1.发明领域

本发明涉及内燃机控制，更确切地说，涉及通过跳跃燃烧来优化气体燃料内燃 机过量空气比的一种方法及装置。

2.有关技术讨论

不难看出，近几年来把气体燃料作为压燃式发动机的主要燃料的要求不断提 高。诸如丙烷或天然气此类的气体燃料被认为比柴油以及诸如此类的燃料好得多， 因为气体燃料通常比较便宜，并可在行驶相同或更长里程的条件下提供相同或更 大的动力，而且废气排放明显减少。尤其是最后一点使气体燃料更具吸引力，因为 世界范围内已经颁布的以及正在制定中的法规可能趋向于禁止使用柴油燃料作 为许多种发动机的主要燃料。同时目前的压缩燃烧式发动机的设计能够容易地燃 烧这些气体燃料的这一性能又使气体燃料更具吸引力。

气体燃料的一个缺点是它的过量空气系数或Lambda(定义为供给燃烧的总的 空气量与燃烧所有燃料所需要的空气量之比)的范围相对较窄。在许多燃料中，如 果Lambda降低到最低限度以下，那么NOx及其它排放物将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时，发动机将产生燃烧不良现象， 导致过量的不期望的排放，并且剧烈的降低热效率。因此，通过对内燃机燃烧的优 化控制将Lambda维持在一个允许范围内并使其达到最佳值是极其重要的。

Lambda控制对气体燃料发动机是极其关键的。柴油发动机的Lambda的可使 用范围极为广泛，从满负荷时的大约1.3到怠速时的10。此类发动机很少要求 Lambda控制。另一方面，参考图1中的曲线11，12，13(图示分别是在 1500RPM，1800RPM和2500RPM时Lambda的值)。在喷入少量引燃燃油的发动机 中，其预发混合的空气/燃气混合气是通过压缩点燃分布在其内的引燃燃料来点燃 的，它的可使用的Lambda范围非常窄(大约为1.2到3.0)。对火花点火发动机而 言这个范围将减小，即：从1.2到1.6。气体燃料发动机Lambda控制的临界状态如 图2所示，图中的曲线21表示在火花点火和压缩点火气体发动机上，当Lambda大 约为1.1时，NOx排放最高，当Lambda值大于1.3时NOx显著下降。相应地，最小 可使用值约为1.2。在火花点火的气体燃料发动机上，当Lambda大于大约1.6时， 其热效率由于点火不良原因而显著下降，如曲线23所示)，为保证发动机的有效工作， 要求Lambda保持在一个非常小的范围内。曲线22表示对于压缩点火气体发动机 而言通过减小Lambda值来维持热效率的作用并不那么重要，但是当Lambda达到 约3.0最大值(图2中未示出)时，对防止点火不良仍然具有十分重要的作用。

在卡特匹勒3406B无跳跃燃烧的天然气/柴油双燃料发动机上的试验表明了 低负荷运行的不利影响。将图4中曲线41与44相比，可以看出，与满负荷工作相同 发动机相比，这种双燃料发动机在半负荷及高转速时的燃油效率下降了10％或更 多，而仅用柴油的发动机的效率基本保持不变(见图43及44)。同样，在低负荷时，双 燃料发动机的HC碳氢化合物的排放为90g/hp-hr或5000BTU/hp-hr(曲线51)，这个 值是让人不能接受的，且CO一氧化碳的排放为25g/hp-hr(曲线52)，其值也是相对较 高的。另一方面，只用柴油的发动机的相应指标相对较低。如图中的曲线53和54 所示。

尽管Lambda控制的一些潜在的有利影响或多或少已经为人们所知，但是还没 有控制Lambda的有效装置。使用预先混合的空气和燃气的气体燃料发动机的空 气进气量和Lambda通常采用一个与汽油发动机相同的节气门来控制，由于节气对 进气系统产生压力损失，所以节气门的效率较低并且在满负荷及怠速状态时大大 减少发动机的热效率。所以节气型发动机怠速时的燃料消耗大约为非节气型发动 机的两倍。

在内燃机上大量减少或消除节气损耗的一项技术，是通过有选择地取消发动 机的一些气缸的燃料供给燃烧，从而消除这些燃烧循环(有时称为跳跃燃烧)，并将 切断的燃料加到仍然燃烧的气缸内。为提高发动机性能，该技术已在先有技术上得 到使用，并已有系统进行了大量的描述。但是，所有已为人所知的跳跃燃烧控制方 案的先有技术并未将Lambda控制考虑进去。

如早在本世纪初，跳跃燃烧已被广泛地用于优化发动机性能。在二十世纪初， 几乎所有的固定单缸四冲程发动机均是非节流型，并采用跳跃燃烧来调节。吸入的 混合气是预先混合的燃料和空气混合气并保持在一个基本恒定的Lambda值，在吸 气冲程期间，气缸内的真空打开了弹簧回位单向阀结构的进气阀，使混合气吸入气 缸。发动机的功率输出及速度由一个调节器控制，在超速状态下，该调节器使排气 阀始终打开，因此再次吸入排出的废气，同时防止进气阀打开从而导致跳跃燃烧。 在低速状态下，排气阀正常工作，使发动机在每次循环中吸入充足的油气混合气。 因此，每次燃烧都是在全功率及恒定的Lambda值状态下，直到再次超过所调速 度。因此，可以看出，在早期的系统中跳跃燃烧控制只是纯机械性，并未考虑Lambda 的控制，其唯一的目的是控制发动机的速度和功率。

