CN108603451B - 瞬态运行期间直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机内的气流的控制 - Google Patents

瞬态运行期间直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机内的气流的控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在瞬态运行期间在直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机中的气流的控制，所述控制包括监控发动机的至少一个运行参数以识别向发动机运行的瞬态的转变。如果运行瞬态被检测到，向发动机的汽缸中的燃料喷射和空气流被控制以优化燃烧并限制排放物。进入发动机的汽缸的空气流可以通过增加发动机的扫气比或通过提高发动机的截留效率被控制。

Description

瞬态运行期间直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机内的气 流的控制
优先权
本申请要求于2016年1月15日在美国专利和商标局提交的美国临时申请序列号62/279,301和于2016年6月3日在美国专利和商标局提交的美国专利申请序列号15/173,478的优先权。
相关申请
本申请包含涉及下述美国申请的主题的主题，所述美国申请在本文中被共同拥有：于2012年10月17日提交的公布为US 2013/0104848A1的美国专利申请13/654,340；于2013年6月25日提交的公布为US 2014/0373814 A1的且在2015年12月8日被授权为US 9,206,751B2的美国专利申请13/926,360；于2013年9月27日提交的公布为US 2014/0026563A1的美国专利申请14/039,856；于2014年8月12日提交的公布为US 2015/0033736 A1的美国专利申请14/378,252；和于2016年3月7日提交的美国专利申请15/062,868。
技术领域
本领域是两冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统的控制和运行。
背景技术
两冲程发动机是一种通过曲轴的单个完整旋转和连接到曲轴的活塞的两个冲程来完成一个运行周期的内燃发动机。所述冲程通常被表示为压缩冲程和做功冲程。在两冲程循环对置活塞(“OP2S”)发动机中，两个活塞在汽缸的汽缸孔内被头对头地放置以实现沿汽缸的中心轴线在相反方向上的往复运动。汽缸具有在汽缸的侧壁内形成的靠近汽缸的相应末端处的纵向间隔开的进气端口和排气端口。每个对置活塞控制所述端口中的相应一个，从而当活塞在做功冲程(也叫做膨胀冲程)期间向下死点(BDC)位置移动时打开该端口，且当活塞在压缩冲程期间从BDC向上死点(TDC)位置移动时关闭该端口。端口中的一个为离开汽缸孔的燃烧产物提供了通道，另外一个用于允许压缩空气进入汽缸孔；它们分别被称为“排气”和“进气”端口(在一些描述中，进气端口被称为“空气”端口或“扫气”端口)。
OP2S发动机通常根据压缩点火原理而运行。在压缩冲程期间，湍流压缩空气(“增压空气”)通过进气端口进入汽缸的汽缸孔且当两个活塞从BDC向TDC移动时在两个活塞的端表面之间被压缩。在正在靠近的活塞端表面之间被直接喷射到汽缸中的燃料与湍流空气混合。燃料被压缩空气的热量点燃，并且燃烧随之发生。燃料由包含在活塞端表面的TDC位置之间被安装到汽缸的一个或多个燃料喷射器的发动机燃料处理系统提供。
在直流扫气型OP2S发动机中，接近做功冲程的结束，通过进气端口进入汽缸内的增压空气使得排气运动通过排气端口流出汽缸。因此气体在一个方向(“单向流”)上流动通过汽缸(从进气端口到排气端口)。从发动机的进气端口到排气端口必须存在持续的正压力差以维持在汽缸中的气体的期望单向流动。并且，因为进气端口短暂的开启时间的原因，所以必须给进气端口提供大的空气质量密度；这种需求在发动机启动、加速和负载增加期间尤其突出。这需要泵送工作。
在对置活塞发动机中，泵送工作由空气处理系统(也叫做“气体交换”系统)完成，所述空气处理系统运输新鲜空气进入发动机且输送燃烧气体(排气)离开发动机。泵送工作可以由气轮机驱动的压缩机(如，涡轮增压器)和/或由机械驱动的泵(如机械增压器(也叫做“鼓风机”))完成。在一些情况下，压缩机可以被定位在两级泵配置中的机械增压器的上游或下游。泵的布置(单级、两级或其他)能够驱动扫气过程，这对于确保高效的燃烧、提高发动机的指示热效率和延长发动机的部件(如活塞、活塞环和汽缸)的使用寿命很关键。
