发明内容
本发明提出无论燃料箱中存在的是哪种燃料,均能增加直接喷射式内燃发动机的起动的快速性。
更准确地,本发明包括一种车辆的直接喷射式内燃发动机的起动方法,这种起动方法允许加快起动阶段,这是通过借助于喷射系统,在发动机达到稳定工况之前,调节在此起动阶段期间所喷射的燃料量,所述喷射系统包括燃料的高压喷射泵,测量由此后者所递送的(燃料)压力的压力测量机构,以及发动机控制单元或ECU,其特征在于,所述方法包括下列步骤:
•借助于起动机使高压喷射泵转动,
•测量由所述高压喷射泵所递送的燃料的压力,该测量是在最大输出模式下运行的泵的至少两个连续压缩上止点处所执行的,
•基于在高压喷射泵的通过其角位置表征的所述至少两个连续压缩上止点处所测量的压力,在角度参考系上,确定由所述高压喷射泵所递送的燃料的压力梯度,
•将所确定的梯度与至少一个预定的、一一对应的表进行比较,所述表使多个待喷射燃料量与多个所述压力梯度分别对应,在发动机控制单元中执行所述至少一个表,
•根据比较结果,在发动机达到稳定工况之前,调节起动阶段期间所喷射的燃料量,以便在通过发动机控制单元给出初始喷射的授权之后,喷射在预定的、一一对应的表中对应于所确定的压力梯度的燃料量。
本发明包括,基于在最大输出模式中运行的泵的压缩上止点,记录由高压泵所递送的燃料的压力增加的特定梯度,以便尽可能快地优化该特定梯度和针对通过喷射在起动阶段期间待喷射的正确燃料量的所获得结果的精确度。根据本发明,相对于角度参考系(通过角位置表征的泵的压缩上止点)确定压力梯度,这样允许有利地避免使用起动机的转速,因为起动机的转速可能尤其会随温度和电池电压变化。预定的、一一对应的表根据压力增加梯度针对例如给定的温度范围直接提供正确的待喷射燃料量。因此,在起动阶段期间的初始喷射之前或之后,根据喷射系统中存在的燃料类型,非常精确地调节待喷射燃料量。例如在已经进行发动机同步后,并且在达到最小喷射压力之后,通过发动机控制单元给出进行初始喷射的授权。例如通过喷射系统中存在的压力传感器(例如在高压轨型蓄压器中),以已知的方式提供压力测量机构。
根据有利的特征:
•针对发动机温度的给定范围,预先确定所述至少一个一一对应的表,所述表使多个待喷射燃料量与多个压力梯度分别对应,
•在所述发动机控制单元中执行多个所述预定的、一一对应的表,其分别覆盖发动机温度的多个范围,其中包括至少一个冷起动温度范围,
•所述方法还包括,在将所述确定的梯度与所述至少一个预定的、一一对应的表进行比较之前,测量发动机温度。
“对于发动机温度的给定范围的预定的、一一对应的表”此表达在这里是指一一对应的表适用于给定温度范围。如果期望将所述一一对应的表的值限制成单个温度,则可以将此给定温度范围缩减成此单个温度,该一一对应的表是针对该单个温度所限定的。这样的选择取决于对于根据温度变化的待喷射燃料量所期望实现的精确度。以此方式,如果该一一对应的表对于在该表限定时所针对的所述单个温度值附近的给定温度范围是有效的,考虑到要达到的精确度,可以将所述表的适用范围扩展到发动机温度的此给定范围。
根据一个有利的特征,借助于发动机的曲轴位置传感器,通过所述曲轴与燃料的所述高压喷射泵之间的角位置的关联规则,并且通过所述发动机控制单元,确定燃料喷射泵的所述至少两个连续压缩上止点的位置。
根据一个有利的特征,相对于高压喷射泵的角位置的变化,确定以dp/dα形式的压力梯度,其中:
•dp是泵的所述至少两个连续压缩上止点之间的压力的变化,
•dα是泵的所述至少两个连续压缩上止点之间的曲轴角变化。
