CN101532440B - 调整喷射起动来实现柔性燃料车中e85直接喷射的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及调整喷射起动来实现柔性燃料车中E85直接喷射的方法。发动机控制系统包括将乙醇和汽油的混合物直接喷射到火花点火直喷式(SIDI)发动机的燃烧室内的燃料喷射器。控制模块控制燃料喷射器的喷射起动以使喷射起动出现在发动机压缩冲程上死点前大于335度的曲轴角(CAD bTDC)。

Description

调整喷射起动来实现柔性燃料车中E85直接喷射的方法
相关申请的交叉引用
本发明要求2008年3月11日提交的美国临时申请No.61/035,522的权益。上述申请的公开内容通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及火花点火直喷式(SIDI)发动机中乙醇燃料喷射正时。
背景技术
这里提供的背景技术描述用于总的呈现本发明的内容。就该背景技术中所描述的范围内的本发明者的工作，以及在提交时没有限定为现有技术的说明书部分既未明确地也未暗示地被认为是破坏本发明的现有技术。
火花点火直喷式(SIDI)发动机包括一个或多个将燃料直接喷射到相应发动机气缸的燃料喷射器。燃料泵在高压下向燃料轨供给燃料，例如3-15MPa(435-2176磅/英寸2)。燃料轨向燃料喷射器提供加压燃料。燃料喷射器按照发动机控制模块确定的时间和脉冲宽度将燃料喷射到气缸中。
每个脉冲宽度的持续时间部分地基于所喷射的燃料类型。在一种柔性燃料车(FFV)中，燃料可以是汽油或者汽油与乙醇的混合物。汽油与乙醇的比例可在从纯汽油(即，0％乙醇(E0))到15％汽油/85％乙醇(E85)的范围内变化。其他比例也可以用乙醇的百分比来表示，即，E25为75％汽油/25％乙醇，等等。如果其他发动机变量保持恒定，那么随着乙醇百分比增加，燃料喷射器脉冲宽度变得更长。
对于在最大功率发动机工作状态下直接喷射的应用而言，要实现附加的添加E85燃料要求是有一定挑战性的。该挑战归因于与汽油相比，在面临附加的E85喷射量时，可用的喷射时间有限。喷射器流速的简单增加(进气口燃料喷射发动机通常就是如此)会在轻发动机负荷的情况下由于螺旋管式喷射器的固有动态范围限制而以昂贵的代价损害汽油工作的燃料控制。
发明内容
发动机控制系统包括燃料喷射器，所述燃料喷射器将乙醇和汽油的混合物直接喷射到火花点火直喷式(SIDI)发动机的燃烧室内。控制模块控制燃料喷射器的喷射起动，以使得在发动机压缩冲程上死点前大于335度的曲轴角(CAD bTDC)起动喷射。
根据其他特征，在小于360度的CAD bTDC起动喷射。喷射起动出现在发动机的排气门关闭时。喷射起动是基于乙醇和汽油的比例的。发动机控制系统还包括向控制模块传送信号的柔性燃料传感器。该信号表示所述比例。
控制火花点火直喷式(SIDI)发动机的方法包括将乙醇和汽油的混合物直接喷射到SIDI发动机的燃烧室内，以及控制喷射起动以使得该起动出现在发动机压缩冲程上死点前大于335度的曲轴角(CAD bTDC)。
根据其他特征，喷射起动出现在小于360度的CAD bTDC。喷射起动出现在发动机的排气门关闭时。相对于CAD bTDC的喷射起动是基于乙醇和汽油的比例。所述方法包括确定该比例。
车辆动力装置包括往复活塞式内燃机、将乙醇和汽油的混合物直接喷射到发动机的各个燃烧室内的燃料喷射器和控制模块，所述控制模块控制每个燃料喷射器的喷射起动，以使该喷射起动出现在相关气缸压缩冲程上死点前至少335度的曲轴角(CAD bTDC)并且喷射结束出现在58度的CAD bTDC。
