CN105683559B - 用于内燃发动机的扭矩调节 - Google Patents

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Abstract

一种用于根据扭矩需求而连续且快速地调节发动机的输出扭矩的方法和设备使用主动式推杆来改变燃烧室中的即时空气充量。本发明使得能够在发动机的整个操作图中进行充分有效的燃烧。公开了改变空气充量的各种方法。

Description

用于内燃发动机的扭矩调节
技术领域
本发明涉及响应于扭矩需求而对发动机输出扭矩的调节，特别地，涉及车辆中的发动机扭矩的调节。
背景技术
以往，仅通过控制加速器踏板位置来调节车辆中的发动机输出扭矩，控制加速器踏板位置通常又确定位于进气歧管的入口处的节流阀的位置。发动机对节流阀位置的改变的响应通常由于(在进气阀上游的)进气歧管中的空气量而延迟，从而可能沿期望方向修改输出扭矩之前经过了数个燃烧循环。车辆驾驶员通常不会注意到该延迟，或者通过改变驾驶方式来适应该延迟。
最近，为了发动机在所有的转速和负荷条件下高效地运行，空气管理方面、燃料管理方面以及燃烧定时方面受到发动机的电子控制单元(ECU)的控制，使得可以适应多种操作条件。具体地，必须优先考虑来自其它车辆系统(诸如底盘、传动系统和制动系统)的扭矩改变请求并且按照这些扭矩改变请求行动。认为更加快速地调节发动机输出扭矩的手段是期望的，因此对提出了主动改变点火火花的定时。对点火定时的主动控制允许单独燃烧室中的连续燃烧事件有不同的定时，此外，允许多缸发动机的不同燃烧室有不同的定时；这种控制方法比基于节流阀移动的控制方法明显快很多。
通过主动控制点火定时，可以通过延迟点火火花的定时而快速地影响例如在速比改变期间的扭矩降低需求。输出扭矩减小，但结果是燃烧的效率相对较低。通常，发动机中以及发动机排气系统中会产生额外的废热。不完全燃烧还会导致不期望的废气排放物增加。
例如当发动机空转时期望请求扭矩升高，可以将过量的空气/燃料混合物引入燃烧室中并且用延迟的火花将其点燃，以便产生实现期望的空转速度所需的扭矩输出。通过将一个燃烧事件与下一燃烧事件之间的点火脉冲的定时提前而实现对扭矩升高请求的快速响应。然而，应当理解的是，该技术也依赖于具有上述缺点的不完全燃烧。
同样众所周知的是，改变进气阀和/或排气阀的操作以获得可用于燃烧的空气量的改变，但通常认为依赖于凸轮元件的运动的这种系统很慢，并且约为比通过改变点火火花的定时而提供的量级更慢的量级。
需要一种连续地调节发动机输出扭矩的方法，其能够与改变点火定时一样快地进行响应，但不会出现相关联的不完全燃烧。
发明内容
根据本发明，提供了对内燃发动机的扭矩输出进行连续调节的方法，所述发动机具有燃烧室、所述室的提升式进气阀以及用于激活所述进气阀的主动式推杆，所述方法包括：
a)确定扭矩需求；
b)控制所述主动式推杆将相应的空气充量提供到所述燃烧室中；
c)根据燃烧开始的适当定时，命令在所述燃烧室中进行充分有效的燃烧；以及
d)针对所述燃烧室中的每个连续燃烧事件，重复步骤a)、步骤b)和步骤c)。
本发明的方法将适当的空气量提供到燃烧室中，从而最佳点火定时将针对连续燃烧事件给予足以满足扭矩需求的输出扭矩。
特别地，在有意延迟点火脉冲以满足扭矩降低需求的情况下或者在预期到扭矩升高需求的情况下，可以避免不完全燃烧。
本发明可以应用于多缸发动机，在多缸发动机中，针对每个连续燃烧事件而独立地控制每个燃烧室。
本发明提供了使用主动式推杆来改变允许进入燃烧室中的空气量和/或允许空气进入燃烧室中的定时以及/或者从燃烧室排出燃烧气体的定时，以便在每个燃烧事件时提供所需的空气充量。
主动式推杆独立于凸轮轴或其它阀控制装置而逐个燃烧事件地提供相关联的阀操作的相当即时的改变。这种推杆可以包括液压室，该液压室的容量由电致动阀(诸如放泄阀)响应于来自发动机ECU的命令来控制。
根据下述技术中的一种或多种技术，空气充量可以由主动式推杆来控制：
–改变阀升程以便在激活周期期间增大或减小提升阀的最大开度。如果打开定时和关闭定时未改变，那么增大的升程将使吸入的空气量增加，并且减小的升程将使吸入的空气量减少。
–通过重新设定阀打开的定时、重新设定阀关闭的定时、或者重新设定阀打开的定时和阀关闭的定时来改变阀打开的持续时间。如果阀升程未改变，那么较长的打开持续时间将易于增加吸入的空气量，而较短的打开持续时间将易于减少吸入的空气量。
