CN1225151A - 发动机预热调整 - Google Patents

Abstract

一种在内燃机预热期间控制该内燃机的方法,包括控制发动机的至少一个操作参数,该参数是从发动机预热期开始以来输送给发动机的能量的至少某一度量的函数,由此提高所述预热期间的燃烧稳定性。最好是,输送到发动机的能量的度量是以预热期间输送到发动机的燃料量为基础的。

Description

发动机预热调整

本发明一般涉及一种控制内燃机用的方法，特别涉及在内燃机预热期间(升温阶段)控制这样一种内燃机。

内燃机在其预热期间通常呈现相当差的燃烧稳定性，特别当内燃机处于极低温度下的冷起动时。当内燃机向着其正常操作温度预热时，燃烧稳定性通常提高。在一些由电子控制装置(ECU)控制下的发动机管理系统控制的发动机中，预热期(暖机阶段)定义为发动机在其到达预定的发动机操作温度之前的初始操作时期。

发动机内的燃烧稳定性可以用变差(变化)系数(COV)值来指示。该变差系数值提供在发动机的每个汽缸内总指示扭矩的变化值的指示。总指示扭矩与每个汽缸内的峰值压力直接有关，并可用每个汽缸压力曲线下的面积来以图线表示。总指示扭矩的变化通常由于每个汽缸内的不稳定燃烧而产生，因此变差系数值基本上是发动机运行稳定性的度量。通常，变差系数值的减小指示发动机燃烧稳定性的提高。

已知的在发动机预热期间提高燃烧稳定性的做法(特别在四冲程发动机中)是，使用比通常的空气/燃料混合物更富燃料的混合物来运行发动机和/或在该期间提前点火正时。这些操作参数作为预热期间的发动机冷却液(剂)温度的函数而一般用手动或自动控制。但是，由申请人在其直注喷式发动机上进行的试验表明，对于某些类型的发动机，在冷却液温度和燃烧稳定性程度之间没有直接关系。例如，如果将起动时冷却液温度比如为20℃的发动机与该同一发动机开始起动时冷却液温度较低而在运行一段时间后现在的冷却液温度已为20℃的情况相比，虽然两者的冷却液温度现在已经相同，但每种情况的变差系数值却十分不同。

申请人对某些发动机进行的试验表明，在预热期间，发动机的变差系数值通常随着发动机的冷起动而逐渐减小，直到它达到至少基本恒定的值。该恒定或稳定态的变差系数值通常与当发动机在正常操作温度下运行时(即发动机已经有效预热并已达到令人满意的燃烧稳定性水平)的变差系数值相同。

在预热期间，发动机每个燃烧室内的汽缸气体平均温度(ACGT)和发动机冷却液温度逐渐上升。冷却液温度通常是由于热形式的能量从燃烧室和汽缸壁传递到发动机冷却液通道中而上升的。已经发现，随着起动后一段时间以后的稳定态运行条件，汽缸气体平均温度和冷却液温度之间的温度差至少基本上恒定。这种情况即使当燃烧温度和冷却液温度继续提高时也能存在。该温度差首先达到该基本上恒定值的点大体上对应于变差系数达到其低稳定态值的点。

因此，人们希望，在预热期间某些发动机操作参数发生变化，使得汽缸气体平均温度提高，因而在稳定态操作条件下的燃烧温度和冷却液温度之间的温度差达到上述恒定值。这通常导致变差系数值为像它在正常运行条件下那样的同一低稳定态值，这转过来会有效地导致在预热期间达到可以接受的燃烧稳定性。该恒定的变差系数值将可以通过任何操作条件达到。

继续讨论上述说明，本申请人已注意到，对于一种从一给定的冷却液温度起动的特定发动机构型来说，虽然获得令人满意的燃烧稳定性的时间可能不同，这取决于发动机操作条件和更普遍地取决于发动机在起动后的运行状态，但为了获得该令人满意的燃烧稳定性，始终投入发动机的能量为基本上同一水平。该能量是通过预热期间发动机的每个燃烧室内燃料的燃烧而投放在发动机内的，因此，从起动以来输送到发动机中的燃料量与从起动以来输送到发动机中的能量值有关。也就是，对于一种特定的发动机构型，上述温度差和变差系数值达到一恒定值的点也与正输送到发动机中的一定燃料量有关。

