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CN104847519A - 用于平衡内燃发动机的气缸的方法 - Google Patents

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CN104847519A CN201510075117.0A CN201510075117A CN104847519A CN 104847519 A CN104847519 A CN 104847519A CN 201510075117 A CN201510075117 A CN 201510075117A CN 104847519 A CN104847519 A CN 104847519A
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Abstract

一种用于在具有多个进气阀(38)的内燃发动机的气态燃料运转期间平衡多个气缸的方法，包括使内燃发动机针对多个气缸中的每个气缸以第一共同点火正时运转。在以第一共同点火正时运转时，确定具有高于平均爆震水平的气缸(26)，并且缩短与该气缸相关联的进气阀(38)的打开持续时间。这重复到全部气缸的爆震水平彼此相差预定量以下为止。当全部气缸的爆震水平相差预定量以下时，将第一共同点火正时提前为第二点火正时。

Description

用于平衡内燃发动机的气缸的方法
技术领域
本发明总体上涉及内燃发动机和使其运转的方法，具体涉及一种平衡内燃发动机的多个气缸的方法。
背景技术
通常，奥托发动机的气缸内的燃料与空气的混合物的燃烧的特征在于表示空气/燃料当量比——即气缸内的空气量与化学计量燃烧所需的空气量之比——的所谓的λ值。
在大型气态燃料燃烧发动机中，λ明显大于1，例如大于2。气态燃料燃烧发动机可包括例如燃气发动机，其中空气与燃料的混合物被火花点燃或利用诸如柴油之类的液态燃料的先导喷射来点燃。类似地，另一种气态燃料燃烧发动机可以是可在液态燃料模式和气态燃料模式下操作的双燃料发动机。这种气态燃料燃烧发动机的不同气缸的λ值可例如因各气缸的不同特性而异。在气态燃料燃烧发动机运转期间，因此可能期望平衡气缸的λ值。已使用各种控制系统和方法来实现这种用于内燃发动机的气缸的平衡的λ值。
在例如燃气发动机或双燃料发动机在燃气模式下运转期间，当空气/燃气混合物的一个或多个气穴在发动机的燃烧室中的正常燃烧前部的包络线之外爆炸时可能发生爆震(knock)。所产生的冲击波形成特有的金属撞击声音(也称为“爆震”或“敲击”)。当长时间发生爆震时，发动机可能损坏或甚至损毁。为了防止发生爆震，已使用了不同的控制系统。
本发明至少部分针对于改善或克服现有技术系统的一个或多个方面。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于在具有分别与多个气缸中的一个气缸相关联的多个进气阀的内燃发动机的气态燃料运转期间平衡所述多个气缸的方法包括：在使所述内燃发动机针对所述多个气缸中的每个气缸以第一共同点火正时运转时，a)确定所述多个气缸之中具有高于平均的爆震水平的气缸，b)缩短与具有高于平均的爆震水平的气缸相关联的进气阀的打开持续时间，和c)重复步骤a)至b)，直至全部所述气缸的爆震水平彼此相差预定量以下为止。所述方法还包括当全部所述气缸的爆震水平彼此相差所述预定量以下时针对所述多个气缸中的每个气缸将所述第一共同点火正时提前为第二共同点火正时。
根据本发明的另一方面，一种内燃发动机包括：发动机缸体，所述发动机缸体至少部分限定出多个气缸；多个进气阀，所述进气阀中的每个进气阀都分别与所述多个气缸中的一个气缸相关联；多个点火装置，所述多个点火装置中的每个点火装置都分别与所述多个气缸中的一个气缸相关联以点燃所述相关联的气缸中的气态燃料与空气的混合物；多个传感器，所述多个传感器中的每个传感器分别与所述多个气缸中的一个气缸相关联；和控制单元，所述控制单元构造成接收来自所述多个传感器的检测结果。所述控制单元还构造成，在使所述内燃发动机针对所述多个气缸中的每个气缸以第一共同点火正时运转时，a)确定所述多个气缸之中具有高于平均的爆震水平的气缸，b)缩短与具有高于平均的爆震水平的气缸相关联的进气阀的打开持续时间，和c)重复步骤a)至b)，直至全部所述气缸的爆震彼此相差预定量以下为止。所述控制单元还构造成当全部所述气缸的爆震水平彼此相差所述预定量以下时针对所述多个气缸中的每个气缸将所述第一共同点火正时提前为第二共同点火正时。
