利用多變量發(fā)動(dòng)機(jī)操作控制增強(qiáng)效率及污染物的控制的制作方法
【專利摘要】基于一個(gè)或多個(gè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控操作參數(shù)，一組提供發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性、優(yōu)化的燃料效率和例如氮氧化物、一氧化碳、和未燃燒的碳?xì)浠衔锏奈廴疚锏淖钚‘a(chǎn)量所必需的發(fā)動(dòng)機(jī)工況可被確定。為響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)速度的變化，新的發(fā)動(dòng)機(jī)工況可動(dòng)態(tài)地被實(shí)施，以維持燃燒混合氣和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔內(nèi)受約束的自燃極限、污染物產(chǎn)生率和燃料效率的考慮。相關(guān)的物品、系統(tǒng)以及方法在此被描述。
【專利說明】利用多變量發(fā)動(dòng)機(jī)操作控制增強(qiáng)效率及污染物的控制
[0001]相關(guān)申請
[0002]此申請根據(jù)美國35U.S.C.§ 119(e)和根據(jù)巴黎公約美國之外的國家要求美國臨時(shí)申請案N0.61/501，594和61/501，654的優(yōu)先權(quán)，各自名稱為:“利用發(fā)動(dòng)機(jī)的多變量控制增強(qiáng)效率與氮氧化物控制”和“高效率內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”，兩者都于2011年6月27日遞交。此申請也與共同未決、共有的美國專利申請?zhí)杗0.7559298名為“內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”，與美國專利申請?zhí)朜0.7，098, 581名為“火花塞”的，與國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/027775名為“多模式高效內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”，與共同未決、共有的美國專利申請?zhí)朜0.12/720，457名為“過壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)”，與共同未決、共有的國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/055457名為“具有可變壓縮比的單活塞套筒閥”，與共同未決、共有的國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/05502名為“燃燒混合氣與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載變量的控制”，與共同未決、共有的國際專利申請?zhí)朜0.PCT/US2011/055486名為“對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和其他內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的可變壓縮比率系統(tǒng)及制造和使用方法”。本申請參考引用并入了上述每一個(gè)申請的全部內(nèi)容。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本文描述的主題涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其涉及動(dòng)態(tài)控制，利用一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，可能包括但不限于壓縮率、閥門正時(shí)、點(diǎn)火正時(shí)、點(diǎn)火能量、燃燒混合物濃度和廢氣循環(huán)的變化，以增強(qiáng)效率的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0004]內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)通常用于為機(jī)動(dòng)車輛以及其他應(yīng)用提供動(dòng)力，這些應(yīng)用包括割草機(jī)和其他農(nóng)業(yè)以及園藝設(shè)備、發(fā)電機(jī)、泵馬達(dá)、船只、飛機(jī)以及類似的設(shè)備。對(duì)于機(jī)動(dòng)車的典型的駕駛周期而言，大部分的燃料消耗發(fā)生在車輛的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的低負(fù)載和空載運(yùn)行中。類似地，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的其他使用的特點(diǎn)是更頻繁地在功率輸出的使用，而較少用于提供開放的節(jié)流閥條件。然而，由于機(jī)械摩擦，熱量傳遞，油門調(diào)節(jié)以及其他消極地影響性能的因素，火花點(diǎn)火的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)固有地在高負(fù)載時(shí)具有更高的效率，在低負(fù)載時(shí)效率更低。
[0005]在一些例子中，可以通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮率來改善發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)載效率。壓縮率衡量點(diǎn)火前燃燒混合氣被壓縮的程度，它被定義為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔的擴(kuò)張?bào)w積除以發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔的壓縮體積。例如，壓縮率，CR，可一般定義為:
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 第一次增加物理節(jié)流閥的位置控制從進(jìn)氣口進(jìn)入內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒腔的空氣流量，以響應(yīng)來自發(fā)動(dòng)機(jī)操作人員要求發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率以滿足加于發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載的第一次負(fù)載控制輸入； 在第一次增加期間，向所述燃燒腔提供定量的稀釋劑，所述稀釋劑的量根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載、當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔速度、當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)效率以及當(dāng)前汽油廢氣排放量而計(jì)算； 達(dá)到節(jié)流閥全開位置，即所述物理節(jié)流閥允許最大可能的氣流流量輸入所述燃燒腔時(shí)，結(jié)束所述第一次增加；且 第二次增加一定量的燃料被輸入所述燃燒腔中，當(dāng)為了滿足加于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載所需的所述發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出超過所述物理節(jié)流閥在所述節(jié)流閥全開位置時(shí)所能獲得的最大的發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，，所述第二次增加的燃料量不會(huì)進(jìn)一步超過當(dāng)所述節(jié)流閥全開位置時(shí)被輸入至所述燃燒腔的最大可能的空氣流量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括:在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一個(gè)，自始至終對(duì)壓縮率進(jìn)行第一動(dòng)態(tài)變化，所述第一動(dòng)態(tài)變化至少部分保持穩(wěn)定的所述燃燒混合氣在自自燃極限內(nèi)，避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
