CN1982684A

CN1982684A - 内燃机的后喷射控制

Info

Publication number: CN1982684A
Application number: CNA2006101642684A
Authority: CN
Inventors: 近藤光德; 横山仁
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: EP1798404A1; CN1982684B; US7779622B2; JP2007162585A; US20070137179A1

Abstract

在内燃机(10)中，该内燃机(10)包括：燃料喷射器(12)，该燃料喷射器可在向气缸执行主喷射之后执行后喷射；以及排气门(15)，该排气门打开和关闭以排出废气；控制器(70)控制燃料喷射器(12)，从而在排气门(15)打开之后、在沿着汽缸轴线的缸内气体的速度增大期间开始后喷射。根据执行后喷射时所对应的曲轴转角来控制后喷射的持续时间(t)，以致分散距离(L)不会变得大于从喷射孔(12a)到缸套(10c)的距离(S)，因此确保喷射燃料被供给到排气通道(23)中，而不会粘附到缸套(10c)上，其中在分解距离的末端该喷射燃料开始雾化。

Description

内燃机的后喷射控制

技术领域

本发明涉及内燃机的后喷射控制，用于再生废气过滤器的目的。

背景技术

设置在柴油机排气通道中的、用来捕获颗粒物质的柴油颗粒过滤器(DPF)随着持续地捕获颗粒物质而被堵塞。当大量的颗粒物质已经沉积在DPF中时，DPF不得不进行再生。这种再生是通过升高废气温度、强迫地燃烧过滤器中的沉积颗粒物质来实现的。

日本专利局于2002年出版的JP2002-371900A提出了在与排气冲程的较后部分相对应的活塞的排气上死点之前的20-45度的曲轴转角范围内、在主燃料喷射之后、使柴油机的燃料喷射器进行后燃料喷射。这一现有技术的目的是，使用在后喷射中所喷射出的燃料的后燃烧所产生的热量来燃烧DPF中的沉积颗粒物质。

发明内容

当后喷射量增大时，所喷射的燃料趋于粘附到形成燃烧室壁表面的缸套上。当所粘附的燃料被活塞刮掉并且落入到设置在活塞下方的油盘中时，储存在油盘中的机油会被稀释。

在活塞的排气冲程的较后部分中，由于缸内的温度和压力较小，粘附到缸套上的燃料的一部分保留下来，直到下一个燃烧循环，而不会蒸发掉。这种残余机油的燃烧可能会导致内燃机的意外加速。

因此，本发明的目的是防止由后喷射所喷射的燃料粘附到缸套上。

为了实现上述目的，本发明提供了一种与内燃机一起使用的燃料喷射控制装置，其中该内燃机包括：燃料喷射器，该燃料喷射器可在向气缸执行主喷射之后执行后喷射；以及排气门，该排气门打开和关闭以排出废气。该控制装置包括可编程的控制器，该控制器被编程为控制燃料喷射器，从而在排气门打开之后、在沿着汽缸轴线的缸内的气体速度增大期间开始后喷射