在本发明的又一方面，一种计算机程序包括计算机可执行的指令，所述计算机可执行的指令在于计算机上运行时使得所述计算机执行用于在内燃发动机的气态燃料运转期间平衡多个气缸的方法，所述内燃发动机具有分别与所述多个气缸中的一个气缸相关联的多个进气阀。所述方法还包括：在使所述内燃发动机针对所述多个气缸中的每个气缸以第一共同点火正时运转时，a)确定所述多个气缸之中具有高于平均的爆震水平的气缸，b)缩短与具有高于平均的爆震水平的气缸相关联的进气阀的打开持续时间，和c)重复步骤a)至b)，直至全部所述气缸的爆震彼此相差预定量以下为止。所述方法还包括当全部气缸的爆震水平彼此相差所述预定量以下时针对所述多个气缸中的每个气缸将所述第一共同点火正时提前为第二共同点火正时。
本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的示例性内燃发动机的示意图；
图2是根据本发明的用于平衡图1的内燃发动机的多个气缸的控制系统的示意图；以及
图3是示出了用于根据本发明的示例性控制策略中的爆震阈值的示意图。
具体实施方式
以下是对本发明的示例性实施例的详细描述。文中所述的示例性实施例旨在教导本发明的原理，从而使本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中并针对许多不同应用实施并使用本发明。因此，示例性实施例并非旨在且不应该被考虑为对保护范围的限制性描述。确切而言，保护范围应该通过所附权利要求来限定。
本发明可部分基于这样的认识，即在具有爆震控制系统的气态燃料燃烧发动机中，爆震控制系统可以用来平衡气态燃料燃烧发动机的多个气缸的λ值。利用例如这种爆震控制系统的撞击声音传感器，可以确定各气缸的爆震量，并且可以采取适当措施以实现各气缸的平衡爆震量。爆震量是气缸内的燃烧的特性，该特性可由相关联的撞击声音传感器进行的撞击声音测量或其它传感器进行的测量来推导，并且可利用适合的评估方案或分析工具来进行量化。如文中所用，术语“平衡”可意味着各个气缸的爆震量处于预定范围内，或彼此相差预定值以下。
此外，本发明可部分基于这样的认识，即为了调节各气缸的爆震量，可调节相关联的进气阀的打开持续时间以减少或增加爆震量。因此，可以通过适当地修改相关联的进气阀的打开持续时间来将各气缸的爆震量调节为引起全部气缸的爆震量的平衡的量。
此外，本发明可部分基于这样的认识，即可以通过在维持发动机的安全运转的同时尽可能多地提前各气缸的点火正时来优化气态燃料燃料发动机的效率。根据本发明，可在已将各气缸的爆震水平调节成基本相同之后提前点火正时。在提前点火正时之后，可监视气缸的爆震水平，并且如果有必要的话，再次进行调节/平衡，且然后可进一步提前气缸的点火正时。这可重复若干次以便实现相关联的燃气发动机的最高可达效率。
此外，本发明可部分基于这样的认识，即在缩短与具有相对高的爆震水平的气缸相关联的进气阀的打开持续时间时，应该延长其余气缸中的一个或多个气缸的进气阀的打开持续时间以补偿该气缸的功率下降。根据本发明，这可通过比较其余气缸的爆震水平并选择具有相对低的爆震水平的一个或多个气缸来完成。替换地或另外，可通过调节供给至各气缸的燃烧用空气量来调节或平衡气缸的功率。例如，可调节一个或多个进气阀的打开持续时间或打开正时以升高或降低气缸功率。这样，可以在平衡所有气缸的气缸功率的同时实现全部气缸的基本相同的爆震水平。
最后，本发明可部分基于这样的认识，即在提前气态燃料燃烧发动机的气缸的点火正时以优化效率时，NOx排放水平可能提高。因此，根据本发明，监视NOx排放水平，并且在检测到NOx排放水平提高时修改气态燃料发动机的运转参数。例如，可升高进气歧管空气压力以例如保持NOx排放水平不变。应该指出的是，术语“点火正时”是指气缸内的燃气与空气的混合物的点燃开始的时间，例如，在使用火花塞的情况下发生火花的时刻或在使用先导燃料喷射器的情况下开始先导燃料喷射的时刻。此外，应了解的是，“提前”点火正时指的是使点火正时变换为更早的正时。
现在参照附图，在图1中示出了内燃发动机10的一个示例性实施例。内燃发动机10可包括未示出的部件，例如燃料系统、空气系统、冷却系统、周边设备、传动系构件等。出于本发明的目的，内燃发动机10为燃气发动机。但本领域的技术人员将认识到，内燃发动机10可为任何类型的内燃发动机，例如双燃料发动机或至少暂时利用气态燃料与空气的混合物进行燃烧的任何其它奥托发动机。
