CN1576552A - 汽缸内燃料喷射火花点火式内燃发动机的起动控制 - Google Patents

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Abstract

在汽缸内燃料喷射火花点火式发动机(1)的起动期间，发动机控制器(21)根据冷却水温度Tw、发动机转速Ne和对燃料喷射器(8)的供给压力Pf计算起动燃料喷射脉冲宽度TIST(S1)。当燃料供给压力Pf超过所需燃料压力时，该发动机控制器(21)通过压缩冲程燃料喷射执行分层燃烧。通过根据用起动燃料喷射脉冲宽度TIST以及发动机转速Ne定义的起动条件准确地设定的所需燃料压力来增加起动期间分层燃烧的机会，从而减少碳氢化合物的排放量。

Description

汽缸内燃料喷射火花点火 式内燃发动机的起动控制
技术领域
本发明涉及把燃料直接喷射到汽缸的燃烧室内的火花点火式内燃发动机起动期间的燃料喷射控制。
背景技术
日本专利局2002年公布的JP2002-089401A公开了一种公用轨道型燃料供给部件，在其中已由低压电泵加压的燃料通过由内燃发动机驱动的高压燃料泵进一步加压并且储存在蓄油器内，随后燃料从该蓄油器分配到多个汽缸中的每个汽缸的燃料喷射器。
发明内容
为了遏制未燃烧燃料，或者换言之碳氢化合化(HC)的排放，在汽缸内燃料喷射火花点火式发动机的冷起动期间，最好及早进行压缩冲程燃料喷射，从而能按理想配比空气燃料比附近的空气燃料比进行分层燃烧。当进行分层燃烧时，燃烧不均匀的空气燃料混合物，从而产生所谓的后期燃烧(after-burning)。加力燃烧加速未燃烧燃料或HC的燃烧，并且结果减少HC排放量。
燃烧室中的压力在压缩冲程中大大增加。为了进行压缩冲程燃料喷射，燃料喷射器必须对抗增大的燃烧室压力喷射燃料。
当在汽缸内燃料喷射火花点火式发动机内应用压缩冲程燃料喷射时，现有技术在蓄油器中的燃料压力上升到能进行压缩冲程燃料喷射的预定压力之前禁止喷射。依据现有技术的高压燃料泵是一种可变排量单缸活塞泵，其中活塞驱动凸轮按发动机转速的一半转动。该高压燃料泵的排放量是由该活塞驱动凸轮每次循环的活塞冲程量以及曲轴转速决定的。从而，发动机起动期间蓄油器中的燃料压力上升速度取决于发动机起动期间该高压燃料泵的排放量。当曲轴转速低时，该高压燃料泵的排放量小，从而，为使压缩冲程燃料喷射变为可能需要长的时段。在压缩冲程燃料喷射变成可能之前必须进行气冲程喷射，并且在此期间不可避免地增加HC排放量。
从而，本发明的一个目的是，在使用现有技术的高压燃料泵的情况下，在汽缸内燃料喷射火花点火式发动机的起动期间加速压缩冲程燃料喷射的起动定时。
为了实现上面的目的，本发明提供一种用于汽缸内燃料喷射式内燃发动机的起动燃料喷射控制设备，其中该内燃发动机按由进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程构成的四冲程循环工作，并且包括直接向燃烧室喷射燃料的燃料喷射器。该控制设备根据发动机的转速以及对该燃料喷射器供给燃料的燃料压力来控制燃料喷射定时。
该控制设备包括一个可编程控制器，其被编程为：设定一个与理想配比空气燃料比附近的空气燃料比对应的起动期间目标燃料喷射量；根据该起动期间目标燃料喷射量、发动机转速和燃料压力判定是否已经建立压缩冲程燃料喷射条件；以及，仅当建立该压缩冲程燃料喷射条件时控制该燃料喷射器在压缩冲程期间喷射燃料。
本发明还提供一种用于上面说明的汽缸内燃料喷射式内燃发动机的起动燃料喷射控制方法。
