CN104471223B - 内燃发动机的冷启动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发动机的内燃发动机的冷启动系统，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，其包括：在致动起动电动机之前或在致动期间，以非同步方式通过至少一个喷射喷嘴预先喷射燃料的至少一个策略。

Description

内燃发动机的冷启动系统
技术领域
本发明涉及用于直接喷射发动机或非直接喷射发动机的内燃发动机的冷启动系统，所述内燃发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，且确保在任何环境温度条件下冷启动，而不使用更具挥发性燃料，例如汽油，启动在使用乙醇的情况下进行。
本发明还涉及内燃发动机的启动系统，取决于所使用的燃料类型和环境温度，其改进和优化所使用的燃料量和/或发动机启动的启动时间。
本发明还涉及包括这种冷启动系统的内燃发动机。
背景技术
从历史上来说，汽油总是由大多数奥托循环内燃发动机使用的燃料，由于其高度理想的物理化学属性，例如热值、抗爆性以及甚至在低温（如冬天北半球大多数地方可见的那些）下的蒸发系数，从而允许发动机合理容易地冷启动，甚至在最恶劣条件下也是如此。
20世纪70年代早期的短缺和油价上涨使得巴西选择改变其能源模型且开始大规模生产乙醇来运行机动车。
在80年代，由乙醇驱动的汽车变为控制巴西市场且随着多燃料车辆（更好地称为灵活燃料车辆）的到来，从2003年以来使用乙醇作为燃料已经获得更大的势力，其燃烧乙醇、汽油、或这些燃料的任何比例的混合物，从而保持令人满意的性能、驾驶性和污染物排放的水平。
当今，灵活燃料车辆很大地控制巴西市场且还可用于一些其它国家，如美国。然而，虽然它们与80年代可用的第一乙醇驱动汽车相比进步很大，但是灵活燃料车辆经受相同的缺陷，需要专用汽油箱，在大多数情况下位于发动机附近，以确保在低环境温度条件下的冷启动和在初始操作瞬时（称为冷阶段）的发动机操作。
在冷启动期间使用汽油的需要是由于乙醇的蒸发系数显著地低于汽油，与乙醇在低环境温度下具有的高引火点结合。
在由乙醇驱动的发动机的冷启动期间与使用汽油有关的技术的示例可见于授权专利BR9905212-1，其涉及冷启动系统，其中，电动泵经由导管供给汽油喷射喷嘴，其可位于蝶形阀本体中或进气歧管中，从而将一定量的汽油喷射到空气/乙醇混合物中。
另一相关文献是专利BRPI0904130-3，其涉及用于内燃发动机的冷启动系统，更具体地涉及通过特别设计用于由乙醇和/或灵活型燃料驱动的内燃发动机的量化燃料喷流的冷启动系统。
该冷启动系统包括汽油贮存器、燃料泵、将所述泵连接到电磁阀的第一燃料管线和将所述电磁阀的出口连接到数量与发动机气缸相对应的多个雾化喷嘴的第二燃料管线。
第一燃料管线、电磁阀、第二燃料管线和雾化喷嘴包括高压系统，借助于所述高压系统，从雾化喷嘴排出涡旋和雾化的燃料，从而提供高效率的雾化。
然而，在所有系统中，存在精确定量所喷射汽油体积的困难，从而导致在发动机操作开始时污染物的高排放，这往往是被日益增加地反对的。此外，对于车辆的用户/车主，必须监测小箱中的汽油水平总是不方便的，且忘记可能意味着车辆在第二天早上将不会工作。使用小汽油箱的另一缺陷是其低功率消耗，这可导致燃料供应系统的恶化和因而损坏。
最后，有人声称在车辆遭受车头碰撞或侧翻时，小汽油箱可能破裂或泄漏且起火。
