CN102325976A - 执行稀燃6冲程循环的发动机控制系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于发动机(10)的控制系统(12)，所述发动机(10)具有燃烧室(22)。所述控制系统可具有：燃料喷射器(40)，其构造成选择性地将燃料喷入所述燃烧室；以及控制器(54)，其与所述燃料喷射器通信。所述控制器可配置成：在第一压缩冲程期间启动所述燃料喷射器，从而以在六冲程循环的第一燃烧事件期间在所述燃烧室内形成分层的稀空燃混合物的量和正时引发燃料喷射。所述控制器还可配置成：在第一做功冲程期间启动所述燃料喷射器，从而以在同一六冲程循环的第二燃烧事件期间在所述燃烧室内形成均质的稀空燃混合物的量和正时引发燃料喷射。

Description

执行稀燃6冲程循环的发动机控制系统

技术领域

本发明涉及一种发动机控制系统，且更具体地涉及一种执行稀燃六冲程燃烧循环的发动机控制系统。

背景技术

六冲程发动机循环在本领域中是已知的，且总体由进气冲程、第一压缩冲程、第一做功冲程、第二压缩冲程、第二做功冲程和排气冲程组成。在进气冲程期间，空气或燃料和空气的混合物被吸入发动机的燃烧室。在第一压缩冲程期间，混合物被压缩并在第一压缩冲程将要结束时被点燃。在第一做功冲程期间，燃烧的混合物通过向下推动相关的活塞而使燃烧室的体积快速扩大，从而形成有用的机械功输出。在第二压缩冲程期间，残余的燃烧气体和/或新的燃料与空气再次被加压并点燃。在第二做功冲程期间，燃烧的混合物再次膨胀燃烧室的体积以形成有用的机械功输出。在排气冲程期间，燃烧过程的副产物通过活塞从燃烧室推出。

过去，上述两种燃烧事件(即，在第一做功冲程和第二做功冲程期间发生的燃烧事件)在单个循环期间是相似的。即，在两个事件期间的空燃混合物燃烧具有基本相同的空燃比。为了提供这种相同的比率，在不同的燃烧事件期间，借助于机械凸轮机构使得诸如气门正时和燃料喷射之类的发动机控制保持基本一致。尽管有效，但这种操作在效率、功率和排气排放方面可能并不是最优的。

2007年3月1日公布的Milovanovic等人的美国专利公报No.2007/0044778(’778公报)中公开了一种改善六冲程发动机操作的尝试。’778公报描述了一种具有第一燃烧阶段和第二燃烧阶段的直喷式发动机。在第一燃烧阶段期间，浓比率的燃料和空气被供给至发动机的燃烧室并通过压燃式柴油法燃烧。从第一燃烧阶段得到的大部分燃烧后的气体被保持在燃烧室中，并且将额外的空气供给至燃烧室。然后在第二燃烧阶段期间通过均质充量压燃燃烧所获得的具有稀比率的混合物。第一燃烧阶段由于其浓的特性而可提供增加的功率输出，而第二阶段由于其稀的特性而可减少排气排放。

尽管’778公报可确保发动机在六冲程操作期间的增强性能，但其仍然不是最优的。具体地，在第一燃烧阶段的浓比率的燃料和空气可能产生过多的排气排放物，使得不能在第二燃烧阶段被充分地减小。

本发明的发动机控制系统解决了上述问题中的一个或多个和/或现有技术中的其他问题。

发明内容

在一方面，本发明涉及一种用于发动机的控制系统，所述发动机具有燃烧室。所述控制系统可包括：燃料喷射器，其构造成选择性地将燃料喷入所述燃烧室；以及控制器，其与所述燃料喷射器通信。所述控制器可配置成：在第一压缩冲程期间启动所述燃料喷射器，从而以在六冲程循环的第一燃烧事件期间在所述燃烧室内形成分层的稀空燃混合物的量和正时引发燃料喷射。所述控制器还可配置成：在第一做功冲程期间启动所述燃料喷射器，从而以在同一六冲程循环的第二燃烧事件期间在所述燃烧室内形成均质的稀空燃混合物的量和正时引发燃料喷射。

