CN1308585C - 多级喷射运转中的燃油计量控制方法 - Google Patents

多级喷射运转中的燃油计量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制多级喷射运转中的直喷式内燃机(10)的燃油计量的两种控制方法，其中在内燃机(10)的气缸(12)的工作循环期间，借助至少一个喷射阀(22)可向气缸(12)进行至少两次燃油的喷射。根据本发明，可这样设定将燃油预储到喷射阀(22)内的压力(轨道压力，PR)和/或这样改变一个工作循环每次喷射喷入的燃油份量和/或在多级喷射期间喷入的燃油总量，即，使喷射阀(22)的调节气门开启时间(Δtk)在工作循环的至少一次喷射中不低于预设的气门开启时间(Δt)。本发明所采取的措施保证了以简单的方法对多级喷射运转中的燃油进行精确计量，并使多级喷射运转方法应用到更广泛的领域，尤其是在低负荷和怠速运转中。

Description

多级喷射运转中的燃油计量控制方法
技术领域
本发明涉及一种直喷式内燃机在多级喷射运转中的燃油计量控制方法，其中可借助一个喷射阀在内燃机的一个气缸的一个工作循环内至少向气缸内进行两次燃油喷射。
背景技术
众所周知，有许多不同的方法可以提高冷起动后内燃机的废气温度，并因此加快了所串联的催化器的热态运转，以便将其置换到运行准备中。
人们已经知道，要想使点火角，即气缸中空气燃油混合气被点燃的时刻，在热态运转期间达到最高效率，就需做延迟调节。通过延迟调节点火角降低了燃烧的工作效率，同时提高了燃烧温度或废气温度。催化器的加热过程也会因废气温度的提高而得到加快。但延迟点火的方法在点火角的调节中也有其局限性，即，它增加了内燃机的不稳定性或不再能保证点火的可靠性。
提高废气温度的另一种方法是已公开的所谓多级喷射法，此方法最近已被利用火花点火的直喷式内燃机采用，它利用喷射阀将燃油直接喷入气缸的燃烧室内(WO 00/08328，EP 0 982 489 A2，WO 00/57045)。此时，在气缸工作循环期间输入的燃油总量被分散，并通过两次喷射被送入气缸的燃烧室内。第一次前级喷射(均匀喷射)出现在气缸的进气行程期间，所喷入的燃油量相对于随后的点火时刻在燃烧室内的分布是基本均匀的。第二次后级喷射(分层喷射)则出现在压缩行程期间，尤其是压缩行程的后半程，并导致了所谓的分层充气。此时，喷入的燃油气雾基本上都集中在气缸的火花塞周围。这样，在内燃机多级喷射运转时就存在由均匀充气与分层充气组合的混合运转。由于多级喷射运转的独特燃烧过程，因此其产生的废气温度要比单纯的均匀运转高。此外，多级喷射运转的另一个优点是它可以减少会影响热态运转期间有害物质逸出的NOx氮氧化物及未燃的HC碳氢化合物的排放量。
然而，在多级喷射期间燃油的精确计量却成为问题。由于要把在一次工作循环中送入的燃油至少分成两次喷射，因此处在高压状态下运转的喷射阀只有极短的气门开启时间。如果气门开启时间低于极限值，那么喷射阀就会在一个所谓的弹道型区域内做功，其特征是燃油的偏差增加。这种燃油计量不准确的问题在发动机低负荷运转，特别是怠速运转区间尤为严重，此时因所需燃油量小，气门开启时间就很短暂。还要考虑的另一个困难是，迄今还没有一种可对两次或多次喷射产生的空气燃料比进行反馈的调节方案。
发明内容
因此本发明的任务就是，提出一种可保证在多级喷射运转中对燃油进行精确计量的方法。除了采用少量的程序技术以外，这种方法应能与现有的发动机控制方案结合成一体。
这项任务可通过一种控制多级喷射运转中的直喷式内燃机的燃油计量的方法得以实现，其中，可借助喷射阀在内燃机的气缸的一个工作循环内至少向气缸内进行两次燃油喷射。
根据上述方法的规定，这样设定将燃油预储到喷射阀中的压力，即，使喷射阀在一个工作循环的至少一次喷射时的调节气门开启时间不能低于设定的气门开启时间。优选地，这样设定这个在后面称之为轨道压力(Raildruck)的压力，即，使喷射阀不在工作循环内所实施的喷射过程中在弹道型区域内做功。如果目前的或所要求的气门开启时间达到或者低于设定的极限气门开启时间，所述轨道压力就会降低。轨道压力的降低会导致受到轨道压力影响的喷射阀燃油流量的减少以及气门开启时间的延长。这样就可以避免喷射阀在所谓的弹道型区域内运转，并以很高的精度来控制燃油的计量。
根据本方法的优选方案，轨道压力最高可调到35巴，尤其为30巴，以25巴为佳。这意味着与通常40-120巴的轨道压力相比明显地降低。
