CN102022209B - 内燃机中的喷射方法和用于控制喷射过程的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在内燃机(2)中，特别是在具有直接喷射的汽油机中用于控制喷射的方法，其中，在工作循环中，在该工作循环的燃烧节拍之前将驱动燃料量-它规定用于通过内燃机(2)提供扭矩所需的燃料量-喷射到内燃机(2)的气缸(3)中，其中，在工作循环中除了喷入驱动燃料量(m主喷射)外还喷入冷却燃料量(m富化)，这个冷却燃料量规定用于冷却燃烧废气的燃料量，其中，至少部分冷却燃料量(m富化)是在燃烧节拍中的燃烧过程之后，和/或在工作循环的一个直接后续的排气行程中喷入。
Description
技术领域
本发明涉及一种特别是用于具有燃料直接喷射的内燃机的喷射方法，以及用于控制燃料喷入内燃机燃烧室的装置。
背景技术
在具有燃料直接喷射的内燃机中，在全载荷范围内除了用于燃烧所需的驱动燃料量外还喷入用于冷却在相应的气缸的燃烧室中的废气的燃料。在高载荷运行时喷入的这种所谓的冷却燃料称之富化(Anfettung)，并且用于保护在内燃机的废气管路中设置的结构部件，如排气阀、弯头、催化器等免受过热之害。在内燃机运行时必须在压缩行程和紧接着的点火之前在150°到200°的曲轴角度范围内在一个吸气行程内的喷射时间窗内喷入由驱动燃料量和冷却燃料量所组成的总燃料量。
通常按照在额定转速时，例如每分钟6000转的满负载的运行点-这相应于额定功率-时的静态流量来设计将燃料直接喷入到气缸的燃烧室中的喷射阀(喷射嘴)。换句话说，喷射阀是如此设计的，即在上述喷射时间窗之内全部喷射完在点火前需要喷入的最大喷射量，包括冷却燃料量。特别是在具有增压装置(它要求更高的喷射量)的内燃机中产生了高的需要的最大流量值，作为静态流量。
另一方面，当内燃机空运转时，并且当催化器加热运行时只喷入很少量的燃料量。所述很少量的燃料量必须精确地调节，以避免运行不稳定。然后，这个计量范围，也就是最大可计量的燃料量和最小可计量的燃料量的关系，也叫做Dynamic Flow Range(DFR-动态流量范围)变得很大。然而必须很费事地才能实现这种具有大的计量范围的喷射阀。
特别是在技术上要求在具有高的静态流量的喷射阀中要保证在小燃料量时能精确地计量燃料。通常在不同结构类型的常规的喷射阀中相应的计量范围和静态流量几乎无关，也就是说，在大的静态流量时最小可计量的最小流量地增加。这在具有高的增压度(高的增压压力)的增压的内燃机中经常会导致在计量小的燃量时出现问题，其中，在所述的增压的内燃机中要求在静态的流量和最小可调节的流量之间具有高的扩张度。特别是为了产生扭矩通过喷入太多的燃料量会再现燃料气体混合物的过富。在这种情况中燃料可能汽化不完全，这样，液态燃料的燃烧导致炭黑形成的提高。
德国公开文献DE 10 2007 020 964A1公开了一种用于内燃机气缸均衡调节(gleichstellung)的方法。在这种方法中为了达到尽可能好的平稳运行使得单个的气缸在它们的扭矩贡献方面被均衡调节。为此规定了一种补充喷射，从而扭矩中性地将燃料喷射到气缸中，其中，是如此地计量这个补充喷射，即废气基本相应于化学计算的空气/燃料混合物。
因此本发明的任务是提供一种在高载荷运行时在如此所述的富化运行中用于触发喷射阀的方法，在这种高载荷运行中喷入用于冷却燃烧废气的冷却燃料量，其中，相对于现有技术的喷射阀所述喷射阀具有减小的静态流量。
发明内容
这个任务通过一种按照权利要求1所述的用于控制喷射到内燃机中的方法和按照并列的权利要求所述的发动机系统的装置得以完成。
