在发动机起转期间限制发动机的容积效率以减少排放的系统和方法

技术领域

本公开涉及内燃发动机，并且更具体地涉及用于在发动机起转期间限制发动机的容积效率以减少排放的系统和方法。

背景技术

这里提供的背景技术描述用于总体上介绍本公开的背景。当前所署名发明人的在本背景技术部分中所描述的程度上的工作，以及本描述的在申请时可能还不构成现有技术的各方面，既非明示地也非暗示地被承认为是本公开的现有技术。

内燃发动机在气缸内燃烧空气和燃料混合物来驱动活塞，其产生驱动扭矩。进入发动机中的空气流经由节气门得到调控。更具体地，节气门调节节气面积，其增加或减少进入发动机中的空气流。随着节气面积增加，进入发动机中的空气流增加。燃料控制系统调节燃料被喷射的速率，来向气缸提供所需的空气/燃料混合物，和/或实现所需的扭矩输出。增加向气缸提供的空气和燃料的量会增加发动机的扭矩输出。

在火花点火发动机中，火花引发被提供至气缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火发动机中，气缸中的压缩燃烧被提供至气缸的空气/燃料混合物。火花正时和空气流可以是用于调节火花点火发动机的扭矩输出的主要机制，而燃料流可以是用于调节压缩点火发动机的扭矩输出的主要机制。

发明内容

根据本公开的原理的系统包括发动机起转模块和节气门控制模块。发动机起转模块基于接收自点火系统的输入和发动机速度中的至少一者来确定发动机是否正在起转，并生成指示发动机是否正在起转的信号。节气门控制模块在所述信号指示发动机正在起转时选择性地将发动机的节气门调节至完全关闭位置。

本发明还提供以下技术方案：

1. 一种系统，包括：

发动机起转模块，其：

       基于接收自点火系统的输入和发动机速度中的至少一者来确定发动机是否正在起转；并

       生成指示发动机是否正在起转的信号；和

节气门控制模块，其在所述信号指示发动机正在起转时选择性地将发动机的节气门调节至完全关闭位置。

2. 如技术方案1所述的系统，进一步包括：气门控制模块，其在发动机正在起转时打开进气门达第一持续时间，而在发动机正在运转时打开进气门达第二持续时间，其中所述第一持续时间小于所述第二持续时间。

