直接噴油的內燃機的控制方法
2023-05-24 03:17:01 1
專利名稱：直接噴油的內燃機的控制方法
技術領域：
本發明涉及直接噴油的外源點燃式內燃機的一種控制方法，這種內燃機既可用均勻的混合物工作，又可在分層進氣的情況下用高的過剩空氣工作。
直接噴油的內燃機在很小的有害物質排放量的情況下具有減少油耗的很大的潛力。不同於外源點火式內燃機的進氣管噴油，在該處燃油噴入進氣管可用進氣空氣混合，並作為一種基本上均勻的空氣/燃油混合物流入氣缸中，而在直接噴油時，燃油以很高的噴射壓力直接噴入燃燒室中。燃油必須以儘可能小的油滴進入氣缸的燃燒室，並通過充氣層使火花塞範圍內的混合物濃縮到保證可靠點火的程度，但燃燒平均在相當貧油的混合物時(空氣燃油比λ＞＞1，取決於內燃機的工作範圍)進行。
德國專利DE 43 32 171公開了一種用外源點火和直接噴油的四衝程內燃機的運行方法和裝置。在這種內燃機中，為了減少油耗和保持最佳的廢氣排放值，內燃機按不同的判據在五個不同的特性曲線範圍內運行。在第一範圍內，在避免廢氣回流的情況下，在完全打開進氣橫截面時，燃油在進氣衝程的過程中噴入燃燒室。在同樣避免廢氣回流的第二範圍內，附加改變進氣橫截面。在第三範圍內，在調節廢氣回流的情況下進氣橫斷面減小到一個一定的小的值，同樣在進氣衝程內噴油。在第四範圍內，在恆定的部分打開和控制排氣回流量的情況下，噴油因不斷減小的負荷而推遲到點火開始前的壓縮衝程。在第五範圍內，在部分打開進氣橫截面和抑制排氣回流的情況下，同樣在點火開始前的壓縮衝程內進行噴油。其中，噴油量的定額和各範圍的控制通過與內燃機一起運行的運輸工具的供油踏板的位置來進行。
本發明旨在提出一種開始時所述的那類外源點燃的，用直接噴油工作的內燃機的一種控制方法，這種方法可實現各種燃燒方式之間的轉換，更好適應內燃機的實際運行條件。
這個目的是通過權利要求1的特徵來實現的，其他有利的改進和結構在各項從屬權利要求中敘述。
根據本發明的方法，內燃機根據冷卻劑溫度或者用均勻的混合物或者用分層進氣進行工作。這樣既可實現催化劑的較快加熱，又可實現內燃機本身的較快加熱。
對內燃機的整個工作範圍提出了兩組特性曲線，它們分別具有與內燃機的負荷和轉數相應的特性曲線範圍，並根據冷卻劑溫度或者用適用於冷態內燃機的一組特性曲線，或者用適用於熱態內燃機的另一組特性曲線來進行控制。
如果熱態運行的內燃機以儘可能大的排氣回流率工作，則可減少節流損失，由此減少油耗並增加廢氣溫度。
本發明的一個實施例在附圖中表示，並在下面的說明中進行詳細說明。附圖表示
圖1表示根據本發明方法工作的內燃機的原理圖；圖2表示在內燃機不同溫度時與負荷和轉數有關的內燃機工作範圍的曲線圖。
圖1表示高壓儲能噴油系統(Common rail)的內燃機的粗略示意圖，該內燃機根據運行參數既可用均勻的混合物工作，又可用分層進氣進行工作，並具有排氣回流裝置。為清晰起見，圖中只畫出了對理解本發明所需的那些部分，特別是，只畫出了多缸內燃機的一個氣缸。
參考符號10表示一個在氣缸11中界定一個燃燒室12的活塞。在燃燒室12中通入一條進氣通道13，燃燒空氣通過該進氣通道由一個進氣閥14控制流入氣缸11中。從燃燒室12中分出的一條排氣通道16由一個出氣閥15控制，在該排氣通道的延伸段內設置了一個寬帶(線性)λ探測器形式的氧氣傳感器17和一個氮氧化物存儲催化劑18，該氮氧化物存儲催化劑的作用是，在用貧油燃燒的各個工作範圍內保持要求的廢氣極限值。該催化劑用它的塗層吸收在貧油燃燒時在廢氣中產生的氮氧化合物。
