实施跳变点火的供体汽缸发动机系统的制作方法

本发明涉及一种发动机系统，并且更具体地涉及一种实施供体汽缸排气再循环和跳变点火的发动机系统。

背景技术：

诸如柴油发动机、汽油发动机以及气态燃料发动机之类的燃烧发动机供给有空气和燃料的混合物，该混合物用于在发动机内燃烧，以产生机械功率输出和排气流。排气能包括作为燃烧过程的副产物产生的空气污染物的复杂混合物。例如，发动机能产生氮氧化物、颗粒物质和碳氢化合物。由于对环境的日益关注，能基于发动机的类型、发动机的大小和/或发动机的种类来调节从发动机排放至大气的污染物的量。

为了遵循排气排放条例而由发动机制造商所实施的一种方法包括排气再循环。排气再循环是使得由发动机产生的排气的一部分再循环回到发动机的进气以与新鲜的燃烧空气混合。所产生的混合物在被点燃时产生较低的燃烧温度以及对应的减少的氮氧化物量。

实施排气再循环的多缸发动机能包括称为“供体”汽缸的一些汽缸以及称为“非供体”汽缸的其它汽缸。供体汽缸提供它们排气的所有部分或一部分来用于排气再循环的目的。相反，非供体汽缸并不提供任何排气来用于排气再循环的目的。而是，来自非供体汽缸的排气引导至大气。此种类型的发动机称为供体发动机，并且当与传统的发动机相比可简化对于供体发动机中排气再循环的控制。

由发动机制造商所实施的另一种发动机控制方法称为“跳变点火”。跳变点火包括在低载荷操作期间选择性地停用发动机的其中一些汽缸。通过停用其中一些汽缸，剩余的有效汽缸须产生更多功率以仍满足给定的载荷。并且在较高功率输出下操作剩余汽缸会产生更有效的燃烧过程，这会产生较低水平的颗粒物质以及碳氢化合物。此外，在一些应用中，在跳变点火期间可实现燃料节省。

在2012年11月29日公开的授予Akinyemi等人的美国专利申请2012/0298070('070公开)中公开了同时实施排气再循环和跳变点火的示例性发动机。具体地说，'070公开公开了一种发动机，该发动机具有十二个汽缸，这些汽缸分成两列(例如，具有汽缸1-6的第一列和具有汽缸7-12的第二列)，其中，汽缸中的四个(例如，汽缸2、5、9和10)称为供体汽缸。发动机的正常载荷点火顺序是1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10。发动机在低发动机载荷下选择性地停用其中六个汽缸，以提高在剩余六个有效发动机上的载荷。确切地说，在第一发动机周期期间，仅仅使得汽缸1-5-3-6-2-4点火，而在接下来的发动机周期中，仅仅使得汽缸7-11-9-12-8-10点火。每个汽缸每两个发动机周期点火一次。可实施不同型式的跳变点火以提供期望水平的排气再循环。

虽然'070公开的发动机可在一些情况中具有改进排放和燃料经济性，但这在其他情况中也会遭受缺点。例如，'070的发动机可易于发生振动相关的故障(例如，发动机安装故障)、高噪声和/或不稳定的排放物输出。确切地说，当使用上文列举的传统点火顺序时，发动机可在第一和第二汽缸列之间均匀地交替汽缸点火。也就是说，对于点火顺序1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10，发动机将第一列汽缸、第二列汽缸、第一列汽缸点火等等。类似地，每三个点火汽缸可以是供体汽缸。因此，传统的点火顺序可产生具有低振动和相当一致的排气再循环流率的机械平衡发动机。然而，当仅仅使用六个汽缸来以上文所列举的点火顺序来对载荷提供功率而进行跳变点火时，发动机会在第一发动机周期期间突然需要将所有的第一列汽缸都点火，而在第二发动机周期期间将所有的第二列汽缸点火，这会在机械上失衡并且具有在发动机内引起若干振动的可能性。此外，在第一发动机周期期间，一个供体汽缸将点火，接着是两个非供体汽缸，再接着是另一个供体汽缸。并且在第二发动机周期中，两个供体汽缸将点火，接着是两个供体汽缸，再接着是两个非供体汽缸。并且在周期之间的过渡处，三个非供体汽缸将依次点火。排气再循环的排气供体的此种变化性会导致所产生并且排放至大气的经调节排气组分的水平发生不稳定摆动。