这种跳跃燃烧已在美国授予皮拉斯的2771867号专利、授予福斯特的4504488 号专利和授予贝克的33270号专利中公开。而这些专利尤其是福斯特的专利中的 控制策略，在某种程度上来讲是很复杂的。这种对气缸跳跃数的选择标准仅仅为负 荷的函数，而不是Lambda的函数。在SAE930497和940548号论文中公开的控制 策略与之基本相同。

又如通用汽车公司七十年代末期生产的8，6，4跳跃燃烧式凯迪拉克发动机，采 用了进气阀的机电激活作用。该系统中气缸的激活作用也只取决于负荷而与 Lambda无关。底特律柴油机公司的6V92柴油/天然气双燃料发动机也使用跳跃 燃烧，但是对跳跃气缸数的选择是相当随意的，并未采用专用装置来优化 Lambda。从图3中的曲线31和33可以看出，这种系统的燃油经济性与原型柴油发 动机的燃油经济性相比要差得多。另一方面，相对而言其功率也不受跳跃燃烧的影 响(见曲线33)。

本发明的发明人在过去也进行过跳跃燃烧的试验，但却未尝试过Lambda控 制。除采用贝克专利中所描述的控制策略的试验外，他们同样也研究过跳跃燃烧对 节气型，火花燃烧的GM4.3 V-6涡轮增压天然气燃料发动机怠速燃料消耗的影 响。如图6a，6b中的61-66，这些实例表明，在无负荷的情况下，跳跃燃烧多点喷射系 统的THC(总的碳氢化合物排放)和燃料经济性与无跳跃燃烧的多点或单点喷射系 统相比，有明显的改进。尽管该系统也使用了跳跃燃烧，但其功能是用于通过减少 进气管真空度和增加进气管压力来使其效率最大化。而不是按系统设计来控制 Lambda。因此燃烧气缸最佳系数(又称OFF)的选择取决于负荷命令。另外，在此 系统中及几乎上述其它系统中，忽略了由于跳跃燃烧而引起的Lambda的变化，因 为这些系统的Lambda由节气阀和气体燃料率控制而不是由跳跃燃烧控制。

上述讨论表明，尽管先有技术已经有了跳跃燃烧技术，但并未怎样选择最佳燃 烧气缸来控制Lambda的策略。本发明者现在认识到可以优化Lambda并且发动 机性能能够通过由Lambda控制系统通过跳跃燃烧来显著提高。

本发明的目的及概述

本发明的目的是提供一种根据发动机的工作参数自动且连续选择燃烧气缸 的最佳系数(OFF)的方法，从而优化过量空气系数，即Lambda。

在实际应用中，采用跳跃燃烧的Lambda控制要求有一种可以取消向一个或多 个气缸的燃料供给，并将未使用的燃料分配到仍然燃烧的气缸中去，从而减小非节 气型发动机的燃烧气缸中的Lambda的装置。因此这个目的可通过下述方法来实 现，即首先查明发动机的主要工作状态，并根据发动机的工作状态，确定燃烧时的实 际Lambda值λ，尽可能接近最佳值(λOPT)所需要的燃烧气缸最佳系数OFF，然后决 定为了产生OFF的气缸数(M)，M比气缸总数N少，然后仅在M个气缸内取消燃烧 和供油循环。

除燃料要求和空气密度的影响外，其它参数可能独立影响燃烧及Lambda最佳 值的选择。因此，对更精确的控制，需要根据MAP，EGAP，ACT，EGR及RPM对最佳 Lambda及OFF做进一步的调节。为了容易适应电子控制，采用了简单比率及倍率 指数。

如果发动机的工作没有采用废气再循环(即EGR)，那么最好的方法是首先查明 a.主要指示平均有效压力(IMEP)，b.最大指示平均有效压力(IMEPMAX)，c.进入进气 管的大气温度(ACT)，d.主要进气管的绝对压力(MAP).e.最大进气管绝对压力 (MAPMAX)，f.用于衡量MAP的变化对发动机性能的影响经验指数(a)。因此OFF可 根据下式算出： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a÷\left(\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)$

本发明的另一个目的是提供一种具有上述特性并适用于具有使再循环废气 (EGR)从排气管流到进气管的废气再循环发动机的方法。

在EGR与可调限流计量孔同时使用的情况下，最好的方法为首先确定：a.主要 指示平均有效压力(IMEP)，b.最大指示平均有效压力(IMEPMAX)，c.进入进气管的 大气温度(ACT)，d.主要进气管的绝对压力(MAP).e.最大进气管绝对压力 (MAPMAX)，f.用于衡量MAP的变化对发动机性能影响的经验指数″a″，g.与计量孔 流量系数有关的第二经验指数″b″，h.主要排气绝对压力EGAP，EGAP可以直接通 过使用一个EGAP传感器来感受或者根据公式EGAP＝MAP＋EBP＋j来确定，式中 EBP为通过计量孔的压降，j为与涡轮增压器结构有关的经验系数，其值在-0.5-0.5 巴之间。那么OFF可以根据下式求得： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a÷\left(\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{\mathrm{EGAP}}\right)}^b$

在仅使用EGR而没有可调节流计量孔的情况下，最好的方法是首先查明：a.主 要指示平均有效压力(IMEP)，b.最大指示平均有效压力(IMEPMAX)，c.进入进气管 的大气温度(ACT)，d.主要进气管的绝对压力(MAP)，e.最大进气管绝对压力 (MAPMAX)，f.排气绝对压力(EGAP)，g.用于衡量MAP的变化对发动机性能的影响 的第一经验指数(a)，h.允许进入进气管的总的混合气的质量(MTOT)，i.一个与EGR 的质量与总混合气(MTOT)的比相等的值，j.衡量EGR的变化对发动机性能影响的第 二经验指数(c)。这样OFF可根据下式算出： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a{(1+\frac{\mathrm{EGR}}{M_{\mathrm{TOT}}})}^c÷\left(\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)$