在OS2P发动机的稳态运行期间，运行参数就算真的变化也会变化缓慢。因此，例如，当驱动汽车以稳定的速度在高速上行驶时，通过车辆的OS2P发动机的气体的输送(增压空气和排气)和向车辆的OP2S发动机内的燃料的供应能够保持在缓慢变化的速度。这转化为稳定的控制，且有足够的时间在燃料效率和排放方面优化发动机性能。但是，车辆运行经常给发动机提出突然的扭矩要求，尤其是在城市驾驶或在工业环境运行时。这种要求可以来自加速、减速、打开或关闭开关附件(如空调)、拉动拖车、爬坡等。对与发动机负荷或发动机转速的突变相关联的扭矩的突然要求被认为是瞬态事件。这种需求在下文被称为“扭矩请求”。在瞬态事件中，对于扭矩增加的要求产生了快速增加向发动机的燃料供给的需求以提升燃烧释放的能量水平。这需要同时供应额外的空气以燃烧额外的燃料。
期望在发动机运行期间限制排放物的产生。因此，在瞬态事件期间，OP2S发动机响应的限制因素可以由空气处理系统在支持扭矩请求时如何快速地改变通过发动机的增压空气的流量同时保持发动机排放处于控制下来定义。在扭矩请求的时段期间，由于增压空气的缺少导致的低空气/燃料比(AFR)值能够引起不充分的燃烧，从而导致微粒物质(PM)的排放，如炭黑。另一方面，减少燃料供应以保持目标AFR能够引起发动机响应不佳。
在直流扫气型OP2S发动机中，在一个发动机运行周期中输送到汽缸中的空气(“被输送空气”)中的一些在扫气时流出排气端口并因此不能用于燃烧。在控制燃烧时使用的AFR的精确测量会使用当汽缸的最后一个端口关闭时汽缸中保留(“截留”)的增压空气质量。根据发动机的设计，不论排气端口还是进气端口都可以最后是关闭的；在许多情况下，进气端口最后关闭。进一步的情况是，除了被截留的增压空气之外，残余排气的可测量质量有时可以通过关闭排气端口和/或通过随增压空气再循环到汽缸而被截留在汽缸中。
进入发动机的燃料和空气的供应被发动机控制机构管理，所述发动机控制机构感测各种发动机运行参数并调节通过发动机的气体(空气和排气)流量和向发动机中的燃料喷射。特别期望的是发动机控制机构能够识别OP2S发动机的瞬态事件以迅速配置空气处理系统以增加响应于扭矩请求而提供给汽缸的被输送增压空气和/或被保留增压空气的量。
通过空气处理系统的空气处理元件来产生和保持维持增压空气和排气的单向流动所必需的在发动机两端/上(across)的气体压力差，所述空气处理系统可以包括一个机械增压器和一个或多个涡轮增压器。在稳态运行期间，发动机控制机构通过连续调节以闭环模式管理这些元件，所述连续调节寻求特定气流参数的期望目标值(“设定值”)，以便以低排放保持有效运行。当做出的增加扭矩的要求时，增压空气压力必须迅速增加(“升压”)。
因此，期望直流扫气型OP2S发动机的空气处理系统无明显延迟地响应扭矩请求，同时在瞬态运行期间保持排放的控制。
发明内容
在带有在压缩机和发动机进气端口之间被放置在空气处理系统中的曲轴驱动的机械增压器的涡轮机增压的直流扫气型OP2S发动机中，扭矩请求开启运行的瞬态模式，在瞬态模式期间燃料和增压气体的供应增加或减少同时维持对排放的期望控制模式。
因此，当瞬态事件发生时，向发动机汽缸中的燃料喷射被控制。例如，利用共轨直喷燃料处理系统，通过响应于发动机负载增加，改变燃料轨道压力和燃料喷射持续时间中的一个或多个来增加(或减少)燃料喷射。同时，通过控制表示被最后端口的关闭所截留或保留在汽缸中的增压气体的气流参数，增加(或减少)进入发动机汽缸的气流。
表示被最后端口的关闭所截留或保留在汽缸中的增压空气的一个气流参数是发动机的扫气比(SR)，所述扫气比是被输送空气的质量和被截留充气的质量之间的比率，所述截留充气包含被截留的增压空气且可能包含残余或再循环排气。例如，通过提高SR，流动通过汽缸的增压空气的质量增加，因此减少了汽缸中的增压空气排气残余，其导致更少的PM生成，这是因为没有更多的新鲜空气用于燃烧。做出的权衡可能是，由于更多新鲜增压空气可用于燃烧而导致的氮氧化物(NOx)排放物的增加。
表示被最后端口的关闭所截留或保留在汽缸中的增压空气的另一个气流参数是发动机的截留效率(TE)，所述截留效率是被输送增压空气的质量和被截留增压空气的质量之间的比率。例如，更高的压缩机出口压力将会导致在机械增压器上的更大的体积流量，因此提高了升压压力并导致了汽缸中的更大的被截留质量(增压空气和排气)。更大的被截留质量可能导致更高的PM，但在更多的被截留排气的情况下，能够减少NOx排放物。
