CN101903626B - 用于将燃料喷射到压缩点火发动机中的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种管理和控制发动机操作的方法，包括将初始燃料质量喷射到燃烧室中以形成燃烧装料；监测燃烧；以及将主要燃料质量与燃烧装料燃烧开始大致同时地喷射到燃烧室中。

Description

用于将燃料喷射到压缩点火发动机中的方法和设备
技术领域
本发明涉及压缩点火内燃机的操作和控制。
背景技术
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。
压缩点火发动机的制造商面临日益严格的排放标准，包括氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)的许可水平的减少。减少排放物的已知方案包括减少发动机排出的排放物，以及使用一些形式的排气后处理来转化发动机排出的排放物。减少发动机排出的排放物的已知系统和方法包括在点火之前在燃烧室中将燃料和空气预混合。转化发动机排出的排放物的已知系统和方法使用一些形式的排气后处理装置，包括例如催化转换器、吸收器和后燃烧器。
使用已知燃料/空气预混合装料系统的发动机可以在较低发动机负载操作时实现低的NOx和PM排放。然而，由于过多的燃烧噪音和燃烧稳定性，这种操作在较高发动机负载操作时被限制。燃料/空气预混合装料系统扩展发动机负载操作的已知方案包括在燃烧循环期间使用多个燃料喷射事件。
发明内容
一种往复活塞、直接喷射、压缩点火的内燃机包括由在气缸中往复运动的活塞限定的可变容积燃烧室。初始燃料质量被喷射到燃烧室中以形成燃烧装料。燃烧被监测且主要燃料质量与燃烧装料燃烧开始大致同时地喷射到燃烧室中。
附图说明
现在将通过示例的方式参考附图描述一个或多个实施例，在附图中：
图1是根据本发明的示意图；
图2A-2C是根据本发明的图形图示；和
图3A-3C和4是根据本发明的数量参数数据的图形图示。
具体实施方式
现在参考附图，其中，附图仅仅为了图示某些示例性实施例而不是为了限制于此，图1示意性地示出了压缩点火内燃机10和控制模块5。示例性内燃机10包括多气缸装置，包括发动机本体11、曲轴(CS)12、和气缸盖15。多个气缸13在发动机本体11中形成，每个气缸13含有可在其中滑动移动的活塞14。每个活塞14经由活塞杆机械地操作性地连接到曲轴12，曲轴12在主轴承上安装到发动机本体11且在其中旋转。活塞14的往复线性运动转换为曲轴12的旋转运动。空气进气系统将进气空气引导给进气歧管，进气歧管将进气空气引导和分配到多个进气流道29中。空气进气系统包括用于监测和控制进气空气流的空气流管道系统和装置。所述装置优选包括空气质量流量传感器32，用于监测进气空气的质量流量和进气空气温度并提供与其相对应的相应输出信号(MAF)和(Tin)。节气门阀34(优选为电子控制装置)响应于控制信号(ETC)来控制到达发动机10的进气空气流量。歧管中的压力传感器36监测歧管绝对压力和大气压力，并提供与其相对应的相应输出信号(MAP)和(BARO)。外部流通道(未示出)将发动机排气连接到空气进气系统，用于再循环排气，且包括流量控制阀(称为排气再循环或EGR阀38)，其响应于控制信号(EGR)被控制。发动机10可以包括其它系统，包括将进气空气传输给发动机10的涡轮增压器或增压器(未示出)。
每个气缸13、往复活塞14和气缸盖15限定可变容积燃烧室16。由于燃烧室16中的燃烧事件，曲轴12响应于由活塞杆施加到其的线性力而在主轴承处旋转。盖15包含由一个或多个进气阀20控制的一个或多个空气入口端口、由一个或多个排气阀18控制的一个或多个排气端口、和可操作将燃料直接喷射到燃烧室16中的燃料喷射器28。进气阀20的开启和关闭通过操作进气阀系统22来控制，进气阀系统22控制到达燃烧室16的进气空气流量。排气阀18的开启和关闭通过操作排气阀系统24来控制，排气阀系统24控制从燃烧室16排出的燃烧产物排气。曲轴传感器42大致位于曲轴12附近，可操作产生与曲轴12的角位置相关的电信号。曲轴传感器42大致位于曲轴12附近，且产生与曲轴12的旋转角位置相关的电信号。曲轴传感器42的信号输出(RPM)由控制模块5转换以确定曲轴速度和曲轴旋转位置。排气传感器40监测排气并提供输出信号(EXH)。排气传感器40优选包括宽范围的空气/燃料比传感器。
