利用多變量發(fā)動機操作控制增強效率及污染物的控制的制作方法
【專利摘要】基于一個或多個內(nèi)燃發(fā)動機的監(jiān)控操作參數(shù)，一組提供發(fā)動機燃燒腔內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性、優(yōu)化的燃料效率和例如氮氧化物、一氧化碳、和未燃燒的碳氫化合物的污染物的最小產(chǎn)量所必需的發(fā)動機工況可被確定。為響應(yīng)發(fā)動機負載和發(fā)動機速度的變化，新的發(fā)動機工況可動態(tài)地被實施，以維持燃燒混合氣和發(fā)動機燃燒腔內(nèi)受約束的自燃極限、污染物產(chǎn)生率和燃料效率的考慮。相關(guān)的物品、系統(tǒng)以及方法在此被描述。
【專利說明】利用多變量發(fā)動機操作控制增強效率及污染物的控制
[0001]相關(guān)申請
[0002]此申請根據(jù)美國35U.S.C.§ 119(e)和根據(jù)巴黎公約美國之外的國家要求美國臨時申請案N0.61/501，594和61/501，654的優(yōu)先權(quán)，各自名稱為:“利用發(fā)動機的多變量控制增強效率與氮氧化物控制”和“高效率內(nèi)燃發(fā)動機”，兩者都于2011年6月27日遞交。此申請也與共同未決、共有的美國專利申請?zhí)杗0.7559298名為“內(nèi)燃發(fā)動機”，與美國專利申請?zhí)朜0.7，098, 581名為“火花塞”的，與國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/027775名為“多模式高效內(nèi)燃發(fā)動機”，與共同未決、共有的美國專利申請?zhí)朜0.12/720，457名為“過壓縮發(fā)動機”，與共同未決、共有的國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/055457名為“具有可變壓縮比的單活塞套筒閥”，與共同未決、共有的國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/05502名為“燃燒混合氣與發(fā)動機負載變量的控制”，與共同未決、共有的國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/055486名為“對置活塞發(fā)動機和其他內(nèi)燃發(fā)動機的可變壓縮比率系統(tǒng)及制造和使用方法”。本申請參考引用并入了上述每一個申請的全部內(nèi)容。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本文描述的主題涉及內(nèi)燃發(fā)動機，尤其涉及動態(tài)控制，利用一個或多個發(fā)動機運行參數(shù)，可能包括但不限于壓縮率、閥門正時、點火正時、點火能量、燃燒混合物濃度和廢氣循環(huán)的變化，以增強效率的內(nèi)燃發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0004]內(nèi)燃發(fā)動機通常用于為機動車輛以及其他應(yīng)用提供動力，這些應(yīng)用包括割草機和其他農(nóng)業(yè)以及園藝設(shè)備、發(fā)電機、泵馬達、船只、飛機以及類似的設(shè)備。對于機動車的典型的駕駛周期而言，大部分的燃料消耗發(fā)生在車輛的內(nèi)燃發(fā)動機的低負載和空載運行中。類似地，內(nèi)燃發(fā)動機的其他使用的特點是更頻繁地在功率輸出的使用，而較少用于提供開放的節(jié)流閥條件。然而，由于機械摩擦，熱量傳遞，油門調(diào)節(jié)以及其他消極地影響性能的因素，火花點火的內(nèi)燃發(fā)動機固有地在高負載時具有更高的效率，在低負載時效率更低。
[0005]在一些例子中，可以通過增加發(fā)動機的壓縮率來改善發(fā)動機低負載效率。壓縮率衡量點火前燃燒混合氣被壓縮的程度，它被定義為發(fā)動機燃燒腔的擴張體積除以發(fā)動機燃燒腔的壓縮體積。例如，壓縮率，CR，可一般定義為:
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 第一次增加物理節(jié)流閥的位置控制從進氣口進入內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒腔的空氣流量，以響應(yīng)來自發(fā)動機操作人員要求發(fā)動機輸出功率以滿足加于發(fā)動機的負載的第一次負載控制輸入； 在第一次增加期間，向所述燃燒腔提供定量的稀釋劑，所述稀釋劑的量根據(jù)當前發(fā)動機的負載、當前發(fā)動機燃燒腔速度、當前發(fā)動機的制動效率以及當前汽油廢氣排放量而計算； 達到節(jié)流閥全開位置，即所述物理節(jié)流閥允許最大可能的氣流流量輸入所述燃燒腔時，結(jié)束所述第一次增加；且 第二次增加一定量的燃料被輸入所述燃燒腔中，當為了滿足加于所述發(fā)動機的負載所需的所述發(fā)動機功率輸出超過所述物理節(jié)流閥在所述節(jié)流閥全開位置時所能獲得的最大的發(fā)動機功率時，，所述第二次增加的燃料量不會進一步超過當所述節(jié)流閥全開位置時被輸入至所述燃燒腔的最大可能的空氣流量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括:在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一個，自始至終對壓縮率進行第一動態(tài)變化，所述第一動態(tài)變化至少部分保持穩(wěn)定的所述燃燒混合氣在自自燃極限內(nèi)，避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
