CN1540151A - 燃料喷射控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适当地控制燃料的预混合期间从而可改善排放气体的燃料喷射控制装置。其是使喷射于燃烧室(10)内的燃料在该燃料的喷射结束后、经预混合期间着火的燃料喷射控制装置，具有根据发动机运转状态等确定作为目标的预混合期间的目标预混合期间确定机构，检测出实际的预混合期间的实际预混合期间检测机构，和以使所述实际预混合期间接近所述目标预混合期间的方式调节燃料的预混合期间的预混合期间调节机构。

Description

燃料喷射控制装置
技术领域
本发明涉及一种谋求改善排放气体的燃料喷射控制装置。
背景技术
以往，在柴油机中，通常是在汽缸内(燃烧室内)成为高温高压的活塞的压缩上止点附近喷射燃料以进行燃烧的。
被喷射的燃料为与吸入空气相混合的混合气，该混合气着火而形成火焰，通过向该火焰供给后续的喷射燃料来继续燃烧。该燃烧方式为在燃料的喷射中开始着火的燃烧方式，在本说明书中称作通常燃烧。
可是，近年来，提出了一种通过将燃料喷射时期(时刻)早于压缩上止点，以延长着火滞后期间，并充分促进燃料和吸入空气的混合，由此不会造成大幅度的燃料消耗率恶化且能够大幅度地降低NOx和烟度的新的燃烧方式(例如专利文献1和2)。
具体地讲，从压缩上止点前的进气行程到压缩行程期间进行燃料喷射，在燃料的喷射结束后，经过预定的预混合期间，开始着火。在这种燃烧方式中，由于着火滞后期间加长，混合气被充分稀薄和均匀，从而局部的燃烧温度下降，降低了NOx排出量。另外，因避免了局部空气不足状态下的燃烧，也抑制了烟度。如此早于压缩上止点来喷射燃料，并且在燃料的喷射结束后开始着火的燃烧和喷射方式在本说明书中称作提前预混合燃烧和提前预混合喷射。
专利文献1：日本特开2001-20784号公报
专利文献2：日本特开2002-327638号公报
尽管是如此有效地改善排放气体的提前预混合燃烧(喷射)，但燃料的着火时期的控制困难，很难实现。也就是说，在上述的通常燃烧中，由于是在燃料的喷射中燃料着火(发火)，着火时期通过控制燃料喷射时期能够较容易地进行控制，但在提前预混合燃烧中，只通过燃料喷射时期的控制，不能充分地控制着火时期。
正如“具体实施方式”部分所详细说明的那样，本发明人确认，在提前预混合燃烧中，不能将从燃料的喷射结束时期起到着火开始为止的期间(该期间在本说明书中称为预混合期间)控制在适当的范围内的话，不仅不能获得排放气体的净化效果，而且也会使HC的排出量和燃料消耗率等恶化。因此，实现提前预混合燃烧不可或缺地是要适当地控制燃料的着火时期和预混合期间。
为此，本发明的目的是解决上述的技术问题，提供一种能适当地控制燃料的预混合期间从而改善排放气体的燃料喷射控制装置。
发明内容
为了实现上述目的，本发明为使喷射于燃烧室内的燃料在该燃料的喷射结束后、经预混合期间着火的燃料喷射控制装置，其特征在于，具有：根据发动机运转状态等来确定作为目标的预混合期间的目标预混合期间确定机构；检测出实际的预混合期间的实际预混合期间检测机构，和以使所述实际预混合期间接近所述目标预混合期间的方式调节燃料的预混合期间的预混合期间调节机构。
在此，所述实际预混合期间检测机构可具有检测出所述燃料的喷射结束时期的喷射结束时期检测机构，和检测出燃料的着火时期的着火时期检测机构。
另外，所述着火时期检测机构可以由检测出所述燃烧室内的压力的汽缸内压传感器、被设置在所述燃烧室内的离子传感器、检测出内燃机的加速度的加速度传感器中的任意一个或多个的组合而构成。
此外，所述预混合期间调节机构可以为控制燃料的喷射时期和/或喷射压力的机构。
另外，所述预混合期间调节机构可以具有：将排放气体回流于所述燃烧室内的排放气体回流机构、变更所述燃烧室的容积以使压缩比变化的可变压缩比机构、改变进排气阀的开关定时以使压缩比变化的可变阀定时机构、将水或乙醇等液体向所述燃烧室内喷射的喷射机构中的任意一个或者多个的组合。
