CN1667255A - 直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置 - Google Patents

直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置 Download PDF

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Abstract

一种控制装置被配置成增强由燃油喷雾在气缸中产生的湍流和改善在ATDC中的燃烧稳定性(促进火焰扩散)，以降低HC和/或实现早期激活催化剂。当例如催化剂需要预热时，点火正时被设置在压缩上止点或压缩上止点后。在一个燃油喷射正时，以两次燃油喷射喷射燃油，第一次燃烧喷射发生在压缩行程期间，第二次燃烧喷射在45°BTDC或45°BTDC后进行。

Description

直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置
相关专利申请的交叉参照
本申请要求日本第2004-20085号日本专利申请的优先权。第2004-20085号日本专利申请的整个内容以参照的方式被包含在这里。
技术领域
本发明涉及一种用于直接燃油喷射火花点火发动机的控制装置。更具体地说，本发明涉及一种适合用于在冷起动期间和其它时间、或当有必要预热设置在排气道中用于排气净化的催化剂时的控制装置。
第3325230号日本专利公开了具有燃油喷射控制装置的直接燃油喷射火花点火发动机的一个示例。本专利公开了一种当催化转化器在未预热状态下，即当催化剂的温度低于其激活温度时，应用的燃油喷射控制装置。在该燃油喷射控制中，燃油喷射被分为至少两种喷射，即早期(early-stage)喷射和后期(Iater-stage)喷射。因此，在从进气行程延伸到点火正时的间隔中形成了具有部分可变空燃比的空燃混合物(mixture)。在早期喷射中，燃油在后期喷射前被喷射使得产生其空燃比稀于理论配比空燃比的空燃混合物，从而使用后期喷射的燃油使燃烧延长。点火正时从MBT被延迟预定量。发动机无负荷区内的点火正时被设置成在压缩上止点前发生；发动机在低速、低负荷区(不包括无负荷区)内的点火正时被延迟到压缩上止点或压缩上止点后。
鉴于上述的描述，本领域的技术人员将显而易见地可以看出有必要对直接燃油喷射火花点火内燃机的控制装置进行改进。本发明致力于解决对本领域的技术人员来说是显而易见的这种需要以及其它的需要。
发明内容
已发现当发动机温度低时点火正时的延迟能有效地促进后燃以降低HC，并实现早期(early)催化剂预热。点火(ATDC点火)最好发生在压缩上止点或压缩上止点后，以获得更好的效果，但是必须缩短燃烧间隔以利用ATDC点火进行稳定燃烧。为此，必须增加气缸中的湍流和提高燃烧速度(火焰扩散速度)。因此，可以考虑使用高压下所喷射的燃油喷雾在气缸中产生湍流。
然而，在第3325230号日本专利中，第一次燃油喷射(早期喷射)主要在进气行程中进行而第二次燃油喷射(后期喷射)在压缩行程中120-45°RTDC进行，并且即使通过来自进气行程中第一次燃油喷射(早期喷射)的喷雾在气缸中产生了湍流，而该湍流在压缩行程中变弱，并不能有助于提高在ATDC点火期间的火焰扩散(propagation)速度。
此外，鉴于即使通过在45°BTDC之前的喷雾在气缸中产生了湍流，该湍流在ATDC点火发生时变弱，第二次燃油喷射对改善燃烧的作用很小。
为此，ATDC点火对减少HC和增加排气温度更有效，但由于燃烧不稳定，所以BTDC点火在第3325230号日本专利中用于无负荷范围。
根据这些事实，本发明的一个方面是在ATDC点火时，改善燃烧稳定性，从而减少冷起动期间和其它时间的HC以及/或在早期阶段激活催化剂。
为了实现本发明的上述目的和其它目的，提供了一种直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，它主要包括：燃油喷射控制部分和点火正时控制部分。燃油喷射控制部分被配置成控制将燃油直接喷射进燃烧室的燃油喷射阀的燃油喷射。点火正时控制部分，被配置成控制设置在燃烧室中的火花塞的点火，使得点火正时被设置，以在压缩上止点或在压缩上止点后点燃燃油。燃油喷射控制部分还被配置成设置第一次燃油喷射，该第一次燃油喷射具有均发生在压缩行程中的第一次喷射开始正时和第一喷油结束正时。燃油喷射控制部分还被配置成设置第二次燃油喷射，第二次燃油喷射具有均发生在压缩行程的后半行程中压缩上止点前的第二次喷射开始正时和第二次喷射结束正时。
从下列结合附图和所公开的优选实施例对本发明的详细描述中，对于本领域的技术人员来说，本发明的上述的和其它的目的、特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