本发明还提供了一种燃料喷射控制方法，该方法包括控制燃料喷射器，从而在排气门打开之后、在沿着汽缸轴线的缸内气体的速度增大期间开始该后喷射。

本发明的详细内容以及其它特征和优点将在说明书的剩余部分中进行阐述并且示出在附图中。

附图说明

图1是用来描述所喷射的燃料的情况的柴油机的示意性纵向剖视图；

图2是描述燃料喷射器喷射到汽缸中的燃料的雾化的示意图；

图3是曲线图，该图示出了根据柴油机的曲轴转角、相对于沿着汽缸轴线的缸内气体的速度变化、由本发明人所进行的分析的结果。

图4是本根据发明的柴油机的燃料喷射控制装置的示意性示图。

图5A和5B是曲线图，它们示出了根据本发明的、燃料喷射和根据柴油机曲轴转角的沿着汽缸轴线的气体速度变化。

图6是示出了机油稀释率和后喷射正时之间的关系的曲线图。

图7A和7B与图5A和5B相类似，但是示出了本发明的第二实施例。

图8A和8B与图5A和5B相类似，但是示出了本发明的第三实施例。

图9是示出了由燃料喷射器喷射到汽缸内的燃料所产生的空气流动的示意图。

具体实施方式

参照附图中的图1，首先，将描述作为本发明基础的、本发明人所得到的研究结果。

在柴油机中，当活塞10a已经升高到压缩上死点附近时，在活塞10a的压缩冲程的最后阶段中借助燃料喷射器12来执行主燃料喷射。当活塞10a处于升高位置时，所喷射的燃料被导向到形成在活塞10a顶部上的腔10b中。

另一方面，相对于主喷射正时以延迟正时执行后喷射。根据现有技术，在活塞的排气上死点之前的20-45度的曲轴转角范围内执行后喷射。在这一曲轴转角范围内，排气门15如图中所示打开，活塞10a的位置较低并且离开燃料喷射器12的喷射孔12a。其结果是，所喷射出的燃料被导向到缸套10c中并且趋于粘附于其上。

参照图2，从喷射孔12a中喷射出的燃料在喷射孔12a附近的部分A中向前直线前进。然后，由于与空气相摩擦，燃料在部分B中沿波形路径前进，然后在部分C中雾化。从喷射孔12a到雾化位置的长度、或者换句话说与部分A和B的总长度相对应的液柱长度被称为分解长度L。分解长度L在逻辑上用下面公式(1)来表示

L = C \cdot \sqrt{\frac{2 \cdot ΔP}{ρ_{f}}} \cdot t

在这里，L＝分解长度

C＝速度系数

ΔP＝喷射孔的内部和外部之间的压差

ρ_f＝燃料的密度；及

t＝后喷射的持续时间。

速度系数C是通过实验确定的公知系数。

从公式(1)可知中，假设后喷射的持续时间t不变，那么分解长度L与喷射孔12a的内部和外部之间的压差ΔP的平方根成比例。当燃料喷射器12的燃料压力不变时，压差ΔP随着汽缸压力的增大而变得更小，压差ΔP随着汽缸压力的减小而变得更大。相应地，分解长度L随着汽缸压力增大而变得更短，分解长度L随着汽缸压力减小而变得更长。

一旦被雾化，那么几乎没有任何喷射燃料会粘附到缸套10c上。相反，如果所喷射的燃料在液柱的状态下到达缸套10c，那么它容易粘附到缸套10c上。只要分解长度L短于喷射孔12a与缸套10c之间的距离S，这一距离沿着所喷射的燃料路径方向测量得到，那么几乎没有任何所喷射的燃料将粘附到缸套10c上，但是如果分解长度L长于这一距离S，那么所喷射的燃料将粘附到缸套10c上。

在现有技术中，在活塞的排气冲程的较后部分中执行该后喷射。在排气冲程的较后部分期间，汽缸内的温度和压力较小。在这种状态下所喷射出的燃料的分解长度L因此较长，并且所喷射出的燃料趋于粘附到缸套10c，因为燃烧室通过排气门15和排气口16通到排气通道，如图1所示。

参照图3，本发明人已发现，沿着汽缸轴线的缸内气体的速度随着柴油机10的排气门15打开而快速增大。当排气门15打开时，借助升高的活塞10a使废气从燃烧室中排出到排气口16中。这里，沿着汽缸轴线的缸内气体速度对应于靠近柴油机10的缸盖的排气门15附近的气体速度。