附图说明
图1为具有本发明一实施例的燃料喷射控制装置的发动机的示意图。
图2为示出进行预混合期间不同的2种燃烧时的缸内平均气体温度、热释放率和缸内压力的测定结果的图表。
图3为示出进行预混合期间不同的2种燃烧时的NOx排出量、冒烟浓度和燃料消耗率的测定结果的图表。
图4为示出对预混合期间进行种种改变从而进行燃烧时的冒烟浓度、NOx排出量、THC排出量、CO排出量和燃料消耗率的测定结果的图表。
具体实施方式
以下，根据附图详细地说明本发明的较佳的一实施例。
本实施例适用于共轨式直喷柴油发动机，用图1说明其大致结构。另外，虽然图1中只示出一个汽缸，当然也可以是多个汽缸。
图中1为发动机主体，其由汽缸2、汽缸盖3、活塞4、进气口5、排气口6、进气阀7、排气阀8、喷油器(燃油喷射阀)9等构成。在汽缸2与汽缸盖3间的空间中形成燃烧室10，燃料从喷油器9直接向燃烧室10内喷射。在活塞4的顶部形成空腔11，空腔11成为燃烧室的一部分。空腔11成为底部中央隆起的环形燃烧室的形态。另外，本发明的燃烧室的形状并没有限制，也可以是凹形燃烧室等。喷油器9与汽缸2大致同轴设置，燃料从多个喷射孔同时成放射状喷射。喷油器9与共轨24相连接，被贮存在该共轨24中的高压燃料被时常向喷油器9供给。向共轨24中的燃料压送是由高压供给泵25来进行的。进气口5与进气管12相连接，而排气口6与排气管13相连接。
本实施例的发动机具有将排放气体向燃烧室10内回流的EGR装置(排放气体回流机构)19。EGR装置19具有将进气管12和排气管13进行连接的EGR管20、调节EGR率用的EGR阀21、在EGR阀21的上游侧冷却EGR气体的EGR冷却器22。在进气管12中，在与EGR管20的连接部的上游侧设有将进气适当节流用的进气节流阀23。
设有电控该发动机用的电控单元(以下称作ECU)26。ECU26从各种传感器类检测出实际的发动机运转状态，并根据该发动机运转状态，控制喷油器9、ECR阀21、进气节流阀23、和调节来自高压供给泵(供油泵)25的燃料压送量的调量阀(未图示)等。作为前述传感器类，包含有检测出油门开度的油门开度传感器14、检测出发动机的转速的发动机回转传感器15、检测出发动机的曲轴(未图示)的角度的曲柄角度传感器16、检测出共轨24内的燃料压力的共轨压力传感器17等，实际的油门开度、发动机转速、曲柄角度、共轨压力等被输入到ECU26。
喷油器9具有作为通过ECU26而被接通/断开的电执行器的电磁阀(電磁ソレノイド)，电磁阀接通时，成为开启状态，喷射燃料，同时，电磁阀断开时，成为关闭状态，停止燃料喷射。ECU26根据示出了发动机转速和油门开度等的发动机运转状态的参数，确定燃料的喷射开始时期(时刻)和喷射量，随之，使喷油器9的电磁阀接通或断开。
在此，本实施例的燃料喷射控制装置执行提前预混合燃烧(喷射)。也就是说，ECU26在压缩上止点前(提前)使喷油器9打开来执行燃料的喷射，该喷射的燃料在燃料的喷射结束后，经过预混合期间而着火、燃烧。本实施例的燃料喷射控制装置适当地控制燃料的预混合期间(即，从燃料喷射结束后到燃料着火为止的期间)，从而能够可靠且有效地改善排放气体，下面，对此进行说明。
本实施例的燃料喷射控制装置具有根据发动机运转状态等确定作为目标的预混合期间的目标预混合期间确定机构、检测出实际的预混合期间的实际预混合期间检测机构、和以使上述实际预混合期间接近上述目标预混合期间的方式调节燃料的预混合期间的预混合期间调节机构，通过这些机构适当地控制燃料的预混合期间。
目标预混合期间确定机构具体由ECU26构成。即，在ECU26中预先输入图形或计算式，该图形和计算式按照表示出发动机转速或油门开度等的发动机运转状态的每个参数来确定最合适的预混合期间(目标预混合期间)。所谓最合适的预混合期间为能够有效地降低NOx或烟度等、并且HC排出量和燃料消耗率不会恶化的预混合期间，通过预先实验或模拟等而求出。ECU26根据油门开度传感器14、发动机回转传感器15等的检测值，从图形或计算式中确定目标预混合期间。
