CN1240016A - 直接喷油的内燃机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

内燃机可选择地用均匀的混合物或用分层进气进行工作。这两种工作方式究竟选用哪一种除了取决于内燃机的负荷和转数外，也取决于内燃机冷却剂温度。

Description

直接喷油的内燃机的控制方法
本发明涉及直接喷油的外源点燃式内燃机的一种控制方法，这种内燃机既可用均匀的混合物工作，又可在分层进气的情况下用高的过剩空气工作。
直接喷油的内燃机在很小的有害物质排放量的情况下具有减少油耗的很大的潜力。不同于外源点火式内燃机的进气管喷油，在该处燃油喷入进气管可用进气空气混合，并作为一种基本上均匀的空气/燃油混合物流入气缸中，而在直接喷油时，燃油以很高的喷射压力直接喷入燃烧室中。燃油必须以尽可能小的油滴进入气缸的燃烧室，并通过充气层使火花塞范围内的混合物浓缩到保证可靠点火的程度，但燃烧平均在相当贫油的混合物时(空气燃油比λ＞＞1，取决于内燃机的工作范围)进行。
德国专利DE 43 32 171公开了一种用外源点火和直接喷油的四冲程内燃机的运行方法和装置。在这种内燃机中，为了减少油耗和保持最佳的废气排放值，内燃机按不同的判据在五个不同的特性曲线范围内运行。在第一范围内，在避免废气回流的情况下，在完全打开进气横截面时，燃油在进气冲程的过程中喷入燃烧室。在同样避免废气回流的第二范围内，附加改变进气横截面。在第三范围内，在调节废气回流的情况下进气横断面减小到一个一定的小的值，同样在进气冲程内喷油。在第四范围内，在恒定的部分打开和控制排气回流量的情况下，喷油因不断减小的负荷而推迟到点火开始前的压缩冲程。在第五范围内，在部分打开进气横截面和抑制排气回流的情况下，同样在点火开始前的压缩冲程内进行喷油。其中，喷油量的定额和各范围的控制通过与内燃机一起运行的运输工具的供油踏板的位置来进行。
本发明旨在提出一种开始时所述的那类外源点燃的，用直接喷油工作的内燃机的一种控制方法，这种方法可实现各种燃烧方式之间的转换，更好适应内燃机的实际运行条件。
这个目的是通过权利要求1的特征来实现的，其他有利的改进和结构在各项从属权利要求中叙述。
根据本发明的方法，内燃机根据冷却剂温度或者用均匀的混合物或者用分层进气进行工作。这样既可实现催化剂的较快加热，又可实现内燃机本身的较快加热。
对内燃机的整个工作范围提出了两组特性曲线，它们分别具有与内燃机的负荷和转数相应的特性曲线范围，并根据冷却剂温度或者用适用于冷态内燃机的一组特性曲线，或者用适用于热态内燃机的另一组特性曲线来进行控制。
如果热态运行的内燃机以尽可能大的排气回流率工作，则可减少节流损失，由此减少油耗并增加废气温度。
本发明的一个实施例在附图中表示，并在下面的说明中进行详细说明。附图表示：
图1表示根据本发明方法工作的内燃机的原理图；
图2表示在内燃机不同温度时与负荷和转数有关的内燃机工作范围的曲线图。
图1表示高压储能喷油系统(Common rail)的内燃机的粗略示意图，该内燃机根据运行参数既可用均匀的混合物工作，又可用分层进气进行工作，并具有排气回流装置。为清晰起见，图中只画出了对理解本发明所需的那些部分，特别是，只画出了多缸内燃机的一个气缸。
参考符号10表示一个在气缸11中界定一个燃烧室12的活塞。在燃烧室12中通入一条进气通道13，燃烧空气通过该进气通道由一个进气阀14控制流入气缸11中。从燃烧室12中分出的一条排气通道16由一个出气阀15控制，在该排气通道的延伸段内设置了一个宽带(线性)λ探测器形式的氧气传感器17和一个氮氧化物存储催化剂18，该氮氧化物存储催化剂的作用是，在用贫油燃烧的各个工作范围内保持要求的废气极限值。该催化剂用它的涂层吸收在贫油燃烧时在废气中产生的氮氧化合物。
为了减少特别是在直接喷油和分层进气运行的内燃机时内燃机产生的氮氧化物排放量，设置了排气回流。通过在吸入的新鲜空气中掺合已经燃烧的废气，降低了燃烧的最高温度，从而降低与温度有关的氮氧化物排放量。这种机理也适用于内燃机的均匀混合物。所以，为了排气的一定分流的回流，从废气流动方向的废气通道16看去，在催化剂18前分出一根排气回流管19，该管在节流阀20下游通入进气通道13中。回流排气的量由一个借助于一个电子控制装置(STG)21的信号来控制的阀门22进行调节，该阀门一般叫排气回流阀。排气回流阀也可用气动控制例如用一个测压计控制。
气缸11中燃烧所需的新鲜空气通过一个未示出的空气过滤器和一个气量计23流入到节流阀20的进气通道13中。这个节流阀20是一个电动机控制的节流装置(进气)，它的孔口截面除了通过司机(司机的愿望)的操作外，还取决于内燃机通过电子控制装置21的信号来调节的工作范围。所以在给气和断气时例如运输工具的故障变负荷反应完全象在由用均匀混合物工作到用分层进气和不节流的空气通道工作过渡时的扭矩突变那样减小。同时为了监视和检验，向控制装置21发出一个节流阀信号。
