專利名稱：非節(jié)氣型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用跳躍燃燒對(duì)Lambda的控制的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)控制，更確切地說，涉及通過跳躍燃燒來優(yōu)化氣體燃料內(nèi)燃機(jī)過量空氣比的一種方法及裝置。
2.有關(guān)技術(shù)討論不難看出，近幾年來把氣體燃料作為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料的要求不斷提高。諸如丙烷或天然氣此類的氣體燃料被認(rèn)為比柴油以及諸如此類的燃料好得多，因?yàn)闅怏w燃料通常比較便宜，并可在行駛相同或更長(zhǎng)里程的條件下提供相同或更大的動(dòng)力，而且廢氣排放明顯減少。尤其是最后一點(diǎn)使氣體燃料更具吸引力，因?yàn)槭澜绶秶鷥?nèi)已經(jīng)頒布的以及正在制定中的法規(guī)可能趨向于禁止使用柴油燃料作為許多種發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料。同時(shí)目前的壓縮燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)能夠容易地燃燒這些氣體燃料的這一性能又使氣體燃料更具吸引力。
氣體燃料的一個(gè)缺點(diǎn)是它的過量空氣系數(shù)或Lambda(定義為供給燃燒的總的空氣量與燃燒所有燃料所需要的空氣量之比)的范圍相對(duì)較窄。在許多燃料中，如果Lambda降低到最低限度以下，那么NOx及其它排放物將增加到不可接受的程度。另一方面，如果Lambda上升到最大限度以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生燃燒不良現(xiàn)象，導(dǎo)致過量的不期望的排放，并且劇烈的降低熱效率。因此，通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒的優(yōu)化控制將Lambda維持在一個(gè)允許范圍內(nèi)并使其達(dá)到最佳值是極其重要的。
Lambda控制對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是極其關(guān)鍵的。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的Lambda的可使用范圍極為廣泛，從滿負(fù)荷時(shí)的大約1.3到怠速時(shí)的10。此類發(fā)動(dòng)機(jī)很少要求Lambda控制。另一方面，參考

圖1中的曲線11，12，13(圖示分別是在1500RPM，1800RPM和2500RPM時(shí)Lambda的值)。在噴入少量引燃燃油的發(fā)動(dòng)機(jī)中，其預(yù)發(fā)混合的空氣/燃?xì)饣旌蠚馐峭ㄟ^壓縮點(diǎn)燃分布在其內(nèi)的引燃燃料來點(diǎn)燃的，它的可使用的Lambda范圍非常窄(大約為1.2到3.0)。對(duì)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)而言這個(gè)范圍將減小，即從1.2到1.6。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)Lambda控制的臨界狀態(tài)如圖2所示，圖中的曲線21表示在火花點(diǎn)火和壓縮點(diǎn)火氣體發(fā)動(dòng)機(jī)上，當(dāng)Lambda大約為1.1時(shí)，NOx排放最高，當(dāng)Lambda值大于1.3時(shí)NOx顯著下降。相應(yīng)地，最小可使用值約為1.2。在火花點(diǎn)火的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上，當(dāng)Lambda大于大約1.6時(shí)，其熱效率由于點(diǎn)火不良原因而顯著下降，如曲線23所示)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的有效工作，要求Lambda保持在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)。曲線22表示對(duì)于壓縮點(diǎn)火氣體發(fā)動(dòng)機(jī)而言通過減小Lambda值來維持熱效率的作用并不那么重要，但是當(dāng)Lambda達(dá)到約3.0最大值(圖2中未示出)時(shí)，對(duì)防止點(diǎn)火不良仍然具有十分重要的作用。
在卡特匹勒3406B無跳躍燃燒的天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)表明了低負(fù)荷運(yùn)行的不利影響。將圖4中曲線41與44相比，可以看出，與滿負(fù)荷工作相同發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這種雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在半負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速時(shí)的燃油效率下降了10％或更多，而僅用柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率基本保持不變(見圖43及44)。同樣，在低負(fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC碳?xì)浠衔锏呐欧艦?0g/hp-hr或5000BTU/hp-hr(曲線51)，這個(gè)值是讓人不能接受的，且CO一氧化碳的排放為25g/hp-hr(曲線52)，其值也是相對(duì)較高的。另一方面，只用柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)指標(biāo)相對(duì)較低。如圖中的曲線53和54所示。
盡管Lambda控制的一些潛在的有利影響或多或少已經(jīng)為人們所知，但是還沒有控制Lambda的有效裝置。使用預(yù)先混合的空氣和燃?xì)獾臍怏w燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)氣量和Lambda通常采用一個(gè)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相同的節(jié)氣門來控制，由于節(jié)氣對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生壓力損失，所以節(jié)氣門的效率較低并且在滿負(fù)荷及怠速狀態(tài)時(shí)大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。所以節(jié)氣型發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的燃料消耗大約為非節(jié)氣型發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍。
在內(nèi)燃機(jī)上大量減少或消除節(jié)氣損耗的一項(xiàng)技術(shù)，是通過有選擇地取消發(fā)動(dòng)機(jī)的一些氣缸的燃料供給燃燒，從而消除這些燃燒循環(huán)(有時(shí)稱為跳躍燃燒)，并將切斷的燃料加到仍然燃燒的氣缸內(nèi)。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，該技術(shù)已在先有技術(shù)上得到使用，并已有系統(tǒng)進(jìn)行了大量的描述。但是，所有已為人所知的跳躍燃燒控制方案的先有技術(shù)并未將Lambda控制考慮進(jìn)去。
如早在本世紀(jì)初，跳躍燃燒已被廣泛地用于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能。在二十世紀(jì)初，幾乎所有的固定單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)均是非節(jié)流型，并采用跳躍燃燒來調(diào)節(jié)。吸入的混合氣是預(yù)先混合的燃料和空氣混合氣并保持在一個(gè)基本恒定的Lambda值，在吸氣沖程期間，氣缸內(nèi)的真空打開了彈簧回位單向閥結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣閥，使混合氣吸入氣缸。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出及速度由一個(gè)調(diào)節(jié)器控制，在超速狀態(tài)下，該調(diào)節(jié)器使排氣閥始終打開，因此再次吸入排出的廢氣，同時(shí)防止進(jìn)氣閥打開從而導(dǎo)致跳躍燃燒。在低速狀態(tài)下，排氣閥正常工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)在每次循環(huán)中吸入充足的油氣混合氣。因此，每次燃燒都是在全功率及恒定的Lambda值狀態(tài)下，直到再次超過所調(diào)速度。因此，可以看出，在早期的系統(tǒng)中跳躍燃燒控制只是純機(jī)械性，并未考慮Lambda的控制，其唯一的目的是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和功率。
這種跳躍燃燒已在美國(guó)授予皮拉斯的2771867號(hào)專利、授予福斯特的4504488號(hào)專利和授予貝克的33270號(hào)專利中公開。而這些專利尤其是福斯特的專利中的控制策略，在某種程度上來講是很復(fù)雜的。這種對(duì)氣缸跳躍數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)僅僅為負(fù)荷的函數(shù)，而不是Lambda的函數(shù)。在SAE930497和940548號(hào)論文中公開的控制策略與之基本相同。