–通过重新设定进气阀打开的定时以增大或减小与排气阀的操作的重叠(overlap)来改变进气阀与排气阀的重叠。减小的重叠将易于增加可用于燃烧的空气量，而增大的重叠将易于减少可用于燃烧的空气量。
可以通过直接减少新鲜空气充量或者通过控制阀重叠以在燃烧室内保留较大比例的燃烧气体来减少可用于燃烧的空气量；这样的气体是惰性的，并且无法有助于燃烧。
如果也为燃烧室的排气阀设置主动式推杆，那么可以借助于进气阀推杆、排气阀推杆或这两者来改变阀重叠。
本发明允许有效燃烧，同时提供对扭矩需求改变的基本上即时的响应。然而，并不排除改变点火定时。因而，如果净效应是为了实现较好的整体燃烧状况，则可以命令将点火延迟很小的量。小的延迟量(<10°曲柄角)对燃烧效率的影响通常仅仅是微不足道的，因此在适当的情况下可以允许小的延迟量以及改变空气充量。
在本申请的范围内，明确地设想到，可以独立地使用或以任何组合的形式采用在前述段落中、在权利要求中和/或在以下描述和附图中所阐述的各方面、实施例、示例和替选方案，特别地，采用它们的各个特征。结合一个实施例所描述的特征可应用于所有实施例，除非这种特征不相容。
附图说明
根据以下在附图中仅通过示例说明的实施例的描述，本发明的其它特征将显而易见，在附图中：
图1示意性地示出了可应用本发明的发动机的进气口布置。
图2以曲线图示出了点火定时与燃烧效率之间的关系。
具体实施方式
参照附图，内燃发动机10具有气缸11，活塞12在气缸11内往复运动。燃烧室13被限定在活塞上方，并且容纳有提升阀14，提升阀14打开以允许空气从进气口15进入。进气口从进气歧管16进行供给，在进气歧管16的嘴部处设置有节流阀17。
提升阀14通过弹簧(未示出)而被关闭，并且通过可旋转凸轮18的作用而被打开，该可旋转凸轮18通常由凸轮轴的凸出部(lobe)来提供。凸轮18与阀14之间设置有推杆19。
图1的总体布置非常常见，并且为了便于进行说明，没有示出某些其它部件，诸如相应的提升式排气阀。通常，推杆19是实心的，并且推杆19的特征可以是被动式的。
然而，图1的推杆是主动式的，并且其特征在于液压室20，该液压室20的容量是根据允许流体如箭头22所示的那样流出的放泄阀21的打开和关闭来确定的。室20在压力作用下接收持续不断的油供给，并且通过随着时间而改变放泄阀的开度，可以改变该室中的即时油量以影响进气阀的操作的升程、持续时间和定时。应当理解的是，主动式推杆可以增强、抵抗或抵消凸轮18的影响。除了应当允许基于事件快速地改变阀升程之外，主动式推杆的种类并不重要。因而，可以设想，对于多缸发动机的每个气缸而言，根据需要，阀升程可以随着阀的每个连续开度改变。
EP-A-2511504中公开了主动式推杆的一个示例，该主动式推杆依赖于电动液压装置。对该主动式推杆的命令是通过ECU 23而进行的。
根据需要，可以为气缸或每个气缸设置多个进气阀，并且一个或多个这样的阀可以由主动式推杆来致动。
在使用时，允许空气进入发动机中通常是经由节流阀17来控制的，节流阀17进而由ECU 23根据诸如加速器踏板位置、高度、空气温度等常规控制参数来命令。应当理解的是，改变节流阀17的位置会改变空气流入速率，但由于进气歧管16和进气管(inlet tract)15中容纳的空气量而不会立即影响允许进入燃烧室的空气量。
在对扭矩需求改变作出响应的现有技术方法中，进气阀的升程是由固定长度的推杆(即，被动式推杆)确定的，并且阀打开和关闭的定时是由凸轮18的轮廓(profile)确定的。
通过发动机的空气流量可大于产生所要求的扭矩所需的空气流量，但所产生的扭矩由于延迟点火定时而减小。
这种现有技术方法在发动机空转速度下尤其适用，在这种情况下，扭矩升高需求会是期望的。
作为对扭矩升高需求的响应，将点火定时提前。因而，由于点火定时接近最佳，因此燃烧变得更有效。可以非常快地改变点火定时，因此，(在一个TDC内)发动机对提高的扭矩需求的响应很迅速。
应当理解的是，在对现有技术的该简化说明中，并未充分考虑某些控制方面。例如，假定可以根据说明精确地控制发动机扭矩，而实际上，发动机扭矩会在上限和下限内略微且连续地变化。点火定时通常逐个气缸地变化以实现对扭矩升高需求的快速响应，但存在燃烧效率低的风险。
在本发明中，通过主动式推杆，例如阀升程由此大大减小而限制允许进入气缸的空气量，并且在以全效率充分燃烧的情况下，空气充量与扭矩需求相当。点火定时充分提前以保证充分有效的燃烧。对于扭矩增大需求，可以增大阀升程以增加空气充量。
