CN105612327A

CN105612327A - 在具有直流扫气的对置活塞发动机中进行空气处理控制的系统和方法

Info

Publication number: CN105612327A
Application number: CN201480046621.1A
Authority: CN
Inventors: N·纳迦
Original assignee: Achates Power Inc
Current assignee: Achates Power Inc
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-08-14
Also published as: EP3486448A1; JP6506284B2; WO2015026628A1; EP3019720A1; CN105612327B; JP2016531236A

Abstract

在直流扫气二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统中，通过确定提供控制发动机的空气处理系统部件操作的空气处理设定值，实现可重复的捕获的质量和成分。在一些方面，通过有效地控制进气歧管压力(IMP)、EGR流和排气通道背压，这些设定值支配空气处理系统的操作。

Description

在具有直流扫气的对置活塞发动机中进行空气处理控制的系统和方法

优选权

本国际申请要求于2013年8月23日提交的美国专利申请13/974,935的优先权。

相关申请

本申请包含的主题涉及以下共同受让专利的主题：2011年5月16日提交的于2011年12月1日公开为US2011/0289916的美国申请13/068,679；2013年2月19日提交的PCT申请US2013/026737；2013年3月1日提交的美国申请13/782,802；2013年5月10日提交的美国申请13/891,622；以及2013年6月25日提交的美国申请13/926,360。

技术领域

本领域为二冲程循环内燃发动机。具体地，本领域涉及具有空气处理系统的直流扫气对置活塞发动机，该空气处理系统提供加压的增压空气用于燃烧并且处理燃烧产物。在一些方面，此类空气处理系统使排气再循环并且使排气与加压的增压空气混合，以便降低燃烧温度。

背景技术

二冲程循环发动机为使用曲轴的单次完整旋转和连接到曲轴的活塞的两个冲程完成动力循环的内燃发动机。二冲程循环发动机的一个示例为具有一个或更多个气缸的对置活塞发动机，其中两个活塞相对设置在每个气缸的孔内，用于在相反方向上进行往复运动。每个气缸具有纵向隔开的进气端口和排气端口，进入端口和排气端口位于气缸的相应端部附近。气缸中的对置活塞中的每个控制端口中的一个，从而当活塞移动到下止点(BC)位置时打开端口，而当活塞从BC朝向上止点(TC)位置移动时闭合端口。端口中的一个提供用于使燃烧产物自孔离开的通路，另一个端口用于准许增压空气进入孔；这些分别被叫做“排气”端口和“进气”端口。在直流扫气对置活塞发动机中，增压空气通过其进气端口进入气缸，而排气自其排气端口流出，因此，气体在单方向(“直流”)上从进气端口到排气端口流过气缸。气体的流动被称为“气体交换”过程。气体交换过程在进气端口和排气端口打开时的循环的一部分期间发生。对于发动机的每个气缸，气体交换在循环的第一次端口打开时开始，而在循环的最后一次端口闭合时停止。

在图1中，直流扫气二冲程循环内燃发动机被具体化为具有至少一个带端口的气缸50的对置活塞发动机49。例如，发动机可具有一个带端口的气缸、两个带端口的气缸、三个带端口的气缸、或者四个或更多个带端口的气缸。每个带端口的气缸50具有孔52以及在气缸壁中、汽缸的相应端部附近形成或经机加工的纵向隔开的排气端口54和进气端口56。排气端口54和进气端口56中的每个包括开口的一个或更多个圆周阵列，其中相邻的开口通过固体桥接件而分开。在一些描述中，每个开口被称为“端口”；然而，此类“端口”的圆周阵列的结构与图1所示的端口结构并无不同。在所示示例中，发动机49进一步包括两个曲轴71和72。排气活塞60和进气活塞62可滑动地设置在孔52中，其中它们的端面61和端面63彼此相对。排气活塞60联接到曲轴71，而进气活塞联接到曲轴72。

当活塞60和活塞62靠近TC时，燃烧室被限定在活塞的端面61和端面63之间的孔52中。燃料通过至少一个燃料喷射器喷嘴100被直接喷射到燃烧室中，该燃料喷射器喷嘴100被定位在通过气缸50的侧壁的开口中。燃料与准许通过进气端口56进入孔中的增压空气混合。当空气燃料混合物在端面之间被压缩时，其达到引起燃烧的温度。