参照图4，应用有本发明的车辆柴油机10包括进气通道21、燃料喷射器12、排气通道23和废气再循环(EGR)通道30。

电子节流阀22安装在进气通道21中。

燃料喷射器12被连接到共用给油管13中。柴油机10的燃料借助高压泵14来加压，并且储存在共用给油管13中。燃料喷射器12把燃料喷射到柴油机10的燃烧室中。

在排气通道23中，安装有柴油机氧化器(DOC)40和DPF组件50。DOC40由钯、铂等构成。DOC40促进未燃烧燃料的氧化，或者换句话说，DOC40促进碳氢化合物(HC)的氧化，并且使用氧化反应所产生的热量来升高废气的温度。

DPF组件50设置在DOC40的下游处。DPF组件50包括容纳在DPF壳体51中的DPF52。DPF52具有由诸如堇青石的多孔陶瓷所形成的蜂窝结构。在DPF52内，许多流动路径借助多孔薄壁隔开，其中这些薄壁被设置成类似格子的形状。流动路径的入口和出口交替地被堵塞，以致具有敞开入口的流动路径具有堵塞的出口，具有堵塞入口的流动路径具有敞开的出口。

废气进入DPF52并且借助通过隔离各流动路径的多孔薄壁来流向下游。借助多孔薄壁来捕获含在废气中的颗粒物质，颗粒物质的沉积物形成在多孔薄壁的表面上。被捕获的颗粒物质的一部分在DPF52内进行燃烧，但是，如果DPF52的床温不足够高，那么颗粒物质的燃烧量较小并且刚被捕获的颗粒物质的量将超过颗粒物质的燃烧量。如果这种状态持续下去，那么DPF52会被堵塞。因此，在DPF52已经捕获了大量颗粒物质时，有必要强迫地通过升高废气温度来燃烧颗粒物质沉积物。这一操作公知为DPF52的再生。

ERG阀33安装在EGR通道30中，从而调节废气再循环流率。

借助从可编程的控制器70输出的控制信号来分别控制燃料喷射器12的燃料喷射量和燃料喷射正时、高压泵14的操作、电子节流阀22的开度和EGR阀33的开度。

控制器70由微型计算机构成，该微型计算机包括中央处理装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出接口(I/O接口)。该控制器由多个微型计算机构成。

为了执行上面控制，下述传感器61-64的各种探测数据作为信号经由信号电路被输入到控制器70中。

压差传感器61探测到DPF壳体51的上游室51a或者换句话说DPF52的入口与DPF壳体51的下游室51b或者换句话说DPF52的出口之间的压差。

DPF入口温度传感器62探测到DPF52的入口温度Tin。DPF出口温度传感器63探测到DPF52的出口温度Tout。

曲轴转角传感器64探测到柴油机10的曲轴的旋转速度。

相对于DPF52的再生，控制器70根据压差传感器61所探测到的压差推算出DPF52中的颗粒物质的当前沉积物量PMa1。

另一方面，控制器70通过参照预先储存在ROM中的颗粒物质排出量图表、根据柴油机10的工作状态(例如用旋转速度和燃料喷射量来表示)计算出直到当前时间为止的恒定时间间隔期间柴油机10的颗粒物质的排出量PMa21。

控制器72根据DPF52的入口温度Tin和出口温度Tout来计算出DPF52的床温Tbed。

通过参照预先储存在ROM中的颗粒物质燃烧量图表，控制器70根据在该恒定时间间隔开始时所计算出的颗粒物质的沉积物量Pma2z、DPF52的床温Tbedz和DPF52的入口温度Tinz计算出在直到目前时间为止的恒定时间间隔期间、在DPF52中的颗粒物质的燃烧量PMa22。

在该恒定时间间隔开始时，控制器70把通过从排出量PMa21中减去燃烧量PMa22所得到的值加入到颗粒物质的沉积物量PMa2z，从而得到DPF52中的颗粒物质的当前沉积物量PMa2。

然后，控制器70根据两个值PMa1和PMa2来确定DPF再生正时，这两个值表示DPF52中的颗粒物质的当前沉积物量。

控制器70通过控制燃料喷射器12的燃料喷射量和燃料喷射正时、电子节流阀22的开度及EGR阀33的开度来调节在柴油机10内所燃烧的空气-燃料混合物的过量空气系数。这种控制公知为λ-控制。