本发明的另一目的是提供一种方法，该方法具有上述一种或几种特性，可以调 节点火定时，发动机速度和EGR等一个或多个参数。

本发明的另一目的是提供一种通过减少有效压缩比来控制燃烧和爆燃的优 化Lambda的方法。

按照本发明的另一方面，这个目的可以通过将点火定时延长到上死点(TDC)之 后来获得。

本发明的另一个目的是提供一种内燃机，该内燃机具有一些根据发动机工作 参数用于自动且连续地选择燃烧气缸最佳系数(OFF)从而优化过量空气系数 Lambda的一些装置。

按照本发明的另一方面，该目的可以通过提供一种内燃机来实现，该内燃机具 有N个气缸，与N个气缸相关联的气体燃料喷射系统，与每个气缸相连接的进气管 和控制发动机工作的控制系统。该控制系统包括：a.一些传感器，每个传感器用于监 视发动机的工作状态，b.一些用于根据传感器的信号，确定使实际值λ尽可能等于 最佳值λOPT所要求燃烧的气缸最佳系数(OFF)的装置，c.用于确定为了产生OFF必 须跳跃燃烧的气缸数(M)，M应小于N，d.用于控制发动机仅在M个气缸内消除燃 烧和供油循环的装置。

这些传感器最好监视主要指示平均有效压力(IMEP)，进入进气管的空气温度 (ACT)以及主要进气管绝对压力(MAP)，这个装置可根据下式计算OFF： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a÷\left(\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}\right),$ 上式中：

IMEPMAX＝最大指示平均有效压力

MAPMAX＝最大进气绝对压力

″a″为衡量MAP变化对发动机性能影响的经验指数。

必要时，上式还可以改进将废气再循环的影响考虑进去。

本发明的其它目的，特点及优点将在下面具体例子的详细描述及附图中得到 体现，但是，需要说明的是，为了说明本发明给出的详细描述及特例仅仅是为了说明 而不仅限于此，只要不偏离本发明的精神，在本发明的范围内可以有许多更改和改 进，本发明包括所有这些改进。

附图的简要描述

优先推荐的具体装置如附图所示。其中，标号代表所指零件，其中：

图1为压缩点活气体燃料发动机和火花点火气体燃料发动机的可接受的 Lambda范围图。

图2为Lambda的变化对发动机性能影响图。

图3为未考虑Lambda控制的使用柴油/天然气燃料的先有技术发动机的功率 及燃料经济性与速度的关系图。

图4和5为其它无跳跃燃烧的先有技术发动机工作性能图。

图6a，6b为不考虑Lambda跳跃燃烧控制对用天然气作为燃料的节气型火花点 火发动机的影响图。

图7a为采用了所发明的跳跃燃烧的内燃机燃料供给系统原理图。

图7b为图7a中的发动机的燃烧气流控制系统原理图。

图8为图7a和7b中发动机立视图的部分图解。

图9为图7和图8中的发动机的电子控制器原理图。

图10为使用跳跃燃烧的Lambda控制对气体燃料发动机的影响。

图11为最佳Lambda随进气管绝对压力MAP的变化曲线。

图12表示点火定时和Lambda的变化对NOx排放的影响。

图13为按本发明的Lambda优化程序流程图。

图14表示点火定时的变化对有效压缩比和压缩温度的影响。

图15为按照所检测的BSHC跳跃燃烧和涡轮空气旁路对发动机性能的综合影 响。

图16为EGRGROSS，与EGRNET燃烧气缸系数FF之间的关系。

较佳实例的详细描述 3.概述

依照本发明，非节气型气体燃料内燃机的性能通过优化发动机的过量空气系 数Lambda得到改进。Lambda的优化是根据发动机工作参数自动且连续地选择 OFF来实现的，即为了在OFF内燃烧，取消一个或多个气缸的燃料供给，将未用的燃 料分配给OFF，从而将燃烧气缸内的Lambda降到最佳值，根据数学推导及经验衡 量公式可以计算OFF，也可以根据相应的查询表获得。另外，可以考虑废气再循环 EGR，发动机速度，或/和点火定时影响，调整最佳Lambda和OFF。通过改变上死点 TDC后的点火定时也可以用于减少有效压力比并改进燃烧和爆振。为了″微调″跳 跃燃烧的影响，也可以对进气管绝对压力，EGR和点火定时进行调节。 4.系统概述

本发明者已将跳跃燃烧的Lambda控制在7.6升气体/柴油发动机上付诸实施， 如图10所示。试验证明，当载荷为25％，一半气缸(OFF＝0.5)燃烧时，Lambda从2.08 降到1.39(比较曲线110和112)。燃料消耗降低27％，且碳氢化合物从83降到 15g/hp-hr，或与无跳跃燃烧的同一发动机相比降低82％(比较曲线114与116，曲线 118与120)。图10进一步说明了当采用跳跃燃烧优化了Lambda时，发动机的其它 性能特征也有显著改进。发动机10可以进行跳跃燃烧优化Lambda，这种优化的方 法及电子系统下面将作详细描述。

