CN112020599A - 避免柴油发动机气缸停用期间压缩机喘振的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于改进配备有气缸停用系统的涡轮增压柴油机的功能的系统和方法，其包括检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险中，然后延迟所述气缸停用的所述实施。该延迟可以是设定的时间段，或者可以通过进行一组指令来确定(在气缸停用的情况下，该指令可有效地估计进气歧管压力随时间的变化)，然后将进气歧管压力估计值与可接受的进气歧管压力信息进行比较。提供了进行所需估计的公式。

Description

避免柴油发动机气缸停用期间压缩机喘振的系统和方法
相关申请的引用
本申请要求2018年2月26日提交的美国临时专利申请第62/635441号的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及用于改善柴油发动机功能的系统和方法，更特别涉及用于通过避免涡轮增压器压缩机喘振改善涡轮增压柴油发动机功能的系统和方法。
背景技术
排气后处理系统现已成为基于柴油发动机的系统的标准。后处理系统必须满足氮氧化物(NOx)、未燃烧的碳氢化合物(UHC)和颗粒物(PM)的严格排气排放规定。有关排气后处理系统的一项挑战是热管理，其中系统的各个部件必须在达到有效操作温度并保持在该温度以上，然后才能达到将污染物转化为无害的副产物的最高效率。不幸的是，当代的系统通常需要更多的燃料消耗才能满足这些温度要求。
在降低燃料消耗的同时提高后处理部件温度的一种方法是气缸停用(CDA)。与常规的后处理热管理方法相比，在加燃料的发动机操作过程中应用的CDA已显示将涡轮机出口温度从190℃提高到310℃，空载时的燃料消耗降低39％。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种改善涡轮增压柴油机功能的方法。本发明方法的一个优选实施方式包括检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险中，然后延迟部分或全部的顺序气缸停用事件。
本发明方法的"检测"部分可以通过使用来自ECU的数据(例如发动机负载的变化)或通过观察诸如油门踏板位置的变化之类的其他特征。另选地，所述检测步骤可以通过连续计算进气歧管压力变化的估计值，然后将这些估计值与关于所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能在不存在压缩机喘振的风险的情况下发生一个或多个气缸的停用。在一个优选实施方式中，通过以下步骤完成所述检测步骤：通过针对特定的CDA状况计算进气歧管压力变化的估计值，然后将这些估计值与所述发动机的压缩机喘振线进行比较，以确定一个或多个气缸的停用是否会避免压缩机喘振，然后在避免压缩机喘振的同时，尽可能快地进入气缸停用。
所述估计值可以通过包括以下步骤的一组步骤来计算的：
a)测量或根据已知参数计算离开所述发动机的所述压缩机的新鲜空气的质量流量；
b)测量所述发动机的进气歧管压力；
c)测量所述发动机的发动机速度；
d)测量所述发动机的排气再循环分数；和
e)测量所述发动机的进气歧管温度；
f)提供指示所述发动机的排量、将来在用的气缸数量、所述发动机的所述容积效率和所述进气道容积的信息；
g)使用所述质量流量信息、所述进气歧管压力信息、所述发动机速度信息、所述排气再循环分数信息、所述进气歧管温度信息、所述发动机排量信息、所述容积效率信息和所述进气道容积信息估计在停用某些或所有发动机气缸的情况下进气歧管压力随时间的变化；
h)将所述进气歧管压力估计值与可接受的进气歧管压力信息进行比较，以确定气缸停用是否会预期在气缸停用后的任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力；和
i)如果步骤(h)的所述比较表明可以停用一个或多个气缸而不会预期在任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力，则停用在不产生不可接受的进气歧管压力的情况下能够停用的最大数量的气缸；
其中，所述预期进气歧管压力随时间变化的所述估计值中的每一者均使用以下公式确定：
Figure BDA0002740883710000031
其中
Figure BDA0002740883710000032
Figure BDA0002740883710000041
在另一实施方式中，所述方法包括：
通过计算进气歧管压力随时间变化的第一组估计值，检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险；
将所述第一组估计值与有关所述发动机的所述压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振；
实施气缸减压的第一阶段；
随后通过计算进气歧管压力随时间变化的第二估计值来检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险；
将这些估计值与有关所述发动机的所述压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振；
实施气缸减压的第二阶段。
在另一实施方式中，所述发动机气缸停用发生为一系列单独的气缸停用，直到停用适当数量的发动机气缸为止。这可以通过例如以下步骤完成：
a)在气缸停用条件下连续计算IMP的估计值；
b)将这些估计值与有关所述发动机的所述压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能够在不存在压缩机喘振风险的情况下使一个或多个气缸停用；
c)利用该比较产生的信息确定是否应该发生或延迟一个或多个气缸的所述停用；
d)使所述气缸停用模块停用在不存在压缩机喘振的风险的情况下能够停用的最大数量的气缸；