在燃烧室12中伸出一个火花塞24和一个喷油阀25，通过该喷油阀可将燃油沿燃烧室12中的压缩压力的相反方向喷入。这种喷油阀25的供油和准备位置通过汽油直接喷入众所周知的高压储能罐喷油系统进行。其中燃油从一个油箱26借助于一个通常设置在该油箱中的一个具有一个预滤器的电动油泵27在很小压力作用下(一般为1巴)供给，然后通过滤油器28送入高压油泵29，该高压油泵29或者机械地与内燃机的曲轴连接或者电传动。该油泵使高压储能罐30(Common rail)中的油压上升到100巴的压力值，全部喷油阀的进油管都连接在该高压储能罐上，并由此向喷油阀供油。高压储能罐30的压力通过控制装置21的一个压力传感器31来测定。储能罐30中的压力根据这个压力信号借助于一个压力调节器32或者调节到一个恒定的值，或者调节到一个变化的值。多余的油不会回流到油箱26中，而是流到高压泵29的入口管上。
温度传感器33例如通过测量冷却剂温度TKW测定相应信号的内燃机的温度。内燃机的转数N借助于曲轴的标记或与它连接的传感器轮的探测传感器34来测定。两个信号输入控制装置21进行进一步处理，特别是关于要选择的控制措施--均匀混合物或分层混合物--对内燃机进行控制。
内燃机工作所需的其他控制参数例如供油踏板位置、进气的温度、节流阀位置、爆露传感器的信号、电池电压、运行动力学的要求等等同样输入控制装置21中，并在图中共用一个参考符号35表示。通过上述参数可在控制装置21中通过放入的执行程序的处理识别内燃机的负荷状态。这些参数也这样进行准备和进一步处理，即在内燃机的一定运行状态时，由用均匀混合物的运行转换到用分层进气的运行和进行相反的转换和/或引入废气的回流。
均匀混合物运行和分层进气运行之间的转换和相反的转换一方面借助于一个电动节流阀对进气通道的孔口截面(节流)的控制和另一方面通过喷油时间点的变化来进行。为了在燃烧室中产生均匀的混合物，在节流运行时喷油提前喷入进气冲程中，而为了产生分层的混合物，则或者在部分节流运行时，或者在完全不节流运行时，喷油后喷入压缩冲程中。
由于催化剂温度对废气排放量具有重要的影响，所以它是内燃机控制和燃烧方式选择的一个重要参数。一方面必须保证它在内燃机冷态启动后尽可能快地达到它的工作温度，另一方面在内燃机正常工作过程中，废气温度必须保持一个足够的值，以便在它的最佳工作范围内启动催化剂。
用极贫油的和分层的混合物工作的直接喷油的内燃机具有很低的废气温度值，特别是在低负荷的工作范围内，废气温度可下降到低于催化剂的启动温度。提高废气温度的一个可能性是废气回流。在内燃机分层进气运行时，回流也用来降低氮氧化物排放量。
提高催化剂温度的一个有效措施是对分层进气运行的内燃机进行节流，这样可缩短由于低温催化剂不工作的时间过程。当然，这个措施会导致油耗优点的一定程度的损害。
内燃机的各种不同工作方式的分布(均匀的、分层的、有和没有废气回流)在内燃机整个负荷和转数的工作范围内如图2所示。
以曲线图的形式示出了两组不同特性曲线KF1、KF2。其中图2A所示的特性曲线适用于冷态的内燃机，而图2B所示的特性曲线则适用于热态的内燃机。在两个特性曲线图中，横坐标表示转数N，纵坐标表示负荷值。作为负荷值例如可以是内燃机的扭矩，平均压力或在进气通道中用气量计测出的空气量。两个曲线图再分成重叠的范围。
内燃机的温度通过温度传感器33的信号处理测出，并与第一阈值比较。如果内燃机的温度TKW低于这个阈值，或在启动后的延续时间小于预定的值，则识别出为冷态的内燃机，且内燃机的控制方式选用图2A所示的瞬时负荷与转数之间的关系特性曲线。
在内燃机冷态启动后，并紧接着热态运转，如温度TKW仍低于阈值时，则在低负荷或低部分负荷范围内和低转数N时，内燃机用轻微贫油的均匀的混合物运行。典型的空气/燃油比λ＝1.05～1.10的范围。这个特性曲线范围在图中用1a表示。空转转数的典型值在横坐标上用NLL＝800 l/分表示。
虽然由于均匀混合物的这种轻微的贫油关系到点火调节的推迟而降低内燃机的效率，但具有这样的优点，即催化剂较快地达到了它的启动温度，从而可将有害的废气成份较快地转换成无害的化合物。
如果内燃机的温度经过这个控制措施仍然低于阈值，但在这期间增加了负荷，则内燃机继续周稍微贫油的混合物和有效的废气回流进行工作(特性曲线范围2a)。该曲线范围2a在较高负荷的方向内由满负荷曲线3a界定。为了内燃机在满负荷运行时获得最大的扭矩，内燃机用均匀的富油的混合物λ＜1无废气回流运行。
从图2A特性曲线过渡到图2B特性曲线或者根据内燃机的温度，或者根据从中推导出的一个参数、特别是冷却剂温度TKW进行。这可例如通过实际温度与上述的阈值进行比较，或检查内燃机启动以来的温度是否增加了一个预定的值。
另一个办法是，可在时间上确定这两组特性曲线之间的过渡。如果一次询问得出内燃机启动以来已进行了一个预定的时间间隔，则可断定为热态内燃机，且内燃机的控制按照图2B特性曲线确定的方式进行。其中，转换值(温度、时间间隔)是对每种内燃机和所用的催化剂在试验上实验求出的，并存入电子控制装置的一个存储器中。
根据图2B的特性曲线，在低负荷和低到中转数范围的热态内燃机用分层进气和有效的废气回流AGR的节流运行(特性曲线范围1b)。在低到高转数的部分负荷范围内，内燃机用分层进气和有效的废气回流运行(特性曲线范围2b)。这时可进行部分节流或不节流。
特性曲线范围3b位于特性曲线范围2b上方。这个范围包括低到中转数的高的部分负荷范围和在很高转数时的低负荷至高的部分负荷范围。在这个特性曲线范围内，内燃机可用均匀的贫油的混合物和有效的废气回流运行。
在更高负荷直至满负荷曲线VL时，内燃机与转数无关，用均匀的化学计量的混合物λ＝1和有效的废气回流运行(特性曲线范围4b)。
在内燃机满负荷VL时，不容许废气回流，并调节富油的均匀的混合物。