轨道压力可在整个多级喷射期间保持在较低水平。然而要特别说明的是，轨道压力会受到发动机负荷和/或发动机转速的影响。这时就不得不求助于在发动机控制仪中所作的发动机综合特性曲线，它可以根据运转点的情况求出最佳的轨道压力。而最佳轨道压力是使得气门开启时间不低于设定的极限气门开启时间的最大可能压力。
根据本发明的另一种方法所述，一个工作循环的每次喷射所喷的燃料份量和/或在多次喷射期间喷射的燃油总量是这样改变的，即，使要调节的气门开启时间在工作循环的至少一次喷射时，最好是所有的喷射时，都不低于所设定的气门开启时间。
因此特别规定，在每次喷射的燃油量有差异时，即，气门的开启时间不同时，要增加在短时喷射中喷射的燃油量，需要缩短一次长时喷射，直至较短喷射的气门开启时间至少接近于所设定的气门开启时间。在要缩短的长时喷射本身已达到了设定的极限气门开启时间时，燃油份量的这种变化当然也就达到极限。如果仅这项措施还达不到所期待的气门开启时间，即可求助于降低轨道压力。
如果一个工作循环的所有喷射的气门开启时间都低于设定的气门开启时间时，和/或尽管每次喷射的燃油份量不同，但至少还有一次喷射的气门开启时间低于设定的气门开启时间时，那么根据本方法的另一项构型，可以先给这种情况确定公差。只有在进气量调节器修正的调节作用一直增加到它超过了可设定的界限时，在一个工作循环之内输送的燃油总量才会增加。这只有通过与燃油份量成比例地增加每次喷射所喷的燃油量来实现。这项措施特别适合与降低轨道压力的方法配合使用。此外还建议，因燃油总量增加而产生的附加有效扭矩可通过降低发动机效率的措施，尤其是可通过调节点火角，优选是通过调节后级点火角，而至少得到部分补偿。另外，可以设定，在不增加输送的燃油总量或是在它超过了允许公差时，停止多级喷射。在此情况下可以采用其它的催化器加热措施，比如延迟点火的单级喷射方法。
正如已多次提及的那样，为了保证气门开启时间大于设定的气门开启时间，降低轨道压力的措施可尤为有利地与改变每次喷射的燃油份量和/或燃油总量进行组合实施。
极限气门开启时间主要是依据喷射阀的燃油流量的可接受的偏差来设定的。此时，所设定的气门开启时间与一界限相对应。在此界限之上，喷射阀可具有最高为±20％，尤其是最高为±15％，优选地为最高±10％的平均偏差。由于燃油流量的平均偏差与气门开启时间的关系曲线及喷射阀的结构形式有关，所以不易定出具体的气门开启时间的最小设定值。作为基准点，对于目前通用的高压喷射阀而言，将可接受的550μs，尤其为600μs，优选为700μs的开启时间界限称为弹道型区域的极限。这些数值可以根据高压喷射阀的不同结构而有明显的上下偏差。众所周知，一些阀也具有可接受的300μs，尤其为350μs，优选为450μs的开启时间界限。
除了气门开启时间短和因此造成的燃油计量不准确外，至今还缺少一种可根据每次发出的废气信号来对一个工作循环的每次喷射的燃油计量作反馈性调节的方案。本方法的另一种结构的相关规定是，可调节一个工作循环的单次喷射的燃油量，并可预控制该工作循环的至少另一次喷射所喷射的燃油量。在两次喷射的具体情况下，其中在气缸进气行程中会出现第一次喷射，在压缩行程中出现第二次喷射，因此会出现两种可能性，预控制前级喷射和调节后级喷射，或调节前级喷射和预控制后级喷射。此时，预控制通常都是根据发动机综合特性曲线来完成的，该特性曲线通过所要求的燃油量来修正发动机负载要求，尤其是修正吸气管中的节流阀调整和/或踏板数值发生器信号。如此得出的预控制喷射的预控值要加以保持，相反，另一次喷射通常是根据在废气中所测得的至少一种废气成分的浓度，尤其是氧气成分的浓度来调节的。或者，也可以这样设定，即，一个工作循环的所有喷射都要与其所要喷射的燃油份量成比例地调节。此外还规定，测定废气成分浓度的气体探头，特别是进气量探头在发动机起动后达到了运行准备状态的那一刻，才会预控制一个工作循环的所有喷射。此时建立运行准备前的暂时迟滞主要是根据气体探头所处的最低温度和气缸与气体探头之间的废气行程来确定的。
附图说明
下面将结合附图对本发明的实施例作详细说明：
图1内燃机的气缸结构及配置的控制元件的示意图；
图2作为喷射阀的开启时间的函数的所流入的燃油量的平均偏差的曲线图。
具体实施方式
