CN100417795C - 用于添加氢的内燃机的控制系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于添加氢的内燃机的控制系统，该内燃机使用烃类燃料和氢气作为燃烧燃料。所述控制系统包括：燃料性质判断装置，其用于判断烃类燃料的性质；和添加比例增加装置，当发现烃类燃料变为重质时，该增加装置增加添加到烃类燃料中的氢气的比例。当发现烃类燃料变为重质时，控制系统增加添加到烃类燃料的氢气的比例。因此抑制燃烧状态由于使用重质的燃料而恶化，从而提供了良好的排放和驾驶性能。

Description

用于添加氢的内燃机的控制系统
发明领域
本发明涉及一种用于添加氢的内燃机的控制系统。
背景技术
当除了汽油之外还供给氢气时，采用汽油作为燃料的内燃机会减小废气中的氮氧化物(NOx)的含量，这是已知的。例如日本专利公开号2004-116398公开的技术确定了氢的添加比例，以便于减小NOx排放量，并通过根据所确定的比例喷射汽油和氢气来操作内燃机。
[专利文献1]
日本专利公开号2004-116398
[专利文献2]
日本专利公开号Hei 6-200805
但是，上述传统技术没有考虑汽油的性质。因此，如果汽油性质发生变化，则汽缸内部的燃烧可能会恶化。尤其当在冷起动下汽油变为重质时，汽缸内部的汽油雾化程度下降。因此，可能会发生冷停机(cold hesitation)，且由于例如不适当的加速或发动机停机，因而驾驶性能恶化。此外，如果燃烧状态因汽油性质而恶化，则排放也会恶化。
发明内容
已经做出了本发明，用以解决上述问题。本发明的目的是即使当添加氢的内燃机中的汽油性质发生变化时，仍保持良好的燃烧状态，在该添加氢的内燃机中，使用汽油和氢气作为燃烧燃料。
根据本发明的一个方面，用于添加氢的内燃机的控制系统使用烃类燃料和氢气作为燃烧燃料，该控制系统包括：燃料性质判断装置和添加比例增加装置。燃料性质判断装置判断烃类燃料的性质。当发现烃类燃料变为重质时，添加比例增加装置增加添加到烃类燃料中的氢气的比例。
当发现烃类燃料变为重质时，本发明的第一个方面增加添加到烃类燃料中的氢气的比例。因此可以抑制燃烧状态由于使用重质的燃料而恶化。结果，本发明可提供良好的排放和驾驶性能。
根据本发明的第二方面，提供了该用于添加氢的内燃机的控制系统，该控制系统如上所述经过改进，其中添加比例增加装置确保氢气的添加比例随着烃类燃料重质化程度的增加而增加。
本发明的第二方面确保氢气的添加比例随着烃类燃料重质化程度的增加而增加。因此，即使当重质化程度发生变化时，仍可以抑制燃烧状态恶化。
根据本发明的第三方面，提供了该用于添加氢的内燃机的控制系统，该控制系统如上所述经过改进，其中燃料性质判断装置根据刚起动后发动机转速、刚起动后点火正时反馈校正值、或刚起动后烃类燃料喷射量反馈校正值判断烃类燃料的性质。
本发明的第三方面可根据刚起动后发动机转速判断性质，这是因为刚起动后当烃类燃料变为重质时，发动机转速减少。此外，当烃类燃料变为重质时，刚起动后点火正时反馈校正值或刚起动后烃类燃料喷射量反馈校正值增加。因而，本发明的第三方面可根据这些校正值来判断性质。
根据本发明的第四方面，用于添加氢的内燃机的控制系统使用烃类燃料和氢气作为燃烧燃料，该控制系统包括添加比例初始值设置装置和添加比例减小装置。添加比例初始值设置装置设置用于在起动时添加到烃类燃料中的氢气的比例的预定初始值。当起动后经过一段预定时间，添加比例减小装置减小添加到烃类燃料中的氢气的比例。
