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技术领域

本申请涉及具有激光点火和测量的发动机。

背景技术

在混合动力电动车辆（HEV）并且特别是停止-起动的车辆中，在选择的 条件期间内燃发动机（ICE）可以关闭或停用。关闭发动机可以通过避免诸如 怠速状态等某些状态而节省燃料。当这种情况发生时，发动机的曲轴和凸轮 轴可以在发动机循环的未知位置中停止。为了重新起动发动机，可以确定发 动机/活塞的位置以便可以提供顺序和准确的加注燃料和火花正时，以实现可 靠的低排放起动。因此，在起动期间精确和实时地知道发动机活塞位置可以 实现发动机的火花正时和燃料传输的协同。

活塞或发动机位置确定的一些方法依赖于具有有限的齿和一个间隙的曲 轴正时轮，以提供与曲轴测量协同的同步。一个示例在US7765980中示出， 其中曲轴位置通过曲轴角度传感器来识别。

然而，本文的发明人已经认识到利用这种方法的问题。例如，根据发动 机温度，相对于凸轮轴位置识别曲轴位置的时间量能够变化。确定凸轮轴和 曲轴之间的相对定位（为了识别发动机和活塞位置）的这种可变性能够导致 实现和保持快速同步、可靠的燃烧和减少的排放物的能力的降低。而且，识 别发动机位置的任何延迟之后能够延迟发动机起动。当响应于车辆发动要求 而重新起动发动机时，这种延迟于是变换成车辆响应的延迟，降低了客户的 满意度。

发明内容

在一种示范性的方法中，上述一些问题可以通过以下方法来解决，该方 法包括操作发动机汽缸中的激光点火装置并且响应于激光点火装置的操作而 识别发动机位置；和用该激光点火装置点火汽缸中的空气和燃料混合物。

以这种方式，例如在发动机起动期间，能够利用激光点火系统来增加发 动机和活塞位置识别的精确度。例如，这种方法可以更快和更准确地提供关 于发动机/活塞位置、速度等的信息。通过在发动机起动转动期间（或甚至在 起动转动之前）更早地识别这种信息，能够实现与曲轴的更快的同步，产生 较早的燃料传输和发动机燃烧。

在另一个示例中，识别发动机位置包括识别由活塞反射的并且由汽缸中 的传感器测量的多普勒频移。

在另一个示例中，该方法还包括根据经由激光点火装置识别的多个发动 机位置指示发动机转速。

在另一个示例中，该方法包括：在从静止的发动机起动的第一点火事件 之前，操作发动机汽缸中的激光点火装置，并且响应于在该汽缸中感测的光 而识别发动机位置；以及以根据识别的发动机位置的点火正时用该激光点火 装置点火该汽缸中的空气和燃料混合物。

在另一个示例中，该方法还包括响应于识别的发动机位置喷射燃料以产 生所述混合物。

在另一个示例中，燃料被直接喷射到该汽缸中。

在另一个示例中，所述方法进一步包括响应于多个识别的发动机位置而 指示激光点火系统的衰退。

在另一个示例中，根据凸轮轴位置进一步识别发动机位置。

在另一个示例中，所述发动机是自动关闭的。

在另一个实施例中，所述发动机起动是自动的发动机重新起动。

在另一个示例中，一种方法包括：响应于怠速停止状况而关闭发动机； 在自发动机重新起动关闭的第一燃烧事件之前，操作发动机汽缸中的激光点 火装置和响应于在该汽缸中感测的光而识别发动机位置；以及以根据识别的 发动机位置的点火正时而用激光点火装置点火汽缸中的空气和燃料混合物。

应当明白，提供上面的概述是为了以简单的形式介绍选择的概念，所述 概念将在具体实施方式中进一步描述。这并不意味着确定要求保护的主题的 关键或必要特征，要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。而且， 要求保护的主题不限于解决上面指出的或在本公开的任意部分中指出的任何 缺点的实施方式。

附图说明

图1示出示范性的混合动力车辆的示意图。

图2示出示范性的内燃发动机的示意图。

图3示出示范性的发动机的汽缸的示意图。

图4示出停止在其行驶周期中的随机位置的示范性的四汽缸发动机。

图5示出气门正时和相对于示范性的直接喷射发动机的发动机循环期间 的发动机位置的活塞位置的示范性的曲线图。

图6示出气门正时和相对于示范性的进气道燃料喷射发动机的发动机循 环期间的发动机位置的活塞位置的示范性的曲线图。

图7示出用于在车辆行驶周期的发动机运行期间完成各种车载诊断程序 的示范性方法。

图8示出在示范性车辆行驶周期的运行期间用于起动或重新起动发动机 的示范性方法。

图9示出用于根据内燃发动机的运行状态以两种模式运行激光系统的示 范性方法。

图10示出根据本发明的用于识别发动机衰退的示范性方法。

具体实施方式

提供用于提高诸如图1所示的混合动力车辆的发动机起动效率的方法和 系统。在一个示例中，在发动机起动顺序中利用诸如图2-4所示的连接到发动 机系统的激光点火系统可以更快和更早地实现活塞位置确定和精确度。例如， 图5-6分别示出直接喷射发动机和进气道燃料喷射发动机的活塞位置和气门 正时的曲线图。对于图4的采样的发动机位置，这些曲线图示出了连接到控 制器的激光系统如何可以两种功率模式运行。首先，低功率模式可以用来确 定发动机的位置，而其次，高功率模式可以用来点火空气/燃料混合物。图7-10 示出用于提高可以由图1-2的发动机的控制系统进行的发动机起动的效率的 各种示范性的控制程序。

参考图1，其示意地示出了具有混合动力推进系统10的车辆。混合动力 推进系统10包括连接到变速器16的内燃发动机20。变速器16可以是手动变 速器、自动变速器或其组合。而且，可以包括各种附加的部件，例如，液力 变矩器和/或诸如主减速器单元的其他档位等。变速器16还被示出连接到可以 接触道路表面的驱动轮14。