根据其他特征，喷射起动出现在360度的CAD bTDC和335度的CAD bTDC之间。喷射起动出现在发动机的排气门关闭时。喷射起动是基于乙醇和汽油的比例。柔性燃料传感器向控制模块传送信号。该信号表示所述比例。
根据另一些特征，上述系统和方法是通过一个或多个处理器执行的计算机程序实现的。该计算机程序可以驻留在计算机可读介质上，例如但不限于存储器，非易失性数据存储器和/或其他合适的有形存储介质。
本发明的其他应用领域将根据接下来提供的详细说明变得显而易见。应该理解的是详细说明和特定实施例仅仅意在说明并未打算限定本发明的范围。
附图说明
根据详细说明和伴随的附图，将会更充分地理解本发明，其中：
图1是火花点火直喷式发动机和相关的发动机控制模块的功能方框图；
图2是显示排气烟度-喷射正时起动的曲线图；和
图3是显示指示平均有效压力的变差系数-喷射正时起动的曲线图。
具体实施方式
接下来的描述本质上仅仅是示例性的而决不是意欲限制本发明，其应用和使用。出于清楚考虑，相同的附图标记将在附图中用来表示类似的元件。正如这里所用的，短语“A，B和C中的至少一个”应被解释为使用非排他逻辑“或”的逻辑关系(A或B或C)。应该理解的是方法中的步骤可以不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。
正如这里所用的，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，专用或成组的)和存储器，组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其他合适部件。
现在参考图1，功能方框图给出了火花点火直喷式(SIDI)发动机10和相关的发动机控制模块12。发动机控制模块12采用能够随着燃料中乙醇的百分比增加来增加燃料喷射器脉冲宽度的方法。与现有技术相比，该方法更早地开始喷射燃料，即在与现有技术相比更大的压缩冲程上死点前曲轴角(CAD bTDC)开始喷射燃料。该方法能够通过本发明人的发现来实现：乙醇在撞击气缸盖16’时，产生比汽油更少的排气烟度。有所减少的烟度被认为是由乙醇(CH3CH2OH)的氧含量造成的。汽油作为C5-C10碳氢化合物的混合物并不包括氧。
发动机10包括容纳往复活塞16的气缸14。进气门18周期性地打开以便允许进气进入气缸14。排气门20周期性地打开以便允许排气排出气缸14。进气门18和排气门20的打开和关闭由相关的进气凸轮凸角22和排气凸轮凸角24控制。进气凸轮凸角22和排气凸轮凸角24与凸轮轴26一起转动。凸轮轴26还可以包括驱动机械燃料泵30的凸角。应明白，燃料泵30还可以是由齿轮驱动或电动的。凸轮轴带轮32驱动凸轮轴26。
往复活塞16驱动曲轴40。曲轴齿轮42随曲轴40转动。曲轴齿轮42通过传动带或链条44驱动凸轮轴带轮32。在某些实施例中，传动带或链条44可由齿轮代替。曲轴位置目标环50也安装曲轴40上。
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基于曲轴位置目标环50的位置产生曲柄位置信号。曲柄位置信号表示相对于预定基准的曲轴角度(CAD)。为了讨论目的，该曲柄位置表示为CAD bTDC。应该知道的是，CADbTDC相对于不同基准可转换为CAD。曲轴位置传感器64将信号传送到发动机控制模块12。发动机控制模块12还可以接收一个或多个信号，这些信号来自燃料/空气或氧传感器(lambda sensor)66、燃料箱液位传感器70和柔性燃料传感器68中的至少一个。氧传感器66表示发动机排气的氧含量。氧含量可被用来推断燃料的乙醇含量。柔性燃料传感器68检测并指示燃料中乙醇的百分比。燃料箱液位传感器70表示车辆燃料箱中的燃料量。燃料液位的变化表示燃料箱中燃料的乙醇含量可能正在变化。
