CN116157592A - 用于跳过气缸的再充气管理 - Google Patents

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蔡晓平
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安德里亚·玛丽·埃文斯
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Abstract

描述了用于在内燃发动机的跳过点火操作期间管理该发动机的气缸的再充气的多种方法和布置。在一种方法中，确定气缸的最大允许停用时间，并且在超过该最大允许停用时间之前对该气缸再充气。

Description

用于跳过气缸的再充气管理
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年8月27日提交的美国临时专利申请号63/071,295的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及在跳过点火操作期间对内燃发动机的气缸的再充气管理，更具体地涉及当气缸内压力太低时对气缸再充气。
背景技术
许多类型的内燃发动机的燃料效率可以通过改变发动机的排量来改进。这允许在需要全扭矩时使用全排量且在不需要全扭矩时使用较小的排量。使用标准气缸停用(CDA)的发动机通过停用气缸的子集来减小发动机排量。例如，八气缸发动机可以通过停用四个气缸将其排量减小一半。同样，四气缸发动机可以通过停用两个气缸将其排量减小一半，或者六气缸发动机可以通过停用四个气缸将其排量减小到1/3。在所有这些情况下，当发动机以此减小的排量水平操作时，被停用气缸不点火。CDA中出现的点火模式称为固定模式，因为在发动机处于该减小的排量水平的整个时间期间被跳过气缸是固定的。
相比之下，使用跳过点火控制的发动机可以通过如下步骤将发动机排量减小到其他水平：针对一个循环停用一个或多个气缸，然后在下一个循环对这些气缸点火，然后在第三个循环跳过它们或对它们点火。在这种方法中，例如，八气缸或四气缸发动机可以通过使每个气缸反复跳过、然后点火、然后跳过来将其排量减小到1/3。这种发动机排量的减小不能简单地通过停用气缸的子集来达到。跳过点火操作中出现的某些点火模式称为周转模式(rolling pattern)，因为被停用的气缸改变，从而每个循环引起随时间的推移跨越气缸使跳过和点火的模式周转。换言之，当发动机保持处于相同的排量水平时，第一发动机循环可以使第一组气缸被点火，并且第二发动机循环可以使不同的第二组气缸被点火。发动机循环通常被定义为所有气缸完成四个不同的活塞冲程(进气、压缩、做功/膨胀和排气)所需的时间，这通常需要曲轴针对通常用于向车辆供应动力的4冲程发动机旋转两(2)周(720度)。
仅使用CDA的发动机中出现的一个问题是被停用气缸的气缸内压力会随时间的推移而下降，从而允许机油从曲轴箱侵入到被停用气缸中，由此损坏发动机和/或增加排放。因为气缸使用具有交替的跳过和点火的周转模式，所以与按固定模式操作的发动机相比，跳过点火发动机的问题要小得多。然而，跳过点火发动机也使用固定模式来优化发动机排量，从而使它们也遭受这种机油侵入问题的影响。
由于气缸内压力测量换能器的成本高且可靠性和准确性差所致，大多数发动机未配备这些气缸内压力测量换能器。而且，需要高成本的数据采集系统来采集和处理压力测量换能器的数据。
如果气缸的再充气聚集在一起并且每次再充气的前面是再排气事件，则若干个再排气事件将紧挨在一起发生。这可能导致排气流瞬时增加，这会对废气再循环(EGR)回路和涡轮速度控制两者都具有负面影响。而且，如果太多气缸被命令在一个发动机循环中再充气，则发动机制动扭矩可能显著下降和/或产生噪声、振动和声振粗糙度(NVH)问题。进一步地，如果若干个再充气事件紧挨在一起发生，则废气温度可能波动得比所期望的更大，这会对后处理系统的功效产生不利影响。
发明内容
描述了用于在内燃发动机的跳过点火操作期间管理该发动机的气缸的再充气的多种方法。在至少一个实施例中，确定气缸的最大允许停用时间，并且在超过该最大允许停用时间之前对该气缸再充气。
通过阅读以下详细描述和查看相关联的附图，这些和其他特征及优点将变得显而易见。将理解，前述一般描述和以下详细描述两者都仅是解释性的并且不限制如要求保护的方面。
附图说明
结合以下附图，通过参考详细描述将更充分地理解本发明，其中：
图1示出了内燃发动机系统的示意图。
图2示出了再充气逻辑流程图。
图3示出了另一个实施例的再充气逻辑流程图。
图4示出了可以并入到用于确定气缸内压力的查找表中的示例数据。
图5A和图5B展示了由于再充气期间的泵气损失所致的负扭矩。
图6示出了再充气期间的扭矩泵气损失的估计。
图7示出了另一个实施例的再充气逻辑流程图。
具体实施方式
现在参考附图来描述主题创新，其中，相似的附图标记通篇用于指代相似的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了众多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，可以显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。
图1展示了发动机系统10，其包括具有发生燃烧的多个气缸14的可变排量发动机12。在所示的实施例中，发动机12包括四(4)个气缸14。应理解，如所展示的发动机12仅仅是示例性的，并且可以包括比四(4)个气缸更少抑或更多的气缸，比如但不限于2、3、6、8、10、12或16个气缸。发动机12由发动机控制器16控制。发动机控制器16执行本文所描述的与发动机12的气缸14的再充气相关的所有控制功能。