内燃发动机10可具有任何尺寸、具有任何数量的气缸并且采用任何构型(“V型”、“直列”等)。内燃发动机10可用来为任何机器或其它设备提供动力，包括船或海上应用、机车应用、公路卡车或交通工具、野外机器、土方设备、发电机、航天应用、泵、静止设备例如发电厂或其它由发动机提供动力的应用。
仍参照图1，内燃发动机10包括发动机缸体20——其包括气缸列26A-26D、至少一个燃料箱(未示出)、与气缸26A-26D相关联的涡轮增压器40和进气歧管22。
发动机缸体20包括曲轴箱(未示出)，曲轴6(参看图2)被支承在该曲轴箱内。曲轴6与在内燃发动机10运转期间可在各气缸26A-26D内移动的活塞18(参看图2)。
进气歧管22至少暂时与各气缸26A-26D流体连接。各气缸26A-26D设置有至少一个进气阀35(参看图2)，该进气阀适合断开或闭合进气口24与气缸26A-26D的对应燃烧室16之间的流体连接。
排气歧管28与各气缸26A-26D连接。各气缸26A-26D设置有配置在排气通路37(参看图2)中并且构造成断开和闭合各气缸26A-26D的燃烧室16与排气歧管28之间的流体连接的至少一个排气门36。
通常，在内燃发动机10运转时，气态燃料与空气的混合物(在下文中称为“混合物”)经由空气入口4、进气歧管22以及供给压缩进气的进气门35和供给气态燃料的进气阀38(参看图2)导入多个气缸26A-26D的燃烧室内。在燃烧之后，通过燃烧过程产生的排气经排气歧管28从气缸26A-26D释放。
在排气歧管28中可配置有排气传感器29以检测来自内燃发动机10的排气的成分。在本文描述的示例性实施例中，排气传感器可以是构造成检测来自内燃发动机10的排气中的NOx的量的NOx传感器。
涡轮增压器40构造成利用内燃发动机10的排气的热和压力来驱动压缩机44以压缩供给至发动机之前的进气。具体而言，通过涡轮增压器40的涡轮42的排气可旋转涡轮42，由此降低压力和温度。压缩机44经由共用轴46与涡轮42可旋转地连接并由涡轮42驱动。
通常，压缩机44的出口经由压缩机连接部21与进气歧管22的入口流体连接。如图1所示，压缩机44的出口经由冷却器23与进气歧管22的入口连接。配置在冷却器23下游的节气门27构造成断开或闭合压缩机连接部21与进气歧管22之间的流体连接，由此实现或限制压缩进气从压缩机连接部21向进气歧管22中的流动。
在内燃发动机10运转期间，进气在供给至气缸26A-26D之前被压缩并冷却。在气缸26A-26D内，可通过活塞18的移动来引起混合物的进一步压缩和加热(参看图2)。然后，可例如通过利用火花塞或液态燃料的先导喷射来点燃气缸26A-26D内的混合物，以在预定的点火正时引发混合物的燃烧。应该指出的是，本文的术语“点火正时”是指在火花塞的情况下发生火花的正时以及在将先导燃料喷射器用于为各气缸点燃混合物的情况下先导燃料喷射器开始喷射先导燃料的正时。此外，术语“共同点火正时”表示在关于相关联的活塞在各气缸中的移动相同的时刻执行各气缸中的点火，而不是全部气缸中的点火同时发生。所产生的排气经由排气歧管28排出。排气歧管28的出口与涡轮42的入口流体连接。涡轮42的出口可与例如排气处理系统(未示出)流体连接。
另外，如图1所示，内燃发动机10可设置有废气门系统，其包括废气门连接部80和废气门阀82。内燃发动机10还可包括放散系统，其包括放散连接部66和放散阀64。应该理解的是，如果适合的话，放散连接部66和放散阀64可设置有与图1所示的构型不同的构型。替换地，可省略这些构件中的一个或多个构件。
现在来看图2，示出了用于平衡气态燃料发动机10的气缸26A-26D的控制系统100的示例性实施例。本领域的技术人员将认识到，图2所示的示例性气缸26呈现了图1的气缸26A-26D的原理。因此，图2所示的示例性公开的构型还适用于图1所示的气缸26A-26D。
图2示出了气缸26的示意性截面图。气缸26限定出燃烧室16并且包括活塞18。曲轴6经由活塞缸8与活塞18连接。活塞18构造成在气缸26内往复运动。
气缸26经由进气通路24与进气歧管22(图1)连接并经由排气通路37与排气歧管28连接。进气门35配置在进气通路24中，而排气门36配置在排气通路37中。设置了进气阀38以向气缸26的燃烧室16供给气态燃料。在该示例性实施例中，进气阀39可以是螺线管操作的进气阀(SOGAV)。
进气门35构造成向燃烧室16供给压缩进气。排气门36构造成将在燃烧之后的排气从燃烧室16排出到排气歧管28。