為了減少特別是在直接噴油和分層進氣運行的內燃機時內燃機產生的氮氧化物排放量，設置了排氣回流。通過在吸入的新鮮空氣中摻合已經燃燒的廢氣，降低了燃燒的最高溫度，從而降低與溫度有關的氮氧化物排放量。這種機理也適用於內燃機的均勻混合物。所以，為了排氣的一定分流的回流，從廢氣流動方向的廢氣通道16看去，在催化劑18前分出一根排氣回流管19，該管在節流閥20下遊通入進氣通道13中。回流排氣的量由一個藉助於一個電子控制裝置(STG)21的信號來控制的閥門22進行調節，該閥門一般叫排氣回流閥。排氣回流閥也可用氣動控制例如用一個測壓計控制。
氣缸11中燃燒所需的新鮮空氣通過一個未示出的空氣過濾器和一個氣量計23流入到節流閥20的進氣通道13中。這個節流閥20是一個電動機控制的節流裝置(進氣)，它的孔口截面除了通過司機(司機的願望)的操作外，還取決於內燃機通過電子控制裝置21的信號來調節的工作範圍。所以在給氣和斷氣時例如運輸工具的故障變負荷反應完全象在由用均勻混合物工作到用分層進氣和不節流的空氣通道工作過渡時的扭矩突變那樣減小。同時為了監視和檢驗，向控制裝置21發出一個節流閥信號。
在燃燒室12中伸出一個火花塞24和一個噴油閥25，通過該噴油閥可將燃油沿燃燒室12中的壓縮壓力的相反方向噴入。這種噴油閥25的供油和準備位置通過汽油直接噴入眾所周知的高壓儲能罐噴油系統進行。其中燃油從一個油箱26藉助於一個通常設置在該油箱中的一個具有一個預濾器的電動油泵27在很小壓力作用下(一般為1巴)供給，然後通過濾油器28送入高壓油泵29，該高壓油泵29或者機械地與內燃機的曲軸連接或者電傳動。該油泵使高壓儲能罐30(Common rail)中的油壓上升到100巴的壓力值，全部噴油閥的進油管都連接在該高壓儲能罐上，並由此向噴油閥供油。高壓儲能罐30的壓力通過控制裝置21的一個壓力傳感器31來測定。儲能罐30中的壓力根據這個壓力信號藉助於一個壓力調節器32或者調節到一個恆定的值，或者調節到一個變化的值。多餘的油不會回流到油箱26中，而是流到高壓泵29的入口管上。
溫度傳感器33例如通過測量冷卻劑溫度TKW測定相應信號的內燃機的溫度。內燃機的轉數N藉助於曲軸的標記或與它連接的傳感器輪的探測傳感器34來測定。兩個信號輸入控制裝置21進行進一步處理，特別是關於要選擇的控制措施--均勻混合物或分層混合物--對內燃機進行控制。
內燃機工作所需的其他控制參數例如供油踏板位置、進氣的溫度、節流閥位置、爆露傳感器的信號、電池電壓、運行動力學的要求等等同樣輸入控制裝置21中，並在圖中共用一個參考符號35表示。通過上述參數可在控制裝置21中通過放入的執行程序的處理識別內燃機的負荷狀態。這些參數也這樣進行準備和進一步處理，即在內燃機的一定運行狀態時，由用均勻混合物的運行轉換到用分層進氣的運行和進行相反的轉換和/或引入廢氣的回流。
均勻混合物運行和分層進氣運行之間的轉換和相反的轉換一方面藉助於一個電動節流閥對進氣通道的孔口截面(節流)的控制和另一方面通過噴油時間點的變化來進行。為了在燃燒室中產生均勻的混合物，在節流運行時噴油提前噴入進氣衝程中，而為了產生分層的混合物，則或者在部分節流運行時，或者在完全不節流運行時，噴油後噴入壓縮衝程中。
