CN109838333A - 用于控制车辆推进系统中发动机在冷启动状态下火花正时的方法和用于执行该方法的控制器 - Google Patents

用于控制车辆推进系统中发动机在冷启动状态下火花正时的方法和用于执行该方法的控制器 Download PDF

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Abstract

一种用于控制车辆推进系统中发动机在冷启动状态下火花正时的方法和控制器。该方法包括确定发动机是否处于冷启动状态，以及在燃烧循环中在上止点之前提前火花正时，使得如果发动机处于冷启动状态，则燃烧热主要由发动机中的燃烧室中的表面接收。

Description

用于控制车辆推进系统中发动机在冷启动状态下火花正时的 方法和用于执行该方法的控制器
技术领域
本公开涉及一种用于控制车辆推进系统中发动机在冷启动状态下火花正时的方法和用于执行该方法的控制器。
背景技术
该介绍总体呈现本公开的背景。目前所述发明人的工作，在本说明书中描述的程度，以及在提交时可能不具有其他资格作为现有技术的描述的方面，既不明确也不隐含地被认为是针对本公开的现有技术。
催化转化器可用于减少来自车辆推进系统中的发动机的气体排放。通常，催化转化器在升高的温度下更有效。例如，“起燃温度”可以是转炉中催化剂对燃烧气体的转化可达到所需效率水平的温度。为了更快地提高催化转化器的温度，特别是在冷启动状态下，可以延迟点火正时，使得来自燃烧的热量主要被引导到排气装置和催化转化器中。
发明内容
如上所述，在冷启动模式期间，发动机可以经历“cat起燃方式”，其中可以延迟点火正时，使得主要的燃烧热量进入催化转化器，从而使在转换器中的催化剂的温度升高快速达到有效的转换温度和/或“激活”温度。然而，虽然这可能解决气体排放的转换，但这种策略并未解决微粒排放问题。本公开的发明人理解，燃料在冷启动期间存在的冷燃烧表面上的冲击导致燃料产生微粒。通常，表面越冷，排放的微粒越多。
本发明人认识到，通过在冷启动期间控制火花正时可以显着减少微粒排放，使得燃烧热主要用于加热燃烧室的表面。与之形成鲜明对比的是，传统的火花正时倾向于在冷启动期间延迟正时以将燃烧热量引导至催化转换器，本公开的示例性实施例提前了火花正时，使得在冷启动模式期间燃烧热主要被引导至发动机中的燃烧室中的表面。以这种方式，在冷启动模式期间可以显着减少微粒排放。
此外，不仅微粒排放物显着减少，而且燃烧室中的燃烧表面的加热提高了后续操作模式的燃烧效率，例如，在催化加热模式中，其中火花正时被延迟。根据本公开，通过在发动机处于冷启动状态时首先加热燃烧表面，可以显着减少在催化加热模式下操作所需的时间量，其中火花正时可以被延迟。因此，利用本公开，可以减少微粒排放，同时减少催化加热模式在达到期望的催化剂温度之前操作的时间量，这也可以进一步减少气体排放。
另外，本公开的示例性实施例在冷启动状态期间提供改善的燃烧稳定性。在冷启动期间，任何燃烧不稳定性都可能导致可能由车辆驾驶员注意到的燃烧策略。驾驶员或乘客可能注意到发动机以可能与“正常”操作相反的方式操作。通过本公开的示例性实施例，可以显着减少在冷启动状态期间从驾驶员的角度“异常地”操作发动机的时间量。
在示例性方面，一种用于控制车辆推进系统中发动机在冷启动状态下火花正时的方法和控制器。该方法包括确定发动机是否处于冷启动状态，以及在燃烧循环中在上止点之前提前火花正时，使得如果发动机处于冷启动状态，则燃烧热主要由发动机中的燃烧室中的表面接收。
在另一示例性方面，火花正时在上止点之前约30度之前。
在另一示例性方面，该方法还包括确定燃烧表面何时超过预定阈值温度并且将火花正时延迟到火花正时之后的时刻，其中燃烧热主要由燃烧室的表面接收。
在另一示例性方面，确定燃烧表面何时超过预定阈值温度包括确定活塞表面何时超过预定阈值温度。
在另一示例性方面，预定阈值温度超过发动机的燃料的蒸发温度。
在另一示例性方面，预定阈值温度大于约一百四十摄氏度。
在另一示例性方面，将火花正时延迟到燃烧热量主要由燃烧室的表面接收的火花正时之后的时刻包括将火花正时延迟到燃烧热主要被发送到排气催化剂的时刻。
