燃料喷射系统及方法与流程

本发明涉及用于瞬态工况期间减少车辆的颗粒物排放的燃料喷射系统，并且更具体地，涉及利用双路径燃料喷射系统控制燃料喷射的系统和方法，所述双路径燃料喷射系统包括端口燃料喷射和直接燃料喷射。

背景技术：

可利用直接喷射（di）燃料系统、端口燃料喷射（pfi）燃料系统或这两个系统的组合将燃料传输到汽油燃料内燃机。di和pfi的组合被称作双路径燃料喷射系统。di系统因其高负载燃料效率的特定优点而在汽车工业中广为所知。pfi系统由于在低负载操作点下具有低噪声、振动和声振粗糙度（nvh），在低负载操作点下具有良好的燃料经济性，以及成本考虑而广为所知。

由于欧洲、北美及中国对于排放的颗粒质量和颗粒数量的更严格的立法，汽油燃料内燃机的颗粒物排放已经成为燃烧研发的焦点。在具有di部分22的一些发动机中，颗粒形成的主要来源是液态燃料对活塞顶部的冲击。如果燃料不能足够快速地蒸发，则燃料膜将引起扩散焰，扩散焰已被确定为碳烟（即颗粒）形成的主要来源。在将操作改变成高负载发动机操作时，长喷射持续时间引起增大的喷雾贯穿，液态燃料可冲击在活塞上。如果发动机停留在高负载操作点达至少若干秒，则活塞温度将最终升高到足够高，并且沉积在活塞上的燃料将在主燃烧事件之前蒸发。

但是，在发动机从低负载点转换至更高负载操作点时，活塞温度仍将相对冷并且需要若干秒的时间来升温。紧接在负载步骤之后冲击活塞的燃料可能未完全蒸发，并且在活塞顶部引起扩散焰（也被称作“池火（poolfire）”），形成并放出大量颗粒物。

需要改进的燃料喷射策略以减少发动机瞬态工况中的颗粒的排放。

技术实现要素：

在一些方面，燃料喷射系统被配置为向发动机提供燃料。所述燃料喷射系统包括：第一装置，其监控所述发动机的负载并且输出与所述发动机的所述负载相对应的信号；直接燃料喷射器，其位于所述发动机的气缸中；以及端口燃料喷射器，其位于所述气缸的进气管中。此外，所述燃料喷射系统包括控制器，所述控制器被配置为：从所述第一装置接收输出，并且基于装置输出确定何时所述发动机的负载已经增加；并且当所述发动机的负载已经增加时，控制所述端口燃料喷射器以增加喷射的燃料量。

所述燃料喷射系统可包括以下特征中的一个或多个：所述控制器被配置为在控制所述端口燃料喷射器以增加喷射的燃料量的时刻之后的时刻，减少喷射的燃料量。当从所述第一装置接收的输出指示增加的发动机负载时，所述控制器最初控制所述直接燃料喷射器继续而不改变燃料喷射量，并且随后控制所述直接燃料喷射器增加喷射的燃料量。所述燃料喷射系统还包括第二装置，其确定所述发动机的部分的温度，并且输出与所述发动机的所述部分的温度相对应的信号。当所述发动机的负载已经增加时，所述控制器被配置为最初控制所述端口燃料喷射器以增加喷射的燃料量，并且当与所述发动机的部分的温度相对应的信号对应于大于预定温度的温度时，所述控制器被配置为减少所述端口燃料喷射器喷射的燃料量。所述第二装置包括被配置为检测所述发动机的所述部分的温度的第二传感器。所述第二装置被配置为基于传感器输入和所述发动机所经历的近期操作情况的历史建立所述发动机的所述部分的温度的模型。所述第一装置包括被配置为检测所述发动机的负载的第一传感器。来自所述第一装置的输出反映来自所述第一传感器的输出与近期发动机操作信息的组合。所述第一装置是发动机速度传感器。

在一些方面，燃料喷射控制装置包括：装置，其监控发动机的负载，并输出与所述发动机的所述负载相对应的信号；直接燃料喷射器，其被配置为位于所述发动机的气缸中；以及端口燃料喷射器，其被配置为位于所述气缸的进气管中。此外，燃料喷射控制装置包括控制器，其被配置为从所述装置接收输出。当从所述装置接收的输出指示增加的发动机负载时，所述控制器最初控制所述直接燃料喷射器保持而不改变所述直接燃料喷射器喷射的燃料量，并且然后在一段时间延迟之后，随后增加所述直接燃料喷射器喷射的燃料量。