由於催化劑溫度對廢氣排放量具有重要的影響，所以它是內燃機控制和燃燒方式選擇的一個重要參數。一方面必須保證它在內燃機冷態啟動後儘可能快地達到它的工作溫度，另一方面在內燃機正常工作過程中，廢氣溫度必須保持一個足夠的值，以便在它的最佳工作範圍內啟動催化劑。
用極貧油的和分層的混合物工作的直接噴油的內燃機具有很低的廢氣溫度值，特別是在低負荷的工作範圍內，廢氣溫度可下降到低於催化劑的啟動溫度。提高廢氣溫度的一個可能性是廢氣回流。在內燃機分層進氣運行時，回流也用來降低氮氧化物排放量。
提高催化劑溫度的一個有效措施是對分層進氣運行的內燃機進行節流，這樣可縮短由於低溫催化劑不工作的時間過程。當然，這個措施會導致油耗優點的一定程度的損害。
內燃機的各種不同工作方式的分布(均勻的、分層的、有和沒有廢氣回流)在內燃機整個負荷和轉數的工作範圍內如圖2所示。
以曲線圖的形式示出了兩組不同特性曲線KF1、KF2。其中圖2A所示的特性曲線適用於冷態的內燃機，而圖2B所示的特性曲線則適用於熱態的內燃機。在兩個特性曲線圖中，橫坐標表示轉數N，縱坐標表示負荷值。作為負荷值例如可以是內燃機的扭矩，平均壓力或在進氣通道中用氣量計測出的空氣量。兩個曲線圖再分成重疊的範圍。
內燃機的溫度通過溫度傳感器33的信號處理測出，並與第一閾值比較。如果內燃機的溫度TKW低於這個閾值，或在啟動後的延續時間小於預定的值，則識別出為冷態的內燃機，且內燃機的控制方式選用圖2A所示的瞬時負荷與轉數之間的關係特性曲線。
在內燃機冷態啟動後，並緊接著熱態運轉，如溫度TKW仍低於閾值時，則在低負荷或低部分負荷範圍內和低轉數N時，內燃機用輕微貧油的均勻的混合物運行。典型的空氣/燃油比λ＝1.05～1.10的範圍。這個特性曲線範圍在圖中用1a表示。空轉轉數的典型值在橫坐標上用NLL＝800 l/分表示。
雖然由於均勻混合物的這種輕微的貧油關係到點火調節的推遲而降低內燃機的效率，但具有這樣的優點，即催化劑較快地達到了它的啟動溫度，從而可將有害的廢氣成份較快地轉換成無害的化合物。
如果內燃機的溫度經過這個控制措施仍然低於閾值，但在這期間增加了負荷，則內燃機繼續周稍微貧油的混合物和有效的廢氣回流進行工作(特性曲線範圍2a)。該曲線範圍2a在較高負荷的方向內由滿負荷曲線3a界定。為了內燃機在滿負荷運行時獲得最大的扭矩，內燃機用均勻的富油的混合物λ＜1無廢氣回流運行。
從圖2A特性曲線過渡到圖2B特性曲線或者根據內燃機的溫度，或者根據從中推導出的一個參數、特別是冷卻劑溫度TKW進行。這可例如通過實際溫度與上述的閾值進行比較，或檢查內燃機啟動以來的溫度是否增加了一個預定的值。
另一個辦法是，可在時間上確定這兩組特性曲線之間的過渡。如果一次詢問得出內燃機啟動以來已進行了一個預定的時間間隔，則可斷定為熱態內燃機，且內燃機的控制按照圖2B特性曲線確定的方式進行。其中，轉換值(溫度、時間間隔)是對每種內燃機和所用的催化劑在試驗上實驗求出的，並存入電子控制裝置的一個存儲器中。
根據圖2B的特性曲線，在低負荷和低到中轉數範圍的熱態內燃機用分層進氣和有效的廢氣回流AGR的節流運行(特性曲線範圍1b)。在低到高轉數的部分負荷範圍內，內燃機用分層進氣和有效的廢氣回流運行(特性曲線範圍2b)。這時可進行部分節流或不節流。
特性曲線範圍3b位於特性曲線範圍2b上方。這個範圍包括低到中轉數的高的部分負荷範圍和在很高轉數時的低負荷至高的部分負荷範圍。在這個特性曲線範圍內，內燃機可用均勻的貧油的混合物和有效的廢氣回流運行。
