CN113107686B - 选择性气缸停用，特别是具有高功率密度的涡轮增压柴油发动机中的选择性气缸停用 - Google Patents

Abstract

可以在低负载或启动时通过在发动机缸体的相对端部处停用气缸同时使剩余气缸中的一些或全部以连续或跳跃‑点火模式运行来减少活塞发动机废气排放。在另一方面，即使在压缩比为13.5∶1或更小的情况下，也可以通过在低负载或启动时停用选定气缸而将BMEP超过30巴的涡轮增压柴油发动机的废气排放控制在可接受的限度内。

Description

选择性气缸停用，特别是具有高功率密度的涡轮增压柴油发 动机中的选择性气缸停用

技术领域

本发明涉及一种用于选择性地停用涡轮增压柴油发动机或其他内燃活塞发动机的单独气缸的控制系统，例如，以所谓的“跳跃-点火”模式，以减少启动时或在低负载运行时的排放。

特别地，但非排他地，本发明针对具有高功率密度的大型柴油发动机。

背景技术

功率密度是内燃机的重要参数，在活塞发动机中通常表示为制动平均有效压力或BMEP。在其他条件都不变的情况下，具有更高功率密度的发动机可以做更多的工作。

在活塞发动机中，气缸压力通过循环从压缩前的初始充气压力增加到由燃料燃烧产生的峰值气缸压力。可通过布置涡轮增压器以在每个循环期间迫使更多的空气进入气缸来增加初始充气压力。还通过在每个循环期间成比例地增加供应到气缸的燃料量，可以增加发动机的功率密度。然而，需要确保峰值气缸压力保持在发动机的设计极限内。

点火时刻的气缸压力是初始充气压力和气缸压缩比的函数。因此，对于给定的初始充气压力，减小压缩比将减小点火时刻的气缸压力。

由于峰值气缸压力是点火时刻的气缸压力和燃烧期间释放的能量的函数，因此对于给定的初始充气压力和燃料能量的量子，减小压缩比也将减小峰值气缸压力。

因此，通过减小涡轮增压发动机中的压缩比，可以在不超过最大允许峰值气缸压力的情况下增加初始增压压力和每个冲程上的燃料能量的量，从而增加功率密度。

已知采用这种技术来增加大型柴油发动机的功率密度，例如，在定速发电机组中使用的总容量(所有气缸的最大总燃烧室体积)为20升或更大的发动机。

然而，当压缩比下降到14∶1以下时，当发动机从冷启动、或在无负载或低负载下操作、或在寒冷气候下观察到不良燃烧导致运行不均和白烟输出。为此，这种发动机通常具有至少13.6∶1，更通常为14∶1或更高的压缩比。

与低负载或怠速下运行时相比，在全负载下运行的活塞发动机将典型地具有更好的燃烧特性。

因此，一种减少柴油和其他类型的活塞式发动机中的排放的方法是例如在所谓的“跳跃点火”模式下选择性地使发动机的一个或多个气缸停用，其中燃烧在发动机的连续循环中的不同气缸之间交替进行。这会减少发动机的功率输出以更好地匹配负载，同时增加了活动气缸上的负载，从而有助于减少排放。

例如，美国专利第8651091B2号教导了停用内燃机的选定气缸，同时以最佳效率(例如在全节气门位置或接近全节气门位置)操作其余气缸，其中根据发动机的操作状态基于查找表来优化喷射的燃料量。

发明内容

在第一方面，本发明提供一种包括控制系统和多个气缸的内燃活塞发动机。每个气缸限定燃烧室并具有可在气缸中往复运动的活塞。在发动机的正常操作中，至少一些气缸可由控制系统控制，以交替地限定：在相应气缸中发生燃烧的主动模式，以及在相应气缸中不发生燃烧的非主动模式。

发动机被布置成交替地操作：在全功率模式下，其中在全功率模式下，控制系统被布置成在活动模式下控制所有气缸，并且在降低功率模式下，其中在降低功率模式下，控制系统被布置成在非活动模式下控制一个或多个气缸。

