專利名稱：具有逐步氣缸關斷的發(fā)動機控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本申請整體涉及發(fā)動機控制系統(tǒng)，更特別地，涉及具有逐步氣缸關斷的發(fā)動機控制系統(tǒng)。
背景技術：
氣缸關斷是一種使發(fā)動機的一個或多個氣缸中的燃燒減少或完全停止的方法。氣缸關斷被用于輕負載狀況中以提高發(fā)動機效率，或者用于低溫狀況中以提高操作氣缸的溫度并隨后提高發(fā)動機的其余部分的溫度。于1998年10月27日授權予Patel等人的美國專利No. 5826563( ‘563專利)中說明了一種執(zhí)行氣缸關斷的示例性系統(tǒng)。具體來說，‘563專利公開了一種在機車應用中的用于發(fā)電機的高馬力柴油發(fā)動機。當發(fā)動機在諸如怠速的低馬力模式操作時，發(fā)動機進入跳過點燃控制。在跳過點燃控制期間，發(fā)動機的若干氣缸在發(fā)動機軸的單次轉(zhuǎn)動過程中不被供給燃料，使得接收燃料的其他氣缸以更高的功率輸出操作。特別地，當檢測到低馬力模式時，控制單元決定，在任何發(fā)動機軸轉(zhuǎn)動中，多少發(fā)動機氣缸可以被跳過(不供給燃料) 而不會導致發(fā)動機速度受阻或產(chǎn)生過量廢氣排放。在這些限制下，控制單元計算仍然產(chǎn)生維持機車功能所需要的馬力的可以點燃的最少氣缸數(shù)量?？紤]到在任何軸旋轉(zhuǎn)將要點燃的氣缸數(shù)量，控制單元選擇和執(zhí)行氣缸點燃形式，以在每次旋轉(zhuǎn)中將希望數(shù)量的氣缸點燃并且在接下來的旋轉(zhuǎn)中將所有氣缸點燃。雖然‘536專利的系統(tǒng)可能適用于機車應用，但是它在需要產(chǎn)生特性一致的電能的固定發(fā)電應用中可能受到限制。具體來說，氣缸被供給燃料和不供給燃料(跳過)的方式可以對發(fā)動機的輸出以及相關聯(lián)的發(fā)電機產(chǎn)生的電能輸出的相應特性產(chǎn)生很大的影響。 并且，‘536專利所提供的執(zhí)行跳過的方法不能使得在跳過期間的電能輸出保持預期。本發(fā)明的發(fā)動機控制系統(tǒng)旨在克服上述一個或多個問題和/或現(xiàn)有技術的其他問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明涉及一種用于具有多個燃燒室的發(fā)動機的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可以包括與多個燃燒室相關聯(lián)的多個燃料噴射器，以及與多個燃料噴射器中的每個通信的控制器?？刂破髂軌虼_定阻止多個燃燒室的子集被供給燃料的需求?？刂破鬟€能夠選擇性地調(diào)節(jié)多個燃料噴射器以每次阻止子集的一部分被供給燃料，直至已經(jīng)阻止子集的全部被供給燃料。在另一方面，本發(fā)明涉及一種操作發(fā)動機的方法。該方法可以包括將燃料噴射入多個燃燒室中，以及確定阻止多個燃燒室的子集被供給燃料的需求。該方法還可以包括每次選擇性地阻止子集的一部分被供給燃料直至已經(jīng)阻止了子集的全部被供給燃料。


