CN109268160A - 一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，在发动机上设置有冷启动辅助系统；该方法在发动机处于冷启动状态下时，通过闭合进气门、排气门并继续使起动机拖动曲轴旋转的方式，使得活塞对气缸内进气压缩做功以及对气缸壁摩擦做功，使气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气温度不断上升，由此达到预热发动机的目的，从而有效提升发动机的启动效率。经实验验证，本发明方法对于点燃式发动机和压燃式发动机在不同的冷启动环境温度下均能顺利地完成启动，启动效率高，并且冷启动过程中燃油/空气混合气质量大幅提高，有效的降低了缸内直喷发动机冷启动状态下的尾气排放。

Description

一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法。
背景技术
缸内直喷发动机冷启动过程中气缸、进气和燃油温度均很低以及燃油与空气混合时间非常短，造成燃油喷入气缸之后无法与空气形成良好的可燃混合气，导致发动机冷启动困难，甚至低温和超低温冷启动状态下无法完成启动。
目前，解决缸内直喷发动机冷启动困难的技术方案主要有进气预热和气缸内置加热塞等。采用进气预热一定程度上能改善缸内直喷发动机冷启动困难的问题，但由于进气量有限导致预热强度不足(特别是点燃式缸内直喷发动机)，低温和超低温状态下对缸内直喷发动机冷启动改善效果并不理想。采用气缸内置加热塞的方式能很好的解决预热量不足的问题，但高温电热塞极易在进气行程或压缩功行程前期点燃燃油/空气混合气导致发动机工作不正常。除此之外，现有技术中也有一些采用外置加热器加热冷却水和润滑油等来改善缸内直喷发动机的冷启动性能的方案，但由于设备过于复杂、能量利用效率过低，实际中很少应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，克服现有技术中存在的问题，很好的解决缸内直喷发动机冷启动(特别是低温和超低温冷启动)状态下的启动难题，该方法适用于点燃式发动机，也适用于压燃式发动机。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，在发动机上设置有冷启动辅助系统，该系统包括：
进气门可变升程控制机构，该机构用于使进气门随发动机工作行程变化正常开启和关闭，或者使进气门在发动机任何工作行程下都处于关闭状态；
排气门可变升程控制机构，该机构用于使排气门随发动机工作行程变化正常开启和关闭，或者使排气门在发动机任何工作行程下都处于关闭状态；
安装在发动机气缸壁上的水泵离合器，用于连接或终止冷却液泵驱动轮和冷却液泵之间的动力传递；
所述的进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构以及水泵离合器均由ECU控制；
所述的方法包括以下步骤：
步骤1，启动发动机，ECU判断发动机是否处于冷启动状态，当发动机处于冷启动状态时，执行步骤2：
步骤2，发动机处于冷启动状态下的启动
步骤2.1，ECU依次控制喷油器停止喷油、火花塞停止跳火、水泵离合器分离；
步骤2.2，ECU控制起动机的启动电路接通；
步骤2.3，发动机各个气缸的首次进气行程结束后，ECU向进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构发出控制指令，使进气门、排气门在之后的任何行程均处于关闭状态；
步骤2.4，启动电路继续接通，起动机继续拖动曲轴旋转，曲轴旋转过程中带动活塞对气缸内进气压缩做功以及对气缸壁摩擦做功，使气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气温度不断上升；
步骤2.5，ECU通过冷却液温度判断是否预热完成；如果预热尚未完成重复步骤2.4；
步骤2.6，ECU控制喷油器正常喷油，火花塞正常跳火；
步骤2.7，ECU向进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构发出控制指令，使进气门、排气门在之后的行程正常开启和关闭；
步骤2.8，启动电路继续接通后断开，喷油器正常喷油，火花塞正常点后，进气门、排气门正常开启和关闭；
步骤2.9，判断发动机是否启动成功；
步骤2.10，如果发动机启动成功，ECU控制水泵离合器啮合；如果发动机启动不成功，驾驶员可选择是否重新启动发动机。
进一步地，步骤1中ECU判断发动机是否处于冷启动状态，当发动机未处于冷启动状态下时，按照以下方式启动：
步骤3.1，ECU控制水泵离合器分离；
步骤3.2，ECU控制起动机的启动电路接通后断开，喷油器正常喷油，火花塞正常点火，进气门、排气门正常开启和关闭；
步骤3.3，判断发动机是否启动成功；