所述燃料喷射装置可包括以下特征中的一个或多个：所述控制器保持而不改变所述直接燃料喷射器喷射的燃料量，直到所述发动机的部分的温度达到预定温度，并且然后增加所述直接燃料喷射器喷射的燃料量。当从所述装置接收的输出指示增加的发动机负载时，所述控制器控制所述端口燃料喷射器以增加所述端口燃料喷射器喷射的燃料量，并且然后随后减少所述端口燃料喷射器喷射的燃料量。

在一些方面，控制向发动机气缸喷射燃料的方法包括：利用第一装置以监控发动机负载，并且从所述第一装置输出与所述发动机负载相对应的信号；以及基于来自所述第一装置的所述信号确定所述发动机负载是否已经增加。当已经确定所述发动机负载已经增加时，所述方法包括控制端口燃料喷射器以增加所述端口燃料喷射器所排出的燃料量，并且控制直接燃料喷射器以保持而不改变所述直接燃料喷射器所排出的燃料量。此外，所述方法包括利用第二装置监控所述发动机的部分的温度，并且从所述第二装置输出与所述发动机的所述部分的温度相对应的信号。当所述发动机的所述部分的温度大于预定温度时，所述方法包括减少所述端口燃料喷射器所排出的燃料量并且增加所述直接燃料喷射器所排出的燃料量。

所述方法可包括以下方法步骤和/或特征中的一个或多个：当活塞的温度大于预定温度时，随时间线性地增加所述直接燃料喷射器所排出的燃料量。当活塞的温度大于预定温度时，随时间线性地减少所述端口燃料喷射器所排出的燃料量。利用第一装置监控发动机负载的步骤包括：在第一时刻检测第一发动机负载，并且在所述第一时刻之后的第二时刻检测第二发动机负载，并且通过计算所述第一发动机负载和所述第二发动机负载之差，执行确定所述发动机负载是否已经增加的步骤。通过发动机速度传感器检测所述第一发动机负载和所述第二发动机负载。通过节流阀位置传感器检测所述第一发动机负载和所述第二发动机负载。利用第二装置监控所述发动机的部分的温度的步骤包括利用温度传感器以检测所述发动机的所述部分的温度。所述第二装置的信号输出基于模型，所述模型基于传感器输入和所述发动机所经历的近期操作情况的历史确定所述发动机的所述部分的温度。

组合pfi和di的双路径燃料喷射系统通过根据发动机操作点和燃料流需求从一个燃料系统切换到另一个燃料系统来进行操作。在发动机负载转换期间，例如从低发动机负载转换至高发动机负载，利用电子控制单元以，在发动机经历负载改变时，至少部分地使系统的pfi部分参与达限定量的时间（以秒记）。通过这样操作，减小了喷射持续时间，并因而减小了来自di喷射器的喷射贯穿，并且因此减少液态燃料在活塞上的冲击。当发动机负载改变之后活塞温度缓慢增加时，燃料供给从系统的pfi部分转换到系统的di部分。有利地，组合pfi和di的双路径燃料喷射系统减少了发动机瞬态工况期间的颗粒排放。

在一个示例性实施例中，在发动机从低负载操作点转换到更高负载操作点的情形中，更低负载操作点处的燃料供应由pfi部分提供，并且di部分可以要么具延迟地参与、或以缓慢增加的喷射率参与、或以该两种方式参与。在本实施例中，pfi部分主要用于供应燃料增加量以经历负载切换。

在另一个示例性实施例中，在发动机从低负载操作点转换到更高负载操作点，而在更低负载点处燃料供应已经由di部分提供的情形中，更低负载操作点处的燃料供应由di部分提供，并且来自di部分的燃料将要么具延迟地增加、或以缓慢增加的喷射率增加、或以该两种方式增加。在本实施例中，pfi部分用于临时供应负载改变期间所需的燃料增加量。

本文描述的组合pfi和di的双路径燃料喷射系统可与一些常规的组合pfi和di的双路径燃料喷射系统进行比较，在该常规的双路径系统，在低负载发动机操作下燃料供给通常命令自pfi部分，而di部分仅用于更高负载操作点。在发动机从低负载（由pfi供给燃料）转换至更高负载操作点的情形中，在一些常规的双路径系统中，燃料供给通常从pfi部分被切换到di部分，以获益于di部分在更高负载操作点下的燃料经济益处（图6）。如果在更低负载点下燃料供给已经由di部分提供，则由di部分完全控制负载步骤而pfi部分不参与（图7）。在这两种情形中，由常规双路径燃料喷射系统控制燃料喷射的发动机可能遭受高喷射贯穿并且燃料冲击到冷的活塞上，引起扩散焰并且引起颗粒的形成和排放。