发动机系统10可以包括在发动机12的进气路径和排气路径中的各种元件。在进气路径上，新鲜空气可以被吸入作为涡轮增压器系统24的一部分的压缩机30中。压缩机30的输出可以被引导至增压空气冷却器旁路阀31，该增压空气冷却器旁路阀允许空气流入中间冷却器或增压空气冷却器13中或者围绕增压空气冷却器13转向到旁路33中。增压空气冷却器13降低压缩空气的温度，从而允许更多的空气被泵送通过发动机(允许更高的质量增压空气或“MAC”)，由此增加发动机的最大扭矩输出。引入的空气然后可以流过节流阀15且然后流入废气再循环(EGR)混合器17中，在该EGR混合器中，废气可以被引入到进入的新鲜空气中。空气/EGR混合物可以从废气再循环混合器17流入进气歧管19中并从那里流入发动机的气缸14中。进气阀(图1中未示出)打开和关闭以间歇地允许和阻止气缸14与进气歧管19之间的气流。燃料可以通过燃料喷射器11喷射到每个气缸14中。在气缸工作循环的膨胀或做功冲程期间，空气、燃料及可能地再循环废气的混合物可以在气缸14中燃烧。废气然后可以流过排气阀(图1中未示出)，该排气阀间歇地关闭和打开到排气歧管21。废气流的一部分可以通过废气再循环(EGR)系统18从排气歧管21转向。不流过EGR系统的废气然后可以流过作为涡轮增压器系统24的一部分的涡轮机26。流过涡轮26的废气提供动力以使压缩机30旋转。涡轮增压器系统24可以包括废气门或者可变叶片或可变几何涡轮机(图1中未示出)以控制从流动的废气中提取的动力的量。在离开涡轮增压器系统24之后，流可以继续通过去除废气中的有害污染物的后处理系统23。废气然后可以流过可选的排气节流阀25，且然后流出排气管进入大气中。
EGR系统18可以包括EGR阀22，该EGR阀可调节地控制废气返回到进气系统中的流速。而且，在EGR系统18中可以存在废气冷却器27，该废气冷却器在将热的废气引入到进气系统中之前对其进行冷却。废气冷却器旁通阀29允许一些或所有的再循环废气围绕废气冷却器27转向到废气旁路35中。
发动机系统10可以包括各种传感器(为清楚起见在图1中未示出)。这些传感器可以定位在发动机12、进气系统和排气系统上的各种位置处。例如，进气歧管19可以具有压力传感器、温度传感器和氧气传感器。排气歧管21可以具有温度传感器和压力传感器。在废气进入EGR混合器17之前，可以存在定位于EGR系统18的出口处的质量流量传感器和氧气传感器。可以在压缩机入口处存在质量流量传感器。可以存在定位成监测后处理系统23温度的温度传感器。可以在排气系统中既在后处理系统23之前又在之后存在NOx传感器。可以存在并入到涡轮增压器系统24中的废气门或涡轮增压器叶片位置传感器。这些传感器可以全部都向发动机控制器16提供信号，这些信号允许发动机控制器16以适当的方式操作发动机12。这些传感器信号可以用作发动机控制中的反馈回路的一部分。应了解，并非所有发动机系统10都使用上文所描述的所有传感器，并且在一些情况下可以使用附加的传感器。
发动机12可以是压缩点火发动机、火花点火(SI)发动机、将火花点火与压缩点火组合的发动机、或用不同技术点燃空气燃料混合物的发动机。
发动机12可以是能够选择性地以全排量或者一个或多个减小排量操作的任何类型的发动机。
在一个实施例中，发动机12可以是“常规”可变排量发动机，其中一组或一排(bank)一个或多个气缸可以被选择性地停用以将发动机的有效排量减小到小于全排量(CDA)。例如，对于八气缸发动机，可以选择性地停用两个、四个或六个气缸的组。发动机12的有效排量可以用点火分数来表达。例如，当常规的八气缸可变排量发动机在两个、四个或六个气缸被停用的情况下操作时，点火分数分别为3/4、1/2或1/4。
在另一个实施例中，发动机12可以是跳过点火控制的。跳过点火发动机控制设想在选定的点火时机期间选择性地跳过对某些气缸14的点火。因此，对于小于全排量的给定的有效发动机排量，特定气缸14可以相继地在一个点火时机期间被点火，在下一个点火时机期间被跳过，且然后在下一个点火时机期间被选择性地跳过或点火。从整体发动机的角度看，跳过点火控制有时导致相继的发动机循环具有被跳过和点火的气缸的不同模式。这与常规的可变排量发动机操作(CDA)形成对比，在常规的CDA中，在某些低负载操作条件下固定的一组气缸被停用。点火序列也可以表达为点火分数或点火密度，其中任一者都指示被点火的点火时机与总的点火时机的比率。
利用跳过点火控制，有可能实现比利用常规的可变排量发动机所实现的发动机控制精细得多或改善的发动机控制。通过比较的方式，分数(比如，1/3)可以使用跳过点火发动机控制来实施，但不能用常规的4气缸可变排量发动机来实施。例如，市售的跳过点火控制器提供十七(17)种不同点火分数，每种点火分数指示不同的减小的有效发动机排量。
在以下美国专利号中描述了跳过点火发动机控制：7,954,474；7,886,715；7,849,835；7,577,511；8,099,224；8,131,445；8,131,447；8,616,181；8,701,628；9,086,020；9,120,478；9,200,587；9,650,971；9,328,672；9,239,037；9,267,454；9,273,643；9,664,130；9,945,313；以及9,291,106；其中的每一者出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
对于跳过点火发动机控制的某些实施方式，动态地做出对发动机的给定气缸进行点火或不点火(跳过)的决定，这意指在逐个点火时机的基础上或在逐个发动机循环的基础上。换言之，在每个相继的点火时机或发动机循环之前，做出在发动机循环中点火抑或跳过一个点火时机或每个点火时机的决定。在各种实施例中，通过使用西格玛德尔塔转换器或等效地德尔塔西格玛转换器在逐个点火时机的基础上确定点火序列。此类跳过点火控制系统可以被定义为动态跳过点火控制或“DSF”。对于有关DSF的更多细节，见美国专利号7,849,835、9,086,020和9,200,575、10,247,121，出于所有目的，每一者通过引用并入本文。
