CN103867322B - 汽车及内燃机的一种控制方法 - Google Patents

Abstract

汽车及其内燃机的一种控制方法，为每一个气缸配备一个节气门，或者采用并联或者多联节气门产品分别为不同气缸或者气缸组供气，使得不同气缸的进气压力和进气流量不同，控制各气缸内火花塞的点火时间(相位角)不同、喷油时间(相位角)不同、喷油压力和喷油量不同，使得内燃机可以在一个完整的工作周期内既有气缸处于压燃工作模式，又有气缸处于点燃工作模式。在具备压燃工作模式所需要的条件下，各气缸尽量采用压燃工作模式，以提高内燃机工作效率。采用这种控制方法的内燃机(汽车)对燃点不同的各种燃料的适应性得到强化。

Description

汽车及内燃机的一种控制方法

技术领域

汽车和内燃机。

背景技术

内燃机一般分为点燃式汽油机和压燃式柴油机。点燃式汽油机一般采用节气门控制空气与燃料比例(空燃比)，理想的空燃比一般认为在14.7左右。柴油机一般不采用节气门，最大限度地提高充气效率。

一般的内燃机只有一种燃烧控制模式，要么点燃式，要么压燃式。

现在的内燃机，一般只有一个节气门，或者没有节气门。柴油机没有火花塞，汽油机有火花塞，但是各个气缸的火花塞的控制(点火相位角、点火时间)相同。同一台内燃机各个气缸的喷油量、喷油相位角、喷油次数相同。一般的内燃机气缸不配备压力传感器和(或者)温度传感器。

最现代的内燃机可以在不同时段分别采用点燃式燃烧控制模式，或者压燃式燃烧控制模式。这种同时具有压燃式点火和火花塞点火的两种点火控制方法的新型汽油机(冷车启动阶段采用火花塞点火，热车阶段或者热车启动阶段采用压燃点火)，需要采用节气门控制适当的空燃比，使得发动机在点燃运行阶段运行稳定。在进气压力、进气流量、环境温度、水箱温度、压缩比等条件满足燃料被压燃点火的条件时，尽可能采用压燃燃烧控制模式，以提高内燃机的充气效率，提高内燃机效率，节能减排。

到现在，没有内燃机可以在同一时间段既有气缸采用点燃式燃烧控制模式，又有气缸采用压燃式燃烧控制模式。

发明内容

本发明就是要实现这样一种内燃机的控制模式，即，内燃机可以在同一时间段，既有气缸采用点燃式燃烧控制模式，又有气缸采用压燃式燃烧控制模式。

针对气缸数量在2以上的内燃机，在同一台内燃机采用两个或者多个节气门，分别控制不同气缸(或者不同气缸组)的进气压力，即，采用一个节气门为一个气缸供气(每1个气缸对应1个节气门)，或者采用一个节气门为两个气缸供气(例如：气缸数为4、6、8、10、12，采用2、3、4、5、6个节气门，等等，依此类推)，或者采用一个节气门为多个气缸供气(例如：气缸数为4、6、8、10、12，采用2个节气门；气缸数为12，采用3个或者4个节气门，等等，各种排列组合，依此类推。每两个气缸或者多个气缸为一组)，但是同一台内燃机至少具有两组以上的气缸，彼此进气压力不同。换句话说，一台具有两缸或者多缸的内燃机至少配备两个或者两个以上节气门，不同节气门采用不同控制方法(即相同时间，不同节气门的开度不同)，根据燃烧控制方法不同的需要，可以使得不同气缸的进气压力不同。

每一个气缸配备一套火花塞电子点火系统，同时，每一个气缸所对应的火花塞电子点火系统彼此独立，控制指令和点火操作情况不同，即，电子点火相位角(点火时间)和点火延长时间独立，即，内燃机在一个完整的工作周期内，每一个火花塞的点火相位角和点火延长时间可以彼此不同，可以根据燃烧控制的需要任意和独立设定。