此特征尤其示出了在计算压力梯度时能有利地避免使用起动机的转速。
根据一个有利的特征,针对所述高压喷射泵的三个或更多个压缩上止点,确定所述高压喷射泵所递送的燃料的压力梯度。
本发明还涉及一种直接喷射式内燃发动机的起动装置,所述装置允许加快起动阶段,这是通过喷射系统在所述发动机达到稳定工况之前,调节在起动阶段期间所喷射的燃料量,所述喷射系统包括:燃料的高压喷射泵,测量由此后者所递送的(燃料的)压力测量机构、发动机控制单元、起动机、通过所述发动机控制单元给出初始喷射的授权的机构,其特征在于,所述装置包括实施根据本发明的方法的机构。
具体实施方式
图1以示意性方式示出了一种车辆的直接喷射式内燃发动机的起动方法,该方法允许加快起动阶段,这是通过借助于喷射系统(未示出),在发动机达到稳定工况之前调节在此起动阶段期间所喷射的燃料量,所述喷射系统包括燃料的高压喷射泵、测量由此后者所递送的(燃料的)压力测量机构(例如置于用于向喷射器供应燃料的高压燃料轨中的燃料压力传感器)、用于确保喷射的管理的发动机控制单元。
在图1中,以横坐标轴示出了发动机的以度为单位的曲轴角位置Ang_CRK,且以纵坐标轴示出了燃料压力传感器在燃料的高压喷射泵出口处所测量的以Mpa为单位的燃料压力P。所示出的起动是冷起动。所使用的燃料是不含基础混合物的汽油,例如E0燃料(0%的乙醇),对于起动阶段的发动机温度是-30℃,这也是燃料温度。
所使用的高压喷射泵(未示出)是常规的泵,其中燃料的进入由通过发动机控制单元操纵的阀所控制,并且其使燃料在压力下流到蓄压器轨(未示出)中。最大输出模式对应于进入至泵的一个或多个室中的燃料的整体体积的压缩,进入且被压缩的燃料的此最大体积对于用于测量压力的连续压缩的上止点是不变的。发动机控制单元通过控制泵的入口阀来决定泵在最大输出下的运行模式,这样允许触发压力测量过程。发动机控制单元或ECU或发动机计算机在燃料压缩开始时,通过关闭泵中的燃料入口阀,控制处于最大输出模式的泵,由此禁止压缩燃料体积的一部分的任何朝向(燃料)箱的流动。根据该方法,通过发动机计算机在压力点的采样期间验证泵的运行模式确实是最大输出下的运行模式。根据本发明的方法取决于发动机计算机关于是否在最大输出模式下运行的决定。实际上,ECU管理蓄压器轨中的压力的控制(PID)。当蓄压器轨中的压力比它的指令低得多时,PID调节器决定在最大输出下运行,以便尽可能快地返回指令点。在起动阶段期间,尤其是在冷起动阶段期间,蓄压器轨中的压力比它的指令点低得多,从而需要使泵在最大输出下的运行模式。
起动机(未示出)能够使发动机在起动阶段中以大约每分钟200转的速度进行转动。曲线1示出了起动阶段的压力变化。此变化示出了从泵开始旋转时的压力增长。
图1中,泵在最大输出模式下运行。压力曲线1的较大压力梯度的部分表示进入泵中的燃料体积的压缩,它根据曲轴旋转在压力变化实现的值下达到最大值。平直部分的开始对应于泵的上止点,即,对应于压缩的结束,这些压缩本身确定了在燃料进入泵中的相应的进入阶段的开始。曲线1的平直部分表示燃料进入泵中。
图1中的曲线2连接了泵的在最大输出下的运行模式中所采集的三个上止点。这些上止点基本上位于图1中的高压力梯度的斜坡的顶点,这些斜坡代表相同的三个燃料体积的连续压缩,这三个燃料体积分别对应于进入泵室中并被压缩的最大燃料体积。
图1示出的方法包括下列步骤:
•借助于起动机使高压喷射泵转动,横坐标轴上的位置0°代表起动机开始时的曲轴位置,
