CN1821569A - 发动机重新启动设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有采用传统型发动机和传动装置体系结构的启动***的起止式“轻度混合型”车辆。本发明将小齿轮致动器螺线管与启动器马达功率开关电路分离。提供了功率继电器来开关启动器马达。在发动机停止状态期间，本发明中的小齿轮预梭动至飞轮环形齿轮并且保持与其啮合。然后，向功率继电器施加刚好低于激励功率继电器所需的电流的“初始电流”。在请求启动发动机时，电流将会增大以便激励继电器并且容许启动器马达旋转。因此就为启动***除去相当大部分的时滞，从而允许便利地重新启动和发动。本发明中的小齿轮致动器螺线管可还具有两个可按照选择激励的线圈。

Description

发动机重新启动设备和方法
技术领域
本发明涉及用于迅速有效地重新启动起止式“轻度混合型”内燃机的设备和方法，其通过以下方式实现，即分离小齿轮梭动电路与启动器马达功率继电器电路，使小齿轮预梭动至飞轮环形齿轮，以及为功率继电器提供“初始电流”以便减少重新启动前的时滞。
背景技术
在当前寻求具有更高燃料效率和更低排放量的车辆的趋势推动下，已经开发了内燃机体系结构和运行策略的许多新型解决方案。一种此类策略为当发动机在空转模式下运行时简单地关闭发动机。已经提出了许多构型来实现发动机的迅速重新启动。最简单且最具成本效率的***包括传统型或“现有型”启动器/小齿轮和飞轮/环形齿轮构型。这样，与其它混合型策略相比，这种类型的起止式策略对发动机和传动装置体系结构具有最小影响。这种***的响应时间可能很长，而这是一个重要的因素，因为汽车制造商试图交付无缝式车辆重新启动和发动方式。激励启动器的传统型功率继电器开关和驱动齿轮接合机构所需的时间占了总延迟时间的一大部分。
这种延迟时间可通过阐明传统型启动***的运行方式而得到更清楚的理解。见于当今的车辆中的典型启动器控制具有包含于钥匙操纵式点火开关内的启动触点。然而，“轻度混合型”构型可能采用脚踏操纵式点火开关。当克服弹簧压力将点火开关从“接通”位置转向“启动”位置时，启动触点就闭合。这又将启动器马达螺线管连接至车辆电池。由于启动器马达需要从电池大量送进电流以便将其内部部件置于工作状态，所以就需要螺线管。
当连接时，包含于螺线管内的线圈就受到激励，从而产生向内拉动电枢的磁场。该电枢与位于一端处的小齿轮致动器接合，而小齿轮致动器又使安装于启动器马达轴上的小齿轮梭动以便接合发动机的飞轮的环形齿轮。盘簧位于小齿轮之后，如果齿轮齿并未在被称作“对接”的状态下正确啮合，则盘簧保证了小齿轮与飞轮环形齿轮啮合。同时，电枢运动推动重型开关以便将启动器马达连接至电池，并且发动机转动曲轴将会启动。螺线管内的线圈具有足够的磁场强度以便同时使小齿轮梭动以及使启动器马达开关闭合。当发动机启动后通向螺线管的电流被断开时，小齿轮致动器上的弹簧拉动小齿轮脱离啮合。尽管这种方法只需要数秒的滞后时间，但是仍然需要一种更快速响应的方法来保证起止式“轻度混合型”发动机无缝操作。
发明内容
相应地，本发明的目的是减小使用常规型发动机启动器和飞轮的起止式“轻度混合型“发动机所用的发动机启动***中的上述滞后时间以及提供操作这种***的方法。
本发明将用于使小齿轮梭动至飞轮环形齿轮同时提供通向启动器马达的电力连接的螺线管分成了两个分离的电路。螺线管保留用于使小齿轮梭动，然而分离式功率继电器来提供电池与启动器马达之间的电连接。可以提供受控电流源例如脉冲宽度调制装置，以便容许在发动机停止状态期间在不同时间利用不同电流水平来激励小齿轮梭动螺线管和功率继电器两者。
举例来说，当发动机停止时，小齿轮梭动螺线管被激励至最大接通电流预定时间以便容许小齿轮梭动至并接合飞轮环形齿轮。如果轮齿并未在被称作“对接”的状态下正确啮合，则在小齿轮之后提供盘簧以便将小齿轮保持于飞轮上。然后将通向螺线管的电流减小至“保持水平”。该保持水平也已预定并且取决于使小齿轮保持与飞轮环形齿轮齿啮合所需的电流大小。实现这种降低电流“保持”状态的一种替代方法是在螺线管中提供两个分离的线圈并且容许一个线圈电路在螺线管电枢处于全冲程时打开。与小齿轮预梭动操作同时，为功率继电器提供“初始电流”。这种“初始电流”容许继电器中的线圈电流达到刚好位于将会发生开关操作的点之下，从而消除了在没有“初始电流”的情况下开关功率继电器时所固有的大部分时滞。现在小齿轮和功率继电器两者都处于有利状态以便容许在发出重新启动请求时迅速启动发动机。