控制器70通过λ-控制来调节废气中的未燃烧燃料量、换句话说是废气中的碳氢化合物(HC)量，从而升高废气温度以在需要时再生DPF52。

除了上面的控制之外，控制器70根据柴油机1的运转条件执行车辆的变速器的控制，从而应用驱动车辆的最佳传动。与这种控制有关的是，控制器70通过使内燃机旋转速度乘以所施加的传动的传动比来计算出车辆的行驶速度。通过累计车辆的行驶速度，也可以计算出车辆的行驶距离。

现在，参照图5A、5B和图6，描述根据本发明的燃料喷射器12的后喷射正时。

参照图5A和5B，首先，在排气门15的打开正时EVO之后，在沿着汽缸轴线方向的气体速度到达最大值的正时，本发明开始所述后喷射。具体地说，控制器70使燃料喷射器12在从排气门15打开正时EVO0-30度的曲轴转角范围内开始所述后喷射。优选地，在不管内燃机旋转速度的这种情况下开始所述后喷射。使用下面公式(2)来确定后喷射的持续时间t：

t < \frac{L}{C} \cdot \sqrt{\frac{ρ_{f}}{2 \cdot ΔP}}

在这里，t＝后喷射的持续时间；

L＝分解长度；

C＝速度系数

ΔP＝喷射孔的内部和外部之间的压差；及

ρ_f＝燃料密度

如前面所解释的那样，喷射孔的内部和外部之间的压差ΔP依赖于汽缸的内部压力，该内部压力根据曲轴转角进行改变。喷射孔的内部和外部之间的压差ΔP因此被认为是曲轴转角的函数。相对于分解长度L，当分解长度L已经变得长于图1所示的从喷射孔12a到缸套10c的距离S时，粘附到缸套19c上的燃料量快速增加。

因此，通过在确定执行后喷射时所对应的曲轴转角之后、设定该后喷射的持续时间以满足公式(2)并且将分解长度L设定成等于或者短于距离S，从燃料喷射器12中所喷射出的燃料在其到达缸套10c之前发生分散和雾化，并且所喷射出的燃料粘附到缸套10c上的情况得以实现。

参照图6，如果在活塞处于压缩上死点附近、例如处于从压缩上死点0-60度的曲轴转角范围内时执行燃料喷射，那么燃料被喷射到形成在活塞10a顶部中的腔10b中，并且因此不可能粘附到缸套10c。其结果是，所喷射出的燃料不会稀释机油。但是，在这一曲轴转角范围内所执行的后喷射不会有利于DPF52的再生。

另一方面，如果后喷射正时从这一曲轴转角范围延迟，例如到达压缩上死点之后的120度的点上，那么所喷射出的大部分燃料将粘附到缸套10c中，并且油盘中的机油的稀释速度将增大。

在排气门15的打开正时EVO之后、例如在从排气门15打开正时EVO0-30度的曲轴转角范围内、在沿着汽缸轴线的缸内气体速度达到最大值的正时，本发明执行后喷射。根据这种布置，利用沿着汽缸轴线的缸内气体速度，有利于在后喷射中所喷射的燃料通过排气门15流出。此外，通过将后喷射的持续时间t设定成满足等式(2)的值，在后喷射中所喷射的燃料在到达缸套10c中之前发生分散和雾化。