在这个示范性实施例中，混合动力推进系统还包括能量转换装置18，其 可以包括马达、发电机等其他装置及其组合。能量转换装置18还被示出为连 接到能量储存装置22，其可以包括蓄电池、电容器、飞轮、压力容器等。能 量转换装置可以运行以吸收来自车辆运动和/或发动机的能量，并且将该吸收 的能量转换成适合于由能量储存装置储存的能量形式（换句话说，提供发电 机运行）。能量转换装置也可以运行以提供对驱动轮14和/或发动机20的输出 （功率、做功、扭矩、速度等）（换句话说，提供马达运行）。应当明白，在 一些实施例中，能量转换装置可以包括马达和/或发电机以及用于在能量储存 装置和车辆驱动轮和/或发动机之间提供合适的能量转换的各种其他组件。

所示的发动机20、能量转换装置18、变速器16和驱动轮14之间的连接 可以表示机械能从一个组件到另一个组件的传输，而能量转换装置18和能量 储存装置22之间的连接可以表示诸如电能、机械能等各种能量形式的传输。 例如，扭矩可以从发动机20传递以经由变速器16驱动车辆驱动轮14。正如 上面所描述的，能量储存装置22可以构造成运行在发电机模式和/或马达模式 中。在发电机模式中，系统10可以吸收来自发动机20和/或变速器16的一些 或全部输出，这可以减少传输到驱动轮14的驱动输出的量。而且由能量转换 装置接收的该输出可以用来充电能量储存装置22。可替换地，能量储存装置 22可以接收来自诸如插电到主电源的外部能量源24的电荷。在马达模式中， 能量转换装置可以例如通过利用储存在电池中的电能而向发动机20和/或变 速器16提供机械输出。

混合动力推进实施例可以包括完全混合动力系统，其中车辆能够只依靠 发动机运行，只依靠能量转换装置（例如，马达）运行或依靠其组合运行。 也可以采用辅助或适度的混合动力结构，其中发动机是主要的扭矩源，其中 混合动力推进系统用来选择性地传输增加的扭矩，例如在踩加速器踏板或其 他条件期间。还有，也可以用起动机/发电机和/或智能交流系统。

从上面可见，应当理解示范性混合动力推进系统能够具有各种运行模式。 例如，在第一种模式中，发动机20接通并且用作向驱动轮14提供动力的扭 矩源。在这种情况下，车辆以“发动机接通”模式运行并且燃料从燃料系统 100供给到发动机20（图2中详细示出）。燃料系统100包括燃料蒸气回收系 统110，用以储存燃料蒸气并且减少来自混合动力车辆推进系统10的排放物。

在另一种模式中，推进系统可以利用作为推动车辆的扭矩源的能量转换 装置18（例如，电动马达）来运行。在制动、低速期间，在交通灯等处停止 时，可以采用“发动机关闭”模式运行。在可以叫做“辅助”模式的又一种 模式中，可以提供可替换的扭矩源，并且扭矩源以与由发动机20提供的扭矩 协同的方式动作。正如上面所指出的，能量转换装置18也可以发电机模式运 行，在该模式中，来自发动机20和/或变速器16的扭矩被吸收。而且，在不 同的燃烧模式之间在发动机20转换期间（例如，在火花点火模式和压缩点火 模式之间的转换期间），能量转换装置18可以用来增加或吸收扭矩。

上面参考图1描述的各种组件可以由车辆控制系统41控制，该车辆控制 系统包括控制器12，控制器12具有用于执行调节车辆系统、多个传感器42 和多个执行器44的各种程序和子程序的计算机可读指令。

图2示出多汽缸内燃发动机20的示范性汽缸的示意图。发动机20可以 至少部分地由包括控制器12的控制系统和经由输入装置130来自车辆操作者 132的输入控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于生成比 例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。

发动机20的燃烧汽缸30可以包括其中设置有活塞36的燃烧汽缸壁32。 活塞36可以连接到曲轴40，以便将活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。 曲轴40可以经由中间变速器系统连接到车辆的至少一个驱动轮。燃烧汽缸30 可以经由进气道43接收来自进气歧管45的进气并且可以经由排气道48排出 燃烧气体。进气歧管45和排气道48可以经由各自的进气门52和排气门54 选择性地与燃烧汽缸30连通。在一些实施例中，燃烧汽缸30可以包括两个 或两个以上的进气门和/或两个或两个以上的排气门。

在本示例中，进气门52和排气门54可以经由相应的凸轮驱动系统51和 53通过凸轮驱动被控制。凸轮驱动系统51和53中的每个可以包括一个或多 个凸轮并且可以利用可以由控制器12操作的凸轮廓线变换（CPS）系统、可 变凸轮正时（VCT）系统、可变气门正时（VVT）系统和/或可变阀门升程（VVL） 系统中的一个或多个，从而改变阀/气门运行。为了能够实现凸轮位置的检测， 凸轮驱动系统51和53应该具有齿轮。进气门52和排气门54的位置可以分 别由位置传感器55和57来确定。在可替换的实施例中，进气门52和/或排气 门54可以由电动气门驱动来控制。例如，汽缸30可以可替换地包括经由电 动气门驱动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮驱动控制的 排气门。

燃料喷射器66被示出为直接连接到燃烧汽缸30，以便经由电子驱动器 68与从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地将燃料直接喷射到燃 烧汽缸中。以这种方式，燃料喷射器66提供到燃烧汽缸30中的已知的燃料 的直接喷射。例如，该燃料喷射器可以安装在燃烧汽缸的侧面上或燃烧汽缸 的顶部中。燃料可以经由包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨的燃料传输系统（未 示出）传输到燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧汽缸30可以可替换地或 附加地包括设置在进气道43中的燃料喷射器，其构造成提供到燃烧汽缸30 上游的进气道中的已知的燃料的进气道喷射。