参照图7A-9，发动机10为一种压缩点火型内燃机，它具有多个气缸12，每个气 缸上装有一个气缸头14(图8)。如图8所示，每个气缸12的腔内装有一个可滑动的 活塞16，气缸头14和活塞16之间形成了一个燃烧腔18。活塞16以传统方式与曲 轴20相连接，在气缸头14内的通道26和通道28的末端各自装有传统的进气阀22 和排气阀24，并由标准凸轮轴30驱动，从而控制油气混合气向燃烧室18内的供应 所产生的燃烧废气的排放，燃气通过进气管34供到发动机10并通过排气管35排 出。然而，与传统发动机不同的是，通常用在进气管34的节气门现在没有了或者至 少不能起作用了，从而产生了一种″非节气型″发动机，由于下述原因还需要一种进 气控制系统。

气体燃料可以通过一个单计量阀喷入进气管34的入口处的一个单节气型阀 体，或者通过一个类似的机械控制阀进入。然而，在具体实例的说明中，每个气缸12 都装有一个分立的喷射器40。而每个喷射器40都将来自普通燃料箱39及气管 36的天然气，丙烷，或其它气体燃料，通过管子41直接喷入相应的气缸12的进气口 26内。

发动机10既可以是火花燃烧式也以是压缩燃烧式。图示的发动机10为压缩 点火式并采用了多点电控液体燃料喷射器32作为点火燃料喷射器。每个点火燃 油喷射器32可采用任何一个电控喷射器，最好采用电液燃油喷射器的形式，甚至最 好采用在美国专利33,270号中公开的增压蓄压型喷射器。参照图7A和图8，从传 统的油箱42通过供油路或共轨44将柴油或类似燃料供给喷射器32。油路44 内有一个油滤46，一个油泵48，一个高压溢流阀50和一个压力调节器52，回路54 从喷射器32流向油箱42。

参照图7b，进气控制系统包括1)一个使再循环的废气从排气管35流向进气管 34的废气再循环(EGR)子系统。2)一个压缩进入进气管34的非EGR的空气涡轮 增压子系统。EGR子系统对增加燃烧反应及扩宽最佳Lambda的上限是非常有用 的，这个系统包括：1)一个从排气管35流向进气管34的回流管58，2)一个EGR计量 阀60。计量阀60也有一个连接到伸向进气管的进气口的进气管64的出口60。 第二管路62为涡轮旁通阀76到阀60的下游的管路64。另外，为了控制排气的绝 对压力(EGAP)，在排气流中设置了一个具有可调限流计量孔的排气反压(EBP)阀 68。在没有控制阀60的情况下，阀68由控制器56驱动，从而调节进入进气口66 的所有气体中EGR的百分比。

如图7B所示，进气控制系统的涡轮增压子系统包括涡轮增压器70和一个位于 管路62上阀60和进口66上游的后冷却器72。涡轮增压器70由废气门74和涡 轮旁路76按传统方式控制，74和76与控制器56以电子方式连在一起。

控制器或电子控制单元(ECU)56可以是任何能够监视发动机工作状态和控制 供给发动机10的燃料和空气的电子装置。在图9所示的具体实例中，该ECU56包 括一个可编程数字微处理器。控制器或ECU56接收来自各种传感器的信号，其中 包括：一个调节器位置和其它功率命令传感器80，燃料压力传感器81，发动机转速 RPM传感器82，曲轴角度传感器84，进气绝对压力MAP传感器86，进气管进气温 度ACT传感器88，发动机冷却液温度传感器90，排气反压EBP传感器92和监视废 气门74工作的传感器94。控制器56根据直接来自EGAP传感器98的信号或者 间接来自EBP传感器92(如果使用EBP阀68的情况下)的信号确定EGAP。为优 化Lambda控制其它燃油喷射所要求的其它传感器如图9中的100所示。指示平 均有效压力IMEP及喷射的燃气(QGAS和VGAS)，其体积和质量由控制器56采用来 自一个或多个传感器80-100的数据及已知的数学公式算出。对于其它的值，如最 大进气绝对压力(MAPMAX)，最大指示平均有效压力(IMEPMAX)，最大发动机速度 (RPMMAX)，体积效应(H vol)，及各种系统常数最好存入ROM或控制器56的其它存 储装置里。控制器56对这些信号进行处理并传送输出信号以分别控制柴油共轨 压力调节器52，点火燃料喷射器32和气体喷射器40。类似信号分别用于控制涡 轮废气门74，涡轮旁路76，计量孔或EBP阀68。

依照本发明，控制器56 1)接收来自各种传感器的信号，2)根据这些信号进行计 算，并确定为了优化Lambda而需要燃烧的气缸最佳系数OFF。3)为了实现OFF， 控制喷射器32和40取消被选气缸内的燃料供给和燃烧循环。现对一种可能的控 制方案进行描述。 5.计算OFF

本发明者已经发现气体燃料的最佳Lambda主要受以下参数影响：

*指示平均有效压力IMEP，指示功率水平.巴

*增加EGR前进气温度ACT.°K.