3.如權(quán)利要求1和2中任一項所述的方法，其中所述提供包括對一個或多個的閥門中的至少一個運行模式進行第二動態(tài)變化，以增加所述稀釋劑的流動以獲得所述稀釋劑的最大數(shù)量和最大所述物理節(jié)流閥的位置，以增加進氣口空氣進入所述燃燒腔的流量，所述第二動態(tài)變化至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述運行模式的變化包括對閥正時、閥升程和至少一排氣閥門和進氣閥門的閥門開啟時間的變化中的至少一個。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括對在所述燃燒腔中的空氣-燃料比率進行第三動態(tài)變化，以實現(xiàn)最大的燃料效率，或最少的碳氫化合物的排放，或最小的一氧化碳的排放，或最小氮氧化合物的排放中的至少一項，并且至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，并且為了所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度的任意特定組合避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四動態(tài)變化，對來自一個或多個點火源的點火能量的輸送點火正時，來自一個或多個所述點火源的所述點火能量的輸送持續(xù)時間，一個或多個輸送所述點火能量的所述點火源的數(shù)量，一個或多個所述點火源的數(shù)量的位置中的至少一個進行變化，所述點火源輸送所述點火能量直到至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為當前發(fā)動機負載與當前發(fā)動機速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，進一步包括:確定稀釋劑的最大量，所述確定包括在所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度下，計算至少被所述燃燒混合氣的自燃極限和最小NOx產(chǎn)物所約束的函數(shù)。
8.如權(quán)利要求2至7中任一項所述的方法，其中所述自燃極限被所述燃燒腔中凈平均指示有效壓力(NIMEP)的變異系數(shù)(COV)，0-10%的曲軸旋轉(zhuǎn)表觀放熱角，凈平均指示有效壓力(NIMEP)的最低正規(guī)化數(shù)值(LNV)，以及轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)中的至少一項所確定。
9.如權(quán)利要求2至7中任一項所述的方法，其中所述自燃極限被至少下列一項所確定:所述NMEP的所述COV小于約8%，所述0-10%表觀放熱角小于約40°的曲軸旋轉(zhuǎn)，所述NIMEP的所述LNV大于約75%，且所述轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)小于約5%。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，進一步包括使所述物理節(jié)流閥的位置和所述第一負載輸入之間非線性相關(guān)。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其中所述整體最大發(fā)動機輸出功率在最大功率空氣-燃料比率時實現(xiàn)，所述空氣燃料比率包括化學(xué)計量比和濃于化學(xué)計量比的比率中的一項。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，其中所述稀釋劑包括空氣、冷卻的再循環(huán)廢氣、和未冷卻的再循環(huán)廢氣中的至少一個。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，進一步包括:所述第二次增加在一達到整體最大發(fā)動機功率輸出或者一種或多種NOx、碳氫化合物以及一氧化碳的最大允許排放限制量時停止。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項所述的方法，進一步包括利用燃料輸送系統(tǒng)輸送燃料至所述燃燒腔，所述輸送系統(tǒng)包括至少一種燃料噴射系統(tǒng)和可改變及控制輸送的空氣-燃料比率獨立于受物理節(jié)流閥控制的進氣口的空氣流量的化油器。
15.—種內(nèi)燃發(fā) 動機，包括: 燃燒腔； 進氣口 ； 控制流經(jīng)進氣口進入燃燒腔的空氣流量的物理節(jié)流閥；及 主控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)執(zhí)行的操作包括: 第一次增加物理節(jié)流閥的位置，以響應(yīng)第一次負載控制輸入，該輸入來自發(fā)動機操作人員要求發(fā)動機輸出功率以滿足某一加于發(fā)動機的負載，以控制從進氣口進入內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒腔的空氣流量； 在第一次增加期間，向所述燃燒腔提供定量的稀釋劑，所述稀釋劑的量根據(jù)當前發(fā)動機的負載、當前發(fā)動機燃燒腔速度、當前發(fā)動機的制動效率以及當前汽油廢氣排放量而計算； 達到節(jié)流閥全開位置，即所述物理節(jié)流閥允許最大可能的氣流流量輸入所述燃燒腔時，結(jié)束所述第一次增加；且 第二次增加一定量的燃料被輸入所述燃燒腔中，當為了滿足加于所述發(fā)動機的負載所需的所述發(fā)動機功率輸出超過所述物理節(jié)流閥在所述節(jié)流閥全開位置時所能獲得的最大的發(fā)動機功率時，所述第二次增加不會進一步超過當所述節(jié)流閥全開位置時被輸入至燃燒腔的最大可能的空氣流量。
16.如權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述操作進一步包括:在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一個，自始至終對壓縮率進行第一動態(tài)變化，所述第一動態(tài)變化至少部分保持穩(wěn)定的所述燃燒混合氣在自燃極限內(nèi)，避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度的任意特別組合提供最大的燃料效率。