e)在气缸停用条件下继续计算IMP的估计值；
f)将这些估计值与有关所述发动机的所述压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能够在不存在压缩机喘振风险的情况下使一个或多个另外的气缸停用；
g)利用比较产生的信息来确定是否进行或应该延迟一个或多个另外的气缸的所述停用；
h)使所述气缸停用模块停用在不存在压缩机喘振的风险的情况下而能够停用的最大数量的气缸。
本发明方法的“延迟”部分可以通过将气缸停用延迟预定时间段来实现，该时间段优选地在0.5秒与5秒之间，并且最优选地在0.5秒与3秒之间。另选地，可以通过以下步骤实施延迟：使用在检测步骤中获得的信息来识别对避免压缩机喘振有效的气缸停用顺序，然后实施所识别的顺序。
本发明的另一方面提供一种涡轮增压柴油发动机。改进的涡轮增压柴油发动机的优选实施方式包括：
a)多个气缸；
b)进气口；
c)进气歧管；
d)压缩机；
e)涡轮机；
f)发动机控制模块(ECM)；和
g)气缸停用(CDA)控制器，其有效控制一个或多个气缸的停用；
其中，所述发动机控制模块适于和所述CDA控制器一起工作，以在检测到涡轮机械处于压缩机喘振风险的条件下，延迟所述一个或多个气缸的停用。
所述检测步骤可以检测发动机何时从高于3巴BMEP的高负载操作过渡到非点火发动机操作。
发动机控制模块可以与CDA控制器一起工作，以在检测到压缩机喘振风险后将一定数量的气缸停用延迟预设的时间段。预设时间段可以在0.5s和3s之间。
在另一实施方式中，发动机还包括：
用于测量离开所述发动机的所述压缩机的新鲜空气的所述质量流量的传感器或系统，或者根据已知参数计算离开所述发动机的所述压缩机的新鲜空气的所述质量流量的系统；
用于测量所述发动机的进气歧管压力的传感器；
用于测量所述发动机的发动机速度的传感器或系统；
用于测量所述发动机的排气再循环分数的传感器或系统；和
用于测量所述发动机的进气歧管温度的传感器；
有效地用于存储信息的信息存储器，所述信息包括：i)所述发动机的所述排量；ii)所述发动机的所述容积效率；和iii)所述进气道的所述容积。在这些实施方式中，所述发动机控制模块和所述CDA控制器可以一起工作，以通过进行一组步骤延迟所述一个或多个气缸的停用，这组步骤包括：
a)测量或根据已知参数计算离开所述发动机的所述压缩机的新鲜空气的所述质量流量；
b)测量所述发动机的所述进气歧管压力；
c)测量所述发动机的所述发动机速度；
d)测量所述发动机的所述排气再循环分数；和
e)测量所述发动机的所述进气歧管温度；
f)提供指示所述发动机的排量、将来在用的气缸数量、所述发动机的所述容积效率和所述进气道容积的信息；
g)使用所述质量流量信息、所述进气歧管压力信息、所述发动机速度信息、所述排气再循环分数信息、所述进气歧管温度信息、所述发动机排量信息、所述容积效率信息和所述进气道容积信息估计在停用某些或所有发动机气缸的情况下进气歧管压力随时间的变化；
h)将所述进气歧管压力估计值与可接受的进气歧管压力信息进行比较，以确定气缸停用是否会预期在气缸停用后的任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力；和
i)如果步骤(h)的所述比较表明可以停用一个或多个气缸而不会预期在任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力，则停用在不产生不可接受的进气歧管压力的情况下能够停用的最大数量的气缸；
其中，所述预期进气歧管压力随时间变化的所述估计值中的每一者均使用以下公式确定：
Figure BDA0002740883710000071
其中
Figure BDA0002740883710000072
Figure BDA0002740883710000081
本发明的另一方面提供一种用于实施本发明的某些方面的产品。该产品可以包括有形存储装置，其上存储有用于在柴油发动机上进行本发明方法的信息。
附图说明
图1根据本发明的一个优选实施方式示出了供发动机进气和排气的气流路径以及相关的传感器。
图2示出了当用6、4、3或2个气缸操作时经过发动机的气流。
图3示出了HD-FTP的一部分上的发动机气流测量，详细示出了进入3CDA(灰色区域)后的负气流和振荡(喘振)气流。
图4示出了在压缩机性能图上绘制的来自图4的喘振数据，示出了气流、IMP和涡轮速度的快速波动。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的用于确定是否可能发生压缩机喘振的决策方法。
图6根据一个优选的实施方式示出了所期望的气缸停用状况的表。
图7示出了在2200RPM和1.27巴BMEP下以1.26s从6缸操作到3缸操作1.26s的停用时IMP增加的实施例。
图8示出了应用本发明的某些方面的进气道控制体积。
图9示出了由停用气缸触发的IMP的增加如何在喘振线上推动将来的位置，因此必须加以考虑。
图10示出了根据第二优选实施方式的本发明某些方面的流程图。
图11示出了分阶段的CDA策略(6-4-3)降低了IMP增加的幅度并避免了由6气缸到3CDA引起的减速压缩机喘振。
图12示出了本发明的方法准确地预测了如先前图7中所示的在1.2秒从6缸到3缸停用时的IMP增加。
图13示出了当加速器位置从25％骤变至0％时的实验性IMP(1600RPM/0.44巴BMEP)。
图14示出了当加速器位置从25％骤变至0％时的实验性新鲜气流(1600RPM/0.44巴BMEP)，分阶段的气缸停用减少了气流并避免喘振。
图15示出了当加速器位置从25％骤变至0％时在压缩机性能图(1600RPM/0.44巴BMEP)上叠加的结果，表明分阶段停用气缸成功避免了压缩机喘振。
图16示出了当加速器位置从71％骤变至0％时，实验性IMP(2000RPM/13.0巴BMEP)，将来的IMP预测模型准确地预测IMP的增加。
图17示出了当加速器位置从71％骤变至0％时的实验性新鲜气流(2000RPM/13.0巴BMEP)，分阶段的气缸停用减少了气流，同时避免了负气流(喘振)。