3. 如技术方案1所述的系统，其中，当发动机冷却剂温度小于预定温度时，在发动机正在起转的期间，所述节气门控制模块将节气门调节至完全关闭位置。

4. 如技术方案1所述的系统，其中，当点火系统从断开切换到接通时，所述发动机起转模块确定发动机开始起转。

5. 如技术方案1所述的系统，其中，当发动机速度大于预定速度时，所述发动机起转模块确定发动机正在运转。

6. 如技术方案1所述的系统，进一步包括：发动机速度模块，其基于曲轴位置来确定发动机速度。

7. 如技术方案1所述的系统，进一步包括：进气空气流模块，其基于发动机的进气歧管内的空气压力来确定进入发动机的气缸的空气流的量。

8. 如技术方案7所述的系统，进一步包括：燃料控制模块，其控制燃料喷射器来以所需速率向气缸提供燃料。

9. 如技术方案8所述的系统，其中，所述燃料喷射器直接向气缸中喷射燃料。

10. 如技术方案9所述的系统，其中，所述燃料控制模块基于进入气缸的空气流的量和所需的空气/燃料比来确定所需速率。

11. 一种方法，包括：

基于接收自点火系统的输入和发动机速度中的至少一者来确定发动机是否正在起转；

生成指示发动机是否正在起转的信号；以及

当所述信号指示发动机正在起转时选择性地将发动机的节气门调节至完全关闭位置。

12. 如技术方案11所述的方法，进一步包括：

当发动机正在起转时，打开进气门达第一持续时间；并且

当发动机正在运转时，打开进气门达第二持续时间，其中所述第一持续时间小于所述第二持续时间。

13. 如技术方案11所述的方法，进一步包括：当发动机冷却剂温度小于预定温度时，在发动机正在起转的期间，将节气门调节至完全关闭位置。

14. 如技术方案11所述的方法，进一步包括：当点火系统从断开切换到接通时，确定发动机开始起转。

15. 如技术方案11所述的方法，进一步包括：当发动机速度大于预定速度时，确定发动机正在运转。

16. 如技术方案11所述的方法，进一步包括：基于曲轴位置来确定发动机速度。

17. 如技术方案11所述的方法，进一步包括：基于发动机的进气歧管内的空气压力来确定进入发动机的气缸的空气流的量。

18. 如技术方案17所述的方法，进一步包括：控制燃料喷射器来以所需速率向气缸提供燃料。

19. 如技术方案18所述的方法，进一步包括：直接向气缸中喷射燃料。

20. 如技术方案19所述的方法，进一步包括：基于进入气缸的空气流的量和所需的空气/燃料比来确定所需速率。

从以下提供的详细描述中，本公开的适用性的再一些领域将变得清楚明了。应该明白的是：详细描述和具体示例仅用于例示目的，而并非旨在限制本公开的范围。

附图说明

从详细描述和附图中，本公开将被更全面地理解，所述附图中：

图1是根据本公开的原理的发动机系统的功能框图；

图2是图1的发动机系统的节气门的透视图；

图3是根据本公开的原理的控制系统的功能框图；并且

图4是根据本公开的原理的用于在发动机起转期间限制发动机的容积效率的方法的流程图。

在附图中，附图标记可以被再使用来标识类似和/或相同的元件。

具体实施方式

排气系统通常包括催化转化器，其减少由发动机产生的排放。当催化转化器达到操作温度时，催化转化器最有效地减少排放。当发动机在发动机停机一段时间后起动(被称为冷起动)时，催化转化器的温度通常小于操作温度。因此，催化转化器可能达不到操作温度，直到发动机操作一段时间。穿过排气系统并进入环境中的绝大部分排放可能都是在这段时间中穿过排气系统的。

根据本公开的原理的系统和方法在发动机正在起转(cranking)时限制发动机的容积效率，以降低被吸引到发动机的每个气缸中的空气量。容积效率(volumetric efficiency)是进气期间进入气缸的实际空气量与静态条件下气缸的潜在(或几何)能力的比率(或百分比)。所述系统和方法可以通过完全关闭节气门和/或限制一个或多个进气门的打开持续时间，来限制发动机的容积效率。

降低被吸引到发动机的每个气缸中的空气量会降低必须被提供至每个气缸以便实现理想配比的燃料量。降低被提供至每个气缸的燃料量会降低由发动机产生的排放量。降低发动机输出的排放量会降低穿过发动机的排气系统并进入环境中的排放量，特别是在冷起动期间的发动机排出的排放量被降低时。

参考图1，发动机系统100的一示例实施方式包括发动机102，其燃烧空气/燃料混合物来基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入为交通工具产生驱动扭矩。驾驶员输入可以基于加速器踏板的位置。驾驶员输入也可以基于巡航控制，其可以是调整性巡航控制系统，其改变交通工具速度来维持预定的跟随距离。

空气通过进气系统108被吸引到发动机102中。进气系统108包括进气歧管110和节气门112。仅用于示例，节气门112可以包括具有可旋转叶片的蝶形气门。发动机控制模块(ECM)114控制节气门致动器模块116，其调控节气门112的开度来控制被吸引到进气歧管110中的空气量。节气门致动器模块116可以在完全打开位置(例如，节气门112百分之百打开的位置)与完全关闭位置(例如，节气门112百分之零打开的位置)之间致动节气门112。

来自进气歧管110的空气被吸引到发动机102的气缸中。虽然发动机102可以包括多个气缸，但是出于图示目的，只示出了单个代表气缸118。仅用于示例，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。ECM 114可以指示气缸致动器模块120来选择性地停用一部分气缸，其在某些发动机操作状况下可以提高燃料经济性。

发动机102可以使用四冲程循环进行操作。下面描述的四冲程即为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出)的每次回转期间，四冲程中的两个发生在气缸118内。因此，气缸118需要两次曲轴回转来经历所有四个冲程。

在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸引到气缸118中。ECM 114控制燃料致动器模块124，其调控燃料喷射器125来实现所需的空气/燃料比。燃料可以在中心位置处或在多个位置处比如在气缸中的每个的进气门122附近被喷射到进气歧管110中。燃料喷射器125可以将燃料直接地喷射到气缸118(如所示)中，或到与气缸118相关联的混合室中。燃料致动器模块124可以停止向被停用的气缸喷射燃料。

被喷射的燃料与空气混合，并在气缸118中形成空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，气缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。发动机102可以是压缩点火发动机，在该情况下，气缸118中的压缩动作点燃空气/燃料混合物。替代地，发动机102可以是火花点火发动机，在该情况下，火花致动器模块126基于来自ECM 114的信号使气缸118中的火花塞128通电，其点燃空气/燃料混合物。可以相对于活塞处于其被称为上死点(TDC)的最高位置时的时间来指定火花的正时。