•在通过来自ECU的信息验证泵在最大输出模式下运行的同时,如上所述,在泵的连续压缩的至少两个上止点(或英语Top Dead Center的简写TDC)处,测量由高压喷射泵所递送的燃料的压力;此操作可以在起动机使曲轴开始旋转后立刻执行,并且优选地在发动机的同步之前执行,
•优选地在发动机的同步之前,基于至少在高压喷射泵的连续压缩的两个上止点(TDC)(例如图1所示出的三个TDC)处所测量的压力,确定在最大输出模式下的高压喷射泵所递送的燃料的压力梯度,
•将确定的梯度与预定的、一一对应的至少一个表进行比较,该表使多个待喷射燃料量与多个所述压力梯度分别对应,优选地在发动机同步之前,在发动机控制单元中实施所述至少一个表,
•根据比较结果,如果需要,则对于所进行的每次喷射,调节在发动机达到稳定工况之前的起动阶段期间喷射的燃料量,以便在发动机控制单元给出初始喷射的授权之后,喷射在预定的、一一对应的表中对应于所确定的压力梯度的燃料量,该授权一般发生在发动机同步实现之后,或者从同步后的第一个发动机循环起。
同步根据本领域技术人员众所周知的任何方法、借助于发动机控制单元和曲轴位置传感器向其发送的信号实现,且由此这里不再赘述。
根据图1中所示出的示例,在离曲轴开始旋转的位置270°处、在泵的第一压缩上止点3处,测量燃料压力,以便于确保泵确实在最大输出工况下运行,然后是在离曲轴开始旋转的位置450°处、在泵的第二压缩上止点4处进行测量,接着优选地还在离曲轴开始旋转的位置630°处、在泵的第三压缩上止点5处进行测量,如图1所示。
有利地借助于曲轴位置传感器、通过曲轴与燃料的高压喷射泵之间的角位置关联规则并且通过应用此规则的发动机控制单元(ECU)确定这些位置。该规则是由曲轴旋转与喷射泵的机械联接的旋转之间的传动比给定,它根据曲轴的角位置确定泵的压缩上止点的位置。
因此,相对于高压喷射泵的角位置的变化,确定优选地以dp/dα形式的压力梯度,其中:
•dp是泵的三个连续压缩上止点或TDC之间的压力变化,
•dα是泵的这三个连续压缩上止点或TDC之间的曲轴角变化。
压缩上止点的使用允许使用角度参考系,通过这样可以有利地避免使用起动机转速,因为起动机转速可能会随温度和电池电压变化,且由此允许提供压力梯度的可靠性,因为一直在泵的同一配置中记录压力梯度;因此,对应表可以使待喷射燃料量更准确地进行对应。
在图1的示例中,如下表I所示,由此记录了下列值:
汽油燃料 |
曲轴角位置 |
记录压力 |
发动机温度 |
第1 TDC |
270° |
6.198 MPa |
-30°C |
第2 TDC |
450° |
8.565 MPa |
-30 C |
第3 TDC |
630° |
10.68 MPa |
-30°C |
即,对于360°的曲轴角位移,压力梯度为4.482 MPa。
在图1示出的示例中,对于10 MPa的值,在大约595°的曲轴角位置的点6处,达到喷射压力。在这些条件下,为了计算压力梯度,压力参考点的数量的选择应当有利地是两个点3和4。通过此选择,可以在达到喷射压力之前,因此在初始燃烧之前,能够进行燃料量的调节。