图18示出了应用本发明方法的喘振事件。进行了分阶段的气缸停用以避免压缩机喘振。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在将参考某些实施方式，并将使用特定语言描述这些实施方式。然而，将会理解，由此不意图限制本发明的范围，如本发明所涉及的技术领域的技术人员通常会想到的那样构想所描述的装置中的这种变更和进一步的变型以及其中所说明的本发明原理的这种进一步的应用。
如上所述，本发明的一个方面涉及一种用于改善涡轮增压柴油发动机功能的系统和方法，该涡轮增压柴油发动机具有结合在其中的气缸停用系统。然而，在其他方面，本发明适用于具有其他压缩形式的发动机(包括用于汽油动力发动机的涡轮增压器、E-boost、增压器等)，对于发动机来说，压缩机喘振可能是一个问题。同样，本发明的系统和方法可以应用于其他启用VVA的低负载、低空气流量策略(包括反向呼吸、进气再呼吸、iEGR和通风气缸切口)。
气缸停用(Cylinder Deactivation,CDA)有利于排气热管理和节省燃料提。已显示，与传统方法相比，在加燃料的发动机操作过程中应用CDA可将涡轮机出口温度从190℃提高到310℃，空载时的燃料耗降低39％。在200℃以上出现SCR内NOx转化为H2O和N2的最佳转化率。还可以在发动机空转事件(motoring event)期间的一些或全部气缸上实施CDA，以降低后处理部件的冷却速率。
本发明的第一方面是发现当配备有气缸停用的柴油发动机从高负载操作过渡到低负载或不点火或不操作时，可能发生压缩机喘振。业内尚未认识到或意识到这种压缩机喘振的潜势。
现在已经意识到的是，通过气缸停用，在发生的空转事件期间减少充气流量(chargeflow)需求的可能后果是被称为“减速”压缩机喘振或“减速”喘振的现象。例如，在空转开始时停用6个气缸中的3个气缸会以类似于涡轮增压式SI发动机中节气门突然关闭的影响的方式在系统中形成流量限制。经过进气歧管系统移动的气流的后续减速将显著增加进气歧管压力(IMP)。IMP(例如压缩机出口压力)增加和经过压缩机的气流减少共同导致压缩机进入喘振状态。发生这种情况时，经过压缩机的气流反向流动，随着进气道排空，压缩机和涡轮的旋转停止。这种严重的喘振形式称为深度减速压缩机喘振。深度减速喘振会损害涡轮机械，导致发动机功率损失以及涡轮增压器无法正常工作。
本发明的系统和方法使用多步骤过程以避免压缩机喘振。第一步骤是检测或确定压缩机喘振何时是重大风险。这可以通过使用来自ECU的数据(例如发动机负载的变化)或通过观察其他特征(例如油门踏板位置的变化)来完成。另选地，检测步骤可以通过以下步骤来完成：在气缸停用状况下连续计算IMP的估计值；然后将这些估计值与有关发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能够在不存在压缩机喘振风险的情况下停用一个或多个气缸。
第二步骤是根据检测步骤的确定结果采取措施。第二步骤可以将固定的时间延迟结合至气缸停用，或者可以使用在检测步骤中获得的信息以有效避免压缩机喘振的方式实施气缸停用。
关于用于检测压缩机喘振的可能性的方法，关于发动机负载的信息可以从发动机控制单元获得，并且可以用于启动避免喘振的解决方案。例如，关于发动机负载的信息通常由ECU“获知”，并且当发动机负载从例如3巴BMEP过渡到0.5巴BMEP或从4巴BMEP过渡至0.0巴BMEP或选择任何值时，可以建立协议来实施喘振避免策略。
另选地，可以通过以下来检测压缩机潜在喘振的状况：计算将来进气歧管压力(future intake manifold pressure)的估计值，然后将这些估计值与指示压缩机喘振何时可能发生的数据进行比较。可以使用已知的发动机特性(例如发动机排量、可能在用或停用的气缸数量、发动机的容积效率以及进气道的容积)以及检测到的或估计的发动机操作参数(例如，离开压缩机的新鲜空气的质量流量、进气歧管压力、发动机速度、排气再循环分数和进气歧管温度)来计算将来的IMP的预报。然后将那些IMP的预报与描述压缩机可能发生喘振的状况的数据进行比较。
本文提供了用于在气缸被停用的情况下估计将来的IMP值的优选公式。将该公式生成的估计值与“压缩机性能图”(包括“喘振线”)进行比较，该“喘振线”反映了何时可以根据压力比(具体是
Figure BDA0002740883710000111
)、根据减少的质量流量(具体是
Figure BDA0002740883710000112
)预期压缩机喘振。图18中提供了示出压缩机喘振线的压缩机性能图的一个实施例。
压缩机喘振线对于发动机的每个特定模型是已知的，但是在现有技术中，尚未将其用于动态确定发动机是否处于压缩机喘振的风险中。在本发明中，压缩机喘振线用作一种工具，用于与特定CDA状况下进气歧管压力变化的估计值进行比较，然后告知可停用多少气缸以避免压缩机喘振的决策，从而尽快进入气缸停用状态，同时避免压缩机喘振。
压缩机喘振线可以用于为何时实施特定气缸停用协议的规则提供数据。例如，可以创建表以将压缩机喘振线数据与特定时间的有关发动机速度和负载的信息进行比较。利用这种方法，可以建立并实施规则，从而在发动机的特定速度和负载下，使用设定时间(例如0.5秒至1.5秒)的CDA延迟。图6所示的表格示出期望的气缸停用状况，该表格是可以以这种方式使用的表格的一个示例。在该表中，箭头代表存在压缩机喘振风险的状况。例如，如果停用两个或多个气缸，则从诸如高于1400rpm的发动机速度、高于3巴BMEP之类的动力状况移动，将存在压缩机喘振的风险。最坏的状况出现在最高速度下，特别是在高于1400rpm或高于1600rpm，或高于1800rpm或高于2000rpm的速度下。
确定发动机是否有压缩机喘振的危险(即确定一个或多个气缸的停用是否会使发动机在喘振线上方运动)可以通过在确定中包括安全裕度来实现。优选地，该确定包括10％的安全裕度，以避免可能与在计算中所预测的精确地运行的发动机略有不同的发动机中的压缩机喘振。