现在将参照为原始公开的一部分内容的附图：
图1是说明根据本发明的用于内燃机的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置的发动机系统的示意图；
图2是说明由根据本发明的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置的控制单元所执行的从起动到预热期间的控制操作的流程图；
图3是说明当使用安装在进气口中的气流控制阀时，气缸中的湍流的示意图；
图4是说明根据本发明的第一实施例的燃油喷射的燃油喷射时序图  。
具体实施方式
现在参照附图将对本发明的所选实施例进行说明。本领域的技术人员将显而易见地看出，以下对本发明的实施例的描述仅是一种说明，而非用于限制由后附的权利要求和其等同所限定的本发明。
第一实施例
首先参照图1。图1示意性地说明了装有根据本发明的第一实施例的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置的直接燃油喷射/火花点火发动机1。该发动机1具有将电子控制节气门(throttle valve)3安装在其中的进气道2。电子控制节气门3被配置用于控制发动机1的进气道2的进气量。进气道2以流体方式与发动机1的多个燃烧室4(仅示出了1个)相连。每一燃烧室4均包括火花塞5和燃油喷射阀6。火花塞5和燃油喷射阀6以常规方式被安装在燃烧室4中。发动机1也具有以流体方式与每一燃烧室4相连的排气道7。排气道7包括催化转化器8，具有催化剂以常规方式进行排气净化。
发动机控制单元或ECU 20控制发动机以进行如下所述的燃油空气混合物的受控燃烧。因此，发动机控制单元20形成直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，该装置包括燃油喷射控制部分和点火正时控制部分(见图2中的步骤S2和S3)。根据本发明，当需要时，如催化剂需预热时，点火正时被设置在压缩上止点或压缩上止点后。压缩燃油喷射正时最好被分成在压缩行程期间进行的第一次燃油喷射和在压缩行程上止点前45°或其后进行的第二次燃油喷射。
发动机控制单元20为包括中央处理单元(CPU)和其它外围设备的微型计算机。发动机控制单元20也可包括其它的传统部件，如输入接口电路、输出接口电路和诸如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置之类的存储装置。发动机控制单元20最好包括发动机控制程序，其控制上述的各种部件。发动机控制单元20从用于检测发动机1的工作状态的各种传感器(如下所述)接收输入信号，并且根据这些信号执行发动机控制。从该描述中本领域的技术人员将很容易地看出，发动机控制单元20的精确结构和算法可以是执行本发明功能的任何硬件和软件的组合。换句话说，如在说明书和权利要求中所使用的“装置加功能”语句应包括可被用于执行“装置加功能”语句中的功能的任何结构或硬件和/或算法或软件。
通过根据来自发动机控制单元20的信号操作的步进电动机和其它装置，电子控制节气门3的开度被控制。因此，电子控制节气门3控制通过进气道2进到发动机1的燃烧室4的进气量或进气多少。
每一燃油喷射阀6被配置以由发动机控制单元20输出的喷射脉冲信号激励的螺线管、与进气行程或压缩行程期间的发动机转速同步开启它。每一燃油喷射阀6均喷射以规定的压力被加压的燃油。因此，喷射的燃油分布在整个燃烧室4内，使得对于进气行程喷射，形成均匀(homogenous)空气/燃油混合物，而对于压缩行程喷射，围绕火花塞5形成层状空气/燃油混合物。根据来自发动机控制单元20的点火信号，空气/燃油混合物由火花塞5点火并且被燃烧(均匀燃烧模式，层状燃烧模式)。
发动机控制单元20从下列传感器接收输入信号：加速踏板传感器21、曲轴转角传感器22、热线式空气流量计23、节气门传感器24、发动机冷却液温度传感器25。发动机控制单元20根据这些信号执行发动机控制，该发动机控制包括但不限于进气量Qa、点火正时、燃油喷射量和燃油喷射正时。
加速踏板传感器21检测加速器开度APO，加速踏板传感器21将表示加速踏板压下量的信号输出到发动机控制单元20。曲轴转角传感器22检测发动机转速Ne，曲轴转角传感器22将表示发动机转速Ne的信号输出到发动机控制单元20。空气流量计23检测吸入空气量，空气流量计23将表示吸入空气量Qa的信号输出到发动机控制单元20。节气门传感器24检测节气门位置TVO，节气门传感器24将表示节气门位置TVO的信号输出到发动机控制单元。发动机冷却液温度传感器25检测发动机冷却液温度Tw或水温Tw，发动机冷却液温度传感器25将表示发动机冷却液温度Tw的信号输出到发动机控制单元20。