这些气缸被布置成至少一排，并且包括被布置在至少一排的相对端部处的端部气缸，以及被布置在至少一排的相对端部之间的中间气缸。

在发动机的低功率模式下，控制系统被布置成在非活动模式下控制端部气缸，并且在活动模式下控制中间气缸中的至少一些，直到发动机在低功率模式下的操作被终止。

在相关方面，本发明提供了一种操作发动机的方法，包括：在降低功率模式下操作发动机，以及通过控制系统在非活动模式下控制端部气缸，在活动模式下控制至少一些中间气缸，直到发动机在降低功率模式下的操作终止。

在另一方面，本发明提供了一种涡轮增压的、柴油燃料的、压燃的、内燃活塞发动机，包括控制系统和多个气缸。每个气缸限定燃烧室并且具有可在气缸中往复运动以将燃烧室的体积从最大体积改变到最小体积的活塞，其中气缸的压缩比被限定为最大体积与最小体积的比率。

在发动机的正常操作中，至少一些气缸可由控制系统控制以交替地限定：在相应气缸中发生燃烧的活动模式，和在相应气缸中不发生燃烧的非活动模式。

发动机被布置成交替地操作：在全功率模式下，其中在全功率模式下，控制系统被布置成在活动模式下控制所有气缸，并且在降低功率模式下，其中在降低功率模式下，控制系统被布置成在非活动模式下控制一个或多个气缸。

在全功率模式下，发动机具有超过30巴的最大制动平均有效压力BMEP。

压缩比不大于13.5∶1。

附图说明

从现在仅通过示例而非限制权利要求的范围并且参考附图的方式来描述的说明性实施方式，其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了根据第一实施方式的具有控制系统的8缸直排式涡轮增压柴油发动机；

图2示出了在混合物点火之后的动力冲程期间，活塞在发动机的一个气缸中的向下运动；并且

图3是示出了在冷启动期间测得的来自发动机的碳氢化合物排放的曲线图。

具体实施方式

图1示出了涡轮增压的、柴油燃料的、压燃的内燃活塞发动机1，其包括控制系统2和发动机缸体12，发动机缸体限定了多个气缸3、4，这些气缸从涡轮增压器11的压缩机叶轮被供应空气A，该涡轮增压器可以是本领域中已知的任何涡轮增压器组件，例如如图所示的单级涡轮增压器，或多级涡轮增压器组件。来自气缸的废气E通过涡轮增压器的涡轮机叶轮流回排气系统(未示出)。

每个气缸3、4限定燃烧室5并具有活塞6，该活塞可在气缸中往复运动以驱动曲轴7旋转。当活塞6在气缸3、4中往复运动经过距离D时，其将燃烧室5的体积(即，包含燃料/空气混合物的整个体积)从最大体积(Vmax)改变到最小体积(Vmin)。气缸3、4的压缩比被定义为最大体积Vmax与最小体积Vmin的比率。

在发动机的正常操作中(即，当发动机产生动力以旋转曲轴7时)，至少一些气缸3、4可由控制系统2控制，以交替地限定：在相应气缸中发生燃烧的活动模式，以及在相应气缸中不发生燃烧的非活动模式。特别地，至少端部气缸4可以是以这种方式可控的。优选地，气缸3、4中的每一个都是以这种方式可控的。

控制系统2可以实施为存储在存储器中并在控制器(即处理器)上运行的软件，以形成本领域公知的发动机控制单元ECU的一部分，并且可以通过控制进入气缸的柴油燃料8的体积来控制气缸3、4，例如，通过控制燃料喷射器9的操作，燃料通过燃料喷射器9喷射到气缸中。

为了将气缸控制在非活动模式，控制系统2可以例如通过将燃料喷射器9保持在非活动状态或通过防止燃料进入喷射器9来防止燃料进入气缸3、4。如本领域已知的，进气阀和排气阀10可以继续正常操作或者可以在非活动模式下与活动模式不同地操作。

