CN107795423B - 发动机起动*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种与配备有齿轮传动起动器的车辆一起使用的发动机起动***，该齿轮传动起动器被通电以使小齿轮与安装在车辆中的发动机的环形齿轮啮合，并且还使小齿轮旋转以带动发动机。发动机起动***用以在使起动器通电以起动发动机之后终止起动器的通电。发动机起动***执行燃烧控制以控制发动机中燃料的燃烧以便在终止起动器的通电之后发生燃料在发动机中被首次点火的首次点火事件。这使得带动发动机时的齿轮噪声最小化并且确保起动发动机的稳定性。

Description

发动机起动***
技术领域
本发明总体涉及发动机起动***。
背景技术
已经提出了这样一种发动机起动***，其配备有齿轮传动型起动器和旋转电机的组合，诸如ISG(集成式起动发电机)。这类发动机起动***被设计成在当需要很大程度的转矩来起动发动机的初始阶段激活起动器，然后驱动ISG。相比当发动机起动***被设计成仅使用ISG来起动发动机的情形，这使ISG的尺寸或成本能够减少。
日本专利No.4421567教导了使用上述起动器和ISG的发动机起动装置。该发动机起动装置被设计成使用起动器(即，起动马达)来带动(crank)发动机直至发动机首次被点火，然后使用ISG(即，电动马达)带动发动机直至发动机被发动。这既降低了电功率消耗又提高了发动机的起动性。
上述发动机起动装置面临这样的问题：当起动器被驱动发生首次点火时，其将导致发动机的速度的快速上升，这使得起动器的小齿轮和发动机的环形齿轮之间的机械啮合生成强噪声。具体地，在发动机的首次点火的情况下，环形齿轮的速度通常暂时变得高于小齿轮的速度，使得环形齿轮撞击小齿轮，这生成了强齿轮噪声。
发明内容
因此，本发明目的是提供能够正确地起动发动机的发动机起动***。
根据本发明公开的一方面，提供了用于配备有齿轮传动型起动器的车辆的发动机起动***，该齿轮传动型起动器被通电以使小齿轮与安装在车辆中的发动机的环形齿轮啮合，并且还使小齿轮旋转。发动机起动***包括：(a)通电控制单元，其用以在起动器被通电以起动发动机之后终止起动器的通电；以及(b)燃烧控制单元，其用以执行燃烧控制以控制发动机中燃料的燃烧，以便在起动器的通电由通电控制单元终止之后发生燃料在发动机中被首次点火的首次点火事件。
当需要起动发动机时，发动机起动***用以使起动器通电从而使小齿轮与环形齿轮啮合并且，还使起动器的旋转轴旋转。在终止起动器的通电后，小齿轮与环形齿轮脱离。起动器还停止使其旋转轴旋转。例如，刚好在达到发动机的气缸中的活塞的上死点之前，由发动机中的空气的压缩产生的反作用力被最大化，从而导致作用于小齿轮和环形齿轮的齿面上的压力增加，这生成了齿轮噪声。在达到活塞的上死点之后，反作用力消失，使得环形齿轮的旋转速度变得高于小齿轮的旋转速度，从而使得因小齿轮和环形齿轮之间的齿轮碰撞或齿轮摩擦而产生的齿轮噪声发生。在首次点火事件中此类齿轮噪声通常变得相当大。
发动机起动***被设计成终止起动器的通电并且在起动器被断电之后开始执行燃烧控制以便发生首次点火事件。这使得起动器的致动和燃烧控制在起动发动机的起动操作期间不能同时实现。在首次点火事件发生之前起动器被断电，从而在首次点火事件之前使小齿轮能够与环形齿轮脱离。换句话说，在小齿轮和环形齿轮之间发生由首次点火事件引起的撞击之前，小齿轮与环形齿轮脱离。在首次点火事件发生之前源于由气缸中的空气的压缩引起的反作用的齿轮噪声也得到减轻。这大大降低了由首次点火事件引起的齿轮噪声并且使发动机能够正确地起动。
在本发明的优选模式中，发动机起动***还包括确定单元，当起动器使小齿轮旋转以带动发动机时，该确定单元确定预计将要发生首次点火事件的首次点火上死点。当首次点火上死点由确定单元确定时，通电控制单元用以在达到首次点火上死点之前终止起动器的通电。
具体地，发动机起动***确定当发动机的气缸中的活塞在其压缩冲程中达到上死点时预计将要发生首次点火事件，然后使起动器断电。这使发动机在使起动器断电之后能够继续以在气缸中启动首次点火事件所需的速度旋转，从而确保完全起动发动机的稳定性。
当首次点火上死点由确定单元确定时，通电控制单元可在比首次点火上死点早一个循环的上死点处或其附近终止起动器的通电。
当在小齿轮和环形齿轮的齿面上施加的压力被最小化时，通常便于小齿轮与环形齿轮脱离。鉴于此类事实，发动机起动***在比首次点火上死点早一个循环的上死点处或其附近终止起动器的通电。换句话说，在由气缸中的空气的压缩产生的反作用力被最大化之前，即，当在小齿轮和环形齿轮的齿面上施加的压力已下降时，起动器被断电，从而便于小齿轮与环形齿轮脱离，这导致齿轮噪声降低。
确定单元可在发动机的气缸已经填充的空气量大于等于给定值的情况下确定首次点火上死点。当首次点火上死点由确定单元确定时，在达到首次点火上死点之前，燃烧控制单元可启动包括使用燃料喷射器控制向发动机中喷射燃料在内的燃烧控制。
发动机的气缸中的首次点火事件的发生需要气缸充分填充有空气。因此，发动机起动***在气缸充分填充有空气的条件下起动燃烧控制，从而当气缸的活塞在确定的时间达到其上死点时实现气缸中的首次点火事件。这使起动器在活塞在压缩冲程的所选循环中达到上死点(即，达到首次点火上死点)之前能够被断电。
喷射器可被设计成将燃料直接喷射到发动机的气缸中。在终止起动器的通电之后，燃烧控制单元开始致动燃料喷射器以将燃料喷射到发动机中。