点火装置90构造成在期望的点火正时点燃燃烧室16内的气态燃料与空气的混合物。在一些实施例中，点火装置90可以是火花塞。在其它示例性实施例中，点火装置90可以是构造成喷射先导量的例如柴油以点燃混合物的先导喷射器。此外，在一些示例性实施例中，可在燃烧室16中设置预燃室(未示出)，并且点火装置90可构造成点燃供给至预燃室的少量气态燃料以引发燃烧室16中的气态燃料与空气的燃烧。
控制系统100包括与气缸26相关联的传感器60。传感器60可至少部分配置在燃烧室16内。在其它示例性实施例中，传感器60可配置在燃烧室16的外部。传感器60构造成检测气缸26内的燃烧的特性。在一些实施例中，传感器60可以是构造成检测气缸26内的气缸压力的压力传感器。传感器60可以是任何已知的压力传感器并且可构造成以公知方式检测燃烧室16内的压力。在其它实施例中，传感器60可构造成检测燃烧室16内的温度变动或可以用以确定气缸26的爆震量的其它特性。例如，传感器60可以是构造成在燃烧室16中的燃烧期间检测在发动机缸体20中传播的撞击声音的撞击声音传感器。
控制系统100还包括控制单元50。控制单元50经由通信线54与传感器60连接并经由通信线52与进气阀38连接。控制单元50还经由通信线53与点火装置90连接。控制单元50构造成经由点火装置90来控制燃烧室16中的混合物的点火正时。此外，控制单元50构造成接收由传感器60进行的检测的结果并由接收的检测结果至少确定气缸26中的燃烧的特性。
此外，控制单元50构造成基于来自传感器60的检测结果来确定在燃烧发动机10运转期间与燃烧室16中的气体和空气的混合物的燃烧相关联的爆震量。在一些实施例中，控制单元50可构造成通过传感器60记录和分析气缸压力以确定爆震量。在其它实施例中，在传感器60为声音传感器的情况下，控制单元50由传感器60进行的撞击声音测量来确定爆震量。
控制单元50可以是单个微处理器或两个微处理器，其包括用于尤其控制燃烧发动机10的各种构件的工作的装置。控制单元50可以是能够控制内燃发动机10和/或其相关联的构件的普通发动机控制单元(ECU)。控制单元50可包括运行诸如存储器、二次存储装置和处理器之类的应用所需的所有构件，例如中央处理单元或本领域中已知的用于控制内燃发动机10及其构件的任何其它装置。各种其它公知的电路可以与控制单元50相关，包括供电电路、信号调节电路、通信电路和其它合适的电路。控制单元50可分析和比较接收和存储的数据，并基于存储在存储器中或由使用者输入的指令和数据来判定是否需要动作。例如，控制单元50可将接收的值与存储在存储器中的目标值进行比较，并基于该比较结果来将信号传输到一个或多个构件以改变其工作状态。
控制单元50可包括用于存储与内燃发动机10及其构件的操作有关的数据的本领域中已知的任何存储装置。该数据可采用表示例如来自传感器60的检测结果与气缸26的爆震量相关联的一个或多个脉谱图的形式存储。各脉谱图可以采用表格、曲线图和/或公式的形式，并且可包括从实验室和/或内燃发动机10的现场运转收集的数据汇编。可通过在各种运转条件下对内燃发动机10的运转执行仪器试验而同时改变与其相关联的参数或执行各种测量来生成脉谱图。控制单元50可参照这些脉谱图并且响应于另一构件的期望工作来控制一个构件的工作。例如，脉谱图可包含与当爆震量超过爆震阈值Th2(参看图3)时或当一个气缸26的爆震水平比其它气缸的爆震水平高预定量时进气阀38的打开持续时间的所需缩短有关的数据。
特别地，控制单元50构造成确定各气缸26A-26D(参看图1)的爆震水平并且确定气缸26A-26D之中具有高于平均的爆震水平的气缸。在一些示例性实施例中，控制单元50可构造成比较气缸26A-26D的爆震水平并且确定具有最高爆震水平的气缸。在其它实施例中，控制单元50可确定所有气缸的爆震水平，计算所确定的爆震水平的平均值，并且在爆震水平高于计算出的平均值时判定为气缸具有高于平均的爆震水平。在其它示例性实施例中，控制单元50可构造成将一个或多个气缸26A-26D的爆震水平与第一爆震阈值Th1(参看图1)进行比较，并且将具有高于爆震阈值Th1的爆震水平的一个或多个气缸确定为具有高于平均的爆震水平。在一些实施例中，爆震阈值Th1可低于第二爆震阈值Th2，该第二爆震阈值可以是对内燃发动机10而言可允许或可接受的爆震量的硬极限。
在接下来的步骤中，控制单元50构造成通过缩短与所述气缸相关联的进气阀的打开持续时间来减小具有高于平均的爆震水平的气缸的爆震量。这样，气缸的爆震水平将降低，并且因此将被调节为更接近多个气缸26A-26D的平均爆震水平。在一些实施例中，控制单元50还可构造成将与具有高于平均的爆震水平的气缸相关联的进气阀的打开持续时间缩短为低于第三爆震阈值Th3的爆震水平，所述第三爆震阈值Th3可小于爆震阈值Th1。在其它实施例中，爆震阈值Th3和Th1可相同。