因此，如本文所使用的，术语“点火分数”应被广义解释并适用于任何类型的可变排量发动机，包括但不限于常规的可变排量发动机、跳过点火控制的发动机和DSF控制的发动机。
除其他任务外，发动机控制器16负责以下任务：
(a)根据需要以多个不同排量之一操作发动机12以满足变化的扭矩请求；
(b)通过产生EGR阀控制信号20来控制EGR系统18，以便控制EGR阀22的位置。在各种实施例中，EGR阀控制信号20可以在时域抑或曲轴转角域中产生；以及
(c)控制气缸的再充气。
通过调节EGR阀22的位置，可以控制从发动机12的排气歧管到进气歧管的EGR流的体积。如下文详细描述的，EGR阀22的位置控制可以用于消除在点火分数转变期间碳氢化合物和/或NOx排放的尖峰。
发动机控制器16可以包括存储器16A。存储器16A可以是任何类型的存储器(包括易失性或非易失性存储器)，并且用于存储对确定(a)用于操作发动机12的点火分数和(b)EGR系统18的EGR阀22针对每种点火分数的位置有用的数据。此类数据可以包括表格、从经验数据导出的模型、算法或其任何组合。存储器16A还可以存储实施本文所披露的方法和控制例程的算法。
EGR系统18操作以使燃烧后的废气的一部分再循环回到发动机12的气缸14。再循环流的量由可变EGR阀22选择性地控制。在操作期间，发动机控制器16产生EGR阀控制信号20，该EGR阀控制信号将EGR阀22调节到更打开或关闭的位置。结果，为了缓解或减少碳氢化合物和/或NOx排放的目的，可以控制再循环回到气缸14的废气的体积。
再循环倾向于用对燃烧惰性或至少具有比新鲜空气低的氧含量的气体来稀释进入气缸14中的新鲜空气进气流。废气充当燃烧产生的热量的吸收剂并降低气缸14内的峰值温度。结果，典型地减少了NOx排放。例如，在压缩点火柴油发动机中，废气代替了预燃混合物中的一些氧气。由于NOx主要在氮气和氧气的混合物经受高温时形成，因此工作室中较低的燃烧温度和氧气量的减少引起所产生的NOx的量的减少。然而，如果存在过多的废气，则在点火的气缸14内可能不发生完全燃烧。结果，可能出现未燃烧的碳氢化合物的尖峰。
可选的涡轮增压器系统24包括排气涡轮机26、轴28和压缩机叶轮30。压缩机叶轮30是用于将进气歧管中的压力增加到超过大气压力的压缩机的一部分。来自进气歧管的空气通过每个气缸上的一个或多个进气阀被引入到气缸14中。与自然吸气发动机相比，将供气推进到气缸14中允许产生更多动力。有了更多的空气，就可以按比例将更多的燃料输入到气缸14中，而不引起未燃烧的碳氢化合物增加。
超级增压器或双增压器也可以用于推进空气进气。涡轮增压器与超级增压器之间的关键区别在于，超级增压器由发动机机械地驱动(常常通过连接至曲轴的皮带)，而涡轮增压器由通过发动机的废气驱动的涡轮机来提供动力。与机械地驱动的超级增压器相比，涡轮增压器往往效率更高，但响应性较小。双增压器是指发动机具有超级增压器和涡轮增压器两者。
本申请主要是在适合用于机动车辆中的六气缸内燃发动机的背景下描述的。然而，应理解，如本文所描述的本申请可以与任何类型的内燃发动机一起使用而不管燃烧的类型如何，和/或可以与任何发动机一起使用而不管气缸的数量如何，包括1、2、3、4、5、6、8、10、14个气缸或具有比本文具体叙述的更多或更少气缸的发动机。另外，内燃发动机可以使用任何类型的可燃燃料，包括但不限于汽油、柴油、乙醇、甲醇、天然气或其任何组合。此外，内燃发动机可以依赖于各种类型的燃烧和/或燃料充气，包括但不限于压缩点火、火花点火、分层燃料充气、均质燃料充气和部分均质充气。另外，本文所描述的任何发动机实际上可以用于任何类型的车辆—包括汽车、卡车、机车、轮船、小船、建筑设备、飞机、摩托车、踏板车等；以及涉及对内燃发动机中的气缸的点火的几乎任何其他应用。
被跳过气缸可以作为若干种类型的气动弹簧之一操作，比如低压排气弹簧(LPES)、高压排气弹簧(HPES)和空气弹簧(AS)，如美国专利号10,619,584中所示，该专利特此通过引用以其整体并入本文。美国专利号10,619,584中的图3至图5是针对自然吸气发动机。对于增压发动机，这些图表将有点不同。一般而言，LPES操作具有最低的气缸内压力，接着是AS操作和HPES操作。
可以确定在发动机的跳过点火操作期间气缸的最大允许停用时间，使得在跳过点火操作期间被跳过气缸可以在气缸内压力下降到最小预定压力以下之前再充气。此最小预定压力是如下的压力，即，低于该压力，不可接受水平的机油就从曲轴箱进入气缸中。当制造发动机时，可以在发动机控制器16(见图1)中设定最小预定压力。示例预定压力可以是50kPa，这通过测量发动机测功机上的机油消耗量或排放来确定。
术语“再充气”可以包括如下的情况：在排气冲程期间气缸中的气体被排放到排气歧管中，且然后气缸在紧接着的进气冲程期间从进气歧管引入气体。在此类动作前面的通常可能是针对一个或多个工作循环跳过气缸。术语“再充气”还可以包括如下的情况：气缸从进气或排气歧管引入气体，但气缸在之前的工作循环期间并未被排放到排气歧管中。在两种情况下，这可以在不对气缸燃料补给和点火的情况下完成。术语“再点火”包括如下的情况：在一个或多个相继的跳过的工作循环之后气缸被点火。通常，燃料在再点火的工作循环期间被喷射到气缸中；然而，在一些情况下，燃料可能在较早的跳过的工作循环期间被喷射并在再点火的工作循环中燃烧。对于四冲程发动机，术语“工作循环”意指如下的过程，即，通过该过程，内燃发动机中的气缸完成四个不同的活塞冲程：进气、压缩、做功/膨胀和排气。“发动机循环”是指内燃发动机中的所有气缸完成一个工作循环。发动机的气缸的工作循环通常是相位偏移的。例如，在四气缸发动机中，在曲轴旋转180度期间，一个气缸以进气冲程操作，一个气缸以压缩冲程操作，一个气缸以膨胀冲程操作，且一个气缸以排气冲程操作。
在至少一个实施例中，可以监测各个气缸，并且当气缸内压力被确定为处于或低于预定压力时，可以对气缸再充气。