目的在于克服使用小汽油箱的缺陷，用于冷启动的乙醇预热的多个技术被开发和改进，但是其使用受到难以克服的一些技术困难的限制，这限制其市场渗透，为此，当今出售的大多数车辆仍使用小汽油箱作为冷启动系统。
这种技术的第一示例通过专利文献BRPI0403039-7公开，籍此，冷启动系统具有设置有燃料入口且在相对侧设置有旁路的燃料管线，所述旁路连接到流量控制装置或冷启动辅助流。
在冷启动条件下，主油道中存在的乙醇到达受控流旁路，且然后进入燃料加热装置。在加热之后，燃料通过导管系统驱动到发动机且均匀地分配给其气缸。
驱动装置加热燃料可以在电子控制单元的管理下完成，通过来自于安装在车辆门中的开关的信号或者告知电子控制单元车辆将启动的其它类型信号，因而，燃料受控加热的过程开始。
这种技术的另一个示例可见于专利文献BRPI0504047-7，其公开用于乙醇和灵活燃料发动机的冷启动辅助系统，带有空气入口和乙醇加热。冷启动系统包括使用位于喷射器入口中的电阻器，每个喷射器内的电阻器或者每个喷嘴保持器管的电阻器，这三种可能可以同时使用，两两组合或者独立地使用，取决于加热乙醇流量和能量消耗的需要。
系统还包括使用位于进气歧管上部部分中、歧管底部部分中、节气门本体中、车头进气导管中的电阻器组，以及在二次空气入口管中在排气歧管附近的电阻器组。
任选地，还可以在空气过滤器的壳体内或者在管中设置一组电阻器，用于将空气发送给节气门本体和二次管，还可以在管中设置一组二次电阻器，用于将空气发送给节气门本体。
电阻器以组合或孤立的方式使用，通过喷射和燃料模块系统命令，且附加地，可以预见在进气歧管内的一个或两个辅助喷射器（补充），带有相同乙醇加热系统，即在喷射器的入口处，在喷射器内或者在喷嘴保持器管内。
这种系统的复杂性是明显的，具有高安装成本，需要高处理能力来判断触发哪些电阻器，与来自于蓄电池的电流消耗以使之工作一起，这成为问题，使得蓄电池变老，从而系统的效率往往随着车辆的老化而下降。
当今，现有方案的分析使之清楚，至今为止没有开发用于奥托循环发动机的冷启动系统，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，其展现技术简单性，来自于蓄电池的电流的低消耗，高可靠性，且不需要汽油来确保在冷阶段（尤其是低于16℃）时发动机的启动和操作。
发明内容
本发明涉及用于直接喷射或非直接喷射的奥托循环发动机的冷启动系统，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，且确保在冷阶段（低环境温度）时发动机的启动和操作，即使它们是负温度（低于水的凝固点）也是如此。
本发明的目的还在于，提供不需要喷射汽油来确保在冷阶段期间发动机的启动和运行的冷启动系统。
本发明还涉及确保在冷阶段时发动机的启动和运行的冷启动系统，带有或者不带有燃料的先前加热，所述燃料是汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物。
此外，本发明涉及在启动时间之前或期间通过同步或非同步燃料喷射确保在冷阶段时发动机的启动和运行的冷启动系统。
本发明还涉及内燃发动机的启动系统，取决于所使用的燃料类型和环境温度，其改进和优化所使用的燃料量或甚至在启动期间和启动之后发动机开始合适地运行的时间。
最后，本发明还涉及内燃发动机，尤其是根据奥托循环操作的发动机，直接或间接喷射，设置有当前要求保护的冷启动系统。
