用于發(fā)動機位置控制的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于增加混合動力車輛的發(fā)動機啟動效率的系統(tǒng)和方法。利用與發(fā)動機的激光點火裝置的運轉(zhuǎn)相協(xié)調(diào)地觸發(fā)的正時電路以較高分辨率確定發(fā)動機位置。更準確地確定的活塞位置信息使用于在發(fā)動機重新啟動期間開始燃燒的汽缸能夠被更好地識別。
【專利說明】用于發(fā)動機位置控制的方法和系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2012年11月29日提交的美國專利申請?zhí)?3/689，601的部分繼續(xù)申請，其整個內(nèi)容被并入本文用于所有目的。

【技術領域】
[0003]本申請涉及用于利用激光點火系統(tǒng)準確確定發(fā)動機位置的方法和系統(tǒng)。

【背景技術】
[0004]特別是在混合動力電動車輛(HEV)和停止啟動車輛上，內(nèi)燃發(fā)動機(ICE)可以在所選狀況期間(諸如在怠速停止狀況期間)被關閉或被停用。關閉發(fā)動機提供了燃料經(jīng)濟性和排放減少的益處。然而，在關閉或停用期間，發(fā)動機的曲軸和凸輪軸會停止在發(fā)動機循環(huán)的未知位置。在隨后的發(fā)動機重新啟動期間，為了實現(xiàn)快速的發(fā)動機起轉(zhuǎn)，需要精確且及時地了解發(fā)動機活塞位置，以便使火花正時能與至發(fā)動機的燃料輸送相協(xié)調(diào)。
[0005]活塞或發(fā)動機位置確定的方法通常依賴于具有提供與凸輪軸測量相協(xié)調(diào)的同步的有限數(shù)量的齒與間隙的曲軸正時輪。US7，765，980示出了這種方法的一個示例，其中通過曲軸角度傳感器來識別曲軸位置。
[0006]然而，本發(fā)明人在此已經(jīng)認識到這種方法的問題。作為一個示例，取決于發(fā)動機溫度，識別相對于凸輪軸位置的曲軸位置所花費的時間量會發(fā)生改變。確定凸輪軸與曲軸之間的相對定位(為了識別發(fā)動機和活塞位置)的改變會導致實現(xiàn)并維持快速同步、可靠燃燒和排放減少的能力降低。另外，識別發(fā)動機位置導致的延遲于是會延遲發(fā)動機啟動，使車輛響應性退化。作為另一示例，用于活塞位置確定的上述方法可能具有有限的分辨率，這會進一步導致發(fā)動機位置的改變。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一種示例方法中，可以通過一種方法來解決一些上述問題，該方法包含:使激光點火裝置運轉(zhuǎn)以將激光脈沖輸送到汽缸內(nèi)；以及基于檢測激光脈沖所花費的時間推測汽缸的活塞的位置，花費的時間基于第一更粗(coarser)正時電路和第二更精(finer)正時電路中的每一個。以此方式，現(xiàn)有的激光點火系統(tǒng)能夠有利地用來準確和可靠地確定發(fā)動機和活塞位置。
[0008]作為一個示例，發(fā)動機系統(tǒng)可以被配置為具有激光點火系統(tǒng)。在非燃燒狀況期間，激光點火系統(tǒng)可以被運轉(zhuǎn)以將低功率激光脈沖發(fā)射到發(fā)動機汽缸的內(nèi)部。激光脈沖可以自汽缸活塞的頂面反射，并且反射的激光脈沖可以由激光點火系統(tǒng)的光檢測器進行檢測。激光點火系統(tǒng)可以包括兩個正時電路，用于估計在激光脈沖的發(fā)射與反射的激光脈沖的檢測之間經(jīng)過的時間。兩個正時電路可以具有不同數(shù)量的電路元件和不同的分辨率。例如，系統(tǒng)可以包括具有較少電路元件和較低分辨率(例如，在納秒范圍內(nèi))的第一正時電路以及具有較多電路元件和較高分辨率(例如，在皮秒范圍內(nèi))的第二正時電路。這兩個正時電路可以在激光脈沖被發(fā)射時啟動，并且這兩個電路可以在反射的脈沖被檢測到時停止。兩個電路的輸出之和然后可以被用來準確確定經(jīng)過的時間。例如，更粗的第一正時電路輸出與更精的第二正時電路輸出的組合可以被用來獲悉檢測到激光脈沖所花費的時間的更準確的估計。算法然后可以將時間值轉(zhuǎn)換為距離值，以更精確地確定活塞位置。活塞位置信息(例如，汽缸沖程信息)可以在隨后的發(fā)動機重新啟動期間被用來選擇開始第一燃燒事件的汽缸。
[0009]以此方式，多個正時電路可以被耦接至激光點火系統(tǒng)，以提供更快速且更準確的發(fā)動機/活塞位置、速度等的信息。通過在發(fā)動機起動(cranking)期間(或甚至在起動之前)更早地且以更高程度的分辨率識別這類信息，能夠更準確地且以更高可靠性確定活塞位置。通過利用較高分辨率的活塞位置信息來選擇用于最初燃燒事件的汽缸，能夠改善發(fā)動機重新啟動。
[0010]應當理解，提供以上概述是為了以簡化的形式介紹構思的選擇，這些構思在【具體實施方式】中被進一步描述。這并不意味著確定所要求保護的主題的關鍵或基本特征，要求保護的主題的范圍被緊隨【具體實施方式】之后的權利要求唯一地限定。此外，要求保護的主題不限于解決在上面或在本公開的任何部分中提及的任何缺點的實施方式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1示出了示例混合動力車輛的示意圖。
[0012]圖2示出了示例內(nèi)燃發(fā)動機的示意圖。
[0013]圖3示出了發(fā)動機的示例汽缸的示意圖。
[0014]圖4示出了行駛周期中停止在隨機位置的示例四缸發(fā)動機。
[0015]圖5示出了直接噴射發(fā)動機的示例發(fā)動機循環(huán)期間氣門正時和相對于發(fā)動機位置的活塞位置的示例映射圖。
[0016]圖6示出了進氣口燃料噴射發(fā)動機的示例發(fā)動機循環(huán)期間氣門正時和相對于發(fā)動機位置的活塞位置的示例映射圖。
[0017]圖7示出了用于基于車輛運轉(zhuǎn)模式和怠速停止狀況調(diào)整發(fā)動機運轉(zhuǎn)的示例方法。
[0018]圖8示出了用于在示例車輛行駛周期的運轉(zhuǎn)期間啟動或重新啟動發(fā)動機的示例方法。
[0019]圖9示出了用于使發(fā)動機的激光點火系統(tǒng)運轉(zhuǎn)以確定發(fā)動機位置的示例方法。
[0020]圖10示出了用于基于不同分辨率的多個正時電路的輸出推測活塞位置的示例方法。
[0021]圖1lA-B和12示出了可以被耦接至圖2_3的激光點火系統(tǒng)的時間檢測系統(tǒng)的正時電路的示例實施例。
[0022]圖13-14示出了利用圖1lA-B的多個正時電路來確定活塞位置的方法的實施例的示例框圖。

【具體實施方式】
[0023]提供了用于增加活塞位置確定的準確性由此改善混合動力車輛(諸如圖1的車輛)的發(fā)動機啟動效率的方法和系統(tǒng)。具體地，可以利用發(fā)動機激光點火系統(tǒng)(諸如圖2-4的系統(tǒng))，按發(fā)動機啟動順序更早地且以較高分辨率實現(xiàn)活塞位置的確定。控制器可以執(zhí)行控制程序(諸如圖7至10的示例程序)，以當需要汽缸燃燒時使激光點火系統(tǒng)以用于點燃汽缸空氣-燃料混合氣的較高功率模式運轉(zhuǎn)，而當不需要汽缸燃燒時使激光點火系統(tǒng)以用于確定汽缸活塞位置的較低功率模式運轉(zhuǎn)。推測的活塞位置可以被控制器用來選擇在發(fā)動機重新啟動期間開始第一燃燒事件的汽缸。圖5-6分別示出了直接和進氣口燃料噴射發(fā)動機的活塞位置與氣門正時的映射圖。圖1lA-B和12描述了可以被耦接至用于確定活塞位置的激光點火系統(tǒng)的不同分辨率的示例正時電路。如圖10和13-14所示，可以組合正時電路的輸出，并且可以利用適當?shù)乃惴▽⒔M合的輸出值轉(zhuǎn)換為距離值，以精確地且可靠地確定汽缸活塞的位置。通過增加活塞位置確定準確性來改善發(fā)動機重新啟動能力。
[0024]參照圖1，該圖示意地描述了具有混合動力推進系統(tǒng)10的車輛?；旌蟿恿ν七M系統(tǒng)10包括耦接至變速器16的內(nèi)燃發(fā)動機20。變速器16可以是手動變速器、自動變速器或其組合。進一步，可以包括各種另外的部件(諸如變矩器)和/或其他齒輪(諸如最終傳動裝置)等。變速器16被示為耦接至驅(qū)動輪14，驅(qū)動輪14可以接觸道路表面。
[0025]發(fā)動機20可以被配置用于如在圖2處所詳述的激光點火。具體地，發(fā)動機20可以包括具有激光發(fā)射器的激光點火系統(tǒng)，所述激光發(fā)射器被配置為在燃燒狀況期間將高功率激光脈沖發(fā)射到發(fā)動機汽缸的內(nèi)部，由此點燃汽缸空氣-燃料混合氣。激光發(fā)射器還可以被用來在非燃燒狀況期間(例如，當發(fā)動機被停用時)將較低功率激光脈沖發(fā)射到發(fā)動機汽缸的內(nèi)部。較低功率激光脈沖隨后可以被激光點火系統(tǒng)的檢測器檢測到。在激光脈沖的發(fā)射與檢測之間經(jīng)過的時間可以被用來準確確定每個汽缸中的活塞位置(例如，汽缸沖程)?；钊恢眯畔⑷缓罂梢员挥脕頌樵诎l(fā)動機隨后被重新啟用時開始燃燒選擇發(fā)動機汽缸。發(fā)動機20可以包括時間檢測系統(tǒng)14，用于精確確定檢測到激光脈沖所花費的時間。如關于圖3和11所詳述的，時間檢測系統(tǒng)14可以包括多個正時電路，各正時電路包括不同數(shù)量的電路元件，并且因此包括不同的分辨率。通過組合第一更粗正時電路的時間輸出與第二更精正時電路的時間輸出，可以更準確地(例如，到皮秒范圍內(nèi))確定在激光脈沖的發(fā)射與檢測之間經(jīng)過的時間。
[0026]在圖1的示例實施例中，混合動力推進系統(tǒng)還包括能量轉(zhuǎn)換裝置18，其可以包括馬達、發(fā)電機以及其他和其組合。能量轉(zhuǎn)換裝置18被進一步示為耦接至能量存儲裝置22，能量存儲裝置22可以包括電池、電容、飛輪、壓力容器等。能量轉(zhuǎn)換裝置可以被運轉(zhuǎn)以從車輛運動和/或發(fā)動機吸收能量，并將吸收的能量轉(zhuǎn)換為適合于被能量存儲裝置存儲的能量形式(換句話說，提供發(fā)電機運轉(zhuǎn))。能量轉(zhuǎn)換裝置還可以被運轉(zhuǎn)以向驅(qū)動輪14和/或發(fā)動機20供應輸出(動力、功、扭矩、速度等)(換句話說，提供馬達運轉(zhuǎn))。應當認識到，在一些實施例中，能量轉(zhuǎn)換裝置可以包括馬達、發(fā)電機、或馬達和發(fā)電機兩者、以及用于提供能量存儲裝置與車輛驅(qū)動輪和/或發(fā)動機之間的適當?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換的各種其他部件。
