CN103635679B - 缸内喷射式发动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够减少向活塞顶面、缸膛壁面的燃料附着量且能够提高缸内混合气体的均质度，从而能够减少PM排出颗粒数的缸内喷射式发动机的控制装置。在一个燃烧循环中进气阀的升程位置处于规定范围内的期间，更具体而言，在进气阀位于从中升程位置到最大升程位置附近的期间，禁止燃料喷射。

Description

缸内喷射式发动机的控制装置

技术领域

本发明涉及具备对缸内（燃烧室内）直接喷射燃料的燃料喷射阀的缸内喷射式发动机的控制装置。

背景技术

近年来，基于环境保护的观点，车辆（机动车）要求作为温室效应气体的燃烧废气（排放废气）的减少、其中含有的一氧化碳（CO）、碳化氢（HC）、氮氧化物（NO_x）等的削减、颗粒状物质（以下称为PM）的排出颗粒数的减少（将它们总称为“排气性能的提高”）、以及燃料消耗量的削减（燃料消耗量的改善），以排气性能和燃料消耗量的改善、以及发动机输出的提高作为主要目的，开发了在各气缸的燃烧室内直接进行通过燃料喷射阀进行的燃料喷射的缸内喷射式发动机。

在缸内喷射式发动机中，根据燃料喷射时期（时刻），存在喷射的燃料附着在活塞顶面或缸膛（缸套）壁面的情况。

附着、残留在缸膛壁面上的燃料量较多时，有时到点火之前不能完全气化，有未燃烧气体增大的倾向。因此，例如专利文献1、专利文献2中，公开了在缸膛壁面温度较低的情况下，为了使燃料扩散到活塞顶面（冠面，头面）上易于气化，变更进气行程中从燃料喷射阀喷射的燃料喷射时期（通常指的是燃料喷射“开始”时期（时刻））的技术。

此外，专利文献3中，公开了通过在一个燃烧循环中进行多次燃料喷射（分割喷射）使每一次的燃料喷射量减小，由此减少对缸膛壁面的燃料附着量，并且，使较早的喷射时期与较晚的喷射时期的间隔（以下称为喷射间隔）大致保持为固定的曲柄角，即，越低速旋转使喷射间隔越长，越高速旋转使喷射间隔越短，从而使喷雾分散的技术。

近年来，缸内喷射式发动机中，特别是减少颗粒状物质（以下称为PM）的排出颗粒数的必要性逐渐升高。

现有技术文献

专利文献

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

发明内容

发明要解决的技术问题

在上述缸内喷射式发动机中，PM排出颗粒数的增减，与对活塞顶面和缸膛壁面的燃料附着量和缸内混合气体的均质度相关。

向活塞顶面和缸膛壁面的附着，受到燃料的喷射时期的影响较大。使燃料的喷射时期（时刻）过度超前时，附着、残留在活塞顶面上的燃料量增多，使燃料的喷射时期（时刻）过度滞后时，附着、残留在缸膛壁面的燃料量增多。向活塞顶面、缸膛壁面的燃料附着量增多时，PM排出颗粒数增加。

此外，PM排出颗粒数对于混合气体的浓度也敏感地反应。不仅因缸内混合气体的平均浓度，也根据缸内混合气体的均质度（空气与燃料的混合比例）而较大地受到影响。已知为了提高缸内混合气体的均质度，增强流入缸内的空气的流动（滚流（tumble）=纵涡）即可。为了增强滚流提高缸内混合气体的均质度（均质性），空气向缸内的流入时期和燃料喷射时期是重要的。

本发明鉴于上述课题，其目的在于提供一种能够抑制向活塞顶面、缸膛壁面的燃料附着、且能够提高缸内混合气体的均质度，从而能够减少PM排出颗粒数的缸内喷射式发动机的控制装置。

用于解决技术问题的技术手段

为了达成上述目的，本发明的缸内喷射式发动机的控制装置的特征在于，包括在一个燃烧循环中进行多次燃料喷射的分割喷射控制单元，该分割喷射控制单元，在一个燃烧循环中进气（吸气）阀的升程（提升，lift）位置处于规定范围内的期间，禁止燃料喷射。

发明的效果

根据本发明的缸内喷射式发动机的控制装置，由于在一个燃烧循环中将燃料分割为多次喷射，且禁止在一个燃烧循环中进气阀的升程位置处于规定范围内的期间、换言之即因喷射的燃料喷雾使缸内的滚流减弱的期间的燃料喷射，能够提高缸内混合气体的均质度，减少PM排出颗粒数。

