CN112867857A - 控制发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制发动机的方法，并且更具体地涉及一种用于控制内燃发动机的运行模式之间(诸如，经济模式和性能模式之间)的转变的方法。所述方法包括以下步骤：确定发动机正在运行时的当前的燃料‑空气比以及比较当前的燃料‑空气比与预定的燃料‑空气比极限。确定当前的燃料‑空气比低于燃料‑空气比极限的持续时间，并且将所述持续时间与预定的等待时间阈值进行比较。当发动机以低于燃料‑空气比极限的当前的燃料‑空气比运行时，基于当前的燃料‑空气比与燃料‑空气比极限之间的差触发计数，并且将所述计数与强度阈值进行比较。当持续时间和计数都分别超过等待时间阈值和强度阈值时，运行模式从性能模式切换为经济模式。当当前的燃料‑空气比达到或超过燃料比极限时，运行模式自动切换回性能模式。所述方法可替代地包括使用空气‑燃料比而不是燃料‑空气比，并且仅当当前的空气‑燃料高于预定的空气‑燃料极限并且保持高于预定的空气‑燃料极限，直到达到另外两个预定阈值时才发生从性能模式到经济模式的切换。

Description

控制发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种控制发动机的方法，并且更具体地涉及一种用于控制内燃发动机的运行模式之间的转变的方法。
背景技术
内燃发动机用于各种各样的应用中，所有这些应用都有不同的需求。然而，在许多此类应用中，发动机在运行过程中经常会经历负荷(瞬时负荷)的突然增加。发动机控制器可以在此类瞬时负荷期间增加提供给发动机的燃料量，以维持发动机速度。对于燃烧空气燃料混合物(无论是气态燃料还是液态燃料)的发动机，提供给发动机的燃料的增加速率受到提供给燃烧的空气的增加速率的限制，从而受到发动机的进气歧管气压的增加速率的限制。涡轮增压发动机可以通过控制压缩机来增加进气歧管气压。
内燃发动机的性能也可能受到许多其他因素的影响，并且始终需要更复杂的发动机控制来优化发动机性能。在减少工作负荷(workload)时，可能需要少于发动机的全部功率才能有效发挥发动机性能。在此类减少工作负荷期间可能会为增加燃料效率以及减少发动机噪音和排放提供机会。
因此，内燃发动机，尤其是涡轮增压内燃发动机，可以具有至少一种功率模式(性能模式)和低功率或燃料高效模式(经济模式)。在性能模式下，发动机可以在更高和更多的可变工作负荷下运行，并且可以对任何变化做出快速响应。在经济模式下，发动机可以在更低和更恒定的工作负荷下运行。经济模式可以在工作负荷需求减少期间提供相对较低的发动机速度，同时每当发动机可能遇到更高的工作负荷时允许发动机切换回性能模式。这些操作模式的正确应用可能取决于发动机的应用。然而，使用经济模式可以在不损害功率和性能的情况下显著改善燃料经济性(fuel economy)。
在涡轮增压发动机低速运行期间，例如，在经济模式下，可能有超过燃烧所需的空气。然而，由于需要时间来增加压缩机的速度以提高来自涡轮增压器的增压水平，因此，发动机从低速和低负荷到高速和高负荷的瞬时响应时间可能很慢。排气(Exhaust gas)驱动涡轮增压器的涡轮机，涡轮机继而驱动涡轮增压器的压缩机，从而向发动机的燃烧室提供压缩空气，以提供增压。在低速运行期间，由低速率发动机排量(engine displacement)引起的排气流可能无法在涡轮机上产生明显的压降。因此，涡轮机可以以相对较低的速度来驱动，并且涡轮增压器所达到的增压水平可能较低。在燃烧室中喷射额外的燃料可以提高发动机的速度，这又可以产生更多的排气流，以更快地驱动涡轮机，从而可以增加增压水平。但是，在涡轮机旋转到所需速度之前可能会有时滞(time lag)，这必然会产生增压，以从发动机获得所需的功率。同样，在相对较长的瞬时时间段内，可能没有足够量的空气来清洁喷射出的燃料的量的燃烧，从而产生黑烟。
