内燃发动机的冷启动系统的制作方法

内燃发动机的冷启动系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于发动机的内燃发动机的冷启动系统，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，其包括：在致动起动电动机之前或在致动期间，以非同步方式通过至少一个喷射喷嘴预先喷射燃料的至少一个策略。
【专利说明】内燃发动机的冷启动系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于直接喷射发动机或非直接喷射发动机的内燃发动机的冷启动系 统，所述内燃发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物， 且确保在任何环境温度条件下冷启动，而不使用更具挥发性燃料，例如汽油，启动在使用乙 醇的情况下进行。
[0002] 本发明还涉及内燃发动机的启动系统，取决于所使用的燃料类型和环境温度，其 改进和优化所使用的燃料量和/或发动机启动的启动时间。
[0003] 本发明还涉及包括这种冷启动系统的内燃发动机。

【背景技术】
[0004] 从历史上来说，汽油总是由大多数奥托循环内燃发动机使用的燃料，由于其高度 理想的物理化学属性，例如热值、抗爆性以及甚至在低温(如冬天北半球大多数地方可见的 那些）下的蒸发系数，从而允许发动机合理容易地冷启动，甚至在最恶劣条件下也是如此。
[0005] 20世纪70年代早期的短缺和油价上涨使得巴西选择改变其能源模型且开始大规 模生产乙醇来运行机动车。
[0006] 在80年代，由乙醇驱动的汽车变为控制巴西市场且随着多燃料车辆(更好地称为 灵活燃料车辆）的到来，从2003年以来使用乙醇作为燃料已经获得更大的势力，其燃烧乙 醇、汽油、或这些燃料的任何比例的混合物，从而保持令人满意的性能、驾驶性和污染物排 放的水平。
[0007] 当今，灵活燃料车辆很大地控制巴西市场且还可用于一些其它国家，如美国。然 而，虽然它们与80年代可用的第一乙醇驱动汽车相比进步很大，但是灵活燃料车辆经受相 同的缺陷，需要专用汽油箱，在大多数情况下位于发动机附近，以确保在低环境温度条件下 的冷启动和在初始操作瞬时(称为冷阶段）的发动机操作。
[0008] 在冷启动期间使用汽油的需要是由于乙醇的蒸发系数显著地低于汽油，与乙醇在 低环境温度下具有的高引火点结合。
[0009] 在由乙醇驱动的发动机的冷启动期间与使用汽油有关的技术的示例可见于授权 专利BR9905212-1，其涉及冷启动系统，其中，电动泵经由导管供给汽油喷射喷嘴，其可位于 蝶形阀本体中或进气歧管中，从而将一定量的汽油喷射到空气/乙醇混合物中。
[0010]另一相关文献是专利BRPI0904130-3,其涉及用于内燃发动机的冷启动系统，更具 体地涉及通过特别设计用于由乙醇和/或灵活型燃料驱动的内燃发动机的量化燃料喷流 的冷启动系统。
[0011] 该冷启动系统包括汽油贮存器、燃料泵、将所述泵连接到电磁阀的第一燃料管线 和将所述电磁阀的出口连接到数量与发动机气缸相对应的多个雾化喷嘴的第二燃料管线。
[0012] 第一燃料管线、电磁阀、第二燃料管线和雾化喷嘴包括高压系统，借助于所述高压 系统，从雾化喷嘴排出涡旋和雾化的燃料，从而提供高效率的雾化。
[0013] 然而，在所有系统中，存在精确定量所喷射汽油体积的困难，从而导致在发动机操 作开始时污染物的高排放，这往往是被日益增加地反对的。此外，对于车辆的用户/车主， 必须监测小箱中的汽油水平总是不方便的，且忘记可能意味着车辆在第二天早上将不会工 作。使用小汽油箱的另一缺陷是其低功率消耗，这可导致燃料供应系统的恶化和因而损坏。
[0014] 最后，有人声称在车辆遭受车头碰撞或侧翻时，小汽油箱可能破裂或泄漏且起火。
[0015] 目的在于克服使用小汽油箱的缺陷，用于冷启动的乙醇预热的多个技术被开发和 改进，但是其使用受到难以克服的一些技术困难的限制，这限制其市场渗透，为此，当今出 售的大多数车辆仍使用小汽油箱作为冷启动系统。
