专利名称：具有逐步气缸关断的发动机控制系统的制作方法
技术领域：
本申请整体涉及发动机控制系统，更特别地，涉及具有逐步气缸关断的发动机控制系统。
背景技术：
气缸关断是一种使发动机的一个或多个气缸中的燃烧减少或完全停止的方法。气缸关断被用于轻负载状况中以提高发动机效率，或者用于低温状况中以提高操作气缸的温度并随后提高发动机的其余部分的温度。于1998年10月27日授权予Patel等人的美国专利No. 5826563( ‘563专利)中说明了一种执行气缸关断的示例性系统。具体来说，‘563专利公开了一种在机车应用中的用于发电机的高马力柴油发动机。当发动机在诸如怠速的低马力模式操作时，发动机进入跳过点燃控制。在跳过点燃控制期间，发动机的若干气缸在发动机轴的单次转动过程中不被供给燃料，使得接收燃料的其他气缸以更高的功率输出操作。特别地，当检测到低马力模式时，控制单元决定，在任何发动机轴转动中，多少发动机气缸可以被跳过(不供给燃料) 而不会导致发动机速度受阻或产生过量废气排放。在这些限制下，控制单元计算仍然产生维持机车功能所需要的马力的可以点燃的最少气缸数量。考虑到在任何轴旋转将要点燃的气缸数量，控制单元选择和执行气缸点燃形式，以在每次旋转中将希望数量的气缸点燃并且在接下来的旋转中将所有气缸点燃。虽然‘536专利的系统可能适用于机车应用，但是它在需要产生特性一致的电能的固定发电应用中可能受到限制。具体来说，气缸被供给燃料和不供给燃料(跳过)的方式可以对发动机的输出以及相关联的发电机产生的电能输出的相应特性产生很大的影响。 并且，‘536专利所提供的执行跳过的方法不能使得在跳过期间的电能输出保持预期。本发明的发动机控制系统旨在克服上述一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种用于具有多个燃烧室的发动机的控制系统。控制系统可以包括与多个燃烧室相关联的多个燃料喷射器，以及与多个燃料喷射器中的每个通信的控制器。控制器能够确定阻止多个燃烧室的子集被供给燃料的需求。控制器还能够选择性地调节多个燃料喷射器以每次阻止子集的一部分被供给燃料，直至已经阻止子集的全部被供给燃料。在另一方面，本发明涉及一种操作发动机的方法。该方法可以包括将燃料喷射入多个燃烧室中，以及确定阻止多个燃烧室的子集被供给燃料的需求。该方法还可以包括每次选择性地阻止子集的一部分被供给燃料直至已经阻止了子集的全部被供给燃料。
图1是一种示例性地公开的发电机组的示意图；且图2是示出一种操作图1的发电机组的示例性地公开的方法的流程图。
具体实施例方式图1示出一种发电机组10，其具有被联接以机械地转动发电机14的原动机12，发电机14向外部负载(未示出)提供电能。在本发明的公开内容中，原动机12被示出和描述为热机，例如内燃机，其燃烧燃料和空气的混合物以产生机械转动。本领域技术人员将认识到，原动机12可以是任何类型的燃烧发动机，例如柴油机、汽油机、或气体燃料发动机。发电机14可以是例如交流感应发电机、永磁体发电机、交流同步发电机或开关磁阻发电机。 在一种实施方式中，发电机14可以包括多对电极(未示出)，每对电极具有绕定子(未示出)的周围布置的三个相位以产生频率约为50和/或60Hz的交流电。发电机14产生的电能可以被引导至外部负载，以用于场外用途。原动机12可以包括至少部分地限定多个气缸18的发动机缸体16，和连接至发动机缸体16以形成多个燃烧室28的一个或多个气缸盖19。在一个例子中，发动机缸体16可以包括16个燃烧室28 (仅示出8个)。但是，可以想到，发动机缸体16也可以包括更多或更少个燃烧室观，且燃烧室观可以布置成直列构造、V形构造、或任何其他适合的构造。