步骤3.4，如果发动机启动成功，ECU控制水泵离合器啮合；如果发动机启动不成功，驾驶员可选择是否重新启动发动机。
进一步地，步骤1所述的ECU判断发动机是否处于冷启动状态，包括：
ECU根据冷却液传感器判断冷却液温度如果低于T1，则判断发动机处于冷启动状态，否则判断发动机未处于冷启动状态。
进一步地，步骤2.5所述的ECU通过冷却液温度判断是否预热完成，包括：ECU通过冷却液温度传感器获取冷却液温度如果≥T2，则ECU判断预热完成，否则判断预热未完成。
进一步地，所述的判断发动机是否启动成功，包括：
如果启动电路断开后发动机连续N个工作循环平均转速≥n1，则ECU判断发动机启动成功，否则启动不成功。
进一步地，所述的T1的取值为50℃。
进一步地，所述的T2的取值为55℃。
进一步地，所述的n1的取值为600r/min。
进一步地，用于获取冷却液温度的冷却液温传感器安装在发动机气缸盖上。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
1.在不增加预热装置的情况下，通过升级发动机原有控制策略，实现气缸壁、活塞、气缸盖和气缸内空气的预热；
2.气缸壁、活塞、气缸盖和气缸内空气预热的过程中，ECU控制发动机进、排气门处于全关状态同时控制停止冷却水循环，从而可使电能(蓄电池)到热能(气缸壁、活塞、气缸盖和气缸内空气)的能量转化效率接近75％；
3.机械能转变成热能的部位几乎全集中在气缸壁、活塞、气缸盖和气缸内的空气。与其他预热方式(外置加热器)相比，气缸内和气缸周围达到相同预热强度能大幅度减少蓄电池电能消耗(低温和超低温冷启动状态下具有重要意义)；
4.同时预热进气、活塞、气缸壁和气缸盖，杜绝了热的进气进入缸内又被冷的缸壁和活塞冷却；
5.同时预热进气、活塞、气缸壁和气缸盖，保证冷启动(特别是低温和超低温冷启动)状态下燃油能与空气形成良好的混合气，从而使缸内直喷发动机顺利完成冷启动；
6.冷启动(特别是低温和超低温冷启动)过程中燃油/空气混合气质量大幅提高，有效的降低了缸内直喷发动机冷启动状态下的尾气排放；
7.点燃式缸内直喷发动机，冷启动状态下ECU控制供给理论混合气(替代原有浓混合气)，既有助于进一步改善点燃式缸内直喷发动机冷启动过程中的CO和HC排放，也有助于改善点燃式缸内直喷发动机冷启动过程中的燃油经济性。
附图说明
图1为本发明方法的原理示意图；
图2为所述的冷启动辅助系统及周边结构的示意图(点燃式发动机)；
图3为所述的冷启动辅助系统及周边结构的示意图(压燃式发动机)；
图中标号代表：1排气门，2排气门可变升程控制机构，3油轨，4喷油器，5冷却液温度传感器，6进气门可变升程控制机构，7进气门，8冷却液泵，9冷却液泵驱动轮，10水泵离合器，11气缸壁，12曲轴，13启动电机，14活塞，15气缸盖，16转速传感器，17火花塞。
具体实施方式
本发明公开了一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，该方法既适用于点燃式发动机，也适用于压燃式发动机，如图2和图3所示。本发明涉及的发动机本身的构件有：排气门、油轨、喷油器、冷却液温度传感器、进气门、冷却液泵、冷却液泵驱动轮、气缸、气缸壁、曲轴、启动电机、活塞、气缸盖、转速传感器、火花塞以及ECU(车载电脑)。
本发明中为了解决发动机冷启动问题，设置了冷启动辅助系统，该系统包括：
进气门可变升程控制机构，该机构用于使进气门随发动机工作行程变化正常开启和关闭，或者使进气门在发动机任何工作行程下都处于关闭状态；排气门可变升程控制机构，该机构用于使排气门随发动机工作行程变化正常开启和关闭，或者使排气门在发动机任何工作行程下都处于关闭状态。所述的进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构分别与进气门、排气门连接，用以调节进气门、排气门的工作状态；所述的可变升程控制机构可采用电磁阀，通过电磁阀来调节所述的进气门、排气门的开度，从而调节进气门、排气门的工作状态。
安装在发动机气缸壁上的水泵离合器，用于连接或终止冷却液泵驱动轮和冷却液泵之间的动力传递。
另外，与传统的结构不同，由于发动机气缸盖较薄，在冷启动过程中，缸盖内冷却液温度对缸内温度变化响应更快，因此本发明中将冷却液温度传感器安装在了发动机气缸盖上靠近气缸中心的位置。本发明方案中，喷油器的喷油和火花塞(点燃式发动机)的跳火受ECU控制。
本发明方法的步骤具体如下：
步骤1，驾驶员按下启动发动机按钮，启动发动机，ECU判断发动机是否处于冷启动状态，当发动机处于冷启动状态时，执行步骤2，否则执行步骤3；
具体地，ECU根据冷却液传感器判断冷却液温度如果低于T1，则判断发动机处于冷启动状态，否则判断发动机未处于冷启动状态；一般情况下，T1的取值为50℃，即当冷却液温度低于50℃时则认为发动机处于冷启动状态。