本发明的目的通过用于发动机的内燃发动机的冷启动系统实现，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，包括：在致动起动电动机之前或期间，以同步或非同步方式通过至少一个喷射喷嘴或类似装置预先喷射燃料的至少一个策略。
此外，本发明的目的通过包括当前要求保护的冷启动系统的内燃发动机实现。
附图说明
本发明将基于附图所示的一个执行示例进一步更详细地描述。附图示出了：
图1是示出了乙醇的蒸发曲线的简图。
图2示出了在环境温度下乙醇的蒸汽压力曲线。
图3是图示在系统致动和预先喷射之间的Δt控制的曲线图。
图4是在0℃温度下在没有使用预先喷射策略的情况下由乙醇驱动的发动机的启动之后获得的曲线图，在启动时发生故障。
图4是在-5.25℃环境温度下在使用预先喷射策略的情况下由乙醇驱动的发动机的启动之后获得的曲线图，成功地启动。
具体实施方式
根据优选实施例且可以从图1看出，已经开发该冷启动系统用于奥托循环发动机，直接喷射或者非直接喷射，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，以确保在冷阶段时在低环境温度下发动机的适当启动和操作，而不需要使用用于汽油喷射的小辅助箱。
最初应当注意的是，本发明的特权扩展到想要使用的任何燃料，不仅仅是乙醇，且其不仅可以用于允许灵活燃料发动机在低温下的启动和后启动，以及改进汽油驱动发动机在低温下的启动和后启动，或甚至在任何其它所需或期望使用中。
此外，甚至作为预备考虑，该系统不必限于在低温状况下的马达启动，因为其可以在任何环境温度和压力下使用，以便优化所使用的燃料量或甚至相同启动时间。因而，该系统允许发动机最优地开始运行，即使用最少的可能燃料量，取决于所使用的燃料，以合适旋转，具有最低可能的污染物排放，等等。
为了实现其目的，该系统在致动起动电动机之前，以与发动机旋转同步的方式或者甚至非同步地执行预先喷射燃料到进气系统中（通过燃料喷射系统的喷射器或者通过喷射器或辅助系统）或者在直接喷射发动机的情况下执行预先喷射燃料到至少一个气缸内，包括用于预先喷射的时间段，起动电动机工作但是启动尚未表征的时间。
为了更好地阐述系统如何工作，首先让我们作出关于在发动机冷启动期间燃料性能的一些澄清。
熟知的是，乙醇的蒸发系数高于汽油，即，其需要更高温度来挥发或蒸发，从而提供与氧的化学反应及其燃烧。根据图1所示的曲线图，在海平面的大气压力下，该燃料的蒸发温度是78℃。由于该物理属性，以乙醇为燃料的内燃发动机的冷启动在低于17℃的温度下非常困难。
冷启动通过其表示发动机操作的非常不利热力环境状况的事实变得更糟，因为存在低空气流（由于非常低的发动机速度，由起动电动机驱动），产生低容积效率（用空气-燃料混合物填充气缸）和低紊流。
这些不利条件，在与乙醇的低蒸发相结合时，尤其是在低温时，使得压缩空气混合物的燃烧非常难以发生。
作为消除该不利情形的可选方案，负责标定发动机供应系统的工程师延迟点火定时，即，火花应当由火花塞触发以点火气缸内的燃料-空气混合物的时刻。点火定时的延迟减少泵送影响，且允许发动机在这些早期阶段更容易地转动，从而利于启动。
此外，工程师操控节气门控制（节气门开度或任何其它手段，以控制由发动机接纳/吸入的空气量），例如，使得节气门关闭，尽管用户压下加速踏板（在具有电子节气门控制的最现代车辆中是可能的），这确保进气歧管内的压力下降，这利于所使用的燃料的蒸发（乙醇、汽油或其任何混合物）。
然而，在启动期间压力曲线的操控和点火角度以及节气门位置的控制具有极限，因为它们既不改变也不能改变燃料的蒸发率。因而，在低于17℃的环境温度下乙醇的冷启动仍然极度难以获得。
