CN1551945A - 力矩调节方法 - Google Patents

Abstract

一种用于调节内燃机中的力矩的控制方法，所述内燃机具有机械动力传动装置以及基于来自控制系统的信号被打开和关闭的气动、液压、电磁驱动的可控阀，通过该方法在某一时刻工作状态所需的力矩通过相对于空冲程数目控制动力冲程数目而选择进行动力冲程的频率来提供。动力冲程参与2冲程循环或4冲程循环，并且一或多个2冲程循环与一或多个4冲程循环交替。

Description

力矩调节方法

技术领域

本发明涉及用于调节具有机械动力传动装置和可控阀的内燃机中的力矩的控制方法。该控制方法以一种新的方式满足力矩的变化需要，使得可减少燃料消耗和与现有方法相关的环境影响。

本发明适用于具有变化负载的内燃机，例如用于驱动机动车、飞机、船舶等的奥拖发动机、狄塞尔发动机或汪克尔发动机。为了可以利用本发明，发动机必须装配有可控阀。

本发明可通过使用电子控制系统而得以实施。在控制系统中的软件决定其功能。用于实施本发明的软件可例如用作一个较大控制系统的一部分，该较大控制系统也可给所述发动机带来其它特性。

背景技术

最近几年，通过引入数控系统以使不同运行状态最优化，发动机朝着提高运行经济性和减少环境影响的方面发展。例如，对于燃料喷射、点火、可变压缩和可控阀就是这种情况。

在机动车的动力传递过程中，出现的问题是，尽管最近几年出现了所述一些改进，但变化的运行状态导致发动机的平均效率变得越来越低，而对环境的影响越来越大。另一个问题是，变化的运行状态也导致废气中不同毒气和污染物的变化组成，从而使废气的过滤变得困难。

对环境影响较小的机动车发动机的一个例子是主要以每分钟恒定转(revolution)数运行的复合发动机，它用于预定的发电机。当这种发动机以最高的可能效率执行所需运行时，该发动机运转最好，由于负载是恒定的，而且结合不同的技术燃烧可设定成在废气中产生最低可能含量的污染物和毒气，例如氧化氮和碳化氢、以及在某些情况下的烟尘颗粒。

如果内燃机能够以最大的可能效率从最少的需要到最大的需要满足不同运行状态导致的变化力矩需要，可获得与运行经济性和环境相关的重要优点。这种内燃机具有可用于机动车在不同运行状态的复合发动机的优点。基于根据需要执行最佳的动力冲程的自由活塞发动机是上述问题的一种解决方案。但是，其中的活塞力矩借助于液压或者气动装置进行控制的自由活塞发动机不能广泛地推广，因为还没有足够好的方案用于在具有随后的燃烧的压缩冲程中控制活塞。在压缩冲程末端的压力急剧增大以及在燃烧过程中压力增加的爆炸性增大导致在上死点控制活塞运动的问题。

本发明较大程度上具有自由活塞发动机的优点并解决了上述问题。

发明内容

本发明提供一种关于调节具有机械动力传动装置和可控阀的内燃机中的力矩的新的控制方法，以解决现有技术中的问题并提供上述优点。

本发明的目的是通过一种用于调节具有机械动力传动装置和可控阀的内燃机中的力矩的控制方法来实现，其特征在于，在运行的某一时刻所需的力矩是通过选择执行动力冲程的频率来提供。其它特征公开在随后的描述和权利要求书中。

机械动力传递装置是指将燃烧后膨胀的气体物质能量传递到曲轴或任何其它旋转轴的装置。

可控阀是指发动机的燃烧室的阀，所述阀能够基于来自控制系统的信号打开和关闭。

动力冲程是指燃烧后膨胀的气体物质能量被传递到机械作业的冲程。动力冲程可以是最优化或正常的，正如当今的发动机一样。

这里，空冲程是指其中没有气体交换、没有空气供应或燃烧、以及其中在除动力冲程之外的过程中没有执行正功的冲程，这导致摩擦和热量损失最小化。在一个空冲程中，没有空气或空气和其余的燃料被泵送通过发动机。一个空冲程需要至少入口阀是可控的，以保持关闭从而阻止空气进入直到它们打开为止。但是，如果出口阀也是可控的，对本发明也是非常有利的。