步骤2，发动机处于冷启动状态下的启动
步骤2.1，ECU依次控制喷油器停止喷油、火花塞停止跳火(点燃式发动机，如为压燃式发动机则没有火花塞停止跳火这一步骤)、水泵离合器分离；
步骤2.2，ECU控制起动机的启动电路接通；
步骤2.3，发动机各个气缸的首次进气行程结束后，ECU向进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构发出控制指令，使进气门、排气门在之后的任何行程均处于关闭状态；
步骤2.4，预热过程
启动电路继续接通，起动机继续拖动曲轴旋转，曲轴旋转过程中带动活塞对气缸内进气压缩做功以及对气缸壁摩擦做功，使气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气温度不断上升；
步骤2.5，ECU通过冷却液温度判断是否预热完成，预热完成执行步骤2.6；如果预热尚未完成重复步骤2.4；判断是否预热完成的方法为：
ECU通过冷却液温度传感器获取冷却液温度如果≥T2，则ECU判断预热完成，否则判断预热未完成。一般地，T2的取值为55℃。
步骤2.6，ECU控制喷油器正常喷油，火花塞正常跳火；
步骤2.7，ECU向进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构发出控制指令，使进气门、排气门在之后的行程正常开启和关闭；
步骤2.8，启动发动机
启动电路继续接通后断开(即启动电路接通保持ts后自动断开)，喷油器正常喷油，火花塞正常点后，进气门、排气门正常开启和关闭；这里的正常是指发动机处于正常运转状态下时喷油器、火花塞、进气门、排气门的工作状态。
步骤2.9，判断发动机是否启动成功；
如果启动电路断开后发动机连续N个工作循环平均转速≥n1，则ECU判断发动机启动成功，否则启动不成功；n1的取值为600r/min，N的取值为10。
步骤2.10，如果发动机启动成功，ECU控制水泵离合器啮合；如果发动机启动不成功，驾驶员可选择是否重新启动发动机。
步骤3，发动机未处于冷启动状态下的启动
当发动机未处于冷启动状态下时，按照以下步骤启动发动机：
步骤3.1，ECU控制水泵离合器分离；
步骤3.2，ECU控制起动机的启动电路接通后断开(即启动电路接通保持ts后自动断开)，喷油器正常喷油，火花塞正常点火，进气门、排气门正常开启和关闭；
步骤3.3，判断发动机是否启动成功，方法与步骤2.9相同；
步骤3.4，如果发动机启动成功，ECU控制水泵离合器啮合；如果发动机启动不成功，驾驶员可选择是否重新启动发动机。
本发明应用在压燃式发动机上时，除了没有上述步骤中关于火花塞的部分之外，其余步骤相同。
本发明的原理如下：
本发明通过升级发动机原有控制方法，利用活塞对缸内气体压缩做功以及对气缸壁摩擦做功来达到预热气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气的目的，具有简单易于实现的特点。气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气预热的过程中，ECU控制进气门、排气门在发动机首次进气行程之后的任何工作行程内均处于关闭状态，同时控制停止发动机冷却水循环，这能使曲轴和活塞等运动件的机械能转变生成的热能主要集中在气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气中，防止因缸内气体排出和冷却水循环导致气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气热量的流失，有效提升了气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气预热的能量转换效率，一定程度上缩短了气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气的预热时间。
由于本发明涉及的一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法能大幅度提高燃料与空气的混合质量，因此在冷启动过程中无需进行冷启动加浓。为降低发动机冷启动过程中尾气排放和提高发动机冷启动过程中的燃油经济性，点燃式缸内直喷发动机冷启动状态下(常温和低温冷启动状态下)ECU控制供给理论混合气。
本发明方法在点燃式发动机、压燃式发动机上进行了冷启动、排放试验，试验结果如表1至表4所示，从试验结果可以看到，本发明对于点燃式发动机和压燃式发动机在不同的冷启动环境温度下均能顺利地完成启动，启动效率高，并且冷启动过程中燃油/空气混合气质量大幅提高，有效的降低了缸内直喷发动机冷启动状态下的尾气排放。
表1点燃式缸内直喷发动机冷启动试验(试验燃料M100)
表2点燃式缸内直喷发动机冷启动排放试验(试验燃料M100，冷启动环境温度20℃)
