CN102278221B - 缸内燃料喷射式内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种缸内燃料喷射式内燃机的控制装置，在缸内喷射式发动机中，在1个循环中执行多次燃料喷射的情况下，尽可能使第1次喷射超前且抑制PM排出粒子数增大的方式降低活塞顶面上附着、残留的燃料量。被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的燃料喷射在吸气行程中执行，被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的喷射定时按照EGR量进行设定，EGR量多的情况与EGR量少的情况相比较第1次喷射的喷射定时超前。

Description

缸内燃料喷射式内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及缸内燃料喷射式内燃机的控制装置。
背景技术
在汽缸内直接喷射燃料的缸内喷射式内燃机已经广泛熟识。缸内喷射式内燃机通过燃料喷射阀在燃烧室内直接进行燃料喷射，谋求气体物质排放及燃料消耗量的削减、输出的提高等。
在缸内喷射式内燃机中，基于燃料喷射定时，存在喷射出的燃料附着在活塞顶面(冠面)、汽缸内径壁面上的情况。
如果在汽缸内径壁面上附着、残留的燃料量较多，则有时到点火期间都不能完全汽化，就有未燃气体增大的趋势。为此，例如，在专利文献1及专利文献2中，公开了一种在汽缸内径壁面温度较低的情况下，为使燃料扩展到活塞顶面上容易汽化，而变更吸气行程中来自喷射器的燃料喷射定时的技术。
另外，在专利文献3中，公开了一种通过在1个循环中执行多次燃料喷射来减小每一次的燃料喷射量，由此降低对汽缸内径壁面的燃料附着，且相对于发动机的运转条件的变化，通过将喷射与喷射的间隔大致保持在一定的曲柄角，即旋转越慢喷射间隔越长、旋转越快喷射间隔越短，由此使喷雾分散的技术。
另一方面，如果在活塞顶面及汽缸内径壁面上附着、残留的燃料量较多，则粒子状物质(以下为PM)的排出粒子数就有增大的趋势。特别是，在活塞顶面上附着的燃料量较多的话，PM排出粒子数就有增大的趋势。近年来，对于缸内喷射式内燃机，提高了降低PM排出粒子数的必要性。
专利文献1：日本特开2009-102997号公报
专利文献2：日本特开2009-102998号公报
专利文献3：日本特开2002-161790号公报
在所述缸内喷射式内燃机中，如果为了降低汽缸内径壁面上附着、残留的燃料量而使喷射定时超前，则有活塞顶面上附着、残留的燃料量增大，PM排出粒子数增大的趋势。另一方面，如果为了抑制PM排出粒子数的增大而使喷射定时滞后，则有汽缸内径壁面上附着、残留的燃料量增大，未燃气体增大的趋势。
所涉及的技术问题，与在1个循环中执行多次燃料喷射的分割喷射的情况相同，另外，在分割喷射中，因为喷射与喷射的间隔是必需的，所以与在1个循环中仅喷射1次燃料的情况相比较，喷射的终止时间为滞后侧。如果所分割的最后一次喷射的终止时间与规定的曲柄角相比为滞后侧，则有时直到点火期间都不能完全汽化，有降低缸内混合气均质性的趋势。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在缸内喷射式内燃机中，在1个循环中执行多次燃料喷射的情况下，尽可能使第1次喷射超前且抑制PM排出粒子数的增大的方式降低活塞顶面上附着、残留的燃料量的缸内喷射式内燃机的控制装置。
为了达成所述目的，在本发明中，提供一种缸内燃料喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，在配置有向燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀的内燃机中，具备在1个循环中执行多次燃料喷射的分割多段喷射单元、使自燃烧室排出的废气再次回流到燃烧室的EGR装置和检测或者算出回流到燃烧室的EGR量的单元，被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的燃料喷射在吸气行程中执行，被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的喷射开始定时按照EGR量进行设定，EGR量多的情况与EGR量少的情况相比较第1次喷射的喷射开始定时超前。