[0027]所描述的發(fā)動機20、能量轉(zhuǎn)換裝置18、變速器16與驅(qū)動輪14之間的連接可以指示機械能從一個部件到另一部件的傳遞，而能量轉(zhuǎn)換裝置18與能量存儲裝置22之間的連接可以指示各種能量形式(諸如電能、機械能等)的傳遞。例如，可以從發(fā)動機20傳遞扭矩，以經(jīng)由變速器16驅(qū)動車輛驅(qū)動輪14。如上所述，能量存儲裝置22可以被配置為以發(fā)電機模式和/或馬達模式運轉(zhuǎn)。在發(fā)電機模式中，系統(tǒng)10可以吸收發(fā)動機20和/或變速器16的一些或全部輸出，這會減少輸送至驅(qū)動輪14的輸出量。另外，由能量轉(zhuǎn)換裝置接收的輸出可以被用來給能量存儲裝置22充電?？蛇x地，能量存儲裝置22可以從外部能量源24接收電荷，諸如插入主電源(a plug-1n to a main elcectrical supply)。在馬達模式中，能量轉(zhuǎn)換裝置可以例如通過利用電池中存儲的電能向發(fā)動機20和/或變速器16供應機械輸出。
[0028]混合動力推進實施例可以包括全混合動力系統(tǒng)，其中車輛能夠僅以發(fā)動機、僅以能量轉(zhuǎn)換裝置(例如馬達)、或以兩者的組合運行。還可以采用輔助或輕度混合動力配置，其中發(fā)動機是主要的扭矩源，混合動力推進系統(tǒng)用于例如在踩加速器踏板或其他狀況期間選擇性地輸送額外的扭矩。此外，還可以使用啟動器/發(fā)電機和/或智能交流發(fā)電機系統(tǒng)。
[0029]根據(jù)上文，應當理解，示例性混合動力推進系統(tǒng)能夠進行各種運轉(zhuǎn)模式。例如，在第一模式中，發(fā)動機20開啟，并用作為驅(qū)動輪14提供動力的扭矩源。在這種情況下，車輛以“發(fā)動機開啟(engine-on) ”模式運轉(zhuǎn)，并且燃料從燃料系統(tǒng)100供應至發(fā)動機20 (在圖2中更詳細地進行描述)。燃料系統(tǒng)100包括燃料蒸汽回收系統(tǒng)110，以存儲燃料蒸汽，并減少來自混合動力車輛推進系統(tǒng)10的排放。
[0030]在另一模式中，推進系統(tǒng)可以使用能量轉(zhuǎn)換裝置18(例如，電動馬達)作為推進車輛的扭矩源進行運轉(zhuǎn)。可以在制動、低速期間、在紅綠燈等處停止時采用這種“發(fā)動機關閉(engine-off)”運轉(zhuǎn)模式。在可以被稱為“輔助”模式的另一模式中，替代的扭矩源可以增補由發(fā)動機20提供的扭矩并與其協(xié)同起作用。如上所述，能量轉(zhuǎn)換裝置18也可以以發(fā)電機模式運轉(zhuǎn)，其中從發(fā)動機20和/或變速器16吸收扭矩。此外，能量轉(zhuǎn)換裝置18可以用于在發(fā)動機20于不同燃燒模式之間轉(zhuǎn)變期間(例如，在火花點火模式與壓縮點火模式之間轉(zhuǎn)變期間)增大或吸收扭矩。
[0031]在上文中參照圖1描述的各種部件可以由車輛控制系統(tǒng)41控制，車輛控制系統(tǒng)41包括具有計算機可讀指令的控制器12，所述指令用于實施調(diào)節(jié)車輛系統(tǒng)、多個傳感器42和多個致動器44的程序和子程序。在下文中討論各種程序和子程序。
[0032]圖2示出了多缸內(nèi)燃發(fā)動機20的示例汽缸的示意圖。發(fā)動機20可以至少部分地由包括控制器12的控制系統(tǒng)以及經(jīng)由輸入裝置130來自車輛操作者132的輸入控制。在這個示例中，輸入裝置130包括加速器踏板和用于產(chǎn)生成比例的踏板位置信號PP的踏板位置傳感器134。
[0033]發(fā)動機20的燃燒汽缸30可以包括燃燒汽缸壁32，活塞36被設置在其中?；钊?6可以被耦接至曲軸40，使得活塞的往復運動被轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。曲軸40可以經(jīng)由中間變速器系統(tǒng)耦接至車輛的至少一個驅(qū)動輪。燃燒汽缸30可以經(jīng)由進氣道43從進氣歧管45接收進氣，并且可以經(jīng)由排氣道48排出燃燒氣體。進氣歧管45和排氣道48可以經(jīng)由各自的進氣門52和排氣門54與燃燒汽缸30選擇性地連通。在一些實施例中，燃燒汽缸30可以包括兩個或更多個進氣門和/或兩個或更多個排氣門。
[0034]在這個示例中，可以通過經(jīng)由各自的凸輪致動系統(tǒng)51和53的凸輪致動控制進氣門52和排氣門54。凸輪驅(qū)動系統(tǒng)51和53均可以包括一個或更多個凸輪，并且可以使用由控制器12運轉(zhuǎn)的凸輪輪廓線變換(CPS)、可變凸輪正時(VCT)、可變氣門正時(VVT)和/或可變氣門升程(WL)系統(tǒng)中的一個或更多個，以改變氣門運轉(zhuǎn)。為了能夠檢測凸輪位置，凸輪驅(qū)動系統(tǒng)51和53應當具有齒輪。進氣門52和排氣門54的位置可以分別由位置傳感器55和57確定。在可選的實施例中，進氣門52和/或排氣門54可以由電動氣門致動控制。例如，汽缸30可以可選地包括通過電動氣門致動控制的進氣門和通過包括CPS和/或VCT系統(tǒng)的凸輪致動控制的排氣門。
[0035]燃料噴射器66被示為直接耦接至燃燒汽缸30，經(jīng)由電子驅(qū)動器68與從控制器12接收的信號脈沖寬度FPW成比例地將燃料直接噴射進其中。以此方式，燃料噴射器66提供到燃燒汽缸30內(nèi)的所謂的燃料直接噴射。例如，燃料噴射器可以被安裝在燃燒汽缸的側(cè)部或燃燒汽缸的頂部。燃料可以通過包括燃料箱、燃料泵和燃料管路的燃料系統(tǒng)(未示出)輸送至燃料噴射器66。在一些實施例中，燃燒汽缸30可以可選地或另外地包括以如下構造布置在進氣道42中的燃料噴射器，所述構造提供到燃燒汽缸30上游的進氣口的所謂的燃料進氣口噴射。
[0036]進氣道43可以包括充氣運動控制閥(CMCV) 74和CMCV板72，并且還可以包括具有節(jié)流板64的節(jié)氣門62。在這個具體的示例中，控制器12可以經(jīng)由提供給被包括在節(jié)氣門62內(nèi)的電動馬達或致動器的信號改變節(jié)流板64的位置，這種構造通常被稱為電子節(jié)氣門控制(ETC)。以此方式，節(jié)氣門62可以被運轉(zhuǎn)以改變提供給燃燒汽缸30以及其他發(fā)動機汽缸的進氣。進氣道43可以包括質(zhì)量空氣流量傳感器120和歧管空氣壓力傳感器122，用于向控制器12提供各自的信號MAF和MAP。
[0037]排氣傳感器126被示為耦接至催化轉(zhuǎn)化器70上游的排氣道48。傳感器126可以是用于提供排氣空燃比指示的任何合適的傳感器，諸如線性氧傳感器或UEGO(通用或?qū)捰蚺艢庋鮽鞲衅?、雙態(tài)氧傳感器或EG0、HEG0(加熱型EGO) >NOx,HC或CO傳感器。排氣系統(tǒng)可以包括起動催化劑(catalysts)和車身底部催化劑、以及排氣歧管、上游和/或下游空燃比傳感器。在一個示例中，催化轉(zhuǎn)化器70可以包括多塊催化劑磚。在另一示例中，可以使用每個均具有多塊磚的多個排放控制裝置。在一個示例中，催化轉(zhuǎn)化器70可以是三元型催化劑。
[0038]控制器12在圖2中被示為微型計算機，包括微處理器單元102、輸入/輸出端口104、在這個具體示例中作為只讀存儲器片106示出的用于可執(zhí)沖程序和校準值的電子存儲介質(zhì)、隨機存取存儲器108、保活存取器109和數(shù)據(jù)總線?？刂破?2可以接收來自耦接至發(fā)動機20的傳感器的各種信號和信息，除了之前所討論的那些信號外，還包括來自質(zhì)量空氣流量傳感器120的進氣質(zhì)量空氣流量計(MAF)的測量；來自耦接至冷卻套筒114的溫度傳感器112的發(fā)動機冷卻劑溫度(ECT);在一些示例中，來自耦接至曲軸40的霍爾效應傳感器118 (或其他類型)的表面點火感測信號(PIP)可以被任選地包括；來自節(jié)氣門位置傳感器的節(jié)氣門位置(TP);以及來自傳感器122的歧管絕對壓力信號MAP?；魻栃獋鞲衅?18可以被任選地包括在發(fā)動機20中，因為它以類似于本文中所描述的發(fā)動機激光系統(tǒng)的能力起作用。存儲介質(zhì)只讀存儲器106可以用計算機可讀數(shù)據(jù)編程，該計算機可讀數(shù)據(jù)代表可由處理器102執(zhí)行的指令，用于實施以下所述方法以及其變型。
[0039]發(fā)動機20還包括激光點火系統(tǒng)92。激光點火系統(tǒng)92包括激光激發(fā)器88和激光控制單元(IXU)90。IXU90引起激光激發(fā)器88產(chǎn)生激光能量。IXU90可以接收來自控制器12的運轉(zhuǎn)指令。激光激發(fā)器88包括激光振蕩部分86和光轉(zhuǎn)換部分84。光轉(zhuǎn)換部分84將由激光振蕩部分86產(chǎn)生的激光集中于燃燒汽缸30的激光焦點82。
[0040]激光點火系統(tǒng)92被配置為以不只一種具有每次運轉(zhuǎn)基于四沖程燃燒循環(huán)的發(fā)動機位置進行正時的能力運轉(zhuǎn)。例如，激光能量可以用于在發(fā)動機的做功沖程期間(包括在發(fā)動機起動、發(fā)動機暖機運轉(zhuǎn)、已暖機的發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間)點燃空氣/燃料混合氣。當用于點燃汽缸空氣-燃料混合氣時，激光點火系統(tǒng)可以以發(fā)射較高能量強度的激光脈沖的較高功率模式運轉(zhuǎn)。由燃料噴射器66噴射的燃料可以在至少一部分進氣沖程期間形成空氣/燃料混合氣，其中通過由激光激發(fā)器88產(chǎn)生的激光能量點燃空氣/燃料混合氣開始其他不可燃空氣/燃料混合氣的燃燒，并向下驅(qū)動活塞36。
[0041]作為另一示例，激光點火系統(tǒng)92可被運轉(zhuǎn)以在發(fā)動機被停用并且沒有汽缸燃燒正在發(fā)生時的狀況期間確定汽缸活塞的位置。當用于活塞位置確定時，激光點火系統(tǒng)可以以發(fā)射較低能量強度激光脈沖的較低功率模式運轉(zhuǎn)。至少包括具有較低分辨率的第一正時電路和具有較高分辨率的第二正時電路的時間檢測系統(tǒng)14可以被耦接至激光點火系統(tǒng)，并且可以被用來準確估計自激光脈沖被激光發(fā)射器發(fā)射以后與激光脈沖在自汽缸活塞的頂面反射后被檢測器94檢測到之間經(jīng)過的時間。正時電路的輸出可以被轉(zhuǎn)換為距離值，以精確識別活塞位置。
[0042]IXU90可以依據(jù)工況引導激光激發(fā)器88將激光能量聚焦在不同位置處。例如，激光能量可以聚焦在汽缸30的內(nèi)部內(nèi)遠離汽缸壁32的第一位置，以便點燃空氣/燃料混合氣。在一個實施例中，第一位置可以靠近做功沖程的上止點(TDC)。另外，LCU90可以引導激光激發(fā)器88產(chǎn)生被引導至第一位置的第一組(a first plurality of)激光脈沖，并且自靜止后的第一燃燒可以接受來自激光激發(fā)器88的大于輸送至稍后燃燒的第一位置的激光能量的激光能量。