在至少一个实施例中，可以在停用期开始时根据查找表对允许的停用时间建模或确定。允许的停用时间可以是时间或压力或者时间和压力之一的函数。替代性地，可以对气缸内压力建模，并且可以允许停用继续，直到建模的压力达到或低于预定压力。如果超过允许的停用时间或建模压力过低，则可以对气缸再充气。
除了停用的时间长度之外，气缸内压力还通常随若干因素而变化。这些因素中的一些是：在跳过开始时的进气歧管绝对压力(MAP)；发动机速度；先前的激活(再充气或点火)事件是否为没有再排气的再进气、再排气和再进气、或点火事件；以及其他气缸已被停用的时间长度。
可以使用若干种方法(所有这些方法都在本发明的范围内)来确定再充气时间。在一个实施例中，基于若干因素(例如，MAP、发动机速度、上一个动作是点火还是泵气等)针对每个气缸对气缸内压力建模，并且每个循环更新每个气缸的模型。当在循环内或在某个曲轴转角或活塞位置处预测的气缸内压力低时，安排再充气事件。可以将安排再充气事件的阈值制定为提前若干个循环(例如，1至3个)，以避免一个循环中的再充气事件太多，从而有助于更均匀的排气流，例如这可以有益于涡轮速度控制。如果气缸在安排再充气之前被点火，则再充气事件可以作废，并且在该点火时，所估计的气缸内压力可以与燃料量一起使用以确定气缸是否仍然需要在点火之前再充气(或限制燃料)。为改进气缸内压力而再充气和为满足对再点火的空气/燃料比要求而再充气的要求可能不同。还可以选择再充气类型(例如，再排气和再进气，或简单地再进气)。
在另一个实施例中，可以在气缸第一次跳过时设定再充气时间。可以根据预测模型或查找表来确定时间。当气缸第一次跳过时，模型基于当前发动机状况来估计最小气缸内压力，如上文所呈现的。计算衰减率，并且计算在气缸内压力衰减到最小压力阈值以下之前的时间(或发动机循环次数)。
在另一个实施例中，可以根据查找表来确定在气缸内压力下降到低于最小气缸内压力之前气缸可以继续跳过的循环次数。例如，进气歧管绝对压力(MAP)和发动机速度可以用作查找表的两条轴线，如下文在表1中所示。第三轴线可以列出气缸的再充气类型(点火/再排气和再进气/仅再进气)。
此再充气时间可以用于再安排再充气事件。如果气缸被点火，则再充气事件可以作废，并且重置计时器。如上文所呈现的，再充气事件可以采取再排气和再进气操作或者仅再进气操作的形式。在对气缸燃料补给和点火之前进行再充气的必要性可以使用单独的查找表。
如上文所呈现的，基于低气缸内压力的校正动作是对气缸再充气。然而，在替代性实施例中，可以改变点火分数使得气缸以及时的方式被点火。例如，1/2的点火分数将引起六个气缸中的三个跳过。暂时增加点火分数将引起被跳过的该组三个气缸点火以及点火的那些气缸跳过。或者，点火分数可以从1/2更改为3/5，这将使点火模式更改为周转模式，其中在点火前最多具有一次跳过。
气缸内压力模型也可以用于防止对气缸过度燃料补给。如果气缸内压力是大约已知的，则可以确定在产生排放问题之前可以喷射的燃料量的上界。要么可以限制燃料，要么可以在燃料补给之前通过再排气和再进气操作抑或仅再进气操作来对气缸再充气。
压力衰减模型可以用于决定要使用的再充气类型。例如，如果气缸内压力高，则不需要再充气。如果气缸内压力过低，则可以使用再排气和再进气或者仅再进气。自上一次再充气或再点火以来的不同时间限制也可以用于确定这一点。确定时间限制的一些因素是发动机速度、上一个动作是再充气还是点火、发动机负载、MAP等。
如果必要的话，再充气操作也可以花费多于一个循环。也就是说，当气流的停用被停止时，气缸可以泵送空气以刷新一次、两次或更多次，直到再次停用。例如，当存在某种机油侵入或从排气系统到气缸中的过量废气泄漏时，可以这样做。使用较少的循环进行再充气改进了排气温度，因为用冷空气稀释排气的程度较小。
图2示出了本发明的实施例的示例再充气逻辑。此逻辑可以在图1中所示的发动机控制器16中实施，并且可以在逐气缸的基础上实施。也就是说，每个气缸14可以有它自己的单独的再充气逻辑。此逻辑跟踪每个气缸的连续跳过次数，并且当气缸的连续跳过次数超过阈值时，对该气缸再充气。具体地，如图2中所示，在步骤205处，确定气缸是被点火还是被跳过。如果气缸被跳过(即，不点火)，则在步骤210处计算该气缸的连续跳过次数作为跳过计数器。接下来，在步骤215处，将跳过计数器与阈值进行比较，该阈值等于该气缸的可允许的连续跳过次数。如在步骤220中所示，可以基于各种发动机参数(比如，发动机速度和歧管压力)来指定阈值。可以使用其他发动机参数。可以在步骤220处使用查找表来计算阈值。当跳过计数器超过阈值时(步骤215为是)，在步骤225处，命令该气缸再充气。针对N个发动机循环执行再充气(见步骤230)。N标称地被设定为1，但可以基于发动机参数被设定为其他值，发动机参数比如为发动机速度、上一个动作是再充气还是点火、发动机负载和MAP。(见步骤235)。在针对N个发动机循环执行再充气之后，将跳过计数器重置为零(见步骤240)，并且逻辑返回到步骤205以重新开始对每个气缸的连续跳过次数的计数(跳过计数器)。
图3示出了本发明的另一个实施例的另一个示例再充气逻辑。此逻辑也可以在图1中所示的发动机控制器16中实施，并且可以在逐气缸的基础上实施。也就是说，每个气缸14可以有它自己的单独的再充气逻辑。图3的此逻辑对每个气缸14的气缸内压力建模，并且当建模的气缸内压力小于阈值时，对该气缸再充气。具体地，如图3中所示，在步骤305处，确定气缸是被点火还是被跳过。如果气缸被跳过(即，不点火)，则在步骤310处确定该气缸的建模的气缸内压力。这可以例如通过可以获取输入的查找表、数学模型或方程式来完成，输入比如为发动机速度和歧管压力、或各种其他发动机参数。接下来，在步骤315处，将循环内或在某个曲轴转角或活塞位置处的建模的气缸内压力与可允许的最小压力(阈值)进行比较，该可允许的最小压力等于如下的压力，即，低于该压力，不可接受的量的机油就会进入气缸。如在步骤320中所示，可以基于各种发动机参数来指定阈值。当建模的气缸内压力处于或低于可允许的最小压力(阈值)时(步骤315为是)，在步骤325处，命令该气缸再充气。针对N个发动机循环执行再充气(见步骤330)。N标称地被设定为1，但可以基于发动机参数被设定为其他值，发动机参数比如为发动机速度、上一个动作是再充气还是点火、发动机负载、MAP。(见步骤335)。在针对N个发动机循环执行再充气之后，逻辑返回到步骤305以更新建模的气缸内压力。