根据本发明，在将1个循环中喷射的燃料分割为多次的分割多段喷射中，因为被分割为多次的各次喷射中的第1次喷射的喷射定时按照EGR量进行设定，所以能够以能降低活塞顶面上附着、残留的燃料量的喷射定时执行分割多段喷射，抑制PM排出粒子数的增大。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的缸内喷射式发动机的控制系统整体的构成概略图。
图2是表示在对本发明的一个实施方式涉及的缸内喷射式发动机的控制装置的一个实施方式进行表示的系统构成中所用到的、发动机控制单元的输入输出信号关系的框图。
图3是表示相对于燃料喷射定时的、燃料附着量和PM排出量的关系的图。
图4是表示相对于燃料喷射定时的、PM排出量、燃料消耗率和油稀释率的关系的图。
图5是表示分割喷射次数和PM排出量的关系的图。
图6是表示分割喷射间隔和PM排出量的关系的图。
图7是表示EGR量和PM排出量的关系的图。
图8是表示本发明的一个实施方式涉及的缸内喷射式发动机的分割多段喷射控制的控制内容的流程图。
图9是表示图8所示的分割喷射定时设定的处理内容的流程图。
图10是表示用于算出图9所示的基本喷射定时的映射(map)函数的图。
图11是表示用于算出图9所示的最终喷射定时的映射函数的图。
图12是表示本发明的一个实施方式涉及的分割多段喷射控制的第1控制例的图。
图13是表示本发明的一个实施方式涉及的分割多段喷射控制的第2控制例的图。
符号说明：
1-缸内喷射内燃机；101-发动机控制单元；102-空气滤清器；103-空气流量传感器；104-电控节流阀；105-吸气管；106-燃烧室；107-节流阀开度传感器；108-高压燃料泵；109-燃料喷射阀；110-点火线圈；111-火花塞；112-EGR管；113-EGR控制阀；114-EGR流量传感器；115-曲柄轴；116-曲柄角传感器；117-公共轨道；201-凸轮角传感器；202-水温传感器；203-空燃比传感器；204-燃料压力传感器；205-油温传感器；206-高压泵螺线管；207-低压泵。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1为形成本发明的一个实施方式的、缸内喷射内燃机1的控制系统整体的构成概略图。从空气滤清器102的入口部吸进来的吸入空气，通过吸入空气流量计(空气流量传感器)103，在经过控制吸入空气流量的电控节流阀104并分配给与各汽缸连接的各吸气管105之后，被导入到各汽缸的燃烧室106中。另外，从上述吸入空气流量计103向发动机控制单元101输出表示上述吸入空气流量的信号。安装有检测上述电控节流阀104的开度的节流阀开度传感器107，且该信号也输出到发动机控制单元101。
燃料通过低压燃料泵(未图示)进行1次加压后，由高压燃料泵108将其2次加压成更高的压力，经由公共轨道117从设置在各汽缸中的燃料喷射阀109向燃烧室106喷射。喷射到上述燃烧室的燃料，生成与吸入空气的混合气，根据来自点火线圈110的点火能量，由火花塞111进行点火，在燃烧室106内燃烧。
自燃烧室106排出的废气被排向排气管，在排气管中形成有EGR入口。在排气管流动的废气的一部分(EGR气体)，从EGR入口通过EGR管112流向EGR控制阀113，经由EGR出口回流到吸气管105内。
EGR气体流量由EGR控制阀113进行调节。在EGR管内装有用于测量EGR气体流量的EGR流量传感器114。EGR流量传感器的流量检测信号输出到发动机控制单元101。
安装于发动机的曲柄轴115上的曲柄角传感器116，将表示曲柄轴的旋转位置的信号输出到发动机控制单元101。
图2示出发动机控制单元的输入输出关系。发动机控制单元101，由包含A/D转换器的I/OLSI101a、CPU101b等构成，将来自包括空气流量传感器103、节流阀开度传感器107、曲柄角传感器116、水温传感器202、空燃比传感器203、燃料压力传感器204、油温传感器205、EGR流量传感器114在内的各种传感器等的信号作为输入进行接收，执行规定的运算处理，作为运算结果将所算出的各种控制信号进行输出，将规定的控制信号提供给制动器(actuator)即电控节流阀104、高压泵螺线管206、点火线圈110、各燃料喷射阀109，以执行公共轨道内燃料压力控制、燃料喷射量控制及点火时期控制等。在I/OLSI中设有驱动各喷射器的驱动电路，使用升压电路(未图示)对由电池提供的电压进行升压来提供，通过IC(未图示)进行电流控制来驱动各喷射器。
用图3说明燃料喷射定时和PM排出量的关系。
