将补偿因子与阈值进行比较， 且在补偿因 子大于阈值且凸轮方向变化时， 产生未校正的凸轮位置信号。
方案 7. 根据方案 1 所述的方法， 还包括 ： 将补偿因子与阈值进行比较， 且在补偿因 子大于阈值时， 产生未校正的凸轮位置信号。
方案 8. 根据方案 1 所述的方法， 其中 ： 确定凸轮轴位置变化包括确定可变阀定时 发动机的凸轮轴的凸轮轴位置变化。
方案 9. 根据方案 1 所述的方法， 还包括 ： 确定曲轴位置， 且其中， 基于所述凸轮轴 位置变化来确定凸轮移相器速度包括基于所述凸轮轴位置变化和所述曲轴位置来确定凸 轮移相器速度。
方案 10. 根据方案 1 所述的方法， 其中 ： 确定凸轮轴位置变化包括确定排气凸轮轴 位置变化。
方案 11. 根据方案 1 所述的方法， 其中 ： 确定凸轮轴位置变化包括确定进气凸轮轴 位置变化。
方案 12. 一种用于控制发动机的控制模块， 包括 ：
凸轮轴位置模块， 所述凸轮轴位置模块确定凸轮轴的凸轮轴位置变化 ；
凸轮移相器速度模块， 所述凸轮移相器速度模块基于所述凸轮轴位置变化来确定 凸轮移相器速度 ；
凸轮移相器速度模块， 所述凸轮移相器速度模块基于所述凸轮移相器速度来确定
补偿因子 ； 和
凸轮位置补偿模块， 所述凸轮位置补偿模块基于所述补偿因子来产生校正后的凸 轮位置信号。
方案 13. 根据方案 12 所述的控制模块， 还包括测量延迟模块， 所述测量延迟模块 基于凸轮移相器位置来产生曲轴延迟时间， 其中， 补偿因子基于所述凸轮移相器速度和所 述曲轴延迟时间。
方案 14. 根据方案 12 所述的控制模块， 还包括测量延迟模块， 所述测量延迟模块 基于凸轮移相器位置和凸轮移相器延迟来产生曲轴延迟时间， 其中， 补偿因子基于所述凸 轮移相器速度和所述曲轴延迟时间。
方案 15. 根据方案 12 所述的控制模块， 还包括测量延迟模块， 所述测量延迟模块 基于在凸轮提前状态下的第一凸轮移相器位置和在凸轮提前状态下的第一凸轮移相器延 迟以及在凸轮延迟状态下的第二移相器位置和在凸轮延迟状态下的第二凸轮移相器延迟 来产生曲轴延迟时间， 其中， 所述凸轮位置补偿模块基于所述凸轮移相器速度和所述曲轴 延迟时间来产生补偿因子。
方案 16. 根据方案 12 所述的控制模块， 还包括空气充气估计模块， 所述空气充气 估计模块响应于所述校正后的凸轮位置信号来产生空气充气估计值。
方案 17. 根据方案 12 所述的控制模块， 还包括排定模块， 所述排定模块将补偿因 子与阈值进行比较， 且在补偿因子大于阈值且凸轮方向变化时， 所述排定模块产生未校正 的凸轮位置信号。
方案 18. 根据方案 12 所述的控制模块， 还包括排定模块， 所述排定模块将补偿因 子与阈值进行比较， 且在补偿因子大于阈值时， 所述排定模块产生未校正的凸轮位置信号。
方案 19. 根据方案 12 所述的控制模块， 还包括曲轴位置模块， 所述曲轴位置模块 确定曲轴位置， 且其中， 所述凸轮移相器速度模块基于所述凸轮轴位置变化和所述曲轴位 置来确定凸轮移相器速度。
方案 20. 根据方案 12 所述的控制模块， 其中 ： 所述凸轮轴包括进气凸轮轴。
进一步的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
本文所述的附图仅仅用于图示目的， 且不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图 1 是根据本发明的示例性车辆的功能框图 ；
图 2 是示出了执行本发明的方法的示例性模块的功能框图 ；
图 3 是处于完全提前位置和处于完全延迟位置的凸轮移相器的定时图 ；
图 4 是测量的两种不同情形的凸轮位置对比时间的曲线图 ；
图 5 是测量和指令凸轮位置的凸轮角度对比事件的曲线图 ；
图 6 是补偿测量值和未补偿测量值的曲线图 ；
图 7 是来自于补偿测量值和未补偿测量值的误差的曲线图 ； 和
图 8 是示出了操作本发明的诊断系统的方法的流程图。具体实施方式