确定压缩机性能图(包括喘振线)数据的日期可由涡轮增压器制造商提供。压缩机性能图(包括喘振线)对于涡轮增压器(即，不同尺寸或零件编号的涡轮增压器具有不同的压缩机性能图，就像不同尺寸或品牌/型号的发动机具有不同的扭矩曲线一样)是特定的。定义喘振线的点(由涡轮增压器制造商以表格格式提供)的集合必须转换为IMP预报模块的“有用”格式。
在一个优选的实施方式中，利用以下方法步骤创建压缩机性能图。
步骤1：曲线拟合定义喘振线的数据(点的集合)。使用6阶多项式，喘振线＝Y(x)＝Ax6+Bx5+Cx4+Dx3+Ex2+Fx+G。如前所述，系数A、B、C...G对于涡轮增压器是唯一的。
步骤2：创建修改后的喘振线，其包括10％的安全裕度(上面图中的喘振线w/10％裕度)。喘振线w/10％裕度＝YMODIFIED(x)＝A(0.9x)6+B(0.9x)5+C(0.9x)4+D(0.9x)3+E(0.9x)2+F(0.9x)+G。在这里，系数A、B、C...G对于涡轮增压器也是唯一的。
使用喘振线(优选具有10％的安全裕度)，可以在压缩机性能图上绘制预测的将来的IMPs，以确定是否存在压缩机喘振的风险。例如，可以使用预测的将来的IMP(标准化的w/Pamb)＝Ypredicted与预测的将来的减少的压缩机质量流量＝mout＝Xpredicted的对比。如果是YMODIFIED(Xpredicted)＞Ypredicted，则预测无喘振。但是，如果YMODIFIED(Xpredicted)＜Ypredicted，则预测出现喘振。图5的图示出了该决策树，图10的流程图示出了该决策树的一种应用。
关于避免压缩机喘振的方法，可以使用固定的时间延迟。例如，在实施CDA之前，可以使用0.5秒到3秒的延迟来避免压缩机喘振。
另选地，关于发动机的压缩机喘振状况的信息可以被用来确定何时可能发生一个或多个气缸的停用而不存在压缩机喘振的风险。通过这种方法，可以以有效避免压缩机喘振的方式实施气缸停用。
鉴于以上内容，可以看出，本发明的一个方面提供了一种用于检测涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振风险中的方法，并且在处于压缩机喘振风险中的情况下，本发明的方法将部分或全部气缸停用延迟。在相关方面，本发明提供了一种这样的方法，该方法用于检测何时能够发生气缸停用而不存在压缩机喘振的风险，然后将在不存在压缩机喘振的风险的情况下能够停用的最大数量的气缸停用。
在一个优选实施方式中，系统在气缸停用的状况下连续计算IMP估计值，并使用该信息来使气缸停用模块在本该发生气缸停用的时候延迟某些气缸的停用。通过这种“分阶段停用”方法，停用了可以停用的最大数量的气缸，并且系统继续计算是否以及何时能够发生其他停用。因此，如果气缸停用模块指示了例如从6个气缸到2个气缸的停用，但是本发明的压缩机喘振方法指示这种停用可能导致压缩机喘振，则气缸停用可能会发生一系列停用(从6个在用气缸到4个在用气缸，然后从4个在用气缸到2个在用气缸)，这样就可以实现所期望的气缸停用，同时避免压缩机喘振。气缸分阶段停用的顺序的时间通常非常短，例如大约五秒钟或更短。
可以在允许必要的计算并且可以与气缸停用模块通信的任何地方提供实施本发明方法所必需的信息和/或软件。例如，可以使用有形的存储装置来存储所需的信息和/或软件，以计算预期进气歧管压力随时间变化的估计值和/或将估计值与相对于气流的可接受进气歧管压力值进行比较并且直接或间接地将信息提供给气缸停用模块。另选地，可以在发动机校准和/或控制系统中提供实施本发明的方法所需的信息和/或软件。
如前所述，本发明方法所使用的这组步骤旨在有效地减轻涡轮增压器压缩机喘振以及在从高负载操作(所有气缸被激活)过渡至到低负载操作(一个或多个气缸被停用)的过渡期间的功能损失。本发明的系统和方法进行的一组优选步骤包括：
i)测量涡轮增压柴油发动机的进气歧管压力；
ii)测量所述涡轮增压柴油发动机的涡轮速度；
iii)测量进入所述涡轮增压柴油发动机的进气的新鲜空气流量；
iv)选择可能在所述涡轮增压柴油发动机中停用的气缸的第一期望数量，其中所述第一期望数量小于n；
v)如果停用期望数量的气缸，则计算预期的进气歧管压力随时间的变化的第一估计值；
vi)将第一估计值的最大进气歧管压力与可接受的进气歧管压力进行比较，以确定停用期望数量的气缸是否会预期在期望数量的气缸停用之后的任何相关时间产生不可接受的输入歧管压力；
vii)如果步骤(vi)的比较表明，预期停用期望数量的气缸不会在任何相关时间产生不可接受的输入歧管压力，则停用所述涡轮增压柴油发动机上的期望数量的气缸；
viii)如果步骤(vi)的比较表明，预期停用期望数量的气缸会在所选数量的气缸停用之后的任何相关时间产生不可接受的输入歧管压力，则将停用的气缸的期望数量减少至较低的气缸的期望数量，并重复步骤(vi)，(vii)和(viii)，直到气缸被停用为止；
其中，预期的进气歧管压力随时间变化的所述估计值中的每一者均使用以下公式确定：
Figure BDA0002740883710000141
其中
Figure BDA0002740883710000151
可以使用上面示出的公式来迭代确定将来的出口压力，优选使用0.1s的时间增量直到将来的1s。
本发明的另一方面是柴油发动机，该柴油发动机包括：
a)多个气缸；
b)进气口；
c)进气歧管；
d)压缩机；
e)涡轮机；
f)发动机控制模块(ECM)；和
g)气缸停用(CDA)控制器，其有效控制一个或多个气缸的停用，
发动机控制模块优选地适于与CDA控制器一起工作，以在检测到发动机处于压缩机喘振风险的状况下延迟所述一个或多个气缸的停用。
本发明系统的部件可以一起工作以在检测到压缩机喘振的风险时将停用延迟一段设定的时间，或者可以通过进行预定的一组步骤来延迟停用。在发动机控制模块和/或CDA控制器之外或代替发动机控制模块和/或CDA控制器，系统还可以使用微控制器确定停用期望数量或选定数量的气缸是否会预测产生不可接受的输入歧管压力，并随后启动气缸停用。优选地，用于确定停用气缸是否会预测产生不可接受的输入歧管压力的机制结合到发动机的校准系统中。
