专利名称：频率可调的可变压缩比发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于调制具有变容积压缩室和可操作进气门的活塞式燃烧发动机的转矩的控制方法。
背景技术：
本发明适用于受到变动载荷作用的发动机，此种奥托发动机和柴油发动机用于驱动车辆、飞机、船、舰等并且用于压缩机、液压泵和发电机的操作等。
本发明需要使用控制系统。控制系统的软件确定了其功能。实现本发明所使用的软件可以例如为更大的控制系统的一部分，该更大的控制系统还用于控制所讨论的发动机的其它性能和参数。
在最近几十年，内燃机的研发方向是朝着通过为例如燃料喷射和点火引入数字控制系统实现改善的操作经济性和降低的对环境的影响。
然而，尽管存在所述改进，但是仍然存在变化的操作状况导致平均效率较低并且环境影响较大的问题。废气排放物的成分也会变化，这使得难于清洁废气。
众所周知，可变压缩比(VCR)会提高效率。同样众所周知的是引入自由操作气门即所谓的可变气门执行器(VVA)会导致在吸气冲程即所谓的密勒循环期间从节气门调节到进气门提前闭合的改变的可能性，并且会导致在一个发动机循环这样短的时间内所有气缸关闭的可能性，这也称为频率可调转矩或跳循环(skip cycle)，而这会导致大体上改善的效率。另外的一个事实是通过使用VVA可以在2冲程循环和4冲程循环之间变换。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于具有变容积压缩室和可操作气门的活塞式燃烧发动机转矩调制的控制方法，它可以减少上述缺陷并且实现更好的效率和对环境的更低的影响。
本发明的目的是通过开头界定的方法实现的，所述方法的特征在于预定运行工况所需的转矩是通过选择压缩室的容积并结合进气门开启时间和闭合时间的选择并结合执行作功冲程频率的选择而获得的。
就发明人所知，此前没有人建议在同一个发动机中结合VCR和VVA技术。优选地，对于最大载荷应用最大压缩容积。一旦载荷减小，压缩容积也会减小，而同时会应用进气门的提前闭合直至效率为最佳，即对于任何相关状况处于最大值处。一旦载荷连续减少，就会应用频率可调转矩，当控制系统选择作功冲程的频率时，通过它实现所请求的载荷，且频率的特征或参数维持在已获得最佳功率效率的载荷级上。如果在每分钟较低数目的转数上请求大的转矩，就优选使用2冲程循环。根据本发明，因为VCR与VVA结合，所以可以获得协同效果，例如与单独利用VCR或VVA实现的燃料消耗降低的总和相比，可以实现更高的燃料消耗的降低。
可变压缩比，即VCR，指的是活塞在上死点处时在活塞和气缸顶盖之间容积的变化。
可操作气门或可变气门执行器，VVA，指的是其开启和闭合时间和其气门升程或其区域利用气门执行器控制的气门，而气门执行器又由来自气门控制系统的信号启动。可操作气门具有气动、液压、电磁或以任何其它类似方法启动的气门执行器。
作功冲程指的是其中在燃烧期间大量气体膨胀的能量转换为机械功的冲程。作功冲程可以包括在当今的发动机中最佳或常规的循环中。
空冲程指的是没有任何气体交换、空气供应或燃烧的冲程，在该冲程中没有执行正功。在这种冲程中，由于摩擦造成的损失和热损失最小。在执行空冲程期间，没有空气或没有空气和燃料一起泵送通过发动机。空冲程预先假定至少进气门是可操作的，从而在空冲程期间保持闭合，以防止供气直至它们重新开启。然而，根据本发明，优选排气门也是可以操作的。
作功冲程的频率可以在发动机的每分钟转数的0和100百分数之间变化。频率可以通过确定每n个发动机转数中执行的作功冲程来选取，残留的冲程为空冲程。或者，它由一系列将被执行的作功冲程和每n个发动机转数中执行的空冲程确定。所请求的转矩被传感器记录并且传送给控制系统，该控制系统选择执行作功冲程所依照的频率。