进气道43可以包括充气运动控制阀（CMCV）74和CMCV板72，并且 还可以包括具有节流板64的节气门62。在这个具体的示例中，节流板64的 位置可以经由提供给电动马达或包括节气门62的执行器的信号而由控制器12 改变，该构造可以叫做电子节气门控制（ETC）。以这种方式，节气门62可以 运行以改变在其他发动机燃烧汽缸中提供给燃烧汽缸30的进气。进气道43 可以包括质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122，以用于向控制 器12提供相应的信号MAF和MAP。

排气传感器126被示出为连接到催化转化器70上游的排气道48。传感器 126可以是用于提供排气空燃比的指示的任何合适的传感器，例如线性氧传感 器或UEGO（通用或宽域排气氧）传感器、双态氧传感器或EGO、HEGO（加 热的EGO）、NOx、HC或CO传感器。该排气系统可以在空燃比传感器的上 游和/或下游包括起燃催化剂和车身底部催化剂、以及排气歧管。在一个示例 中，催化转化器70可以包括多个催化剂砖。在另一个示例中，可以使用每个 具有多个催化剂砖的多个排放控制装置。在一个示例中，催化转化器70可以 是三元催化剂。

在图2中将控制器12示出为微型计算机，包括：微处理器单元102、输 入/输出端口104、在这个具体的示例中示为只读存储器芯片106的用于可执 行程序和校正值的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存储器（KAM） 109和数据总线。控制器12可以接收来自连接到发动机20的传感器的各种信 号和信息，除了上面提到的那些信号之外，还包括：来自质量空气流量传感 器120的进气质量空气流量（MAF）的测量；来自连接到冷却套管114的温 度传感器112的发动机冷却剂温度（ECT）；在一些示例中，可以选择性地包 括来自连接到曲轴40的霍尔效应传感器118（或其他类型）的表面点火感测 信号（PIP）；来自节气门位置感器的节气门位置（TP）；以及来自传感器122 的绝对歧管压力信号MAP。霍尔效应传感器118可以任选地包括在发动机20 中，因为它以类似于在本文中所述的发动机激光系统的能力起作用。存储介 质只读存储器106可以用表示由处理器102可执行的指令的计算机可读数据 编程，以用于执行在下面描述的方法及其变体。

激光系统92包括激光辐射器/激发器88和激光控制单元（LCU）90。LCU 90使激光辐射器88产生激光能量。LCU90可以接收来自控制器12的操作指 令。激光辐射器88包括激光振荡部分86和光汇聚部分84。该光汇聚部分84 将由激光振荡部分86产生的激光光线汇聚在燃烧汽缸30的激光焦点82上。

激光系统92构造成以多于一种能力运行，其中每种运行的正时均是基于 四冲程燃烧循环的发动机位置的。例如，在发动机的做功冲程期间，包括发 动机起动转动、发动机暖机运行和已经暖机的发动机运行期间，激光能量可 以用来点火空气/燃料混合物。在进气冲程的至少一部分期间，由燃料喷射器 66喷射的燃料可以形成空气/燃料混合物，其中以激光辐射器88产生的激光 能量点火空气/燃料混合物开始在其他情况下非可燃烧的空气/燃料混合物的 燃烧，并且向下驱动活塞36。

LCU90可以引导激光辐射器88根据工况将激光能量聚焦在不同的位置。 例如，激光能量可以聚焦在汽缸30的内部区域中远离汽缸壁32的第一位置， 以便点火空气/燃料混合物。在一个实施例中，该第一位置可以靠近做功冲程 的上止点（TDC）。而且，LCU90可以引导激光辐射器88以产生指向该第一 位置的第一多个激光脉冲，并且自静止的第一燃烧可以接收来自激光辐射器 88的激光能量，该激光能量大于传输到第一位置以用于后面的燃烧的激光能 量。

控制器12控制LCU90并且具有非瞬变的计算机可读储存介质，该计算 机可读储存介质包括编码用以根据温度，例如ECT，调节激光能量传输的位 置。激光能量可以被引导到汽缸30内的不同位置。控制器12还可以包括用 于确定发动机20的运行模式的附加的或可替换的传感器，包括附加的温度传 感器、压力传感器、扭矩传感器以及检测发动机旋转速度、空气量和燃料喷 射量的传感器。附加地或可替换地，LCU90可以直接与各种传感器通信（例 如用于检测ECT的温度传感器）以用于确定发动机20的运行模式。

如上所述，图2仅示出了多汽缸发动机的一个汽缸，并且每个汽缸可以 同样包括其自己的进气/排气门组、燃料喷射器、激光点火系统等。

图3示出激光系统92如何可以在上面参考图2所描述的汽缸30中的活 塞36的方向上放射脉冲。由激光系统92放射的脉冲，例如图3所示的脉冲 302，可以被引导朝向活塞306的顶表面313。脉冲302可以从该活塞的顶表 面313反射，并且返回脉冲例如脉冲304可以被激光系统92接收，该脉冲然 后可以用来确定活塞36在汽缸30内的位置。由激光系统92放射的脉冲可以 具有由所述激光的不同功率模式产生的不同的能量。由于激光可以高功率模 式操作以点火空气/燃料混合物，或以低功率模式操作以监控活塞的位置、速 度等，因此具有多个操作模式的激光系统提供了不同的优点。

图3示出激光系统92的示范性操作，该激光系统92包括激光辐射器/激 发器88、检测系统94和LCU90。LCU90使激光辐射器88产生激光能量， 该激光能量然后可以被引导朝向活塞36的顶表面313，如302所示。LCU90 可以从控制器12接收诸如功率模式的操作指令。当不以高功率点火空气/燃料 混合物时，激光系统92可以放射低功率脉冲，以精确地测量从汽缸顶部到活 塞的距离。例如，在点火期间，所用的激光脉冲可以高能量密度快速地脉动， 以点火空气/燃料混合物。相反，在确定活塞位置期间，所用的激光脉冲可以 低能量密度扫描频率，以确定活塞位置。例如，用可重复的线性频率斜升频 率调制激光可以用来确定发动机中的一个或多个活塞的位置。检测传感器94 可以作为激光系统的部件设置在汽缸的顶部中，并且可以接收从活塞36的顶 表面313反射的返回脉冲304。在激光放射之后，反射离开活塞的光能可以被 传感器检测。