为了验证本发明的系统和方法，使用了配备有无凸轮可变气门致动(VVA)系统的六缸康明斯(Cummins)涡轮柴油发动机。交流测功机经由传动轴联接到发动机，其允许发动机进行非燃料旋转(空转)，这在车辆滑行期间很常见。该发动机配备有冷却液冷却的高压排气再循环(EGR)回路、空气-水增压空气冷却器(CAC)和可变几何涡轮增压器(VGT)。
图1中示出了发动机的气体交换路径。空气滤清器110在新鲜空气通过它流入层流元件120(“LFE”)和压缩机130之前对其进行过滤。空气行进至气缸体150，经由进气歧管151进入并经由排气歧管152离开。在离开气缸后，空气被引导至涡轮机160。在发动机空气滤清器110、压缩机入口131、压缩机出口132、CAC入口141和出口142以及进气歧管151处记录压力。在相同位置处记录温度。
若干示例性传感器可以包括质量空气流量传感器(“MAF”)、压差传感器(Delta_P_sensor)、气压传感器、升压传感器、温度传感器、速度传感器(例如霍尔效应传感器)、气门位置传感器、氧气传感器等的一种或多种组合。可从图1中所示的测试单元进行升级以用于公路车辆。例如，层流元件(LFE)可以替换为另一个空气流量传感器，例如MAF传感器。等同和另选的传感器理应在本公开的范围内。虽然直接感测是获得诸如新鲜空气的质量流量、IMP、发动机速度、EGR分数和进气歧管温度之类的值的一种方法，但可以另选地估计这些值。估计的手段可以包括直接测量值和存储的、处理的算法的组合以求解或得出估计值。例如，速度密度计算可以用于估计空气质量流量。等效和另选的估计理应在本公开的范围内。
在空转或低负载事件期间，以较少的在用气缸进行操作减少经过后处理系统的气流，从而改善热管理。但是，可能由于压缩机出口压力的后续增加和压缩机气流的减少而引起压缩机喘振。作为示例，考虑图3中绘制的实验空气流量数据。在该图中，灰色区域指示驱动循环的空转区段，在此期间，在高发动机负载操作后实施3CDA。CDA终止向气缸的燃料喷射并停止气门运动，从而关闭进气门和排气门。6缸发动机中的“3CDA”表示3个气缸无燃料且无气门运动，而其余3个气缸加有燃料并且具有气门开闭。CDA可以用于启用其他可变气门致动(“VVA”)技术的气门机构，例如发动机制动或早期或晚期气门开闭技术。如图4所示，由于气缸停用而导致取代的气缸容积的突然减小导致压缩机操作超过喘振线，从而压缩机流反向并振荡。压缩机轴速在0.1秒内从95,000降至0RPM，气流经过LFE反向，如774秒标记处的负气流所示。
如前所述，避免深度减速压缩机喘振的一种方法是在过渡到3CDA之前，等待IMP固定的时间以减少到接近大气条件。一种另选方法是，一旦预测将避免喘振，就停用气缸。为将此实现，需要进行以下三个变量的预测：i)将来IMP增加，其由减少流入数量减少了的在用气缸的发动机充气流量导致(图7)；ii)将来的压缩机空气流量；以及iii)相对于压缩机喘振线的预测的IMP和质量流量的位置。
通过压缩机性能图迭代地预测将来的压缩机质量空气流量。使用可测量的涡轮速度(假定常数)和预测的将来IMP的输入、压缩机性能图查找表的输出提供将来压缩机质量流量的估计值。在空转和低负载事件期间，涡轮速度将略有降低，但可以假定为恒定速度以简化模型。这通过略微过高预测IMP的增加，也提供了一个很小的安全裕度。重新安排质量方程式的守恒，可以通过以下方程式进行压力预测。以0.1s的时间增量迭代地确定将来的压缩机出口压力。
Figure BDA0002740883710000171
其中
Figure BDA0002740883710000172
Figure BDA0002740883710000181
使用具有预测的IMP和计划在用气缸的数量的发动机质量流量方程式，预测将来的发动机质量气流。然后，将压缩机空气流量和IMP的未来预测结果绘制在压缩机性能图上(如图9所示)，通过平方和的平方根(square root of the sum of the squares)确定到喘振线的距离。使用具有预测的IMP+涡轮速度的输入的查找表(压缩机性能图)预测压缩机的质量流量。该算法遵循图10所示流程图中的逻辑。
在空转过程中，必须考虑CDA开始后IMP的增加，因为较高的压力将使将来的压缩机性能图位置更接近或超过喘振线。假设在停用气缸后IMP保持恒定(没有增加)，这将无法准确预测喘振的开始。这在图9中示出。
优选使用10％的喘振裕度以解释新鲜气流的脉动性质，并解释喘振线的不精确性。喘振和“裕度增加”的喘振线在图11中示出。该图还示出了所提出的算法如何避免喘振。IMP的增加幅度通常与气流的百分比降低成比例，因此从6个在用气缸跨越到4个在用气缸(2CDA)将气流减少1/3，而从6个在用气缸跨越至3个在用气缸(3CDA)则将气流减少1/2。气流的大幅的阶跃减少会导致IMP大幅增加，这可能导致压缩机喘振。
尽管以上公式公开了确定何时可能发生压缩机喘振的优选方法，但是也可以使用其他公式。例如，可以使用空气质量流量和进气歧管压力，而不测量或估计发动机速度和/或不测量或估计排气再循环分数和/或不测量或估计进气歧管温度。
使用对应于各种初始条件和停用气缸的数量的实验数据验证了本发明的方法。例如，图7示出了在2200RPM和1.27巴BMEP下以1.26s从六缸操作到三缸操作的停用时IMP增加的实施例，并且图12示出了预测的IMP值如何与该数据进行比较。从图中可以看出，该模型准确地捕获了IMP增加的物理特性，从而允许本发明的系统和方法改善发动机的功能。
验证模型后，将其用于分阶段气缸停用，以防止压缩机在两种不同情况下喘振：i)1600RPM/25％加速器位置至1600RPM/空转；ii)2000RPM/71％加速器位置至2000RPM/空转。前者用于确认本发明方法在较低的发动机速度和负载下的瞬态应用，而后者则用于模拟HD-FTP的曾见过深度减速压缩机喘振现象的部分。
