专利名称：用于内燃机的应急运行方法
技术领域：
本发明总体上涉及内燃机及其运行方法，尤其涉及一种运行具有混合 型喷油器的内燃机的方法，该方法包括当发生预定的均匀充气模式故障时 选择性地以常规模式运行内燃机。
背景技术：
内燃机和内燃机运行方案的复杂性持续增加，并且设计和运行的创新 也几乎与日俱增。近年来，许多设计改变背后的一个驱动力是日益严厉的 排放要求。一种提高排气质量的普通方法涉及在发动机下游处理燃烧产物。 换句话说，利用多种化学和/或物理方法处理内燃^L生成的废气，以试图除 去或减小不合乎要求的成分。在一种替代方案中，内燃机开发者更多地关 注于燃烧过程本身的操纵方面以提高排气质量。
对燃油喷射质量、频率、正时甚至喷油射束样式类型的操纵已经显示 有助于减小某些不合乎要求的排气。工程师尤其关注的是满足或超过与称
为"NOx"的各种氮氧化合物的排放限度有关的政府法规的设计。
已经发现，在内燃机气缸内点火之前提高空气与燃油的混合可帮助减 小发动机排气内的NOx水平。在压燃式发动机或者柴油机领域中， 一种具 体方法称为"均匀充气压燃"或"HCCI"。在均匀充气模式中，可在发 动机气缸的压力和/或温度足以触发自燃之前，将燃油喷射到发动机气缸 内。这不同于更加常规的方法，在该常规方法中，通常在发动机循环中的 发生自燃的时刻或接近该时刻喷射燃油。换句话说，在均匀充气操作中，
燃油不是在喷射时自燃，而是在发动机循环内^:较早地喷射，这使得当活
塞在气缸内向上行进时燃油具有更多时间与空气混合。结果，大部分或全
部被喷射的燃油的点火基本上同时发生，而不是经由横穿气缸空间的相干 火焰前峰逐步发生。
尽管均匀充气操作已经显示非常有希望提高许多车辆的排气质量，但 是操作将对各种运行状况比较敏感。某些运行状况例如点火正时中的不合
乎要求的变化会危害成功的运行。当例如在高速公路上的卡车内使用均匀 充气发动机时，均匀充气故障会使得卡车在远离维修站的位置抛锚。
多年来已经开发了各种运行方案和发动机设计以降低发动机故障的可 能性。在能够进行均匀充气操作的大部分发动枳d殳计中，电子控制器与一 些发动机组件联接，并且控制各种发动机参数以帮助减小运行问题。但是， 即使是最先进的发动机控制系统，仍会发生故障。
Shinogle等人2003年2月21日提交的美国专利申请No. 10/372692— 现在是美国专利No. 6997159—公开了一种运行设计，该设计旨在提供可选 择的操作方案以使得发动机可在低能级状况下运行。尽管Shinogle的专利 看来在具体环境下可很好地工作，但是这种策略在其它技术领域内仍存在 提高和改进空间。
本发明针对一个或多个上述问题或缺陷。
发明内容
一方面，本发明提供了一种运行内燃机的方法。该方法包括以下步骤， 即经由具有至少两种可用的喷流样式(模式，图案)的混合型喷油器，使 发动机在给定发动机循环期间以均匀充气模式和常规模式中的至少 一种模 式运行。该方法还包括在发生预定的均匀充气模式故障时，经由混合型喷 油器选择性地使发动机在至少 一个随后的发动机循环期间以常规模式运行 的步骤。
另一方面，本发明提供了一种内燃机。该内燃机包括具有至少一个气 缸的发动机壳体，和至少部分地设置在该至少一个气缸内的混合型喷油器。 (该内燃机)设有电子控制器，该电子控制器与混合型喷油器控制通信， 该电子控制器包括其上记录有控制算法的计算机可读介质。该控制算法包
括用于使内燃机以均匀充气模式运行的第一措施(means),和用于在发 生预定的均匀充气模式故障时使内燃机以常规模式运行的第二措施。
还一方面，本发明提供了一种物品，该物品包括其上记录有控制算法 的计算机可读介质。该控制算法包括用于经由具有至少两种可用喷流样式 的混合型喷油器使内燃机在给定发动机循环期间以均匀充气模式运行的措 施，以及用于在发生预定的均匀充气故障模式时，在至少一个随后的发动 机循环期间，经由混合型喷油器选择性地使内燃机以应急常规模式运行的 措施。