[0043]控制器12控制IXU90，并且具有包括基于溫度(例如ECT)調(diào)整激光能量輸送的位置的代碼的非臨時性計算機可讀存儲介質(zhì)。激光能量可以被引導至汽缸30內(nèi)的不同位置處?？刂破?2還可以包含用于確定發(fā)動機20的運轉(zhuǎn)模式的額外或可選的傳感器，包括額外的溫度傳感器、壓力傳感器、扭矩傳感器以及檢測發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度、空氣量和燃料噴射量的傳感器。額外地或可選地，為了確定發(fā)動機20的運轉(zhuǎn)模式，LCU90可以與各種傳感器(諸如用于檢測ECT的溫度傳感器)直接通信。
[0044]如上所述，圖2僅示出了多缸發(fā)動機的一個汽缸，并且每個汽缸可以類似地包括它自己的一組進氣/排氣門、燃料噴射器、激光點火系統(tǒng)等。
[0045]圖3圖示了激光系統(tǒng)92如何沿在上文中參照圖2描述的汽缸30中的活塞36的方向發(fā)射脈沖?？梢猿蚧钊?06的頂面313引導由激光系統(tǒng)92發(fā)射的脈沖(例如，圖3所示的脈沖302)。脈沖302可以自活塞的頂面313反射，并且返回脈沖(例如，脈沖304)可以由激光系統(tǒng)92接收，該返回脈沖然后可以被用來確定活塞36在汽缸30內(nèi)的位置。由激光系統(tǒng)92發(fā)射的脈沖可以具有由激光的不同功率模式產(chǎn)生的不同能量。例如，激光裝置以較高功率模式或點火模式運轉(zhuǎn)時發(fā)射的激光脈沖可以具有較高的能量，而激光裝置以較低功率模式或位置確定模式運轉(zhuǎn)時發(fā)射的激光脈沖可以具有較低的能量。具有多種運轉(zhuǎn)模式的激光點火系統(tǒng)提供明顯優(yōu)點，因為激光可以以高功率模式運轉(zhuǎn)以點燃空氣/燃料混合氣，或以低功率模式運轉(zhuǎn)以監(jiān)測活塞的位置、速度等。
[0046]圖3示出了包括激光激發(fā)器88、檢測系統(tǒng)94和IXU90的激光系統(tǒng)92的示例運轉(zhuǎn)。IXU90引起激光激發(fā)器88產(chǎn)生激光能量，如302處所示，然后可以朝向活塞36的頂面313引導該激光能量。LCU90可以接收來自控制器12的運轉(zhuǎn)指令，諸如功率模式。當不以高功率點燃空氣/燃料混合氣時，激光系統(tǒng)92可以發(fā)射低功率脈沖，以精確測量從汽缸的頂部到活塞的距離。例如，在點火期間，可以以高能量強度快速地脈沖出所使用的激光脈沖，以點燃空氣/燃料混合氣。相反，在活塞位置的確定期間，所使用的激光脈沖可以以低能量強度掃描頻率，以確定活塞位置。例如，具有重復線性頻率斜坡(ramp)的頻率調(diào)制的激光可以被用來確定發(fā)動機中的一個或更多個活塞的位置。檢測傳感器94可以位于汽缸的頂部中作為激光器的一部分，并且可以接收自活塞36的頂面313反射的返回脈沖304。在激光反射之后，從活塞反射的光能可以由傳感器檢測。
[0047]激光脈沖的發(fā)射與反射的脈沖被檢測器檢測到之間的時間差能夠由耦接至LCU的時間檢測系統(tǒng)14確定。時間檢測系統(tǒng)可以包括正時電路，該正時電路在激光脈沖發(fā)射時啟動，而在激光脈沖被檢測到時停止。多個正時電路可以被配置為具有不同數(shù)量的電路元件，由此影響電路的分辨率。例如，具有較多數(shù)量的電路元件和較高分辨率的正時電路可以提供皮秒時間范圍內(nèi)的時間估計，而具有較少數(shù)量的電路元件和較低分辨率的正時電路可以提供納秒時間范圍內(nèi)的時間估計。通過組合這兩個電路的輸出，可以獲得更精確的時間輸出，然后能夠利用一個或更多個時間到距離的算法將該更精確的時間輸出轉(zhuǎn)換為更精確的距離值。
[0048]在替代示例中，可以通過利用具有重復線性頻率斜坡的頻率調(diào)制的激光束的頻率調(diào)制方法確定活塞的位置?？蛇x地，相位偏移方法可以被用來確定距離。例如，通過觀察多普勒頻移或通過在兩個不同時間比較采樣位置，能夠推測活塞位置、速度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息(RPM測量)。進氣門52和排氣門54的位置然后可以分別由位置傳感器55和57確定，以便識別發(fā)動機的實際位置。一旦發(fā)動機中的每個活塞的位置和/或速度已經(jīng)被確定，控制器(例如，控制器12)就可以處理信息，以確定發(fā)動機的位置狀態(tài)或運轉(zhuǎn)模式。這種基于經(jīng)由激光確定的活塞位置的發(fā)動機的位置狀態(tài)可以進一步基于發(fā)動機的幾何形狀。例如，發(fā)動機的位置狀態(tài)會依據(jù)發(fā)動機是否為V-型發(fā)動機或直列式發(fā)動機。發(fā)動機相對位置信號指示發(fā)動機已經(jīng)同步。另外，系統(tǒng)信息還可以被用來確定曲柄(crank)角度和凸輪位置，以便發(fā)現(xiàn)發(fā)動機中的每個活塞的TDC和下止點(BDC)的信息。
[0049]例如，控制器12可以控制IXU90，并且可以包括基于工況(例如基于活塞36相對于TDC的位置)調(diào)整激光能量輸送的位置的代碼的非臨時性計算機可讀存儲介質(zhì)。如在下文中關于圖4所描述的，激光能量可以被引導至汽缸30內(nèi)的不同位置處。如在上文中關于圖2所描述的，控制器12還可以包含用于確定發(fā)動機20的運轉(zhuǎn)模式的額外或可選的傳感器，包括額外的溫度傳感器、壓力傳感器、扭矩傳感器以及檢測發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度、空氣量和燃料噴射量的傳感器。額外地或可選地，為了確定發(fā)動機20的運轉(zhuǎn)模式，LCU90可以與各種傳感器(諸如用于確定發(fā)動機20的運轉(zhuǎn)模式的霍爾效應傳感器)直接通信。。
[0050]在一些示例中，發(fā)動機系統(tǒng)20可以被包括在這樣的車輛中，該車輛被開發(fā)為當?shù)∷偻Ｖ範顩r滿足時執(zhí)行怠速停止，而當重新啟動狀況滿足時自動重新啟動發(fā)動機。這類怠速停止系統(tǒng)可以增加燃料節(jié)省，降低排氣排放、噪聲等。在這類發(fā)動機中，發(fā)動機運轉(zhuǎn)可以在行駛周期內(nèi)終止在隨機位置處。一旦開始重新啟用發(fā)動機的過程，激光系統(tǒng)就可以被用來確定發(fā)動機的具體位置?；诖嗽u估，激光系統(tǒng)可以關于首先為哪個汽缸供給燃料進行確定，以便自靜止開始發(fā)動機重新啟用過程。在被配置為執(zhí)行怠速停止運轉(zhuǎn)的車輛中，其中發(fā)動機停止與重新啟動在行駛運轉(zhuǎn)期間被反復多次，將發(fā)動機停止在期望的位置處可以提供更多可重復的啟動，并且因此激光系統(tǒng)可以被用來在發(fā)動機正減慢至靜止時的關閉期間(在燃料噴射、火花點火等停用之后)測量發(fā)動機位置，因此響應于測量的活塞/發(fā)動機位置，馬達扭矩或另一阻力(drag)扭矩可以可變地應用于發(fā)動機，以便將發(fā)動機停止位置控制到期望的停止位置。
[0051]在其他實施例中，當車輛關閉其發(fā)動機時，因為馬達關閉或因為車輛決定以電動模式運轉(zhuǎn)，發(fā)動機的汽缸最后可以相對于燃燒汽缸30中的活塞的位置36與進氣門52和排氣門54的位置以不受控的方式停止。
[0052]對于四個或更多個汽缸的發(fā)動機而言，會始終存在當曲軸處于靜止時位于排氣門關閉(EVC)與進氣門關閉(IVC)之間的汽缸。
[0053]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖11A-B，示出了圖1-3的時間檢測系統(tǒng)(14)的示例實施例。系統(tǒng)采用了多個正時電路，每個電路均利用電路元件的鏈(chain)。通過利用具有被啟動脈沖啟動且被返回的脈沖停止的時鐘的時間到距離的測量的脈沖方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率時間輸出。然后，通過利用包括光速的公式或算法將時間測量轉(zhuǎn)換為距離測量，充分提高正時系統(tǒng)的分辨率，例如，從納秒范圍內(nèi)的粗輸出提高至皮秒范圍內(nèi)的精輸出。在圖1lA的實施例中，時間檢測系統(tǒng)1100包括第一粗正時電路1120和第二精正時電路1121。第一和第二正時電路可以具有不同的分辨率。在所描述的示例中，第一正時電路1120是更粗正時電路(具有較低分辨率)，而第二正時電路1121是更精正時電路(具有較高分辨率)。粗正時電路被用來測量長時間段(例如，多于I納秒)，而更精正時電路被用來進行單個時鐘周期內(nèi)(例如在I納秒內(nèi)，諸如在皮秒范圍內(nèi))的精時間測量。
[0054]第一和第二正時電路1120、1121中的每一個均可以與控制器12通信，控制器12可以是CPU。在一個示例中，第一正時電路1120可以在控制器(或CPU) 12的內(nèi)部，而第二正時電路1121被通信地耦接至控制器。
[0055]第一和第二正時電路中的每一個均可以包含多個電路元件。在一些實施例中，第一和第二正時電路可以具有不同數(shù)量的電路元件。例如，較高分辨率正時電路可以具有比較低分辨率正時電路較多數(shù)量的電路元件。具體地，第二正時電路的分辨率可以基于第二正時電路中的電路元件的數(shù)量。例如，隨著第二正時電路中的電路元件的數(shù)量增加，第二正時電路的分辨率會增加。例如，具有16個電路元件的第二正時電路可以具有0.001皮秒的分辨率，而具有13個電路元件的第二正時電路可以具有I皮秒的分辨率。另外，電路元件的數(shù)量可以被調(diào)整為使得第二正時電路的范圍(即，上限閾值或最大輸出)與第一正時電路的分辨率(即，第一電路的下限閾值或最小輸出)基本上相同。例如，第二正時電路的最大輸出可以是I納秒，而第一正時電路的最小輸出可以是I納秒。
[0056]如下所述，第二正時電路1122的多個電路元件可以被耦接至各自的鎖存器(latch)。通過采樣鎖存器的輸出，可以進行高分辨率位置確定。如在圖10和圖14處詳述的，控制器最初可以僅運轉(zhuǎn)第一正時電路，并利用第一正時電路的輸出確定何時啟動第二正時電路。例如，如果第一正時電路提供表示10納秒與11納秒之間的時間值的最初粗時間輸出，那么在隨后的路徑(pass)上，第一和第二正時電路中的每一個均可以運轉(zhuǎn)，其中第二正時電路以相應10納秒的延遲啟動(例如，當?shù)谝徽龝r電路已經(jīng)到達10納秒標記時)。然后可以組合這兩個電路的輸出，以獲悉高分辨率時間值。