在从属权利要求中对其它有利的方案进行了说明。
根据本发明的第一方面，本发明规定了一种在内燃机中，特别是在具有燃料直接喷射的汽油中用于控制喷射的方法。在一个工作循环中，在该工作循环的一个燃烧节拍之前将驱动燃料量-即用于通过内燃机提供所希望的扭矩所需的燃料量-喷射到内燃机的气缸中，其中，除了驱动燃料量以外在工作循环中还喷入冷却燃料量，这个冷却燃料量是用于冷却燃烧废气的燃料量，其中，至少部分的冷却燃料量是在燃烧节拍中的燃烧过程之后，和/或在工作循环的一个直接后续的排气行程中喷入。
本发明的构思在于将应喷射的总的燃料量的喷射分成两个喷射时间窗。在第一喷射时间窗期间-这个时间窗基本上是在进气行程内，在这个进气行程中通过空气输入系统将空气吸入到气缸的燃烧室中-喷入驱动燃料量，这个燃料量是用于燃烧，也就是用于力矩的形成所需要的。第二喷射时间窗设置在这样一个时间间隔内，即它以燃烧结束开始，并且在排气阀打开前结束，或者在排气行程中的一个时间间隔内，而排气阀是打开的，或者在这样一个时间间隔中，即该时间间隔在燃烧节拍中开始，在排气行程中结束。在第二时间窗期间在补充喷射时只扭矩中性地喷射用于富化运行，也就是用于冷却燃烧废气的燃料。在第二时间窗期间可全部喷射冷却燃料量，或者也可代替地在第一喷射时间窗期间喷入冷却燃料的一部分，其余部分可在第二喷射时间窗期间喷入。
因为冷却燃料量不是为了产生力矩而需要的，所以这个燃料量至少部分地在燃烧后喷入不关键。用于将燃烧废气的温度冷却下来所需的冷却燃料量还在燃烧室中就冷却燃烧废气，这样就将已冷却的燃烧废气排出到排放管路中。因为在吸气行程期间用于形成力矩所需的应喷入的驱动燃料量和常规运行相比较减少了冷却燃料的那一部分，所以可将如此地在第一喷射时间窗期间减少的燃料量可用喷射阀的比较小的流量喷射。通过这一措施可如此地设计喷射阀，即在额定转速全载荷运行点时和常规方式使用喷射阀相比降低了静态流量。这在小喷射量运行点时导致更精确地计量燃料量。在具有小喷射量的运行点时这可导致改进运行稳定性和排放。
此外，可在这样一个时间窗中喷射冷却燃料量，即这个时间窗在燃烧结束那一时刻和燃烧废气从气缸中排出开始之间。
根据一个替代方案可在这样一个时间窗中喷入冷却燃料量，这个时间窗在从气缸排出燃烧废气开始的时刻和从气缸排出燃烧废气结束前的时刻之间。
代替地可在这样的时间窗中喷入冷却燃料量，即这个时间窗在燃烧节拍中的燃烧结束之后的时刻和在排出节拍中从气缸中排出燃烧废气开始后之间。
此外，当得到了引入下一次燃烧的点火时刻，或者得到了该时刻以后可以求得用于喷射冷却燃料量的时间窗的开始，以及求得冷却燃料量。
特别是可根据运行点确定冷却燃料量，其中，在这么一个运行区域中喷入冷却燃料量，即在这个运行区域中在没有喷入冷却燃料量的情况下废气温度超过了温度阈值。代替地，可根据发动机的载荷，和/或根据内燃机的转速喷入冷却燃料量。
此外，可根据发动机的载荷，和/或根据内燃机的转速确定冷却燃料量和喷入冷却燃料量的时刻。根据一个实施形式在气缸中燃烧之前和驱动燃料量一起喷入的那部分冷却燃料量可根据点火角来计量，这样就抑制了内燃机的爆燃。
此外，在气缸中燃烧之前和驱动燃料量一起喷入的那部分冷却燃料量可根据出现的爆燃事故计量。
根据本发明的另一方面规定了一个用于控制在特别是具有直接喷射的内燃机中的喷射的控制装置。设计这种控制装置用于触发内燃机中的气缸的喷射阀，即在一个工作循环中在该工作循环的燃烧节拍之前将驱动燃料量-它是用于通过内燃机提供所希望的扭矩的燃料量-喷射到内燃机的气缸中；并且在该工作循环中除了驱动燃料量以外还喷入冷却燃料量，所述冷却燃料量是用于冷却燃烧废气的燃料量，其中，至少一部分冷却燃料量是在燃烧节拍中的燃烧完成之后，和/或直接在工作循环的下一排气行程中喷入。
