CN1873202B - 用于直接喷射式火花点火内燃机的燃烧控制设备 - Google Patents

用于直接喷射式火花点火内燃机的燃烧控制设备 Download PDF

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CN1873202B CN 200610084544 CN200610084544A CN1873202B CN 1873202 B CN1873202 B CN 1873202B CN 200610084544 CN200610084544 CN 200610084544 CN 200610084544 A CN200610084544 A CN 200610084544A CN 1873202 B CN1873202 B CN 1873202B
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Abstract

本发明公开了一种用于直接喷射式火花点火内燃机的燃烧控制设备,该燃烧控制设备在内燃机处于预定工作状态时选择延迟点火燃烧模式。在延迟点火燃烧模式下,所述燃烧控制设备将点火正时设定为压缩上止点之后,并且将燃料喷射正时设定在点火正时之前且压缩上止点之后。所述燃烧控制设备在所述内燃机的排气净化器处于预定冷状态时禁止所述延迟点火燃烧模式。

Description

用于直接喷射式火花点火内燃机的燃烧控制设备 
技术领域
本发明总地涉及一种直接喷射式火花点火内燃机,并尤其涉及在存在发动机排气净化器温度快速升高需求的情况下对直接喷射式火花点火内燃机进行燃烧控制。 
背景技术
日本专利第3325230号示出一种在排气净化器未被完全升温到其活化温度时升温直接喷射式火花点火内燃机的排气净化器的技术。这种技术在从进气冲程到点火正时的时间段内采用分步式(split)燃料喷射。分步式燃料喷射包括至少两个燃料喷射步骤,即,晚期燃料喷射步骤,该步骤在压缩冲程的中或晚阶段,例如从120°BTDC到45°BTDC(上止点之前曲轴角的相位)进行,以在燃烧室内形成空燃比局部不均匀的空气-燃料混合物;以及早期燃料喷射步骤,该步骤在晚期燃料喷射步骤之前进行,以形成比理想配比更稀薄的空气-燃料混合物,使得晚期进气的点火可以通过火焰传播促使早期进气完全燃烧。在分步式燃料喷射过程中,点火正时从MBT(对于最佳扭矩的最小提前)点延迟预定量。另一方面,在空载发动机工作区域,点火正时被设定为在压缩上止点(TDC)之前。在空载发动机工作区域之外的低速、低负载发动机工作区域内,点火正时被延迟到压缩TDC之后。 
发明内容
在发动机处于冷机状态时,延迟内燃机的点火正时对排气净化器的快速热活化以及因后燃而减少HC(碳氢化合物)排放方面是有效的。更优选的是,点火正时在压缩TDC之后(此后称为ATDC点火)。为了稳定这种基于ATDC点火的燃烧,有效的是增强气缸气流中的湍流,使得燃烧速度(火焰传播速度)提高,由此减少燃烧周期。 
但是,在日本专利第3325230号的上述技术中,晚期燃料喷射步骤在压缩TDC之前的从120°BTDC到45°BTDC的时刻进行。缸内湍流即使通过这种BTDC燃料喷射而得以增强,但在压缩TDC之后减弱,从而不能起到提高基于ATDC点火的燃烧中的火焰传播速度的作用。
图24是示出内燃机的缸内湍流变化的曲线,该内燃机在进气口内配备有气流控制阀,如卷流控制阀。在图24中,实线表示气流控制阀工作的情况,而虚线表示气流控制阀不工作的情况。在气流控制阀工作时,如图24中A所表示的区域所示,缸内湍流在进气冲程过程中增强,并在压缩冲程的过程中减弱。如图24中B所表示的区域所示,缸内湍流由于压缩冲程后期卷流的衰退而暂时增强,但是如图24中C所表示的区域所示,在压缩TDC之后快速减弱。这种气流控制阀也不可能起到改善火焰传播速度的作用。 
鉴于上述情形,在日本专利第3325230号中,在空载发动机工作区域内,点火正时被设定为在压缩TDC之前(BTDC点火),以确保燃烧稳定性,尽管ATDC点火对于提高排气温度并减少HC排放是更有利的。 
于是,本发明的目的是改善内燃机的燃烧稳定性,即使在点火正时延迟到压缩TDC之后,从而允许催化剂快速活化并减少HC排放。 
根据本发明的一个方面,一种用于内燃机的燃烧控制设备,所述内燃机包括燃料喷射器和火花塞,所述燃料喷射器用于在燃料喷射正时将燃料喷射到内燃机的燃烧室内,所述火花塞用于在点火正时在燃烧室内产生火花,其中 
所述燃烧控制设备包括控制单元,该控制单元连接到燃料喷射器和火花塞上,并设定成在内燃机处于预定工作状态下时执行延迟点火燃烧模式,即:执行以下操作: 
将点火正时设定在压缩上止点之后;及 
将燃料喷射正时设定在点火正时之前且压缩上止点之后, 
且所述控制单元被设定成: 
确定所述内燃机的排气净化器的温度是否低于第一参考温度,该第一参考温度基本上等于针对催化剂完全活化的催化剂完全活化温度; 
响应于确定了所述排气净化器的第一温度低于所述第一参考温度,执行延迟点火燃烧模式; 
确定所述排气净化器的温度是否高于第二参考温度,该第二参考温度 基本上等于最低催化剂活化温度; 
在确定了所述排气净化器的第二温度高于所述第二参考温度之前,禁止所述延迟点火燃烧模式。 
根据本发明的又一方面,一种控制内燃机的方法,该内燃机包括用于在燃料喷射正时将燃料喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器和用于在点火正时在燃烧室内产生火花的火花塞,所述方法包括: 
在内燃机处于预定工作状态下时执行延迟点火燃烧模式,即:执行如下操作,在所述预定工作状态下,存在升高内燃机排气温度的需求: 
将点火正时设定在压缩上止点之后;并且 
