CN103244292B - 用于影响内燃发动机的热平衡的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于影响内燃发动机的热平衡的方法。本发明描述了一种用于降低发动机的热负荷而基本上不减小其功率输出的方法。该方法包括响应增压空气过温、冷却剂过温和发动机效率参数其中的一项或更多项调节发动机空气‑燃料比。

Description

用于影响内燃发动机的热平衡的方法
相关申请
本申请要求2012年2月2日提交的德国专利申请号102012201541.8的优先权，其整个内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及用于减降低内燃发动机的热负荷而基本上不减小其功率输出的方法。
背景技术
内燃发动机具有以这样的方式连接于汽缸体的至少一个汽缸盖，即这对汽缸盖和汽缸体形成至少一个燃烧室或汽缸。在该汽缸内，燃烧气体通过排气口排出同时该燃烧室经由进气口用空气填充，该进气口使来自进气歧管的增压空气能够被吸到燃烧室中。对于增压变化，由于活塞在燃烧室内往复运动以将燃烧能量转换成曲轴的旋转运动，因此汽缸盖经受高热和机械负荷。此外，由于在发动机舱内增加的部件的整体性，部件的组装逐渐变得紧密，因此对汽缸盖的要求也增加。
在该背景下，越来越多的发动机利用排气涡轮增压器和/或机械增压器增压以便给发动机内的所有部件提供动力。因此，发动机或汽缸盖上的热负荷进一步升高，所以对冷却系统提出较高的要求。相应地，采取影响内燃发动机的热平衡的措施以防止发动机热过载。
当发动机包括空气冷却系统时，该发动机可以包括风扇以通过引导空气流经过发动机的表面而耗散热量。然而，与空气相比由于流体具有较高的热容量，液体冷却系统比空气冷却能够显著地耗散更多的热量。为此，在高热负荷下的燃烧发动机通常装有液体冷却。
关于发动机冷却系统的设计，常常见到最大的冷却要求以便确保在所有的工况下发动机的充分的冷却。但是，这样做的结果是相对于正常的运行，也就是相对于平均冷却要求，发动机冷却系统尺寸过大。因此，发动机的冷却功率设计成用于以高负荷同时低车辆速度为特征的运行状态，例如对应于加速和上山的工况，以防止发动机过热，同时在最不利的情况下供给要求的冷却功率。在这种情况下，发动机冷却系统耗散非常大量的热而得不到空气流。此外，在一些情况下，高环境温度可以使提供足够的冷却功率的问题进一步恶化。
当发动机冷却系统以适应上面所述的情况的方式设计时，大冷却器或热交换器带来难以容纳在车辆前端区域中的困难。但是，由于可得到的有限空间的量，这会带来困难，因为增大散热器并非一种选择，原因是为了确保发动机的安全无故障运行或为了最优化发动机的运行，另外的热交换器(具体说是冷却装置)也被包括在内。因此，包含过大的散热器可以严重地限制在发动机舱内的其他热交换器的设置和尺寸。
在一个例子中，这样的发动机是已知的，其装有构造成具有足够大的热交换面积以充分实现其功能的多个热交换器。然而，由于在发动机系统中只能够获得有限的空间，因此在前端区域中各个热交换器的尺寸和设置之间发生矛盾。因此，在一些实施例中，散热器以线性、间隔开和部分重叠的方式设置。此外，可以包括流导向板以导引或引导空气流通过发动机舱。
在另一个例子中，这样的冷却系统是已知的，其具有大功率的风扇电机以驱动风扇叶轮或使风扇叶轮旋转，以便对冷却系统内的热交换器提供足够大的质量空气流。该风扇电机通常用电驱动并且在任何工作点能够支持热交换器中的热传送，即便当该机动车辆处在静止或停止状态，或当车辆以低车辆速度运行时。
在又一个例子中，具有两个风扇的散热器是已知的，其中较高的冷却功率归因于比单个风扇或单个风扇叶轮能够覆盖更大面积的两个风扇。在该背景下，用于液体冷却的散热器具有特定的意义，因为这个散热器通过耗散大量的热确保内燃发动机的安全运行。尽管如此，还需要其他措施以便即使在最不利的情况下也限制内燃发动机的热负荷。
为了防止发动机的热过载，控制发动机进气侧的增压压力作为该发动机的冷却剂温度TCoolant、增压空气温度TCharge和/或发动机的旋转速度的函数的方法是已知的。具体说，如果内燃发动机的冷却剂的温度TCoolant、增压空气温度TCharge和/或内燃发动机的旋转速度达到、超过可预定值、或下降低于可预定值，则降低增压压力。但是，由于增压压力的减小也导致减小发动机功率，这种降低功率的方法具有缺点。因此，到发动机中的热输入通过减小发动机功率而降低。但是在一些实施例中，发动机功率的减小是不能接受的。例如，机动车辆的驾驶员必需具有加速或上山要求的功率，不只是为了舒适的原因而是在一些情况下也从安全方面考虑。
发明内容
本文的发明人已经认识到上述问题以及这种方法的局限性。在此背景下，所述的方法包括以这样的方式影响发动机的热平衡，即降低发动机的热负荷而基本上不减小由该发动机提供的输出功率。
一种示例性的方法包括确定增压空气温度TCharge,冷却剂温度TCoolant和/或比值ηignition,act/ηignition,opt,其中ηignition,act是发动机系统在瞬时点火正时点的效率，而ηignition,opt是发动机系统在最佳点火正时点的效率。于是，响应这些值的一个或更多个，控制系统可以作为输入变量的函数降低空气比(例如空气-燃料比)λ。例如，如果TCharge高于上限温度TCharge,up，则空气燃料比λ可以作为TCharge.的函数而降低。
因此，根据该示例性的方法，空气燃料比λ作为该系统内的输入参数的函数降低，其中，燃料-空气混合物富化以降低发动机的热负荷而基本上不减小发动机的功率。具体说，即使在要求的驱动情况下，该方法允许降低热输入，而同时保持行驶速度或充气压力并且因此保持功率。