本发明的第四方面可设置用于在起动时添加到烃类燃料中的氢气的比例的预定初始值。因而，即使当使用的初始值大于正常值时，仍可以抑制燃烧状态在起动时恶化。结果，本发明可提供良好的排放和驾驶性能。
根据本发明的第五方面，用于添加氢的内燃机的控制系统如上所述经过改进，该控制系统还包括燃料性质判断装置，其用于判断烃类燃料的性质。添加比例减小装置将氢气的比例减小到下限值，该下限值根据烃类燃料的性质导出。
当起动后经过一段预定时间，本发明的第五方面将氢气的比例减小到下限值，该下限值根据烃类燃料的性质导出。因而可以使氢气的使用量降到最小，从而提供增加的系统效率。
根据本发明的第六方面，提供了该用于添加氢的内燃机的控制系统如上所述经过改进，其中燃料性质判断装置根据刚起动后发动机转速、刚起动后点火正时反馈校正值、或刚起动后烃类燃料喷射量反馈校正值判断烃类燃料的性质。
当烃类燃料变为重质时，发动机转速在刚起动后减小。因而，本发明的第六方面可根据刚起动后发动机转速判断性质。此外，当烃类燃料变为重质时，刚起动后点火正时反馈校正值或刚起动后烃类燃料喷射量反馈校正值增加。因而，本发明的第六方面可根据这些校正值判断性质。
根据本发明的第七方面，用于添加氢的内燃机的控制系统使用烃类燃料和氢气作为燃烧燃料，该控制系统包括用于获得刚起动后发动机转速的减小量、刚起动后点火正时反馈校正值、或刚起动后烃类燃料喷射量反馈校正值的装置。控制系统还包括添加比例增加装置，当发动机转速减小量、点火正时反馈校正值、或烃类燃料喷射量反馈校正值不小于预定值时，该增加装置增加添加到烃类燃料中的氢气的比例。
当刚起动后的发动机转速减小量、刚起动后点火正时反馈校正值或刚起动后烃类燃料喷射量反馈校正值不小于预定值时，能够判断出汽缸中燃烧状态恶化。因而，第七方面的本发明通过增加添加到烃类燃料中的氢气的比例来抑制燃烧状态恶化。结果，本发明可提供良好的排放和驾驶性能。
附图说明
本发明的其它和另外的目的、特征和优点将从下面的描述中更完全地体现。
图1示出了系统结构，该系统配置有根据本发明实施例的添加氢的内燃机；
图2示出了根据第一实施例的系统所执行的处理步骤；
图3示出了根据第二实施例的系统所执行的处理步骤；
图4示出了根据第二实施例的系统执行的处理步骤；
图5示出了根据第三实施例的系统所执行的处理步骤。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例。附图中的相同的元件使用相同的附图标记表示，并且不会重复描述。本发明不局限于以下描述的实施例。
第一实施例
图1示出了系统结构，该系统配置有根据本发明第一实施例的添加氢的内燃机10。该内燃机10的汽缸包括活塞12，该活塞12在气缸内部往复运动。内燃机10还包括汽缸盖14。在活塞12和汽缸盖14之间形成燃烧室16。该燃烧室16连通进气口18和排气口20。进气口18和排气口20分别具有进气阀22和排气阀24。
进气口18具有汽油喷射阀26，该汽油喷射阀26将汽油(烃类燃料)喷射到进气口18中。进气口18还具有氢燃料口喷射阀28，该氢燃料口喷射阀28将氢气喷射到进气口18中。
汽油喷射阀26经由汽油供给管路32而连通汽油箱34。该汽油供给管路32具有泵36，所述泵36被定位在汽油喷射阀26和汽油箱34之间。该泵36能产生预定压力，以便向汽油喷射阀26供给汽油。当汽油喷射阀26接收到外部提供的驱动信号时，其开启，并将一定量的汽油喷射到进气口18。喷射到进气口18的汽油量在汽油喷射阀26开启的期间随时间而变化。