Claims (12)

1.  直接喷油的外源点燃式内燃机的控制方法，这种内燃机
-可选择地用均匀混合物或用过剩空气在气缸中形成分层进气的情况下节流或不节流地运行，
-在这种内燃机的一定运行范围内借助于排气回流使排气的一部分混入燃烧空气中，
-燃油的喷入是这样控制的，即：
--为了在气缸中产生均匀的混合物，燃油喷入在相应气缸活塞的上死点和下死点之间的进气冲程中，
--为了在气缸中产生分层进气，燃油在点火前的上死点之前喷入压缩冲程中，
-内燃机的工作范围根据不同特性曲线范围的负荷和转数调节，这些特性曲线范围确定内燃机是用均匀混合物还是用分层进气运行，
其特征在于，
在从用均匀混合物运行转换到用分层进气运行和相反的转换时，考虑了内燃机的冷却剂温度(TKW)。
2.  按权利要求1的方法，其特征在于，对内燃机的整个工作范围提出了两组具有与内燃机的负荷和转数相应的特性曲线范围(1a、1b；2a、2b、3b)的特性曲线，并根据内燃机的冷却剂温度(TKW)用一组或另一组特性曲线(KF1、KF2)来控制内燃机。
3.  按权利要求1的方法，其特征在于，第一组特性曲线(KF1)包括特性曲线范围(1a、2a)，该特性曲线范围用于内燃机启动后和冷态内燃机的控制，而第二组特性曲线(KF2)则包括特性曲线范围(1b、2b、3b、4b)，这些范围用于控制热态内燃机。
4.  按权利要求2或3的方法，其特征在于，当冷却剂温度(TKW)超过预定的阈值时，从第一组特性曲线(KF1)转换到第二组特性曲线(KF2)。
5.  按权利要求2或3的方法，其特征在于，当预定的时间间隔结束时，从第一组特性曲线(KF1)转换到第二组特性曲线(KF2)。
6.  按权利要求4和5的方法，其特征在于，对每种内燃机和所用的催化剂在试验台上实验求出转换值，并将它们存储在为内燃机配置的控制装置(21)的一个存储器中。
7.  按权利要求1的方法，其特征在于，在冷态内燃机和低负荷、低转数时，这种内燃机用轻微贫油的均匀混合物运行(特性曲线范围1a)。
8.  按权利要求1的方法，其特征在于，在冷态的内燃机和高负荷到满负荷时，这种内燃机用轻微贫油的均匀的混合物和有效的废气回流运行(特性曲线范围2a)。
9.  按权利要求1的方法，其特征在于，热态运行的内燃机用最大的废气回流率运行。
10.  按权利要求1的方法，其特征在于，低负荷和低到中转数范围时的热态内燃机用分层进气和有效的废气回流率进行节流运行(特性曲线范围1b)。
11.  按权利要求1的方法，其特征在于，在催化剂(18)的再生过程中，内燃机用富油的均匀混合物运行。
12.  按权利要求1的方法，其特征在于，在外界温度低的情况下，用均匀混合物的内燃机的运行延长，以加速由内燃机驱动的运输工具内部空间的加热。
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