发动机10包括燃料喷射系统，包括多个高压燃料喷射器28，每个燃料喷射器28适合于将一定质量的燃料直接喷射到一个燃烧室16中。燃料喷射器28从燃料分配系统(未示出)供应加压燃料。燃料分配系统优选包括共轨燃料喷射系统，包括高压(例如1800bar/180MPa)燃料泵，以将加压燃料传输给燃料喷射器28。燃料喷射器28包括螺线管致动装置或压电致动装置中的一种，具有喷嘴，所述喷嘴穿过气缸盖15的开口设置，以将加压燃料喷射到燃烧室16中。喷射器喷嘴包括燃料喷射器末端，其特征在于多个开口、喷射角和流速，表示在给定压力下的体积流率。示例性燃料喷射器喷嘴包括7孔装置，具有155度的喷射角和370流速(单位，cc/30-s100bar)。燃料喷射器操作特性还包括最小可控流率、最大流率和动态范围，每个均取决于燃料压力和其它参数。
进气阀系统22控制从进气流道29进入每个燃烧室16的空气流量，包括控制进气阀20的开启和关闭。排气阀系统24控制从每个燃烧室经由排气流道39到排气歧管的燃烧气体流量，包括控制排气阀18的开启和关闭。进气阀20和排气阀18的开启和关闭优选用双凸轮轴系统(如图所示)控制，所述双凸轮轴系统的旋转用曲轴12的旋转关联和标引。进气阀系统22和排气阀系统24可以包括用于控制进气阀和排气阀的开启和关闭的定相(即，相对定时)的装置，称为可变凸轮定相(VCP)系统。可变凸轮定相系统操作以相对于曲轴12的旋转位置和一个活塞14来切换阀开启时间，称为定相。进气阀系统22和排气阀系统24可以包括分别控制进气阀20和排气阀18的阀升程的幅值的装置，称为可变升程控制(VLC)。
燃烧传感器30监测缸内燃烧，具有由控制模块5监测的信号输出(COMBUSTION)。燃烧传感器30优选包括传感器装置，可操作监测燃烧状态并提供与燃烧参数相对应的信号输出，控制模块5可通过所述信号输出来确定燃烧参数的状态。燃烧传感器30示出为压力传感器，适合于实时(包括在燃烧期间)监测缸内压力。替代地，燃烧传感器30可以包括传感装置和附属分析装置(未示出)，可操作监测缸内离子密度，例如通过火花塞、燃烧化学发光传感器、和适于监测中间物质和基团浓度(例如OH和HCO物质)的传感器。优选燃烧传感器30监测燃烧参数，包括缸内燃烧压力。在发动机10的持续进行的操作期间，控制模块5经由来自于曲轴传感器42的输入来识别燃烧开始(下文称为SOC)和活塞14的对应位置。SOC在本文限定为在燃烧循环期间发生10％的总放热时的曲轴角，通常在压缩冲程期间发生。
控制模块5监测来自于操作者的输入信号(例如，通过节气门踏板感测和制动踏板位置感测)以确定操作者扭矩请求，并监测来自于表示发动机速度、发动机燃烧、空气质量流量、进气空气温度、歧管压力、大气压力、冷却剂温度和其它环境条件的来自于传感器的输入信号。控制模块5执行在其中存储的算法代码以控制前述致动器来控制发动机操作。这包括优选从控制模块5中的存储器装置中的查询表确定EGR阀位置的瞬时控制设置、进气阀和排气阀定时和/或升程设定点、以及燃烧喷射定时，并计算进气系统和排气系统中的燃烧气体分数。控制模块5基于操作者输入、环境条件和发动机操作条件来执行控制方案，并据此控制致动器。控制模块5独立地并选择性地控制每个燃料喷射器28以在持续进行的操作期间的具体时间喷射精确量的燃料。这包括经由到达喷射器28的控制信号(INJ_PW)来控制燃料喷射定时和数量，优选包括预先标定的喷射器脉冲宽度，所述喷射器脉冲宽度与基于发动机操作和燃料压力确定的喷射到燃烧室16中的燃料质量相对应。控制模块5经由控制信号ETC来控制节气门阀34以控制进入发动机的进气空气质量流量。控制模块5通过经由控制信号EGR来控制排气再循环阀38的开启而控制进入空气进气系统的排气质量流量。在如此配备的系统上，控制模块5经由控制信号(INTAKE)来控制进气阀系统22的操作，且经由控制信号(EXHAUST)来控制排气阀系统24的操作。
控制模块5优选地包括通用数字计算机，通用数字计算机包括微处理器或中央处理单元、包括非易失性存储装置(包括只读存储器(ROM)和电子可编程只读存储器(EPROM))的存储介质、随机存取存储器(RAM)存储介质、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和缓冲电路。控制模块5具有一组控制算法，所述控制算法包括存储在非易失性存储器中且被执行以提供每个计算机的相应功能的常驻程序指令和标定值。所述算法可以在预定循环期间被执行，使得在每个循环中每个算法被执行至少一次。算法由中央处理单元执行，以监测来自前述感测装置的输入并且执行控制和诊断例程从而使用预定标定值来控制致动器的操作。在持续进行的发动机10和车辆的操作期间，循环以规则间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。