火花致动器模块126可以由指定在离TDC多远之前或之后生成火花的正时信号来控制。因为活塞位置与曲轴旋转直接地有关，所以火花致动器模块126的操作可以与曲轴角度同步。在多个不同实施方式中，火花致动器模块126可以停止向被停用的气缸提供火花。

生成火花可以被称为引燃事件。火花致动器模块126可以具有用以为每个引燃事件改变火花的正时的能力。当火花正时信号在上一引燃事件与下一引燃事件之间变化时，火花致动器模块126甚至可以能够为下一引燃事件改变火花正时。在多个不同实施方式中，发动机102可以包括多个气缸，并且火花致动器模块126可以为发动机102中的所有气缸相对于TDC改变火花正时达相同量。

在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，由此驱动曲轴。燃烧冲程可以被定义为活塞到达TDC与活塞返回至下死点(BDC)时之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始从BDC向上移动，并通过排气门130排出燃烧的副产物。燃烧的副产物经由排气系统134从交通工具排出。

进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以由排气凸轮轴142控制。在多个不同实施方式中，多个进气凸轮轴(包括进气凸轮轴140)可以控制用于气缸118的多个进气门(包括进气门122)，和/或可以控制多个气缸组(包括气缸118)的进气门(包括进气门122)。类似地，多个排气凸轮轴(包括排气凸轮轴142)可以控制用于气缸118的多个排气门，和/或可以控制用于多个气缸组(包括气缸118)的排气门(包括排气门130)。

气缸致动器模块120可以通过禁止进气门122和/或排气门130的打开来停用气缸118。在多个不同的其它实施方式中，进气门122和/或排气门130可以由除了凸轮轴之外的比如电磁和/或液压致动器等装置控制。

可以通过进气凸轮相位器148来相对于活塞TDC改变进气门122打开时的时间。可以通过排气凸轮相位器150来相对于活塞TDC改变排气门130打开时的时间。气门致动器模块158可以基于来自ECM 114的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。当被实施时，可变气门升程和/或其它气门致动器也可以由气门致动器模块158来控制。

发动机系统100可以包括增压装置，其向进气歧管110提供加压空气。例如，图1示出了包括热涡轮160-1的涡轮增压器，所述热涡轮160-1由流动通过排气系统134的热排气气体提供动力。涡轮增压器还包括由涡轮160-1驱动的冷空气压缩机160-2，其压缩通向节气门112中的空气。在多个不同实施方式中，由曲轴驱动的增压器(未示出)可以压缩来自节气门112的空气，并将压缩空气输送至进气歧管110。

废气门162可以允许排气绕过涡轮160-1，由此降低涡轮增压器的增压(进气空气压缩量)。ECM 114可以经由增压致动器模块164来控制涡轮增压器。增压致动器模块164可以通过控制废气门162的位置来调整涡轮增压器的增压。在多个不同实施方式中，多个涡轮增压器可以由增压致动器模块164控制。涡轮增压器可以具有可变几何结构，其可以由增压致动器模块164控制。

中间冷却器(未示出)可以驱散包含在压缩空气充气中的热的一部分，其是在空气被压缩时生成的。压缩空气充气还可以具有来自排气系统134的部件的吸收热。尽管出于图示目的而分离地示出，但是涡轮160-1和压缩机160-2可以附接至彼此，从而将进气空气置于与热排气紧邻。

发动机系统100可以包括排气气体再循环(EGR)气门170，其将排气气体选择性地重新引导回到进气歧管110。EGR气门170可以位于涡轮增压器的涡轮160-1的上游。EGR气门170可以由EGR致动器模块172控制。

ECM 114可以基于从点火系统174接收到的输入来起动发动机102和/或停止发动机102。点火系统174可以包括按键或按钮。当驾驶员将按键从断开位置变动到接通(或运转)位置时，或者当驾驶员按压按钮时，ECM 114可以起动发动机102。在发动机102正在运转(running)的期间，当驾驶员将按键从接通位置变动到断开位置时，或者当驾驶员按压按钮时，ECM 114可以停止发动机102。

发动机系统100可以使用曲轴位置(CKP)传感器180来测量曲轴的位置。可以使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可以位于发动机102内，或者位于冷却剂被循环到的其它位置，比如散热器(未示出)处。

