CN103026041B - 用于减少直接喷射式汽油发动机上的颗粒排放物的方法 - Google Patents

用于减少直接喷射式汽油发动机上的颗粒排放物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制发动机的方法和装置，所述发动机操作至发动机的燃烧腔室（3）中的直接燃料喷射，所述直接燃料喷射尤其是直接汽油喷射。根据本发明：-发动机操作阶段被确定，-根据所述阶段，燃料在被引入到燃烧腔室（3）中之前被加热。本发明还涉及具有如上这样的控制装置和发动机燃料供应回路的组件。

Description

用于减少直接喷射式汽油发动机上的颗粒排放物的方法
技术领域
本发明涉及用于控制发动机的方法和装置，所述发动机操作燃料直接喷射到发动机的燃烧腔室中，所述燃料特别是汽油，以及涉及具有这样的装置和发动机燃料供应回路的组件。其特别是在机动车辆的领域中将找到应用。
背景技术
目前，在柴油发动机的领域中，已知的实践是采用颗粒过滤器或FAP来减少颗粒排放物和满足当前强制的污染物减排标准。但是，到目前为止没有任何规定覆盖来自汽油发动机的颗粒排放物。如果这样的标准被强制实施，尤其是关于颗粒物质的最大可允许量，符合它们将证实是特别困难的，特别是在直接喷射式发动机的情况下。
这是因为颗粒排放物主要取决于在燃料已经被喷射之后在燃烧腔室的固定或移动壁上存在液体燃料和取决于在燃烧的时刻还未蒸发的汽油量。现在，对于直接喷射式发动机，可用于准备腔室中的空气/燃料混合物的时间较短，且可用的空间较小。
已经实验了大量解决方案。一些依赖于相当复杂的喷射策略，其需要开发工作的很长时段。更多的是，尚未证实它们有效。其他的提出使用颗粒过滤器，且是昂贵的。
此外，燃烧条件可通过帮助燃料在腔室中的蒸发（尤其是通过加热）而被改进。但是，这样的策略导致对发动机的总能量平衡表有损害的能量供应。
发明内容
本发明提出解决上述问题并且为此涉及一种用于控制发动机的方法，所述发动机操作燃料直接喷射到发动机的燃烧腔室中，所述燃料尤其是汽油，在该方法中：
-确定发动机的操作阶段，
-取决于所述阶段，燃料在被引入到燃烧腔室中之前被加热。
由于燃料被加热，离开喷射器的燃料喷流的雾化由于其在燃烧腔室中的蒸发而被改进。这则有助于燃烧并还减少燃料存在于腔室的固定或移动壁上的风险，使得可以限制颗粒排放物的风险。进一步地，当应用该加热时通过考虑发动机操作条件，限制了任何不必要的能量消耗。
发动机的操作阶段尤其是取决于与燃料、发动机和外部环境相关的参数。
根据按照本发明方法的各实施例：
-发动机的操作阶段通过估计所述发动机的操作点和/或通过检测其寿命阶段中的一个（尤其是起动阶段）而被确定；
-燃料的温度在燃料被引入到燃烧腔室中之前被控制；
-检测易于产生颗粒排放物的一个或多个操作阶段，
-如果检测到所述操作阶段，在燃料引入到燃烧腔室中之前，执行燃料的所述加热；
-发动机的操作阶段通过确定和/或估计燃烧腔室中的温度和/或压力而被确定，以及在燃料被引入到腔室中之前所述燃料需要上升到的温度和/或压力基于燃烧腔室中的所述温度和/或所述压力而被估计；
-在燃料被引入到腔室中之前燃料需要上升到的所述温度和/或压力被选择为，当燃料被引入到燃烧腔室中时允许燃料的至少一部分瞬间蒸发，从而所述燃料以燃料的液体喷流的形式被引入到该腔室中，在引入到腔室中期间，在该喷流中蒸气穴产生；
-燃料的温度在燃料被引入到腔室中之前被监控，以阻止其沸腾；
-执行选择燃料的性质的步骤，以及考虑被选择的燃料性质而执行所述加热。
本发明还涉及一种用于控制发动机的装置，所述发动机操作燃料直接喷射到发动机的燃烧腔室中，所述燃料尤其是汽油，所述装置包括：
-用于确定发动机的操作阶段的器件，
-用于根据所述操作阶段在燃料被引入到燃烧腔室中之前加热燃料的器件。
根据本发明的各实施例，
-该装置包括发动机控制单元，所述发动机控制单元包括第一处理器件，所述第一处理器件用于基于由所述控制单元接收的信息来建立发动机的所述操作阶段；