该控制方法根据发动机转速和对该燃料喷射器供给燃料的燃料压力，通过下述方式来控制燃料喷射定时：设定一个与理想配比空气燃料比附近的空气燃料比对应的起动期间目标燃料喷射量；根据该起动期间目标燃料喷射量、发动机转速和燃料压力判定是否已经建立压缩冲程燃料喷射条件；以及，仅当建立该压缩冲程燃料喷射条件时控制燃料喷射器在压缩冲程期间喷射燃料。
附图说明
图1是依据本发明用于汽缸内燃料喷射火花点火式发动机的起动燃料喷射控制设备的示意图。
图2是一个流程图，示出一个由依据本发明的控制器执行的用来设定压缩冲程燃料喷射标志的例程。
图3示出由该控制器存储的用来确定压缩冲程燃料喷射的特性曲线图。
图4是一个流程图，示出由该控制器执行的燃料喷射控制例程。
图5示出由该控制器存储的起动基本喷射脉冲宽度TST的特性曲线图。
图6示出由该控制器存储的燃料压力校正系数MLKINJ的特性曲线图。
图7示出由该控制器存储的转速校正系数KNST的特性曲线图。
图8示出由该控制器存储的时间校正系数的特性曲线图。
具体实施方式
参照附图中的图1，车辆中使用的汽缸内燃料喷射火花点火式内燃发动机1由一个四冲程循环、水冷、四汽缸汽油发动机构成，其中依次重复进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
内燃发动机1包括四个燃烧室7。空气从进气歧管6吸入到每个燃烧室7中。进气歧管6通过集气管5与进气通道4连接。进气通道4包含一个调节进气量的电子节流阀3。内燃发动机1包括对着燃烧室7的燃料喷射器8和火花塞9。从高压燃料泵15经公用轨道16向燃料喷射器8提供高压燃料。公用轨道16充当一个蓄油器，用于暂时地存储由高压燃料泵15排出的高压燃料并且同时保持其压力。从燃料箱通过低压泵提供要由高压燃料泵15加压的燃料。高压燃料泵15是由内燃发动机1驱动的单缸活塞泵构成的。
由燃料喷射器8喷射到燃烧室7中的燃料和从进气歧管6吸入的空气混合以形成空气燃料混合物，当火花塞9点火时该空气燃料混合物燃烧。燃烧气体经催化转换器11从排气歧管10排放到大气中。该催化转换器由一个三元催化剂和一个氧化氮(NOx)捕集催化剂组成。
应注意，在燃烧室7和进气歧管6之间设置一个进气阀，并且在燃烧室7和排气管10之间设置一个排气阀，但是由于这些阀的作用和操作和本发明无关，从图1中略去它们。
在进气歧管6上设置一个翻滚控制阀17。当该翻滚控制阀17关闭时，在燃烧室7中由进气产生翻滚或者竖向涡流。作为该翻滚与活塞的冠部形成的空腔之间的交互作用的结果，在压缩冲程中由燃料喷射器8喷射的燃料和进气混合，从而产生火花塞9周围的高燃料浓度的空气燃料混合物以及火花塞外部的低燃料浓度的空气燃料混合物。利用这种方法产生分层的空气燃料混合物称为导气(air guide)系统。当火花塞9对该分层空气燃料混合物点火时，进行所谓的分层燃烧。
另一方面，当在翻滚控制阀17打开的情况下进行进气冲程燃料喷射时，喷射的燃料在燃烧室7中均匀扩散。当在这种状态下火花塞9对空气燃料混合物点火时，进行所谓的均匀燃烧。
燃料喷射器8在和喷射脉冲信号的脉冲长度对应的时段中，按照和从发动机控制器21输出该信号对应的定时喷射燃料。燃料喷射器8的燃料喷射量和燃料喷射器8的喷射周期以及公用轨道16内的燃料压力成比例。高压燃料泵15的排放量是由从发动机控制器21输出的信号控制的。