因此，根据本发明，可以有效地防止后喷射中所喷射的燃料粘附到缸套10c。

参照图7A和7B，下面将描述本发明的第二实施例。

在本发明的第一实施例中，后喷射正时设定在从排气门15打开正时EVO0-30度的曲轴转角范围内，后喷射的持续时间t被设定成满足等式(2)的值。

但是，在特定情况下，根据DPF52的再生条件，后喷射中有必要喷射大量的燃料。

这一实施例防止在上述条件下在后喷射中喷射的燃料粘附到缸套10c。

根据这一实施例，执行若干次后喷射，以致在后喷射中所喷射的燃料量增加。各次后喷射的持续时间t设定为分别地满足等式(2)的值。

在排气门15的打开正时EVO之后，沿着汽缸轴线的缸内气体速度立即到达最大值，然后开始减小，如图3所示。随着气体速度减小，从排气口流出的燃料量也减小。当执行若干次后喷射时，根据每个喷射正时的气体速度的大小来优选地设定每个后喷射的燃料量。具体地说，对于在排气门15的打开正时EVO之后立即执行的第一次后喷射而言，设定明显大量的燃料喷射量Q1，对于在第一次后喷射之后所执行的第二次后喷射而言，设定较小量的燃料喷射量Q2。因此Q2＜Q1。

根据这一实施例，也防止在第二次后喷射中所喷射的燃料粘附到缸套10c上并且通过沿着汽缸轴线在汽缸内所产生的气体流动使该燃料通过排气口16冲走。因此，根据这一实施例，在没有喷射燃料粘附到缸套10c中的危险情况下，在后喷射中所喷射的燃料量能够得到增加。

参照图9A、9B和图10，下面将描述本发明的第三实施例。

上述公式(1)表示这样的事实，即分解长度L是从燃料喷射器12到喷射燃料发生雾化的点的距离。但是，根据本发明人所进行的研究，如果重复地执行后喷射，那么分解长度L会长于由公式(1)所限定的长度。

参照图9，首先，由于在所喷射的燃料与空气之间产生摩擦，围绕从喷射孔12a中所喷射的燃料会产生空气流动。当重复地执行后喷射时，借助在先前的后喷射中所产生的空气流动，在第二次后喷射中或者在后面的后喷射中所喷射出的燃料可以进一步输送到下游，因此增加了分解长度L。

如果在四冲程循环中燃料喷射器12重复地执行后喷射，那么各后喷射之间的间隔优选地设定成较大值。

参照图8A和8B，根据这一实施例，在排气门15的打开正时EVO时执行第一次后喷射，在排气门15的关闭正时EVC时执行第三次后喷射。在打开正时EVO到关闭正时EVC之间的排气门15的打开时间段D的中点处执行第二次后喷射。

根据这一实施例，由于后喷射间隔设定成尽可能地大，因此在先前的后喷射期间所产生的空气流动的效果被最小化并且甚至在第二和第三后喷射中也可以防止分解长度L增大，因此可以防止在后喷射中所喷射的燃料粘附到缸套10c上。

因此，根据这一实施例，在后喷射中所喷射的燃料量能够相对于第二实施例得到进一步的增加。

2005年12月14日在日本所提交的Tokugan2005-360463的内容在这里引入以作参考。

尽管在上面参照本发明的一些实施例描述了本发明，但是本发明不局限于上述的实施例。在权利要求的范围内本领域技术人员可以对上述实施例进行变形和改进。

例如，在上述实施例中，本发明可以应用到柴油机10中，但是根据本发明的后喷射控制也可以应用到使用汽油作为燃料的内燃机中。

要求独占权利或者特权的本发明实施例通过权利要求来限定。

Claims

1.一种与内燃机(10)一起使用的燃料喷射控制装置，所述内燃机(10)包括：燃料喷射器(12)，该燃料喷射器可在向汽缸执行主喷射之后执行后喷射；以及排气门(15)，该排气门打开和关闭以排出废气；所述控制装置包括：