由于经济模式通常具有较低的瞬时响应，因此，发动机可能需要确定何时进入或退出此模式，以限制对操作者感知的瞬时性能的影响。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于在经济模式和性能模式之间自动切换内燃发动机的运行模式的方法，所述方法包括以下步骤：
确定发动机正在运行时的当前的燃料-空气比；
比较当前的燃料-空气比与预定的燃料-空气比极限；
确定当前的燃料-空气比低于燃料-空气比极限的持续时间，并且将所述持续时间与预定的等待时间阈值进行比较；
当发动机以低于燃料-空气比极限的当前的燃料-空气比运行时，基于当前的燃料-空气比与燃料-空气比极限之间的差提供计数，并且将所述计数与强度阈值进行比较；
当持续时间和计数都分别超过等待时间阈值和强度阈值时，将发动机的运行模式从性能模式切换为经济模式；以及
当当前的燃料-空气比达到或超过燃料-空气比极限时，将发动机的运行模式从经济模式切换为性能模式。
本发明还提供了一种发动机系统，包括：
内燃发动机，具有至少两种运行模式，包括经济模式和性能模式；
至少一个传感器，根据发动机的至少一个运行参数提供至少一个输出信号；以及
控制器，被配置为从所述至少一个传感器接收所述至少一个输出信号，并且由所述至少一个输出信号确定发动机的当前的燃料-空气比；
其中预定的燃料-空气比极限、预定的等待时间阈值以及预定的强度阈值存储在控制器中，并且控制器被编程为根据上述方法在经济模式和性能模式之间切换发动机的运行模式。
本发明还提供了一种用于在经济模式和性能模式之间自动切换内燃发动机的运行模式的方法，所述方法包括以下步骤：
确定发动机正在运行时的当前的空气-燃料比；
比较当前的空气-燃料比与预定的空气-燃料比极限；
确定当前的空气-燃料比高于空气-燃料比极限的持续时间，并且将所述持续时间与预定的等待时间阈值进行比较；
当发动机以高于空气-燃料比极限的当前的空气-燃料比运行时，基于当前的空气-燃料比与空气-燃料比极限之间的差提供计数，并且将所述计数与强度阈值进行比较；
当持续时间和计数都分别超过等待时间阈值和强度阈值时，将发动机的运行模式从性能模式切换为经济模式；以及
当当前的燃料-空气比达到或低于空气-燃料比极限时，将发动机的运行模式从经济模式切换为性能模式。
本发明还提供了一种发动机系统，包括：
内燃发动机，具有至少两种运行模式，包括经济模式和性能模式；
至少一个传感器，根据发动机的至少一个运行参数提供至少一个输出信号；以及
控制器，被配置为从所述至少一个传感器接收所述至少一个输出信号，并且由所述至少一个输出信号确定发动机的当前的空气-燃料比；
其中预定的空气-燃料比极限、预定的等待时间阈值以及预定的强度阈值存储在控制器中，并且控制器被编程为根据上述方法在经济模式和性能模式之间切换发动机的运行模式。
附图说明
以下仅通过举例的方式，参考以下附图来描述本发明的各方面，其中：
图1是内燃发动机系统的示意图；
图2是示出控制图1的系统的内燃发动机的运行模式之间的转变的方法的流程图；并且
图3是示出随时间变化的内燃发动机的运行模式之间的转变的曲线图。
具体实施方式
图1示出了适合于操作本文公开的方法的发动机系统10。发动机系统10可以包括发动机11，发动机11可以是内燃发动机，并且可以包括涡轮增压器(未示出)。涡轮增压器可以是固定几何形状、可变几何形状，或其他类型的涡轮增压器。或者，发动机11可以包括增压器(supercharger)或用于增加提供给发动机11的空气的压力的另一设备。