在本发明的背景内，所述的发动机系统包括柴油发动机、火花点火发动机并且也包括混合动力内燃发动机。应当明白，提供上面的发明内容是为了以简单的形式引进选择的构思，这种构思在具体实施方式中进一步描述。这并不意味着指出所主张主题的关键的或基本的特征，所主张主题的范围由权利要求唯一地限定。而且，所主张的主题不限于解决上面或本发明的任何部分指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示意地示出机动车辆中的车辆冷却系统的示例性实施例；
图2示出发动机燃烧室的示例性实施例；
图3是根据该方法由储存作为输入变量的函数的空气燃料比值的映射图构成的示例性发动机控制单元的示意图；
图4是用于影响发动机的热平衡而不减小其功率输出的示例性方法的流程图。
具体实施例方式
提供用于降低发动机的热负荷而基本上不减小其功率的方法和系统。为了降低热负荷，当输入变量超过可预定阈值或下降低于可预定阈值时，减小发动机系统中的空气流比。由于该方法涉及增压空气和液体冷却剂温度变量两者，图1和2示出示由连接于发动机系统的液体冷却系统构成的示例性实施例，图3示出能够接收来自发动机系统的反馈的示例性发动机控制单元，该反馈用来进一步调节设置，以便降低热负荷。图4是用于响应至少一个输入变量减少发动机的热平衡的示例性方法的流程图。
现在回到图1，图1示意地示出机动车辆102中的车辆冷却系统100的示例性实施例。车辆102具有驱动轮105，乘客厢104和发动机舱103。在机动车辆102的发动机罩(未示出)下面，发动机舱103可以安装各种部件。例如，发动机舱103可以安装内燃发动机10。内燃发动机10具有燃烧室，该燃烧室经由进气通道46可以接收进气并且经由排气通道48排出燃烧气体。在一个例子中，进气通道46可以构造成冲压空气进气，其中通过运动的车辆102形成的动压力可以用来增加发动机的进气歧管里面的静空气压力。因此，这可以使较大质量的空气流通过发动机，因而增加发动机功率。如图所示并且如本文所述的发动机10可以包括在诸如道路车辆的车辆和其他类型的车辆中。虽然将参考车辆描述发动机10的示例性的应用，但是应当明白，可以利用各种类型的发动机和车辆推进系统，包括轿车、卡车等。
发动机舱103还可以包括冷却系统100，其循环冷却剂通过内燃发动机10以吸收废热，并且分别经由冷却剂管道82和84将加热的冷却剂分配给散热器80和/或加热器芯子90。如图所示，在一个例子中，冷却系统100可以连接于发动机10并且可以经由发动机驱动的水泵86，将发动机冷却剂从发动机10循环到散热器80，并且经由冷却剂管道82返回到发动机10。发动机驱动的水泵86可以经由前端附件驱动(FEAD)36连接于发动机，并且通过皮带、链条等与发动机速度成比例地旋转。具体说，发动机驱动的水泵86可以循环冷却剂在汽缸体、汽缸盖等中通过，以吸收发动机热，该热然后通过散热器80传输给周围空气。传输给集成在液体冷却的发动机中的冷却水套的热可以从热交换器中的该冷却剂再一次汲取，该热交换器可以设置在车辆前端区域中。而且，从燃料的燃烧中释放的热不仅可以传输给形成燃烧室的壁、排气流并且在可应用发动机冷却剂之处，而且还传输给发动机油。因此，可以提供另外的冷却器，例如，用于冷却自动变速器上的变速器油和/或用于冷却剂压流体，具体说用于液压致动调节装置或用于驾驶辅助装置的液压油。但是，由于热传导和自然对流，通过油盘耗散的热通常不足以观察到最大的允许油温，所以通常设置附加的油冷却器。在一个例子中，在泵86是离心泵的情况下，由该泵产生的压力(和得到的流)可以与曲轴的转速成比例，在图1的例子中，该压力可以与发动机速度成比例。冷却剂的温度可以由设置在冷却管道82中的恒温器阀38进行调节，该阀通常保持关闭直到冷却剂达到阈值温度。
如上所述，冷却剂可以流过冷却剂管道82，和/或流过冷却剂管道84到加热器芯子(heater core)90，从加热器芯子90热可以传输给乘客厢104，并且冷却剂可以流回到发动机10。在一些例子中，发动机驱动的泵86可以运行以循环冷却剂通过冷却剂管道82和84。另一个热交换器可以包括空调系统的空气调节冷凝器，其通常工作于冷蒸发过程。在该过程中，供给乘客厢的空气流的温度由在蒸发器上通过空气来降低，其中该空气流从内部流过该蒸发器的致冷剂汲取热。
一个或更多个吹风机(未示出)和冷却风扇可以包括在冷却系统100中，以提供空气流辅助并且增加通过发动机舱的冷却空气流。例如，当车辆行驶并且发动机运行以提供通过散热器80的冷却空气流辅助时，连接于散热器80的冷却风扇92可以运行。冷却风扇92可以通过车辆102的前端的开口，例如通过栅格111，将冷却空气流吸入到发动机舱103中。这样的冷却空气流于是可以被散热器80和其他的发动机罩下面的部件(例如燃料系统部件、蓄电池等)利用，以保持冷的发动机和变速器。而且，空气流可以用来消除来自车辆空调系统的热。还有，空气流可以用来增强装有中冷器的涡轮增压的/机械增压的发动机的性能，该中冷器降低进入进气歧管/发动机中的空气的温度。
冷却风扇92可以通过交流发动机72和系统蓄电池74连接于发动机10并且由发动机10驱动。冷却风扇92也可以经由选择的离合器76机械地连接于发动机10。在发动机运行期间，发动机产生的转矩可以沿着驱动轴(未示出)传递给交流发电机72。产生的转矩可以被交流发电机72用来产生电能，该电能能够储存在诸如系统蓄电池74的电能储存装置中。蓄电池74然后可以用来运行电冷却风扇电机94。因此，运行该冷却风扇可以包括，例如在发动机运行期间，通过离合器76从发动机旋转输出机械地给冷却风扇旋转提供动力。附加地或选择地，运行冷却风扇可以包括，例如，当发动机速度低于阈值(例如，当发动机处于怠速停止时)，通过交流发电机或系统蓄电池从发动机旋转输入给冷却风扇旋转提供电动力。在另一个例子中，冷却风扇可以是电风扇，并且运行该冷却风扇可以包括启动连接于该冷却风扇的电机。
