动态跳过点火式发动机中的排放气体再循环控制的制作方法

动态跳过点火式发动机中的排放气体再循环控制
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年12月17日提交的美国申请号62/949,216的优先权，该美国申请通过引用以其全部内容结合在此。
技术领域
3.所描述的实施例总体上涉及内燃发动机以及用于控制内燃发动机以在更低水平的有害的排放物的情况下更高效地操作的方法和布置。更特别地，描述了一种在跳过点火式控制的涡轮增压发动机中将具有动态跳过点火式控制的发动机与排放气体再循环系统集成的系统和方法。


背景技术：

4.许多内燃发动机的输出是通过调整递送到每个点火气缸的燃料来控制的。发动机控制单元(ecu)指导针对所命令扭矩的适当的燃料充量以及空气充量(mac)的递送。以汽油为燃料的发动机通常以等于或接近化学计量的空燃比操作，以促进有害污染物在三元催化转化器中转化为更无害的化合物。其他发动机(诸如柴油发动机)通常不保持化学计量空燃比，而是在宽范围的稀空燃比下操作。柴油发动机经常将一部分排放气体再循环回将空气给送到发动机的气缸的进气歧管中。这种排放气体的稀释降低了峰值燃烧温度，从而减少了有害的no
x
化合物的产生和排放。
5.多年来，人们为了提高内燃发动机的燃料效率已做出了广泛多种努力。一种流行的方法是改变发动机的排量。大多数可商购获得的可变排量发动机在某些低负载操作条件期间有效地“停掉”或“停用”一些气缸。当气缸“被停用”时，其活塞通常仍往复运动；但是，空气和燃料都没有递送到气缸，因此活塞并不递送任何净动力。由于“被停掉”的气缸不递送任何动力，所以成比例地增加了剩余气缸上的负载，由此允许这些剩余气缸以提高的燃料效率和升高的排气温度操作。此外，泵送损失的减少提高了整体发动机效率，从而导致燃料效率进一步提高。
6.控制内燃发动机的另一种方法是跳过点火式控制，其中在内燃发动机操作期间跳过所选择的燃烧事件，使得其他工作循环以更好的效率和/或更高的排气温度操作。一般来说，跳过点火式发动机控制设想到在所选择的点火时机期间选择性地跳过某些气缸的点火。因此，例如，特定气缸可以在一个点火时机期间被点火并且然后可以在下一个点火时机期间被跳过，并且然后在下一个点火时机期间被选择性地跳过或点火。从整体发动机的角度来看，跳过点火式控制有时导致相继的发动机循环具有不同的跳过和点火气缸模式。这与常规可变排量发动机操作形成对照，在常规可变排量发动机操作中，在某些低负载操作条件期间固定的一组气缸被停用。通过跳过点火式控制，在跳过的工作循环期间空气不被泵送穿过气缸并且无燃料会被递送和/或燃烧的意义上，气缸也优选地在跳过的工作循环期间被停用。气缸停用需要气门停用机构以在跳过的工作循环期间停用进气门和/或排气门中的任一者或两者。本技术人之一tula technology有限公司已经提交了总体涉及动态
跳过点火式控制的多份专利申请。这些包括美国专利号7,849,835；7,886,715；7,954,474；8,099,224；8,131,445；8,131,447；8,336,521；8,449,743；8,511,281；8,616,181；8,869,773；9,086,020；9,528,446；9,689,327和9,399,964。


技术实现要素：

7.在一些实施例中，描述了一种选择跳过点火式控制的内燃发动机中的点火模式的方法。该发动机具有进气歧管和排气系统。该方法确定期望排放气体再循环流量和排放气体再循环阀的位置。至少部分地基于该期望排放气体再循环流量和该排放气体再循环阀的该位置来选择点火模式。
8.在其他实施例中，描述了跳过点火式控制的涡轮增压内燃发动机。该发动机具有进气歧管、排放气体再循环系统和具有至少两个排气歧管的排气系统。排放气体再循环给送管线连接到该排气系统。该排放气体循环给送管线与第一排气歧管相较于与第二排气歧管，具有更直接的流体连接。发动机控制系统至少部分地基于期望排放气体再循环流量来确定点火模式。
附图说明
9.通过以下结合附图的详细描述将容易地理解实施例，其中相同的附图标号指定相同的结构元件，并且在附图中：
10.图1示意性地示出了示例性涡轮增压内燃发动机。
11.图2是描绘在多个发动机循环内针对1/7的点火分数的跳过和点火气缸的表。
12.图3是发动机控制系统的示意性流程图。