图1仅示范性地示出了一台火花点火、行驶能力偏弱的四行程内燃机10的气缸12。在气缸12的气缸壳体14中安装了一个可轴向活动的活塞16。在这个气缸壳体14的气缸盖18中，带有点火线圈的火花塞20位于中心偏上的位置处，高压喷射阀22则在侧面位置上，利用这个高压阀可以把燃油直接喷入气缸12的燃烧室24中。可通过燃油管路26给喷射阀22提供燃油。可用一个未在图中示出的燃油泵将燃油从一个同样未示出的燃油箱中泵出，并使其达到少许预压。高压泵28可用来产生燃油压力，在正常行驶时，这个燃油压力处于40至120巴之间。燃油压力根据内燃机10的操作点来设定。此外，高压泵28还可以与一未示出的压力调节阀一起，以减缓与喷射阀22串联的燃料边缘30中的压力波动。与这个边缘(轨道)30的英文图纸相对应，以下把向喷射阀22供燃油的压力标定为轨道压力PR。可借助装在边缘30中的压力探头32来测定这个轨道压力PR。此外输送新鲜空气的进气管34也通向气缸12的气缸盖18，这样就可以通过装在进气管34中的节流阀36来控制气流量。此外，排气管38也通向燃烧室24，从而使来自燃烧室24的废气以及来自其它气缸的废气移动至废气管40中。安装在排气管38或废气管40中的进气量探头42会测定出废气中的氧含量，并能对输送到内燃机10或气缸12中的空气燃油比进行调控。至少可以利用置放在废气管40中的催化器44来转化废气中的有害物质。在考虑了许多不同的运行数据后认定，可通过发动机控制仪46来调控内燃机10的运行状态。
特别是在发动机冷起动后，催化器44一般还达不到对有害物进行充分转化所需的运行温度。这种情况可以借助在催化器44之前，之后或之中所测得的温度探头信号通过发动机控制仪46来识别。为了提高废气的温度，加快催化器44的热态运转，发动机控制仪46会将内燃机10切换到多级喷射运转。此时在气缸12的进气行程中借助喷射阀22进行第一次前级燃油喷射，在接下来的压缩行程中，尤其是在该行程的后半程会进行第二次后级喷射。相应的喷射角aE和喷射阀22的气门开启时间Δt同火花塞20的点火角αz一样都可以通过发动机控制仪46来设定。在前级喷射中输入的燃油在点火时刻αz在燃烧室24内基本呈均匀制备状态。相反在后级喷射中输入的燃油则形成了分层气雾，它在点火时刻αz集中在火花塞20周围。之所以会形成这个所谓的分层充气，是因为有活塞16的活塞顶独特的凹腔结构支持。将在一个气缸12工作循环期间喷入的燃油总量分成两次喷射，要求喷射阀22的开启时间Δt很小，而且造成了燃油计量不准确的问题。
为便于理解，在图2中示出了根据气门开启时间Δt的流过的燃油量σks的百分比平均偏差。在气门开启时间大于700μs时，燃油流量σks会在大约5％的低水平上近乎恒定的偏差。在小于Δtb时喷射阀22是在所谓的弹道型区域内。其特征是随着开启时间变小，所通过的燃油量σks的偏差快速增加。气缸12每个工作循环之间的燃油计量的随机偏差会产生进气量调节持续的高干涉及空气燃油比的调节整个都不准确。在内燃机10怠速运转时的典型轨道压力PR为40至120巴时，多级喷射运转的两次喷射时的气门开启时间一般在350至500μs的范围内，也就是不精确的弹道型区域内。因此本发明规定，可这样设定或者改变轨道压力PR，和/或输送的燃油总量，和/或在总的燃料量中每次喷入的燃料量的份额，即，使其不低于所设定的极限气门开启时间Δtk。从图2例示的曲线看，当燃油计量的最大可接受偏差在±10％时，极限的气门开启时间Δtk可设定为约500μs。然而，按照比较严格的设定，最好接近或等于弹道型的极限Δtb。然而需要再次指出的是，所示曲线及所提到的数值仅是示例，且与喷射阀22的结构有很大关系。
如果发动机控制仪46识别出前级和/或后级喷射气门开启时间Δt低于设定的开启时间Δtk，那它会先以延长喷射来增加在短时喷射中喷入的燃油量。在较长时间的喷射本身也被减少到进入了喷射阀22的弹道型区域内时，喷射份额的这种变化才达到了它的极限。如果两次喷射都在弹道型区域内，那么这种情况可一直持续到要修正的进气量调节作用超过了所设定的界限为止。然后再增加总的喷入燃油量，此时两次喷射的气门开启时间Δt一般来说是会延长的，优选地，两次喷射的气门开启时间Δt都大于所设定的极限Δtk。由于燃油总量增加而产生的发动机有效力矩可以通过调节点火角αz，优选地通过调节后级喷射的点火角而得到补偿。作为对这些措施的选择或补充，多级喷射运转中的轨道压力PR最好降到25巴以下。因此特别规定，要依据踏板数值发生器信号PWG所显示的发动机负荷和/或发动机转速n来调节轨道压力的降低。这样在发动机负荷较低时设定的轨道压力PR要比发动机负荷较高时的低，此时所要求的燃油量和所需的气门开启时间Δt必然较低。