在不作任何其它考虑的情况下，累积的废气排放物由于主动式推杆的操作而以降低的速率上升，从而燃料消耗量较低(由于在扭矩降低时或者在期望扭矩升高的情况下，空气充量减少)并且废气排放物减少。
对阀升程的调整非常迅速，并且该响应与对点火定时的变化的响应相当。响应时间快到足以满足所要求的规范，并且一般约为比基于调整阀操作的现有方法或调整节流阀的现有方法的响应更好的量级。
作为增大阀升程的结果，吸入发动机中的空气增加，从而由燃烧产生了较大的扭矩。可以略微延迟点火定时以保证最佳燃烧。可以单独地改变连续的进气阀操作以确保平滑快速的扭矩改变。
在多缸发动机中，主动式推杆设置在每个气缸的进气阀上并且被独立地激活。因此，可以逐个气缸地进行调整，使得扭矩输出可以非常接近地遵循需求。根据已知的滞环控制(hysteresis control)方法，通过接连地打开进气阀的操作而允许的空气充量可以不同以允许本发明的效果的斜升和斜降。
有意延迟点火定时所造成的不完全燃烧不可避免地会向发动机冷却系统引入额外的废热，其中该发动机冷却系统通常依赖于液体冷却剂和冷却剂/空气散热器。
本发明的有效燃烧提供了量减少的废热，由此冷却剂的量和冷却剂空气散热器可以相对较小。
可以仅仅在在内燃发动机的每个气缸的一个或多个进气阀上使用主动式进气阀推杆来确保对扭矩升高和扭矩降低需求的快速响应。然而，另外改变点火定时以确保火花最佳化和点火效率也可以是有用的技术。
图2示出燃烧效率并不关于火花延迟而线性地下降。效率(η)是相对于点火定时I而绘制的，其中，零点表示针对最佳燃烧的火花定时；在零点的左边，点火定时延迟(-)；而在零点的右边，点火定时提前(+)。
能够观察到，起初，延迟点火定时对燃烧效率的影响相对较小，因此，调整点火定时与使用主动式推杆的结合在窄带内可用于控制扭矩输出。容许延迟量会根据特定发动机及其负荷/转速操作图而改变，但容许延迟量可以小于15°，或者小于10°，或者小于5°。
上面并未描述允许燃料进入气缸，但可以采用已知的方法来确保燃料进入量与空气充量相当，以便实现充分化学计量燃烧。例如，ECU 23可以命令喷射与经由放泄阀21所命令的空气充量相当的燃料。
上述示例描述了改变阀升程以改变经由进气阀14而允许进入的空气量；阀打开的持续时间是由凸轮18的轮廓确定的。
然而，应当理解的是，例如通过延迟阀打开和阀关闭，放泄阀可以用于抵抗或增强凸轮的作用。在一个示例中，可以允许流体从室泄出以精确地抵消凸轮的提升效果。
因而，应当理解的是，另外地或替选地，可以通过改变阀打开的持续时间和/或通过改变阀打开的定时和阀关闭的定时来改变允许进入气缸中的空气量。
本发明通常用于车辆发动机，不过也会想到应用于非车辆安装。
此外，在实际的车辆安装中，能够设想，将保持充分改变点火定时的可能性，以不仅在发动机转速的整个范围内实现有效燃烧，而且在与主动式推杆有关或者与主动式推杆的控制系统有关的误差或故障的情况下提供冗余。
可以进行变型，并且本发明不限于上述示例而仅由所附权利要求的范围限定。
根据以下编号的段落，本发明的各方面将显而易见：
1.一种对内燃发动机的扭矩输出进行连续调节的方法，所述发动机具有燃烧室、所述室的提升式进气阀以及用于激活所述进气阀的主动式推杆，所述方法包括：
a)确定扭矩需求；
b)控制所述主动式推杆将相应的空气充量提供到所述燃烧室中；
c)根据燃烧开始的适当定时，命令在所述燃烧室中进行充分有效的燃烧；以及
d)针对所述燃烧室中的每个连续燃烧事件，重复步骤a)、步骤b)和步骤c)。
2.根据方面1所述的方法，所述方法应用于火花点火式发动机，燃烧开始的定时由点火火花确定。
3.根据方面2所述的方法，包括如下步骤：调整点火火花的定时以提供充分有效的燃烧。
4.根据方面3所述的方法，其中，对扭矩降低需求的响应包括：
将点火火花的定时延迟不到10°。
5.根据方面3所述的方法，其中，对扭矩升高需求的响应包括：
增大至所述燃烧室的空气充量；以及
将点火火花的定时提前。
6.根据方面1所述的方法，其中，相应的空气充量通过以下操作中的一个或多个操作来提供：
改变所述推杆的升程；
通过控制所述推杆而改变所述进气阀打开的持续时间；
通过控制所述推杆而改变所述进气阀打开的定时；
通过控制所述推杆而改变所述进气阀关闭的定时；
通过控制所述推杆而改变所述燃烧室的所述进气阀与排气阀的重叠。
7.根据方面所述1的方法，其中，在前一阀开度之后，作为确定扭矩需求改变的结果，所述主动式推杆允许改变紧接在后的阀开度。
