CN101655036B - 通过进气门定相和爆震传感器反馈的主动压缩比调整 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过进气门定相和爆震传感器反馈的主动压缩比调整。一种内燃发动机，包括可在汽缸内往复运动的活塞、设置成改变发动机的有效压缩比的相位可控气门机构、以及爆震传感器。一种控制该发动机的方法包括：将气门机构控制至第一有效压缩比，在该第一有效压缩比下爆震传感器可检测到爆震，然后控制气门机构以将有效压缩比减小到不再能检测到爆震的点。

Description

通过进气门定相和爆震传感器反馈的主动压缩比调整
技术领域
本发明涉及在操作内燃发动机时有用的方法和系统。
背景技术
现代内燃(IC)发动机的一个固有特征是，它们的工作循环包括压缩冲程，在压缩冲程中，包括空气和碳氢化合物或其它燃料的混合物在其点火之前在汽缸容积中被压缩，从所述点火产生了有利地被用来推进一个或多个活塞的力。在典型的内燃发动机中，一个或多个活塞连接到可旋转地设置在发动机机体中的曲轴，压缩后的空气/燃料混合物的重复、受控点火充当使发动机的曲轴旋转的主要推进动力手段。
由于其特性，压缩后的空气/燃料混合物的燃烧允许在待燃烧的空气/燃料混合物的压缩程度的工程化选择上有一定程度的自由。使用压缩比来指代空气/燃料混合物在其燃烧之前被压缩的程度。通常，存在一机械压缩比，其代表理论最大可能压缩比。机械压缩比源自当活塞在缸膛中处于其下死点(BDC)位置时设置该活塞的汽缸和燃烧室内的容积总和与当活塞处于其上死点(TDC)位置时该相同汽缸和燃烧室内的容积总和之比。在使用汽油作为燃料的火花点火式发动机中，已经采用处在大约8∶1和大约12∶1之间这一数量级上的机械压缩比。
另一方面，有效压缩比或动态压缩比经常稍微小于该机械压缩比。除了其他因素之外，这种差异是由于诸如IC发动机的容积效率、气门正时、发动机rpm、空气温度和空气/燃料混合物的流动质量所固有的惯性力这样的因素引起的。在IC发动机中已经达到处在大约7∶1和大约10∶1之间这一数量级上的有效压缩比。
典型IC发动机包括气门机构，气门机构包括凸轮轴，通过凸轮轴的旋转使与IC发动机上的汽缸相关联的一个或多个进气门和排气门打开和关闭。凸轮轴可以可旋转地设置在发动机机体中，或者可以可旋转地安装在汽缸盖的顶上或之中。具有单个凸轮轴以致动进气门和排气门这两者的发动机结构是公知的，使用单个凸轮轴来仅仅操作一个或多个进气门，而用单独的凸轮轴来仅仅操作一个或多个排气门的发动机也是公知的。在任何一种情况下，凸轮轴的旋转经常机械地耦联于发动机曲轴的旋转，通常通过正时链或通过一个或多个正时带而耦联。通常期望发动机的气门正时能使进气门和排气门都在发动机压缩冲程期间基本上关闭，以便允许所考虑的汽缸中存在的空气/燃料混合物的压缩。已经对凸轮轴的轮廓作出了修改，这有时允许当活塞在压缩冲程期间在汽缸中开始其向上的行程时进气门不完全关闭。此外，存在一些允许汽缸的排气门在活塞在排气冲程中已到达TDC之后仍保持打开的凸轮轴。凸轮轴设计者对优选精确正时事件(例如发动机机体内曲轴的角度位置，其表示成当进气门或排气门开始打开或关闭时曲轴在单个发动机循环中的旋转度数)的选择对于给定的发动机设计是相当特定的，要考虑到与发动机设计、拟定用途和预期的rpm使用范围相关的所有相关因素。凸轮正时事件包括进气门和排气门的打开和关闭事件，且通常采用在该事件之前曲轴旋转的度数表示成发生。在一些实施例中，这些表示成零升程，在替代实施例中，这些可以表示成气门升离其对应气门座任何期望的特定量的气门升程。另外，凸轮中心线、凸角间隔、气门升程、在特定量的升程下所测量的持续时间、重叠、以及气门正时提前量，是其他可由凸轮轴设计者和汽车工程师处置的变量。
