用于运行火花点火燃料直喷发动机的方法和设备

摘要

提供用于运行喷射引导的火花点火直喷燃料发动机的方法和制品，包括在燃烧循环期间喷射第一燃料脉冲和通过给火花点火器通电来起动火花点火。在燃烧循环期间喷射第二燃料脉冲以便在给火花点火器通电期间邻近火花点火器有效形成可点燃的燃料－空气混合物。根据发动机负载决定第一燃料脉冲结束和火花点火开始之间所经过的优选时间。

说明书

技术领域

[0001]本方面总的关于内燃机控制系统，更具体地关于控制直喷火花点火内燃机中的燃烧的方法。

背景技术

[0002]内燃机的设计者不断地设法开发改进燃料效率并减少尾气排放的硬件和控制策略。举例来说，使用燃烧点火策略的发动机，即柴油发动机的设计者已经开发出在每个燃烧循环期间在每个气缸内部执行多个燃料喷射脉冲的先进的喷射系统。这种发动机采用昂贵的压电技术，并且因为柴油发动机没有采用火花点火，没有使多个喷射脉冲与来自火花塞的电弧相互作用的风险。某些壁引导的汽油火花点火直喷(SIDI)发动机采用多个使用电磁操作的涡旋射流式喷嘴的燃料喷射脉冲。通常有选择地采用这种喷射脉冲来实现排放后处理装置的加速预热和熄火，以及便于分层操作方式和均质发动机操作方式之间的发动机操作的过渡。在这种发动机中，两个喷射脉冲之间的时间间隔通常在180曲轴角度的范围内(以2000rpm的速度通常大约是15毫秒)。这个时间间隔被认为太大而不会有机会让两个燃料充气与火花电弧相互作用。

[0003]需要的是用于SDDI发动机控制的系统，该系统提供多个燃料喷射脉冲来控制燃烧室内的点火和燃烧过程，从而减少燃烧可变性，提高燃料效率和减少发动机排放。

发明内容

[0004]为了实现本发明的目的，提供用来运行喷射引导的火花点火燃料直喷发动机的方法和制品，包括在燃烧循环期间喷射第一燃料脉冲和通过给火花点火器通电来起动火花点火。在燃烧循环期间喷射第二燃料脉冲以便有效地在给火花点火器通电期间邻近火花点火器形成可点燃的燃料-空气混合物。根据发动机负载决定第一燃料脉冲结束和火花点火开始之间所经过的优选时间。

[0005]根据阅读和理解实施例的下列详细说明，对本领域技术人员来说，本发明的这些及其他方面变得显而易见。

附图说明

[0006]本发明可以在某些部件和部件配置方面采取物理形式，其优选实施例将详细描述并图示于形成为本发明一部分的伴随附图中，其中：

[0007]图1是根据本发明的内燃机的示意图；

[0008]图2-6包括根据本发明的图形描述；

[0009]图7和8包括根据本发明的标定数据；和

[0010]图9-13包括根据本发明的数据图形。

具体实施方式

[0011]现在参考附图，其中描述仅仅是图示发明的目的而不是为了限制本发明，图1描述了内燃机10和根据本发明的实施例构造的控制系统5的示意图。示例性发动机包括燃料直喷的喷射引导火花点火(SIDI)发动机，该发动机采用以分层燃烧充气方式操作的高挤压燃烧室几何形状。操作发动机控制系统来提供常用燃料喷射器的快速多脉冲，例如电磁操作的，以20MPa标称压力向内打开的枢轴型多孔燃料喷射器。清楚的是本发明适合于任何直喷的火花点火的内燃机，能够利用燃料-空气混合物的分层充气操作并正如所述地操作为控制燃料喷射。