进一步规定，对多级喷射运转的两次喷射中的一次，比如在进气行程中发生的前级喷射进行预控制，而对另一次喷射，比如在压缩行程中发生的后级喷射进行调节。为此先要依据所要求的发动机负荷，尤其是踏板数值发生器信号PWG来计算出发动机控制仪46所需的气流量，并相应地操纵节流阀36。同时可根据节流阀的调整，发动机控制仪46计算出所需的总输入油量，并根据最佳的设定将其分配成两次燃油喷射。此时要根据所存储的发动机综合特性曲线为所控制的前级喷射设定喷射阀22的气门开启时间Δt，并保持其恒定。相反，已调节过的后级喷射则借助于通过进气量探头42所接收的废气中的进气量信号进行调节。后级喷射的气门开启时间Δt要根据所测定的进气量与额定值的偏差来调节。或者也可以选择两次喷射的气门开启时间Δt与其在总的气门开启时间中的份额成比例地进行调节。
通过采取本发明所述的措施，就可用简单的方法来保证在多级喷射运转中精确的燃油计量，使之能在更宽的运行范围使用多级喷射运转技术，尤其是低负荷和怠速运转。这种方法在没有结构上的额外花费情况下，以简单的方式被结合到现有的发动机控制方案中。
                    参考符号表
10    内燃机
12    气缸
14    气缸体壳体
16    活塞
18    气缸盖
20    火花塞
22    喷射阀
24    燃烧室
26    燃油管路
28    高压泵
30    燃油边缘(轨道)
32    压力探头
34    进气管
36    节流阀
38    排气管
40    废气管
42    气体探头/进气量探头
44    催化器
46    发动机控制仪
αE  喷射角
αz  点火角
λ          空气系数  进气量
Δt   气门开启时间
Δtb 进入弹道型区域时的气门开启时间的极限
Δtk 极限气门开启时间
n     发动机转速
PR   轨道压力
PWG   踏板数值发生器信号
σks 燃油流量的平均偏差

Claims (28)

1.一种控制多级喷射运转中的直喷式内燃机(10)的燃油计量的方法，其中可借助一个喷射阀(22)在内燃机(10)的一个气缸(12)的一个工作循环内至少向气缸内进行两次燃油喷射，其特征在于，当在一个工作循环内不改变所输送的燃油总量时，实施至少下述措施之一：
a.设定轨道压力PR，在此压力下燃油被预储到喷射阀(22)内，或
b.在一个工作循环的每次喷射的燃油份量和气门开启时间(Δt)互有偏差时，通过缩短至少一次长时喷射来增加短时喷射中喷入的燃油量，
使根据至少其中一个措施进行调节的喷射阀(22)的气门开启时间(Δt)在一个工作循环的至少一次喷射中不低于设定的气门开启时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轨道压力PR设定为最高35巴。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轨道压力PR设定为最高30巴。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述轨道压力PR设定为最高25巴。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轨道压力PR根据发动机负荷和发动机转速的至少其中之一来控制。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在满足以下两个条件的至少其中之一的情况下，才增加在一个工作循环内所输送的燃油总量，所述两个条件为：一个工作循环的喷射所用的全部气门开启时间都低于设定的气门开启时间；以及，尽管每次喷射的燃油份量不同，但至少有一次喷射的气门开启时间(Δt)低于设定的气门开启时间，在这个工作循环要调节的至少一次喷射的气门开启时间(Δt)不低于所设定的气门开启时间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，只有在进气量调节器的调节作用超过设定的界限时，才增加在一个工作循环内输入的燃油总量。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，因燃油总量增加而产生的有效扭矩可通过采取降低发动机效率的措施而至少得到部分补偿。