气缸与气缸之间，每一个气缸的喷油量、喷油相位角、喷油压力、喷油延长时间彼此独立、不同。

现在的内燃机，虽然点火时间(相位角)、喷油量、喷油相位角、进气压力等参数不同(不尽相同)，在一个完整的工作周期，每一个气缸的各种控制参数也是不同的，但是其控制主观是相同的，没有独立控制的主观意图，这种不同只是随内燃机工况的波动产生的小幅度差异，或者是机械和电子器件质量、性能差异造成的小的差异(偏差)。这种“不同”或者“差异”区别于本发明主观发出的、目的明确的差别化控制，其参数的差异性幅度也很大。根据本发明控制方法，气缸之间，这些类型相同的控制参数，多数情况下(多数时间)是不同的，但是，根据内燃机工作状态控制的需要，少数时间是可以相同的。例如，各个气缸全部处于点燃燃烧控制模式，或者全部处于压燃燃烧控制模式时。

举例说明：现在的内燃机，在负荷变化时，各个气缸的喷油量是变化的，当行车电脑要求单缸喷油量从8千微克/次增加到12千微克/次时，内燃机各个气缸的喷油量会伴随指令到达的时间产生变化和不同，轮到哪个气缸就是那个气缸，或者是按照气缸排列的顺序依次按照新指令执行。本发明的控制方法与上述控制方法的不同之处在于：对各个气缸喷油量多少的控制是针对具体气缸的，根据各个气缸的燃烧控制方法不同，有目的控制的。现在也有少量内燃机的控制方法会在一定条件下要求个别气缸停止喷油，而另外一些气缸继续工作。本发明的控制方法与这种控制方法的不同之处在于：这种控制方法只是本发明控制方法众多控制方案中的一种情况；另外，一般情况下本发明控制方法在控制各个气缸喷油量不同的同时，控制喷油相位角不同。

为每一个气缸配备一个压力传感器和(或者)一个温度传感器，通过检测气缸在各个行程(尤其是在做功行程)活塞所处不同位置所对应的温度、压力及其变化规律，分析燃料的燃点、燃烧速度等数据，作为优化和选择内燃机燃烧控制参数的依据。

这种控制方法，使得个别气缸可以采用燃料与空气预混合，然后采用火花塞点火的点燃式燃烧控制方法；同时，另外的一些气缸进气压力很高，待空气经过充分压缩后，再喷射燃料进入气缸，利用压缩空气的高温点燃燃料(即，压燃式燃烧控制方法；又称为：压燃式燃烧控制模式；或者：压燃式点火方法)；这种压燃式燃烧控制方法还包括部分燃料与空气预混合(在进气行程喷入少量燃料，使燃料充分与空气混合，这部分燃料会在做功行程的高温高压条件下与氮气争夺氧气，减少氮氧化合物的生成量。但是这部分燃料会产生少量碳氢组分，这部分碳氢组分可以在尾气处理系统的三元催化系统与氮氧化合物和一氧化碳一起反应，生成二氧化碳、氮气和水，放出热量)，大部分燃料后喷射入高压压缩空气的压燃式燃烧控制方法。这样控制的结果是，在内燃机的一个完整工作周期内，既有气缸处于压燃燃烧工作模式，又有气缸处于点燃燃烧工作模式，内燃机对燃料的适应性得到充分强化。即，采用这种控制方法的内燃机可以适应任何辛烷值指标的轻质油。哪怕是使用石脑油(或者直溜汽油)，这种内燃机也可以顺利工作，并且提供所使用燃料的最高的热功转换效率。

在内燃机启动阶段，各气缸可以全部采用点燃式工作模式，以试探燃料的燃点，依据进气压力和产生爆震的情况，判断这种燃料在特定的工作条件下(水箱温度、环境温度、进气压力、进气温度、压缩比等)是否具备压燃点火工作条件；或者，减小部分节气门的开度，让这些节气门对应得气缸采用点燃工作模式，增加另外一些节气门的开度(这些节气门的开度可以到达最大，全开的程度)，使得这些节气门所对应的气缸进气压力更高，可能具备压燃工作模式所需要的进气压力条件。