图1是具有根据本发明的内燃机的作业机械的侧视图; 图2是图1的内燃机的一部分的局部剖面侧视图； 图3是示出根据本发明的控制过程的流程图。
具体实施例方式
参照图1，其示出安装在作业机械7的底盘8上的根据本发明的发动 机10,该作业机械7具有轮子或履带9。发动机10包括发动机壳体12和 至少一个气缸20,例如设置在其内的多个气缸20。发动机10还可包括至 少部分安置在气釭20内并且可以常规方式在其中往复运动的活塞14。活 塞杆16可使活塞14以常规方式连接到曲轴18。可设置加压燃油源或泵40, 并经由共用油轨42和供给通路46联接到至少一个混合型喷油器50，例如 多个喷油器50。尽管可设想发动机10通常包括多个气缸，每个气缸均具 有对应的喷油器，但是为了便于说明，在文中用单数指示气缸20和喷油器 50。发动机壳体12可与排气系统44联接，并且具有涡轮增压器(未示出)。 可设想，发动机10可以是压燃式柴油机，但是应理解可使用具有包含一个
发动机10还可包括电子控制器30，该电子控制器可操作性地控制和/ 或监控特定的发动机运行参数。电子控制器30可经由通信线路37与压力传感器36通信，该压力传感器36暴露在气缸20的流体压力下，例如至少 部分地设置在该流体中。气缸压力传感器36可包括例如暴露在气缸20中 的压电传感器。压电传感器可包括一个或多个压电膜，从而在经历由气缸 压力引起的一定程度的偏转或者偏转变化率时生成具体电压或电压变化。 发动机10可包括多个压力传感器一每个气缸20内设置一个压力传感器， 但也可使用单个压力传感器。也可将发动机温度传感器34至少部分地安放 在气缸20内，并使之经由另一通信线路35与电子控制器30连接。可在排 气系统44上联接排气传感器例如NOx传感器48，并^f吏之经由再一通信线 路49与电子控制器30通信。也可设置加速度表32或爆震传感器，例如邻 近壳体12安放。加速度表32可经由另 一通信线路33与电子控制器30通 信，以使得电子控制器30可确定气缸20内的供给燃油的点火时间或大致 时间。可在发动机10上联接发动机速度传感器38，并使之经由另一通信 线路39与电子控制器30通信。
还参照图2，电子控制器30还可经由又一通信线路51与喷油器50控 制通信。喷油器50可以是如文中所述至少部分地设置在气缸20内并且具 有至少两种可用的喷流样式的混合型喷油器。现有技术已知多种合适的混 合型喷油器。从Shafer等人的美国专利No. 6725838中已知一种示例性的 合适的混合型喷油器。喷射器50可以是双同心止挡式喷油器，其包括第一 或外部止挡(check) 52和第二或内部止挡62。在一个实施例中，如文中 所述，由于它们各自的喷流样式，外部止挡52可认为是均匀充气或HCCI 止挡，而内部止挡62可认为是常规止挡。应当理解，术语"内部"和"外 部，，不应理解为将HCCI止挡和常规止挡局限于具体位置。可设想其它实 施例，其中外部止挡是"常规止挡，，而内部止挡是HCCI止挡。
外部止挡52可包括第一阀构件54，该阀构件54可操作以通过分别移 动离开或紧靠第一阀座56来打开或关闭第一组喷孔58。内部止挡62则可 包括第二阀构件64,该阀构件64可操作以通过分别移动离开或紧靠第二 阀座66打开或关闭第二组喷孔68。可将控制阀组70与喷油器50和电子 控制器30联接，以控制外部止挡52和内部止挡62的打开和关闭，并从而经由每个对应的止挡控制燃油喷射的定时和持续时间。在一种实施例中，电子控制器30可操作以选择性地打开第一止挡52和第二止挡62之一或全 部，以通过希望的对应的喷孔组喷射燃油。如文中所述，电子控制器30 还可操作以在给定的发动机循环期间在选择的定时控制各个喷射。