发动机控制单元20被配置以根据由这些输入信号所检测的发动机工作条件执行所选择的燃烧模式(均匀燃烧、层状燃烧)，并且相应地控制电子控制节气门3的开度、燃油喷射阀6的燃油喷射正时和燃油喷射量以及火花塞5的点火正时。此外，在正常的工作状态下(在完成预热后)，以大约30-40的A/F比执行极稀的层状燃烧(稀层状燃烧)。均匀燃烧包括稀均匀燃烧(A/F＝20-30)和理论配比均匀燃烧。
当需要预热催化转化器8中的催化剂时(其包括冷起动)，本发明需要根据负荷条件执行最佳燃烧控制。根据图2中的流程图，发动机控制单元20执行该种类型的控制，即从起动到催化剂预热的控制。
下面将说明图2中的从发动机起动到催化剂预热的控制流程图。
在步骤S1中，确定催化转化器8的催化剂是否被激活(activate)。更具体地说，当设置了催化剂温度传感器时，检测催化剂温度。当没设置催化剂温度传感器时，根据由发动机冷却液温度传感器25所检测的冷却液温度Tw估计催化剂温度。或者，根据起动时的冷却液温度和起动后的吸入空气量的积分(integrated)值，估计催化剂的温度。在任何情况下，都需确定所检测的或所估计的催化剂温度是否等于或大于预定的催化剂激活温度。当催化转化器8的催化剂未被激活时，系统进到步骤S2。
在步骤S2中，作为在需要预热催化剂时执行的控制类型，点火正时被延迟到压缩上止点(TDC)或压缩上止点后。更具体地说，点火正时被设置在TDC和15°ATDC之间以执行ATDC点火。此外，燃油喷射也最好被分成在压缩行程的开始和点火之前之间进行的两次燃油喷射。最好这样进行燃油喷射，即使喷油开始正时和喷油结束正时均发生在压缩行程中。由两次燃油喷射所产生的燃烧室4中的空燃比应为理论配比或稍稀空燃比(A/F＝16-17)。
在完成步骤S2之后系统返回到步骤S1。当催化剂需要预热，通过控制催化转化器8的催化剂已被激活时，系统从步骤S1进到步骤S3并且转变到正常控制。在正常控制下，上述的稀层状燃烧、稀均匀燃烧、理论配比燃烧和其它类型的燃烧根据工作条件被执行。
下面将详细地描述当催化剂需要预热时所执行的控制。
当发动机1温度低时，点火正时延迟对减少HC和促进催化剂预热有效，点火(ATDC点火)最好发生在TDC或TDC后。为了实现利用ATDC点火的稳定燃烧，燃烧时间被减少，并且因此促进了由湍流所产生的火焰扩散。
通过操作设置在进气口中的气流控制阀(例如滚动控制阀)，在点火正时或点火正时后的湍流被增加以促进火焰扩散。从图3中可以看出，在进气行程中所产生的湍流(点A)随着压缩行程的进行而变弱。尽管通过消除在压缩行程的后半行程中的活塞产生(点B)的滚动气流可暂时增加湍流，但湍流在TDC或TDC后(点C)变弱，并且使用该湍流几乎不能获得预期的燃烧室的改善(改善的火焰扩散)。为此，可以考虑使用通过高压燃油喷射产生的湍流。
如图4中的比较示例所示，当执行两次燃油喷射，在进气行程期间进行第一次燃油喷射和在压缩行程的后半行程(例如90-45°BTDC)进行第二次燃油喷射时，则来自进气行程中的第一次燃油喷射的湍流在压缩行程的后半行程中变弱。因此，即使在压缩行程的后半行程中进行第二次燃油喷射也不会对ATDC点火产生什么影响。
鉴于上述情况，在图4的示例1中，第一次燃油喷射在压缩行程期间进行，第二次燃油喷射在45°BTDC或45°BTDC后(最好在20°BTDC或20°BTDC后)进行。在压缩行程中进行燃油喷射和当到点火的时间(从产生湍流到湍流消散的时间)较短时，第一次燃油喷射有助于稳定的ATDC点火。换句话说，在进行第一次燃油喷射之后通过在45°BTDC或45°BTDC后(最好在20°BTDC或20°BTDC后)进行第二次燃油喷射，可改善或增强由第一次燃油喷射所产生的湍流。这促进了在ATDC点火时的火焰传播。这里，第一次燃油喷射在压缩行程的前半行程中进行。然而，由于当在压缩行程的前半行程中进行第一次燃油喷射时湍流开始消散，所以通过在压缩行程的后半行程中进行第一次燃油喷射可获得更大的湍流。
为此，燃油喷射被分成图4的示例2和3中的两次燃油喷射，两次燃油喷射均在压缩行程的后半行程(90°BTDC或90°BTDC后)进行。具体地说，在示例2中，第一次燃油喷射在90°BTDC-45°BTDC进行，第二次燃油喷射在45°BTDC或45°BTDC后(最好在20°BTDC或20°BTDC后)进行。在示例3中，第一次燃油喷射在45°BTDC或45°BTDC后进行，第二次燃油喷射在20°BTDC或20°BTDC后进行，以在45°BTDC或45°BTDC后进行两次燃油喷射，从而可进一步增加湍流。
