CN113494380A - 用于控制内燃发动机的加燃料策略的方法和系统 - Google Patents

用于控制内燃发动机的加燃料策略的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种用于控制内燃发动机的燃料系统的燃料喷射方面的方法包括确定每个发动机循环的燃料喷射策略，其包括引燃燃料喷射、主燃料喷射以及引燃燃料喷射和主燃料喷射之间的停留时间。该方法还包括基于感测的与内燃发动机相关的环境温度和环境压力自动调整每个发动机循环的停留时间。

Description

用于控制内燃发动机的加燃料策略的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及内燃发动机，并且更具体地涉及用于确定内燃发动机的加燃料策略的停留时间的方法和系统。
背景技术
许多内燃发动机包括电子控制单元，其监测和操作发动机的操作方面，包括燃料喷射的正时和数量。发动机控制单元使用存储在控制单元的存储器中的一系列映射或其他编程来执行这些操作。结合这些映射或编程，发动机控制单元接收并计算表示发动机操作的各种反馈项。而且，发动机控制单元可以执行燃料喷射策略，其在发动机的喷射循环期间在多次燃料喷射之间提供具有一个或多个停留时间的多次燃料喷射，以实现期望的发动机性能并满足排放要求。然而，由于各种环境条件(例如，高海拔和低环境温度)而引起的发动机特性的变化可能导致多次燃料喷射合并并且充当一次燃料喷射事件。这种燃料喷射事件可能导致不稳定、不受控制和不期望的发动机性能。
2018年1月9日授予Melis等人的美国专利第9，863，359号(“’359专利”)描述了一种控制燃料喷射器的两次喷射之间的停留时间的方法。’359专利中描述的方法涉及通过用校正值减去停留时间来调整由燃料喷射器接收的燃料指令信号与燃料喷射器的实际响应时间之间的时间差来确定停留时间。然而，’359专利的方法没有公开为基于由于变化的环境条件引起的发动机特性的变化来确定停留时间。
所公开的方法和系统可以解决上述问题中的一个或多个和/或本领域中的其他问题。然而，本发明的范围由所附权利要求限定，而不是由解决任何特定问题的能力限定。
发明内容
在一方面，一种用于控制内燃发动机的燃料系统的燃料喷射方面的方法可以包括确定每个发动机循环的燃料喷射策略，其包括引燃燃料喷射、主燃料喷射以及引燃燃料喷射和主燃料喷射之间的停留时间。该方法还可以包括基于感测的与内燃发动机相关的环境温度和环境压力自动调整每个发动机循环的停留时间。
在另一方面，一种用于内燃发动机的燃料系统可以包括将燃料供应到多个燃烧室的多个燃料喷射器；将空气提供到燃烧室的进气歧管；以及控制器。控制器可以经配置针对每个发动机循环确定燃料喷射策略，其包括引燃燃料喷射、主燃料喷射以及引燃燃料喷射和主燃料喷射之间的停留时间。该控制器可以进一步经配置基于感测的与内燃发动机相关的环境温度和环境压力自动调整每个发动机循环的停留时间。
在又一方面，一种非暂时性计算机可读介质可以存储指令，当由计算机系统的一个或多个处理器执行该指令时，其使得一个或多个处理器执行用于控制内燃发动机的燃料系统的燃料喷射方面的方法。该方法可以包括确定每个发动机循环的燃料喷射策略，其包括引燃燃料喷射、主燃料喷射以及引燃燃料喷射和主燃料喷射之间的停留时间。该方法还可以包括基于感测的与内燃发动机相关的环境温度和环境压力自动调整每个发动机循环的停留时间。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了各种示例性实施例，并且与说明书一起用于解释所公开的实施例的原理。
图1是根据本发明的方面的内燃发动机系统的示意图。
图2是用于图1的内燃发动机系统的示例性发动机控制系统的示意图。
图3提供了描绘用于确定图1的内燃发动机系统的燃料喷射方面的示例性方法的流程图。
图4包括根据本文公开的停留时间函数的调整停留时间值的图表。
具体实施方式