最佳作功冲程是如下冲程，即在该冲程期间所执行的功对于所设置的经济和环境条件以及燃料消耗尽可能地大。通过选择执行最佳作功冲程所依照的频率而提供所请求的转矩，可以实现最可能的操作经济性。
在4冲程循环中，最佳作功冲程包括提前闭合进气门，即与常见于当今发动机中相比的密勒循环，并且排气门的开启被延迟，即与常见用途相比的艾金森循环。选择压缩室容积的目的是在给出的状况下获得可能的最佳结果，从而导致压缩室容积大约为最大压缩室容积的20％-80％，并且优先为所述最大容积的30％-50％。
利用发动机实验，可以确定发动机每分钟转数处的相关参数的值。或者，控制系统可以是自适应的，即自学习的。
2冲程循环过程中的最佳作功冲程与4冲程循环过程中的最佳作功冲程不同，因为当排气门开启时存在的气缸压力的目的是用于执行气体交换。迅速开启的排气门会导致排出废气的脉冲，而这又会在气缸中生成低压，即低于1个大气压的压力。排气门被关闭，随后，进气门开启，进气门开启的时间与排气门关闭时间的关系是排气门的闭合和低压被完全利用，从而在下一个压缩冲程和后面的作功冲程之前供应正确数量的空气。也可以通过使用废气排出口来执行最佳作功冲程，废气排出口暴露出来，保持开启，与活塞的下死点相关联。
在2冲程循环期间，可以使用冲洗泵以完全或部分地，然后结合气缸中的低压，负责气体交换。
在特定操作状况下，可能需要离开最佳作功冲程，例如当请求最大效果或在出现其它定界状况时。
可以设计发动机及其控制系统，从而允许在发动机的预定数目的每分钟转数处允许一个以上的一组最佳作功冲程参数，可以通过使用两个或更多类型的燃料，因为它们的不同的性能，从而导致不同的最佳作功冲程。燃料，例如汽油和乙醇都是这种组合的实例。对于每分钟每个数目的转数，都有一组最佳作功冲程参数，一组针对汽油，另一组针对乙醇。
根据本发明，用于供应空气和燃料的系统预置成在每个作功冲程和每分钟的每个特定转数上，与每分钟的这个转数处的其它作功冲程中相同质量的空气和燃料和相同的空气和燃料的混合物被用于燃烧。另外，任何可能数量的循环废气即EGR对作功冲程是相等的。因此，因为燃烧情形是重复的并且相同，所以这会导致每个作功冲程一旦与预定的每分钟的转数相同，就会执行相同数量的功，并且废气的化学成分相同，从而使废气清洗变得容易。
在常见的使用4冲程循环操作的活塞式燃烧发动机中，作功冲程的燃烧发生在第二个回转中，并且在使用2冲程循环操作的发动机中，它发生在每个回转中。这些发动机的气体交换系统导致其它冲程间隔不适合，因为空气、剩余的燃料例如不燃的碳氢化合物被泵送通过发动机，从而导致较低的效率并且会对环境产生影响。为了使用本发明以及由此获得的优点，用于气体交换的气门和口必须能够在一个或多个连续的空冲程期间闭合，空冲程通常出现在部分载荷的情形下。因此，本发明需要可操作气门，至少需要可操作的进气门。
通过使用可操作气门，这样就可以利用数字控制系统控制气门的开启和闭合并且还可能控制气门升程，数字控制系统具有传感器，传感器用于监测曲轴位置和/或活塞位置和每分钟的转数，数字控制系统还包括与之相关的电子设备和软件，气体交换和作功冲程可以根据其需要执行。在剩余的时间内，气门，至少进气门，保持闭合。这就意味着为了实现所请求的转矩而选择最佳的作功冲程的频率。
控制方法使用在任意时刻检测所请求转矩的数字控制系统。如果该转矩位于利用最佳作功冲程可以实现的区域内，优选地从空转到50％的载荷，那么就由控制系统选取作功冲程的特定频率，即假定可以提供所请求转矩的频率。在每分钟的预定转数处，作功冲程在每次执行时提供相同数量的功。因此，作功冲程的频率决定着转矩值。
