技术领域
[0001] 本
发明总体涉及
内燃机中的扭矩控制，并且更特别地涉及借助燃油质量控制发动机组件中的扭矩。
背景技术
[0002] 许多现代发动机都配备有多个
致动器以实现更好的燃料经济性。然而，由于发动机系统的复杂性不断增加，使得准确地控制
发动机扭矩输出变得更有挑战性。用于此类发动机的扭矩控制方法通常需要很多校准。
发明内容
[0003] 一种发动机组件包括一个具有发动机缸体的内燃机，发动机组设有至少一个
气缸。在所述至少一个气缸中，至少一个
活塞是可移动的。进气
歧管和
排气歧管各
流体地连接到所述至少一个气缸并分别限定
进气歧管压
力(pi)及排气歧管压力(pe)。至少一个进气
阀和至少一个排气阀各自与所述至少一个气缸流体连通并且具有各自的打开
位置和关闭位置。
[0004]
控制器可操作地连接到内燃机上并配置为接收扭矩
请求(TR)。将控制器编程以确定用于所述内燃机扭矩输出所需的燃料质量(mf)。所需的燃料质量(mf)至少部分地基于扭矩请求(TR)、所述进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)及所述至少一个气缸的压力容积(PV)图。通过随着所需的最小校准控制发动机输出扭矩，借助所需的燃料质量(mf)改善了在车辆的功能。
[0005] 确定所需的燃料质量(mf)包括通过控制器获得第一函数(F1)，其作为压力容积(PV)图中多个几何形状的各自几何面积之和。第一函数(F1)是通过公式F1＝(AR+AT1+AT2)获得的，其中AR表示对数标度的压力容积(PV)图中矩形的面积。另外，AT1和AT2表示对数标度的压力容积(PV)图中第一及第二三
角形各自的面积。
[0006] 确定所需的燃料质量(mf)包括获得第二函数(F2)作为第一函数(F1)和扭矩请求(TR)与pi(π)的乘积之和，即F2＝F1+(TR*π)。获得第三函数(F3)作为气缸
余隙容积(Vc)、第二气缸容积(VEVO)和预定第一常数(γ)的函数，即F3＝[1-(VEVO/VC)1-γ]。可基于第二函数(F2)、第三函数(F3)、预定第二常数(η)及预定第三常数(QLHV)，即mf＝F2/(F3*η*QLHV)来获得所需的燃料质量(mf)。
[0007] 发动机组件包括至少一个进气阀和至少一个排气阀，它们各自与气缸流体地连通并且具有各自的打开位置和关闭位置。该气缸限定了多个气缸容积(V)，包括当正关闭(最后)排气阀时的第一气缸容积(VEVC)；当正打开排气阀时的第二气缸容积(VEVO)；当正打开进气阀时的第三气缸容积(VIVO)；和当正打开(最后)进气阀时的第四气缸容积(VIVC)。当发动机配备有多个进气阀(或多个排气阀)时，打开阀时间可定义为当正打开任何进气阀时的时刻，关闭阀时间可定义为关闭所有阀的时刻。
[0008] 矩形(R)的面积(AR)是至少部分地基于进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)、第一气缸容积(VEVC)、第二气缸容积(VEVO)和第三气缸容积(VIVO)。第一三角形(T1)的面积(AT1)是至少部分地基于进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)、第一气缸容积(VEVC)和第三气缸容积(VIVO)。第二三角形(T2)的面积(AT2)是至少部分地基于进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)、第二气缸容积(VEVO)和第四气缸容积(VIVC)。
[0009] 从以下结合
附图对实施本发明的最佳方式进行的详细描述中能够很容易了解到本发明的上述特征和优点和其他特征和优点。
附图说明
[0010] 图1是车辆的示意性局部视图，其包括具有至少一个气缸的发动机组件，该气缸具有至少一个活塞、至少一个进气阀和至少一个排气阀；
[0011] 图2是一种控制图1所示发动机扭矩的方法的
流程图；
[0012] 图3是图1所示气缸的示例性对数标度的压力容积(PV)图；
[0013] 图4是当存在正阀
门重叠(在关闭排气阀前打开进气阀)时图1所示气缸的示例性对数标度的压力容积(PV)图；
[0014] 图5是当进气阀打开时的气缸容积小于当排气阀关闭时的气缸容积时(VIVO＜VEVC)，TDC(
上止点)周围的示例性对数标度的压力容积(PV)图；