圖1是一種示例性地公開的發(fā)電機組的示意圖；且圖2是示出一種操作圖1的發(fā)電機組的示例性地公開的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1示出一種發(fā)電機組10，其具有被聯(lián)接以機械地轉(zhuǎn)動發(fā)電機14的原動機12，發(fā)電機14向外部負載(未示出)提供電能。在本發(fā)明的公開內(nèi)容中，原動機12被示出和描述為熱機，例如內(nèi)燃機，其燃燒燃料和空氣的混合物以產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)動。本領域技術人員將認識到，原動機12可以是任何類型的燃燒發(fā)動機，例如柴油機、汽油機、或氣體燃料發(fā)動機。發(fā)電機14可以是例如交流感應發(fā)電機、永磁體發(fā)電機、交流同步發(fā)電機或開關磁阻發(fā)電機。 在一種實施方式中，發(fā)電機14可以包括多對電極(未示出)，每對電極具有繞定子(未示出)的周圍布置的三個相位以產(chǎn)生頻率約為50和/或60Hz的交流電。發(fā)電機14產(chǎn)生的電能可以被引導至外部負載，以用于場外用途。原動機12可以包括至少部分地限定多個氣缸18的發(fā)動機缸體16，和連接至發(fā)動機缸體16以形成多個燃燒室28的一個或多個氣缸蓋19。在一個例子中，發(fā)動機缸體16可以包括16個燃燒室28 (僅示出8個)。但是，可以想到，發(fā)動機缸體16也可以包括更多或更少個燃燒室觀，且燃燒室觀可以布置成直列構造、V形構造、或任何其他適合的構造?；钊?0可以可滑動地布置在每個燃燒室28中，以在進氣沖程、壓縮沖程、燃燒或動力沖程、以及排氣沖程的過程中在上止點(TDC)位置和下止點(BDC)位置之間往復運動。 活塞20可以通過多個連桿M操作地連接至曲軸22。曲軸22可以可旋轉(zhuǎn)地設置在發(fā)動機缸體16中并且操作地連接至發(fā)電機14，使得每個活塞20的往復運動導致相連的發(fā)電機14 的相應轉(zhuǎn)動。活塞20在進氣沖程中可以從上止點位置運動至下止點位置以將空氣抽入各自的燃燒室觀中。然后在壓縮沖程期間，活塞20可以返回至上止點位置，從而壓縮空氣。在接近壓縮沖程的結尾和/或在動力沖程的第一部分期間，與每個燃燒室觀相關聯(lián)的燃料噴射器26可以將受壓噴射燃料輸送到燃燒室觀中，并且在一些情況下，受壓噴射燃料可以與壓縮空氣混合并且開始燃燒。當點火時，空氣燃料混合物可以在動力沖程中使得活塞20運動回到下止點位置，活塞20的該向下運動向曲軸22和發(fā)電機14的旋轉(zhuǎn)運動提供動力。然后活塞20可以在排氣沖程期間返回到上止點位置以將廢氣從燃燒室觀推出。燃料噴射器沈可以被設置在氣缸蓋19內(nèi)并且被連接以將燃料噴入燃燒室28。燃料噴射器26可以實施為例如電子致動電子控制單元噴射器、機械致動電子控制噴射器、數(shù)字控制燃料閥或本領域已知的任何其他類型的燃料噴射器。每個燃料噴射器沈可以單獨地、獨立地操作，從而以預定的正時、燃料壓力和燃料流速將一定量的受壓燃料噴入相關聯(lián)的燃燒室28中。發(fā)電機組10的操作可以受到將燃料噴入燃燒室觀的工作中的燃料噴射器沈的數(shù)量影響。即，原動機12的總的(轉(zhuǎn)矩和/或轉(zhuǎn)速)輸出可以是每個氣缸18中的單獨的燃燒事件的結果。因此，當所有燃燒室觀完全操作時(即，當所有燃料噴射器沈工作以向相關聯(lián)的燃燒室觀提供燃料時)，原動機12的總輸出可以由各個燃燒室觀基本同等地貢獻。同樣，當不是所有燃料噴射器26工作以噴射燃料時(即，當一些燃料噴射器沈被阻止提供燃料以使得一些燃燒室28不工作時)，原動機12的總輸出可以僅由相關聯(lián)的噴射器26在工作的那些操作的燃燒室觀貢獻。在后一種情況下，任何一個燃燒室觀所貢獻的總輸出的量可以大于前一種情況下任何一個燃燒室觀所貢獻的總輸出。相應地，在后一種情況下噴入任何一個燃燒室觀的燃料的量也可以大于在前一種情況下噴射的燃料的量以實現(xiàn)相同的總的輸出。在一些情況下，可能希望不是所有的燃燒室觀都操作。