可操作气门允许供应空气和燃料并且就在作功冲程之前和之后去除废气并且进行气体交换。为了选择作功冲程每个回转执行的频率，在每个回转中都必须进行气体交换，就如同在2冲程发动机中的情形一样。气体交换也可以如现在的4冲程发动机中那样执行，即，通过应用进气冲程，从而在每个第二个回转中执行作功冲程。根据本发明，所请求的转矩是通过选择2冲程循环或4冲程循环的频率或通过一个或更多2冲程循环和一个或多个4冲程循环混合的频率提供的。根据本发明，可以为不同的发动机气缸选择不同的作功冲程频率。如果进气门是可操作的，但是排气门是不可操作的，那么就只能选择4冲程循环。
控制系统布置成作为来自驱动器的增加或降低转矩的请求的答复，例如通过使用常见或类似方式中的油门踏板，控制作功冲程相对于发动机空冲程的数目。因此，作功冲程被进行优化，依照上述解说的那样，因为控制系统也布置成控制压缩室的容积在可控间隔之内，并且通过选择进气门开启和关闭的时间开控制所供应的空气的数量，并且可能会控制气门升程。
发动机的控制是通过针对每个气缸变换作功冲程的数目相对于空冲程的数目并且通过具有缸与缸之间不同的变换而实现的。控制系统通过分别控制每个气缸的燃烧室的进气门和排气门的开启和闭合，或是在排气门不可操作时仅仅控制进气门的开启和闭合，从而控制发动机。因此，进气门以及还可能包括的排气门的开启和闭合基于驾驶者所请求的转矩。控制是利用来自控制系统的控制单元的控制信号执行的。如果排气门是不可操作的，那么作功冲程必须应用到4冲程循环中。如果入口气门和排气门都是可操作气门，控制系统可以布置成对于发动机的气缸在4冲程循环和2冲程循环之间改变。例如，一个气缸可以使用2冲程循环操作，并且另一个气缸使用4冲程循环操作。控制系统应该布置成计算在什么情况下2冲程循环或4冲程循环最高效，从而在其基础上选择其中一个循环并且应用作功冲程的特定频率。因此，控制方法包括在这些给出状况的基础上在2冲程循环和4冲程循环之间进行选择。控制系统包括控制单元，控制单元包括用于此目的的布置在数据载体中的计算机程序。控制单元在操作上与回路相连，用于例如气动、流体、电磁或任何其它类型的致动器的启动，所述致动器用于控制进气门，但是也可能控制排气门。控制单元可以例如布置成控制螺线管，螺线管布置在回路中用于启动致动器，致动器对发动机的进气门或排气门起作用。控制单元在操作上与一个构件连接，该构件用于提供转矩请求，例如为气体踏板，驾驶者利用它给出关于增大或减小发动机转矩的命令。用于频率可调的控制系统可以是某个系统的一部分，例如是更大的控制系统中与经济驾驶模式相对应的一部分，该更大的控制系统还控制所讨论的发动机的其它性能和参数。
载荷越低，通过应用本发明所实现的燃料消耗的相对减少和对环境影响的降低就越大。可以设计发动机及其控制系统，从而在发动机的整个操作间隔中都具有作为唯一控制特征的最佳作功冲程的不同频率。
在不脱离本发明的情况下，在一个或多个回转过程中，可以只供应空气或燃料和空气的组合并且容纳在气缸内，从而例如提高燃料的混合和/或气化。本发明并不限于选择绝对最佳的作功冲程或者选择最适合的频率。
图1是在其上实现本发明的发明方法的发动机的示例性示意图。
具体实施例方式
图1是具有活塞2的气缸1的示例性示意图。活塞2在4冲程循环的进气冲程过程中移动，并且空气可能和燃料一起流过开启的进气门3。排气门4是闭合的。VCR活塞5用于改变压缩室6的容积，所述容积是活塞在上死点处在活塞2和气缸1的顶盖之间的容积。启动回路7用于启动致动器从而操作气门3和4以及VCR活塞5。控制单元8在操作上与回路7连接以通过信号进行控制，回路和气门3和4与回路7以及VCR活塞5相连。构件9，例如油门踏板，在操作上与控制单元8连接以提供扭矩命令。布置在安装在曲轴11上的梯形盘12处的传感器10在操作上与控制单元8相连，并且向后者提供与每分钟的转数和曲轴位置和/或活塞2在气缸1中位置相关的信息。控制单元8决定可操作气门3和4应该开启或闭合的时间以及当活塞2处于其上死点位置时VCR活塞5所处的位置。可操作气门3和4是例如电磁、液压或气动启动的。VCR活塞5是例如机械、液压或气动地可移动的。VCR活塞5可以连接到曲轴11上，这并未显示于该图中，并且它可以布置成与活塞2的运动协调地执行VCR活塞的可变往复运动，从而实现和最优化压缩。在自动控制系统中，VCR活塞5也可以连续地查找它可以实现最佳压缩的位置。