第一组喷孔58可包括相对于气缸20的轴线Z设置成第一平均喷射角 a的多个喷孔。第二组喷孔68可包括与第一组喷孔58不同的多个喷孔，
所述喷孔相对于轴线z设置成第二平均喷射角e ，该第二平均喷射角e大
于笫一平均喷射角oc。喷孔58因此可限定喷油器50的第一喷流样式，而 喷孔68可限定喷油器50的不同的第二喷流样式。本领域技术人员应理解， 可使用用于提供不同喷流样式的可选装置而不会背离本发明的范围。例如， 除了具有不同平均喷射角的分离的多组喷孔之外，可利用具有不同大小或 不同数量的多组喷孔来提供喷油器50可用的 一种以上的喷流样式。
本发明还提供了一种运行内燃机的方法。该方法可包括以下步骤，即 在给定发动机循环期间，经由混合型喷油器50使发动机10以均匀充气模 式和常规才莫式中的至少一种模式运行。在均匀充气模式和常规模式中的至 少一种模式中，可在给定发动机循环期间，经由喷油器50的第一组喷孔 58、经由第二组喷孔68或这两组喷孔向气缸20内喷射燃油。换句话说， 在给定发动机循环或多个发动机循环期间，可经由喷油器50的任何喷流样 式喷射燃油。可设想，该以"均匀充气模式和常规模式中的至少一种模式，， 的运行将是正常发动机运行，即没有发生故障。
该方法还可包括以下步骤，即在发生预定的均勻充气模式故障时，在 至少一个随后的发动机循环期间，选择性地经由混合型喷油器50使发动机 IO以常规模式运行。这种选择性运行将对应于例如应急运行模式，使得操 作员可将作业机械7驾驶到维修站而不会抛锚。或者，按常规模式的选择 性运行使得发动机10可持续运行直到故障或缺陷被清除，从而可恢复均勻 充气模式的运行。当在至少一个随后的发动机循环期间选择性地使发动机 10以常规模式运行时，可仅经由喷油器50的笫二组喷孔68来喷射燃油。 应想到，第二組喷孔68允许以较大的喷射角6进行喷油，从而被喷射的燃
油将被从喷油器50的尖端更向外地定向。如现有技术公知的，向外定向燃 油喷射将4艮好地适合于常规模式的运行，其中可在自燃状况下或接近自燃 状况时，通常当活塞14接近上死点位置时，向气缸20内喷射燃油。
在一种可想到的实施例中，在一个典型发动机循环或多个发动机循环 期间，只要发动机10在功率范围的较低部分内运行，电子控制器30就可 命令经由第一喷流样式喷射燃油以实现均匀充气运行。当向发动机10要求 更大的功率时，可使用常规运行以补充经由均匀充气运行提供的功率。当 发动机10选择性地以常规模式运行时，可用功率范围可较低，从而仅仅提 供足以使利用发动机10的作业机械7应急行进到维修站的功率。
如文中所用的，术语"预定的均匀充气模式故障"应理解为包含使得 电子控制器30可确定均匀充气模式未运行或者未如预期地运行的任何预 定发动机状况。为此，预定的均匀充气模式故障可以是在电子控制器30 与加速度表32、温度传感器34、压力传感器36、发动机速度传感器38或 NOx传感器48中的任何一个之间的控制信号故障，包含特定控制信号或 缺少控制信号。尽管未示出，但常规离子传感器可与发动机10—起使用以 有助于确定点火正时，并继而在点火正时停止时允许电子控制器30确定均 匀充气模式故障，如文中所述。另外的可指示连续均匀充气模式的故障或 不合需要的发动机状况是现有技术已知的，并且用于确定文中所述的按应 急运行模式的选择性操作是合适的。
本发明的方法还可包括以下步骤，即例如通过压力传感器36确定表征 发动机IO的气缸20的气缸压力和压力变化率中的至少一个的值。如文中 使用的，术语"表征…的值(表征值)"应理解为包含所关心的特性的直 接测量值，以瓦基于与所关心的特性具有已知关系的另 一值或特性的确定 的间接测量值或估计值。如文中使用的，可设想， 一种用于确定均匀充气 模式故障的措施可以是通过压力传感器36和电子控制器30之间的控制信 号故障进行确定的措施。电子控制器30可例如确定气缸压力或气缸压力增 量过大或过小以至于不能继续尝试期望的HCCI运行。或者，电子控制器 30可确定在压力传感器36 (或任何其它传感器)之间不存在控制信号，并