又如通用汽車公司七十年代末期生產(chǎn)的8，6，4跳躍燃燒式凱迪拉克發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了進(jìn)氣閥的機(jī)電激活作用。該系統(tǒng)中氣缸的激活作用也只取決于負(fù)荷而與Lambda無關(guān)。底特律柴油機(jī)公司的6V92柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也使用跳躍燃燒，但是對(duì)跳躍氣缸數(shù)的選擇是相當(dāng)隨意的，并未采用專用裝置來優(yōu)化Lambda。從圖3中的曲線31和33可以看出，這種系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性與原型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性相比要差得多。另一方面，相對(duì)而言其功率也不受跳躍燃燒的影響(見曲線33)。
本發(fā)明的發(fā)明人在過去也進(jìn)行過跳躍燃燒的試驗(yàn)，但卻未嘗試過Lambda控制。除采用貝克專利中所描述的控制策略的試驗(yàn)外，他們同樣也研究過跳躍燃燒對(duì)節(jié)氣型，火花燃燒的GM4.3V-6渦輪增壓天然氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃料消耗的影響。如圖6a，6b中的61-66，這些實(shí)例表明，在無負(fù)荷的情況下，跳躍燃燒多點(diǎn)噴射系統(tǒng)的THC(總的碳?xì)浠衔锱欧?和燃料經(jīng)濟(jì)性與無跳躍燃燒的多點(diǎn)或單點(diǎn)噴射系統(tǒng)相比，有明顯的改進(jìn)。盡管該系統(tǒng)也使用了跳躍燃燒，但其功能是用于通過減少進(jìn)氣管真空度和增加進(jìn)氣管壓力來使其效率最大化。而不是按系統(tǒng)設(shè)計(jì)來控制Lambda。因此燃燒氣缸最佳系數(shù)(又稱OFF)的選擇取決于負(fù)荷命令。另外，在此系統(tǒng)中及幾乎上述其它系統(tǒng)中，忽略了由于跳躍燃燒而引起的Lambda的變化，因?yàn)檫@些系統(tǒng)的Lambda由節(jié)氣閥和氣體燃料率控制而不是由跳躍燃燒控制。
上述討論表明，盡管先有技術(shù)已經(jīng)有了跳躍燃燒技術(shù)，但并未怎樣選擇最佳燃燒氣缸來控制Lambda的策略。本發(fā)明者現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到可以優(yōu)化Lambda并且發(fā)動(dòng)機(jī)性能能夠通過由Lambda控制系統(tǒng)通過跳躍燃燒來顯著提高。
本發(fā)明的目的及概述本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)自動(dòng)且連續(xù)選擇燃燒氣缸的最佳系數(shù)(OFF)的方法，從而優(yōu)化過量空氣系數(shù)，即Lambda。
在實(shí)際應(yīng)用中，采用跳躍燃燒的Lambda控制要求有一種可以取消向一個(gè)或多個(gè)氣缸的燃料供給，并將未使用的燃料分配到仍然燃燒的氣缸中去，從而減小非節(jié)氣型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒氣缸中的Lambda的裝置。因此這個(gè)目的可通過下述方法來實(shí)現(xiàn)，即首先查明發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作狀態(tài)，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，確定燃燒時(shí)的實(shí)際Lambda值λ，盡可能接近最佳值(λOPT)所需要的燃燒氣缸最佳系數(shù)OFF，然后決定為了產(chǎn)生OFF的氣缸數(shù)(M)，M比氣缸總數(shù)N少，然后僅在M個(gè)氣缸內(nèi)取消燃燒和供油循環(huán)。
除燃料要求和空氣密度的影響外，其它參數(shù)可能獨(dú)立影響燃燒及Lambda最佳值的選擇。因此，對(duì)更精確的控制，需要根據(jù)MAP，EGAP，ACT，EGR及RPM對(duì)最佳Lambda及OFF做進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。為了容易適應(yīng)電子控制，采用了簡(jiǎn)單比率及倍率指數(shù)。
如果發(fā)動(dòng)機(jī)的工作沒有采用廢氣再循環(huán)(即EGR)，那么最好的方法是首先查明a.主要指示平均有效壓力(IMEP)，b.最大指示平均有效壓力(IMEPMAX)，c.進(jìn)入進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)，d.主要進(jìn)氣管的絕對(duì)壓力(MAP).e最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAPMAX)，f.用于衡量MAP的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(a)。因此OFF可根據(jù)下式算出OFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a÷(MAPMAPMAX)]]>本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有上述特性并適用于具有使再循環(huán)廢氣(EGR)從排氣管流到進(jìn)氣管的廢氣再循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。
在EGR與可調(diào)限流計(jì)量孔同時(shí)使用的情況下，最好的方法為首先確定a.主要指示平均有效壓力(IMEP)，b.最大指示平均有效壓力(IMEPMAX)，c.進(jìn)入進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)，d.主要進(jìn)氣管的絕對(duì)壓力(MAP).e最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAPMAX)，f.用于衡量MAP的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)＂a＂，g.與計(jì)量孔流量系數(shù)有關(guān)的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)＂b＂，h.主要排氣絕對(duì)壓力EGAP，EGAP可以直接通過使用一個(gè)EGAP傳感器來感受或者根據(jù)公式EGAP＝MAP+EBP+j來確定，式中EBP為通過計(jì)量孔的壓降，j為與渦輪增壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值在-0.5-0.5巴之間。那么OFF可以根據(jù)下式求得OFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a÷(MAPMAPMAX)(MAPEGAP)b]]>在僅使用EGR而沒有可調(diào)節(jié)流計(jì)量孔的情況下，最好的方法是首先查明a.主要指示平均有效壓力(IMEP)，b.最大指示平均有效壓力(IMEPMAX)，c.進(jìn)入進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)，d.主要進(jìn)氣管的絕對(duì)壓力(MAP)，e.最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAPMAX)，f.排氣絕對(duì)壓力(EGAP)，g.用于衡量MAP的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響的第一經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(a)，h.允許進(jìn)入進(jìn)氣管的總的混合氣的質(zhì)量(MTOT)，i.一個(gè)與EGR的質(zhì)量與總混合氣(MTOT)的比相等的值，j.衡量EGR的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(c)。這樣OFF可根據(jù)下式算出OFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a(1+EGRMTOT)c÷(MAPMAPMAX)]]>
本發(fā)明的另一目的是提供一種方法，該方法具有上述一種或幾種特性，可以調(diào)節(jié)點(diǎn)火定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)速度和EGR等一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過減少有效壓縮比來控制燃燒和爆燃的優(yōu)化Lambda的方法。
按照本發(fā)明的另一方面，這個(gè)目的可以通過將點(diǎn)火定時(shí)延長(zhǎng)到上死點(diǎn)(TDC)之后來獲得。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)具有一些根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)用于自動(dòng)且連續(xù)地選擇燃燒氣缸最佳系數(shù)(OFF)從而優(yōu)化過量空氣系數(shù)Lambda的一些裝置。
