CN101230811A - 用于内燃机的基于湿度的控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的基于湿度的控制系统，所述基于湿度的控制系统包括计算模块和校正模块。所述计算模块用于确定内燃机燃烧过程中所用空气的湿度。所述控制模块基于所述湿度选择性的控制内燃机的点火定时和排气稀释。

Description

用于内燃机的基于湿度的控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为60/842,512，申请日为2006年9月5日的美国临时申请的权益。上述申请公开的内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及一种内燃机，特别是一种可以通过控制点火定时和排气稀释来改善燃烧经济性和操作性能的方法。
背景技术
内燃机的效率可以通过调节点火定时和内燃机燃烧产生废气的稀释来进行控制。点火定时可以定义为在相对于燃烧室内活塞的某一位置在某一特定时刻产生火花。优选的点火定时发生在内燃机具有最大的输出功率时。输出功率与内燃机燃烧室内压力直接成比例。为了得到燃烧室内的最大压力，火花在活塞到达上止点前的某一时刻点燃空气/燃料混合物从而使得在活塞到达上止点时的加热气体得以充分膨胀。
内燃机系统还可以通过稀释空气/燃料混合物来改善内燃机的效率。废气稀释可以通过减少泵送损失来改善内燃机的效率。当废气在燃烧过程的进气冲程中被引入时，内燃机需要较少的空气量因此降低了内燃机的泵送损失。一个内燃机控制系统可以通过使用废气再循环(EGR)系统来将废气再循环回到进气总管。另外，还可以使用一组凸轮相位器来控制阀的正时以便将废气保留在燃烧室。
内燃机的最佳点火定时和稀释值通常都在单一设定的空气条件下通过实验方法决定。然而，由于地理位置、季节变化和/或其他环境因素的原因，内燃机不可能总是在相同设定的条件下工作。当内燃机的性能不是最优的时候，内燃机系统则会经历燃烧经济性的下降和内燃机的动力的缓慢输出。
发明内容
根据本发明的一种用于内燃机的基于湿度的控制系统，包括计算模块和校正模块。计算模块用于确定内燃机燃烧过程中所用空气的湿度。校正模块基于湿度选择性的控制内燃机的点火定时。
在另一方面，所述校正模块基于湿度选择性的控制内燃机内的废气再循环。当湿度升高时，所述校正模块增加点火定时并减少废气再循环。当湿度降低时，所述校正模块减少点火定时并增加废气再循环。废气再循环由一废气再循环阀和/或一凸轮相位器来进行控制。
在另一方面，所述计算模块包括一个水汽压力模块、一个分压模块和一个湿度模块。水汽压力模块在进气温度信号和大气压力信号的基础上生成一个水汽压力信号。分压模块在相对湿度信号和水汽压力信号的基础上生成一个分压信号。湿度模块在分压信号和大气压力信号的基础上计算湿度。
本发明的进一步应用领域将通过下面的详细描述变得显而易见。应该理解，本发明所公开的详细说明、具体实施例以及指导用的优选实施例仅仅是为了解释说明而并不是为了限制本发明的保护范围。
附图说明
根据下面的详细描述和相关附图，可以更加完整的理解本发明的内容，其中：
图1是根据本发明使用了基于湿度的控制系统的示例内燃机系统的一个功能结构图；
图2是根据本发明的一个基于湿度的控制系统的功能结构图；和
图3是根据本发明的基于湿度的控制系统调节点火定时和废气稀释的一个示例步骤的流程图。
具体实施方式
实际上，下面对优选实施例的描述仅仅是示例性的，而绝不是为了限定本发明的内容、应用领域和用途。这里所用的模块或者装置的术语表示一种特定用途的集成电路(ASIC)、一种电子电路、一种运行一种或多种软件或者硬件程序的处理器(公用的，专用的，或者成组的)和存储装置、一种组合逻辑电路，和/或其他可以实现所述功能的适用组件。
根据本发明，基于湿度的控制系统在内燃机工作时对大气状况进行补偿。更具体地，基于湿度的控制系统在各种传感器数据的基础上确定湿度水平，并且在此湿度水平的基础上调节点火定时和空气燃料混合物的稀释。