将燃料喷射正时设定在点火正时之前且压缩上止点之后;以及 
在所述内燃机的排气净化器的温度低于其最低活化温度时禁止所述延迟点火燃烧模式。 
附图说明
图1是示出带有根据所附实施例的燃烧控制设备的内燃机的系统构造的示意性方块图; 
图2A、2B和2C是示出在所附实施例中延迟点火燃烧模式下的燃料喷射正时和点火正时的三个示例的特性图; 
图3是示出根据第一实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图; 
图4是示出在第一实施例中,在催化转化器经历高排气温度时催化转化器每个参考点的温度的变化的曲线; 
图5是示出在第一实施例中,在催化转化器经历低排气温度时催化转化器每个参考点的温度变化的曲线; 
图6是发动机排气系统的示意性平面图,示出每个参考点的位置,如图4和5的曲线所示每个参考点的温度被测量; 
图7是示出在第一实施例中燃料喷射正时和排气温度之间的关系的曲线; 
图8是示出根据第二实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图; 
图9是示出根据第三实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图; 
图10是示出根据第三实施例的第一变型的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图,其中探测发动机负载变化的过程被修改; 
图11是示出根据第三实施例的第二变型的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图,其中探测发动机负载变化的过程被修改; 
图12是示出根据第四实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图; 
图13是示出根据第五实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图; 
图14是示出在第五实施例中延迟点火燃烧模式的允许区域和禁止区域的特性图; 
图15是示出在采用延迟点火燃烧模式的情况下催化转化器的入口温度和内部温度的变化的曲线,图中与采用通常燃烧模式的情况相对比; 
图16是示出在催化剂内部温度达到其活化温度时取消延迟点火燃烧模式的情况下、催化转化器入口温度和催化转化器内部温度的变化的曲线; 
图17是示出在第五实施例中催化转化器入口温度和催化转化器内部温度的变化的曲线; 
图18是示出示出根据第六实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图; 
图19是示出在第六实施例中延迟点火燃烧模式的允许区域和禁止区域的曲线; 
图20A和20B是分别示出由上游空燃比传感器测量的空燃比和由下游空燃比传感器测量的空燃比的曲线; 
图21是示出根据第七实施例,在冷机状态下,发动机温度、催化剂温度以及排出发动机的HC排放量的变化的曲线; 
图22是示出在发动机温度超过预定温度T21之前催化剂温度达到预定温度T22的情况下,发动机温度、催化剂温度和排出发动机的HC排放量中的变化的曲线; 
图23是示出在发动机起动后立即连续采用延迟点火燃烧模式的的参 考示例中,在冷机状态下发动机温度、催化剂温度和排出发动机的HC排放量中的变化的曲线; 
图24是示出现有技术中缸内湍流变化的曲线。 
具体实施方式
图1是示出带有根据所附实施例的燃烧控制设备的内燃机的系统构造的示意性方块图。如图1所示,在内燃机1中,每个活塞2限定了一个燃烧室3,该燃烧室3通过未示出的进气门连接到进气通道4,并通过未示出的排气门连接到排气通道5。在进气通道4内布置有空气流量计6,该空气流量计6适于测量吸入空气量,并且还布置有电控节气门7,该节气门7的开度由致动器8根据来自下面将描述的控制单元25的控制信号控制。在排气通道5中,布置有用于净化排气的排气净化器10,如催化转化器,该催化转化器具有单体的陶瓷催化剂载体。在上游位置和下游位置,分别布置空燃比传感器11和12。靠近上游空燃比传感器11布置有排气温度传感器13,该排气温度传感器13适于测量在催化转化器10入口点处的排气温度。催化剂温度传感器31设置在催化转化器10的催化剂载体的纵向中心位置处,而催化转化器出口温度传感器32设置在催化转化器10的出口位置处。这些传感器31和32用于测量催化转化器10的热状态。 
如图1所示,火花塞14设置在燃烧室3顶部的中心顶点部分,以在燃烧室3内产生火花。作为燃料喷射器的燃料喷射阀15设置在燃烧室3侧壁中的更靠近进气通道4的那部分内,并适于将燃料直接喷射或喷溅到燃烧室3内。通过高压燃料泵16和压力调节器17,将燃料调节到预定压力,并然后经高压燃料通道18将燃料供给到燃料喷射阀15。一接收到控制脉冲信号,燃料喷射阀15打开,将燃料喷溅到燃烧室3内。燃料喷射量根据燃料喷射阀15处于打开状态的时间段来调节。燃料压力传感器19设置在高压燃料通道18内。低压燃料泵20将燃料供给到高压燃料泵16。 
如图1所示,在内燃机1中还设置有其他传感器。冷却液温度传感器21适于测量发动机冷却液的温度。曲轴角度传感器22适于测量曲轴角度。油门开度传感器23适于测量油门踏板的下压量。 