[0016] 这种技术的第一示例通过专利文献BRPI0403039-7公开，籍此，冷启动系统具有 设置有燃料入口且在相对侧设置有旁路的燃料管线，所述旁路连接到流量控制装置或冷启 动辅助流。
[0017] 在冷启动条件下，主油道中存在的乙醇到达受控流旁路，且然后进入燃料加热装 置。在加热之后，燃料通过导管系统驱动到发动机且均匀地分配给其气缸。
[0018] 驱动装置加热燃料可以在电子控制单元的管理下完成，通过来自于安装在车辆门 中的开关的信号或者告知电子控制单元车辆将启动的其它类型信号，因而，燃料受控加热 的过程开始。
[0019] 这种技术的另一个示例可见于专利文献BRPI0504047-7,其公开用于乙醇和灵活 燃料发动机的冷启动辅助系统，带有空气入口和乙醇加热。冷启动系统包括使用位于喷射 器入口中的电阻器，每个喷射器内的电阻器或者每个喷嘴保持器管的电阻器，这三种可能 可以同时使用，两两组合或者独立地使用，取决于加热乙醇流量和能量消耗的需要。
[0020] 系统还包括使用位于进气歧管上部部分中、歧管底部部分中、节气门本体中、车头 进气导管中的电阻器组，以及在二次空气入口管中在排气歧管附近的电阻器组。
[0021] 任选地，还可以在空气过滤器的壳体内或者在管中设置一组电阻器，用于将空气 发送给节气门本体和二次管，还可以在管中设置一组二次电阻器，用于将空气发送给节气 门本体。
[0022] 电阻器以组合或孤立的方式使用，通过喷射和燃料模块系统命令，且附加地，可以 预见在进气歧管内的一个或两个辅助喷射器(补充)，带有相同乙醇加热系统，即在喷射器 的入口处，在喷射器内或者在喷嘴保持器管内。
[0023] 这种系统的复杂性是明显的，具有高安装成本，需要高处理能力来判断触发哪些 电阻器，与来自于蓄电池的电流消耗以使之工作一起，这成为问题，使得蓄电池变老，从而 系统的效率往往随着车辆的老化而下降。
[0024] 当今，现有方案的分析使之清楚，至今为止没有开发用于奥托循环发动机的冷启 动系统，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物， 其展现技术简单性，来自于蓄电池的电流的低消耗，高可靠性，且不需要汽油来确保在冷阶 段(尤其是低于16°C)时发动机的启动和操作。


【发明内容】

[0025] 本发明涉及用于直接喷射或非直接喷射的奥托循环发动机的冷启动系统，所述发 动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，且确保在冷阶段 (低环境温度）时发动机的启动和操作，即使它们是负温度(低于水的凝固点）也是如此。
[0026] 本发明的目的还在于，提供不需要喷射汽油来确保在冷阶段期间发动机的启动和 运行的冷启动系统。
[0027] 本发明还涉及确保在冷阶段时发动机的启动和运行的冷启动系统，带有或者不带 有燃料的先前加热，所述燃料是汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混 合物。
[0028] 此外，本发明涉及在启动时间之前或期间通过同步或非同步燃料喷射确保在冷阶 段时发动机的启动和运行的冷启动系统。
[0029] 本发明还涉及内燃发动机的启动系统，取决于所使用的燃料类型和环境温度，其 改进和优化所使用的燃料量或甚至在启动期间和启动之后发动机开始合适地运行的时间。
[0030] 最后，本发明还涉及内燃发动机，尤其是根据奥托循环操作的发动机，直接或间接 喷射，设置有当前要求保护的冷启动系统。
[0031] 本发明的目的通过用于发动机的内燃发动机的冷启动系统实现，所述发动机燃烧 汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例的乙醇的燃料混合物，包括：在致动起动电动机 之前或期间，以同步或非同步方式通过至少一个喷射喷嘴或类似装置预先喷射燃料的至少 一个策略。
[0032] 此外，本发明的目的通过包括当前要求保护的冷启动系统的内燃发动机实现。