换句话说，发动机可被设计成具有将燃料直接喷射到气缸中的燃料喷射器。在起动器通电之后，紧接着在活塞的压缩冲程的随后的循环中达到上死点之前发动机起动***可在气缸中的活塞的压缩冲程的所选循环中开始喷射燃料，从而在首次点火上死点处实现燃料的首次点火。
紧接着在比由确定单元确定的首次点火上死点早一个压缩循环的上死点之前通电控制单元可终止起动器的通电。
在起动器的通电完成之后首次点火事件的发生需要发动机的惯性旋转增加，使其大于由气缸中的空气的压缩引起的反作用力。发动机起动***继续使起动器旋转，直至刚好在比首次点火上死点早一个压缩循环的上死点之前，从而向发动机提供使得气缸中的活塞在起动器被断电之后越过上死点所需的一定程度的惯性旋转，从而确保实现发动机中的首次点火事件的稳定性，而不会意外地降低发动机的速度。
发动机起动***还可包括空气量控制单元，其增加当起动器使小齿轮旋转以带动发动机时吸入发动机中的空气量。
在起动器的通电完成之后首次点火事件的发生需要发动机在起动器被断电之后其速度的下降被最小化。发动机起动***可被设计成增加气缸所填充的空气量。然而，这导致由气缸中的空气的压缩生成的反作用力增加。反作用力增加将使得发动机的速度在膨胀冲程中预料中地增加，从而在起动器被断电之后使发动机的速度下降最小化并且确保实现首次点火事件的稳定性。
附图说明
通过下文给出的详细描述以及本发明的优选实施例的附图，将更加全面地理解本发明，然而这些附图不应被认为将本发明限制到具体实施例而是仅仅用于解释和理解。
在附图中：
图1是示出根据实施例的发动机起动***的方框图；
图2是示出发动机起动操作相对于图1的发动机起动***中的发动机的速度的时间图；
图3是由安装在图1的发动机起动***中的ECU执行的起动控制程序的流程图；
图4是由安装在图1的发动机起动***中的ECU执行的交流发电机操作控制程序的流程图；且
图5是示出由图1的发动机起动***执行的发动机起动操作的序列的时间图。
具体实施方式
下面将参考附图描述根据实施例的发动机起动***。贯穿整个附图，相同的标识号指相同的零件，并且在此处将省略其重复的解释。
发动机起动***装配在车辆(诸如，汽车)中，其中，发动机10被安装作为驱动源。如图1所示的发动机10是由燃料(诸如，汽油或轻油)的燃烧驱动并且配备有已知的点火装置的多气缸内燃机。在该实施例中，发动机10由气缸喷射发动机(例如，直喷发动机)来实现并且配备有气缸11。为每个气缸11装配一个电磁燃料喷射器12以进行工作将燃料直接喷射到气缸11中。
进气管13将空气输送到气缸11。进气管13具有装配在其中的空气流量计14，其测量有多少空气(即，进气空气流)正输送到气缸11中。节流阀15安装在空气流量计14下游，用于调节进气空气流。
发动机10还配备有起动器50，其为齿轮传动型并且作为第一起动器工作。起动器50被设计为小齿轮偏移起动器并且配备有小齿轮51、使小齿轮51旋转的电动马达52、柱塞53、被通电以使柱塞53在其轴向方向上移动的线圈54、以及回位弹簧55。
小齿轮51安装在起动器50的旋转轴(即，输出轴)上以使其能够与安装在发动机旋转轴16上的环形齿轮17啮合。柱塞53用作致动器或驱动器，以实现小齿轮51与环形齿轮17的啮合。当需要起动发动机10时，起动器50被通电，通过柱塞50使小齿轮51移动，与环形齿轮17啮合，使得起动器50的输出转矩传输到发动机旋转轴16。
起动器50电结合到电池31。具体地，线圈54和电池31通过继电器32连接在一起。马达52和电池31通过触点56连接。当继电器32被通电或闭合时，电功率从电池31输送到线圈54。线圈54然后被通电，以通过柱塞53使小齿轮51移位到小齿轮51可与环形齿轮17啮合的位置。同时，柱塞53使小齿轮51移位的移动将使得触点56被闭合，使得马达52旋转，从而通过小齿轮51使环形齿轮17旋转，以向发动机10施加初始转矩。这带动了发动机10或者说起动了发动机10。
当继电器32开放时，其停止从电池31向线圈54的电功率的供应，使得起动器50被断电。当切断向线圈54的电功率的供应时，其使得回位弹簧55通过柱塞53将小齿轮51吸引到其初始位置，从而使小齿轮51与环形齿轮17脱离。柱塞53的移动还开放了触点56，以停止马达52的旋转。
交流发电机20通过包括皮带轮和皮带的动力传动机构18连接到发动机旋转轴16。交流发电机20作为皮带驱动的第二起动器而工作，以将转矩选择性地传输到发动机旋转轴16。交流发电机20通过动力传动机构18始终结合到发动机旋转轴16。交流发电机20选择性地工作在马达模式和发电机模式(也称为再生模式)中的一个模式下。当需要将功率供应到发动机旋转轴16时，交流发电机20进入马达模式。而另一方面，当需要将发动机10的输出转换为电功率时，交流发电机20进入发电机模式。
起动器50被设计为这样的发动机起动器：其被通电以使得其旋转，而交流发电机20被设计为这样的发动机起动器：其旋转速度在马达模式中受控制。起动器50为产生相对较大程度的转矩的低速类型，而交流发电机20为高速类型。
交流发电机20配备有旋转电机21、控制器22、用以测量通过旋转电机21的电流的流量的旋转检测器23、以及用以将电功率输送到旋转电机21的旋转驱动器24。旋转电机21被设计为具有配备有围绕转子缠绕的转子线圈和围绕定子缠绕的定子线圈的已知结构的三相AC旋转电机。旋转驱动器24由配备有多个开关装置(即，MOSFET)的已知的逆变电路来实现，并且用以将如从电池31输送的dc功率转换为ac功率并且将该功率供应至旋转电机21。旋转驱动器24还用以将如从旋转电机21输送的ac功率转换为dc功率并将该功率供应至电池31。电池31作为电源而工作，以将电功率输送到起动器50和交流发电机20。