在另一方面，本发明涉及一种操作发动机的方法。该方法可包括：吸入空气；压缩空气；以及将燃料喷入被压缩的空气中，以形成分层的稀空燃混合物。所述方法还可包括：点燃所述分层的稀空燃混合物，以获得第一功输出；在所述第一功输出期间将燃料喷入残留的燃烧气体中，以形成均质的稀空燃混合物；压缩所述均质的稀空燃混合物。所述方法可进一步包括：点燃被压缩的均质的稀空燃混合物，以获得第二功输出；以及将来自均质稀空燃混合物的燃烧的残留气体排放至环境。

附图说明

图1是示例性公开的动力系统的示意图；以及

图2是示出了图1动力系统的示例性操作的曲线图。

具体实施方式

图1示出了具有发动机控制系统12的动力系统10的示例性实施例。基于本发明的目的，将动力系统10图示和描述为六冲程柴油发动机。然而，本领域的技术人员会认识到，动力系统10可实施为任何类型的内燃机，例如汽油发动机或由气体燃料驱动的发动机。发动机控制系统12可帮助调节动力系统10的操作。

动力系统10可包括至少部分地限定多个气缸16的发动机气缸体14。活塞18和气缸盖20可与各气缸16相关联以形成燃烧室22。具体地，活塞18可滑动地布置在各气缸16内，以在上死点(TDC)位置与下死点(BDC)位置之间往复运动，且气缸盖20可定位成罩住气缸16的末端，从而形成燃烧室22。在所示的实施例中，动力系统10包括四个燃烧室22。然而，可以设想的是，动力系统10可包括更多或更少数量的燃烧室22并且燃烧室22能以“直列”构型、“V”形构型或以任何其他适当的构型布置。

动力系统10还可包括可旋转地布置在发动机气缸体14内的曲轴24。连杆26可将各活塞18与曲轴24连接，以使得活塞18于各相应气缸16内在TDC位置与BDC位置之间的滑动运动引起曲轴24旋转。类似地，曲轴24的旋转可引起活塞18在TDC位置与BDC位置之间的滑动运动。在六冲程发动机中，活塞18可通过进气冲程、第一压缩冲程、第一做功冲程、第二压缩冲程、第二做功冲程和排气冲程在上死点位置与下死点位置之间往复运动。

气缸盖20可限定与各燃烧室22相关联的进气通道28和排气通道30。进气通道28可将空气引入燃烧室22。排气通道30可将排气从燃烧室22引导到大气。

进气门32可布置在进气通道28的开口中以选择性地接合座圈。具体地，进气门32可在进气门32接合座圈以抑制流体流经该开口的第一位置与进气门32远离座圈移动以允许流体经该开口流入燃烧室22的第二位置之间移动。

类似地，排气门34可布置在排气通道30的开口中，以选择性地接合座圈。排气门34可在排气门34接合座圈以抑制流体流经该开口的第一位置与排气门34远离座圈移动以允许流体经该开口从燃烧室22流出的第二位置之间移动。

一系列气门致动组件36以可操作的方式与气缸盖20接合，以使进气门32在第一位置与第二位置之间移动。如果希望的话，可设置另一系列的气门致动组件38以使排气门34在第一位置与第二位置之间移动。应当注意的是，各气缸盖20可包括多个进气开口和多个排气开口，并且这些开口中的每一个将具有相关的气门。因此，动力系统10可包括用于各气缸盖20的至少一个气门致动组件36或38，其构造成致动该气缸盖20的所有进气门32或所有排气门34。还可以设想的是，如果希望的话，单个气门致动组件(未示出)可致动与多个气缸盖20相关联的进气门32。气门致动组件36、38中的一个或两个可与一共同的凸轮组件(未示出)——其由曲轴24可操作地驱动——相关联，以便引起在第一位置与第二位置之间的循环运动。在某些实施例中，如果希望的话，气门致动组件36、38能够独立地提供进气门32和/或排气门34的可变打开和关闭正时，从而调节动力系统10的空燃比、EGR流率、增压等。