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，因燃油总量增加而产生的有效扭矩可通过采取调节点火角的措施而至少得到部分补偿。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在满足以下两个条件的至少其中之一的情况下，终止多级喷射运转，所述两个条件为：一个工作循环的喷射所需的所有气门开启时间(Δt)都低于所设定的气门开启时间；以及，尽管每一次喷射的燃油份量不同，但至少一次喷射的气门开启时间(Δt)低于所设定的气门开启时间。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所设定的气门开启时间至少要对应于极限气门开启时间(Δtk)，其中存在燃油流量(σks)可确定公差的平均偏差。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所设定的气门开启时间基本上要对应于弹道型气门开启时间(Δtb)。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，喷射阀(22)在高于所设定的极限气门开启时间(Δtk)时，燃油流量(σks)的平均偏差最高为±20％。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，喷射阀(22)在高于所设定的极限气门开启时间(Δtk)时燃油流量(σks)的平均偏差最高为±15％。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，喷射阀(22)在高于所设定的极限气门开启时间(Δtk)时燃油流量(σks)的平均偏差量最高为±10％。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定的气门开启时间为550μs。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定的气门开启时间为600μs。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定的气门开启时间为700μs。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定的气门开启时间为300μs。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定的气门开启时间为350μs。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定的气门开启时间为450μs。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在一个工作循环所喷入的燃油量，要依照实际燃油量与额定燃油量的差额进行调节，并通过这个工作循环的至少另一次喷射对要喷入的燃油量进行调节。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个工作循环的所有喷射都要依据实际燃油量与额定燃油量的差额与其要喷射的燃油份量成比例地进行调节。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，直到测定废气成分浓度的气体探头达到了准备状态时，才对一个工作循环的所有喷射进行预控制。
25.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，直到进气量探头达到了准备状态时，才对一个工作循环的所有喷射进行预控制。
26.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，借助与发动机有关的发动机综合特性曲线进行预控制。
27.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，根据在废气中测得的至少一种废气成分的浓度来调节要喷入的额定燃油量。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，根据在废气中测得的氧气的浓度来调节要喷入的额定燃油量。
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