按照本發(fā)明的另一方面，該目的可以通過提供一種內(nèi)燃機(jī)來實(shí)現(xiàn)，該內(nèi)燃機(jī)具有N個(gè)氣缸，與N個(gè)氣缸相關(guān)聯(lián)的氣體燃料噴射系統(tǒng)，與每個(gè)氣缸相連接的進(jìn)氣管和控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括a.一些傳感器，每個(gè)傳感器用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，b.一些用于根據(jù)傳感器的信號(hào)，確定使實(shí)際值λ盡可能等于最佳值λOPT所要求燃燒的氣缸最佳系數(shù)(OFF)的裝置，c.用于確定為了產(chǎn)生OFF必須跳躍燃燒的氣缸數(shù)(M)，M應(yīng)小于N，d.用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)僅在M個(gè)氣缸內(nèi)消除燃燒和供油循環(huán)的裝置。
這些傳感器最好監(jiān)視主要指示平均有效壓力(IMEP)，進(jìn)入進(jìn)氣管的空氣溫度(ACT)以及主要進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAP)，這個(gè)裝置可根據(jù)下式計(jì)算OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a÷(MAPMAPMAX),]]>上式中IMEPMAX＝最大指示平均有效壓力MAPMAX＝最大進(jìn)氣絕對(duì)壓力＂a＂為衡量MAP變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。
必要時(shí)，上式還可以改進(jìn)將廢氣再循環(huán)的影響考慮進(jìn)去。
本發(fā)明的其它目的，特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將在下面具體例子的詳細(xì)描述及附圖中得到體現(xiàn)，但是，需要說明的是，為了說明本發(fā)明給出的詳細(xì)描述及特例僅僅是為了說明而不僅限于此，只要不偏離本發(fā)明的精神，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有許多更改和改進(jìn)，本發(fā)明包括所有這些改進(jìn)。
附圖的簡(jiǎn)要描述優(yōu)先推薦的具體裝置如附圖所示。其中，標(biāo)號(hào)代表所指零件，其中圖1為壓縮點(diǎn)活氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和火花點(diǎn)火氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的可接受的Lambda范圍圖。
圖2為L(zhǎng)ambda的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響圖。
圖3為未考慮Lambda控制的使用柴油/天然氣燃料的先有技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率及燃料經(jīng)濟(jì)性與速度的關(guān)系圖。
圖4和5為其它無跳躍燃燒的先有技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能圖。
圖6a，6b為不考慮Lambda跳躍燃燒控制對(duì)用天然氣作為燃料的節(jié)氣型火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的影響圖。
圖7a為采用了所發(fā)明的跳躍燃燒的內(nèi)燃機(jī)燃料供給系統(tǒng)原理圖。
圖7b為圖7a中的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒氣流控制系統(tǒng)原理圖。
圖8為圖7a和7b中發(fā)動(dòng)機(jī)立視圖的部分圖解。
圖9為圖7和圖8中的發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制器原理圖。
圖10為使用跳躍燃燒的Lambda控制對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。
圖11為最佳Lambda隨進(jìn)氣管絕對(duì)壓力MAP的變化曲線。
圖12表示點(diǎn)火定時(shí)和Lambda的變化對(duì)NOx排放的影響。
圖13為按本發(fā)明的Lambda優(yōu)化程序流程圖。
圖14表示點(diǎn)火定時(shí)的變化對(duì)有效壓縮比和壓縮溫度的影響。
圖15為按照所檢測(cè)的BSHC跳躍燃燒和渦輪空氣旁路對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的綜合影響。
圖16為EGRGROSS，與EGRNET燃燒氣缸系數(shù)FF之間的關(guān)系。
較佳實(shí)例的詳細(xì)描述3.概述依照本發(fā)明，非節(jié)氣型氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的性能通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)Lambda得到改進(jìn)。Lambda的優(yōu)化是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)自動(dòng)且連續(xù)地選擇OFF來實(shí)現(xiàn)的，即為了在OFF內(nèi)燃燒，取消一個(gè)或多個(gè)氣缸的燃料供給，將未用的燃料分配給OFF，從而將燃燒氣缸內(nèi)的Lambda降到最佳值，根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)及經(jīng)驗(yàn)衡量公式可以計(jì)算OFF，也可以根據(jù)相應(yīng)的查詢表獲得。另外，可以考慮廢氣再循環(huán)EGR，發(fā)動(dòng)機(jī)速度，或/和點(diǎn)火定時(shí)影響，調(diào)整最佳Lambda和OFF。通過改變上死點(diǎn)TDC后的點(diǎn)火定時(shí)也可以用于減少有效壓力比并改進(jìn)燃燒和爆振。為了＂微調(diào)＂跳躍燃燒的影響，也可以對(duì)進(jìn)氣管絕對(duì)壓力，EGR和點(diǎn)火定時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。4.系統(tǒng)概述本發(fā)明者已將跳躍燃燒的Lambda控制在7.6升氣體/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上付諸實(shí)施，如圖10所示。試驗(yàn)證明，當(dāng)載荷為25％，一半氣缸(OFF＝0.5)燃燒時(shí)，Lambda從2.08降到1.39(比較曲線110和112)。燃料消耗降低27％，且碳?xì)浠衔飶?3降到15g/hp-hr，或與無跳躍燃燒的同一發(fā)動(dòng)機(jī)相比降低82％(比較曲線114與116，曲線118與120)。圖10進(jìn)一步說明了當(dāng)采用跳躍燃燒優(yōu)化了Lambda時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的其它性能特征也有顯著改進(jìn)。發(fā)動(dòng)機(jī)10可以進(jìn)行跳躍燃燒優(yōu)化Lambda，這種優(yōu)化的方法及電子系統(tǒng)下面將作詳細(xì)描述。
參照?qǐng)D7A-9，發(fā)動(dòng)機(jī)10為一種壓縮點(diǎn)火型內(nèi)燃機(jī)，它具有多個(gè)氣缸12，每個(gè)氣缸上裝有一個(gè)氣缸頭14(圖8)。如圖8所示，每個(gè)氣缸12的腔內(nèi)裝有一個(gè)可滑動(dòng)的活塞16，氣缸頭14和活塞16之間形成了一個(gè)燃燒腔18?；钊?6以傳統(tǒng)方式與曲軸20相連接，在氣缸頭14內(nèi)的通道26和通道28的末端各自裝有傳統(tǒng)的進(jìn)氣閥22和排氣閥24，并由標(biāo)準(zhǔn)凸輪軸30驅(qū)動(dòng)，從而控制油氣混合氣向燃燒室18內(nèi)的供應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒廢氣的排放，燃?xì)馔ㄟ^進(jìn)氣管34供到發(fā)動(dòng)機(jī)10并通過排氣管35排出。然而，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是，通常用在進(jìn)氣管34的節(jié)氣門現(xiàn)在沒有了或者至少不能起作用了，從而產(chǎn)生了一種＂非節(jié)氣型＂發(fā)動(dòng)機(jī)，由于下述原因還需要一種進(jìn)氣控制系統(tǒng)。
氣體燃料可以通過一個(gè)單計(jì)量閥噴入進(jìn)氣管34的入口處的一個(gè)單節(jié)氣型閥體，或者通過一個(gè)類似的機(jī)械控制閥進(jìn)入。然而，在具體實(shí)例的說明中，每個(gè)氣缸12都裝有一個(gè)分立的噴射器40。而每個(gè)噴射器40都將來自普通燃料箱39及氣管36的天然氣，丙烷，或其它氣體燃料，通過管子41直接噴入相應(yīng)的氣缸12的進(jìn)氣口26內(nèi)。
發(fā)動(dòng)機(jī)10既可以是火花燃燒式也以是壓縮燃燒式。圖示的發(fā)動(dòng)機(jī)10為壓縮點(diǎn)火式并采用了多點(diǎn)電控液體燃料噴射器32作為點(diǎn)火燃料噴射器。每個(gè)點(diǎn)火燃油噴射器32可采用任何一個(gè)電控噴射器，最好采用電液燃油噴射器的形式，甚至最好采用在美國(guó)專利33,270號(hào)中公開的增壓蓄壓型噴射器。參照?qǐng)D7A和圖8，從傳統(tǒng)的油箱42通過供油路或共軌44將柴油或類似燃料供給噴射器32。油路44內(nèi)有一個(gè)油濾46，一個(gè)油泵48，一個(gè)高壓溢流閥50和一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器52，回路54從噴射器32流向油箱42。