图2示出了乙醇的蒸发压力对比温度（℃）的曲线图，其分析允许清楚地确认对于1atm而言78℃的蒸发温度。整个线示出了该燃料的蒸汽饱和曲线。
根据该曲线图，应当避免乙醇的沸腾，因为一旦其开始蒸发，其比容积增加133倍。在该情况下，即使由于燃料变成气体的事实体积流量增长且应用于该情形的排放系数比在燃料是液体时低很多，实际上，燃料质量流量减少。另一缺陷在于，极度难以产生数学模型且计算在其处于蒸汽形式时喷射的实际燃料量。
因而，在燃料沸腾的情况下，实践中发生的是，未知和不够的燃料量将到达气缸，这应当被避免。
因而，在想要在其喷射之前加热乙醇的情况下，即，在喷射系统的任何部分（燃料管线、燃料轨道和喷射器）中加热其，需要该燃料处于特定压力值，使得其不会沸腾，且压力越大，其可以适应以沸腾的温度越高。
申请人进行的试验表明，燃料管线中的600 kPa压力（6 bar）允许发动机在低温下的冷启动，在实际情况下，对于420 kPa压力（4.2 bar）的压力（车辆喷射系统中通常使用的），保证良好的结果。
冷启动的另一关键点是系统标定。甚至在加热燃料喷射时，如多个现有技术专利实例中讨论的，应当记住，喷射器内的少加热燃料量和最初喷射本身不足以确保在冷阶段时发动机的启动及其随后操作。
在为了增强冷启动系统标定研究所进行的研发期间，申请人察觉到，尽管加热系统有效，发动机不变地在第二次尝试时进入操作，而不是在第一次尝试时。
申请人作出的该察觉进行进一步的研究和研发，最终获得包括如上所述的预先喷射的该冷启动系统。
本质上，该新技术的开发偏离该前提且寻求使用燃料的预先喷射的标定策略，如上所述，与在起动电动机被致动之前或甚至在其致动期间以与马达旋转不同步的方式的燃料喷射相对应，以模拟马达第一次致动（总是以失败告终）的状况。
预先喷射策略模拟用于启动发动机的稍微更有利的一些状况，在正常情况下将在启动发动机的第一次未成功尝试结束时产生，即：
－进气歧管中存在加热或未加热的空气-燃料混合物；
－气缸中的未燃燃料；
－更小的SMD（雾化燃料滴的平均尺寸）；
－气缸壁中和进气歧管本身和阀座中存在燃料膜；
－喷射器和/或供应管线（燃料轨道）内的平均温度增加。
进气歧管内存在加热空气和燃料极大地利于发动机启动。乙醇在1 atm的压力下点火的最小温度是13.5℃，因而，发动机在0℃和-10℃下的冷启动低于最小点火点。为了在这些条件下启动，推荐预热燃料，与预先喷射一起。
最小的SMD（雾化燃料滴的平均尺寸）是另一个大的益处，因为其提供更均质的燃料-空气混合物且极大地增加所喷射燃料的总表面面积。基于所进行的试验，申请人发现，在没有加热的情况下乙醇喷射在20℃的温度下产生大约120-130微米的滴。在加热后，尺寸减小至15-20微米，转换为燃料表面面积的800％增加，明显地利于燃烧。
关于存在未燃燃料和在气缸内形成膜，应当注意的是，总是存在不进入燃烧的燃料比例，尽管其中的压力和温度的非常极端条件。
在所进行的研究和研发中，申请人已经察觉到，位于气缸壁附近的燃料不参与燃烧，因为在该表面上，空气和燃料之间的关系非常低（小于0.5）。然而，该膜的存在对于允许燃料-空气混合物的燃烧过程是基本的。
诸如气缸的表面上液体的积聚是自然现象，且一旦该积聚开始，液体蔓延以在该壁的整个区域上形成膜。
当想要启动内燃发动机时，第一部分燃料（即，来自于喷嘴的第一次喷流）中的很多将不进入燃烧，而将粘附到气缸壁上，从而形成前述膜，使得燃料/空气混合物枯竭超过使之可能燃烧的阈值。