在另一示例性方面，该方法还包括调节燃料喷射正时以对应于火花正时，使得如果发动机处于冷启动状态，则燃烧热主要由发动机中的燃烧室中的表面接收。
在另一示例性方面，该方法还包括确定发动机是否已经达到预定速度并且在燃烧循环中在上止点之前提前火花正时，使得如果燃烧热主要由发动机中的燃烧室中的表面接收，则发动机处于冷启动状态并且发动机速度已达到预定速度。
根据下面提供的详细描述，本公开的其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点从包括权利要求的详细描述和结合附图的示例性实施例中变得显而易见。
附图说明
通过详细说明和附图，将更全面地理解本公开，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的发动机系统的功能框图；
图2是在冷启动状态下发动机的各种火花正时策略期间燃烧室表面温度的曲线图；
图3是示出替代冷启动策略的微粒排放的曲线图，其中一个是根据本发明的；并且
图4是示出根据本发明示例性实施例的发动机控制方法的流程图。
在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
当燃料接触冷表面时，燃料不能蒸发并与发动机增压空气充分混合。液体燃料的燃烧产生局部富含燃料的燃烧区，导致形成不希望的微粒排放物。因此，与活塞处于典型操作温度时相比，当发动机中的表面冷时，发动机产生的微粒量可能更大。当发动机关闭一段时间后，燃烧室中的表面可能是冷的。
例如，基于活塞温度偏差进一步调节燃料喷射可以减少在活塞表面上形成的燃料水坑。防止燃料水坑在发动机中的活塞表面上形成可以减少发动机产生的微粒物质的量。
现在参考图1，呈现了示例发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，发动机102基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入燃烧空气/燃料混合物以产生用于车辆的驱动扭矩。驾驶员输入可包括例如加速器踏板位置和/或巡航控制设置。可以从巡航控制系统接收巡航控制设置，巡航控制系统可以是自适应巡航控制系统，其改变车辆速度以维持预定的跟随距离。
空气通过进气系统108被吸入发动机102。进气系统108包括进气歧管110和节气阀112，其可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块(ECM)114控制节气阀致动器模块116，其调节节气阀112的开度以控制吸入进气歧管110的空气量。
来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的汽缸中。虽然发动机102可包括多个汽缸，但为了说明的目的，示出了单个代表性汽缸118。仅作为示例，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个汽缸。ECM114可以停用一些汽缸，这可以在某些发动机操作状态下改善燃料经济性。
发动机102可以使用四冲程循环操作。四个冲程是进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出)的每次旋转期间，四个冲程中的两个发生在汽缸118内。因此，汽缸118需要两个曲轴旋转以经历所有四个冲程。
在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122被吸入汽缸118。ECM114控制燃料致动器模块124，其调节燃料喷射器126以实现期望的空气/燃料比。如图所示，燃料喷射器126将燃料直接喷射到汽缸中。附加地或替代地，可以将燃料喷射到与汽缸相关联的混合室中。另外，燃料可以在中心位置或多个位置喷射到进气歧管110中，例如在每个汽缸的进气阀122附近。燃料致动器模块124可以停止将燃料喷射到停用的汽缸。
