CN101520013A - 使用高压起动的火花点火直喷冷起动策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用高压起动的火花点火直喷冷起动策略。一种用于火花点火直喷(SIDI)发动机的发动机控制系统包括燃料控制模块，所述燃料控制模块推迟发动机启动期间的燃料喷射直到燃料压力大于预定燃料压力为止，所述燃料控制模块延迟点火正时并且延迟燃料喷射直到接近上止点(TDC)为止。排气凸轮移相器模块在起动并且油压大于预定油压后延迟排气凸轮移相器。

Description

使用高压起动的火花点火直喷冷起动策略

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年2月27日提交的美国临时申请No.61/031791的权益。上述申请的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及火花点火直喷(SIDI)发动机，尤其涉及SIDI发动机的发动机控制系统。

背景技术

在此提供的背景描述是为了总体上给出本发明的背景的目的。当前所署名发明人的工作(在本背景技术部分中所描述的程度上)和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各方面，既不明示地也不暗示地被承认作为抵触本发明的现有技术。火花点火直喷(SIDI)发动机包括将燃料直接喷射到相应的发动机汽缸中的一个或多个燃料喷射器。燃料泵以高压(例如3-15兆帕)将燃料提供给燃料轨。燃料轨将加压燃料提供给燃料喷射器。燃料喷射器以发动机控制模块确定的时间和脉冲宽度将燃料喷射到汽缸中。

发明内容

火花点火直喷(SIDI)发动机的发动机控制系统包括检测发动机启动(cranking)和发动机起动的发动机起动模块。燃料控制模块推迟发动机启动期间的燃料喷射直到燃料压力大于预定燃料压力为止，延迟发动机启动期间的点火正时并且延迟燃料喷射直到接近上止点(TDC)为止。排气凸轮移相器模块在起动并且油压大于预定油压之后延迟排气凸轮移相器。

控制火花点火直喷(SIDI)发动机的方法包括：检测发动机启动和发动机起动；推迟发动机启动期间的燃料喷射直到燃料压力大于预定燃料压力为止；延迟发动机启动期间的点火正时；延迟燃料喷射直到接近上止点(TDC)为止；以及，在发动机起动且油压大于预定油压之后延迟排气凸轮移相器。

从下文提供的详细描述中将会清楚本发明进一步的应用领域。应当理解，详细的说明和具体示例只是为了说明的目的，不是用来限制本发明的范围。

附图说明

从详细说明和附图将更充分地理解本发明，其中：

图1是火花点火直喷SIDI发动机和关联的根据本发明的发动机控制模块的功能框图；

图2图示出根据本发明的示范性发动机控制模块；

图3是示出在不同的燃料泵压力下的起动期间作为时间函数的碳氢化合物(HC)浓度的曲线图；以及

图4图示出根据本发明使用高压燃料起动SIDI发动机以减少碳氢化合物排放的方法。

具体实施方式

以下说明实质上仅仅是示范性的，决不是要限制本发明及其应用或运用。为了清楚起见，在附图中将使用相同的附图标记来表示同样的元件。如本文使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为使用非排他性的逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本发明原理的条件下，方法中的步骤可以按不同顺序来执行。

如本文使用的，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供上述功能的其它合适部件。

本发明减少了带有SIDI发动机的车辆的排放。例如，本文公开的发动机控制系统和方法可用在带有SIDI发动机的车辆上以帮助满足超低排放车辆(SULEV)的要求。目前，一些制造商使用二次空气泵来满足SULEV排放要求。本发明使带有SIDI发动机的车辆能够满足更苛刻的排放标准而不需使用二次空气泵，这可减少处理成本之后的排气。

在常规的SIDI发动机控制系统中，在冷起动期间的燃料压力可能相对低。例如，燃料压力在冷起动期间可约为0.4兆帕。相对低的压力可能由于燃料泵没有在燃料轨中建立燃料压力的机会所导致。以相对低的燃料压力试图起动发动机限制了可以喷射燃料的时间并且可能倾向于增加HC排放。

本发明在发动机启动期间使用高压燃料。通过使用较高压力的燃料，本发明使燃料喷射延迟或推迟到接近上止点(TDC)。本发明还在油压超过预定阈值之后延迟排气凸轮移相器。高燃料压力使得在活塞TDC附近能够将燃料喷射。例如，“接近TDC”可以在TDC之前60度到TDC之前0度之间。

现在参照图1，功能框图示出了火花点火直喷(SIDI)发动机10和关联的发动机控制模块12。发动机10包括含有往复活塞16的汽缸14。进气阀18周期地打开以允许进气空气进入到汽缸14中。排气阀20周期地打开以允许排气气体从汽缸14放出。

排气阀20的打开和关闭由排气凸轮凸角24控制。排气凸轮凸角24随凸轮轴26旋转。凸轮轴26还可包括驱动机械燃料泵30的凸角。应当了解，燃料泵30也可是齿轮驱动的、皮带驱动的或电动的。凸轮轴滑轮32驱动凸轮轴26。