-加热器件包括电源、电阻加热元件、以及用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件；
-所述控制单元被连接至所述用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件，并包括第二处理器件，所述第二处理器件用于根据发动机的操作阶段来激活所述用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件；
-该装置包括用于测量和/或估计燃烧腔室中的压力和/或温度的器件，所述器件连接至所述控制单元，所述控制单元包括第三处理器件，所述第三处理器件用于基于燃烧腔室中的所述温度和/或所述压力来估计在燃料被引入到腔室中之前所述燃料需要上升到的温度和/或压力；
-所述装置包括用于在燃料被引入到燃烧腔室中之前控制燃料温度的器件。
所述装置特别地设计为能够允许上述方法被实施。
本发明还涉及具有如上所述的控制装置和发动机燃料供应回路的组件。
根据一个实施例，所述回路具有用于将燃料以高压引入到发动机中的喷射管线组，以及所述控制装置的加热器件设置在所述喷射管线组中。
附图说明
依据以下通过完全非限制性的表示和参考附图给出的描述将更好地理解本发明，在附图中：
图1示出在根据本发明的方法的一个实施例的实施期间与燃料喷射有关的现象，
图2示意性地示出根据本发明的装置的一个实施例。
具体实施方式
本发明首先涉及用于控制发动机的方法，所述发动机操作燃料直接喷射到发动机的燃烧腔室中，所述燃料特别是汽油，目的在于减少发动机排出的颗粒的量。特别地，其将涉及分层充气（stratified-charge）发动机。
颗粒意思是在发生在燃烧腔室中的燃烧期间形成的固态化合物。换句话说，这些是发生在燃烧腔室中的燃料和氧化剂之间的化学反应的固态产物，并且特别地来源于经受高温的液体燃料的馏分（fraction）。
根据本发明，发动机的操作阶段，特别是操作点和/或寿命阶段（phase-of-life）点，被确定，并且根据所发现的操作阶段，燃料在其被引入到燃烧腔室中之前被加热。
为了优化这样的加热，可以在燃料被引入到燃烧腔室中之前控制燃料的温度。特别地，可以根据燃料的压力在燃料被引入到燃烧腔室之前以及根据燃烧腔室中的压力来控制该温度，以便同时有助于燃料在燃烧腔室中蒸发以及阻止燃料（尤其是其轻馏分）在其被引入到腔室中之前沸腾。
将还可以（尤其是在燃料的温度在其被喷射到燃烧腔室之前被控制的情况下）确定在该腔室中的压力和/或温度，以及基于燃烧腔室中的所述压力和/或所述温度来估计在燃料被引入到腔室中之前其需要上升到的压力和/或温度。
根据一个特定实施例，易于产生颗粒排放物的一个或多个操作阶段被检测，且如果所述操作阶段被检测到，则在燃料被引入到燃烧腔室之前，执行燃料的所述加热。这于是优化燃料被加热所在的时段。
这样的检测可以例如通过控制设置在发动机的排气侧上的颗粒过滤器装填的速率而发生。还可以使用将燃烧腔室温度和/或压力条件和/或外部条件与颗粒排放物条件相关联的图表而发生。
燃料在被引入到腔室之前需要上升到的所述温度和/或压力被选择为，允许当燃料被引入到腔室中时，已知为“闪急沸腾（flashboiling）”的现象发生。
如图1中所示，“闪急沸腾”意思是，在燃料被喷射到燃烧腔室中时，燃料的至少一部分瞬间蒸发，从而所述燃料以燃料的液体喷流1的形式被引入到该腔室中，在引入到腔室中期间，在该喷流中，蒸气穴2产生。
因为燃料的加热与燃料被引入腔室中之前和之后的压力突然剧烈变化结合，这样的蒸发变得可行。
这样的喷射模式具有增加燃料进入喷射腔室中的喷射角度的优点，这是由于燃料一被引入到腔室中就瞬间蒸发。其还允许喷流的更好的雾化并减少燃料滴的尺寸，这引起与在相同喷射持续时间和条件情况下在较低温度的喷射相比的燃料的蒸发馏分的增加。类似地，其使得可以减少燃料喷流进入到腔室中。最后，其减少在腔室的固定或移动壁上存在液体燃料的风险并增加在燃烧开始时为蒸汽形式的燃料馏分。