公用轨道16中所需的燃料压力根据内燃发动机1的发动机负载和发动机转速变化。当发动机负载不变时，发动机转速增加时要求更高的燃料压力。当发动机转速不变时，发动机负载增加时要求更高的燃料压力。所需的燃料压力在一个最小值约为0.5兆帕(MPa)到最大值约为11MPa的宽范围内变化。
如果假定所需要的燃料压力为固定值，则必须只由燃料喷射器8的喷射周期调节所需的燃料喷射量中的变化。在此情况下，与燃料喷射器8的技术条件有关的要求变为严格。但是，可以在不显著改变燃料喷射器8的喷射周期的情况下，通过根据发动机负载以及发动机转速改变燃料压力能满足所要求的燃料喷射量。
高压燃料泵15的内部包括一个把排出的燃料重新循环到燃料箱中的返回通道(return passage)，以及一个根据占空信号调节该返回通道中的流速的电磁控制阀。
接着，将说明一种汽缸内燃料喷射火花点火式内燃发动机1的起动燃料喷射控制设备。和常规车辆类似，通过利用起动电机的曲轴转动进行内燃发动机1的起动。
该起动燃料喷射控制设备包括发动机控制器21，其控制内燃发动机1起动期间的燃料喷射器8的燃料喷射定时和喷射量、公用轨道16的燃料压力以及翻转控制阀17的打开/关闭。如各附图中所示，发动机控制器21不仅控制起动期间的燃料喷射，还控制内燃发动机1的一般操作，包括火花塞9的点火定时以及电子节流阀3的打开。但是，本文中的说明只限制在起动期间进行的控制上。
发动机控制器21由一个包括中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入/输出接口(I/O接口)的微计算机构成，发动机控制器21可由多个微计算机构成。
各种信号作为用来进行起动期间的燃料喷射控制的参数分别向发动机控制器21输入：来自用于检测公用轨道16中的燃料压力Pf的燃料压力传感器22的检测数据，来自内燃发动机1每次转动一固定角度时期输出一个POS信号的位置传感器23的检测数据信号，来自输出和内燃发动机1的每个燃烧室7的特定冲程位置对应的PHASE信号的相位传感器24的检测数据，来自检测进气通道4中的进气量的气流计25的检测数据，以及来自检测内燃发动机1中冷却水温度Tw的水温传感器26的检测数据。相位传感器24输出的PHASE信号还充当指示发动机转速Ne的信号。
根据这些信号，发动机控制器21在内燃发动机1的起动阶段基于接近理想配比空气燃料比的目标空气燃料比计算起动喷射脉冲的宽度。在翻转控制阀17关闭的情况下，发动机控制器21在每个燃烧室7的压缩冲程期间向燃料喷射器8输出和该起动燃料喷射脉冲宽度对应的信号，并且由此实现压缩冲程燃料喷射。发动机控制器21从相位传感器24输出的PHASE信号以及位置传感器23输出的POS信号确定压缩冲程燃料喷射的定时。
发动机控制器21还通过根据燃料压力传感器22的检测压力向高压燃料泵15的电磁控制阀输出占空信号来增大和减小返回通道的流速，并且这样做时把公用轨道16中的燃料压力反馈控制到目标压力。
在执行压缩冲程燃料喷射之前，发动机控制器21根据起动燃料喷射脉冲宽度的预先设定值、曲轴转动期间的发动机转速以及公用轨道16中的燃料压力来判定是否已经建立压缩冲程燃料喷射条件。
仅在发动机控制器21判定已经建立用于压缩冲程燃料喷射条件之后才执行压缩冲程燃料喷射。在压缩冲程燃料喷射条件建立之前，发动机控制器21执行进气冲程燃料喷射。
参照图2说明发动机控制器21为进行该判定而执行的一个用来设定压缩冲程燃料喷射标志的例程。在从接通车辆上所设置的钥匙开关到完成内燃发动机1的起动的时间段内按10毫秒的间隔执行该例程。当发动机转速Ne超过预定完全燃烧判定速度时判定内燃发动机1完成起动。