实际预混合期间检测机构具有检测出燃料的喷射结束时期的喷射结束时期检测机构和检测出燃料着火时期的着火时期检测机构，通过这两个检测机构检测出的实际的燃料喷射结束时期和实际的燃料着火时期，计算出实际的预混合期间。
喷射结束时期检测机构在本实施例中由ECU26构成。ECU26根据基于示出发动机运转状态的参数而确定的燃料的喷射开始时期和喷射量等，算出燃料的喷射结束时期。具体为，首先，根据燃料喷射量和共轨压力(燃料喷射压力)算出燃料的喷射期间，同时，将从燃料的喷射开始时期只延迟喷射期间的时期确定为燃料喷射指示结束时期(将喷油器9的电磁阀切换为断开(OFF)的时期)。将从该燃料喷射指示结束时期开始，只延迟了从喷油器9的电磁阀被断开起到喷油器9成为实际关闭为止所需的期间(动作延迟期间)的时期确定为燃料喷射结束时期。喷油器9的动作延迟期间通过预先试验等由发动机转速或油门开度等的各种参数的每一个求出，并作为图形或计算式输入到ECU26。
着火时期检测机构在本实施例中具有ECU26，面对着燃烧室10内部而被设置、检测出燃烧室10内的压力的汽缸内压传感器30。即，由于燃料着火时燃烧室10内的压力急剧上升，将汽缸内压传感器30的检测值急剧变化(上升)的时期判断为燃料的着火时期。汽缸内压传感器30的检测值被输入到ECU26中，ECU26根据该检测值判断着火时期。
预混合期间调节机构在本实施例中，具有ECU26和EGR装置(排放气体回流机构)19，以将实际预混合期间检测机构检测出的实际的预混合期间与目标预混合期间确定机构所确定的目标预混合期间相比较，调节燃料的预混合期间，以使得其差变无、即实际预混合期间接近目标预混合期间。
在本实施例中，预混合期间的调节通过如下所示的3种方法中的任一或多个方法的组合来进行。
(1)燃料喷射时期的调节。由于将燃料的喷射时期越是提前(提前角一侧)预混合期间则越长，反之，越是延期(滞后角一侧)预混合期间则越短，所以在实际预混合期间比目标预混合期间短时，将燃料的喷射开始时期向提前角侧调节，相反，实际预混合期间比目标预混合期间长时，向滞后角侧调节。
(2)燃料喷射压力(共轨压力)的调节。存在着燃料的喷射压力越低则预混合期间越长、相反越高则预混合期间越短的倾向。为此，在实际预混合期间比目标预混合期间短时，将燃料的喷射压力向下降侧调节，相反，在实际预混合期间比目标预混合期间长时，将燃料的喷射压力向上升侧调节。
另外，在(1)、(2)的方法中，燃料的喷射时期和喷射压力的调节考虑到从发动机运转状态确定的燃料的喷射量或发动机所要求的输出等来进行。
(3)由EGR装置19进行的EGR率的调节。通过提高EGR率并且降低混合气的氧浓度和压缩端温度，预混合期间变长，相反，如降低EGR率，则预混合期间变短。在此，实际预混合期间比目标预混合期间短时，调高EGR率，相反，实际预混合期间比目标预混合期间长时，调低EGR率。如此，本实施例的EGR装置19具有降低NOx的功能和调节燃料的预混合期间的功能。
下面，说明预混合期间的控制(调节)方法的一例。另外，在本实施例中，从高输出和低燃料消耗率的观点出发，以燃料的着火时期成为压缩上止点TDC的方式进行控制。
首先，根据发动机转速和油门开度等，由图形或计算式确定燃料的目标着火时期和目标预混合期间。上述的目标着火时期为压缩上止点TDC。目标预混合期间根据发动机转速或油门开度等的参数而变化。
然后，根据着火控制模型，对满足确定的目标着火时期和目标预混合期间的燃料喷射时期、喷射压力和EGR率进行计算。燃料的预混合期间因根据发动机冷却液温度、吸入空气温度、进气压力等各种条件而变化，预先利用实验或物理公式针对每个发动机制成着火控制模型。另外，在本实施例中，由于燃料的着火时期为压缩上止点TDC，从而燃料的喷射开始时期成为只从压缩上止点TDC提前目标预混合期间和燃料喷射期间的时期。
