用于減少來自渦輪增壓直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒的進(jìn)氣口噴射系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于減少來自渦輪増壓直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒的進(jìn)氣口噴射系統(tǒng)
[0001]本申請(qǐng)要求于2012年12月7日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)N0.61/734，438的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容通過引用的方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002]人們?cè)絹碓疥P(guān)注使用汽油和汽油醇類混合物的渦輪增壓直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)(PM)排放。產(chǎn)生該問題的關(guān)鍵因素在于直接噴射的燃料(作為液體直接引入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的燃料)混合不佳。由于在汽缸中的絕對(duì)壓力增加，因此增加了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的顆粒排放問題。有關(guān)顆粒排放的考慮涉及顆粒的總質(zhì)量和顆粒的數(shù)量。似乎特別需要滿足減少顆粒數(shù)量的預(yù)期的歐洲要求。
[0003]進(jìn)氣口噴射和直接噴射具有互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)。由于混合更好、壁潤(rùn)濕減少以及燃料蒸發(fā)改善，進(jìn)氣口噴射(將燃料引入在汽缸外面的區(qū)域中)產(chǎn)生的每千米顆粒質(zhì)量和每千米顆粒數(shù)量排放通常小于直接噴射產(chǎn)生的每千米顆粒質(zhì)量和每千米顆粒數(shù)量排放的十分之一(當(dāng)燃料作為液體引入汽缸時(shí))。另一方面，由于汽缸充量的更大蒸發(fā)冷卻，直接噴射提供了更好的抗爆震性能，由此，針對(duì)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)排量和/或壓縮比，允許在更高的轉(zhuǎn)矩水平下操作。直接噴射還可以用于提供對(duì)燃料供給更好的控制以及通過使用分層操作進(jìn)一步提高效率，以實(shí)現(xiàn)在低負(fù)載下的缺少燃料的操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明描述了一種用于最大限度地減少顆粒排放的燃料管理系統(tǒng)。所述系統(tǒng)優(yōu)化了結(jié)合直接噴射(DI)的進(jìn)氣口燃料噴射(PFI)的使用，特別是在冷啟動(dòng)和其他瞬態(tài)工況下。
[0005]使用進(jìn)氣口噴射和直接噴射的組合來減少顆粒排放的一個(gè)重要方面在于采用控制系統(tǒng)，諸如在美國(guó)專利8，146，568中描述的控制系統(tǒng)，以在防止隨著轉(zhuǎn)矩增加發(fā)生爆震的同時(shí)，最大限度地減少直接噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料成分(fract1n)?？梢圆捎镁哂斜饳z測(cè)器的閉環(huán)控制和具有查找表的開環(huán)控制。在整個(gè)驅(qū)動(dòng)循環(huán)中，這些控制系統(tǒng)可以提供更好的混合，基本不會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)效率和性能方面折衷?？梢詥为?dú)使用進(jìn)氣口噴射、單獨(dú)使用直接噴射、或者使用進(jìn)氣口噴射和直接噴射的組合來操作發(fā)動(dòng)機(jī)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)速度也影響爆震的開始，因此可以控制進(jìn)氣口燃料噴射的燃料的成分，以防止由于轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)速度導(dǎo)致的爆震。
[0006]在本發(fā)明中，描述了結(jié)合用于提高進(jìn)氣口燃料噴射器使用的效率并且用于減少來自渦輪增壓直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放的其他控制系統(tǒng)對(duì)這些控制系統(tǒng)的使用。由于在驅(qū)動(dòng)循環(huán)期間很大成分的顆粒排放發(fā)生在這些時(shí)候，所以特別注意的是減少在冷啟動(dòng)和瞬態(tài)工況期間發(fā)生的顆粒排放。用于這些工況的燃料管理系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)于減少驅(qū)動(dòng)循環(huán)排放來說很重要。
【附圖說明】
[0007]圖1示出了具有兩個(gè)噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī):向在歧管中的區(qū)域提供燃料的進(jìn)氣口燃料噴射器，該進(jìn)氣口燃料噴射器在汽缸外面，每個(gè)汽缸配有一個(gè)進(jìn)氣口燃料噴射器；以及直接將燃料引入汽缸的直接噴射器，每個(gè)汽缸配有一個(gè)直接噴射器，以優(yōu)化的形式改變通過每個(gè)噴射器噴射的燃料之比，以便減少顆粒排放；
圖2是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖，并且示出了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中，使用與諸如溫度等影響顆粒形成的發(fā)動(dòng)機(jī)工況和來自操作者的負(fù)載需量有關(guān)的信息，來確定通過進(jìn)氣口燃料噴射器和直接噴射器噴射的燃料之比；
圖3示出了具有如圖2所示的進(jìn)氣口燃料噴射器和直接燃料噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其具有測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)操作和/或排放的附加的發(fā)動(dòng)機(jī)性能傳感器。該類型的發(fā)動(dòng)機(jī)性能傳感器可以是爆震傳感器、點(diǎn)火不良傳感器、排氣傳感器或者這三種傳感器的任何組合，其中，排氣傳感器可以實(shí)時(shí)地或者近乎實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)顆粒排放；
圖4示出了圖3的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中引入了火花正時(shí)，從而可以調(diào)節(jié)火花延遲，以在需要減少顆粒排放時(shí)允許更多地使用PFI。