电控单元25被设定成控制内燃机1的燃料喷射量和燃料喷射正时以及点火正时。通常,燃料喷射正时由燃料喷射起始时刻表示,而燃料喷射 量可以根据燃料喷射的时间段变化。具体地说,如图1所示,控制单元25被设定成接收来自上述传感器的信号。根据按照这些输入信号确定的发动机工作状况,控制单元25选择均匀进气燃烧模式和分层进气燃烧模式中的一种,并于是控制电控节气门7的开度、燃料喷射阀15的喷射量和喷射正时、火花塞14的点火正时等。在内燃机1热机后处于预定的低速和低负载区域内时,控制单元25选择通常分层进气燃烧模式,可以将燃料喷射正时控制在压缩冲程过程中的正确时刻,并控制点火正时,使之在压缩TDC之前。在通常分层进气燃烧模式中,一层燃料喷雾紧密地围绕火花塞14形成,并由此内燃机1以大约从30到40的总体空燃比执行极其稀薄分层进气燃烧。在内燃机1在热机之后处于高速高负载的预定区域中时,控制单元25选择通常的均匀进气燃烧模式,以将燃料喷射正时控制到进气冲程之内,并将点火正时控制到压缩TDC之前、MBT处或MBT附近。在均匀进气燃烧模式中,空气-燃料混合物在燃烧室3内是均匀的。均匀进气燃烧模式特别地包括具有理想配比空燃比的均匀理想配比燃烧模式,以及具有大约从20到30的稀薄空燃比的均匀稀燃模式。 
控制单元25还以被称为延迟点火燃烧模式的特别燃烧模式控制内燃机1,以延迟燃烧,以便在发动机1处于冷起动状态、需要快速升高催化转化器10的温度或需要快速升高排气温度的情况下,快速升高排气温度。下面参照图2A到2C描述这种极度延迟延烧模式的燃料喷射正时和点火正时。 
图2A、2B和2C是示出延迟点火燃烧模式的燃料喷射正时和点火正时的三个示例的特性图。在图2A所示的第一示例中,点火正时设定在作功冲程中15°ATDC到30°ATDC的范围内,例如在20°ATDC(在上止点之后的曲轴角度的相位),而燃料喷射正时或具体地说燃料喷射起始时刻设定在压缩TDC之后、点火正时之前。此时,空燃比设定为理想配比或稍稀薄,如大约16到17的值。通常,优选的是,延迟点火正时,具体的说,延迟点火正时到压缩TDC之后(ATDC点火),用于促进催化剂活化并减少排出发动机的HC排放。基于ATDC点火的燃烧可以通过减少燃烧的时间段来得以稳定。缸内湍流作用为促进火焰传播,从而提高燃烧速度。虽然如上所述缸内湍流即使在进气冲程或压缩冲程过程中有所增强而在压缩TDC之后减弱,但是在极度延迟燃烧的第一示例中,在压缩TDC 之后的作功冲程中的高压燃料喷射对产生和增强缸内湍流是有效的。这促进了火焰传播,并提高了基于ATDC点火的燃烧的燃烧稳定性。 
在图2B所示的第二示例中,燃料以分开的时刻喷射两次,其中,第一燃料喷射正时在进气冲程内,而第二燃烧喷射正时在压缩TDC之后、点火正时之前。考虑到两个燃料喷射步骤,点火正时和空燃比与第一示例中的相同。在第二示例中,早于第二燃料喷射的第一燃料喷射对增强缸内湍流效果很小,这是因为缸内湍流在压缩冲程的后期减弱,但是第一燃料喷射对减少排出发动机的HC排放和提高排气温度有效,这是因为所喷射的燃料在燃烧室内充分分散,从而因ATDC点火促进了HC排放的后燃。 
在图2C所示的第三示例中,燃料以分开的时刻喷射两次,其中,第一燃料喷射正时在压缩冲程内,而第二燃料喷射正时在压缩TDC之后。考虑到两个燃料喷射步骤,点火正时和空燃比与第一示例中的相同。在第三示例中,由早于第二燃料喷射的第一燃料喷射所产生的缸内湍流减弱得比第二示例中的更慢,使得第二喷射在存在缸内湍流的情况下进行,增强了在压缩TDC处或压缩TDC附近的缸内气流和湍流。 
虽然第三示例的第一燃料喷射可以在压缩冲程的第一半内,但是优选的是将第一燃料喷射正时设定在压缩冲程的第二半内,即,在90°BTDC处或在90°BTDC附近,使得在压缩TDC附近缸内湍流得以更有效地增强。具体地说,第一燃料喷射正时优选地在45°BTDC之后,更优选地在20°BTDC之后,用于增强压缩TDC之后的缸内气流。 
在上面极度延迟燃烧的三个示例中,燃料喷射刚好在点火之前产生和增强缸内湍流,由此改善火焰传播并稳定燃烧。尤其是,从15到30°ATDC的晚点火正时对于催化剂快速活化以及后燃来减少排出发动机的HC排放来说是有效的。由此,通过显著延迟的点火正时,延迟到正好在点火正时之前的燃料喷射正时对于延迟缸内湍流的发生和发展时刻来说都是有效的,并在火焰传播方面改善燃烧。 
如上所述,极度延迟点火模式作用为将排气温度升高非常高,由此快速加热催化转化器10。然而,在催化转化器10处于完全冷的状态,如在温度接近外界气温的状态时,从发动机起动开始采用延迟点火燃烧模式的情况下,催化转化器10有可能存在较大的空间热梯度。具体地说,有可能催化转化器10的单体陶瓷催化剂载体的上游部分被局部和快速加热, 在催化转化器10中产生热应变。在本实施例中,控制单元25使内燃机1在多个燃烧模式下工作,这些燃烧模式根据催化转化器10的热状态来切换。 
图3是示出有待由控制单元25执行的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图。控制单元25以预定的处理时间间隔反复执行图3的程序。如图3所示,首先,在步骤S1,控制单元25将预定的第一参考温度T1与催化转化器出口温度Tc相比较,其中催化转化器出口温度定义为由催化转化器出口温度传感器32测量的催化转化器10的出口点的温度。具体地说,控制单元25确定催化转化器出口温度TC是否高于第一参考温度T1。第一参考温度T1基本上等于相关的催化剂的最低活化温度,如从150℃到200℃的温度。当步骤S1的回答是否定(否)时,程序进行到步骤S2。在步骤S2,控制单元25使发动机在通常冷机状态工作模式下工作。在通常冷机状态工作模式下,发动机被控制成适度地升高排气温度。温度升高不如延迟点火燃烧模式中那样快。具体地说,在通常冷机状态工作模式下,燃料喷射正时被设定在进气冲程内,且点火正时设定在压缩TDC之前、MBT点之前一点。除了进气冲程燃料喷射外,燃料喷射可以在压缩冲程过程中执行。从而,当催化转化器10在发动机起动时处于完全冷的状态时,控制单元25使发动机在通常冷机状态工作模式下工作,使得催化转化器10的温度逐渐升高。 
