改进直喷式内燃发动机中的燃料蒸发的系统和方法

专利名称：改进直喷式内燃发动机中的燃料蒸发的系统和方法
改进直喷式内燃发动机中的燃料蒸发的系统和方法本发明涉及改进直喷式内燃发动机中的燃料蒸发的系统和方法。
技术背景本发明的发明人认识到发动机在起动之后不久产生的排放占整个驾驶循环的排 放的较大部分。由于在特定工况下燃料蒸发和雾化减少，使用缸内直接喷射器的发动 机甚至会产生更大的排放。例如，在发动机的起动之后，燃料系统压力还未达到在燃 烧室中产生足够的燃料雾化的压力，进而导致排放增加。此外，在起动之后的较低的 发动机温度会进一步减少直喷燃料的蒸发率。在又一个示例中，蒸发率可以随燃料成 分改变。例如，包含汽油和醇类的混合燃料比仅包含汽油或包含较低浓度的醇类的燃 料的蒸发率低。发明内容在一个方法中，通过一种在直喷式内燃发动机中使用的方法可以解决上述问题中的至少一些，该方法包括关闭汽缸的排气门；在排气门关闭之后开启进气门；在排 气门关闭和进气门开启之间使汽缸的活塞离开上止点移动以使汽缸体积膨胀，并将汽 缸中的压力减少到小于汽缸的进气歧管的压力；在排气门关闭之后经缸内直接喷射器 启动将燃料直接喷射到汽缸中。在一些示例中，本发明人认识到若以与进气门开启基 本上相同的正时或在进气门开启后启动燃料喷射可以进一步改进燃料的蒸发。以此方式，通过协调直喷燃料与进气门开启的正时，同时还在进气门和排气门之 间使用负气门重叠可减少汽缸内的压力以改进燃料蒸发。这些减少的汽缸压力可以改 进直喷燃料的蒸发率，因为在低汽缸压力下，燃料沸点温度降低。此外，通过将汽缸 内的压力减少到小于进气歧管中的压力可以增加在进气门开启时到汽缸中的空气输 入率，进而可以改进输入空气与直喷燃料的混合，进而增加燃料蒸发率。因此，如本 文所述通过改进燃料蒸发可以减少在发动机起动之后产生的排放。在另一个方法中，提供一种搡作内燃发动机的方法。该方法包括，在第一工况下， 操作发动机以使至少一个进气门和至少一个排气门之间具有负气门重叠，在开启进气 门之前使燃烧室的活塞离开上止点移动以使汽缸的体积膨胀，并将汽缸内的压力减小 到小于进气歧管压力，在进气门开启之后或同时直接喷射燃料到发动机的燃烧室中； 在第二工况下，搡作发动机以使进气门和排气门之间具有正气门重叠并直接喷射燃料 到燃烧室中。


图1示出包括缸内直接燃料喷射器的内燃发动机的示例汽缸的示意图； 图2是描述选择和执行燃料蒸发模式的示例方法的流程图；图3是示出不同气门控制方法的发动机汽缸内的燃料沸点温度的比较的图表;图4是示出不同气门控制方法的发动机汽缸内的燃料蒸发率的比较的图表；图5是示出改变喷射开始对燃料蒸发率的影响的图表；图6是示出改变喷射开始对缸内温度和燃料沸点温度的影响的图表；图7A-图7D是示出发动机控制示例的正时图；图8A-图8C是示出附加的发动机控制示例的正时图；图9是示出发动机如何在不同的燃料蒸发模式之间切换的正时图。
具体实施方式
图1示出包括缸内直接燃料喷射器66的内燃发动机10的示例汽缸30的示意图。 在一个示例中，发动机IO可以配置为车辆的汽油发动机或灵活燃料发动机。例如， 发动机10可以配置为使用包括汽油和醇类的混合物的燃料操作。发动机10可以包括 多个汽缸，其中的一个如图1所示。应理解每个汽缸类似地可以包括其自身的进气门 /排气门组、燃料喷射器、火花塞等。发动机10可以由包括控制器12的控制系统控制。包括控制器12的发动机控制 系统可以经一个或多个用户输入装置从车辆驾驶员132接收用户输入。在一个示例 中，用户132可以利用加速器踏板130提供输入到控制器指示通过踏板位置传感器 134确定的驾驶员扭矩或速度要求。此外，车辆驾驶员可以经在133标示的点火开关 起动发动机。发动机10的燃烧室30可以包括在其中定位有活塞36的燃烧室壁32。活塞36 可以在提供最小汽缸体积的上止点(TDC)位置和提供最大汽缸体积的下止点(BDC) 位置之间移动。活塞36可以连接到曲轴40,曲轴40进而经中间变速器系统可以连 接到车辆的驱动轮。曲轴40可以与设置在其他发动机汽缸中的发动机的其他的活塞 连接。此外，起动机马达可以连接到曲轴40以在起动期间辅助起动转动发动机10。燃烧室30可以经进气歧管44从进气通道42接收进气并经排气歧管48排出燃烧 气体。进气歧管44和排气歧管48可以选择地经相应的进气门52和排气门54与燃烧 室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或多个进气门和/或两个或多 个排气门。进气歧管44和排气歧管48还可以与发动机的其他的汽缸连通。在如图1所示的具体的示例中，进气门52和排气门54可以经相应的凸轮驱动系 统51和53通过凸轮驱动控制。凸轮驱动系统51和53每个可以包括一个或多个凸轮， 且可以使用凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个以改变气门操作。