表3压燃式缸内直喷发动机冷启动试验(试验燃料生物柴油B5)
表4压燃式缸内直喷发动机冷启动排放试验(试验燃料生物柴油B5，冷启动环境温度5℃)

Claims (9)

1.一种可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，在发动机上设置有冷启动辅助系统，该系统包括：
进气门可变升程控制机构，该机构用于使进气门随发动机工作行程变化正常开启和关闭，或者使进气门在发动机任何工作行程下都处于关闭状态；
排气门可变升程控制机构，该机构用于使排气门随发动机工作行程变化正常开启和关闭，或者使排气门在发动机任何工作行程下都处于关闭状态；
安装在发动机气缸壁上的水泵离合器，用于连接或终止冷却液泵驱动轮和冷却液泵之间的动力传递；
所述的进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构以及水泵离合器均由ECU控制；
所述的方法包括以下步骤：
步骤1，启动发动机，ECU判断发动机是否处于冷启动状态，当发动机处于冷启动状态时，执行步骤2：
步骤2，发动机处于冷启动状态下的启动
步骤2.1，ECU依次控制喷油器停止喷油、火花塞停止跳火、水泵离合器分离；
步骤2.2，ECU控制起动机的启动电路接通；
步骤2.3，发动机各个气缸的首次进气行程结束后，ECU向进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构发出控制指令，使进气门、排气门在之后的任何行程均处于关闭状态；
步骤2.4，启动电路继续接通，起动机继续拖动曲轴旋转，曲轴旋转过程中带动活塞对气缸内进气压缩做功以及对气缸壁摩擦做功，使气缸壁、活塞、气缸盖和缸内进气温度不断上升；
步骤2.5，ECU通过冷却液温度判断是否预热完成；如果预热尚未完成重复步骤2.4；
步骤2.6，ECU控制喷油器正常喷油，火花塞正常跳火；
步骤2.7，ECU向进气门可变升程控制机构、排气门可变升程控制机构发出控制指令，使进气门、排气门在之后的行程正常开启和关闭；
步骤2.8，启动电路继续接通后断开，喷油器正常喷油，火花塞正常点后，进气门、排气门正常开启和关闭；
步骤2.9，判断发动机是否启动成功；
步骤2.10，如果发动机启动成功，ECU控制水泵离合器啮合；如果发动机启动不成功，驾驶员可选择是否重新启动发动机。
2.如权利要求1所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，步骤1中ECU判断发动机是否处于冷启动状态，当发动机未处于冷启动状态下时，按照以下方式启动：
步骤3.1，ECU控制水泵离合器分离；
步骤3.2，ECU控制起动机的启动电路接通后断开，喷油器正常喷油，火花塞正常点火，进气门、排气门正常开启和关闭；
步骤3.3，判断发动机是否启动成功；
步骤3.4，如果发动机启动成功，ECU控制水泵离合器啮合；如果发动机启动不成功，驾驶员可选择是否重新启动发动机。
3.如权利要求1所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，步骤1所述的ECU判断发动机是否处于冷启动状态，包括：
ECU根据冷却液传感器判断冷却液温度如果低于T1，则判断发动机处于冷启动状态，否则判断发动机未处于冷启动状态。
4.如权利要求1所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，步骤2.5所述的ECU通过冷却液温度判断是否预热完成，包括：
ECU通过冷却液温度传感器获取冷却液温度如果≥T2，则ECU判断预热完成，否则判断预热未完成。
5.如权利要求1所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，所述的判断发动机是否启动成功，包括：
如果启动电路断开后发动机连续N个工作循环平均转速≥n1，则ECU判断发动机启动成功，否则启动不成功。
6.如权利要求1所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，所述的T1的取值为50℃。
7.如权利要求4所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，所述的T2的取值为55℃。
8.如权利要求1所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，所述的n1的取值为600r/min。
9.如权利要求1所述的可变气门升程缸内直喷发动机冷启动控制方法，其特征在于，用于获取冷却液温度的冷却液温传感器安装在发动机气缸盖上。
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