动力冲程频率可以在发动机的每分钟转数的相关数目的0和100％之间变化。频率可这样选择，通过确定动力冲程应当每几转执行，其余的冲程为空冲程，或例如通过确定动力行根据每几转引入空冲程的序列数来发生。在机动车运行过程中，驾驶员根据排气显示力矩的需要和要求。气体的施加通过传感器来检测，传感器使控制系统选择动力冲程执行的频率。

这里，最优的动力冲程是指在动力冲程过程中以相对经济、对环境危害较小和实际可行的状态作功，而且相对于所消耗的燃料所作功尽可能大的动力冲程。通过最优的动力冲程的频率满足每一时刻力矩的需要，可获得可能最好的运行经济性。

在一个4冲程循环运行时，最优的动力冲程导致相对于现有的发动机更早地关闭入口阀的可能性，以及相对于现有发动机更晚地打开出口阀。因此，根据米勒和阿特金森的循环分别自然地存在。借助于发动机实验，可以测定在发动机的每分钟的每个转数时设定什么特定参数以及应当有什么样的控制阀。替代地，控制系统可以是自适应的，例如自修的。

在2冲程循环运行中的最优动力冲程不同于在4冲程循环运行中的最优动力冲程，因为在出口阀打开时存在的缸压力将被利用，以进行气体的交换。快速打开出口阀导致流出废气的脉冲，这在缸体中产生绝对压力低于1大气压的负压。出口阀关闭，并且入口阀以相对于出口阀关闭的这种时间关系打开，使得所述负压以最优方式被利用，以便在随后的压缩冲程和后续的动力冲程之前提供正确的空气质量。通过利用与活塞的下死点相关地释放的出口也可以执行最优的动力冲程。

在2冲程循环运行中，可使用换气泵，以完全或部分地并与缸体中的负压相结合进行气体交换。但是，利用换气泵导致比上述的最优动力冲程获得更低的效率。

在某些应用条件下，必须放弃使用最优动力冲程，例如当需要最大效率时或有强制需要时。

通过使用两种或多种类型的燃料，发动机及其控制系统可制造成在发动机的预定转速下具有不止一个的最优动力冲程频率，由于燃料的特性，导致存在多个最优动力冲程频率。诸如汽油和酒精的燃料是这种组合的一个示例。在每个转速下，对汽油有一个最优动力冲程，对酒精有另一个最优动力冲程。

根据本发明，用于供应空气和燃料的系统设定成，在每个动力冲程在发动机每分钟预定的转数时，与在发动机的每分钟相关转数内在其它动力冲程中相同质量的空气和燃料以及相同的空气和燃料混合物被点燃。而且，对于不同的动力冲程，任何可能的EGR相同。当燃烧的预定条件被不断重复时，在预定转速的每个动力冲程将与其它的形成相同的功，而废气的化学物质组成保持相同，从而提高了废气过滤的可能性。

在现有的4冲程循环内燃机中，在发动机工作过程中燃烧每两转进行一次，而在2冲程循环内燃机中，燃烧每转进行一次，用于发动机的气体交换的系统是不合适的，因为空气和剩余的燃料，例如未燃烧的碳氢化合物被泵送通过内燃机，这需要对应的功并对环境产生负担。为了利用本发明并取得优点，当不进行一个或多个动力冲程而是进行一个空冲程时，用于气体交换的阀或口必须关闭，空冲程常常是在部分载荷的情况下出现。因此，本发明需要有可控阀，至少可控的入口阀。

通过利用数控系统来控制阀的打开和关闭时间的可控阀、用于活塞位置和每分钟转数的传感器、以及属于它们的电子器件和软件，可以仅在需要时进行气体交换和动力冲程。其余时间，阀，至少入口阀保持关闭。这意味着，对于每个所需力矩，在最优动力冲程时发动机的性能范围内，可以选择满足力矩相关需要的最优动力冲程的频率。