光脉冲的放射和由检测器进行的反射光的检测之间的时间差还可以与时 间阈值进行比较，以便确定激光装置的衰退是否已经发生。例如，由于激光 系统92到活塞的顶表面313的距离非常小，因此由检测系统94进行的激光 脉冲的检测可以在皮秒时间范围内发生。因此，比预期的最佳范围大得多的 时间阈值，例如1纳秒，可以用作与测量的时间差相比较的参考值。因此， 其反射的光能用大于1纳秒的时间来检测的任何放射的激光脉冲可以指示激 光系统的衰退。在一些示例中，活塞的位置可以由频率调制方法利用以可重 复的线性频率斜升频率调制的激光束来确定。可替换地，相移方法可以用来 确定该距离。通过观察多普勒频偏或通过比较在两个不同时刻处的采样位置， 能够推断活塞位置、速度和发动机转速信息（RPM测量）。然后可以分别通过 位置传感器55和57确定进气门52和排气门54的位置，以便识别发动机的 实际位置。一旦确定了发动机中的每个活塞的位置和/或速度，则控制器例如 控制器12可以处理该信息，以确定发动机的位置状态或操作模式。基于由激 光确定的活塞位置，发动机的这种位置状态还可以基于发动机的几何形状。 例如，发动机的位置状态可以取决于发动机是V型发动机还是直列式发动机。 一旦有关的发动机位置信号指示发动机已经同步，则该系统信息也可以用来 确定曲轴角度和凸轮位置，以便得到用于发动机中的每个活塞的TDC和下止 点（BDC）的信息。

例如，控制器12可以控制LCU90，并且可以包括非瞬变的计算机可读 储存介质，该计算机可读储存介质包含代码用以根据工况例如根据活塞36相 对于TDC的位置而调节激光能量传输的位置。正如在下面关于图4所描述的， 激光能量可以被引导到汽缸30内的不同位置。控制器12也可以包括用于确 定发动机20的操作模式的附加的或可替代的传感器，正如上面关于图2所描 述的，包括附加的温度传感器、压力传感器、扭矩传感器以及检测发动机旋 转速度、空气量和燃料喷射量的传感器。附加地或可替换地，LCU90可以与 例如霍尔效应传感器118的各种传感器直接通信，以用于确定发动机20的操 作模式。

在一些示例中，发动机系统20可以包括在开发的车辆中，以便当满足怠 速停止条件时进行怠速停止，并且当满足重新起动条件时自动重新起动。这 种怠速停止系统可以增加燃料节省，减少排气排放、噪声等。在这样的发动 机中，发动机操作可以终止在行驶周期内的任意位置。当开始重新启用发动 机的过程后，激光系统可以用来确定发动机的具体位置。基于这种估计，激 光系统可以进行关于哪个汽缸将首先被加注燃料以便从静止开始发动机重新 启用过程的判断。在构造成进行怠速停止运行的车辆中，其中发动机停止和 重新起动在驱动操作中重复多次，可以为更多的可重复的起动提供将发动机 停止在希望的位置，并且因此当发动机旋转减速到静止时的关闭期间（在燃 料喷射、火花点火等的停用之后），激光系统可以用来测量发动机位置，使得 马达扭矩或其他阻力扭矩可以响应于测量的活塞/发动机位置而可变地施加于 发动机，以便将发动机停止位置控制在希望的停止位置。

在另一个实施例中，当因为马达被关断或者因为车辆决定以电动模式操 作而使得车辆关闭其发动机时，发动机的汽缸可以相对于活塞36在燃烧汽缸 30中的位置以及进气门52和排气门54的位置而以不受控的方式最终停止。

对于具有四个或四个以上汽缸的发动机，当曲轴处于静止时，总是可以 存在位于排气门关闭（EVC）和进气门关闭（IVC）之间的汽缸。

作为一个示例，图4示出能够将燃料直接喷射到燃烧室的直列四缸发动 机的示例，其停止在行驶周期的任意位置，并且示出了激光点火系统如何可 以提供能够在各汽缸间进行比较以识别潜在的衰退的测量。应当明白，图4 所示的示范性的发动机位置在性质上是示范性的，并且其他的发动机位置也 是可能的。

在所述附图中413处插入的是示范性的直列式发动机汽缸体402的示意 图。在该汽缸体内是四个独立的汽缸，其中汽缸1-4分别用404、406、408 和410标注。汽缸的截面图被示出为根据以415示出的示范性行驶周期中的 所述汽缸的点火次序而排列。在这个示例中，发动机位置是使得汽缸404处 在行驶周期的排气冲程中的位置。排气门412因此处在打开位置，而进气门 414关闭。由于接下来汽缸408在所述循环中点火，所以它处在其做功冲程并 且因此排气门416和进气门418都处在关闭位置。汽缸408中的活塞位于靠 近BDC。汽缸410处在压缩冲程中，并且因此排气门420和进气门422都处 在关闭位置。在本示例中，汽缸406最后点火，并且因此其处于进气冲程位 置。因此，在进气门426打开时，排气门424关闭。

发动机中的每个独立的汽缸可以包括与该汽缸连接的激光系统，如上面 描述的图2所示，其中激光系统92连接到汽缸30。正如在本文中所描述的， 这些激光系统既可以用来为汽缸点火，也可以用来确定凸轮和该汽缸内的活 塞的位置。例如，图4示出了连接到汽缸404的激光系统451，连接到汽缸 408的激光系统453，连接到汽缸410的激光系统457，以及连接到汽缸406 的激光系统461。