根据本发明的另一方面规定了一个发动机系统。这个发动机系统包括：
-一个具有一个或者多个气缸的内燃机；
-一个用于将燃料喷入到内燃机的气缸之一中的喷射阀；
-上述控制装置。
根据本发明的另一方面规定了一种用于选择发动机系统的喷射阀的方法。这个方法包括下述步骤：
-提供额定转速，并且提供一个最大的驱动燃料量，这个燃料量是在额定转速时通过内燃机提供规定的扭矩所需的燃料量；
-确定在额定转速时用于喷射最大驱动燃料量而供使用的时间窗的持续时间；
-选择具有静态流量的喷射阀，所述静态流量是当喷射阀完全打开时单位时间的燃料量，其中，静态流量是通过时间窗和最大驱动燃料量的持续时间确定的。
附图说明
下面借助附图对本发明的一些优选的实施形式进行更加详细的说明。这些附图是：
图1：具有一个内燃机的发动机系统的简图。
图2：气缸压力、气缸中的气体温度、排气阀和进气阀的阀行程以及燃烧过程和曲轴角度的关系曲线图。
具体实施方式
图1示出了具有一个内燃机2，特别是一个汽油机的发动机系统1。为了简化起见内燃机2在图中仅以一个气缸3示出。当然内燃机可以具有多个气缸。这些气缸是如此地彼此耦合的，即它们节拍彼此错位。
气缸3和一个空气输入系统4连接，并且具有一个进气阀5。这个进气阀5可和一个曲轴6耦合，以便由曲轴6的曲轴角的控制地在进气时间窗期间使空气进入到气缸3的燃烧室8中。代替地电控进气阀是已公开的。
此外，气缸3还具有一个排气阀7，为的是将燃烧废气从气缸3的燃烧室8排出到废气管道(Abgastrakt)9中。这个排气阀7也可以或者是通过曲轴6的一个位置根据曲轴角度进行控制，或者也可代替地电触发。
此外还设置了一个喷射阀10。这个喷射阀和一个燃料管路(未示出)连接并可电触发，以便根据相应的触发将燃料喷射到气缸3的燃烧室8中。此外，这个气缸3还具有一个点火装置11。这个点火装置为确定点火时刻是可触发的。在一个可规定的时间点这个点火装置11产生一个点火火花，并且因此在燃烧室8中起动一个空气/燃料混合物的燃烧。
在空气输入系统4和废气管道9中设置一个增压装置12。例如增压装置可设计成废气涡轮增压器的形式。废气涡轮增压器通过废气流的能量(废气焓)驱动，并且用于以一定的增压压力在空气输入系统中提供增压空气，以提高输送到燃烧室8中的空气量。
内燃机2按四冲程运行。这个四冲程运行可通过在汽缸3中的活塞14的运动来描述。活塞14在四个相继的工作冲程中两次减小燃烧室8，并且两次增大燃烧室8。在四冲程运行中首先在一个进气冲程中从空气输入系统4中吸入空气，并且同时在第一喷射时间窗期间通过喷射阀10将燃料喷入，以形成空气燃料混合物。吸入是通过气缸3中的活塞14的运动完成的，活塞的运动扩大了燃烧室8。
当活塞14接近下死点时，也就是当燃烧室8可能为最大容积时进气阀5关闭，并且压缩冲程开始。这个压缩冲程将位于燃烧室8中的空气/燃料混合物进行压缩。在压缩冲程期间使空气/燃料混合物均匀化。
当在气缸3中活塞14运动的上死点附近时，在此时燃烧室8具有最小的容积，借助点火装置11点空气/燃料混合物，并且接着进行燃烧节拍，在此节拍中通过由燃烧出现的压力使活塞14处于膨胀运动之中。
当接近下死点时排气阀7被打开，并且通过活塞14的排气运动(排气节拍)，在此运动中燃烧室8被缩小，通过燃烧出现的燃烧废气被排放到废气管路9中。