进一步参考图1，发动机49包括空气处理系统51，该空气处理系统51管理提供给发动机49的增压空气的传送和由发动机49产生的排气的传送。代表性的空气处理系统结构包括增压空气子系统和排气子系统。在空气处理系统51中，增压空气子系统包括增压源、增压空气通道和在增压空气通道中的至少一个空气冷却器，该增压源接收新鲜空气并且将其处理成增压空气，该增压空气通道联接到增压空气源，增压空气通过增压空气通道被传送到发动机的至少一个进气端口，该至少一个空气冷却器经联接以在增压空气(或包括增压空气的气体的混合物)输送到发动机的一个或更多个进气端口之前接收并且冷却增压空气。这种冷却器能够包括空气对液体装置或空气对空气装置，或另外的冷却装置。排气子系统包括排气通道，该排气通道输送来自发动机的排气端口的排气产物用于输送到其他排气部件。

进一步参考图1，空气处理系统51包括涡轮增压器120，该涡轮增压器120具有在共同的轴123上旋转的涡轮机121和压缩机122。涡轮机121联接到排气子系统，而压缩机122联接到增压空气子系统。涡轮增压器120从排气中提取能量，排气离开排气端口54并且直接从排气端口54或从排气歧管125流入排气通道124，该排气歧管125收集通过排气端口54输出的排气。就这一点而言，穿过涡轮机121的排气使涡轮机121旋转。这使压缩机122旋转，从而引起压缩机122通过压缩新鲜空气而生成增压空气。增压空气子系统包括机械增压器110。通过压缩机122输出的增压空气流过增压空气通道126到冷却器127，由此增压空气通过机械增压器110被泵送到进气端口。由机械增压器110压缩的增压空气能够通过冷却器129输出到进气歧管130。就这一点而言，每个进气端口56接收来自进气歧管130的加压的增压空气。优选地，在多缸对置活塞发动机中，进气歧管130由进气增压室构成，该进气增压室与所有气缸50的进气端口56连通。

在一些方面，图1所示的空气处理系统能够被构造成通过使穿过发动机的带端口的气缸的排气再循环而减少由燃烧生成的NOx排放。再循环的排气与增压空气混合以降低峰值燃烧温度，这减少了NOx的产生。该过程被称为排气再循环(“EGR”)。所示的EGR结构获得在清扫期间从端口54流出的排气的一部分，并且经由气缸外部的EGR回路将它们输送到增压空气子系统中的新鲜进气空气的输入流。优选地，EGR回路包括EGR通道131。在阀门138(该阀门也叫做“EGR阀”)的控制下，再循环的排气流过EGR通道131。

在许多二冲程发动机中，基于涉及输送到发动机的增压空气量的各种测量来监测并且优化燃烧和EGR操作。例如，输送到气缸的增压空气的质量与气缸中的化学计量燃烧所需的增压空气的参考质量的比率(“λ”)用于在发动机工况的整个范围内控制NOX排放。然而，在具有直流扫气的二冲程对置活塞发动机中，端口打开时间重叠每个循环的一部分，并且通过气缸的进气端口输送到气缸的增压空气中的一些在排气端口闭合之前流出气缸。在清扫期间流出排气端口的增压空气不可用于燃烧。因此，基于输送到具有直流扫气的对置活塞发动机中的气缸进气端口的增压空气的λ值(“输送λ”)夸大了实际可用于燃烧的增压空气的量。

根据相关申请13/926,360，在具有直流扫气的二冲程对置活塞发动机中，捕获的λ(λ_tr)基于通过最后要闭合的端口捕获在气缸中的增压空气进行估计或计算。就这一点而言，最后要闭合的端口能够为进气端口或排气端口。相关地，通过最后要闭合的端口(在下文中被称为“最后闭合的端口”，或“LPC”)捕获在气缸中的增压空气的质量与气缸中的化学计量燃烧所需的增压空气的参考质量的比率被称为“捕获的λ”。由于被捕获的增压空气可用于燃烧，所以捕获的λ模式提供了比输送的λ模式更准确的发动机燃烧和排放可能性的表示。

其他空气处理参数用于控制二冲程发动机中的燃烧和EGR操作的各个方面，并且这些参数的值的确定基于包括λ的估计和计算。例如，已燃气体分数(已燃气体与缸内质量的比率)对燃烧过程具有显著影响并且因此对二冲程发动机的排放具有显著影响。相关申请13/926,360公开了一种用于基于捕获的λ确定捕获的已燃气体分数(BF_tr)的方法。捕获的已燃气体分数用于使用EGR阀改变EGR流率，以最小化实际的捕获的已燃气体分数与期望的捕获的已燃气体分数之间的误差。

在具有直流扫气的二冲程对置活塞发动机的操作期间，发动机性能和排放依赖于捕获的缸内充气成分。相关申请13/926,360描述了用于确定捕获的条件的详细模式，该捕获的条件包括捕获的λ、捕获的已燃气体分数和捕获的温度。这些捕获的参数极大地影响发动机的性能和排放，并且因此需要来控制以满足发动机性能和排放目标。