无论如何，存在膜，第二次启动足以发生燃烧且发动机开始运行。
这是发动机在第二次尝试时开始运行的最重要原因：第一次尝试喷射的燃料用于在气缸壁上形成膜。
申请人还已经察觉到，膜形成在进气歧管的管壁中和车头导管（“端口”）中发生。
然而，应当注意的是，该膜限制耐用性，因为其在压力瞬变时刻时降级，例如，发动机的有效启动（操作），在该情况下，其应当尽可能快速地形成。
由于该原因，本冷启动系统的预先喷射策略如此重要。启动之前的预先喷射确保在气缸内形成燃料膜，且在起动电动机开始旋转发动机时，快速地实现正确的空气-燃料混合物比，进入燃烧且发动机开始运行，同时在启动期间的不同步喷射（即，不与通过起动电动机移动的曲轴旋转同步）利于该膜的保持。
以优选但非限制性的方式，设置有加热器件的喷嘴被使用，其根据由电子喷射模块（或任何其它模块，专用的或非专用的）传输的45-50 kHz的电脉冲工作，在通过加热线圈时，产生磁场，其用于加热附近的燃料。
已经概述关于乙醇性能和在气缸壁中形成燃料膜的动态特性的一些重要信息，现在是时间更详细地阐述预先喷射过程。
可以使用但不是优选的预先喷射的一个第一可能是手动。在该可能中，任何按钮连接到喷射器，且在致动时，发生燃料喷射，用于在气缸壁和歧管上提前形成膜。
因而，该冷启动系统的优选实施例具有自动控制，根据一系列压力和温度参数以及马达和燃料特性，这将稍后详细地讨论。
在任何情况下，在自动的预先喷射控制中，其可以根据各种初始命令（下文称为“触发”）进行。
开始参数化预先喷射策略的触发可以是自动的或手动的，除了其它之外，包括：
－打开车辆的门和发动机罩；
－定时器，以执行给定时间计数；
－承载任何识别装置（如打开门的钥匙链或编码卡，在较高价钱机动车中广泛使用的）的导体的接近；
－报警触发（远程或非远程）；
－通过独特按钮致动（远程或非远程）；
－通过蜂窝电话或其它电信装置远程致动；
－通过驾驶员和乘员的识别装置（语音存在和重量）致动；
－点火钥匙的致动；
－温度检测（水、燃料、空气、油，环境温度或者车辆特有的温度）；
－经由相对适度和压力（绝对或相对）间接检测；
－踏板（离合器、制动器、加速器）、喇叭、灯/灯罩、信号灯、驻车制动器、变速杆、或其组合的致动，提前或者在启动期间）；
－经由导航系统；
－水、燃料和油（来自于马达或者来自于变速箱）或与车辆有关的任何其它流体的粘度/传导性/介电常数传感器；以及
－使用应变计，除了其它之外。
本发明的特权还涵盖不使用特定触发的可能，即，每一次启动致动该策略，而与发动机是否冷无关。
此外，重要的是要注意到，该策略并不限于使用预热燃料，因而可以用于任何条件的燃料温度和压力。
最后，该策略并不限于使用主喷射器，考虑使用位于进气系统或发动机的任何位置处的辅助喷射器或类似装置，或任何其它燃料喷射装置。
不管预先喷射策略致动的形式，为了该冷启动系统工作且适合，这种致动优选考虑多个变量，除了其它之外，例如要喷射的燃料成分、外部温度、发动机温度和发动机类型，且然后确定预先喷射必须如何执行。
为了确保更大效率，申请人已经开发一系列特定试验，其中，可以根据条件参数操控：（i）喷射模块致动和有效预先喷射之间的时间，（ii）预先喷射的持续时间，以及（iii）在多于一个发生的情况下，相继预先喷射之间的时间，如图3。
详细描述试验，其实现的第一过程是获取参数。为此，监测电子喷射模块或类似物的所有参数。此外，监测一些其它重要参数，如下表可以看出。
传感器 部件 属性（单位）
1 喷射器1 ℃
2 喷射器2 ℃
3 喷射器3 ℃