为了获得这样的模式，可以控制：
-离开用于将燃料喷射到喷射腔室中的喷射器的喷流的温度和压力条件，
-在喷射的时刻在燃烧腔室中的喷流周围的温度和压力条件。
根据本发明的一个实施例，执行选择燃料的性质的步骤，以及考虑被选择的燃料性质而执行所述加热。燃料可以是，例如，汽油、诸如乙醇的酒精、或含有较多或较少乙醇馏分的汽油。
如图2所示，本发明还涉及用于控制发动机的装置，所述发动机操作燃料直接喷射到发动机的燃烧腔室3中，所述燃料尤其是汽油。
所述装置包括用于确定发动机的操作阶段的器件，和用于根据所述操作阶段在燃料被引入到燃烧腔室中之前加热所述燃料的器件。
根据一个实施例，其包括发动机控制单元4。其意思是控制发动机操作参数的单元，所述参数诸如准许进入腔室的燃料和/或空气的量和点火提前，即空气/燃料混合物相对于发动机曲柄角被点燃的时刻。
所述发动机控制单元4包括，例如，用于基于由所述控制单元4接收的信息来建立发动机的所述操作阶段的第一处理器件。
所述用于确定发动机的操作阶段的器件设计为能够利用所述控制单元4，例如以确定发动机的易于产生颗粒排放物的一个或多个操作阶段（例如从发动机图表），尤其是作为燃烧腔室中的温度和/或压力和/或其他信息（诸如设置在发动机排气侧的颗粒过滤器被装填的速率）和/或外部条件的函数而进行确定。它们可甚至利用其来获得关于发动机的寿命阶段的信息。
加热器件包括电源5、电阻加热元件6、以及用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件7。
所述控制单元4可随后被连接至所述用于将所述电源5和所述电阻加热元件6布置为彼此连通的器件7，并包括第二处理器件，所述第二处理器件用于根据发动机的所述操作阶段来激活所述用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件7。
所述装置还可以包括用于测量燃烧腔室中的压力和/或温度的器件，尤其是传感器，这些器件被连接至所述控制单元4。所述控制单元4则包括第三处理器件，所述第三处理器件用于基于燃烧腔室中的所述温度和/或所述压力来计算在燃料被引入到腔室中之前所述燃料需要上升到的温度和/或压力。
根据一个实施例，根据本发明的装置进一步包括用于在燃料被引入到燃烧腔室中之前控制燃料温度的器件。
所述用于在燃料被引入到燃烧腔室中之前控制燃料温度的器件包括，例如，测量器件，尤其是传感器10，用于在燃料被引入到燃烧腔室之前测量燃料的温度和/或压力。这些器件连接至所述控制单元4。所述用于在燃料被引入到燃烧腔室中之前控制燃料温度的器件还可以命令发动机控制单元4，以获得由所述第三处理器件确定的温度并因此实现温度调节。
它们可以甚至设计为能够在燃料被引入到腔室之前控制燃料温度，以便防止其沸腾。
根据本发明的装置可以进一步包括用于选择燃料性质的器件，发动机控制单元4的所述第三处理器件于是被设计为，当确定在燃料被引入到腔室中之前燃料需要上升到的温度和/或压力时，能够考虑被选择的燃料性质。
本发明还涉及具有如上所述的控制装置和发动机燃料供应回路的组件。
如果再次参考图2，将注意到，所述回路包括，例如，燃料箱11、用于将燃料引入到发动机的一个或多个燃烧腔室3的喷射器12，和供应管线15，所述供应管线15连接箱11和喷射器12。泵16沿所述供应管线15设置，以使燃料上升至高压力。
检测在燃料被引入到一个或多个燃烧腔室中之前燃料的压力和/或温度的传感器10定位在所述泵16的下游。它们还可以定位在泵16的上游。
所述控制单元4可以设计为能够控制所述喷射器12和/或所述泵16。
根据所示实施例，所述回路具有用于将燃料以高压引入到发动机中的喷射管线组17，加热器件（尤其是所述电阻加热元件）被设置在所述管线组17中。