根据本实施例，由于除了由在压缩行程中进行的第一次燃油喷射所产生的湍流以外，在45°BTDC或45°BTDC后进行的第二次燃油喷射也增强了湍流，所以当进行ATDC点火时，通过将点火正时设置到ATDC，可提高燃烧的稳定性(促进火焰传播)以降低HC和/或早期激活催化剂。具体地说，在这种情况下，通过在压缩上止点前20°或20°后进行两次燃油喷射，可进一步增强燃烧室4中的湍流和提高燃烧的稳定性。
根据本实施例，当催化剂需预热时，通过将点火正时设置在ATDC，在压缩行程中的第一次燃油喷射产生湍流，第二次燃油喷射使湍流增强，第二次燃油喷射与点火正时非常接近，并且稳定保持到点火正时或点火正时后，并且将燃油喷射分成两次燃油喷射，其中第一次燃油喷射在压缩行程期间进行，第二次燃油喷射在压缩TDC或在点火正时之前的膨胀行程中进行。因此，当进行ATDC点火时，可提高燃烧的稳定性(促进火焰传播)以降低HC和/或实现早期激活催化剂。
根据本实施例，当需要时，例如催化剂需预热时，通过将点火正时设置在ATDC和执行在压缩行程的后半行程和点火正时之间的两次燃油喷射，湍流由压缩行程中的第一次燃油喷射产生，并且湍流被第二次燃油喷射附加增强。特别是，由于通过在压缩行程的后半行程中进行第一次燃油喷射，在火焰传播正时之前可形成更强的湍流，所以当进行ATDC点火时可提高燃烧的稳定性(促进火焰传播)以降低HC和/或实现催化剂的早期激活(early activation)。
特别是，在这种情况下，通过在45°BTDC或45°BTDC后进行两次燃油喷射，和此外在45°BTDC或45°BTDC后进行第一次燃油喷射和在20°BTDC或20°BTDC后进行第二次燃油喷射，可增强燃烧室4中的湍流并可提高燃烧的稳定性。
根据本实施例，通过采用将由第二次燃油喷射所产生的燃烧室中的空燃比设置为理论配比或稍稀空燃比(A/F＝16-17)的方法，利用后燃所需的氧气量，可促进后燃。
正如在此为了说明上面的实施例所使用的那样，下面的方向性术语“向前、向后、之上、向下、垂直、水平、之下和横向”以及其它类似的方向性术语指装备了本发明的车辆的这些方向。因此，像所使用的用来描述本发明的这些术语应当被理解为是相对于本发明的车辆而言。在此为了描述部件、部分、装置等实现的操作或功能使用的术语“检测”包括不需要进行物理检测的部件、部分、装置等，也包括执行操作或功能的确定或计算等。在此为了描述装置的部件、部分或单元使用的术语“配置”包括被构造和/或编程以实现要求的功能的硬件和/或软件。此外，在权利要求中被表示为“装置加功能”的术语应该包括为了实现本发明的该部分的功能可以采用的任何结构。在此使用的诸如“基本上”、“约”和“接近”的关于程度的术语表示所修改术语的合理偏离量，使得不显著改变最终结果。例如，如果该偏离不否定其修改词的意思，可把这些术语被理解为包括对修改术语的±5％的偏离。
尽管以上仅选择所选实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员从所公开的内容清楚地理解在不脱离如后附的权利要求所限定的本发明的情况下，可对本发明进行各种变化和修改。此外，根据本发明的实施例的上述描述只是用于说明，而非用于限制由后附的权利要求和其它等同所限定的本发明。因此，本发明的范围不限于上述所公开的实施例。

Claims (20)

1、一种直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，包括：
燃油喷射控制部分，被配置成控制将燃油直接喷射进燃烧室的燃油喷射阀的燃油喷射；以及
点火正时控制部分，被配置成控制设置在燃烧室中的火花塞的点火，使得点火正时被设置，以在压缩上止点或在压缩上止点后点燃燃油，
燃油喷射控制部分还被配置成设置第一次燃油喷射，该第一次燃油喷射具有均发生在压缩行程中的第一次喷射开始正时和第一喷油结束正时，并且燃油喷射控制部分还被配置成设置第二次燃油喷射，第二次燃油喷射具有均发生在压缩行程的后半行程中压缩上止点前的第二次喷射开始正时和第二次喷射结束正时。
2、根据权利要求1的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成将第二次燃油喷射的第二次喷射开始正时设置在压缩上止点前45℃A或45℃A后。
3、根据权利要求2的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成将第二次燃油喷射的第二次喷射开始正时设置在压缩上止点前20℃A或20℃A后。
4、根据权利要求1的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成将第一次燃油喷射的第一次喷射开始正时设置在压缩行程的后半行程。