低负载结果。瞬态测试是在1600RPM和25％加速器位置的条件下进行的，其中发动机以0.44巴的BMEP加载。在此测试中，加速器位置保持恒定在25％，直到IMP和发动机质量流量(由LFE测量)稳定为止。此时，加速器位置变为0％(空转)，并且采用本发明的步骤组来停用气缸并避免喘振。在整个测试过程中，发动机速度保持恒定。图13、图14和图15中示出了测得的IMP、新鲜气流和停用气缸的数量。
根据需要，通过本发明的系统和方法避免了喘振。控制策略将6缸操作维持约0.5秒，然后过渡到4缸操作(2CDA)并将其维持约1秒，然后过渡到3缸操作(3CDA)并将其维持2秒。如前所述，为了使IMP的增加能够减小到足以避免压缩机喘振的程度，延迟气缸停用并分阶段使在用的气缸数量从6到4到3到2是必要的。在该示例中，六缸发动机可以从零CDA跨越到2CDA，再到3CDA，再到4CDA。所有气缸CDA(6CDA)是停用所有气缸的情况。一种另选方案是使用为避免压缩机喘振而提出的方法，从6缸操作跨越到所有发动机CDA(即，直列(in-line)6缸发动机的6CDA)。
高负载结果。还从2000RPM和71％的加速器位置的条件下进行了本发明的系统和方法的瞬态测试，其中发动机以13.0巴BMEP加载。在该测试中，加速器位置保持恒定在71％，直到IMP和发动机质量流量(由LFE测量)稳定为止。然后将加速器位置更改为0％(空转)，并以与以前相同的方式将本发明的方法应用于停用气缸并避免喘振。该测试再现了HD-FTP的以前曾发生过深度减速压缩机喘振的区段。
具体地，在图16和图17中示出了所测量的IMP、新鲜空气流量和停用气缸的数量。该测试表明，本发明的方法准确地预测了与气缸停用相关的IMP的增加，如图18所示，压缩机出口处的状态在不喘振线交叉的情况下与接近喘振线的程度表明了这一点。本发明的方法在适当的时间量内使在用气缸的数量保持恒定以避免压缩机喘振。控制器不允许停用减到两个在用气缸的最小性能，因为它在这些发动机操作状况下预测喘振线左侧的位置。
图18示出了叠加在压缩机性能图上的以2000RPM和71到0％的加速器位置变化实施的喘振避免方法。由本发明方法提供的估计表明，从6个在用气缸直接过渡到3个在用气缸会促使压缩机喘振，因此该方法使发动机保持6缸操作，直到IMP充分减小为止，然后再切换到4缸并最终切换到3缸。在这种情况下，从来没有达到2缸操作，因为即使在大气压下2缸操作也位于喘振线的左侧。当进气歧管压力处于环境压力或接近环境压力时，在喘振线左侧操作不会由于没有ΔP或跨压缩机叶轮的反向气流而损害涡轮增压器的功能。
本发明的方法提供了分阶段的气缸停用，其成功地避免了在HD-FTP的空转区段期间的喘振，并且这样做可以在不损害涡轮机械的情况下实现最快的气缸停用。
在上述本发明的方面中，所公开的方法主要用于避免从高负载操作过渡到非燃烧操作时的压缩机喘振。除那种情况之外，所公开的方法还可以用于避免从高负载操作过渡到空载或低负载操作(例如在小于0.5巴的BMEP下操作)时的压缩机喘振。在本发明的这些方面的背景下，高负载操作通常被预期为大约3巴BMEP，并且优选地在大约4巴BMEP以上。
在2018年2月26日提交的申请人的美国临时专利申请第62/635441号中公开了对本发明的原理和实施方式的进一步讨论，其全部内容通过引用合并于此。
尽管已经在附图和前面的描述中详细示出并描述了本发明，但是附图和前面的描述被认为是示例性的而非限制性的，应当理解，仅示出和描述了某些优选实施方式，并且希望保护落入本发明的精神内的所有变化和变型。另外，应当理解，本发明可以包括或实质上由所描述或示出的特征中的任何一个或全部组成。例如，本发明包括包括在说明书或附图中描述或示出的任何或全部特征的装置和方法，并且本发明包括实质上由说明书或附图中示出的任何或所有特征组成的装置和方法。另外，本文公开的任何或所有特征以及/或者实施方式可以与本文公开的任何或所有其他特征和/或实施方式组合以提供包括这样的特征或实质上由这样的特征组成的装置或方法。
最后，在本公开中使用语法手段“和/或”(例如在“A和/或B”中)表示单独的A或单独的B或A和B两者。

Claims (27)

1.一种用于改善配备有气缸停用系统的涡轮增压柴油发动机的功能的方法，该方法包括：检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险中，然后延迟部分或全部的气缸停用，直到不指示压缩机喘振风险为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测是通过以下完成的：针对特定的CDA状况计算进气歧管压力变化的估计值，然后将这些估计值与发动机的压缩机喘振线进行比较，以确定一个或多个气缸的停用是否会避免压缩机喘振。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法还包括在避免压缩机喘振的同时，尽可能快地进入气缸停用。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述估计值是通过包括以下步骤的一组步骤来计算的：
a)测量或根据已知参数计算离开所述发动机的压缩机的新鲜空气的质量流量；
b)测量所述发动机的进气歧管压力；
c)测量所述发动机的发动机速度；
d)测量所述发动机的排气再循环分数；和
e)测量所述发动机的进气歧管温度；
f)提供指示所述发动机的排量、将来在用的气缸数量、所述发动机的容积效率和进气道的容积的信息；
g)使用质量流量信息、进气歧管压力信息、发动机速度信息、排气再循环分数信息、进气歧管温度信息、发动机排量信息、容积效率信息和进气道容积信息估计在停用某些或所有发动机气缸的情况下进气歧管压力随时间的变化；
h)将所述进气歧管压力估计值与可接受的进气歧管压力信息进行比较，以确定气缸停用是否会预期在气缸停用后的任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力；和
i)如果步骤(h)的所述比较表明可以停用一个或多个气缸而不会预期在任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力，则停用在不产生不可接受的进气歧管压力的情况下能够停用的最大数量的气缸；