這些情況可以對應于，例如，低發(fā)動機速度、低發(fā)動機負載和/或低溫操作。具體來說，在低發(fā)動機速度和/或低負載的情況下，任何一個燃料噴射器26所噴射的燃料的量可以相對的小?？偟膩碚f，當所噴射的燃料的量小于閾值，由于原動機12的附加損失，原動機12的效率可能會下降。在這種情況下，不是所有燃燒室觀都操作以使得噴射的燃料的總量在更少的噴射器26之間分配 (即，使得每個燃料噴射器26噴射更多、更有效率的燃料量)可能是更好的。類似地，在低溫操作期間，由任何一個燃料噴射器26噴射并且在原動機12內(nèi)燃燒的燃料的量可能太少而不足以充分地使原動機12加熱。同樣在這種情況下，不是所有燃燒室觀都操作以使得每個工作的燃料噴射器26噴射更大量的燃料，從而在噴射燃料的燃燒期間更大程度地加熱各自的氣缸18可能是更好的。因此，在一些情況下，可以阻止燃燒室觀的子集操作(即， 阻止燃料噴射器沈的子集噴射燃料)。為了幫助調(diào)節(jié)上述燃料噴射器沈的操作和燃燒室觀的選擇性不工作，控制系統(tǒng) 30可以與發(fā)電機組10相關聯(lián)?？刂葡到y(tǒng)30可以包括與燃料噴射器沈通信的控制器32以及能夠向控制器32提供輸入的一個或多個傳感器34。響應于來自傳感器34的輸入，控制器32可以確定阻止一個或多個燃燒室觀操作的需求，并且響應地調(diào)整燃料噴射器沈的操作以適應原動機12的特定操作狀況。通過這種方式，原動機12的操作可以保持在希望的操作范圍內(nèi)?？刂破?2可以實施為單個或多個微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)等，其包括用于響應于多種輸入控制發(fā)電機組10的操作的裝置。多種商業(yè)上可購買到的微處理器可以被配置為執(zhí)行控制器32的功能。應當理解，控制器32可以容易地實施為與控制發(fā)電機組的其他功能的微處理器相獨立的微處理器，或者控制器32可以與通用發(fā)電機組微處理器集成并且能夠控制發(fā)電機組的多種功能和操作模式。如果與通用發(fā)電機組微處理器相獨立，那么控制器32可以通過數(shù)據(jù)鏈路或其他方法與通用發(fā)電機組微處理器通信。多種其他已知的電路可以與控制器32相聯(lián)，包括電源電路、信號調(diào)節(jié)電路、 致動器驅(qū)動電路(例如向螺線管、馬達或壓電致動器供能的電路)、通信電路和其他適合的電路?？刂破?2可以被配置成確定若干個燃燒室觀不工作(即若干燃料噴射器沈被阻止向相關聯(lián)的燃燒室觀提供燃料)，使得原動機12的性能基本上保持在或返回到希望的操作范圍。在一個例子中，控制器32可以基于傳感器34的信號和/或基于其他輸入引用存儲在存儲器中的一個或多個關系映射。每個映射可以包括表格、圖表和/或等式形式的數(shù)據(jù)集。一種這樣的關系映射可以例如使希望的原動機12輸出(即轉(zhuǎn)矩和/或速度)或希望的發(fā)電機14輸出(即頻率和/或電壓)與必須噴入原動機12并在原動機12內(nèi)燃燒的燃料的量相關。然后，同一或不同的關系映射可以使該燃料量和來自傳感器34的信息與應當操作以噴射燃料量并且仍然保持希望的原動機12效率和/或溫度的若干個燃料噴射器26以及相應的應當停止工作的剩余數(shù)量的燃燒室28 (即燃燒室28的子集)相關。當使燃燒室觀停止工作時(即，當阻止特定的燃料噴射器沈噴射燃料時)，噴入任何一個保持操作的燃燒室觀的燃料的量必須增加以保持相同的機械輸出?？刂破?2可以被配置成在燃燒室觀停止工作的同時且以與停止工作的燃燒室觀成比例的量確定和執(zhí)行增加的燃料供給。在一種實施方式中，在停止工作事件之間可以改變?nèi)紵矣^的子集。