在压缩冲程期间，汽缸118内的活塞128压缩空气/燃料混合物。发动机102可以是压燃式发动机，在这种情况下，汽缸118中的压缩点燃空气/燃料混合物。或者，发动机102可以是火花点火发动机(例如，火花点火直喷(SIDI)发动机)，在这种情况下，火花致动器模块130基于来自ECM114的信号激励汽缸118中的火花塞132，点燃空气/燃料混合物。火花的正时可以相对于活塞处于其最高位置的时间来指定，称为上止点(TDC)。
火花致动器模块130可以由正时信号控制，该正时信号指定在TDC之前或之后多远以产生火花。因为活塞位置与曲轴旋转直接相关，所以火花致动器模块130的操作可以与曲轴角度同步。在各种实施方式中，火花致动器模块130可以停止向停用的汽缸提供火花。
产生火花可以被称为点火事件。火花致动器模块130可以具有针对每个点火事件改变火花的正时的能力。当火花正时信号在最后点火事件和下一点火事件之间改变时，火花致动器模块130甚至能够改变下一点火事件的火花正时。在各种实施方式中，发动机102可包括多个汽缸，并且火花致动器模块130可相对于TDC将火花正时改变发动机102中的所有汽缸的相同量。
在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧将活塞向下驱动，从而驱动曲轴。燃烧冲程可以定义为活塞到达TDC和活塞返回下止点(BDC)的时间之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始从BDC向上移动并通过排气阀134排出燃烧副产物。燃烧的副产物经由排气系统136从车辆排出。
排气系统136可包括催化转化器152。催化转化器152可位于排气歧管150的下游并与排气歧管150相邻。
发动机系统100可以使用曲轴位置(CKP)传感器180测量曲轴的位置。可以使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可以是位于发动机102内或冷却剂循环的其他位置，例如散热器(未示出)。
使用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在各种实施方式中，可测量发动机真空，其为环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差。使用质量空气流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管110的空气的质量流率。在各种实施方式中，MAF传感器186可以位于还包括节气阀112的壳体中。
节气阀致动器模块116使用一个或多个节气阀位置传感器(TPS)190监测节气阀112的位置。使用进气温度(IAT)传感器192测量被吸入发动机102的空气的环境温度。使用空气/燃料比(AFR)传感器194测量发动机102输出的排气的空气/燃料比。ECM114使用来自传感器的信号来为发动机系统100做出控制决定。例如，ECM114估计稳态活塞温度和活塞温度与该稳态温度的偏差，然后基于活塞温度调节例如喷射正时、喷射压力、喷射位置和/或每个发动机循环的喷射次数。
现在参考图2，图2是在冷启动状态下发动机的各种火花正时策略期间燃烧室表面温度的曲线图200。曲线图的水平轴202表示时间的流逝，曲线图的垂直轴204表示发动机的燃烧室中的表面温度。如曲线图200所示，在时间206，所有三种策略的燃烧室表面温度在208处基本相同。208处的温度表示具有冷表面温度的燃烧室。燃料在冷表面上的冲击导致在燃烧期间产生大量的微粒排放物。根据本公开的示例性实施例，提前火花正时使得燃烧热量被引导至燃烧室中的表面并由燃烧室中的表面接收，这由曲线图200中的线210示出。可以清楚地看到如线210所示，在应用本发明的示例性实施例期间，燃烧室的表面温度显着增加。表面温度的急剧增加与传统火花正时策略产生的表面温度形成鲜明对比，由线212和214表示，其倾向于延迟正时，使得燃烧热量离开燃烧室，进入排气装置和导向催化转化器并由催化转化器接收。导致温度/时间线212和214的策略差异在于线212的喷射/火花正时策略晚于线214的喷射/火花正时策略。