因此，从起动以来供给到发动机中的燃料量和发动机的燃烧稳定性程度之间存在一种相互关系。再说一次，只要发动机在起动时具有同样的初始冷却液温度，那么为达到上述低的稳定态变差系数值而所需的从起动以来供给到发动机的总燃料量(称为“累积燃料”)基本上相同，而不管达到该点的时间要多长。因此，只要使用相同的从起动以来的总燃料量，那么在达到该点之前，不管发动机是在高速操作还是保持空转，都与达到令人满意的稳定性无关。

因此，可以将预热期间单个发动机操作参数的调整(补偿)或变化(修改)程度的基础建立在从起动以来的累积燃料上。也就是，调整可以根据在从起动以来已经有多少燃料输送给发动机来进行。

另外，应当注意到，可以使用估算在预热期间输送给发动机的能量值的其它方法。例如，供给发动机的能量可以通过在预热期间每个燃烧事件的载荷水平的累积值来估算。

因此，本发明的一个目的是，使发动机在预热期间的操作具有低的变差系数值，这是通过根据预热期间输送到发动机的能量的某种度量提供操作参数调整(补偿)来获得的。

本发明的另一目的是使发动机在预热期间具有低的变差系数值，这是通过根据预热期间输送给发动机的燃料量提供操作参数调整(补偿)来达到的。

为此，本发明在一个方面提供一种在内燃机预热期间控制该内燃机的方法，包括控制发动机的至少一个操作参数，该参数是预热期间供给到发动机的能量的至少一定度量的函数。最好是，发动机的该至少一个操作参数是作为在发动机预热期间供给到发动机的能量的至少一定度量的函数而受到控制的，由此提高了所述预热期间的燃烧稳定性。

方便的是，对发动机的该至少一个操作参数的控制可以建立在对预热期间供给到发动机的能量的一定度量连同与发动机操作有关的其它因素的基础上。例如，可以一起使用发动机温度和对预热期间供给到发动机的能量的一定度量来控制发动机的该至少一个操作参数。另外，在较复杂的模型中，可以考虑其它因素，如由于(例如)燃料的不完全燃烧或热量损失而产生的能量最终状况。

最好是，在预热期间供给到发动机上的能量的度量是以在预热期间输送给发动机的燃料量为基础的。

另一种方式是，在预热期间供给到发动机上的能量的度量是以在预热期间每个燃烧事件的载荷水平的累积值为基础的。

方便的是，预热期间的总指示扭矩的变差系数保持在相当低的值。更好的是，预热期间的总指示扭矩的变差系数基本上保持在一个将从预热期后发动机正常运行得到的同样低的恒定或稳定态值。

方便的是，对作为预燃期间待供给到发动机的总燃料量或预燃期间每个燃烧事件的载荷水平累积值的函数的发动机的至少一个操作参数的控制，也取决于发动机起动时的发动机温度。通常，该发动机温度是由其冷却液温度给出的。如下面将讨论的，发动机初始冷却液温度有助于决定该至少一个操作参数在预热期间需要改变到什么程度。

方便的是，关于根据供给到发动机的燃料量累积受到控制的操作参数，发动机的预热期是从发动机起动后要供给发动机预定的燃料值所花费的时间。因此，预热期的长度取决于发动机的运行状态，后者基本上决定要供给发动机预定的燃料量所花费的时间。在这方面，注意到下面一点是重要的，就是本发明的控制方法并不一定要寻求缩短发动机的预热期。相反，可以认识到，需要向发动机供给预定量的燃料以完成该预燃期，并利用该预定量的燃料来精确控制发动机的至少一个操作参数，以便在预热期间提供令人满意的燃烧稳定性。其次，也利用该燃料预定量来决定何时可以停止以此种方式来精确控制发动机的该至少一个操作参数。