发动机控制器可以根据车辆冷却要求、车辆工况、并且与发动机的运行协调调节冷却风扇92的运行。在一个例子中，在第一车辆工况期间，当发动机运行时，并且希望发动机冷却和来自风扇的空气流辅助时，冷却风扇92可以机械地运行(通过离合器由发动机供给动力)或电力运行(通过启动蓄电池驱动的电机94提供动力)，以在冷却发动机罩下面的部件中提供空气流辅助。第一车辆运动状况可以包括，例如，当发动机温度高于阈值时。在另一个例子中，在第二车辆运动状况期间，当不需要空气流辅助时(例如，由于足够的车辆运动产生的空气流通过发动机舱)，风扇运行可以通过使风扇电机中止或风扇与发动机分离而停止。第二车辆运动状况还可以包括发动机被去激活(例如，发动机可以处于怠速停止)。但是，由于自然的周围空气流通过风扇叶片并且冲压空气压力的影响冲击风扇叶片表面，风扇可以继续空转(free-wheel)。空转风扇叶片的反作用力矩可以在风扇两侧产生减少的压力降。减少的压力降可以减少冷却系统阻力，增加通过风扇的冷却空气流，并且因此产生冷却阻力。得到的空气阻力的增加可以减少车辆102的燃料经济性。
上面参考图1所述的各种部件可以由控制系统控制，该控制系统包括具有计算机可读指令的控制器12，用于执行调节车辆系统、多个传感器16和多个致动器18的程序和子程序。
图2示出内燃发动机10的燃烧室或汽缸的示例性实施例。发动机10可以接收来自包括空气器12的控制系统的参数和经由输入装置132来自车辆操作者130的输入。在这个例子中，输入装置132包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的汽缸(本文中也叫做“燃烧室”)14可以包括活塞138设置在其中的燃烧室壁136。活塞138可以连接于曲轴140使得活塞的往复运动能够转换成曲轴的旋转运动。曲轴140可以经由变速器系统连接于客车的至少一个驱动轮。而且，起动机马达可以经由飞轮连接于曲轴140以能够起动发动机10的运行。
汽缸14可以经由一系列进气通道42、44和46接收进气。除了汽缸14之外进气通道46还可以与发动机10的其他汽缸连通。在一些实施例中，一个或更多个进气通道可以包括诸如涡轮增压器或机械增压器的增压装置。例如，图2示出发动机10构造成具有涡轮增压器，该涡轮增压器包括设置在进气通道42和44之间的压缩机174，和沿着排气通道48设置的排气涡轮176。压缩机174可以经由轴180至少部分地由排气涡轮176供给动力，其中增压装置构造成涡轮增压器。但是，在另一些实例中，例如在发动机10装有机械增压器的情况下，排气涡轮176可以可选地省去，其中压缩机174可以通过来自电机或发动机的机械输入供给动力。包括节气门阀164的节气门20可以沿着发动机的进气通道设置，用于改变提供该发动机汽缸的进气流率和/或压力。例如，节气门20可以如图2所示设置在压缩机174的下游，或可选地可以设置在压缩机174的上游。对于增压的内燃发动机，增压冷却器通常设置在进气歧管中，其降低吸进的增压空气或新鲜空气的温度并且因而增加新鲜的汽缸进气的密度。以这种方式，增压空气冷却器有助于用增压空气增加燃烧室的填充。
除了汽缸14之外，排气通道48还可以接收来自发动机10的其他汽缸的排气。排气传感器128被示出在排放控制装置178的上游连接于排气通道48。排气传感器128可以选自用于提供排气空气/燃料比的指示的各种合适的传感器，例如，诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO(如图2中所示)、HEGO(加热的EGO)、NOx、HC或CO传感器。排放控制装置178可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置、或其组合。
排气温度可以用设置在排气通道48中的一个或更多个温度传感器(未示出)测量。可选地，排气温度可以根据诸如发动机速度、负荷、空气/燃料比(AFR)、点火延迟等的发动机工况推断。而且，排气温度可以用一个或更多个排气传感器128计算。应当明白，排气温度可以可选地用本文中所列出到各种温度估算方法的组合估算
发动机10的每个汽缸可以包括一个或更多个进气门和一个或更多个排气门。例如，汽缸14被示出包括设置在汽缸上部区的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些实施例中，包括汽缸14的发动机10的每个汽缸可以包括设置在汽缸14的上部区的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。
进气门150可以通过经由凸轮致动系统151的凸轮致动而由控制器12控制。类似地，排气门156可以经由凸轮致动系统153由控制器12控制。凸轮致动系统151和153每个可以包括一个或更多个凸轮并且可以利用由控制器12操作的凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统的一个或更多个，以改变气门运行。进气门150和排气门156的运行可以分别由气门位置传感器(未示出)和/或凸轮轴位置传感器155和157确定。在可选实施例中，进气和/或排气门可以由电气门致动控制。例如，汽缸14可以可选地包括经由电子气门致动控制的进气门、和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气门。在又一些其他的实施例中，进气和排气门可以由共同的气门致动器或致动系统、或可变气门正时致动器或致动系统控制。凸轮正时可以被调节(通过提前或延迟VCT系统)以与EGR流和/或爆震控制流体的直接喷射协调调节发动机稀释，因而减少EGR瞬变并且提高发动机性能。
汽缸14可以具有压缩比，该压缩比是当活塞138在下止点和上止点时的容积比。通常，压缩比在9:1到10:1的范围内。但是在使用不同燃料的一些例子中，压缩比可以增加。例如，当使用较高辛烷值燃料或具有较高的潜在蒸发热焓的燃料时，这可能发生。由于直接喷射对发动机爆震的影响如果利用直接喷射时也可以增减压缩比。
在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可以包括用于开始燃烧的火花塞192。在选择运行模式下，点火系统190可以响应来自控制器12的火花提前信号SA通过火花塞192为燃烧室14提供点火火花。但是，在一些实施例中，火花塞192可以被省去，例如在发动机可以通过自动点火或通过燃料喷射开始燃烧的情况下，一些柴油发动机的情况就是如此。