附图说明

图1是将本发明的控制装置的一实施方式与应用它的缸内喷射式发动机共同表示的概要结构图。

图2是表示图1所示的发动机控制单元的内部结构和输入输出关系的图。

图3是表示分割喷射次数与PM排出颗粒数的关系的图。

图4是表示分割喷射间隔与PM排出颗粒数的关系的图。

图5是表示燃料喷射开始时期、缸内滚流强度和PM排出颗粒数的关系。

图6是表示本发明的一实施方式的分割喷射控制的处理内容的流程图。

图7是表示图6的步骤607（计算分割喷射的各次喷射脉冲宽度）的详细处理内容的流程图。

图8是表示图6的步骤608（计算分割喷射的各次喷射开始时期）的详细处理内容的流程图。

图9是表示用于计算图7的喷射开始时期的映射函数的图。

图10是本发明的一实施方式的分割喷射控制的一个控制例的说明图。

图11是本发明的一实施方式的分割喷射控制的其他控制例的说明图。

图12是本发明的一实施方式的分割喷射控制的其他控制例的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是将本发明的控制装置的一实施方式与应用它的缸内喷射式发动机共同表示的概要结构图。

图示例的缸内喷射式发动机1例如是具有四个气缸（#1、#2、#3、#4）的直列四气缸的汽油发动机，吸入空气从形成进气通路130的最上游端部的空气滤清器102的入口部被导入，通过气流传感器103，通过电子控制节流阀104对与各气缸连接的进气歧管（多支路管）105和进气口分配后，经过附属设置有可变阀门定时机构（省略图示）的通过进气凸轮轴120开闭驱动的进气阀119，被吸入在活塞132上方划分形成的燃烧室106。

燃料通过低压燃料泵（未图示）被一次加压后，在由排气凸轮轴144驱动的高压燃料泵108被二次加压为更高的压强，通过公共道117向各气缸中安装的燃料喷射阀109供给，从该燃料喷射阀109在按曲柄角来看的规定的定时（timing）向燃烧室106内直接喷射（如后所述在本例中是分割喷射）。向燃烧室106内喷射的燃料生成与吸入空气的混合气体，混合气体因来自点火线圈110的点火能量而被火花塞111点火并爆炸燃烧，其燃烧废气（排放气体）经过由排气凸轮轴144开闭驱动的排气阀142向排气通路140排出。

在排气通路140的途中，连接有EGR通路112的一端（起始端），EGR通路的另一端与进气通路130连接。EGR通路112配置有EGR控制阀113、EGR流量传感器114，使排气通路140中流动的废气的一部分（EGR气体）与根据需要通过EGR控制阀113向进气通路130回流。EGR流量用EGR控制阀113调节。

本实施例中，为了进行上述燃料喷射阀109、电子控制节流阀104、点火线圈110、高压燃料泵（电磁阀，solenoid）108、EGR控制阀113等的驱动控制，具备内置微型计算机的发动机控制单元101。

发动机控制单元101，其内部结构和输入输出关系如图2所示，由包括A/D变换器的I/OLSI101a、CPU101b、EP-ROM101c、RAM101d等构成，导入来自包括气流传感器103、节流传感器107、进气凸轮轴120上附加设置的凸轮角传感器121、曲轴115上附加设置的曲柄角传感器116、水温传感器202、燃压传感器204、油温传感器205、空燃比传感器、进气温度（外部空气温度）传感器的各种传感器等的信号作为输入，执行规定的运算处理，输出作为运算结果而计算出的各种控制信号，进行作为致动器的燃料喷射阀109、电子控制节流阀104、点火线圈110、高压燃料泵108、EGR控制阀113等的驱动控制。

本实施例中，基于来自上述曲柄角传感器116和凸轮角传感器121的信号，计算各气缸处于一个燃烧循环中（进气行程（冲程）、压缩行程、膨胀行程、排气行程）的哪一个行程（冲程）、活塞位置（例如按曲柄角来看位于压缩行程上止点前的多少度等），以及进气阀119的升程（提升，lift）位置等。

发动机控制单元101在燃料喷射控制时，运算一个燃烧循环中的喷射次数（分割喷射次数）、喷射开始时期、分割喷射间隔、总喷射时间（总喷射量=合计喷射脉冲宽度）等进行设定。