例如，在十六氣缸發(fā)動機中，將16個燃燒室觀中的4個或甚至8個選擇性地停止工作是很常見的。 在停止工作事件之間(即在不同次的燃燒室停止工作之間)，控制器32可以選擇不同的燃燒室觀包含在停止工作的燃燒室觀的子集中。這樣，不會有一個燃燒室觀比任何其他燃燒室28明顯地多操作或少操作。因為發(fā)電機14產(chǎn)生的電能的特性(例如頻率、相位和/或電壓)對于原動機12 的操作可能是敏感的，燃燒室觀的停止工作應當以相對逐步的方式執(zhí)行。即，為了幫助維持基本恒定的發(fā)電機14電能輸出，也必須維持基本恒定的來自原動機12的機械輸入。為了幫助維持基本恒定的來自原動機12的機械輸入(即幫助降低原動機12的速度和/或轉(zhuǎn)矩波動)，每次停止工作的燃燒室觀的數(shù)量可以被限制。即，每次燃燒室觀的子集的僅一部分可以停止工作，以給予原動機12充分的時間從停止工作中恢復，使得在停止工作之間原動機輸出基本實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。在一種實施方式在，任何一次停止工作的燃燒室觀的數(shù)量必須限制在一個，燃燒室停止工作之間的時間延遲為約1秒。但是，一旦燃燒室觀的第一子集已經(jīng)停止工作，第二子集必須以更加快速的方式停止工作。在一種實施方式中，第二子集的所有燃燒室觀可以作為一組，大約在燃燒室的第一子集重新開始工作的同時停止工作。例如，在十六氣缸發(fā)動機中，當四個燃燒室觀已經(jīng)停止工作時，另一個四個燃燒室觀的子集可以大約在第一子集的四個燃燒室觀重新開始工作的同時一次性都停止工作。在大多數(shù)情況下，每個子集中的燃燒室觀的數(shù)量可以是大致相同的。當調(diào)整燃料噴射器沈的操作以使得燃燒室觀的子集停止工作時，控制器32可以產(chǎn)生并向燃料噴射器26發(fā)送燃料輸送改變信號。這些信號可以起調(diào)整燃料輸送率、燃料輸送正時、燃料輸送壓力和/或燃料轉(zhuǎn)矩限制的作用。這些燃料輸送改變信號可以根據(jù)本領域已知的原動機控制映射產(chǎn)生，例如軌道壓力映射、正時映射、轉(zhuǎn)矩限制映射等。燃料輸送改變信號可以被發(fā)送至與燃燒室觀的子集相關聯(lián)的那些燃料噴射器26。圖2示出控制系統(tǒng)30執(zhí)行的一種示例性的操作。下面將具體討論圖2以進一步解釋本發(fā)明的概念。工業(yè)實用性雖然特別適用于與發(fā)電相關聯(lián)的原動機，但是本發(fā)明的發(fā)動機控制系統(tǒng)可以適用于本領域已知的任何柴油機、汽油機、氣體燃料發(fā)動機。本發(fā)明的發(fā)動機控制系統(tǒng)可以基于所監(jiān)控的發(fā)動機操作執(zhí)行逐步氣缸關斷，使得發(fā)動機的機械動力輸出可以被一致地保持。 現(xiàn)在將解釋控制系統(tǒng)30的操作。如圖2所示，控制系統(tǒng)30的操作可以通過由傳感器34監(jiān)控原動機12的性能隨著發(fā)電機組10的起動而開始(步驟100)。如前文所述，性能可以包括溫度、速度和/或負載等。控制器32可以從傳感器34接收輸入，并且將輸入與期望性能范圍比較以確定原動機 12的操作是否在規(guī)定內(nèi)(步驟110)。