*进气管绝对压力MAP，巴

*气缸排量，cyl disp cm3

*体积效应h vol

*气体燃料供给量QGAS mg/循环/气缸(mg/cycle/cyl)

*气体燃料体积VOIGAS cm3/缸。

*点将点火定时，上死点之前度数(BTDC)。

*废气再循环，(EGR)，再循环废气的质量，

*排气反压，EBP，由反压阀引起的压降，巴

*排气绝对压力，EGAP，巴

*发动机速度，RPM

*发动机冷却温度，ECT，°K，

*涡轮废气门位置，TGP，

*涡轮空气旁路，TAB，

*当MAP＝1巴ACT＝300°K时，空气及气体密度1.1及0.607mg/cm3 以上参数可根据它们对Lambda的影响而组合为：

a.随着IMEP，ACT，MAP及容积效率的变化，所需燃料和空气密度对Lambda的 影响过量空气系数，Lambda(λ)由空气供给量与燃料供给量之比确定，并可根据典 型的参数中按下式求得： ${\lambda }_{\mathrm{gos}}={\rho }_{\mathrm{air}}\left(\frac{300}{\mathrm{ACT}}\right)\left(\mathrm{MAP}\right)\left(\mathrm{cyldisp}\right)({\eta }_{\mathrm{vol}}-\frac{\mathrm{volgas}}{\mathrm{cyldisp}})÷\left(Q_{\mathrm{gas}}\right)\left(\frac{A}{F}\right)\mathrm{stoich}$

采用压燃点火的气体燃料发动机没有贫燃极限。因此，在高负载时，正常的发 动机工作可以不需要Lambda控制。这尤其适用于其它未改型的非节气型涡轮增 压柴油发动机，这种发动机工作时一直处于过量空气状态。采用固定燃烧及改变气 体燃料供应足以控制其功率，而不必考虑Lambda的控制。但是，在轻负载 时，Lambda大幅度上升，导致很高的废气排放和过多的燃料损耗，如图4图5中曲线 41，51及52所示。通过优化燃烧的气缸12数量的选择和Lambda控制，可大量减少 或消除这些缺陷，这类控制至少要求下列内容：

(A)气缸与气缸及循环与循环间气体燃料喷射量和喷射定时的控制。

(B)气缸与气缸及循环与循环间对点火油喷射质量和喷射定时的控制。

(C)优化Lambda的跳跃燃烧控制。

控制(A)是众所周知的，控制(B)在专利申请流水号08/237,445(445号申请)和已 注册的美国专利5,450,829号压缩燃烧发动机的电控燃烧燃油喷射中已有详细描 述。此早期专利的主题在此作为参考把它作为一个整体结合起来。控制(C)为本 申请的主题并将在下面详述。

b.燃烧影响

除所需燃料和空气密度的影响外，其它参数也可以独立影响燃烧和对Lambda 最佳值的选择。因此，对于更精确的控制，对最佳Lambda值和OFF的一些更进一 步的调节可以随着MAP，EGAP，ACT，EGR和RPM的变化，对最佳Lambda及OFF 做进一步的调节。为了简化对电子控制系统的修改，采用了简单比和倍率指数。

如在图11中的曲线122和124所示，Lambda随MAP增大而增加，MAP的调节 通过并入因子(MAP)3已包含在计算最佳Lambda(λOPT)中。λOPT随MAP的三分之 一次方变化而变化，或值a＝0.33，对不同的发动机，该指数可作调节，如表1所示。 EGR以几种方式影响发动机的工作，即：EBP，MAP，附加功率，无负荷时的燃油流 量，剩余废气，气缸内有效温度。通常，EGAP和EGR趋向于增加最佳Lambda值和 OFF。这些因素按下式并入最佳Lambda的计算中： ${\left(\frac{\mathrm{MAP}}{\mathrm{EGAP}}\right)}^b$

在此″b″取决于具体发动机特性，其值一般在0到2.0范围内， ${(1+\frac{\mathrm{EGR}}{M_{\mathrm{TOT}}})}^c$

在此″c″取决于具体发动机特性，其值一般在0到1.0范围内，

c.速度影响

发动机速度RPM的变化，根据下列经验公式，也可以对最佳Lambda及OFF进 行调节： ${(1+\frac{\mathrm{RPM}}{{\mathrm{RPM}}_{\mathrm{MAX}}})}^d$

在此″c″取决于具体的发动机特性，其值一般在0到0.3范围内。

d.点火定时的影响

点火定时也对最佳Lambda和OFF有一定的影响。这种影响不能简单地定义 为一种简单比率，随着点火定时的变化对最佳Lambda的选择要综合考虑燃料消耗 和废气排放，这种选择包括在传统的查询表中。点火定时所产生的总的影响如图12 中曲线126-134所示，其中曲线130表示在上死点(TDC)点火的影响，曲线126和128 表示在TDC之后点火的影响，曲线132和134表示在TDC之前点火的影响。这些 曲线均表明当Lambda一定时，BSNOx随着点火定时的提前而增加。相应地，通过 跳跃燃烧控制(如有)而引起的NOx增加的不利影响可以通过延长点火定时来补 偿。

e. ACT影响

增加ACT通常导致最佳Lambda的增加。这种影响可以包括在OFF的计算 中，即将附加指数增加到空气密度修正(ACT/300)上，即(ACT/300)I＋e这里，″e″取决 于具体发动机的特性。对这些各种参数影响的分析以及它们对发动机性能，燃烧和 废气排放的影响便可导出下列燃烧气缸最佳系数OFF的数学关系： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a÷\left(\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)$ (方程1)

对于使用EGR的情况，EGR通过计量孔60从排气管35引到后冷却器72下游 的进气口66内，OFF可按下式进一步调节： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a÷\left(\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{\mathrm{EGAP}}\right)}^b$ (方程2)

式中：b：一个取决于EGR计量孔流量系数大于0.0的系数。

EGAP可以直接由传感器98感受，或通过下式关系确定：

EGAP＝MAP＋EBP＋j其中j，是一个由涡轮增压器MAP所确定的经验系数，其 值在+0.5巴范围内。

如果不用EGAP控制EGR，那么可根据总的流量比所测定的EGR流量按下式 进行调节： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right){\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a{(1+\frac{\mathrm{EGR}}{M_{\mathrm{TOT}}})}^c÷\left(\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}\right)$ (方程3)