如图1所示，内燃机系统100的功能结构图中包括有内燃机102，该内燃机燃烧空气燃料混合物以产生驱动转矩。空气通过节流阀106被吸入到进气总管104内。所述节流阀106控制流入进气总管104的进气量。进气总管104内的空气随后分配到气缸110内。尽管图中示出了四个气缸，但是可以理解内燃机102也完全可以包括更多或者更少个数的气缸110。例如，设置具有2、3、4、5、6、8、10或者12个气缸的内燃机。
燃料喷射器(未示出)将燃料喷射入气缸110并与进入其中的空气混合。燃料喷射系统(未示出)提供了每一个气缸110内期望的空燃比。进气阀114选择性的打开和关闭以使得空气/燃料混合物进入到气缸110。进气阀的位置由进气凸轮轴116调节。活塞(未示出)在气缸110内压缩空气/燃料混合物。火花塞118引燃所述空气燃料混合物以驱动气缸110内的活塞。活塞驱动曲轴(未示出)以产生驱动转矩。曲轴通过正时链条(未示出)旋转驱动凸轮轴116、120以调节进气阀114和排气阀121的正时。尽管图中只示出了单个进气凸轮轴和单个排气凸轮轴，但是可以理解在V型气缸结构中也可以使用双进气凸轮轴和双排气凸轮轴。同样地，也可以使用电动-液压驱动阀，或者其他的阀系统。
当排气阀121处于打开位置时，气缸110内的废气从排气口(未示出)排出。排气阀的位置由排气凸轮轴120调节。废气通过排气通道124排放到大气中。
内燃机102可以包括分别用于调节进气凸轮轴116和排气凸轮轴120旋转正时的进气凸轮相位器128和排气凸轮相位器130。更具体地，进气凸轮相位器128和排气凸轮相位器130的相位角可以滞后或者超前，从而控制进气凸轮轴116和排气凸轮轴120的旋转正时。通过控制凸轮轴116和120的旋转正时调节气缸内残留的废气量。
内燃机系统100可以包括废气再循环(EGR)阀132。EGR阀132选择性的打开和关闭以调节回流到进气总管104内的废气流量。将废气引入燃烧过程的进气冲程用于限制燃烧可用的氧气量。通过限制燃烧可用的氧气量降低了燃烧温度，并且减少了发动机排放。当EGR阀132通过点火定时加以优化时，燃烧的经济性和/或燃烧的性能可以得到改善。
进气温度传感器136对进气温度敏感，并在此基础上生成一个进气温度信号138。大气压力传感器148对大气压力敏感，并在此基础上生成一个大气压力信号150。相对湿度传感器154对基于温度下的空气所能包含的水分含量敏感，并在此基础上生成一个相对湿度信号155。基于湿度的控制系统134在进气温度信号138、大气压力信号150和相对湿度信号的基础上控制内燃机102的运行。
现在参看图2，基于湿度的控制系统134包括一个计算模块170和一个控制模块172。计算模块170在进气温度信号138、大气压力信号150和相对湿度信号155的基础上确定湿度值。控制模块172用于确定从上一个循环开始湿度值是增加还是减少，并生成控制信号以修正点火定时和/或空气/燃料混合物的稀释。
计算模块170包括一个饱和水汽压力模块174、一个分压模块176和一个湿度模块178。饱和水汽压力模块174在进气温度信号138和大气压力信号150的基础上确定饱和水汽压力值。更具体地，该饱和水气压力值可以通过下式计算得到：
es＝(1.007+3.46×10-6×p)×(6064(17.5020×T÷(240.97+T)))
其中es是饱和水汽压力值，p是大气压力，T是进气温度。饱和水汽压力模块174在饱和水汽压力值的基础上生成一个水汽压力信号175。
分压模块176在相对湿度信号155和水汽压力信号175的基础上确定一个水汽分压值。更具体地，该水汽分压值可以通过下式计算得到：
e＝(es×φ÷100)
其中e是水汽分压值，φ是相对湿度，es是饱和水汽压力值。分压模块176在水汽分压值的基础上生成一个分压信号177。
湿度模块178在分压信号177和大气压力信号150的基础上确定湿度。更具体地，该湿度可以通过下式计算得到：
h＝(622×e÷(p-e))/10
其中h是湿度值，p是大气压力值，e是水汽分压值。湿度模块178在湿度的基础上生成一个湿度信号179。控制模块172在湿度信号179的基础上生成一个控制信号以修正点火定时和/或空气/燃料混合物的稀释。