在步骤S1，为了计算起动燃料喷射脉冲宽度TIST，发动机控制器21读取发动机转速Ne、公用轨道16中的燃料压力Pf以及冷却水温度Tw。起动燃料喷射脉冲宽度TIST和权利要求书中的目标燃料喷射量对应。
起动燃料喷射脉冲宽度TIST是一个根据下面的公式(1)得到的值。TIST是按毫秒(ms)为单位计算的。
TIST＝TST·MKINJ·KNST·KTST                 (1)
其中，TST＝起动基本燃料喷射脉冲宽度(ms)，
      MKINJ＝燃料压力校正系数，
      KNST＝发动机转速校正系数，以及
      KTST＝时间校正系数。
起动基本燃料喷射脉冲宽度TST是由发动机控制器21通过参照事先在ROM中存储的具有如图5中所示特性的曲线图，根据冷却水温度Tw确定的。起动基本燃料喷射脉冲宽度TST是相对于基准曲轴转速和基准曲轴转动时间得到的、在理想配比空气燃料比附近的空气燃料比下的燃料喷射脉冲宽度。根据该图，当冷却水温度Tw下降时，起动基本燃料喷射脉冲宽度TST加大。
发动机控制器21通过参照事先存储在ROM中的具有图6所示特性的曲线图，根据燃料压力Pf确定燃料压力校正系数MKINJ。燃料压力校正系数MKINJ是一个与燃料压力Pf和该图中示出的基准燃料压力PfO之间的差对应的校正系数。根据该图，当燃料压力Pf等于基准燃料压力PfO时，燃料压力校正系数MKINJ为1，而当燃料压力Pf超过基准燃料压力PfO时，燃料压力校正系数MKINJ减小。
发动机控制器21通过参照事先存储在ROM中的具有图7所示特性的曲线图，根据发动机转速Ne确定发动机转速校正系数KNST。发动机转速校正系数KNST是一个与发动机转速Ne和基准曲轴转速之间的差对应的校正系数。根据该图，当发动机转速Ne等于或小于该图中所示的基准曲轴转速Ne0时，发动机转速校正系数KNST为1，当发动机转速Ne超过该基准开动转速Ne0时发动机转速校正系数KNST减小。
发动机控制器21通过参照事先存储在ROM中的具有图8所示特性的曲线图，根据曲轴转动时间确定时间校正系数KTST。时间校正系数KTST是一个与曲轴转动时间(或者换言之从曲轴转动开始后经过的时间)与基准开动之间的差对应的校正系数。根据该图，当曲轴转动时间等于或小于该基准曲轴转动时间时，时间校正系数KTST为1，而当曲轴转动时间超过该基准曲轴转动时间时，时间校正系数KTST减小。曲轴转动时间是通过发动机控制器21的计时器功能测量的。
接着，在步骤S2，发动机控制器21通过参照事先存储在ROM中的具有图3所示特性的曲线图，根据发动机转速Ne、公用轨道16中的燃料压力Pf以及起动燃料喷射脉冲宽度TIST判定是否已经建立允许压缩冲程燃料喷射的条件。
参照图3，根据发动机转速Ne以及起动燃料喷射脉冲宽度TIST定义公用轨道16中的所需燃料压力。例如，假定检测到的燃料压力Pf为1MPa。如果此刻从发动机转速Ne和起动燃料喷射脉冲宽度TIST确定的点位于1MPa燃料压力线的下面，如在该图中X标志所示，则该所需的压缩冲程燃料喷射可以在比1MPa低的燃料压力下进行。
在此情况下，发动机控制器21判定已经建立允许压缩冲程燃料喷射的条件。
另一方面，如果从发动机转速Ne和起动燃料喷射脉冲宽度TIST确定的点位于1MPa燃料压力线的上面，这表示不能在1MPa的燃料压力之下进行所需的压缩冲程燃料喷射。在此情况下，发动机控制器21判定尚未建立允许压缩冲程燃料喷射的条件。