參照?qǐng)D7b，進(jìn)氣控制系統(tǒng)包括1)一個(gè)使再循環(huán)的廢氣從排氣管35流向進(jìn)氣管34的廢氣再循環(huán)(EGR)子系統(tǒng)。2)一個(gè)壓縮進(jìn)入進(jìn)氣管34的非EGR的空氣渦輪增壓子系統(tǒng)。EGR子系統(tǒng)對(duì)增加燃燒反應(yīng)及擴(kuò)寬最佳Lambda的上限是非常有用的，這個(gè)系統(tǒng)包括1)一個(gè)從排氣管35流向進(jìn)氣管34的回流管58，2)一個(gè)EGR計(jì)量閥60。計(jì)量閥60也有一個(gè)連接到伸向進(jìn)氣管的進(jìn)氣口的進(jìn)氣管64的出口60。第二管路62為渦輪旁通閥76到閥60的下游的管路64。另外，為了控制排氣的絕對(duì)壓力(EGAP)，在排氣流中設(shè)置了一個(gè)具有可調(diào)限流計(jì)量孔的排氣反壓(EBP)閥68。在沒有控制閥60的情況下，閥68由控制器56驅(qū)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入進(jìn)氣口66的所有氣體中EGR的百分比。
如圖7B所示，進(jìn)氣控制系統(tǒng)的渦輪增壓子系統(tǒng)包括渦輪增壓器70和一個(gè)位于管路62上閥60和進(jìn)口66上游的后冷卻器72。渦輪增壓器70由廢氣門74和渦輪旁路76按傳統(tǒng)方式控制，74和76與控制器56以電子方式連在一起。
控制器或電子控制單元(ECU)56可以是任何能夠監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和控制供給發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃料和空氣的電子裝置。在圖9所示的具體實(shí)例中，該ECU56包括一個(gè)可編程數(shù)字微處理器?？刂破骰駿CU56接收來自各種傳感器的信號(hào)，其中包括一個(gè)調(diào)節(jié)器位置和其它功率命令傳感器80，燃料壓力傳感器81，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速RPM傳感器82，曲軸角度傳感器84，進(jìn)氣絕對(duì)壓力MAP傳感器86，進(jìn)氣管進(jìn)氣溫度ACT傳感器88，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器90，排氣反壓EBP傳感器92和監(jiān)視廢氣門74工作的傳感器94。控制器56根據(jù)直接來自EGAP傳感器98的信號(hào)或者間接來自EBP傳感器92(如果使用EBP閥68的情況下)的信號(hào)確定EGAP。為優(yōu)化Lambda控制其它燃油噴射所要求的其它傳感器如圖9中的100所示。指示平均有效壓力IMEP及噴射的燃?xì)?QGAS和VGAS)，其體積和質(zhì)量由控制器56采用來自一個(gè)或多個(gè)傳感器80-100的數(shù)據(jù)及已知的數(shù)學(xué)公式算出。對(duì)于其它的值，如最大進(jìn)氣絕對(duì)壓力(MAPMAX)，最大指示平均有效壓力(IMEPMAX)，最大發(fā)動(dòng)機(jī)速度(RPMMAX)，體積效應(yīng)(Hvol)，及各種系統(tǒng)常數(shù)最好存入ROM或控制器56的其它存儲(chǔ)裝置里?？刂破?6對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理并傳送輸出信號(hào)以分別控制柴油共軌壓力調(diào)節(jié)器52，點(diǎn)火燃料噴射器32和氣體噴射器40。類似信號(hào)分別用于控制渦輪廢氣門74，渦輪旁路76，計(jì)量孔或EBP閥68。
依照本發(fā)明，控制器56 1)接收來自各種傳感器的信號(hào)，2)根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并確定為了優(yōu)化Lambda而需要燃燒的氣缸最佳系數(shù)OFF。3)為了實(shí)現(xiàn)OFF，控制噴射器32和40取消被選氣缸內(nèi)的燃料供給和燃燒循環(huán)?，F(xiàn)對(duì)一種可能的控制方案進(jìn)行描述。5.計(jì)算OFF本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣體燃料的最佳Lambda主要受以下參數(shù)影響*指示平均有效壓力IMEP，指示功率水平.巴*增加EGR前進(jìn)氣溫度ACT.°K.
*進(jìn)氣管絕對(duì)壓力MAP，巴*氣缸排量，cyl disp cm3*體積效應(yīng)h vol*氣體燃料供給量QGASmg/循環(huán)/氣缸(mg/cycle/cyl)*氣體燃料體積VolGAScm3/缸。
*點(diǎn)將點(diǎn)火定時(shí)，上死點(diǎn)之前度數(shù)(BTDC)。
*廢氣再循環(huán)，(EGR)，再循環(huán)廢氣的質(zhì)量，*排氣反壓，EBP，由反壓閥引起的壓降，巴*排氣絕對(duì)壓力，EGAP，巴*發(fā)動(dòng)機(jī)速度，RPM
*發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度，ECT，°K，*渦輪廢氣門位置，TGP，*渦輪空氣旁路，TAB，*當(dāng)MAP＝1巴ACT＝300°K時(shí)，空氣及氣體密度1.1及0.607mg/cm3以上參數(shù)可根據(jù)它們對(duì)Lambda的影響而組合為a.隨著IMEP，ACT，MAP及容積效率的變化，所需燃料和空氣密度對(duì)Lambda的影響過量空氣系數(shù)，Lambda(λ)由空氣供給量與燃料供給量之比確定，并可根據(jù)典型的參數(shù)中按下式求得λgas=ρair(300ACT)(MAP)(cyl disp)(ηvol-vol gascyl disp)÷(Qgas)(AF)stoich]]>采用壓燃點(diǎn)火的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)沒有貧燃極限。因此，在高負(fù)載時(shí)，正常的發(fā)動(dòng)機(jī)工作可以不需要Lambda控制。這尤其適用于其它未改型的非節(jié)氣型渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)一直處于過量空氣狀態(tài)。采用固定燃燒及改變氣體燃料供應(yīng)足以控制其功率，而不必考慮Lambda的控制。但是，在輕負(fù)載時(shí)，Lambda大幅度上升，導(dǎo)致很高的廢氣排放和過多的燃料損耗，如圖4圖5中曲線41，51及52所示。通過優(yōu)化燃燒的氣缸12數(shù)量的選擇和Lambda控制，可大量減少或消除這些缺陷，這類控制至少要求下列內(nèi)容(A)氣缸與氣缸及循環(huán)與循環(huán)間氣體燃料噴射量和噴射定時(shí)的控制。
(B)氣缸與氣缸及循環(huán)與循環(huán)間對(duì)點(diǎn)火油噴射質(zhì)量和噴射定時(shí)的控制。
(C)優(yōu)化Lambda的跳躍燃燒控制。
控制(A)是眾所周知的，控制(B)在專利申請(qǐng)流水號(hào)08/237,445(445號(hào)申請(qǐng))和已注冊(cè)的美國(guó)專利5,450,829號(hào)壓縮燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的電控燃燒燃油噴射中已有詳細(xì)描述。此早期專利的主題在此作為參考把它作為一個(gè)整體結(jié)合起來?？刂?C)為本申請(qǐng)的主題并將在下面詳述。
b.燃燒影響除所需燃料和空氣密度的影響外，其它參數(shù)也可以獨(dú)立影響燃燒和對(duì)Lambda最佳值的選擇。因此，對(duì)于更精確的控制，對(duì)最佳Lambda值和OFF的一些更進(jìn)一步的調(diào)節(jié)可以隨著MAP，EGAP，ACT，EGR和RPM的變化，對(duì)最佳Lambda及OFF做進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。為了簡(jiǎn)化對(duì)電子控制系統(tǒng)的修改，采用了簡(jiǎn)單比和倍率指數(shù)。
如在圖11中的曲線122和124所示，Lambda隨MAP增大而增加，MAP的調(diào)節(jié)通過并入因子(MAP)3已包含在計(jì)算最佳Lambda(λOPT)中。λOPT隨MAP的三分之一次方變化而變化，或值a＝0.33，對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，該指數(shù)可作調(diào)節(jié)，如表1所示。
EGR以幾種方式影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，即EBP，MAP，附加功率，無負(fù)荷時(shí)的燃油流量，剩余廢氣，氣缸內(nèi)有效溫度。通常，EGAP和EGR趨向于增加最佳Lambda值和OFF。這些因素按下式并入最佳Lambda的計(jì)算中(MAPEGAP)b]]>在此＂b＂取決于具體發(fā)動(dòng)機(jī)特性，其值一般在0到2.0范圍內(nèi)，(1+EGRMTOT)c]]>在此＂c＂取決于具體發(fā)動(dòng)機(jī)特性，其值一般在0到1.0范圍內(nèi)，c.速度影響發(fā)動(dòng)機(jī)速度RPM的變化，根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式，也可以對(duì)最佳Lambda及OFF進(jìn)行調(diào)節(jié)(1+RPMRPMMAX)d]]>在此＂c＂取決于具體的發(fā)動(dòng)機(jī)特性，其值一般在0到0.3范圍內(nèi)。