在上述讨论中，EGR的使用可以引起燃烧反应能力的增温，并扩大最佳Lambda 的上限，根据EGR对OFF和最佳Lambda的调节可以采用EGR和最佳Lambda之 间的经验关系式来进行。OFF乘以(1＋EGR/MTOT)c可以用以估计这个影响。指数 值″c″为发动机的具体特性。

进气温度的影响增加项(ACT/300)e

发动机速度影响增加项(1＋RPM/RPMMAX)d

上述所有因素的综合影响为： $\mathrm{OFF}=\frac{\mathrm{IMEP}}{{\mathrm{IMEP}}_{\mathrm{MAX}}}{\left(\frac{\mathrm{ACT}}{300}\right)}^{I+e}{\left(\frac{\mathrm{MAP}}{3}\right)}^a{(1+\frac{\mathrm{EGR}}{M_{\mathrm{TOT}}})}^c{(1+\frac{\mathrm{RPM}}{{\mathrm{RPM}}_{\mathrm{MAX}}})}^d$ $÷\frac{\mathrm{MAP}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{MAX}}}{\left(\frac{\mathrm{MAP}}{\mathrm{EGAP}}\right)}^b$ (方程4)

为了控制爆震极限，对最大燃气喷射量(最小Lambda)的进一步调节可以根据下 式由通常采用的软件来控制： $Q_{{\mathrm{gas}}_{\max }}={\left(\frac{344}{\mathrm{ACT}}\right)}^2{\left(\frac{152}{Q_{\mathrm{com}}}\right)}^{0.5}[1+{\left(\frac{700}{\mathrm{RPM}}\right)}^2]$ (方程5)

上述方程根据6气缸，10升发动机推出。QGAS是按每个缸为基础并与所选择 的最小Lambda有关。对不同发动机的气缸大小和气缸数，需要做微小的调节，但应 保证由方程所决定的基本关系。

最佳Lambda的典型范围如图1所示，其上限由压缩点火发动机的爆震极限所 确定，其下限由火花点火发动机贫燃点火不良的极限所决定。对于初始校验或其它 情况下，并没有经验指数或系数，或尚未为人所知。基本的校验″非法值″表如表1 所示：

表1 经验指数或系数的范围及非法值     参数     经验系数     范围     非法值 (MAP/3)a     a     0.2--0.5     0.33 (MAP/EGAP)b     b     0--2     1.0 (1+EGR/MTOT)c     C     0--2     1.0 (1+RPM/RPMMAX)d     d     0--0.4     0.2 (ACT/300)1＋e     e     0--0.5     0 MAP+EBP＋j     j     -0.5--+0.5     0 6.Lambda控制系统的工作原理

现参见图13，OFF由流程图150进行控制，其工作程序是从开始的步骤150到 154，在此期间从传感器80-100输入数据。计算OFF或λOPT所需要的指 MAP，EGR，EGAP，RPM以及其它发动机参数，可直接从传感器80-100或者间接从 前面等式中求得或从ECU ROM中得到。供给所需功率所需要的主要和引燃燃料 QGAS和QPILOT的总量，在步骤156中计算。然后，OFF和λOPT可在步骤158中通过运 用方程(1)，(2)，(3)或(4)其中之一算出，或通过使用以上方程求出结果的查询表中求 得。在具体实例中，采用了具有可调限流计量孔68的ERG系统，此时需使用方程(2) 或(4)中的一个。确定OFF之后，为了实现OFF，用流程图150，确定N个气缸中的M 个比须跳跃燃烧就相当简单了，在进行到步骤160时，它以合适的燃烧顺序，控制喷 射器32和40并将QGAS和QPILOT分配到(N-M)个气缸12内。因此在M个气缸12 内跳跃燃烧循环。只要发动机10在运转，从步骤152到160的循环便按循环接循 环的基础重复。废气门74，涡轮旁路76，节流阀68。以及其它发动机的参数此时 也由控制器56按众所周知的方式进行控制。 7.实例

下面为6缸发动机的非限定型示例，该示例提供用于确定OFF的发动机工作 参数的典型值的数据。 a.实例(a)，方程(1)：

IMEP    ＝1.0巴，约与发动机怠速时相同

IMEPMAX  ＝20巴，最大扭矩

MAPMAX  ＝3.0巴

ACT     ＝330°K典型用于空气对空气后冷却器.

MAP     ＝1.0，发动机怠速 $\mathrm{OFF}=\left(\frac{1}{20}\right)\left(\frac{330}{300}\right){\left(\frac{1}{3}\right)}^{1/3}÷\frac{1}{3}=\left(0.05\right)\left(1.1\right)\left(0.69\right)÷\left(6.333\right)=0.11$ 0.11(6)＝0.66，即1个气缸燃烧 b.实例(b)，方程(1)：

IMEP    ＝1.1，约50％动力

IMEPMAX  ＝3.0巴，

ACT     ＝330°K

MAP     ＝2.0 $\mathrm{OFF}=\left(\frac{11}{20}\right)\left(\frac{330}{300}\right){\left(\frac{2}{3}\right)}^{\frac{1}{3}}÷\left(\frac{2}{3}\right)=0.789$