前面的总体描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，并不限制所要求保护的特征。如本文所使用的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”或其其他变体旨在涵盖非排他性的内含物，使得包括一系列要素的过程、方法、物品或装置不仅包括这些要素，而且可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或装置所固有的其他要素。而且，在本发明中，相对术语(诸如，“大约(about)”、“大体上(substantially)”、“总体上(generally)”、“近似地(approximately)”)用于指示所陈述的值中±10％的可能变化。
图1示出了具有根据本发明的一方面的发动机控制系统100的内燃发动机系统10的示意图。内燃发动机系统10可以包括进气系统20和燃料系统50。内燃发动机系统10还可以包括排气系统60和多个发动机气缸30(在图1中描绘了单个发动机气缸30)。内燃发动机系统10可以从燃料系统50向发动机气缸30提供燃料，并且进气系统20可以将进气输送到发动机气缸30。进气系统20可以包括进气歧管24。进气歧管24可以将进气供应到发动机气缸30。进气系统20还可以包括涡轮增压器22。涡轮增压器22可以包括用于压缩进气的压缩机。应当理解，如本领域已知的，进气系统20可以包括任何数量和/或组合的阀或其他部件。
每个发动机气缸30可以包括可滑动地且往复地设置以形成气缸30的燃烧室34的活塞32。每个气缸30的活塞32可以经由连杆38连接到曲轴36并且可以向由内燃发动机系统10驱动的部件提供动力。发动机气缸30还可以包括一个或多个用于向燃烧室34提供空气(例如，进气)的进气口26。气缸30还可以包括用于将燃烧气体从气缸30排放到排气系统60的一个或多个排气口62。排气系统60可以包括后处理系统(未示出)。
如图1所示，每个气缸30可以联接到燃料喷射器40，其将从燃料系统50接收的燃料喷射到燃烧室34。燃料喷射器40可以是能够控制燃料喷射的数量和正时的任何类型的燃料喷射器。燃料系统50可以包括燃料供应52，诸如燃料箱、燃料泵、共用燃料轨和燃料供应管线54。燃料系统50可以经配置使用各种类型的燃料，诸如柴油、汽油、甲醇、乙醇或任何其他类型的燃料。燃料喷射器40可以包括喷射器控制器42，诸如电子控制阀或用于控制从燃料喷射器40喷射的燃料的正时和持续时间的其他设备。喷射器控制器42例如可以是燃料喷射器40内的电子控制单元，其控制燃料喷射器40的致动，或者可以包括燃料喷射器螺线管(例如，可以接收燃料信号的燃料喷射器螺线管)和燃料喷射器40的相关阀，其通过燃料喷射器螺线管的致动而移动以控制通过燃料喷射器40的燃料喷射。
发动机控制系统100可以包括控制器102，诸如发动机控制模块(ECM)，其可以经配置接收期望的发动机速度请求和实际发动机操作条件，并输出燃料指令信号以选择性地激励和操作燃料喷射器40的喷射器控制器42。控制器102可以经配置接收来自与实际发动机操作条件相关的传感器系统70的各种传感器的传感器信号。这样的传感器可以包括但不限于发动机速度传感器72、进气歧管压力传感器74、进气歧管温度传感器76、环境温度传感器78和环境压力传感器79。发动机速度传感器72可以是任何合适的发动机速度传感器，诸如一个或多个霍尔效应传感器。在一方面，发动机速度传感器72可以经配置输出指示曲轴36的旋转速度的发动机速度信号110。如果需要，发动机速度传感器72可以测量指示内燃发动机系统10的速度的一个或多个其他位置的旋转(例如，滑轮、飞轮、凸轮轴等)。进气歧管压力传感器74可以位于进气歧管24内部以感测进气歧管24内部的压力，并且进气歧管温度传感器76可以位于进气歧管24内部以感测进气歧管24内部的温度。环境温度传感器78和环境压力传感器79可以是任何常规设计，并且位于系统10的内部或外部，以检测系统10的操作环境条件(例如环境温度和大气压力)的环境温度和压力。此外，传感器系统70可以根据需要包括任何数量和/或组合的传感器。在图1中，实线表示流体通道，而虚线表示电通信线路或导体。