13.图4是示出分母等于或小于七(7)的点火分数的点火模式的表。
具体实施方式
14.在本专利申请中，阐述了许多具体细节以提供对所描述实施例的基本概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所描述的实施例。在其他情况下，未详细描述众所周知的过程步骤，以免不必要地混淆基本概念。
15.如上文所讨论的，跳过点火式控制的发动机在不需要气缸从发动机产生请求的扭矩输出时停用气缸。气缸停用减少了发动机泵送损失，并且通常导致点火工作循环中更高效的燃烧。气缸停用还允许更好地控制排放气体温度，这在柴油发动机中尤其重要，在该柴油发动机中，稀薄燃烧可能导致排气温度过低而无法通过后处理系统高效去除有害的排放物。
16.图1示出了具有排放气体再循环(egr)系统的这种示例性涡轮增压内燃发动机100。图1中描绘的发动机具有直列6缸发动机缸体102，其中这些气缸各自标记为1至6。空气通过压缩机104引入气缸中，该压缩机将进气歧管108中的空气压力增压至高于大气压力。增压空气冷却器106可位于压缩机104与进气歧管108之间的空气流动路径中以冷却进入的压缩空气。增压空气冷却器106的输出可给送到进气歧管108中。排放气体再循环管线110也给送到进气歧管108中。驻留在进气歧管108中的空气和再循环排放气体的混合物通过一个
或多个进气门(图1中未示出)引入每个气缸中。在引入气缸中之后，空气/排放气体混合物可与气缸中的燃料混合并燃烧，从而产生排放气体。排放气体通过一个或多个排气门(图1中未示出)排入第一排气歧管112或第二排气歧管114中。第一排气歧管112接收来自气缸1至3的排气。第二排气歧管114接收来自气缸4至6的排气。分别从第一排气歧管112和第二排气歧管114延伸的排气管线116和118汇合并且将排气引导到涡轮机120。穿过涡轮机120的排放气体驱动压缩机104。在离开涡轮机120之后，排放气体可穿过一个或多个后处理元件和/或消音器(图1中未示出)，之后排向大气。任选的废气门122可通过将废气门122打开期望的量来使得受控的一部分排放气体围绕涡轮机120引导。egr给送管线126可连接到第一排气管线116。egr给送管线126将一部分排放气体引导到egr阀124。egr阀124可引导受控的一部分排放气体穿过egr冷却器134回到排放气体再循环管线110中。egr冷却器134在排放气体穿过egr冷却器134时冷却排放气体。通过调整egr阀124的位置，更多或更少的排放气体将流入排放气体再循环管线110中。通过打开egr阀124，更多的排放气体将流入进气歧管108中。相反，通过关闭egr阀124，更少的排放气体将流入排放气体再循环管线110中。排放气体可从排放气体再循环管线110流回进气歧管108中，在该进气歧管处，它将与空气混合并引入发动机气缸中，如先前所述。egr给送管线126、egr阀124、egr冷却器134和排放气体再循环管线110可被视作egr系统。涡轮机120、压缩机104和任选的废气门122可被视作涡轮增压器系统。第一排气歧管112、第二排气歧管114、第一排气管线116、第二排气管线118、涡轮机120、egr给送管线126、后处理元件(图1中未示出)和任选的废气门122可被视作排气系统。
17.涡轮机120可以是可变几何形状或可变喷嘴涡轮增压器系统的一部分。在这种情况下，涡轮机120内的内部机构更改穿过涡轮机120的气体流动路径，以随着穿过涡轮机120的排放气体流量改变而优化涡轮机操作。如果涡轮机120是可变几何形状或可变喷嘴涡轮增压器系统的一部分，则可能不需要废气门122。
18.可任选地在发动机100内的不同位置定位多种不同传感器。例如，传感器128可提供与进气歧管108内的状况相关的信号。传感器128可提供与进气歧管中的氧气水平相关的信号，该信号提供进气歧管108内的排放气体与空气的比率的量度。传感器128信号可用于如下所述的反馈回路中。另外的进气歧管传感器可包括但不限于压力传感器、温度传感器和湿度传感器。相似地，一个或多个传感器130和132可提供与排气系统内的各个位置处的状况相关的信号。例如，传感器130可监测第一排气歧管112中的状况并且传感器132可监测第二排气歧管中的状况。传感器130和132可分别提供与第一排气歧管和第二排气歧管中的氧气水平相关的信号。另外的排气系统传感器可包括但不限于压力传感器、温度传感器和no