活塞20可以可滑动地布置在每个燃烧室28中，以在进气冲程、压缩冲程、燃烧或动力冲程、以及排气冲程的过程中在上止点(TDC)位置和下止点(BDC)位置之间往复运动。 活塞20可以通过多个连杆M操作地连接至曲轴22。曲轴22可以可旋转地设置在发动机缸体16中并且操作地连接至发电机14，使得每个活塞20的往复运动导致相连的发电机14 的相应转动。活塞20在进气冲程中可以从上止点位置运动至下止点位置以将空气抽入各自的燃烧室观中。然后在压缩冲程期间，活塞20可以返回至上止点位置，从而压缩空气。在接近压缩冲程的结尾和/或在动力冲程的第一部分期间，与每个燃烧室观相关联的燃料喷射器26可以将受压喷射燃料输送到燃烧室观中，并且在一些情况下，受压喷射燃料可以与压缩空气混合并且开始燃烧。当点火时，空气燃料混合物可以在动力冲程中使得活塞20运动回到下止点位置，活塞20的该向下运动向曲轴22和发电机14的旋转运动提供动力。然后活塞20可以在排气冲程期间返回到上止点位置以将废气从燃烧室观推出。燃料喷射器沈可以被设置在气缸盖19内并且被连接以将燃料喷入燃烧室28。燃料喷射器26可以实施为例如电子致动电子控制单元喷射器、机械致动电子控制喷射器、数字控制燃料阀或本领域已知的任何其他类型的燃料喷射器。每个燃料喷射器沈可以单独地、独立地操作，从而以预定的正时、燃料压力和燃料流速将一定量的受压燃料喷入相关联的燃烧室28中。发电机组10的操作可以受到将燃料喷入燃烧室观的工作中的燃料喷射器沈的数量影响。即，原动机12的总的(转矩和/或转速)输出可以是每个气缸18中的单独的燃烧事件的结果。因此，当所有燃烧室观完全操作时(即，当所有燃料喷射器沈工作以向相关联的燃烧室观提供燃料时)，原动机12的总输出可以由各个燃烧室观基本同等地贡献。同样，当不是所有燃料喷射器26工作以喷射燃料时(即，当一些燃料喷射器沈被阻止提供燃料以使得一些燃烧室28不工作时)，原动机12的总输出可以仅由相关联的喷射器26在工作的那些操作的燃烧室观贡献。在后一种情况下，任何一个燃烧室观所贡献的总输出的量可以大于前一种情况下任何一个燃烧室观所贡献的总输出。相应地，在后一种情况下喷入任何一个燃烧室观的燃料的量也可以大于在前一种情况下喷射的燃料的量以实现相同的总的输出。在一些情况下，可能希望不是所有的燃烧室观都操作。这些情况可以对应于，例如，低发动机速度、低发动机负载和/或低温操作。具体来说，在低发动机速度和/或低负载的情况下，任何一个燃料喷射器26所喷射的燃料的量可以相对的小。总的来说，当所喷射的燃料的量小于阈值，由于原动机12的附加损失，原动机12的效率可能会下降。在这种情况下，不是所有燃烧室观都操作以使得喷射的燃料的总量在更少的喷射器26之间分配 (即，使得每个燃料喷射器26喷射更多、更有效率的燃料量)可能是更好的。类似地，在低温操作期间，由任何一个燃料喷射器26喷射并且在原动机12内燃烧的燃料的量可能太少而不足以充分地使原动机12加热。同样在这种情况下，不是所有燃烧室观都操作以使得每个工作的燃料喷射器26喷射更大量的燃料，从而在喷射燃料的燃烧期间更大程度地加热各自的气缸18可能是更好的。因此，在一些情况下，可以阻止燃烧室观的子集操作(即， 阻止燃料喷射器沈的子集喷射燃料)。为了帮助调节上述燃料喷射器沈的操作和燃烧室观的选择性不工作，控制系统 30可以与发电机组10相关联。控制系统30可以包括与燃料喷射器沈通信的控制器32以及能够向控制器32提供输入的一个或多个传感器34。响应于来自传感器34的输入，控制器32可以确定阻止一个或多个燃烧室观操作的需求，并且响应地调整燃料喷射器沈的操作以适应原动机12的特定操作状况。通过这种方式，原动机12的操作可以保持在希望的操作范围内。