用于減少來自渦輪增壓直噴式汽油發(fā)動機的顆粒的進(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)動機的顆粒的進(jìn)氣口噴射系統(tǒng)
[0001]本申請要求于2012年12月7日提交的美國臨時申請序列號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]人們越來越關(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火發(fā)動機產(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)動機汽缸的燃料)混合不佳。由于在汽缸中的絕對壓力增加，因此增加了渦輪增壓發(fā)動機中的顆粒排放問題。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的優(yōu)點。由于混合更好、壁潤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)。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，針對給定的發(fā)動機排量和/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重要方面在于采用控制系統(tǒng)，諸如在美國專利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，最大限度地減少直接噴射到發(fā)動機中的燃料成分(fract1n)?？梢圆捎镁哂斜饳z測器的閉環(huán)控制和具有查找表的開環(huán)控制。在整個驅(qū)動循環(huán)中，這些控制系統(tǒng)可以提供更好的混合，基本不會在發(fā)動機效率和性能方面折衷?？梢詥为毷褂眠M(jìn)氣口噴射、單獨使用直接噴射、或者使用進(jìn)氣口噴射和直接噴射的組合來操作發(fā)動機。由于發(fā)動機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)動機速度導(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)動機的顆粒排放的其他控制系統(tǒng)對這些控制系統(tǒng)的使用。由于在驅(qū)動循環(huán)期間很大成分的顆粒排放發(fā)生在這些時候，所以特別注意的是減少在冷啟動和瞬態(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)化對于減少驅(qū)動循環(huán)排放來說很重要。
【附圖說明】
[0007]圖1示出了具有兩個噴射器的發(fā)動機: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，每個汽缸配有一個進(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，每個汽缸配有一個直接噴射器，以優(yōu)化的形式改變通過每個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)動機的示意圖，并且示出了發(fā)動機控制系統(tǒng)，其中，使用與諸如溫度等影響顆粒形成的發(fā)動機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)動機系統(tǒng)，其具有測量發(fā)動機操作和/或排放的附加的發(fā)動機性能傳感器。該類型的發(fā)動機性能傳感器可以是爆震傳感器、點火不良傳感器、排氣傳感器或者這三種傳感器的任何組合，其中，排氣傳感器可以實時地或者近乎實時地監(jiān)測顆粒排放；
圖4示出了圖3的發(fā)動機系統(tǒng)，其中引入了火花正時，從而可以調(diào)節(jié)火花延遲，以在需要減少顆粒排放時允許更多地使用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)動機系統(tǒng)，其在增壓器的壓縮機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)動機系統(tǒng)，其中引入了氣門正時(進(jìn)氣門正時、排氣門正時或者兩者)，當(dāng)需要減少顆粒排放時，可以調(diào)節(jié)氣門正時以允許更多地使用PFI。
【具體實施方式】
[0009]如上所描述的，本發(fā)明使用發(fā)動機控制系統(tǒng)來監(jiān)測并且調(diào)控發(fā)動機的操作，以最大限度地實現(xiàn)發(fā)動機性能和效率并且最大限度地減少顆粒排放。發(fā)動機控制系統(tǒng)可以基于發(fā)動機工況、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，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)的各個實施例。
[0011]圖1示出了具有兩組噴射器的發(fā)動機系統(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，每個汽缸配有一個進(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，每個汽缸配有一個直接噴射器20。發(fā)動機可以是火花點火發(fā)動機，然而可以采用其他類型的發(fā)動機操作，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)動機控制單元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。在該實施例中，發(fā)動機控制單元40不具有有關(guān)發(fā)動機性能的任何反饋。由此，有關(guān)發(fā)動機性能的信息可以是查找表或者公式的形式。一個或多個查找表可以使用發(fā)動機控制參數(shù)圖來估計發(fā)動機性能。
[0012]圖2示出了在發(fā)動機操作期間的圖1的發(fā)動機控制系統(tǒng)的示意圖。發(fā)動機控制單元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)動機工況50的信息，來確定噴射器10、20的正確操作。發(fā)動機工況50可以包括有關(guān)發(fā)動機溫度、冷卻劑溫度、自啟動以來的時間、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)動機控制單元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)動機控制單元40還可以調(diào)節(jié)噴射啟動、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)動機控制單元40還可以控制氣門正時，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?？梢詫⑺羞@些各種動作稱為“噴射器操作”。
[0014]圖3示出了圖2的發(fā)動機系統(tǒng)，增加了測量發(fā)動機操作和/或排放的發(fā)動機性能傳感器60。發(fā)動機性能傳感器60可以為，例如，爆震傳感器、點火不良傳感器、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燃料量，以便防止爆震。在一些實施例中，排氣傳感器可以實時或者近乎實時地監(jiān)測顆粒排放。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(測量電荷)、光學(xué)的(計算顆?；蛘吖鈱W(xué)信號的消失)或者是基于質(zhì)量的(其中，顆粒質(zhì)量的存在改變了測量值，諸如系統(tǒng)的共振頻率)。該發(fā)動機系統(tǒng)可以基于來自這些發(fā)動機性能傳感器60的信息來調(diào)控噴射操作。由此，在圖2的實施例使用查找表或者方程式來估計發(fā)動機性能的同時，該實施例可以