例如，这些系统中的一个或多个可以用来通过 在具有不同的升程廓线的凸轮之间切换和/或通过改变在凸轮及活塞和/或曲轴之间 的相对位置关系改变气门正时和气门升程。例如，通过提前进气凸轮相对于与活塞连 接的曲轴的旋转位置可以提前进气门正时，通过延迟进气凸轮相对于曲轴的旋转位置 可以延迟进气门正时。进气门52和排气门54的位置可以分别通过位置传感器55和 位置传感器57确定以实现在控制器上的气门控制反馈。在替代的实施例中，进气门 52和/或排气门54可以由电磁气门驱动(EVA)控制。例如，汽缸30可以替代地包 括通过电动气门驱动控制的进气门和通过具有CPS和/或VCT系统的凸轮驱动控制的 排气门。在另一个示例中，汽缸30可以替代地包括用于进气门和排气门的EVA。不 管气门执行器的具体配置，应理解控制系统可以配置为改变进气门和/或排气门的正 时和/或升程以实现本文描述的各种方法。在该示例中，燃料喷射器66配置为缸内直接喷射器，如图所示直接连接到燃烧 室30以成比例于经电子驱动器68从控制器12接收的信号脉冲宽度FPW直接喷射燃 料到其中。以此方式，燃料喷射器66可以提供所称的燃料直接喷射到燃烧室30中。 缸内直接燃料喷射器例如可以安装在燃烧室的侧面或燃烧室的顶部。燃料可以通过包 括燃料箱190和燃料泵192的燃料系统经燃料导轨输送到燃料喷射器66。燃料压力 传感器194可以提供燃料系统压力的指示到控制器12。在一些示例中，燃烧室30可 以附加地包括设置在进气歧管44中的进气道燃料喷射器，配置为提供所称的燃料进 气道喷射到燃烧室30的上游的进气道。进气通道42可以包括具有节流板64的节气门62。在该具体的示例中，通过控 制器12经提供到节气门62的执行器或电动马达的信号可以改变节流板64的位置， 该配置称为电子节气门控制(ETC)。以此方式，可以搡作节气门62以在其他发动机 汽缸之间改变提供到燃烧室30的进气。节流板64的位置可以通过节气门位置信号 TP提供到控制器12。进气通道42和/或进气歧管44可以包括质量空气流量传感器 120、歧管空气压力和/或温度传感器122以提供相应的信号MAF和MAP到控制器12。在选择的操作模式下，点火系统88可以响应于来自控制器12的火花提前信号 SA经火花塞92提供点火火花到燃烧室30。虽然本文示出火花点火构件，但在一些示 例中，燃烧室30或发动机10的一个或多个其他的燃烧室可以在压縮点火模式中操作， 可以使用或不使用点火火花。排气传感器126如图所示连接到排放控制装置70的上游的排气道48。传感器126 可以是用于提供排气空燃比的指示的任何合适的传感器，如线性氧传感器或UEGO(通 用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EGO、 HEGO(加热型EGO) 、 NOx传感器、 HC传感器、或CO传感器。排放控制装置70如图所示沿着排气传感器126的下游的 排气道48设置。排放控制装置70可以是三元催化剂(TWC) 、 NOx捕集器、各种其 他的排放控制装置、或其组合。控制器12如图l所示为微计算机，包括微处理器单元102、输入/输出端口 104、 用于可执行程序和校准值的电子存储介质，在该具体示例中所示为只读存储器芯片 106、随机存取存储器108、保活存储器IIO、及数据总线。除了上述那些信号之外， 控制器12还接收来自连接到发动机10的传感器的各种信号，包括来自质量空气流 量传感器120的引入的质量空气流量(MAF)的测量值；来自连接到冷却套管114的 温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT);来自连接到曲轴40的霍尔效应传感器 118 (或其他类型的传感器)的齿面点火感测信号(PIP);来自节气门位置传感器的 节气门位置(TP);及来自传感器122的歧管绝对压力信号(MAP)。发动机转速信 号RPM可以由控制器12从信号PIP产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以用来指示进气歧管中的真空或压力。注意可以使用上述传感器的各种组合，如使 用MAF传感器，而不使用MAP传感器，或相反。在化学计量比操作期间，MAP传感器 可以指示发动机扭矩。此外，该传感器与检测到的发动机转速一起可以提供引入到汽 缸中的充气(包括空气)的估计值。在一个示例中，也用作发动机转速传感器的传感 器118可以在曲轴每旋转一周时产生预定数目的等间隔脉冲。在一些示例中，控制系统可以确定经喷射器提供到汽缸中或在燃料系统中包含的 燃料的成分。在一个示例中，控制系统可以使用来自排气传感器(例如传感器126) 的空燃反馈确定燃料辛烷值或燃料中包含的醇类和汽油的相对量。在另一个示例中， 燃料成分传感器可以提供在燃料系统中指示燃料中的燃料成分的浓度。例如，可以提 供醇类传感器以确定汽油和醇类燃料混合物中的醇类浓度。在一些工况下，如在发动机起动之后和发动机暖机之前，对于通过如喷射器66 的缸内直接喷射器执行的燃料喷射，燃料蒸发和雾化会不完全。