注：对于6缸发动机处于50％功率时，传统的知识通常只能指示选择一半或3个 气缸。OFF方程选择0.789(6)＝4.73即5个气缸燃烧。

c.实例(c)，方程(2)(与实例(a)相同，但EGAP＝2，″b″＝1.5，发动机慢车有很高的 EGR)：

IMEP    ＝1.0巴，

IMEPMAX  ＝20

MAPMAX  ＝3.0

ACT     ＝450°K

MAP     ＝1.0

EGAP    ＝2

B       ＝1.5 $\mathrm{OFF}=\frac{1}{20}\left(\frac{450}{300}\right){\left(\frac{1}{3}\right)}^{1/3}÷\left(\frac{1}{3}\right){\left(\frac{1}{2}\right)}^{1.5}=0.44;0.44\left(6\right)=2.64$

即6个气缸中的3个气缸燃烧。

d.实例(d)，方程(4)(与实例(c)相同，但加上20％的EGR，经验指数c＝1.0， RPM/RPMMAX＝0.3经验指数d＝0.2经验指数e＝0： $\mathrm{OFF}=2.64(1+\frac{\mathrm{EGR}}{M_{\mathrm{TOT}}}){(1+\frac{\mathrm{RPM}}{{\mathrm{RPM}}_{\mathrm{MAX}}})}^{0.2}=2.64\left(1.2\right){\left(1.3\right)}^{0.2}=3.34$ 即6个气缸中的4个气缸燃烧。

e.实例(e)，Lambda的计算和方程(4)的应用： ${\lambda }_{\mathrm{gas}}={\rho }_{\mathrm{air}}\left(\mathrm{cyldisp}\right)({\eta }_{\mathrm{vol}}-\frac{\mathrm{volgas}}{\mathrm{cyldisp}})÷Q_{\mathrm{gas}}\left(\frac{A}{F}\right)\mathrm{stoich}$ $={\rho }_{\mathrm{air}}\left(\frac{300}{\mathrm{ACT}}\right)\left(\mathrm{MAP}\right)(\mathrm{cyl}.\mathrm{disp})({\eta }_{\mathrm{vol}}-\frac{\mathrm{volgas}}{\mathrm{cyldisp}})÷Q_{\mathrm{gas}}\left(\frac{A}{F}\right)\mathrm{stoich}$

对于6缸，7.6升发动机：

h vol    ＝0.9，[QGAS]MAX＝100mg

Cyl disp ＝(7.6)(6)(1000)＝1.270cm3

h vol    ＝0.90

QGAS      ＝50/6mg/cyl

[QGA]SMAX＝100mg

vol k    ＝82.3/6cm3/cyl

MAP      ＝1.0

ACT      ＝300

R air    ＝1.10mg/cc，在ACT＝300°K和MAP＝1巴时

R TOT    ＝0.607mg/cc，在ACT＝300°K和MAP＝1巴时 ${\lambda }_{\mathrm{gas}}=\left(1207\right)(0.9-\frac{82.3}{6x1207})\left(1.10\right)\left(\frac{300}{300}\right)\left(1.0\right)÷\left(\frac{50}{6}\right)\left(17\right)=8.33$

由于50毫克的天然气及67mm3的柴油燃料的能量与一个7.6升的发动机正常 怠速时所需的能量相同，在无负荷和怠速时的Lambda随燃烧气缸系数的变化按表 2。

表2     燃烧气缸系数     Lambda     6/6     8.33     3/6     4.16     2/6     2.78     1/6     1.39

对于无EGR的发动机，由于IMEP/IMPEMAX大约与(1/N)(QGAS/QGAS]MAX)相同， 所以OFF可从方程(1)算出。 $\mathrm{OFF}=\left(\frac{1}{6}\right)\left(\frac{50}{100}\right)\left(\frac{300}{300}\right){\left(\frac{1.0}{3}\right)}^{0.33}÷\left(\frac{1.0}{2.8}\right)=0.16$

6×0.16＝0.96，即一个气缸燃烧

在许多情况下，6个气缸中之一个燃烧可以导致过渡振动，在此情况下可以加 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 中的非法值给出OFF值如下： $\mathrm{OFF}=\left(\frac{1}{6}\right)\left(\frac{50}{100}\right)\left(\frac{300}{300}\right){\left(\frac{1}{3}\right)}^{0.33}(1+0.05)(1+\frac{700}{2400})÷\left(\frac{1.0}{2.8}\right)\left(\frac{1.0}{1.5}\right)$

                  ＝(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即两个气缸燃烧

EGR和EGAP将导致Lambda的下降，这种下降是由于残余废气的增加和(为 了满足由于EGAP而增加的附加负荷的)燃油流量的增加而引起的。 8.BSNOx，Lambda及燃烧定时之间的综合关系

使用如图12中所示的一组发动机试验数据，Lambda在1.4到2.4范围内制动 比NOx，Lambda及燃烧定时之间的经验关系如下： BSNOx   ＝Ke(X＋Y) 此处： X       ＝a(b-I) Y       ＝c(q-d) I       ＝过量空气子数 q       ＝度，上死点之前 a       ＝6.93 b       ＝1.5 c       ＝(0.693/6) d       ＝6， knominal ＝5 K取决于表3规定的发动机的许多具体因子：

表3     项目     额定值     ACT     330°K     MAP     2巴     CR     12     RPM     1200/min     BMEP     12巴     EGR     无

Knominal的经验值为5.0g/hp-hr，为了校正该方程，可以调整该值。但BSNOx方 程的基本趋势属性仍将保留，在恒定燃烧定时条件下的BSNOX关系如图12中曲 线126-134所示，这些已在上面有讨论。

可以用一个实例来表示定时，Lambda及BSNOx之间的关系： 对于一个Lambda＝1.6Q＝0 BTDC的通常发动机：

BSNOx       ＝Ke(X＋Y)