控制器22用以控制交流发电机20的旋转速度。当需要在马达模式中操作交流发电机20时，控制器22启动旋转驱动器24以将电池31的dc功率转换为三相电功率并且将其输送到定子线圈。控制器22还分析由旋转检测器23测得的电流值，以控制旋转驱动器24的操作，使旋转电机21的速度与目标值一致。
当交流发电机20置于发电机模式中时，定子线圈生成ac感应电动势，其频率取决于旋转电机21的速度。因此旋转检测器23测量该感应电动势以确定旋转电机21的速度。
该实施例的交流发电机20被设计成具有没有配备旋转传感器的无传感器结构。旋转检测器23用以测量在转子线圈或定子线圈中由旋转电机21的转子旋转生成的感应电压或感应电流。控制器22分析由旋转检测器23测得的感应电压或电流，以确定旋转电机21正在旋转或者确定应当被激励的旋转电机21的一个目标相绕组。控制器22然后激励该目标相绕组，以在马达模式中驱动旋转电机21。
旋转电机21的旋转速度和动力传动机构18的减速比可用于计算发动机速度NE，其为发动机旋转轴16的旋转速度。发动机旋转轴16通过离合器和传动装置(未示出)连接到车轮。此类布置是已知的，此处将省略其详细的解释。
发动机起动***还配备有ECU(电子控制单元)30。ECU 30由配备有微型计算机的已知的电子控制单元组成并且用以分析来自装配在其中的各种传感器的输出从而执行用于发动机10的控制任务。ECU 30连接到控制器22，以同其建立相互通信。ECU 30电连接到电池31并且由从电池31输送的电功率操作。
上述传感器包括加速器位置传感器42、制动传感器44、速度传感器45、车辆速度传感器46和空气流量计14。加速器位置传感器42用以测量加速踏板41的位置，即，驾驶员在用作加速操作构件的加速踏板41上所施加的作用力。制动传感器44用以测量制动踏板43的位置。速度传感器45用以以给定的间隔角测量发动机旋转轴16的角位置，以确定发动机旋转轴16的速度。车辆速度传感器46用以测量车辆的速度。这些传感器向ECU 30提供输出。发动机起动***还配备有其它传感器(未示出)。
ECU 30使用上述传感器的输出来控制要从燃料喷射器12喷射到发动机10中的燃料量并且使用发动机10中的点火装置控制对燃料的点火。ECU 30还用以控制起动器50的开-关操作，即，实现继电器32的连接或断开。ECU 30还控制发动机10的已知的怠速停止模式。具体地，在怠速停止模式中，当遇到给定的自动发动机停止条件时ECU 30自动停止发动机10，然后当满足给定的发动机重启条件时自动重启发动机10。自动发动机停止条件和重启条件包括车辆速度、加速操作和制动操作。
该实施例的发动机起动***被设计成当需要首次起动发动机10或自动重启发动机10时既使用起动器50又使用交流发电机20。具体地，发动机起动***首先使用起动器50以在初始发动机起动阶段带动发动机10，以向发动机旋转轴16施加初始转矩，然后使用交流发电机20继续带动发动机10。
当需要起动发动机10时，首先致动起动器50，以带动发动机10。将使用图2描述当正在带动发动机10时小齿轮51和环形齿轮17之间的啮合。图2示出四气缸发动机在被带动期间被首次点火的实例。
首先，起动器50被通电以使小齿轮51与环形齿轮17啮合。起动器50还开始使其旋转轴旋转以带动发动机10。环形齿轮17然后被小齿轮51的齿面按压(其在下面也将被称为驱动齿面)，使得其旋转并且开始带动发动机10。在发动机10开始被带动之后，小齿轮51的速度(其也将被称为小齿轮速度NP)和发动机10的速度(其也将被称为发动机速度NE)增加。发动机速度NE然后经受由发动机10中的空气-燃料混合物的压缩引起的反作用，使得发动机速度随着接近上死点而下降。这导致在小齿轮51和环形齿轮17的驱动齿面上施加的压力的程度增加，这将生成机械噪声(即，齿轮噪声)。
在通过上死点之后，发动机速度NE将随着发动机10的燃烧室的容积的增加而增加。发动机速度NE暂时变得高于小齿轮速度NP，即，在通过上死点之后，环形齿轮17的速度暂时变得大于小齿轮51的速度。当发动机10的活塞从压缩冲程变为膨胀冲程时，在小齿轮51和环形齿轮17的驱动齿面上施加的压力下降，使得在压缩冲程中的上死点之前，原先与环形齿轮17的驱动齿面接触的小齿轮51的驱动齿面暂时离开环形齿轮17。这使得小齿轮51的与其驱动齿面相对的齿面撞击环形齿轮17，这生成因齿轮碰撞或齿轮摩擦而产生的齿轮噪声。
随后，当再次进入压缩冲程，使得发动机速度NE下降时，其将使得小齿轮51的驱动齿面再次机械地撞击环形齿轮17，从而产生齿轮噪声。
当在带动发动机10期间发生首次点火时，其使得发动机速度NE(即，环形齿轮17的旋转速度)因由首次点火产生的活塞的转矩而快速增加。这使得环形齿轮17撞击小齿轮51，从而生成齿轮噪声。尤其是，在首次点火的情况下，对环形齿轮17和小齿轮51的撞击的能量变得相当大，从而导致强齿轮噪声。