x
传感器。这些排气系统传感器可根据需要分布在排气系统中的不同点处。
19.在操作时，进气歧管压力可随着速度和负载发生显著变化。通常，它可为轻负载下的低至环境压力(标称地，14.7磅每平方英寸(psi)或100kpa绝对压力)至峰值动力下的高至250-300kpa。相对于大气压力的进气歧管压力通常称为增压压力。相似地，排气歧管压力也可能发生显著变化，从低至(略高于)环境压力(100kpa)至峰值动力下的高至300至350kpa。排气歧管压力通常高于进气歧管压力，使得排放气体可流回进气歧管108中，从而导致排放气体再循环。进入涡轮机120的气体压力也必须高于大气压力以使涡轮机120操作。图1中的箭头展示了穿过发动机100的正常的气流方向。
20.对图1的查看示出，egr给送管线126的连接点是相对于发动机100的气缸非对称定位的。尤其是，气缸1-3比气缸4-6具有更短且更直接的通向egr给送管线126的流动路径。这种egr给送管线126定位中的非对称性可能使其中根据点火模式不同的气缸可能被跳过或点火的跳过点火式控制复杂化。这对于其中点火和跳过的模式在扩大数量的发动机循环内对于某些气缸而言固定的点火模式尤为重要。例如，在一些点火模式中，只有气缸1-3中的一些或全部可点火，而气缸4-6的全部都跳过。相似地，在其他点火模式中，只有一些或全部气缸4-6点火，而气缸1-3的全部都跳过。这些不同的点火模式将影响流回进气歧管中的排放气体再循环。因此，点火模式可至少部分地基于期望的排放气体再循环流量和排放气体再循环阀124的位置。
21.为了给出具体示例，图1中描绘的发动机100可具有1-5-3-6-2-4的气缸点火顺序。在点火之间具有最相等的间隔的1/2的点火分数可具有两种可能的点火模式，即1-s-3-s-2-s或s-5-s-6-s-4。这里序列中的“s”指示该气缸已跳过。点火模式1-s-3-s-2-s具有三个气缸，气缸1、2和3，这些气缸直接排入第一排气歧管112中，该第一排气歧管具有与egr给送管线126接近的流体连接。相比之下，点火模式s-5-s-6-s-4所具有的全部气缸都排入第二排气歧管114中。因此，全部这些气缸(4-6)与气缸1-3相比具有较为不直接的通向egr给送管线126的流动路径。事实上，必须使得部分的排气系统中的正常的流动方向反向才能使排放气体从第二排气歧管114流入egr给送管线126中。这种反向流动方向是可能的，但它会限制egr流量并导致egr流量调整的滞后。
22.为了在发动机100在动态跳过点火(dsf)模式下操作时控制egr流量，应当对某些点火分数下的点火模式加以考虑。例如，当运行上文所述的的点火分数时，如果需要高egr流量，则将优选点火模式1-s-3-s-2-s，并且如果需要低egr流量，则可使用点火模式s-5-s-6-s-4。相似的考虑也适用于和的点火分数。
23.为了保持一致的egr流量，在某些操作条件下可能需要避免一些轮转点火模式(rotating firing pattern)。这里，轮转点火模式是指全部气缸都有点火或跳过的点火模式。例如，1/7的点火分数是轮转点火模式。1/7的点火分数每14个点火时机一次地将给送到第一排气歧管112中的气缸中的一个(气缸1、2或3)点火。图2展示了在1/7的点火分数下操作产生的点火模式。在表中突出显示了导致将排放气体较直接地排入egr给送管线126中的点火202。排气流的不规律性质可能导致egr流中的不期望的不连续性，并且因此在一些发动机转速和负载下可能要避免此点火模式和点火分数。
24.图3是描绘根据本发明的实施例的发动机控制系统300的示意性流程图。发动机控制系统300可至少部分地基于期望的egr流量来确定适当的点火模式。发动机控制系统300的输入可包括当前点火模式306、当前发动机转速308、当前进气歧管增压压力310、当前排气歧管压力312和任选地当前气门正时和升程313(对于具有可调整气门正时和/或升程的发动机而言)。这些参数确定穿过发动机缸体102的气流量。在一些实施例中，可能并非全部这些输入都是需要的。基于这些参数，可在模块302中确定最大egr流量。最大egr流量对应于egr阀124处于完全打开位置。可使用查找表来确定最大egr流量，或者可基于模型来计算最大egr流量。如果使用查找表，则可通过插值来确定查找表中列出的那些值之间的值。最大egr流量模块302输出最大egr流量信号316，该信号输入到比较器304中。比较器304的另一个输入是期望的egr流量信号314。此信号表示在当前发动机条件下的所期望的egr流量。