由于发动机的尺寸和对IC发动机的终端使用要求各式各样，目前还不可能提供适合于所有IC发动机需求的单一凸轮轮廓；因此，普遍使用的是大范围的凸轮轴轮廓和正时事件。经常，对于高的功率输出而言为最佳的凸轮轴磨削在燃料消耗方面表现差劲，而在燃料消耗方面表现良好的凸轮轴磨削对于给定的发动机结构不能产生最大的可能转矩输出。因此，被选择用于给定的发动机设计和结构的凸轮轴经常代表这两个因素之间的折中。以上提及的功率和经济性之间的平衡以及包括发动机排放在内的其它约束，已经对发动机运行的多样性设定了一些限制，尤其是那些在给定发动机的有效使用寿命期间使用具有不一致化学成分的燃料来运行的那些发动机。
发明内容
一种内燃发动机，包括可在汽缸内往复运动的活塞、设置成改变发动机的有效压缩比的相位可控气门机构、以及爆震传感器。一种控制该发动机的方法包括：将气门机构控制至第一有效压缩比，在该第一有效压缩比下爆震传感器可检测到爆震；然后控制气门机构以将有效压缩比减小到不再能检测到爆震的点。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述一个或多个实施例，其中：
图1根据本发明，示出了具有靠不同燃料运行的发动机的机动车的性能差异；
图2根据本发明，图示地描绘了针对一个固定容积4冲程发动机循环的典型燃料转化效率随压缩比变化的曲线；
图3是在本发明的一个实施例中有用的决策算法的图示；以及
图4描绘了根据本发明运行的发动机的示例性压缩比变化图。
具体实施方式
现在参照附图，其中所示仅仅用于说明某些示例性实施例，而并非用来限制这些实施例，图1示出了装有如在SAE公开2007-01-3994中详述的Saab 9.5 BioPower发动机的车辆从0到60mph的性能差异。从此图可以明显看出，称为“E85”的燃料具有相对于使用标准汽油燃料来运行的同样的发动机/车辆结构而言提供性能改善的能力。E85的抗爆震性能比汽油的高，这允许专门设计成靠E85运行的发动机提供更大的动态压缩比，或者允许装有允许强制吸气的配置的发动机(包括增压式发动机和涡轮增压发动机)的更高程度的增压。如图2所示，在过量空气系数为大约1.4的条件下运行的发动机的典型情况是，较大的动态压缩比可大致等同于较高的热力学能量转化效率。然而，尽管E85在某些地理区域可以获得，但它未在标准使用中。这意味着，目前普遍使用的设计成既靠E85又靠汽油运行的发动机不能最大限度地利用E85的燃烧特性，还意味着，专门的E85发动机用汽油时由于爆震而运行不好，这使得专门用来只靠E85运行的发动机的运行不那么实际。
爆震事件(或它们有时被称作爆燃)通常不期望地发生在空气/燃料混合物在正常的火焰传播燃烧事件完成之前发生自燃时。爆震的原因可包括置于正在运行的发动机上的载荷的增加，环境条件或燃料的改变。若干因素起了作用，而燃料成分和动态压缩比是关键的决定因素。在一个实施例中，本发明提供了一种对在不同时间靠具有不同燃烧特性的燃料运行的机动车提供性能多样性有用的方法。适合于在根据本发明的方法中使用的机动车通常可包括微处理器和IC发动机。包含在适合于在根据本发明的方法中使用的IC发动机类型中的是这样的IC发动机，其包括具有至少一个缸膛的发动机机体、可旋转地设置在发动机机体中的曲轴、以及至少一个连接到曲轴的活塞，活塞可滑动地设置在缸膛内。汽缸盖附接到发动机机体，汽缸盖包括燃烧室、进气门和排气门。提供可旋转地设置的凸轮轴，其与进气门和排气门中的至少一个处于有效的机械接触，通过凸轮轴的旋转足以使至少一个气门发生打开事件和关闭事件，这些事件中的每一个在发动机机体内的曲轴连续旋转期间周期性地重复发生。在优选实施例中，将要根据本发明运行的发动机提供了大的机械压缩比，在大约13∶1和大约16∶1之间的任何压缩比这一数量级上，包括它们之间的所有压缩比和压缩比范围。