存储器16A(见图1)可以包括非暂时性计算机可读介质，在该非暂时性计算机可读介质上可以存储用于执行图2和图3中所示的方法以及本文所披露的所有其他方法和功能的指令。术语“非暂时性计算机可读介质”可以包括存储指令的单个介质或多个介质，并且可以包括以计算机可读的形式存储信息的任何机构，比如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(EPROM和EEPROM)或快闪存储器。
在发动机的发展期间执行的测试和校准期间，可以产生针对再充气之前的可允许的跳过循环次数的阈值(见步骤220，图2)和可允许的最小压力的阈值(见步骤320，图3)的查找表的所有值。每种发动机类型将具有由每种发动机的独特参数确定的不同值。可以测量气缸内压力，并且确定达到所期望的最小压力所需的循环次数。可以使用数据(比如，图4中所示的数据)来制作用于确定再充气之前的可允许的跳过循环次数的阈值的样本查找表。图4中所示的压力数据可以通过收集发动机测功机上的气缸内压力数据来确定。绘制最小气缸内压力数据与发动机循环次数的关系图，并且确定与所期望的最小压力阈值相对应的循环次数，并将该循环次数输入到对应的速度/负载单元中。可以针对其他速度/负载点重复这一点。另外，可以计算在每个曲轴转角下的气缸内压力。美国专利号9,784,644(其特此通过引用以其全文并入)披露了另一种压力模型，该压力模型可以估计被跳过气缸中的压力。
例如，可以使用针对作为发动机速度、进气歧管压力的函数的刚好在再充气后的初始最小气缸内压力的2维表。下文是针对再充气后的最小气缸内压力的查询表的一个示例。
表1：刚好在再充气后的最小气缸内压力
Figure BDA0004094180990000091
。
附加地，可以使用针对衰减率的一维表。下文是针对再充气后的衰减乘数的查询表的一个示例。
表2：衰减查找表
Figure BDA0004094180990000092
本文所参考的所有查找表和方程式都可以在控制软件中实施，该控制软件存储在发动机控制器16(见图1)的存储器16A中。可以做出类似的考虑来决定在对气缸再点火之前如何再充气。由于跳过次数过多所致，上表中所示的值将与用于再充气的值不同。
如上文所呈现的，当超过最大可允许的停用时间时，可以对气缸再充气，这有助于防止机油从曲轴箱进入气缸中并由此防止损坏发动机和增加排放。然而，如果在同一个发动机循环中对太多气缸再充气，则由发动机产生的扭矩会变得不均匀并且会引起不均匀的气流和不可接受的NVH。例如，如果六气缸发动机中的三个气缸被点火且三个被停用，则三个被停用气缸可能在进入稳定状态之前的发动机循环就已全部都被点火，且因此所有气缸都将被命令在同一个发动机循环再充气。因此，气流将从在一个发动机循环点火三个气缸并停用三个气缸更改为点火三个气缸并对三个气缸再充气且然后在第三个发动机循环再次返回到点火三个气缸并停用三个气缸。
需要一种用以在DSF期间均匀地散布再充气事件的方法，使得对发动机行为的影响是小的。因此，协调所有气缸的再充气动作使得它们间隔良好是有益的。当确定多个被停用气缸需要再充气时，使再充气均匀地散布遍及多个发动机循环。这可以改进排气流的平稳性，进而可以改进涡轮控制和EGR控制。而且，间隔良好的再充气可以减少排气温度波动以防止后处理系统温度暂时下降到所期望的温度窗口之外、以及减少在对气缸再充气时由于泵气损失增加所致的扭矩波动。下文呈现一种散布再充气事件的方法。
1.如果处于固定模式，则确定被停用的气缸的最大允许停用时间N。
2.选择小于或等于N并与被停用气缸数量互质的值M
3.当气缸被停用时，跳过M-1个气缸停用事件，然后对第M个气缸停用事件再充气
4.在同一组气缸被停用时重复步骤3
例如，在表3中所示的实施例中，六气缸发动机对三个气缸点火并跳过三个气缸且最大停用时间为12个气缸事件(即，N＝12)，对每第11个被跳过气缸再充气(即，M＝11)，如下表1中所示。对气缸A至F按时间顺序点火，且“F”指示点火，“RC”指示再充气，且“X”指示停用。
表3：在二分之一点火分数期间的再充气
Figure BDA0004094180990000101
Figure BDA0004094180990000111
如表3中所示，对每第11个被跳过气缸再充气，并且每个发动机循环存在最多一个再充气事件。
在另一个实施例中，可以使用一阶西格玛德尔塔(FOSD)转换器和有理“再充气分数”来产生再充气模式，其中再充气分数的分母与被停用气缸的数量互质，并且再充气分数的倒数小于最大所期望的停用时间。在美国专利号9,200,587中更全面地描述了一阶西格玛德尔塔(FOSD)转换器，该专利特此通过引用以其整体并入本文。例如，如果被停用气缸的数量为4且最大停用时间为25个循环，则值1/21、1/22、1/23或2/49将导致期望的再充气模式。然而，值1/20和1/24将导致每5个或6个循环进行一个气缸再充气，且其他气缸从未再充气，这将产生上文所提到的负面影响，比如扭矩产生不均匀和气流不均匀。
如果出于某种原因(比如，在诊断期间)从外部强制对气缸再充气而不是所建议的跳过，则可以忽略该事件，可以将FOSD中的累加器重置为零，或者再充气可以由FOSD用作反馈而不是所请求的跳过。