如上所述，激光系统可以用来测量活塞的位置。活塞在汽缸中的位置可 以相对于任何合适的参考点测量，并且可以利用任何合适的比例因数。例如， 汽缸的位置可以相对于汽缸的TDC位置和/或该汽缸的BDC位置来测量。例 如，图4示出了在TDC位置通过汽缸的横截面的直线428和在BDC位置通 过汽缸的横截面的直线430。虽然在活塞位置的确定期间多个参考点和比例尺 均是可行的，但是这里示出的示例是基于活塞在汽缸内的位置的。例如，可 以使用基于与燃烧室内的已知位置相比较的测量偏移的比例尺。换句话说， 相对于以428示出的TDC位置和以430示出的BDC的位置，图4中以432 示出的活塞顶表面的距离可以用来确定活塞在汽缸中的相对位置。为了简单 起见，示出了用于从激光系统到活塞的距离的校准的采样比例尺。基于这个 比例尺，原点428表示为X（其中X=0对应于TDC），并且对应于由活塞行 进的最大线性距离的距激光系统最远的活塞的位置430被表示为xmax（其中 X=xmax对应于BDC）。例如，在图4中，从TDC428（其可以取作原点）到 汽缸404中的活塞的顶表面432的距离471可以与从TDC428到汽缸410中 的活塞的顶表面432的距离475基本相同。距离471和475可以小于（相对 于TDC428）从TDC428分别到汽缸408和406中的活塞的顶表面的距离473 和477。

该活塞可以周期性地运行，并且因此它们在汽缸内的位置可以通过相对 于TDC和/或BDC的单个量度而相关。一般而言，在该图中到达432的这个 距离可以表示为ΔX。激光系统可以测量每个活塞在其汽缸内的这个变量，并 且然后利用该信息来确定是否有必要进行进一步的动作。例如，如果该变量 在两个或更多个汽缸中相差达阈值量，则激光系统可以向控制器发送信号， 以指示发动机性能衰退超过可允许的阈值。在这个示例中，控制器可以将该 编码解释为诊断信号，并且产生指示衰退已经发生的消息。该变量X被理解 成表示可以由所述系统测量的多个量度，其中的一个示例在上面已经描述。 所给出的示例是基于由激光系统测量的距离的，其可以用来识别活塞在其汽 缸内的位置。

图5示出了对于具有1-3-4-2的点火次序的四汽缸发动机的发动机循环的 四个冲程（进气、压缩、做功和排气）内的示例性气门正时和相对于发动机 位置（曲轴角度）的活塞位置的曲线图500。根据用于选择第一点火汽缸的准 则，发动机控制器可以构造成识别区域，正如在本文中所描述的，在所述区 域中，第一点火汽缸可以基于由通过活塞反射的激光脉冲测量的发动机位置 而定位。活塞从TDC逐渐向下移动，在进气冲程的末尾达到底部的BDC。活 塞然后在压缩冲程的末尾返回到顶部的TDC。活塞然后在做功冲程期间再次 朝着BDC向下往回移动，在排气冲程的末尾返回到其原始顶部位置TDC。正 如所描述的，该曲线图以曲轴角度（CAD）示出沿x轴的发动机位置。

曲线502和504分别示出了在正常的发动机运行期间排气门和进气门的 气门升程轮廓线。当活塞在做功冲程的末尾触底时排气门恰好可以打开。当 活塞完成排气冲程时，排气门可以关闭，排气门可以保持打开至少到下一个 循环的随后的进气冲程开始。以同样的方式，在开始进气冲程时或在开始进 气冲程之前，进气门可以打开，并且可以保持打开至少到开始随后的压缩冲 程。

正如在上面参考图2-4所描述的，发动机控制器12可以构造成识别第一 点火汽缸，在该第一点火汽缸中，在发动机从怠速停止状况重新启用期间开 始燃烧。例如，在图4中，作为确定发动机的位置的手段，可以利用激光系 统测量活塞在汽缸中的位置而确定第一点火汽缸。这个确定的发动机的位置 可以用来确定第一点火汽缸的位置。图5中所示的例子与直接喷射发动机（DI） 有关，其中第一点火汽缸可以被选择成设置在EVC之后，但是在随后的EVO 之前（一旦发动机位置被识别并且活塞位置与识别的凸轮轴同步）。作为比较， 图6示出了进气道燃料喷射发动机（PFI）的第一点火汽缸，其中第一点火汽 缸可以被选择成设置在IVC之前。

在本文中图5参考图4以进一步详细说明了如何进行关于当发动机重新 启用后哪个汽缸首先点火的判断，以及激光如何可以协同行驶周期的四个冲 程内不同功率模式的正时。对于图4所示的示范性的结构，发动机的位置可 以在图5所示的直线P1处由激光系统检测。在这个示例中，在P1，汽缸404 处在排气冲程中。因此，对于这个示范性的发动机系统，汽缸408处在做功 冲程中，汽缸410处在压缩冲程中，而汽缸406处在进气冲程中。一般而言， 在发动机开始重新启用过程之前，一个或多个激光系统可以点火在图5中的 510处所示的低功率脉冲，以确定发动机的位置。而且，由于在这个示例中利 用了DI发动机，因此在进气门打开（IVO）之后，燃料可以喷射到汽缸室中。 喷射轮廓线由506-509给出。例如，在图5中所示的示范性发动机循环期间， 在图5中506处的方块示出了燃料何时喷射到汽缸404中，方块507示出了 燃料何时喷射到汽缸408中，方块508示出燃料何时喷射到汽缸410中，而 方块509示出燃料何时喷射到汽缸406中。