控制系统2被布置成以全功率模式和低功率模式交替地操作发动机1，也就是说，发动机可以选择性地以任一模式操作。例如，当启动发动机时、或者当发动机怠速时、或者当感测到的负载低于阈值时，可以选择低功率模式。

控制系统2可以控制发动机1的各种操作参数值，例如燃料喷射体积和/或正时以及涡轮增压器组件的旋转速度(例如借助于排气门、控制进入涡轮机的废气流的可调节叶片、排气旁通阀或本领域中熟知的其他方式)。

控制系统2可以经由传感器(未示出)接收感测的操作参数值，例如进气歧管空气压力、气缸压力、曲轴角度和转速、NOx或其他废气排放、用户控制输入等。

如本领域中公知的，控制系统2可以在存储器中存储参考值或目标值的映射并且可以被配置成通过参考所存储的值来响应于感测的值来控制可控操作参数。以类似的方式，控制系统2可以被配置成响应于感测的值和/或用户控制输入并且通过参考所存储的值来选择发动机1的操作模式以使排放最小化并且优化效率。

在全功率模式下，控制系统2被布置成以活动模式控制所有气缸3、4。因此，应当理解，在本说明书中，“全功率模式”并不意味着发动机产生其最大功率输出；更确切地说，这意味着燃烧在所有气缸中发生。在这样的条件下，发动机可以以全负载或低于全负载运行。

在低功率模式下，控制系统2被布置成在非活动模式下控制气缸3、4中的一个或多个。在这样的条件下，发动机1将低于全负载运行。主动气缸可以产生其最大功率输出，或小于其最大功率输出。

气缸3、4被布置成至少一排，并且包括被布置在至少一排的相对端部处的端部气缸4，以及被布置在至少一排的相对端部之间的中间气缸3。

如图所示，发动机可以是直排式发动机，也就是说，所有的气缸3、4可以被布置成单排直排式。例如，发动机可以是6缸或8缸直排式发动机。可替代地，气缸可以被布置成V形构造的两排，典型地气缸轴线沿着缸体的长度在中心平面的相对侧上交替地倾斜。例如，发动机可以是V-8或V-12发动机。

根据本发明的第一方面，发动机在全功率模式下具有超过30巴(3兆帕/秒)的最大制动平均有效压力BMEP，同时压缩比不大于13.5∶1。

有利地，压缩比可以不大于13∶1，例如低至12.7∶1或12.8∶1。

有利地，全功率模式下的BMEP可以超过32巴。例如，全功率模式下的BMEP可以是至少33巴。

发动机可以是直喷发动机(如图所示)或非直喷式发动机。

柴油燃料发动机可以是双燃料发动机，其被配置成仅以柴油燃料运行，但可替代地或附加地以气体燃料操作。

气缸的燃烧室可以具有至少20升(二十升)的总组合最大体积。例如，总组合体积可以是23升或更多。

控制系统2可以布置成在发动机的正常使用中以基本恒定的速度运行发动机1。例如，当在正常操作中稳定地运行时，发动机1的转速可以被布置成变化不超过约5％。大约13∶1或更小的非常低的压缩比在使以恒定速度运行的具有高功率密度的大型柴油发动机的输出最大化时尤其有用，例如，发电机中的原动机。对于此类应用，发动机可以例如以1500或1800每分钟转数的固定曲轴速度运行。

制动平均有效压力(BMEP)按常规计算为(T·2·II)/(Vd/nc)，其中制动平均有效压力以帕斯卡表示；nc是每个动力冲程的曲轴转数；T是由连接到曲轴的测力计测得的以牛顿-米为单位的发动机输出扭矩；并且Vd是总排量，即所有气缸的总和(最大体积Vmax-最小体积Vmin)，以立方米为单位。

附加地或可替代地并且根据本发明的第二方面(也可以在其他类型的活塞发动机中实现)，当发动机1在低功率模式下操作时，控制系统2可以被布置成在非活动模式下控制端部气缸4，并在活动模式下控制至少一些中间气缸3，直到发动机1在降低功率模式下的操作被终止(例如，通过关闭发动机、或通过响应于发动机上的增加的负载而开始或恢复全功率模式下的操作)。