接着，用图3说明分割喷射次数与PM排出颗粒数的关系。

图3表示在一个燃烧循环中将需要的燃料量分割为多次喷射的情况下的相对于分割次数的PM排出颗粒数。增加分割次数时1次的燃料喷射量减少，所以向活塞顶面的燃料附着减少，PM排出颗粒数也减少。

接着，用图4说明分割喷射的间隔与PM排出颗粒数的关系。

分割喷射的间隔过窄时，不能充分地获得分割喷射的效果，不能实现PM排出颗粒数的减少。从图4可知，为了使PM排出颗粒数减少，需要使喷射间隔空出规定曲柄角度间隔以上。

接着，用图5说明燃料喷射开始时期与PM排出颗粒数（A）、缸内滚流强度（B）、和进气阀升程位置（C）的关系。

图5表示在一个燃烧循环中喷射一次燃料的情况下的燃料喷射开始时期与PM排出颗粒数（A）、缸内滚流强度（B）、和进气阀升程位置（C）的关系。

相对于不喷射燃料的情况下的缸内滚流强度，喷射燃料的情况下的缸内滚流强度根据燃料喷射开始时期而增减。这是由于流入缸内的空气流因喷射的燃料而增减。

混合气体的均质度较低，根据混合气体中的浓淡差别而局部地存在较浓的混合气体，是PM排出颗粒数的增加的主要原因之一。缸内滚流越强，越能够提高混合气体的均质度。

即，在滚流减弱的时期（期间）喷射燃料时，PM产生颗粒数增加。在一个燃烧循环中将需要的燃料量分割为多次喷射的分割喷射时也是同样的，分割为多次的任一个喷射时期（期间）与滚流减弱的时期（期间）重合时，PM产生颗粒数增加。

接着，用图6、图7说明本实施方式的分割喷射控制的具体的控制内容。

图6是表示本发明的一个实施方式的分割喷射控制的处理内容的流程图。

图6的流程图中所示的处理是中断（嵌入）处理，例如按10ms的周期反复执行。发动机控制单元101通过执行图6的流程图所示的处理，获得各气缸的各次的喷射脉冲宽度和喷射开始时期，在上述喷射开始时期对各燃料喷射阀109供给具有该获得的喷射脉冲宽度的驱动脉冲信号。

在图6的步骤601中，计算从各燃料喷射阀109在一个燃烧循环中要喷射的总燃料量、即合计喷射脉冲宽度TI_TOTAL。合计喷射脉冲宽度TI_TOTAL与基于来自曲柄角传感器116和气流传感器103的信号计算出的发动机每一转的吸入空气量、运转状态等相应地设定的空燃比、用燃压传感器204的信号计算出的燃压、通过水温传感器202检测出的冷却水温等相应地设定。

在步骤602中，计算最小喷射脉冲宽度TI_MIN。此处，最小喷射脉冲宽度根据喷射器109的燃压特性、电特性、机械特性和燃料喷射阀的驱动电流波形等各特性而设定。

在步骤603中，计算分割的各喷射的喷射间隙即喷射间隔。喷射间隔，基于燃料附着和混合气体的均质度的方面和确保燃料喷射阀驱动电流的方面，设定为规定曲柄角度间隔以上。喷射间隔过窄时成为与一次喷射大致同样的燃料喷雾状态，不能获得分割喷射的效果，无法减少向活塞顶面、缸膛壁面的燃料附着。此外，燃料喷射阀驱动电路，因为每次驱动燃料喷射阀时升压电路内的电压都降低，所以需要耗费恢复到原有的电压的时间，该升压恢复时间中需要等待下一次燃料喷射。

在步骤604中，进行分割数量N的设定。分割数量N根据发动机转速、发动机负载状态参数决定。

在步骤605中进行计数器n的初始化。

在步骤606中，进行计数器n是否大于分割数量N的判定，大于的情况下（完成n=1～N的设定）结束处理。计数器n为分割数量N以下的情况下进行步骤607之后的处理。

在步骤607中，进行分割喷射的各次喷射脉冲宽度TI_n（n=1～N）的计算。步骤607的详情如图7所示。

在步骤608中，计算分割喷射的各次的喷射开始时期。步骤608的详情如图8所示。

在步骤609中，进行计数器n的增量（递增）处理，返回步骤606。这样反复n=1～N的处理，设定各次的喷射脉冲宽度和各次的喷射开始时期。

接着，用图7说明图6的步骤607（计算各次的喷射脉冲宽度）的详情。

在步骤701中，进行分割后的各次的基本喷射脉冲宽度TIB的计算。用步骤601中计算出的合计喷射脉冲宽度TI_TOTAL和步骤604中计算出的分割数量N，执行TI_TOTAL÷N的除法进行计算。

