CN103597182B - 运行压燃式发动机的方法及压燃式发动机 - Google Patents

Abstract

运行压燃式发动机（10），以为发动机气缸（12）供油，产生缸内空气燃油装料并使该装料自动点火。运行燃油喷射器（20），以在燃油喷射的第一阶段（24）的基本上整个持续期间，以燃油喷射器可递送的基本上最大的喷射压力，在基本上恒定的喷射速率下将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分。当第一阶段结束时，燃油喷射过渡至第二阶段（26），第二阶段（26）在自动点火之前开始。在第二阶段期间，燃油喷射器以比第一阶段期间所使用的喷射速率小得多的喷射速率将燃油喷射入发动机气缸。

Description

运行压燃式发动机的方法及压燃式发动机

技术领域

本发明涉及一种为压燃式（柴油）内燃机供油的策略。更具体，本发明涉及一种在发动机气缸中更完全地燃烧燃油、从而使离开发动机气缸的排气中存在更少量的烟粒和NOx的策略。

背景技术

预混合充气式压燃（PCCI）是已知的以在发动机循环期间在活塞的压缩上行程期间在发动机气缸内形成空气燃油装料的方式为柴油发动机供油的过程。在用于该装料所需的燃油量被喷射入气缸之后，随着活塞接近上死点（TDC），通过上行程中的活塞所提高的装料压缩量产生了足够大的压力来致使装料自动点火。当气化燃油在混合室内各位置处基本上同时自燃时，可发生自动点火。

虽然已知PCCI在限制缸内燃烧产物中影响尾气排放的某些组分的形成上具有一些优点，PCCI限于在相对较轻的发动机负载和相对较低的发动机速度下使用。对于相对较重的发动机负载和相对较高的发动机速度，使用常规柴油（CD）燃烧。CD燃烧的特性固有地会产生烟粒，烟粒保留在从发动机气缸排出的燃烧产物中。为了减少尾气管排放中的烟粒量，一些发动机排放系统包括用于捕获烟粒的柴油颗粒过滤器。被捕获的烟粒在发动机运行过程被自然地燃烧掉（自然再生）或通过燃烧额外的燃油以增加排气温度而被燃烧掉（强制再生）。额外燃油的燃烧降低了由这种发动机驱动的汽车的节油性。

具有高压燃油喷射器、诸如HEUI喷射器的处理器控制燃油喷射系统能够以允许燃油在发动机循环期间以各种喷射压力、不同次数以及各种不同持续时间喷射的精度来控制燃油喷射。已经显示某些燃油喷射器能够达到高至3300巴至3600巴的喷射压力。设想，随着继续进一步的开发，可实现甚至更高的最大压力。

发明内容

本发明涉及具有利用一些燃油喷射器的高压喷射性能的供油策略的发动机。当这种燃油喷射器为发动机气缸供油时，其喷射速率（ROI）以提供可被认为是两个喷射阶段的方式而被控制。第一喷射阶段包括，在燃油喷射器可递送的基本上最大的喷射压力下，以基本上最大ROI通过喷射燃油来将燃油喷射入发动机气缸。在该时间期间，被喷射的燃油与已经和/或仍正在被活塞压缩的空气混合，以产生逐渐变得均质、但未燃烧的空气/燃油装料的预混部分。在气缸内发生燃烧之前，当第一喷射阶段快要结束时第二喷射阶段开始。第一喷射阶段持续时间有时也称为点火延迟期间（IDP）。第二喷射阶段包括，通过将喷射压力控制到比第一阶段喷射压力小得多的压力来控制ROI。在第二阶段期间被喷射的燃油在气缸内产生触发自动点火的装料层化，这有时也称为燃烧开始（SOC）。

发动机循环中自动点火发生的点被转换成来自表观释热速率（AHRR）的数据，该表观释热速率通过热力学第一定律的分析自所测量到的气缸压力迹线推导而来。该数据由发动机控制器中的控制算法所利用，以某种方式控制第一喷射阶段和/或第二喷射阶段的至少一个特征。

通过在第一阶段期间以基本上最大ROI来喷射燃油并随后在第二阶段期间将ROI降至至低得多的值，在两个阶段期间喷射的总燃油量的较大比例可在第一阶段期间被喷射而在第二阶段期间喷射总燃油量的较小比例。由此，在任何燃烧发生之前，在发动机气缸内形成更均质的混合物，使得燃油能够以较少烟粒和较少NOx产生物地进行燃烧。

