CN1175169C - 用于运行内燃机的方法和内燃机及控制器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种内燃机(1)、特别是汽车内燃机，设置有一个燃烧室(4)，燃料可以以加浓混合气运行方式和以稀薄混合气运行方式喷入该燃烧室(4)中。该内燃机(1)配置有一个催化器(12)，氮氧化物可储存在其内，以及具有一个安置在催化器(12)后面的λ传感器(22)，借助它可以测量废气的λ。安置了一个用于在加浓混合气运行方式和稀薄混合气运行方式之间进行转换的控制器(18)。通过该控制器(18)在内燃机(1)转换成稀薄混合气运行方式后测量一个第一时间段，该时间段一直延续到被测量的λ变得稀薄。

Description

用于运行内燃机的方法和内燃机及控制器
技术领域
本发明涉及一种用于运行内燃机、特别是汽车内燃机的方法，其中燃料以一种加浓混合气运行方式和一种稀薄混合气运行方式喷入燃烧室中，其中在该加浓混合气运行方式和该稀薄混合气运行方式之间转换，并且，氮氧化物储存在一个催化器中。本发明同时也涉及一种相应的内燃机以及用于这种内燃机的控制器。
背景技术
一种这类型的方法、这类型的内燃机和这类型的控制器例如从所谓的汽油直接喷射中已知。其中，燃料以加浓混合气运行方式、例如以均匀工作方式在吸气阶段期间或者以稀薄混合气运行方式、例如以分层工作方式在压缩阶段期间喷入内燃机的燃烧室内。均匀工作方式优选为内燃机的满负荷运行设置，而分层工作方式适合于怠速运行和部分负荷运行。在这类型的直喷内燃机中例如根据所希望的额定运行方式在所述运行方式之间转换。
特别是在混合气稀薄的分层工作方式中，在废气中存在不能被三元催化器再处理的NOx成分、即氮氧化物。为此设置了一个储存催化器，该催化器储存氮氧化物，以便在后面内燃机加浓混合气运行时再排出。因为该储存催化器的储存能力是有限的，所以它必须不断地吸附和脱附。这可以例如借助催化器前面的一个λ传感器通过将储存催化器的储存能力模型化来控制和/或调节。
在λ传感器和/或在模型中可能出现错误。这些错误可导致持续错误地控制和/或调节储存催化器的吸附和脱附。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于运行内燃机的方法，利用这种方法，储存催化器的吸附和脱附也被长期正确地控制和/或调节。
本发明的另一任务是，提供一种内燃机及用于这种内燃机的控制器，使得储存催化器的吸附和脱附也被长期正确地控制和/或调节。
按照本发明，对于开头所述类型的方法，该任务的解决方案是，提出了一种用于运行内燃机、特别是汽车内燃机的方法，其中燃料以一种加浓混合气运行方式或以一种稀薄混合气运行方式喷入一个燃烧室中，其中通过一个控制器的控制在该加浓混合气运行方式和该稀薄混合气运行方式之间转换，并且其中氮氧化物被储存在一个催化器中，在催化器的后面测量废气的λ，在内燃机转换成稀薄混合气运行方式后通过该控制器测量一个第一时间段，该时间段一直延续到被测量的λ变得稀薄，其中，当第一时间段超过一个预先规定的值时，通过该控制器将内燃机加浓混合气运行的时间段延长或通过该控制器将内燃机稀薄混合气运行的时间段缩短。