其中，所述预期进气歧管压力随时间变化的所述估计值中的每一者均使用以下公式确定：
Figure FDA0002740883700000021
其中
Figure FDA0002740883700000022
Figure FDA0002740883700000031
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发动机气缸停用发生为：一系列单独的气缸停用，直到停用适当数量的发动机气缸为止。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述方法包括：
通过计算进气歧管压力随时间变化的第一组估计值，检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险；
将所述第一组估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振；
实施气缸减压的第一阶段；
随后通过计算进气歧管压力随时间变化的第二估计值来检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险；
将这些估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振；
实施气缸减压的第二阶段。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述检测通过以下步骤完成：
a)在气缸停用条件下连续计算IMP的估计值；
b)将这些估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能够在不存在压缩机喘振风险的情况下使一个或多个气缸停用；
c)利用该比较产生的信息确定是否应该发生或延迟一个或多个气缸的停用；
d)使气缸停用模块停用在不存在压缩机喘振的风险的情况下能够停用的最大数量的气缸；
e)在气缸停用条件下继续计算IMP的估计值；
f)将这些估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能够在不存在压缩机喘振风险的情况下使一个或多个另外的气缸停用；
g)利用该比较产生的信息来确定是否能够进行或应该延迟一个或多个另外的气缸的所述停用；
h)使所述气缸停用模块停用在不存在压缩机喘振的风险的情况下能够停用的最大数量的气缸。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测步骤是通过检测所述发动机何时从高于3巴BMEP的高负载发动机操作过渡到非点火发动机操作来完成的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测步骤是通过检测所述发动机何时从高于3巴BMEP的高负载发动机操作过渡到低于0.5巴BMEP的低负载发动机操作来完成的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述延迟步骤针对固定的时间段。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述固定时间是根据关于所述发动机的当前速度和负载状况的信息来计算的。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述固定时间是使用所述发动机的压缩机喘振线来计算的。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述固定时间在0.5秒至3秒之间。
14.根据权利要求2所述的方法，其中，所述估计值是通过包括以下步骤的一组步骤来计算的：
a)测量或估计离开具有n个气缸的涡轮增压柴油发动机的压缩机的新鲜空气的质量流量；
b)测量或估计所述发动机的进气歧管压力；
c)提供指示所述发动机的排量、将来在用气缸数量以及所述发动机的容积效率的信息；
d)使用质量流量信息、进气歧管压力信息、发动机排量信息和容积效率信息估计在某些或全部发动机气缸停用的情况下进气歧管压力随时间的变化；
e)将所述进气歧管压力估计值与可接受的进气歧管压力信息进行比较，以确定停用气缸是否会预期在气缸停用后的任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力；和
f)如果步骤(e)的所述比较表明可以停用一个或多个气缸而不会预期在任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力，则停用在不产生不可接受的进气歧管压力的情况下能够停用的最大数量的气缸。
15.一种涡轮增压柴油发动机，该发动机包括：
a)多个气缸；
b)进气口；
c)进气歧管；
d)压缩机；
e)涡轮机；
f)发动机控制模块(ECM)；和
g)气缸停用(CDA)控制器，其有效控制一个或多个气缸的停用；
其中，所述发动机控制模块适于计算特定CDA条件下进气歧管压力变化的估计值，然后将这些估计值与该发动机的压缩机喘振线进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振，然后在避免压缩机喘振的同时尽快进入气缸停用状态。
16.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述发动机还包括：
用于测量离开所述发动机的压缩机的新鲜空气的质量流量的传感器或系统，或者根据已知参数计算离开所述发动机的压缩机的新鲜空气的质量流量的系统；
用于测量所述发动机的进气歧管压力的传感器；
用于测量所述发动机的发动机速度的传感器或系统；
用于测量所述发动机的排气再循环分数的传感器或系统；和
用于测量所述发动机的进气歧管温度的传感器；
有效地用于存储信息的信息存储器，所述信息包括：i)所述发动机的排量；ii)所述发动机的容积效率；和iii)进气道的容积。