对于任何给定的发动机循环，自动点火发生的点、即曲柄角度通过使用来自适当的燃烧传感器的信息来确保。代表该曲柄角度的数据用于第一喷射阶段和/或第二喷射阶段的至少一个特征的反馈控制。如果其是第二阶段的某一特征正在被控制，且如果传感器的响应时间和控制算法的处理时间足够快以为该发动机循环提供足够精确的数据，则可使用该数据。但是，如果传感器的响应时间和控制算法的处理时间不够快，则可使用在紧接着的之前的发动机循环期间所获得的数据。如果燃油喷射的第一阶段的特征正在被控制，则使用紧接着的之前的发动机循环期间所获得的数据。

在第一和第二阶段期间喷射的总燃油量由发动机速度和发动机负载确定。这些因素被用来确定第一和第二阶段的开始计时以及在每个阶段期间被喷射的燃油的相对比例。对第一阶段的开始和持续时间进行的控制是以如下为目标，即，在第一阶段期间喷射尽可能大比例的燃油，以促进混合，同时确保直到第二阶段期间在某一时刻之前不会发生自动点火。因此，燃油喷射将比自动点火提前有限量的时间地从第一阶段过渡到第二阶段，该时间可根据发动机如何运行而变化。

本发明的一个方面涉及一种通过为发动机气缸供油以产生缸内空气燃油装料并致使该装料自动点火来运行压燃式发动机的方法。该方法包括运行燃油喷射器以在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以燃油喷射器可递送的基本上最大喷射压力，将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分；以及当第一阶段结束时，燃油喷射过渡至第二阶段，所述第二阶段在自动点火之前开始，并包括运行燃油喷射器以在比燃油喷射器可递送的最大压力小得多的喷射压力下将燃油喷射入发动机气缸。

本发明的另一方面涉及一种压燃式发动机，该发动机包括：发动机气缸；燃油喷射器，所述燃油喷射器为发动机气缸供油以形成通过自动点火而燃烧的缸内空气燃油装料；发动机控制器，所述发动机控制器用于处理一种算法，以控制通过燃油喷射器对发动机气缸的燃油喷射，运行该算法，以使燃油喷射器在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间、以燃油喷射器可递送的基本上最大喷射压力将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分，所述算法还在燃油喷射的第一阶段结束时起运行，以使燃油喷射过渡到燃油喷射的第二阶段，所述第二阶段在自动点火之前开始，并包括运行燃油喷射器，从而以比燃油喷射器可递送的最大喷射压力小得多的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸。

本发明的另一方面涉及一种通过为发动机气缸供油以产生缸内空气燃油装料并致使该装料自动点火来运行压燃式发动机的方法。该方法包括：运行燃油喷射器以在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间、以至少3000巴的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分，该燃油喷射的第一阶段在从TDC（上死点）之前的大致30°至在TDC之后的大致10°范围的窗口内开始；以及，当燃油喷射的第一阶段结束时，使燃油喷射过渡至燃油喷射的第二阶段，所述燃油喷射的第二阶段在自动点火之前开始并包括运行燃油喷射器以在比第一阶段喷射压力小得多的喷射压力下将燃油喷射入发动机气缸。

本发明的另一方面涉及一种压燃式发动机，该发动机包括：发动机气缸；燃油喷射器，所述燃油喷射器为发动机气缸供油以形成通过自动点火燃烧的缸内空气燃油装料；以及发动机控制器，所述发动机控制器用于处理一种算法，以控制通过燃油喷射器对发动机气缸的燃油喷射，运行该算法，以使燃油喷射器在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以至少3000巴的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分，该燃油喷射的第一阶段在从TDC之前的大致30°至在TDC之后的大致10°范围的窗口内开始；所述算法还在燃油喷射的第一阶段结束时运行，以使燃油喷射过渡到燃油喷射的第二阶段，所述燃油喷射的第二阶段在自动点火之前开始，并包括运行燃油喷射器以比第一阶段喷射压力小得多的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸。

前面的发明内容以及本发明的进一步细节将在参考下面附图的下面具体实施方式中呈现，附图为本发明的一部分。

附图说明

图1是具有代表性燃油喷射器的发动机气缸的示意图。

图2是示出在发动机循环的一部分期间通过燃油喷射器喷射燃油的时序图。

具体实施方式

图1示出柴油发动机10的一部分，包括发动机气缸12，通过活塞杆16联接至曲轴18的发动机活塞14在发动机气缸12内往复运动。燃油喷射器20将柴油直接喷射入发动机气缸12，在发动机气缸12内，燃油在已经被发动机活塞14压缩的空气中燃烧以形成压力，该压力迫使活塞进行下冲程并通过活塞杆16对曲轴18施加力矩。