按照本发明，还提出了一种内燃机、特别是汽车内燃机，具有一个燃烧室，燃料可以以加浓混合气运行方式或以稀薄混合气运行方式喷入该燃烧室中；具有一个催化器，其内可储存氮氧化物；具有一个用于在加浓混合气运行方式和稀薄混合气运行方式之间进行转换的控制器，具有一个安置在催化器后面λ传感器，借助它可测量废气的λ，其中，通过控制器，在内燃机转换成稀薄混合气运行方式后可测量一个第一时间段，该时间段一直延续到被测量的λ变得稀薄，其中，当第一时间段超过一个预先规定的值时，通过该控制器将内燃机加浓混合气运行的时间段延长或通过该控制器将内燃机稀薄混合气运行的时间段缩短。
按照本发明，还提出了一种控制器，用于内燃机、特别是汽车内燃机，其中该内燃机设置有一个燃烧室，燃料可以以加浓混合气运行方式或以稀薄混合气运行方式喷入该燃烧室中，以及具有一个催化器，其内可储存氮氧化物，其中该控制器被设置用于在加浓混合气运行方式和稀薄混合气运行方式之间进行转换，具有一个安置在催化器后面的λ传感器，借助它可测量废气的λ，其中，通过控制器，在内燃机转换成稀薄混合气运行方式后可测量一个第一时间段，该时间段一直延续到被测量的λ变得稀薄，其中，当第一时间段超过一个预先规定的值时，通过该控制器将内燃机加浓混合气运行的时间段延长或通过该控制器将内燃机稀薄混合气运行的时间段缩短。
这样，在催化器后面安置了一个第二λ传感器，借助它测量废气的λ。如果从现在起内燃机被控制器转换成稀薄混合气运行方式，则然后测量直到由第二λ传感器测量的λ变得稀薄为止经过的那个时间段。该时间段是标志储存催化器运行状态的一个参数。
例如可以由储存催化器的制造者以相应的方式计算出一个值并规定，该值表示储存催化器的合适运行状态极限。那么可以由控制器将所测得的时间段与该极限进行比较。如果没有超过，则该储存催化器在以合适的方式和方法工作。但如果确认出现超越，则意味着该储存催化器处于或以一种不允许的运行状态工作。在这种情况下，可以由控制器这样影响对内燃机的控制和/或调节，使得储存催化器重新达到合适的运行。
按这种方式，借助于第二λ传感器和相应地运行内燃机，可以长期保证储存催化器合适地吸附和脱附。
在本发明的一种有利的扩展方案中，在内燃机通过控制器转换成稀薄混合气运行方式后测量一个第二时间段，在该时间段中内燃机稀薄混合气运行。然后由第一时间段和第二时间段的差可得到一个第三时间段。优选计算出一个代表该第一时间段相对于该第三时间段的比的值。由此可以以特别简单而精确的方式得到一个关于储存催化器运行状态的可靠信息。
在本发明的进一步有益的改进方案中，当一个取决于该第一时间段的值(例如代表第一时间段与第三时间段的比的值)超过一个预先规定的值时，调整对内燃机的控制和/或调节。在这里，该预先规定的值标志储存催化器的最大允许运行状态，这种运行状态不允许被超过。
特别有益的是，将内燃机加浓混合气运行的时间段延长，和/或将内燃机稀薄混合气运行的时间段缩短。这是控制器对超出储存催化器最大允许运行状态做出的反应。
作为进一步的优点，对内燃机的影响适应性地干预到控制和/或调节。由此，储存催化器的吸附和脱附模型也能适配储存催化器的长期改变。
特别有意义的是，本发明方法以一种控制元件的形式实现，该控制元件为内燃机、特别是汽车内燃机的控制器设置。其中在该控制元件上可存储根据前述运行内燃机的方法中的流程步骤编制的程序，该程序可以在一计算装置上、特别是在一个微处理器上运行，并且适合于实施本发明方法。在这种情况下，本发明通过一个存储在该控制元件上的程序实现，使得设有该程序的该控制元件与该程序适合于实施的该方法以相同的方式体现本发明。作为控制元件特别是可以使用一种电气存储介质，例如一个只读存储器或一个快速存储器。
附图说明