附图说明

图1是内燃机的一部分的示意图。

图2是图示双路径燃料喷射系统的示意图。

图3是图示控制双路径燃料喷射的方法的流程图。

图4是图示就一个操作方案燃料量和发动机负载与时间的关系的图表。

图5是图示就另一个操作方案燃料量和发动机负载与时间的关系的图表。

图6是图示就图4的操作方案常规燃料喷射系统的燃料量和发动机负载与时间的关系的图表。

图7是图示就图5的操作方案常规燃料喷射系统的燃料量和发动机负载与时间的关系的图表。

具体实施方式

参照图1-2，内燃机10包括气缸11和在气缸11内往复运动的活塞12。空气经由进气阀14从空气进气管13被传输到气缸11。进气管13还包括与由车辆驾驶员操作的执行器踏板18机械连接的节流阀17。废气经由废气阀16从气缸11被排出到废气出口管15。内燃机10还包括双路径燃料喷射系统20，系统20包括di部分22和pfi部分24。di部分22和pfi部分24各自包括用于发动机的每个气缸的喷射器22a、24a。di燃料喷射器22a延伸入气缸11并且被布置成将燃料直接喷射到活塞12的上表面上。pfi燃料喷射器24a在进气阀14的上游位置处延伸入进气管13，并且被布置成朝向进气阀14引导燃料。双路径燃料喷射系统20还包括控制di部分22和pfi部分24的电子控制单元（ecu）26。在发动机负载的转换（例如从低发动机负载至高发动机负载的转换）期间，ecu26以策略的方式控制di部分22和pfi部分24，该策略的方式带了减少的或消除的颗粒排放，如下文进一步论述的。

具体地，ecu26基于发动机负载和活塞温度情况控制di部分22和pfi部分24。可以，例如，通过监控检测发动机速度的传感器实现对发动机负载l的检测。在所示实施例中，燃料喷射系统20包括发动机速度传感器40，传感器40检测发动机曲轴的速度并且用于监控发动机负载l。但是，发动机负载l的检测还可通过经由节流阀位置传感器41监控节流阀位置，经由踏板位置传感器42监控加速器踏板位置，经由位于出口管15中的压力传感器43监控排气压力或监控其他系统特性，并且双路径燃料喷射系统20可单独地或组合地使用这些传感器或其他合适的传感器中的一个或多个以监控发动机负载l。

活塞温度tp可经由位于合适位置的温度传感器44直接监控，或者可基于用于此目的的已知模型计算。在一些实施例中，基于模型的方法可使用来自传感器的输入并且包括与近期（例如，历史）操作情况相关的信息以计算活塞温度tp，所述传感器诸如用于监控发动机操作情况（发动机速度、发动机负载、进气温度、发动机冷却剂温度、空气/燃料比、点火正时等）的那些传感器。例如，在发动机怠速一段时间之后，模型可计算低活塞温度tp，而在以高速公路速度行驶一段时间之后，模型可计算相对高的活塞温度tp。

参照图3，ecu26被配置为监控发动机负载l和活塞温度tp，并且在瞬间负载情况期间执行减少来自气缸的颗粒排放的燃料喷射控制方法。燃料喷射控制方法包括周期性地测量发动机负载l，并且确定发动机负载l是否存在变化。具体地，所述方法包括在时刻t测量发动机负载lt（步骤101），在随后的时刻tt+1再次测量发动机负载lt+1（步骤102），并且然后比较测量的负载lt和lt+1以确定是否已发生负载变化（步骤103）。例如，ecu26可通过进行计算（lδ测量=lt+1-lt）确定负载变化lδ测量。

在计算lδ测量之后，将测量的负载变化lδ测量与预定的负载变化lδ预定进行比较，以确定负载中的变化是否足以需要执行瞬时负载燃料喷射控制方法（步骤104）。预定负载变化lδ预定被设定成大于检测到的负载的瞬时变化。此外，预定负载变化lδ测量被设定成对应于下述负载变化，即，该负载变化足够大以对应于在常规燃料喷射系统中将产生增加的颗粒排放的燃料喷射增加（例如，当活塞12对于喷射的燃料量来说相对冷时）。在一些实施例中，预定负载变化lδ预定可以是基于近期行驶历史、当前发动机情况等实时计算的值。在其他实施例中，预定负载变化lδ预定可以是基于，例如，理论最佳状态或之前的数据的设定值。