根据本发明一个实施例的方法包括：首先使发动机在包括第一发动机rpm和第一载荷的第一组运行条件下运行，其中进气门和排气门中的至少一个的打开事件和关闭事件分别在发动机机体中曲轴的第一旋转量和第二旋转量之后开始发生，从而限定与所述至少一个气门的所述打开事件和关闭事件相关的曲轴的初始打开角度位置和初始关闭角度位置。接下来，使发动机在第二组运行条件下运行，该第二组运行条件包括第二发动机rpm(不同于第一发动机rpm，差异任何量)和第二载荷(不同于第一载荷，差异任何量)中的至少一个，其中，所述至少一个气门的打开和关闭在与在第一组运行条件下发生的相同的发动机机体中曲轴的初始角度位置和初始关闭角度位置时开始发生。但是，在一个实施例中，第二组运行条件足以允许爆震发生在发动机的至少一个汽缸中。在另一个实施例中，第一组运行条件足以允许爆震发生在发动机的至少一个汽缸中。采用常规的爆震传感器或功能等同的装置检测爆震，这些传感器或装置能够将由爆震事件引发的冲击波的全部或者一部分转化成电信号；用于这个目的，爆震传感器在本领域中是公知的，作为一个非限制性实例包括，可从通用汽车公司以零件号10456288获得的爆震传感器。来自爆震传感器的电信号随后提供给车辆的微处理器，对该微处理器编程以向发动机控制系统的一部分发送指令，使所述至少一个气门的打开事件和关闭事件中的至少一个开始发生时与发动机机体中曲轴在其连续旋转期间的角度位置相关的点发生改变，以便不同于相应的初始打开角度位置和初始关闭角度位置中的至少一个，从而使所述至少一个气门的打开事件和关闭事件中的至少一个发生在曲轴处于与爆震发生时曲轴所处角度位置不同的角度位置时。这可以是至少一个气门正时事件的提前或延迟。对于发动机上或汽缸组上的所有排气门均由单个凸轮轴控制的情形，可独立于进气门正时对排气门正时进行控制。对于发动机上或汽缸组上的所有进气门均由单个凸轮轴控制的情形，可独立于排气门正时对进气门正时进行控制。在一个实施例中，至少一个发动机汽缸的动态压缩比通过改变至少一个气门正时事件而得到了有效的降低。
采用根据本发明的方法，可选择性地修改所有汽缸的发动机总体平均动态压缩比，以符合所容许的最大压缩量，该最大压缩量恰小于对给定的燃料而言不期望的自燃发生时的压缩量，从而提供热力学效率的提高，使之超过采用点火提前作为控制IC发动机中爆燃的唯一手段时可能具有的热力学效率。但是，作为抑制发动机爆震手段的点火提前控制，在根据本发明操作发动机时也可以使用。爆震在发动机设计中是一个限制性因素；但是，部分载荷条件可容许较大的压缩比，因此根据本发明的一个实施例有益的是，使IC发动机在不发生爆震的条件下运行，然后通过改变气门正时事件(诸如进气门和/或排气门的打开和关闭)而使动态压缩比增大，直至达到发动机刚刚开始经历爆震的点，随后使动态压缩比减小足以使爆震在由机动车操作者所要求的给定组的运行条件下不再发生，其中机动车包括根据本文描述的一个或多个实施例操作的发动机系统。在替代实施例中，进一步将动态压缩比减小到在给定组的运行条件下不再发生爆震的动态压缩比之下。在一个实施例中，进气门打开大约0度和大约100度之间的任意曲轴旋转量(包括它们之间的所有度数和范围)，在进气冲程期间打开得早于其针对在给定组的运行条件(可包括载荷、节气门位置和发动机rpm)下刚开始发生爆震时的曲轴角度位置而打开的时间。在另一个实施例中，进气门关闭大约0度和大约100度之间的任意曲轴旋转量(包括它们之间的所有度数和范围)，在压缩冲程期间关闭得晚于其针对在给定组的运行条件(可包括载荷、节气门位置和发动机rpm)下刚开始发生爆震时的曲轴角度位置而关闭的时间。