因此，需要通过在发动机工况的整个范围内控制捕获的缸内充气成分来改善在直流扫气对置活塞发动机中的空气处理控制的性能。

发明内容

为实现具有直流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的可靠燃烧和排放性能，期望的是：对于任何发动机操作状态，在气体交换过程结束时均具有可重复的捕获质量和成分。就这一点而言，对于当前的发动机操作状态，捕获的条件的控制基于支配发动机的空气处理系统的期望操作设定值-预设值或预定值。例如，期望的捕获的条件(诸如捕获的λ和捕获的已燃气体分数)通过控制空气处理系统部件操作的期望空气处理设定值建立。换言之，在当前的发动机操作状态期间，捕获的条件不应从一个循环到下一个循环发生变化。然后，当发动机操作状态改变时，设定值必须改变以便实现期望的捕获的条件，用于另一个操作状态。更进一步地，考虑到发动机操作的复杂动态特性，通常的情况是，改变的发动机条件(周围因素、新零件、调整、磨损等)阻止通过使用期望设定值来实现期望的捕获的条件。因此，可期望的是：响应于周围发动机条件调节或校正当前的期望设定值，以便实现期望的捕获的条件。

通过有效控制进气歧管压力(IMP)、通过EGR回路的排气的流动(EGR流)，以及进入增压空气子系统的新鲜空气流的速率(新鲜空气流)，这些目标在具有直流扫气的二冲程循环对置活塞发动机中得以实现。

在一些方面，进气歧管压力通过调节机械增压器输出来控制，EGR流通过调节EGR流控制机构来控制，而进入增压空气子系统的新鲜空气流的速率通过调节排气子系统中的压力来控制。

在一些方面，机械增压器输出通过调节机械增压器控制机构来控制。在一些其他方面，排气子系统中的压力通过调节一个或更多个排气子系统背压控制机构来控制。

附图说明

图1为装备有带EGR的空气处理系统的对置活塞发动机的图表并且适当地标记“现有技术”。

图2为说明用于在对置活塞发动机中调整空气处理系统的控制机理的示意图。

图3为示出用于在发动机操作期间确定空气处理控制参数的数值的控制流程图。

图4A和图4B组成控制流程图，其示出用于评估和调节空气处理控制参数的数值的过程。

图5为示出实施图4A和图4B的评估和调节过程的控制机理的示意图。

具体实施方式

期望控制通过具有直流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的增压空气通道的增压空气的流动，以便响应于发动机操作状态的变化来维持燃烧和排放的优化控制。使用图1的发动机为基础，基于用于控制根据本说明书的空气处理系统的修改和添加，图2示出用于这种对置活塞发动机的控制机理。

用于具有直流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的具体EGR回路结构的示例为图2所示的高压配置(其并非旨在为限制性的)。就这一点而言，高压EGR回路使从输入端上游的源头获得的排气循环到涡轮机121到压缩机122输出端下游的混合点。在该EGR回路中，EGR通道131和EGR阀138使来自排气通道124的排气的一部分分流到增压空气通道126中，这部分排气在增压空气通道126中与压缩机122输出的压缩新鲜空气混合。阀门138的操作响应于EGR控制信号由致动器141控制。如果不需要排气/空气混合，则阀门138完全关闭并且无排气组分的增压空气被输送到气缸。当阀门138逐渐打开时，不断增加的排气量混合到增压空气中。相反地，从打开状态中，当阀门138逐渐闭合时，不断减少的排气量混合到增压空气中。该回路使再循环的排气经受两个冷却器127和129的冷却效果。如果应受到较少冷却，则排气部分能够围绕冷却器127被分流到机械增压器110的输入端；这种替代形式使排气部分仅经受增压空气冷却器129的冷却。仅冷却排气的专用EGR冷却器能够与阀门138串联，或者与阀门138的输出端口和机械增压器110的输入端串联而被并入EGR通道131中。

附加空气处理控制元件包括与涡轮机121输出的排气串联放置的可变阀门144。阀门144的设定直接影响阀门上游的包括增压空气通道中感觉到的背压；为此，阀门144还可被称为“背压阀”。在图2中，阀门144与涡轮机121的输出端串联放置在排气出口128中。阀门144的操作响应于背压控制信号由致动器145控制。包括阀门146的旁通管道回路148与涡轮机121并联放置。阀门146(也被称为“废气门阀”)可操作用来控制从发动机流入涡轮机121的排气的量。设置阀门146以绕过涡轮机121允许排气能量转入排气出口128中而不操作涡轮机121和压缩机122。阀门146的操作响应于涡轮机旁路控制信号由致动器147控制。

进一步参考图2，涡轮机121可包括可变几何形状涡轮机(VGT)以控制排气通道124中的压力。使用可变几何形状涡轮机代替固定几何形状涡轮机不一定消除对阀门146的需要。可变几何形状涡轮机可具有其在其中以可接受的效率工作的有限质量流量范围。在该范围以外，阀门146能够用于控制质量流量和发动机49的进气压力。