8.根据方面1所述的方法，其中，所述主动式推杆包括液压室，所述液压室具有用以改变所述液压室的即时容量的电气命令阀。
9.根据方面8所述的方法，其中，所述液压室被提供了基本上未被阻塞的液体油输入流，并且所述液压室包括用以改变来自所述液压室的输出流的受螺线管控制的放泄阀。
10.根据方面1所述的方法，所述方法应用于多缸发动机，所述多缸发动机具有用于所述多缸发动机的每个气缸的进气阀的主动式推杆。
11.根据方面10所述的方法，其中，所述发动机的电子控制单元独立地命令每个主动式推杆针对相应气缸中的连续燃烧事件而改变该气缸的空气充量。
12.一种用于实现根据方面1至11中的任一项所述的方法的控制系统，所述控制系统包括电子控制单元，所述电子控制单元具有处理器，所述处理器用于根据包括在所述处理器的存储器中的扭矩需求参数而以电子方式命令所述主动式推杆。
13.一种往复活塞式汽油发动机，具有多个气缸、用于每个气缸的进气阀以及用于每个所述进气阀的主动式推杆，所述发动机适于根据方面1至11中的任一项所述的方法而进行操作。
14.一种车辆，所述车辆包括根据方面13所述的发动机和用于实现所述方法的电子控制系统。

Claims (12)

1.一种对多缸内燃发动机的扭矩输出进行连续调节的方法，每个气缸具有燃烧室、所述室的至少一个提升式进气阀以及用于激活所述进气阀的主动式推杆，所述方法包括：
a)确定扭矩需求的改变；
b)控制所述主动式推杆将相应的空气充量提供到所述燃烧室中，其中，所述发动机的电子控制单元独立地命令每个主动式推杆针对相应气缸中的连续燃烧事件而改变能够用于该气缸中的燃烧的空气量；
c)通过调整燃烧开始的定时，命令在所述燃烧室中进行与所述相应的空气充量相称的充分有效的燃烧；以及
d)针对所述燃烧室中的每个连续燃烧事件，重复步骤a)、步骤b)和步骤c)。
2.根据任一项前述权利要求所述的方法，所述方法应用于火花点火式发动机，燃烧开始的定时由点火火花确定。
3.根据权利要求2所述的方法，包括如下步骤：调整点火火花的定时以提供充分有效的燃烧。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对扭矩降低需求的响应包括：
将点火火花的定时延迟不到10°。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，对扭矩升高需求的响应包括：
增大至所述燃烧室的空气充量；以及
将点火火花的定时提前。
6.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，相应的空气充量通过以下操作中的一个或多个操作来提供：
改变所述推杆的升程；
通过控制所述推杆而改变所述进气阀打开的持续时间；
通过控制所述推杆而改变所述进气阀打开的定时；
通过控制所述推杆而改变所述进气阀关闭的定时；
通过控制所述推杆而改变所述燃烧室的所述进气阀与排气阀的重叠。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在前一阀开度之后，作为确定扭矩需求的改变的结果，所述主动式推杆允许改变紧接在后的阀开度。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述主动式推杆包括液压室，所述液压室具有用以改变所述液压室的即时容量的电气命令阀。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述液压室被提供了未被阻塞的液体油输入流，并且所述液压室包括用以改变来自所述液压室的输出流的受螺线管控制的放泄阀。
10.一种用于实现根据权利要求1至9中的任一项所述的方法的控制系统，所述控制系统包括电子控制单元，所述电子控制单元具有处理器，所述处理器用于根据包括在所述处理器的存储器中的扭矩需求参数而以电子方式命令所述主动式推杆。
11.一种往复活塞式汽油发动机，具有多个气缸、用于每个气缸的进气阀以及用于每个所述进气阀的主动式推杆，所述发动机适于根据权利要求1至9中的任一项所述的方法而进行操作。
12.一种车辆，包括根据权利要求11所述的发动机和用于实现根据权利要求1至9中任一项所述的方法的电子控制系统。
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