[0015] 图6是当进气阀打开时的气缸容积大于当排气阀关闭时的气缸容积时(VIVO＞VEVC)，TDC(上止点)周围的示例性对数标度的压力容积(PV)图；
[0016] 图7是当进气阀关闭时的气缸容积大于当排气阀打开时的气缸容积时(VIVC＞VEVO)，BDC(
下止点)周围的示例性对数标度的压力容积(PV)图；以及
[0017] 图8是当进气阀关闭时的气缸容积大于当排气阀打开时的气缸容积时(VIVC＜VEVO)，BDC(下止点)周围的示例性对数标度的压力容积(PV)图。
具体实施方式
[0018] 参照附图，其中相同的参考数字指代相同的部件，图1示意性地示出了具有发动机组件12的车辆10。发动机组件12包括一个内燃机14，在本文中称为发动机14，用于燃烧空气-燃料的混合物以产生输出扭矩。发动机组件12包括与发动机14流体连通的进气歧管16。进气歧管16可被配置为从大气中接纳新鲜空气。进气歧管16流体地联接至发动机14，并且能够将空气引向发动机14。发动机组件12包括与发动机14流体连通、并能够从发动机14接纳废气的排气歧管18。
[0019] 参照图1，发动机14包括具有至少一个气缸22的发动机缸体20。气缸22具有限定了缸膛26的内气缸表面24。缸膛26沿膛轴28延伸。膛轴28沿着缸膛26的中心延伸。活塞30位于气缸22内。活塞30被配置成在发动机循环期间沿膛轴28在气缸22内移动或往复运动。
[0020] 发动机14包括枢转地连接到活塞30的杆32。由于杆32和活塞30之间的枢转连接，当活塞30沿膛轴28移动时，杆32相对于膛轴28的方位发生改变。杆32枢转地联接到
曲轴34。因此，杆32的移动(是由活塞30的移动引起的)使得曲轴34绕其中心36旋转。
紧固件38，例如销，可移动地将杆32联接到曲轴34上。曲轴34限定了在曲轴34的中心36和紧固件38之间延伸的
曲柄轴40。
[0021] 参照图1，从膛轴28到曲柄轴40限定了一个曲柄角42。当活塞30沿着膛轴28往复运动时，由于曲轴34绕其中心36旋转，使曲柄角42发生改变。因此，活塞30在气缸22中的位置能够用曲柄角42来表示。活塞30能够在气缸22内的上止点(TDC)位置(即当活塞30顶部位于线41时)和下止点(BDC)位置(即当活塞30顶部位于线43时)之间移动。TDC位置是指活塞30离曲轴34最远的位置，而BDC位置是指活塞30离曲轴34最近的位置。当活塞30处于TDC位置(见线41)时，曲柄角42可以是零(0)度。当活塞30处于BDC位置(见线43)时，曲柄角42可以是一百八十(180)度。
[0022] 参照图1，发动机14包括与进气歧管16和气缸22都流体连通的至少一个进气口44。进气口44允许气体(例如空气)从进气歧管16流入缸膛26。发动机14包括至少一个进气阀
46，其能够控制进气歧管16和气缸22之间的气体流动。每个进气阀46被部分地设置在进气口44中，并能够相对于进气口44沿双箭头50指示的方向在关闭位置48和打开位置52(虚线所示)之间移动。当进气阀46位于打开位置52时，气体(例如空气)从进气歧管16通过进气口
44流入到气缸22。当进气阀46处于关闭位置48时，气体(例如空气)被阻止通过进气口44在进气歧管16和气缸22之间流动。第一
凸轮相位器54可以控制进气阀46的移动。
[0023] 参照图1，发动机14可以从燃料源56接收燃料。燃料的注入可以用本领域技术人员已知的任何类型的注入器，在发动机14中的任何位置进行，例如，端口燃料注入和直接注入。如上所述，发动机14能够燃烧空气-燃料的混合物，从而产生废气。发动机14还包括至少一个与排气歧管18流体连通的排气口58。排气口58也与气缸22流体连通，并且流体地互连排气歧管18和气缸22。因此，废气能够通过排气口58从气缸22流到排气歧管18。
[0024] 发动机14还进一步包括至少一个排气阀60，其能够控制气缸22和排气岐管18之间的废气流动。每个排气阀60被部分地设置在排气口58中，并能够相对于排气口58沿双箭头66指示的方向在关闭位置62和打开位置64(虚线所示)之间移动。当排气阀60处于打开位置
64时，废气从气缸22通过排气口58流入到排气歧管18。当排气阀60处于关闭位置62时，废气被阻止通过排气口58在气缸22和排气歧管18之间流动。第二凸轮相位器68可以控制排气阀
60的移动。此外，第二凸轮相位器68可以相对于第一凸轮相位器54独立地操作。