进气压力低的气缸一般采用均质点燃的燃烧控制方法，进气压力高的气缸一般采用非均质压燃燃烧控制方法，实现分层燃烧和稀薄燃烧。

对于气缸数为单数的内燃机，控制原理(方法)也是一样的，例如，3缸内燃机可以采用3个节气门，分别采取3种(或者2种)不同的控制策略；或者采用两个节气门，对一个气缸单独控制它的燃烧(点火)控制模式，另外两个气缸作为一组采用相同的燃烧(点火)控制模式；例如，对单一的气缸采用压燃燃烧控制模式，另外两个气缸采用点燃燃烧控制模式，或者根据条件(进气压力、进气流量、环境温度、水箱温度等)采用相反的控制策略。对于气缸数为5、7、9、11等等情况，按照排列组合的方法，可以设计出不同的压燃和点燃控制模式组合。

采用并联或者多联节气门的控制方法，即在一只节气门产品上并联两个彼此独立的节气门，或者在一只节气门产品上并联多个彼此独立的节气门，这些节气门的开关和开度是独立控制的，分别操作和控制不同气缸(或者气缸组)的进气压力。

并联的或者多联的节气门产品，每一台节气门产品具有两个或者多个彼此独立控制和动作的节气门。这些节气门的入口，可以是同一根管道分配进来，空气压力相同；出口则通向各自的气缸或者气缸组，通过节气门的开度变化，调节这些气缸的进气压力和进气流量。

内燃机的压缩比可以在9～22范围内选择，对于进气压力比较高内燃机，例如，配备了机械增压装置和(或者)涡轮增压装置的内燃机，压缩比可以适当降低，比较好的压缩比范围在12～20之间，典型压缩比为15。

对于压缩比为15的内燃机，当进气压力为200千帕(相当于2个大气压)时，压缩行程末端燃烧室温度，与压缩比为28～30的内燃机采用自然吸气方式进气时压缩行程末端的燃烧室温度相当。这个温度可以比较容易地点燃燃点相对较高的燃料。

处于压燃燃烧工作模式的气缸与处于点燃燃烧工作模式的气缸可以轮换，以降低火花塞积碳。低负荷(例如汽车怠速，或者待档怠速，或者匀速运动时)时，可以关闭部分气缸(关闭节气门和(或者)停止燃料喷射)，降低(能耗)燃料消耗。

本说明书所述“供气”，表示供应空气。一般情况下，四冲程内燃机的一个完整工作周期相当于内燃机曲轴转动2周。二冲程内燃机的一个完整工作周期相当于内燃机曲轴转动1周。六冲程内燃机的一个完整工作周期相当于内燃机曲轴转动3周。

本说明书关于内燃机和汽车的有关控制参数的选择(根据相关条件的变化情况)和选择方法，是相关专业技术人员所熟知的，不需要创造性劳动即可获得。

具体实施方法

以一台气缸数为6的内燃机为例，每2个气缸对应1个节气门，得到3组气缸(比较好的气缸组合方法是按照气缸做功的次序，按照序号间隔2作组合依据。例如，做功次序1、4的气缸为一组，2、5为一组，3、6为一组)，其中1组气缸按照点燃燃烧模式控制，行车电脑控制节气门开度和喷油嘴的喷油量，使得空燃比按照14.7，燃料与空气预混合，火花塞点火相位角按照常规，在上止点前12度附近，并且根据转速、爆震检测结果(以及汽缸内温度、压力检测结果和所对应的活塞位置)，在以上止点前12度为中心，正负30度范围或者更大范围内调整(这种更大范围的具体参数的计算方法，为现在内燃机和汽车行业的专业技术人员所熟知)；另外两组气缸按照压燃燃烧模式控制，喷油相位角在上止点前16度附近，并且根据转速、负荷、进气压力等工况，在以上止点前16度为中心，正120度(提前)负20度(推迟)范围或者更大范围内调整(这种更大范围的具体参数的计算方法，为现在内燃机和汽车行业的专业技术人员所熟知)。

内燃机启动阶段，首先考虑3组气缸全部采用点燃燃烧控制模式，保证内燃机正常启动和正常运行。随着内燃机正常启动，涡轮增压器利用内燃机尾气的驱动开始向气缸(经过节气门)供应高压空气。全开的节气门将使得与之对应得气缸的进气压力升高，有可能具备压燃燃烧控制模式所需要的进气压力条件。同时，部分开启的节气门减少了与之对应的气缸的进气流量和进气压力，使得更多空气进入压燃工作状态的气缸(对应的节气门全开，或者开度大于50％)。