另一方面,当步骤S1的回答是肯定的(是)时,程序进行到步骤S3。在步骤S3,控制单元25将预定第二参考温度T2与催化剂温度TB相比较,其中催化剂温度TB定义为由催化剂温度传感器31测量的催化转化器10的催化剂载体一部分的温度。具体地说,控制单元25确定催化剂温度TB是否高于第二参考温度T2。第二参考温度T2基本上等于针对催化剂完全活性的催化剂完全活化温度,具体地说,稍低于催化剂完全活化温度,如从250℃到300℃的温度。当步骤S3的回答是否时,过程进行到步骤S4。另一方面,当步骤S3的回答为是时,程序返回。在步骤S4,控制单元25使发动机在延迟点火燃烧模式下工作。在冷起动过程中,在催化转化器出口温度TC超过第一参考温度T1时,催化剂温度TB通常低于第二参考温度T2。于是,在冷起动过程中,发动机工作模式从通常冷机状态工作模式切换到延迟点火燃烧模式。在延迟点火燃烧模式下,排气温度快 速升高,以快速加热催化转换器10。延迟点火燃烧模式继续进行,直到催化剂温度TB超过第二参考温度T2为止。当催化剂温度TB超过第二参考温度T2时,控制单元25退出用于发动机处于冷机状态期间的过程,并进入通常热机状态工作模式。具体地说,在通常热机状态工作模式下,发动机在均匀进气燃烧模式下或在通常分层进气燃烧模式下工作。 
根据上述过程,延迟点火燃烧模式在催化转化器出口温度TC超过第一参考温度T1之前被禁止。这对于避免催化转化器10热退化同时减少在延迟点火燃烧模式下催化转化器完全活化的期间有效。 
图4和5是示出催化转化器10每个参考点的温度变化的曲线。图4示出催化转化器10经历非常高的排气温度的情况。图5示出催化转化器10经历相对低的排气温度的情况。图6是发动机排气系统的示意性平面图,示出其温度在图4和5的曲线中被测量的每个参考点的位置。传感器测量在催化转化器10入口点A处的温度TA、在催化剂载体上游部分B1处的温度TB1、在催化剂载体下游点B2处的温度TB2、以及在催化转化器10的出口点处的温度TC。 
如图4所示,在从发动机起动开始发动机已经在延迟点火燃烧模式下工作以保持排气温度较高的情况下,温度TB1和温度TA快速升高,使得温度TB1和TB2之间的差ΔT非常大,这在催化转化器10中造成大量热变形。 
相反,在排气温度相对低的情况下,温度差ΔT足够小,如图5所示。在温度TC超过第一参考温度T1的时间点开始延迟点火燃烧模式时,温度如图5中虚线所示那样变化。在延迟点火燃烧模式开始后,温度快速升高,使得完全活化催化剂所需的时间与图4情况下所需的时间相当。在模式切换的时间点处,在催化剂中释放出反应热,这保持温度差ΔT相对小。 
在延迟点火燃烧模式下,燃料喷射正时可以这样控制,使得排气温度逐渐升高。具体地说,控制单元25可以设定成在延迟点火燃烧模式下执行下列操作:控制燃料喷射阀15以在进气和压缩冲程中的早期燃料喷射正时和第二燃料喷射正时喷射燃料;以及在延迟点火燃烧模式的初始阶段将第二燃料喷射正时逐渐延迟到预定时间点。例如,在如上面所讨论的第二和第三示例中那样燃料以分开的时刻喷射的情况下,排气温度根据第二 燃料喷射正时变化,如图7所示。尤其是,如图7所示,排气温度随着第二燃料喷射正时延迟而增加。第二燃料喷射正时可以这样控制,使其在正好切换到延迟点火燃烧模式之后提前到TDC附近,然后逐渐向预定时刻延迟。这可以逐渐升高排气温度,这对于更可靠地减小催化剂载体的热变形有效。在此,第二燃料喷射正时可以暂时在压缩TDC之前。例如,燃料喷射的期间可以跨过压缩TDC。 
如上所述,在从催化转化器10处于完全冷状态时的发动机起动开始就采用延迟点火燃烧模式的情况下,在催化转化器10中有可能存在大量的热应变。但是,在这个实施例中,发动机在多个燃烧模式下工作,这些燃烧模式根据催化转化器10的热状态而切换。具体地说,在催化转化器10处于预定低温状态的期间禁止延迟点火燃烧模式。更具体地说,在催化转化器出口温度TC超过第一参考温度T1之前禁止延迟点火燃烧模式。由于催化转化器出口温度TC的变化是响应于催化剂载体温度的变化而延迟产生,因此,催化转化器出口温度TC的增加可以认为表示了催化转化器10整体温度升高。于是,当催化转化器出口温度TC超过第一参考温度T1之后采用延迟点火燃烧模式来升高排气温度时,这种延迟点火燃烧模式不会导致过量的热变形。 
图8是示出根据第二实施例用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图。如图8所示,首先,在步骤S11,控制单元25将预定第三参考温度T3与催化剂温度传感器31测量的催化剂温度TB相比较。具体地说,控制单元25确定催化剂温度TB是否高于第三参考温度T3。第三参考温度T3基本上等于最低催化剂活化温度,如从150℃到200℃的温度。当步骤S11的回答是否时,程序进行到步骤S12。在步骤S12,控制单元25使发动机在通常冷机状态工作条件下工作。 
另一方面,当步骤S11的回答为是时,程序进行到步骤S13。在步骤S13,控制单元25确定催化剂温度TB是否高于第二参考温度T2。当步骤S13的回答为是时,程序返回。另一方面,当步骤S13的回答是否时,程序进行到步骤S14。在步骤S14,控制单元25使发动机在延迟点火燃烧模式下工作。在冷起动的情况下,催化剂温度TB通常低于第二参考温度T2,并且在步骤S14采用延迟点火燃烧模式。这会升高排气温度,由此加热催化转化器10。该延迟点火燃烧模式持续进行,直到催化剂温度TB超 过第二参考温度T2为止。当催化剂温度TB超过第二参考温度T2时,控制单元25终止针对发动机处于冷机状态期间的过程,并且使发动机在通常热机条件工作模式下工作,即,在均匀进气燃烧模式或在通常分层进气燃烧模式下工作。 