由于在发动机充分加 热之前较低的燃料系统压力和/或较冷的发动机温度，在起动期间直喷式发动机的燃 料蒸发会进一步减少。例如，在发动机的起动之后的第一批喷射事件或循环期间，燃 料系统压力还未达到其燃料压力设定点和/或较冷的发动机温度会传递较少的热能到 燃料，这些因素的每个都会减少燃料蒸发。此外，燃料蒸发和雾化可以随着不同的燃料混合物或燃料成分改变。例如，包含 较高浓度的醇类如甲醇和乙醇的燃料的蒸发低于包含较低浓度的醇类的燃料。因此， 包含较高浓度醇类的燃料混合物会加剧燃料蒸发问题。燃料的燃料蒸发减少进而会造成燃料与汽缸进气混合的减少，从而导致排气排放 的产物增加和/或发动机效率降低。另外，蒸发率较低会造成燃料液滴覆盖在汽缸壁 和活塞表面上，从而产生不完全的燃烧。图2是描述控制如图1所示的直喷式内燃发动机的示例方法的流程图。具体地， 参考图2描述的方法可以用来解决直喷式发动机中的燃料蒸发问题中的一些。在210,例程可以判断发动机是否起动。在一个示例中，控制系统可以从车辆驾 驶员接收要求经点火开关133起动发动机。在另一个示例中，控制系统可以配置为不必要求来自车辆驾驶员的输入从停用状态起动发动机。例如，在为保存燃料而停用发 动机，如怠速中，在减速关闭燃料(DFSO)操作中，或在发动机配置在混合动力推进系 统中替代使用第二牵引马达推进车辆的这些情况下。若发动机未起动，则例程可以返回。或者，若发动机起动，则在212评估发动机 工况。在一个示例中，控制系统可以经如图1所述的一个或多个传感器及本领域技术 人员根据本发明理解的其他传感器评估发动机的各种工况。例如，控制系统可以确定 环境空气温度、发动机温度(例如经传感器112)、进气通道42和进气歧管44中的 一个内的进气的温度、在喷射之前的燃料系统中的燃料温度、燃料系统压力、燃料成 分(例如，汽油和醇类燃料混合物中的醇类成分的比例)、排气后处理装置如催化剂 70的温度、排气的成分、发动机起动之后的时期、和/或发动机起动之后发生的发动 机循环的次数、及其他的工况等。在214,例程可以判断是否使用增强的燃料蒸发模式。在一个示例中，控制系统 可以判断是否响应于在212评估的工况使用增强的燃料蒸发模式。例如，当发动机的 温度低于阈值、燃料系统中的燃料的温度低于阈值、燃料系统提供的燃料压力低于阈 值、进气的温度低于阈值、燃料成分包括阈值部分量的如醇类的具体成分、和/或发 动机起动之后发生的规定的发动机循环次数或时期之前、及在附加的燃料蒸发是合适 的其他的工况中，控制系统可以使用增强的燃料蒸发模式。如使用增强的燃料蒸发模式，则在216,可以用负气门重叠操作进气门和排气门， 进而例如在如图7A-7B中每个所示在进气门开启之前关闭排气门。注意如图7A所示 排气门可以在活塞达到TDC之前关闭，或如图7C所示在活塞到达TDC之后关闭。因 此，在增强的燃料蒸发模式中进气门可以在排气门关闭之后开启且可以在TDC之后开 启。在218,可以调节排气门关闭和进气门开启之间的负气门重叠量(例如正时或曲 轴转角度)和/或改变相对于TDC排气门关闭和进气门开启的正时之间的非对称度以 在进气门开启的时刻实现汽缸内的不同压力。响应于在212评估的各种工况可以改变 这些参数。例如，响应于燃料系统压力、燃料成分、发动机温度等可以调节进气门和 排气门之间负气门重叠度。类似地，响应于在212评估的工况可以改变在排气门关闭 和TDC之间的正时及进气门开启和TDC之间的正时(例如关于TDC的气门正时中的非对称度)。例如对于不同的燃料成分(例如燃料中包含的醇类和汽油的相对量)可以 用不同的负气门重叠量或不同水平的关于TDC的气门正时对称操作发动机。例如，排气门可以在相对于TDC的第一正时(例如曲轴转角度数)关闭，进气门 可以在相对于TDC的第二正时开启。如图7A所示，这些第一正时和第二正时可以相 同。换言之，排气门关闭与进气门开启的正时关于TDC对称。在如图7B所示的另一个示例中，第一正时可以小于第二正时以便排气门关闭的正时比进气门开启的正时更 接近于TDC。排气门关闭和进气门开启之间的正时的非对称可以用来在活塞离开TDC移动时进一步减少汽缸内的压力。以此方式，通过控制系统调节排气门关闭和进气门在22(J相对于TD(^进气门开启的正时可以用来改变进气门开启时的汽缸内的压 力。例如，对于特定的排气门正时，进气门开启可以延后(例如延迟)以进一步减少 汽缸内的压力或可以提前以在活塞离开TDC移动时降低汽缸内的压力降的程度。图 7B-图7D示出在相对于TDC的不同的正时提供进气门开启的示例。响应于在212评估 的工况，包括燃料成分、发动机温度、燃料系统压力、及其他工况还可以改变相对于 TDC进气门开启的正时。在操作218和操作220的每个中，可以控制进气门开启时汽缸内的压力以有助于 燃料的蒸发。在一个示例中，可以将汽缸内的压力减少到小于发动机的进气歧管内的 压力。如参考图3在本文描述，燃料的沸点温度可以随着压力的降低而降低，较低的 燃料沸点温度可以增加燃料蒸发率。