附图说明
图1是现有技术的直流扫气型两冲程循环对置活塞(OP2S)发动机的示意图。
图2是说明图1中OP2S发动机的燃料喷射系统实施例的示意图。
图3是说明图1中OP2S发动机的空气处理系统实施例的示意图。
图4是说明图1中OP2S发动机的控制机构实施例的示意图。
图5是说明被根据图4的控制机构实施例的运行执行的瞬态控制算法的流程图。
图6是说明瞬态控制算法的空气处理配置步骤的流程图，通过该算法扫气比被优先化。
图7是说明瞬态控制算法的空气处理配置步骤的流程图，通过该算法截留效率被优先化。
图8示出了用于在发动机运行的稳态模式和瞬态模式期间控制图3中空气处理系统的主动气流装置的过程。
具体实施方式
图1是直流扫气型两冲程循环对置活塞(OP2S)发动机8的示意图，所述发动机是压缩点火类型的且包括至少一个汽缸。优选地，发动机8具有两个或多个汽缸。在任何情况中，汽缸10表示OP2S发动机8的单缸配置和多缸配置二者。汽缸10包括汽缸孔12和靠近其相应末端在汽缸内加工或形成的纵向分布的进气端口14和排气端口16。发动机8的空气处理系统15管理增压空气进入和排气离开发动机的输送。进气端口和排气端口中的每个包括一个或多个开口圆周阵列，其中相邻的开口被汽缸壁的实心部分(也叫作“桥”)隔开。在一些描述中，每个开口被称为“端口”；但是，这种“端口”的圆周阵列的构造与图1中的端口构造并无不同。燃料喷射器17包括固定在穿过汽缸的侧壁的螺纹孔中的喷嘴。发动机8的燃料处理系统18为喷射器17直接侧喷到汽缸中提供燃料。两个活塞20、22被放置在汽缸孔12中且活塞的端表面20e、22e彼此相对。为了方便，活塞20被称为“进气”活塞，因为它打开和关闭进气端口14。相似地，活塞22被称为“排气”活塞，因为它打开和关闭排气端口16。优选地，但不必要，进气活塞20和所有其他进气活塞被连接到沿发动机8的一侧布置的曲轴30；且，排气活塞22和所有其他排气活塞被连接到沿发动机8的相反侧布置的曲轴32。
OP2S发动机8的运行是很好理解的。响应于燃烧，对置活塞移动离开各自的TDC位置，在TDC位置处活塞在汽缸10内的最内侧位置。当从TDC离开时，活塞保持它们相关联的端口关闭直到活塞到达各自的BDC位置，在BDC位置处活塞在汽缸内的最外侧位置且相关联的端口被打开。活塞可以同相移动以使进气和排气端口14、16一致地打开和关闭。替代地，一个活塞可以在相位上领先另一个，在这种情况中进气端口和排气端口具有不同的打开和关闭时刻。
随着增压空气通过进气端口14进入汽缸10，进气端口开口的形状使增压空气绕汽缸的纵轴线以涡流34旋转，所述涡流在朝向排气端口16的方向上回旋。旋涡涡流34促进了空气/燃料混合、燃烧和污染物的抑制。随着端表面20e和22e移动到一起，旋涡速度增强。
图2示出了被实现为共轨直喷燃料处理系统的燃料处理系统18。燃料处理系统18通过向汽缸中喷射来向每一个汽缸10输送燃料。优选地，每个汽缸10具有多个燃料喷射器，所述燃料喷射器被安装成用于直接喷射到活塞端表面之间的汽缸空间中。例如，每个汽缸10具有两个燃料喷射器17。优选地，燃料从燃料源40被供给到燃料喷射器17，所述燃料源包括至少一个轨道/蓄积器机构41，燃料泵43将燃料泵送到该至少一个轨道/蓄积器机构41。燃料返回歧管44收集来自燃料喷射器17和燃料源40的燃料以返回到被泵送的燃料所来自的容器。燃料源40的元件被响应于发动机控制单元发出的燃料命令的相应的计算机控制的致动器操作。尽管图2示出了每个汽缸的燃料喷射器17以小于180°的角度布置，但是这仅是示意图且并不旨在限制喷射器的位置或它们喷射的喷雾方向。在优选的配置中，图1最佳可见，喷射器17被布置成用于沿喷射轴线在汽缸8的直径上相对的方向上喷射燃料喷雾。优选地，每个燃料喷射器17被响应于发动机控制单元发出的喷射器命令的相应的计算机控制的致动器操作。
图3示出了管理提供给OP2S发动机8的增压空气和由OP2S发动机8产生的排气的输送的空气处理系统15的实施例。代表性的空气处理系统构造包括增压空气子系统38和排气子系统40。在空气处理系统15中，增压空气源接收新鲜空气并将其处理成增压空气。增压空气子系统38接收增压空气并将其输送到发动机8的进气端口。排气子系统40输送来自发动机的排气端口的排放产物以传递给其他排气部件。