在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可以构造成具有用于为其提供爆震控制流体的一个或更多个燃料喷嘴。在一些实施例中，爆震控制流体可以是燃料，其中喷嘴也叫做燃料喷嘴。作为非限制性的例子，汽缸14被示出包括一个燃料喷嘴166。燃料喷嘴166被示出直接连接于汽缸14，用于经由电子驱动器168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其中。以这种方式，燃料喷嘴166提供叫做到燃烧汽缸14中的燃料直接喷射(下文也叫做“DI”)。虽然图2示出燃料喷嘴为侧面喷嘴，但是它也可以设置在活塞的顶上，例如靠近火花塞192的位置。由于一些醇基燃料的较低的挥发性，当用醇基燃料运行发动机时，这样的位置可以增加混合和燃烧。可选地，喷嘴可以设置在顶上并靠近进气门，以增加混合。燃料可以从包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的高压燃料系统8提供给燃料喷嘴166。可选地，燃料可以由单级燃料泵以低压提供给喷嘴，在这种情况下，如果利用高压燃料系统在压缩冲程期间直接燃料喷射正时可能更加受限制。而且，虽然没有示出，但是燃料箱可以具有为控制器12提供信号的压力转换器。应当明白，在另外的实施例中，喷嘴166可以是将燃料提供给汽缸上游的进气道的进气道喷嘴。
应当明白，虽然在一个实施例中，发动机可以经由单个直接喷嘴通过喷射各种燃料或爆震控制流体运行；但是在可选实施例中，发动机可以利用两个喷嘴(直接喷嘴166和进气道喷嘴)并且改变从每个喷嘴的喷射的相关量而运行。
在发动机的单个循环期间燃料可以由喷嘴提供给汽缸。而且，正如本文在下面所描述的，从喷嘴提供的燃料和爆震控制流体的分配和/或相对量可以随着诸如进气温度的工况变化。而且，对于单个燃烧事件，每个循环可以进行提供燃料的多次喷射。多次喷射可以在压缩冲程、进气冲程或其任何合适的组合期间进行。
如上所述，图2示出多汽缸发动机的一个汽缸，因此每个汽缸可以同样具有其自己的一套进气/排气门、燃料喷嘴、火花塞等。
发动机还可以包括一个或更多个排气再循环通道，用于将来自发动机排气的一部分排气再循环到发动机进气口。在所示的实施例中，排气可以经由EGR通道141从排气通道48再循环到进气通道44。提供给进气通道44的EGR的量可以经由EGR阀143由控制器12改变。而且EGR传感器145可以设置在EGR通道内并且可以提供排气的压力、温度和浓度的其中一个或更多个的指示。
EGR被看作支持符合污染物的未来限制值的一种方式，尤其是氮氧化物排放物的限制值，因为氮氧化物的形成需要高温并且EGR是用于减少这种温度的一种手段。因此，通过增加EGR率可以明显降低氮氧化物排放物。该EGR速率xEGR在这里确定为xEGR＝mEGR/(mEGR+mFresh air)，其中mEGR是再循环排气的质量，而mFresh air是供给的新鲜空气，并且在适用的情况下，是被压缩的新鲜空气。当利用EGR时，增压空气可以包含排气和新鲜空气的混合物。
为了实现氮氧化物的明显的减少，可能需要在xEGR≈50％至70％的范围内的高EGR率。但是，为了实现这种高再循环率，需要经由压缩排气而被再循环的排气的冷却，以增加再循环排气的密度。因此内燃发动机可以安装附加的冷却装置以冷却被再循环的排气。
应当明白，虽然图2的实施例示出经由连接在涡轮增压器压缩机的上游的发动机进气和该涡轮的下游的发动机排气之间的LP-EGR通道提供低压(LP EGR)，但是在可选实施例中，发动机可以构造成还经由连接在压缩机下游的发动机进气和涡轮上游的发动机排气之间的HP-EGR通道提供高压EGR(HP EGR)。在一个例子中，HP-EGR流可以在没有由涡轮增压器提供的增压的情况下提供，而LP-EGR流可以在例如在存在涡轮增压器增压和/或当排气温度高于阈值的情况下提供。当包括不同的HP-EGR和LP-EGR通道时，相应的EGR流可以通过调节相应的EGR阀来控制。
在图2中控制器12被示出为微型计算机，包括：微处理单元106、输入/输出端口108、在这个具体的例子中示为只读存储芯片110的用于可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器112、保活存储器114和数据总线。控制器12可以接收来自连接于发动机10的传感器的各种信号，除了前面提到的那些信号之外，还包括：来自质量空气流量传感器122的质量空气流量(MAF)的测量；来自连接于冷却套118的温度传感器116的发动机冷却剂温度(ECT)；来自连接于曲轴140的霍尔效应传感器120(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自传感器124的歧管绝对压力信号(MAP)。发动机速度信号RPM可以从信号PIP由控制器12产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以用来产生进气歧管中的压力或真空的指示。还有其他传感器可以包括连接于燃料系统的燃料箱的燃料水平传感器和燃料成分传感器。
存储介质只读存储器110可以用表示由处理器106可执行的用于执行下面所描述的方法的计算机可读的数据以及预期到但未列出的其他变量编程。以这种方式，图2的系统能够实现运行发动机的方法，其中提供希望的热平衡而不减小其功率输出。
在图3中，示出为了降低热负荷用于影响内燃发动机的热平衡的方法的第一实施例的流程图。根据图3中的方法变型，在适用的情况下，确定增压空气温度TCharge、冷却剂温度TCoolant和比值ηignition,act/ηignition,opt，并且用作用于从储存在发动机控制单元中的映射图读取空气燃料比λ的输入值。