以下说明本质上仅为示范性的且绝不旨在限制本发明、 它的应用、 或使用。 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， “致动” 指的是使 用所有发动机气缸的操作。 “停用” 指的是使用少于所有发动机气缸的操作 ( 一个或多个气 缸不工作 )。如在此所使用的， 术语 “模块” 指的是专用集成电路 (ASIC)、 电子电路、 执行一 个或更多软件或固件程序的处理器 ( 共享的、 专用的、 或组 ) 和存储器、 组合逻辑电路、 或提 供所述功能的其他合适的部件。
现在参考图 1， 发动机系统 40 包括发动机 42， 发动机 42 燃烧空气和燃料混合物以 产生驱动扭矩。空气通过节气门 46 抽吸到进气歧管 44。节气门 46 调节进入进气歧管 44 的空气质量流量。进气歧管 44 内的空气被分配给气缸 48。虽然示出了 6 个气缸 48， 但是 应当理解的是， 本发明的诊断系统可在具有多个气缸的发动机中实施， 包括但不限于 2、 3、 4、 5、 8、 10 和 12 个气缸。
燃料喷射器 ( 未示出 ) 喷射燃料， 燃料在空气通过进气端口抽吸到气缸 48 中时与 空气结合。 燃料喷射器可以是与电子或机械燃料喷射系统、 汽化器的喷嘴或端口、 或使燃料 与进气空气混合的其它系统相关联的喷射器。燃料喷射器被控制以在每个气缸 48 内提供 期望空气 - 燃料 (A/F) 比。 进气阀 52 被选择性地开启和关闭以允许空气 / 燃料混合物进入气缸 48。进气阀 位置由进气凸轮轴 54 调节。活塞 ( 未示出 ) 在气缸 48 内压缩空气 / 燃料混合物。火花塞 56 启动空气 / 燃料混合物的燃烧， 从而在气缸 48 中驱动活塞。活塞驱动曲轴 49 以产生驱 动扭矩。当排气阀 58 处于开启位置时， 气缸 48 内的燃烧排气被强制排出排气端口。排气 阀位置由排气凸轮轴 60 调节。排气在排气系统中被处理。虽然示出了单个进气阀 52 和排 气阀 58， 但是可以理解的是， 发动机 42 可以每个气缸 48 包括多个进气阀 52 和排气阀 58。
发动机系统 40 可包括分别调节进气凸轮轴 54 和排气凸轮轴 60 的旋转定时的进 气凸轮移相器 62 和排气凸轮移相器 64。更具体地， 相应进气凸轮轴 54 和排气凸轮轴 60 的 定时或相位角可以相对于彼此或者相对于活塞在气缸 48 内的位置或者相对于曲轴 49 的位 置延迟或提前。
由此， 进气阀 52 和排气阀 58 的位置可以相对于彼此或者相对于活塞在气缸 48 内 的位置进行调节。通过调节进气阀 52 和排气阀 58 的位置， 调节被摄取到气缸 48 内的空气 / 燃料混合物的量， 从而调节发动机扭矩。
凸轮移相器 62 可以包括被电动致动或液压致动的移相器致动器 65。 例如， 液压致 动的移相器致动器 65 包括电控流体控制阀 (OCV)66， OCV 66 控制流入或流出移相器致动器 65 的流体供应。
此外， 低升程凸轮凸角 ( 未示出 ) 和高升程凸轮凸角 ( 未示出 ) 安装到每个进气 凸轮轴 54 和排气凸轮轴 60。低升程凸轮凸角和高升程凸轮凸角与进气凸轮轴 54 和排气 凸轮轴 60 一起旋转， 且与液压提升机构 ( 例如切换式摇臂指形物从动件 (SRFF) 机构 ) 操 作性地接触。通常， 独立的 SRFF 机构在每个气缸 48 的每个进气阀 52 和排气阀 58 上操作。 每个气缸 48 例如可包括两个 SRFF 机构。
每个 SRFF 机构为进气阀 52 和排气阀 58 中的一个提供两个水平的阀升程。两个 水平的阀升程包括低升程和高升程， 且分别基于低升程凸轮凸角和高升程凸轮凸角。 在 “正
常” 操作 ( 即， 低升程操作或低升程状态 ) 期间， 低升程凸轮凸角使得 SRFF 机构根据低升程 凸轮凸角的指定几何形状枢转至第二位置， 从而使得进气阀 52 和排气阀 58 中的一个开启 第一预定量。在高升程操作 ( 即， 高升程状态 ) 期间， 高升程凸轮凸角使得 SRFF 机构根据 高升程凸轮凸角的指定几何形状枢转至第三位置， 从而使得进气阀 52 和排气阀 58 中的一 个开启第二预定量， 所述第二预定量大于所述第一预定量。