[0008]圖5示出了具有如圖2所示的進(jìn)氣口燃料噴射器和直接噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其在增壓器的壓縮機(jī)葉片上游具有附加的噴射器或者噴射器組，該增壓器可以是渦輪增壓器或者升壓器；以及
圖6示出了圖3的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中引入了氣門正時(shí)(進(jìn)氣門正時(shí)、排氣門正時(shí)或者兩者)，當(dāng)需要減少顆粒排放時(shí)，可以調(diào)節(jié)氣門正時(shí)以允許更多地使用PFI。
【具體實(shí)施方式】
[0009]如上所描述的，本發(fā)明使用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)并且調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)的操作，以最大限度地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和效率并且最大限度地減少顆粒排放。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可以基于發(fā)動(dòng)機(jī)工況、顆粒排放以及其他因素，來影響通過使用PFI和DI引入的燃料的成分。
[0010]在提供所需爆震控制量的同時(shí)，可以使用閉環(huán)控制、開環(huán)控制或者開環(huán)和閉環(huán)的組合，使顆粒排放減少優(yōu)化。在附圖中示出了這些控制系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)施例。
[0011]圖1示出了具有兩組噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖，S卩，進(jìn)氣口燃料噴射器10，該進(jìn)氣口燃料噴射器10將燃料引入在汽缸外面的區(qū)域中，諸如歧管15，每個(gè)汽缸配有一個(gè)進(jìn)氣口燃料噴射器10 ；以及直接噴射器20，該直接噴射器20將燃料作為液體直接引入汽缸30中，每個(gè)汽缸配有一個(gè)直接噴射器20。發(fā)動(dòng)機(jī)可以是火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，然而可以采用其他類型的發(fā)動(dòng)機(jī)操作，諸如HCCI (均質(zhì)壓燃)或者其變型(諸如RCCI (反應(yīng)控制型壓燃)或者PCI (預(yù)混合壓燃)、其他低溫燃燒過程)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元40使用有關(guān)顆粒排放的信息，并且調(diào)節(jié)進(jìn)氣口噴射的燃料量與直接噴射的燃料量之比，以便減少顆粒排放。在該實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元40不具有有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的任何反饋。由此，有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的信息可以是查找表或者公式的形式。一個(gè)或多個(gè)查找表可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)圖來估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
[0012]圖2示出了在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間的圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元40 (也稱為燃料管理系統(tǒng))響應(yīng)于來自操作者的負(fù)載需量并且使用有關(guān)影響顆粒排放的發(fā)動(dòng)機(jī)工況50的信息，來確定噴射器10、20的正確操作。發(fā)動(dòng)機(jī)工況50可以包括有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、冷卻劑溫度、自啟動(dòng)以來的時(shí)間、在歧管中的燃料池的狀態(tài)、以及影響顆粒排放的其他因素的信息。
[0013]通過使用這些輸入，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元40可以調(diào)控通過進(jìn)氣口燃料噴射器10噴射的燃料與直接噴射到汽缸30中相比的燃料之比，以及其他噴射特性。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元40還可以調(diào)節(jié)噴射啟動(dòng)、噴射停止、噴射速率。在直接噴射器20的情況下，例如，可以通過管理燃料軌道壓力，或者通過控制使用脈寬調(diào)制的系統(tǒng)的脈寬，來調(diào)節(jié)噴射速率。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元40還可以控制氣門正時(shí)，從而允許進(jìn)氣口燃料噴射通過打開的進(jìn)氣門進(jìn)行噴射，其中，將PFI燃料作為液滴而不是作為通過熱氣門蒸發(fā)的氣體引入汽缸。可以將所有這些各種動(dòng)作稱為“噴射器操作”。
[0014]圖3示出了圖2的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，增加了測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)操作和/或排放的發(fā)動(dòng)機(jī)性能傳感器60。發(fā)動(dòng)機(jī)性能傳感器60可以為，例如，爆震傳感器、點(diǎn)火不良傳感器、排氣傳感器或者這三種傳感器的任何組合。來自爆震傳感器的信息可以用于減少隨轉(zhuǎn)矩增加而進(jìn)氣口燃料噴射的相對(duì)燃料量，以便防止爆震。在一些實(shí)施例中，排氣傳感器可以實(shí)時(shí)或者近乎實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)顆粒排放。排氣傳感器可以確定顆粒的數(shù)量或者顆粒的質(zhì)量數(shù)。排氣傳感器可以是靜電的(測(cè)量電荷)、光學(xué)的(計(jì)算顆?；蛘吖鈱W(xué)信號(hào)的消失)或者是基于質(zhì)量的(其中，顆粒質(zhì)量的存在改變了測(cè)量值，諸如系統(tǒng)的共振頻率)。該發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以基于來自這些發(fā)動(dòng)機(jī)性能傳感器60的信息來調(diào)控噴射操作。由此，在圖2的實(shí)施例使用查找表或者方程式來估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)，該實(shí)施例可以