因此，通过喷射燃料到低压力汽缸中，燃料蒸发 会更快。此外，如参考图4和图5描述，可以减少汽缸内的压力以便当进气门开启时， 从进气歧管流入的进气通过增加空气和燃料混合率还可以有助于燃料的蒸发。因此， 在至少一些示例中，通过减少进气门开启和/或燃料喷射时的汽缸内的压力可以增加燃料蒸发率。在222,可以启动一次或多次燃料喷射，进而缸内直接喷射器向燃烧室提供燃料， 在燃烧室内形成的空燃混合物可以通过点火火花点燃。然而，在其他的示例中，可以 通过压缩点火而不必要求点火火花点燃空燃混合物。例如，如图5和图7A-7D所示可 以在排气门关闭之后和TDC之后执行燃料喷射。此外，如图5所示，可以在基本上与 图5和图7B所示的进气门开启的同时，和/或图5和图7C所示的进气门开启之后， 在进气门开启之前启动燃料喷射。此外，如图8C所示，控制系统在气门开启附近启 动多次燃料喷射。在一个非限制的示例中，控制系统可以利用来自排气传感器的反馈以评估燃料蒸 发是否满足特定的燃料喷射，并响应于该反馈，控制系统相应地可以改变排气门正时、 进气门正时、和/或燃料喷射正时、和/或燃料喷射量。在点燃燃料时，例程例如可以 返回210进行后续的汽缸循环。此外，应理解图2是例程可以适用于发动机的其他的 汽缸。如参考图5和图6进一步详细描述，本发明人在此认识到在与进气门开启基本上 相同的时刻或在进气门开启之后的特定的时期内喷射燃料可以增加燃料蒸发。例如， 图4的图表示出通过在进气门开启的同时启动燃料喷射到压力降低的汽缸中如何充 分改进燃料蒸发。若在214,例程判断不使用增强的燃料蒸发模式，则例程可以继续进行到224。 例如，当发动机的温度高于阈值，燃料温度高于阈值，燃料系统提供的燃料压力大于 阈值，进气的温度高于阈值，燃料成分包括小于阔值的醇类部分，和/或发动机起动之后发生的规定的时斯或发动机循环次数之后，控制系统可以不使用增强的燃料蒸发 模式。此外，控制系统还可以使用来自排气传感器的反馈以确定不使用参考216-222 的操作描述的增强的燃料蒸发时燃料蒸发是否满足。在224,相比较于增强的燃料蒸发模式可以用较少的负气门重叠操作非增强的燃 料蒸发模式的进气门和排气门。例如，可以用如图8B所示的正气门重叠，或用比在 216应用的更少的气门重叠操作进气门和排气门。在下文详细描述的图3示出在冷起 动之后具体的一组工况下增强的燃料蒸发模式和非增强的燃料蒸发模式之间的比较， 进而在增强的燃料蒸发模式下以较大的负气门重叠操作进气门和排气门以较大地降 低燃料的沸点温度，进而促进燃料蒸发。例如，在增强的燃料蒸发模式下进气门可以 在TDC后的60度之后开启，而在不要求增强的燃料蒸发的情况下进气门在TDC后的 60度之前开启。此外，可以以比增强的燃料蒸发模式关于TDC更对称的正时搡作进气门和排气 门，如图8B所示的示例。最后，在226,在TDC之后经一次或多次喷射，燃料可以喷 射到汽缸中，且例如可以通过点火火花点燃燃料。注意下列的燃料喷射参数中的一个 或多个在搡作226和搡作222之间可以不同，如喷射的燃料的量、启动燃料喷射的正 时、及在循环期间执行的燃料喷射的次数。从226,例程可以返回以控制后续循环或 发动机的其他的汽缸。图3是示出在发动机的冷起动之后不久增强的燃料蒸发模式和非增强的燃料蒸 发模式下发动机的示例汽缸中燃料沸点温度之间的比较的图表。图3的图表在横轴方 向上表示曲轴转角且在纵轴方向上表示温度。如在310所示，在该示例中对于每个模 式的燃料温度为常数300开氏温度。然而，应理解本文描述的方法可以适用于其他的 燃料温度或在发动机的起动之后随时间改变的燃料温度。相比较于在330标示的非增 强的燃料蒸发模式下燃料的高沸点温度，增强的燃料蒸发模式下增加的负气门重叠可 以用来更大地降低燃料的沸点温度，如320标示。如图3所示，在320标示的增强的 燃料蒸发模式下的燃料的沸点温度可以降低到接近燃料系统中的燃料的温度。燃料的沸点温度较大降低的一个原因是增强的燃料蒸发模式使用增加的负气门 重叠在汽缸内产生较低的压力。此外，关于活塞位置的TDC的排气门关闭和进气门开 启的非对称可以用来在活塞从TDC离开时进一步减少汽缸内的压力，进而进一步降低 燃料的沸点温度。例如，如图7B所示可以在比进气门的开启更接近于TDC时关闭排 气门。因此，如参考图2的例程描述，通过经负气门重叠及进气门和排气门关于TDC 的非对称搡作改变汽缸压力，控制系统可以调节气缸内燃料的沸点温度，从而控制燃 料的蒸发率。在300K的燃料温度下，在发动机暖机期间使用增强的燃料蒸发模式下的燃料沸 点温度非常接近在450度曲轴转角附近的燃料液滴温度，450度曲轴转角在该示例中 为进气门开启时刻。因此，在320和330所示的每个示例中，燃料的沸点温度随着进气门开启显著地提高，而空气的流入导致汽缸内的压力增加直到汽缸内的压力等于进 气歧管的压力。此外，图3还示出增强的燃料蒸发模式下进气门开启如何迟于在非增强的燃料蒸 发模式下的进气门开启。