控制方法意味着，数控系统检测某一时刻和当前的力矩需要。如果该需要在能由最优动力冲程的提供所能满足的范围内，控制系统选择被认为满足所述需要的某一频率。在每分钟的某一转数时，动力冲程每次通常产生相同量的功。因此，动力冲程的频率对于力矩的大小是决定性的。

借助于可控阀，空气和燃料的供应、废气的排出以及气体交换可以紧接动力冲程之前和之后进行。为了选择一个能够产生每转被执行的动力冲程的频率，也必须在每转发生气体交换，如在2冲程循环的发动机中。气体交换也可以在现有的4冲程循环发动机中进行，即，引入一个吸入冲程，结果是动力冲程仅在每两个循环中进行。因此，本发明意味着，可以通过选择2冲程循环或4冲程循环的频率或一个或多个2冲程循环与一个或多个4冲程循环的混合的频率来满足某一力矩的需要。本发明意味着，对于不同的发动机缸体可以选择不同的动力冲程频率。如果入口阀而不是出口阀是可控的，仅可以进行4冲程循环。

作为对由驾驶员例如通过气动踏板以现有方式或任何其它方式所作出的有关力矩增大或减小的力矩请求的回应，设置的控制系统基于所需的力矩控制发动机的动力冲程数目和空冲程数目之间的关系。控制并不是使发动机的单个缸停止工作，而是通过改变每个缸的动力冲程数目和空冲程数目的关系以及通过使不同的缸具有不同的关系来进行的。控制系统通过打开和关闭通向相应缸的燃烧室的入口阀和出口阀，或者如果出口阀不是可控的，通过打开和关闭至少入口阀来完成控制。根据驾驶员的力矩请求，进行至少入口阀以及相关情况下也包括出口阀的打开和关闭。驱动是借助于来自控制系统的控制单元的控制信号来进行的。至少入口阀，也包括相关情况下的出口阀例如是气动阀、液压阀、电磁阀、或任何其它形式驱动的阀。可控阀指的就是这种驱动阀。如果出口阀不是可控的，动力冲程将总是参加4冲程循环。如果入口阀和出口阀都是可控阀，控制系统可以布置成在给定条件下对于发动机缸可在2冲程循环和4冲程循环之间进行变换。例如，一个缸可以2冲程循环工作，而另一个缸可以4冲程循环工作。如果每个缸每转都以2冲程循环工作，即没有空冲程时，可获得最大力矩。理论上，2冲程循环是最经济的，如果在实际中也是这种情况，4冲程循环的吸入冲程仅在开始时需要。控制系统可布置计算是否以及在什么条件下2冲程循环或4冲程循环是最经济的，以及随后选择其中一个以某一频率进行。因此，控制方法包括根据这些给定的条件控制发动机的工作循环是2冲程，或者如果有不止一个缸和/或4冲程。控制系统包括控制单元，控制单元包括用于此目的并存贮在数据载体上的计算机程序。控制单元可操作地连接到用于至少入口阀以及在某些情况下也包括出口阀的气动、液压、电磁或其它类型驱动的回路。控制单元例如可以布置成通过电信号控制磁阀，所述磁阀布置在用于驱动发动机入口阀或发动机入口阀和出口阀的回路中。控制单元可操作地连接到用于力矩请求的部件，例如驾驶员通过它发出有关发动机的力矩请求增大或减小的命令的气动踏板。用于频率调节的力矩的控制系统可以构成一个更大控制系统中的子系统，例如一个经济模式，该更大控制系统也可给所述发动机带来完全不同的性能。