根据图2，在大多数方面，机械增压器110通过驱动机构111联接到曲轴从而被驱动。驱动机构111能够包括有级变速器装置或无级变速器(CVT)装置，在这些情况下，增压空气流能够通过响应于提供给驱动机构的速度控制信号使增压器110的速度变化而变化。可替代地，驱动机构111能够为固定式齿轮装置，在这种情况下，机械增压器110以固定速度被连续驱动。在此情况下，增压空气流能够借助于分流通道112而变化，该分流通道112将机械增压器110的输出端连接到其输入端。在分流通道112中提供阀门139允许通过调控机械增压器出口下游的增压空气压力而使增压空气流发生变化。在一些方面，阀门139响应于分流控制信号由致动器140操作。

如图2可见，操作具有直流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统的控制机理包括ECU149。优选地，ECU149被构造成响应于具体的发动机工况通过自动操作阀门138、阀门139、阀门144和阀门146(以及，可能的其他阀门)、机械增压器110(如果使用多速度或可变速度装置)和涡轮增压器(如果使用可变几何形状装置)来控制增压空气流和与加压的增压空气混合的排气的量。当然，阀门和用于EGR的相关元件的操作能够包括电气致动操作、气动致动操作、机械致动操作和液压致动操作中的任何一种或更多种。对于快速精确的自动操作，优选的是，阀门为具有连续可变设置的高速计算机控制的装置。每个阀门具有在其中阀门打开(到由ECU149控制的一些设置)以允许气体流过该阀门的状态和在其中阀门闭合以阻挡气体流过该阀门的状态。

用于操作具有直流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统以便实现期望的捕获的条件的系统和方法确定各种参数的量值和值，并且使用这些量值和值控制在发动机气缸外部的空气处理条件。参见例如在相关申请13/926,360中讨论并解释的参数。根据本说明书的空气处理系统的捕获的条件控制的描述参考以下空气处理参数并且指的是根据图2的空气处理控制机理的各种要素。以下解释中的所有空气处理参数均具有国际标准单位，除非另外说明。

空气处理参数

M_tr＝以kg为单位的在LPC捕获的质量

λ_tr＝捕获的λ

BF_tr＝捕获的已燃气体分数

T_tr＝捕获的温度

T_im＝进气歧管温度

W_air＝以kg/s为单位的新鲜空气的质量流率

W_egr＝以kg/s为单位的EGR气体的质量流率

W_f＝以kg/s为单位的燃料的质量流率

P_im＝进气歧管压力

用于对捕获的λ进行建模的可用方法在相关申请13/926,360中通过下式给出：

λ_{t r} = (\frac{N}{W_{f}} \frac{M_{O_{2_t r}} R P M}{60}) / {(\frac{O_{2}}{F})}_{s}

公式1

已燃气体为由于燃料的化学计量燃烧而产生的气体成分。这种气体成分不具有任何氧分子；通常其包括CO2、H2O、N2和存在于空气中的其他惰性气体。

已燃气体分数为已燃气体与参考质量的比率。为1的已燃气体分数指示化学计量燃烧，暗含在空气中所有的氧已经用完以将燃料(C_xH_y)转化成CO₂和H₂O。在另一方面，＜1的已燃气体分数指示非化学计量燃烧，暗含除已燃气体以外存在一些氧。

捕获的已燃气体分数为在气体交换过程结束时捕获在气缸中的已燃气体与捕获的质量的比率。

在气体交换过程结束时(用LPC表示)，捕获的质量等于捕获的空气和捕获的已燃气体。因此，捕获的已燃气体分数能够被建模如下：

{BF}_{t r} = (M_{t r} - \frac{W_{f}}{N} \frac{λ_{t r} . {AFR}_{s} \cdot 60}{R P M}) / M_{t r}

公式2

对捕获的已燃气体分数进行建模的另一种方法由相关申请13/926,360中的公式35给出。

空气处理控制：

期望控制在具有直流扫气的二冲程循环对置活塞发动机中的捕获的条件，以便满足性能和排放目标。基本上，缸内的捕获的条件参数能够通过以下控制公式涉及外部发动机参数：

M_tr＝f(P_im，W_air，W_egr，T_im)

λ_tr＝f(P_im，W_air，W_egr，W_f，T_im)

BF_tr＝f(M_tr，λ_tr，W_f)

T_tr＝f(M_tr，P_im)

为了达到给定速度下的期望载荷，燃料流量为基于发动机/交通工具测力计测试的已知值。进气歧管温度为主要通过热交换器尺寸确定的缓慢移动的参数，但并不显著移动。因此，对于给定的燃料数量和进气歧管温度，控制公式能够被进一步简化如下：