根据上述过程,在催化剂温度TB超过第三参考温度T3之前,延迟点火燃烧模式被禁止。这对于避免催化转化器10热退化同时减少在延迟点火燃烧模式中催化剂完全活化的时间段有效。在这个实施例中,燃烧控制设备可以在没有催化转化器入口温度传感器32的情况下构成。 
在这个实施例中,延迟点火燃烧模式在催化剂温度TB超过第三参考温度T3之前被禁止。在催化剂温度TB超过第三参考温度T3之后,催化剂活化开始。此时,催化剂的内部温度由于释放的反应热而升高。于是,即使排气温度升高得非常高,催化转化器10内的空间热梯度也不会太大。 
图9是示出根据第三实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图。如图9所示,首先,在步骤S21,控制单元25将第一参考温度T1与催化转化器出口温度传感器32测得的催化转化器出口温度TC相比较。具体地说,控制单元25确定催化转化器出口温度TC是否低于第一参考温度T1。当步骤S21的回答为是时,程序进行到步骤S22。在步骤S22,控制单元25使发动机在通常冷机状态工作模式下工作。在通常冷机状态工作模式下,发动机被控制成适度地增加排气温度。温度升高不如在延迟点火燃烧模式中的那么快。具体地说,在通常冷机状态工作模式下,燃料喷射正时被设定在进气冲程中,而点火正时被设定为在压缩TDC之前稍早于MBT点。除了进气冲程燃料喷射外,燃料喷射还可以在压缩冲程内进行。从而,当催化转化器10在发动机起动时处于完全冷状态下时,控制单元25使发动机在通常冷机状态工作模式下工作,使得催化转化器10的温度逐渐升高。 
另一方面,当步骤S21的回答是否时,程序进行到步骤S23。在步骤S23,控制单元25将第二参考温度T2与催化剂温度传感器31测得的催化剂温度TB相比较。具体地说,控制单元25确定催化剂温度TB是否低于第二参考温度T2。当步骤S23的回答为是时,程序进行到步骤S24。另一方面,当步骤S23的回答是否时,程序进行到步骤S27。在步骤S24,控制单元25使发动机在延迟点火燃烧模式下工作。在冷起动过程中,在瞬时 催化转化器出口温度TC超过第一参考温度T1时,催化剂温度TB通常低于第二参考温度T2。于是,在冷起动过程中,发动机工作模式从通常冷机状态工作模式转变到延迟点火燃烧模式。在步骤S26,控制单元25确定催化剂温度TB是否高于或等于第二参考温度T2。当步骤S26的回答为是时,程序进行到步骤S27。另一方面,当步骤S26的回答是否时,程序回到步骤S24。从而,在催化剂温度TB超过第二参考温度T2之前,延迟点火燃烧模式是有效的。在步骤S27,控制单元25使发动机在通常热机状态工作模式下工作。具体地说,在通常热机状态工作模式下,发动机在均匀进气燃烧模式或通常分层进气燃烧模式下工作。 
在步骤S24和S26之间,执行步骤S25。在步骤S25,在延迟点火燃烧模式下,控制单元25确定电控节气门7的节气门开度Th是否大于预定阈值Th1。当步骤S25的回答为是时,程序进行到步骤S27。另一方面,当步骤S25的回答是否时,程序进行到步骤S26。从而,如果节气门开度Th超过阈值Th1,控制单元25退出延迟点火燃烧模式,即使在催化剂温度TB还没有超过第二参考温度T2。在这个实施例中,延迟点火燃烧模式转变到通常热机状态工作模式。另外,在催化剂温度TB超过第二参考温度T2之前,可以采用通常冷机状态工作模式。 
根据上述过程,在催化转化器出口温度TC超过第一参考温度T1之前,禁止延迟点火燃烧模式。这对于避免催化转化器10热退化同时减少在延迟点火燃烧模式中催化剂完全活化的期间是有效的。 
当在延迟点火燃烧模式下节气门开度Th增加并由此燃料喷射量增加时,排气温度或催化转化器入口温度TA有可能升高得过高,从而进一步增加温度TB1,由此增加温度差ΔT或催化转化器10内的热应变。即使在温度TB达到第二参考温度T2并由此终止延迟点火燃烧模式之后,催化转化器10上游的排气系统中的热量和催化剂的反应热也有可能增加催化转化器10的内部温度,从而内部温度过调,而使催化剂退化。相反,在这个实施例中,节气门开度Th超过阈值Th1时中断延迟点火燃烧模式的这种控制设备对减少过度温升和热应变来说是有效的。 
当延迟点火燃烧模式由于节气门开度而被禁止之后节气门开度Th再次减小而低于阈值Th1时,如果催化剂温度TB低于第二参考温度T2,则延迟点火燃烧模式重新起动。 
图10和图11是示出图9的程序的修改的流程图。在图9的程序中的步骤S25用步骤S25A和S25B替代,来分别提供图10和11的程序,在图10和11的程序中,根据发动机工作状况,如辅助设备的工作状况和怠速开关的工作状态来确定发动机负载是否超过预定水平。如图10所示,在步骤S25A,控制单元25确定辅助负载是否为开,辅助负载是辅助设备,如用于空调器的压缩机的负载。当步骤S25A的回答为是时,程序进行到步骤S27。另一方面,当步骤S25A的回答是否时,程序进行到步骤S26。从而,如果辅助负载为开,则控制单元25退出延迟点火燃烧模式,即使催化剂温度TB还没有超过第二参考温度T2。可替代的是,在辅助设备的负载总和超过预定水平时,控制单元25退出延迟点火燃烧模式。 
如图11所示,在步骤S25B,控制单元25确定怠速开关是否为开。当步骤S25B的回答为是时,程序进行到步骤S27。另一方面,当步骤S25B的回答是否时,程序进行到步骤S26。从而,如果怠速开关是开时,控制单元25退出延迟点火燃烧模式,即使催化剂温度TB还未超过第二参考温度T2。怠速开关的“开”信号表示油门踏板下压或电控节气门7的节气门开度Th为零。怠速开关信号可以用非物理方法产生。例如,怠速开关信号可以通过处理来自油门开度传感器23的探测信号产生。当内燃机1从怠速状态转变到非怠速状态时,例如,当车辆从停止起动时,延迟点火燃烧模式被取消或禁止。 