发动机系统10还可以包括连接到发动机11的发动机控制单元12(也称为ECU或ECM)。发动机控制单元12可以执行多种功能，包括监视和控制发动机11的速度。发动机控制单元12可以是安装有发动机系统10的机器或车辆的主控制系统(未示出)的一部分，其控制机器或车辆以及发动机11的其他功能。或者，它可以是单独的模块。发动机控制单元12可以包括内存和处理单元，内存可以以数据的形式存储指令或算法，处理单元可以包括被配置为基于指令执行操作的软件。内存可以包括用于存储计算机程序指令的任何合适的计算机可访问或非暂时性存储介质，诸如，RAM、SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM、SRAM、ROM、磁性介质、光学介质等。处理单元可以包括能够执行内存存储指令的任何合适的处理器，诸如，微处理器、单处理器、多处理器等。
发动机控制单元12还可以连接到至少一个传感器13并从至少一个传感器13接收信号，以使其能够确定当前的燃料-空气比(FAR)，即发动机11运行时的燃料质量和空气质量之比。当前的FAR可通过多种方式确定，例如，通过基于对发动机燃料和进气特性(诸如，来自喷射器和进气歧管的温度、压力以及流量)的直接测量来计算当前的FAR。对于本领域技术人员来说，基于燃料、进气和/或燃料/空气混合物的测量特性来确定当前的FAR的适当测量设备和计算是显而易见的。传感器13可以是被配置为提供发动机10的FAR的空气-燃料比传感器。或者，传感器13可以是测量发动机10内的氧气的氧气传感器。
发动机控制单元12可以在其内存中存储一个或多个发动机映射和/或算法，其中一个可以与发动机10的FAR极限有关。FAR极限可对应于发动机11的预定烟度极限。这可能是发动机11正常工作时的满负荷极限，超过此极限，燃料就不能完全燃烧。在这一点以上，由此导致的燃烧的效率低，导致高燃料消耗和浓烟。
发动机11可以具有至少两种操作模式，即经济模式14和性能模式15。内燃发动机系统10可以具有多于一种性能模式16，但是在本发明中仅描述一种。当低工作负荷条件相对恒定时，可以选择经济模式14，其可以在一致的基础上产生低发动机速度，且与发动机11的工作负荷需求无关。
然而，在持续的高需求工作负荷下，可能需要持续的高发动机功率，并且需要相对较高的发动机速度，以确保适当适应相对工作负荷需求。发动机控制单元12可以用控制策略来编程，此控制策略根据本发明的方法操作，以在某些预定条件下在经济模式14和性能模式15之间自动切换。控制策略如图2的流程图所示，此流程图是基于发动机12最初处于性能模式15来描述的。应该注意的是，尽管下文提到了编号的步骤，但这些步骤不一定是连续的。使用这些数字只是为了便于参考图示。还参考图3的曲线图。
从性能模式15到经济模式14的切换仅在当前的FAR低于预定的FAR极限并且它保持在预定的FAR极限以下直到达到另外两个预定阈值时才发生。这可以通过以下方式来实现。
发动机控制单元12可以连续地确定当前的FAR(步骤20)，并且将当前的FAR与预定的FAR极限进行比较(步骤21)。如果当前的FAR等于或高于FAR极限，则发动机控制单元12不改变运行模式，并使发动机12处于性能模式15。
如果当前的FAR低于FAR极限(图3的曲线图中的A和B部分)，则发动机控制单元12可以确定当前的FAR低于FAR极限的持续时间。发动机控制单元12可以使用计时器17来测量此持续时间，此持续时间是自上次达到FAR极限起经过的实际时间(Ta)。只要达到FAR极限，就可以触发计时器17(步骤22)。发动机控制单元12可以用等待时间阈值(Tw)来编程，等待时间阈值是在激活经济模式14之前可以达到的两个上述阈值之一。一旦超过此等待时间阈值(Tw)，即Ta＞Tw，则发动机控制单元12就只能将发动机运行模式从性能模式15切换为经济模式14。这在步骤23中确定。