[0025] 参照图1，发动机组件12包括一个控制器70，其可操作地连接到发动机14或与之进行
电子通信。控制器70被配置为接收扭矩请求(TR)。参照图1，控制器70包括至少一个处理器72和至少一个
存储器74(或任何非暂态、有形计算机可读存储介质)，其上记录有指令，用于如图2所示执行方法100，以基于所需的燃料质量(mf)控制发动机组件12中的扭矩。存储器74可以存储控制器可执行指令集，而处理器72可以执行存储在存储器74中的控制器可执行指令集。
[0026] 图1的控制器70被专门编程以执行(如下文结合图2所详细讨论的)方法100的步骤，并且可以接收各种
传感器的输入。例如，发动机组件12可包括与进气歧管16和控制器70通信(例如电子通信)的第一
压力传感器76，如图1所示。第一压力传感器76能够测量进气歧管16中气体(例如空气)的压力(即，进气歧管压力)并发送输入
信号到控制器70。控制器70可以基于从第一压力传感器76发来的
输入信号测定进气歧管压力。发动机组件12可包括在与进气歧管16和控制器70进行电子通信的质量空气流量(MAF)传感器(未示出)。
[0027] 发动机组件12可包括与控制器70和排气歧管18通信如电子通信)的第二压力传感器78，如图1所示。第二压力传感器78能够测量排气歧管18中气体的压力(即，排气歧管压力)并发送输入信号到控制器70。控制器70可以基于从第二压力传感器78发来的输入信号测定排气歧管压力。此外，控制器70可以被编程以基于其他方法或传感器而不利用第二压力传感器78来测定排气歧管压力。排气歧管压力可通过本领域技术人员已知的任何方法或机制进行估计。控制器70也与第一和第二凸轮相位器54，68通信，因此可以控制进气和排气阀46，60的操作。
[0028] 参照图1，曲轴传感器80可操作以监测曲轴旋转位置，即曲柄角和速度。可以采用第三压力传感器82获得该至少一个气缸22的气缸内燃烧压力。第三压力传感器82可以由控制器70监控，以确定每个燃烧循环内各气缸22的净有效压力(NMEP)。
[0029] 现在参照图2，示出了图1的控制器70上存储和可执行的方法100的流程图。方法100被用以基于所需的燃料质量(mf)控制发动机组件12的扭矩。方法100不需要按照本文中列举的特定顺序进行应用。此外，应当理解，某些步骤可以去掉。控制器70被配置成利用所需的燃料质量(mf)控制发动机14产生的扭矩。所需的燃料质量(mf)至少部分地基于该扭矩请求(TR)、进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)和至少一个气缸22的压力体积(PV)图(如图3的示意图200)。
[0030] 图2的方法100可应用于具有均质充量
压缩点火(本文中称为“HCCI”)模式的发动机14中。HCCI模式是内燃机的一种形式，其中充分混合的燃料和
氧化剂(例如空气)被压缩至自动点火的点。在HCCI模式下，燃料在
进气冲程中注入。空气燃料混合物的
密度和
温度通过HCCI模式中的压缩过程升高，直到整个混合物自发产生反应，而不是使用放电或火花来点燃混合物的一部分。HCCI模式可以用于贫
空燃比下的操作，因为自动点火燃烧由于低的峰值燃烧温度具有低的发动机输出氮氧化物
排放量。然而，由于自动点火燃烧强烈地依赖于气缸22中的温度、压力和空气-燃料混合物的组合物，因此火花定时不可再用于控制燃烧相位。
[0031] 参照图2，方法100可以开始于方框102，其中控制器70被编程或配置以获得第一函数(F1)，其作为对数标度压力容积(PV)图中多个几何形状的各自几何面积之和。第一函数(F1)可以获得为：
[0032] F1＝(AR+AT1+AT2)。(1)
[0033] 其中AR是图4的对数标度压力容积(PV)图中矩形(R)的面积。另外，AT1和AT2是图5-8的对数标度压力容积(PV)图中第一和第二三角形(T1，T2)各自的面积。
[0034] 图3至图8是在进气阀46和排气阀60各种位置处的示例性对数标度压力容积(PV)图。在图3-8的各图中，纵轴表示气缸22中压力的对数(图3中表示为“LP”)，横轴表示气缸22体积的对数(图3中表示为“LV”)。
[0035] 矩形(R)的面积(AR)可从图4获得。第一和第二三角形(T1，T2)的面积(AT1，AT2)可以分别从图5-6和7-8获得。该第一函数(F1)表示由气缸22做的功。参照图3，平行四边形(图3中表示为“A”)的面积表示假设一个多变压缩和延伸的情况下，当进气阀46的关闭和排气阀60的打开定时相对于气缸22的下止点(BDC)(由线43表示)对称时由气缸22做的指示性功。