动力系统10还可包括与各燃烧室22相关联的燃料喷射器40。各燃料喷射器40可布置在气缸盖20内并且可操作以便以预定的正时、压力和量将燃料喷入相关的燃烧室22，从而影响动力系统10的功率输出和/或排气排放。燃料喷射器40可实施为任何类型的电子控制的燃料喷射设备，例如电子致动-电子控制的喷射器、机械致动-电子控制的喷射器、与高压共轨(未示出)相关联的数控燃料阀或本领域中已知的任何其他类型的燃料喷射器。

加压空气可在空气进入动力系统10之前或之后与燃料混合，以促进在燃烧室22内的燃烧。可通过例如涡轮增压器42对空气加压。涡轮增压器42可包括借助共同的轴48与涡轮46连接的压缩机44。当离开动力系统10的排气经过涡轮机46时，轴48可被离开的排气驱动以转动压缩机44，并对进气进行加压。在某些实施例中，涡轮增压器42可为可变几何涡轮增压器(VGT)，其中可调节压缩机44和/或涡轮46的构件以影响进入动力系统10的空气的特性(例如，增压、流率、空燃比等)和/或离开动力系统10的排气的特性。

在来自动力系统10的排气经过涡轮增压器42并驱动涡轮增压器42操作时，排气可被引导通过一个或多个排气排放控制设备50并在释放到大气之前被调节。具体地，排气可被引导通过转化催化器——例如柴油氧化催化器(DOC)、引导通过过滤器——例如柴油微粒过滤器(DPF)、引导通过还原催化器——例如SCR设备、和/或引导通过本领域中已知的其他处理设备和衰减设备。可控制这些设备中的每一者以选择性地转化、捕获和/或减少排气的特定成分。

控制系统12可调节动力系统10的操作以增加功率和效率，同时减少排气排放。具体地，控制系统12可包括与燃料喷射器40、可变气门致动器36和38和/或涡轮增压器42通信的控制器54。控制器54可构造成选择性致动这些构件中的任何一个或全部，以影响动力系统10的单个循环内的燃烧事件和/或动力系统10的循环间的操作变化，如下文将更详细地描述的。

控制器54可实施为单个微处理器或多个微处理器，其包括用于控制动力系统10的操作的装置。许多商业上可获得的微处理器可构造成执行控制器54的功能。应当理解的是，控制器54可容易地实施为能够控制许多动力源功能的通用动力源微处理器。控制器54可包括运行诸如存储器、次级存储设备和处理器之类的程序所需的所有构件，例如中央处理单元或本领域中已知的用于控制动力系统10的构件的任何其他装置。各种已知的电路可与控制器54相关联，包括供电电路、信号调制电路、螺线管驱动器电路、通信电路和其他合适的电路。

将动力源性能与动力源构件的操作调节和/或设定联系到一起的一个或多个映射可被储存在控制器54的存储器内。这些映射中的每一个可呈表格、曲线图、算法和/或方程的形式。在一个示例中，所述映射可用于维持动力系统10的性能与操作员预期、制造商指南和/或排放规定相符合。在动力系统10的操作期间，控制器54可配置成调用这些映射并确定用于动力系统10的合适的操作设定，以使得动力系统10按预期地运行。如果希望的话，控制器54还可配置成将动力系统10的性能及其操作设定记录在映射中，以形成性能及相关设定的历史记录。

图2示出一曲线图，其图示由控制器54调节的动力系统10的操作。具体地，图2的曲线图图示了四个不同的记录线，包括燃烧室体积记录线100、进气门开度记录线110、排气门开度记录线120和燃料传送记录线130，这些记录线中的每一个是按在动力系统10的示例性六冲程循环期间的时间绘制的。将在以下部分说明图2，以进一步示出所公开的概念。