类似地，根据本发明，可独立地或相伴地将排气门的正时事件在它们于打开和关闭位置之间循环期间改变相同、更多或更少的曲轴旋转量。从而，通过本发明的教导，针对排气门和进气门的正时事件由单独的凸轮轴提供的实施例，可以有效地控制气门重叠。为方便起见，参照其活塞处于上死点位置的选定汽缸做出正时事件，选定作为参照的活塞当其处于其在缸膛中的行程顶部且与该活塞相关联的进气门和排气门关闭时即认为处于TDC位置，如本领域中公知的那样。
用于控制气门正时的可变正时气门机构和方法在本领域中是公知的，包括，例如，机械或液压控制的凸轮移相器、包括例如多凸角的凸轮布置和多级升程装置在内的可变升程控制器、以及电和液压控制的连续可变气门控制机构。在一个实施例中，本发明提供了一种对推进机动车有用的系统，该系统包括活塞驱动式内燃发动机，该发动机具有至少一个汽缸、可旋转地设置的曲轴、以及可变正时气门机构，该气门机构包括至少一个进气门和至少一个排气门，其中，所述至少一个气门设置成具有打开事件和关闭事件，它们在发动机运行时曲轴连续旋转期间周期性地重复发生。还具有设置成邻近所述至少一个汽缸从而足以检测爆震的爆震传感器，在一个优选实施例中，爆震传感器响应于检测到的爆震而提供电信号。提供了微处理器并将其设置成接收电信号，微处理器与可变正时气门机构处于有效的机电接触，足以响应于从爆震传感器接收的电信号而改变气门正时事件。
图3示出了根据本发明的一个实施例有用的决策算法。在这个算法的开始，装有设置成根据本发明运行的发动机的机动车的操作者作出转矩请求，在一个实施例中这可包括踩下加速器踏板。所使用的碳氢化合物或含氧燃料发动机可具有相对大的压缩比，处在大约12∶1的数量级上，凸轮轴和气门正时处于特定的第一运行状态下，具有明确限定的气门打开和关闭事件、升程、在特定升程(例如1.25毫米或任何其它选定量的升程)下的持续时间、以及重叠。在转矩请求之后，对车载微处理器编程以检测来自爆炸传感器的信号。如果检测到爆震，则微处理器命令气门机构通过改变至少一个气门正时事件而有效地减小动态压缩比。如果没有接收到指示爆震的信号，则实施点火提前。然后微处理器再次试图检测爆震，如果检测到，则微处理器命令气门机构有效地减小动态压缩比。如果没有接收到指示爆震的信号，则微处理器命令气门机构有效地增大动态压缩比。通过这样的方案，利用来自爆震传感器的反馈，在保持理想燃烧定相的同时使动态压缩比最大化。
在一个优选实施例中，根据在使发动机运行于其拟定环境中之前进行的发动机标定期间所生成的数据，将点火正时调节成最佳转矩时的最小提前(MBT)。通过这样的过程，可生成发动机的压缩比变化图，如以举例的方式而非限制本发明示出的那幅图，图4示出了制动平均有效压力(单位：bar)随发动机rpm变化的情况。在这幅速度-载荷图的大部分地方，靠汽油运行的发动机通常不受爆震限制，燃烧定相确定最大有用点火提前量。在该速度-载荷图的高载荷区域，正常的汽油发动机受爆震限制且燃烧定相被延迟。固定的压缩比表示在整个速度-载荷范围内燃烧定相和压缩比之间的平衡。根据本发明，可减小有效压缩比以允许接近理想情况的燃烧定相，而不发生爆震，从而提供在每个速度/载荷点处定相和压缩比之间此前不可获得的平衡程度，其可在发动机标定期间容易地确定。对于使用E85运行的同一发动机，在整个运行范围内通常可容许更大的动态压缩比。当前生产的发动机不能利用这一点，而实际上对在低载荷下运行或靠E85燃料运行的汽油发动机造成热力学损失。将压缩比调节到此处提供的爆震极限，可为发动机产生更高的总体效率和改善的性能，而与同一发动机是在被供给了诸如E85的可替代燃料时运行还是在被供给了包括汽油在内的常规发动机燃料时运行无关。