图3中标号202表示燃烧的结束(EOC)，其在本
专利申请中被假设为与燃烧的开始(SOC)是相同的。
[0036] 气缸22限定了随着进气阀46和排气阀60的各自关闭和打开而变化的多个气缸容积(在图1中标示为“V”)。多个气缸容积(V)包括：当正关闭(最后)排气阀60时(向位置62移动)的第一气缸容积(VEVC)；当正打开排气阀60时(向位置64移动)的第二气缸容积(VEVQ)；当正打开进气阀46时(向位置52移动)的第三气缸容积(VIVO)；和当正关闭(最后)排气阀46时(朝位置48移动)的第四气缸容积(VIVO)。当发动机14配备有多个进气阀46(或多个排气阀60)时，打开阀时间可定义为当正打开任何进气阀时的时刻，关闭阀时间可定义为关闭所有阀的时刻。气缸容积(V)可以通过使用已知滑
块曲柄公式、曲轴34的位置(通过曲柄传感器
80)以及第一和第二
凸轮轴54、58各自的位置(分别通过第一和第二
位置传感器53、67)来确定。气缸压力(气缸内燃烧压力)可以使用第三压力传感器82来测定。
[0037] 如上所述，矩形(R)的面积(AR)可从图4得出。当排气阀60关闭(EVC，由图4至图6中标号210标示)的时刻晚于或等于进气阀46打开(IVO，由图4至图6中212标示)(即正阀门重叠)的时刻时，图4中矩形(R)的面积(AR)表示
泵送工作量。如下述公式(2)所示，矩形(R)的面积(AR)至少部分地基于进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)、第一气缸容积(VEVC)、第二气缸容积(VEVO)和第三气缸容积(VIVO)：
[0038]
[0039] 参考图4至图7，排气歧管压力(pe)的对数通过线205标记，进气歧管压力(pi)的对数通过线206标记。如上所述，第一三角形(T1)的面积(AT1)可以从图5-6获得。当排气阀60关闭时刻(这里称为“EVC”)早于进气阀46打开时刻(这里称为“IVO”)(即，负阀门重叠)且(VIVO＞VEVC)或反之亦然，第一三角形(T1)的面积(AT1)表示泵送工作量。在图5中，负阀门重叠(当EVC早于IVO时)，在IVO下的气缸容积小于在EVC下的气缸容积(VIVO＜VEVC)。在图6中，负阀门重叠(当EVC早于IVO时)，在IVO下的气缸容积大于在EVC下的气缸容积(VIVO＞VEVC)。第一三角形(T1)的面积(AT1)可以表示如下：
[0040]
[0041] 参考图7-8，示出了当进气阀46关闭(这里称为“IVC”，208)的时刻和排气阀60开启(这里称为“EVO”，204)的时刻相对于BDC不对称时的示例性对数标度PV图。第二三角形(T2)的面积(AT2)可以从图7-8获得。第二三角形(T2)的面积可以表示如下：
[0042]
[0043] 如上述公式(3)所示，第一三角形(T1)的面积(AT1)部分地基于进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)、第一气缸容积(VEVC)和第三气缸容积(VIVO)。如公式(4)所示，第二三角形(T2)的面积(AT2)部分地基于进气歧管压力(pi)、排气歧管压力(pe)、第二气缸容积(VEVC)和第四气缸容积(VIVO)。
[0044] 接下来，在图2的框104中，控制器70编程或配置为获得作为第一功能(F1)和扭矩请求(TR)与π的乘积之和的第二功能(F2)，使得：
[0045] F2＝F1+(TR*π)。(5)
[0046] 该扭矩请求(TR)可以响应操作者输入或由控制器70监测的自动启动条件。控制器70可以配置为接收来自操作者的输入信号(比如通过
油门踏板84和
刹车踏板86)以确定扭矩请求(TR)。
[0047] 在图2的框106中，控制器70编程或配置为部分地基于气缸余隙容积(Vc)、当排气阀60打开时的第二气缸容积(VEVO)和预定第一常数(γ)来获得第三功能(F3)，即：
[0048] F3＝[1-(VEVO/VC)1-γ]。(6)
[0049] 如本领域技术人员所理解，气缸余隙容积(Vc)是当活塞30的顶部处于上止点(TDC)时的气缸22的容积(如线41所示)。气缸余隙容积在图3-6中标示为“Cv”。最大气缸容积在图7-8中标示为“Mv”。预定第一常数(γ)为多变系数。在非限制性实例中，预定第一常数(γ)为约1.4。