根据导致温度/时间线210的策略的示例性实施例，当温度达到预定温度216时，火花/喷射正时策略然后可以停止提前火花正时然后进入另一个火花/喷射时间策略。在线210所示的实例中，当表面温度达到预定温度216时，火花/喷射正时被延迟，使得燃烧热现在被引导至催化转化器以将加热器中的催化剂的温度升高至激活温度。
现在参考图3，通过曲线图300示出了可以通过本公开的示例性实施例实现的微粒排放的显着减少。曲线图300的水平轴302表示时间的流逝并且曲线图300的垂直轴分为三个部分：部分304的垂直轴表示产生的微粒的累积量；部分306的垂直轴表示微粒产生速率的瞬时测量值；并且部分308的垂直轴表示微粒排放浓度的瞬时测量值。根据本公开的示例性实施例的由应用提前的火花正时产生的曲线图300的每个部分的结果由线310表示。这些结果与通过应用由线312表示的传统火花正时策略产生的更高浓度微粒的结果形成鲜明对比。在曲线图300所示的示例中，与传统冷启动火花正时策略相比，由提前的火花正时策略产生的微粒可减少约90％。
图4示出了根据本公开的示例性方法的流程图400。该方法在步骤402启动并继续到步骤404。在步骤404，控制器确定发动机是否处于冷启动状态。如果在步骤404，控制器确定发动机不处于冷启动状态，则该方法跳转到步骤412。然而，如果在步骤404中，控制器确定发动机处于冷启动状态，则方法继续到步骤406。在步骤406中，控制器提前发动机的火花正时，使得燃烧热量被引导到燃烧室的表面并继续到步骤406。在步骤408，控制器确定燃烧室表面温度是否超过预定阈值。如果在步骤408中，控制器确定燃烧室的表面温度没有超过预定阈值，则该方法返回到步骤406。然而，如果在步骤408中，控制器确定燃烧室的表面温度超过预定阈值，则该方法继续到步骤410。在步骤410中，控制器改变火花正时，使得燃烧热不再指向燃烧室的表面并继续到步骤412。在步骤412，方法结束。
虽然本公开解释了燃烧循环期间火花正时被提前使得燃烧热量朝向燃烧室的表面，但是应该理解燃料喷射策略可能需要根据提前的火花正时策略进行调整，以使其有效。通常，当提前火花正时时，也可能需要提前燃料喷射正时，以便优化提前火花正时的效果并获得最有效量的燃烧热传递到燃烧室的表面。此外，类似地，可以调整整体火花策略，使得每个燃烧循环的喷射次数、燃料的压力等没有限制，这可能影响将燃烧热量引导到燃烧室表面的提前的火花正时的有效性。
在示例性实施例中，火花正时可以相对于燃烧循环中的曲轴角度在上止点(BTDC)之前提前至少约20度。典型的火花正时策略倾向于在冷启动状态下减少火花。例如，传统的冷启动正时策略可以将火花定时在上止点(即-10度BTDC)之后大约10度。利用提前的火花正时，燃烧在燃烧循环中更早发生并且在燃烧循环中更早地移动，使得在后期压缩冲程期间可以发生至少一部分燃烧，这导致被导入燃烧室的表面的燃烧热量的增加。在优选的示例性实施例中，火花正时可以提前到约30和40度BTDC之间。
传统的冷启动火花策略可以延迟火花正时以便将燃烧热引导到催化转化器和/或火花正时可以基于一些其他传统度量，例如可以基于优化发动机的平均基础扭矩(MBT)。与这些传统的火花正时策略相反，示例性实施例可以提前火花正时，使得燃烧热量被引导到燃烧室的表面，这可以导致很少或不产生扭矩。
根据本公开的示例性实施例，可以在控制器确定发动机处于冷启动状态之后启动将燃烧热量引导至燃烧室表面的提前正时策略。冷启动状态可以由任何数量的因素指示，例如，低发动机冷却剂温度等，但不限于此。此外，在本公开的示例性实施例中，可以在冷启动期间的燃烧状态已经充分稳定之后才启动提前正时策略。例如，在冷启动期间，在示例性实施例中，可以在发动机达到稳定的怠速之后才启动提前的火花正时策略。通常，在包括冷启动策略的任何发动机启动策略中，火花正时没有提前，因为提前的火花正时减少了可能导致失速的发动机的扭矩量。因此，传统的发动机启动策略已经避免提前火花正时以避免发动机停转。
在本公开的示例性实施例中，可以继续提前的正时策略，直到表面温度达到预定阈值。该预定阈值可以对应于例如燃料的蒸发温度。