所公开的发动机系统涉及克服上文所述的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。

技术实现要素：

在一个方面中，本发明涉及一种发动机系统。该发动机系统可包括第一列汽缸、第二列汽缸、与该第一列汽缸相关联的第一进气歧管以及与第二列汽缸相关联的第二进气歧管。该发动机系统还可包括第一排气歧管、第二排气歧管以及多个喷射器，该第一排气歧管将第一列汽缸连接至第一进气歧管和第二进气歧管，该第二排气歧管将第二列汽缸连接至大气，每个喷射器与第一列汽缸和第二列汽缸中的不同汽缸相关联。该发动机系统可进一步包括与多个燃料喷射器连通的控制器。该控制器可配置成选择性地抑制与第一列汽缸和第二列汽缸的第一汽缸子组相关联的多个喷射器在跨越多个发动机周期的第一时间段点火。该控制器还可配置成选择性地抑制与第一列汽缸和第二列汽缸的第二汽缸子组相关联的多个喷射器在第一时间段之后的跨越多个发动机周期的第二时间段点火。

在另一个方面中，本发明涉及另一种发动机系统。该发动机系统可包括第一列汽缸、第二列汽缸、与该第一列汽缸相关联的第一进气歧管以及与第二列汽缸相关联的第二进气歧管。该发动机系统还可包括第一排气歧管、第二排气歧管以及多个喷射器，该第一排气歧管将第一列汽缸连接至第一进气歧管和第二进气歧管，该第二排气歧管将第二列汽缸连接至大气，每个喷射器与第一列汽缸和第二列汽缸中的不同汽缸相关联。该发动机系统可进一步包括与多个燃料喷射器连通的控制器。该控制器可配置成在低载荷状况期间选择性地抑制与第一列汽缸和第二列汽缸的第一汽缸子组相关联的多个喷射器在跨越多个发动机周期的第一时间段进行点火，在低载荷状况期间选择性地抑制与第一列汽缸和第二列汽缸的第二汽缸子组相关联的多个喷射器在第一时间段之后的跨越多个发动机周期的第二时间段进行点火，以及在低载荷状况期间选择性地抑制与第一列汽缸和第二列汽缸的第三汽缸子组相关联的多个喷射器在第二时间段之后的跨越多个发动机周期的第三时间段进行点火。在低载荷状况期间的第一汽缸子组、第二汽缸子组和第三汽缸子组的点火间隔总是在约165°至195°的曲柄角度之间。在低载荷状况期间的第一汽缸子组和第二汽缸子组的每一者的单独点火间隔总是为约360°的曲柄角度。

在又一方面中，本发明涉及一种操作具有多个汽缸的发动机系统的方法，这些汽缸设置成依次编号为1至6的第一供体列和依次编号为7至12的第二非供体列。该方法可包括在正常载荷状况期间根据以下型式来使得多个汽缸点火：1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10。该方法还可包括在跨越多个发动机周期的第一时间段根据以下型式仅仅选择性地使得第一供体和第二非供体列的每个列的两个汽缸的第一子组点火：1-11-6-8。该方法可进一步包括在第一时间段之后的跨越多个发动机周期的第二时间段、根据以下型式仅仅选择性地使得第一供体和第二非供体列的每个列的两个汽缸的第二子组点火：7-3-6-8。该方法可附加地包括在第二时间段之后的跨越多个发动机周期的第三时间段、根据以下型式仅仅选择性地使得第一供体和第二非供体列的每个列的两个汽缸的第三子组点火：5-9-2-10。在低载荷状况期间的第一子组、第二子组和第三子组的点火间隔总是在约165°至195°度的曲柄角度之间。在低载荷状况期间的第一子组和第二子组的每一者的单独点火间隔总是约360°的曲柄角度。

附图说明

图1是示例性公开的发动机系统的示意图；以及

图2是示出与图1所示发动机系统相关联的示例性公开控制算法的图表。

具体实施方式

图1说明示例性发动机系统20。虽然发动机系统20示作并且下文描述成实施四冲程柴油发动机，但可设想的是，如果期望的话，发动机系统20可以是另一种类型的发动机(例如，四冲程天然气、汽油或柴油发动机，或者配置成消耗柴油、天然气和/或汽油两冲程发动机)发动机系统20可尤其是包括至少部分地限定多个汽缸24的发动机缸体22。虽然示作十二个汽缸的发动机，但发动机系统20也可包括任何数量的汽缸24。汽缸24能以“V”型配置设置，例如以相对于彼此成一定角度定向的第一或左列26和第二或右列28设置。列26中的汽缸24可布置在位置1-6处，而列28中的汽缸24可布置在位置7-12处。

活塞(未示出)能可滑动地设置在每个汽缸24内，并且连接以随着曲柄轴30转动。随着曲柄轴30转过两个整圈(例如，转过约720°)，每个活塞会经历四个完整的冲程，从而在每个汽缸24内产生单个燃烧事件(也即，点火)。在公开的实施例中，汽缸24的全载荷或正常载荷点火顺序(相对于所编号位置)可以是1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10，且该顺序中的一个汽缸24在曲柄轴每转动60°时点火约一次。