【专利附图】

【附图说明】
[0033] 本发明将基于附图所示的一个执行示例进一步更详细地描述。附图示出了 ： 图1是示出了乙醇的蒸发曲线的简图。
[0034] 图2示出了在环境温度下乙醇的蒸汽压力曲线。
[0035] 图3是图示在系统致动和预先喷射之间的At控制的曲线图。
[0036] 图4是在0°C温度下在没有使用预先喷射策略的情况下由乙醇驱动的发动机的启 动之后获得的曲线图，在启动时发生故障。
[0037] 图4是在-5. 25°C环境温度下在使用预先喷射策略的情况下由乙醇驱动的发动机 的启动之后获得的曲线图，成功地启动。

【具体实施方式】
[0038] 根据优选实施例且可以从图1看出，已经开发该冷启动系统用于奥托循环发动 机，直接喷射或者非直接喷射，所述发动机燃烧汽油、乙醇、或包括或者不包括占优势比例 的乙醇的燃料混合物，以确保在冷阶段时在低环境温度下发动机的适当启动和操作，而不 需要使用用于汽油喷射的小辅助箱。
[0039] 最初应当注意的是，本发明的特权扩展到想要使用的任何燃料，不仅仅是乙醇，且 其不仅可以用于允许灵活燃料发动机在低温下的启动和后启动，以及改进汽油驱动发动机 在低温下的启动和后启动，或甚至在任何其它所需或期望使用中。
[0040] 此外，甚至作为预备考虑，该系统不必限于在低温状况下的马达启动，因为其可以 在任何环境温度和压力下使用，以便优化所使用的燃料量或甚至相同启动时间。因而，该系 统允许发动机最优地开始运行，即使用最少的可能燃料量，取决于所使用的燃料，以合适旋 转，具有最低可能的污染物排放，等等。
[0041] 为了实现其目的，该系统在致动起动电动机之前，以与发动机旋转同步的方式或 者甚至非同步地执行预先喷射燃料到进气系统中（通过燃料喷射系统的喷射器或者通过喷 射器或辅助系统）或者在直接喷射发动机的情况下执行预先喷射燃料到至少一个气缸内， 包括用于预先喷射的时间段，起动电动机工作但是启动尚未表征的时间。
[0042] 为了更好地阐述系统如何工作，首先让我们作出关于在发动机冷启动期间燃料性 能的一些澄清。
[0043] 熟知的是，乙醇的蒸发系数高于汽油，即，其需要更高温度来挥发或蒸发，从而提 供与氧的化学反应及其燃烧。根据图1所示的曲线图，在海平面的大气压力下，该燃料的蒸 发温度是78°c。由于该物理属性，以乙醇为燃料的内燃发动机的冷启动在低于17°C的温度 下非常困难。
[0044] 冷启动通过其表示发动机操作的非常不利热力环境状况的事实变得更糟，因为存 在低空气流（由于非常低的发动机速度，由起动电动机驱动)，产生低容积效率(用空气-燃 料混合物填充气缸）和低紊流。
[0045] 这些不利条件，在与乙醇的低蒸发相结合时，尤其是在低温时，使得压缩空气混合 物的燃烧非常难以发生。
[0046] 作为消除该不利情形的可选方案，负责标定发动机供应系统的工程师延迟点火定 时，即，火花应当由火花塞触发以点火气缸内的燃料-空气混合物的时刻。点火定时的延迟 减少泵送影响，且允许发动机在这些早期阶段更容易地转动，从而利于启动。
[0047] 此外，工程师操控节气门控制（节气门开度或任何其它手段，以控制由发动机接 纳/吸入的空气量)，例如，使得节气门关闭，尽管用户压下加速踏板(在具有电子节气门控 制的最现代车辆中是可能的)，这确保进气歧管内的压力下降，这利于所使用的燃料的蒸发 (乙醇、汽油或其任何混合物)。
[0048] 然而，在启动期间压力曲线的操控和点火角度以及节气门位置的控制具有极限， 因为它们既不改变也不能改变燃料的蒸发率。因而，在低于17°C的环境温度下乙醇的冷启 动仍然极度难以获得。
[0049] 图2示出了乙醇的蒸发压力对比温度（°C )的曲线图，其分析允许清楚地确认对于 I atm而言78°C的蒸发温度。整个线示出了该燃料的蒸汽饱和曲线。
[0050] 根据该曲线图，应当避免乙醇的沸腾，因为一旦其开始蒸发，其比容积增加 133 倍。在该情况下，即使由于燃料变成气体的事实体积流量增长且应用于该情形的排放系数 比在燃料是液体时低很多，实际上，燃料质量流量减少。另一缺陷在于，极度难以产生数学 模型且计算在其处于蒸汽形式时喷射的实际燃料量。