d.點(diǎn)火定時(shí)的影響點(diǎn)火定時(shí)也對(duì)最佳Lambda和OFF有一定的影響。這種影響不能簡(jiǎn)單地定義為一種簡(jiǎn)單比率，隨著點(diǎn)火定時(shí)的變化對(duì)最佳Lambda的選擇要綜合考慮燃料消耗和廢氣排放，這種選擇包括在傳統(tǒng)的查詢表中。點(diǎn)火定時(shí)所產(chǎn)生的總的影響如圖12中曲線126-134所示，其中曲線130表示在上死點(diǎn)(TDC)點(diǎn)火的影響，曲線126和128表示在TDC之后點(diǎn)火的影響，曲線132和134表示在TDC之前點(diǎn)火的影響。這些曲線均表明當(dāng)Lambda一定時(shí)，BSNOx隨著點(diǎn)火定時(shí)的提前而增加。相應(yīng)地，通過跳躍燃燒控制(如有)而引起的NOx增加的不利影響可以通過延長(zhǎng)點(diǎn)火定時(shí)來補(bǔ)償。
e.ACT影響增加ACT通常導(dǎo)致最佳Lambda的增加。這種影響可以包括在OFF的計(jì)算中，即將附加指數(shù)增加到空氣密度修正(ACT/300)上，即(ACT/300)1+e這里，＂e＂取決于具體發(fā)動(dòng)機(jī)的特性。對(duì)這些各種參數(shù)影響的分析以及它們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，燃燒和廢氣排放的影響便可導(dǎo)出下列燃燒氣缸最佳系數(shù)OFF的數(shù)學(xué)關(guān)系
對(duì)于使用EGR的情況，EGR通過計(jì)量孔60從排氣管35引到后冷卻器72下游的進(jìn)氣口66內(nèi)，OFF可按下式進(jìn)一步調(diào)節(jié)
式中b一個(gè)取決于EGR計(jì)量孔流量系數(shù)大于0.0的系數(shù)。
EGAP可以直接由傳感器98感受，或通過下式關(guān)系確定EGAP＝MAP+EBP+j其中，j是一個(gè)由渦輪增壓器MAP所確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值在+0.5巴范圍內(nèi)。
如果不用EGAP控制EGR，那么可根據(jù)總的流量比所測(cè)定的EGR流量按下式進(jìn)行調(diào)節(jié)
在上述討論中，EGR的使用可以引起燃燒反應(yīng)能力的增溫，并擴(kuò)大最佳Lambda的上限，根據(jù)EGR對(duì)OFF和最佳Lambda的調(diào)節(jié)可以采用EGR和最佳Lambda之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來進(jìn)行。OFF乘以(1+EGR/MTOT)c可以用以估計(jì)這個(gè)影響。指數(shù)值＂c＂為發(fā)動(dòng)機(jī)的具體特性。
進(jìn)氣溫度的影響增加項(xiàng)(ACT/300)e發(fā)動(dòng)機(jī)速度影響增加項(xiàng)(1+RPM/RPMMAX)d上述所有因素的綜合影響為OFF=IMEPIMEPMAX(ACT300)1+e(MAP3)a(1+EGRMTOT)c(1+RPMRPMMAX)d]]>÷MAPMAPMAX(MAPEGAP)b]]>(方程4)
為了控制爆震極限，對(duì)最大燃?xì)鈬娚淞?最小Lambda)的進(jìn)一步調(diào)節(jié)可以根據(jù)下式由通常采用的軟件來控制
上述方程根據(jù)6氣缸，10升發(fā)動(dòng)機(jī)推出。QGAS是按每個(gè)缸為基礎(chǔ)并與所選擇的最小Lambda有關(guān)。對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸大小和氣缸數(shù)，需要做微小的調(diào)節(jié)，但應(yīng)保證由方程所決定的基本關(guān)系。
最佳Lambda的典型范圍如圖1所示，其上限由壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震極限所確定，其下限由火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)貧燃點(diǎn)火不良的極限所決定。對(duì)于初始校驗(yàn)或其它情況下，并沒有經(jīng)驗(yàn)指數(shù)或系數(shù)，或尚未為人所知?；镜男ｒ?yàn)＂非法值＂表如表1所示表1經(jīng)驗(yàn)指數(shù)或系數(shù)的范圍及非法值
6.Lambda控制系統(tǒng)的工作原理現(xiàn)參見圖13，OFF由流程圖150進(jìn)行控制，其工作程序是從開始的步驟150到154，在此期間從傳感器80-100輸入數(shù)據(jù)。計(jì)算OFF或λOPT所需要的指MAP，EGR，EGAP，RPM以及其它發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，可直接從傳感器80-100或者間接從前面等式中求得或從ECU ROM中得到。供給所需功率所需要的主要和引燃燃料QGAS和QPILOT的總量，在步驟156中計(jì)算。然后，OFF和λOPT可在步驟158中通過運(yùn)用方程(1)，(2)，(3)或(4)其中之一算出，或通過使用以上方程求出結(jié)果的查詢表中求得。在具體實(shí)例中，采用了具有可調(diào)限流計(jì)量孔68的ERG系統(tǒng)，此時(shí)需使用方程(2)或(4)中的一個(gè)。確定OFF之后，為了實(shí)現(xiàn)OFF，用流程圖150，確定N個(gè)氣缸中的M個(gè)比須跳躍燃燒就相當(dāng)簡(jiǎn)單了，在進(jìn)行到步驟160時(shí)，它以合適的燃燒順序，控制噴射器32和40并將QGAS和QPILOT分配到(N-M)個(gè)氣缸12內(nèi)。因此在M個(gè)氣缸12內(nèi)跳躍燃燒循環(huán)。只要發(fā)動(dòng)機(jī)10在運(yùn)轉(zhuǎn)，從步驟152到160的循環(huán)便按循環(huán)接循環(huán)的基礎(chǔ)重復(fù)。廢氣門74，渦輪旁路76，節(jié)流閥68。以及其它發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)此時(shí)也由控制器56按眾所周知的方式進(jìn)行控制。7.實(shí)例下面為6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的非限定型示例，該示例提供用于確定OFF的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的典型值的數(shù)據(jù)。
a.實(shí)例(a)，方程(1)IMEP＝1.0巴，約與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)相同IMEPMAX＝20巴，最大扭矩MAPMAX＝3.0巴ACT ＝330°K典型用于空氣對(duì)空氣后冷卻器MAP ＝1.0，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速OFF=(120)(330300)(13)1/3÷13=(0.05)(1.1)(0.69)÷(6.333)=0.11]]>0.11(6)＝0.66，即1個(gè)氣缸燃燒b.實(shí)例(b)，方程(1)IMEP＝1.1，約50％動(dòng)力IMEPMAX＝3.0巴，ACT ＝330°KMAP ＝2.0OFF=(1120)(330300)(23)13÷(23)=0.789]]>注對(duì)于6缸發(fā)動(dòng)機(jī)處于50％功率時(shí)，傳統(tǒng)的知識(shí)通常只能指示選擇一半或3個(gè)氣缸。OFF方程選擇0.789(6)＝4.73即5個(gè)氣缸燃燒。
c.實(shí)例(c)，方程(2)(與實(shí)例(a)相同，但EGAP＝2，＂b＂＝1.5，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車有很高的EGR)IMEP ＝1.0巴，
IMEPMAX＝20MAPMAX＝3.0ACT ＝450°KMAP ＝1.0EGAP ＝2B＝1.5OFF=120(450300)(13)1/3÷(13)(12)1.5=0.44;0.44(6)=2.64]]>即6個(gè)氣缸中的3個(gè)氣缸燃燒。
d.實(shí)例(d)，方程(4)(與實(shí)例(c)相同，但加上20％的EGR，經(jīng)驗(yàn)指數(shù)c＝1.0，RPM/RPMMAX＝0.3經(jīng)驗(yàn)指數(shù)d＝0.2經(jīng)驗(yàn)指數(shù)e＝0OFF=2.64(1+EGRMTOT)(1+RPMRPMMAX)0.2=2.64(1.2)(1.3)0.2=3.34]]>即6個(gè)氣缸中的4個(gè)氣缸燃燒。
e.實(shí)例(e)，Lambda的計(jì)算和方程(4)的應(yīng)用λgas=ρair(cyl disp)(ηvol-vol gascyl disp)÷Qgas(AF)stoich]]>=ρair(300ACT)(MAP)(cyl.disp)(ηvol-vol gascyl disp)÷Qgas(AF)stoich]]>對(duì)于6缸，7.6升發(fā)動(dòng)機(jī)h vol ＝0.9，[QGAS]MAX＝100mgCyl disp ＝(7.6)(6)(1000)＝1.270cm3h vol ＝0.90QGAS＝50/6 mg/cyl[QGA]SMAX＝100mgvol k ＝82.3/6cm3/cylMAP ＝1.0
ACT＝300Rair＝1.10mg/cc，在ACT＝300°K和MAP＝1巴時(shí)RTOT＝0.607mg/cc，在ACT＝300°K和MAP＝1巴時(shí)λgas=(1207)(0.9-82.36x1207)(1.10)(300300)(1.0)÷(506)(17)=8.33]]>由于50毫克的天然氣及67mm3的柴油燃料的能量與一個(gè)7.6升的發(fā)動(dòng)機(jī)正常怠速時(shí)所需的能量相同，在無負(fù)荷和怠速時(shí)的Lambda隨燃燒氣缸系數(shù)的變化按表2。