图2示出了用于操作和/或控制内燃发动机系统10的至少一部分的发动机控制系统100的示意图。发动机控制系统100可以包括输入104、控制器102和燃料指令106。控制器102还可以包括存储器、辅助存储设备和处理器，诸如中央处理单元或用于完成与本发明一致的任务的任何其他装置。与控制器102相关的存储器或辅助存储设备可以包括非暂时性计算机可读介质，并且可以存储辅助控制器102执行其功能(诸如图3的方法300的功能)的数据和/或软件例程。此外，与控制器102相关的存储器或辅助存储设备还可以存储从与发动机控制系统100相关的各种输入104接收的数据。许多市场上可买到的微处理器可以经配置执行控制器102的功能。应当理解，控制器102可以容易地体现为能够控制许多其他机器功能的通用机器控制器。各种其他已知的电路可以与控制器102相关，包括信号调节电路、通信电路、液压或其他致动电路，以及其他适当的电路。
控制器102还可以包括存储在控制器102的存储器内的各种不同的映射和/或查找表(未示出)，包括与发动机速度、发动机负荷、燃料压力、期望的总燃料数量和其他参数有关的映射和/或表。利用这些映射和诸如期望的发动机速度请求的各种输入，控制器102能够动态地确定燃料喷射策略以实现期望的发动机性能。这种燃料喷射策略(至少部分地由燃料指令106实现)可以包括例如适当数量的燃料发射、每个燃料发射所需的燃料数量、每个单独发射的正时和持续时间，以及燃料发射之间的停留时间。虽然本发明中的讨论将集中于包括引燃燃料发射、停留时间和主燃料发射的燃料喷射策略，但是应当理解，本发明可以单独地或组合地用于其他燃料喷射策略，诸如包括各种燃料喷射发射及其相关停留时间的燃料喷射策略。例如，在一方面，燃料喷射策略可以包括用于引燃喷射、主喷射和后喷射的燃料喷射参数及其相关的停留时间。在另一方面，燃料喷射策略可以包括仅用于主喷射和后喷射的燃料喷射参数，以及其间的停留时间。
作为确定实现期望的发动机性能的燃料喷射策略的一部分，控制器102可以包括停留时间确定模块108。停留时间确定模块108可以接收输入104并实现用于使用停留时间函数来确定停留时间的方法300的各方面。输入104可以包括例如测量的实际发动机操作参数，诸如从发动机速度传感器72接收的发动机速度110、燃料速率112、从进气歧管压力传感器74接收的发动机进气歧管空气压力114、从进气歧管温度传感器76接收的发动机进气歧管空气温度116、从环境温度传感器78接收的环境温度120，以及从环境压力传感器79接收的环境压力118。如本领域已知的，可以基于喷射器持续时间(例如，燃料喷射器40的“接通时间”)和发动机速度110来计算燃料速率112。可以基于燃料喷射器40的持续时间与燃料输送的物理数量之间的预定相关性来制作燃料喷射映射或查找表。另外，可以使用两个常数，例如燃料喷射器40的总数和预定柴油燃料密度，结合上述预定相关映射来计算燃料速率112(例如，燃料的质量流动速率)。
在一方面，停留时间确定模块108可以包括停留时间基准确定单元或模块130，其使用控制器102中各种存储的映射和/或查找表来确定引燃燃料发射和主燃料发射之间的基准停留时间。如本领域已知的，可以使用映射和/或查找表以及各种输入、发动机参数和约束来确定基准停留时间确定。
控制器102，特别是停留时间确定模块108，还可以包括停留时间调整单元或模块140，其经配置调整由基于停留时间的确定单元130确定的基准停留时间。停留时间调整单元140使用停留时间函数来确定将应用于基准停留时间的停留时间调整。停留时间函数表示如下：
停留时间调整＝f(发动机速度、燃料速率、进气歧管压力、进气歧管温度、环境压力、环境温度)
停留时间调整单元140可以自动调整基准停留时间，以解释由环境温度传感器78和环境压力传感器79检测到的环境温度和压力变化。例如，停留时间调整单元140可以用于在环境压力118降低时增加基准停留时间-对应于海拔高度的增加，或者可以在环境温度120降低时增加停留时间。图4示出了在单一速度下的引燃燃料发射和主燃料发射之间的停留时间调整和已经校准到500微秒的加燃料的效果的示例。如图所示，当温度从近似地290K降低到近似地260K时，停留时间调整函数提供从500到800微秒的增加，并且当环境压力对应于从0到3000米的增加的高度而降低时，停留时间从500到700微秒增加。在另一示例中，如果系统的当前操作条件的环境温度和环境压力都增加，则停留时间调整单元140可以减少基准停留时间的调整。这样，可以根据停留时间函数和输入104调整停留时间以增加或减少。上述调整的停留时间值仅仅是示例性值，并不限制停留时间确定。