此时，可以先考虑2组气缸采用点燃燃烧控制模式，1组气缸采用压燃燃烧控制模式。然后再考虑1组气缸采用点燃燃烧控制模式，2组气缸采用压燃燃烧控制模式。这里的“考虑”是行车电脑不断采集有关数据和做出判断的过程。判断是否有气缸(包括有多少气缸)具备压燃燃烧控制模式的条件，分配那几个(或者那几组)气缸按照压燃式燃烧控制模式运行，而另外一些气缸按照点燃式燃烧控制模式运行。

当进气压力、进气流量、环境温度不能满足两组(4个)气缸压燃燃烧控制模式时(压燃不能正常着火；或者根据可以预测的条件变化趋势)，则改为1组气缸压燃，2组气缸点燃的燃烧控制模式。或者全部改为按照点燃式燃烧控制模式运行。

当水箱温度升高，进气压力、环境温度和进气流量满足6个气缸全部采用压燃燃烧控制模式时，则全部6个气缸采用压燃燃烧控制模式工作。

总体控制策略：以点燃燃烧控制模式作为内燃机适应不同燃料性能而能够正常运行的保底措施；在条件允许的情况下，尽量使得更多的气缸采用压燃燃烧控制模式工作，以提高内燃机效率。

为了减少启动阶段更多气缸采用点燃燃烧控制模式工作的时间，为内燃机配备机械增压装置是一个方法，这个方法可以使得内燃机在启动阶段即获得超过1个大气压的进气压力，有利于内燃机尽快和有尽量多的气缸采用压燃燃烧控制模式。机械增压装置可以在内燃机工作期间一直工作，也可以仅仅在启动阶段工作。机械增压装置可以与涡轮增压器配合，在涡轮增压器开始工作之后停止工作。

Claims (5)

1.内燃机的一种控制方法，其技术特征为：针对气缸数量在2以上的内燃机，在同一台内燃机采用两个或者多个节气门，分别控制不同气缸，或者不同气缸组的进气压力，即，采用一个节气门为一个气缸供气的方法；或者采用一个节气门为两个气缸供气，或者一个节气门为多个气缸供气，每两个气缸或者多个气缸为一组，但是同一台内燃机至少具有两组以上的气缸，同时彼此进气压力不同，进气压力单独控制；

每一个气缸配备一套火花塞电子点火系统，同时，每一个气缸所对应的火花塞电子点火系统彼此独立，控制指令和点火操作情况不同，即，不同的气缸，电子点火相位角，点火时间和点火延长时间独立，即，内燃机在一个完整的工作周期内，每一个火花塞的点火相位角和点火延长时间可以彼此不同，根据燃烧控制的需要，单独设定；

每一个气缸的喷油量、喷油相位角、喷油延长时间彼此独立，操作参数单独控制；

这种控制方法，使得个别气缸可以采用燃料与空气预混合，然后采用火花塞点火的点燃式燃烧控制方法，同时，另外的一些气缸进气压力很高，待空气在气缸经过充分压缩后，再喷射燃料进入气缸，利用压缩空气的高温点燃燃料，即，压燃式燃烧控制方法；这样做的结果是，在内燃机的一个完整工作周期内，既有压燃燃烧工作模式，又有点燃燃烧工作模式，内燃机对燃料的适应性得到充分强化。

2.根据权利要求1所述的内燃机的一种控制方法，其技术特征为：所述压燃式燃烧控制方法为部分燃料与空气预混合，大部分燃料后喷射进入高压压缩空气的压燃式燃烧控制方法。

3.根据权利要求1所述的内燃机的一种控制方法，其技术特征为：每一个气缸配备一个压力传感器和/或者一个温度传感器；如果节气门的配置已经将气缸分组，也可以每组气缸配备一个压力传感器和/或者一个温度传感器。

4.根据权利要求1所述的内燃机的一种控制方法，其技术特征为：包含一种并联或者多联节气门的控制方法，在一只节气门产品上并联两个彼此独立的节气门，或者在一只节气门产品上并联多个彼此独立的节气门，这些节气门的开关和开度是独立控制的，分别操作和控制不同气缸或者气缸组的进气压力。

5.一种内燃机，其技术特征为：采用 权利要求1-4任意一项所述的内燃机的控制方法。