空气处理系统15包括可包含一个或多个涡轮增压器的涡轮机增压系统。例如，涡轮增压器50包括在共同的轴53上旋转的涡轮机51和压缩机52。涡轮机51被布置在排气子系统40中且压缩机52被布置在增压空气子系统38中。涡轮增压器50提取直接从发动机排气端口16或从收集通过排气端口的排气气体输出的排气歧管组件57离开排气端口并流入排气子系统40的排气中的能量。优选地，在多缸OP2S发动机中，排气歧管57包含与被支撑在汽缸缸体75中的所有汽缸10的排气端口16连通的排气室或箱。涡轮机51被通过其流动进入排气出口58的排气气体驱动旋转。这使得压缩机52旋转，从而使其通过压缩新鲜空气产生增压空气。
来自汽缸50的排气端口的排气从排气歧管组件57流入涡轮机51的入口，并从涡轮机51的出口流入排气出口通道55。在一些情况中，一个或多个后处理装置79被提供在排气出口通道55中。虽然空气处理系统15可以被构造成通过再循环排气通过发动机的开孔汽缸来减少燃烧产生的NOx排放物，不过排气再循环(EGR)回路的细节对于理解根据本公开的瞬态响应不是必需的。
增压空气子系统可以经由空气过滤器81给压缩机52提供入口空气。当压缩机52转动时其压缩入口空气，且压缩的入口空气流入机械增压器60的入口71。被机械增压器60泵送的空气流动通过机械增压器的出口72进入进气歧管68。加压的增压空气从进气歧管68被输送到汽缸10的进气端口14。优选地，在多缸OP2S发动机中，进气歧管68包含与所有汽缸10的进气端口14连通的进气室或箱。
增压空气子系统还可以包括被联接成在传输到发动机8的进气端口之前接收和冷却增压空气的至少一个冷却器。在这些情况中，压缩机52输出的增压空气流动通过冷却器67，由此增压空气被机械增压器60泵送到进气端口。第二冷却器69可以被设置在机械增压器60的输出和进气歧管68之间。
进一步参考图3，空气处理系统15被装备成控制在增压空气和排气子系统中的分离开的控制点处的气流。在增压空气子系统中，增压空气的流动和升压压力通过将机械增压器的输出72联接到机械增压器的输入71的分流通路80的运行来控制。分流通路80包括管理增压空气进入进气歧管68内的流动且因此管理在进气歧管68内的压力的分流阀82。更精确地，分流阀82分流从机械增压器的出口72(高压)到其入口71(低压)的增压空气流动。有时候本领域的技术人员称分流阀82为“旁通”阀或“再循环”阀。排气通道55中的背压阀90管理离开涡轮机的排气流，并且从而控制排气子系统中的背压以用于各种目的，包括调节排气温度。按照图3，背压阀90被定位在排气通道55中、在涡轮机51的输出58和后处理装置79之间。废气门阀92使排气绕涡轮机转向，这使得能够控制涡轮机的速度。涡轮机速度的调节使得能够调节压缩机的速度，进而允许对增压空气升压压力进行控制。阀82、90和92通过响应于发动机控制单元发出的旋转命令的相应的计算机控制的致动器打开和关闭。在一些情况中，这些阀可以被控制成两个状态：全开或全关。在另一些例子中，所述阀中的任意一个或多个可以被可变地调节到全开和全闭之间的多个状态。
在一些情况中，通过可变速度机械增压器提供对气流和压力的额外控制。在这些方面，机械增压器60被驱动机构(驱动器)95连接到发动机8的曲轴30或32，以被其驱动。驱动机构95可以包含步进式变速器或无极变速器(CVD)，在该情况下可以通过响应于提供给驱动机构95的速度控制信号改变机械增压器60的速度来改变增压空气流量和升压压力。在另一些例子中，机械增压器可以是带有用于脱离驱动器的机构的单速装置，从而提供两种不同的驱动状态。在又一些情况中，脱离机构可以装备有步进式或连续可变驱动器。在任何情况中，通过响应于发动机控制单元发出的驱动命令的计算机控制的致动器来操作驱动机构95。
在一些方面，涡轮机51可以是具有有效宽高比的可变外形涡轮机(VGT)装置，所述有效宽高比可以响应发动机的变化的速度和负载而变化。有效宽高比的改变使得能够控制涡轮机的速度。涡轮机速度的调节使得能够调节压缩机的速度，这进而允许对增压空气升压压力进行控制。因此，在许多方面，包含VGT的涡轮增压器不需要废气门阀。通过响应于由发动机控制单元发出的涡轮机命令的计算机控制的致动器来操作VGT装置。