但是，先有技术的预热方案依靠监控冷却液温度来决定何时发动机已热而可以去除对各个操作参数的调置，与该先有技术的预热方案相比，本发明的方法可以真正地导致一个较短的预热期。还主要归因于以下事实，就是预热期取决于输送给发动机的燃料量，而操作参数调整能够根据给发动机输送该燃料量而被更精确地撤除。另外，也可以实际上是这种情况，就是预热期由于发动机在预热期内的操作方式而缩短，即使输送到发动机的预定燃料量相同。

最好是，对发动机的至少一个操作参数仅仅控制到预定燃料量已经供给到发动机的那个时间。然后，发动机的该至少一个操作参数以已知方式在随后的发动机操作条件下得到控制，通常是在正常运行图的基础上。

最好是，该限定预热期长度的要供给到发动机的预定燃料量是由在发动机上进行的测量和试验来确定的。

方便的是，发动机的该至少一个操作参数是作为当发动机温度低于一预定值时从发动机起动以来供给到发动机的总燃料的函数来控制的。发动机温度通常由其冷却液温度来给定。另一种方式是，发动机温度可以以发动机本身的一部分如汽缸体或汽缸头的温度为基础，或者可以以发动机的特定部件如汽缸头螺栓或进气阀的温度为基础。

除上述以外，该方法可以更具体地包括：

a）确定为了完成预热期而要供给到发动机的所需的总燃料量；

b)为所述控制发动机操作的至少一个操作参数提供一个预热图(映射)；

c)为所述控制发动机操作的至少一个操作参数选择一个比例因数(系数)，该比例因数是作为预热期开始后供给到发动机的燃料实际量的函数而被选定的；以及

d)使用该比例因数来控制所述控制发动机操作的至少一个操作参数从预热图到正常运行图的过渡。

如上所述，完成预热所需的总燃料量或“总累积燃料”可以作为预热期开始时的发动机温度的函数来确定。发动机温度有效地用作预热期开始时的发动机条件的参考(基准)。为此，可以在由电子控制装置(ECU)提供的“查寻”映射(图)中绘制所需燃料量相对于发动机温度的图线。如上所述，发动机温度通常可以由冷却液温度给出，但也可以由(例如)汽缸体、汽缸头、一个汽缸头螺栓或一个发动机部件的温度给出。

最好是，预热图可以包括该至少一个操作参数用的绝对值。这些值是在预定的起动温度处获得稳定燃烧所需的值，该预定起动温度显著低于正常的操作温度。例如，起动图中的这些值可以以在-10℃获得稳定燃烧为基础。

方便的是，将该比例因数应用到供至少一个操作参数用的某些发动机速度和/或载荷的预热图和正常运行图中相应值之差上。因此，利用增大从起动以来供给到发动机的燃料量可以控制该至少一个操作参数的从预热图到正常运行图的过渡。

控制发动机的至少一个操作参数以便在预燃期间提供令人满意的燃烧稳定性，这基本上导致发动机的每个燃烧室内汽缸气体平均温度(ACGT)的提高，并因此相应地增大汽缸气体平均温度和汽缸冷却液温度之间的温度差。如上所述，该温度差与发动机的总指示扭矩的变差系数有关，因此通过获得一个基本上恒定的温度差，可以在预热期间获得一个低的基本上恒定的变差系数。重要的是，根据本发明的方法，紧接在发动机起动之前，发动机的至少一个操作参数受到控制。也就是，紧接在发动机起动后，通常获得令人满意的燃烧稳定性。

根据本发明控制的发动机的操作参数可以包括供给到每发动机周期(循环)(APC)的该汽缸或每个汽缸的空气，以及因此还包括空气/燃料比和点火正时。其次，关于一种包括双流体喷射系统的发动机如美国专利4934329中所讨论的，可以控制空气喷射的开始(SOA)，后者决定燃料输入到发动机的起始。再次，特别关于一种二冲程发动机如已由申请人开发的，也可以控制该排气阀或每个排气阀相对于汽缸的相应排气孔的位置。尽管如此，根据上述方法控制其它发动机操作参数，被认为属于本发明范围之内。