控制器32可以实施为单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等，其包括用于响应于多种输入控制发电机组10的操作的装置。多种商业上可购买到的微处理器可以被配置为执行控制器32的功能。应当理解，控制器32可以容易地实施为与控制发电机组的其他功能的微处理器相独立的微处理器，或者控制器32可以与通用发电机组微处理器集成并且能够控制发电机组的多种功能和操作模式。如果与通用发电机组微处理器相独立，那么控制器32可以通过数据链路或其他方法与通用发电机组微处理器通信。多种其他已知的电路可以与控制器32相联，包括电源电路、信号调节电路、 致动器驱动电路(例如向螺线管、马达或压电致动器供能的电路)、通信电路和其他适合的电路。控制器32可以被配置成确定若干个燃烧室观不工作(即若干燃料喷射器沈被阻止向相关联的燃烧室观提供燃料)，使得原动机12的性能基本上保持在或返回到希望的操作范围。在一个例子中，控制器32可以基于传感器34的信号和/或基于其他输入引用存储在存储器中的一个或多个关系映射。每个映射可以包括表格、图表和/或等式形式的数据集。一种这样的关系映射可以例如使希望的原动机12输出(即转矩和/或速度)或希望的发电机14输出(即频率和/或电压)与必须喷入原动机12并在原动机12内燃烧的燃料的量相关。然后，同一或不同的关系映射可以使该燃料量和来自传感器34的信息与应当操作以喷射燃料量并且仍然保持希望的原动机12效率和/或温度的若干个燃料喷射器26以及相应的应当停止工作的剩余数量的燃烧室28 (即燃烧室28的子集)相关。当使燃烧室观停止工作时(即，当阻止特定的燃料喷射器沈喷射燃料时)，喷入任何一个保持操作的燃烧室观的燃料的量必须增加以保持相同的机械输出。控制器32可以被配置成在燃烧室观停止工作的同时且以与停止工作的燃烧室观成比例的量确定和执行增加的燃料供给。在一种实施方式中，在停止工作事件之间可以改变燃烧室观的子集。例如，在十六气缸发动机中，将16个燃烧室观中的4个或甚至8个选择性地停止工作是很常见的。 在停止工作事件之间(即在不同次的燃烧室停止工作之间)，控制器32可以选择不同的燃烧室观包含在停止工作的燃烧室观的子集中。这样，不会有一个燃烧室观比任何其他燃烧室28明显地多操作或少操作。因为发电机14产生的电能的特性(例如频率、相位和/或电压)对于原动机12 的操作可能是敏感的，燃烧室观的停止工作应当以相对逐步的方式执行。即，为了帮助维持基本恒定的发电机14电能输出，也必须维持基本恒定的来自原动机12的机械输入。为了帮助维持基本恒定的来自原动机12的机械输入(即帮助降低原动机12的速度和/或转矩波动)，每次停止工作的燃烧室观的数量可以被限制。即，每次燃烧室观的子集的仅一部分可以停止工作，以给予原动机12充分的时间从停止工作中恢复，使得在停止工作之间原动机输出基本实现稳定状态。在一种实施方式在，任何一次停止工作的燃烧室观的数量必须限制在一个，燃烧室停止工作之间的时间延迟为约1秒。但是，一旦燃烧室观的第一子集已经停止工作，第二子集必须以更加快速的方式停止工作。在一种实施方式中，第二子集的所有燃烧室观可以作为一组，大约在燃烧室的第一子集重新开始工作的同时停止工作。例如，在十六气缸发动机中，当四个燃烧室观已经停止工作时，另一个四个燃烧室观的子集可以大约在第一子集的四个燃烧室观重新开始工作的同时一次性都停止工作。在大多数情况下，每个子集中的燃烧室观的数量可以是大致相同的。当调整燃料喷射器沈的操作以使得燃烧室观的子集停止工作时，控制器32可以产生并向燃料喷射器26发送燃料输送改变信号。这些信号可以起调整燃料输送率、燃料输送正时、燃料输送压力和/或燃料转矩限制的作用。