这里，为了便于解释只示出一些燃料压力线，但在实际的图中将更详细地设定燃料压力线，从而能更精准地进行判定。
当发动机控制器21判定已经建立允许压缩冲程燃料喷射的条件时，在步骤S3把压缩冲程燃料喷射标志设置为1。
当发动机控制器21判定尚未建立允许压缩冲程燃料喷射的条件时，在步骤S4把压缩冲程燃料喷射标志设置为0。
在步骤S3或步骤S4的处理之后，发动机控制器21结束该例程。
接着参照图4说明在内燃发动机1的起动期间由发动机控制器21执行的燃料喷射控制例程。从曲轴转动开始到完成内燃发动机1的起动期间，按10毫秒的间隔执行该例程。当发动机转速Ne从零改变到非零的值时判定曲轴转动开始。
首先，在步骤S11，发动机控制器21判定压缩冲程燃料喷射标志是否为1。
当压缩冲程燃料喷射标志为0时，发动机控制器21在步骤S12选择进气冲程燃料喷射。同时，关闭翻滚控制阀17以在燃烧室7中进行分层燃烧。
当压缩冲程燃料喷射标志为1时，发动机控制器21在步骤S13选择压缩冲程燃料喷射。同时，打开翻滚控制阀17以在燃烧室7中进行均匀燃烧。
在这二种情况的任一种中，把图2例程中算出的起动燃料喷射脉冲宽度TIST应用作为燃料喷射量。应注意，由于燃料喷射定时和例程执行定时不同，实际上不在步骤S12和S13中进行燃料喷射。在执行该例程后把步骤S12和S13选择的燃料喷射定时直接应用到燃料喷射上。
在除了起动期间的其它时间中，例如通常的操作期间，在内燃发动机1中进行分层燃烧。相应地，必须如图3中所示把公用轨道中的燃料压力Pf提高到5MPa-7MPa，以便在所有的分层燃料区中使能压缩冲程燃料喷射。
但是，当限于起动时，压缩冲程燃料喷射所需的燃料压力Pf不超过大约2MPa。另外，依据本发明，根据发动机转速Ne及起动燃料喷射脉冲宽度TIST，通过使需燃料压力与由燃料压力传感器22检测到的燃料压力Pf进行比较来设定压缩冲程燃料喷射标志，如图中的X标志示出那样，从而认为起动阶段期间所需的燃料压力保持在1MPa-2MPa的范围之内。
这样，和现有技术相比，在内燃发动机1的起动期间施加压缩冲程燃料喷射的机会大大提高，其结果是可以减少起动期间的碳氢化合物(HC)的排放量。在冷起动期间，未燃烧燃料趋于作为HC排放，但是依据本发明，增加了起动期间通过压缩冲程燃料喷射进行分层燃烧的机会，从而可以减少冷起动期间的HC排放量。
于2003年7月8日在日本申请的Tokugan 2003-193447的内容收录在此作为参考。
尽管上面参照本发明的一些实施例说明了本发明，但本发明不受上面说明的各实施例的限制。本领域技术人员会想到在本发明的范围之内的对上面说明的这些实施例的修改和改变。
例如，在上面说明的实施例中，利用传感器分别检测发动机转速Ne、燃料压力Pf和冷却水温度Tw，但是本发明不依赖于这些参数获取装置，而是可应用到任何利用得到的参数进行所请求保护的方法的起动燃料喷射控制设备以及起动燃料喷射控制方法。
要求本发明的排它财产权或特权的各实施例按权利要求书那样定义。

Claims (9)

1.一种用于汽缸内燃料喷射式内燃发动机(1)的起动燃料喷射控制设备，其中，该发动机(1)按照由进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程构成的四冲程循环工作，并且其包括直接向燃烧室(7)喷射燃料的燃料喷射器(8)，该控制设备根据发动机(1)的转速以及对该燃料喷射器(8)供应燃料的燃料压力来控制燃料喷射定时，该控制设备包括：