如果周转模式使气缸停用的时间过长，则在点火后令以固定的循环次数进行再充气将自然地使气流保持平稳。例如，考虑具有每5个循环进行再充气的局限性的八气缸发动机。当命令1/9的点火分数时，气缸将被停用八个连续循环。如果在五个停用循环之后命令再充气，则在任何九气缸时间段内都将只有一个或两个气缸被排气。除了气缸内压力要求之外，在点火后对气缸再充气的时间还可以基于点火分数。
当在点火前对气缸再排气和刷新时，再充气事件仍然可能聚集。例如，当点火分数从二分之一增加时，一半气缸可以在点火后排气，而另一半气缸可以在燃料补给之前再排气以刷新气缸内容物。这可以要么通过仅使用再进气刷新(没有再排气)要么将再充气事件安排得足够频繁来缓解，使得不出现在点火前再排气的需求。
如图5A中所展示，再充气事件通常将由于泵气损失所致而引起已知的负(制动)扭矩。图5A示出了在900rpm、200Nm制动扭矩和2/3的FF下的数据。如图5A中所示，对于每个再充气事件，存在大约36Nm的制动扭矩冲击/损失。图5B示出了气缸内压力数据与循环次数的关系。如图5B中所示，再充气扭矩损失由泵气损失(根据被跳过气缸中的PMEP示出)和由于热传递所致的空气弹簧损失(根据被跳过气缸中的IMEP示出)造成。可以通过排气歧管压力和进气歧管压力的差异来预测再充气事件的扭矩损失。图6示出了这种相关性。
如图6中所示，排气和进气歧管压力差与再充气泵气损失(当发动机泵送空气时)相关。因此，此压力差可以用于估计由于再充气所致的泵气损失。这两个压力可以从对应的ECM压力传感器读取。2D查找表可以用于基于发动机速度以及排气歧管压力与进气歧管压力之间的差异来估计扭矩损失。下表4示出了样本表。
表4：再充气扭矩损失表
Figure BDA0004094180990000121
在另一个实施例中，可以使前馈燃料补给命令与再充气事件协调以使总体平均扭矩保持处于目标水平。这样做的一种方式是基于在再充气事件期间的所估计的泵气损失来添加净燃料补给补偿量(offset)。
由于再充气事件所致的制动扭矩会引起产生于发动机跳过点火操作的NVH量的增加。负扭矩将引起车辆乘员可能注意到的低频振动。这有时可以通过适当地定时再充气事件来减少，或者可以遍及若干个气缸点火事件分配燃料补给补偿量，并且每个事件可以具有该补偿量的不同部分以便减少附加NVH。该分配甚至可以以这样的方式完成，使得一些气缸经历燃料补给的减少。这提供了使扭矩响应适合于减少来自再充气事件的附加NVH的灵活性。
在大多数四冲程发动机中，气缸成对操作，其中该对中的一个气缸处于其做功阶段，而该对中的第二个气缸处于其进气阶段。这提供了如下的机会：安排对一个气缸的再充气(这在曲轴上引起负扭矩)，同时该扭矩正由该对中的另一气缸产生。与再充气是在不同时间进行相比，施加到曲轴的扭矩将更加平稳，从而导致减少NVH。例如，在六气缸发动机中的1/4点火分数下，三个气缸被停用，并且三个气缸交替地跳过一个工作循环且然后在下一个工作循环被点火。在下文所示的表5中，每十二个发动机循环对三个被停用气缸再充气，其中为气缸4安排的再充气事件在气缸1点火时发生，且同样，气缸2在气缸5点火时再充气，并且气缸6在气缸3点火时再充气。以这种方式，每个再充气事件及其随后在曲轴处的扭矩减小与从点火气缸到曲轴的扭矩递送同时发生。结果是产生于对气缸再充气的需求的NVH得到改进。为了进一步减少NVH，可以在点火气缸当中划分用以补偿对气缸再充气的附加泵气功的净燃料增加量。可以增加或减少用于每个点火气缸的燃料，其中针对气缸的燃料补给的总变化量增加，以补偿由再充气引发的泵气损失。
表5
气缸A 气缸B 气缸C 气缸D 气缸E 气缸F
循环1 点火 跳过 跳过 再充气 点火 跳过
循环2 跳过 跳过 点火 跳过 跳过 跳过
循环3 点火 跳过 跳过 跳过 点火 跳过
循环4 跳过 跳过 点火 跳过 跳过 跳过
循环5 点火 再充气 跳过 跳过 点火 跳过
循环6 跳过 跳过 点火 跳过 跳过 跳过
循环7 点火 跳过 跳过 跳过 点火 跳过
循环8 跳过 跳过 点火 跳过 跳过 再充气
循环9 点火 跳过 跳过 跳过 点火 跳过
循环10 跳过 跳过 点火 跳过 跳过 跳过
循环11 点火 跳过 跳过 跳过 点火 跳过
循环12 跳过 跳过 点火 跳过 跳过 跳过
再充气事件的另一个负面影响是点火气缸的EGR增加。具体地，由于排气质量流量增加，再充气事件会增加排气歧管压力。由于再充气的气缸拉低了进气歧管中的压力所致，再充气事件也会降低进气歧管压力，这会增加排气歧管与进气歧管之间的压力差，由此增加EGR流。为了针对点火气缸保持相同的所需EGR分数，可以使前馈EGR阀命令与再充气事件协调以将EGR分数维持在目标水平，由此缓解EGR流的扰动。这也通过用来自进气歧管的气体稀释排气来改变排气的成分。
在另一个实施例中，可以将具有最长停用时间(自点火/再充气以来经过的时间)的气缸选择为要再充气的第一个气缸。替代性地，可以基于自上一次点火以来的时间长度按顺序对气缸再充气。
在另一个实施例中，将连续被停用气缸的时间累加。在图7中所示的此实施例中，确定时否需要再充气并且应选择哪个气缸进行再充气。例如，当需要再充气事件时，可以命令具有最长停用时间的气缸再充气。此实施例可以在任何类型的点火模式期间以及在过渡和周转模式期间使用。如图7中所示，在步骤705处，将新的跳过/点火命令输入到流程图。当气缸被跳过并且没有再充气时(步骤720中的是)，在步骤730处，在跳过计时器中递增每个被跳过气缸的停用时间。在步骤725中，也递增被跳过气缸的分配计时器。分配计时器用于确定将针对下一个再充气事件触发哪个气缸，使得均匀地分配再充气气缸，如下文更详细地示出。在步骤735处，针对被点火或再充气的气缸(步骤720中的否)，将跳过计时器重置为0。如果存在任何点火分数变化(步骤710的是)，则在步骤715处将分配计时器重置为跳过计时器。当存在用于气缸的再充气命令时(步骤740处的是)，在步骤745处，从分配计时器中减去最大允许停用时间。在步骤750处，如果所有气缸的分配计时器之和大于最大允许停用时间，则确定再充气(再充气)事件是必要的。当确定再充气事件是必要的时，命令具有最大停用时间的气缸再充气(步骤755)。