为了缓解上述问题，该实施例的发动机起动***被设计成使起动器50通电然后使其断电并且开始控制发动机10中燃料的燃烧，使得在起动器50的断电之后发生首次点火。这使得当起动发动机10时起动器50的致动和发动机10中燃烧的控制不会同时执行，从而减轻因在首次点火之前由发动机10中空气-燃料混合物的压缩引起的反作用而产生的齿轮噪声，并且还减少由首次点火引起的上述撞击或摩擦噪声。起动器50的断电以下列方式来实现。发动机起动***计算首次点火上死点TDCX，并且然后在达到首次点火上死点TDCX之前终止起动器50的通电，该首次点火上死点为当起动器50带动发动机10时在活塞的压缩冲程中将发生燃料的首次点火的活塞的上死点。
发动机起动***还被设计成在活塞的压缩冲程中在期望的上死点处实现首次点火。具体地，在发动机10的气缸填充有期望数量的空气的情况下，除了控制向发动机10的燃料喷射之外，发动机起动***开始控制发动机10中燃料的燃烧，从而基于首次点火上死点TDCX实现在期望的时间终止起动器50的通电。在该实施例中，发动机起动***计算紧接着在首次点火上死点TDCX之前的活塞的压缩上死点TDCY，然后紧接着在压缩上死点TDCY之前终止起动器50的通电。
图3是在所选的控制循环中由ECU 30执行的逻辑步骤或程序的序列的流程图。
在进入该程序之后，该例程前进至步骤S101，其中确定起动发动机10的起动操作是否还未完成。比如，当发动机10在怠速停止模式中已经自动停止、但仍未完全重启时，在步骤S101中获得YES(是)答案。当已经重启发动机10时，该例程然后终止。如果在步骤S101中获得YES答案，意味着起动操作还没有结束，则该例程前进至步骤S102，其中确定发动机速度NE是否低于给定的阈值TH1。阈值TH1在确定交流发电机20的马达模式是否应当停止过程中被用作为参考值。阈值TH1例如设为500rpm。如果在步骤S102中获得YES答案，则该例程前进至步骤S103。另一方面，如果获得NO(否)答案，则该例程前进至步骤S114。
在步骤S103中，确定在该发动机起动循环中起动器50是否已经从运转状态切换到停止状态。在紧接着在刚好在首次点火上死点TDCX之前的压缩上死点TDCY之前终止起动器50的通电的情况下，在活塞已通过压缩上死点TDCY之后在步骤S103中获得YES答案。如果在步骤S103中获得YES答案，则该例程前进至步骤S112。另一方面，如果获得NO答案，则该例程前进至步骤S104。
在步骤S104中，确定是否处在起动器50运转之前的状态。具体地，确定继电器32是否仍保持打开。如果在步骤S104中获得YES答案，意味着起动器50还没有被通电，则该例程前进至步骤S105，其中确定是否已经做出起动发动机10的起动请求。当在发动机10自动停止之后做出重启请求时，在步骤S105中获得YES答案。该例程然后前进至步骤S106。在步骤S105中获得NO答案直至在发动机10自动停止之后做出重启请求。该例程然后终止。
在步骤S106中，使起动器50通电或运转。具体地，闭合继电器32以将电功率输送到起动器50。该例程然后前进至步骤S107，其中ECU 30向控制器22输出交流发电机驱动待机命令。该例程然后前进至步骤S108，其中节流阀15的打开程度增加，即，节流阀15进一步打开以增加吸入发动机10中的空气量。步骤S108中的操作用作空气量控制单元。
在起动器50开始被通电之后，在步骤S104中获得NO答案。该例程然后前进至步骤S109，其中确定是否满足气缸11所填充的空气量大于等于阈值TH3的条件。步骤S109中的确定是用来确定如果现在执行包括燃料喷射控制在内的燃料燃烧控制，是否对其执行燃料燃烧控制的气缸11中的一个目标气缸将预计会经历首次点火事件，即，确定接下来将经受活塞的压缩冲程的其中一个气缸11是否是预计发生首次燃料燃烧的气缸(以下也将称为首次点火气缸)，并且确定首次点火气缸中的活塞的上死点是否是首次点火上死点TDCX。步骤S109中的操作用作确定预计将发生首次点火的气缸11中的活塞的上死点(即，首次点火上死点TDCX)的确定单元。气缸11所填充的空气量以已知的方式计算，例如根据由空气流量计14测得的进气空气量和发动机速度NE的函数来计算。阈值TH3是表示在气缸11中产生首次点火所需的空气量的参考值。如果在步骤S109中获得YES答案，意味着确定了首次点火上死点TDCX，则该例程前进至步骤S110。
在步骤S110中，确定发动机10的角位置(即，发动机10的曲轴的角位置)是否刚好在压缩冲程中活塞的上死点之前。换句话说，在气缸11所填充的空气量足以实现首次点火，即，在步骤S109中获得YES答案，以使得允许启动燃烧控制的情况下，在步骤S110中确定目标气缸11中的活塞的位置是否刚好在(刚好在首次点火上死点TDCX之前的)压缩上死点TDCY之前。在压缩上死点TDCY之前的发动机10的曲轴的角位置(例如，BTDC 45°至5°CA)在本公开中将被称为刚好在之前位置。如果在步骤S110中获得YES答案，则该例程前进至步骤S111，其中起动器50被断电。具体地，打开继电器32以切断向起动器50的电功率的供应。这使得小齿轮51通过回位弹簧55与环形齿轮17脱离。
如果在步骤S109或S110中获得NO答案，则该例程终止。因此，起动器50继续被通电。步骤S109中的操作用作确定单元。步骤S110和S111中的操作用作通电控制单元。
如果在停止起动器50之后在步骤S103中获得YES答案，则该例程前进至步骤S112，其中确定随后应当打开燃料喷射器12，即，应当启动燃料喷射。这开始将燃料喷射到发动机10的目标气缸11中以在目标气缸11中的活塞随后达到上死点(即，达到首次点火上死点TDCX)时实现目标气缸11中燃料的首次点火。如该实施例中所指的发动机10为直接喷射类型，其中紧接着在达到首次点火上死点TDCX之前在压缩冲程中燃料喷射到目标气缸11中。步骤S112中的操作用作燃烧控制单元。