往复活塞16驱动曲轴40。另外，凸轮轴26的角位置可相对于曲轴由排气凸轮移相器39来调整。进气阀18可以按类似的方式打开、关闭和调整。曲轴齿轮42随曲轴40旋转。曲轴齿轮42经由带或链44驱动凸轮轴滑轮32。在一些实施例中，带或链44可替换为齿轮。曲轴位置目标环50也连接到曲轴40。

发动机控制模块12产生控制电动燃料泵60和燃料喷射器62的输出信号。曲轴位置传感器64根据曲轴位置目标环50的位置产生曲轴位置信号。曲轴位置传感器64将该信号传送给发动机控制模块12。

发动机控制模块12也可从燃料/空气传感器或λ传感器66和燃料箱水平传感器70中的至少一个接收一个或多个信号。λ传感器66指示发动机排气的氧含量。燃料箱水平传感器70指示车辆燃料箱中的燃料量。燃料喷射器62直接将燃料雾化喷射到汽缸14的燃烧室中。进气阀18在进气冲程期间打开以允许燃烧空气进入燃烧室中。

加速器踏板位置传感器78感测加速器踏板79的位置。排气系统80接收来自发动机的排气气体。排气系统80可包含催化剂82。温度传感器84感测催化剂82的温度。或者，控制模块可根据发动机运行参数来估计催化剂的温度。

现在参照图2，发动机控制模块12可包括检测发动机启动和发动机起动的发动机启动/起动模块88。燃料模块90推迟发动机启动期间的燃料喷射直到燃料压力大于预定燃料压力为止，并且延迟燃料喷射直到接近上止点(TDC)为止。排气凸轮移相器模块92在发动机起动并且油压大于预定油压后延迟排气凸轮移相器。

火花控制模块94在SIDI发动机起动并且油压大于预定油压后延迟火花。发动机稳态模块96将排气凸轮移相器模块、火花控制模块和燃料模块转变到稳态控制。例如，发动机稳态模块96可在加速器踏板位置大于预定踏板位置之后转变到稳态控制。发动机稳态模块96可在温度大于预定温度之后转变到稳态控制。可以使用其它条件或条件的组合。

现在参照图3，曲线图示出了根据本发明减小的HC浓度。当在起动期间以低压(例如0.4兆帕)输送燃料时，与根据本发明以较高压力起动相比出现了显著较高的HC浓度。

现在参照图4，示出了用于在SIDI发动机的起动期间减少HC排放的根据本发明的方法100。所述方法从步骤104开始。在步骤106，控制程序确定发动机是否启动。当步骤106为真时，控制程序继续步骤108并且确定发动机冷却剂温度是否大于预定冷却剂温度阈值T_TH。

例如，冷却剂温度阈值可被设定等于40℃，但是也可以使用其它冷却剂温度值。当冷却剂温度大于预定冷却剂温度阈值时，有可能是发动机在此之前运转并且仍然是温热的。在这些条件下，HC排放可能不太会是问题。

如果步骤108为假，那么控制程序继续步骤109并且使火花延迟第一量。例如，第一量可被一直延迟到TDC之后10度。控制程序继续步骤110并且确定燃料压力是否大于预定燃料压力阈值P_{TH_F}。如果步骤110为假，那么控制程序返回步骤110。如果步骤110为真，那么控制程序继续步骤112。在步骤112，控制程序以高压提供燃料。如本文使用的，预定燃料压力阈值P_{TH_F}可以是2-15兆帕之间的值。例如，预定燃料压力阈值P_{TH_F}可以是大约2.5-3.5兆帕之间的值。例如，预定燃料压力阈值P_{TH_F}可以是如图3所示的大约3.0兆帕。

在步骤116，控制程序使燃料喷射延迟到接近TDC的点。如本文使用的，“接近TDC”可包括TDC之前60度到TDC之前0度之间的范围。在步骤120，控制程序确定发动机是否已经起动。如果步骤120为假，那么控制程序返回步骤112。如果步骤120为真，那么控制程序继续步骤122并且确定油压是否大于预定油压阈值P_{TH_O}。例如，预定油压阈值P_{TH_O}可以等于大约30psi。达到预定油压阈值P_{TH_O}通常会需要SIDI发动机的大约1-4个整转。因此，一种替代方法可包括监视发动机旋转。

如果步骤122为假，那么控制程序返回步骤112。如果步骤122为真，那么控制程序继续步骤124并且延迟排气凸轮移相器。例如，排气凸轮移相器可被延迟12-24凸轮角度之间。在步骤126，控制程序延迟火花。例如，火花可被延迟大于第一量的第二量。例如，第二量可以是TDC之后大约15-25度。

在步骤128，控制程序确定SIDI发动机是否已经达到稳态。例如，可以根据催化剂温度来进行稳态确定。例如，当催化剂温度已经超过预定催化剂温度时，发动机可处于稳态。其它标准可包括加速器踏板位置。例如，当加速器踏板位置大于预定位置时，SIDI发动机可处于稳态。可以使用其它条件或条件的组合。

如果步骤128为真，那么控制程序继续步骤132并且启动对排气凸轮移相器位置、火花和燃料喷射控制的稳态控制。控制程序结束于步骤134。如果步骤128为假，那么控制程序返回步骤112。