下面，根据计算出的燃料喷射时期、喷射压力、EGR率，控制喷油器9、EGR装置19等。并且，由喷射结束时期检测机构检测出实际的燃料喷射结束时期，由着火时期检测机构检测出实际的燃料着火时期，并根据这些检测值，算出实际的预混合期间。
接着，算出实际的预混合期间和目标预混合期间的差，考虑进该差地确定下次燃料循环中的预混合期间调节参数(燃料喷射时期、燃料喷射压力、EGR率)的控制量。由此，使实际预混合期间接近目标预混合期间，能够可靠且有效地降低烟度。
另外，最初从图形确定预混合期间调节参数(燃料喷射时期、燃料喷射压力、EGR率)，当实际预混合期间和目标预混合期间偏差时，可修正各预混合期间调节参数。
如此，根据本实施例的燃料喷射控制装置，可适当地控制燃料的预混合期间，从而能够有效且可靠地改善排放气体，同时，不会使HC的排出量和燃料消耗率恶化。
图2示出进行燃料喷射时期和预混合期间不同的2种燃烧(喷射)时的、汽缸内平均气体温度Tmean(K)、热释放率ROHR(J/℃.A.)以及汽缸内压力Pcyl(MPa)的测定结果。另外，图3示出此时的NOx排出量(g/kWh)、冒烟浓度(FSN)以及燃料消耗率BSFC(g/kWh)的测定结果。
图中，I是使燃料的喷射开始时期约为16°BTDC(-16°ATDC)的，II是使燃料的喷射开始时期约为6°BTDC(-6°ATDC)的。I和II都被控制成在压缩上止点TDC后燃料着火。即，在I中，被调节成预混合期间TmixI较长(曲柄角约为13°)，而在II中，被调节成预混合期间TmixII较短(曲柄角约为3°)。
正如图2所示，汽缸内平均气体温度Tmean以及汽缸内压力Pcyl在预混合期间长的I一侧，与预混合期间短的II相比要高一些。另外，热释放率ROHR在I、II时大致相同。
另外，正如图3所示，NOx排出量和冒烟浓度在预混合期间长的I时，与预混合期间短的II相比被降低。特别是，对于烟度，相对于II为1.51(FSN)在I中完全不被排出。结果，即使热释放率相同，如预混合期间不同，很显然烟度和NOx的排出量有很大的不同。即，即使只根据热释放率来控制燃料喷射，也很难有效地净化排放气体，很显然必须适当地控制预混合期间。
另外，对于燃料消耗率BSFC，I和II中大致相同。这个被认为是由于两者的着火时期大致相同所致。即，燃料着火时期对燃料消耗率的影响较大。
下面的图4示出对预混合期间进行种种改变来进行燃烧(喷射)时的、冒烟浓度(FSN)、NOx排出量(g/kWh)、THC排出量(g/kWh)、CO排出量(g/kWh)以及燃料消耗率BSFC(g/kWh)的测定结果。图中，横轴为由曲柄角表示的预混合期间，该图示出使预混合期间在0℃A～16℃A的范围内变化时的测定结果。另外，燃料着火时期固定在压缩上死点TDC。
正如图示，冒烟浓度和NOx排出量在预混合期间长时被降低。即，预混合期间在不小于约5℃A，冒烟浓度大致成为零等级，预混合期间在不小于约7℃A，NOx排出量大致成为最低值。这意味着在预混合期间中，燃料被充分稀薄。如此，如只关注烟度和NOx的话，预混合期间最好在不小于约7℃A。
可是，正如图示，预混合期间过长时，THC的排出量就会增加。这是由于，虽然为了加长预混合期间，必须提前燃料喷射开始时期，但燃料喷射开始时期过于提前时，因在活塞4位于极下方的状态下喷射燃料，喷射的燃料不会进入空腔11中，会附着于汽缸侧壁等上而作为未燃烧燃料被排出。特别是，从燃料消耗率和输出方面考虑，因必须将燃料的着火时期设定在TDC附近(例如0～5°ATDC)，为了加长预混合期间，不得不使燃料喷射开始时期提前。因此，为了不增加THC排出量，必须使燃料喷射开始时期的提前角侧的界限成为从喷油器9喷射的燃料刚好进入空腔11中的时期。
根据上述，在降低NOx和烟度的同时，为了避免HC排出量和燃料消耗率的恶化，很显然必须使预混合期间处于预定的范围内。在图4例中，该范围为约7℃A～约10℃A。因此，上述目标预混合期间被设定在该范围内。另外，最合适的预混合期间的范围是根据发动机运转状态等而变化的。