当汽缸已经被识别为下一个点火汽缸时，在空气/燃料混合物被引进汽缸 中并且关联的活塞已经受压缩之后，连接到识别的下一个点火汽缸的激光可 以产生高功率脉冲以点火该汽缸中的空气/燃料混合物，从而发生做功冲程。 例如，在图5中，在燃料喷射506到汽缸404中之后，激光系统，例如激光 系统451，产生512处的高功率脉冲以点火该汽缸中的燃料。同样，在汽缸点 火顺序中在汽缸404的下一个的汽缸408接收来自激光系统例如激光系统453 的高功率脉冲，以点火在507处喷射到汽缸408中的燃料。在汽缸408之后 的下一个点火汽缸是汽缸410，其接收来自激光系统例如激光系统457的随后 的高功率脉冲，以点燃在508处喷射到汽缸408中的燃料，等等。

在图6中，为了比较提供了类似于图5所示的DI发动机的PFI发动机轮 廓线的示范性的PFI发动机轮廓线。DI发动机和PFI发动机之间的一个区别 涉及燃料是否被直接喷射到燃烧室中或者燃料是否在进入燃烧室之前被喷射 到进气歧管中以与空气混合。在图2-4中所示的DI系统中，在汽缸的进气冲 程期间，燃料被直接喷射到燃烧室中并且因此与空气混合。相反，PFI系统在 排气冲程期间将燃料喷射到进气歧管中，以便空气和燃料在被喷射到汽缸室 之前混合。由于这种区别，发动机控制器可以基于在该系统中存在的燃料喷 射系统的类型而发送不同的指令组。

在图6所示的PFI发动机轮廓线中，在时刻P1之前，一个或多个激光系 统可以点火低功率脉冲510，以确定发动机的位置。由于该发动机是PFI，燃 料可以在IVO之前被喷射到进气歧管中。在时刻P1，控制器通过激光测量而 识别发动机活塞位置并且识别凸轮轴位置，使得可以按计划同步燃料传输。 基于被传输的燃料量，控制器可以在IVO之前识别下一个将被加注燃料的汽 缸，使得能够提供进气道喷射的燃料的关闭的气门喷射。喷射轮廓线如图6 中的606-608所示。

例如，参考图4，但是关于PFI发动机而不是DI发动机，606处的方块 示出了在发动机重新启用之后燃料何时可以被喷射到第一点火汽缸的进气歧 管（在图2-3中用45大致示出）中。如图6所示，汽缸408是能够被加注燃 料的下一个汽缸，并且因此燃料喷射606按计划进行，使得当经由激光点火 脉冲618点火时，汽缸408是从静止点火的第一个汽缸。在重新启用后，由 于汽缸410是点火顺序中的下一个汽缸，因此根据该顺序燃料喷射607可以 在IVO之前发生。在EVO之前，高功率脉冲620可以从激光系统457传输以 点燃混合物。在所述顺序中的下一个点火汽缸是汽缸406，其随后在IVO之 前喷射燃料608。尽管没有示出，但是来自激光系统461的高功率激光脉冲可 以用来点火这个空气/燃料混合物。燃料喷射的量可以根据自第一汽缸燃烧事 件的燃烧计数而逐渐减少。

现在转向图7，其示出了用于在车辆行驶周期的发动机运行期间完成各种 车载诊断程序的示例性方法700。

在步骤702，车辆工况可以被估测和/或推断。如上所述，控制系统12可 以接收来自与车辆推进系统组件关联的一个或多个传感器的传感器反馈，例 如，来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量（MAF）的测量值、 发动机冷却剂温度（ECT）、节气门位置（TP）等。估测的工况可以包括，例 如车辆驾驶员请求的输出或扭矩（例如，基于踏板位置）的指示、燃料箱的 燃料水平、发动机燃料使用率、发动机温度、车载能量储存装置的充电状态 （SOC）、包括温度和湿度的环境状况、发动机冷却剂温度、气候控制请求（例 如，空气调节或加热请求）等。

在步骤704，基于估测的车辆工况，可以选择车辆运行模式。例如，可以 确定车辆是运行在电动模式（其中车辆利用来自车载系统能量储存装置例如 蓄电池的能量而推动）、发动机模式（其中车辆利用来自发动机的能量而推 动）、还是辅助模式（其中车辆利用来自蓄电池的至少一些能量和来自发动机 的至少一些能量而推动）。

在步骤706，方法700包括确定是否以电动模式运行车辆。例如，如果发 动机处于怠速的时间周期大于阈值，则控制器可以任选地确定车辆应当以电 动模式运行。可替换地，如果发动机扭矩请求小于阈值，则车辆可以转换到 电动运行模式。

如果在步骤706方法700确定车辆以电动模式运行，则方法700进行到 步骤708。在步骤708，方法700包括以电动模式运行车辆，其中系统蓄电池 用于推动车辆并且满足驾驶员扭矩请求。在一些示例中，即便在步骤708选 择了电动模式，该例程也可以继续监控车辆扭矩要求和其他车辆工况，以便 检查是否将进行发动机模式（或发动机辅助模式）的突然转换。具体说，当 处在电动模式时，在步骤710，控制器可以确定是否请求了对发动机模式的转 换。

然而，如果在步骤706，确定车辆未以电动模式运行，则方法700进行到 步骤712。在步骤712，车辆可以发动机模式运行，其中发动机被用来推动车 辆并且满足驾驶员扭矩要求。可替换地，车辆可以辅助模式运行（未示出）， 其中车辆推进力归因于来自蓄电池的至少一些能量和来自发动机的一些能 量。

如果在步骤712请求发动机模式，或如果在步骤710发生了从电动模式 到发动机模式的转换，则步骤714示出了车辆可以起动或重新起动发动机。 图8中示出了在车辆行驶周期的运行期间用于起动或重新起动发动机的一种 示范性方法800。