在本公开中，发动机控制机构是基于计算机的系统，该系统管理各种发动机系统(包括燃料处理系统、空气处理系统、冷却系统、润滑系统和其他发动机系统)的运行。发动机控制机构包括联接到相关联的传感器、致动器和遍布发动机的其他机械装置的一个或多个电子控制单元。按照图4，图2中的燃料处理系统和图3中的空气处理系统(和可能的OP2S发动机8的其他系统)的控制通过控制机构93被执行，所述控制机构93包括编程为在各种发动机运行条件下执行燃料处理算法和空气处理算法的可编程发动机控制单元(ECU)94。这些算法体现在控制模块中，所述控制模块是在发动机运行时由ECU 94执行的发动机系统控制程序的一部分。对于共轨直喷系统，ECU 94通过向燃料源40发出轨压命令(Rail)并通过发出命令喷射器17运行的喷射器命令(Injector)来控制进入汽缸的燃料的喷射。对于空气处理系统，ECU 94通过发出背压命令(Backpressure)、废气门命令(Wastegate)和分流命令(Shunt)以分别地打开和关闭排气背压阀90、废气门阀92和机械增压器分流阀82来控制通过发动机的气体(增压空气和排气)的输送。在机械增压器60被可变驱动器操作的情况中，ECU 94还通过发出驱动命令(Drive)以致动机械增压器驱动器95来控制气体输送。并且，在涡轮机51被配置为可变外形装置的情况中，ECU 94还通过发出VGT命令以设定涡轮机的宽高比来控制气体的输送。
当OP2S发动机8运行时，ECU 94根据发动机负载和发动机转速确定当前发动机运行状态，并基于当前运行状态通过控制共轨燃料压力和喷射持续时间来管理喷射进入汽缸10的燃料的量、模式和正时。为实现该目的，ECU 94接收来自检测加速器位置的加速器传感器96(或调速器或巡航控制系统或等价器件)、检测发动机旋转速度的发动机转速传感器97和检测轨道压力的传感器98的信号。同时，ECU 94配置空气处理系统15以给当前运行状态提供最佳AFR。为实现该目的，ECU接收来自包括检测进入压缩机52的入口的空气质量流量的空气质量流量传感器100、检测进气歧管68中的增压空气压力的进气歧管压力传感器101、检测排气歧管57中的排气压力的排气歧管压力传感器102、检测在机械增压器60的进气处的增压空气压力的机械增压器进气压力传感器103、检测在机械增压器60的出口处的增压空气压力的机械增压器出口压力传感器104和其他可能的传感器中的一个或多个的空气流量传感器的信号。
在发动机运行期间，ECU 94监控指示发动机负载和/或发动机转速的变化的瞬态指示参数。瞬态指示参数以指示瞬态状态的速率突然变化会使得ECU 94调用瞬态控制模块。在这方面，瞬态指示参数可以基于或来源于包括但不限于加速器(油门踏板)运动、发动机转速、发动机加速度、曲轴角度和燃料命令中的一个或多个的传感器信息。ECU 94(例如从油门踏板运动)确定瞬态指示参数值并且还测量、估计或计算(下文中，“计算”)瞬态指示参数值的变化率。
ECU 94被编程以经由图4中的控制机构93执行瞬态控制算法。瞬态控制算法使得ECU 94能够监控和响应OP2S发动机的瞬态活动。图5中示出了瞬态控制算法的一个典型实施例。参考图4和图5，假设当ECU 94在步骤120处开启监视过程时发动机在稳态状态运行。监控过程使得ECU 94能够检测并响应扭矩要求。在判定步骤122中，ECU监控发动机负载和转速参数的改变。发动机负载(例如，如将被加速器踏板的运动指示的)的增加指示了正向扭矩要求。相反地，发动机负载降低指示了负向扭矩要求。如果ECU在判定步骤122中没有检测到扭矩要求，则在123处保持稳态运行。但是，如果检测到扭矩要求，从判定步骤122肯定退出后紧随判定步骤124。
在判定步骤124中，ECU 94监控瞬态指示参数(下文称为“瞬时强度”)相对于瞬态强度校准阈值的变化速率，以指示瞬态运行状态。如果瞬态强度没有达到瞬态强度校准阈值，则ECU 94遵循从判定步骤124的否定退出并执行稳态控制以配置燃料和空气处理系统以获得最佳AFR。但是，如果瞬态强度超过校准阈值，则ECU 94遵循从判定步骤124的肯定退出并在步骤126和128中开始运行的瞬态模式。在步骤126中，由要求扭矩计算出要求燃料质量。在一些情况中计算的燃料要求可以与实际输送的燃料的量不同。在这方面，ECU 94可以执行燃料限制器或烟雾限制器程序，所述程序基于当前气流和当前AFR限制输送的燃料。参见，例如，用于在共有的共同未决美国专利申请15/062,868中描述的直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机的燃料限制器。响应于提高扭矩的要求，ECU 94确定输送的燃料的量的所需增加(或减少)，并根据需要调整共轨压力和喷射持续时间以满足要求。
在步骤128中，ECU 94执行瞬态控制过程以配置空气处理系统以根据需要来控制通过发动机汽缸的单向气流以支持所要求燃料的燃烧。在一些方面，当扭矩要求的由低到高的转变标志瞬态状态开始时，所述控制通过降低空气流阻力和提高增压空气速度被执行。在另一些方面，当扭矩要求的由高到低的转变标志瞬态状态的开始时，所述控制通过增加空气流阻力和降低增压空气速度被执行。