将了解的是，为了维持内燃发动机10的所需输出，可相应地延长与其余气缸26A-26D相关联的一个或多个进气阀的打开持续时间。例如，控制单元50可构造成通过对具有高于平均的爆震水平的气缸使用SOGAV调整(trim)来调节与具有上述平均爆震水平的气缸相关联的进气阀38，并且成比例地延长其余气缸的一个或多个SOGAV打开持续时间。在一个示例中，控制单元50可构造成通过将具有高于平均的爆震水平的气缸的打开持续时间缩短例如10％并且对应地延长一个或多个其余进气阀的打开持续时间共计10％。控制单元50可构造成基于由控制单元50确定的爆震水平来选择针对其延长了打开持续时间的一个或多个进气阀。在该示例中，控制单元50可选择具有最低爆震水平的气缸并且将相关联的进气阀的打开持续时间延长10％，或者可选择两个具有相对低的爆震水平的气缸并且针对各进气阀将相关联的进气阀的打开持续时间延长5％。技术人员将了解的是，针对其延长了打开持续时间的进气阀的选择和所述延长对这些进气阀的分配存在许多不同的可能性。所有此类可能的组合旨在处于本发明的范围内。
替换地或另外，控制单元50可构造成缩短具有上述平均爆震水平的气缸的SOGAV的打开持续时间，并且然后调节供给至一个或多个气缸的充气量以便在平衡各个气缸的功率的同时维持所需的输出功率。例如，控制单元50可构造成调节一个或多个进气阀35的打开持续时间以平衡气缸功率。此外或作为替换，控制单元50可构造成调节调整供给至各气缸的空气量的一个或多个节气门(未示出)。
控制单元50还可构造成重复这样的步骤，即确定具有高于平均的或最高爆震水平的气缸并缩短相关联的进气阀的打开持续时间，并且如果有必要的话，延长与至少一个其它气缸相关联的至少一个其它进气阀的打开持续时间或调节供给至一个或多个气缸的空气量，直至所有气缸26A-26D的爆震水平彼此相差预定量为止，并且可选地，各个气缸的气缸功率达到平衡，即基本相同。该预定量可以是通过实验或在内燃发动机10的测试期间获得的预设量，或者可以是在燃烧发动机10运转期间获得和/或可以修改的量。在一些示例性实施例中，预定量可取决于燃烧发动机10的运转参数，例如发动机负荷等。
通过重复执行与多个气缸26A-26D相关联的进气阀的打开持续时间的调节，多个气缸26A-26D关于它们的爆震水平达到平衡。因此，可以假设多个气缸26A-26D也将关于对应的燃烧室16中的燃烧的其它特性、例如它们的λ值达到平衡。可以利用燃烧发动机10的可能已经安装的爆震控制系统来实现该平衡。因此，在许多现存的燃烧发动机系统中不需要另外改造燃烧发动机10来实施本发明的控制方法。
此外，控制单元50可以与排气传感器29可操作地连接，并且可构造成基于从排气传感器29接收的检测结果来监视内燃发动机10的排气参数。控制单元50可构造成控制内燃发动机10的至少一个运转参数以将排气参数维持在低于预定的排气参数阈值的值。在本文描述的示例性实施例中，排气参数是内燃发动机10的NOx排放水平，并且控制单元50构造成升高进气歧管22中的进气歧管空气压力以维持内燃发动机10的NOx排放水平。在本文描述的示例性实施例中，控制单元50构造成保持内部燃烧水平的NOx排放水平不变。在其它示例性实施例中，控制单元50可构造成保持内燃发动机10的NOx排放水平低于预定的NOx阈值。然而，应该认识到，在其它实施例中，可使用不同的排气参数，并且可采取不同措施来控制内燃发动机10的运转，以将排气参数维持在恒定值或低于预定阈值的值。
此外，为了提高多个气缸26A-26D的爆震水平的检测的可靠性，控制单元50可构造成通过将在预定数量的燃烧循环获得的爆震水平平均来确定爆震水平。该平均可为移动平均，并且燃烧循环的数量可以是引起期望的可靠性的合适数量。
在该示例性实施例中，各传感器60为构造成检测与相关联的气缸20的燃烧室16内的燃烧相关联的撞击声音的撞击声音传感器。控制单元50构造成基于由各传感器60检测到的冲击声波来确定多个气缸26A-26D中的每个气缸的爆震水平。当然，在其它示例性实施例中，传感器60可以是不同的传感器，例如至少部分配置在燃烧室16中以检测气缸压力的压力传感器，或能够提供可以用于确定相关联的气缸的爆震水平的信号的另一已知的传感器。