控制模块5和内燃机10的描述意在说明性的而非对本发明的限制。
操作中，控制模块5控制每个燃料喷射器28以在燃烧循环的压缩冲程早期将初始燃料质量喷射到燃烧室16中以形成燃烧装料。该操作优选在低-中负载操作(即，在本实施例中小于约11bar BMEP的发动机负载)下发生。基于发动机负载的系统操作的上限可以基于具体发动机设计的噪音、碳烟和其它因素来确定。燃烧室16使用燃烧传感器30监测，以检测和识别燃烧装料的点火和SOC。主要燃料质量大致与其中的燃烧装料的SOC同时地喷射到燃烧室16中。初始燃料质量喷射到燃烧室16中的定时被控制，使得SOC在气缸13中的活塞行程的上止点之前(下文称为bTDC)发生。优选地，初始燃料质量喷射到燃烧室16中的定时发生，使得SOC在活塞行程的大约10度bTDC处发生。
图2C示出了燃料喷射定时表，详细描述了在一组具体发动机操作条件下的示例性发动机10的操作，如上文所述操作。x轴示出了在压缩冲程和随后的做功冲程期间的活塞位置，单位为曲轴角度(CAD)。示例性发动机和发动机操作条件的具体细节在表1中详细示出，结果参考图2、3和4示出。
表1
  参数   度量   单位
  孔径   92   mm
  冲程   88   mm
 发动机速度   2060   Rev/min
 BMEP   7.2   Bar
 进气歧管温度   90   ℃
 歧管压力   220   kPa绝对
 排气压力   280   kPa绝对
 燃料轨道压力   1300   Bar
 孔的喷射器末端#   7   #
 喷射器末端流速   370   Cc/30s100bar
 喷射器锥角   155   °(角度)
喷射到每个气缸13中的总燃料质量基于发动机操作条件、环境条件和操作者扭矩请求来确定。总燃料质量分为在压缩冲程早期喷射的初始燃料质量和在压缩冲程结束时喷射的主要燃料质量。如图所示，初始燃料质量分成第一燃料喷射事件和第二燃料喷射事件，其中，第一喷射事件在大约50度bTDC处发生。第二喷射事件在第一喷射事件结束之后大约700毫秒时发生。第一燃料喷射事件和第二燃料喷射事件的定时在较高发动机速度时提前且在较低发动机速度时延迟，总体意图在于控制发动机操作以在大约10度bTDC处实现SOC，如燃烧传感器30检测的。主要燃料质量在压缩冲程结束时大致与SOC同时地喷射。本领域技术人员将理解，由于信号/噪音误差、测量准确性、以及曲轴传感器42和燃烧传感器30的精度(在实际SOC和检测SOC、控制喷射器28喷射主要燃料质量之间可以引入高达+/-3曲轴角度的误差)，在检测SOC时可能有偏差。参考图4所示的结果表明，检测中的这种偏差对本文所述的系统操作具有微小的影响。
在图2C中，在所述条件下，主要燃料质量在大约15度bTDC时开始喷射，且在大约9度bTDC时结束。图2B示出了放热率(AHRR)，单位为J/cad，其中，对于在所述条件下操作的示例性发动机，放热在大约15度bTDC时开始增加。图2A描述了气缸压力的相应测量值。将相对较冷的主要燃料质量喷射到燃烧室16中会局部冷却燃烧装料，使得燃烧化学反应减慢并导致较慢的放热和减小的燃烧噪音。燃料汽化是吸热过程，从而减少燃烧压力的任何升高，也减小燃烧噪音。
图3A-3C示出了在参考表1所述的条件下操作示例性发动机10获得的数据，其中，主要燃料质量的喷射开始定时(SOI3)在一定范围的发动机曲轴角内变化。每个曲线图3A、3B和3C中使用的数字1-20表示被定位以示出其结果的每个具体试验编号。图3A中的结果示出了表示颗粒物质排放的发烟值(Smoke Number)和发动机噪音量(AVL Noise)。图3B中的结果示出了燃烧效率(Comb.Effect)和净比燃料消耗(NSFC)(单位为g/kW-hr)。图3C中的结果示出了发动机排出的碳氢化合物(EIUHC)(单位为g/kg)和发动机排出的一氧化碳(EICO)(单位为g/kg)。结果表明，碳烟和噪音的最佳操作大致与SOC同时。
图4示出了在参考表1所述的条件下操作示例性发动机10获得的数据，其中，主要燃料质量的喷射开始定时在一定范围的发动机曲轴角内变化。发烟值和燃烧噪音相对于主喷射事件的喷射开始定时(SOI Main)(单位为曲轴角度(CAD))绘制。数据表明，存在噪音和碳烟的主喷射事件的喷射最佳开始，且喷射开始的移动引起碳烟或噪音中的任一个的增加。在主喷射之后可以发生喷射脉冲，称为后喷射，以单个或多个喷射脉冲的形式。