在步骤802，方法800包括确定是否执行发动机冷起动。例如，当排气起 燃催化剂低于阈值温度（例如起燃温度）或发动机温度（从发动机冷却剂温 度推断）低于阈值温度时，响应于发动机从静止的起动，可以确认发动机冷 起动。在一个示例中，在行驶周期期间的第一次发动机起动可以是冷起动。 也就是说，当发动机起动以开始发动机模式的车辆运行时，从静止到起动转 动的发动机的第一数量的燃烧事件可以处在较低的温度并且可以构成冷起 动。作为另一个示例，车辆可以电动模式起动并且然后转换到发动机模式。 在本文中，在给定的车辆行驶周期中，在从电动模式到发动机模式的转换期 间，第一次发动机起动可以是冷起动。

如果在步骤802确认发动机冷起动，则方法800进行到步骤808以接合 发动机起动机。例如，发动机控制器可以发送信号到起动机作为开始起动活 动的手段。

在步骤810，方法800包括确定发动机位置。例如，基于选择的准则，发 动机控制器可以构造成在发动机启用期间确定发动机的位置，以便识别并定 位第一点火汽缸，从而开始燃烧。例如，如上所述，每个汽缸可以连接到能 够产生高或低能量光学信号的激光系统。当以高能量模式运行时，激光可以 用作点火系统以点火空气/燃料混合物。在一些示例中，高能量模式也可以用 来加热汽缸，以便减少汽缸中的摩擦。当以低能量模式运行时，也包括能够 捕获反射光的检测装置的激光系统可以用来确定汽缸内的阀位置。在一些运 行模式期间，例如，当发动机运行时，反射光可以产生其他有利的光学信号。 例如，当来自激光系统的光被反射离开运动的活塞时，该光将具有相对于初 始放射的光的不同的频率。这种可检测的频率偏移已知为多普勒效应并且与 活塞的速度具有已知的关系。活塞的位置和速度可以用来协同点火事件的正 时和空气/燃料混合物的喷射。位置信息还可以用来确定在起动活动期间哪个 汽缸首先点火。

在步骤812，方法800包括确定凸轮轴位置。例如，进气门52和排气门 54的位置可由位置传感器55和57分别确定。在一些实施例中，发动机20的 每个汽缸可以包括设置在汽缸的上部区域的至少两个进气提升阀和至少两个 排气提升阀。

发动机还可以包括凸轮位置传感器，其数据可以与激光系统传感器的数 据合并，以确定发动机位置和凸轮正时。因此，在步骤814，方法800包括识 别哪个汽缸在循环中首先点火。例如，发动机位置和阀位置信息可以由控制 器处理，以便确定发动机处在其行驶周期中的哪个位置。一旦发动机位置被 确定，则控制器在重新启用后可以识别哪个汽缸首先点火。

在步骤816，方法800包括按计划进行燃料喷射。例如，控制器可以处理 发动机位置和凸轮正时信息，以在行驶周期中计划用于燃料喷射的下一个汽 缸。在步骤818，方法800包括按计划进行燃料喷射。例如，一旦燃料喷射按 计划进行到点火顺序中的下一个汽缸，则控制器可以接着按计划通过连接到 下一个点火汽缸的激光系统而点火空气/燃料混合物，以便开始发动机操作。

返回到步骤802，如果在步骤802不确认发动机冷起动，则该程序进行到 步骤804，以确定是否存在发动机热起动。例如，当排气起燃催化剂处在阈值 温度（例如起燃温度）或高于阈值温度时，或当发动机温度（从发动机冷却 剂温度推断）处在或高于阈值温度时，响应于从静止的发动机起动可以确认 发动机热起动。在一个示例中，发动机可以起动从而以发动机模式开始车辆 运行，并且在车辆运行的持续时间之后，发动机可以暂时停止以进行发动机 怠速停止或以电动模式继续车辆运行。然后，在以电动模式运行的持续时间 之后，或当满足从怠速停止重新起动的条件时，可以重新起动发动机（例如， 从静止）从而以发动机模式重新开始车辆运行。在这些状态期间，从静止到 起动转动的发动机的第一多个燃烧事件可以处于更高温度（由于在先的发动 机运行）并且可以构成热起动。

如果在步骤804没有基于从控制系统接收的信息而确认热起动，则方法 800进行到步骤806以继续发动机的运行。例如，响应于对车辆推进系统在发 动机模式中起作用的确定，发动机运行可以在车辆行驶周期期间被继续监控。

图9示出了用于基于内燃发动机20的运行状态而以两种功率模式运行激 光系统92的示范性的方法900。如图9的示范性方法所示，激光系统可以两 种功率模式运行。例如，连接到汽缸的激光点火系统可以低功率模式运行以 测量活塞位置、速度等，并且可以高功率模式运行以点火喷射到燃烧室30中 的空气/燃料混合物。在所示的实施例中，控制器可以用来确定发动机处在其 行驶周期中的哪个位置。在处理发动机位置信息之后，信号可以被发送到激 光系统，以便传送该信息。该信号在性质上可以是电气的或者其可以通过光 学、机械或一些其他装置发送。

在步骤901，方法900包括利用至少一个激光系统来监控发动机位置。例 如，在图4中，激光系统451可以用来确定汽缸404中的活塞的位置。进气 门414的位置和排气门412的位置然后可以由凸轮传感器确定，以便识别发 动机的实际位置。

在步骤902，方法900包括确定是否将进行激光点火。例如，激光系统 92可以接收来自控制器的信息并且利用该信息来确定将使用哪种运行模式。

如果在步骤902，确定将进行激光点火，则方法900进行到步骤904，在 步骤904，方法900包括在发动机的汽缸中以高功率模式脉动激光。如在上面 参考图2-4所述，发动机控制器可以构造成识别第一点火汽缸，在该第一点火 汽缸中，在从怠速停止状态的发动机重新启用期间开始燃烧。例如，如果控 制器12确定高功率脉冲应该被传输到汽缸室404，则在步骤904，激光辐射 器88可以产生高功率脉冲以点火该汽缸中的空气/燃料混合物。在发动机重新 启用之后，激光系统可以用来确定活塞的位置。