根据本实施例的系统包括氢气罐38，其存储了处于高压下的气态氢。该氢气罐38连通氢气供给管路40。该氢气供给管路40连通氢燃料口喷射阀28。当氢燃料被供给到氢燃料口喷射阀28时，根据本实施例的系统使用从外部充满氢气罐38的氢气。但是，本发明并不局限于使用这样的氢燃料。作为替代的是使用富含氢的气体，该气体包含高浓度的氢，并且在车辆内部产生，或者从外部供给。
氢气供给管路40具有调节器44。当采用这种结构时，在调节器44如预定的那样降低压力时，氢气罐38中的氢被供给到氢燃料口喷射阀28。因而，当氢燃料口喷射阀28接收到外部提供的驱动信号而开启时，氢燃料口喷射阀28将氢气喷射到进气口18。氢气的喷射量在氢燃料口喷射阀28开启期间会随时间而变化。
此外，氢气供给管路40具有燃料压力传感器48，该燃料压力传感器48被定位在调节器44和氢燃料口喷射阀28之间。燃料压力传感器48根据供给到氢燃料口喷射阀28的氢气的压力而产生输出口根据本实施例的系统根据燃料压力传感器48所产生的输出来控制调节器440因而，即使当从氢气罐38供给的氢气的压力改变时，氢气仍能在稳定的压力下被供给到氢燃料口喷射阀28。
根据本实施例的系统包括ECU50。为了使ECU50能够掌握内燃机10的运行状态，ECU50不仅与上述燃料压力传感器48相连，而且还与用于爆震检测的KCS传感器和用于检测例如节气门开度、发动机转速、废气温度、冷却水温度、润滑油温度和催化剂底板温度等的各种其它传感器(未显示)。ECU50还与致动器相连，例如上述汽油喷射阀26、氢燃料口喷射阀28和泵36等。当采用这种结构时，ECU50能够根据内燃机10的运行状态而任意选择喷射阀，用以喷射燃料。
因而，当氢燃料口喷射阀28根据内燃机10的运行状态而喷射氢气时，可以保持汽缸内(燃烧室16内)的良好的燃烧状态，因而减小了NOx的排放量。
同时，汽油性质改变，并且影响了汽缸内燃烧状态。尤其当汽油变为重质时，从汽油喷射阀26喷射的汽油可能会粘附到进气口18的壁表面上或者粘附到汽缸的内壁表面上。于是，当汽油变为重质时，由于汽油雾化程度的降低，可能会导致不稳定的燃烧。
因而，根据本实施例的系统判断气体性质。当汽油变为重质时，根据本实施例的系统增加氢燃料口喷射阀28的氢气喷射量。因此，即使当汽油变为重质时，也可以保持良好的燃烧状态。
因汽油性质而导致的排放/驾驶性能恶化主要发生在最初怠速时期，该时期在刚起动后出现。因而优选地是，在最初怠速时期增加氢气的量。但是，即使在最次怠速时期之后的怠速时期期间或者在正常操作过程中增加氢气的量，也可以抑制燃烧状态因使用重质燃料而恶化。
例如根据刚起动后发动机转速判断汽油性质。如果汽油变为重质，则刚起动后发动机转速低于汽油性质正常时的发动机转速。因而，预先确定用于重质化程度判断的阈值，当刚起动后发动机转速低于阈值时，则判断汽油变为重质。
此外，当刚起动后发动机转速下降时，通过执行控制来进行反馈校正，从而使点火正时提前或增加汽油的喷射量。因而，可以根据点火正时校正量或者汽油的喷射量校正来判断汽油性质。
当判断汽油变为重质时，根据重质化程度确定添加氢的量。在这种情况下，优选地在考虑冷却水温度的同时确定添加氢的量，这是因为汽缸中燃烧状态随着冷却水温度而改变。
接下来，将参考图2的流程图描述根据本实施例的系统所执行的处理步骤。首先，执行步骤S1用以根据刚起动后发动机转速判断汽油性质。在这种情况下，汽油性质可根据如上所述的点火正时校正量或者汽油的喷射量反馈校正判断。