[λ_tr，BF_tr，T_tr]＝f(P_im，W_egr，W_air)

对于给定的载荷和速度，P_im(IMP)、W_egr(EGR流)和W_air(新鲜空气流)的期望值在发动机/交通工具测力计上确定，以为该特定的载荷速度点提供校正的捕获的条件。然后，IMP、EGR流和新鲜空气流的值被存储在ECU149中的查找表(LUT)中或使用ECU149存储在查找表中，查找表按照发动机载荷和速度进行索引并且根据在相关申请13/926,360中描述的算法来控制。

进气歧管温度和输送的燃料数量的变化从IMP、EGR流和新鲜空气流的基值对它们的设定值进行补偿。这些变化可由于诸如部件老化、周围条件改变和DPF加载的因素或其他原因而出现。控制策略总是试图维持期望的IMP、EGR流和新鲜空气流，以便得到可重复的发动机性能和排放。

实现期望的捕获的条件(诸如捕获的λ和捕获的已燃气体分数，或者其他捕获的条件)的空气处理控制能够使用基于图2所示的空气处理控制机理实施，其中ECU149能够经编程以通过图3至图5的图表所示的方法控制空气处理系统的操作和条件。就这一点而言，图3示出用于基于在LPC处的发动机气缸中的捕获的条件确定空气处理控制参数数值的回路。在图4中，说明了用于评估和调节空气处理控制参数数值的过程。图5示意性说明了实施图4的评估和调节过程的优选控制机理。

参考图2和图3，回路300在302处读取可用的发动机传感器200，以便能够执行计算，做出估计并且确定气流、EGR流和进气歧管压力(IMP)的当前设定值。例如，参考图2，ECU可读取以下传感器：

新鲜空气质量流量

增压空气冷却器(CAC)输出温度

CAC输出压力

进气O₂

进气歧管温度

进气歧管压力

燃料轨压力

排气歧管压力

排气温度

涡轮出口压力

涡轮出口温度

以RPM为单位的发动机速度

表示发动机载荷需求的转矩参数由估计器202使用例如基于飞轮运动的数值技术来确定，或者从感测到的发动机条件(诸如油加速器踏板位置和燃料需求)进行外推来确定。使用这些，以及可能的其他感测值和估计值，ECU149在304处确定依据发动机载荷和RPM的当前发动机操作状态。基于当前的发动机操作状态和燃料需求的当前值(306)，ECU149在步骤308处从查找表中确定进气歧管压力、通过EGR回路的EGR流和进入增压空气子系统的新鲜空气流的速率的设定值，查找表按照发动机载荷需求(LOAD)和发动机RPM进行索引。这些LUT基于发动机测力计测试预先填写并且存储在ECU149中或使用ECU149进行存储。然后，ECU149基于诸如在相关申请13/926,360中公开的物理传感器和/或基于模型的估计来确定实际进气歧管压力、通过EGR回路的EGR流的实际速率、以及进入增压空气子系统的新鲜空气流的实际速率。

图4A和图4B一起说明了由ECU149执行的程序，多个外部空气处理条件的控制通过该程序实现期望的缸内捕获的条件。就这一点而言，“外部空气处理条件”意为空气处理条件在发动机的任何期望的外部发生和/或从发动机的任何期望的外部可访问。相关地，外部空气处理条件包括但不限于IMP、EGR流和新鲜空气流。

参考图2，IMP的调节通过控制机械增压器110的速度和控制阀门139的位置中的一个来执行。如果机械增压器110由可变驱动机构111驱动，则ECU149通过提供速度控制信号使传动比发生变化。如果机械增压器110由固定式驱动机构驱动，则ECU149提供分流控制信号以改变阀门139的位置。参考图2和图4A，IMP的控制通过空气处理控制程序400实施，其中所述程序在402处访问映射图，以确定期望的IMP设定值、EGR设定值和气流设定值，从而实现当前发动机操作状态的期望的捕获的条件。在步骤404至步骤409，通过将期望的IMP设定值与实际IMP数值进行比较，所述程序评估期望的IMP设定值，实际IMP数值从传感器读数、估计和/或计算中获得。优选地，该比较过程包括从实际值中减去期望设定值。如果实际IMP大于期望设定值，则在405处通过使机械增压器110放慢或打开阀门139来减小IMP，直到差值的绝对值达到阈值。在另一方面，如果期望设定值大于实际IMP，则在408处通过增大机械增压器110的速度或闭合阀门139来增加IMP，直到差值的绝对值达到阈值。