[0012]示例性发动机包括多个可变容量燃烧室20，分别由形成在发动机气缸体25中的端部封闭的气缸限定。利用气缸壁，可动活塞11限定可变容量燃烧室20。转动曲轴35通过连杆连接到在正在进行的操作期间在气缸中往复运动的每个活塞11。气缸盖27在远离曲轴35的端部密封附接于气缸体25，并与气缸壁和活塞11一起形成燃烧室20。气缸盖27提供用于进气口17、排气口19、进气门21、排气门23、气缸内燃料喷射器12和火花塞14的结构。示例性燃料喷射器12包括已知的通用电磁操作的、向内打开的枢轴型多孔燃料喷射装置，该装置流体连接到加压的燃料供给系统以接收燃料，并且在正在进行的发动机操作期间可操作为周期性地将加压燃料注射或喷射到燃烧室20中。燃料喷射器12及在此描述的其他驱动器的驱动通过电子发动机控制模块(′ECM′)控制，该模块是控制系统5的元件。火花塞14包括已知的火花点火装置，其可操作为点燃形成在燃烧室20的燃料-空气混合物或燃烧充气。火花塞具有插入燃烧室的顶部，该顶部包括具有形成在其间的火花塞间隙的电极和阴极。燃料喷射器和火花塞顶部优选为相对于彼此邻近地放置，因此喷射的燃料在发动机操作期间与火化塞顶部相互作用。必要的点火能量被传递到火花塞14的阴极，用于按照相对于燃烧循环的适当时间从由ECM控制的点火模块(未示出)以电弧形式穿过火花塞间隙放电。进气口17将空气引到燃烧室20。进入燃烧室20的气流通过一个或多个进气门21控制，该进气门通过例如凸轮轴(未示出)的气门驱动装置可操作地控制。燃烧过的(烧过的)气体通过排气口19从燃烧室20流出，通过一个或多个排气门23控制经由排气口的燃烧过的气流，该排气门通过例如第二凸轮轴(未示出)的气门驱动装置可操作地控制。控制气门开闭的控制模式的细节不需要细说。清楚的是不同的发动机部件，包括气门控制机构及可变凸轮相位和可变气门驱动，落入发明的范围内。发动机和燃烧控制的其它众所周知的方面是已知的并且在此不再细说。在发明的至少一个实施例中，发动机可以配置为实现空气-燃料充气的缸内涡旋(in-cylinder swirl)。当发动机进气管和气缸盖如此设置时，这可通过采用蝶形阀来控制通过两个进气门端口中的一个的进气流来实现。

[0013]如前所述，ECM优选为是整个控制系统5的元件，控制系统包括可操作为提供坐标动力系系统控制的分布式控制模块结构。ECM合成相关信息和来自包括曲轴传感器31和排气传感器40的传感装置的输入，并执行算法来控制不同驱动器的操作，例如燃料喷射器12和点火模块，来实现控制目标，包括例如燃料经济性、排放、性能、驱动性能和硬件保护的参数。ECM优选为通用数字计算机，通常包括微处理器或中央处理器，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电子编程只读存储器(EPROM)的存储介质，高速时钟，模-数(A/D)和数-模(D/A)转换电路，输入/输出电路和装置(I/O)和合适的信号调节和缓冲电路。包括驻留程序指令和标定值的控制算法组以机器可执行的程序代码存在ROM中并执行来提供相应的功能。通常在预设循环周期中执行算法以使每个算法在每个循环周期中至少执行一次。保存在非易失性存储器装置中的算法通过中央处理器执行并可操作来监测来自传感装置的输入、执行控制和诊断程序以便使用预设标定值来控制相应装置的操作。循环周期通常以一定间隔执行，例如在进行中的发动机和车辆操作期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。替换地，可以响应于事件的发生执行算法。

[0014]火花点火的正时与喷射器打开和关闭的正时紧密结合。在此描述的控制策略包括控制第一和第二燃料喷射脉冲的燃料喷射，因此当点火能量通过每个火花塞间隙放电期间在火花塞间隙存在可燃混合物，即燃料空气等价比近似或大于1.0。

[0015]正如在此需要和所述，在每个燃烧事件期间多次驱动或脉动示例性燃料喷射器12来实现预期效果。在此呈现的结果包括对双脉冲燃料喷射脉冲而实现的结果。根据每个喷射开始的正时、每个喷射脉冲期间喷射的燃料量和喷射停顿时间，即在燃烧循环期间从第一喷射脉冲结束到第二喷射脉冲开始所经过的时间来描述燃料喷射。

[0016]示例性点火模块包括已知的产生三角形电流波形的感应型点火系统，具有以具有所经过的持续时间的三角形表示的点火持续时间，如图5所示。包括那些具有正方形或锯齿形电流输出的交流波形的其它点火系统是适用的，火花点火持续时间和火花放电的能量是主要的控制标准。

[0017]火花点火的正时优选包括相对于曲轴角转动、活塞位置和活塞行程方向预标定的正时，其有效地获得来自发动机的平均最佳的扭矩输出。火花点火总的包括点火提前正时，包括点火起动的发动机位置，对于通常的四冲程发动机该位置以每个压缩行程的上止点(bTDC)之前的发动机曲轴角来限定。火花点火包括停顿时间，包括在点火能量通过每个火花塞间隙放电期间所经过的时间。