工业实用性

所公开的发动机控制系统可应用于任何燃烧动力源，其中燃烧动力源的性能输出受益于单个循环的燃烧事件的改变和/或循环间的改变。特别地，所公开的发动机控制系统可通过调节单个发动机循环内和/或多个循环之间的空燃比、正时和混合来改善动力系统10的性能。现将说明控制系统12的操作。

如图2的曲线图中所示，记录线100显示了燃烧室22体积在曲轴24、连杆26和活塞18运动期间的膨胀和收缩。特别地，记录线100示出了活塞18通过曲轴24在进气冲程期间从TDC位置至BDC位置、在第一压缩冲程期间从BDC位置至TDC位置、在第一燃烧或做功冲程期间从TDC位置至BDC位置、在第二压缩冲程期间从BDC位置至TDC位置、在第二燃烧或做功冲程期间从TDC位置至BDC位置、在第二燃烧或做功冲程期间从TDC位置至BDC位置并在排气冲程期间从BDC位置至TDC位置往复运动。这样，动力系统10可在六冲程发动机循环中操作，该六冲程发动机循环在常规的四冲程发动机循环的基础上包括额外的压缩冲程和做功冲程。

在上述活塞18的运动期间，控制器54可选择性地打开和关闭进气门32以允许空气或空气与燃料的混合物进入燃烧室22。例如，记录线110显示了在进气门32在进气冲程起点附近打开，并在进气冲程末端附近关闭。然而，在某些情形中，进气门32也可在第一燃烧冲程末端附近和/或第二压缩冲程起点附近打开和关闭，以允许排气从燃烧室22推出并进入相应的进气歧管以便随后再循环，或允许附加的空气或空/燃混合物进入燃烧室22以用于随后的第二压缩冲程和燃烧冲程。

排气门34也可在活塞18运动期间由控制器54选择性地打开和关闭，以允许排气从燃烧室22流向大气。例如，记录线120显示了排气门34在排气冲程起点附近打开，并在排气冲程末端附近关闭。然而，在某些情形中，排气门34也可在第一燃烧冲程的末端附近和/或第二压缩冲程的起点附近打开和关闭，以允许来自第一燃烧事件(即，在单个六冲程循环中燃料和空气首次燃烧的时间)的一小部分残留燃烧气体被推出燃烧室22。排气门34的这种额外的打开可帮助调节在第二燃烧事件期间(即，在单个六冲程循环中燃料和空气第二次燃烧的时间)的峰值气缸压力。因此，在某些实施例中，进气门32、排气门34或进气门和排气门两者可在第一燃烧冲程的末端附近和/或第二压缩冲程的起点附近打开和关闭。

燃料喷射器40可类似地由控制器54启动，以相对于活塞18在期望正时并以期望的量喷射燃料。例如，记录线130显示了在第一压缩冲程的末端附近和第一燃烧冲程的起点附近发生的第一喷射事件。该喷射事件可包括任何次数的不连续的喷射，其包括燃料的预喷射、较大的主喷射和一次或多次较小的后喷射。第一喷射事件可在燃烧室22内形成总体分层的稀空燃混合物，稀空燃混合物随后可被压缩点燃。在一个示例中，分层的稀空燃混合物可具有约14.7-30的空燃比。

记录线130还显示了在第一燃烧冲程末端附近和/或第二压缩冲程的起点附近(例如，在前半段中)发生的第二喷射事件。类似于第一喷射事件，该第二喷射事件可由控制器54启动，以包括任何次数的不连续的燃料喷射。第二喷射事件可在燃烧室22内形成总体均质的稀空燃混合物，该稀空燃混合物随后可被压缩点燃。在一个示例中，由第二喷射事件形成的稀空燃混合物相比于由第一喷射事件得到的稀空燃混合物可以是较稀的。即，第二喷射事件可形成空燃比约为30或更高的超稀空燃混合物。该超稀空燃比可有助于去除或者减少由第一燃烧事件残留的排气成分。可以设想的是，在某些情形中，如果希望的话，第二喷射事件可以省略，并且在第二燃烧事件期间仅点燃来自第一燃烧事件的残留气体。