表2
對(duì)于無EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于IMEP/IMPEMAX大約與(1/N)(QGAS/QGAS]MAX)相同，所以O(shè)FF可從方程(1)算出。OFF=(16)(50100)(300300)(1.03)0.33÷(1.02.78)=0.16]]>6×0.16＝0.96，即一個(gè)氣缸燃燒在許多情況下，6個(gè)氣缸中之一個(gè)燃燒可以導(dǎo)致過渡振動(dòng)，在此情況下可以加上EGR和EGAP。如5％的EGR和1.5巴的EGAP，由方程(4)算出的OFF和表一中的非法值給出OFF值如下OFF=(16)(50100)(300300)(13)0.33(1+0.05)(1+7002400)÷(1.02.8)(1.01.5)]]>＝(0.083)(0.69)(1.05)(1.29)÷(0 357)(0.67)＝0.324.
0.324(6)＝1.94 or fire on 2 cylinders.0.324(6)＝1.94即兩個(gè)氣缸燃燒
EGR和EGAP將導(dǎo)致Lambda的下降，這種下降是由于殘余廢氣的增加和(為了滿足由于EGAP而增加的附加負(fù)荷的)燃油流量的增加而引起的。8.BSNOx，Lambda及燃燒定時(shí)之間的綜合關(guān)系使用如圖12中所示的一組發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，Lambda在1.4到2.4范圍內(nèi)制動(dòng)比NOx，Lambda及燃燒定時(shí)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下BSNOx ＝Ke(X+Y)此處X ＝a(b-I)Y ＝c(q-d)I ＝過量空氣子數(shù)q ＝度，上死點(diǎn)之前a ＝6.93b ＝1.5c ＝(0.693/6)d ＝6，knominal＝5K取決于表3規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)的許多具體因子表3
Knominal的經(jīng)驗(yàn)值為5.0g/hp-hr，為了校正該方程，可以調(diào)整該值。但BSNOx方程的基本趨勢(shì)屬性仍將保留，在恒定燃燒定時(shí)條件下的BSNOX關(guān)系如圖12中曲線126-134所示，這些已在上面有討論。
可以用一個(gè)實(shí)例來表示定時(shí)，Lambda及BSNOx之間的關(guān)系
對(duì)于一個(gè)Lambda＝1.6 Q＝0 BTDC的通常發(fā)動(dòng)機(jī)BSNOx ＝Ke(X+Y)Knominal＝5.0X ＝6.93(1.5-1.6)Y ＝(0.693/6)(0-6)BSNOx ＝5e-0.693-0.693＝5(1/2)(1/2)＝1.25g/hp-hr該例表明，對(duì)6度延遲點(diǎn)火時(shí)，Lambda每增加0.1，點(diǎn)火定時(shí)每遲后6度，便可使BSNOx減少50％.7.延遲點(diǎn)火定時(shí)控制有效壓縮比，爆振及Lambda為了滿足當(dāng)前及將來廢氣排放指標(biāo)的要求，已經(jīng)開發(fā)出了具有延長(zhǎng)噴射及點(diǎn)火定時(shí)運(yùn)行的令人滿意柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，有時(shí)甚至延遲到上死點(diǎn)之后幾度。上死點(diǎn)后定時(shí)要求有效和快速點(diǎn)火及燃燒，這對(duì)減少NOx排放十分有效，點(diǎn)火定時(shí)每延遲6度，NOx的排放即減少一半。尤其是降低了未燃燒氣缸中的溫度(見圖14的曲線170)。這種后TDC特性可以非常有效地用于減少壓縮燃燒氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx的排放。甚至，由于未燃?xì)飧自谏纤傈c(diǎn)之后壓縮壓力和溫度都降低了，這樣它的有效壓縮比也按圖14曲線172下降。如果有效壓縮比減少了，那么已給定的Lambda，ACT及MAP內(nèi)的爆燃極限也將減小。因此，如果OPT受到爆燃的限制，那么點(diǎn)火定時(shí)的變化就可以代替調(diào)節(jié)及保持最佳Lambda。8.Lambda的精確控制顯然，使用跳躍點(diǎn)火對(duì)Lambda調(diào)節(jié)只能用于離散的整數(shù)燃燒氣缸，因此，僅由跳躍燃燒控制的Lambda的精度就受到了限制。但是，由于Lambda受到點(diǎn)火定時(shí)，EGR和MAP的影響，點(diǎn)火定時(shí)的變化，EGR和MAP與跳躍燃燒結(jié)合起來，便可更精確優(yōu)化工作狀態(tài)。以下為EGR和MAP控制進(jìn)行微調(diào)的示例。
a.MAP控制MAP的變化明顯的導(dǎo)致進(jìn)入進(jìn)氣管內(nèi)的空氣量的相應(yīng)變化，并導(dǎo)致Lambda的相應(yīng)變化。為了優(yōu)化Lambda控制，可通過適當(dāng)控制渦輪空氣旁路閥76(圖7A-9)對(duì)MPA進(jìn)行調(diào)節(jié)。該閥具有一個(gè)結(jié)構(gòu)與閥68相同的可變流量計(jì)量孔。達(dá)到這一目的的方法是，在按上述內(nèi)容選擇OFF并控制相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)后(1)計(jì)算λACT，(2)控制閥76從而改變渦輪空氣旁路的流量使λACT接近λOPT(3)按相互反饋的程序重復(fù)1)，2)步驟直到λACT等于λOPT，這樣的反復(fù)只需稍作幾次即可，因?yàn)樵谔S燃燒控制完成以后λACT已接近λOPT。
這種微調(diào)的影響如圖15所示，圖15表示的是在有無渦輪空氣旁路控制的情況下，跳躍燃燒對(duì)卡特匹勒3176B型發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。如人們所能想象到的一樣，曲線174表明在輕負(fù)荷條件下及無Lambda控制時(shí)其BSHCs是相當(dāng)高的，但如曲線176所示，在使用上述跳躍燃燒方式以后就明顯下降了，在此曲線中的峰值180和182顯示當(dāng)OFF在兩缸之間時(shí)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的下降，僅用跳躍燃燒控制的離散性。點(diǎn)180表示當(dāng)OFF實(shí)際為約。25時(shí)，約在一個(gè)半氣缸內(nèi)燃燒時(shí)的性能點(diǎn)。曲線178表示這種無效性可以通過使用渦輪空氣旁路閥76的附加MPA控制來得到緩解。
b.EGR的控制廢氣再循環(huán)，將被控制的再循環(huán)廢氣從排氣管流進(jìn)進(jìn)氣管，從而提供了準(zhǔn)確控制Lambda的另一種方法。
當(dāng)跳躍燃燒和EGR同時(shí)采用時(shí)，實(shí)際上來自未燃燒氣缸中的新鮮空氣，與λ燃燒的氣體一起再次循環(huán)到進(jìn)氣管內(nèi)。因此，在總的再循環(huán)廢氣已燃燒的氣體質(zhì)量(EGRNET)，小于總的再循環(huán)廢氣的質(zhì)量，這些以燃燒氣缸數(shù)(FF)所示的區(qū)別如圖16所示。其曲線表示，當(dāng)FF較小時(shí)，尤其在EGRGROSS增加時(shí)(曲線198及200)，EGRNET比EGRGROSS要小得多。
在EGRNET和燃燒氣缸最佳系數(shù)(OFF)的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出Lambda的實(shí)際值(λACT)，并可通過調(diào)節(jié)(EGRNET)獲得Lambda的最佳值(λOPT)。因此，控制EGRGROSS與跳躍燃燒一起使用，可以獲得更精確的λOPT。下式用于計(jì)算Lambda的實(shí)際值(λACT)。
這里MTOT為總的空氣和再循環(huán)廢氣量，mg/cycle/cyl，并忽略了空氣和再循環(huán)廢氣的密度差。
÷(Qgas·(AF)stoich)]]>
M＝N(1-OFF)，(園整到離散的整數(shù))A＝(FF)(1-EGRNET)-(EGRNET)(1-FF)2(1-EGRGROSS)(EGRNET)＝(A)(EGRGROSS)一旦算出λACT后，就容易通過使用簡(jiǎn)單的閉環(huán)反饋程序來調(diào)整EGR閥68的設(shè)置使λACT＝λOPT只要不偏離本發(fā)明的精神，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有許多更改和改進(jìn)。如，本發(fā)明也適用于火花燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，所有范圍和其它變化將在所附權(quán)利要求書的范圍中明確體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化氣體燃料內(nèi)燃機(jī)過量空氣系數(shù)(λ)的方法，所述內(nèi)燃機(jī)具有(N)個(gè)氣缸，所述方法包括A.確定發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作狀態(tài)；B.根據(jù)所述發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作狀態(tài)，確定為使λ的實(shí)際值盡可能接近最佳值λopt所需的燃燒氣缸最佳系數(shù)(OFF)；C.確定為了生產(chǎn)所述OFF而必須跳躍燃燒的氣缸個(gè)數(shù)(M)，M小于N；D.在所述M個(gè)氣缸內(nèi)取消燃燒和供油循環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)進(jìn)氣管，這里步驟(B)包括1)確定a)主要指示平均有效壓力(IMEP)；b)最大指示平均有效壓力(IMEPmax)；c)吸入所述進(jìn)氣管的進(jìn)氣溫度(ACT)；d)主要進(jìn)氣管大氣絕對(duì)壓力(MAP)；e)最大進(jìn)氣管空氣絕對(duì)壓力(MAPmax)；f)衡量所述MAP的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(a)；2)根據(jù)下述公式計(jì)算所述OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a÷(MAPMAPMAX).]]>