图4中,以横坐标示出以度为单位的发动机的起动温度T_start,并且以纵坐标示出如上所述的曲轴的每360°旋转的以巴为单位的压力梯度dp/dα。曲线7、8和9对于三种燃料(例如分别是E0燃料、E26燃料和E100燃料)示出了当高压泵在最大输出模式下运行时,在向喷射器供应燃料的高压轨中的此压力梯度随着起动温度的变化。注意到,E0燃料是不含乙醇的汽油,E26燃料是乙醇比率为26%的汽油,且E100燃料是不含汽油的乙醇。因此,如下所述,将涵盖从E0燃料到E100燃料的所有可能的燃料。注意到,实际上,燃料箱中存在的燃料可能是多种不同燃料的混合物,其中乙醇的比率可能在起动时是未知的,并且因此包括在0%到100%之间。众所周知的是,ECU知道在发动机停止之前车辆中所存在的燃料,尤其是通过此ECU中所实施的策略。
根据例如图4所示的预先确定的图(该图可以包括表示更多数量的不同燃料的更多条曲线),可以实现至少一个预定的、一一对应的表,该表使多个待喷射燃料量与多个压力梯度分别对应。
优选地:
·针对发动机的给定温度范围,预先确定一一对应的表,该表使多个待喷射燃料量与多个压力梯度分别对应,
•在发动机控制单元中实施多个预定的、一一对应的表,其分别覆盖了发动机的多个范温度围,其中包括至少一个冷起动温度范围,
•该方法还包括,在将确定的梯度与一个或多个预定的、一一对应的表比较之前,测量发动机温度。
图4中,以示例的方式示出了对于等于0℃的起动温度、通过上文所述的方法获得的压力梯度测量的点10。图4中,此测量点的压力梯度dp/dα等于每360°的曲轴旋转(图4中的360°crk)39巴。例如,假设ECU已知的先前燃料是E26燃料。发动机控制单元因此预计对于E26燃料在0℃下等于38.35巴的理论压力梯度dp/dα,如图4中所示,这些数据先前在ECU中实施。一一对应的表将允许ECU对于每360°的曲轴旋转等于39巴的所测量的压力梯度dp/dα确定待喷射燃料量MC。
下文通过借助于图5和图6详细说明预定的、一一对应的表的示例的制定。此类预定的、一一对应的表是ECU已知的。
图5中以横坐标示出以度为单位的发动机的起动温度T_start,且以纵坐标示出在起动阶段中(即,直到发动机达到稳定工况时)从至每个气缸中的初始喷射起通过喷射所应当喷射的以mg为单位的燃料量MC。曲线20、21和22对于图4中的三种不同燃料(分别是E0燃料、E26燃料和E100燃料)示出了根据发动机温度变化的待喷射的此燃料量MC。通过此图5,因此根据起动温度T_start,对于包括在E0燃料与E100燃料之间的任何燃料,确定待喷射的燃料量MC。
根据图5,根据在发动机停止之前ECU已知的对于E26燃料在纵坐标轴上读取的70mg的值,ECU因此准备以常规的方式在至每个气缸中的初始喷射期间喷射等于70 mg燃料的燃料量。此燃料量不对应于如图所示的对于点10所测量的梯度的燃料量,对于点10的燃料量应当更大。应注意,在图5中,仅以信息的方式示出了点10,这在图6中的应用之前并不是已知的。
图6中,以横坐标示出在起动阶段中(即,直到发动机达到稳定工况时)在至每个气缸中的初始喷射期间通过喷射所应当喷射的以mg为单位的燃料量MC,并且以纵坐标示出可以适用于理论的或测量的压力梯度的每360°的曲轴旋转的以巴为单位的压力梯度dp/dα。图6示出了曲线23,其包括多个区段23a、23b、23c、23d,对于如图6所示的不同发动机温度,使得多个燃料量MC与多个压力梯度dp/dα对应,即,曲线23的一个区段对应于一个给定温度或一个给定温度范围。根据曲线23,可以实现预定的、一一对应的表,该表使多个待喷射燃料量与多个所述压力梯度dp/dα分别对应。直接在ECU中实施此类一一对应的表,因为ECU无法直接使用图6。