控制单元50还构造成操作与多个气缸26A-26D相关联的多个点火装置90，以使得针对多个气缸中的每个气缸以共同点火正时引发各气缸的燃烧室中的燃烧。例如，共同点火正时可以是各气缸26的在上死点(TDC)之前的预定曲柄角。特别地，控制单元50可构造成针对多个气缸(26A-26D)以第一共同点火正时操作内燃发动机10，即，可针对所有气缸以在TDC之前的相同曲柄角引发点火，而同时以上述方式执行多个气缸26A-26D的爆震水平的平衡。
当全部气缸的爆震水平彼此相差预定量以下时，控制单元50还构造成针对多个气缸26A-26D中的每个气缸将第一共同点火正时提前为第二共同点火正时以提高内燃发动机10的效率。在一些实施例中，控制单元50可将点火正时提前预定量。在其它实施例中，控制单元50可构造成将点火正时提前取决于一个或多个参数——例如，当前点火正时、发动机负荷等——的量。若干与点火正时的提前有关的脉谱图可被存储在控制单元50的存储器中。
在提前点火正时之后，控制单元50还构造成再次监视并且如果有必要的话平衡气缸26A-26D的爆震水平。控制单元50可构造成连续平衡多个气缸26A-26D的爆震水平。此外，控制单元50可构造成再次将点火正时从第二共同点火正时提前例如在将点火正时提前为第二共同点火正时之后的预定时间。控制单元50可构造成在平衡气缸26A-26D的爆震水平之后提前点火正时，直至多个气缸26A-26D中的每个气缸的共同爆震水平处于例如爆震阈值Th2(参看图3)的预定范围内。在一些实施例中，控制单元50可构造成执行用于以规定间隔或在检测到内燃发动机10的运转参数的变化、例如经由进气歧管22供给的进气的温度或进气歧管22中的进气歧管空气压力的变化时提前点火正时的处理。因此，控制单元50可构造成通过以燃烧发动机10的NOx排放水平保持低于NOx排放阈值的要求提前点火正时来平衡燃烧发动机10的效率优化。
应该认识到，在特定情况下，控制单元50可构造成延迟多个气缸26A-26D的点火正时，例如当气缸26A-26D的基本平衡的爆震水平达到或超过第一或第二爆震阈值Th1或Th2时。控制单元50可构造成将全部气缸的爆震水平降至特定值之下，例如第一爆震阈值Th1或第三爆震阈值Th3，或将点火正时延迟预定量。这样，可确保燃烧发动机10在第二爆震阈值Th2之下的安全运转。
工业适用性
本文描述的用于平衡燃气或双燃料内燃发动机中的多个气缸的系统和方法的工业适用性将从前面的说明容易地了解。适合本发明的示例性机器为大型内燃发动机，例如由德国Kiel的Caterpillar Motoren GmbH&Co.KG制造的M46DF、GCM46、GCM34、M32DF、M34DF、M3x系列发动机。类似地，本文描述的系统和方法可以适合用于各种不同任务的各种其它内燃发动机。
利用本发明的系统，可以在内燃发动机的气态燃料运转期间优化内燃发动机的效率。这可通过平衡各个气缸的爆震水平来完成，并由此还平衡与其相关联的λ值。有利地，这利用内燃发动机的已经存在的爆震控制系统来完成。例如，在具有使用多个气缸压力传感器的爆震控制系统的双燃料发动机中，来自这些气缸压力传感器的检测结果可用于基于爆震水平来确定爆震阈值和设定SOGAV调整。在其它不包括气缸压力传感器的燃烧发动机中，用于检测爆震的与燃烧发动机的各气缸相关联的撞击声音传感器可用于相同目的。除平衡爆震水平外，还可通过调节供给至一个或多个气缸的空气量来平衡各个气缸的功率。
下文描述根据本发明的示例性控制。
控制单元50可使内燃发动机10针对多个气缸26A-26D中的每个气缸以第一共同点火正时运转。第一共同点火正时可以是用于内燃发动机10的预设默认点火正时，可已经由操作人员设定，或可已经由控制单元50基于检测出的燃烧发动机10的运转状态、例如燃烧发动机10的负荷或进气温度或压力而自动设定。
在内燃发动机10以第一共同点火正时运转时，控制单元50构造成确定多个气缸26A-26D之中具有高于平均的爆震水平、例如具有最高爆震水平的气缸。
基于确定的爆震水平，控制单元50构造成缩短与具有高于平均或最高爆震水平的气缸相关联的进气阀38的打开持续时间(SOGAV调整)。此外，控制单元50可构造成对应地延长与至少一个其它气缸26A-26D相关联的至少一个其它进气阀38的打开持续时间以满足内燃发动机10的功率要求。与多个气缸26A-26D相关联的进气阀的打开持续时间的调节将平衡多个气缸26A-26D的爆震水平。此外或作为替换，控制单元50可调节供给至具有高于平均值的爆震水平的气缸的空气量以再次升高其功率，或调节供给至一个或多个其它气缸的空气量以调节/平衡它们的功率。