可以使用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量进气歧管110内的压力。在多个不同实施方式中，可以测量发动机真空，其为环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差值。可以使用空气质量流量(MAF)传感器186来测量流动到进气歧管110中的空气的质量流量(mass flow rate)。在多个不同实施方式中，MAF传感器186可以位于还包括节气门112的壳体中。

节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置(TPS)传感器190来监测节气门112的位置。TPS传感器190可以将节气门位置提供至节气门致动器模块116，其可以将节气门位置提供至ECM 114。替代地，TPS传感器190可以将节气门位置直接提供至ECM 114。可以使用进气空气温度(IAT)传感器192来测量被吸引到发动机102中的空气的环境温度。ECM 114可以使用来自这些传感器的信号来做出用于发动机系统100的控制决定。

参考图2，节气门112的一个示例实施方式包括圆柱形本体202、可旋转叶片204、电动机206、止挡208和弹簧210。电动机206旋转叶片204，来在完全打开位置与完全关闭位置之间调节节气门112。在完全打开位置，叶片204可以被设置在与节气门112的开口区域212正交的平面内，并且可以允许空气流穿过开口区域212。在完全关闭位置，叶片204可以被设置在与节气门112的开口区域212平行的平面内，可以阻止空气流穿过开口区域212，并且可以被完全座置抵靠本体202和/或止挡208。

电动机206沿方向214从完全打开位置向完全关闭位置旋转叶片204。止挡208可以防止电动机206旋转叶片204超过完全关闭位置。当弹簧210处于松弛状态时(例如，当发动机102停机时和/或当发动机空转时)，弹簧210可以将节气门112维持在预定的开口百分比(例如，7～10%打开)。当电动机206将叶片204旋转到完全关闭位置时，电动机206可以压缩弹簧210。在绘出的示例中，弹簧210被设置在叶片204与止挡208之间，使得弹簧210被压缩在叶片204与止挡208之间。在另一些示例中，弹簧210可以被设置在节气门112内的不同位置处。

参考图3，ECM 114的一个示例实施方式包括发动机速度模块302、发动机起转模块304、节气门控制模块306、进气空气流模块308、燃料控制模块310和气门控制模块312。发动机速度模块302确定发动机速度。发动机速度模块302可以基于从CKP传感器180接收到的输入来确定发动机速度。发动机速度模块302可以基于相应周期与齿检测之间的曲轴旋转量来确定发动机速度。发动机速度模块302输出发动机速度。

发动机起转模块304确定发动机102是否正在起转，并生成指示发动机102是否正在起转的信号。当点火系统174从断开切换到接通(或运转)时，发动机起转模块304可以确定发动机102开始起转。当发动机速度大于或等于预定速度时，发动机起转模块304可以确定发动机102从起转向运转过渡(例如，从400转每分(rpm)到700rpm)。

节气门控制模块306向节气门致动器模块116发送指令，来调节节气门112的位置。当发动机102正在起转时，节气门控制模块306可以将节气门112调节至完全关闭位置。节气门控制模块306可以只在来自ECT传感器182的发动机冷却剂温度小于预定温度(例如，30摄氏度(℃))时在发动机起转期间将节气门112调节至完全关闭位置。

气门控制模块312向气门致动器模块158发送指令来调节进气门122和/或排气门130的正时、升程和/或打开持续时间。当发动机102正在起转时，气门控制模块312可以限制进气门122的打开持续时间。例如，气门控制模块312可以在发动机102正在运转时打开进气门122达第一持续时间，而在发动机102正在起转时打开进气门122达小于第一持续时间的第二持续时间。气门控制模块312可以只在发动机冷却剂温度小于预定温度时在发动机起转期间限制进气门122的打开持续时间。气门控制模块312输出进气门122的打开持续时间。

进气空气流模块308确定进入发动机102的每个气缸的进气空气量。进气空气流模块308可以基于来自MAP传感器184的歧管压力、来自TPS传感器190的节气门位置、所需的节气门位置和/或进气门122的打开持续时间，来确定进气空气量。例如，进气空气流模块308可以基于节气门位置和发动机真空来确定穿过节气门112的进气空气流的量。进气空气流模块308于是可以基于穿过节气门112的进气空气流的量、发动机102中的气缸数量和/或进气门122的打开持续时间，来确定进入发动机102的每个气缸的空气流的量。

燃料控制模块310向燃料致动器模块124发送指令来调节被提供至发动机102的每个气缸的燃料量。燃料控制模块310可以向燃料致动器模块124发送指令来以所需速率向每个气缸提供燃料。燃料控制模块310可以基于进入气缸的空气流的量，来确定向气缸提供燃料的所需速率。燃料控制模块310可以调节所需速率来实现所需的空气/燃料比，比如理想配比的空气/燃料比。