图6中,曲线23因此包括多个不同的组成部分23a、23b、23c、23d,在该示例中,每个部分都是线性的并且对应于给定温度,即曲线23a对应于20℃的发动机温度,曲线23b对应于10℃的发动机温度,曲线23c对应于0℃的发动机温度,以及曲线23d对应于-10℃的发动机温度。为了实现一一对应的表的示例,确定优选地均匀分布在横坐标轴上的多个值,并且选择纵坐标轴上的相对应的多个值,由此限定预定的、一一对应的表,对于发动机温度的给定范围(在该示例中是-10℃、0℃、10℃、20℃),该表使多个待喷射燃料量与多个所述压力梯度分别对应。
曲线23覆盖E0至E100的全部燃料,因为它是从图4和图5如下所获得的:为了获得对应于20℃的温度的区段23a,在图4中在横坐标20℃上描绘垂线,并且对于所示出的每种E0燃料、E26燃料、E100燃料记录纵坐标轴上的dp/dα值。图5中,还在横坐标20℃上描绘垂线,并且对于所示出的每种同样的E0燃料、E26燃料、E100燃料记录纵坐标轴上的燃料量MC的值。然后在图6上描绘对于区段23a示出的20℃的温度获得的三个点。该操作对于所选择的温度10℃、0℃和-10℃是相似的,从而允许分别获得区段23b、23c和23d。
根据给定温度、或者根据如上所述的给定温度范围,可以实现一一对应的表,即,例如根据分别对应于区段23a、23b、23c、23d的给定温度实现四个一一对应的表。可以可替代方式根据图6实现包括四个区段23a、23b、23c、23d的单个一一对应的表。根据定义,可以声明,图6中给定的区段,例如区段23a、23b、23c或23d,对于唯一参考值附近的给定温度范围(分别在20℃、10℃、0℃或-10℃附近)是有效的。注意到,对于一些梯度dp/dα的值,例如35巴/360 crk,可能有燃料量的两个值,但是对应于两个不同的温度。因此,对于给定梯度,可以通过插值使用燃料量MC的多个值,这些值对应于包括在图6中的若干区段所示出的两个温度之间的多个温度。在一一对应的表中,单个燃料量必须对应于针对一个温度或给定温度范围给定的梯度。已经确定对于构成图6中的曲线23的每个区段23a、23b、23c、23d的范围的选择,以便说明现场对于所示出的每个温度实际上遇到的值的真实情况。
在图6中,压力梯度dp/dα的所测量的点10已经移动。如根据图4已经知道的,此点10不在ECU所已知的任何燃料曲线上。曲线23允许ECU针对梯度dp/dα的测量值确定待喷射的正确的燃料量MC。根据此测量点10,在0℃的温度下,对于每360°的曲轴旋转39巴的压力梯度,在每个气缸的初始喷射期间,待喷射燃料量应当是77.2 mg。而对于在发动机停止之前已知的E26燃料,理论的压力梯度dp/dα在0℃下等于38.35巴(见图4)并且对应于等于70mg的燃料量MC。因此,对于E26燃料,应当喷射的正确的燃料量MC相对于ECU 10起初预计的70 mg的量存在11.03 %的理论增加。
由于ECU不能直接使用图6的曲线,优选地需要进行数字外插,以便根据一一对应的表确定待喷射的正确的燃料量,如下文借助图7所解释。
图7示出了如上所述根据测量梯度dp/dα并且相对于理论梯度dp/dα变化的待喷射燃料量的校正因子表的示例。对于以示例方式提供的包括在35巴和40巴/360°crk之间的梯度dp/dα的范围,图7的表对应于通过ECU对于图6的数字使用,这与压力梯度dp/dα的预期测量值相关,并且是通过根据本发明的方法确定的。图7的表中的dp/dα限值取决于针对温度和高压喷射泵和高压轨的尺寸(轨的体积和泵的气缸工作容积)设置的限值。在表的竖直轴上读取通过根据本发明的方法测量的梯度dp/dα,并且在表的水平轴上读取参考理论梯度dp/dα,这样得到所说明的示例中的点10,点10已经位于图7的表中。点10对应于表的两列之间的值,而且对应于正好在表的一行上的值:因此由ECU可以实施简单的插值,以便获得该示例中待应用的校正系数。