相应地，本发明提供了一种可在起止式模式中操作的内燃机，其具有：具有小齿轮的启动器马达、用于开关启动器马达的功率继电器、用于向启动器提供电流的电池、用于使小齿轮梭动的小齿轮致动器螺线管、带有用于与功率继电器分离地操作所述小齿轮致动器螺线管的逻辑的控制单元、以及功率继电器所用的受控电流源，该受控电流源用于在发动机关闭状态下提供初始电流水平并且在控制单元检测到重新启动信号时增大电流以便容许开关功率继电器。前述内燃机的另一个方面可还具有小齿轮致动器螺线管所用的受控电流源，其在发动机关闭状态下提供最大接通电流预定时间，并且在预定时间结束时将小齿轮致动器螺线管的电流减小至保持电流。功率继电器所用的受控电流源和小齿轮致动器螺线管所用的受控电流源可为脉冲宽度调制装置。在本发明的内燃机的一个替代实施例中，小齿轮致动器螺线管可具有两个线圈和一个电枢致动的电触点组，它们可用于断开一个线圈的电流，从而响应于控制单元以较低的电流水平来激励小齿轮致动器螺线管。
本发明还提供了用于对发动机的重新启动信号做出快速响应的电流控制的改进型方法，这种发动机具有飞轮环形齿轮和带有小齿轮的传统型启动器，并且具有小齿轮致动器螺线管和功率继电器以及控制单元。这种方法包括：将通向小齿轮致动器螺线管的电流控制于最大接通电流足够长的预定时间以便容许小齿轮梭动至飞轮环形齿轮，此后将小齿轮致动器螺线管电流降低至用于使小齿轮保持与飞轮环形齿轮啮合的水平；以及分离地将通向功率继电器的电流控制成小于最小接通电流以便容许继电器线圈电流跳升至一定的水平，该水平不足以引起开关功率继电器，但是足以消除功率继电器响应于重新启动信号而开关所需时间的相当大的部分。在这种方法的替代实施例中，小齿轮致动器螺线管可具有两个线圈和一个电枢致动的电触点组，它们可用于响应于用来控制小齿轮致动器螺线管的控制单元以较低的电流水平来激励小齿轮致动器螺线管。
本发明还提供了用于重新启动具有小齿轮致动器螺线管和功率继电器的发动机的改进型***。这种***包括：用于以高电流水平和低电流水平激励小齿轮致动器螺线管的第一受控电流源；用于以低电流水平和高电流水平激励功率继电器的第二受控电流源；以及这两个受控电流源所用的控制单元，用于在第二受控电流源被控制于低电流水平时将第一受控电流源控制于高电流水平；其中控制单元可用于在第二受控电流源被控制于高电流水平时将第一受控电流源控制于低电流水平。
通过阅读结合附图对用于实现本发明的最佳模式的以下详细描述，将很容易清楚了解本发明的以上特征和优点及其它特征和优点。
附图说明
图1为本发明的示意图，示出了分离的小齿轮致动器螺线管电路和分离的带有功率继电器的启动器马达功率电路，两个电路都可通过受控电流源激励；
图2为用于控制通向小齿轮致动器螺线管的电流的发动机起止控制策略的图形表示；
图3为用于控制通向小齿轮功率继电器的电流的发动机起止控制策略的图形表示；
图4为传统型继电器对所施加电流的响应情况的图形表示，并且示例说明了传统地与激励继电器内的线圈相关联的滞后时间；以及
图5a和5b为操作中的两线圈小齿轮致动器螺线管的示意图。
具体实施方式
本发明示意性地示于图1中。发动机11的发动机控制单元30接收来自车载传感器12的各种输入，例如发动机RPM、起止请求、车辆速度等等。曲轴控制单元10可包含于发动机控制单元30中或者可完全分离。输入12由控制单元10进行处理以便确定发动机曲轴***应当处于何种状态。控制单元10电连接于功率继电器受控电流源13上并且连接于小齿轮致动器螺线管受控电流源14上。小齿轮致动器螺线管受控电流源14连接于小齿轮致动器螺线管15上。功率继电器受控电流源13连接于功率继电器16上。功率继电器16串联连接着电池17和启动器马达18。汽车电池17的典型电压为12伏；然而，电压可以根据应用情况而减小或增大。优选实施例中的受控电流源13、14将为脉冲宽度调制(PWM)装置。然而，本发明所属领域的普通技术人员将会认识到，在不改变本发明思想的情况下，可以使用其它装置例如变阻器和模拟放大器。