[0018]火花停顿时间和相应的火花弧优选为充分的持续时间来点燃通过第二燃料喷射脉冲在火花塞间隙形成的燃料充气，如此所述。火花弧的持续时间优选为等于或大于燃料喷射脉冲之间的时间间隔，即从喷射结束到喷射结束。相反地，两个燃料喷射脉冲之间的时间间隔优选为小于火花弧的长度。火花弧的持续时间确定为在不存在准备好的可点燃混合物时避免两个喷射脉冲之间的时间间隔。在火花弧的持续时间小于两个喷射脉冲之间的间隔、并且在没有可点燃混合物准备好的时间间隔期间发生火花点火的情况下，可能导致不点火和部分燃烧的燃烧循环。在这个实施例中，在持续时间中优选的火花停顿时间大约为2.0毫秒来实现可燃烧混合物的点火。

[0019]示例性发动机的控制

[0020]这里所描述的发明包括控制策略，用于运行示例性火花点火的燃料直喷内燃机，以算法方式和在控制模块中的预定标定值来执行。控制策略包括在每个发动机循环中多次喷射燃料进入每个燃烧室，包括执行第一和第二燃料喷射脉冲。第一和第二燃料喷射脉冲有效地控制为在火花点火可能通电时在发动机曲轴位置一定范围内实现并保持接近火花塞间隙的可火花点燃的燃烧充气。在第一喷射结束之后优选以预定时间间隔起动火花点火，在火花点火起动之后优选进行第二燃料喷射脉冲。可火花点燃的燃烧充气优选包括接近火花塞间隙的接近或大于1.0的燃料-空气当量比。

[0021]现在参考图2至8，现在描述示例性发动机的更详细操作。根据预先标定策略控制包括燃料量和喷射正时的燃料喷射和包括火花正时和能量的火花点火，来实现包括与驾驶员扭矩需求、平均最佳的扭矩、燃烧变动、排放和烟雾有关的参数的最佳运行条件。

[0022]现在参考图2，给出显示用于运行示例性SIDI发动机的图示数据的数据图形。该数据以毫秒显示了第一喷射脉冲结束和火花点火起动之间对发动机负载的优选经过时间，该负载从小于100kPa到大于400kPa的净平均有效压力(NMEP)变化，即低于中间负载。第一喷射脉冲结束和火花点火开始之间所经过的时间是有效运行示例性SIDI发动机的重要参数。特定的参数值通常在发动机结构的预制造标定期间确定并储存在发动机正在进行的操作期间使用的控制模块的ROM中。

[0023]现在参考图3，给出显示用于为示例性发动机供给燃料的图示数据的数据图形，包括根据发动机负载用于第一喷射脉冲和第二喷射脉冲的以毫克(mg)显示的喷射燃料量。在这个实施例中，在所示的发动机负载范围将第二喷射脉冲定在大约2.5mg的燃料量。第二喷射脉冲的燃料量优选为示例性地确定并以特殊应用发动机设计和运行特征为基础，在没有不利影响排放或烟雾的情况下在火花点火期间在火花塞间隙获得可燃烧的燃料-空气混合物。第二喷射脉冲的通常值从大约1.0mg燃料到2.5mg燃料变化。在第一和第二喷射脉冲期间传递到燃烧室的燃料混合量对为发动机提供动力来说是充分的以满足扭矩的驾驶员要求。

[0024]在第二脉冲中喷射的燃料量是关键的。当小于阈值的燃料量喷射到燃烧室时，得到的燃料喷射动量不足以以充分确定方式行进到火花塞间隙来形成可点燃混合物。对于本示例性实施例已经确定的是在点火事件之后喷射的燃料最小量必须等于或大于1.0毫克。在点火事件之后喷射的燃料最大量取决于在过浓燃料-空气混合物区域形成碳烟的可能性，并且必须根据发动机负载和速度运行条件来确定。