图12是示出根据第四实施例用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图。如图12所示,首先,在步骤S31,控制单元25将预定第三参考温度T3与催化剂温度传感器31测得的催化剂温度TB相比较。具体地说,控制单元25确定催化剂温度TB是否低于第三参考温度T3。第三参考温度T3基本上等于最低催化剂活化温度,如从150℃到200℃的温度。当步骤S31的回答为是时,程序进行到步骤S32,在步骤S32,控制单元25使发动机在通常冷机状态工作模式下工作。 
另一方面,当步骤S31的回答是否时,程序进行到步骤S33。在步骤S33,控制单元25使发动机在延迟点火燃烧模式下工作。在步骤S35,控制单元25确定催化剂温度TB是否高于或等于第二参考温度T2。当步骤S35的回答为是时,程序进行到步骤S36。另一方面,当步骤S35的回答是否时,程序回到步骤S33。从而,在催化剂温度TB超过第二参考温度T2 之前,延迟点火燃烧模式有效。在步骤S36,控制单元25使发动机在通常热机状态工作模式下工作,即,在均匀进气燃烧模式或在通常分层进气燃烧模式下工作。在步骤S33和步骤S35之间,执行步骤S34。在步骤S34,在延迟点火燃烧模式下,控制单元25确定电控节气门7的节气门开度是否高于阈值Th1。当步骤S34的回答为是时,程序进行到步骤S36。另一方面,当步骤S34的回答是否是,程序进行到步骤S35。从而,如果节气门开度Th超过阈值Th1,控制单元25退出延迟点火燃烧模式,即使催化剂温度TB未超过第二参考温度T2。 
根据上述过程,在催化剂温度TB超过第三参考温度T3之前,禁止延迟点火燃烧模式。这对于避免催化转化器10热退化同时减少延迟点火燃烧模式下催化剂完全活化的期间来说是有效的。在这个实施例中,燃烧控制设备可以在没有催化转化器出口温度传感器32的情况下构成。 
图12的程序中的步骤S34可以用步骤S25A替代,或用步骤S25B替代,其中步骤S25A关于辅助负载,而步骤S25B关于怠速开关信号,如图10和11的修改那样。 
图13是示出根据第五实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图。如图13所示,首先,在步骤S41,控制单元25读取催化转化器入口温度TA,该入口温度TA定义为催化转化器10的入口点的温度,该温度由排气温度传感器13测量,并确定或计算催化转化器入口温度TA的变化率dTA,具体地说,每单位时间催化转化器入口温度TA的变化量。在步骤S41之后,在步骤S42,控制单元25基于发动机状况,如发动机起动时冷却液温度和发动机起动时催化转化器入口温度TA,确定催化剂是否活化。例如,在发动机在热机状况下起动时,催化剂已经活化。当催化剂活化时,程序进行到步骤S45。在步骤S45,控制单元25使发动机在通常热机状况工作模式下工作,具体地说,在均匀进气燃烧模式或在通常分层进气燃烧模式下工作。 
另一方面,当催化剂在如冷起动这样的状况下未活化时,程序进行到步骤S43。在步骤S43,控制单元25使发动机在延迟点火燃烧模式下工作,由此排气温度快速上升。 
在步骤S43之后,在步骤S44,控制单元25基于催化转化器入口温度TA及其变化率dTA确定或判断催化转化器10的热状态是否已经达到完 全活化之前的预定阶段。具体地说,控制单元25判断表示催化转化器入口温度TA及其变化率dTA的点是否在如图14所示曲线的禁止区域或允许区域。在发动机处于允许区域时,控制单元25持续进行延迟点火燃烧模式,直到发动机进入禁止区域为止。当控制单元25判断发动机进入禁止区域时,程序进行到步骤S45,在该步骤S45,延迟点火燃烧模式被取消,并转变到通常热机状态工作模式。上述禁止区域的条件定义成:在取消延迟点火燃烧模式之后,催化剂温度不会升高到过度超过完全活化温度。具体地说,延迟点火燃烧模式被取消或禁止时的催化转化器入口温度TA的最低值随着催化转化器入口温度的变化率dTA的增大而减小。这防止催化剂温度过分超调以及由于极大的空间热梯度带来的热应变。 
下面描述催化转化器10的温度变化。图15是示出在冷起动后持续进行延迟点火燃烧模式的情况下催化转化器入口温度TA(基本上等于排气温度)以及催化转化器内部温度TB的变化的曲线,其中,与在冷起动后持续进行通常燃烧模式的虚线表示的情况下的变化相对比。如图15所示,在延迟点火燃烧模式下,排气温度(催化转化器入口温度)在冷起动后快速升高,使得内部温度在非常短的时间段内达到催化剂活化温度(完全活化温度)T11。另一方面,如实线所示,入口温度和内部温度之间的差,即催化剂载体内的空间热梯度,在延迟点火燃烧模式的情况下在催化剂活化温度T11处与虚线所示的适度加热的情况相比较大。由此,总的来说,由于延迟点火燃烧模式带来的快速加热在催化转化器10中造成大量的热应变。 
另一方面,图16是示出在催化转化器内部温度TB达到催化剂活化温度T11并且取消延迟点火燃烧模式时催化转化器入口温度和催化转化器内部温度的变化的曲线。在这种情况下,在取消延迟点火燃烧模式之后,排气系统上游内的各部件中的热量和催化剂自身的反应热持续升高催化转化器10的内部温度。结果,催化转化器10的内部温度有可能超过退化催化剂的温度。 
另一方面,图17是示出第五实施例在内部温度TB达到催化剂活化温度T11之前取消延迟点火燃烧模式情况下催化转化器入口温度和催化转化器内部温度的变化的曲线。当内部温度TB为低于催化剂活化温度T11的温度T12时,取消延迟点火燃烧模式,使得即使在取消延迟点火燃烧模式之 后内部温度仍升高,但不会达到退化催化剂的温度。在取消延迟点火燃烧模式之后,催化转化器入口温度TA立即降低,且在内部温度TB达到催化剂活化温度T11时,内部温度TB和催化转化器入口温度TA之间的差ΔT小于图15和16所示的情况中的。 