[0057]圖1lB示出了包括第一粗正時電路1120和第二精正時電路1122的時間檢測系統(tǒng)1150的替代實施例。在本文中，第二較高分辨率正時電路包括兩個半周期精正時電路1124a和1124b。這兩個半周期正時電路一起覆蓋第一正時電路1120的單個時鐘周期的持續(xù)期間。如下所述，第二正時電路的這兩個半周期部件中的每一個均包括耦接至各自鎖存器的多個電路元件。通過采樣鎖存器的輸出，可以進行高分辨率位置確定。如果測量信號沒有在給半時鐘正時電路的電路元件的整個鏈完全充電所花費的時間內(nèi)被測量到，則需要通過耗盡電容來清零該鏈。由于正時電路的電流限制器會引起清零運轉(zhuǎn)同樣花費大量時間，因此提供第二半時鐘周期正時電路。這允許在正清零第一半時鐘周期正時電路時使用第二半時鐘周期正時電路。因此，這兩個半時鐘周期正時電路交替地或相互排他地使用。
[0058]如同圖1lA的實施例，在圖1lB的實施例中，第一和第二正時電路可以具有不同的分辨率，其中第一正時電路1120被配置為更粗正時電路(具有較低分辨率)，而第二正時電路1122(包括第一和第二半時鐘周期正時電路中的每一個)被配置為更精正時電路(具有較高分辨率)。粗正時電路被用來測量長時間段(例如，多于I納秒)，而每個半時鐘周期正時電路被用來進行單個時鐘周期內(nèi)(例如，在I納秒內(nèi))的精時間測量。
[0059]第一和第二正時電路1120、1122中的每一個均可以與控制器12通信，控制器12可以是CPU。在一個示例中，第一正時電路1120可以在控制器(或CPU) 12的內(nèi)部，而第二正時電路1121被通信地耦接至控制器。
[0060]因此，第二正時電路的每個實施例均能進行精分辨率正時測量，同時均能提供另外的優(yōu)點。例如，圖1lA的第二正時電路由單個部件制成的實施例可以提供部件與成本降低益處。此外，當采樣速率較快時以及當粗正時電路的輸出中存在較少移動時，可以使用該實施例。與之相比，當采樣速率較慢時以及當粗正時電路的輸出中存在較多移動時，可以使用圖1lB的第二正時電路由兩個半時鐘周期部件制成的實施例。
[0061]因此，粗計時器可以被用來確定返回發(fā)生的大約時間，在隨后的測量脈沖上，快速計時器在返回脈沖被預期的時鐘時段期間啟動。作為一個示例，如果返回脈沖在不同時鐘時段發(fā)生(例如，比預期的早3個脈沖)，那么該信息能夠被用來更準確地預期下一個時鐘周期的到達(例如，早3個粗時鐘脈沖)。對于相對于粗計時器緩慢移動(即，運動使得能夠在正確的粗計時器時鐘時段內(nèi)預期返回脈沖)的物體，在快速計時器中使用單個部件或電路的方法是足夠的。否則，在高比例的脈沖上存在錯過精分辨率讀數(shù)的可能性。兩個(半時鐘周期)電路快速計時器的優(yōu)點是，通過每個測量脈沖實現(xiàn)精分辨率，并且在相鄰粗時鐘脈沖之間物體移動量不存在限制。由于一些盲區(qū)時段會在燃燒之后立即發(fā)生并且激光會轉(zhuǎn)為執(zhí)行其他任務(諸如汽缸壁升溫或燃料汽化)，這會是有利的。
[0062]如在圖10和圖13處詳述的，控制器可以使第一正時電路和第二正時電路中的每一個一起運轉(zhuǎn)，每個半時鐘周期計時器在每I納秒交替運轉(zhuǎn)。例如，在第一納秒期間，控制器可以使粗計時器和第一半時鐘周期計時器運轉(zhuǎn)，然后在第二納秒期間，當?shù)谝话霑r鐘周期計時器正被清零時，控制器可以使粗計時器和第二半時鐘周期計時器運轉(zhuǎn)。然后，在第三納秒期間，當?shù)诙霑r鐘周期被清零時，可以通過(現(xiàn)在已清零的)第一半時鐘周期計時器使粗計時器運轉(zhuǎn)。當正時電路停止(通過返回脈沖)時，可以組合兩個電路的輸出，以獲悉高分辨率時間值。
[0063]在圖12處提供了圖1lA-B的高分辨率正時電路的詳細實施例。因此，圖12的電路1200描述了圖1lA的第二精分辨率正時電路1121以及圖1lB的每個半時鐘周期精分辨率計時器(1124a和1124b)。應認識到，兩個這樣的電路可應用于圖1lB所示的時間檢測系統(tǒng)的實施例中。如參照圖1lA-B所論述的，所圖示的電路1200控制為利用CPU和基于時鐘的計時器的更大時間檢測系統(tǒng)的一部分的精分辨率計時器。
[0064]第二正時電路的電路元件1210a_1210n包括通過啟動脈沖的上升沿充電的電容的鏈(CMOS輸入Ca至Cn)。電流限制器(或電阻器Ra至Rn)被放置在每個電容的中間，其中電阻值被選擇為使該鏈中的最后一個電容在I納秒到達正閾值電壓(即，第一粗正時電路的分辨率)。
[0065]如參照圖10所詳述的，控制器可以基于激光脈沖被激光點火裝置發(fā)射到發(fā)動機汽缸的內(nèi)部與激光脈沖在自汽缸活塞的頂面反射后被檢測到之間經(jīng)過的時間確定活塞位置。花費的時間可以基于第一更粗正時電路1120和第二更精正時電路正時電路(1121或1122)中的每一個的輸出。具體地，花費的時間可以基于第一正時電路的輸出與第二正時電路的輸出之和。
[0066]啟動信號1202(例如激光脈沖)由控制器測量或估計。例如，啟動信號可以包括低功率激光脈沖已經(jīng)被激光點火裝置發(fā)射到汽缸內(nèi)部的確認。啟動信號1202開始電路的運轉(zhuǎn)，具體地，引起電容的鏈(CMOS輸入Ca至Cn)經(jīng)由上啟動脈沖的上升沿而充電。電路元件1210a至1210η的每個CMOS輸入被耦接至各自的鎖存器1208a至1208η。鎖存器在使元件表現(xiàn)類似鎖存器的行為的數(shù)據(jù)采集電路上主要為“禁用輸入(disable input)”。鎖存器允許數(shù)據(jù)線被讀取以及被處理。
[0067]電流限制器(Rl至Rn)被放置在每個電容之間，其中電阻值被選擇為使該鏈中的最后一個電容(Cn)在I納秒到達正閾值電壓水平。例如，如果該鏈具有1000個電容(其中Cn = C1000)，在I納秒時間點處，該鏈中的最后一個電容(C1000)將會在I納秒到達正電壓水平。
[0068]返回信號(在本文中也被稱為測量信號1203)觸發(fā)CMOS鎖存器的鏈(1208a至1208η)的輸出(Dl至Dn)被采樣。例如，測量信號可以包括低功率激光脈沖在自汽缸活塞的表面反射后已經(jīng)被耦接至激光點火裝置的檢測器檢測到的確認。因此，如果鎖存器立即運轉(zhuǎn)，鎖存器的鏈將會示出激光脈沖已經(jīng)在該鏈中行進多遠，由此將在啟動與測量的脈沖之間經(jīng)過的時間表示為由該鏈的長度確定的分辨率。例如，使用I納秒時鐘脈沖，1000個元件的鏈(C1000)將提供I皮秒(psec)的分辨率。作為另一示例，1，000，000個元件的鏈將提供0.001皮秒的分辨率。由于鎖存器需要有限時間(例如，X皮秒)來鎖存其輸入，因此啟動脈沖被延遲(延遲1204)相同的時間量(例如，X皮秒)。因此，延遲1204被設定為匹配禁用數(shù)據(jù)采集電路上的輸入所需的時間。這使鏈中的充電電容的位置與對應鎖存器的運轉(zhuǎn)同步。
[0069]如果測量信號1203沒有在I納秒時段內(nèi)出現(xiàn)，則需要通過耗盡電容來清零正被完全充電的鏈(同樣在1203處)，以準備另一啟動脈沖。電流限制器(電阻器Rl至Rn)被調(diào)整為使得它們引起同樣花費?I納秒的清零運轉(zhuǎn)。具體地，電路元件的RC值被設定為在該鏈中的第一元件與該鏈中的最后一個元件之間提供I納秒時間差，以越過正閾值。鑒于鏈清零所花費的時間，提供第二鏈(或半周期計時器)，以在第一鏈被清零時執(zhí)行時間測量。以此方式，這兩個鏈每I納秒交替使用。
[0070]應注意，如果電阻被設定為零(S卩，如果R = 0)，時間差也將會是零。因此，R被設定為非常小，以給出每個元件的電壓上升之間非常小的時間差。考慮到這一點，電路元件的鏈將會被擴展至I百萬個，以提供0.0Ol皮秒的分辨率。
[0071]如關于圖10和13所詳述的，響應于激光點火裝置的運轉(zhuǎn)，控制器可以啟動第一正時電路和第二正時電路中的每一個。在第一正時電路啟動后的延遲之后啟動第二正時電路，延遲基于之前估計的第一正時電路的輸出。激光點火裝置被運轉(zhuǎn)以在發(fā)動機靜止期間且在發(fā)動機重新啟動的第一燃燒事件之前將低功率激光脈沖輸送到發(fā)動機汽缸的內(nèi)部。具體地，正時電路被具有比輸送至汽缸的激光脈沖更低的功率的激光脈沖的發(fā)射觸發(fā)，以在燃燒狀況期間點燃汽缸空氣-燃料混合氣。
[0072]圖4示出了作為能夠?qū)⑷剂现苯訃娚涞饺紵覂?nèi)、在其行駛周期中停止在隨機位置的直列式四缸發(fā)動機和激光點火系統(tǒng)如何可以提供能夠與其他汽缸比較以識別潛在退化的測量的示例。應認識到，圖4所示的示例發(fā)動機位置本質(zhì)上是示例性的,并且其他發(fā)動機位置是可能的。
[0073]該圖中413處的插圖是示例直列式發(fā)動機汽缸體402的示意圖。汽缸體內(nèi)是四個單獨的汽缸，其中汽缸1-4被分別標注為404、406、408和410。汽缸的截面圖被示為按照其在示例行駛周期中的415處所示的點火順序進行布置。在這個示例中，發(fā)動機位置為使得汽缸404處于行駛周期的排氣沖程。因此，排氣門412處于打開位置，而進氣門414關閉。因為汽缸408在該循環(huán)中下一個點火，汽缸408處于其做功沖程，因此排氣門416和進氣門418都處于關閉位置。汽缸408中的活塞位于BDC附近。汽缸410處于壓縮沖程，因此排氣門420和進氣門422都處于關閉位置。在這個示例中，汽缸406最后點火，因此處于進氣沖程位置。因此，排氣門424關閉，而進氣門426打開。
[0074]如在上文中描述的圖2所示，發(fā)動機中的各個汽缸可以包括耦接至其上的激光點火系統(tǒng)，其中激光點火系統(tǒng)92被耦接至汽缸30。如在本文中所描述的，這些激光系統(tǒng)可以用于汽缸中的點火和確定汽缸內(nèi)的活塞位置。例如，圖4示出了耦接至汽缸404的激光系統(tǒng)451、耦接至汽缸408的激光系統(tǒng)453、耦接至汽缸410的激光系統(tǒng)457和耦接至汽缸406的激光系統(tǒng)461。
[0075]如上所述，激光系統(tǒng)可以被用來測量活塞的位置?；钊谄字械奈恢每梢韵鄬τ谌魏魏线m的參考點進行測量，并且可以使用任何合適的比例系數(shù)。例如，汽缸的位置可以相對于汽缸的TDC位置和/或汽缸的BDC位置進行測量。例如，圖4示出了通過處于TDC位置的汽缸的截面的線428和通過處于BDC位置的汽缸的截面的線430。盡管在活塞位置的確定過程中多個參考點和比例是可能的，但在此示出的示例基于活塞在室內(nèi)的位置。例如，可以使用基于與室內(nèi)已知位置相比的測量的偏移的比例。換句話說，圖4中432處所示的活塞頂面相對于428處所示的TDC位置和430處所示的BDC位置的距離可以被用來確定活塞在汽缸中的相對位置。為了簡便起見，示出了為從激光系統(tǒng)到活塞的距離校準的采樣比例。在這個比例下，原點428被表示為X(其中X = O對應于TDC)，而最遠離激光系統(tǒng)、對應于活塞行進的最大線性距離的活塞位置430被表示為xmax (其中X = xmax對應于BDC)。例如，在圖4中，從TDC428(其可以被認為是原點)到汽缸404中的活塞頂面423的距離471可以與從TDC428到汽缸410中的活塞頂面432的距離432基本上相同。距離471和432可以分別小于(相對于TDC428)從TDC428到汽缸408和406中的活塞頂面的距離473和477。