[0025]现在参考图4，是双脉冲喷射和点火提前范围上发动机运行的图形表示，画有运行的相应10％质量燃烧分率(’mbf’)点火提前位置。发动机运行的优化区域在上止点之前(bTDC)以发动机曲轴角限定为点火提前，在上止点，10％质量燃烧分率(’mbf’)不再对应并变成水平或平的。10％mbf位置的平化显示在优化区域形成之前由火花弧沉积的能量被浪费。结果显示对于双脉冲喷射存在两个燃料喷射的优化区域。这两个燃料喷射的优化区域被确认为在TDC之前指定喷射结束时间的“第一喷射”和“第二喷射”。相邻区域表示位于或靠近10％mbf曲线形式变平作为在“第一喷射”和“第二喷射”时间段执行燃料喷射的结果。因此，在每个燃烧循环期间具有两个喷射而不是一个喷射加倍具有靠近火花塞的可燃烧混合物的机会，并且有选择地控制喷射正时来实现优化的发动机运行。然而，在火花弧持续时间短于规定标准，并且火花被正时以发生在两个优化区域之间的情况下，因为在两个优化区域之间可能不存在可点燃混合物，可导致不点火或部分燃烧的燃烧循环。对于在点火提前范围上的强点火，火花弧的持续时间优选为足够在丧失以火花弧尾部点燃运行的第二优化区域的可能之前以火花弧头部点燃运行的第一优化区域。

[0026]现在参考图5，给出了正时图，显示用于本发明图示的低负载运行点的第一喷射脉冲、火花点火和第二喷射脉冲的正时。在工作中，控制模块确定发动机负载和驾驶员扭矩要求，由该驾驶员扭矩要求确定在第一和第二喷射脉冲期间传递到发动机的燃料总量，在该图示中是要求6.2mg燃料的发动机负载。根据该燃料总量，0.270毫秒的第一喷射脉宽在第一喷射期间传递3.7mg燃料，0.230ms的第二喷射脉宽在第二喷射期间传递2.5mg燃料，参考图3所示。根据参考图2所示的标定图形确定从第一喷射结束直到点火开始的0.585ms的经过时间。根据发动机速度和负载的运行条件和驾驶员要求确定第一喷射脉冲和直到点火的延迟时间，正如参考图2和3所示进行标定。参考图4确定第二喷射脉冲的开始，因此在点火提前处出现第二喷射有效地达到10％质量燃烧分率(’bmf’)点火提前的优选点。当点火能量穿过火花塞间隙放电时，第二喷射脉冲有效地获得在此期间接近火花塞间隙的可燃烧的燃料-空气当量比，导致燃料-空气充气点火。

[0027]现在参考图6，显示示例性燃烧室的横截面视图，给出了示例性发动机的火花点火根据本发明的实施例运行时，在燃烧室20中火花塞14间隙周围测量的燃料当量比的分布。该图表示了燃烧室中从低于0.4到高于3.0变化的恒定燃料-空气当量比的线条。结果显示，在火花点火时火花塞间隙处的燃料-空气当量比在3.0以上，即局部地存在可靠点燃的浓燃料-空气混合物。因此，从双脉冲至少得到两个效果。第一，在脉冲期间喷射少量燃料导致喷射到燃烧室的燃料的渗入小于单脉冲燃料喷射。这有助于使可燃烧的燃料-空气混合物靠近火花塞间隙时更长时间地保持较高。第二，可以看出在火花点火的起动之后出现的第二燃料脉冲在延长时间段内形成火花塞间隙周围的可燃烧混合物。因此，显著增加了接近火花塞间隙的燃料-空气混合物接近或高于化学当量比的可能性。

[0028]现在参考图7和8，描述用于在使用双脉冲喷射控制策略的高负载情况下运行示例性发动机的标定数据的图形表示。标定数据是举例说明性的。参考图7，在第一和第二喷射脉冲期间喷射的燃料量表示在从中等到高负载变化的发动机负载范围上。在横跨负载范围时第二喷射保持在大约2.5mg的恒定值，而第一喷射随着增加的负载而增加。参考图8，表示了从中等到高负载变化的发动机负载的喷射结束的正时(以曲轴角度数bTDC)。在横跨大约5.5度bTDC的负载范围上第二喷射的结束保持恒定，而第一喷射的结束随着增加的负载而增加。在所述的实施例中，在第二喷射事件期间喷射的燃料量和喷射结束的正时(bTDC)都保持恒定，这里图示为大约2.5mg燃料和大约38度曲轴角度数bTDC的喷射结束正时。在第一喷射期间喷射的燃料量根据负载变化，第一喷射结束的正时也变化，均随着增加的负载而增加。在高负载运行中，可单独优化火花点火的整个正时来实现优化的发动机操作，该操作根据最大的燃烧稳定性和发动机扭矩和最小的排放来确定。

[0029]发动机控制的结果

[0030]在此所述的控制示例性发动机导致点火提前的工作范围的明显增加，导致通过指示平均有效压力的变化系数(IMEP的COV)测量的改进燃烧稳定性、发动机输出排放和烟雾形成的减少和燃料消耗的减少。现在描述这些结果。