该例程然后前进至步骤S113，其中向控制器22输出交流发电机驱动命令。控制器22然后在马达模式中致动交流发电机20以增加发动机速度NE。如果在下一程序执行循环中在步骤S102中获得YES答案，则该例程前进至步骤S114，其中向控制器22输出交流发电机关闭信号以停止交流发电机20的马达模式。该例程然后终止以完成用于发动机10的起动操作。
图4表示在给定的控制循环(可与ECU 30中的控制循环相同或不同)中由控制器22执行的用于交流发电机20的驱动控制。
在进入该程序之后，该例程前进至步骤S201，其中确定交流发电机20现在是否正在操作。如果获得YES答案，意味着正在驱动交流发电机20，则该例程前进至步骤S206。另一方面，如果获得NO答案，则该例程前进至步骤S202，其中确定从ECU 30输出的交流发电机驱动待机命令是否已由控制器22接收。如果获得YES答案，则该例程前进至步骤S203。另一方面，如果获得NO答案，则该例程终止。在步骤S203中，控制器22准备致动交流发电机20。具体地，旋转检测器23测量在旋转电机21中生成的感应电动势以确定旋转电机21的旋转速度。
该例程然后前进至步骤S204，其中确定控制器22是否已经从ECU 30接收交流发电机驱动命令，即，是否允许交流发电机20在马达模式中操作。如果在步骤S204中获得NO答案，意味着禁止交流发电机20在马达模式中操作，则该例程终止而不将交流发电机20置于马达模式中。另一方面，如果在步骤S204中获得YES答案，意味着允许在马达模式中驱动交流发电机20，则该例程前进至步骤S205，其中执行驱动控制以驱动交流发电机20。
当开始驱动交流发电机20时，在步骤S201中获得YES答案。该例程然后前进至步骤S206，其中确定控制器22是否已从ECU 30接收到交流发电机关闭信号。如果获得NO答案，则该例程终止，使得控制器22继续驱动交流发电机20。另一方面，如果获得YES答案，则该例程前进至步骤207，其中控制器22停止操作交流发电机20以完成用于发动机10的起动操作。
图5是表示起动发动机10的发动机起动***的操作的时间图。图5示出发动机10自动停止然后重启的实例。
在时间t11之前，发动机10静止。在时间t11处，车辆的驾驶员对发动机10做出起动请求。具体地，当驾驶员压下加速踏板41或释放制动踏板43时，做出起动请求。比如，在需要首次起动发动机10的情况下，在由驾驶员打开车辆的点火开关时产生起动请求。
当做出了起动请求，ECU 30开始使起动器50通电以带动发动机10。ECU 30还将节流阀15打开到比在正常的自动发动机重启模式更大的程度。在带动发动机10时，起动器50的小齿轮速度NP增加，使得发动机速度NE提高。
由于由气缸11中的燃烧室的容积的压缩引起的反作用，发动机速度NE通常随着活塞接近上死点而降低，然后在活塞通过上死点之后随着燃烧室的容积的增加而增加。通常，在活塞通过上死点之后，发动机NE(即，环形齿轮17的旋转速度)暂时变得高于小齿轮速度NP。
如上所述，在节流阀15打开到更大程度之后，随时间的推移输送到发动机10中的进气空气量的增加将导致气缸11所填充的空气量增加。在时间t12处，气缸11所填充的空气量达到所需的水平。换句话说，气缸11所填充的空气量大于等于阈值TH3。当发动机10的角位置(即，目标气缸11中活塞的位置)达到刚好在压缩冲程中的上死点之前的位置时，起动器50关闭。在时间t12处，当执行包括燃料喷射控制在内的燃烧控制时，对其执行燃料燃烧控制的目标气缸11预计将经历首次点火事件。因此起动器50被断电。具体地，如已经描述地，当目标气缸11中的活塞达到紧接着在压缩上死点TDCY(紧接着在预期发生燃料的首次点火的首次点火上死点TDCX之前)之前的位置时，起动器50关闭。这使得小齿轮51与环形齿轮17脱离，使得小齿轮速度NP随时间推移而降低。
当在发生首次点火之前关闭起动器50时，在发动机速度NE由于燃料的首次点火而快速增加之前，实现小齿轮51与环形齿轮17的脱离。
这在首次点火的情况下消除了源于小齿轮51和环形齿轮17之间的撞击的齿轮噪声，并且还导致带动发动机10所需的时间长度减少，这降低了由带动发动机10引起的齿轮噪声。目标气缸11中的压力通常在上死点处被最大化。作用于小齿轮51和环形齿轮17之间的啮合上的转矩也在上死点处被最大化。然而，在达到上死点之前关闭起动器50，从而使齿轮噪声降低最大化。
在时间t12后，起动器50产生转矩以带动发动机10，但是发动机10(即，发动机旋转轴16)继续由于其惯性力而旋转，使得活塞达到下一个上死点(即，首次点火上死点TDCX)。如上所述，该实施例的发动机起动***被设计成紧接着在(刚好在首次点火上死点TDCX之前的)压缩上死点TDCY之前致动起动器50，从而确保在首次点火上死点TDCX上移动目标气缸11中的活塞的稳定性。如上所述，发动机起动***还用以将节流阀15打开到更大程度，从而有助于在发动机10上施加大到能在首次点火上死点TDCX上移动活塞的转矩。这减少了在关闭起动器50之后发动机10的速度下降，并且确保了在首次点火上死点TDCX上移动活塞的稳定性。
在关闭起动器50之后，致动燃料喷射器12以将燃料喷射到目标气缸11中。在图5的实例中，在刚好在首次点火上死点TDCX之前的时间t13处，燃料喷射器12在燃烧冲程中开始将燃料喷射到气缸11中。同时，ECU30向控制器22输出交流发电机驱动信号。然后在达到首次点火上死点TDCX时发生首次点火。