位置传感器 68 感测凸轮移相器 62 的位置且产生指示凸轮移相器 62 的位置的凸 轮移相器位置信号。 压力传感器 70 产生压力信号， 所述压力信号指示供应给凸轮移相器 62 的移相器致动器 65 的流体供应的压力。可以设想的是， 可以实施一个或多个压力传感器 70。发动机速度传感器 72 响应于发动机 42 的曲轴 49 的旋转速度且产生发动机速度信号 ( 单位 ： 转每分 (RPM))。
进气凸轮轴位置传感器 74 可产生与进气凸轮轴位置相对应的进气凸轮轴位置传 感器信号。进气凸轮轴位置传感器 74 可包括在每个发动机循环完成一转的具有四个齿的 轮。如上所述， 在凸轮轴位置测量值和其在发动机控制算法 ( 例如缸内空气质量预测 ) 中 的使用之间可能存在延迟。排气凸轮轴位置传感器 76 可位于排气凸轮轴 60 上以产生类似 信号。进气凸轮轴和排气凸轮轴均可受益于本发明。 控制模块 80 包括处理器和存储器， 例如随机存取存储器 (RAM)、 只读存储器 (ROM) 和 / 或其它合适的电子存储装置。 控制模块 80 可从各个传感器接收信号且产生校正后的凸 轮轴位置信号， 以供各种发动机控制功能 ( 例如， 空气充气终止 ) 使用。控制模块 80 可从 示例性车辆 40 的其它传感器 82 接收输入， 所述其它传感器 82 包括但不限于氧气传感器、 发动机冷却剂温度传感器和 / 或空气质量流量传感器。
现在参考图 3， 更详细地示出了控制模块 80。控制模块 80 包括凸轮轴位置模块 110， 凸轮轴位置模块 110 产生与凸轮轴位置相对应的凸轮轴位置信号。如上所述， 凸轮轴 位置模块 110 可与凸轮轴位置传感器通信。凸轮轴位置模块可与进气凸轮轴位置传感器 74、 排气凸轮轴位置传感器 76、 或两者通信。 移相器延迟模块 112 产生以曲轴角度为单位的 移相器延迟信号。控制模块 80 包括曲轴位置模块 114， 曲轴位置模块 114 产生曲轴位置信 号。曲轴位置模块 110、 移相器延迟模块 112 和曲轴位置模块 114 与测量延迟模块 116 通 信。测量延迟模块 116 确定低分辨率进气事件和来自于编码器测量值的最新位置更新之间 的测量延迟。测量延迟是凸轮轴位置的仿射函数。测量延迟的单位是曲轴度数。假定 k 表 示第 k 个低分辨率 (low-res) 进气事件。那么在时间 k 时的延迟由以下关系式表示 ：
D(k) ＝ α*CAM(k)+β (1)
常数 α 和 β 可从定时图直接计算。图 3 示出了一种图示。为了计算 α 和 β， 在 凸轮移相器完全提前时确定测量延迟的图表。提前延迟是延迟 D1， 在完全提前凸轮移相器 位置时的凸轮位置是 C1。然后确定在凸轮移相器完全延迟时的测量延迟。延迟凸轮移相器 位置延迟是 D2。在完全延迟移相器位置时的凸轮位置是 C2。这给出了满足关系式 (1) 的两 对值 ( 即， (C1， D1) 和 (C2， D2))。于是， α 和 β 可以在测量延迟模块 116 中计算如下 ：
测量延迟模块 116 可与凸轮移相器速度模块 118 通信。来自于凸轮轴位置模块 110 的凸轮轴位置信号也可以提供给凸轮移相器速度模块 118。凸轮移相器的速度可以经
由向后差分来计算。假定 R(k) 是在事件 k 和 k-1 之间的凸轮位置测量值的变化， 即：
R(k) ＝ CAM(k)-CAM(k-1) (3)
其中， R(k) 的单位是凸轮度数。凸轮位置变化在以下曲轴度数内发生 ：
180-D(k)+D(k+1) (4)
凸轮移相器的速度由 V(k) 表示， 单位是凸轮度数 / 曲轴度数。于是 V(k) 给出 ：
V(k) ＝ R(k)/(180-D(k)+D(k+1)) (5)
凸轮移相器速度信号 V(k) 传送给凸轮补偿位置模块 120。凸轮补偿位置模块 120 也接收测量延迟信号 D(k)。 凸轮补偿位置模块 120 在 K 时产生由以下关系式给出的估计凸 轮位置 ：
CAM(k)+D(k)*V(k) (6)
其中， CAM(k) 是凸轮位置测量值， V(k) 是凸轮速度， D(k) 是延迟。D(k) 和 V(k) 可 总的或者分开地称为补偿因子。