根据测量点10的示例,通过ECU对于如上所述的喷射所预计的燃料量(即70 mg)施加的校正因此大约是11%(理论上为11.03%),以便获得对应于39巴/360°crk的测量梯度的77.2 mg的量。根据图7的表,对于E26燃料,基于数据的线性插值得到相对于基于每360°的曲轴旋转38.35巴的理论压力梯度所确定的燃料量将给出待应用于燃料量的等于1.110的校正因子。在初始喷射之前,则先计算一次此校正,然后在起动阶段一直应用此校正,直到达到稳定的怠速工况。
对于图2中的示例,对于相同的元件,使用与图1相同的附图标记。图2的示例是在与图1的示例相同的条件下进行的,区别在于发动机温度现在保持在20℃。此温度代表比图1的示例高很多的环境温度下的冷起动。
在图2的示例中,如下表II所示记录了下列值:
汽油燃料 |
曲轴角位置 |
记录压力 |
发动机温度 |
第1 TDC |
270° |
4.128 MPa |
20°C |
第2 TDC |
450° |
5.736 MPa |
20°C |
第3 TDC |
630° |
7.233 MPa |
20°C |
即,对于360°的曲轴角位移,压力梯度为3.105 MPa。即大约小于图1中的示例的梯度的30%的梯度。
在图2示出的示例中,对于10 MPa的值,在大约1093°的曲轴角位置处的点6上,达到喷射压力。如该图所示,可以使用三个点3、4和5计算压力梯度,并且在已经到达喷射压力之前、由此在初始燃烧之前获得对待喷射燃料量的调节。
对于图3中的示例,对于相同的元件,使用与图1相同的附图标记。在图3的示例中,如下表III所示记录了下列值:
乙醇燃料 |
曲轴角位置 |
记录压力 |
发动机温度 |
第1 TDC |
270° |
46.9 bars |
20°C |
第2 TDC |
450° |
65.15 bars |
20°C |
第3 TDC |
630° |
82.01 bars |
20°C |
即,对于360°的曲轴角位移,压力梯度为3.511 MPa。即大约大于图2中的示例的梯度的13%的梯度。
在图3示出的示例中,对于10 MPa的值,在大约924°的曲轴角位置处的点6上,达到喷射压力。如该图所示,可以使用三个点3、4和5计算压力梯度,并且在已经到达喷射压力之前、由此在初始燃烧之前获得对待喷射燃料量的调节。
在上面这三个示例中,注意到,压力梯度之间的差异足够大,从而能清楚地区分将在待喷射的燃料的质量上进行的调节。
直接喷射式内燃发动机的起动装置的示例允许加快此起动阶段,这是通过喷射系统在发动机达到稳定工况之前调节在此起动阶段期间所喷射的燃料量,该喷射系统以已知的方式包括:燃料的高压喷射泵,测量由此后者所递送的燃料压力的压力测量机构(例如借助于置于加压燃料的蓄压器轨中的燃料压力传感器FUP),发动机控制单元或ECU,起动机,通过发动机控制单元给出的初始喷射的授权机构,根据本发明以在发动机控制单元中执行的软件的形式还包括:用于实施上述一个或多个示例中所述方法的机构,该机构可以有利地根据车辆的用途和使用该车辆的地理位置(例如根据位置和所使用的燃料和/或燃料混合物的温度)进行调适。