且因此确定继续尝试的HCCI运行不合乎要求。
另一种用于确定气缸压力和气缸压力变化率中至少一个的表征值的措 施可包括光学传感器，而不是直接测量气缸压力。可使用特定的光学传感 器来确定与气缸压力具有已知关系的气缸内的透射光的幅值。这种传感器 可从密歇根州普利茅斯的Optrand公司购得。其它合适的光学传感器包括 干涉仪，该干涉仪可操作以测量由根据气缸压力改变形状的半透腔所产生 的频率的差。这种干涉仪传感器可从北卡罗莱纳州海波因特的Fiber Dynamics公司购得。还一种合适的传感器类型可包括微应变测定气缸压力 传感器。这种传感器可操作以确定与气缸压力成比例的预热塞杆在气缸内 的较小运动，并且可从德克萨斯的Texas Instruments of Dallas公司购得。 还可使用由伊利诺斯的Woodward Governor of Rockford制造的离子传感 器，该离子传感器测量在气缸内4笨针附近的离子等级，还可使用伊利诺斯 州皮奥里亚的Caterpillar公司制造的气缸内火焰前峰传感器。
本发明的方法还可包括以下步骤，即在使发动机以均匀充气模式和常 规模式中的至少一种模式运行的同时确定被喷射的燃油的点火正时。例如， 可通过压力传感器36或上述替代性压力确定措施至少部分地确定点火正 时。或者，可经由加速度表32或如前文所述的离子传感器确定点火正时。 如文中所述的，可设想，另一种用于确定均匀充气;f莫式故障的措施可包括 确定点火正时在预定点火正时范围之外。例如，当以均匀充气模式运行时， 希望被喷射的燃油在预定的曲轴角范围内点火。点火过晚或过早发生会例 如危及均匀充气模式运行，并且如文中所述，希望启动应急运行模式。
电子控制器30还可包括其上记录控制算法的计算机可读介质，例如 RAM、 ROM或任何其它合适的介质。该控制算法可包括第一措施和第二 措施，该第一措施用于使发动机10仅以均勻充气模式或混合模式运行，该 混合模式在单个发动机循环内包括均勻和常规喷射，该第二措施于在发生
预定的均匀充气模式故障时选择性地m动机10以常规模式运行。该第一
措施可包括用于命令至少经由喷油器40的第一喷流样式向气缸20内喷射 燃油的措施，而第二措施可包括用于命令经由喷油器50的第二喷流样式、
例如仅仅经由第二喷流样式向气缸20内喷射燃油的装置。在一个可想到的 实施例中，第二措施还可包括用于在给定发动机循环之后的多个发动机循 环期间，选择性地打开第二止挡62而不打开第一止挡52的措施。第二措 施可用作发动机10的可选择控制策略，从而即使当危及正常运行时，仍可 实际控制例如燃油喷射正时和持续时间等因素。
电子控制器30的控制算法还可包括用于确定以均匀充气模式喷射的 燃油在给定发动机循环期间的点火正时的措施。第二措施还可包括用于通
择性地使发动机10以应急运行模式运行的措施。所述的发动机10的选择 性运行可至少部分地基于所确定的在给定发动机循环期间的点火正时而启 动，该点火正时例如是如文中所述的在预定范围之外的被确定的点火正时。 该控制算法还可包括经由压力传感器36、温度传感器34、发动机速度传感 器38、 NOx传感器48或加速度表32中的至少一个至少部分地检测预定的 均匀充气模式故障的发生的措施。
工业适用性