发动机控制单元12另外使用计数器18来提供计数，即强度计数(Tp)，此强度计数是基于发动机11有多长时间运行在FAR极限以下的运行强度的量度。因此，当发动机10以低于FAR极限的当前的FAR运行时，此计数基于当前的FAR与FAR极限之间的差。因此，只要达到FAR极限，计数器18也被触发(步骤24)，以提供所述强度计数(Tp)。强度计数(Tp)提供了当前的FAR低于FAR极限多少的量度，因为计数器18可以被设置为递增得越快，发动机11离FAR极限越远。强度计数(Tp)是累积计数，通过以下方式来确定。
一旦被触发，计数器18就可以以一致的预定时间间隔(循环时间)连续递增。预定循环时间的一个示例可以是15ms。可以在计数器18每次循环时重新计算与FAR极限的接近度，并且除了对于每次循环发生的增量之外，还可能存在基于当时与FAR极限的当前接近度的附加增量。计数器18可以使用校准表(参见下文)，此校准表根据当前的FAR与FAR极限的接近度来确定附加增量的量。
与FAR极限的接近度 计数器增量
0.5 0
0.75 1
1 2
1.25 4
1.5 6
2 8
5 10
10 15
20 20
30 30
40 40
校准表
发动机控制单元12可以用这样的校准表来预编程。递增率可以基于发动机数据和与由发动机11提供动力的机器或车辆相关的数据，并且可以通过机器和发动机测功机测试来设定，以满足预定的响应要求。
发动机控制单元12还可以用可以在激活经济模式14之前达到的上述两个阈值中的第二个阈值，即强度阈值(Ti)来编程。一旦此强度阈值(Ti)被强度计数(Tp)超过，即Tp＞Ti，发动机控制单元12就只能将发动机运行模式从性能模式15切换为经济模式14。这在步骤25中确定。
等待阈值(Tw)和强度阈值(Ti)还可以基于发动机数据和与由发动机11提供动力的机器或车辆相关的数据。只有当等待阈值和强度阈值(Tw，Ti)分别被经过时间(Ta)和强度计数(Tp)超过时，才认为发动机10以低工作循环模式运行，并且可以激活经济模式14(图3中的曲线图的部分C)。
所选择的等待时间阈值(Tw)和强度阈值(Ti)用于确保发动机10在经济模式14将适用的适当时间段内处于适当的轻负荷状态。因此，等待时间阈值(Tw)可以防止经济模式14由于实际的FAR中的瞬时下降(dip)而被激活。如果发动机11在实际的FAR刚好在FAR极限下的情况下运行显著的时间量，则这是有经济模式14将不适用的合理负荷的指示。因此，强度阈值(Ti)可以防止发动机11在这样的负荷下运行时切换为经济模式14，即使实际的FAR低于FAR极限也是如此。
如果计时器16达到等待时间阈值(Tw)，但是计数器18尚未超过强度阈值(Ti)(图3中的曲线图的部分B)，则经济模式14可能尚未启用，并且发动机10可以保持在性能模式15中并且可以继续对FAR进行监视。只有当强度计数(Tp)随后超过强度阈值(Ti)时，才可以启用经济模式14。如果在等待阈值(Tw)被经过时间(Ta)超过之前达到强度计数(Tp)，则可以继续对FAR进行监视。只有当等待阈值(Tw)随后被经过时间(Ta)超过时，才可以启用经济模式14。
发动机控制单元12继续比较当前的FAR和FAR极限(步骤26)。如果当前的FAR达到FAR极限阈值(图3的曲线图的部分D)，则立即退出经济模式并且发动机11切换回性能模式。此时，计数器17和计时器16被重置为零(步骤27)。
当发动机11初始启动时，计时器16和计数器17都可以被重置为零，以确保发动机11以性能模式15启动。这可以允许由发动机控制单元12执行预定的启动条件检查，例如，检查发动机11的减速条件和达到正确的冷却剂温度等。发动机控制单元12可以被编程为如果发动机11不满足所有启动条件检查，即使是超过等待阈值(Tw)和强度阈值(Ti)，也不激活经济模式14，即禁止切换。