现在参看图3，用300表示基于湿度的控制系统134的示例步骤。步骤从305开始，此时内燃机102启动。在步骤310中，计算模块170确定湿度。在步骤320中，校正模块172确定湿度是增加还是减少。更具体地，校正模块将湿度与前一循环中计算出的湿度相比较。如果湿度增加，则在步骤330中将点火定时提前。在步骤340中，基于湿度的控制系统134利用EGR阀132和/或凸轮相位器128，130来降低空气/燃料混合物的稀释。在步骤350中，基于湿度的控制系统134确定内燃机120是否运行。如果内燃机在运行，则返回步骤310。如果内燃机102停机，则过程在步骤360结束。
如果校正模块170在步骤320中确定湿度减少，则在步骤370中将点火定时延后以校正燃烧相位。在步骤380中，基于湿度的控制系统134利用EGR阀132和/或凸轮相位器128，130来提高空气燃料混合物的稀释度，并且过程进入到步骤350。这样，当空气中的湿气较少时，引入更多的废气用以稀释空气/燃料混合物。
现在本领域技术人员可以从本发明公开内容的广泛教导而形成的前叙描述中，能够实施各种变形。因此，尽管公开内容与具体实施例相关，但本发明的真正的保护范围不应被限制，因为其他修改的技术方案对于研究了附图、说明书和随后的权利要求书的内容的本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (20)

1.一种用于内燃机的基于湿度的控制系统，包括：
一个计算模块，该计算模块用于确定内燃机燃烧过程所用空气的湿度；和
一个校正模块，该校正模块在所述湿度基础上选择性的控制内燃机的点火定时。
2.如权利要求1所述的基于湿度的控制系统，其中所述校正模块在所述湿度基础上选择性的控制内燃机内的废气再循环。
3.如权利要求2所述的基于湿度的控制系统，其中所述校正模块在所述湿度增加时增加所述点火定时。
4.如权利要求3所述的基于湿度的控制系统，其中所述校正模块在所述湿度增加时减少所述废气再循环。
5.如权利要求2所述的基于湿度的控制系统，其中所述校正模块在所述湿度减少时减少所述点火定时。
6.如权利要求5所述的基于湿度的控制系统，其中所述校正模块在所述湿度减少时增加所述废气再循环。
7.如权利要求2所述的基于湿度的控制系统，其中所述废气再循环由废气再循环阀控制。
8.如权利要求2所述的基于湿度的控制系统，其中所述废气再循环由凸轮相位器控制。
9.如权利要求1所述的基于湿度的控制系统，其中所述湿度以进气温度信号、大气压力信号和相对湿度信号为基础。
10.如权利要求9所述的基于湿度的控制系统，其中所述计算模块包括：
一个水汽压力模块，所述水汽压力模块在所述进气温度信号和所述大气压力信号的基础上生成一个水汽压力信号；
一个分压模块，所述分压模块在所述相对湿度信号和所述水汽压力信号的基础上生成一个分压信号；和
一个湿度模块，所述湿度模块在所述分压信号和所述大气压力信号的基础上计算得到所述湿度。
11.一种校正内燃机的方法，包括：
确定内燃机燃烧过程中所用空气的湿度；和
在所述湿度的基础上，选择性的控制所述内燃机的点火定时。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在所述湿度的基础上，选择性的控制所述内燃机的废气再循环。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在所述湿度增加时，增加所述点火定时。
14.如权利要求13所述的方法，还包括在所述湿度增加时，减少所述废气再循环。
15.如权利要求12所述的方法，还包括在所述湿度减少时，减少所述点火定时。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在所述湿度减少时，增加所述废气再循环。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述废气再循环由废气再循环阀控制。
18.如权利要求12所述的方法，其中所述废气再循环由凸轮相位器控制。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述的湿度以进气压力、大气压力和相对湿度为基础。
20.如权利要求19所述方法，其中：
水汽压力以所述进气温度为基础；
分压以所述相对湿度和所述水汽压力为基础；和
所述湿度以所述分压和所述大气压力为基础。
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