根据还未描述的替换例，电阻加热元件可以设置在喷射器中。
特别在本发明使用期望有闪急沸腾现象的实施例被实施的情况下，将可以使用配置为避免燃料在喷射器内发生气穴现象的喷射器12。具体地，在这样的气穴现象确实潜在地允许燃料蒸发时，其还可以引起喷射器的有效截面的减少。相反地，由于闪急沸腾，蒸发在喷流内发生，即，在一个或多个喷射器12的下游发生。

Claims (12)

1.一种用于控制发动机的方法，所述发动机操作燃料直接喷射到发动机的燃烧腔室(3)中，在该方法中：
-确定发动机的操作阶段，和检测易于产生颗粒排放物的一个或多个操作阶段，
-取决于所述阶段，燃料在被引入到燃烧腔室(3)中之前被加热，且如果检测到易于产生颗粒排放物的所述操作阶段，则燃料的温度在燃料被引入到燃烧腔室中之前被控制。
2.如权利要求1所述的方法，其中，发动机的所述一个或多个操作阶段通过确定和/或估计燃烧腔室(3)中的温度和/或压力而被确定，以及在燃料被引入到腔室(3)中之前所述燃料需要上升到的温度和/或压力基于燃烧腔室(3)中的所述温度和/或所述压力而被估计。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在燃料被引入到腔室中之前燃料需要上升到的所述温度和/或压力被选择为，当燃料被引入到燃烧腔室(3)中时允许燃料的至少一部分瞬间蒸发，从而所述燃料以燃料的液体喷流(1)的形式被引入到该腔室(3)中，在引入到腔室中期间，在该喷流中蒸气穴(2)产生。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，燃料的温度在燃料被引入到燃烧腔室(3)中之前被监控，以阻止其沸腾。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，执行选择燃料的性质的步骤，以及考虑被选择的燃料性质而执行所述加热。
6.一种用于控制发动机的装置，所述发动机操作燃料直接喷射到发动机的燃烧腔室(3)中，该装置包括：
-用于确定发动机的操作阶段的器件，其能确定易于产生颗粒排放物的一个或多个操作阶段，
-用于根据所述操作阶段在燃料被引入到燃烧腔室中之前加热燃料的器件，
-用于在燃料被引入到燃烧腔室中之前控制燃料温度的器件。
7.如权利要求6所述的装置，包括发动机控制单元(4)，所述发动机控制单元包括第一处理器件，所述第一处理器件用于基于由所述控制单元接收的信息来建立发动机的所述操作阶段。
8.如权利要求7所述的装置，其中，加热器件包括电源(5)、电阻加热元件(6)、以及用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件(7)。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述控制单元(4)被连接至所述用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件(7)，并包括第二处理器件，所述第二处理器件用于根据发动机的所述操作阶段来激活所述用于将所述电源和所述电阻加热元件布置为彼此连通的器件(7)。
10.如权利要求8和9中的任一项所述的装置，且包括用于测量和/或估计燃烧腔室中的压力和/或温度的器件，所述器件连接至所述控制单元，所述控制单元包括第三处理器件，所述第三处理器件用于基于燃烧腔室中的所述温度和/或所述压力来估计在燃料被引入到腔室中之前所述燃料需要上升到的温度和/或压力。
11.一种用于发动机的组件，具有如权利要求6至8中的任一项所述的用于控制发动机的装置和发动机燃料供应回路。
12.如权利要求11所述的组件，其中，所述回路具有用于将燃料以高压引入到发动机中的喷射管线组(17)，以及所述用于控制发动机的装置的加热器件设置在所述喷射管线组中。
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