现在将参考图1、2和3对这种设置结构的操作模式进行更详细地阐述。当车辆停下来时，发动机控制单元30将会发出请求关闭内燃机11。当这种关闭事件20完成时，发动机曲轴***的控制单元10将会接收输入12。输入12，例如发动机RPM和车辆速度，将会向控制单元10确认发动机处于正确的状态下以便操作本发明。控制单元10然后将会控制小齿轮致动器螺线管受控电流源14，而小齿轮致动器螺线管受控电流源14又将控制最大所需接通电流22(A)预定小齿轮梭动时间23从而容许小齿轮58(示于图5a和5b中)梭动至飞轮环形齿轮60(示于图5a和5b中)。电流水平A为由制造商为保证接通小齿轮致动器螺线管15而规定的最大所需螺线管接通电流水平。所施加的电流保持于水平A最坏情况接通时间。在完成梭动操纵21之后，小齿轮致动器螺线管受控电流源14然后将会降低电流至使小齿轮58保持与飞轮环形齿轮60接触所需的最大保持电流24(B)。电流水平B为由制造商为保证小齿轮致动器螺线管15将会保持于接通状态而规定的最大保持电流。同时，在发动机关闭事件20处，控制单元10将会把功率继电器受控电流源13控制至“初始电流”水平25(C)。“初始电流”水平C选择成低于制造商规定的功率继电器16的最小接通电流。这样将会保证“初始电流”C刚好低于开关功率继电器16所需的制造商规定的电流水平。
在过去一段时间之后，操作人员或司机可控制发动机11以便起动，这可通过从制动踏板上抬起脚来实现。在起动控制期间，例如在26处，控制单元10将会控制功率继电器受控电流源13以便控制最大可用继电器电流27(D)。在这点处，利用足够的电流激励功率继电器16以便容许进行功率继电器16的开关。开关功率继电器16所需的时间已经减少，因为已为功率继电器16提供了“初始电流”水平C。在开关时，启动器马达18与电池17之间的连接将会闭合，从而引起启动器马达18将预梭动的小齿轮58旋转至支靠着飞轮环形齿轮60，因而起动发动机11。在发动机启动28时，曲轴控制不连续并且控制单元10将会引起功率继电器受控电流源13和小齿轮致动器螺线管受控电流源14两者禁止任何电流通向功率继电器16和小齿轮致动器螺线管15。
图4为典型或传统型继电器16对所施加电流的响应情况的图形表示。在T0处，即使最大可用继电器电流水平D施加于继电器上，继电器的的数也不会开始运动，直到T2为止。这种时滞可归因于功率继电器16内的线圈所需的电磁“建立”过程。在T3，电枢处于全冲程。从施加最大可用继电器电流D至继电器电枢处于全冲程时的总时间可通过T3减去T1来表示。本发明通过向功率继电器16提供“初始电流”水平C而为曲轴***除去了大部分滞后时间。这种“初始电流”水平对应于时间轴上的点T1。通过提供“初始电流”水平C而节省的总时间可以用T1减去T0来表示。对于这个特定实例，通过向功率继电器16施加“初始电流”水平C而节省的时间近似为功率继电器起动时间的50％。
图5a和5b为用于在小齿轮58预梭动“保持”期间控制通向小齿轮致动器螺线管15的电流的替代实施例的示意图。小齿轮致动器螺线管15包括两个线圈，第一线圈50和第二线圈52。当电流施加于小齿轮致动器螺线管15的端子51上时，电枢56可在线圈50和52内操作。当曲轴控制模块10控制小齿轮致动器螺线管的最大接通电流A时，电枢56被由第一线圈50和第二线圈52产生的磁力推动至一侧。该电枢56又操纵小齿轮致动器57与小齿轮58形成接合。小齿轮58在启动器马达轴59上沿轴向滑动以便与飞轮环形齿轮60齿啮合。同时，如图5b中所示，电枢56接合一组电触点54，这些电触点54然后打开，从而引起通向第二线圈52的电流断开。在小齿轮梭动操作的“保持”部分期间，第一线圈50的力足以将小齿轮58保持于飞轮环形齿轮60上。这是在小齿轮58预梭动的“保持”部分期间减少小齿轮致动器螺线管15电流的机电方法。
相应地，前文所述的设备提供了一种对发动机11的重新启动信号做出快速响应的改进型方法，这种发动机11具有飞轮环形齿轮60、带有小齿轮58的传统型启动器18、小齿轮致动器螺线管15和功率继电器16，由此通向小齿轮致动器螺线管15的电流被控制于最大接通电流A足够长的预定时间23以便容许小齿轮58梭动至飞轮环形齿轮60。在该点上，小齿轮致动器螺线管15电流被降低至用于使小齿轮58保持与飞轮环形齿轮60啮合的水平B。在这种操作期间，分离地将通向功率继电器16的电流控制成小于最小接通电流C以便容许继电器线圈跳升至一定的水平，该水平不足以引起开关功率继电器16。该电流应当足以消除功率继电器16响应于重新启动信号而开关所需时间的相当大的部分。这种控制通向小齿轮致动器螺线管15的电流和分离地控制通向功率继电器16的电流的方法可包括至少一个脉冲宽度调制装置。对通向小齿轮致动器螺线管15进行电流控制的方法的一个替代实施例为在小齿轮致动器螺线管15内提供两个线圈以及一个电枢致动的电触点54组，它们可用于响应于用来控制小齿轮致动器螺线管15的控制单元10以较低的电流水平来激励小齿轮致动器螺线管15。