这些燃料输送改变信号可以根据本领域已知的原动机控制映射产生，例如轨道压力映射、正时映射、转矩限制映射等。燃料输送改变信号可以被发送至与燃烧室观的子集相关联的那些燃料喷射器26。图2示出控制系统30执行的一种示例性的操作。下面将具体讨论图2以进一步解释本发明的概念。工业实用性虽然特别适用于与发电相关联的原动机，但是本发明的发动机控制系统可以适用于本领域已知的任何柴油机、汽油机、气体燃料发动机。本发明的发动机控制系统可以基于所监控的发动机操作执行逐步气缸关断，使得发动机的机械动力输出可以被一致地保持。 现在将解释控制系统30的操作。如图2所示，控制系统30的操作可以通过由传感器34监控原动机12的性能随着发电机组10的起动而开始(步骤100)。如前文所述，性能可以包括温度、速度和/或负载等。控制器32可以从传感器34接收输入，并且将输入与期望性能范围比较以确定原动机 12的操作是否在规定内(步骤110)。
如果原动机12的性能在期望性能范围内，控制可以返回至步骤100。但是如果原动机12的性能偏离预期的期望性能范围，控制器32可以确定是否有任何燃烧室观已经停止工作(步骤120)。如果没有燃烧室28已经停止工作，那么控制器32可以确定应当停止工作以使得性能回到期望性能范围内的燃烧室观的数量(即燃烧室观的子集)(步骤 130)。如前文所述，控制器32可以基于来自传感器34的信号值和原动机12的额定值参照一个或多个关系映射做出决定。然后，控制器32可以确定一次应当使燃烧室观的子集的多少燃烧室(即子集的什么部分)停止工作(步骤140)。如前文所述，一次停止工作的燃烧室观的数量应当被限制，使得原动机12的机械输出以及因此发电机14的电能输出保持基本一致。在一些情况下，子集的部分可以是单个燃烧室观。然后，控制器32可以使燃烧室观的子集的部分停止工作，并且在停止工作之间延迟一段时间(步骤150)。在一些应用中，该时间可以是约1 秒。但是，可以想到，如果希望，控制器32可以在执行下一次停止工作之前监控原动机12 的性能以确定原动机12是否已经实现稳定状态操作，而不管时间如何(步骤160)。一旦已经经过时间延迟且/或已经观察到稳定状态操作，控制器32可以确定包含在子集内的所有燃烧室观是否都已经被适当地停止工作(步骤170)。如果燃烧室的子集全部已经被停止工作，控制可以返回至步骤100。如果还有额外的燃烧室观需要停止工作， 控制可以返回至步骤150。返回至步骤120，在一些情况下，燃烧室28的一个子集可能已经被停止工作，此时控制器32确定必须替代地使另一个子集停止工作。当这种状况出现时，控制器32可以确定新的停止工作的子集，该新的子集包括燃烧室观中的不同的燃烧室(步骤180)。然后控制器32可以同时使燃烧室观的新的子集停止工作，并且使之前停止工作的子集开始工作(步骤190)。在步骤190，所有开始工作的燃烧室观可以同时开始工作，而所有停止工作的燃烧室观可以同时停止工作。其原因是，原动机12可能已经适应于第一子集停止工作，并且在步骤190期间和完成之后应当继续在稳定状态下操作。所公开的发动机控制系统可以提供若干优点。特别地，因为发动机控制系统30可能能够逐步地执行气缸关断，原动机12的机械输出可以保持基本一致。并且，原动机12的一致的机械输出可以导致发电机14基本一致的电输出。本领域技术人员将很清楚，对于本发明的发动机控制系统可以进行多种修正和变型。根据所公开的发动机控制系统的说明书和实践的考虑，本领域技术人员也将清楚其他的实施方式。说明书和例子仅意于是示例性的，本发明的真正范围由权利要求书及其等同范围表示。
权利要求