图5示出能够使用其控制IMP的示例性控制机理。该控制机理包括IMP控制器500，IMP控制器500通过经由驱动机构111控制机械增压器110的速度，或者通过控制阀门139的位置或设置来调节实际IMP。IMP控制器500包括前馈控制器502和反馈控制器504。前馈控制器502基于按照发动机载荷和速度进行索引的映射图输出机械增压器致动器(或阀门)设定值θ。该映射图使用基于发动机测力计测试的经验数据预先填写，并且被存储在ECU149中或使用ECU149进行存储。反馈控制器504接收当前发动机操作状态的期望IMP设定值(P_{im_sp})与实际IMP506之间的误差并且将该误差转化成IMP所需的变化(Δθ)以使误差最小化，其中误差通过加法器507计算。反馈控制器504能够使用PID控制器、增益调度PID控制器或另外的非线性控制器(诸如滑动模态控制器)实施。在508处，来自反馈控制器504的输出添加(根据符号，或者减去)到前馈控制器502的输出。然后，最终的致动器命令通过ECU149发送到致动器控制器509。根据机械增压器驱动111的结构，机械增压器输出命令作为速度控制信号提供给驱动111，或者作为分流控制信号提供给阀门致动器140。

除了所述程序使用EGR阀138使EGR流率发生变化以使实际EGR流与期望EGR设定值之间的误差最小化以外，EGR的控制以与IMP相同的方式完成。因此，根据图4B，在步骤414至步骤419中，程序400通过将实际EGR流数值与期望EGR流设定值进行比较来估计实际EGR流的数值。优选地，比较过程包括从实际EGR值中减去期望设定值。如果这种差值的绝对值大于阈值，则程序400调节EGR流率以将该差值放置在可接受的界限内。参考图2，该结果能够通过经由致动器141控制EGR阀138的设置而实现。

图5示出能够使用其控制EGR流的示例性控制机理。这种控制机理包括EGR控制器520，EGR控制器520通过控制阀门138的位置或设置调节实际EGR流。EGR控制器520包括前馈控制器522和反馈控制器524。前馈控制器522基于按照发动机载荷和速度进行索引的映射图输出阀门设定值θ。该映射图使用基于发动机测力计测试的经验数据预先填写，并且被存储在ECU149中或使用ECU149进行存储。反馈控制器524接收当前发动机操作状态的期望EGR设定值(EGR_sp)与实际EGR流率526之间的误差(e_EGR)，并且将该误差转化成EGR流率所需的变化(Δθ)以使误差最小化，其中误差通过加法器527计算。反馈控制器524能够使用PID控制器、增益调度PID控制器或另外的非线性控制器(诸如滑动模态控制器)实施。在528处，来自反馈控制器524的输出添加(根据符号，或者减去)到前馈控制器522的输出。然后，最终的致动器命令通过ECU149发送到致动器控制器529。EGR输出命令作为控制信号提供给阀门致动器141。

再次参考图2，对于气流控制，策略借助于两个致动器操纵通过排气子系统起作用的背压，其中一个致动器(致动器145)用于背压阀144(或如果使用VGT装置则用于涡轮机齿条位置)，并且一个致动器(致动器147)用于废气门阀146。如果涡轮机121并非可变几何形状装置，则ECU149通过提供背压控制信号使背压发生变化。如果涡轮机121为VGT装置，则ECU149提供背压控制信号以改变涡轮机121的几何形状。参考图2和图4B，除了程序400使用背压阀144(或VGT涡轮机)使气流率发生变化以使实际气流设定值与期望气流设定值之间的误差最小化以外，新鲜空气流的控制以与IMP和EGR流相同的方式完成。因此，按照图4B，在步骤424至步骤429中，程序400通过将实际气流数值与期望气流设定值进行比较来估计实际气流的数值。优选地，比较过程包括从实际气流值中减去期望设定值。如果这种差值的绝对值大于阈值，则程序400调节气流率以将该差值放置在可接受的界限内。如果背压阀144完全打开但实际气流仍小于期望气流，则程序400过渡到步骤428至步骤432，以便打开废气门阀146，从而满足期望的气流设定值。