燃油喷射器20是能够以至少3000巴的最大喷射压力喷射燃油的代表性燃油喷射器。在最大喷射压力下，燃油喷射器20递送最大ROI。燃油喷射器20还能够低得多的压力下喷射燃油，该低得多的压力产生在较小的ROI。燃油喷射器20的运行由基于处理器的发动机控制器22控制，发动机控制器22具有根据控制策略处理各种数据的控制算法，以控制通过燃油喷射器20进行燃油喷射的定时和持续时间以及喷射压力。

图2示出包括两个阶段的供油控制策略，即，燃油喷射的第一阶段24以及燃油喷射的第二阶段26。图2的横轴代表在时间上或发动机气缸12的发动机曲轴角度上测量的发动机循环的一部分。图2的纵轴代表燃油通过燃油喷射器20喷射入发动机气缸12的速率（ROI）。

在第一阶段24期间，运行燃油喷射器20，以在至少3000ba压力下将燃油喷射入发动机气缸12中。当代表自动点火点（即SOC）的数据在控制第一阶段24开始时的曲柄角度的控制策略的那一部分中用作反馈因子时，所使用的SOC数据是在紧接着的之前的发动机循环期间获得的SOC数据。SOC数据经由软件计算，该软件分析经由图1所示的合适传感器28所测量的缸内压力迹线。该软件是基于热力学第一定律的分析。不同类型的SOC传感器示例是“敲击”和“离子化”传感器。

整个第一阶段喷射（除了在刚开始处和最末尾处）在燃油喷射器20可递送的基本上最大喷射压力（MIP）下以基本上最大的ROI发生。第一阶段24显示为矩形形状，但该形状可由于反映燃油喷射器20在第一阶段24的开始处和末尾处的响应时间的倾斜前缘和尾缘LE1和TE1而稍微偏离矩形。图2中由第一阶段24包围的面积表示在第一阶段24期间喷射的燃油量。

在第一阶段期间26，燃油喷射器20以比第一阶段压力低得多的压力、且因此以低得多的ROI将燃油喷射入发动机气缸12。第二阶段26被示出形状呈矩形（代表基本恒定的ROI），但该形状可由于尾缘TE2而偏离矩形，该尾缘TE2反映在第二阶段26的结束处燃油喷射器20的响应时间。另外，在第二阶段26期间，ROI可以变化而不是基本上恒定。图2中由第二阶段26包围的面积表示在第二阶段26期间喷射的燃油量。

在第一阶段24期间，所喷射的燃油与已经和/或仍正在被活塞14压缩的空气混合。空气可含有一些再循环发动机排气（EGR）。该混合物随着该阶段的进行逐渐呈均质，形成空气燃油装料的预混部分，但该混合物不燃烧。

在自动点火之前，第一阶段24结束，且当第一阶段24快结束时，第二阶段26开始。在第二阶段26期间喷射的燃油在气缸中产生装料层化，在第二阶段开始之后发动机循环的某一曲柄角度处，该装料分层使得燃烧开始。该曲柄角度可以在第二阶段燃油喷射26之前或结束时。图2示出第二阶段26的一个示例，该第二阶段比自动点火点仅仅稍早地开始并在自动点火之后持续发动机循环一部分。

从第一阶段24过渡到第二阶段26的点是通过控制策略对用于各种发动机工作参数的数据的使用来控制的，其指向的目标是得到满足所要求的发动机性能、燃油消耗以及排放目标的燃烧事件。

通过在第一阶段24期间以燃油喷射器20所能达到的基本上最大的ROI来喷射燃油以及随后在第二阶段26期间将ROI降低至低得多的值，可以使在两个阶段24、26期间所喷射的燃油总量的较大比例在第一阶段24期间被喷射，而较小比例则在第二阶段26期间喷射。在第二阶段喷射开始之前，第一阶段形成了预混装料，该预混装料含有相对大量的在所有装料体积里混合有空气的燃油。第二阶段形成有导致自动点火的层化，从而两个阶段的总体效果是提供比如果气缸12仅通过常规柴油（CD）燃烧供油时更完全的燃烧。

