利用多变量发动机操作控制增强效率及污染物的控制的制作方法
【专利摘要】基于一个或多个内燃发动机的监控操作参数，一组提供发动机燃烧腔内的燃烧稳定性、优化的燃料效率和例如氮氧化物、一氧化碳、和未燃烧的碳氢化合物的污染物的最小产量所必需的发动机工况可被确定。为响应发动机负载和发动机速度的变化，新的发动机工况可动态地被实施，以维持燃烧混合气和发动机燃烧腔内受约束的自燃极限、污染物产生率和燃料效率的考虑。相关的物品、系统以及方法在此被描述。
【专利说明】利用多变量发动机操作控制增强效率及污染物的控制
[0001]相关申请
[0002]此申请根据美国35U.S.C.§ 119(e)和根据巴黎公约美国之外的国家要求美国临时申请案N0.61/501，594和61/501，654的优先权，各自名称为:“利用发动机的多变量控制增强效率与氮氧化物控制”和“高效率内燃发动机”，两者都于2011年6月27日递交。此申请也与共同未决、共有的美国专利申请号n0.7559298名为“内燃发动机”，与美国专利申请号N0.7，098, 581名为“火花塞”的，与国际专利申请号N0.PCT/US2011/027775名为“多模式高效内燃发动机”，与共同未决、共有的美国专利申请号N0.12/720，457名为“过压缩发动机”，与共同未决、共有的国际专利申请号N0.PCT/US2011/055457名为“具有可变压缩比的单活塞套筒阀”，与共同未决、共有的国际专利申请号N0.PCT/US2011/05502名为“燃烧混合气与发动机负载变量的控制”，与共同未决、共有的国际专利申请号N0.PCT/US2011/055486名为“对置活塞发动机和其他内燃发动机的可变压缩比率系统及制造和使用方法”。本申请参考引用并入了上述每一个申请的全部内容。
【技术领域】
[0003]本文描述的主题涉及内燃发动机，尤其涉及动态控制，利用一个或多个发动机运行参数，可能包括但不限于压缩率、阀门正时、点火正时、点火能量、燃烧混合物浓度和废气循环的变化，以增强效率的内燃发动机。
【背景技术】
[0004]内燃发动机通常用于为机动车辆以及其他应用提供动力，这些应用包括割草机和其他农业以及园艺设备、发电机、泵马达、船只、飞机以及类似的设备。对于机动车的典型的驾驶周期而言，大部分的燃料消耗发生在车辆的内燃发动机的低负载和空载运行中。类似地，内燃发动机的其他使用的特点是更频繁地在功率输出的使用，而较少用于提供开放的节流阀条件。然而，由于机械摩擦，热量传递，油门调节以及其他消极地影响性能的因素，火花点火的内燃发动机固有地在高负载时具有更高的效率，在低负载时效率更低。
[0005]在一些例子中，可以通过增加发动机的压缩率来改善发动机低负载效率。压缩率衡量点火前燃烧混合气被压缩的程度，它被定义为发动机燃烧腔的扩张体积除以发动机燃烧腔的压缩体积。例如，压缩率，CR，可一般定义为:
【权利要求】
1.一种方法，包括: 第一次增加物理节流阀的位置控制从进气口进入内燃发动机的燃烧腔的空气流量，以响应来自发动机操作人员要求发动机输出功率以满足加于发动机的负载的第一次负载控制输入； 在第一次增加期间，向所述燃烧腔提供定量的稀释剂，所述稀释剂的量根据当前发动机的负载、当前发动机燃烧腔速度、当前发动机的制动效率以及当前汽油废气排放量而计算； 达到节流阀全开位置，即所述物理节流阀允许最大可能的气流流量输入所述燃烧腔时，结束所述第一次增加；且 第二次增加一定量的燃料被输入所述燃烧腔中，当为了满足加于所述发动机的负载所需的所述发动机功率输出超过所述物理节流阀在所述节流阀全开位置时所能获得的最大的发动机功率时，，所述第二次增加的燃料量不会进一步超过当所述节流阀全开位置时被输入至所述燃烧腔的最大可能的空气流量。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括:在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一个，自始至终对压缩率进行第一动态变化，所述第一动态变化至少部分保持稳定的所述燃烧混合气在自自燃极限内，避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述提供包括对一个或多个的阀门中的至少一个运行模式进行第二动态变化，以增加所述稀释剂的流动以获得所述稀释剂的最大数量和最大所述物理节流阀的位置，以增加进气口空气进入所述燃烧腔的流量，所述第二动态变化至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述运行模式的变化包括对阀正时、阀升程和至少一排气阀门和进气阀门的阀门开启时间的变化中的至少一个。