虽然在上述实施例中催化转化器10的催化转化器入口温度TA直接由排气温度传感器13测量,但是,催化转化器入口温度TA也可以根据进气量进行估算,这是因为催化转化器入口温度TA与内燃机的进气量相关联。 
图18和19示出第六实施例。在第六实施例中,催化转化器10的热状态借助于排气温度传感器13和催化剂温度传感器31二者来确定。即,催化转化器入口温度TA和催化转化器10的内部温度TB都测量。 
图18是示出根据第六实施例的用于发动机起动的燃烧模式转变过程的流程图。如图18所示,首先,在步骤S41A,控制单元25读取由排气温度传感器13测量的催化转化器10的催化转化器入口温度TA,以及由催化剂温度传感器31测量的催化转化器10的内部温度TB。在步骤S41A之后,在步骤S42,控制单元25基于发动机状况,如发动机起动时的冷却液温度和发动机起动时的内部温度TB,确定催化剂是否活化。例如,在热机状况下发动机重新起动过程中,催化剂已经活化。当催化剂被活化时,程序进行到步骤S45。在步骤S45,控制单元25使发动机在通常热机状态工作模式下工作,即在均匀进气燃烧模式或通常分层进气燃烧模式下工作。 
另一方面,当催化剂在如冷起动的这样条件下未被活化时,则程序进行到步骤S43。在步骤S43,控制单元25使发动机在延迟点火燃烧模式下工作。由此,排气温度快速升高。 
在步骤S43之后,在步骤S44,控制单元25基于催化转化器入口温度TA和催化转化器内部温度TB确定或判断催化转化器10的热状态是否达到完全活化前的预定阶段。具体地说,控制单元25判断催化转化器内部温度TA和催化转化器内部温度TB的点是否处于如图19所示曲线的禁止区域或允许区域内。在发动机处于允许区域内时,控制单元25持续进行延迟点火燃烧模式,直到发动机进入禁止区域为止。当控制单元25判断出发动机进入禁止区域,程序进行到步骤S45,在步骤S45,取消延迟点火燃烧模式,并转变到通常燃烧模式。上述禁止区域的条件定义为在延迟点 火燃烧模式取消之后,催化剂温度不会升高到过分超过完全活化温度。具体地说,取消或禁止延迟点火燃烧模式时的催化转化器内部温度TB的最小值随着催化转化器入口温度TA的升高而减小。这防止催化剂温度过分超调以及因极大的空间热梯度带来的热应变。 
虽然在上述实施例中,催化转化器10的催化转化器入口温度TA直接由排气温度传感器13测量,但是,催化转化器入口温度TA可以根据进气量进行估算,这是因为催化转化器入口温度TA与内燃机的进气量相关联。 
虽然在上述实施例中,催化转化器10的内部温度TB直接由催化剂温度传感器31测量,但是内部温度TB可以根据其他参数,如催化转化器10的氧存储能力来估算,所述氧存储能力与催化剂温度相关联。具体地说,为了确定催化转化器10的热状态,内燃机的排气空燃比被控制成以适当的周期和振幅波动,如图20A所示。这种控制是通过空燃比反馈控制的普通技术实现的。上游空燃比传感器11测量的空燃比随着发动机的排气空燃比变化。另一方面,由下游空燃比传感器12测量的空燃比如图20B所示那样变化,其中,在催化转化器10未活化并具有较低的氧存储能力时,空燃比类似于空燃比传感器11的空燃比信号那样变化,但是当催化转化器10的温度升高并且催化转化器10具有较高氧存储能力时,空燃比以较长周期和较小振幅变化。认识到这些不同的变化模式,控制单元25可以判断催化剂温度是否达到完全活化前的最低活化温度。 
在延迟点火燃烧模式中,燃料在TDC处或TDC附近喷射,在该处,活塞2处于它上端或上端附近。即,燃料在燃烧室的容积最小的时刻喷射到燃烧室3内。这趋于增加在燃烧室3壁上燃料喷雾的流速,即,在燃烧室3侧壁和活塞冠上的流速。于是,当发动机在缸内温度(或燃烧室3的壁的温度)非常低的冷起动之后处于这种冷机状态时,排气温度也很低,使得来自燃烧室3的未燃烧的HC有可能在排气系统中不能充分氧化,由此排放到外侧。 
图23是示出在发动机起动后立即持续采用延迟点火燃烧模式的参考示例中,在冷起动过程中,发动机温度(冷却液温度或润滑油温度)、催化剂温度和所产生的HC量(称为排出发动机的HC排放)的变化的曲线。如图23所示,随着发动机起动后时间的增长发动机温度逐渐升高。 催化转化器10的催化剂温度也因极度延迟燃烧的有效加热而立即和逐渐升高。由于在冷起动后燃料的沿壁流(wall flow)增大,排出发动机的HC排放量较大,并随着发动机温度上升而减少。 
在第七实施例中,控制单元25在发动机处于预定低的热状态下禁止延迟点火燃烧模式。具体地说,控制单元25在冷起动之后、发动机温度处于预定冷状态下时,禁止延迟点火燃烧模式,即在发动机温度超过预定第一阈值温度T21之前,禁止延迟点火燃烧模式,如图21所示。在这个初始时间段内,发动机以通常冷机状态工作模式工作。通常冷机状态工作模式作用为增大排气温度,但不增加燃料喷雾的沿壁流。在催化转化器10处于完全冷的状态下,在该状态下,催化剂温度为外界环境温度或外界环境温度附近,通常冷机状态工作模式也作用为通过排气的热量逐渐加热催化转化器10。在刚刚冷起动后采用通常冷机状态工作模式的情况下,燃料喷雾的沿壁流处于较低水平,由此排出发动机的HC排放量小于图23中的情形。 
当发动机温度升高到第一阈值温度T21时,控制单元25启动或进入延迟点火燃烧模式。在延迟点火燃烧模式中,排气温度快速升高来加热催化转化器10。当催化转化器10被活化时,催化转化器10的温度进一步快速升高。如图21所示,排出发动机的HC排放量在刚刚进入延迟点火燃烧模式之后暂时并稍微增大,但随着发动机温度上升而快速下降。 