[0076]活塞可以周期地運轉(zhuǎn)，因此可以通過相對于TDC和/或BDC的單個度量來關聯(lián)其在室內(nèi)的位置。一般而言，這個距離(該圖中的432)可以被表示為ΛΧ。激光系統(tǒng)可以為其汽缸內(nèi)的每個活塞測量這個變量，然后利用該信息來確定是否需要進一步的動作。例如，如果該變量相差兩個或更多個汽缸中的閾值量，則激光系統(tǒng)能夠?qū)⒅甘景l(fā)動機性能的退化越過可允許閾值的信號發(fā)送至控制器。在這個示例中，控制器可以將代碼譯為診斷信號，并產(chǎn)生指示退化已經(jīng)發(fā)生的訊息。變量X被理解為表示可以由系統(tǒng)測量的多個度量，在上文中描述了其一個示例。給出的示例基于由激光系統(tǒng)測量的距離，該距離可以被用來識別活塞在其汽缸內(nèi)的的位置。
[0077]圖5針對具有點火順序1-3-4-2的四缸發(fā)動機示出了在發(fā)動機循環(huán)的四個沖程(進氣、壓縮、做功和排氣)內(nèi)的示例氣門正時和相對于發(fā)動機位置(曲柄角度)的活塞位置的曲線圖500?；谶x擇第一點火汽缸的準則，發(fā)動機控制器可以被配置為識別可以基于通過如在本文中所描述的經(jīng)由活塞反射激光脈沖而測量的發(fā)動機位置布置第一點火汽缸的區(qū)域。活塞從TDC逐漸向下移動，在進氣沖程結束的時候在BDC處降至最低點?；钊缓笤趬嚎s沖程結束的時候在TDC處返回頂部。活塞然后在做功沖程期間再次朝向BDC反向移動，在排氣沖程結束的時候在TDC處返回到其原始的頂部位置。如所描述的，映射圖沿X-軸以曲柄角度(CAD)的形式圖示了發(fā)動機位置。
[0078]曲線502和504分別針對排氣門和進氣門描述了正常發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間的氣門升程分布圖(profile)。排氣門可以正當活塞在做功沖程的時候降至最低點時打開。排氣門然后可以在活塞完成排氣沖程時關閉，保持打開至少直至隨后的下一循環(huán)的進氣沖程已經(jīng)開始為止。以相同的方式，進氣門可以在進氣沖程的時候或之前打開，并且可以保持打開，至少直至隨后的壓縮沖程已經(jīng)開始為止。
[0079]如在上文中參照圖2-4所描述的，發(fā)動機控制器12可以被配置為識別在自怠速停止狀況后的發(fā)動機重新啟動期間開始燃燒的第一點火汽缸。例如，在圖4中，可以利用耦接至激光點火系統(tǒng)以測量檢測到反射的激光脈沖所花費的時間并且因此測量活塞在汽缸中的位置、作為確定發(fā)動機的位置的手段的一個或更多個正時電路來確定第一點火汽缸。確定的發(fā)動機的位置可以被用來確定第一點火汽缸的位置。圖5所示的示例涉及直接噴射發(fā)動機(DI),其中第一點火汽缸可以被選擇為設置在EVC之后,但在隨后的EVO之前(一旦發(fā)動機位置被識別，并且與曲軸同步的活塞位置被識別)。為了比較，圖6示出了進氣口燃料噴射發(fā)動機(PFI)的第一點火汽缸,其中第一點火汽缸可以被選擇為設置在IVC之前。
[0080]圖5在此參照圖4，以進一步詳述如何關于一旦發(fā)動機重新啟用哪個汽缸首先點火進行確定，以及激光如何可以在行駛周期的四個沖程內(nèi)與不同功率模式的正時相協(xié)調(diào)。對于圖4所示的示例配置而言，發(fā)動機的位置可以由激光系統(tǒng)在圖5所示的線Pl處檢測至IJ。在這個示例中，在Pl處，汽缸404處于排氣沖程中。因此，對于這個示例發(fā)動機系統(tǒng)而言,汽缸408處于做功沖程中，汽缸410處于壓縮沖程中，而汽缸406處于進氣沖程中。一般而言，在發(fā)動機開始重新啟用過程之前，一個或更多個激光系統(tǒng)可以發(fā)射低功率脈沖(在圖5中的510處示出)，以確定發(fā)動機的位置。另外，由于在這個示例中使用了 DI發(fā)動機，因此燃料可以在IVO之后被噴射到汽缸室內(nèi)。噴射分布圖由506-509給出。例如，圖5中506處的方框示出了在圖5所示的示例發(fā)動機循環(huán)期間燃料何時被噴射到汽缸404內(nèi)，方框507示出了在圖5所示的示例發(fā)動機循環(huán)期間燃料何時被噴射到汽缸408內(nèi)，方框508示出了在圖5所示的示例發(fā)動機循環(huán)期間燃料何時被噴射到汽缸410內(nèi)，而方框509示出了在圖5所示的示例發(fā)動機循環(huán)期間燃料何時被噴射到汽缸406內(nèi)。
[0081]當汽缸已經(jīng)被識別為下一個點火汽缸時，在空氣/燃料混合氣已經(jīng)被引入汽缸中并且相關的活塞已經(jīng)經(jīng)過壓縮之后，耦接至識別的下一個點火汽缸的激光器可以產(chǎn)生高功率脈沖，以點燃汽缸中的空氣/燃料混合氣，從而產(chǎn)生做功沖程。例如，在圖5中，在到汽缸404內(nèi)的燃料噴射506之后，激光系統(tǒng)(例如，激光系統(tǒng)451)在512處產(chǎn)生高功率脈沖，以點燃汽缸中的燃料。同樣，按汽缸點火順序為汽缸404之后的下一個的汽缸408接收來自激光系統(tǒng)(例如，激光系統(tǒng)453)的高功率脈沖，以點燃在507處噴射到汽缸408內(nèi)的燃料。為在汽缸408之后的下一個點火汽缸的汽缸410接收來自激光系統(tǒng)(例如，激光系統(tǒng)457)的隨后的高功率脈沖，以點燃在508處噴射到汽缸408內(nèi)的燃料，等等。
[0082]在圖6中，類似于在圖5中針對DI發(fā)動機示出的分布圖的示例PFI發(fā)動機分布圖被提供用于比較。DI發(fā)動機與PFI發(fā)動機之間的一個差別涉及，燃料是否被直接噴射到燃燒室內(nèi)，或燃料是否被噴射到進氣歧管內(nèi)以在被噴射到室之前預先與空氣混合。在圖2-4所示的DI系統(tǒng)中，空氣被直接噴射到室內(nèi)，因此在汽缸的進氣沖程期間與空氣混合。相反，PFI系統(tǒng)在排氣沖程期間將燃料噴射到進氣歧管內(nèi)，因此空氣與燃料在被噴射到汽缸室內(nèi)之前預先混合。由于這種差別，發(fā)動機控制器可以依據(jù)系統(tǒng)中存在的燃料噴射系統(tǒng)的類型而發(fā)送不同的指令組。
[0083]在圖6所示的PFI發(fā)動機分布圖中，在時間Pl之前，一個或更多個激光系統(tǒng)可以發(fā)射低功率脈沖510，以確定發(fā)動機的位置。因為發(fā)動機是PFI，燃料可以在IVO之前被噴射到進氣歧管內(nèi)。在時間Pl處，控制器已經(jīng)經(jīng)由激光測量識別發(fā)動機活塞位置，并且已經(jīng)識別曲軸位置，因此可以安排同步的燃料輸送?；趯⒁斔偷娜剂狭浚刂破骺梢宰R別在IVO之前要供給燃料的下一個汽缸，因此能夠提供進氣口噴射的燃料的關閉的氣門噴射。在圖6中的606-608處不出了噴射分布圖。
[0084]例如，參照圖4，但關于PFI發(fā)動機而非DI發(fā)動機，606處的方框示出了在發(fā)動機重新啟用之后燃料何時可以噴射到第一點火汽缸的進氣歧管(在圖2和3中概括地顯示為45)內(nèi)。如圖6所示，汽缸408是可以被供給燃料的下一個汽缸，因此燃料噴射606被安排為使得當經(jīng)由激光點火脈沖618點燃時汽缸408是自靜止后點火的第一汽缸。一旦重新啟用，由于汽缸410按點火順序是下一個，燃料噴射607就可以根據(jù)在IVO之前的順序發(fā)生。在EVO之前，可以從激光系統(tǒng)457輸送高功率脈沖620，以點燃混合氣。按順序下一個點火汽缸是汽缸406，其隨后在IVO之前噴射燃料608。盡管未示出，但來自激光系統(tǒng)461的高功率激光脈沖可以被用來點燃這種空氣/燃料混合氣?？梢曰趤碜缘谝黄兹紵录娜紵恐饾u減小燃料噴射量。
[0085]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖7，示出了用于在車輛行駛周期期間使混合動力車輛系統(tǒng)的發(fā)動機系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的示例方法700。
[0086]在702處，可以估計和/或推測車輛工況。如上所述，控制系統(tǒng)12可以接收來自與車輛推進系統(tǒng)部件相關聯(lián)的一個或更多個傳感器的傳感器反饋，例如，來自質(zhì)量空氣流量傳感器120的進氣質(zhì)量空氣流量計(MAF)的測量、發(fā)動機冷卻劑溫度(ECT)、節(jié)氣門位置(TP)等。例如，估計的工況可以包括車輛操作者請求的輸出或扭矩的指示(例如，基于踏板位置)、燃料箱處的燃料水平、發(fā)動機燃料使用率、發(fā)動機溫度、車載能量存儲裝置的電荷狀態(tài)(SOC)、包括濕度和溫度的環(huán)境狀況、發(fā)動機冷卻劑溫度、氣候控制請求(例如，空氣調(diào)節(jié)或加熱請求)等。
[0087]在704處，基于估計的車輛工況，可以選擇車輛運轉(zhuǎn)的模式。例如，可以確定是否使車輛以電動模式(其中利用來自車載系統(tǒng)能量存儲裝置諸如電池的能量來推進車輛)、或發(fā)動機模式(其中利用來自發(fā)動機的能量來推進車輛)、或輔助模式(其中利用來自電池的至少一些能量和來自發(fā)動機的至少一些能量來推進車輛)運轉(zhuǎn)。
[0088]在706處，方法700包括確定是否使車輛以電動模式運轉(zhuǎn)。例如，如果扭矩需求小于閾值，車輛可以以電動模式運轉(zhuǎn)，而如果扭矩需求高于閾值，車輛可以以發(fā)動機模式運轉(zhuǎn)。作為另一示例，如果發(fā)動機已經(jīng)空轉(zhuǎn)很長一段時間，控制器可以確定車輛應當以電動模式運轉(zhuǎn)。
[0089]如果在706處方法700確定車輛將要以電動模式運轉(zhuǎn)，那么在708處，該方法包括通過使車輛以系統(tǒng)電池被用來推進車輛并滿足操作者扭矩需求的電動模式運轉(zhuǎn)。在一些示例中，即使在708處選擇了電動模式，程序仍可以繼續(xù)監(jiān)測車輛扭矩需求和其他車輛工況，以注意至發(fā)動機模式(或發(fā)動機輔助模式)的突然轉(zhuǎn)變是否將要被執(zhí)行。具體地，當處于電動模式時，在710處，控制器可以確定至發(fā)動機模式的轉(zhuǎn)變是否被請求。
[0090]如果在706處確定車輛不會電動模式運轉(zhuǎn)，那么方法700進入到712，以確認以發(fā)動機模式的運轉(zhuǎn)。一旦確認，車輛就可以以發(fā)動機被用來推進車輛并滿足操作者扭矩需求的發(fā)動機模式運轉(zhuǎn)?？蛇x地，車輛可以以由于來自電池的至少一些能量和來自發(fā)動機的至少一些能量而導致車輛推進的輔助模式(未示出)運轉(zhuǎn)。