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括对在所述燃烧腔中的空气-燃料比率进行第三动态变化，以实现最大的燃料效率，或最少的碳氢化合物的排放，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项，并且至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，并且为了所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四动态变化，对来自一个或多个点火源的点火能量的输送点火正时，来自一个或多个所述点火源的所述点火能量的输送持续时间，一个或多个输送所述点火能量的所述点火源的数量，一个或多个所述点火源的数量的位置中的至少一个进行变化，所述点火源输送所述点火能量直到至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为当前发动机负载与当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括:确定稀释剂的最大量，所述确定包括在所述当前发动机负载与所述当前发动机速度下，计算至少被所述燃烧混合气的自燃极限和最小NOx产物所约束的函数。
8.如权利要求2至7中任一项所述的方法，其中所述自燃极限被所述燃烧腔中净平均指示有效压力(NIMEP)的变异系数(COV)，0-10%的曲轴旋转表观放热角，净平均指示有效压力(NIMEP)的最低正规化数值(LNV)，以及转矩变异系数中的至少一项所确定。
9.如权利要求2至7中任一项所述的方法，其中所述自燃极限被至少下列一项所确定:所述NMEP的所述COV小于约8%，所述0-10%表观放热角小于约40°的曲轴旋转，所述NIMEP的所述LNV大于约75%，且所述转矩变异系数小于约5%。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括使所述物理节流阀的位置和所述第一负载输入之间非线性相关。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述整体最大发动机输出功率在最大功率空气-燃料比率时实现，所述空气燃料比率包括化学计量比和浓于化学计量比的比率中的一项。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述稀释剂包括空气、冷却的再循环废气、和未冷却的再循环废气中的至少一个。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，进一步包括:所述第二次增加在一达到整体最大发动机功率输出或者一种或多种NOx、碳氢化合物以及一氧化碳的最大允许排放限制量时停止。
14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，进一步包括利用燃料输送系统输送燃料至所述燃烧腔，所述输送系统包括至少一种燃料喷射系统和可改变及控制输送的空气-燃料比率独立于受物理节流阀控制的进气口的空气流量的化油器。
15.—种内燃发 动机，包括: 燃烧腔； 进气口 ； 控制流经进气口进入燃烧腔的空气流量的物理节流阀；及 主控制系统，主控制系统执行的操作包括: 第一次增加物理节流阀的位置，以响应第一次负载控制输入，该输入来自发动机操作人员要求发动机输出功率以满足某一加于发动机的负载，以控制从进气口进入内燃发动机的燃烧腔的空气流量； 在第一次增加期间，向所述燃烧腔提供定量的稀释剂，所述稀释剂的量根据当前发动机的负载、当前发动机燃烧腔速度、当前发动机的制动效率以及当前汽油废气排放量而计算； 达到节流阀全开位置，即所述物理节流阀允许最大可能的气流流量输入所述燃烧腔时，结束所述第一次增加；且 第二次增加一定量的燃料被输入所述燃烧腔中，当为了满足加于所述发动机的负载所需的所述发动机功率输出超过所述物理节流阀在所述节流阀全开位置时所能获得的最大的发动机功率时，所述第二次增加不会进一步超过当所述节流阀全开位置时被输入至燃烧腔的最大可能的空气流量。
16.如权利要求15所述的内燃发动机，其中所述操作进一步包括:在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一个，自始至终对压缩率进行第一动态变化，所述第一动态变化至少部分保持稳定的所述燃烧混合气在自燃极限内，避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特别组合提供最大的燃料效率。