在正常运行期间，发动机10将以所述的均匀充气模式和包含混合;f莫式 的常规模式中的至少一种模式运行。对于均匀充气模式可经由第一喷流样 式喷射燃油，并且对于常规模式运行可经由第二喷流样式喷射燃油，该常 规;漠式运行对应于经由电子控制器30的控制算法的第一措施进行的运行。 例如，发动机10可仅仅以均匀模式运行，但是出于现有技术已知的原因， 在较高负荷和速度下以混合模式运行。如上所述，在正常运行期间，在给 定的发动机循环内可发生均匀充气模式运行和常规模式运行之一或全部。 但是，在发生预定的均匀充气模式故障时，可启用电子控制器30的控制算 法的笫二措施。当预定故障已经发生时，在至少一个随后的发动机循环中， 发动机10例如将在较低功率范围内以常规模式运行，使得发动机10可继 续运行直到可进行维#\可设想，电子控制器30或者发动机10的一些其 他元件可配置成^f吏电子控制复位，从而例如可经由文中所述的控制算法的
第一措施恢复正常运行，而不是维修发动机IO。例如，可设想这样的实施
例，其中不是仅仅启动应急运行逻辑并且在维修之前保持该逻辑一直起作 用，在维修时清除预定的故障或缺陷，而是可恢复正常操作并且停用应急 运行逻辑。
现在转到图3,该附图示出了说明才艮据本发明的示例性控制过程的流 程图100。该过程可从开始(START)块110开始。过程可从块110前进 到块120,其中电子控制器30可使发动机10在给定发动机循环中以均匀 充气模式和常规模式中的至少一种模式运行，在图3内仅示出均匀充气模 式。过程可从块120前进到块130,其中电子控制器可确定预定的均匀充 气模式故障的发生。如文中所述，预定故障可以是发动机IO内的多种控制 信号故障中的任何一个。过程可从块130前进到块140,其中针对至少一 个随后的发动机循环，电子控制器30可选择性地使发动机10以应急运行 常规模式运行。此后，过程前进到结束(FINISH)块150。
本说明仅是例证性的，并且不应被理解为是以任何方式缩小本公开的 范围。因此，本领域技术人员应理解，可对文中公开的实施例做出各种修 改而不会背离本发明的精神和范围。例如，尽管可设想通过经由喷油器50 的第二喷流样式喷射燃油实现选择的常规模式运行，但是还可想到替代方 案。可转变燃油喷射的定时和/或持续时间以使发动机10进行应急运行，
而不是转变到常规4莫式运行专用的喷流样式。例如，在预定的均匀充气模 式故障发生时，控制可转变为使得在给定发动机循环内燃油喷射在接近活 塞的上死点位置处发生而不是较早地发生，这通常是HCCI运行的情况。 其它方面、特征和优点在附图和所附权利要求中显而易见。
权利要求
1.一种运行内燃机(10)的方法，该方法包括以下步骤经由混合型喷油器(50)使发动机(10)在给定的发动机(10)循环期间以均匀充气模式和常规模式中的至少一种模式运行，该混合型喷油器(50)具有至少两种可用的喷流样式；以及在发生预定的均匀充气模式故障时，经由混合型喷油器(50)选择性地使发动机(10)在至少一个随后的发动机(10)循环期间以常规模式运行。
2. 根据权利要求l的方法，其特征在于，所述使发动机(10 )以均匀充气模式和常规模式中的至少一种模式运 行的步骤包括在给定发动机循环期间，经由混合型喷油器(50 )的第 一喷 流样式将燃油喷入该发动机的至少一个气缸(20);以及所述选择性地使发动机(10 )以常规模式运行的步骤包括在多个随后 的发动机循环期间，经由与该第一喷流样式不同的第二喷流样式将燃油喷 入该发动才几的至少一个气缸(20)。
3. 根据权利要求2的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤 经由暴露在所述至少一个气缸(20 )的流体压力中的压力传感器(36 )来确定表征所述至少一个气缸(20)的气缸压力和气缸压力变化率中的至 少一个的值；以及至少部分地通过该压力传感器(36)，在使发动机(10)以均勻充气 模式和常规4莫式中的至少 一种模式运行的同时确定所喷射的燃油的点火正 时。