这表示在喷射1次燃料的情况下相对于喷射定时的、对活塞顶面的燃料附着量、对汽缸内径的燃料附着量、PM排出量的关系。在燃料喷射定时过早的情况下(靠近TDC)，有对活塞顶面的燃料附着量增大，PM产生量也增大的趋势。另一方面，在燃料喷射定时过晚的情况下(靠近BDC)，有对汽缸内径的燃料附着量增大，PM产生量也增大的趋势。另外，对汽缸内径的燃料附着相对于对活塞顶面的燃料附着，对PM产生量的影响较少。
为了将喷射1次燃料情况下的PM产生量抑制到最小限度，优选在对活塞顶面的燃料附着量和对汽缸内径的燃料附着量的合计最少的、吸气行程中期进行燃料喷射。
用图4说明PM排出量、燃料消耗率和油稀释率的关系。
这是燃料喷射定时发生变化情况下的PM排出量、燃料消耗率、油稀释率。PM排出量最少的燃料喷射定时为吸气行程中期，相对于此，燃料消耗率、油稀释率最少的燃料喷射定时为吸气行程初期。为了使它们均处于最佳，优选以较早的燃料喷射定时状态使PM降低。
用图5说明分割喷射次数和PM排出量的关系。
这表示在1个循环中将必需的燃料量分割为多次进行燃料喷射情况下的、相对于分割次数的PM排出量。因为每当分割次数增加时每1次的燃料喷射量就减少，所以对活塞顶面的燃料附着减少，PM排出量减少。
用图6说明分割喷射的间隔和PM排出量的关系。
如果分割喷射的间隔过短(窄)，则无法充分获得分割喷射的效果，实现不了PM排出量的降低。因此为了降低PM排出量，需要空出喷射与喷射的间隔在某一规定间隔以上。
用图7说明EGR量和PM排出量的关系。
该图示出在以某一分割次数进行分割喷射中，EGR量按(I)→(II)→(III)→(IV)顺序增加情况下的PM排出量。根据EGR量的增加，PM排出量在降低。这是因为由于EGR气体使得吸入到燃烧室的空气温度上升，促进了喷射到缸内的燃料的汽化，降低了对活塞顶面的燃料附着量。
在以某一PM产生量等级进行比较的情况下，相对于EGR量为(I)时能达到其PM排出量的燃料喷射定时(A)，如果EGR量按(II)→(III)→(IV)顺序增加的话，则能达成PM产生量的燃料喷射定时可按(B)→(C)→(D)顺序提前。
下面，用图8～图11说明本实施方式涉及的内燃机的分割多段喷射控制的具体控制内容。
图8是表示本发明的一个实施方式涉及的分割多段喷射控制的控制内容的流程图。
图8的内容被发动机控制单元101的CPU编制为程序，以预先规定的周期反复执行。发动机控制单元101基于在图8处理内容中算出的喷射脉冲宽度和喷射定时，将规定的控制信号提供给各燃料喷射阀109，在1个循环中执行多次燃料喷射。
在步骤801中，设定在1个循环中从各燃料喷射阀109中喷射出的总燃料量、即合计喷射脉冲宽度TI_TOTAL。合计喷射脉冲宽度TI_TOTAL，按照空气流量传感器103测量的吸入空气、按运转状态等设定的空燃比、用燃料压力传感器204的信号算出的燃料压力等进行设定。
在步骤802中，算出最小喷射脉冲宽度TI MIN。这里最小喷射脉冲宽度，是根据燃料喷射阀109的燃料压力特性、电气特性、机械特性以及喷射器的驱动电流波形等诸多特性进行设定的。
在步骤803中，算出所分割的各喷射的喷射空隙、即喷射间隔。喷射间隔，是出于燃料附着及混合气的均质性方面和确保喷射器驱动电流方面的考虑，设定在某一规定间隔以上的。如果喷射间隔过短(窄)，则呈现与1次喷射基本相同的燃料喷雾状态，得不到分割喷射的效果，无法降低对活塞顶面、汽缸内径的燃料附着。另外，喷射器驱动电路，因为每当驱动喷射器时升压电路内的电压就下降，所以需要恢复到原始电压的时间，在这段升压恢复时间中，需要等待下一次燃料喷射。
在步骤804中，进行分割数N的设定。用步骤801中设定的合计喷射脉冲宽度TI_TOTAL、步骤802中设定的最小喷射脉冲宽度TI_MIN，执行TI_TOTAL÷TI_MIN的除法运算，设定其商为分割数N。
在步骤805中，进行计数器n的初始化。
在步骤806中，进行计数器n是否大于分割数N的判定，在大于的情况下(完成n＝1～N的设定)终止处理。在计数器n为分割数N以下的情况下进行步骤807以后的处理。
在步骤807中，算出各喷射的喷射脉冲宽度TI_n(n＝1～N)。用步骤801中算出的合计喷射脉冲宽度TI_TOTAL和步骤804中算出的分割数N，执行TI_TOTAL÷N的除法运算而算出其值。
在步骤808中，算出EGR率。EGR率REGR，是用由EGR流量传感器114测量出的EGR气体量QEGR和由空气流量传感器103测量出的吸入空气量QA，执行QEGR÷(QA+QEGR)的除法运算而求出的。