本发明已经描述某些优选实施例及其变型。在阅读和理解说明书之后，可以想到进一步的变型和修改。因而，本发明并不旨在限于作为用于实施本发明的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于控制在往复活塞、直接喷射、压缩点火的内燃机中的燃烧的方法，所述内燃机包括由在气缸中往复运动的活塞限定的可变容积燃烧室，所述方法包括：
将初始燃料质量喷射到燃烧室中以形成燃烧装料；
监测燃烧；以及
与燃烧装料的燃烧的开始大致同时地将主要燃料质量喷射到燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的方法，包括控制初始燃料质量喷射到燃烧室的定时，以在燃烧室中的活塞行程的上止点之前开始燃烧装料的燃烧。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括控制初始燃料质量喷射到燃烧室的定时，使得在燃烧室中的活塞行程的上止点之前大约10度时发生燃烧装料的开始燃烧。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将初始燃料质量喷射到燃烧室中包括执行第一喷射事件和第二喷射事件。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，监测燃烧包括监测发动机状态，燃烧参数的状态能够根据发动机状态来确定。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括监测燃烧室压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，燃烧开始基于燃烧装料的放热来确定。
8.根据权利要求1所述的方法，包括在包括低至中负载操作的发动机操作点，将初始燃料质量喷射到燃烧室中以形成燃烧装料。
9.一种用于控制在往复活塞、直接喷射、压缩点火的内燃机中的燃烧的方法，所述内燃机包括由在气缸中往复运动的活塞限定的可变容积燃烧室，所述方法包括：
在低至中发动机负载操作期间在活塞的压缩冲程期间，将初始燃料质量喷射到燃烧室中以形成燃烧装料；
监测燃烧；以及
基于所监测的燃烧，与燃烧装料的燃烧的开始大致同时地将主要燃料质量喷射到燃烧室中。
10.根据权利要求9所述的方法，包括控制初始燃料质量喷射到燃烧室，以在压缩冲程期间活塞行程的上止点之前开始燃烧装料的燃烧。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括控制初始燃料质量喷射到燃烧室，使得在压缩冲程期间活塞行程的上止点之前大约10度时发生燃烧装料的开始燃烧。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括通过执行第一喷射事件和第二喷射事件来将初始燃料质量喷射到燃烧室中。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，监测燃烧包括监测发动机状态，燃烧参数的状态能够根据发动机状态来确定。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，监测发动机状态包括监测缸内燃烧室压力。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括，基于与燃烧装料的放热相对应的燃烧参数的状态来确定燃烧开始。
16.一种内燃机系统，包括：
往复活塞、直接喷射、压缩点火的内燃机，所述内燃机包括由在气缸中往复运动的活塞限定的可变容积燃烧室；
监测与燃烧室内的燃烧相关联的发动机状态的装置；和
控制系统，用于监测来自于所述装置的输出；控制初始燃料质量喷射到燃烧室中以形成燃烧装料；监测燃烧；以及与燃烧装料的燃烧的开始大致同时地控制主要燃料质量喷射到燃烧室中。
17.根据权利要求16所述的内燃机，其中，控制系统控制初始燃料质量喷射到燃烧室的定时，以在压缩冲程期间活塞行程的上止点之前开始燃烧装料的燃烧。
18.根据权利要求17所述的内燃机，其中，控制系统控制初始燃料质量喷射到燃烧室的定时，使得在压缩冲程期间活塞行程的上止点之前大约10度时发生燃烧装料的开始燃烧。
19.根据权利要求18所述的内燃机，其中，在低至中发动机负载操作期间，控制系统控制初始燃料质量和主要燃料质量喷射到燃烧室中的定时。
20.根据权利要求19所述的内燃机，其中，燃烧开始基于燃烧装料的放热来确定。
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