3.如權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述提供包括對(duì)一個(gè)或多個(gè)的閥門中的至少一個(gè)運(yùn)行模式進(jìn)行第二動(dòng)態(tài)變化，以增加所述稀釋劑的流動(dòng)以獲得所述稀釋劑的最大數(shù)量和最大所述物理節(jié)流閥的位置，以增加進(jìn)氣口空氣進(jìn)入所述燃燒腔的流量，所述第二動(dòng)態(tài)變化至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述運(yùn)行模式的變化包括對(duì)閥正時(shí)、閥升程和至少一排氣閥門和進(jìn)氣閥門的閥門開啟時(shí)間的變化中的至少一個(gè)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括對(duì)在所述燃燒腔中的空氣-燃料比率進(jìn)行第三動(dòng)態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)最大的燃料效率，或最少的碳?xì)浠衔锏呐欧牛蜃钚〉囊谎趸嫉呐欧?，或最小氮氧化合物的排放中的至少一?xiàng)，并且至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，并且為了所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特定組合避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四動(dòng)態(tài)變化，對(duì)來自一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)火源的點(diǎn)火能量的輸送點(diǎn)火正時(shí)，來自一個(gè)或多個(gè)所述點(diǎn)火源的所述點(diǎn)火能量的輸送持續(xù)時(shí)間，一個(gè)或多個(gè)輸送所述點(diǎn)火能量的所述點(diǎn)火源的數(shù)量，一個(gè)或多個(gè)所述點(diǎn)火源的數(shù)量的位置中的至少一個(gè)進(jìn)行變化，所述點(diǎn)火源輸送所述點(diǎn)火能量直到至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括:確定稀釋劑的最大量，所述確定包括在所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度下，計(jì)算至少被所述燃燒混合氣的自燃極限和最小NOx產(chǎn)物所約束的函數(shù)。
8.如權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述自燃極限被所述燃燒腔中凈平均指示有效壓力(NIMEP)的變異系數(shù)(COV)，0-10%的曲軸旋轉(zhuǎn)表觀放熱角，凈平均指示有效壓力(NIMEP)的最低正規(guī)化數(shù)值(LNV)，以及轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)中的至少一項(xiàng)所確定。
9.如權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述自燃極限被至少下列一項(xiàng)所確定:所述NMEP的所述COV小于約8%，所述0-10%表觀放熱角小于約40°的曲軸旋轉(zhuǎn)，所述NIMEP的所述LNV大于約75%，且所述轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)小于約5%。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括使所述物理節(jié)流閥的位置和所述第一負(fù)載輸入之間非線性相關(guān)。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述整體最大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率在最大功率空氣-燃料比率時(shí)實(shí)現(xiàn)，所述空氣燃料比率包括化學(xué)計(jì)量比和濃于化學(xué)計(jì)量比的比率中的一項(xiàng)。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述稀釋劑包括空氣、冷卻的再循環(huán)廢氣、和未冷卻的再循環(huán)廢氣中的至少一個(gè)。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括:所述第二次增加在一達(dá)到整體最大發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出或者一種或多種NOx、碳?xì)浠衔镆约耙谎趸嫉淖畲笤试S排放限制量時(shí)停止。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括利用燃料輸送系統(tǒng)輸送燃料至所述燃燒腔，所述輸送系統(tǒng)包括至少一種燃料噴射系統(tǒng)和可改變及控制輸送的空氣-燃料比率獨(dú)立于受物理節(jié)流閥控制的進(jìn)氣口的空氣流量的化油器。
15.—種內(nèi)燃發(fā) 動(dòng)機(jī)，包括: 燃燒腔； 進(jìn)氣口 ； 控制流經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入燃燒腔的空氣流量的物理節(jié)流閥；及 主控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)執(zhí)行的操作包括: 第一次增加物理節(jié)流閥的位置，以響應(yīng)第一次負(fù)載控制輸入，該輸入來自發(fā)動(dòng)機(jī)操作人員要求發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率以滿足某一加于發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，以控制從進(jìn)氣口進(jìn)入內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒腔的空氣流量； 在第一次增加期間，向所述燃燒腔提供定量的稀釋劑，所述稀釋劑的量根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載、當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔速度、當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)效率以及當(dāng)前汽油廢氣排放量而計(jì)算； 達(dá)到節(jié)流閥全開位置，即所述物理節(jié)流閥允許最大可能的氣流流量輸入所述燃燒腔時(shí)，結(jié)束所述第一次增加；且 第二次增加一定量的燃料被輸入所述燃燒腔中，當(dāng)為了滿足加于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載所需的所述發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出超過所述物理節(jié)流閥在所述節(jié)流閥全開位置時(shí)所能獲得的最大的發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，所述第二次增加不會(huì)進(jìn)一步超過當(dāng)所述節(jié)流閥全開位置時(shí)被輸入至燃燒腔的最大可能的空氣流量。