[0031]现在参考图9，靠近火花塞间隙的燃料-空气当量比图示为单双脉冲喷射的发动机曲轴角度的函数。对于单脉冲喷射事件，火花塞间隙处的燃料-空气当量比快速倾斜，正如以实线图示的曲线所表示的。双脉冲喷射有效地在压缩冲程期间的运行的两个时段将火花塞间隙处的当量比维持接近或高于1.0的燃料-空气当量比，即接近或浓于化学当量比，并更容易在正在进行的发动机操作期间穿过火花塞间隙放电火花时完成燃烧。

[0032]现在参考图10，在低速、低负载运行的单双燃料喷射脉冲操作的火花点火提前的范围上描述示例性结果，该结果显示出以IMEP的COV测量的燃烧稳定性。该示例性结果通过在低发动机负载下以100RPM运行示例性发动机来获得。对于该低速-低负载工作点，与单燃料喷射脉冲操作相比，对双燃料喷射脉冲操作在火花点火提前的较宽范围上显示出燃烧稳定性。需要注意的是使用双脉冲操作允许向较大的点火提前(增加提前)的较宽范围点火提前权限(authority)，而在点火提前延迟时(减少提前)单双脉冲喷射模式表示类似的权限。

[0033]以低发动机负载的多个燃料喷射脉冲操作的优势包括IMEP的COV的减少，其由点火正时的稳定区域的增加造成，导致包括碳氢化合物排放物减少的改进的发动机性能。点火正时的稳定区域限定为造成小于或等于目标IMEP的COV(通常小于10％)的点火正时范围。

[0034]现在参考图11，在以高速、低负载运行的单双燃料喷射脉冲操作的点火提前值范围上画出表示由IMEP的COV测量的燃烧稳定性的示例性结果。该示例性结果是通过在低发动机载荷以3000RPM运行示例性发动机来获得的。对于这个高速-低负载运行点，整个燃烧稳定性在每个点火提前都较低，并且与单燃料喷射脉冲运行相比，低燃烧稳定性对双燃料喷射脉冲运行在点火提前的较宽范围上得到证明。结果证明双脉冲喷射允许发动机控制策略在点火提前角的较宽范围上运行来实现没有不利影响发动机稳定性的MBT，因此改善点火过程的稳定性。发动机运行的较宽范围是这种结果，在每个发动机循环期间，使接近火花塞电极的可燃烧燃料充气保持延长的时间段。

[0035]现在参考图12，当示例性发动机利用单双喷射脉冲在不同运行点运行时，得到显示排气管烟雾(以FSN为单位测量)的结果。运行点包括低负载的低速，高负载的低速，中等负载的中速和低负载的高速。从排气管烟雾角度，使用双喷射脉冲运行示例性发动机导致中等负载和高负载的优势。这有三种在较重负载下通过双燃料脉冲减少烟雾的方式。第一是通过减少活塞表面上燃料喷雾的润湿壁的量。通过当活塞远离时比单脉较早地喷射相当大部分燃料，冲击上升活塞的燃料蒸汽的量减少，使用包括计算流体动力学(CFD)的分析工具表示。位于燃烧室壁上的液体燃料相对缓慢地蒸发，致使随后的浓燃烧。因此位于燃烧室和活塞壁上的较少液体致使烟雾产生的相应减少。减少烟雾的第二原因是燃料喷射的较低渗透的结果，这是由于第一脉冲中减少的喷射量。因此减少壁和活塞冲击。减少烟雾的第三原因是燃烧充气中浓区域减少的结果，这是由于大量混合物的更好的混合准备。由多喷射事件造成的喷射中断导致燃烧充气中带入燃料-空气混合物的较大量空气。

[0036]现在参考图13，对于包括低速-低负载、低速-高负载、中速-中等负载和高速-低负载的四个发动机操作点，利用单脉冲喷射和双脉冲喷射，得到以燃料的g/Kg测量的碳氢化合物排放(EIHC)的图示。利用低负载运行条件的双脉冲喷射可获得EIHC排放的显著减少。

[0037]优选的发动机运行包括在正在进行的运行期间使用多个燃料喷射脉冲，其中每个脉冲的正时和持续时间和火花点火的正时和持续时间被控制以使在每个燃烧循环期间可点燃燃料-空气混合物靠近火花塞时发生火花点火。

[0038]已经特别参考实施例及改进描述了本发明。控制策略的特定细节和这里所述的相关结果是权利要求中所述的发明的举例说明。当阅读并理解说明书时可实现进一步改进和改变。意思是当它们落入发明范围时包括所有这种改进和改变。