通过节气门调节气体施加的火花点燃式发动机具有更大优点。通过节气门调节，压缩关系在除了最大气体施加之外的任何其它时刻不是最优的。节气门调节的结果是节流损失。通过可控入口阀的调节也产生节流损失，但它们远小于节气门调节产生的节流损失。本发明的应用将不产生由节气门导致的节流损失，在使用可控入口阀时的节流损失将最小。狄塞尔发动机不具有节气门调节，因此在这种情况下本发明的优点较少，但已知通过更早地关闭入口阀可以提高燃料的利用率。狄塞尔发动机运行时产生相对高含量的氧化氮和烟尘。本发明通过尤其在空转运行和低负载时重复导致高效率的工作设定可改变狄塞尔发动机的力矩，同时使产生的烟尘和氧化氮最少，这是非常有利的。如果涡轮机组具有可变几何形状，即所谓的VGT，与狄塞尔发动机工作相关的本发明优点将更为明显。均质燃烧压缩点火，即HCCI是具有高效率和其它环境优点但具有低效果密度(effect density)的燃烧循环。当力矩的变化需要被满足时，HCCI的问题出现。还没有提出任何控制方法使在改变负载时保持所述优点。但是，如果HCCI发动机装备有允许显著增大的效果密度的废气循环装置，本发明的优点将更明显。因此，本发明对于HCCI的燃烧循环非常有价值。

当本发明用于具有现有传动线路的机动车时，机动车的向前运动在低速时可能会多少有些不规则。为避免这种情况，控制系统例如可布置成当速度或每分钟的转数低于某一值时，它控制发动机从最优动力冲程改变到半最优动力冲程以增大或维持动力冲程的频率。但是，当变速箱或传动装置处于空转状态时不会有任何问题。具有液压传动线路的系统也不会出现上述问题。在这种传动线路中，采用本发明的发动机可以将液压油泵送到能量贮存装置，从而在任何转速的不均匀运转将不会产生问题。机动车在来自能量贮存装置的均匀液流的作用下被驱动。

通过采用频率调节的力矩，提取的负载越低，燃料节省越多，其它环境优点也越大。发动机及其控制系统可设计成以最优和半最优动力冲程的不同频率覆盖发动机的所有运行范围作为唯一控制方法。这将使发动机在其所有运行范围内具有非常好的燃料经济性。

在不脱离本发明范围的情况下，在一转或多转过程中只有空气或燃料和空气被供应并包含在缸中，以例如改进燃料的混合和/或燃烧。通过选择不是最优的动力冲程或者选择不是最好的频率也不脱离本发明。

附图描述

图1是一个示意图，显示了具有活塞1的缸。

具体实施方式

活塞在4冲程循环的吸入冲程过程中运动，空气和燃料一起流过打开的入口阀2，入口阀2和关闭的出口阀由可控阀构成。回路4用于驱动这些阀。控制单元5可操作地连接到回路4，用于回路和与回路连接的阀的信号控制。诸如气动踏板的部件6可操作地连接到控制单元5，用于发出力矩命令。在安装在发动机轴8上并可操作地连接到控制单元5的阶梯箱上的传感器7不断地向控制单元发送有关缸1中的活塞每分钟的转数和位置的信号。控制单元5确定可控阀何时打开或关闭，因而也确定频率。

Claims (7)

1、一种用于调节内燃机中的力矩的控制方法，所述内燃机具有机械动力传动装置以及基于来自控制系统的信号被打开和关闭的气动、液压、电磁驱动的可控阀，通过该方法在某一时刻工作状态所需的力矩通过相对于空冲程数目控制动力冲程数目而选择进行动力冲程的频率来提供，其特征在于，动力冲程参与2冲程循环或4冲程循环，并且一或多个2冲程循环与一或多个4冲程循环交替。

2、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，发动机包括多个缸，动力冲程频率选择成使得它对于不同的缸不同。

3、如上述任一权利要求所述的控制方法，其特征在于，动力冲程是最优的。

4、如上述任一权利要求所述的控制方法，其特征在于，在发动机的某一转速时在每一动力冲程中与在其它动力冲程中具有相同质量的空气和燃料以及相同的空气和燃料混合物被点燃。

5、如上述任一权利要求所述的控制方法，其特征在于，废气的不同化学物质组成基本上保持相同。

6、如权利要求1、2、3、4任一所述的控制方法，其特征在于，在发动机给定转速下的动力冲程频率对于力矩是决定性的。

7、如权利要求1-6任一所述的控制方法，其特征在于，包括利用计算机程序，所述计算机程序根据驾驶员请求的力矩借助于信号控制来选择动力冲程的频率。