在第一和第二阶段24、26期间所喷射的总燃油量由至少包含发动机速度和发动机载荷的因素来确定。这些因素控制第一阶段24的开始和持续时间，其目标是在第一阶段24期间喷射尽可能大比例燃油，以促进混合，同时确保自动点火直到第二阶段26期间在某一时刻之前不会发生。因此，在，燃油喷射将比自动点火提前有限量的时间地从第一阶段24过渡到第二阶段26，该时间可根据发动机10如何运行而变化。

由发动机控制器22执行的控制算法至少控制第二阶段26的至少一个特征。这些特征包括在第二阶段26期间燃油喷射的喷射压力以及第二阶段的持续时间，从而适当量的燃油被添加至在第一阶段24期间形成的部分预混装料中，以提供传递所要求的发动机功率所需的合适总燃油量。

前面已经公开了如下的方法，即，在第一阶段24基本上整个持续时间内通过运行燃油喷射器20以燃油喷射器可递送的基本上最大的喷射压力将燃油喷射入气缸的为发动机气缸12供油，以形成不燃烧的空气燃油装料的预混部分。该方法使燃油喷射在自动点火之前从第一阶段24过渡至第二阶段26，并且是在后一阶段期间，运行燃油喷射器20，以在比第一阶段喷射压力小得多的压力下将燃油喷射入气缸12。

前面还公开了一种压燃式发动机10，该发动机10包括发动机气缸12，将燃油喷射入发动机气缸12的燃油喷射器20，控制燃油通过燃油喷射器20喷射入发动机气缸12的发动机控制器22，以及包含于发动机控制器22中的算法，运行该算法，使燃油喷射器20在燃油喷射的第一阶段24的基本上整个持续期间以燃油喷射器20可递送的基本上最大的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸12，以形成没有燃烧的空气燃气装料的预混部分。该算法在自动点火之前将燃油喷射从燃油喷射的第一阶段24过渡至燃油喷射的第二阶段26，并且是在第二阶段26期间，运行燃油喷射器20，以在比第一阶段喷射压力小得多的压力下将燃油喷射入气缸12。

读者会注意到，上死点（TDC）位在图2中标出。这是因为自动点火可被控制成在TDC之前以及在TDC之后的其他时间发生。控制算法所要做的是控制第一阶段24开始时的曲柄角度以及控制在喷射从第一阶段24过渡至第二阶段26时的曲柄角度，以使自动点火在第二阶段期间的一个受控曲柄角度处发生。控制算法还使得在第一阶段24和第二阶段26中每一个的期间内喷射适当量的燃油，以提供所要求的发动机功率。第一阶段24的开始被控制成在开始于TDC之前大致30°处和结束于TDC之后大致10°处的窗口内发生。第二阶段26的开始是引导燃油计时控制参数，其中SOC在第二阶段期间内的特定点处发生。

第一阶段24终止且第二阶段26开始时的具体曲柄角度以及第二阶段26结束时的具体曲柄角度通过发动机控制器22中的控制算法来决定，这些控制算法处理有关于发动机供油的各种数据，比如发动机速度和发动机负载。因此，用于这两个阶段的那些具体曲柄角度可根据发动机10是任何运行的而变化。虽然在第一阶段24期间的ROI通过燃油喷射器20所能达到的最大喷射压力来设定，但在第二阶段26期间的ROI也可以是变量，其是发动机10是如何运行的函数。虽然上面已经讨论了代表自动点火点的数据的反馈使用，但通过使用一个或更多个查询表来实现第一阶段24的非反馈控制也是可能的。

Claims (15)

1.一种通过为发动机气缸供油以产生缸内空气燃油装料并使该装料自动点火来运行压燃式发动机的方法，其特征在于，所述方法包括：

运行燃油喷射器，以在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以燃油喷射器可递送的基本上最大的喷射压力，将燃油喷射入发动机气缸，从而在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分；以及

当第一阶段结束时，使燃油喷射过渡至燃油喷射的第二阶段，所述第二阶段在自动点火之前开始，并包括运行燃油喷射器，以在比燃油喷射器可递送的最大压力小得多的喷射压力下将燃油喷射入发动机气缸，并使用传感器来提供代表自动点火发生时的曲柄角度的数据，并处理由所述传感器提供的数据，以控制燃油喷射的第一和第二阶段中的至少一个阶段的至少一个可变特征。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理由所述传感器提供的数据包括处理代表在紧接着的之前的发动机循环期间发生自动点火处的曲柄角度的数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，燃油喷射的第二阶段包括运行燃油喷射器，以在燃油喷射的第二阶段的基本上整个持续期间，以比燃油喷射器可递送的最大喷射压力小得多的喷射压力，将燃油喷射入发动机气缸。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括根据发动机速度和发动机负载来控制燃油喷射的第一和第二阶段期间所喷射的总燃油量。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据发动机速度和发动机负载来控制燃油喷射的第一和第二阶段中至少一个阶段的至少一个可变特征包括将燃油喷射的第一阶段开始时的曲柄角度控制成在从TDC之前的大致30°延至在TDC之后的大致10°的范围的窗口内。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，运行燃油喷射器，以在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以至少3000巴的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸。