例如，响应增加扭矩的要求，ECU 94可以执行如下空气处理策略，即该策略确保从发动机进气端口到排气通道55的空气流路径被配置为通过增加输送给汽缸的增压气体流量使发动机的扫气比优先，这对于保持OP2S的正压降和从进气到排气的高空气流速是所期望的。在这种情况中，ECU 94通过降低排气流阻力和提高发动机上的压降来增加增压空气流量。根据期望的排放物结果，ECU 94或者继续使扫气比优先或者通过提高压缩机出口压力来将优先权转变到截留效率，从而提高增压空气的质量流量。
ECU 94通过继续判定步骤130来继续执行监控过程，在判定步骤130中ECU 94通过循环130、131保持对空气处理系统的瞬态控制直到满足扭矩要求，此时ECU采取从判定步骤130的肯定退出，重申稳态控制并经由判定步骤122返回监控发动机负载和/或发动机转速。
响应以表示瞬态控制的速率增加扭矩的要求，ECU 94可以被编程为根据图5的配置步骤128中的扫气比(SR)优选策略通过执行图6中示出的过程来运行。参考图4和图6，在步骤150中，ECU 94计算瞬态强度的水平并且当瞬态强度水平满足或超过瞬态强度校准阈值时检测瞬态状况，此时ECU 94切换到对机械增压器驱动器95，阀82、90和92以及涡轮机51(如果配置为VGT装置的话)的瞬态控制。
在步骤152中，ECU 94将背压阀90打开至针对所计算的瞬态强度水平校准的设定。这降低了排气子系统对增压空气的输送的阻力，提高了扫气比。
在步骤154中，ECU 94提高提供给发动机的进气端口的增压空气的速度以加速发动机中的单向气流。增压空气速度通过提高机械增压器压力比(出口压力/入口压力)被提高，这还提高了扫气比。这能够通过将机械增压器分流阀82关闭至针对所计算的瞬态强度校准的值来完成。这还可以通过将机械增压器驱动器95的设定改变至针对瞬态强度的水平校准的值来完成。在一些方面，ECU94可以对分流阀和驱动器都进行控制以实现对机械增压器60的运行的更精细控制。
在步骤156中，ECU 94还通过减少涡轮机51对排气流的阻力来减少排气子系统对增压空气的输送的阻力，其还降低了扫气比。如果涡轮机51是固定外形的装置，则ECU 94将废气门阀92打开至针对测量的瞬态强度校准的值。在另一方面，如果涡轮机51是可变外形装置，则ECU 94将涡轮机51的叶片打开至针对测量的瞬态强度校准的值。
在瞬态状况开始时，步骤152、154和156中ECU 94对空气处理系统的配置做出的改变基本同时地开始，且ECU 94从开始时刻测量时间。一旦逝去针对瞬态强度的水平校准的时间段，则ECU 94在步骤158中激活涡轮机51以提高压缩机出口压力，从而使升压压力提高。这通过将废气门阀92关闭至校准的位置(如果涡轮机是固定外形的装置)或通过将涡轮机叶片开启至校准的位置(如果涡轮机是VGT装置)来完成。
在步骤160中，一旦空气流要求被满足，则ECU 94返回空气处理系统的稳态控制。
响应于以表示瞬态控制的速率增加扭矩的要求，ECU 94可以被编程为根据图5中的配置步骤128中的截留效率(TE)优选策略通过执行图7所示的过程来运行。参考图4和图7，在步骤170中，ECU 94计算瞬态强度的水平并当瞬态强度水平满足或超过瞬态强度校准阈值时检测瞬态状况的开始，此时ECU 94转换到对机械增压器驱动器95、阀82和90和92以及涡轮机51(如果配置为VGT装置的话)的瞬态控制。
在步骤172中，ECU 94将背压阀90打开至针对扭矩要求的计算的强度校准的值。这降低了排气子系统对增压空气的输送的阻力，提高了扫气比。
在步骤174中，ECU 94通过提高机械增压器压力比来加快向发动机的进气端口的增压空气的输送，这进一步提高了扫气比。这能够通过将机械增压器分流阀82关闭至针对扭矩要求的计算的强度校准的值来完成。这也能够通过将机械增压器驱动器95的设定改变至针对扭矩要求的计算的强度校准的值来完成。在一些方面，分流阀82和驱动器都可以被控制成实现机械增压器60的速度的更精细控制。
在步骤176中，ECU 94激活涡轮机51，这增大了被压缩机52输送给机械增压器60的压缩空气的质量和速度。输送给汽缸的增压空气的增大的质量提高了OP2S发动机的截留效率。如果涡轮机51是固定外形装置，则ECU 94将废气门阀92关闭至针对扭矩要求的测量的强度校准的值。在另一方面，如果涡轮机51是可变外形装置，则ECU 94将涡轮机51的叶片关闭至针对扭矩要求的测量的强度校准的值。