5、根据权利要求4的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成将第二次燃油喷射的第二次喷射开始正时设置在压缩上止点前45℃A或45℃A后。
6、根据权利要求5的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成将第二次燃油喷射的第二次喷射开始正时设置在压缩上止点前20℃A或20℃A后。
7、根据权利要求4的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成将第一次燃油喷射的第一次喷射开始正时设置在压缩上止点前45℃A或45℃A后。
8、根据权利要求7的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成将第二次燃油喷射的第二次喷射正时设置在压缩上止点前20℃A或20℃A后。
9、根据权利要求3的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成在收到增加排气温度的命令时，设置燃油喷射正时。
10、根据权利要求3的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成设置燃油喷射正时，使得当第一次和第二次燃油喷射完成时，燃烧室内的平均空燃比在约理论配比空燃比和稍稀空燃比之间的范围内。
11、根据权利要求6的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成在收到增加排气温度的命令时，设置燃油喷射正时。
12、根据权利要求6的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成设置压缩行程燃油喷射正时，使得当第一次和第二次燃油喷射完成时，燃烧室内的平均空燃比在约理论配比空燃比和稍稀空燃比之间的范围内。
13、根据权利要求7的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成在收到增加排气温度的命令时，设置燃油喷射正时。
14、根据权利要求7的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成设置燃油喷射正时，使得当第一次和第二次燃油喷射完成时，燃烧室内的平均空燃比在约理论配比空燃比和稍稀空燃比之间的范围内。
15、根据权利要求8的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成在收到增加排气温度的命令时，设置燃油喷射正时。
16、根据权利要求8的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成设置燃油喷射正时，使得当第一次和第二次燃油喷射完成时，燃烧室内的平均空燃比在约理论配比空燃比和稍稀空燃比之间的范围内。
17、根据权利要求1的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成在收到增加排气温度的命令时，设置燃油喷射正时。
18、根据权利要求1的直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，其中：
燃油喷射控制部分还被配置成设置燃油喷射正时，使得当第一次和第二次燃油喷射完成时，燃烧室内的平均空燃比在约理论配比空燃比和稍稀空燃比之间的范围内。
19、一种直接燃油喷射/火花点火发动机控制装置，包括：
燃油喷射控制装置，用于控制将燃油直接喷射进燃烧室的燃油喷射阀的燃油喷射；以及
点火正时控制装置，用于控制设置在燃烧室中的火花塞的点火，使得点火正时被设置，以在压缩上止点或在压缩上止点后点燃燃油，
燃油喷射控制装置还被配置成设置第一次燃油喷射，该第一次燃油喷射具有均发生在压缩行程中的第一次喷射开始正时和第一喷油结束正时，并且燃油喷射控制装置还被配置成设置第二次燃油喷射，第二次燃油喷射具有均发生在压缩行程的后半行程中压缩上止点前的第二次喷射开始正时和第二次喷射结束正时。
20、一种控制直接燃油喷射/火花点火发动机的方法，包括：
控制将燃油直接喷射进燃烧室的燃油喷射阀的燃油喷射；
控制设置在燃烧室中的火花塞的点火，使得点火正时被设置，以在压缩上止点或在压缩上止点后点燃燃油；
设置第一次燃油喷射，该第一次燃油喷射具有均发生在压缩行程中的第一次喷射开始正时和第一喷油结束正时；以及
设置第二次燃油喷射，第二次燃油喷射具有均发生在压缩行程的后半行程中压缩上止点前的第二次喷射开始正时和第二次喷射结束正时。
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