在该具体示例中在增强的燃料蒸发模式下进气门在约450度 曲轴转角或在360度曲轴转角标示的TDC之后约90度曲轴转角开启。然而，应理解 进气门可以在TDC之后的其他时刻开启。相反，在非增强的燃料蒸发模式下进气门在 约400度曲轴转角或TDC之后约40度曲轴转角开启。应理解提供的这些示例适用于 具有720度曲轴转角循环的示例四行程发动机。然而，本文描述的方法可以适用于使 用更少或更多行程数目或使用不同曲轴转角周期的循环。如图通过发动机冷起动之后在增强的燃料蒸发模式和非增强的燃料蒸发模式下 产生的燃料沸点温度的比较所示，相比较于非增强的燃料蒸发模式，在发动机的冷起 动之后不久增强的燃料蒸发模式对汽缸内蒸发燃料更有效。因此，如参考图2描述， 控制系统可以选择在起动之后规定的时期或规定循环数目中使用增强的燃料蒸发模 式，或直到满足一个或多个条件，如通过各种发动机系统构件达到规定的温度阈值。图4是示出在发动机的冷起动之后不久在增强的燃料蒸发模式和非增强燃料蒸发模式下的发动机的示例汽缸内的燃料蒸发率的比较的图表。图4的图表在横轴方向 上表示曲轴转角和在纵轴方向上表示燃料预算(fuel budget)。此外，在该示例中， 如图3活塞位置的TDC发生在360度曲轴转角。因此，图4示出具有由720度曲轴转 角周期确定的循环的四行程发动机的进气行程的一部分。在增强的燃料蒸发模式下喷射到汽缸的整体燃料在410标示。在该具体示例中， 在约450度曲轴转角启动燃料喷射开始，450度曲轴转角对应于如图3所示的进气门 开启正时。在412标示的汽缸内整体燃料的蒸发部分如图所示在450度曲轴转角启动 喷射之后经曲轴转角增加随着时间增加。在燃料引入汽缸之后液态燃料蒸发，在414 标示的汽缸内的整体燃料的液态部分如图所示随着时间减少。在非增强的燃料蒸发模式下喷射到汽缸的整体燃料在420标示。在该具体的示例 中，在约430度曲轴转角启动燃料喷射开始，其在增强的燃料蒸发模式下的启动燃料 喷射之前。在422标示的汽缸内整体燃料的蒸发部分也如图所示在430度曲轴转角的 喷射启动之后经曲轴转角的增加随着时间增加。在燃料引入汽缸之后液态燃料蒸发， 在424标示的汽缸内的整体燃料的液态部分也如图所示随着时间减少。图4示出在冷起动之后非增强的燃料蒸发模式如何使用约0. 142g喷射燃料以形 成在火花塞上可点燃的足够浓的混合物。此外，仍有O. 105g液相燃料未蒸发。经比 较，通过使用具有较大负气门重叠的增强的燃料蒸发模式，仅使用0.05"燃料就可 以实现在火花塞上可点燃的混合物，随着燃料的蒸发基本上较少的液态燃料保留在燃 烧室中。以此方式，在发动机的冷起动之后(例如发动机达到暖机状态之前)或燃料 系统压力还未达到其完全的操作压力时，在增强的燃料蒸发模式下喷射的整体燃料基本上少于在非增强的燃料蒸发模式下喷射的整体燃料。图5是示出在增强的燃料蒸发模式下改变喷射开始对燃料蒸发率的影响的图表。 具体地，图5示出如何在特定的进气门开启正时改变喷射开始(SOI)以提供不同的 蒸发燃料和液态燃料的结果比例。如在图3和图4 一样在横轴方向上表示曲轴转角， 纵轴方向上表示燃料的蒸发率。在该示例中，整体燃料质量、燃料蒸气质量、及空气 中含(airborne)液态燃料量都标准化以便于比较，为便于比较在不同的SOI正时喷 射的燃料量也标准化。例如，在510标示的在430度曲轴转角喷射的整体燃料，在 520标示的在450度曲轴转角喷射的整体燃料，及在530标示的在470度曲轴转角喷 射的整体燃料都通过喷射的燃料量标准化，100%意味着喷射所有的燃料。如参考图2 描述，控制系统可以改变进气门开启和燃料喷射的启动的相对正时以改变燃料的蒸发 率。在该示例中，相比较于在512标示的430度曲轴转角和在532标示的470度曲轴 转角的喷射正时的蒸发的燃料部分，在522标示的450度曲轴转角的喷射正时具有最 大部分的蒸发燃料。相反，相比较于在514标示的430度曲轴转角和在534标示的 470度曲轴转角的喷射正时的液态燃料部分，在524标示的在450度曲轴转角的喷射 正时具有最小部分的液态燃料(即燃料未蒸发)。因此，在这些示例喷射正时的每个 中，由于有利的缸内条件，对应于进气门开启正时的450度曲轴转角的喷射正时可以 以最小的燃料喷射量实现规定质量的蒸发燃料。产生这些结果的一个潜在的原因是共同发生的气门开启，其在时间上最接近在 450度曲轴转角的燃料喷射。可以看出若燃料在进气门开启时喷射可以实现最快速的 蒸发率，80%的喷射燃料。在进气门开启(IVO)之前20度喷射仅产生28%的蒸发的 燃料，在IVO之后20度喷射产生38%的蒸发的燃料。因此，在一个示例中，若在进 气门开启时执行喷射开始可以实现燃料蒸发的最佳条件。然而，如在470度曲轴转角 的示例喷射所示，通过在进气门开启之后的30度曲轴转角之内启动燃料喷射也可以 改进燃料蒸发。相比较于在气门开启之前或之后喷射，由于较髙的空气引入速度，进气的流入发 生在进气门开启时会增加汽缸内的混合，进而进一步促进燃料蒸发。