3.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)進(jìn)氣管，一個(gè)渦輪增壓器和一個(gè)后冷卻器。在所述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，再循環(huán)廢氣(EGR)，在可調(diào)節(jié)流計(jì)量孔的控制下，流入位于所述后冷卻器下游的所述進(jìn)氣管的進(jìn)氣口內(nèi)，其中，步驟(B)包括1)確定a)主要指示平均有效壓力(IMEP)；b)最大指示平均有效壓力(IMEPmax)；c)吸入所述進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)；d)主要進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAP)；e)最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAPmax)；f)衡量所述MAP的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(a)；g)與所述計(jì)量孔的流量系數(shù)有關(guān)的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(b)；h)根據(jù)公式EGAP＝MAP+EBP+j確定值EGAP這里，EBP為所述計(jì)量孔兩端的一個(gè)確定的壓差，j是一個(gè)與所述渦輪增壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，其值在-0.5巴與0.5巴之間。2)根據(jù)下述公式計(jì)算所述OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a÷(MAPMAPMAX)(MAPEGAP)b·]]>
4.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)進(jìn)氣管，一個(gè)渦輪增壓器和一個(gè)后冷卻器。在所述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，再循環(huán)廢氣(EGR)流入位于所述后冷卻器下游的所述進(jìn)氣管的進(jìn)氣口內(nèi)，其中，所述步驟(A)和(B)包括1)確定a)主要指示平均有效壓力(IMEP)；b)最大指示平均有效壓力(IMEPmax)；c)吸入所述進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)；d)主要進(jìn)氣管空氣絕對(duì)壓力(MAP)；e)最大進(jìn)氣管空氣絕對(duì)壓力(MAPmax)；f)廢氣絕對(duì)壓力(EGAP)；g)衡量所述MAP的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響的第一經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(a)；h)進(jìn)入所述進(jìn)氣管的總的混合空氣質(zhì)量(M tot)；i)所述EGR與所述總的混合氣的質(zhì)量(M tot)比值；j)衡量所述
的變化過程對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(c)；2)根據(jù)下述公式計(jì)算所述OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a(1+EGRMTOT)b÷(MAPMAPMAX)·,]]>
5.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)進(jìn)氣管，一個(gè)渦輪增壓器和一個(gè)后冷卻器，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，再循環(huán)廢氣(EGR)在可調(diào)流量節(jié)流計(jì)量孔的控制下，流入位于所述后冷卻器下游的所述進(jìn)氣管的進(jìn)氣口內(nèi)，其中，所述步驟(A)和(B)包括1)確定a)主要指示平均有效壓力(IMEP)，b)最大指示平均有效壓力(IMEPmax)，c)吸入所述進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)，d)主要進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAP)，e)最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAPmax)，f)廢氣絕對(duì)壓力(EGAP)，g)進(jìn)入所述進(jìn)氣管的總的混合空氣質(zhì)量(Mtot)，h)所述EGR的質(zhì)量與所述總的混合氣的質(zhì)量Mtot之比值，i)根據(jù)公式EGAP＝MAP+EBP+j確定EGAP的值，這里，EBP為所述計(jì)量孔兩端的一個(gè)確定的壓差，J為取決于所述渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，其值在-0.5巴與0.5巴之間，j)主要發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM)，k)最大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPMmax)l)衡量所述MAP的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響的第一經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(a)，m)與所述計(jì)量孔的流量系數(shù)有關(guān)的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(b)，n)衡量所述EGR變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第三經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(c)，o)衡量所述RPM的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第四經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(d)，p)衡量所述ACT的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第五經(jīng)驗(yàn)指數(shù)(e)，2)根據(jù)下述公式，計(jì)算所述OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)1+e(MAP3)a(1+EGRMTOT)c(1+RPMRPMMAX)d]]>÷MAPMAPMAX(MAPEGAP)b]]>
6.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟(B)未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火定時(shí)，或廢氣再循環(huán)對(duì)所述進(jìn)氣口的影響。
7.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟(B)部分基于所測(cè)定的主要發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
8.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟(B)部分基于已知的主要點(diǎn)火定時(shí)。
9.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于廢氣被再次循環(huán)到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管內(nèi)，所述步驟(B)部分基于再循環(huán)廢氣質(zhì)量對(duì)值Mtot的已確定的主要比值，這里Mtot為進(jìn)入所述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的總混合氣的質(zhì)量。
10.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟(B)包括首先確定所述的主要發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，然后根據(jù)檢查表確定所述OFF。
11.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述步驟(A)-(B)按工作循環(huán)重復(fù)。
12.如權(quán)利要求所述方法，其特征在于它進(jìn)一步包括通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)將所述值λ盡可能地調(diào)整到等于λopt。