本发明因为多种原因而减少了冷起动排放。本发明在汽缸内部形成燃料分层，这使得SIDI发动机能够以总体稀薄的空燃比(AFR)来点火，同时从恰好第一次发动机点火事件开始在火花塞附近保持相对浓的AFR。在启动和加速运转期间的整体稀薄的AFR可在起动期间显著减少发动机排出的HC。由于在火花塞区域附近可得到浓燃料混合物，发动机的稀薄不点火极限(lean misfire limit)也将比常规燃料喷射策略更为稀薄。

本发明也使由于不同类型燃料的挥发性差异引起的AFR差异最小化。对于给定量的时间和温度，不同类型的液体燃料将以不同的速率蒸发，这导致可用于燃烧的不同的可用燃料蒸汽质量。因为缸内气体温度很高，高达接近TDC的400摄氏度，因此所有喷射的液体燃料都将汽化并且用于燃烧而与燃料类型无关。

另外，本发明实现了较大的火花延迟。当点火正时被适当地调整相位时，在火花塞附近将会有局部浓的区域，这将实现迟的火花延迟而不会不点火。火花延迟易于减少HC排放，因为其使得峰值汽缸压力最小化，这意味着在汽缸缝中有较少的HC。火花延迟也产生更大的可感知的排气热，这可帮助催化剂加热。

本发明延迟燃料喷射直到达到期望的高燃料压力为止。例如，延迟可约为0.5秒。与常规的(例如提前喷射和低压喷射)策略相比，使用本策略可减少大约50％的启动HC(crank HC)。

一旦油压增大，排气凸轮移相器就运动至延迟位置以进一步减少发动机排放。延迟排气凸轮移相器由于多种原因而改善了HC排放。延迟排气凸轮移相器在排气阀打开并且熄灭火焰之前为在汽缸中进行的燃烧提供额外的时间。这又将允许额外的火花延迟，这将如上文所述改善HC排放性能。延迟排气凸轮移相器保留更多燃烧过的残留气体，所述残留气体包含一定量的将要再氧化的HC。

本领域技术人员现在可从前述说明中了解到本发明的宽泛教导可以用多种形式来实施。因此，虽然本发明包括具体示例，但是本发明的真正范围不应当局限于此，因为本领域技术人员在研究附图、说明书和所附权利要求后将会清楚其它的改进。

Claims (20)

1.一种火花点火直喷(SIDI)发动机的发动机控制系统，包括：

燃料模块，所述燃料模块推迟发动机启动期间的燃料喷射直到燃料压力大于预定燃料压力为止，所述燃料模块延迟点火正时并且延迟燃料喷射直到接近上止点(TDC)为止；以及

排气凸轮移相器模块，所述排气凸轮移相器模块在发动机起动并且油压大于预定油压之后延迟排气凸轮移相器。

2.根据权利要求1所述的发动机控制系统，还包括在发动机起动并且油压大于预定油压之后延迟火花的火花控制模块。

3.根据权利要求2所述的发动机控制系统，其中所述火花控制模块使火花延迟TDC之后15-25度。

4.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中接近TDC包括TDC之前60度到TDC之前0度之间的范围。

5.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述预定油压约为30psi。

6.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述排气凸轮移相器模块使所述排气凸轮移相器延迟12-24凸轮角度之间。

7.根据权利要求2所述的发动机控制系统，还包括将所述排气凸轮移相器模块、所述火花控制模块和所述燃料模块转变到稳态控制的发动机稳态模块。

8.根据权利要求7所述的发动机控制系统，还包括感测加速器踏板位置的踏板位置传感器，其中所述发动机稳态模块在所述加速器踏板位置大于预定踏板位置之后转变到稳态控制。

9.根据权利要求7所述的发动机控制系统，还包括确定催化剂温度的催化剂传感器，其中所述发动机稳态模块在所述催化剂温度大于预定温度之后转变到稳态控制。

10.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述预定燃料压力大于2兆帕。

11.一种控制火花点火直喷(SIDI)发动机的方法，包括：

推迟发动机启动期间的燃料喷射直到燃料压力大于预定燃料压力为止；

延迟发动机启动期间的点火正时；

延迟燃料喷射直到接近上止点(TDC)为止；以及

在发动机起动并且油压大于预定油压之后延迟排气凸轮移相器。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括在发动机起动并且油压大于预定油压之后延迟火花。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述延迟火花包括使火花延迟TDC之后15-25度。

14.根据权利要求11所述的方法，其中接近TDC包括TDC之前60度到TDC之前0度之间的范围。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述预定油压约为30psi。

16.根据权利要求11所述的方法，其中延迟所述排气凸轮移相器包括延迟12-24凸轮角度之间。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述排气凸轮移相器模块、所述火花控制模块和所述燃料模块转变到稳态控制。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

感测加速器踏板位置；以及

在所述加速器踏板位置大于预定踏板位置后转变到稳态控制。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括：

确定催化剂温度，其中所述发动机稳态模块在所述催化剂温度大于预定温度后转变到稳态控制。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述预定燃料压力大于2兆帕。

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