4 喷射器4 ℃
5 加热器1 PWM
6 加热器2 PWM
7 加热器3 PWM
8 加热器4 PWM
9 HFM_MES Kg/h
10 乙醇 ％
11 乙醇管线中的压力 Bar
12 HCU A
13 VX V
14 V_HCU V
监测上述参数允许由系统使用的功率的准确分析且能量如何有效地传递给燃料（热量的形式）。监测由加热模块或类似物（HCU）发送给喷射器（在上表中提到为传感器12和14－HCU和V_HCU）的电压和电流会监测供应给加热的电流，且在每个喷射器中监测燃料温度（在该情况下，传感器1至4，因为其为4缸发动机）。
传感器5-8监测被供应使得喷射器加热器加热燃料的电脉冲的频率和长度。
传感器9用于随后计算在点火之前的正确空气-燃料比，用于与在发动机运行之后的其它值进行比较，排气中的氧量由λ探头测量。因而，可以计算在下一次冷启动时预先喷射的正确混合物。
传感器10能够检测所使用的燃料中的乙醇百分比，要记住：冷启动状况艰苦很多，在其百分比超过90％时，乙醇百分比越高，使之越关键。
传感器11监测燃料管线中的压力以确保喷射喷嘴中的加热乙醇不会沸腾，如前文所述。
最后，传感器13检查蓄电池中的可用电荷，这是重要的，因为冷启动状况由于电流的高消耗总是关键的。
此外，感兴趣和推荐监测喷射器后的电信号的控制。一旦预先喷射策略需要在致动起动电动机之前（或者在其致动期间，以不同步的方式）操作喷射器，该监测是控制预先喷射的准确持续时间的唯一方式，除了用作附加检查所有冷启动例程的元件之外，通过允许查看喷射器的整个操作循环，直到发动机开始运行且甚至在运行之后。
上述多个参数的变化的试验实施方式允许冷启动系统（本发明的目的）提供高效率，确保灵活燃料发动机的启动，甚至在非常低的环境温度下也是如此，而不需要使用汽油。
结果：
图4示出了在0℃环境温度下在没有使用预先喷射策略的情况下由乙醇驱动的发动机的启动之后获得的曲线图。结果是不变的：发动机在第一次尝试时不启动，仅仅在第二次时启动。
现在，借助于使用预先喷射策略，试验获得的结果极度有利，甚至在使用未加热燃料（节省蓄电池功率，将仅仅加热旨在有效地用于燃烧而不用于在气缸壁上形成膜的燃料）执行预先燃料喷射时也是如此。
未加热燃料的预先喷射是更有利的，因为由于不需要预热燃料，发动机启动可以提前瞬时成功地执行。此外，其确保喷射器中将绝不会有燃料的蒸发，从而可以确保预先喷射燃料的准确供应，因而优化启动。
图5示出了在比图4更低的-5.25℃温度下由于预先喷射策略启动成功。
此外，应当注意的是，配备有该冷启动系统的燃烧发动机是新式的且配备有发明性动作。
在描述优选实施例的一个示例之后，应当理解的是，本发明的范围涵盖其它可能实施例且仅仅由所附权利要求的内容（包括其可能的等价物）限制。

Claims (3)

1.一种用于发动机的内燃发动机的冷启动系统，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，所述冷启动系统包括至少一个喷射器喷嘴，以将燃料喷射到发动机的至少一个气缸内，所述至少一个气缸具有气缸壁，其中，在起动电动机被致动之前，燃料被预先喷射到气缸内，以形成粘附到气缸壁上的燃料膜。
2.根据权利要求1所述的冷启动系统，其特征在于，燃料在低于燃料沸点的温度下预热。
3.一种内燃发动机，其特征在于，所述内燃发动机包括根据权利要求1和2中任一项所述的冷启动系统。
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