然后，交流发电机20开始在马达模式中操作。由交流发电机20产生的驱动转矩和由气缸11中燃料的燃烧产生的转矩增加发动机速度NE，从而在发动机速度NE增加期间使活塞快速通过共振范围。
具体地，发动机10通常具有共振范围，其中发动机10在其旋转期间经历共振。共振范围通常位于300rpm至400rpm之间，其低于怠速速度。发动机10由起动器50带动的速度为200rpm。因此，在达到发动机10的共振范围之前，起动交流发电机20以在马达模式中驱动，以产生增加发动机10的速度所需的一定程度的转矩。
随后，在时间t14处，当发动机速度NE达到阈值TH1时，ECU 30向控制器22输出交流发电机关闭信号以取消交流发电机驱动命令。控制器22然后阻止交流发电机20在马达模式中移动。
该实施例的发动机起动***提供了以下有益的优点。
当需要起动发动机10时，ECU 30使起动器50通电以使小齿轮51与环形齿轮17啮合，并且使起动器50(即，马达52)的输出轴旋转。如上所述，刚好在达到气缸11中的活塞的上死点之前，由发动机10中的空气-燃料混合物的压缩引起的反作用被最大化，从而导致作用于小齿轮51和环形齿轮17的驱动齿面上的压力增加，这生成了齿轮噪声。在达到活塞的上死点之后，上述反作用力消失，使得环形齿轮17的旋转速度变得高于小齿轮51的旋转速度，从而使得因小齿轮51和环形齿轮17之间的齿轮碰撞或齿轮摩擦而产生的齿轮噪声发生。在发动机10中燃料的首次点火的情况下，此类齿轮噪声通常变得相当大。如上所述，该实施例的发动机起动***被设计成使起动器50通电并且然后在ECU30开始执行燃料燃烧控制以启动首次点火之前使其断电。这使得起动器50的致动和燃料燃烧控制在起动发动机10的起动操作期间不能同时实现。起动器50在首次点火发生之前被断电，从而在首次点火之前使小齿轮51与环形齿轮17脱离。换句话说，在小齿轮51和环形齿轮17之间发生由于燃料的首次点火引起的撞击之前小齿轮51与环形齿轮17脱离。源于在首次点火发生之前由气缸11中的空气的压缩引起的反作用的齿轮噪声也得到减轻。这大大降低了由常规的发动机起动***中的燃料的首次点火引起的齿轮噪声。
ECU 30在起动器50带动发动机10的操作期间计算首次点火上死点TDCX(其为压缩冲程中的活塞的上死点，在上死点处预计在发动机10中发生首次点火)，并且然后在达到首次点火上死点TDCX之前终止起动器50的通电。具体地，ECU确定当发动机10的其中一个气缸11中的活塞在其压缩冲程中达到上死点时预计发生首次点火，然后关闭起动器50。这使发动机10能够继续以在起动器50关闭之后启动其中一个气缸11中的燃料的首次点火所需的速度旋转，从而确保完全起动发动机10的稳定性。
当在小齿轮51和环形齿轮17的齿面上施加的压力被最小化时，通常容易进行小齿轮51与环形齿轮17的脱离。鉴于此类事实，紧接着在(比实现首次点火的首次点火上死点TDCX早一个循环的)压缩上死点TDCY之前，ECU 30终止起动器50的通电。换句话说，在由于气缸11中的空气-燃料混合物的压缩引起的反作用被最大化之前(即，紧接着在首次点火上死点TDCX之前)，即，当在小齿轮51和环形齿轮17的齿面上施加的压力已经下降时，关闭起动器50，从而便于进行小齿轮51与环形齿轮17的脱离，这导致齿轮噪声降低。
发动机10的气缸11中燃料的首次点火的发生需要气缸11充分填充有空气。因此，在气缸11中所选的一个气缸充分填充有空气的条件下，ECU 30起动燃料燃烧控制，从而当所选气缸11的活塞在预定的时间达到其上死点时实现所选气缸11中燃料的首次点火。这使起动器50能够在活塞在压缩冲程的所选循环中达到上死点(即，达到首次点火上死点TDCX)之前关闭。
发动机10被设计成具有燃料喷射器12，其将燃料直接喷射到每个气缸11中。在起动器50通电之后，紧接着在(在活塞的压缩冲程的随后的循环中)达到上死点之前，ECU 30在所选气缸11中的活塞的压缩冲程的所选循环中开始喷射燃料，从而在首次点火上死点TDCX处实现燃料的首次点火。
被设计成除了起动模式中的起动器之外，使用始终机械结合到发动机旋转轴16的交流发电机来起动发动机的发动机起动***是已知的。此类发动机起动***致动交流发电机，使得发动机的速度上升。然而，该实施例的发动机起动***被设计成在达到发动机10的共振范围之前开始致动交流发电机20，从而当发动机速度NE增加时使得发动机10快速通过共振范围。该实施例的发动机起动***还在关闭起动器50之后开始致动交流发电机20，从而导致电功率消耗降低。
在起动器50的通电完成之后发动机10中燃料的首次点火的发生需要发动机10的惯性旋转增加得多于由气缸11中的空气-燃料混合物的压缩引起的反作用力。为此，该实施例的发动机起动***用于增加当起动器50带动发动机10时输送到发动机10的气缸11中的空气量，然而，这导致反作用力增加。反作用力增加将使得发动机10的速度在膨胀冲程中预期地增加。如上所述，紧接着在(比首次点火上死点TDCX早一个循环的)压缩上死点TDCY之前发动机起动***使起动器50停止通电。换句话说，发动机起动***继续使起动器50旋转直至刚好在(比首次点火上死点TDCX早一个循环的)压缩上死点TDCY之前，从而在发动机旋转轴16上施加达到首次点火上死点TDCX所需的一定程度的转矩。这向发动机10提供了在关闭起动器50之后目标气缸11中的活塞越过上死点所需的一定程度的惯性旋转，从而确保实现发动机10中的燃料的首次点火的稳定性，而不会意外地降低发动机10的速度。