[0091]具體地，如果在712處發(fā)動機模式被請求，或如果在710處從電動模式到發(fā)動機模式的轉(zhuǎn)變被請求，那么在714處，程序包括啟動(或重新啟動)發(fā)動機。參照圖8詳述了用于在車輛行駛周期期間啟動或重新啟動發(fā)動機的示例方法800。
[0092]在一些實施例中，混合動力車輛系統(tǒng)的發(fā)動機可以被配置為當所選擇怠速停止狀況滿足時被選擇性停用。例如，可以通過停用至發(fā)動機的燃料和火花而停用發(fā)動機。因此，通過響應于怠速停止(諸如當車輛在紅綠燈處停止時)而停用發(fā)動機，實現(xiàn)進一步的燃料經(jīng)濟性益處和發(fā)動機排放的減少。因此，當發(fā)動機正運轉(zhuǎn)時，在716處，可以確定怠速停止狀況是否已經(jīng)滿足。在一個示例中，如果以下狀況中的一個或更多個被確認:電池電荷狀態(tài)(SOC)高于閾值(例如，大于30%)、期望的車輛運行速度低于閾值(例如，低于30mph)、未接收到空氣調(diào)節(jié)的請求、發(fā)動機溫度超過所選溫度、節(jié)氣門打開程度低于閾值、扭矩需求低于閾值等，則可以認為怠速停止狀況滿足。如果怠速停止狀況中的任一個滿足，那么在718處，發(fā)動機被停用或被關閉。否則，在720處，發(fā)動機運轉(zhuǎn)被維持。
[0093]如果在718處發(fā)動機被關閉，那么在722處，當發(fā)動機處于怠速停止時，可以確定發(fā)動機重新啟動狀況是否已經(jīng)滿足。在一個示例中，如果以下狀況中的一個或更多個被確認:電池電荷狀態(tài)(SOC)小于閾值(例如，小于30% )、期望的車輛運行速度超過閾值(例如，超過30mph)、接收到空氣調(diào)節(jié)的請求、發(fā)動機溫度在所選溫度范圍內(nèi)、節(jié)氣門打開程度高于閾值、扭矩需求低于閾值等，則可以認為重新啟動狀況滿足。如果重新啟動狀況中的任一個滿足，則程序返回到714，以啟動或重新啟動發(fā)動機。否則，在712處，發(fā)動機被維持在怠速停止狀況，直至重新啟動狀況被確認。如在下文中關于圖8所詳述的，當啟動或重新啟動發(fā)動機時，控制器可以基于利用激光點火系統(tǒng)確定的活塞位置信息選擇開始第一燃燒事件的汽缸。
[0094]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖8，方法800描述了用于啟動或重新啟動發(fā)動機(包括選擇開始第一燃燒事件的汽缸)的程序。在一個示例中，圖8的方法可以作為圖7的程序的一部分執(zhí)行，諸如在步驟714處。
[0095]在802處,方法800包括確認重新啟動狀況是否已經(jīng)滿足。如關于圖7所詳述的，這可以包括確認自怠速停止狀況的一個或更多個發(fā)動機重新啟動是否已經(jīng)滿足?？蛇x地，這可以包括確認在混合動力車輛中是否已經(jīng)選擇至發(fā)動機模式的轉(zhuǎn)變。如果重新啟動狀況未被確認，則程序可以結束。
[0096]如果發(fā)動機重新啟動被確認，那么在808處，程序包括接合發(fā)動機啟動器，以開始發(fā)動機起動。其次，在810處，該方法包括確定發(fā)動機位置。例如，基于所選準則，發(fā)動機控制器可以被配置為確定發(fā)動機的位置，以便識別并定位在發(fā)動機啟用期間開始燃燒的第一點火汽缸。例如，如上所述，每個汽缸可以被耦接至能夠產(chǎn)生高或低能量光信號的激光系統(tǒng)。當以高能量模式運轉(zhuǎn)時，激光器可以用作點火系統(tǒng)，以點燃空氣/燃料混合氣。在一些示例中，高能量模式還可以被用來加熱汽缸，以便減少汽缸中的摩擦。當以低能量模式運轉(zhuǎn)時，還包含能夠捕獲反射光的檢測裝置的激光系統(tǒng)可以被用來確定活塞在汽缸內(nèi)的位置。如關于圖11所詳述的，可以基于在激光脈沖被激光點火系統(tǒng)發(fā)射與反射的激光脈沖被檢測裝置檢測之間經(jīng)過的時間確定活塞的位置?？梢岳民罱又良す恻c火系統(tǒng)的多個正時電路來估計花費的時間，多個正時電路至少包括具有較少電路元件的粗正時電路和具有較多電路元件的精正時電路。通過組合正時電路的輸出并將時間值轉(zhuǎn)換為距離值，能夠以較高分辨率確定活塞位置。位置信息可以被用來確定哪個汽缸在重新啟動期間首先點火。
[0097]在某些運轉(zhuǎn)模式下，例如，當發(fā)動機正運行時，反射光可以產(chǎn)生其他有利的光信號。例如，當來自激光系統(tǒng)的光自移動的活塞反射后，它將會相對于發(fā)射的初始光具有不同的頻率。該可檢測的頻移被稱為多普勒效應，并且具有與活塞速度已知的關系?；钊奈恢煤退俣瓤梢员挥脕硎裹c火事件的正時與空氣/燃料混合氣的噴射相協(xié)調(diào)。
[0098]在812處，該方法包括確定凸輪軸位置。例如，進氣門52和排氣門54的位置可以分別由位置傳感器55和57確定。在一些實施例中，發(fā)動機20的每個汽缸可以包括位于汽缸的上部區(qū)域的至少兩個進氣提升氣門和至少兩個排氣提升氣門。發(fā)動機還可以包括凸輪位置傳感器，其數(shù)據(jù)可以與激光系統(tǒng)傳感器合并，以確定發(fā)動機位置和凸輪正時。
[0099]在814處，該方法包括識別哪個汽缸在循環(huán)中首先點火。例如，發(fā)動機位置和氣門位置信息可以由控制器處理，以便確定發(fā)動機在其行駛周期中處于什么位置(例如，每個汽缸活塞處于哪個汽缸沖程)。一旦發(fā)動機位置已經(jīng)被確定，控制器就可以識別哪個汽缸在重新啟用后首先點火。在一個示例中，控制器可以選擇具有處于壓縮沖程的活塞的汽缸為開始發(fā)動機重新啟動的第一燃燒事件的汽缸，其中發(fā)動機被配置為用于直接噴射，并且發(fā)動機重新啟動不是發(fā)動機冷啟動而是發(fā)動機熱重新啟動。
[0100]在816處，該方法包括安排燃料噴射。例如，控制器可以處理發(fā)動機位置和凸輪正時信息，以安排在該行駛周期中將要被噴射燃料的下一個汽缸。在818處，方法800包括安排燃料點火。例如，一旦已經(jīng)為按點火順序下一個汽缸安排燃料噴射，控制器就可以隨后安排空氣/燃料混合氣被耦接至下一個點火汽缸的激光系統(tǒng)的點燃，以便開始發(fā)動機運轉(zhuǎn)。
[0101]圖9示出了用于基于內(nèi)燃發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)使發(fā)動機的激光點火系統(tǒng)以不同功率模式運轉(zhuǎn)的示例方法900。如在圖9的方法中所詳述的，激光系統(tǒng)可以以高功率模式運轉(zhuǎn)，以在燃燒狀況期間點燃汽缸空氣-燃料混合氣，并且可以以低功率模式運轉(zhuǎn)，以在非燃燒狀況期間測量活塞位置。在所示的實施例中，控制器可以利用多個不同分辨率的正時電路來確定發(fā)射的低功率激光脈沖在自汽缸活塞反射后被檢測到所花費的時間量，并且由此確定發(fā)動機在行駛周期中處于什么位置。發(fā)動機位置信息可以從正時電路通信至激光點火系統(tǒng)，并且隨即經(jīng)由本質(zhì)上可以為電或可以通過光學、機械或一些其他手段通信的信號通信至控制器，。
[0102]在901處，方法900包括利用至少一個激光系統(tǒng)來監(jiān)測發(fā)動機位置。例如，在圖4中，激光系統(tǒng)451可以被用來確定活塞在汽缸404中的位置。進氣門414和排氣門412的位置然后可以由凸輪傳感器確定，以便識別發(fā)動機的實際位置。在一個示例中，發(fā)動機位置正被監(jiān)測的低功率運轉(zhuǎn)模式可以為激光點火系統(tǒng)的默認狀態(tài)。
[0103]在902處，方法900包括確定激光點火是否將要被執(zhí)行。例如，激光系統(tǒng)92可以接收來自控制器的點火狀況已經(jīng)滿足的信息。在一個示例中，響應于來自車輛操作者或控制器的發(fā)動機啟動或重新啟動請求，可以認為點火狀況滿足。如果點火狀況被確認，那么在904處，該方法包括以高功率模式將激光脈沖到發(fā)動機的汽缸內(nèi)。如上所述，發(fā)動機控制器可以被配置為識別在自怠速停止狀況的發(fā)動機重新啟用期間開始燃燒或開始發(fā)動機開啟模式的發(fā)動機運轉(zhuǎn)的第一點火汽缸。當點火狀況被控制器12確認后,激光點火系統(tǒng)的激光激發(fā)器可以產(chǎn)生高能量或強度激光脈沖，以點燃給定燃燒室中的空氣-燃料混合氣。在發(fā)動機重新啟用后，激光系統(tǒng)可以恢復汽缸活塞位直的確認。
[0104]如果在902處激光點火狀況未被確認，那么在906處，該方法包括確定活塞位置確認狀況是否被確認。例如，可以確定是否需要活塞位置信息，以及激光系統(tǒng)是否應當被運轉(zhuǎn)以確定發(fā)動機位置。如果活塞位置確定狀況被確認，那么在908處,可以由激光系統(tǒng)451輸送低功率脈沖，以確定活塞在汽缸404內(nèi)的位置。同樣，激光系統(tǒng)453、457和461也可以輸送低功率脈沖，以分別確定活塞在汽缸408、410和406內(nèi)的位置。激光裝置可以以發(fā)射具有較低強度且具有指定頻率的激光脈沖的低功率模式運轉(zhuǎn)。例如，激光器可以以低功率模式掃描器其頻率。如關于圖10所詳述的，包括多個正時電路的時間檢測系統(tǒng)可以與激光器運轉(zhuǎn)相協(xié)調(diào)地運轉(zhuǎn)。具體地，響應于激光脈沖被激光裝置發(fā)射到發(fā)動機汽缸的內(nèi)部，可以啟用正時電路，而響應于激光脈沖(在自汽缸活塞的頂面反射之后)被激光系統(tǒng)的檢測器檢測到，可以禁用正時電路。
[0105]在910處，可以基于多個正時電路的輸出確定發(fā)動機的位置信息。例如，如參照圖10所詳述的，發(fā)動機控制器12可以執(zhí)行一系列計算，以將由正時電路輸出的時間值轉(zhuǎn)換為距離值(具體為激光裝置與活塞頂部之間的距離)。在進一步的實施例中，控制器可以基于從正時電路和凸輪位置傳感器接收的數(shù)據(jù)計算發(fā)動機的位置。以此方式，控制器可以使激光點火裝置運轉(zhuǎn)為將激光脈沖輸送到汽缸內(nèi)，然后基于檢測激光脈沖所花費的時間推測汽缸活塞的位置。在本文中，花費的時間可以基于第一更粗正時電路和第二更精正時電路中的每一個。
[0106]在912處，方法900包括利用發(fā)動機位置信息來確定其他系統(tǒng)信息。例如，可以進一步處理所收集的汽缸數(shù)據(jù)，以計算曲軸40的曲柄角度?？蛇x地，控制器可以利用發(fā)動機的位置來確保使發(fā)動機內(nèi)的燃料輸送同步。
[0107]在914處，方法900包括識別哪個汽缸在循環(huán)中首先點火。例如，在圖5和11的描述中，控制器利用激光系統(tǒng)和正時電路來測量活塞在其汽缸內(nèi)的位置。該信息可以進一步與由凸輪位置傳感器檢測到的進氣和排氣門的位置組合，以便確定發(fā)動機的位置。由識別的發(fā)動機的位置，控制器能夠識別并安排下一個汽缸在行駛周期中點火。以此方式，控制器可以基于正時電路的輸出推測給定汽缸的活塞的位置，并基于推測的位置調(diào)整在發(fā)動機重新啟動期間至給定汽缸的燃料和火花。