尽管以上对实现本发明的最佳模式进行了详细描述，但本发明所属领域的普通技术人员将会认识到在所附权利要求范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (12)

1.一种可在起止式模式中操作的内燃机，包括：
具有小齿轮的启动器马达；
用于开关所述启动器马达的功率继电器；
用于向所述启动器提供电压和电流的电池；
用于使所述小齿轮梭动的小齿轮致动器螺线管；
经过编程以便用于与所述功率继电器分离地操作所述小齿轮致动器螺线管的控制单元；以及
所述功率继电器所用的受控电流源，所述受控电流源用于在发动机关闭状态期间提供初始电流水平并且在所述控制单元检测到重新启动信号时增大电流以便容许开关所述功率继电器。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述小齿轮致动器螺线管所用的受控电流源在发动机关闭状态期间提供最大接通电流预定时间，并且在所述预定时间结束时将所述小齿轮致动器螺线管的电流减小至保持电流。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其中所述功率继电器所用的所述受控电流源和所述小齿轮致动器螺线管所用的所述受控电流源为脉冲宽度调制装置。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述小齿轮致动器螺线管具有两个线圈和一个电枢致动的电触点组，所述电触点组可操作用于响应于所述控制单元以较低的电流水平来激励所述小齿轮致动器螺线管。
5.根据权利要求1所述的内燃机，还包括发动机控制单元，所述控制单元与所述发动机控制单元集成一体。
6.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述电池的所述电压为十二伏。
7.一种用于对发动机的重新启动信号做出快速响应的电流控制的改进型方法，这种发动机具有飞轮环形齿轮、带有小齿轮的传统型启动器、小齿轮致动器螺线管、功率继电器以及控制单元，这种方法包括：
将通向所述小齿轮致动器螺线管的电流控制于所需的最大接通电流足够长的预定时间以便容许所述小齿轮梭动至所述飞轮环形齿轮，由此将所述小齿轮致动器螺线管电流降低至用于使所述小齿轮保持与所述飞轮环形齿轮啮合的水平；以及
在对通向所述小齿轮致动器螺线管的电流进行控制的同一时间内，分离地将通向所述功率继电器的电流控制成小于最小接通电流，以便容许所述继电器线圈电流跳升至一定的水平，该水平不足以引起开关所述功率继电器，但是足以消除所述功率继电器响应于所述重新启动信号而开关所需时间的大部分。
8.根据权利要求7所述的电流控制的改进型方法，其中控制通向所述小齿轮致动器螺线管的所述电流和分离地控制通向所述功率继电器的所述电流的所述步骤包括提供至少一个脉冲宽度调制装置。
9.根据权利要求7所述的电流控制的改进型方法，其中所述小齿轮致动器螺线管具有两个线圈和一个电枢致动的电触点组，所述电触点组可操作用于响应于用来控制所述小齿轮致动器螺线管的所述控制单元以较低的电流水平来激励所述小齿轮致动器螺线管。
10.一种用于重新启动具有小齿轮致动器螺线管和功率继电器的发动机的改进型***，包括：
用于以高电流水平和低电流水平激励所述小齿轮致动器螺线管的第一受控电流源；
用于以低电流水平和高电流水平激励所述功率继电器的第二受控电流源；以及
所述受控电流源所用的控制单元，操作用于在所述第二受控电流源保持于所述低电流水平时将所述第一受控电流源保持于所述高电流水平；其中所述控制单元操作用于在所述第二受控电流源保持于所述高电流水平时将所述第一受控电流源保持于所述低电流水平。
11.根据权利要求10所述的改进型***，还包括发动机控制单元，所述控制单元与所述发动机控制单元集成一体。
12.根据权利要求10所述的改进型***，其中所述受控电流源所用的控制单元包括至少一个脉冲宽度调制装置。
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