在发动机1的降低功率模式下，控制系统2可以被布置成交替地在活动模式和非活动模式(即，跳跃-点火模式)下控制中间气缸3中的每一个，使得在发动机的每个循环期间，中间气缸3的不同气缸分别处于活动模式和非活动模式。因此，在发动机的一个循环期间起作用的中间气缸3将在下一个循环期间不起作用。如本领域已知的，不同的跳跃-点火模式是可能的。例如，当在跳跃-点火模式下操作时，气缸可以在每个模式下交替地在活动和非活动模式下被操作限定的时间段，例如在活动模式下5秒接着在非活动模式下5秒。

可替代地，控制系统2可以在活动模式下操作所有中间气缸3。

可替代地，控制系统2可以在活动模式下操作中间气缸3中的一些并且在跳跃-点火模式下操作其余中间气缸。

可替代地，控制系统2可以在非活动模式下操作中间气缸3的一些，并且在活动模式或跳跃-点火模式下操作其余中间气缸。

工业实用性

在测试中，当涡轮增压器和燃料供应被设定成在所有气缸上的正常操作中传递至少30巴的最大BMEP时，发现了例如在低负载或冷启动期间选择性地使这些气缸中的相应气缸停用的策略以令人惊讶地有效地将来自涡轮增压柴油发动机的排放控制在可接受的限度以下，即使当压缩比降低到先前认为的实际极限值以下，例如低至12.7∶1或12.8∶1。在例如用于发电机组的定速发动机中特别观察到这种有利效果，这可以反映此类发动机中更恒定的燃烧条件。

更一般地，在涡轮增压柴油发动机和其他活塞发动机中，通过在以活动模式操作其余气缸的同时选择性地停用排中的端部气缸，可以实现对部分负载或冷启动时的改进的排放控制。

根据操作方法，发动机1在降低功率模式下操作，而控制系统2在非活动模式下控制端部气缸4，并且在活动模式下控制中间气缸3中的至少一些，直到发动机1在降低功率模式下的操作被终止。

在试验中发现，当在冷运行或低负载下运行时，端部气缸4倾向于具有较不有效的燃烧，因此具有比中间气缸3更差的排放分布。这可能反映出端部气缸4倾向于通过来自相邻气缸3的直接热传导接收较少的热量，同时向发动机缸体12的暴露的外表面损失较多的热量，使得端部气缸4加热相对较慢，并且比中间气缸3的热量损失更快。当部分或全部剩余气缸3在活动模式下被操作的同时将端部气缸4保持在非活动模式下，与不基于气缸在发动机中的位置来区分气缸的现有技术的选择性停用策略相比，观察到发动机1作为整体可以更好的燃烧并减少排放。

该有利效果尤其可以在直排式发动机中观察到，即，在直排式发动机中，所有气缸在发动机中以直排式被布置在一排。

尽管本发明的各个方面可以彼此独立地应用，但是它们可以组合在一起以使涡轮增压柴油发动机中的排放最小化。

作为示例，图3示出了具有如图1所示的总排量超过20升，最大制动平均有效压力(BMEP)为33巴，以及压缩比低于13∶1的直排式8缸直喷涡轮增压压燃式柴油活塞发动机1的废气排放中总碳氢化合物(HC)的测量值，按百万分之一计。

在发动机冷启动之后约400秒(s)的时间间隔(T)期间，发动机废气中的碳氢化合物排放(HC)按百万分之一计(ppm)的体积被测量。

轨迹A示出了发动机1从冷启动并且在全功率模式下(即，所有气缸3、4处于活动模式，也就是说，所有气缸3、4均正常燃烧)以怠速运行。

轨迹B示出了发动机1冷启动并在相同条件下以怠速运行，在降低功率模式下，即仅在一些气缸中正常燃烧。在轨迹B的试验中，在整个试验过程中，在发动机缸体12的相对端部处的两个端部气缸4保持在非活动模式下，而在端部气缸4之间的六个剩余气缸3被控制在跳跃点火模式下，也就是说，这六个剩余的中间气缸3中的每一个被交替地控制在活动模式和非活动模式下，使得这六个剩余的气缸3中的仅一些在发动机的任何循环都处于活动状态。