[0108]返回到圖9，在916處，該方法包括確定利用激光的發(fā)動機監(jiān)測是否繼續(xù)。例如，可以確定激光裝置是否將要被維持在低功率模式。在一個示例中，一旦利用低功率模式的激光裝置并基于正時電路的輸出已經(jīng)識別第一點火汽缸，控制器就可以確定不需要發(fā)動機位置的進一步監(jiān)測，并且需要高功率模式的激光器運轉(zhuǎn)來點燃汽缸空氣-燃料混合氣。如果控制器決定不利用激光系統(tǒng)來監(jiān)測發(fā)動機位置，那么在918處，控制器可以例如任選地利用曲軸傳感器來監(jiān)測發(fā)動機的位置。
[0109]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖10，示出了使圖1lA-B和12的被耦接至激光點火系統(tǒng)的正時系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的方法。該方法能基于檢測到由激光點火裝置發(fā)射到發(fā)動機汽缸內(nèi)的激光脈沖所花費的時間而獲悉發(fā)動機位置，其中花費的時間基于第一更粗和第二更不粗(less coarse)正時電路中的每一個的輸出。在一個示例中，圖10的程序可以作為圖9的程序的一部分執(zhí)行，諸如在908-910處。
[0110]在1002處,可以發(fā)射第一低功率激光脈沖。具體地，發(fā)射低功率激光脈沖達第一時間。例如，當需要發(fā)動機位置監(jiān)測時，控制器可以使耦接至發(fā)動機汽缸的激光點火裝置在非燃燒狀況期間以低功率模式運轉(zhuǎn)。在低功率模式下，激光裝置可以被配置為將比在燃燒狀況期間輸送至汽缸以點燃汽缸空氣-燃料混合氣的激光脈沖更低功率的激光脈沖輸送至汽缸。
[0111]在1004處,響應于第一低功率激光脈沖的發(fā)射,第一粗正時電路啟動。第一粗正時電路可以被耦接至發(fā)動機控制器或CPU的內(nèi)部。響應于激光脈沖的發(fā)射，控制器可以發(fā)送觸發(fā)第一粗正時電路的信號。
[0112]在1006處，程序包括檢測被發(fā)射到汽缸內(nèi)隨后自給定汽缸的活塞頂面反射的低功率激光脈沖。反射的激光脈沖可以由耦接至激光點火系統(tǒng)中的激光發(fā)射器的檢測裝置檢測。在1008處，響應于檢測，第一粗正時電路停止，并且由第一粗計時器中的電路元件的鏈輸出的時間值被讀取并被存儲在控制器的存儲器中?？刂破鬟€可以確定當?shù)谝缓偷诙龝r電路串聯(lián)運轉(zhuǎn)時所使用的延遲偏移值。延遲偏移基于第一正時電路的輸出。例如，當?shù)谝徽龝r電路的輸出為10納秒時，延遲偏移值可以被設定為10納秒。因此，延遲基于緩沖器芯片上的禁用輸入以克服緩沖器庫(bank)的組合電容量所需的時間。因為每個輸入均具有很小電容量，所以會存在很小時間延遲，該時間延遲在皮秒范圍內(nèi)測量時是足夠大的。在圖1lB的計時器檢測系統(tǒng)中，用于清零的延遲需要與粗時間測量相協(xié)調(diào)。在圖1lA的計時器檢測系統(tǒng)中，延遲基于粗時間測量，并且因此能夠處理任何大小的延遲。
[0113]在1010處，該方法包括可以發(fā)射第二低功率激光脈沖。具體地，發(fā)射類似于在1002處發(fā)射的脈沖的低功率激光脈沖達第二時間。在1012處，如同在1004處，響應于低功率激光脈沖的發(fā)射，第一更粗正時電路(重新)啟動。在1014處，在第一正時電路啟動以后確定的延遲時間或延遲偏移經(jīng)過之后，第二更精正時電路啟動。換句話說，來自之前粗測量的了解被用來在返回脈沖被預期的時鐘時段期間引起精分辨率正時電路運行。以此方式，如果精分辨率正時電路需要大量時間(例如，I毫秒)來使第一元件到達閾值電壓(這將是第二正時電路中具有非常長的電路元件的鏈的狀況)，可以使至第二正時電路的啟動脈沖提前啟動對應的時間量。因此，對于給定的電路設計而言，第一元件到達閾值電壓的時間將會是恒定的。
[0114]在1016處，如同在1006處，發(fā)射到汽缸內(nèi)的低功率激光脈沖在自給定汽缸的活塞反射之后被檢測到。在1018處，響應于檢測，第一粗正時電路和第二精正時電路中每一個均停止。由第一較低分辨率正時電路和第二較高分辨率正時電路中的每一個輸出的時間值被讀取并被組合。具體地，控制器(或CPU)可以讀取第二正時電路的數(shù)據(jù)鎖存線路，并將產(chǎn)生的精分辨率時間加到粗分辨率時間。因此，在讀取輸出之后，為了為下一個脈沖準備正時電路，通過將啟動線拉低來清零第二正時電路。第一正時電路的時鐘計時器也被重置。
[0115]在一個示例中，步驟1002至1018被重復多次，并且結果進行統(tǒng)計學比較。例如，可以每10至100毫秒發(fā)射一次測量脈沖，頻率取決于期望的最大測量范圍。
[0116]在1020處，利用時間至距離的轉(zhuǎn)換公式或算法而將由電路輸出的組合的時間值轉(zhuǎn)換為距離值。在一個示例中，控制器可以利用將光速用作參數(shù)的公式而將由第一正時電路輸出的第一時間值與由第二正時電路輸出的第二時間值之和轉(zhuǎn)換為距離值。
[0117]在1022處，基于檢測到由激光點火裝置發(fā)射到發(fā)動機汽缸內(nèi)的激光脈沖所花費的時間獲悉發(fā)動機位置，花費的時間基于第一更粗計時器或正時電路以及第二更不粗計時器或正時電路中的每一個。具體地，基于花費的時間獲悉發(fā)動機位置包括，為每個發(fā)動機汽缸確定活塞位置和汽缸沖程。如在圖9處所詳述的，控制器然后可以在隨后的發(fā)動機重新啟動期間基于獲悉的發(fā)動機位置調(diào)整發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)。例如，控制器可以基于獲悉的發(fā)動機位置調(diào)整汽缸燃料和火花正時?？刂破鬟€可以基于汽缸沖程選擇用于在發(fā)動機重新啟動期間執(zhí)行第一燃燒事件的汽缸。在一個示例中，活塞處于壓縮沖程的汽缸可以被選擇用于重新啟動期間的第一燃燒事件。因此，可以在非燃燒狀況期間(諸如在發(fā)動機靜止期間)、在發(fā)動機關閉期間的發(fā)動機停用之后以及在重新啟動期間的第一燃燒事件之前獲悉發(fā)動機位置。
[0118]以此方式，響應于激光脈沖被激光點火裝置發(fā)射到汽缸內(nèi)，控制器可以啟動第一和第二正時電路中的每一個。然后，響應于檢測到發(fā)射的激光脈沖，控制器可以停止第一和第二正時電路中的每一個?？刂破魅缓罂梢詫⒌谝徽龝r電路的第一時間輸出與第二正時電路的第二時間輸出之和轉(zhuǎn)換為距離，并且基于該距離推測汽缸活塞位置和汽缸沖程。
[0119]在一個示例中，在第一路徑上，第一正時電路的粗時間輸出可以表示10與11納秒之間的值。那么，在第二路徑上，可以響應于激光脈沖到汽缸內(nèi)的發(fā)射而使粗正時電路和精正時電路都運轉(zhuǎn)，其中第二正時電路在10納秒標記處啟動。當響應于反射的激光脈沖被耦接至LCU的檢測器檢測到而使兩個正時電路停止時，第一正時電路仍可以提供10與11納秒之間的輸出，而第二正時電路可以提供表示0.222納秒的輸出。因此，控制器可以推測高分辨率時間值為10+0.222 = 10.222納秒?？刂破魅缓罂梢詫?0.222納秒值轉(zhuǎn)換為距離值，從而以更高的準確性和精確性確定汽缸活塞的位置。
[0120]圖13以框圖的形式示出了在具有圖1lB的實施例的時間檢測系統(tǒng)(具有兩個半時鐘周期部件)中運轉(zhuǎn)的圖10的方法。如在圖10中，啟動信號1302(其與時鐘沿對齊)啟動粗分辨率計時器或計數(shù)器。第一計時器的粗輸出(在本文中也被稱為時鐘輸出1306)被存儲在CPU1312中，而且被饋送至第一半時鐘周期精分辨率計時器1308。倒置形式的時鐘輸出1306(利用I納秒時段方波進行調(diào)整)也被饋送至第二半時鐘周期精分辨率計時器1310。第一半時鐘周期精分辨率計時器1308的鎖存器的鏈的鎖存器輸出(在所描述的示例中，Dl至D500)被饋送至CPU1312。第二半時鐘周期精分辨率計時器1310的鎖存器的鏈的鎖存器輸出(在所描述的示例中，D501至D99)也被饋送至CPU1312。在CPU處，鎖存器的鏈的轉(zhuǎn)變點的位置被轉(zhuǎn)換為精分辨率時間。CPU然后組合粗分辨率計時器與精分辨率計時器的輸出，并執(zhí)行將高分辨率組合時間輸出轉(zhuǎn)換為高分辨率距離值的時間至距離的算法。距離值以更高的精確性、準確性和可靠性反映汽缸活塞位置。
[0121]圖14以框圖的形式示出了在具有圖1lA的實施例的時間檢測系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)的圖10的方法。啟動信號1302(其與時鐘沿對齊)啟動粗分辨率計時器或計數(shù)器。啟動信號可以包括表示激光脈沖已經(jīng)被激光點火裝置發(fā)射到對應的汽缸內(nèi)的信號。第一計時器的粗輸出(粗時間)(在本文中也被稱為時鐘輸出1306)被存儲在CPU1312中。如參照圖10所詳述的，粗計時器可以在第一路徑上單獨運轉(zhuǎn)以獲悉粗時間輸出，然后在第二路徑上與精計時器一起運轉(zhuǎn)以獲悉高分辨率時間輸出。因此，時鐘輸出1306也被用作至啟動信號1302的輸入，并且被用作至粗計時器1304的輸入。
[0122]啟動信號經(jīng)由CPU1312傳遞至精分辨率計時器1404。具體地，基于粗計時器的粗時間輸出，CPU可以確定延遲或偏移，在其之后將啟動信號發(fā)送至精分辨率計時器。在一個示例中，在對應于粗計時器1304的粗時間輸出的持續(xù)期間已經(jīng)經(jīng)過之后，將啟動信號發(fā)送至精分辨率計時器1404。
[0123]測量信號1402(在本文中也被稱為返回信號)可以為粗和精分辨率計時器中的每一個提供“停止”輸入。返回或測量信號可以包括表示激光脈沖在自對應汽缸的活塞表面反射之后已經(jīng)被激光點火裝置檢測到的信號。
[0124]響應于停止輸入，精分辨率計時器1404的鎖存器的鏈的鎖存器輸出(在所描述的示例中，Dl至D1000)被饋送至CPU1312。在CPU處，鎖存器的鏈的轉(zhuǎn)變點的位置被轉(zhuǎn)換為精分辨率時間。CPU然后組合粗分辨率計時器與精分辨率計時器的輸出，并執(zhí)行將高分辨率組合時間輸出轉(zhuǎn)換為高分辨率距離值的時間至距離的算法。距離值以更高的準確性和可靠性反映汽缸活塞位置。
[0125]在活塞位置確定之后，CPU可以將“清零信號”輸入發(fā)送至精分辨率計時器。這引起由精分辨率計時器測量的信號被清零。例如，可以通過耗盡精分辨率計時器的電路元件的鏈中的電容來清零該信號。一旦清零，就會為另一時間測量重置精分辨率計時器。