17.如权利要求15和16中任一项所述的内燃发动机，其中所述提供包括对一个或多个的阀门的至少一个运行模式进行第二动态变化，以增加所述稀释剂的流动以获得所述稀释剂的最大数量和最大所述物理节流阀的位置，以增加进气口空气进入所述燃烧腔的流量，所述第二动态变化至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
18.如权利要求17所述的内燃发动机，其中所述运行模式的变化包括对阀正时、阀升程和至少一排气阀门和进气阀门的阀门开启时间的变化中的至少一个。
19.如权利要求15至18中任一项所述的内燃发动机，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括对在所述燃烧腔中的空气-燃料比率进行第三动态变化，以实现最大的燃料效率，或最少的碳氢化合物的排放，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项，并且至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气自燃极限内，并且为了所述当前发动机负载与所述当前发动机速度的任意特定组合避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃。
20.如权利要求15至19中任一项所述的内燃发动机，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四动态变化，对来自一个或多个点火源的点火能量的输送点火正时，来自一个或多个所述点火源的所述点火能量的输送持续时间，一个或多个输送所述点火能量的所述点火源的数量，一个或多个所述点火源的数量的位置中的至少一个进行变化，所述点火源输送所述点火能量直到至少部分保持在自燃极限内的一稳定燃烧混合气，以避免所述燃烧混合气在所述燃烧腔中自燃，并且为当前发动机负载与当前发动机速度的任意特定组合提供最大的燃料效率。
21.如权利要求15至20中任一项所`述的内燃发动机，进一步包括:确定稀释剂的最大量，所述确定包括在所述当前发动机负载与所述当前发动机速度下，计算至少被所述燃烧混合气的自燃极限和最小NOx产物所约束的函数。
22.如权利要求16至21中任一项所述的内燃发动机，其中所述自燃极限被至少一项所述燃烧腔中净平均指示有效压力(NIMEP)的变异系数(COV)，0-10%的曲轴旋转表观放热角，净平均指示有效压力(NIMEP)的最低正规化数值(LNV)，以及转矩变异系数所确定。
23.如权利要求16至21中任一项所述的内燃发动机，其中所述自燃极限被至少下列一项所确定:所述NMEP的所述COV小于约8%，所述0-10%表观放热角小于大约40°的曲轴旋转，所述NMEP的所述LNV大于约75%，且所述转矩变异系数小于约5%。
24.如权利要求15至23中任一项所述的内燃发动机，进一步包括使所述物理节流阀的位置和所述第一负载输入之间非线性相关。
25.如权利要求15至24中任一项所述的内燃发动机，其中所述整体最大发动机输出功率在最大功率空气-燃料比率时实现，所述空气燃料比率包括化学计量比和浓于化学计量比的比率中的一项。
26.如权利要求15至25中任一项所述的内燃发动机，其中所述稀释剂包括空气、冷却的再循环废气、和未冷却的再循环废气中的至少一个。
27.如权利要求15至26中任一项所述的内燃发动机，进一步包括:所述第二次增加在一达到整体最大发动机功率输出或者一种或多种NOx、碳氢化合物以及一氧化碳的最大允许排放限制量时停止。
28.如权利要求15至27中任一项所述的内燃发动机，进一步包括利用燃料输送系统输送燃料至所述燃烧腔，所述输送系统包括至少一种燃料喷射系统和可改变及控制输送的空气-燃料比率独立于受物理节流阀控制的进气口的空气流量的化油器。
29.一种存储指令的非暂态计算机程序产品，当被一个或多个数据处理器执行时，会产生权利要求1- 15的所述方法。
【文档编号】F02B25/08GK103764971SQ201280041625
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月27日 优先权日:2011年6月27日
【发明者】詹姆斯·M·克利维斯, 迈克尔·A·威尔科克斯 申请人:品纳科动力有限公司