本发明描述了某些优选实施例及对它们的修改。本领域技术人员在阅读和理解了说明书后可以做出进一步修改和改造。因此，本发明不受限于作为被认为是实施本发明的最佳方式而公开的特定实施例，相反，本发明将包括所有落入所附权利要求范围内的实施例。

Claims (16)

1.一种控制内燃发动机的方法，该内燃发动机包含可在汽缸内往复运动的活塞、设置成改变发动机的有效压缩比的相位可控气门机构、点火正时系统和爆震传感器，该方法包括：
根据操作者的转扭请求，检测来自爆震传感器的信号；
如果检测到爆震，则通过气门机构改变至少一个气门正时事件而有效地减小动态压缩比；
如果没检测到爆震信号，则实施点火提前；并且
再次检测爆震，如果检测到，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地减小动态压缩比；如果没检测到爆震信号，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地增大动态压缩比。
2.如权利要求1所述的控制内燃发动机的方法，其中，发动机具有大于12∶1的机械压缩比。
3.一种运行具有至少一个汽缸的活塞驱动式内燃发动机的方法，包括：
使所述发动机在所述至少一个汽缸具有第一动态压缩比的条件下起动和运行；
改变气门正时以向所述至少一个汽缸提供比所述第一动态压缩比大的第二动态压缩比；
使所述发动机在导致所述至少一个汽缸中发生爆震的条件下运行；
检测所述爆震；以及
作为对检测到所述爆震的响应，随后改变气门正时以使所述至少一个汽缸的动态压缩比减小；
并且没检测到爆震时，则实施点火提前；
再次检测爆震，如果检测到，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地减小动态压缩比；如果没检测到爆震信号，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地增大动态压缩比。
4.如权利要求3所述的方法，其中，动态压缩比的所述减小是防止爆震再发生的有效减小量。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述发动机上的载荷和发动机rpm中的至少一个在动态压缩比的所述减小之后至少与检测到所述爆震时一样。
6.如权利要求3所述的方法，其中，随后改变气门正时包括使进气门打开提前和使进气门关闭延迟中的至少一个。
7.一种向在不同时间靠具有不同燃烧特性的燃料运行的机动车提供性能多样性的方法，该机动车包括：
微处理器；以及
内燃发动机，所述内燃发动机包括：
具有至少一个缸膛的发动机机体，
可旋转地设置在所述发动机机体中的曲轴，
至少一个连接到所述曲轴的活塞，所述活塞可滑动地设置在所述至少一个缸膛内，
附接到所述发动机机体的汽缸盖，所述汽缸盖包括进气门和排气门，且与所述缸膛和活塞协同设置成限定燃烧室，
可旋转地设置的凸轮轴，所述凸轮轴与所述进气门和所述排气门中的至少一个处于有效的机械接触，并且设置成在所述发动机机体内的所述曲轴重复旋转期间周期性地打开和关闭所述至少一个气门；
所述方法包括：
使所述发动机在包括第一发动机rpm和第一载荷的第一组运行条件下运行，其中至少一个气门的打开和关闭分别在所述发动机机体中所述曲轴的第一旋转量和第二旋转量之后开始发生，从而限定与所述至少一个气门的所述打开和关闭相关的所述曲轴的初始打开角度位置和初始关闭角度位置；
使所述发动机在第二组运行条件下运行，该第二组运行条件包括第二发动机rpm和第二载荷中的至少一个，其中，所述至少一个气门的打开和关闭在与所述第一组运行条件下发生的所述发动机机体中所述曲轴的相同初始角度位置和初始关闭角度位置时开始发生；