燃料喷射器62使燃料呈雾状直接喷射到气缸14的燃烧室内。进气门18在进气冲程中打开以便允许燃烧空气进入燃烧室。为了获得E0燃料的清洁燃烧，一般希望在没有明显的燃料撞击活塞头16’的情况下点燃燃料/空气混合物。燃烧的清洁度可用烟度计检测并表示为滤纸烟度数(FSN)。在汽油/乙醇燃料混合物的情况下，发明人已经发现撞击的燃料在与E0燃料相同的速度时不会有助于烟雾产生。该发现允许喷射器脉冲宽度开始于更大的CAD bTDC，即比先前认为的更早一些。
现在参考图2，图表100以非限制性实施例的方式表示SIDI发动机10中E0和E85燃料的滤纸烟度数(FSN)的实施例。图表100的纵轴表示FSN。图表100的横轴表示以CAD bTDC表示的喷射正时起动。第一迹线102表示E0燃料的排气特性(smoke performance)。第二迹线104表示E85燃料的排气特性。这两条迹线是在相同的发动机转速和燃料泵30燃料压力下获取的。预定的烟度极限106图示为FSN 0.5。应该知道的是，还可以根据排气烟度要求使用0.5以外的FSN值。在烟度具有大于烟度极限106的FSN时被认为是不希望的。利用给出FSN的反射法(reflectance method)测量烟雾排放。
测定方法是用来通过扫描燃料喷射器62(最佳地示于图1中)的喷射正时来测量早的喷射起动(SOI)和晚的喷射结束(EOI)的效果。在E0的情况下，可能的最早SOI通常受到由于燃料撞击活塞头16’造成的烟雾排放的限制。燃料撞击导致大量的扩散燃烧区域。可能的最晚EOI通常受到由于不充分混合和/或燃烧不稳定性造成的烟雾排放的限制，该烟雾排放还有损发动机输出和转矩波动。
图2中所示的用于所述迹线的发动机转速是这样选择的，以使排气背压相对于可接受的烟度计取样而言足够低。发动机转速过高可能相对于烟度计取样产生高得惊人的排气背压。
第一迹线102显示出，对于E0而言可接受的最早SOI是限制在大概335CAD bTDC的烟度。然而，第二迹线104显示出对于E85而言没有观测到对于早SOI的实际烟度限制。第一迹线102显示出对于E0而言最晚的SOI是限制为185CAD bTDC的烟度。第二迹线104显示出对于E85而言最晚的SOI为大约115CAD bTDC。因为在2000RPM和全负荷下，E0和E85的相关喷射持续时间分别为40和57CAD，E0和E85的最晚可接受EOI分别是压缩冲程的大约145和58度bTDC。因此，在2000RPM下的汽油最大喷射持续时间是大约190CAD。
现在参考图3，图表110显示SOI正时对燃烧稳定性的相应影响。图表110的纵轴表示就指示平均有效压力(IMEP)的变差系数(COV)而言的燃烧稳定性。图表110的横轴以CAD bTDC表示SOI。第一迹线112显示了E0燃料的IMEP性能的COV。第二迹线114显示了E85燃料的IMEP性能的COV。这两条迹线都是以相同的发动机转速和图2中所示的燃料压力图表100获取的。IMEP极限的预定COV116图示为可接受的燃烧稳定性的上限。通过非限制性实施例，IMEP极限的COV116选为3％。
第二迹线114显示出通过燃烧变量而不是烟雾排放将E85的晚SOI限制约束在135CAD bTDC。当考虑到E85的喷射持续时间时，可接受的最晚EOI正时大约是78CAD bTDC。