如果原動機12的性能在期望性能范圍內(nèi)，控制可以返回至步驟100。但是如果原動機12的性能偏離預期的期望性能范圍，控制器32可以確定是否有任何燃燒室觀已經(jīng)停止工作(步驟120)。如果沒有燃燒室28已經(jīng)停止工作，那么控制器32可以確定應當停止工作以使得性能回到期望性能范圍內(nèi)的燃燒室觀的數(shù)量(即燃燒室觀的子集)(步驟 130)。如前文所述，控制器32可以基于來自傳感器34的信號值和原動機12的額定值參照一個或多個關系映射做出決定。然后，控制器32可以確定一次應當使燃燒室觀的子集的多少燃燒室(即子集的什么部分)停止工作(步驟140)。如前文所述，一次停止工作的燃燒室觀的數(shù)量應當被限制，使得原動機12的機械輸出以及因此發(fā)電機14的電能輸出保持基本一致。在一些情況下，子集的部分可以是單個燃燒室觀。然后，控制器32可以使燃燒室觀的子集的部分停止工作，并且在停止工作之間延遲一段時間(步驟150)。在一些應用中，該時間可以是約1 秒。但是，可以想到，如果希望，控制器32可以在執(zhí)行下一次停止工作之前監(jiān)控原動機12 的性能以確定原動機12是否已經(jīng)實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)操作，而不管時間如何(步驟160)。一旦已經(jīng)經(jīng)過時間延遲且/或已經(jīng)觀察到穩(wěn)定狀態(tài)操作，控制器32可以確定包含在子集內(nèi)的所有燃燒室觀是否都已經(jīng)被適當?shù)赝Ｖ构ぷ?步驟170)。如果燃燒室的子集全部已經(jīng)被停止工作，控制可以返回至步驟100。如果還有額外的燃燒室觀需要停止工作， 控制可以返回至步驟150。返回至步驟120，在一些情況下，燃燒室28的一個子集可能已經(jīng)被停止工作，此時控制器32確定必須替代地使另一個子集停止工作。當這種狀況出現(xiàn)時，控制器32可以確定新的停止工作的子集，該新的子集包括燃燒室觀中的不同的燃燒室(步驟180)。然后控制器32可以同時使燃燒室觀的新的子集停止工作，并且使之前停止工作的子集開始工作(步驟190)。在步驟190，所有開始工作的燃燒室觀可以同時開始工作，而所有停止工作的燃燒室觀可以同時停止工作。其原因是，原動機12可能已經(jīng)適應于第一子集停止工作，并且在步驟190期間和完成之后應當繼續(xù)在穩(wěn)定狀態(tài)下操作。所公開的發(fā)動機控制系統(tǒng)可以提供若干優(yōu)點。特別地，因為發(fā)動機控制系統(tǒng)30可能能夠逐步地執(zhí)行氣缸關斷，原動機12的機械輸出可以保持基本一致。并且，原動機12的一致的機械輸出可以導致發(fā)電機14基本一致的電輸出。本領域技術人員將很清楚，對于本發(fā)明的發(fā)動機控制系統(tǒng)可以進行多種修正和變型。根據(jù)所公開的發(fā)動機控制系統(tǒng)的說明書和實踐的考慮，本領域技術人員也將清楚其他的實施方式。說明書和例子僅意于是示例性的，本發(fā)明的真正范圍由權利要求書及其等同范圍表示。
權利要求
1.一種用于具有多個燃燒室08)的發(fā)動機(12)的控制系統(tǒng)(30)，所述控制系統(tǒng)包括多個燃料噴射器(26)，其與所述多個燃燒室相聯(lián)；以及控制器(34)，其與所述多個燃料噴射器中的每個通信，并且能夠 確定阻止所述多個燃燒室的子集被供給燃料的需求；以及選擇性地調(diào)節(jié)所述多個燃料噴射器以每次阻止所述子集的一部分被供給燃料，直至已經(jīng)阻止了所述子集的全部被供給燃料。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中 所述部分是單個燃燒室；所述控制器還能夠在阻止所述子集的一部分被供給燃料之后，在阻止所述子集的另一部分被供給燃料之前延遲一段時間；且所述時間足以使得所述多個燃燒室中正被供給燃料的剩余燃燒室基本實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)操作。