[0051] 因而，在燃料沸腾的情况下，实践中发生的是，未知和不够的燃料量将到达气缸， 这应当被避免。
[0052] 因而，在想要在其喷射之前加热乙醇的情况下，S卩，在喷射系统的任何部分(燃料 管线、燃料轨道和喷射器）中加热其，需要该燃料处于特定压力值，使得其不会沸腾，且压力 越大，其可以适应以沸腾的温度越高。
[0053] 申请人:进行的试验表明，燃料管线中的600 kPa压力（6 bar)允许发动机在低温 下的冷启动，在实际情况下，对于420 kPa压力（4. 2 bar)的压力（车辆喷射系统中通常使 用的)，保证良好的结果。
[0054] 冷启动的另一关键点是系统标定。甚至在加热燃料喷射时，如多个现有技术专利 实例中讨论的，应当记住，喷射器内的少加热燃料量和最初喷射本身不足以确保在冷阶段 时发动机的启动及其随后操作。
[0055] 在为了增强冷启动系统标定研宄所进行的研发期间， 申请人:察觉到，尽管加热系 统有效，发动机不变地在第二次尝试时进入操作，而不是在第一次尝试时。
[0056] 申请人:作出的该察觉进行进一步的研宄和研发，最终获得包括如上所述的预先喷 射的该冷启动系统。
[0057] 本质上，该新技术的开发偏离该前提且寻求使用燃料的预先喷射的标定策略，如 上所述，与在起动电动机被致动之前或甚至在其致动期间以与马达旋转不同步的方式的燃 料喷射相对应，以模拟马达第一次致动(总是以失败告终）的状况。
[0058] 预先喷射策略模拟用于启动发动机的稍微更有利的一些状况，在正常情况下将在 启动发动机的第一次未成功尝试结束时产生，即： 一进气歧管中存在加热或未加热的空气-燃料混合物； 一气缸中的未燃燃料； 一更小的SMD (雾化燃料滴的平均尺寸）； 一气缸壁中和进气歧管本身和阀座中存在燃料膜； 一喷射器和/或供应管线(燃料轨道）内的平均温度增加。
[0059] 进气歧管内存在加热空气和燃料极大地利于发动机启动。乙醇在I atm的压力下 点火的最小温度是13. 5°C，因而，发动机在0°C和-KTC下的冷启动低于最小点火点。为了 在这些条件下启动，推荐预热燃料，与预先喷射一起。
[0060] 最小的SMD (雾化燃料滴的平均尺寸）是另一个大的益处，因为其提供更均质的燃 料-空气混合物且极大地增加所喷射燃料的总表面面积。基于所进行的试验， 申请人:发现， 在没有加热的情况下乙醇喷射在20°C的温度下产生大约120-130微米的滴。在加热后，尺 寸减小至15-20微米，转换为燃料表面面积的800%增加，明显地利于燃烧。
[0061] 关于存在未燃燃料和在气缸内形成膜，应当注意的是，总是存在不进入燃烧的燃 料比例，尽管其中的压力和温度的非常极端条件。
[0062] 在所进行的研宄和研发中， 申请人:已经察觉到，位于气缸壁附近的燃料不参与燃 烧，因为在该表面上，空气和燃料之间的关系非常低(小于0. 5)。然而，该膜的存在对于允许 燃料-空气混合物的燃烧过程是基本的。
[0063] 诸如气缸的表面上液体的积聚是自然现象，且一旦该积聚开始，液体蔓延以在该 壁的整个区域上形成膜。
[0064] 当想要启动内燃发动机时，第一部分燃料（即，来自于喷嘴的第一次喷流）中的很 多将不进入燃烧，而将粘附到气缸壁上，从而形成前述膜，使得燃料/空气混合物枯竭超过 使之可能燃烧的阈值。
[0065] 无论如何，存在膜，第二次启动足以发生燃烧且发动机开始运行。
[0066] 这是发动机在第二次尝试时开始运行的最重要原因：第一次尝试喷射的燃料用于 在气缸壁上形成膜。
[0067] 申请人:还已经察觉到，膜形成在进气歧管的管壁中和车头导管("端口 "）中发生。
[0068] 然而，应当注意的是，该膜限制耐用性，因为其在压力瞬变时刻时降级，例如，发动 机的有效启动(操作)，在该情况下，其应当尽可能快速地形成。