16.如權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述操作進(jìn)一步包括:在所述第一次增加和所述第二次增加中的至少一個(gè)，自始至終對(duì)壓縮率進(jìn)行第一動(dòng)態(tài)變化，所述第一動(dòng)態(tài)變化至少部分保持穩(wěn)定的所述燃燒混合氣在自燃極限內(nèi)，避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特別組合提供最大的燃料效率。
17.如權(quán)利要求15和16中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述提供包括對(duì)一個(gè)或多個(gè)的閥門的至少一個(gè)運(yùn)行模式進(jìn)行第二動(dòng)態(tài)變化，以增加所述稀釋劑的流動(dòng)以獲得所述稀釋劑的最大數(shù)量和最大所述物理節(jié)流閥的位置，以增加進(jìn)氣口空氣進(jìn)入所述燃燒腔的流量，所述第二動(dòng)態(tài)變化至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
18.如權(quán)利要求17所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述運(yùn)行模式的變化包括對(duì)閥正時(shí)、閥升程和至少一排氣閥門和進(jìn)氣閥門的閥門開啟時(shí)間的變化中的至少一個(gè)。
19.如權(quán)利要求15至18中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第一次增加和所述第二次增加包括對(duì)在所述燃燒腔中的空氣-燃料比率進(jìn)行第三動(dòng)態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)最大的燃料效率，或最少的碳?xì)浠衔锏呐欧?，或最小的一氧化碳的排放，或最小氮氧化合物的排放中的至少一?xiàng)，并且至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣自燃極限內(nèi)，并且為了所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特定組合避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃。
20.如權(quán)利要求15至19中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第一次增加和所述第二次增加可包括第四動(dòng)態(tài)變化，對(duì)來自一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)火源的點(diǎn)火能量的輸送點(diǎn)火正時(shí)，來自一個(gè)或多個(gè)所述點(diǎn)火源的所述點(diǎn)火能量的輸送持續(xù)時(shí)間，一個(gè)或多個(gè)輸送所述點(diǎn)火能量的所述點(diǎn)火源的數(shù)量，一個(gè)或多個(gè)所述點(diǎn)火源的數(shù)量的位置中的至少一個(gè)進(jìn)行變化，所述點(diǎn)火源輸送所述點(diǎn)火能量直到至少部分保持在自燃極限內(nèi)的一穩(wěn)定燃燒混合氣，以避免所述燃燒混合氣在所述燃燒腔中自燃，并且為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度的任意特定組合提供最大的燃料效率。
21.如權(quán)利要求15至20中任一項(xiàng)所`述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括:確定稀釋劑的最大量，所述確定包括在所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載與所述當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度下，計(jì)算至少被所述燃燒混合氣的自燃極限和最小NOx產(chǎn)物所約束的函數(shù)。
22.如權(quán)利要求16至21中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述自燃極限被至少一項(xiàng)所述燃燒腔中凈平均指示有效壓力(NIMEP)的變異系數(shù)(COV)，0-10%的曲軸旋轉(zhuǎn)表觀放熱角，凈平均指示有效壓力(NIMEP)的最低正規(guī)化數(shù)值(LNV)，以及轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)所確定。
23.如權(quán)利要求16至21中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述自燃極限被至少下列一項(xiàng)所確定:所述NMEP的所述COV小于約8%，所述0-10%表觀放熱角小于大約40°的曲軸旋轉(zhuǎn)，所述NMEP的所述LNV大于約75%，且所述轉(zhuǎn)矩變異系數(shù)小于約5%。
24.如權(quán)利要求15至23中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括使所述物理節(jié)流閥的位置和所述第一負(fù)載輸入之間非線性相關(guān)。
25.如權(quán)利要求15至24中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述整體最大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率在最大功率空氣-燃料比率時(shí)實(shí)現(xiàn)，所述空氣燃料比率包括化學(xué)計(jì)量比和濃于化學(xué)計(jì)量比的比率中的一項(xiàng)。
26.如權(quán)利要求15至25中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述稀釋劑包括空氣、冷卻的再循環(huán)廢氣、和未冷卻的再循環(huán)廢氣中的至少一個(gè)。
27.如權(quán)利要求15至26中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括:所述第二次增加在一達(dá)到整體最大發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出或者一種或多種NOx、碳?xì)浠衔镆约耙谎趸嫉淖畲笤试S排放限制量時(shí)停止。
28.如權(quán)利要求15至27中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括利用燃料輸送系統(tǒng)輸送燃料至所述燃燒腔，所述輸送系統(tǒng)包括至少一種燃料噴射系統(tǒng)和可改變及控制輸送的空氣-燃料比率獨(dú)立于受物理節(jié)流閥控制的進(jìn)氣口的空氣流量的化油器。
29.一種存儲(chǔ)指令的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)被一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生權(quán)利要求1- 15的所述方法。
【文檔編號(hào)】F02B25/08GK103764971SQ201280041625
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月27日
【發(fā)明者】詹姆斯·M·克利維斯, 邁克爾·A·威爾科克斯 申請人:品納科動(dòng)力有限公司