由于控制系统12可用于执行具有稀燃烧事件和超稀燃烧事件的六冲程发动机循环，因此可改善动力系统10的操作。特别地，第一稀燃烧事件可导致高效率，而第二超稀燃烧事件可导致低排放。

对本领域的技术人员来说显而易见的是，可以对所公开的发动机控制系统作出各种改型和变型。根据本说明书和所公开的发动机控制系统的实践，其他实施例对本领域的技术人员来说将是显而易见的。例如，尽管对四冲程操作与六冲程操作之间的过渡进行了图示和描述，但可以设想的是，可类似地利用凸轮传动装置25在任何数量的冲程之间实现过渡。说明书和示例仅旨在被认为是示例性的，真实范围通过所附的权利要求和它们的等同物来表示。

Claims (10)

1.一种用于发动机(10)的控制系统(12)，所述发动机(10)具有燃烧室(22)，所述控制系统包括：

燃料喷射器(40)，其构造成选择性地将燃料喷入所述燃烧室；以及

控制器(54)，其与所述燃料喷射器通信并配置成：

在第一压缩冲程期间启动所述燃料喷射器，从而以在六冲程循环的

第一燃烧事件期间在所述燃烧室内形成分层的稀空燃混合物的量和正

时引发燃料喷射；

在第一做功冲程期间启动所述燃料喷射器，从而以在同一六冲程循

环的第二燃烧事件期间在所述燃烧室内形成均质的稀空燃混合物的量

和正时引发燃料喷射。

2.根据权利要求1的控制系统，其特征在于，所述第一燃烧事件和所述第二燃烧事件是压缩点燃的。

3.根据权利要求1的控制系统，其特征在于，所述均质的稀空燃混合物比所述分层的稀空燃混合物稀。

4.根据权利要求1的控制系统，还包括：

至少一个发动机气门(32、34)，其与所述燃烧室相关联；以及

可变气门致动器(36、38)，其构造成选择性地打开和关闭所述至少一个发动机气门，

其中，所述控制器与所述可变气门致动器通信，并进一步配置成在进气冲程期间、以及在第一做功冲程的末端部分和第二压缩冲程的起点部分中的至少一者期间启动所述可变气门致动器，以将压缩空气供给至所述燃烧室。

5.根据权利要求4的控制系统，其特征在于，所述至少一个发动机气门包括进气门(32)和排气门(34)，所述可变气门致动器调节所述进气门的操作以供应压缩空气。

6.根据权利要求5的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成在第一做功冲程的末端部分和第二压缩冲程的起点部分中的至少一者期间启动所述可变气门致动器，以调节所述排气门并释放来自所述第一燃烧事件的残留燃烧气体的一小部分。

7.一种操作发动机(10)的方法，包括：

吸入空气；

压缩空气；

将燃料喷入被压缩的空气中，以形成分层的稀空燃混合物；

点燃所述分层的稀空燃混合物，以获得第一功输出；

在所述第一功输出期间将燃料喷入残留的燃烧气体中，以形成均质的稀空燃混合物；

压缩所述均质的稀空燃混合物；

点燃被压缩的均质的稀空燃混合物，以获得第二功输出；以及

将来自均质稀空燃混合物的燃烧的残留气体排放至环境。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，点燃分层的稀空燃混合物和点燃均质的稀空燃混合物的步骤包括压缩点燃。

9.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述均质的稀空燃混合物比所述分层的稀空燃混合物稀。

10.一种动力系统(10)，包括：

发动机气缸体(14)，其至少部分地限定燃烧室(22)；

活塞(18)，其滑动地布置在所述燃烧室内，以在六冲程循环期间于所述燃烧室内往复运动；以及

如权利要求1-6中任一项所述的发动机控制系统(12)，其配置成影响所述燃烧室内的事件。

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