图5示出能够使用其控制新鲜空气流的示例性控制机理。这种控制机理包括新鲜空气流控制器540，新鲜空气流控制器540通过控制背压阀144(或如果使用VGT装置，则为涡轮机的几何形状)的位置或设置调节实际气流。控制器540包括前馈控制器542和反馈控制器544。前馈控制器542基于按照发动机载荷和速度进行索引的映射图输出背压阀(或VGT)设定值θ。该映射图使用基于发动机测力计测试的经验数据预先填写，并且被存储在ECU149中或使用ECU149进行存储。反馈控制器544接收当前发动机操作状态的期望新鲜空气流设定值(W_{air_sp})与实际新鲜空气流546之间的误差并且将该误差转化成新鲜空气流所需的变化(Δθ)以使误差最小化，其中误差通过加法器547计算。反馈控制器544能够使用PID控制器、增益调度PID控制器或另外的非线性控制器(诸如滑动模态控制器)实施。在548处，来自反馈控制器544的输出添加(根据符号，或者减去)到前馈控制器542的输出。然后，最终的致动器命令通过ECU149发送到致动器控制器549。根据涡轮机121的结构，背压输出命令作为背压控制信号提供给背压阀致动器145(或者如果使用VGT装置则提供给涡轮机121)。在一些方面，如果背压阀144(或VGT装置)完全打开，但实际新鲜空气流仍小于期望气流，则图4B的步骤428至步骤432使程序400过渡到打开废气门阀146的废气门反馈控制器(未在图5中示出)，以便满足期望新鲜空气流设定值。在这种情况下，用于废气门阀控制的反馈控制器仅在即使使用完全打开的背压阀144仍未能满足期望的新鲜空气流设定值时才有效。

参考图5，在一些情况下，能够对在505、525和545处确定的期望设定值中的一个或更多个进行校正，以考虑可阻止通过使用期望设定值实现期望的捕获的条件的周围条件的影响。例如，进气歧管温度和输送燃料数量的变化可从期望控制设定值的基值对它们进行补偿。这些变化在510、530和550处确定，并且相应的期望设定值在511、531和551处进行调节。捕获的温度的期望设定值校正的示例在题为“用于具有直流扫气的对置活塞发动机的捕获的已燃气体分数控制(TrappedBurnedGasFractionControlForOpposed-PistonEnginesWithUniflowScavenging)”的共同未决的US13/-___，___中给出，其与此同时提交。

当发动机从一种操作状态(发动机载荷和速度)过渡到另一种操作状态(发动机载荷和速度)时，以上描述的回路300和程序400连续重复执行。当发动机以任何特定的操作状态操作时，ECU149周期性地计算并且发送用于IMP控制、EGR流控制和新鲜空气流控制的致动器命令。进一步地，计算能够以任何顺序发生。

尽管本文所示和所述的空气处理控制实施例和示例将基于歧管125和歧管130中条件的实际参数值归于发动机的气缸，但对本领域的技术人员显而易见的是，所涉及的原理能够应用到各个气缸本身，假定成本和空间允许相关传感器在成批生产的发动机的气缸中的一个或更多个上进行放置和操作。进一步地，期望参数值通过经验方法获得，经验方法将这些值映射或同步到在例如测力计中运行的直流扫气二冲程循环对置活塞发动机的气缸的端口闭合时间。

尽管本文所示和所述的空气处理控制实施例和示例已经关于具有两个曲轴的对置式发动机进行了描述，但应该理解的是，这些结构能够应用到具有一个或更多个曲轴的对置活塞发动机。此外，这些结构的不同方面能够应用到具有带端口的气缸的对置活塞发动机，带端口的气缸相对设置，和/或设置在一个或更多个曲轴的任一侧上。

尽管本文所示和所述的空气处理控制实施例和示例利用机械增压器110的输出控制IMP，并且利用排气通道124中的背压控制新鲜空气流，但应该理解的是，这些功能能够交换。换言之，机械增压器110的输出能够用于控制新鲜空气流，而排气通道124中的背压能够被用于控制IMP。

因此，根据上述结构的专利保护仅受随附权利要求限制。

Claims

1.一种直流扫气对置活塞发动机，其包括：

至少一个气缸，其具有孔和轴向隔开的排气端口与进气端口，以及一对活塞，所述一对活塞相对设置在所述孔中并且操作用来在所述发动机的操作期间打开和闭合所述排气端口和所述进气端口；

增压空气通道，其提供增压空气到至少一个进气端口；

排气通道，其从至少一个排气端口接收排气；

机械增压器，其可操作以在所述增压空气通道中泵送增压空气；

排气再循环通道，即EGR通道，其具有联接到所述排气通道的输入端和联接到所述增压空气通道的输出端；以及

控制机理，其可操作以：

针对所述至少一个气缸中的捕获的条件，确定多个空气处理设定值；

确定所述空气处理系统的多个外部工况；以及

基于所述外部空气处理条件，调节所述多个空气处理设定值。

2.根据权利要求1所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理可操作以调节所述增压空气通道中的进气压力的第一设定值、所述EGR通道中的EGR流的第二设定值，以及进入所述增压空气通道中的新鲜空气流的第三设定值。

3.根据权利要求1所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理进一步可操作以响应于改变的发动机工况校正所述空气处理设定值。

4.根据权利要求1所述的对置活塞发动机，其中所述多个捕获的条件包括捕获的λ、捕获的已燃气体分数和捕获的温度。

5.根据权利要求4所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理可操作以调节所述增压空气通道中的进气压力的第一设定值、所述EGR通道中的EGR流的第二设定值，以及进入所述增压空气通道中的新鲜空气流的第三设定值。