[0126]在一個不例中，發(fā)動機系統(tǒng)包含發(fā)動機汽缸和稱接至汽缸的激光點火系統(tǒng)。激光點火系統(tǒng)包括激光發(fā)射器和激光檢測器，具有第一較少數(shù)量的電路元件的第一較低分辨率正時電路，以及具有第二較多數(shù)量的電路元件的第二較高分辨率正時電路。第二正時電路的分辨率可以基于第二數(shù)量的電路元件，分辨率隨著第二數(shù)量增加而增加。另外，第二正時電路的范圍(或上限閾值)可以基于第一正時電路的分辨率(或下限閾值)。
[0127]發(fā)動機系統(tǒng)的控制器可以被配置為具有計算機可讀指令，所述指令用于在發(fā)動機重新啟動之前使發(fā)射器運轉(zhuǎn)以將較低能量激光脈沖發(fā)射到汽缸內(nèi)。響應于發(fā)射，啟動第一和第二正時電路中的每一個。在自汽缸的活塞反射之后,所發(fā)射的激光脈沖可以隨后被檢測器檢測。響應于檢測，停止第一和第二正時電路中的每一個，以及基于第一和第二正時電路的組合輸出推測汽缸活塞的位置。在隨后發(fā)動機重新啟動期間，控制器可以基于推測的汽缸活塞位置調(diào)整至汽缸的燃料和火花正時。此外，在發(fā)動機重新啟動期間，通過使發(fā)射器運轉(zhuǎn)以將較高能量激光脈沖發(fā)射到汽缸內(nèi)來在汽缸中點燃空氣-燃料混合氣。
[0128]以此方式，基于時鐘的計時器與具有RC元件的鏈的正時電路組合，以提供能夠以高精確性估計汽缸活塞位置的高分辨率正時電路。通過利用由激光點火系統(tǒng)的激光裝置發(fā)射激光脈沖和由激光點火系統(tǒng)的檢測器檢測反射的激光脈沖來觸發(fā)計時器，能夠以高準確性計算在激光脈沖的發(fā)射與檢測之間經(jīng)過的時間。然后通過將時間值轉(zhuǎn)換為距離值，能夠可靠地且以更大的置信度確定活塞位置。通過在發(fā)動機起動期間(或甚至在起動之前)使活塞位置信息能以高程度的分辨率確定，能夠改善用于在發(fā)動機重新啟動期間的最初燃燒事件的汽缸的選擇?？偟膩碚f，使發(fā)動機重新啟動更加一致。
[0129]應認識到，在本文中所公開的配置和程序本質(zhì)上是示范性的，并且這些具體的實施例不被認為是限制性的，因為許多變型是可能的。例如，上述技術能夠應用于V-6、1-4、1-6、V-12、對置4缸和其它發(fā)動機類型。本公開的主題包括在本文中所公開的各種系統(tǒng)和構造以及其它的特征、功能和/或性質(zhì)的所有新穎的和非顯而易見的組合和子組合。
[0130]本申請的權利要求具體地指出某些被認為是新穎的和非顯而易見的組合和子組合。這些權利要求可能涉及“一個”元件或“第一”元件或其等同物。這些權利要求應當被理解為包括一個或多個這種元件的結合，既不要求也不排除兩個或多個這種元件。所公開的特征、功能、元件和/或特性的其他組合和子組合可通過修改本權利要求或通過在這個或關聯(lián)申請中提出新的權利要求來要求保護。這些權利要求，無論與原始權利要求范圍相比更寬、更窄、相同或不相同，都被認為包括在本公開的主題內(nèi)。
[0131]盡管一個示例涉及測量發(fā)動機的位置汽缸，但在一個示例中可以提供其他測量裝置。例如，示例方法可以包括使激光點火裝置運轉(zhuǎn)以輸送激光脈沖；以及基于檢測到激光脈沖所花費的時間推測汽缸的活塞的位置，花費的時間基于第一更粗正時電路和第二更精正時電路中的每一個。電路可以包括在本文中所描述的示例電路的一個或更多個特征，諸如第二正時電路包括多個電路元件，并且其中第二正時電路的分辨率基于第二正時電路中的電路元件的數(shù)量。另外，第二正時電路的范圍可以與第一正時電路的分辨率基本上相同?；ㄙM的時間基于第一更粗正時電路和第二更精正時電路中的每一個可以包括，花費的時間基于第一正時電路的輸出與第二正時電路的輸出之和。響應于使激光點火裝置運轉(zhuǎn)，可以啟動第一正時電路和第二正時電路中的每一個?？梢栽诘谝徽龝r電路啟動以后的延遲之后啟動第二正時電路。延遲可以基于第一正時電路的輸出。使激光點火裝置運轉(zhuǎn)以輸送激光脈沖可以包括，輸送具有比在非距離測量運轉(zhuǎn)模式期間輸送的激光脈沖更低的功率的激光脈沖。
【權利要求】
1.一種發(fā)動機方法，其包括: 使激光點火裝置運轉(zhuǎn)以將激光脈沖輸送到汽缸內(nèi)；以及 基于檢測到所述激光脈沖所花費的時間推測所述汽缸的活塞的位置，所述花費的時間基于第一更粗正時電路和第二更精正時電路中的每一個。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其還包括，在發(fā)動機重新啟動期間基于所述推測的位置調(diào)整至所述汽缸的燃料和火花。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述第二正時電路包括多個電路元件，并且其中所述第二正時電路的分辨率基于所述第二正時電路中的電路元件的數(shù)量。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中所述第二正時電路的范圍與所述第一正時電路的分辨率基本上相同。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述花費的時間基于所述第一更粗正時電路和所述第二更精正時電路中的每一個包括，所述花費的時間基于所述第一正時電路的輸出與所述第二正時電路的輸出之和。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其還包括，響應于使所述激光點火裝置運轉(zhuǎn)，啟動所述第一正時電路和所述第二正時電路中的每一個。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中在所述第一正時電路啟動以后的延遲之后，啟動所述第二正時電路。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述延遲基于所述第一正時電路的所述輸出。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中使所述激光點火裝置運轉(zhuǎn)以輸送激光脈沖包括，在發(fā)動機靜止期間以及在發(fā)動機重新啟動的第一燃燒事件之前使所述激光點火裝置運轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中使所述激光點火裝置運轉(zhuǎn)以輸送激光脈沖包括，輸送具有比輸送至所述汽缸以點燃汽缸空氣-燃料混合氣的激光脈沖更低的功率的激光脈沖。
11.一種用于發(fā)動機的方法，其包括: 在發(fā)動機重新啟動期間基于獲悉的發(fā)動機位置調(diào)整發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)，所述發(fā)動機位置基于檢測到由激光點火裝置發(fā)射到發(fā)動機汽缸內(nèi)的激光脈沖所花費的時間，所述花費的時間基于第一更粗和第二更不粗正時電路中的每一個。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中基于所述花費的時間獲悉發(fā)動機位置包括，為每個發(fā)動機汽缸確定活塞位置和汽缸沖程。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中調(diào)整發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)包括，基于所述獲悉的發(fā)動機位置調(diào)整汽缸燃料和火花正時。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中調(diào)整發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)包括，基于所述汽缸沖程選擇用于在所述發(fā)動機重新啟動期間執(zhí)行第一燃燒事件的汽缸。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中獲悉所述發(fā)動機位置包括，在發(fā)動機靜止期間、在發(fā)動機關閉期間發(fā)動機停用之后以及在所述重新啟動期間第一燃燒事件之前獲悉所述發(fā)動機位置。
16.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中獲悉所述發(fā)動機位置包括: 響應于所述激光脈沖被所述激光點火裝置發(fā)射到所述汽缸內(nèi)，啟動所述第一和第二正時電路中的每一個； 響應于檢測到所述發(fā)射的激光脈沖，停止所述第一和第二正時電路中的每一個；將所述第一正時電路的第一時間輸出與所述第二正時電路的第二時間輸出之和轉(zhuǎn)換為距離；以及 基于所述距離推測所述汽缸活塞位置和汽缸沖程。
17.—種發(fā)動機系統(tǒng),其包括: 發(fā)動機汽缸； 激光點火系統(tǒng)，其被耦接至所述汽缸，所述激光點火系統(tǒng)包括激光發(fā)射器和激光檢測器； 第一較低分辨率正時電路，其具有第一較少數(shù)量的電路元件； 第二較高分辨率正時電路，其具有第二較多數(shù)量的電路元件；以及 控制器，其具有計算機可讀指令，所述指令用于: 在發(fā)動機重新啟動之前， 使所述發(fā)射器運轉(zhuǎn)以將較低能量激光脈沖發(fā)射到所述汽缸內(nèi)； 響應于所述發(fā)射，啟動所述第一和第二正時電路中的每一個； 在自所述汽缸的活塞反射之后檢測所述發(fā)射的激光脈沖； 響應于所述檢測，停止所述第一和第二正時電路中的每一個；以及 基于所述第一和第二正時電路的組合輸出推測所述汽缸活塞的位置。
18.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括另外的指令，所述指令用于， 在發(fā)動機重新啟動期間， 基于所述推測的汽缸活塞位置調(diào)整至所述汽缸的燃料和火花正時。
19.根據(jù)權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括另外的指令，所述指令用于， 在所述發(fā)動機重新啟動期間，通過使所述發(fā)射器運轉(zhuǎn)以將較高能量激光脈沖發(fā)射到所述汽缸內(nèi)來點燃所述汽缸中的空氣-燃料混合氣。
20.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述第二正時電路的分辨率基于所述第二數(shù)量的電路元件，所述分辨率隨著所述第二數(shù)量增加而增加，并且其中所述第二正時電路的范圍基于所述第一正時電路的分辨率。
【文檔編號】F02P23/04GK104141550SQ201410188828
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權日:2013年5月6日
【發(fā)明者】D·R·馬丁, K·J·米勒 申請人:福特環(huán)球技術公司