在每个轨迹中，在约180秒处的小尖峰示出了施加到发动机1并且然后再次移除的少量负载。

尽管压缩比异常低，但可以看出，在启动时(30秒)排放的初始峰值之后，在启动期间采用了将两个端部气缸4保持在非活动模式同时将剩余的六个气缸3跳跃点火的策略(轨迹B)在120秒的时间点将碳氢化合物排放减少到小于1000ppm的可接受水平。与通过在所有气缸3、4上运行所获得的排放分布(轨迹A)相比，该策略导致在前四分钟内排放的实质性减少。

总之，通过使发动机缸体12的相对端部处的气缸4停用，同时使剩余气缸3中的一些或全部以连续或跳跃点火模式运行，可以在低负载或启动时减少活塞发动机废气排放。在另一方面，即使在压缩比为13.5∶1或更小的情况下，也可以通过在低负载或启动时停用选定气缸3、4而将BMEP超过30巴的涡轮增压柴油发动机1的废气排放控制在可接受的限度内。

在权利要求的范围内，许多进一步的修改是可能的。

在权利要求中，附图标记和字符在括号中提供，仅仅是为了便于参考，而不应被解释为限制特征。

Claims (7)

1.一种涡轮增压的、柴油燃料的、压燃的内燃活塞发动机，包括控制系统和多个气缸，

每个所述气缸限定燃烧室并具有能够在所述气缸中往复运动以将所述燃烧室的体积从最大体积改变为最小体积的活塞，其中所述气缸的压缩比被限定为最大体积与最小体积的比率；

所述气缸中的至少一些在所述发动机的正常操作中能够由所述控制系统控制以交替地限定：

活动模式，在所述活动模式下在相应的气缸中发生燃烧，以及

非活动模式，在所述非活动模式下在相应的气缸中不发生燃烧；

所述发动机被布置成交替地操作：

在全功率模式下，其中在所述全功率模式下所述控制系统被布置成在所述活动模式下控制所有所述气缸，以及

在降低功率模式下，其中在所述降低功率模式下所述控制系统被布置成在所述非活动模式下控制所述气缸中的一个或多个；

其中在所述全功率模式下，所述发动机具有超过30巴的最大制动平均有效压力；以及

压缩比不大于13.5∶1；

其中所述气缸被布置成至少一排，并且包括被布置在所述至少一排的相对端部处的端部气缸，以及被布置在所述至少一排的相对端部之间的中间气缸；

在所述发动机的所述降低功率模式下，所述控制系统被布置成在所述非活动模式下控制所述端部气缸，并且在所述活动模式下控制所述中间气缸中的至少一些，直到所述发动机在所述降低功率模式下的操作被终止。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述压缩比不大于13∶1。

3.根据权利要求1所述的发动机，其中所述控制系统被布置成在所述发动机的正常使用中以基本恒定的速度运行所述发动机。

4.根据权利要求1所述的发动机，其中所述气缸的所述燃烧室具有至少20L的总组合最大体积。

5.根据权利要求1所述的发动机，其中在所述发动机的所述降低功率模式下，所述控制系统被布置成在所述活动模式和所述非活动模式下交替地控制所述中间气缸中的每一个，使得在所述发动机的每个循环中，不同的所述中间气缸分别处于所述活动模式和所述非活动模式。

6.根据权利要求1所述的发动机，其中所有所述气缸以直排式被布置在一排。

7.一种操作根据权利要求1所述的发动机的方法，包括：

在所述降低功率模式下操作所述发动机，并通过所述控制系统在所述非活动模式下控制所述端部气缸，以及在所述活动模式下控制所述中间气缸中的至少一些，直到所述发动机在所述降低功率模式下的操作被终止。