控制单元50将重复地执行对气缸的爆震水平的确定和对进气阀的打开持续时间的调节，直至所有气缸的爆震水平基本相同或彼此相差小于预定量，并且可选地，还平衡气缸功率。当全部气缸的爆震水平相差预定量以下并且共同爆震水平为它低于一定阈值、例如第二阈值Th2这样时，控制单元50将针对多个气缸26A-26D中的每个气缸将第一共同点火正时提前为第二共同点火正时，以提高内燃发动机10的效率。
提前点火正时将引起内燃发动机10的NOx排放的增加。因此，控制单元50将使用排气传感器29来监视NOx排放水平，并且将进气歧管空气压力提高至产生保持恒定或至少低于预定阈值的NOx排放水平的值。
应了解的是，由控制单元50执行的NOx排放控制又将影响多个气缸26A-26D的燃烧室中的燃烧，并因此还影响相关联的气缸的爆震水平。然而，由于控制单元50构造成连续监视和调节多个气缸26A-26D的爆震水平，所以本发明的控制系统可以对爆震水平的变化作出反应，并且因此利用用于优化发动机效率的控制来平衡NOx排放控制。
控制单元50将重复执行气缸26A-26D的爆震水平的平衡和共同点火正时的提前，直至达到燃烧发动机10的最高可能的效率而同时维持低于阈值的NOx排放水平为止。
将了解的是，在全部气缸的共同爆震水平或一个气缸的爆震水平超过特定爆震阈值、例如爆震阈值Th2的情况下，控制单元50将延迟多个气缸26A-26D的共同点火正时以将燃烧发动机10维持在不会发生过度爆震的安全工作区域内。应该了解的是，可以使用各种方案来将内燃发动机10维持在安全工作区域内。例如，可对平衡之后的气缸的共同爆震水平使用一个阈值，并且可对各个气缸的爆震水平使用另一个更高的阈值。
在另一示例性控制策略中，可通过在不首先平衡爆震水平的情况下提前气缸26A-26D的共同点火正时、例如通过逐渐提前所述共同点火正时来开始由控制单元50进行的控制。这可以在一个气缸的爆震水平超过预定阈值、例如第二阈值Th2之前完成。然后，可执行上述用于平衡爆震水平的方法，包括缩短具有过大爆震水平的气缸的打开持续时间。一旦多个气缸26A-26D的爆震水平达到平衡，控制单元便可再次提前共同点火正时，直至再次检测到高于第二爆震阈值Th2的爆震为止。
尽管已描述了对多个气缸26A-26D使用共同点火正时，但还设想可在上述爆震水平的平衡中使用单独的点火正时。在使用单独的点火正时的情况下可以如何修改本文描述的示例性方法对技术人员来说将显而易见。例如，可通过调节相关联的进气阀的打开持续时间并调节各气缸的点火正时的组合来改变该气缸的爆震水平。
在上述示例性控制策略中，通过调节相关联的进气阀的打开持续时间来调节各个气缸的爆震水平。还设想在其它控制策略中，除调节相关联的进气管的打开持续时间外或作为其替换，可通过调节供给至各气缸的进气量来调节爆震水平。
将了解的是，前面的描述提供所公开的系统和方法的示例。但是，可以预期，本发明的其它实施方案可在细节方面不同于前面的示例。所有对本发明或其示例的说明旨在就这一点说明具体示例且并非旨在对一般的公开内容加以任何限制。
文中对数值范围的叙述仅旨在用作单独参考处在该范围内的各单独的数值的简便方法，除非文中另外指出，并且将各单独的数值结合在说明书中，就如它在文中被单独叙述一样。文中所述的所有方法步骤可以采用任何合适的次序执行，除非上下文另外指出或明显与上下文抵触。
尽管文中已描述了本发明的优选实施例，但在不脱离以下权利要求的范围的前提下可加入改进和改型。

Claims (15)

1.一种用于在内燃发动机(10)的气态燃料运转期间平衡多个气缸(26A-26D)的方法，所述内燃发动机具有分别与多个气缸(26A-26D)相关联的多个进气阀(38)，所述方法包括：
在使所述内燃发动机(10)针对多个气缸(26A-26D)中的每个气缸以第一共同点火正时运转时，
a)确定多个气缸(26A-26D)之中具有高于平均爆震水平的爆震水平的气缸，
b)缩短与所述具有高于平均爆震水平的爆震水平的气缸相关联的进气阀(38)的打开持续时间，以及
c)重复步骤a)至b)，直至全部气缸(26A-26D)的爆震水平彼此相差预定量以下；并且
当全部气缸(26A-26D)的爆震水平彼此相差预定量以下时，针对多个气缸(26A-26D)中的每个气缸将所述第一共同点火正时提前为第二共同点火正时。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤a)中确定多个气缸(26A-26D)之中具有最高爆震水平的气缸，并且在步骤b)中缩短与具有最高爆震水平的气缸相关联的进气阀(38)的打开持续时间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤b)还包括延长与至少一个其它气缸(26A-26D)相关联的至少一个其它进气阀(38)的打开持续时间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，步骤b)还包括调节供给至多个气缸(26A-26D)中的一个或多个气缸的空气量以调节其功率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括：