6.根据权利要求5所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理可操作以：

通过改变所述机械增压器的速度以及操作第一阀门使增压空气流从所述机械增压器的输出端分流到所述机械增压器的输入端中的一者，调节所述增压空气通道中的进气压力；

通过操作第二阀门增加或减少通过所述EGR通道的排气流，调节所述EGR回路中的EGR流；以及

通过调节所述排气通道中的背压，调节进入所述增压空气通道中的新鲜空气流。

7.根据权利要求6所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理可操作以通过操作所述排气通道中的第三阀门或改变所述排气通道中的涡轮机几何形状中的一者，调节所述排气通道中的背压。

8.根据权利要求4所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理进一步可操作以响应于改变的发动机工况校正所述第一设定值、所述第二设定值和所述第三设定值。

9.根据权利要求8所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理可操作以：

10.根据权利要求9所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理可操作以通过操作所述排气通道中的第三阀门或改变所述排气通道中的涡轮机几何形状中的一者，调节所述排气通道中的背压。

11.一种对置活塞发动机，其包括：

至少一个气缸，其具有孔和轴向隔开的排气端口与进气端口，以及一对活塞，所述一对活塞相对设置在所述孔中并且操作以在所述发动机的操作期间打开和闭合所述排气端口和所述进气端口；

增压空气通道，其提供增压空气到进气端口；

排气通道，其从排气端口接收排气；

控制机理，其可操作以：

确定所述空气处理系统的多个外部工况；

响应于所述外部空气处理条件，改变所述设定值；以及

基于所述改变的设定值，调节所述增压空气通道中的进气歧管压力、所述EGR通道中的EGR流以及所述排气通道中的背压。

12.根据权利要求11所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理可操作以确定所述进气歧管压力的第一设定值、所述EGR流的第二设定值，以及所述背压的第三设定值。

13.根据权利要求12所述的对置活塞发动机，其中所述捕获的条件包括捕获的λ、捕获的已燃气体分数和捕获的温度。

14.根据权利要求12所述的对置活塞发动机，其中所述控制机理进一步可操作以响应于所述改变的发动机工况校正所述设定值。

15.一种操作根据权利要求1-10中的任一项所述的具有空气处理系统的对置活塞发动机的方法，其包括：

在所述发动机的至少一个带端口的气缸中生成排气；

通过排气通道传送来自所述带端口气缸的排气端口的排气；

通过EGR通道使来自所述排气通道的所述排气的一部分再循环；

加压新鲜空气；

使来自所述EGR通道的再循环排气与所述加压的新鲜空气混合以形成增压空气；

使用机械增压器加压所述增压空气；

将所述加压的增压空气提供到所述带端口的气缸的进气端口；

确定所述空气处理系统的多个外部工况；以及

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个捕获的条件包括捕获的λ、捕获的已燃气体分数和捕获的温度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中调节所述多个设定值包括：调节所述增压空气通道中的进气压力的第一设定值，调节所述EGR通道中的EGR流的第二设定值，以及调节进入所述增压空气通道中的新鲜空气流的第三设定值。

18.根据权利要求16所述的方法，其中：

调节所述增压空气通道中的进气压力包括：改变所述机械增压器的速度以及操作第一阀门使增压空气流从所述机械增压器的输出端分流到所述机械增压器的输入端中的一者；

调节所述EGR回路中的EGR流包括：操作第二阀门增加或减少通过所述EGR通道的排气流；以及

调节进入所述增压空气通道的新鲜空气流包括：调节所述排气通道中的背压。

19.一种操作根据权利要求1-10中的任一项所述的装备有一个或更多个带端口的气缸和机械增压器的对置活塞发动机的方法，其包括：

在所述发动机的至少一个带端口的气缸中生成排气；

通过排气通道传送来自所述带端口的气缸的排气端口的排气；

加压增压空气通道中的新鲜空气；

使来自所述EGR通道的再循环的排气与所述加压的新鲜空气混合以形成增压空气；

使用机械增压器加压所述增压空气；

确定多个外部空气处理条件；

响应于所述外部空气处理条件，改变所述设定值；以及

基于所述改变的设定值，调节所述增压空气通道中的进气歧管压力、所述EGR通道中的EGR流，以及所述排气通道中的背压。

20.根据权利要求19所述的方法，其中确定多个空气处理设定值包括：确定所述进气歧管压力的第一设定值，确定所述EGR流的第二设定值，以及确定所述背压的第三设定值。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述捕获的条件包括捕获的λ、捕获的已燃气体分数和捕获的温度。

22.根据权利要求19所述的方法，其中确定所述多个空气处理设定值包括：响应于改变的发动机工况，校正所述设定值。