如上述函数所示，停留时间调整单元140基于当前发动机速度信号110、燃料速率112、进气歧管压力信号114、进气歧管温度信号116、环境压力信号118和环境温度信号120确定停留时间调整。在该函数中可以使用更多或更少的输入以实现停留时间、环境压力和环境温度之间的相同期望关系。
返回参考图2，停留时间确定模块108可以获取确定的基准停留时间(从停留时间基准确定单元130)和停留时间调整(从停留时间调整单元140)并确定调整的停留时间150。然后，在多个喷射(例如，引燃喷射和主喷射)之间的调整的停留时间150可以用于确定输送到燃料喷射器40的燃料指令106。
在一方面，控制器102可以部分地基于由停留时间确定模块108输出的调整停留时间150来确定燃料指令106。控制器102可以使用各种其他发动机/机器参数和存储的信息来确定待发送到每个燃料喷射器40的一个或多个燃料指令信号106。燃料指令106可以提供用于打开燃料喷射器的阀的正时和持续时间。燃料指令106可以包括例如一个或多个信号，以基于停留时间(例如，通过经由喷射器控制器42打开或关闭燃料喷射器40而提供给燃料喷射器40或由燃料喷射器40喷射的燃料)和/或燃料喷射次数来控制燃料喷射事件的持续时间和正时。如上所述，喷射器控制器42可以包括电子控制阀，诸如控制向喷射器的喷嘴供应高压燃料的电磁阀，或用于控制燃料喷射器40的输出的其他设备。燃料指令106还可以包括例如一个或多个控制信号，以直接地或通过一个或多个中间控制器基于一个或多个这样的请求来控制内燃发动机系统10的多个电子可控部件。
工业实用性
本发明的发动机控制系统100的所公开的方面可以用于任何内燃发动机系统中。特别地，发动机控制系统100可以用于其中期望确定内燃发动机的燃料喷射器在发动机循环期间提供多次燃料喷射的正时的任何内燃发动机系统中。
在内燃发动机系统10的操作期间，燃料系统50可以将燃料引导到气缸30的燃烧室34中。每个燃料喷射器40可以在一个或多个喷射事件或发射期间喷射燃料。例如，燃料喷射器40可以经配置在发动机的单个循环期间以一个或多个喷射事件之间的停留时间喷射燃料一次、两次或三次。在主喷射或主发射期间可以喷射以燃料质量测量的最大量的燃料。在主喷射之前或之后可以发生一个或多个较小的喷射事件。在主喷射之前发生的喷射可以形成燃料的引燃喷射或引燃发射，而在主喷射之后发生的喷射可以形成燃料的后喷射或后发射。在操作内燃发动机系统10的同时，发动机控制系统100可以连续地监测燃料喷射器40的操作并调整引燃喷射、主喷射和/或后喷射的正时。而且，发动机控制系统100可以通过基于传感器系统70感测的信息(例如，发动机速度、燃料速率、进气歧管压力、进气歧管温度、环境温度、环境/大气压力等)计算和调整停留时间来调整引燃喷射、主喷射和/或后喷射的正时，从而防止不稳定、不受控制，以及不期望的喷射事件(例如，引燃喷射、主喷射和/或后喷射合并为单个喷射)。
图3示出了描绘用于确定内燃发动机的燃料系统的燃料喷射方面的示例性方法300的流程图。在步骤302中，控制器102可以例如从与发动机系统10相关的机器的操作员接收期望的发动机速度信号，并且还接收实际的发动机操作条件，诸如对应于发动机速度110、燃料速率112、进气歧管压力114、进气歧管温度116、环境压力118和环境温度120的数据。如上所述，可以接收或导出发动机燃料速率数据。发动机速度数据可以基于来自发动机速度传感器72的发动机速度110。此外，发动机进气侧空气压力数据可以基于来自进气歧管24内部的进气歧管压力传感器74的进气歧管压力114，并且发动机进气侧空气温度数据可以基于来自进气歧管24内部的进气歧管温度传感器76的进气歧管温度116。环境压力和温度数据可以分别从环境压力和温度传感器79、78接收。
在步骤304中，控制器102可以确定燃料喷射策略以实现期望的发动机性能，这种燃料策略包括例如用于发动机循环的燃料喷射或发射的数量，以及经由停留时间基准确定单元或模块130的基准停留时间确定。如上所述，控制器102可以使用各种输入和映射或查找表来确定适当的燃料策略。这种燃料策略可以包括用于燃料喷射器指令106的引燃和主燃料发射以及引燃到主停留时间。