17.如權(quán)利要求15和16中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述提供包括對一個或多個的閥門的至少一個運行模式進行第二動態(tài)變化，以增加所述稀釋劑的流動以獲得所述稀釋劑的最大數(shù)量和最大所述物理節(jié)流閥的位置，以增加進氣口空氣進入所述燃燒腔的流量，所述第二動態(tài)變化至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
18.如權(quán)利要求17所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述運行模式的變化包括對閥正時、閥升程和至少一排氣閥門和進氣閥門的閥門開啟時間的變化中的至少一個。
19.如權(quán)利要求15至18中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括對在所述燃燒腔中的空氣-燃料比率進行第三動態(tài)變化，以實現(xiàn)最大的燃料效率，或最少的碳氫化合物的排放，或最小的一氧化碳的排放，或最小氮氧化合物的排放中的至少一項，并且至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣自燃極限內(nèi)，并且為了所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度的任意特定組合避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃。
20.如權(quán)利要求15至19中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四動態(tài)變化，對來自一個或多個點火源的點火能量的輸送點火正時，來自一個或多個所述點火源的所述點火能量的輸送持續(xù)時間，一個或多個輸送所述點火能量的所述點火源的數(shù)量，一個或多個所述點火源的數(shù)量的位置中的至少一個進行變化，所述點火源輸送所述點火能量直到至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為當前發(fā)動機負載與當前發(fā)動機速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
21.如權(quán)利要求15至20中任一項所`述的內(nèi)燃發(fā)動機，進一步包括:確定稀釋劑的最大量，所述確定包括在所述當前發(fā)動機負載與所述當前發(fā)動機速度下，計算至少被所述燃燒混合氣的自燃極限和最小NOx產(chǎn)物所約束的函數(shù)。
22.如權(quán)利要求16至21中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述自燃極限被至少一項所述燃燒腔中凈平均指示有效壓力(NIMEP)的變異系數(shù)(COV)，0-10%的曲軸旋轉(zhuǎn)表觀放熱角，凈平均指示有效壓力(NIMEP)的最低正規(guī)化數(shù)值(LNV)，以及轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)所確定。
23.如權(quán)利要求16至21中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述自燃極限被至少下列一項所確定:所述NMEP的所述COV小于約8%，所述0-10%表觀放熱角小于大約40°的曲軸旋轉(zhuǎn)，所述NMEP的所述LNV大于約75%，且所述轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)小于約5%。
24.如權(quán)利要求15至23中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，進一步包括使所述物理節(jié)流閥的位置和所述第一負載輸入之間非線性相關(guān)。
25.如權(quán)利要求15至24中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述整體最大發(fā)動機輸出功率在最大功率空氣-燃料比率時實現(xiàn)，所述空氣燃料比率包括化學(xué)計量比和濃于化學(xué)計量比的比率中的一項。
26.如權(quán)利要求15至25中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述稀釋劑包括空氣、冷卻的再循環(huán)廢氣、和未冷卻的再循環(huán)廢氣中的至少一個。
27.如權(quán)利要求15至26中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，進一步包括:所述第二次增加在一達到整體最大發(fā)動機功率輸出或者一種或多種NOx、碳氫化合物以及一氧化碳的最大允許排放限制量時停止。
28.如權(quán)利要求15至27中任一項所述的內(nèi)燃發(fā)動機，進一步包括利用燃料輸送系統(tǒng)輸送燃料至所述燃燒腔，所述輸送系統(tǒng)包括至少一種燃料噴射系統(tǒng)和可改變及控制輸送的空氣-燃料比率獨立于受物理節(jié)流閥控制的進氣口的空氣流量的化油器。
29.一種存儲指令的非暫態(tài)計算機程序產(chǎn)品，當被一個或多個數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行時，會產(chǎn)生權(quán)利要求1- 15的所述方法。
【文檔編號】F02B25/08GK103764971SQ201280041625
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月27日
【發(fā)明者】詹姆斯·M·克利維斯, 邁克爾·A·威爾科克斯 申請人:品納科動力有限公司