在步骤174和176中ECU 94对空气处理系统的配置做出的改变基本同时开始，并且从开始时刻测量时间。一旦逝去针对扭矩要求的测量的强度校准的时间段，则ECU 94在步骤178中降低涡轮机51的速度以降低压缩机出口压力，从而导致扫气比的提高。这可以通过将废气门阀92打开至校准的位置(如果涡轮机是固定外形装置的话)或将涡轮机叶片关闭至校准的位置(如果涡轮机是VGT装置的话)来完成。
在步骤180中，一旦空气流要求被满足，ECU 94返回空气处理系统的稳态控制。
ECU 94通过采用图8中示意图所示的装置控制过程199的不同配置执行图5-7所示的空气处理算法。在这方面，ECU对多数主动气流装置执行装置控制过程的相应变形，其中所述主动气流装置包含：背压阀90、机械增压器分流阀82、机械增压器驱动器95、废气门阀92(针对固定外形的涡轮机)、涡轮机叶片(针对VGT装置)和其他可能的主动气流装置。在每种情况下，相应的装置控制过程包含：可操作用于借助于稳态命令θ1控制在发动机运行的稳态模式中的主动气流装置的稳态控制部分200；可操作用于借助于瞬态命令θ2控制在发动机运行的瞬态模式中的主动气流装置的瞬态控制部分220；和过渡部分230。过渡部分230可操作用于通过默认来开始稳态控制并且在当检测到瞬态状况开始的时刻将装置的控制过渡到瞬态控制。过渡部分230监控在瞬态状况期间的不同参数以确定何时将装置的控制从瞬态控制转换到稳态控制。在每个装置控制过程中，稳态控制部分200和瞬态控制部分220同时进行。因此，在过渡时刻在制定合适的命令方面没有延迟。
在每个装置控制过程中，稳态控制部分200包括反馈控制器201和装置前馈控制器202。反馈控制器201接收基于发动机转速和发动机负载命令的控制变量，所述控制变量作为期望的空气参数设定点(质量流量、升压压力、排气背压等)从由发动机负载和发动机转速(RPM)参数值索引的映射图或查找表203A被输出。针对从由环境状况索引的映射图或查找表203B输出的环境状况因子，在204处校正当前发动机转速和当前发动机负载的值的期望的参数设定点。空气处理系统中实际空气流的对应部件的参数值(质量流量、升压压力、排气背压等)在206处被感测(其可以包括测量、估计或计算)且在207处通过从期望的设定点中减去感测的参数值来确定误差值(e)。误差值被输入到反馈控制器201，该反馈控制器201产生装置设定点修正值(c)。装置前馈控制器202响应于发动机转速和发动机负载参数值产生装置致动器位置命令。反馈控制器201的输出和前馈装置控制器202的输出在209处相加以产生由ECU 94输出到装置致动器的稳态装置致动器命令θ1。
瞬态控制部分220包括响应于瞬态强度的水平或所喷射燃料的量的变化引起的AFR的变化率产生瞬态装置致动器命令的前馈装置控制器221。利用瞬态强度和主动致动器(阀、机械增压器驱动器、VGT)的当前位置，产生前馈致动器命令θ2。该命令能够基于从检测到瞬态以来逝去的时间(从未示出的计数器获得)在222处被修改(或门控)，从而导致来自瞬态控制器220的最终装置致动器命令(θ2)。
通过过渡部分230，如果瞬态强度大于校准值，则ECU 94将控制从稳态改变到瞬态。如果逝去的时间超过限度或误差值e降到校准值水平以下，则ECU 94将控制从瞬态改变到稳态。因此，在判定步骤231，ECU 94针对瞬态强度校准阈值测试瞬态强度水平。当测试表明从判定步骤231的肯定退出时，ECU 94在步骤232中使得能够对空气处理系统进行瞬态控制并向主动装置发出瞬态装置致动器命令θ2。否则，在从判定步骤231的否定退出之后，ECU94在步骤233中向主动装置发出稳态装置致动器命令θ1。在判定步骤234中，如果瞬态装置致动器命令已经被激活达校准时段，或如果空气处理设定点(质量流量、升压、排气背压等)被满足(e＜校准值)，则控制过程经由步骤235过渡到稳态控制并发出稳态装置致动器命令θ1。如果空气处理设定点在校准时段逝去后仍未被满足，且在设定点和测量值之间的误差没有变化，则ECU 94可以在向稳态控制过渡235期间通过OBD指示器300(见图4)产生性能不足的机载诊断(OBD)故障。
鉴于结合图3-8所描述的示例和实施例，对于直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机8描述了多种气流控制组合，其中所述发动机8装备有带有汽缸孔12和使用汽缸孔连通的轴向间隔开的排气端口16和进气端口14的至少一个汽缸10、在汽缸孔中相对布置且可操作以在发动机运行期间打开和关闭排气端口和进气端口的一对活塞22和20以及包括向进气端口提供增压空气的增压空气子系统38、接收来自排气端口的排气的排气子系统40和可操作用于在增压空气子系统中泵送增压空气的机械增压器60的空气处理系统15。