发动机系统20可包括至少一个压缩器32，其压缩空气并且经由第一进气歧管和第二进气歧管34、36将所压缩的空气引导到汽缸24中。可根据需要使用任何数量的压缩器32，并且这些压缩器能以任何配置(例如，串联地和/或并联地)布置。空气可在进入歧管34、36之前抽吸通过过滤器(未示出)并且推过冷却器(未示出)，以调节用于燃烧的空气。

燃料可在进入汽缸24之前、期间和/或之后与燃烧空气混合。例如，一个或多个燃料喷射器(例如，液体和/或气态燃料喷射器)38可与汽缸24相关联，并且配置成喷射燃料用于与空气混合物并进行随后的燃烧。当燃料经由喷射器38喷射到汽缸24中时，燃烧事件可在相关联的做功冲程开始时发生。类似地，当抑制特定的喷射器38喷射燃料时，可抑制对应的汽缸24点火(即，跳变点火)。于是，可选择性地将特定的汽缸24跳变点火，以改变如上所述的点火顺序。

来自汽缸24的排气可分别排放到与第一和第二列26、28相关联的第一和第二排气歧管40、42。具体地说，位置1-6中的汽缸24可排放到歧管40中，而位置7-12中的汽缸24可单独地排放到汽缸42中。然后，来自歧管42的排气可通过至少一个涡轮机44通至大气。涡轮机44可由排气驱动以转动压缩器32并且使得进入空气加压。可根据需要使用任何数量的涡轮机44，并且这些涡轮机能以任何配置(例如，串联地和/或并联地)布置。排气可在进入大气之前通过过滤器、催化剂、捕获器、氧化剂、衰减器和/或其他后处理装置。

来自歧管42的排气可能不会引导通过涡轮机44。而是，来自歧管42的排气可引导回到发动机系统20的入口。确切地说，排气可通过一个或多个通道46引导回到并联的进气歧管34、36。排气可在与压缩器32下游的加压空气混合之前通过冷却器(未示出)和/或过滤器(未示出)。于是，仅仅来自位置1-6中的汽缸24的排气可再循环并且最终分配至所有汽缸24，用于随后在下一发动机周期期间燃烧。因此，位置1-6中的汽缸24可称为供体汽缸(即，提供用于再循环的排气的汽缸)，而位置7-12中的汽缸24可称为非供体汽缸。

在一些实施例中，可提供旁通通道48，以选择性地允许来自歧管40的排气与来自歧管42的排气结合，由此有助于平衡歧管40、42内的压力。如果需要的话，控制阀和/或限流孔(未示出)可布置在旁通通道48内，以调节从歧管40流入到歧管42中的排气流率。替代地或附加地，一个或多个控制阀(未示出)可类似地布置在通道46的一个或多个分支内。如果需要的话，可省略旁通通道48。

控制器84可与发动机系统20连通，并且配置成选择性地实施意图在低载荷状况期间改进燃料效率的跳变点火算法。控制器84可采用单个微型处理器或者多个微型处理器，这些微型处理器包括用于控制发动机系统20的操作的装置。许多市场上可买到的微型处理器都可以配置成执行控制器84的功能。应该理解，控制器84可容易地在能够控制多个发动机功能的通用机器微型处理器中实施。控制器84可包括存储器、辅助储存装置、处理器，以及用来运行应用的任何其它部件。各种其它的电路可与控制器84相关联，例如，电源电路、信号调节电路、电磁驱动器电路，以及其它类型的电路。

图2说明可由控制器84选择性地实施的跳变点火算法。该策略可包含基于发动机系统20上的总体载荷(例如，当发动机系统20上的载荷小于阈值量时)、在特定时刻下使得特定汽缸24选择性地跳变点火。如上所述，控制器84可通过抑制相关联喷射器38喷射燃料来使得特定的汽缸24跳出发动机20的点火顺序。发动机系统20上的总体载荷可通过本领域已知的任何装置来确定，例如通过监测总体燃料喷射量、通过监测节流阀输入装置(未示出)的排量、借助一个或多个载荷和/或速度传感器(未示出)或者以任何其它合适的方式来确定。将在以下段落中更详细地描述图2。

工业实用性

所公开的发动机系统可实施到期望低排放和高效率的任何应用中。所公开的发动机系统可借助经由供体/非供体汽缸配置实施的排气再循环来提供低排放。所公开的发动机系统可通过在低载荷状况期间使得特定汽缸选择性地跳变点火来提供高效率。现在将参照图2所示控制算法来描述发动机系统20的操作。

例如能从图2的图表中观察到，发动机系统20的跳变点火能以汽缸24的自组来实施。具体地说，汽缸24可分成三个不同的子组，每个子组均由四个汽缸24构成。第一子组52可在位置1、6、8和11中包括汽缸24；第二子组54可在位置3、4、7和12中包括汽缸24；而第三子组56可在位置2、5、9和10中包括汽缸24。