在图3中，控制系统12包括发动机控制单元300。在这个系统内是空气比单元302，在一个实施例中，空气比单元302储存作为输入变量TCharge,、TCoolant和ηignition,act的函数的空气比值的映射图的存储器单元。例如，控制系统12可以被校准以接收来自发动机系统内的温度传感器(例如传感器116)的反馈，该反馈用来查表储存在存储器单元中的空气比值。然后，根据储存在表中的值，控制系统12可以增加喷射的燃料量，以便进一步调节空气对燃料比并且因而降低发动机系统10的热负荷。在另一个实施例中，空气比单元302可以是能够单个地或以其各种组合方式计算作为每个输入变量的函数的最佳空气比值的处理器。例如，在一些情况下，控制系统12可以被编程以响应冷却剂温度高于阈值而降低空气比，而在其他情况下，控制系统12可以编程以响应冷却系统中的高冷却剂温度和空气进气通道中的高空气温度降低空气比。正如在下面详细地描述的，在又一些情况下，空气比可以响应所有的三个输入变量而减小。
这样的方法是有利的，其中空气比λ通过增加喷射的燃料量而降低。例如，对于直接喷射，汽缸的喷嘴被控制成利用发动机管理系统经由控制管道单个地喷射燃料，其中，喷射的燃料的量用来设置空气比λ。在其他的实施例中，这样的方法是有利的，其中空气比λ经由供给的增压空气量通过设置空气比λ来降低。例如，空气比λ可以通过设置安装在进气管道，例如进气管道46中的节气门阀，例如节气门阀164经由提供的增压空气量来设置。但是，在一些情况下，减少提供的增压空气量也可能导致功率和功率供给的变化。
在其他实施例中，当空气比降低时从发动机的超化学计量运行开始进行富化。因此，这样的方法实施例是有利的，其中，内燃发动机的空气比λ从具有λ大于1的发动机的超化学计量运行开始，或从具有λ基本等于1的化学计量运行开始降低，由此发动机转移到具有λ小于1的亚化学计量运行。
控制单元300用来影响内燃发动机的热平衡的第一输入参数是增压空气温度304，或TCharge。根据在下面详细描述的方法400，空气比可响应于增压空气过热减少第一量，或更简单地说作为增压空气温度的函数，以便降低内燃发动机的热负荷。例如，空气比可以响应超过阈值的增压空气的温度(也叫做增压空气过热)而减少，并且，燃料-空气混合物富化。
具体说，该方法允许降低热输入，并且因而降低热负荷，即使在要求驱动的情况下。同时，能够保持行驶速度或增压压力并且因此能够保持功率。例如，加速、上山、牵引拖车以引起关于足够的热耗散问题的高负荷和低车速为特征。
测试表明，可以降低到发动机中的热输入而不减小发动机功率。根据这种测试，由于与减小增压压力以降低热输入的常规降低方法相比可以发生较低的燃料消耗(例如，以每分钟克为单位)，因此该方法具有优点。虽然有些意想不到，由于降低方法通过减小功率降低热输入，这是燃料节省措施，但是在富化的情况下，对于提供的空气量喷射的燃料比能够燃烧的燃料多，这导致过量的燃料被加热并且被蒸发因此燃烧气体的温度下降。但是，关于污染物排放物和燃料经济性这个过程通常被认为是不利的，但是在一些情况下仍然是可以接受的。因此该方法特征在于内燃发动机的热负荷被降低而基本上不减小功率供给。在一些实施例中，燃料消耗可以减少，但是在其他实施例中为了富化的目的减小空气比可以导致燃料消耗的增加。
根据该方法，以基本不减小该发动机提供的功率的方式可以影响内燃发动机的热平衡以限制和/或降低内燃发动机的热负荷。但是，在一些实施例中，功率可能减小但是该减小仍然少于已知的降低方法。
在这种方法中，富化可以用增压空气温度TCharge指示，其中为了其他原因也可以产生富化，例如，降低排气温度以便保护排气后处理系统免受过热。
在一些情况下，该方法可以简短地进行以便包括稍微富化(例如，其中λ<1)一段很短的时间。例如，富化可以尽可能低以避免拉姆达传感器的计量的不正确的工作，以便确保排气后处理系统正常地工作。而且，这可以避免与富化有关的缺点，随着富化增加着可以表现地更强烈。此外富化的程度可以使得进入发动机的热输入降低。
在一些实施例中，汽油发动机通常包括三元催化转化器，其相对于化学计量运行(λ≈1)在比较窄的范围内运行，以便通过非氧化的排气成分的存在，即一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物，还原氮氧化物(例如，NOx)并且同时氧化这些排气成分。因此这样的方法的实施例是有利的，其中内燃发动机转换成亚化学计量运行，其中0.95>λ>0.85，并且在一些情况下，优选0.92>λ>0.88。
关于增压空气温度TCharge，这样的方法的实施例是有利的，其中TCharge是吸入的新鲜空气的温度TAir，其中该吸入的新鲜空气用作TCharge的测量。例如，在吸入的发动机中没有排气再循环，或当增压空气的温度在引进到进气管道中的排气引进的上游被确定时，在具有排气再循环的内燃发动机中是这样的情况。
在内燃发动机包含由从排气管道分支并且通向进气管道的回流管道构成的排气再循环的其他实施例中，TCharge可以是与再循环的排气混合的新鲜空气的温度，其中，该再循环的排气和新鲜空气的混合物的温度用作TCharge。
在内燃发动机包含至少一个排气涡轮增压器的又一些其他的实施例中——该排气涡轮增压器由设置在排气管道中的涡轮和设置在进气管道中压缩机构成，TCharge可以是该压缩机下游的压缩的增压空气的温度，其中该压缩机的下游的压缩的增压空气的温度可以用作TCharge。尽管如此，即使在增压的内燃发动机的情况下，压缩机上游的温度也可以用作TCharge。
在又一些另外的实施例中，增压空气冷却器可以设置在压缩机的下游，其中TCharge是该增压空气冷却器下游的压缩的冷却增压空气的温度是有利的，但是在原则上，也可以用增压空气冷却器上游的温度。关于排气再循环进行的描述也应用于增压的内燃发动机。