因此，不仅汽缸 压力的减少通过降低沸点温度可以增加燃料蒸发，而且在进气门开启之后增加空气输 入到汽缸的速度，可以进一步经空气和燃料混合增加蒸发率。以此方式，控制系统可 以改变进气门开启和燃料的喷射开始的相对正时以用最小或减少的燃料喷射量获得 规定质量的蒸发燃料。图6是示出改变喷射开始对汽缸内温度和燃料沸点温度的影响的图表。图6中所 示的示例喷射正时与图5中描述的那些喷射正时相同。在610标示在"O度曲轴转角 的SOI的燃料沸点温度，在620标示在450度曲轴转角的SOI的燃料沸点温度，在 630标示在470度曲轴转角的SOI的燃料沸点温度。此外，在612标示430度曲轴转角的SOI的汽缸内的空燃混合物的温度，在622标示450度曲轴转角的SOI的汽缸内 的空燃混合物的温度，在632标示470度曲轴转角的SOI的汽缸内的空燃混合物的温 度。在该示例中，如参考图5描述在450度曲轴转角再次开启进气门。在该示例中如 在640标示燃料温度为300K。如图6所示，在进气门开启之前20度曲轴转角的430度曲轴转角的SOI喷射的 燃料具有相对较冷的汽缸内温度。即使在燃料温度和燃料沸点温度之间的差较小，燃 料从进气吸取热量蒸发较慢，反而向较冷的进气提供热量，这导致较低的燃料蒸发率。 因此，在进气门开启之前20度曲轴转角的430度曲轴转角的SOI在提供的三个示例 中具有最低的蒸发率。该较低的蒸发率例如会导致汽缸壁和活塞表面较高的表面燃料 湿度。以此方式，相比较于获得更分层的分配，增强的燃料蒸发模式可以用来实现燃 烧室内空气和燃料的更均匀的混合和分配。改进的混合和燃烧室壁及活塞表面的燃料 累积的减少还可以减少排气排放。图7A-图7D提供示出如何在本文描述的增强的燃料蒸发模式下控制发动机的汽 缸的示例正时图。在每个示例正时图中，横轴表示具有720度曲轴转角循环周期的示 例四行程发动机的曲轴转角。动力行程对应于0度(或720度)和180度曲轴转角之 间的时期，活塞从TDC行进到下止点(BDC)。排气行程对应于180度和360度曲轴 转角之间的时期，活塞从BDC行进到TDC。进气行程对应于在360度和540度曲轴转 角之间的时期，活塞从TDC行进到BDC。压缩行程对应于540度和720度曲轴转角之 间的时期，活塞从BDC行进到TDC。提供如排气门开启、进气门开启、燃料喷射、及 点火正时的事件。图7A示出在710操作排气门和以在720标示的进气门开启时相对于TDC的类似 的正时关闭排气门的示例。因此，在该具体的示例中，当活塞返回到相比较于排气门 关闭事件的进气门开启事件的类似位置时，当在730喷射燃料时在450度曲轴转角的 汽缸内的压力类似于进气歧管压力。相反，如图7B所示，通过以比在720标示的进 气门开启更接近于TDC的如750标示的正时关闭排气门，汽缸内的压力还可以进一步 减少到小于进气歧管内的压力。例如，在图7B的示例中，进气门在与起动燃料喷射 基本上相同的正时(450度曲轴转角)开启。因此，在图7B的示例中，由于燃料沸 点温度降低，及进入燃烧室的空气流率增加造成的空气和燃料的混合增加，在启动喷 射的时刻汽缸内的压力减少及进气门开启还可以进一步增加燃料蒸发。图7A和图7B示出进气门开启和喷射的开始发生在约450度曲轴转角或TDC之后 的约90度曲轴转角。而图7C相比较示出提前进气门开启，在进气门开启之后执行燃 料喷射的示例。因此，在一个示例中，可以在TDC之后的至少60度曲轴转角的正时 开启进气门。图7D示出在TDC之后120度曲轴转角之前执行进气门开启和喷射开始的示例。 因此，如图7A-图7D的示例所示，应理解控制系统可以提前或延迟进气门开启和喷射开始以便进气门开启和喷射开始发生在有助于燃料蒸发的预定正时。可以改变该正 时以如参考图2描述改变燃料蒸发率。在图7A-图7D所示的每个示例中，在基本上相同的时刻执行喷射开始和进气门 开启，或在进气门开启之后启动喷射以利用增加的燃料蒸发率。然而，如图7B-7D的 示例所示的方法甚至可以提供更大的燃料蒸发率，因为通过进气门和排气门关于TDC 的非对称执行在进气门开启之前汽缸内压力可以减少到小于进气歧管的压力。在每个 示例中，如在740标示在选择最适用于研究的燃烧系统的最佳曲轴转角点燃燃料和空气混合物。在一个示例中，通过火花塞发出的点火火花启动空燃混合物的燃烧。图8A-图8C提供使用类似于图7A-图7D的正时图的附加的示例。图8A示出在增 强的燃料蒸发模式下在进气门开启之后如何喷射燃料以实现蒸发率增加的至少一些 益处。例如，可以相应地以负气门重叠在810和820操作排气门和进气门。在进气门 开启之后如在830标示可以执行燃料喷射。例如，如参考图5和图6的470度曲轴转 角喷射所述，在开启进气门之后在O度和30度曲轴转角之间执行燃料喷射。图8B示出如何执行非增强的燃料蒸发模式，并进一步用于与增强的燃料蒸发模 式下图7A-图7B所示的至少一些示例的比较。