权利要求
1.一种用于调制具有变容积压缩室(6)和可操作进气门(3)的活塞式燃烧发动机的转矩的控制方法，其特征在于，预定运行工况所需的转矩是通过选择压缩室(6)的容积并结合进气门(3)的开启时间和闭合时间的选择以及结合执行作功冲程的频率的选择而获得的。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于-在最大载荷处应用最大的压缩室容积，-一旦载荷减小，压缩室容积就减小并且更加提前地执行进气门(3)的闭合，并且-一旦进一步减小载荷，就执行作功冲程的频率的选择。
3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所执行的作功冲程的频率的选择范围从空载到最大载荷的50％。
4.如权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征在于，排气门是可操作的并且压缩室(6)的容积是结合进气门(3)和排气门(4)的开启和闭合时间的选择并且结合执行作功冲程的频率的选择而选取的。
5.如权利要求1-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，发动机具有多个气缸(1)并且针对不同的气缸(1)选择不同的作功冲程频率。
6.如权利要求1-5中任一项所述的控制方法，其特征在于，作功冲程是在进气门(3)的提前闭合下执行的。
7.如权利要求4-6中任一项所述的控制方法，其特征在于，作功冲程是在排气门(4)的延迟开启下执行的。
8.如权利要求1-7中任一项所述的控制方法，其特征在于，当选取作功冲程的频率时，压缩室(6)的容积被控制成为其最大容积的20％-80％。
9.如权利要求1-7中任一项所述的控制方法，其特征在于，当选取作功冲程的频率时，压缩室(6)的容积被控制成为其最大容积的30％-50％。
10.如权利要求1-9中任一项所述的控制方法，其特征在于，对于独立于转矩的每分钟的预定转数，在每个作功冲程中，与另外的作功冲程大体相同质量的空气和燃料和大体相同比例的空气和燃料被点燃。
11.如权利要求4-10中任一项所述的控制方法，其特征在于，基于所需转矩而选择2冲程循环或4冲程循环，并且作功冲程以2冲程循环和4冲程循环执行。
12.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，包括具有计算机程序的控制系统(8)，计算机程序通过以来自驾驶者的转矩请求为基础的控制信号选择作功冲程的频率、气门正时、气门的提升、压缩室(6)的容积和使用2冲程循环或4冲程循环操作。
全文摘要
一种用于调制具有变容积压缩室(6)和可操作进气门(3)的活塞式燃烧发动机的转矩的控制方法。预定运行工况所需的转矩是通过选择压缩室(6)的容积并结合进气门(3)的开启时间和闭合时间的选择并结合执行作功冲程的频率的选择而获得的。
文档编号F02D15/04GK1708636SQ200380102655
公开日2005年12月14日 申请日期2003年10月29日 优先权日2002年11月4日
发明者马茨·赫德曼 申请人:卡尔克内工程公司