控制模块 80 包括排定模块 122。图 4 示出了对应于凸轮轴测量的两种不同情形。 第一种情形示出了自凸轮位置 CAM(k) 和凸轮位置 CAM(k-1) 位于线 130 上以来速度没有变 化。在情形 2， 在凸轮位置 CAM(k-1)’ 和凸轮位置 CAM(k)’ 之间产生了速度和方向的大变 化。如图 4 所示， 如果移相器的速度在延迟期间显著变化， 那么位置补偿将不再有效。由 于在指令变化和致动器移动之间存在延迟， 因而凸轮位置指令可用于预测速度变化， 如图 5 所示。 补偿因子然后传送给其它发动机控制模块， 例如空气充气估计模块 124。 基于校正位 置信号， 空气充气估计模块可以提供更准确的空气充气估计。当排定模块 122 确定不需要 补偿时， 排气模块仅仅将未校正位置信号传送给空气充气估计模块 124。 在指令和致动之间的延迟可以根据试验评估。假定 dp 是移相器致动器中在指令 和致动之间的延迟。 由于移相器用基于时间的控制 ( 不是事件 ) 来致动， 因而该延迟是 RPM 的函数。在找出延迟函数之后使用的空气充气估计模块 124 中的排定逻辑如下 ： 在事件 k， 假定 dp(k) 是对该事件计算的致动器延迟 ； 如果在事件 k-dnp(k)-1、 k-dnp(k) 和 k-dnp(k)+1 上的指令位置的轨迹示出了方向的变化 ( 幅度大于 3 凸轮度数 )， 那么不使用补偿因子 ； 在 所有其它情形下， 预测器应当用于改进测量。
现在参考图 6， 示出了指令和测量的测量值对比时间的曲线图。可以看出， 在真实 测量之后执行指令测量。
现在参考图 7， 提供了来自于补偿测量值和未补偿测量值的误差的比较。
现在参考图 8， 阐述了操作诊断系统的方法。在步骤 210， 提供事件的指令和致 动之间的延迟。在步骤 212， 确定指令变化率， 即时间 k-dp 和 k-dp+1 的向后差分。指令 率可描述为 DeltaC1 和 DeltaC2。在步骤 214， 当 DeltaC1 和 DeltaC2 均小于或等于零且 DeltaC2-DeltaC1 小于阈值时， 在步骤 216 中使用补偿测量值。在步骤 218， 补偿测量值用 于控制发动机功能。
在步骤 214， 如果 DeltaC1 和 DeltaC2 不都小于或等于零或者 DeltaC2-DeltaC1 不 小于阈值 ( 例如 3)， 那么步骤 220 确定 DeltaC1 和 DeltaC2 是否均大于或等于零且 DeltaC2 和 DeltaC3 之间的差是否大于负阈值。如果上述比较为真， 那么步骤 216 应用补偿测量值。 如果上述不是真， 那么步骤 222 使用未补偿测量值来控制发动机功能。对于上述图示， 为了 简单起见， 假定测量值是指令的三样本延迟型式。也假定位置数据取回和测量之间的延迟
正好是取样周期的一半。 真实测量值假定为在发生数据取回之间的两个测量值之间的线性 内插值。 可评估多个变量。 首先， 未补偿测量值基本上是保持在存储器中的最近测量值。 接 下来是补偿测量值， 其中总是应用补偿。 最后， 借助于逻辑的补偿测量值， 其中， 基于如前所 述的逻辑应用补偿。该逻辑在步骤 220 中阐述。如图 6 所示， 在移相器方向的大的变化引 起不希望的过补偿时， 补偿测量值明显具有缺陷。在除了一种情形 ( 其中， 小的方向变化不 会触发该逻辑 ) 之外所有情形下， 借助于去除过补偿的逻辑改进的补偿测量值可得到比未 补偿测量值更好的测量值。然而， 在该情形下， 阈值可以变为不同于 3 的某值。例如， 在步 骤 220 中提供的 -3。
通过使用凸轮测量值的补偿因子， 为各种发动机功能提供了更准确的凸轮轴位置 确定。使用补偿凸轮测量值可允许车辆改进燃料经济性和排放物输出两者。
现在本领域中技术人员能够从前述说明理解到， 本发明的广泛教示可以以多种形 式实施。因此， 尽管本发明结合其特定的示例进行描述， 由于当研究附图、 说明书和所附权 利要求书时， 其他修改对于技术人员来说是显而易见的， 所以本发明的真实范围不应如此 限制。