对于液体冷却的内燃发动机，该方法也可以包括用306标识为冷却剂温度(或简单地为TCoolant)的第二输入参数。TCoolant也可以被控制单元300用来影响示例性发动机系统10的热平衡。根据该方法，空气比λ可以减小响应于冷却剂过热的不同的第二量，或简单地说是TCoolant的函数，以便降低发动机的热负荷。例如，响应冷却剂的温度超过阈值空气比λ可以减小并且燃料-空气混合物富化。作为用于减小空气燃料比λ的决策标准的附加的运行参数的引入提高用于影响发动机的热平衡的方法的品质。
按照该方法，根据液体冷却系统的瞬时运行状态对富化的是否发生进行判断。这避免液体冷却系统高于其性能限制运行，其中从发动机汲取比最佳量少的热量。在内燃发动机的不连续的工作点，该液体冷却能够达到其最大的冷却性能，因此温度Tcoolant用作指示器，其中高于这点的温度被称作发动机冷却剂过温。于是，响应液体冷却系统达到其最大的允许性能，使用富化以便限制或降低该内燃发动机的热负荷。在这种情况下，根据该方法，还可以避免功率的明显降低。
液体冷却系统的过载可以与冷却剂的过热和过分蒸发有关。但是，由于在一些区域中冷却剂以蒸汽的形式出现，可以发生降低的热耗散，这可以导致材料熔化。而且，可以发生来自气穴的损坏。在本文描述的方法的情况下，由于冷却剂的过分蒸发带来优点并且防止由于气穴引起的损坏。
在一些实施例中，可以利用TCharge和/或TCoolant作为输入值从储存在发动机控制单元中的映射图中读取空气比λ。而且，如果液体冷却的内燃发动机具有热交换器，这样的方法变型是有利的，其中TCoolant是汽缸盖下游和热交换器上游的冷却剂的温度，因为该冷却剂在其冷却剂回路的这部分中可以具有最大的温度。
在其他的实施例中，这样的方法是有利的，其中当TCharge超过可预定的温度阈值TCharge,up和/或TCoolant超过可预定的温度阈值TCoolant,up时，空气比λ被减小，其中任一输入变量都可以超过温度阈值大于可预定的时间间隔(ΔtCharge,up、ΔtCoolant,up)一段时间。用于减小空气比的附加条件的引入防止发动机工况过频或急速的变化，具体说，当TCharge或TCoolant简短地超过可预定的温度并且然后再一次降低或在可预定的温度周围波动时，防止转换到或转换自发动机的富或亚化学计量的运行。在这方面，有利的是仅仅在需要保护发动机免受过热时进行富化运行。
在又一些其他的实施中，优点是当TCharge下降低于可预定的较低的温度阈值TCharge,down和/或TCoolant下降低于可预定的低温度阈值TCoolant,down时，该内燃发动机的空气比λ再一次从发动机的亚化学计量运行(例如，当λ<1)开始增加。这是因为富化也包含缺点。例如，从发动机汽缸释放的过量的燃料可能没有进行燃烧，所以在富运行的情况下，尤其是排气中未燃烧的碳氢化合物的浓度明显较高。因此，该方法包括仅仅在必要时才进行富化，以保护发动机免受过热。由于类似原因，富运行只在该运行不可避免时才被保持。因此根据所讨论的方法变型尽可能快地增加空气比λ是有利的。
在又一些其他的实施例中，这样的方法可以是有利的，其中TCharge和/或TCoolant通过计算确定。例如，发动机系统内的TCharge或TCoolant通过计算确定或利用已知的模型模拟，例如动态热和运动模型确定。可以这样做以确定在燃烧期间产生的反应热。作为用于模拟的输入信号，可以用已经存在的或在其他背景下确定的发动机内的其他的运行参数。进行模拟计算的优点是，不需要其他部件，具体说不需要传感器来确定发动机系统内的温度，这在成本方面是有利的。但是，缺点是以这种方式确定的温度可以表示估算的值，这可能降低空气比的控制或调节的品质。
在该方法的其他实施例中，有利的是TCharge和/或TCoolant利用一个或更多个传感器测量地确定。增压空气温度或冷却剂温度的测量确定提供很少的困难。这是因为即便在内燃发动机温热运行时，增压空气和冷却剂也具有比较适度的温度。此外，在增压空气流中或冷却剂流中具有设置传感器的多种可能性或不同的位置，而没有发动机功能适应性的方面的不利后果。
现在回到第三输入参数，发动机控制单元300可以利用比值ηignition,act/ηignition,opt以影响内燃发动机的热平衡。因此，根据该方法，并且以类似于上面关于TCharge或TCoolant所描述的方式，空气比可以作为比值ηignition,act/ηignition,opt的函数减小，以便降低内燃发动机的热负荷。例如，响应下降低于可预定比值x的比值ηignition,act/ηignition,opt空气比λ可以减小，并且燃料-空气混合物富化。
关于包括比值的变量，效率参数308或ηignition,act在发动机的瞬间工作点或运行状态表面发动机系统的效率。瞬间点火正时点tignition,act可以由发动机控制系统提前，以关于燃料消耗和排放的最佳点火正时点的方式，以便防止发动机在高热负荷下爆震。在这个意义上来说，有关的效率ηignition,act从以310所示的最佳效率ηignition,opt偏离，最佳效率也可以储存在存储器中并且连接于空气比单元302，其中最佳点火正时点可以用来表示发动机做功的效率比希望的低(例如，ηignition,act/ηignition,opt≤1)。在这种情况下，当瞬时效率ηignition,act从最佳效率ηignition,opt偏离多于可预定程度时，需要富化以尽快限制热负荷。
对于装有发动机控制系统的内燃发动机，这样的方法的实施例是有利的，其中发动机控制单元包括映射图，其中储存的空气比λ能够利用作为输入值的增压空气温度TCharge、冷却剂温度TCoolant和/或该比ηignition,act/ηignition,opt读出。上面参考控制单元300描述的各种部件可以由控制系统控制(该控制系统包括具有用于执行调节车辆系统的程序和子程序的计算可读指令的控制器12)、多个传感器16和多个致动器18。
在图4中，示出说明能够影响发动机的热平衡而基本不减小功率输出的示例性方法的流程图。具体说，该方法用于通过调节作为发动机速度和负荷的函数的空气-燃料混合物来降低热输入。该方法的优点包括即便在要求驱动的形势下，也保持车辆行驶速度或增压压力并且因此保持功率。