4. 根据权利要求2的方法，其特征在于，所述使发动机(10 )以均匀充气模式和常规模式中的至少一种模式运 行的步骤包括使发动机(10)在第一功率范围内运行；所述选择性地使发动机(10)以常规模式运行的步骤包括使发动机 (10)在低于该第一功率范围的第二功率范围内运行；以及所述选择性地使发动机(10)以均匀充气模式和常规模式中的至少一 种模式运行的步骤还包括以下步骤，即经由来自压力传感器(36)、至少 部分地设置在所述至少一个气缸(20)内的温度传感器(34)、发动机速 度传感器(38 )、位于内燃机(10 )的排气系统(44 )内的NOx传感器(48 ) 和加速度表(32)中的至少一个的控制信号故障，来确定预定的均勻充气 模式故障的发生。
5. —种内燃机(IO)，该内燃机包括发动机壳体(12)，该发动机壳体(12)具有至少一个气缸(20); 至少部分地设置在所述至少一个气缸(20)内的混合型喷油器(50);以及与所述混合型喷油器(50)控制通信的电子控制器(30),所述电子 控制器(30)包括其上记录有控制算法的计算机可读介质，所述控制算法 包括用于使内燃机(IO)以均匀充气模式运行的第一措施，和用于在发生 预定的均匀充气模式故障时选择性地使内燃机(10)以常规模式运行的笫二措施。
6. 根据权利要求5的内燃机(10 )，其特征在于， 所述混合型喷油器(50 )至少包含第一喷流样式和与该笫一喷流样式不同的第二喷流样式；所述第 一措施包括用于命令至少经由该第 一喷流样式将燃油喷射到 所述至少一个气缸(20)内的措施；以及所述第二措施包括用于命令经由该第二喷流样式将燃油喷射到所述 至少一个气缸(20)内的措施。
7. 根据权利要求6的内燃机(10 )，其特征在于， 所述控制算法还包括用于确定在给定发动机循环期间在所述均勻充气模式下喷射的燃油的点火正时；以及所述第二措施包括以下措施，即至少部分地基于所确定的在该给定发 动机循环内的点火正时，经由选择性地命令在多个随后的发动机循环内喷 射燃油来选择性地使所述发动机(10)以应急常规模式运行。
8. 根据权利要求7的内燃机(10 ),其特征在于， 所述第一措施还包括用于使所述内燃机(10)在第一功率范围内运行的措施；所述第二措施还包括用于使所述内燃机(10)在低于所述第一功率范 围的第二功率范围内运行的措施。
9. 一种物品，该物品包括其上记录有控制算法的计算机可读介质，所述控制算法包括用于经由 具有至少两种可用喷流样式的混合型喷油器(50)使内燃机(10)在给定 发动机循环期间以均匀充气^^莫式运行的措施，和用于在发生预定的均匀充 气故障模式时，在至少一个随后的发动机循环期间，经由混合型喷油器(50 ) 选择性地使内燃机(10)以应急常规模式运行的措施。
10. 根据权利要求9的物品，其特征在于，所述控制算法还包括以下 措施，即基于内燃机(10)的电子控制器(30)与下列组中的至少一个之 间的控制信号故障来确定所述预定的均匀充气模式故障的发生，所述组包 括暴露在内燃机(10)的至少一个气缸(20)的流体压力下的压力传感器(36 )、至少部分地设置在所述至少一个气缸(20 )内的温度传感器(34 )、 发动机速度传感器(38)、位于内燃机(10)的排气系统(44)内的NOx 传感器(48)和加速度表(32)。
全文摘要
一种运行内燃机(10)的方法，该方法包括使具有混合型喷油器(50)的发动机(10)以均匀充气模式和常规模式中的至少一种模式运行的步骤。该方法还包括在发生预定的均匀充气模式故障时选择性地使发动机(10)以常规模式运行以便应急运行的步骤。本发明提供了一种内燃机(10)，该内燃机(10)具有包含软件逻辑的电子控制器(30)，该软件逻辑用于在发生预定的均匀充气模式故障时选择性地使发动机(10)以常规模式运行。
文档编号F02D41/30GK101208507SQ200680022859
公开日2008年6月25日 申请日期2006年5月3日 优先权日2005年6月23日
发明者M·L·凯斯 申请人:卡特彼勒公司