每个上述操作参数用的比例因数，可以作为供给到发动机的总累积燃料的函数而被确定。这些函数可以对每个操作参数标绘在相应的查寻图(映射)内。取决于在预热期开始时测得的发动机温度，完成预热所需的总累积燃料量可以变化，通常随增大的发动机初始温度而减小。因此，每个查寻图内用于确定比例因数的开始点可以由此而在发动机初始温度的基础上选择。也就是，确定要用于发动机每个操作参数的初始比例因数的开始点是以输送到发动机以完成预热期所需的燃料量为基础的。

上述操作参数用的比例因数可以正常地从预热期开始时的最大值减小到预热期结束时的最小值。因此，在预热期结束时，每个操作参数将达到一个代表在发动机正常操作期间该参数典型设定的值。

比例因数的提供也可以与通往发动机燃烧室的废气再循环(称为“EGR”)的控制有关。但是，因为废气再循环系统的预热通常比发动机其余部分更慢，所以废气再循环的控制可能必须以比发动机其它操作参数更长的时间框架为基础。其次，废气再循环的控制可能与其它操作参数不同，其不同在于废气再循环的程度可以在预热期开始时始终以零值起始，而在发动机的预热期间和超过时可以逐渐增大到所需的正常操作水平。达到该正常水平的时间可以随提高的发动机初始温度而缩短。

虽然上述说明的原理是根据预热期间输送到发动机的燃料量来控制该至少一个操作参数，但应当注意到，可以应用相似的说明来根据某些其它因素来控制该至少一个操作参数，只要这些其它因素与预热期间输送到发动机的能量的量有效地发生关系。

下面参照附图进一步说明本发明，这些附图例示本发明的一个优选实施例。本发明可以采用其它实施例，当然，附图的特殊性不能理解为取代本发明上述说明的普遍性。

附图中：

图1是表示汽缸气体平均温度和发动机冷却液(剂)温度之间的温度差与发动机总指示扭矩的变差系数的相互关系的图线；

图2a至2d是表示作为预热期内供给到发动机的总累积燃料百分率的函数的发动机不同操作参数的比例因数的图线；

图3是一个流程图，表示当用于控制点火正时时根据本发明的一种预热方案。

首先参照图1，该图表示用于一种特定的载荷和速度设定的多个发动机变数相对于时间的图线。曲线A表示跟随发动机起动之后的发动机总指示扭矩的变差系数(COV)。如图中可见，紧接着发动机起动之后，变差系数很高，表示发动机内的燃烧稳定性相当差。当发动机预热时，COV值减小，直到它达到一个相当低的恒定或稳定态的值。这出现在从时间轴上点E附近朝前的时段。

曲线B和C分别表示跟随发动机起动之后的发动机冷却液温度和发动机汽缸气体平均温度(ACGT)。上述两温度随发动机起动而逐渐提高，直到它们达到一个稳定态值，该值在正常的发动机操作条件下通常保持基本上恒定。曲线D表示跟随发动机起动后ACGT和发动机冷却液温度之间的温度差。应当注意到，在曲线D上的点F处，温度差达到一个恒定值，该恒定值随后被保持住，即使当ACGT和冷却液温度继续提高时也如此。同时，点F对应于时间E，在时间E时COV首次达到其相对的稳定态值。因此该图表示导致ACGT和冷却液温度提高的供给发动机的能量与发动机的燃烧稳定性之间的相互关系。

本发明寻求控制发动机的至少一个操作参数，以便基本上如曲线C’所示地增大ACGT，从而从发动机最初起动开始就有效地保持ACGT和冷却液温度之间的基本上恒定的温度差，直到到达由点E指示的时间。也就是，力求保持由曲线D’指示的温度差。通过保持该恒定的温度差，在预热期间的COV用曲线A’表示。因此，这表示在预热期间一种令人满意的燃烧稳定性水平。

另外，可以注意到，在一个实施例中，点E基本上代表一个已输送到发动机中的预定燃料量。虽然点E可以变化，因而代表完成预热的不同时间，但当发动机的操作参数不需校正或调整时，最终导致恒定COV值的燃料预定量将保持相同。该所需燃料量保持相同，而不管发动机操作条件如何(也即不限于稳定态条件，可用于过渡态出现的情况)。