通过在使所述内燃发动机(10)以第一共同点火正时运转时重复执行步骤a)至c)来重复提前多个气缸(26A-26D)中的每个气缸的点火正时，并且在全部气缸(26A-26D)的爆震水平彼此相差预定量以下时将所述第一共同点火正时提前为第二共同点火正时。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，步骤b)还包括将所述进气阀(38)的打开持续时间缩短一定的量以使得与气缸相关联的爆震水平低于第一爆震阈值(Th1)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：
当在步骤a)中获得的爆震水平中的一个或多个爆震水平超过第二爆震阈值(Th2)时，延迟多个气缸(26A-26D)的共同点火正时。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括：
监视所述内燃发动机(10)的排气参数；以及
控制所述内燃发动机(10)的至少一个运转参数，以维持排气参数的值低于预定的排气参数阈值。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括控制所述内燃发动机(10)的至少一个运转参数以维持所述排气参数的恒定值。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述排气参数为所述内燃发动机(10)的NOx排放水平，并且控制所述内燃发动机(10)的至少一个运转参数的步骤包括提高进气歧管空气压力。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，步骤a)包括通过将在预定数量的燃烧循环获得的爆震水平进行平均来确定多个气缸(26A-26D)的爆震水平。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，还包括监视多个气缸(26A-26D)中的每个气缸的特性以确定多个气缸(26A-26D)中的每个气缸的爆震水平，其中所述监视特性的步骤包括检测在所述内燃发动机(10)的发动机缸体(20)中传播的声波和检测多个气缸(26A-26D)中的每个气缸中的压力的至少一者。
13.一种内燃发动机(10)，包括：
至少部分限定出多个气缸(26A-26D)的发动机缸体(20)；
分别与多个气缸(26A-26D)相关联的多个进气阀(38)；
分别与多个气缸(26A-26D)相关联的多个点火装置(90)，所述点火装置用于点燃相关联的气缸中的气态燃料与空气的混合物；
分别与多个气缸(26A-26D)相关联的多个传感器(60)；和
构造成接收来自所述多个传感器(60)的检测结果的控制单元(50)，其中所述控制单元还构造成：
在使所述内燃发动机(10)针对多个气缸(26A-26D)中的每个气缸以第一共同点火正时运转时，
a)确定多个气缸(26A-26D)之中具有高于平均爆震水平的爆震水平的气缸，
b)缩短与所述具有高于平均爆震水平的爆震水平的气缸相关联的进气阀(38)的打开持续时间，并且
c)重复步骤a)至b)，直至全部气缸(26A-26D)的爆震水平彼此相差预定量以下；并且
当全部气缸(26A-26D)的爆震水平彼此相差预定量以下时，针对多个气缸(26A-26D)中的每个气缸将所述第一共同点火正时提前为第二共同点火正时。
14.根据权利要求13所述的内燃发动机，其中，多个传感器(60)是构造成检测在所述发动机缸体(20)中传播的撞击声音的撞击声音传感器和构造成检测多个气缸(26A-26D)中的压力的压力传感器中的至少一者。
15.一种计算机程序，包括计算机可执行的指令，所述计算机可执行的指令在于计算机上运行时使得所述计算机执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的步骤。
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