尽管对于E85的早SOI而言缺少烟度约束，但对于任何燃料的早喷射仍有实际约束。在排气门20打开(示于图1中)时进行喷射的情形下，通过使至排气系统的燃料短路来限制早SOI。为了避免这种情形，应该控制SOI出现在排气门20关闭之后。因此，在2000RPM下E85的最大喷射持续时间为大约238度曲轴角。
假设在2000RPM下测量的状态表示7000RPM的最大发动机速度，那么对E0和E85来说最大可接受的喷射持续时间分别为4.52和5.67微秒。因为在7000RPM发动机转速和15MPa燃料压力下，对E0和E85来说测得的所需喷射持续时间分别为3.92和4.79微秒，那么可以用相同的喷射器流速规范来实现对两种燃料来说最坏情形的发动机操作状态。
重点是要考虑乙醇和汽油的中间混合物的效果，这些效果可能出现在柔性燃料车辆补给燃料时。理解这些燃料混合物是至关重要的，因为这些燃烧特性中的一些对乙醇浓度来说可能不是线性的。尤其是，早SOI烟雾排放中的任何非线性都需要对中间乙醇混合物进行非常复杂的转换算法。对作为喷射压力和SOI正时的函数的FSN测量响应进行分析，从而确定提供小于烟度极限106的FSN的最早SOI正时。测试显示出当燃料混合物中的汽油含量增加时，烟度限制很快变成早SOI状态的一个因素。
节气门全开(WOT)操作条件下E85的发动机排出的排放物与E0的发动机操作排放物是相当的和/或更低。
这里所述的早SOI正时允许较低流速的燃料喷射器，以满足高发动机功率输出(即，节气门全开(WOT))时E85燃料的喷射器流速要求。使用较低流速的燃料喷射器能够在所有的操作条件(包括小于WOT)下实现改进的燃料流量控制。
本领域技术人员会根据前描述认识到可以多种形式实现本发明的广义教导。因此，虽然本发明包括特定实施例，本发明的实际范围不应如此限制，因为根据附图、说明书和接下来的权利要求的教导，其他变形对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims (9)

1.一种发动机控制系统，包括：
燃料喷射器，其将乙醇和汽油的混合物直接喷射到火花点火直喷式发动机的燃烧室内；
柔性燃料传感器，其产生与所述混合物中乙醇和汽油的比例相对应的比例信号；和
控制模块，其基于所述比例信号控制燃料喷射器的喷射起动，以使该喷射起动出现在发动机压缩冲程上死点前大于335度的曲轴角。
2.如权利要求1的发动机控制系统，其中所述喷射起动出现在上死点前小于360度的曲轴角。
3.如权利要求1的发动机控制系统，其中所述喷射起动出现在发动机的排气门关闭时。
4.一种控制火花点火直喷式发动机的方法，包括：
将乙醇和汽油的混合物直接喷射到火花点火直喷式发动机的燃烧室内；
产生与所述混合物中乙醇和汽油的比例相对应的比例信号；和
基于所述比例信号控制所述喷射的起动以使该起动出现在发动机压缩冲程上死点前大于335度的曲轴角。
5.如权利要求4的方法，其中所述起动出现在上死点前小于360度的曲轴角。
6.如权利要求4的方法，其中所述起动出现在发动机的排气门关闭时。
7.一种车辆动力装置，包括：
往复活塞式内燃机；
燃料喷射器，其将乙醇和汽油的混合物直接喷射到发动机的相应燃烧室内；
柔性燃料传感器，其产生与所述混合物中乙醇和汽油的比例相对应的比例信号；和
控制模块，其基于所述比例信号控制每个燃料喷射器的喷射起动，以使所述喷射起动出现在相关气缸压缩冲程上死点前至少335度的曲轴角并且使喷射结束出现在上死点前58度的曲轴角。
8.如权利要求7的车辆动力装置，其中所述喷射起动出现在上死点前360度的曲轴角和上死点前335度的曲轴角之间。
9.如权利要求7的车辆动力装置，其中所述喷射起动出现在发动机的排气门关闭时。
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