在更高負荷直至滿負荷曲線VL時，內燃機與轉數無關，用均勻的化學計量的混合物λ＝1和有效的廢氣回流運行(特性曲線範圍4b)。
在內燃機滿負荷VL時，不容許廢氣回流，並調節富油的均勻的混合物。
權利要求
1. 直接噴油的外源點燃式內燃機的控制方法，這種內燃機-可選擇地用均勻混合物或用過剩空氣在氣缸中形成分層進氣的情況下節流或不節流地運行，-在這種內燃機的一定運行範圍內藉助於排氣回流使排氣的一部分混入燃燒空氣中，-燃油的噴入是這樣控制的，即--為了在氣缸中產生均勻的混合物，燃油噴入在相應氣缸活塞的上死點和下死點之間的進氣衝程中，--為了在氣缸中產生分層進氣，燃油在點火前的上死點之前噴入壓縮衝程中，-內燃機的工作範圍根據不同特性曲線範圍的負荷和轉數調節，這些特性曲線範圍確定內燃機是用均勻混合物還是用分層進氣運行，其特徵在於，在從用均勻混合物運行轉換到用分層進氣運行和相反的轉換時，考慮了內燃機的冷卻劑溫度(TKW)。
2. 按權利要求1的方法，其特徵在於，對內燃機的整個工作範圍提出了兩組具有與內燃機的負荷和轉數相應的特性曲線範圍(1a、1b；2a、2b、3b)的特性曲線，並根據內燃機的冷卻劑溫度(TKW)用一組或另一組特性曲線(KF1、KF2)來控制內燃機。
3. 按權利要求1的方法，其特徵在於，第一組特性曲線(KF1)包括特性曲線範圍(1a、2a)，該特性曲線範圍用於內燃機啟動後和冷態內燃機的控制，而第二組特性曲線(KF2)則包括特性曲線範圍(1b、2b、3b、4b)，這些範圍用於控制熱態內燃機。
4. 按權利要求2或3的方法，其特徵在於，當冷卻劑溫度(TKW)超過預定的閾值時，從第一組特性曲線(KF1)轉換到第二組特性曲線(KF2)。
5. 按權利要求2或3的方法，其特徵在於，當預定的時間間隔結束時，從第一組特性曲線(KF1)轉換到第二組特性曲線(KF2)。
6. 按權利要求4和5的方法，其特徵在於，對每種內燃機和所用的催化劑在試驗臺上實驗求出轉換值，並將它們存儲在為內燃機配置的控制裝置(21)的一個存儲器中。
7. 按權利要求1的方法，其特徵在於，在冷態內燃機和低負荷、低轉數時，這種內燃機用輕微貧油的均勻混合物運行(特性曲線範圍1a)。
8. 按權利要求1的方法，其特徵在於，在冷態的內燃機和高負荷到滿負荷時，這種內燃機用輕微貧油的均勻的混合物和有效的廢氣回流運行(特性曲線範圍2a)。
9. 按權利要求1的方法，其特徵在於，熱態運行的內燃機用最大的廢氣回流率運行。
10. 按權利要求1的方法，其特徵在於，低負荷和低到中轉數範圍時的熱態內燃機用分層進氣和有效的廢氣回流率進行節流運行(特性曲線範圍1b)。
11. 按權利要求1的方法，其特徵在於，在催化劑(18)的再生過程中，內燃機用富油的均勻混合物運行。
12. 按權利要求1的方法，其特徵在於，在外界溫度低的情況下，用均勻混合物的內燃機的運行延長，以加速由內燃機驅動的運輸工具內部空間的加熱。
全文摘要
內燃機可選擇地用均勻的混合物或用分層進氣進行工作。這兩種工作方式究竟選用哪一種除了取決於內燃機的負荷和轉數外，也取決於內燃機冷卻劑溫度。
文檔編號F02D35/00GK1240016SQ97180356
公開日1999年12月29日 申請日期1997年12月5日 優先權日1996年12月5日
發明者E·阿赫萊特納, K·克羅伊桑特, A·M·J·奧布爾格 申請人:西門子公司, 西門子汽車公司