Knominal     ＝5.0

X           ＝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

该例表明，对6度延迟点火时，Lambda每增加0.1，点火定时每迟后6度，便可使 BSNOx减少50％. 7.延迟点火定时控制有效压缩比，爆振及Lambda

为了满足当前及将来废气排放指标的要求，已经开发出了具有延长喷射及点火 定时运行的令人满意柴油发动机，有时甚至延迟到上死点之后几度。上死点后定时 要求有效和快速点火及燃烧，这对减少NOx排放十分有效，点火定时每延迟6 度，NOx的排放即减少一半。尤其是降低了未燃烧气缸中的温度(见图14的曲线 170)。这种后TDC特性可以非常有效地用于减少压缩燃烧气体燃料发动机的NOx的排放。甚至，由于未燃气缸在上死点之后压缩压力和温度都降低了，这样它的有 效压缩比也按图14曲线172下降。如果有效压缩比减少了，那么已给定的 Lambda，ACT及MAP内的爆燃极限也将减小。因此，如果OPT受到爆燃的限制， 那么点火定时的变化就可以代替调节及保持最佳Lambda。 8. Lambda的精确控制

显然，使用跳跃点火对Lambda调节只能用于离散的整数燃烧气缸，因此，仅由 跳跃燃烧控制的Lambda的精度就受到了限制。但是，由于Lambda受到点火定 时，EGR和MAP的影响，点火定时的变化，EGR和MAP与跳跃燃烧结合起来，便可 更精确优化工作状态。以下为EGR和MAP控制进行微调的示例。

a.MAP控制

MAP的变化明显的导致进入进气管内的空气量的相应变化，并导致Lambda的 相应变化。为了优化Lambda控制，可通过适当控制涡轮空气旁路阀76(图7A-9) 对MPA进行调节。该阀具有一个结构与阀68相同的可变流量计量孔。达到这一 目的的方法是，在按上述内容选择OFF并控制相应发动机后(1)计算λACT，(2)控制 阀76从而改变涡轮空气旁路的流量使λACT接近λOPT，(3)按相互反馈的程序重复 1)，2)步骤直到λACT等于λOPT，这样的反复只需稍作几次即可，因为在跳跃燃烧控制 完成以后λACT已接近λOPT。

这种微调的影响如图15所示，图15表示的是在有无涡轮空气旁路控制的情况 下，跳跃燃烧对卡特匹勒3176B型发动机的影响。如人们所能想象到的一样，曲线 174表明在轻负荷条件下及无Lambda控制时其BSHCs是相当高的，但如曲线176 所示，在使用上述跳跃燃烧方式以后就明显下降了，在此曲线中的峰值180和182 显示当OFF在两缸之间时随着发动机性能的下降，仅用跳跃燃烧控制的离散性。 点180表示当OFF实际为约。25时，约在一个半气缸内燃烧时的性能点。曲线178 表示这种无效性可以通过使用涡轮空气旁路阀76的附加MPA控制来得到缓解。

b.EGR的控制

废气再循环，将被控制的再循环废气从排气管流进进气管，从而提供了准确控 制Lambda的另一种方法。

当跳跃燃烧和EGR同时采用时，实际上来自未燃烧气缸中的新鲜空气，与λ燃烧 的气体一起再次循环到进气管内。因此，在总的再循环废气已燃烧的气体质量 (EGRNET)，小于总的再循环废气的质量，这些以燃烧气缸数(FF)所示的区别如图16 所示。其曲线表示，当FF较小时，尤其在EGRGROSS增加时(曲线198及200)，EGRNET 比EGRGROSS要小得多。

在EGRNET和燃烧气缸最佳系数(OFF)的基础上，可以计算出Lambda的实际值 (λACT)，并可通过调节(EGRNET)获得Lambda的最佳值(λOPT)。因此，控制EGRGROSS 与跳跃燃烧一起使用，可以获得更精确的λOPT。下式用于计算Lambda的实际值 (λACT)。 $M_{\mathrm{TOT}}={\rho }_{\mathrm{air}}\left(\frac{300}{\mathrm{ACT}}\right)\left(\mathrm{MAP}\right)\left(\mathrm{cyldisp}\right)({\eta }_{\mathrm{vol}}-\frac{\mathrm{volgas}}{\mathrm{cyldisp}})$ (方程6)

这里MTOT为总的空气和再循环废气量，mg/cycle/cyl，并忽略了空气和再循环废 气的密度差。 ${\lambda }_{\mathrm{ACT}}=\left(\mathrm{FF}\right)\left(\frac{M_{\mathrm{TOT}}·A}{A+{\mathrm{EGR}}_{\mathrm{net}}}\right)\{1+\left({\mathrm{EGR}}_{\mathrm{net}}\right)(\frac{1-{\mathrm{EGR}}_{\mathrm{net}}}{A}-1)\}$ (方程7) $÷(Q_{\mathrm{gas}}·\left(\frac{A}{F}\right)\mathrm{stoich})$ M＝N(1-OFF)，(园整到离散的整数) A＝(FF)(1-EGRNET)-(EGRNET)(1-FF)2 (1-EGRGROSS)(EGRNET)＝(A)(EGRGROSS)

一旦算出λACT后，就容易通过使用简单的闭环反馈程序来调整EGR阀68的设 置使λACT＝λOPT

只要不偏离本发明的精神，在本发明的范围内可以有许多更改和改进。如，本 发明也适用于火花燃烧发动机，所有范围和其它变化将在所附权利要求书的范围 中明确体现。

发明背景