3.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述控制器還能夠在阻止事件之間改變所述多個燃燒室中的哪個或哪些燃燒室被包含在所述子集中。
4.根據(jù)權利要求3所述的控制系統(tǒng)，其中所述子集是第一子集，所述控制器還能夠 確定阻止所述多個燃料室的第二子集被供給燃料的需求；以及選擇性地調(diào)節(jié)所述多個燃料噴射器以阻止所述第二子集的全部被供給燃料以及基本同時開始給所述第一子集的全部供給燃料，其中，被包含在所述第一子集內(nèi)的燃燒室的數(shù)量等于被包含在所述第二子集內(nèi)的燃燒室的數(shù)量。
5.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述控制器還能夠 確定所述多個燃燒室中剩余的操作的燃燒室的增加的燃料供給量；調(diào)節(jié)所述多個燃料噴射器以在選擇性地阻止所述子集被供給燃料的大約同時選擇性地執(zhí)行增加的燃料供給。
6.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，還包括傳感器(34)，所述傳感器能夠監(jiān)控發(fā)動機性能并且產(chǎn)生發(fā)送給所述控制器的表示發(fā)動機性能的信號，其中所述控制器能夠基于所述發(fā)動機性能確定阻止供給燃料的需求。
7.根據(jù)權利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中所述發(fā)動機性能與發(fā)動機溫度和發(fā)動機速度之一相關。
8.一種操作發(fā)動機(1 的方法，包括 將燃料噴入多個燃燒室08)；確定阻止所述多個燃燒室的子集被供給燃料的需求；以及選擇性地一次阻止所述子集的一部分被供給燃料，直至已經(jīng)阻止了所述子集的全部被供給燃料。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中 所述部分是單個燃燒室；所述方法還包括在阻止所述子集的一部分被供給燃料之后，在阻止所述子集的另一部分被供給燃料之前延遲一段時間；以及所述時間足以使得所述多個燃燒室中正被供給燃料的剩余的燃燒室基本達到穩(wěn)定狀態(tài)操作。
10. 一種發(fā)電機組(10)，包括發(fā)電機(14)，其可操作以產(chǎn)生電功率輸出；發(fā)動機(12)，其被連接以驅(qū)動所述發(fā)電機，并且包括多個燃燒室08)；以及根據(jù)權利要求1-7中的任意一項所述的控制系統(tǒng)(30)，其能夠選擇性地控制所述多個燃燒室的操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于具有多個燃燒室的發(fā)動機的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以具有與多個燃燒室相關聯(lián)的多個燃料噴射器，以及與多個燃料噴射器中的每個通信的控制器。控制器能夠確定阻止多個燃燒室的子集被供給燃料的需求，控制器還能夠選擇性地調(diào)節(jié)多個燃料噴射器以一次阻止子集的一部分被供給燃料，直至已經(jīng)阻止了子集的全部被供給燃料。
文檔編號F02D41/30GK102292534SQ200980155273
公開日2011年12月21日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權日2008年12月17日
發(fā)明者B·E·萊頓, C·G·貝亞西, G·L·阿姆斯特朗, J·W·哈里斯, M·J·米勒, M·W·愛德華茲 申請人:卡特彼勒公司