其中，第一组运行条件和第二组运行条件中的至少一个足以允许在所述发动机的至少一个汽缸中发生爆震；
检测所述爆震，并作为对检测到所述爆震的响应而生成电信号；
将所述电信号提供给所述微处理器；以及
作为对检测到所述爆震的响应，相对于所述发动机机体中所述曲轴在其连续旋转期间的角度位置使所述至少一个气门的打开和关闭中的至少一个开始发生时的点发生改变，以便不同于相应的所述初始打开角度位置和初始关闭角度位置中的至少一个，从而使所述至少一个气门的打开和关闭中的至少一个发生在曲轴处于与检测到所述爆震时所述曲轴所处角度位置不同的角度位置时；
并且没检测到爆震时，则实施点火提前；
再次检测爆震，如果检测到，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地减小动态压缩比；如果没检测到爆震信号，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地增大动态压缩比。
8.如权利要求7所述的方法，其中，使所述至少一个气门的打开和关闭中的至少一个开始发生时的点发生改变导致动态压缩比的减小。
9.如权利要求7所述的方法，其中，使所述至少一个气门的打开和关闭中的至少一个开始发生时的点发生改变导致动态压缩比的增大。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述第二载荷大于所述第一载荷。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述第二发动机rpm大于所述第一发动机rpm。
12.如权利要求7所述的方法，其中，所述改变足以使相对于所述发动机机体中所述曲轴在其旋转期间的角度位置所述至少一个气门的打开和关闭中的至少一个开始发生时的点足够不同于相应的所述初始打开角度位置和初始关闭角度位置中的至少一个，以使得当所述发动机在所述第二组运行条件下运行时在所述发动机随后的点火循环中不再发生所述爆震。
13.如权利要求7所述的方法，其中，所述发动机参考来自所述爆震传感器的电信号和气门正时的改变在闭环模式下运行。
14.一种对推进机动车有用的系统，该系统包括：
活塞驱动式内燃发动机，其具有至少一个汽缸、可旋转地设置的曲轴、和可变正时气门机构，该气门机构包括至少一个进气门和至少一个排气门，所述至少一个气门设置成具有打开事件和关闭事件，所述打开事件和关闭事件在所述发动机运行时所述曲轴连续旋转期间周期性地重复发生；
爆震传感器，其设置成响应于检测到的爆震而提供电信号；
微处理器，其设置成接收所述电信号，所述微处理器与所述可变正时气门机构处于有效的机电接触，足以响应于从所述爆震传感器接收的电信号而改变至少一个气门正时事件，在没有接收到所述电信号时，则实施点火提前；再次检测爆震，如果检测到，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地减小动态压缩比；如果没检测到爆震信号，则通过改变至少一个气门正时事件而有效地增大动态压缩比。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述可变正时气门机构是选自以下组的气门机构：电控制式气门机构和液压控制式气门机构。
16.如权利要求14所述的系统，其中，所述发动机的机械压缩比为在12∶1和18∶1之间范围内的任何压缩比，包括它们之间的所有压缩比和压缩比范围。
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