如果在步骤S1中所获得的判断结果表明汽油变为重质，则流程进行到步骤S2。在步骤S2中，根据指示的汽油重质化程度、冷却水温度和其它运行状态的参数计算出氢的添加比例的目标值。为了计算，使用重质汽油的图谱。将汽油重质化程度、冷却水温度和其它参数应用到所述图谱中计算出氢的添加比例的目标值。在这种情况下，汽油越重质化，则氢的添加比例的目标值越高。此外，冷却水温度越低，则氢的添加比例的目标值越高。原因在于燃烧状态会随着冷却水温度的下降而恶化。
另一方面，如果在步骤S1中所获得的判断结果表明汽油未变为重质，而是正常，则流程进行到步骤S3。在这种情况下，使用用于正常汽油的图谱用于计算。将冷却水温度和其它参数应用到所述图谱中计算出氢的添加比例的目标值。在步骤S2和S3中计算出的氢的添加比例的目标值代表氢气燃烧能量与发动机负荷系数的比值。
在完成步骤S2或S3后，流程进行到步骤S4。在步骤S4中，根据步骤S2或S3计算出的氢的添加比例的目标值确定来自氢燃料口喷射阀28的实际的添加的氢的量。更具体而言，通过根据加速器开度和发动机转速确定负荷系数，将该负荷系数乘以氢的添加比例的目标值，并将所得到的结果乘以预定系数，从而确定添加的氢的量。接着，根据所确定的添加的氢的量操作内燃机10。
如上所述，当判断汽油变为重质时，第一实施例增加氢气的添加量。因而，第一实施例适当地抑制了燃烧状态因使用重质燃料而恶化，从而提供了良好的排放和驾驶性能。
第二实施例
现在描述本发明的第二实施例。第二实施例采用与图1所示的相同系统结构。第二实施例在刚起动后发生的最初怠速期间尤其抑制了排放和驾驶性能恶化。
当汽油变为重质时，汽油粘附到进气口18的壁表面或者汽缸的内壁表面。因而，排放和驾驶性能恶化，因为尤其有可能在冷起动时发生冷停机。在这种情况下，第二实施例通过为氢的添加比例设置较大的初始值而在最初怠速期间增加了添加的氢的量。在最初怠速时期结束之后，第二实施例执行控制，以便将氢的添加量减小到下限值，所述下限值随着汽油性质而变化。
当对于氢的添加比例如上所述恒定地采用较大初始值时，可以抑制在最初怠速期间燃烧状态受汽油性质的影响。这使得可以采用较低的怠速设置，在最初怠速时期提供增加的燃料效率，提供良好的排放和驾驶性能。此外，因为在最初怠速时期结束后将氢的添加量减小到所需要的水平，因而可以使氢的使用量最小化，从而提供增加的系统效率。
接下来，参考图3和4的流程图描述根据本实施例的系统所执行的处理步骤。图3所示的流程图指示被执行的处理步骤如下：在最初怠速时期设置较高的氢的添加比例，在最初怠速时期结束后将氢的添加比例减小到下限值。图4的流程图指示被执行的处理步骤如下：根据汽油重质化程度计算下限值，在最初怠速时期结束后将氢的添加比例减小到下限值。
现在将描述图3所示的处理步骤。首先，执行步骤S11，判断起动后是否已经经过了两秒钟的时间，也就是说，当前是否执行最初怠速操作。如果起动后的经过时间不长于两秒，则当前执行最初怠速操作；因而，流程进行到步骤S12。
执行步骤S12，用以设置氢的添加比例的初始值。通过使用图谱，根据冷却水温度计算出氢的添加比例的初始值。设置充分大的初始值，从而不管汽油性质如何都产生良好的燃烧。这确保了在最初怠速期间保持良好的燃烧状态。因而实施稳定的怠速。结果，可以适当抑制排放和驾驶性能在最初怠速期间因燃料性质而恶化。
另一方面，如果在步骤S11中所获得的判断结果表明起动后已经经过了长于两秒的时间，则流程进行到步骤S13。在这种情况下，步骤S12已经执行，以便于在最初怠速操作中保持怠速稳定。因为只有所要求量的氢气被供给，因此执行步骤S13和以后的步骤，以减小氢的添加比例。