改进
上述实施例的发动机起动***用以确定当满足目标气缸11所填充的空气量变得大于等于阈值TH3的条件时应当发生燃料的首次点火的首次点火上死点TDCX，但是也可替换地被设计成当达到给定的曲柄角(例如，BTDC45°)时根据发动机速度NE的函数计算首次点火上死点TDCX。燃料的首次点火的发生通常取决于发动机条件，诸如发动机10的温度。步骤S102或S109中所用的用于目标气缸11所填充的燃料量或发动机速度NE的阈值因此可根据气缸11中的温度或发动机冷却液的温度的函数来可变地选择。
上述实施例的发动机起动***将应当关闭起动器50的时间确定为紧接着在(比首次点火上死点TDCX早一个压缩冲程循环的)压缩上死点TDCY之前，但是也可替换地被设计成将应当关闭起动器50的时间就设置为(在首次点火上死点TDCX之前的)压缩上死点TDCY或设置为紧接着在(在首次点火上死点TDCX之前的)压缩上死点TDCY之后。换句话说，可将应当关闭起动器50的时间确定为在首次点火上死点TDCX之前，只要目标气缸11中的活塞将会因发动机10的旋转惯性而通过首次点火上死点TDCX，即，在首次点火上死点TDCX处将发生燃料的首次点火。因此，优选的是，应当关闭起动器50的时间被设置为在(比首次点火上死点TDCX早一个压缩循环的)压缩上死点TDCY周围。因此，紧接着在首次点火上死点TDCX之前(即，在由目标气缸11中的空气的压缩产生的反作用力被最大化之前)关闭起动器50，从而便于小齿轮51与环形齿轮17的脱离并且降低由反作用力的生成引起的齿轮噪声和由气缸11中燃料的首次点火引起的强齿轮噪声。
发动机起动***可被设计成在起动器50的带动操作的早期减少气缸11所填充的空气量并且然后在带动操作的随后的阶段增加空气量。这导致在带动操作的早期因气缸11中的空气的压缩而产生的反作用力程度减少，从而降低齿轮噪声。在带动操作的后期气缸11所填充的空气量的增加将便于燃料在气缸11中点燃，从而确保在上死点处实现燃料的首次点火的稳定性。具体地，ECU 30降低节流阀15打开的程度，直至在起动器50起动打开之后经过了给定的时间段，然后增加打开程度直至(比首次点火上死点TDCX早一个压缩循环的)压缩上死点TDCY。
输送到气缸11中的空气量可以不使用节流阀15的方式进行控制。比如，发动机10可配备有可变阀致动器，诸如可变阀正时机构，其中的每个可变阀致动器用以可变地改变被装配用于相应气缸11的进气阀的打开或关闭正时或打开位置。ECU 30可使用可变阀致动器调节气缸11所填充的空气量。
如上所述，在起动器50被断电之后达到发动机10的共振范围之前，发动机起动***开始使交流发电机20通电，但是可替换地被设计成当起动器50被通电时开始驱动交流发电机20。
交流发电机20通过皮带机械地连接到发动机旋转轴16并且因此该交流发电机20在其操作时在气缸11中发生燃料的首次点火时不会产生强齿轮噪声(与起动器50不同)。因此，上述实施例的发动机起动***用以驱动交流发电机20，不管气缸11中燃料的首次点火的产生，但是可替换地被设计成相对于气缸11中燃料的首次点火的目标正时来选择起动交流发电机20进行驱动的时间。比如，可以在产生首次点火之前或之后，ECU 30开始驱动交流发电机20。
如上述实施例中所指的发动机10为直接喷射类型，但是可替换地为具有装配在进气管中的燃料喷射器的进气口燃料喷射类型。
如上所述，用作第二起动器的交流发电机20没有配备有旋转传感器，但是可替换地被设计成具有用以测量旋转电机21的角位置的此类旋转传感器。
虽然为了便于更好地理解本发明，本发明根据优选实施例进行了公开，但是应当理解，本发明可以以各种方式实施而不偏离本发明的原理。因此，本发明应被理解为包括所有可能的实施例和对在不偏离如所附权利要求书中所述的本发明的原理的情况下可以实施的所示实施例的修改。

Claims (12)

1.一种用于配备有齿轮传动型起动器和第二起动器的车辆的发动机起动***，所述齿轮传动型起动器被通电以使小齿轮与安装在所述车辆中的发动机的环形齿轮啮合，并且还使所述小齿轮旋转以使发动机旋转轴旋转，所述第二起动器与所述齿轮传动型是独立的，并且在规定时刻使所述发动机旋转轴旋转，所述发动机起动***包括：
通电控制单元，其用以在所述起动器被通电以起动所述发动机之后终止所述起动器的通电；
第二起动器控制单元，其使用所述第二起动器而使所述发动机旋转轴开始旋转；以及
燃烧控制单元，其用以执行燃烧控制从而控制所述发动机中燃料的燃烧，以便在所述起动器的所述通电由所述通电控制单元终止之后且所述第二起动器使所述发动机旋转轴开始旋转之前发生首次点火事件，即所述燃料在所述发动机中被首次点火。
2.一种用于配备有齿轮传动型起动器和第二起动器的车辆的发动机起动***，所述齿轮传动型起动器被通电以使小齿轮与安装在所述车辆中的发动机的环形齿轮啮合，并且还使所述小齿轮旋转以使发动机旋转轴旋转，所述第二起动器与所述齿轮传动型是独立的，并且在规定时刻使所述发动机旋转轴旋转，所述发动机起动***包括：
通电控制单元，其用以在所述起动器被通电以起动所述发动机之后终止所述起动器的通电；
第二起动器控制单元，其使用所述第二起动器而使所述发动机旋转轴开始旋转；以及