根据本说明书，并参考图4、图5和图6，第一气流控制组合包括：促进机械增压器上/两端(across)的增压空气压力比的命令控制的分流阀82、感测所述发动机的发动机加速度和发动机负载中的一个的传感器96或97、检测机械增压器的进气处的增压空气压力的传感器103、检测机械增压器出口处的增压空气压力的传感器104和编程控制单元94。控制单元被编程用于：确定发动机的扭矩要求的出现，所述扭矩要求具有基于发动机加速度或发动机负载相对于瞬态强度阈值的变化速率的强度的强度(步骤124)；当扭矩要求的强度超过瞬态强度阈值时产生给分流阀的瞬态命令以提高机械增压器上的增压空气压力比(步骤154)；且当扭矩要求的强度降到瞬态强度阈值以下时产生稳态命令以将机械增压器上的增压空气压力比控制到期望设定点(步骤160)。
根据本说明书，并参考图4、图5和图7，第二气流控制组合包括：促进机械增压器上的增压空气压力比的命令控制的机械增压器驱动器95、感测所述发动机的发动机加速度和发动机负载中的一个的传感器96或97、检测机械增压器的进气处的增压空气压力的传感器103、检测机械增压器出口处的增压空气压力的传感器104和编程控制单元94。控制单元被编程用于：确定发动机的扭矩要求的出现，所述扭矩要求具有基于发动机加速度或发动机负载相对于瞬态强度阈值的变化速率的强度的强度(步骤124)；当扭矩要求的强度超过瞬态强度阈值时产生机械增压器驱动器的瞬态命令以增加机械增压器上的增压空气压力比(步骤154)；和当扭矩要求的强度降到瞬态强度阈值以下时产生稳态命令以将机械增压器上的增压空气压力比控制到期望设定点(步骤160)。
对于比较熟练的工人来说是显而易见的，本文阐述的瞬态空气处理控制的原理可以在直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统的各种控制配置中实现。例如，空气处理系统的瞬态控制可以是双向的。也就是说瞬态控制可以响应于超过阈值正变化速率的从低负载到高负载的转变而发生(如上文提到且描述的)，也可以响应于超过阈值负变化速率的从高负载到低负载的转变而发生。并且，空气处理系统可以被配置为只有机械增压器或只有涡轮增压器，以及具有上文描述的机械增压器/涡轮增压器示例。因此，尽管在瞬态运行期间在直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机中的气流和燃料流的控制已参考当前优选示例和实施例被描述，但应被理解的是在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以做出各种更改。

Claims (2)

1.一种直流扫气型两冲程循环对置活塞发动机的气流控制组合件，所述发动机装备有带有汽缸孔和通过所述汽缸孔连通的轴向间隔开的排气和进气端口的至少一个汽缸、在所述汽缸孔中相对布置且可操作以在所述发动机运行期间打开和关闭所述排气和进气端口的一对活塞以及空气处理系统，该空气处理系统包括向所述进气端口提供增压空气的增压空气子系统、接收来自所述排气端口的排气的排气子系统、可操作以在所述增压空气子系统中泵送增压空气的机械增压器和提高在所述机械增压器上的增压空气压力比的命令控制的分流阀，所述气流控制组合件包含：
感测所述发动机的发动机加速度和发动机负载中的一个的传感器；
检测所述机械增压器的进气处的增压空气压力的传感器；
检测所述机械增压器的出口处的增压空气压力的传感器；和，
控制单元，其被编程为：
确定所述发动机的扭矩要求的发生，所述扭矩要求具有基于发动机加速度或发动机负载相对瞬态强度阈值的变化速率的强度的强度；
当所述扭矩要求的所述强度超过所述瞬态强度阈值时产生针对所述分流阀的瞬态命令(θ2)以增加所述机械增压器上的所述增压空气压力比；和
当所述扭矩要求的所述强度降到所述瞬态强度阈值以下时产生针对所述分流阀的稳态命令(θ1)以将所述机械增压器上的所述增压空气压力比控制到期望设定点。
2.根据权利要求1所述的气流控制组合件，还包含在所述排气子系统的排气通道中的控制所述排气子系统中的背压的背压阀，其中所述控制单元被进一步编程为当所述扭矩要求的所述强度超过所述瞬态强度阈值时产生瞬态命令来打开所述背压阀。
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