现在参考图4，一种用于在发动机起转期间限制发动机的容积效率的方法开始于402处。在404处，所述方法确定发动机是否正在起转。当发动机的点火系统从断开切换到接通(或运转)时，所述方法可以确定发动机开始起转。当发动机的速度大于或等于预定速度时，所述方法可以确定发动机从起转向运转过渡(例如，从400rpm到700rpm)。当发动机正在起转时，所述方法在406处继续。否则，所述方法在408处继续。

在406处，所述方法将节气门调节至完全关闭位置(例如，0%打开)。在多个不同实施方式中，加上或代替将节气门调节至完全关闭位置，所述方法可以在发动机正在起转时降低发动机的一个或多个(例如，全部)气缸的进气门的打开持续时间。例如，所述方法可以在发动机正在运转时打开进气门达第一持续时间，而在发动机正在起转时打开进气门达小于第一持续时间的第二持续时间。

在408处，所述方法将发动机的节气门维持在预定位置处(例如，7～10%打开)。在一个示例中，节气门包括可旋转叶片、电动机和弹簧。当发动机102正在运转时，电动机可以在预定位置与完全打开位置(例如，100%打开)之间调节叶片。当弹簧处于松弛状态时(例如，当发动机停机时和/或当发动机正空转时)，弹簧可以将叶片维持在预定位置。

在410处，所述方法确定进入发动机的每个气缸的进气空气量。所述方法可以基于进气歧管内的压力、节气门的位置和/或进气门的打开持续时间，来确定进气空气量。例如，所述方法可以基于节气门位置和发动机真空，来确定穿过节气门的进气空气流的量。所述方法于是可以基于穿过节气门的进气空气流的量、发动机中的气缸数量和/或进气门的打开持续时间，来确定进入发动机的每个气缸的空气流的量。

在412处，所述方法基于进入发动机的每个气缸的进气空气量，来调节被提供至发动机中的每个气缸的燃料量。所述方法可以以所需速率向每个气缸提供燃料。所述方法可以基于进入气缸的空气流的量，来确定向气缸提供燃料的所需速率。所述方法可以调节所需速率来实现所需的空气/燃料比，比如理想配比的空气/燃料比。

在414处，所述方法确定发动机速度是否大于预定速度。如果发动机速度大于预定速度，则所述方法确定发动机正在运转，并在416处继续。否则，所述方法在406处继续。在416处，所述方法基于驾驶员输入(例如，加速器踏板位置、巡航控制设定)来调节节气门。例如，所述方法可以基于驾驶员输入来确定驾驶员扭矩请求，并在以实现所需空气/燃料比的速率向发动机的每个气缸提供燃料时，将节气门调节至满足驾驶员扭矩请求的位置。

前面的描述在本质上仅仅是示例性的并且决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广义教导可以以各种形式实施。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真正范围不应局限于此，因为在研究附图、说明书和下面的权利要求书的基础上，其它修改将是显而易见的。如本文中所使用的，短语A、B和C中的至少一个应当被解释为意指使用非排他性逻辑“或”的逻辑（A或B或C）。应该明白的是：在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的顺序(或同时)执行方法内的一个或多个步骤。

在本申请中，包括下面的定义在内，术语模块(module)可以替换为术语电路(circuit)。术语模块可以指以下各项、是以下各项的一部分、或包括以下各项：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享、专用或组)；存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用或组)；提供所描述功能的其它适当的硬件部件；或以上中的部分或全部的组合，比如在片上系统(system-on-chip)中。

如上面所使用的，术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并可以指程序、例程、函数、类和/或对象。术语共享处理器包含执行来自多个模块的一部分或全部代码的单个处理器。术语处理器组包含执行来自一个或多个模块的一部分或全部代码的与附加处理器组合的处理器。术语共享存储器包含存储来自多个模块的一部分或全部代码的单个存储器。术语存储器组包含存储来自一个或多个模块的一部分或全部代码的与附加存储器组合的存储器。术语存储器可以是术语计算机可读介质的子组。术语计算机可读介质不包含通过介质传播的临时性电信号和电磁信号，因此可以被视为有形的和非临时性的。非临时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁存储器和光存储器。

在本申请中描述的设备和方法可以通过由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来被部分地或完全地实施。计算机程序包括被存储在至少一个非临时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括和/或依赖于被存储的数据。