[0069] 由于该原因，本冷启动系统的预先喷射策略如此重要。启动之前的预先喷射确保 在气缸内形成燃料膜，且在起动电动机开始旋转发动机时，快速地实现正确的空气-燃料 混合物比，进入燃烧且发动机开始运行，同时在启动期间的不同步喷射（即，不与通过起动 电动机移动的曲轴旋转同步）利于该膜的保持。
[0070] 以优选但非限制性的方式，设置有加热器件的喷嘴被使用，其根据由电子喷射模 块(或任何其它模块，专用的或非专用的)传输的45-50 kHz的电脉冲工作，在通过加热线圈 时，产生磁场，其用于加热附近的燃料。
[0071] 已经概述关于乙醇性能和在气缸壁中形成燃料膜的动态特性的一些重要信息，现 在是时间更详细地阐述预先喷射过程。
[0072] 可以使用但不是优选的预先喷射的一个第一可能是手动。在该可能中，任何按钮 连接到喷射器，且在致动时，发生燃料喷射，用于在气缸壁和歧管上提前形成膜。
[0073] 因而，该冷启动系统的优选实施例具有自动控制，根据一系列压力和温度参数以 及马达和燃料特性，这将稍后详细地讨论。
[0074] 在任何情况下，在自动的预先喷射控制中，其可以根据各种初始命令(下文称为 "触发"）进行。
[0075] 开始参数化预先喷射策略的触发可以是自动的或手动的，除了其它之外，包括： 一打开车辆的门和发动机罩； 一定时器，以执行给定时间计数； 一承载任何识别装置(如打开门的钥匙链或编码卡，在较高价钱机动车中广泛使用的） 的导体的接近； 一报警触发(远程或非远程）； 一通过独特按钮致动(远程或非远程）； 一通过蜂窝电话或其它电信装置远程致动； 一通过驾驶员和乘员的识别装置(语音存在和重量）致动； 一点火钥匙的致动； 一温度检测(水、燃料、空气、油，环境温度或者车辆特有的温度）； 一经由相对适度和压力(绝对或相对）间接检测； 一踏板(离合器、制动器、加速器)、喇叭、灯/灯罩、信号灯、驻车制动器、变速杆、或其组 合的致动，提前或者在启动期间）； 一经由导航系统； 一水、燃料和油（来自于马达或者来自于变速箱）或与车辆有关的任何其它流体的粘度 /传导性/介电常数传感器；以及 一使用应变计，除了其它之外。
[0076] 本发明的特权还涵盖不使用特定触发的可能，S卩，每一次启动致动该策略，而与发 动机是否冷无关。
[0077] 此外，重要的是要注意到，该策略并不限于使用预热燃料，因而可以用于任何条件 的燃料温度和压力。
[0078] 最后，该策略并不限于使用主喷射器，考虑使用位于进气系统或发动机的任何位 置处的辅助喷射器或类似装置，或任何其它燃料喷射装置。
[0079] 不管预先喷射策略致动的形式，为了该冷启动系统工作且适合，这种致动优选考 虑多个变量，除了其它之外，例如要喷射的燃料成分、外部温度、发动机温度和发动机类型， 且然后确定预先喷射必须如何执行。
[0080] 为了确保更大效率， 申请人:已经开发一系列特定试验，其中，可以根据条件参数操 控：（i)喷射模块致动和有效预先喷射之间的时间，（ii)预先喷射的持续时间，以及（iii) 在多于一个发生的情况下，相继预先喷射之间的时间，如图3。
[0081] 详细描述试验，其实现的第一过程是获取参数。为此，监测电子喷射模块或类似物 的所有参数。此外，监测一些其它重要参数，如下表可以看出。

【权利要求】
1. 一种用于发动机的内燃发动机的冷启动系统，所述发动机燃烧汽油、己醇、或包括 或者不包括占优势比例的己醇的燃料混合物，其特征在于包括；在致动起动电动机之前或 在致动期间，W非同步方式通过至少一个喷射喷嘴预先喷射燃料的至少一个策略。
2. 根据权利要求1所述的冷启动系统，其特征在于，预先喷射策略包括在低于燃料沸 点的温度下预热燃料。
3. -种内燃发动机，其特征在于，所述内燃发动机包括根据权利要求1和2所述的冷 启动系统。
【文档编号】F02D41/00GK104471223SQ201380011710
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年2月26日 优先权日:2012年2月29日
【发明者】桑切斯普罗瓦斯 I., 奥利韦拉 M., 雷真德 A. 申请人:大陆汽车巴西工业有限公司