虽然前面的描述涉及当前的FAR和FAR极限，但是应当注意，相反的，即空气-燃料比(AFR)也可以用于本发明的方法和发动机系统。在使用AFR作为基础的情况下，从性能模式15切换为经济模式14仅在当前的AFR高于预定的AFR极限并且其保持高于预定的AFR极限，直到达到另外两个预定阈值为止时发生。
发动机控制单元12可以连续地确定当前的AFR并且将当前的AFR与预定的AFR极限进行比较。如果当前的AFR等于或低于AFR极限，则发动机控制单元12不改变运行模式，并且使发动机12处于性能模式15。
如果当前的AFR增加到高于AFR极限，则发动机控制单元12可以确定当前的AFR高于AFR极限的持续时间。发动机控制单元12可以使用计时器17来测量此持续时间，此持续时间是从上次达到AFR极限起经过的实际时间(Ta)。只要达到AFR极限，就可以触发计时器17。发动机控制单元12可以用等待时间阈值(Tw)来编程，此等待时间阈值是在可以激活经济模式14之前可以达到的上述两个阈值之一。一旦超过此等待时间阈值(Tw)，即Ta＞Tw，发动机控制单元12就只能将发动机运行模式从性能模式15切换为经济模式14。
在这种情况下，强度计数(Tp)是基于当发动机10以高于AFR极限的当前的AFR运行时的当前的AFR和AFR极限之间的差。因此，只要达到AFR极限，计数器18也被触发，以提供所述强度计数(Tp)。强度计数(Tp)提供了当前的AFR高于AFR极限多少的量度，因为计数器18可以被设置为递增得越快，发动机11离AFR极限越远。
因此，等待时间阈值(Tw)可以防止经济模式14由于实际的FAR中的瞬时尖峰(spike)而被激活。如果发动机11在实际的AFR刚好在AFR极限下的情况下运行显著的时间量，则这是有经济模式14将不适用的合理负荷的指示。因此，强度阈值(Ti)可以防止发动机11在这样的负荷下运行时切换为经济模式14，即使实际的AFR高于AFR极限也是如此。
工业实用性
发动机系统10可以用于多种应用，包括(但不限于)越野作业和施工车辆和机器，诸如，挖掘机、平路机、装载机等。本发明的方法在发动机11处于可变负荷状态的应用中特别有用。例如，在作业机器被操作以执行重型作业，诸如，挖掘的情况下，发动机11将处于重负荷状态，对于重负荷，经济模式14可能是不合适的。然而，如果机器正在执行清洁操作，则发动机11将处于轻负荷状态，对于轻负荷，经济模式14将是合适的。
可以设定预定条件、FAR极限、等待时间阈值(Tw)以及强度阈值(Ti)的组合，以确保不损害发动机11的所需操作，并且当发动机11的运行模式在经济模式14与性能模式15之间切换时将对操作者所察觉的瞬时性能的影响减少到最低限度。

Claims (14)

1.一种用于在经济模式和性能模式之间自动切换内燃发动机的运行模式的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述发动机正在运行时的当前的燃料-空气比；
比较所述当前的燃料-空气比与预定的燃料-空气比极限；
确定所述当前的燃料-空气比低于所述燃料-空气比极限的持续时间，并且将所述持续时间与预定的等待时间阈值进行比较；
当所述发动机以低于所述燃料-空气比极限的当前的燃料-空气比运行时，基于所述当前的燃料-空气比与燃料-空气比极限之间的差提供计数，并且将所述计数与强度阈值进行比较；
当所述持续时间和所述计数都分别超过所述等待时间阈值和所述强度阈值时，将所述发动机的运行模式从所述性能模式切换为所述经济模式；以及
当所述当前的燃料-空气比达到或超过所述燃料-空气比极限时，将所述发动机的运行模式从所述经济模式切换为所述性能模式。
2.一种用于在经济模式和性能模式之间自动切换内燃发动机的运行模式的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述发动机正在运行时的当前的空气-燃料比；