如果计算的负载变化lδ测量小于预定负载变化lδ预定，则ecu26以保持每个部分22、24所提供的当前喷射量的方式控制pfi部分24和di部分22，并且继续进行发动机负载监控。

如果计算的负载变化lδ测量大于预定负载变化lδ预定，并且活塞温度tp大于预定温度t预定，则不改变ecu26控制pfi部分24和di部分22的方式，并且继续监控发动机负载l。预定温度t预定的设定是基于活塞12将在颗粒形成之前使喷射的燃料量蒸发的活塞温度。因此，t预定可根据待喷射的燃料量而发生变化。

如果计算的负载变化lδ测量大于预定负载变化lδ预定，并且活塞温度tp小于预定温度t预定，则ecu26以最小化或避免颗粒形成的方式控制pfi部分24和di部分22。具体地，ecu26指令pfi部分24增加燃料喷射的量。来自pfi部分24的燃料喷射的量的增加可以是阶梯式的或近似阶梯式的增加，并且足以提供处理发动机负载变化lδ测量所需的燃料。

在增加由pfi部分24提供的燃料的量之外，ecu26还指令di部分22保持从每个di燃料喷射器22a喷射的燃料的当前量。从每个di燃料喷射器22a喷射的燃料的当前量将取决于发动机负载改变时的操作情况。例如，在di部分22已经不喷射燃料的操作情况中，诸如通常在低发动机负载期间发生的，di部分22将继续不喷射燃料。在di部分22喷射一些燃料的操作情况中，di部分22将继续喷射相同量的燃料。因此，ecu26以下述方式控制pfi部分24和di部分22，即，通过增加pfi燃料喷射量而非增加di燃料喷射量来满足因测量的负载变化而引起的燃料需求增加。结果是，避免了燃料的增加量被直接应用于相对冷的活塞的顶部的情形。

只要活塞温度tp小于预定温度t预定，pfi部分24就继续提供所述燃料的增加量并且ecu继续周期性地监控发动机负载l和活塞温度tp（步骤106、步骤108）。但是，由于对应于pfi部分24所提供的增加的燃料量的增加的发动机输出，因此活塞12被逐渐加热。当ecu26确定在活塞处检测的温度tp大于预定温度t预定时（步骤107），活塞12足够热以快速地蒸发由di部分22应用于活塞顶部的额外燃料。为此，并且因为di燃料喷射提供在高发动机负载下的燃料效率，ecu26于是指令di部分22增加燃料喷射量（步骤109）。在所示例子中，di部分22喷射的燃料量线性地增加。同时，ecu26指令pfi部分24减少燃料喷射量。在所示例子中，pfi部分24喷射的燃料量线性地减少。具体地，di部分22和pfi部分24所喷射的燃料量是平衡的，例如，每个部分22、24所提供的燃料量的和被设定为等于发动机的燃料需求。

在负载改变发生在di部分22未进行操作时的实施例中，燃料喷射方法最初保持di部分22处于关闭状况。在一段时间延迟后，直到活塞温度已经充分增加时，来自di部分22的燃料喷射开启并增加（例如，逐渐地和/或线性地增加）并且来自pfi部分24的燃料喷射被减少（例如，逐渐地和/或线性地减少）。在图4所示的实施例中，在发动机负载改变时，例如在时刻t=1，没有喷射自di部分22的燃料。因此，di部分22保持关闭，直到活塞温度tp大于预定活塞温度t预定的稍后时刻，例如，在时刻t=2。在时刻t=1和时刻t=2之间的时间段内，就增加的发动机负载的燃料需求由pfi部分24的喷射量的增加满足。在时刻t=2之后，di燃料喷射线性地逐步增加，而pfi燃料喷射线性地逐步减少。具体地，di燃料喷射增加，直到di部分22满足全部燃料需求，并且pfi部分24可关闭。

在负载改变发生在di部分22正在进行操作的实施例中，燃料喷射方法最初保持di部分22喷射的燃料量不变，并且当活塞温度已经充分增加时，来自di部分22的燃料喷射增加（例如，逐渐地和/或线性地），并且来自在pfi部分24的燃料喷射减少（例如，逐渐地和/或线性地）。在图5所示的实施例中，在发动机负载改变时，例如在时刻t=1，燃料正在自di部分22喷射。因此，di部分22继续提供恒定水平的燃料喷射，直到活塞温度tp大于预定活塞温度t预定的稍后时刻，例如，在时刻t=2。在时刻t=1和时刻t=2之间的时间段内，增加的发动机负载的燃料需求由来自pfi部分24的喷射量的增加满足。在时刻t=2之后，di燃料喷射线性地增加，而pfi燃料喷射线性地减少。具体地，di燃料喷射增加，直到di部分22满足全部燃料需求，并且pfi部分24可关闭。