燃烧控制单元，其用以执行燃烧控制从而控制所述发动机中燃料的燃烧，以便在所述起动器的所述通电由所述通电控制单元终止之后且所述第二起动器使所述发动机旋转轴开始旋转之后发生首次点火事件，即所述燃料在所述发动机中被首次点火。
3.如权利要求1或2所述的发动机起动***，其特征在于，
所述燃烧控制单元开始执行所述发动机中的燃烧控制，以便在所述通电控制单元终止所述起动器的通电之后，在压缩冲程的规定的首次点火上死点处发生所述首次点火事件，并且第二起动器控制单元在紧接着在首次点火上死点之前的压缩上死点与所述首次点火上死点之间的时刻将驱动命令输出至第二起动器，以便使用所述第二起动器而使所述发动机旋转轴开始旋转。
4.一种用于配备有齿轮传动型起动器和第二起动器的车辆的发动机起动***，所述齿轮传动型起动器被通电以使小齿轮与安装在所述车辆中的发动机的环形齿轮啮合，并且还使所述小齿轮旋转以使发动机旋转轴旋转，所述第二起动器与所述齿轮传动型是独立的，并且在规定时刻使所述发动机旋转轴旋转，所述发动机起动***包括：
通电控制单元，其用以在所述起动器被通电以起动所述发动机之后终止所述起动器的通电；
燃烧控制单元，其开始执行燃烧控制从而控制所述发动机中燃料的燃烧，以便在所述通电控制单元终止所述起动器的所述通电之后的压缩冲程中的规定的首次点火上死点处发生首次点火事件；以及
第二起动器控制单元，其在紧接着在所述首次点火上死点之前的压缩上死点与首次点火上死点之间的时刻将驱动命令输出至所述第二起动器，以便使用所述第二起动器而使所述发动机旋转轴开始旋转。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的发动机起动***，其特征在于，
包括燃料喷射器，其将燃料直接喷射到所述发动机的气缸中，
所述燃烧控制单元在终止所述起动器的所述通电之后使用所述燃料喷射器开始所述燃料的喷射。
6.一种用于配备有齿轮传动型起动器的车辆的发动机起动***，所述齿轮传动型起动器被通电以使小齿轮与安装在所述车辆中的发动机的环形齿轮啮合，并且还使所述小齿轮旋转以使发动机旋转轴旋转，所述发动机起动***包括：
通电控制单元，其用以在所述起动器被通电以起动所述发动机之后终止所述起动器的通电；
燃料喷射器，其将燃料直接喷射到所述发动机的气缸中，
燃烧控制单元，其在所述起动器的所述通电由所述通电控制单元终止之后使用所述燃料喷射器开始所述燃料的喷射，并且所述燃烧控制单元还开始执行燃烧控制从而控制所述发动机中燃料的燃烧，以便在所述起动器的所述通电被终止之后发生首次点火事件，即所述燃料在所述发动机中被首次点火。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发动机起动***，其特征在于，
所述发动机起动***还包括确定单元，当所述起动器使所述小齿轮旋转以带动所述发动机时，该确定单元确定预计将要发生所述首次点火事件的首次点火上死点，并且当所述首次点火上死点由所述确定单元确定时，所述通电控制单元用以在达到所述首次点火上死点之前终止所述起动器的所述通电。
8.根据权利要求7所述的发动机起动***，其特征在于，
所述首次点火上死点由所述确定单元确定，
紧接着在比所述首次点火上死点早一个压缩循环的上死点之前，所述通电控制单元终止所述起动器的所述通电。
9.一种用于配备有齿轮传动型起动器的车辆的发动机起动***，所述齿轮传动型起动器被通电以使小齿轮与安装在所述车辆中的发动机的环形齿轮啮合，并且还使所述小齿轮旋转以使发动机旋转轴旋转，所述发动机起动***包括：
通电控制单元，其用以在所述起动器被通电以起动所述发动机之后终止所述起动器的通电；
燃烧控制单元，其用以执行燃烧控制从而控制所述发动机中燃料的燃烧，以便在所述起动器的所述通电由所述通电控制单元终止之后发生首次点火事件，即所述燃料在所述发动机中被首次点火；以及
确定单元，当所述起动器使所述小齿轮旋转以带动所述发动机时，该确定单元确定压缩冲程中的、预计将要发生所述首次点火事件的首次点火上死点，
当所述首次点火上死点由所述确定单元确定时，所述通电控制单元用以在达到所述首次点火上死点之前终止所述起动器的所述通电，
所述通电控制单元在比所述首次点火上死点早一个循环的上死点处或其附近终止所述起动器的所述通电。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的发动机起动***，其特征在于，当所述首次点火上死点由所述确定单元确定时，所述通电控制单元在比所述首次点火上死点早一个循环的上死点处或其附近终止所述起动器的所述通电。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的发动机起动***，其特征在于，
所述确定单元在所述发动机的气缸已经填充的空气量大于等于给定值的条件下确定所述首次点火上死点，并且当所述首次点火上死点由所述确定单元确定时，在达到所述首次点火上死点之前，所述燃烧控制单元启动包括使用燃料喷射器控制向所述发动机中喷射所述燃料在内的所述燃烧控制。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的发动机起动***，其特征在于，所述发动机起动***还包括空气量控制单元，当所述起动器使所述小齿轮旋转以带动所述发动机时，所述空气量控制单元增加吸入所述发动机中的空气量。
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