当基于催化剂温度传感器13的探测信号测量或估算的催化转化器10的温度超过预定的第二阈值温度T22时,控制单元25终止延迟点火燃烧模式,并进入通常热机状态工作模式,该通常热机状态工作模式包括均匀进气燃烧模式和分层进气燃烧模式。第二阈值温度T22基本上等于催化转化器10的催化剂活化温度。如图22所示,如果催化转化器10的温度在发动机温度超过第一阈值温度T21之前达到或超过第二阈值温度T22,则禁止启动延迟点火燃烧模式,即,通常冷机状况工作模式不切换到延迟点火燃烧模式,而是直接切换到通常热机状态工作模式。这避免了延迟点火燃烧模式带来的燃料消耗的负面影响。 
在发动机温度超过第一阈值温度T21之后再采用延迟点火燃烧模式的根据上述第七实施例的燃烧控制设备对于防止冷起动过程中燃料喷雾的沿壁流增加而带来的排出发动机的HC排放量瞬时和过分增加来说是有效 的。当采用延迟点火燃烧模式时,延迟点火燃烧模式作用为快速升高排气温度,由此快速升高催化转化器10的温度,使得催化剂活化所需的期间与图23所示的冷起动之后立即采用延迟点火燃烧模式中的相当。 
如上所述,排气温度在延迟点火燃烧模式下非常高。于是,在催化转化器10处于完全冷的状态下的冷起动后立即采用延迟点火燃烧模式的情况下,催化转化器10有可能被快速加热,并且在催化转化器10中产生热应变。在催化转化器10被加热到预定水平之上才进入延迟点火燃烧模式的根据第七实施例的燃烧控制设备对于缩短催化剂完全活化所需的期间以及对于避免催化转化器10的较大的热应变或热退化是有效的。 
上述实施例的延迟点火燃烧模式可以用在包括NOx捕捉催化剂作为催化转化器10来恢复催化转化器10的硫中毒的发动机系统中。NOx捕捉催化剂作用为在流入催化剂的排气的空燃比稀薄时吸收NOx,并在排气空燃比浓时通过释放被吸收的NOx来执行净化过程。当燃料中硫含量(SOx)与NOx捕捉催化剂结合,NOx捕捉催化剂在NOx吸收性能方面退化。为了将SOx从NOx捕捉催化剂中去除(硫中毒恢复),可以采用所示实施例的极度延迟燃烧,来获得高温的排气。 
这个申请是基于2005年6月27日提交的在先日本专利申请第2005-185909号、2005年5月31日提交的日本专利申请第2005-158507号、2005年5月31日提交的日本专利申请第2005-158509号以及2005年5月31日提交的日本专利申请第2005-158510号。这些日本专利申请2005-185909、2005-158507、2005-158509和2005-158510通过引用结合于此。 
虽然上面参照本发明的特定实施例描述了本发明,但本发明不局限于上述实施例。对本领域技术人员来说,在上述教导下,可以对上述实施例作出修改和变型。本发明的范围参照所附的权利要求书限定。 

Claims (10)

1.一种用于内燃机的燃烧控制设备,所述内燃机包括燃料喷射器和火花塞,所述燃料喷射器用于在燃料喷射正时将燃料喷射到内燃机的燃烧室内,所述火花塞用于在点火正时在燃烧室内产生火花,其中
所述燃烧控制设备包括控制单元,该控制单元连接到燃料喷射器和火花塞上,并设定成在内燃机处于预定工作状态下时执行延迟点火燃烧模式,即:执行以下操作:
将点火正时设定在压缩上止点之后;及
将燃料喷射正时设定在点火正时之前且压缩上止点之后,
且所述控制单元被设定成:
确定所述内燃机的排气净化器的第一温度是否低于第一参考温度,该第一参考温度基本上等于针对催化剂完全活化的催化剂完全活化温度;
响应于确定了所述排气净化器的第一温度低于所述第一参考温度,执行延迟点火燃烧模式;
确定所述排气净化器的第二温度是否高于第二参考温度,该第二参考温度基本上等于最低催化剂活化温度;
在确定了所述排气净化器的第二温度高于所述第二参考温度之前,禁止所述延迟点火燃烧模式。
2.如权利要求1所述的燃烧控制设备,其中,所述排气净化器的第二温度是在所述排气净化器的出口点处的温度。
3.如权利要求1所述的燃烧控制设备,其中,所述控制单元被设定成在所述内燃机的发动机负载在预定水平之上时禁止所述延迟点火燃烧模式。
4.如权利要求3所述的燃烧控制设备,其中,所述控制单元被设定成根据所述内燃机的油门开度确定所述发动机负载。
5.如权利要求3所述的燃烧控制设备,其中,所述控制单元被设定成根据所述内燃机的辅助设备的工作状态确定所述发动机负载。
6.如权利要求3到5中任一项所述的燃烧控制设备,其中,所述控制单元被设定成在所述内燃机处于非怠速状态时禁止所述延迟点火燃烧模式。
7.如权利要求1所述的燃烧控制设备,其中,所述控制单元被设定成以延迟点火燃烧模式执行如下操作:
控制燃料喷射器,以在作为第二燃料喷射正时的燃料喷射正时喷射燃料,并且
在进气和压缩冲程过程中在早期燃料喷射正时喷射燃料;以及
在延迟点火燃烧模式的初始阶段逐渐将所述第二燃料喷射正时延迟到预定时间点。
8.如权利要求1所述的燃烧控制设备,其中,所述控制单元被设定成:响应于确定了存在升高内燃机排气温度的需求时,采用延迟点火燃烧模式。
9.如权利要求1所述的燃烧控制设备,其中,所述控制单元被设定成在延迟点火燃烧模式下,将点火正时设定在上止点之后15到30度曲轴角度的范围内。
10.一种控制内燃机的方法,该内燃机包括用于在燃料喷射正时将燃料喷射到内燃机的燃烧室内的燃料喷射器和用于在点火正时在燃烧室内产生火花的火花塞,所述方法包括:
在内燃机处于预定工作状态下时执行延迟点火燃烧模式,即:执行如下操作,在所述预定工作状态下,存在升高内燃机排气温度的需求:
将点火正时设定在压缩上止点之后;并且
将燃料喷射正时设定在点火正时之前且压缩上止点之后;以及
在所述内燃机的排气净化器的温度低于其最低活化温度时禁止所述延迟点火燃烧模式。
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