对no
x
废气排放加以限制是确定期望的egr流量的主要考虑因素。如果最大egr流量信号316大于期望的egr流量314，则比较器304可在信号线318上输出逻辑“是”。如果最大egr流量信号316小于期望的egr流量314，则比较器304可在信号线318上输出逻辑“否”。信号线318可输入到点火模式选择模块305中。如果信号线318为逻辑“是”，则点火模式可保持处于其当前状态，因为期望的egr流量314小于最大egr流量316。如果信号线318为逻辑“否”，则点火选择模块305可选择允许更高egr流量的新点火模式。在图1中描绘的发动机100的具体示例中，点火模式选择模块可选择与气缸4-6相比更频繁地将气缸1-3点火的点火模式。
25.为了更好地理解发动机控制系统300的操作，考虑图4中的表400。表400示出与范围在0至1的点火分数相关联的36种不同的点火模式。示出分母等于或小于7的全部分数。点火分数分母表示与点火分数相关联的重复点火模式的长度。表400中所示的所有点火模式在点火工作循环间具有尽可能相等的间隔。使点火工作循环尽可能均匀地间隔开通常导致更低水平的发动机产生的噪音、振动与声振粗糙度(nvh)。气缸点火顺序如先前所指示为1-5-3-6-2-4。对于具有导致全部发动机气缸都有跳过和点火的轮转点火模式的点火分数，未列出模式名称，而是关于任何给定气缸是否跳过或点火列出了
“‑”
，因为气缸是否跳过或点火根据发动机循环而发生变化。对于仅将某些气缸点火而跳过某些气缸的点火模式，分配了模式名称。这些点火模式中的一些每个发动机循环重复一次，这在列402中用“重复”指明，而这些点火模式中的一些每两个发动机循环重复一次，这在列404中用“重复”指明。突出显示了气缸1-3的点火次数比气缸4-6的点火次数更多的点火模式。可在需要更高的egr流量时使用这些点火模式。
26.应当指出的是，图4所描述的模式的任何模式中的任何数量的跳过的气缸也可以是“泵送”气缸。对于泵送气缸，操作进气门和排气门以允许空气穿过气缸，但不提供燃料。将至少一些被跳过的工作循环作为泵送工作循环来操作提供了用于调整egr流量的另一个参数。
27.在另一个实施例中，来自位于进气歧管108中的氧传感器的信号可用于确定进气歧管108中的排放气体与空气的比率。如果氧气水平偏离期望的氧气水平超过预定义阈值量，则可调整egr阀124的位置和/或可改变点火模式。如果氧气水平高(egr流不足)，则可选择主要将气缸1-3而不是气缸4-6点火的点火模式以增加egr流量。相似地，如果氧气水平低(egr流过多)，则可选择主要将气缸4-6而不是气缸1-3点火的点火模式以降低egr流量。
28.在另一个实施例中，来自位于排气歧管112和114中的一者或两者中的氧传感器的信号可用于确定排气歧管中的排放气体与空气的比率。如果氧气水平偏离期望的氧气水平超过预定义阈值量，则可调整egr阀124的位置和/或可改变点火模式。如果氧气水平高(egr流不足)，则可选择主要将气缸1-3而不是气缸4-6点火的点火模式以增加egr流量。相似地，如果氧气水平低(egr流过多)，则可选择主要将气缸4-6而不是气缸1-3点火的点火模式以降低egr流量。
29.在其他实施例中，不是将氧传感器放置在进气歧管或排气系统中，而是可使用针对这些位置处的氧气水平的模型来生成表示氧气水平的信号。此信号可以与来自氧传感器的信号类似的方式使用。
30.在另一个实施例中，可以用来自位于排气系统中的no
x
传感器的信号来确定排放气体中的no
x
水平。如果排放气体中的no
x
水平超过预定阈值，则可打开egr阀124和/或可选
择主要将气缸1-3而不是气缸4-6点火的点火模式以增加egr气体流量。在一些实施例中，可使用no
x
水平的模型代替来自no
x
传感器的信号。