为了在预热期间获得所要的稳定燃烧，可以利用比例因数使操作参数从其正常的绝对值发生变化。也就是，如发动机控制中熟知的，通常为了延长预热期，对发动机的操作参数进行关键的调整。在这方面如前所述，将比例因数应用在发动机的至少一种操作参数的预热图和正常运行图的相应值之间的差上。当发动机起动后供给到发动机的燃料量增大时，对发动机的至少一种操作参数的从预热图中的值到正常运行图中的对应值的过渡受到控制。

例如观看图2a，该图线表示点火正时用的比例因数，它是发动机预热期间跟随发动机起动后供给到发动机的燃料量(也称为“累积燃料”)的函数。该比例因数通常在0和1之间，在预热期开始时该比例因数为最大。在这一点上，比起在正常操作条件下通常使用的点火正时，本发明的方法对点火的正时提供一种显著的进步。在预热期间，当累积燃料值增大时，比例因数相对于累积燃料值以直线方式逐渐减小。在预热期末尾，比例因数达到零，使得点火正时现在是发动机正常操作条件下通常使用的正时。

但是必须注意到，比例因数通常是在发动机将起动而其冷却液温度在某一值，如-10℃以上这一假定下计算的。因此，例如，如果发动机起动而其冷却液温度比如说为-20℃，那么在预热期初始部分使用的比例因数将是大于1。例如，紧随起动的初始比例因数可能是1.5，随后如上所说地减小直到零。

图2b是一类似的图线，表示用于控制空气喷射开始(SOA)的正时的比例因素，它是起动后累积燃料的函数，或者，该空气喷射开始实质上也是一种具有双重流体喷射系统的发动机的燃料喷射开始。与点火正时的比例因数不同，可以看到，如图2b中清楚示出，空气喷射开始的最佳比例因数是相对于累积燃料的非线性函数。

图2c和2d分别表示两种比例因数，它们是用于两冲程发动机中的每周期每汽缸供给的空气(或“APC”)和排气阀位置设定的比例因数，是起动后累积燃料的函数。如前面提到的，可以提供用于发动机其它操作参数如废气再循环(EGR)的其它比例因数。在这方面，可以使用任何合适的关系来在起动后累积燃料百分率的基础上控制一种操作参数。

参照图3，图中示出一个流程，表示根据本发明相对于发动机点火正时的预热方案。对于发动机的上述其它操作参数可以使用一种类似的程序。如流程中所示，在步骤1处，通常通过转动点火开关钥匙来开始发动机的起动。在步骤2处，测定发动机冷却液温度。将该冷却液温度相对于预定的冷却液进行比较，以确定是否需要预热控制方案。例如，对于高于比如说80℃的冷却液温度，发动机不需要通过一个对发动机各种操作参数进行调整的预热程序，因此，发动机的进程将根据正常操作条件而受到控制。

如果需要预热程序，在步骤3通过参考一查寻图12来确定发动机预热期所需的燃料总量(wu-fuel)，该查寻图12是以总累积燃料相对于发动机冷却液温度来绘制的。如果冷却液温度较高，那么就只需较少的预热期总累积燃料。

在步骤4，选择点火正时用的比例因数图中的开始点14。在第二查寻图13中提供比例因数图，该第二查寻图13是以点火正时用的比例因数相对于供给到发动机上的发动机起动后总累积燃料(acc-fuel)来绘制的。该查寻图13符合点火比例因数和总累积燃料之间的关系，如图2a中所示。在查寻图13内的开始点14将取决于完全预热所需的累积燃料量(wu-fuel)。所需的累积燃料量越少，开始点就更向右，如图2a中图线所示。因此，这将导致初始的比例因数用于对较低值的点火正时确定一个调整(补偿)。