在本公开的示例性实施例中，控制器可以使用例如活塞表面温度模型，汽缸壁温度模型或任何其他表面温度确定系统和方法来确定燃烧室表面的温度而没有限制。用于对活塞表面温度建模的示例性系统和方法在共同转让的美国专利号8,989,989和9,816,454中公开，其公开内容均以其整体并入本文。在示例性实施例中，当活塞表面温度模型指示活塞表面温度可能超过预定阈值时，用于将燃烧热量引导到燃烧室表面的火花正时提前可以以这样的方式改变，该方式然后可以将燃烧热量引导到别处，例如，引导到催化转化器以将其温度升高到激活温度。
在另一个示例性实施例中，可以基于除燃料蒸发温度之外的因素(例如，可能对燃烧室的部件具有不利影响的温度)来选择预定阈值温度。在一些发动机中，燃烧室表面可以由铝合金制成，铝合金可能对高温敏感。可以选择预定阈值，使得这些发动机中的铝合金不会受到不利影响。
在本公开的另一示例性实施例中，即使在不再提前火花正时策略以将热量引导至燃烧室表面之后，也可继续对表面温度进行建模和/或监测，并且火花正时策略可以如果表面温度下降到最小预定阈值以下，则再次提前。以这种方式，即使在初始冷启动之后，也可以继续使来自燃烧的微粒最小化并且可以继续优化燃烧效率。该策略尤其可用于具有大质量的发动机，其可以快速吸收来自燃烧室表面的热量，直到发动机变热。结果，燃烧室的表面温度可以快速下降并且可以受益于额外的燃烧表面加热以使微粒最小化。
本说明书本质上仅是说明性的，决不是要限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应受此限制，因为在研究了附图、说明书和所附权利要求之后，其他修改将变得显而易见。

Claims (9)

1.一种用于车辆推进系统的控制器，其中，所述控制器被编程为：
确定所述发动机是否处于冷启动状态；以及
在燃烧循环中的上止点之前提前火花正时，使得如果所述发动机处于冷启动状态，则燃烧热主要由所述发动机中的燃烧室中的表面接收。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述火花正时在上止点之前约30度之前。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被编程为：
确定燃烧表面何时超过预定的阈值温度；以及
将所述火花正时延迟到所述火花正时之后的时刻，其中，所述燃烧热主要由所述燃烧室的所述表面接收。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述控制器被编程为通过确定活塞表面何时超过所述预定阈值温度来确定燃烧表面何时超过预定阈值温度。
5.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述预定阈值温度超过所述发动机的燃料的蒸发温度。
6.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述预定阈值温度大于约140摄氏度。
7.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述控制器被编程为将所述火花正时延迟到所述火花正时之后的时刻，其中，通过将所述火花正时延迟到所述燃烧热主要被送到排气催化剂的时刻，所述燃烧热主要由所述燃烧室的所述表面接收。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被编程为调节燃料喷射正时以对应于所述火花正时，使得如果所述发动机处于冷启动状态，则燃烧热主要由所述发动机中的燃烧室中的表面接收。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被编程为确定所述发动机是否已达到预定速度并且在燃烧循环中的上止点之前提前所述火花正时，使得如果所述发动机处于冷启动状态并且所述发动机速度已达到所述预定速度，则燃烧热主要由所述发动机中的燃烧室中的表面接收。
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