更具体而言，执行步骤S13，以判断当前的氢的添加比例是否大于下限值。如以下参考图4的流程所述，根据重质化程度指数确定氢的添加比例的下限值，该重质化程度指数指示汽油的重质化程度。
如果在步骤S13中所获得的判断结果表明当前的氢的添加比例大于下限值，则流程进行到步骤S14。执行步骤S14，以将氢的添加比例减小一预定值。另一方面，如果在步骤S13中获得的判断结果表明当前的氢的添加比例不大于下限值，则流程进行到步骤S15。
在完成步骤S12或S14后，流程进行到步骤S15。执行步骤S15，以根据氢的添加比例的目标值确定从氢燃料口喷射阀28的实际的氢的添加量，氢的添加比例的目标值在步骤S12或S14中确定。更具体而言，通过根据加速器开度和发动机转速，确定负荷系数，将该负荷系数乘以氢的添加比例的目标值，并将所得到的结果乘以预定系数，从而确定氢的添加量。接着，根据该确定的氢的添加量操作内燃机10。
接下来，将参考图4描述用于氢的添加比例的下限值的过程，其被用于如图3所示的步骤S13。首先，执行步骤S21，判断起动后是否已经经过了两秒钟的时间，也就是说，当前是否执行最初怠速操作。如果起动后的经过时间不长于两秒，则当前执行最初怠速操作；因而，流程进行到步骤S12。另一方面，如果起动后已经经过了大于两秒的时间，则过程结束(返回)。
当流程进行到步骤S22时，如图3所示，步骤S12至S15已经执行，以根据氢的添加比例的初始值添加氢气。在已经根据氢的添加比例的初始值添加氢的情况下，执行步骤S22，以通过增加/减小汽油喷射量而控制怠速。
当怠速被稳定在所希望的值上时，执行步骤S23，以确定汽油喷射量的增加量Δf。如果汽油变为重质，则汽油的雾化程度较低；因而最初怠速时期的值Δf大于正常时的值。
在步骤S24中，通过使用定义增加量Δf和汽油重质化程度(重质化程度指数)之间的关系的图谱，计算根据增加量Δf的重质化程度指数，该增加量Δf在步骤S23中计算出。在这种情况下，增加量Δf越大，则重质化程度越高，并因而重质化程度指数越高。
在步骤S25中，根据重质化程度指数和冷却水温度计算氢的添加比例的下限值。重质化程度指数越高，则汽油重质化程度越高，并因而氢的添加量需要增加，以便于提供稳定的燃烧。因而，设置较大的下限值。此外，当冷却水温度下降时，氢的添加量需要增加，以便提供良好的燃烧。因而，设置较大的下限值。在完成步骤S25之后，过程结束。
当执行图4所示的处理步骤时，根据最初怠速时期的汽油喷射量的增加量Δf，可以确定氢的添加比例的下限值。确定氢的添加比例的下限值，同时考虑汽油性质。因而，当通过执行图3中的处理步骤，在最初怠速时期结束后将氢增加到超过下限值时，可以抑制燃烧状态因汽油性质而变得不稳定。结果，提供了良好的排放和驾驶性能。
如上所述，通过设置较大的氢的添加比例的初始值，第二实施例增加了最初怠速时期的氢的添加量。因而可以抑制燃烧状态在最初怠速时期因汽油性质而恶化。这确保了执行稳定的怠速操作。因此，提供了良好的排放和驾驶性能。此外，因为在最初怠速时期结束后氢的添加量被减小到所需要的水平，因而使氢气的使用量最小化，从而提供了增加的系统效率。
第三实施例
现在将描述本发明的第三实施例。当燃烧在刚起动后因汽油性质或其它因素而变得不稳定时，第三实施例增加氢的添加量，以提供汽缸内的良好的燃烧。第三实施例采用的系统结构与图1所示相同。
如果在起动时所遇到的燃烧不稳定不是由汽油性质而导致的，则能够想得到是：例如在火花塞上形成的汽油油滴可能会使燃料的可燃性下降。例如，如果汽油在从汽油喷射阀26中被喷射出以前在高温下产生气泡、以致于汽油喷射阀26的汽油喷射量小于规定值，则也会发生燃烧不稳定。