[0050] 在图2的框108中，控制器70编程或配置为部分地基于第二功能(F2)、第三功能(F3)、预定第二常数(η)和预定第三常数(QLHV)来获得所需的燃料质量(mf)，即：
[0051] mf＝F2/(F3*η*QLHV)。(7)
[0052] 控制器70可以将预定第一、第二和第三常数存储在存储器74中。预定第三常数(QLHV)为燃料的低热值。在非限制性实例中，预定第三常数(QLHV)介于44MJ/kg和46MJ/kg之间。预定第二常数(η)为燃烧效率的测量值且可以设为从校准数据中获得的燃烧效率的平均值。
[0053] 一旦燃烧
稳定性得到保证，那么从式(7)获得的所需的燃料质量(mf)可被直接应用于发动机14。在HCCI模式中，在贫空燃比的范围内，在给定操作条件下，自动点火发生。因此，可以对所需的燃料质量进行修整/缩小，以便在自动点火得以保证的空燃比范围内。在气缸22中注入的最终的燃料质量(mffinal)可以按如下确定，其中mfmax和mfmin分别是在给定操作条件下用于稳定的自动点火燃烧的最大燃料界限和最小燃料界限。
[0054]
[0055] 总而言之，对所需的燃料质量(mf)加以调整以产生与扭矩请求(TR)相对应的发动机扭矩。控制器70(和方法100的执行)通过控制需要最小校准的复杂发动机系统的扭矩输出改善了车辆的运行。图1的控制器70可以是可操作地连接到车辆10的其他控制器(如发动机控制器)的单独模块的集成部分，或者可以是可操作地连接到车辆10的其他控制器(如发动机控制器)的单独模块。车辆10可以是任何载客
汽车或商务汽车，如混合动力
电动车辆，包括插入式混合动力电动车辆、增程式电动车辆或其他车辆。车辆10可采取多种形式且可包括多个和/或可选的部件和设备。
[0056] 控制器70包括计算机可读介质(也被称作处理器可读介质)，其包括参与提供可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂态(例如，有形的)介质。这样一种介质可采取多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。例如，非易失性介质可包括光盘或磁盘以及其他持久存储器。例如，易失性介质可包括动态随机
访问存储器(DRAM)，其可构成主存储器。这些指令可由一个或多个传输介质传输，包括同轴线缆、
铜线以及光纤，包括包含耦接到计算机处理器的
系统总线的线缆。一些形式的计算机可读介质包括例如
软盘片、软盘、
硬盘、磁带、任何其他
磁性介质、CD-ROM、DVD、其他任何光学介质、穿孔卡、纸带、带有穿孔图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、快闪-EEPROM、任何其他存储芯片或存储盒、或计算机可以读取的任何其他介质。
[0057] 本文描述的查找表、
数据库、数据储存库或其他数据存储可包括用于存储、访问和检索各种类型数据的各种类型机制，包括层级数据库、文件系统中的文件集、专用格式的应用数据库、关系
数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储可包括在采用诸如上述计算机
操作系统中的一个计算机操作系统的计算机设备内，并且可以经由网络以多种方式中的一种或多种方式访问。文件系统可以从计算机操作系统访问，并且可以包括以各种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑和执行所存储过程的语言之外，RDBMS可采用结构化查询语言(SQL)，如上文所述的PL/SQL语言。
[0058] 虽然具体实施方式和附图或视图支持并描述本发明，但是本发明的范围仅由
权利要求书限定。虽然已经详细描述了用于实现所要求保护的公开内容的一些最佳方式和其他
实施例中，但是存在用于实施所附权利要求书中限定的公开内容的各种可替换的设计和实施例。此外，在附图中所示的实施例或在本
说明书中提到的各种实施例的特征不一定被理解为彼此独立的实施例。而是，在一个实施例的各实例中的一个内所描述的每一个特征都可以与其他实施例的一个或多个其他所需特征相结合，这样不再以文字形式或参照附图描述其他实施例。因此，这些其他实施例落在所附权利要求书的范围的
框架内。