以下示例展示了图7的流程图是如何操作的。
示例1
Figure BDA0004094180990000141
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Figure BDA0004094180990000151
对于多个再充气气缸，根据每个发动机循环的允许的[校准的]再充气事件的最大数量来分配再充气命令。允许的再充气事件的最大数量的项可以是存储在存储器16A中的静态参数。替代性地，允许的再充气事件的最大数量可以是可以在存储于存储器16A中的查找表中确定的动态值。查找表的输入可以是发动机速度、所期望的扭矩、(多个)被停用气缸的建模或测得的气缸内压力、(多个)被停用气缸的建模或测得的气缸内壁温度、再充气扭矩损失的模型化或测得的NVH影响。
为了避免在周转模式期间所命令的可能的再充气，可以产生点火密度掩模模型。此点火密度掩模模型也可以允许将被停用气缸的连续停用时间连续地累加，无论运行的是什么模式(例如，过渡)。在当掩模的FF运行时的时段期间，再充气事件被禁用。例如，如果1/7是掩模的点火分数之一，则即使所有分配计时器之和大于阈值(最大允许时间)，在发动机切换到以FF＝1/7运行之后也不安排再充气命令。跳过计时器和分配计时器两者继续正常地递增，但再充气命令被禁用。
最近，对柴油发动机的排放要求已变得更加严格。为了满足这些严格的排放要求，有必要将排气后处理系统维持在高温。这样做的一种方式是使用气缸停用，这可以用于提高排气系统中的一个或多个后处理元件的温度。而且，如上文所呈现的，气缸再充气可以用于避免长时段的低的气缸内压力，由此防止机油侵入到气缸中，这可能使柴油发动机中的排放进一步降级。
再充气的另一种使用与对气缸再点火一致，这意味着在至少一个循环(在该至少一个循环时该气缸被跳过)之后对该气缸燃料补给和点火。因为每次气缸被跳过时气缸中的充气都会冷却，所以如果不首先对它再充气，它就会削弱或阻止点火事件的燃烧，该再充气要么通过首先排出当前的充气(再排气)并引入新的充气(再进气)，要么保持当前的充气但从进气歧管引入附加的气体(再进气)且然后对气缸燃料补给和点火。
如上文所呈现的，在至少一个实施例中，可以通过如下步骤来确定最大允许停用时间：基于当前发动机状况来对当前气缸内压力建模、每个发动机循环更新建模的气缸内压力、以及计算气缸内压力何时将处于或低于最小气缸内压力的时间。
在另一个实施例中，在点火的时候或者在气缸再充气之前至少一个发动机循环计算最大允许停用时间，使得在一个发动机循环期间再充气的气缸数量不超过预定量。在一些实施例中，通过以下步骤来确定最大允许停用时间：基于当前发动机状况来估计当前气缸内压力和最小气缸内压力、计算气缸压力的衰减率、以及计算气缸内压力何时将处于或低于最小气缸内压力的时间。
在其他实施例中，气缸的再充气进一步包括：在将燃料喷射到气缸中之前，在先前的发动机循环时对气缸再排气、接着是将空气再进气到气缸中，或者将空气再进气到气缸中而不对气缸再排气。在另一个实施例中，最大允许停用时间是最大允许发动机循环次数。在其他实施例中，基于建模的当前气缸内压力来确定气缸是否在再充气之前被再排气。
在另一个实施例中，基于当前气缸内压力来确定喷射的燃料量。当前气缸内压力提供了在不产生不可接受的量的未燃尽碳氢化合物的情况下可以在气缸中燃烧的燃料量的上限，或者在多于一个发动机循环中完成再充气。
在另一个实施例中，确定被停用的一组气缸的最大允许停用时间，当超过该最大允许停用时间时对这些气缸再充气，并且协调这些气缸的再充气使得这些气缸的再充气被间隔在不同的发动机循环中。在另一个实施例中，基于自先前的再充气或点火以来的时间长度对气缸再充气，或者该时间长度取决于先前的事件是再充气还是点火。
在另一个实施例中，使对EGR阀命令的前馈控制与再充气事件协调以便维持EGR分数。在另一个实施例中，基于再充气事件的所估计的泵气损失向其他点火气缸添加燃料补给增加量或减少量。
在另一个实施例中，固定的一组X个气缸被停用，确定被停用的该组气缸的最大允许停用时间N，并且对每第M个被停用气缸事件再充气，其中，M<N，并且M与X互质。在另一个实施例中，确定所有气缸的累加的停用时间，并且当累加的停用时间超过阈值时对气缸再充气。
在另一个实施例中，确定所有气缸的累加的停用时间，选择在累加的停用时间超过阈值时要再充气的气缸，并且当多个气缸被选择为再充气时，遍及多于一个发动机循环均匀地分配被选择为再充气的气缸的再充气。在另一个实施例中，根据每个发动机循环的校准的再充气事件的最大数量来分配再充气命令。
在另一个实施例中，将具有最长停用时间的气缸优先进行再充气。在再另一个实施例中，在一个发动机循环中对仅一个气缸再充气。在另一个实施例中，基于发动机冲程的累加数量来计算累加的停用时间和最大允许停用时间。在另一个实施例中，最大允许停用时间取决于进气歧管压力。
上文所描述的方法可以由发动机控制器或由记录在非暂时性计算机可读介质上的指令执行。
应理解，本发明不受本文所描述的具体实施例的限制，这些具体实施例是以示例的方式而不是以限制的方式提供的。上述实施例及其各个方面的变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的并且落在如以下权利要求中阐述的本发明的范围内。

Claims (35)

1.一种用于在内燃发动机的跳过点火操作期间管理该发动机的气缸的再充气的方法，该方法包括：
确定气缸的最大允许停用时间；以及
在超过该最大允许停用时间之前对该气缸再充气。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定该最大允许停用时间包括：基于当前发动机状况来对当前气缸内压力建模、每个发动机循环更新该建模的气缸内压力、以及计算该气缸内压力何时将处于或低于最小气缸内压力的时间。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在气缸再充气之前至少一个发动机循环计算该最大允许停用时间，使得在一个发动机循环中再充气的气缸数量不超过预定量。