当汽缸内的燃烧由于汽油性质、上述因素或其它因素而变得不稳定时，第三实施通过增加氢气的添加量而提供了良好的燃烧状态。
现在将参考图5中的流程图描述根据本实施例的系统所执行的处理步骤。首先，执行步骤S31，根据刚起动后发动机转速，判断汽缸内的燃烧状态。当汽缸内的燃烧状态由于汽油性质或上述因素恶化时，发动机转速在刚起动后下降。因而，预先确定发动机转速阈值，以便于判断燃烧状态。如果刚起动后发动机转速低于发动机转速阈值，则步骤S31判断出汽缸内的燃烧状态恶化。
如果发动机转速由于刚起动后汽缸内的燃烧状态恶化而下降，则通过执行控制而进行反馈校正，以便于使点火正时提前或增加汽油的喷射量。因而，在步骤S31中，根据点火正时校正量或汽油的喷射量校正来判断汽缸内的燃烧状态。
如果在步骤S31中所获得的判断结果表明燃烧状态恶化，则流程进行到步骤S32。在步骤S32中，根据表明燃烧状态恶化程度的参数、冷却水温度及其它运行条件，计算出氢的添加比例的目标值。更具体地说，通过适用于在燃烧状态恶化的情况下所使用的图谱的发动机转速减小量、点火正时校正量或汽油喷射量校正量和冷却水温度及其它运行条件指示参数，计算氢的添加比例的目标值。在这种情况下，发动机转速减小量或上述校正量越大，则氢的添加比例的目标设置值越高。此外，当冷却水温度下降时，燃烧状态恶化；因而，氢的添加比例的目标设置值增加。
另一方面，如果在步骤S31中所获得的判断结果表明燃烧状态正常，则流程进行到步骤S33。在这种情况下，通过适用于正常图谱的冷却水温度及其它运行条件指示参数，计算氢的添加比例的目标值。
在完成步骤S32或S33后，流程进行步骤S34。在步骤S34中，根据在步骤S32或S33中所确定的氢的添加比例的目标值，确定从氢燃料口喷射阀28来的实际的氢的添加量。更具体地说，通过根据加速器开度和发动机转速，确定负荷系数，将该负荷系数乘以氢的添加比例的目标值，并将所得到的结果乘以预定系数，从而确定氢的添加量。然后，根据所确定的氢的添加量操作内燃机10。
如上所述，如果刚起动后发动机转速减小量、点火正时校正量、或汽油喷射量校正量超过预定值，则第三实施例增加氢气的添加量。因而，第三实施例适当地抑制了燃烧状态在起动时恶化，从而提供了良好的排放和驾驶性能。

Claims (4)

1. 一种用于添加氢的内燃机的控制系统，该内燃机使用烃类燃料和氢气作为燃烧燃料，所述控制系统包括：
燃料性质判断装置，其用于判断烃类燃料的性质；和
添加比例增加装置，当发现烃类燃料变为重质时，该增加装置增加添加到烃类燃料中的氢气的比例。
2. 根据权利要求1所述的用于所述添加氢的内燃机的控制系统，其中，所述添加比例增加装置确保了所述氢气的添加比例随着烃类燃料重质化程度的增加而增加。
3. 根据权利要求1或2所述的用于所述添加氢的内燃机的控制系统，其中，所述燃料性质判断装置根据下列参数判断烃类燃料的性质：刚起动后发动机转速、刚起动后点火正时的反馈校正值、或者刚起动后烃类燃料喷射量的反馈校正值。
4. 一种用于添加氢的内燃机的控制系统，该内燃机使用烃类燃料和氢气作为燃烧燃料，所述控制系统包括：
用于获得下列值的装置：刚起动后的发动机转速的减小量、刚起动后点火正时的反馈校正值、或者刚起动后烃类燃料喷射量的反馈校正值；和
添加比例增加装置，当所述发动机转速减小量、所述点火正时的反馈校正值、或者所述烃类燃料喷射量的反馈校正值不小于预定值时，该增加装置增加添加到烃类燃料中的氢气的比例。
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