但是，如果在步骤902确定不进行激光点火，则方法900进行到步骤906。 在步骤906，方法900包括确定是否要求活塞位置。例如，如果控制器12确 定不需要高能量脉冲，则在步骤906，可以任选地决定激光系统是否应该产生 低能量脉冲，从而在从冷起动状态重新启用之前测量例如发动机的位置。

如果在步骤906请求测量活塞位置，则方法900进行到步骤908。例如， 在步骤908，低功率脉冲可以由激光系统451传输，以确定汽缸404内的活塞 的位置。同样，激光系统453、457和461也可以传输低功率脉冲，以分别确 定汽缸408、410和406内的活塞的位置。

在步骤910，方法900包括确定发动机的位置信息。例如，在图4中，发 动机控制器12可以进行一系列计算，以根据从激光器和凸轮位置传感器接收 的数据而计算发动机的位置。

在步骤912，方法900包括利用发动机位置信息来确定其他系统信息。例 如，收集的汽缸数据可以进一步被处理以计算曲轴40的曲轴角度。可替换地， 控制器可以利用发动机位置以确保发动机内的燃料传输是同步的。

在步骤914，方法900包括识别哪个汽缸在该循环中被首先点火。例如， 在图5的描述中，控制器利用激光系统来测量活塞在其汽缸内的位置。然后， 这些信息与凸轮位置传感器检测的进气门和排气门的位置结合以确定发动机 的位置。从所识别的发动机的位置，控制器能够识别并按计划安排在行驶周 期中将被点火的下一个汽缸。

在步骤916，方法900包括判断是否继续以激光监控发动机。一旦识别了 下一个点火的汽缸，则控制器可以确定是否用激光系统监控发动机性能。如 果控制器决定不利用激光系统来监控发动机位置，则在步骤918，控制器可以 例如任选地利用曲轴传感器118来监控发动机的位置。

图10是说明了如上所述使用一个或多个激光系统监控发动机的示例性方 法1000的流程图。例如，方法1200可以由控制系统41实施。该方法包括基 于激光测量方法与获得的其他系统信息的结合而诊断发动机的示范性动作。 例如，在一个实施例中，如果发动机包括其活塞经由曲轴连接的至少两个汽 缸，则至少一个激光系统可以用来测量至少一个汽缸的位置，以确定活塞在 其汽缸室30内的位置。由于活塞在其汽缸室30内的位置可以与至少另一个 活塞的位置有关，所以位置测量可以用来评估在发动机行驶周期期间该组活 塞是否例如在可接受的正时容限限度内运行。而且，来自第一汽缸中的第一 激光系统的测量可以用来识别另一个汽缸中的基于激光的测量的衰退。还有， 来自第一汽缸中的第一激光系统的测量可以用来识别经由传感器118确定的 发动机曲轴位置的衰退。

在步骤1002，控制系统可以利用收集的系统信息来确定是否存在能够实 现监控的一组条件。在一个实施例中，该一组条件可以是预定义的并且储存 在例如查找表中。在另一个示例中，该一组条件可以包括发动机是否正在旋 转并且还未燃烧，并且多个汽缸中的每个均包括激光点火系统和IR传感器。

如果控制器确定诊断程序是被准许的，则在步骤1004，控制器可以收集 来自汽缸的数据，以识别衰退是否已经发生。如果在采样系统状况后，没有 触发诊断程序，则该例程结束。

在步骤1006，控制系统比较具体的量度和来自其他发动机汽缸的数据， 以便评估在行驶周期期间总的发动机性能。在一个实施例中，被比较的数据 可以在由该激光系统引导时由每个激光系统收集，或在第二实施例中，具体 的参考数据可以储存在查找表中，以便直接与测量的数据比较。进行诊断比 较以确定发动机系统的当前状态。在一个示例中，所述例程可以比较在相同 时间采样或在相互的阈值时间内的来自多个汽缸的多个活塞位置测量值。例 如，来自第一汽缸的基于激光的测量值（Δx1）可以与同时进行的第二汽缸 的基于激光的测量值（Δx2）进行比较，其中第一和第二汽缸已知为在两个 活塞之间具有规定的关系，例如如图4或5所示。以这种方式，活塞位置可 以相互比较，并且如果它们的差别大于阈值量，则如在下面所讨论的，在步 骤1008可以指示衰退。在另一个示例中，多个基于激光的位置测量值可以在 发动机旋转期间从第一汽缸产生，并且被与从曲轴传感器118指示的发动机 位置变化相比较。如果经由基于激光的测量的活塞位置的变化与曲轴传感器 指示的位置变化不一致，则可以再次指示衰退。在又一个示例中，三个或三 个以上的基于激光的位置测量可以从发动机的三个不同的汽缸产生并且相互 比较以识别哪个汽缸的测量值（如果存在的话）与另外两个或更多个测量值 的不一致达阈值。还有，基于激光的位置测量可以与经由凸轮轴传感器指示 的凸轮轴位置进行比较，以识别不一致并且因此识别潜在的衰退。

如果确定活塞的正时大于阈值限度，则步骤1008示出信号可以被发送给 控制器，引导控制器设置指示发动机正时的衰退已经发生的诊断代码。

应当明白，本文所公开的结构和方法在性质上是示范性的，并且这些具 体的实施例不被认为具有限制意义，因为许多变化是可行的。例如，上述技 术可以用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。而且，本 发明的主题包括本文所公开的各种系统和结构以及其他特征、功能和/或性质 的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

下面的权利要求具体指出被认为新颖和非显而易见的特定的组合和子组 合。这些权利要求可能涉及“一种”元件或“第一”元件或其等价物。这些 权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的并入，既不要求也不排除 两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和 子组合可以通过修改本权利要求或在本申请和相关申请中提出新权利要求来 主张。这些权利要求，无论比原权利要求在范围上更宽、更窄、相同或不同， 都被认为包含在本发明的主题内。