在402，方法400包括确定一个或更多个输入变量。正如上面关于图3所描述的，输入变量可以直接确定或从发动机系统内的传感器间接确定。例如，TCharge可以由设置在进气通道中的一个或更多个温度传感器确定。可选地，TCharge可以根据诸如速度、负荷、火花延迟等的发动机工况推断，或通过本文中描述的温度估算方法的任何组合估算。在一些实施例中，有利的是确定提供最大适应性的所有三个输入变量，同时确保在需要时才产生富化，以保护发动机免受过热。
在404，方法400包括将至少一个输入变量与参考阈值进行比较，以判断发动机上的热负荷是否太高。然后，如果一个或更多个输入变量超过阈值或下降低于阈值，控制系统12可以处理信息并且在发动机系统内进行调节，以降低热负荷并且防止发动机过热。例如，如果TCharge或TCoolant分别高于温度阈值TCharge,up或TCoolant,up或如果比值ηignition,act/ηignition,opt下降低于阈值x，于是控制系统12可以引导燃料喷嘴166增加喷射到汽缸中的燃料喷射量并且降低空气比λ以便降低对发动机的热输入，以限制热负荷。
如果一个或更多个输入变量与参考阈值的比较指出这些输入参数在可预定的范围内，于是在406，方法400包括继续以当前的设置运行发动机系统。当情况是这样时，来自系统中的传感器的反馈不指示发动机过热，因此不进行调节。
相反，如果输入变量超过限度，或者因为与阈值相比它低，例如，ηignition,act/ηignition,opt低于x，或因为与阈值相比它高，例如TCharge或TCoolant分别高于TCharge,up或TCoolant,up，于是方法400可以进行到408，在408，控制系统12进一步判断每个输入变量是否超过参考阈值或下降低于参考阈值大于时间阈值的一段时间。因此控制系统还可以储存至少一个时间阈值，该时间阈值用来确定每个输入变量已经在可预定范围之外运行了多长时间。正如参考图3已经描述的，在一些实施例中，这样的方法是有利，其中当增压空气温度TCharge超过可预定的上限温度TCharge,up和/或冷却剂温度Tcoolant超过可预定的上限温度TCoolant,up时，空气比λ减小，其中每个输入变量超过可预定的上限温度大于可预定时间间隔ΔtCharge,up、ΔtCoolant,up的一段时间。用于减小空气比λ的附加的条件的引进防止发动机工况的过频或急速的变换，具体说，当TCharge或TCoolant短暂地超过可预定的温度并且然后再一次降低或在可预定的温度周围波动时，防止转换到发动机的富或亚化学计量的运行，或从发动机的富或亚化学计量的运行转换。在此背景下，有利的是仅仅在需要时才进行富化运行，以保护发动机免受过热。
如果至少一个输入变量以刚刚所述的方式超过或下降低于阈值，于是控制系统12可以编程为处理该反馈并且确定发动机运行的最佳的空气比，以降低热负荷而不减小其功率。因此，在410，方法400包括响应一个或更多个输入变量确定空气比λ。在一个实施例中，空气比值是作为每个输入参数的函数储存在存储器中的映射图。例如，图3所示的空气比单元302还可以包括用于表示λ值的每个变量的数据表，在此发动机运行以降低发动机的热负荷并且因而防止过热。以这种方式，每个数据表可以包含作为能够用来调节发动机的空气燃料混合物的输入变量的函数的λ值的校准设置。虽然在一些实施例中，可以足以分别提供冷却剂和进气温度下降或火花效率下降，但是在另一些实施例中，实施所有三个输入变量可以提供最大的适应性。为此，利用发动机速度、负荷和齿轮比作为映射参数确保在不需要的工况下不产生富化。
对于包含根据来自至少两个输入变量的反馈做出确定的控制器的实施例，该控制系统还可以编程为从指示的不同的空气比值确定最佳的空气比。例如，如果所有的三个发动机参数被收集并且指示发动机上的热负荷太高，于是由于空气比单元302储存作为每个变量的函数的λ值，该控制器可以对于每个参数查找空气比值。于是，根据获取的λ值，控制器可以编程为选择最佳的λ值或包括确定λ值的装置，从而调节发动机系统中的设置。在后一种情况下，当确定λ值以设置发动机时，控制器可以仅仅平均该数据或者也编程为根据动态热和运动模型利用多个复杂的模拟技术。
提供一例子以演示当控制器利用至少两个输入变量时该方法的适应性。考虑具有接收来自所有输入参数的反馈并且进而又查找单个地储存为每个参数的函数(例如，发动机热负荷的映射图)的λ值的控制器的实施例。例如，控制器12可以接收来自连接于冷却套118的温度传感器的116的信号作为TCoolant的指示，进气歧管中的温度传感器(未示出)的信号作为TCharge的指示，和来自点火系统190指示火花效率的信号，或ηignition,act/ηignition,opt。而且，根据相对于参考阈值的每个参数，控制器可以只查找指示发动机以其运行的空气-燃料比的每个参数的储存的λ值。因此，控制器能够查找λ值并且根据三个不同的λ值进行确定。例如，在一种情况下，控制器可以处理发动机速度和负荷信息以及TCharge>TCharge,up、TCoolant>TCoolant,up、以及ηignition,act/ηignition,opt<x，所有这些在不同的程度上都提供发动机过热的指示。因此，由于λ值储存为每个输入参数的函数，获取的λ值可以根据工况变化。例如，假定为了简单起见，在第一组工况下，由TCharge、TCoolant,和ηignition,act/ηignition,opt指示的λ值分别是0.75、0.85和0.95。可选地，在第二组工况下，λ值可以分别是0.95、0.85和0.75,或在第三组工况下分别是0.85、0.95和0.75等等，其中各组工况是不同的。可选地，不同的数值也是可能的，或者在一些情况下，所有三个值基本相同。因此，控制器12还可以包括确定单个λ值的方法，用该方法根据不同的λ值设置发动机。例如，在一个实施例中，控制器12可以选择最低的λ值，以确保喷射的燃料量足以降低该发动机的热负荷并且即便产生功率稍微减小也防止过热。在其他实施例中，控制器12可以选择λ值，该λ值降低热负荷刚好足以防止过热而基本上不减小发动机的功率输出。在又一些另外的实施例中，控制器12可以编程以处理数据，例如，通过平均该数据以便得到使空气-燃料混合物以及根据发动机速度和负荷的功率输出最佳化的λ值。一旦λ值被确定之后，该方法还包括调节发动机系统内的设置以减小空气比λ。