例如，相应地如850和860标示可以用正气门重叠操作进气门和排气门，进而在排气门关闭之前开启进气门。此外，燃料 喷射正时可以不同于如图7B所示的增强的燃料蒸发模式。最后，可以在840点燃燃料和空气混合物，进而可以重复循环。图8C示出如何在增强的燃料蒸发模式下执行多次燃料喷射。例如，图8B示出类 似于图7B的示例，进而可以执行喷射882、喷射884、及喷射886的两个或多个。在 一个示例中，在进气门开启之前可以执行第一喷射882，在与进气门开启约相同的时 刻执行第二喷射884。在另一个示例中，在与进气门开启约相同的时刻可以执行第一 喷射8S4，在进气门开启之后在886可以执行第二喷射。因此，两次或多次喷射可以用来向汽缸提供整体燃料。因此，图7A-图7D和图8A-图8C提供如何基于工况改变气门重叠量、相对的气 门正时、汽缸内压力、燃料喷射正时、喷射次数、及燃料量以在较低燃料系统压力工 况下或较低发动机温度工况下实现充足的燃料蒸发。如本文所述，这些工况可以包括 燃料成分、燃料温度、发动机温度、燃料系统压力等。例如，响应于燃料成分(例如 燃料中醇类和汽油的比例)可以改变负气门重叠量、排气门关闭和进气门开启的相对正时、燃料喷射正时、燃料喷射次数、和/或增强的燃料蒸发模式的持续期及程度。 如上述示例中的一些所示，在TDC之后的60度曲轴转角和120度曲轴转角的范围内可以执行在增强的燃料蒸发模式下的气门开启正时和/或燃料喷射的启动，且可 以在TDC之前关闭排气门。在另一个示例中，可以在TDC之后的80度曲轴转角和100度曲轴转角的范围内执行气门开启正时和/或燃料喷射的启动。在又一个示例中，在 TDC之后的约90度曲轴转角执行进气门开启，在进气门开启之后的30度曲轴转角之内启动燃料喷射。图9示出在冷起动之后发动机进行暖机时或在起动后燃料系统压力增加时从增 强的燃料蒸发模式切换到非增强的燃料蒸发模式的示例汽缸的多个循环的正时图。如 位于正时图的左侧的第一循环所示，执行增强的燃料蒸发模式，进而分别如在910和 "0标示以负气门重叠操作排气门和进气门。在与进气门开启基本上相同的时刻启动 燃料喷射以增加燃料蒸发。最后，如在940标示点燃空燃混合物。在后续循环中，如时间线上的下一组事件标示，可以减少在排气门和进气门开启 之间的负气门重叠，减少在排气门关闭和进气门开启之间关于TDC的非对称，和/或 在发动机切换到非增强的燃料蒸发模式时可以从先前的循环提前或延迟燃料喷射正 时。可以通过使用VCT方法进而改变凸轮相对于曲轴的位置，和/或通过使用凸轮廓 线变换以获得不同的气门正时和/或升程，或通过使用电磁气门驱动(EVA)调节排气 门或进气门正时。在图9所示在时间线的右侧的最后循环中，可以用正气门重叠操作进气门和排气 门，和/或在发动机达到其暖机状态时可以从先前循环进一步提前或延迟燃料喷射。 以此方式，当发动机在冷起动之后暖机时，发动机可以从增强的燃料蒸发模式切换到 非增强的燃料蒸发模式。注意在一些示例中，如在发动机的暖机之后，可以在非增强 的燃料蒸发模式下操作发动机，而没有通过增强的燃料蒸发模式的第一切换。应理解控制系统可以基于发动机的工况在不同的燃料蒸发模式之间切换发动机。 例如，可以基于系统温度、燃料系统压力、和/或燃料成分、及本文描述的其他的工 况执行该切换。例如，在包含较高浓度醇类的燃料的发动机的起动之后，增强的燃料 蒸发模式可以使用持续更长的时期或更多的循环次数。应注意，本文中包括的示例控制和估值例程可用于各种发动机和/或车辆系统配 置。本文所述的具体例程可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、 中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种步骤、搡作或功能可以按所示的顺 序执行、并行执行，或在一些情况下略去。类似地，处理的顺序不是实现本文中所述 的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用 的具体策略，可以重复执行所示步骤或功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以在 图形上表示编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质中的代码。应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应 被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。例如，上述技术可以应用于V-6、 V-8、 1-4、 1-6、 V-12、对置4、及其他的发动机类型。本公开的主题包括在本文中 公开的各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非显而易见的 组合及子组合。本申请的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权 利要求可能引用"一个"元素或"第一"元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的 元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本申请权 利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权 利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括 在本申请的主题之内。