7.一种压燃式发动机，包括：

发动机气缸；以及

燃油喷射器，所述燃油喷射器为发动机气缸供油，以形成通过自动点火而燃烧的缸内空气燃油装料；

其特征在于，所述压燃式发动机还包括：

发动机控制器，所述发动机控制器用于处理一种算法，以控制通过燃油喷射器将燃油喷射入发动机气缸，运行所述算法，以使燃油喷射器在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以燃油喷射器可递送的基本上最大的喷射压力，将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分，在燃油喷射的第一阶段结束时进一步运行所述算法，以使燃油喷射过渡到燃油喷射的第二阶段，所述第二阶段在自动点火之前开始，并包括运行燃油喷射器，以比燃油喷射器可递送的最大喷射压力小得多的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸；以及

传感器，所述传感器用于提供代表自动点火发生时的曲柄角度的数据，并且，其中所述发动机控制器处理由所述传感器提供的数据，以控制燃油喷射的第一和第二阶段中至少一个阶段的至少一个可变特征。

8.如权利要求7所述的压燃式发动机，其特征在于，所述发动机控制器处理在紧接着的之前的发动机循环期间由所述传感器提供的数据。

9.如权利要求8所述的压燃式发动机，其特征在于，运行所述算法，以使燃油喷射器在燃油喷射的第二阶段的基本上整个持续期间，以比燃油喷射器可递送的最大喷射压力小得多的喷射压力，将燃油喷射入发动机气缸。

10.如权利要求8所述的压燃式发动机，其特征在于，运行所述算法，以根据发动机速度和发动机负载来控制燃油喷射的第一和第二阶段期间所喷射的总燃油量。

11.如权利要求10所述的压燃式发动机，其特征在于，运行所述算法，以将燃油喷射的第一阶段开始时的曲柄角度控制成在从TDC之前大致30°延至TDC之后大致10°的范围的窗口内。

12.如权利要求11所述的压燃式发动机，其特征在于，运行所述燃油喷射器，以在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以至少3000巴的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸。

13.一种通过为发动机气缸供油以产生缸内空气燃油装料并使该装料自动点火来运行压燃式发动机的方法，其特征在于，所述方法包括：

运行燃油喷射器，以在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以至少3000巴的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分，该燃油喷射的第一阶段在从TDC之前大致30°延至在TDC之后大致10°范围的窗口内开始；以及

当燃油喷射的第一阶段结束时，使燃油喷射过渡至燃油喷射的第二阶段，所述燃油喷射的第二阶段在自动点火之前开始，并包括运行燃油喷射器，以在比第一阶段的喷射压力小得多的喷射压力下将燃油喷射入发动机气缸。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃油喷射的第二阶段包括运行燃油喷射器，以在燃油喷射的第二阶段的基本上整个持续期间，以比第一阶段喷射压力小得多的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸。

15.一种压燃式发动机，包括：

发动机气缸；以及

燃油喷射器，所述燃油喷射器为发动机气缸供油，以形成通过自动点火而燃烧的缸内空气燃油装料；

其特征在于，所述压燃式发动机还包括：

发动机控制器，所述发动机控制器用于处理一种算法，以控制通过燃油喷射器将燃油喷射入发动机气缸，运行所述算法，以使燃油喷射器在燃油喷射的第一阶段的基本上整个持续期间，以至少3000巴的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸，以在自动点火之前产生缸内空气燃油装料的预混部分，该燃油喷射的第一阶段在从TDC之前大致30°延至TDC之后的大致10°范围的窗口内开始；

在燃油喷射的第一阶段结束时进一步运行所述算法，以使燃油喷射过渡到燃油喷射的第二阶段，所述燃油喷射的第二阶段在自动点火之前开始，并包括运行燃油喷射器，以比第一阶段喷射压力小得多的喷射压力将燃油喷射入发动机气缸。