1.一种用于具有多个燃烧室08)的发动机(12)的控制系统(30)，所述控制系统包括多个燃料喷射器(26)，其与所述多个燃烧室相联；以及控制器(34)，其与所述多个燃料喷射器中的每个通信，并且能够 确定阻止所述多个燃烧室的子集被供给燃料的需求；以及选择性地调节所述多个燃料喷射器以每次阻止所述子集的一部分被供给燃料，直至已经阻止了所述子集的全部被供给燃料。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中 所述部分是单个燃烧室；所述控制器还能够在阻止所述子集的一部分被供给燃料之后，在阻止所述子集的另一部分被供给燃料之前延迟一段时间；且所述时间足以使得所述多个燃烧室中正被供给燃料的剩余燃烧室基本实现稳定状态操作。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述控制器还能够在阻止事件之间改变所述多个燃烧室中的哪个或哪些燃烧室被包含在所述子集中。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中所述子集是第一子集，所述控制器还能够 确定阻止所述多个燃料室的第二子集被供给燃料的需求；以及选择性地调节所述多个燃料喷射器以阻止所述第二子集的全部被供给燃料以及基本同时开始给所述第一子集的全部供给燃料，其中，被包含在所述第一子集内的燃烧室的数量等于被包含在所述第二子集内的燃烧室的数量。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述控制器还能够 确定所述多个燃烧室中剩余的操作的燃烧室的增加的燃料供给量；调节所述多个燃料喷射器以在选择性地阻止所述子集被供给燃料的大约同时选择性地执行增加的燃料供给。
6.根据权利要求1所述的控制系统，还包括传感器(34)，所述传感器能够监控发动机性能并且产生发送给所述控制器的表示发动机性能的信号，其中所述控制器能够基于所述发动机性能确定阻止供给燃料的需求。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述发动机性能与发动机温度和发动机速度之一相关。
8.一种操作发动机(1 的方法，包括 将燃料喷入多个燃烧室08)；确定阻止所述多个燃烧室的子集被供给燃料的需求；以及选择性地一次阻止所述子集的一部分被供给燃料，直至已经阻止了所述子集的全部被供给燃料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中 所述部分是单个燃烧室；所述方法还包括在阻止所述子集的一部分被供给燃料之后，在阻止所述子集的另一部分被供给燃料之前延迟一段时间；以及所述时间足以使得所述多个燃烧室中正被供给燃料的剩余的燃烧室基本达到稳定状态操作。
10. 一种发电机组(10)，包括发电机(14)，其可操作以产生电功率输出；发动机(12)，其被连接以驱动所述发电机，并且包括多个燃烧室08)；以及根据权利要求1-7中的任意一项所述的控制系统(30)，其能够选择性地控制所述多个燃烧室的操作。
全文摘要
本发明公开了一种用于具有多个燃烧室的发动机的控制系统。该控制系统可以具有与多个燃烧室相关联的多个燃料喷射器，以及与多个燃料喷射器中的每个通信的控制器。控制器能够确定阻止多个燃烧室的子集被供给燃料的需求，控制器还能够选择性地调节多个燃料喷射器以一次阻止子集的一部分被供给燃料，直至已经阻止了子集的全部被供给燃料。
文档编号F02D41/30GK102292534SQ200980155273
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月17日
发明者B·E·莱顿, C·G·贝亚西, G·L·阿姆斯特朗, J·W·哈里斯, M·J·米勒, M·W·爱德华兹 申请人:卡特彼勒公司