4.如权利要求1所述的方法，其中，确定该最大允许停用时间包括：基于当前发动机状况来估计当前气缸内压力和最小气缸内压力、计算该气缸压力的衰减率、以及计算该气缸内压力何时将处于或低于该最小气缸内压力的时间。
5.如权利要求1所述的方法，其中，气缸的再充气包括：对该气缸排气和将空气再进气到该气缸中。
6.如权利要求1所述的方法，其中，气缸的再充气包括：将空气再进气到该气缸中而不对该气缸排气。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该最大允许停用时间是最大允许发动机循环次数。
8.如权利要求5所述的方法，其中，基于该建模的当前气缸内压力来确定再充气类型。
9.如权利要求1所述的方法，其中，基于当前气缸内压力来确定喷射的燃料量。
10.如权利要求1所述的方法，其中，在多于一个发动机循环中完成该再充气。
11.一种在以跳过点火方式操作的内燃发动机中的发动机控制器，该发动机控制器被配置为：
确定气缸的最大允许停用时间；以及
在超过该最大允许停用时间之前对该气缸再充气。
12.如权利要求11所述的发动机控制器，其中，该发动机控制器进一步被配置为：
通过基于当前发动机状况来对当前气缸内压力建模，确定该最大允许停用时间；
每个发动机循环更新该建模的气缸内压力；以及
计算该气缸内压力何时将处于或低于最小气缸内压力的时间。
13.一种非暂时性计算机可读介质，其上记录有指令，当由处理器执行时，这些指令引起该处理器：
确定气缸的最大允许停用时间；以及
在超过该最大允许停用时间之前对该气缸再充气。
14.如权利要求13所述的非暂时性计算机可读介质，其中，这些指令进一步引起该处理器：
通过基于当前发动机状况来对当前气缸内压力建模，确定该最大允许停用时间；
每个发动机循环更新该建模的气缸内压力；以及
计算该气缸内压力何时将处于或低于最小气缸内压力的时间。
15.一种用于在内燃发动机的跳过点火操作期间管理该发动机的气缸的再充气的方法，该方法包括：
确定被停用的一组气缸的最大允许停用时间；
当超过该最大允许停用时间时对这些气缸再充气；以及
协调这些气缸的再充气使得这些气缸的再充气被间隔在不同的发动机循环中。
16.如权利要求15所述的方法，其中，基于自先前的再充气工作循环或点火工作循环以来的时间长度对这些气缸再充气。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该时间长度取决于先前的事件是再充气还是点火。
18.如权利要求15所述的方法，进一步包括：使对EGR阀命令的前馈控制与该再充气协调以便维持EGR分数。
19.如权利要求15所述的方法，进一步包括：基于再充气事件的所估计的泵气损失在其他点火气缸中提高或降低燃料补给水平。
20.一种用于管理内燃发动机的气缸的再充气的方法，其中固定的一组X个气缸被停用，该方法包括：
确定被停用的该组气缸的最大允许停用时间N；以及
对每第M个被停用气缸再充气，其中，M<N，并且M与X互质。
21.一种在以跳过点火方式操作的内燃发动机中的发动机控制器，该发动机控制器被配置为：
确定被停用的一组气缸的最大允许停用时间；
在超过该最大允许停用时间之前对这些气缸再充气；以及
协调这些气缸的再充气使得这些气缸的再充气被间隔在不同的发动机循环中。
22.一种内燃发动机中的发动机控制器，其中固定的一组X个气缸被停用，该发动机控制器被配置为：
确定被停用的该组气缸的最大允许停用时间N；以及
对每第M个被停用气缸再充气，其中，M<N，并且M与X互质。
23.一种用于在内燃发动机的跳过点火操作期间管理该发动机的气缸的再充气的方法，该方法包括：
确定所有气缸的累加的停用时间；以及
当该累加的停用时间超过阈值时对气缸再充气。
24.一种用于在内燃发动机的跳过点火操作期间管理该发动机的气缸的再充气的方法，该方法包括：
确定所有气缸的累加的停用时间；
选择在该累加的停用时间超过阈值时要再充气的气缸；以及
当多个气缸被选择为再充气时，遍及多于一个发动机循环均匀地分配被选择为再充气的这些气缸的再充气。
25.如权利要求24所述的用于管理气缸的再充气的方法，其中，根据每个发动机循环的校准的再充气事件的最大数量来分配再充气命令。
26.如权利要求23所述的方法，其中，将具有最长停用时间的气缸优先进行再充气。
27.如权利要求23所述的方法，其中，在一个发动机循环中对仅一个气缸再充气。
28.如权利要求23所述的方法，其中，基于发动机冲程的累加数量来计算该累加的停用时间和该最大允许停用时间。
29.如权利要求27所述的方法，其中，该最大允许停用时间取决于进气歧管压力。
30.一种在以跳过点火方式操作的内燃发动机中的发动机控制器，该发动机控制器被配置为：
确定所有气缸的累加的停用时间；以及
在该累加的停用时间超过阈值时之前对气缸再充气。
31.一种在以跳过点火方式操作的内燃发动机中的发动机控制器，该发动机控制器被配置为：
确定所有气缸的累加的停用时间；
选择在该累加的停用时间超过阈值时要再充气的气缸；以及
当多个气缸被选择为再充气时，遍及多于一个发动机循环均匀地分配被选择为再充气的这些气缸的再充气。
32.如权利要求1所述的方法，其中，该再充气与从点火气缸的扭矩递送同时发生。
33.如权利要求5所述的方法，其中，该再充气进一步包括将气体引入到该气缸中。
34.如权利要求6所述的方法，其中，该再充气进一步包括将气体引入到该气缸中。
35.如权利要求6所述的方法，其中，基于该建模的当前气缸内压力来确定再充气类型。
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