如果方法400确定将产生空气流比减小到特定λ值，于是在412，方法包括减小空气燃料流比λ以便降低发动机上的热负荷。这可以包括在发动机系统内进行调节以降低空气比。例如，控制系统12可以引导燃料喷嘴166以增加喷射的燃料量，以降低热负荷或可选地调节进气通道46中节气门阀164，以减少提供给发动机汽缸体的燃烧室的空气量。在调节发动机系统内的设置之后，控制器12还可以监控发动机系统并且当它继续控制(管理)发动机的热负荷时输入变量参数。
本文描述的方法不意味着限制或约束所述的发动机系统而是能够用于没有排气再循环和/或液体冷却系统的内燃发动机。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且非显而易见的组合和子组合。

Claims (19)

1.一种用于影响发动机的热平衡的方法，包括：
确定提供给汽缸的增压空气温度，
响应于所述增压空气温度调节空气-燃料比，
如果所述增压空气温度超过上阈值温度，则降低所述空气-燃料比，并且
基于火花效率降低所述空气-燃料比。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述空气-燃料比通过增加喷射的燃料量而降低。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述空气-燃料比从所述空气-燃料比基本等于1的化学计量运行降低到所述空气-燃料比小于1的亚化学计量运行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述增压空气温度是吸入的新鲜空气的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述增压空气温度是与来自回流管道的再循环排气混合的新鲜空气的温度，该回流管道从排气管道分支并且通向进气管道。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述增压空气温度是来自排气涡轮增压器的压缩机下游的压缩的增压空气的温度，该排气涡轮增压器包括设置在排气管道中的涡轮和设置在进气管道中的压缩机。
7.根据权利要求6所述的方法，其中增压空气冷却器设置在所述压缩机的下游，并且其中，
所述增压空气温度是所述增压空气冷却器下游被压缩且被冷却的增压空气的温度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机是液体冷却的并且包括集成在汽缸盖中的冷却剂套，并且其中所述冷却剂套是冷却剂回路的一部分，该方法还包括：
确定冷却剂温度，
响应于所述冷却剂温度调节所述空气-燃料比，和
如果所述冷却剂温度超过所述冷却剂温度的上阈值则降低所述空气-燃料比。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述液体冷却的发动机包括热交换器，并且其中，
所述冷却剂温度是在所述汽缸盖下游并且在所述热交换器上游的冷却剂的温度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中当发生至少一种下述情况时降低所述空气-燃料比：
所述增压空气温度超过上阈值温度第一阈值时间段；和
所述冷却剂温度超过上阈值温度第二阈值时间段。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述增压空气温度和所述冷却剂温度中的至少一个通过计算确定。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述增压空气温度和所述冷却剂温度中的至少一个通过传感器确定。
13.根据权利要求1所述的方法，其中
所述火花效率是关于在点火正时点的所述发动机的效率与在最佳点火正时点的所述发动机的效率的比，并且其中
当所述火花效率下降为低于阈值时，降低所述空气-燃料比。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机装有发动机控制系统，并且其中所述发动机控制系统储存映射图，以利用所述增压空气温度、冷却剂温度和所述火花效率的至少其中之一作为输入值确定所述空气-燃料比。
15.一种用于发动机的方法，包括：
响应于增压空气过热和发动机冷却剂过热，降低空气-燃料比，其中所述比响应于增压空气过热降低第一量，并且响应于冷却剂过热降低不同的第二量，并且响应于发动机效率降低所述空气-燃料比第三量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中响应于火花效率低于阈值而降低所述空气-燃料比。
17.根据权利要求16所述的方法，其中空气-燃料比的降低量基于下述至少其中之一：
增压空气过热的程度、发动机冷却剂过热的程度、和所述火花效率。
18.根据权利要求15所述的方法，其中在第一工况期间所述第一量大于所述第二量，并且其中在第二工况期间所述第一量小于所述第二量。
19.一种用于发动机的方法，包括：
响应于增压空气过热、发动机冷却剂过热和发动机火花相关的效率降低空气-燃料比，其中所述空气-燃料比响应于增压空气过热降低第一量，响应于冷却剂过热降低不同的第二量，响应于在相对于最佳点火正时的瞬时点火正时的发动机效率降低不同的第三量。
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