可编程的控制器(70)，该控制器被编程为，

控制所述燃料喷射器(12)，以在所述排气门(15)打开之后、在沿着汽缸轴线的所述缸内的气体速度增大期间开始所述后喷射。

2.如权利要求1所述的燃料喷射控制装置，其中，所述内燃机(10)还包括：排气通道(23)；氧化催化剂(40)，该氧化催化剂设置在所述排气通道(23)中并且通过促进所述废气中的碳氢化合物的氧化来产生热量；废气过滤器(52)，该废气过滤器在所述排气通道(23)中设置在所述氧化催化剂(40)的下游，并且捕获所述废气中的颗粒物质，其中所述废气过滤器(52)可以通过利用由所述氧化催化剂(40)氧化所述碳氢化合物所产生的热量来强迫地燃烧所捕获的颗粒物质而得以再生，以便再次捕获颗粒物质，所述控制器(70)进一步被编程以使所述燃料喷射器(12)执行所述后喷射，以便向所述氧化催化剂(40)提供碳氢化合物。

3.如权利要求1所述的燃料喷射控制装置，其中，所述控制器(70)进一步被编程以控制所述燃料喷射器(12)以便在从所述排气门(15)打开正时(EVO)0-30度的曲轴转角范围内开始所述后喷射。

4.如权利要求1所述的燃料喷射控制装置，其中，所述控制器(70)进一步被编程以便在从所述排气门(15)打开正时(EVO)一定的曲轴转角处执行所述后喷射，而与所述内燃机(10)的旋转速度无关。

5.如权利要求1-4任一项所述的燃料喷射控制装置，其中，所述控制器(70)进一步被编程以控制所述燃料喷射器(12)，以便在所述排气门(15)打开之后、在沿着所述汽缸轴线的所述缸内气体速度增大期间开始第一次后喷射，并且在终止所述第一次后喷射之后、在已经经过预定的时间时开始第二次后喷射。

6.如权利要求5所述的燃料喷射控制装置，其中，所述第二次后喷射的燃料量设定成小于所述第一次后喷射的燃料量。

7.如权利要求1-4任一项所述的燃料喷射控制装置，其中，所述控制器(70)进一步被编程以控制所述燃料喷射器(12)，以便在所述排气门(15)打开之后、在沿着所述汽缸轴线的所述缸内气体速度增大期间，开始第一次后喷射；在终止所述第一次后喷射之后、在已经经过预定的时间时开始第二次后喷射；以及在与所述排气门(15)的关闭正时(EVC)相同的正时开始第三次后喷射。

8.如权利要求7所述的燃料喷射控制装置，其中，所述控制器(70)进一步被编程以在所述排气门(15)的所述打开正时(EVO)与所述关闭正时(EVC)之间的中点处开始所述第二次后喷射。

9.如权利要求1-4任一项所述的燃料喷射控制装置，其中，所述控制器(70)被进一步编程，以根据沿着燃料喷射方向从所述燃料喷射器(12)的喷射孔(12a)到所述汽缸的壁表面(19c)的距离(S)、以及所述喷射孔(12a)的内部和外部之间的压差(ΔP)确定所述后喷射的持续时间(t)。

10.如权利要求9所述的燃料喷射控制装置，其中，所述控制器(70)进一步被编程以使用下述公式来确定所述后喷射的持续时间(t)：

t < \frac{L}{C} \cdot \sqrt{\frac{ρ_{f}}{2 \cdot ΔP}}

其中：t＝后喷射的持续时间；

L＝分解长度＝从喷射孔(12a)到所述汽缸的壁表面(10c)的距离(S)；

C＝速度系数；

ΔP＝喷射孔(12a)的内部和外部之间的压差；以及

ρ_f＝燃料密度。

11.如权利要求8所述的燃料喷射控制装置，其中，所述喷射孔(12a)的内部和外部之间的所述压差(ΔP)是根据所述内燃机(10)的曲轴转角确定的值，而所述控制器(70)进一步被编程以根据执行所述后喷射时所对应的曲轴转角来计算所述后喷射的持续时间(t)。

12.一种内燃机(10)的燃料喷射控制方法，所述内燃机(10)包括：燃料喷射器(12)，该燃料喷射器可在向汽缸执行主喷射之后执行后喷射；以及排气门(15)，该排气门打开和关闭以排出废气，所述控制方法包括：