图4-7中提供的绘图图示了在瞬时负载情况期间就双路径燃料喷射系统的燃料量（左侧纵坐标）和发动机负载（右侧纵坐标）与时间（横坐标）的关系。图4和5图示应用图3所示的燃料喷射方法的两个示例性实施例的所述关系，并且图6和7图示根据一些常规双路径燃料喷射系统在相应情况下操作的所述关系。在绘图中，燃料量、发动机负载和时间的单位被提供成任意单位（a.u.），并且因此示出相对关系。实际单位将取决于具体应用。例如，燃料量的单位可以是从体积方面的，诸如毫升或微升；或者替代地可以是从喷射频率方面的。发动机负载的单位将取决于用于检测发动机负载的传感器的类型，并且例如可以是从与发动机速度检测相对应的rpm方面的，或者是从与检测节流阀角或执行器角相对应的角度方面的，等等。对于时间，ecu26提供了在持续以秒计的时间范围内的上述燃料喷射控制范例，该时间范围对应于在检测到负载变化时开始、并且包括pfi部分24的启动、并且在di部分22独自提供燃料喷射时结束的时间范围。因此，时间的单位将是秒或秒的分数。

以上参照图1-3描述的双路径燃料喷射系统和方法可以与一些常规双路径燃料喷射系统进行比较，该常规喷射系统在低负载操作情况期间使用pfi喷射器，并且在发动机负载增加时切换到di。通过切换至仅仅di，相对大量的燃料被喷射到相对冷的活塞12上，由此可发生颗粒形成。

在所示实施例中，负载变化的确定是基于发动机速度传感器40或其他相关传感器的输出变化。但是，本方法不限制于这种配置。例如，在一些实施例中，负载中触发变化的确定是基于传感器的输出变化与关于近期操作历史的信息的组合。例如，在冷起动或持续的怠速时间后，相对更小的发动机负载增加可足以启动本文描述的方法，而在高速行驶一段时间后（其中活塞温度已经相对高），启动本文描述的方法将需要相对更大的发动机负载增加。当活塞温度tp获得自直接测量而非模型时，此方法尤其有用。

在图4和5所示的实施例中，在确定活塞温度tp大于预定温度t预定之后，随着di燃料喷射量线性增加，pfi燃料喷射量线性减少。但是，pfi和di燃料喷射的变化不限制于线性变化。例如，变化可以是非线性的、指数的、阶梯式的（单个阶梯或多个阶梯）等，或这些形式的组合。此外，虽然pfi和di燃料喷射量之间的关系不需要彼此成镜像，但是pfi和di部分22、24所提供的量之和不随时间变化，并且应该满足所应用的负载的需求。

虽然本文描述的燃料喷射方法将测量的负载变化lδ测量和预定负载变化lδ测量进行比较，并且将活塞温度tp和预定温度t预定进行比较，以启动双路径燃料喷射方法，但所述方法不限制于此布置。例如，在其他实施例中，所述方法不包括使用活塞温度tp，并且di和pfi喷射量的变化被设定成在预定时刻发生。也就是说，可假设活塞温度tp在预定时刻将足够高，该预定时刻可对应于在负载增加之后的预定延迟。

虽然参照活塞12的温度描述了上述方法中使用的温度测量，但所述方法不限制于利用活塞温度tp。例如，在一些实施例中，所述方法可将活塞温度tp替换成替代性位置处的温度，诸如气缸温度或气缸附近的发动机缸体的温度、废气的温度或位置组合处的温度。

可通过由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序实施本文描述的装置和方法。计算机程序包括存储在非临时有形计算机可读介质上的处理器可执行的指令。计算机程序还可包括存储的数据或访问所存储的数据的能力。非临时有形计算机可读介质的非限制性例子是非易失性存储器、磁存储器和光学存储器。

以上详细描述了包括pfi部分和di部分的双路径燃料喷射系统和方法的选择性的说明性的实施例。应该理解，本文仅描述了被认为是澄清这些装置和所述方法所必需的结构。燃料喷射系统的其他常规结构、以及辅助和附属部件的结构被认为是本领域技术人员已知并理解的。此外，尽管以上已经描述了燃料喷射系统和方法的工作示例，但是燃料喷射系统和方法不限于上述工作示例，相反可进行各种设计改变而不脱离权利要求所述的装置。