在步骤809中，进行分割多段喷射的各喷射的喷射定时的设定。图9示出步骤809的详细内容。
在步骤810中，进行计数器n的增量处理，并返回步骤805。这样，反复进行n＝1～N的处理，设定各喷射脉冲宽度和各喷射定时。
用图9，说明图8的步骤809(设定喷射定时)的详细内容。
在步骤901中，算出基本喷射定时。
将在图8的步骤807中算出的分割后喷射脉冲宽度TI_n和在图8的步骤808中算出的EGR率REGR作为输入，通过参照图10所示那样的映射MITB，算出基本喷射定时ITB。映射MITB，是考虑由分割后的燃料喷射量引发的燃料附着量和由EGR引发的汽化率提升度来设定基本的燃料喷射定时的。
在步骤902中，算出施加了活塞顶面温度修正的最终喷射定时。
将在步骤901中算出的基本喷射定时ITB和活塞顶面温度TPI作为输入，通过参照图11所示那样的映射MITF，算出最终喷射定时ITF。映射MITF，是考虑由活塞顶面温度TPI引发的燃料附着量、汽化率的影响而设定的。另外，顶面温度TPI，优选用空气量、空燃比、点火时期等，构成热模型来进行推算的方法，从控制简略化的观点出发，可以采用将水温传感器202、油温传感器205检测出的水温、油温作为输入值来检索映射MITF的构成。
在步骤903中，判定是否设定了1个循环的分割喷射中的、第1次喷射的喷射定时。在n＝1的情况下，进入步骤905，终止为第1次喷射定时IT1＝ITF。在n≠1的情况下(第2次以后的情况)，进入步骤904，算出第n次喷射可开始角度ITn。将分割后喷射脉冲宽度TI_(n-1)和图8的步骤803中算出的喷射间隔TI_INT加到上次IT_(n-1)上，算出第n次喷射可开始角度IT_n。
用图12～图13，说明采用图8～图11所示构成时的具体控制例。
图12是表示在活塞顶面温度为高温，例如发动机完全暖机的情况下，I循环中分割为3次实施燃料喷射的喷射定时的图。下段表示EGR量为少流量时的情况，中段表示EGR量为中流量时的情况，上段表示EGR量为大流量时的情况。按照EGR量，使第1次喷射的喷射定时超前。第2次以后的喷射都保持着喷射间隔，按照第1次喷射的喷射定时超前量变更在超前侧。
图13是表示在活塞顶面温度为低温，例如发动机启动后的暖机过程中，I循环中分割为3次实施燃料喷射的喷射定时的图。下段表示EGR量为少流量时的情况，中段表示EGR量为中流量时的情况，上段表示EGR量为大流量时的情况。按照EGR量，使第1次喷射的喷射定时超前，这和图12的活塞顶面温度为高温的情况相同，但与第1次喷射的喷射定时为高温的情况相比较为滞后侧。第2次以后的喷射同样，保持着喷射间隔，按照第1次喷射的喷射定时超前量变更在超前侧。

Claims (4)

1.一种控制装置，其特征在于，在配置有燃料喷射阀和EGR装置的缸内喷射式内燃机的控制装置中具备分割多段喷射单元，所述燃料喷射阀向燃烧室内直接喷射燃料，所述EGR装置使自燃烧室排出的废气回流到燃烧室，所述分割多段喷射单元在1个循环中执行多次燃料喷射，
被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的燃料喷射在吸气行程中执行，
利用被喷射入燃烧室内的燃料和吸入空气来生成混合气体，且通过来自点火线圈的点火能量来点火所述混合气体，
被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的喷射开始定时按照EGR量进行设定，
EGR量多的情况与EGR量少的情况相比较第1次喷射的喷射开始定时超前。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
检测对所述缸内喷射式内燃机所具备的活塞的顶面温度有影响的参数，并基于所述参数设定被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的喷射定时。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，
所述参数是所述缸内喷射式内燃机的冷却水温度或者所述缸内喷射式内燃机的润滑油温度。
4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，
所述参数为低温的情况与为常温的情况相比较，被分割为多次的各次喷射中的至少第1次喷射的喷射定时滞后。
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