在步骤702中，判断是否是一个燃烧循环的n次分割喷射中的第一次（n=1）喷射。n=1的情况下，前进至步骤703，设定为第一次燃料喷射脉冲宽度TI1=TIB。n≠1的情况下（第二次之后的情况），前进至步骤704，设定为第n次燃料喷射脉冲宽度TIn=TIB。此处，使多次喷射比例为等分割，但也可以是与发动机的运转状态相应的分割比例。

接着，用图8说明图6的步骤608（计算喷射开始时期）的详情。

在步骤801中，将图7的步骤701中计算出的分割基本燃料喷射量TIB和活塞顶面温度TEPI作为输入，通过参照图9所示的映射MITB，计算基本喷射开始时期ITB。映射MITB考虑活塞顶面温度TEPI对燃料附着量、气化率的影响来设定。此外，顶面温度TEPI，优选使用空气量、空燃比、点火时期等构成热模型进行推算的方法，而出于控制简化的观点，也可以是将水温传感器202、油温传感器205、进气温度传感器检测出的水温、油温、进气温度作为输入值而检索映射的结构。

在步骤802中，判断是否是一个燃烧循环的分割喷射中的第一次的喷射开始时期（可能角度）的设定。n=1的情况下，前进至步骤803，设第一次的喷射时期IT1=ITB结束。n≠1的情况下（第二次之后的情况），前进至步骤804，计算第n次喷射开始时期（可能角度）ITn。将上一次的IT_(n-1)，与分割后喷射脉冲宽度TI_(n-1)和图6的步骤603中计算出的喷射间隔TI_INT相加，计算第n次喷射开始时期（可能角度）IT_n。

接着，用图10～图12，说明如图6～图9所示地构成时的具体的控制例。

图10是本发明实施例的基本控制例。与进气阀119的升程位置相应地设定燃料喷射禁止期间。喷射禁止期间表示因向燃烧室106内喷射的燃料喷雾使缸内滚流减弱的进气阀升程位置的范围，设定为进气阀119从中升程位置到最大升程位置附近的范围。

图11表示进气阀119的开闭时期通过可变阀门定时机构变更的情况下的控制例。即使在相对于虚线所示的开阀期间，如实线所示地使开阀期间超前的情况下，燃料喷射禁止期间也总是与进气阀119的升程位置相应地设定。

图12是在燃料喷射禁止期间前开始燃料喷射，因运转状态的急剧变化等在喷射途中进入至喷射禁止期间的情况下的控制例。进入至喷射禁止期间的情况下，立刻停止燃料喷射。因停止而产生的燃料的减少的量，追加至喷射禁止期间之后的下一次喷射。

通过进行以上的控制，能够防止因向燃烧室内喷射的燃料喷雾而使缸内滚流减弱的情况，能够提高缸内混合气体的均质度，减少PM排出颗粒数。

以上，详细说明了本发明的实施方式，但本发明不受上述实施方式限定，能够不脱离权利要求的范围中记载的本发明的主旨地进行各种变更。

符号说明

1……缸内喷射发动机

101……发动机控制单元

103……气流传感器

104……电子控制节流阀

106……燃烧室

107……节流传感器

108……高压燃料泵

109……燃料喷射阀

110……点火线圈

111……火花塞

115……曲轴

116……曲柄角传感器

119……进气阀

120……凸轮轴

121……凸轮角传感器

202……水温传感器

Claims (3)

1.一种缸内喷射式发动机的控制装置，其包括在一个燃烧循环中进行多次燃料喷射的分割喷射控制单元，该缸内喷射式发动机的控制装置的特征在于：

所述分割喷射控制单元，在一个燃烧循环中在进气阀位于从中升程位置上升到最大升程位置的期间，禁止燃料喷射，在进气阀位于从最大升程位置下降到中升程位置的期间，允许燃料喷射。

2.如权利要求1所述的缸内喷射式发动机的控制装置，其特征在于：

所述分割喷射控制单元，在所述燃料喷射禁止期间之前至少进行第一次的燃料喷射。

3.如权利要求1或2所述的缸内喷射式发动机的控制装置，其特征在于：

所述分割喷射控制单元，当在所述燃料喷射禁止期间之前开始燃料喷射，在燃料喷射过程中进入到所述燃料喷射禁止期间时，将该燃料喷射禁止期间导致的减少的量，加至该喷射禁止期间后的喷射量。