本发明并不限于上述说明的实施例，可考虑各种变形例。
例如，构成实际预混合期间检测机构的喷射结束时期检测机构可以使用直接检测出喷油器9的针阀的移动(提升)的提升传感器。另外，可以使用检测出共轨24的压力的共轨压力传感器17。即，由于通过燃料的喷射，共轨压力暂时减小，喷射结束时共轨压力再次上升，从而能够根据共轨压力传感器17的检测值，判断燃料喷射结束时期。
此外，作为着火时期检测机构，可以使用面对着燃烧室10内部设置、检测出流过由着火和燃烧所产生的离子的离子电流的离子传感器。离子传感器的具体例子有例如日本特开平11-82121号公报所记载的技术等。或者，作为着火时期检测机构，也可使用设置在发动机主体上的加速度传感器。即，可以由加速度传感器检测出通过着火和燃烧所产生的发动机的振动，以判断燃料的着火时期。
另外，预混合期间调节机构并不限于实施例所提示的EGR装置，可以是不使用EGR管20而是通过在进气行程中的排气阀开放等将排放气体残留在汽缸内的所谓的内部EGR，也可应用使用已燃气体的各种EGR装置。另外，也可使用EGR装置以外的各种装置。
例如，也可将变更燃烧室的容积以使压缩比变化的可变压缩比机构、或者改变进排气阀的开关定时以使压缩比变化的可变阀定时机构作为预混合期间调节机构而加以应用。具体为，通过降低压缩比，可延长预混合期间，相反，如提高压缩比就可缩短预混合期间。作为可变压缩比机构的具体例子有例如日本特开2001-20784号公报所记载的技术等，而作为可变阀定时机构的具体例子有例如日本特开2000-130200号公报所记载的技术等。
此外，向燃烧室10内的混合气喷射水或乙醇等液体，从而使混合气的温度降低，以延长预混合期间的喷射机构也可作为预混合期间调节机构而加以应用。
再者，面对着燃烧室内部而被设置、并且在预定时刻使混合气着火的火花塞也可作为预混合期间调节机构而加以应用。
另外，使进气压力变化的进气节流阀23也可作为预混合期间调节机构而加以应用。
此外，预混合期间调节机构可以并用上述各机构。
发明的效果
根据本发明，能够发挥可改善排放气体的优越效果。

Claims (6)

1、一种使喷射于燃烧室内的燃料在该燃料的喷射结束后、经预混合期间着火的燃料喷射控制装置，其特征在于，具有：根据发动机运转状态等来确定作为目标的预混合期间的目标预混合期间确定机构；检测出实际的预混合期间的实际预混合期间检测机构，和以使所述实际预混合期间接近所述目标预混合期间的方式调节燃料的预混合期间的预混合期间调节机构。
2、按照权利要求1所述的燃料喷射控制装置，其特征在于，所述实际预混合期间检测机构具有检测出所述燃料的喷射结束时期的喷射结束时期检测机构，和检测出燃料的着火时期的着火时期检测机构。
3、按照权利要求2所述的燃料喷射控制装置，其特征在于，所述着火时期检测机构由检测出所述燃烧室内的压力的汽缸内压传感器、被设置在所述燃烧室内的离子传感器、检测出内燃机的加速度的加速度传感器中的任意一个或多个的组合而构成。
4、按照权利要求1～3中任一项所述的燃料喷射控制装置，其特征在于，所述预混合期间调节机构为控制燃料的喷射时期和/或喷射压力的机构。
5、按照权利要求1～3中任一项所述的燃料喷射控制装置，其特征在于，所述预混合期间调节机构具有：将排放气体回流于所述燃烧室内的排放气体回流机构、变更所述燃烧室的容积以使压缩比变化的可变压缩比机构、改变进排气阀的开关定时以使压缩比变化的可变阀定时机构、将水或乙醇等液体向所述燃烧室内喷射的喷射机构中的任意一个或者多个的组合。
6、按照权利要求4所述的燃料喷射控制装置，其特征在于，所述预混合期间调节机构具有：将排放气体回流于所述燃烧室内的排放气体回流机构、变更所述燃烧室的容积以使压缩比变化的可变压缩比机构、改变进排气阀的开关定时以使压缩比变化的可变阀定时机构、将水或乙醇等液体向所述燃烧室内喷射的喷射机构中的任意一个或者多个的组合。
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