比较所述当前的空气-燃料比与预定的空气-燃料比极限；
确定所述当前的空气-燃料比高于所述空气-燃料比极限的持续时间，并且将所述持续时间与预定的等待时间阈值进行比较；
当所述发动机以高于所述空气-燃料比极限的当前的空气-燃料比运行时，基于所述当前的空气-燃料比与所述空气-燃料比极限之间的差提供计数，并且将所述计数与强度阈值进行比较；
当所述持续时间和所述计数都分别超过所述等待时间阈值和所述强度阈值时，将所述发动机的运行模式从所述性能模式切换为所述经济模式；以及
当所述当前的燃料-空气比达到或低于所述空气-燃料比极限时，将所述发动机的运行模式从所述经济模式切换为所述性能模式。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，当所述发动机的运行模式从所述经济性模式切换为所述性能模式时，所述持续时间和所述计数被重置为零。
4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，当所述发动机启动时，所述持续时间和所述计数被设置为零，并且禁止从所述性能模式切换为所述经济模式，直到所述发动机满足预定的启动条件检查为止。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供所述计数的步骤包括重复地确定所述差，使得所述计数是累积的。
6.如权利要求5所述的方法，其中，以一致的预定时间间隔重复执行所述差的确定。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括执行启动条件检查，并且在启动条件检查失败的情况下，将所述发动机的运行模式维持在所述性能模式。
8.一种发动机系统，包括：
内燃发动机，具有至少两种运行模式，包括经济模式和性能模式；
至少一个传感器，根据所述发动机的至少一个运行参数提供至少一个输出信号；以及
控制器，被配置为从所述至少一个传感器接收所述至少一个输出信号，并且由所述至少一个输出信号确定所述发动机的当前的燃料-空气比；
其中预定的燃料-空气比极限、预定的等待时间阈值以及预定的强度阈值存储在所述控制器中，并且所述控制器被编程为根据如权利要求1或权利要求3-7中任一项所述而不依赖于权利要求2的方法在所述经济模式和所述性能模式之间切换所述发动机的运行模式。
9.如权利要求8所述的发动机系统，其中，所述至少一个传感器包括被配置为提供所述发动机的燃料-空气比的燃料-空气比传感器。
10.一种发动机系统，包括：
内燃发动机，具有至少两种运行模式，包括经济模式和性能模式；
至少一个传感器，根据所述发动机的至少一个运行参数提供至少一个输出信号；以及
控制器，被配置为从所述至少一个传感器接收所述至少一个输出信号，并且由所述至少一个输出信号确定所述发动机的当前的空气-燃料比；
其中预定的空气-燃料比极限、预定的等待时间阈值以及预定的强度阈值存储在所述控制器中，并且所述控制器被编程为根据如权利要求2或3-7中任一项所述而不依赖于权利要求1的方法在所述经济模式和所述性能模式之间切换所述发动机的运行模式。
11.如权利要求10所述的发动机系统，其中，所述至少一个传感器包括被配置为提供所述发动机的空气-燃料比的空气-燃料比传感器。
12.如权利要求8至11中任一项所述的发动机系统，其中，所述至少一个传感器包括氧气传感器，其中所述发动机的运行参数包括所述发动机内氧气的测量值。
13.如权利要求8至12中任一项所述的发动机系统，还包括发动机控制单元。
14.如权利要求13所述的发动机系统，其中，所述发动机控制单元包括所述控制器。
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