由控制装置15控制内燃料2的运行。特别是控制装置15以已公开的方式控制增压装置12的输送功率(例如通过改变在废气管路中的涡轮的涡轮几何形状，或者调节在废气管路中的废气门-阀门)、位于空气输送系统4中节气门16的位置、喷射阀10的位置，对点火装置11的触发等，使得内燃机2得以运行。
在满载荷运行时，或者通常在出现具有高温的燃烧废气的运行状态时，必须采取冷却燃烧废气的措施。一种冷却燃烧废气的办法是喷入附加的燃料，这样，当在排气行程中排放燃烧废气时通过附加燃料的自身温度以及由于附加燃料的汽化而降低了废气温度。人们将这样一种运行方式称作富化运行方式，因为内燃机2总体讲是以一种太富的空气/燃料混合物运行。
因此，将用于冷却燃烧废气的燃料量被称之为冷却燃料量，而将用于提供内燃机的驱动力矩而喷入的燃料量称之为驱动燃料量。
通常在吸气行程期间在第一喷射时间窗中将整个燃料量喷入气缸3的燃烧室8中。这个第一喷射时间窗具有一个大体为150°至200°的曲轴角度范围的大小，并且在活塞14的上死点前约180°结束，它紧随压缩节拍之后。因为用于冷却燃烧废气的富化运行通常发生在高载荷运行时，所以要求喷入特别高的燃料量。因此在传统的发动机系统1中必须如此地设计喷射阀10，即在喷射时间窗期间可喷入整个的燃料量。因为喷射时间窗的长度是有限制的，所以从中产生了喷射阀10的所要求的静态流量。
现在本发明可以规定，借助控制装置15如此地控制喷射，即在一个与第一喷射时间窗不同的第二喷射时间窗中喷射至少部分冷却燃料量。第二喷射时间窗基本可设置其中的时间范围例如在燃烧节拍期间通过燃烧过程计算可求得的燃烧过程结束之后马上开始，并且在排气行程中的这样一个时间点中结束，即在这一时刻保证所喷入的冷却燃料量通过活塞行程可完全地排放到废气管路中。存在多个办法。第一，可将第二喷射时间窗设置其中的时间范围完全在燃烧节拍的内部。第二，存在这样一种可能性，即第二喷射时间窗完全位于排气行程之内，其中，如此地进行喷射，即保证所喷入的冷却燃料量全部排入到废气管路中。第三，存在这样一种可能性，即如此地安排时间窗，即它在燃烧节拍中开始，在排出节拍中结束。
总之，按照这种方式减少了在第一喷射时间窗期间应喷入燃烧室8的总的燃料量，这样，通过喷射阀5减少了最大燃料流量。这使得喷射阀5的设计减少到更小的静态流量成为可能。
然后在第二喷射时间窗中可喷入部分，或者全部的冷却燃料量。下述做法可以是有意义的，即在第一喷射时间窗期间将一部分冷却燃料量和驱动燃料量一起喷入，并且在第二喷射时间窗期间喷入余下的部分。通过这一措施可以合适的方式抑制内燃机2的爆燃。
当确定了气缸中的点火装置的点火的点火时刻以后优选地确定第二喷射时间窗的位置。通过这一措施可相应地在确定第二喷射时间窗的长度和时刻时可以考虑这样一些变化，这些变化在内燃机的动态运行时在燃料喷射和点火时刻的确定之间可能产生，并且在确定时刻时对这些变化予以考虑。
在图2的曲线图中示范性地示出了喷射时间窗的位置。图2的曲线图定性地示出了在720°(90°至810°)的整个曲轴角度范围上的进气阀5和排气阀7的阀行程的曲线图、气缸3中的燃气温度曲线图、气缸压力曲线图和燃烧曲线图。
在为内燃机2以所述的方法运行的发动机系统1设计喷射阀10时可如此地设计喷射阀10，即如下式地产生它的静态流量Q静态、新：
Q静态、新＝Q静态、旧 *(1-m富化/m主喷射+m富化)
其中，Q静态、新相应于待确定尺寸的喷射阀10的流量、Q静态、旧相应于在吸气行程期间可完全喷射的喷射阀的静态流量、m富化相应于在富化运行时用于富化所需的冷却燃料量、m主喷射相应于在额定转速时满载荷运行点时的驱动燃料量。因此，例如当富化30％时，在按照上述方法运行的发运机系统中的喷射阀中可减少23％的静态流量。