31.虽然使用点火工作循环尽可能均匀地间隔开并具有小分母点火分数的点火模式来操作发动机通常是期望的，但是此操作模式不是必需的。尤其是，当以轻负载以及在具有辅助扭矩源/汇(诸如混合动力传动系)的车辆中操作时，可使用其中点火并非尽可能均匀地间隔开的点火模式。此外，可使用具有较大分母的点火分数，例如，大于7的分母。在一些情况下，点火分数分母可以是发动机中的气缸数的整数倍数。在混合动力车辆中，电动马达可用于通过施加平滑扭矩来减轻发动机振动的影响，如美国专利9,512,794、10,060,368和10,344,692中所描述的。在这种情况下，确定将哪个气缸点火以及跳过哪个气缸的跳过点火算法可利用两种选择算法来操作。第一算法可应用于直接排入第一排气歧管112中的气缸，并且第二算法可应用于直接排入第二排气歧管114中的气缸。第一控制算法和第二控制算法可彼此协调以便以尽可能均匀的方式保持点火间隔。
32.如先前所述，在图1所示的示例性发动机100中，第一排气歧管相较于第二排气歧管，与egr系统具有更直接的流体连接。例如，假设期望2/3的点火分数。对表400的查看示出，存在点火分数为2/3的三种点火模式，其表示为a、b和c。在每个发动机循环中，这些模式中的每一个模式都将排入第一排气歧管中的两个气缸点火并且将排入第二排气歧管中的两个气缸点火。对于排入第一排气歧管中的气缸，第一算法可通过每个发动机循环动态选择两个点火气缸并跳过一个气缸来保持两个气缸点火。对于排入第二排气歧管中的气缸，第二算法还将针对每个发动机循环将排入第二排气歧管中的两个气缸点火，同时每个发动机循环跳过一个气缸。如果需要较少的点火气缸来供应所要求的扭矩，则由第二算法控制的气缸可以每发动机循环在将一个或两个气缸点火之间交替，而由第一算法控制的气缸可保持每发动机循环两个点火气缸。通过保持每发动机循环排入第一排气歧管中的相同次数的气缸点火，可保持更恒定的egr流量。
33.上述示例中的点火分数为7/12，即在第一发动机循环中进行四次点火，并且在第二发动机循环中进行三次点火。在这种情况下，重复点火模式的长度是发动机中的气缸数的两倍。通过使用第一控制算法和第二控制算法的组合的发动机控制通常可产生具有等于发动机气缸数的整数倍数的重复点火模式长度的点火模式，其中整数倍数是两倍或更多倍。如在上述示例中，点火模式可被选择成使得所选择的点火模式减少就排入第一排气歧管中的气缸点火的次数而言的发动机循环到发动机循环的波动，以保持更稳定的进入egr系统的流。点火模式还可被选择成使得点火模式具有与就排入第一排气歧管中的气缸点火的次数而言的波动相比更多的就排入第二排气歧管中的气缸点火的次数而言的发动机循环到发动机循环的波动，因为进入第二排气歧管中的排气流的变化对egr流量具有较小的影响。
34.本发明主要是在操作适合用于机动车辆中的涡轮增压、4冲程内燃活塞发动机的背景下描述的。然而，应当理解，所描述的应用非常适合用于广泛多种内燃发动机中。这些内燃发动机包括用于几乎任何类型的载具(包括汽车、卡车、船、飞机、摩托车、轻便摩托车等)的发动机；以及用于涉及对工作室的点火并利用内燃发动机的几乎任何其他应用的发动机。各种描述的方法适用于在广泛多种不同热力学循环下操作的发动机——包括几乎任何类型的二冲程活塞发动机、柴油发动机、奥图循环发动机、双循环发动机、米勒循环发动
机、阿特金森循环发动机、汪克尔发动机和其他类型的旋缸发动机、混合循环发动机(诸如双奥图和柴油发动机)、混合动力发动机、星型发动机等。据信所描述的方法将非常适用于新开发的内燃发动机，无论它们是利用当前已知的热力学循环还是利用后来开发的热力学循环来操作。自然吸气发动机也可受益于本文所述的本发明。
35.出于解释的目的，前述描述使用了特定名称以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将明显的是，不需要特定细节来实践本发明。因此，本发明的特定实施例的前述描述是出于说明和描述的目的而提出。它们并非旨在是详尽的或旨在将本发明限制为所披露的精确形式。鉴于上述教导内容，对于本领域的普通技术人员将明显的是，许多修改和变型是可能的。
36.选择和描述实施例是为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用，由此使本领域的其他技术人员能够最佳地利用本发明以及具有如适于所涵盖的特定用途的各种修改的各种实施例。本发明的范围旨在由以下权利要求及其等效物来限定。
37.尽管已经根据特定实施例描述了实施例，但是存在落入这些一般概念的范围内的变更、置换和等效物。还应当指出的是，存在实现本实施例的方法和设备的替代方式。因此，旨在将以下所附权利要求解释为包括落入所描述的实施例的真实精神和范围内的全部此类变更、置换和等效物。