13.如權(quán)利要求12所述方法，其特征在于所述調(diào)整步驟包括改變進(jìn)氣管絕對(duì)壓力從而改變吸入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量。
14.如權(quán)利要求13所述方法，其特征在于所述調(diào)整步驟包括調(diào)整渦輪空氣旁路閥的位置。
15.如權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述調(diào)整步驟包括調(diào)節(jié)供給所述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的再循環(huán)廢氣的百分比。
16.一個(gè)內(nèi)燃機(jī)，它包括A.N個(gè)氣缸；B.與所述氣缸連在一起的氣體燃料噴射系統(tǒng)；C.與每一個(gè)所述氣缸相配合的進(jìn)氣管；D.控制所述發(fā)動(dòng)機(jī)工作的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括1)多個(gè)傳感器，所有傳感器均用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)；2)根據(jù)所述傳感器的信號(hào)，用于確定使過量空氣系數(shù)的實(shí)際值λ盡可能接近最佳值λopt所需要最佳燃燒氣缸系數(shù)的裝置；3)用于為了產(chǎn)生所述OFF必須跳躍燃燒的氣缸數(shù)M的裝置；4)用于控制所述發(fā)動(dòng)機(jī)，僅在所述M個(gè)氣缸內(nèi)消除燃燒及供油循環(huán)的裝置。
17.如權(quán)利要求16所述發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述傳感器監(jiān)視a)主要發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力(IMEP)，b)進(jìn)入所述進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)，c)主要進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAP)，其中，確定OFF的所述裝置根據(jù)下述公式計(jì)算所述OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a÷(MAPAMPMAX)]]>這里IMEP max--最大指示平均有效壓力MAP max---最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力a-------衡量所述MAP的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第一經(jīng)驗(yàn)指數(shù)b-------與所述計(jì)量孔流量系數(shù)有關(guān)的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)EGAP由下列公式?jīng)Q定EGAP＝MAP+EBP+j，這里j是一個(gè)與渦輪增壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值在-0.5--+0.5之間。
18.如權(quán)利要求16所述發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于它進(jìn)一步包括渦輪增壓器，后冷卻器，位于所述后冷卻器進(jìn)氣管下游的進(jìn)氣口，使再循環(huán)廢氣(EGR)在沒有可調(diào)節(jié)流計(jì)量孔的情況下進(jìn)入所述進(jìn)氣口的裝置，及具有可調(diào)節(jié)流計(jì)量孔的流量節(jié)流閥裝置，其中，所述步驟(B)包括監(jiān)視a)主要平均有效壓力(IMEP)b)進(jìn)入所述進(jìn)氣管的進(jìn)氣溫度(ACT)c)主要進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAP)d)最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAP max)e)通過所述節(jié)流孔的主要壓降，其中，用于確定OFF的裝置，根據(jù)下述公式計(jì)算所述OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a÷(MAPMAPMAX)(MAPEGAP)b]]>這里IMEPmax--最大指示平均有效壓力MAPmax---最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力a-------衡量所述MAP的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第一經(jīng)驗(yàn)指數(shù)b-------與所述計(jì)量孔流量系數(shù)有關(guān)的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)EGAP由公式EGAP＝MAP+EBP+j確定，這里j為與所述渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值在-0.5巴到0.5巴之間。
19.如權(quán)利要求16所述發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于它進(jìn)一步包括渦輪增壓器，后冷卻器，位于所述后冷卻器下游，在所述進(jìn)氣管內(nèi)的進(jìn)氣口，使再循環(huán)廢氣(EGR)在沒有可調(diào)節(jié)流計(jì)量孔的情況下流入所述進(jìn)氣口內(nèi)的裝置，其中，所述步驟(B)包括測(cè)定a)主要平均有效壓力(IMEP)b)進(jìn)入所述進(jìn)氣管的大氣溫度(ACT)c)主要進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAP)d)最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力(MAPmax)e)進(jìn)入所述進(jìn)氣管的總的混合氣的質(zhì)量(Mtot)，其中，用于確定OFF的裝置，根據(jù)下述公式計(jì)算所述OFFOFF=(IMEPIMEPMAX)(ACT300)(MAP3)a(1+EGRMTOT)c÷(MAPMAPMAX)]]>這里IMEP max--最大指示平均有效壓力MAP max---最大進(jìn)氣管絕對(duì)壓力a--------衡量所述MAP的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第一經(jīng)驗(yàn)指數(shù)Mtot----所述RGR的質(zhì)量與所述總的混合氣的質(zhì)量之比C------衡量所述EGR的變化對(duì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的第二經(jīng)驗(yàn)指數(shù)
20.一種優(yōu)化氣體燃料內(nèi)燃機(jī)過量空氣系數(shù)(λ)的方法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有N個(gè)氣缸，所述方法包括A.確立主要發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，B.確立使實(shí)際值λ盡可能接近最佳值λopt所期望的進(jìn)氣管絕對(duì)壓力C.通過調(diào)整渦輪旁路閥的位置改變進(jìn)氣管絕對(duì)壓力從而改變吸入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，使所述進(jìn)氣管絕對(duì)壓力接近所期望的進(jìn)氣管絕對(duì)壓力。
21.如權(quán)利要求20所述方法，其特征在于它進(jìn)一步包括根據(jù)所述主要發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)確定使所述實(shí)際值λ盡可能接近最佳值λopt所需的燃燒氣缸最佳系數(shù)，確立為了產(chǎn)生OFF而必須跳躍燃燒的氣缸數(shù)(M)，M小于N，僅在所述M個(gè)氣缸內(nèi)取消燃燒及供油循環(huán)。
全文摘要
對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)(Lambda)進(jìn)行優(yōu)化可以提高非節(jié)氣型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。Lambda的優(yōu)化是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的變化,自動(dòng)連續(xù)地選擇燃燒氣缸系數(shù)(OFF)的最佳值,為了獲得在OFF內(nèi)燃燒,取消一個(gè)或幾個(gè)氣缸的燃料供應(yīng),將未使用的燃料分配給OFF,從而將燃燒氣缸內(nèi)的Lambda降到最佳值。另外可以考慮廢氣再循環(huán)(EGR),發(fā)動(dòng)機(jī)速度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)定時(shí)的影響而調(diào)節(jié)最佳Lambda及OFF。
文檔編號(hào)F02D17/02GK1187862SQ96194791
公開日1998年7月15日 申請(qǐng)日期1996年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月16日
發(fā)明者N·約翰·貝克, 克雷西米爾·格伯特, 黃海清 申請(qǐng)人:貴州航空工業(yè)總公司紅林機(jī)械廠, 伺服產(chǎn)品國(guó)際公司