Claims (15)
1.在内燃机（2）中用于控制燃料喷射的方法，其中，在工作循环中，在该工作循环的燃烧节拍之前将驱动燃料量喷射到内燃机（2）的气缸（3）中，驱动燃料量是用于通过内燃机（2）提供所希望的扭矩的燃料量，其中，在所述工作循环中除了喷入驱动燃料量m主喷射外还喷入冷却燃料量m富化，这个冷却燃料量是用于冷却燃烧废气的燃料量，其特征在于，至少部分冷却燃料量m富化是在燃烧节拍中的燃烧完成之后和/或在所述工作循环的直接后续的排气行程中喷入。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，冷却燃料量m富化在如下的时间窗中喷入，即这个时间窗在燃烧完成后的时刻和燃料废气从气缸（3）排出的开始之间。
3.按照权利要求1所述的方法，其中，冷却燃料量m富化在如下时间窗中喷入，这个时间窗位于从气缸（3）中开始排出燃烧废气的时刻和结束从气缸（3）中排出燃烧废气前的时刻之间。
4.按照权利要求1所述的方法，其中，在如下的时间窗中喷入冷却燃料量m富化，这个时间窗位于在燃烧节拍中的燃烧完成之后的时刻和在排气行程中燃烧废气开始从气缸（3）中排出之后的时间点之间。
5.按照前述权利要求1至4的任一项所述的方法，其中，当得到了引入下面的燃烧的点火时间点，或者测定了该时间点以后得到用于喷射冷却燃料量的时间窗的开始，以及得到冷却燃料量。
6.按照权利要求1至4的任一项所述的方法，其中，根据运行点确定冷却燃料量。
7.按照权利要求1至4的任一项所述的方法，其中，在内燃机（2）的如下运行范围中喷入冷却燃料量m富化，在所述运行范围中在没有喷入冷却燃料量m富化的情况下废气温度超过温度阈值。
8.按照权利要求7所述的方法，其中，根据发动机载荷和/或根据内燃机（2）的转速确定冷却燃料量m富化的喷射时刻。
9.按照权利要求1至4的任一项所述的方法，其中，根据点火角来计量在气缸（3）中燃烧之前和驱动燃料量m主喷射一起喷入的部分冷却燃料量，从而抑制了内燃机（2）的爆燃。
10.按照权利要求1至4的任一项所述的方法，其中，根据出现的爆燃事故计量在气缸（3）中燃烧之前和驱动燃料量m主喷射一起喷入的部分冷却燃料量m富化。
11.按照权利要求1所述的方法，其中，所述内燃机（2）是具有直接喷射的汽油机。
12.按照权利要求6所述的方法，其中，根据发动机载荷和/或根据内燃机（2）的转速确定冷却燃料量。
13.在内燃机（2）中用于控制喷射的控制装置，其中，设计这种控制装置（15），用于触发内燃机（2）中的气缸（3）的喷射阀，即在工作循环中在该工作循环的燃烧节拍之前将驱动燃料量m主喷射喷射到内燃机（2）的气缸（3）中，驱动燃料量是用于通过内燃机（2）提供所希望的扭矩的燃料量；并且在该工作循环中除了驱动燃料量m主喷射以外还喷入冷却燃料量m富化，所述冷却燃料量是用于冷却燃烧废气的冷却燃料量，其中，至少一部分冷却燃料量m富化是在燃烧节拍中的燃烧完成之后和/或在工作循环的紧邻的下面的排气行程中喷入。
14.按照权利要求13所述的控制装置，其中，所述内燃机（2）是具有直接喷射的汽油机。
15.发动机系统，它包括
- 具有一个或者多个气缸（3）的内燃机（2）；
- 至少一个用于将燃料喷入到内燃机（2）的气缸（3）之一的喷射阀；
- 按照权利要求13所述的控制装置（15）。
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