一个可编程控制器(21)，其被编程为：
设定一个与理想配比空气燃料比附近的空气燃料比对应的起动期间目标燃料喷射量(S1)；
根据该起动期间目标燃料喷射量、发动机转速和该燃料压力判定是否已经建立压缩冲程燃料喷射条件(S2)；以及
仅当已建立该压缩冲程燃料喷射条件时控制燃料喷射器(8)在压缩冲程期间喷射燃料(S3，S11，S13)。
2.如权利要求1所述的起动燃料喷射控制设备，其中，该控制器(21)还被编程为当未建立压缩冲程燃料喷射条件时控制燃料喷射器(8)在进气冲程期间喷射燃料(S4，S11，S12)。
3.如权利要求1或2所述的起动燃料喷射控制设备，其中，该控制器(21)还被编程为根据发动机转速和起动期间目标燃料喷射量来计算燃料喷射器(8)的所需燃料压力，以及当供应给燃料喷射器(8)的燃料的燃料压力低于该所需燃料压力时判定尚未建立压缩冲程燃料喷射条件(S2)。
4.如权利要求3所述的起动燃料喷射控制设备，其中，该控制器(21)还被编程为当发动机转速提高时减小该所需燃料压力，以及当起动期间目标燃料喷射量增大时加大该所需燃料压力(S2)。
5.如权利要求1或2所述的起动燃料喷射控制设备，其中，该发动机(1)还包括一个向燃料喷射器(8)供应高压燃料的高压燃料泵(15)，该高压燃料泵(15)根据发动机(1)的转动来驱动，以及包括一个对通过燃料喷射器(8)喷射到燃烧室(7)中的燃料和空气的空气燃料混合物点火的火花塞(9)，并且该控制设备还包括一个用于检测从该高压燃料泵(15)供应到燃料喷射器(8)的燃料的燃料压力的传感器(22)以及一个用于检测发动机转速的传感器(24)。
6.如权利要求1或2所述的起动燃料喷射控制设备，其中，该发动机(1)还包括一个在燃烧室(7)内形成翻滚的翻滚控制阀(17)，并且该控制器(21)还被编程为当已建立压缩冲程燃料喷射条件时控制该翻滚控制阀(17)以在燃烧室(7)内形成翻滚(S13)。
7.如权利要求1或2所述的起动燃料喷射控制设备，其中，该控制设备还包括一个用于检测发动机(1)的温度的传感器，并且该控制器(21)还被编程为当发动机(1)的温度下降时增加起动期间目标燃料喷射量(S1)。
8.如权利要求7所述的起动燃料喷射控制设备，其中，该控制器(21)还被编程为利用一个当提高对燃料喷射器(8)供应的燃料的燃料压力时减小目标燃料喷射量的系数、一个当加大发动机转速时减小目标燃料喷射量的系数、以及一个当从发动机(1)起动经过的时间增加时减小目标燃料喷射量的系数来校正起动期间目标燃料喷射量(S1)。
9.一种用于汽缸内燃料喷射式内燃发动机(1)的起动燃料喷射控制方法，其中，该发动机(1)按照由进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程构成的四冲程循环工作并且包括直接向燃烧室(7)喷射燃料的燃料喷射器(8)，该控制方法根据发动机(1)的转速以及对该燃料喷射器(8)供应燃料的燃料压力来控制燃料喷射定时，该控制方法包括：
设定一个与理想配比空气燃料比附近的空气燃料比对应的起动期间目标燃料喷射量(S1)；
根据该起动期间目标燃料喷射量、发动机转速和燃料压力判定是否已经建立压缩冲程燃料喷射条件(S2)；以及
仅当已建立该压缩冲程燃料喷射条件时控制燃料喷射器(8)在压缩冲程期间喷射燃料(S3，S11，S13)。
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