权利要求
1.一种用于直喷式内燃发动机的汽缸中的方法，所述方法包括关闭所述内燃发动机的汽缸的排气门；在关闭所述汽缸的排气门之后开启所述汽缸的进气门；通过在所述排气门关闭和进气门开启之间的至少一部分使所述汽缸的活塞离开上止点移动，使所述汽缸的体积膨胀至少直到所述汽缸内的压力减少到小于进气歧管压力；及在排气门关闭之后经缸内喷射器启动燃料直接喷射到所述汽缸中。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在基本上与所述进气门开启相同的 正时启动所述燃料喷射。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在所述进气门开启之后启动所述燃 料喷射。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述进气门开启之后的30度曲轴 转角之内启动所述燃料喷射。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在相对于上止点之前的第一正时关 闭所述排气门，在相对于上止点之后的第二正时开启所述进气门，其中第二正时大于 第一正时，所述燃料包括醇类，响应于所述燃料中的醇类的量通过改变气门正时使汽 缸内的压力小于进气歧管压力。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二正时在上止点之后的60度 曲轴转角和120度曲轴转角的范围之内，在活塞离开上止点移动之前关闭所述排气 门。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二正时在上止点之后的80度 曲轴转角和IOO度曲轴转角的范围内。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二正时发生在上止点之后90 度曲轴转角，在上止点之后的90度曲轴转角或在进气门开启之后的"度曲轴转角之 内启动所述燃料喷射。
9. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述发动机为四行程发动机，所述 燃料包括汽油和醇类的混合物，所述方法还包括响应于所述燃料中的醇类的量至少调 节进气门和/或排气门正时。
10. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括在所述排气门关闭之后，经 缸内喷射器启动多次燃料直接喷射到所述汽缸中，在所述进气门开启之前启动第一喷 射，在与所述进气门开启相同的时刻或所述进气门开启之后启动第二喷射。
11. 一种发动机系统，包括具有至少一个由汽缸壁界定的汽缸和在所述汽缸中可移动地设置的活塞的内燃发动机；与所述汽缸流体连通的进气歧管； 设置在所述进气歧管和所述汽缸之间的进气门； 设置在所述汽缸和所述发动机的排气通道之间的排气门； 配置为直接输送燃料到所述汽缸的缸内直接燃料喷射器；及 控制系统，所述控制系统配置为在至少一个工况下操作发动机以便活塞在提供最 小汽缸体积的上止点和提供最大汽缸体积的下止点之间移动以将汽缸内的压力减少 到小于进气歧管内的压力，并操作所述排气门以在相对于活塞到达上止点位置的第一 正时关闭，操作所述进气门以在所述排气门关闭之后在相对于上止点位置的第二正时 开启，操作所述燃料喷射器以在与所述进气门开启相同的正时或所述进气门开启之后 启动燃料直接喷射到所述汽缸中。
全文摘要
本发明涉及改进直喷式内燃发动机中的燃料蒸发的系统和方法。提供一种有助于直喷式内燃发动机中的燃料蒸发的系统及方法。在一个示例中，该方法包括关闭汽缸的排气门；在排气门关闭之后开启进气门；在排气门关闭和进气门开启之间使汽缸的活塞离开上止点移动以使汽缸体积膨胀，并将汽缸内压力减少到小于汽缸的进气歧管的压力；并在排气门关闭之后经缸内喷射器启动燃料直接喷射到汽缸中。
文档编号F02D7/00GK101403339SQ200810168458
公开日2009年4月8日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年10月4日
发明者丁富成, 乔治·卡弗·戴维斯, 克劳蒂亚·奥利维亚·耶尔, 易建文 申请人:福特环球技术公司