然后可以在步骤306中调整从步骤304确定的燃料喷射策略的一个或多个基准停留时间。基准停留时间的调整可以通过停留时间调整单元140，特别是上述停留时间调整函数来实现。如上所述，停留时间调整函数可以至少基于发动机速度数据、加燃料数据、发动机进气侧空气压力数据、发动机进气侧空气温度数据以及环境温度和压力数据。停留时间调整单元140可以解释基于环境温度和压力变化的密度变化。然后可以将所确定的停留时间调整应用于基准停留时间以确定调整的一个或多个停留时间150。在步骤308中，调整的一个或多个停留时间150可以用于确定待发送到燃料喷射器40的燃料指令106。
通过使用各种输入和传感器来检测变化的环境条件并应用本发明的停留时间函数，可以调整内燃发动机系统10的多个燃料喷射之间的停留时间，以允许系统10在诸如极端环境条件的各种操作条件下的精确操作。而且，停留时间函数可以允许控制器102通过以增加的精度调整多个喷射之间的停留函数来修改喷射正时，并帮助防止在某些环境条件下多个喷射(例如，引燃喷射和主喷射的合并)意外地合并成单个喷射。这种改进的控制可以改进发动机性能、减少污染物的排放、降低噪声并且改进发动机的耐久性。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所公开的系统进行各种修改和变化。通过考虑本文公开的系统的说明书和实践，本领域的技术人员将清楚该系统的其他实施例。本说明书和示例旨在被认为仅仅是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求及其等同物指示。

Claims (10)

1.一种用于控制内燃发动机的燃料系统的燃料喷射方面的方法，包括：
确定每个发动机循环的燃料喷射策略，其包括引燃燃料喷射、主燃料喷射以及所述引燃燃料喷射和主燃料喷射之间的停留时间；以及
基于感测的与所述内燃发动机相关的环境温度和环境压力自动调整每个发动机循环的所述停留时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中当所述感测的环境压力降低时，所述停留时间增加。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述感测的环境温度降低时，所述停留时间增加。
4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述感测的环境压力降低并且所述感测的环境温度降低时，所述停留时间增加。
5.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述停留时间包括基于至少与发动机加燃料数据、发动机速度数据、所述感测的环境压力和所述感测的环境温度相关的函数来计算停留时间调整。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述函数进一步涉及发动机进气侧空气压力数据和发动机进气侧空气温度数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述发动机进气侧空气压力数据基于所述发动机的进气歧管压力。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述发动机进气侧空气温度数据基于所述发动机的进气歧管温度。
9.一种用于内燃发动机的燃料系统，包括：
多个燃料喷射器，其将燃料供应到多个燃烧室；
进气歧管，其将空气提供到所述燃烧室；以及
控制器，经配置：
针对每个发动机循环确定燃料喷射策略，其包括引燃燃料喷射、主燃料喷射以及所述引燃燃料喷射和主燃料喷射之间的停留时间；以及
基于感测的与所述内燃发动机相关的环境温度和环境压力自动调整每个发动机循环的所述停留时间。
10.根据权利要求9所述的系统，其中当所述感测的环境压力降低时，所述停留时间增加；以及
当所述感测的环境温度降低时，所述停留时间增加。
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