在步骤5，发动机的控制该程序的电子控制装置设定一计数器，该计数器将起动后供给到发动机的燃料量增加到零。发动机预热期的真实开始从该时间起始。在步骤6，点火比例因数是从查寻图13得到的。在步骤7，由发动机在预热期的该阶段使用的真实点火提前量是根据下述函数确定的：

ign_adv=比例因数^*(wu_ign-ign_advn)+ign_advn

式中：

“ign_adv”是在预热期间要由发动机使用的真实点火提前量；

“比例因数”是从点火正时查寻图13获得的比例因数；

“Wu_ign”是从预热图获得的点火提前量，该预热图提供相对于预定冷却液温度校准的点火正时的绝对值；

“ign_adv”是从正常运行图得到的点火计时，该正常运行图提供在正常操作条件下由发动机使用的点火正时的绝对值。

在步骤8，在计算得的提前量处出现真实燃料喷射事件和相应的点火事件。在步骤9，供给到发动机的实际燃料量(acc_fuel)与从查寻图12中获得的总累积燃料需要量(Wu_fuel)相比较。如果该两个燃料量相同，那么预热期在步骤10完成。否则，在步骤11由步骤5的计数器将步骤8处喷射的燃料加入到累积的燃料值中。并重复从步骤6开始的程序。

该技术熟练人员可以进行修改和变化，它们都属于本发明的权利要求的范围中。

Claims (21)

1．一种在内燃机预热期间控制该内燃机的方法，包括控制发动机的至少一个操作参数，该参数是预热期间供给到发动机的能量的至少一定度量的函数。

2．一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发动机的至少一个操作参数受到控制，由此提高所述预热期间的燃烧稳定性。

3．一种根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预热期间供给到发动机的能量的一定度量是以预热期间输送给发动机的燃料量为基础的。

4．一种根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于包括在预热期间控制发动机，使得发动机的总指示扭矩的变差系数保持在较低的值。

5．一种根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于包括将所述预热期间发动机的总指示扭矩的变差系数基本上保持在一个对应于预热期后该发动机正常运行期间总指示扭矩的变差系数的值。

6．一种根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，对所述发动机的至少一个操作参数的控制还取决于发动机起动时的发动机温度。

7．一种根据权利要求6的方法，其特征在于，该发动机温度是发动机的发动机冷却液温度。

8．一种根据权利要求6或7的方法，其特征在于，发动机初始温度部分地决定该至少一个操作参数在预热期间需要改变到什么程度。

9．一种根据权利要求6、7或8的方法，其特征在于，输送给发动机的燃料量是发动机温度的函数。

10．一种根据权利要求6至9中任何一项所述的方法，其特征在于包括随着发动机起动时的发动机温度的提高而减少输送给发动机的燃料量。

11．一种根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于包括控制作为在预热期间输送给发动机的燃料量的函数的至少一个操作函数，直到预热期完成。

12．一种根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，该预热期是从发动机起动后要供给发动机预定的总燃料值所花费的时间。

13．一种根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于包括：

(a)确定为了完成预热期而要供给到发动机的所需的总燃料量；

(b)为该控制发动机操作的至少一个操作参数提供一个预热图；

(c)为该控制发动机操作的至少一个操作参数选择一个比例因数，该比例因数是作为预热期开始后供给到发动机的燃料实际量的函数而被选定的；以及

(d)使用该比例因数来控制所述控制发动机操作的至少一个操作参数从预热图到一正常运行图的过渡。

14．一种根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将该比例因数应用到供该控制发动机操作的至少一个操作参数使用的预热图和正常运行图的相应值之差上。

15．一种根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，该操作参数是发动机的点火正时。

16．一种根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，被控制的操作参数可以包括供给到每发动机周期的该汽缸或每个汽缸上的空气。

17．一种根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，该发动机包括一个双流体喷射系统，而被控制的操作参数可以包括所述喷射系统的空气喷射的开始。

18．一种根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，当它应用于一种在该汽缸或每个汽缸排气口处有排气阀的二冲程发动机时，被控制的操作参数包括该排气阀或每个排气阀相对于排气口的位置。

19．一种根据权利要求13和从属于权利要求13的权利要求15至18中任何一项所述的方法，其特征在于，该比例因数是作为要供给到发动机的所需的总燃料量的函数而被确定的。

20．一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发动机的操作参数是排出的废气对发动机的再循环，该方法包括在发动机的预热期间和紧随其后控制排出废气的再循环。

21．一种根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预热期间供给到发动机的能量的一定度量是以预热期间每个燃烧事件的载荷水平的累积值为基础的。

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