17.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述估计值是通过包括以下步骤的一组步骤来计算的：
a)测量或根据已知参数计算离开所述发动机的所述压缩机的新鲜空气的质量流量；
b)测量所述发动机的进气歧管压力；
c)测量所述发动机的发动机速度；
d)测量所述发动机的排气再循环分数；
e)测量所述发动机的进气歧管温度；
f)提供指示所述发动机的排量、将来在用的气缸数量、所述发动机的容积效率和进气道的容积的信息；
e)使用质量流量信息、进气歧管压力信息、发动机速度信息、排气再循环分数信息、进气歧管温度信息、发动机排量信息、容积效率信息和进气道容积信息估计在停用0至n个发动机气缸的情况下进气歧管压力随时间的变化；
f)将所述进气歧管压力估计值与可接受的进气歧管压力信息进行比较，以确定气缸停用是否会预期在气缸停用后的任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力；和
g)如果步骤(f)的所述比较表明可以停用一个或多个气缸而不会预期在任何相关时间产生不可接受的进气歧管压力，则停用在不产生不可接受的进气歧管压力的情况下能够停用的最大数量的气缸；
其中，所述预期进气歧管压力随时间变化的所述估计值中的每一者均使用以下公式确定：
Figure FDA0002740883700000081
其中
Figure FDA0002740883700000082
18.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述发动机气缸停用包括：
通过计算进气歧管压力随时间变化的第一组估计值，检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险；
将所述第一组估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振；
实施气缸减压的第一阶段；
随后通过计算进气歧管压力随时间变化的第二估计值来检测所述涡轮增压柴油发动机何时处于压缩机喘振的风险；
将这些估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振；
实施气缸减压的第二阶段。
19.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述发动机气缸停用发生为：一系列单独的气缸停用，直到适当数量的发动机气缸停用为止。
20.根据权利要求18所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述检测通过以下步骤完成：
a)在气缸停用条件下连续计算IMP的估计值；
b)将这些估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能够在不存在压缩机喘振风险的情况下使一个或多个气缸停用；
c)利用该比较产生的信息确定是否应该进行或延迟一个或多个气缸的停用；
d)使气缸停用模块停用在不存在压缩机喘振风险的情况下能够停用的最大数量的气缸；
e)在气缸停用条件下继续计算IMP的估计值；
f)将这些估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定是否能够在不存在压缩机喘振风险的情况下使一个或多个另外的气缸停用；
g)利用该比较产生的信息来确定是否能够进行或应该延迟一个或多个另外的气缸的停用；
h)使所述气缸停用模块停用在不存在压缩机喘振的风险的情况下能够停用的最大数量的气缸。
21.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述发动机控制模块适于检测所述发动机何时从高于3巴BMEP的高负载发动机操作过渡到非点火发动机操作。
22.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述发动机控制模块适于检测所述发动机何时从高于3巴BMEP的高负载发动机操作过渡到低于0.5巴BMEP的低负载发动机操作。
23.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述发动机控制模块适于针对固定的时间段延迟气缸停用。
24.根据权利要求23所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述固定时间是根据关于所述发动机的当前速度和负载状况的信息来计算的。
25.根据权利要求23所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述固定时间是使用所述发动机的压缩机喘振线来计算的。
26.根据权利要求23所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述固定时间在0.5秒至3秒之间。
27.根据权利要求15所述的涡轮增压柴油发动机，其中，所述发动机还包括：
用于测量离开所述发动机的所述压缩机的新鲜空气的质量流量的传感器或系统，或者根据已知参数计算离开所述发动机的所述压缩机的新鲜空气的质量流量的系统；
用于测量所述发动机的进气歧管压力的传感器；
有效地用于存储信息的信息存储器，所述信息包括：i)所述发动机的排量；以及ii)所述发动机的容积效率；
其中，所述发动机控制模块和所述CDA控制器一起工作，以计算进气歧管压力随时间变化的估计值，然后将这些估计值与有关所述发动机的压缩机喘振状况的信息进行比较，以确定停用一个或多个气缸是否会避免压缩机喘振。
a)测量或根据已知参数计算离开所述发动机的压缩机的新鲜空气的质量流量；
b)测量所述发动机的进气歧管压力；
c)测量所述发动机的发动机速度；
d)测量所述发动机的排气再循环分数；
e)测量所述发动机的进气歧管温度。
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