当发动机系统20经历低载荷状况时(即，当发动机系统20上的总体载荷由控制器84确定为小于阈值量时)，控制器84可选择性地致使汽缸24的其中两个子组跳变点火。也就是说，一次可将上文描述的汽缸24的仅仅一个子组点火，并且在汽缸24的另一子组可点火之前，这些汽缸24可持续点火预定数量的发动机周期(或者预定持续时间)。在一个示例中，在发动机系统20的操作过渡至将汽缸24的另一子组点火之前，汽缸24的特定子组可在低载荷状况期间点火至少12分钟。当以额定发动机速度(例如，以约1500rpm)操作时，在过渡之前对于每个子组进行总共大约36000次点火，这可导致对于汽缸24的点火子组内的每个汽缸进行大约9000次点火(即，1500转÷每次点火2转×12分钟)。

可选择汽缸24的每个子组，以使得当在低载荷状况期间跳变点火时，发动机系统12可基本上在机械上平衡并且从点火供体汽缸再循环的排气速率可基本上稳定。例如，第一子组52中的汽缸24可从发动机系统20的左侧和右侧交替地点火(即，从第一和第二列26、28)。换言之，发动机系统20的机械平衡可通过在低载荷状况期间抑制单列26、28中的多个相继点火，除了在汽缸24的子组之间发生偶然过渡以外。类似地，第一子组52可使得供体和非供体汽缸(在图2的图表中简化为D和ND)交替点火，以使得所提供的排气流可基本上稳定。因此，这样，在低载荷状况期间，第一子组52的点火型式可以是1-11-6-8，且所有汽缸24之间的点火间隔是约195°的曲柄角度、165°、195°和165°。在该操作期间，供体汽缸之间(即，在位置1和6中的汽缸24之间)的点火间隔以及非供体汽缸之间的点火间隔可以总是约360°。并且在低载荷状况期间，这对于第二和第三子组54、56的每个也是如此。例如，第二子组54的点火顺序可以是7-3-12-4，而第三子组的点火顺序可以是5-9-2-10。

仅仅在第一、第二以及第三子组52-56的点火之间的过渡期间，可暂时中断发动机系统20的机械平衡。具体地说，可将同一列中的两个汽缸24相继地点火。例如，在第一子组52的点火和第二子组54的点火之间的过渡期间，可将第二列28中的两个汽缸24相继地点火。并且这些汽缸24的两个均可以是非供体汽缸。类似地，在第二和第三子组54、56之间的过渡期间，可将第一列26的两个汽缸24(两者均是供体汽缸)相继地点火。然而，此种不平衡的点火在约72000次点火内可能仅仅发生一次，这会对发动机系统20的操作具有较为不显著(如果有的话)的影响。

子组过渡之间所使用的持续时间可能会考虑发动机系统20的期望热载荷。确切地说，可将时间选择成，以使得发动机缸体12的一部分不会在温度上升高或降低会明显足以导致损坏的量(即，翘曲或应变)。应认识到的是，十二分钟的持续时间与在特定状况下特定应用中的特定发动机布置相对应，并且对于其他布置、应用和/或状况可改变。

如果需要的话，所公开的跳变点火策略能应用于具有不同数量的汽缸24(例如，8个汽缸或6个汽缸)的其他发动机。一般而言，对于具有偶数个汽缸24的发动机系统12，汽缸24的总数应分成各自具有偶数个汽缸24的子组。并且在每个子组内，应存在相等数量的供体或非供体汽缸24，并且对于不同的列26、28具有相等数量的汽缸。在低载荷操作期间，应将仅仅一个子组内的不同列26、28的汽缸24交替地点火。并且在该点火期间，供体汽缸24应以恒定的间隔点火。汽缸24的一个子组的点火应持续一定时间段(即，多个发动机周期，并且较佳地是数百个或设置数千个发动机周期)，以使得在单个发动机周期期间子组之间的过渡会在机械地平衡点火中进行造成微小中断(如果有的话)。

在发动机系统20内的仅仅单个列26中使用供体汽缸也可增强性能。也就是说，由于发动机系统20内的排气再循环可仅仅由汽缸24的第一列26(而非由与涡轮机44连通的第二列28)提供，因而可将涡轮机44的性能调谐成高性能，而不会产生由于周期性和/或改变的再循环需求所导致的不稳定性。

对于本领域技术人员显而易见的是，能对所公开的发动机系统进行各种修改和变型。在考虑了说明书和所公开发动机系统的实践后，其他实施例对于本领域技术人员是显而易见的。说明书和示例应被认为是仅仅示例性的，真实的精神由以下权利要求和它们的等同物所指示。