本发明的其它特征、使用可能性和优点由下面对本发明实施例的描述中得出，这些实施例见附图所示。在此，说明或描述的所有特征单独或以任意组合形式构成本发明的主题，不取决于在说明书及附图中对其的撰写及描述。
附图1示出本发明内燃机的一个实施例的示意方块图。
附图2示出用于运行图1所示内燃机的本发明方法的实施例的一个示意时间图。
具体实施方式
在图1中示出一个汽车的内燃机1，其中，一个活塞2可以在一个汽缸3内往复运动。汽缸3设置有一个燃烧室4，它此外通过活塞2、一个进气门5和一个排气门6限制边界。一个进气管7与进气门5连接，一个排气管8与排气门6连接。
在进气门5和排气门6的区域内一个喷射阀9和一个火花塞10伸入燃烧室4中。通过该喷射阀9可以将燃料喷入燃烧室4中。利用该火花塞10可以将燃烧室4中的燃料点燃。
在进气管7中安装有一个可转动的节气门11，通过它可以向进气管7输入空气。送入的空气量取决于节气门11的角度位置。在排气管8中安装有一个催化器12，该催化器用于净化由于燃料燃烧所产生的废气。
从排气管8引出一个废气回流管13返回到进气管7。在废气回流管13中装有一个废气回流阀14。借助它可以调节回流到进气管7中的废气量。废气回流管13和废气回流阀14形成一个所谓的废气回流装置。
从油箱15引出一个油箱排气管16通向进气管7。在油箱排气管16中装有一个油箱排气阀17，借助它可以调节从油箱15输入到进气管7的燃料蒸气量。油箱排气管16和油箱排气阀17构成一个所谓的油箱排气装置。
活塞2由于燃烧室4中的燃料燃烧而被推动往复运动，这种运动被传递给一个在此未示出的曲轴并在其上作用一个转矩。
一个控制器18被供给输入信号19，输入信号19描述借助传感器测得的内燃机1的运行参数。控制器18例如与一个空气量传感器，一个λ传感器，一个转速传感器和类似传感器连接。此外，控制器18与一个加速踏板传感器连接，该加速踏板传感器产生一个信号，该信号给出可由驾驶员操作的加速踏板的位置并从而给出所要求的转矩。控制器18产生输出信号20，借助这些输出信号可以通过执行元件或执行器影响内燃机1的性能。控制器18例如与喷射阀9、火花塞10、节气门11和类似件连接，并且产生为了它们的控制所要求的信号。
此外，控制器18为此设置，即，用于控制和/或调节内燃机1的运行参数。例如，由喷射阀9喷入燃烧室4中的燃料量特别是针对燃料消耗量小和/或产生的有害物质少而被控制器18控制和/或调节。为此目的，控制器18配置有一个微处理器，该微处理器在一个存储介质中、特别是在一个快速存储器中存储了一个程序，该程序适合于进行所述的控制和/或调节。
附图1中的内燃机1可以以多种运行方式运行。即内燃机1可以以一种均匀工作方式、以一种分层工作方式、以一种均匀的稀薄混合气运行方式和类似方式运行。在内燃机1的所述运行方式之间可以往复变换或者说转换。这种转换由控制器18进行。
在均匀工作方式中，在吸气阶段期间喷射阀9将燃料直接喷入内燃机1的燃烧室4中。燃料由此在直到点燃时仍然尽可能地形成涡流，从而在燃烧室4中产生基本上均匀的燃料-空气混合物。在此可产生的力矩基本上由控制器18通过节气门11的位置调节。在均匀工作方式时，这样控制和/或调节内燃机1的运行参数，使得λ＝1。均匀工作方式特别是运用在满负荷情况下。
在分层工作方式中，在压缩阶段期间喷射阀9将燃料直接喷入内燃机1的燃烧室4中。由此在火花塞10点火时在燃烧室4内不存在均匀的混合气，而是一种燃料层。不考虑废气再循环装置和/或油箱排气装置的要求，节气门11可以完全打开并且由此使内燃机1不节气地运行。在分层工作方式中可产生的力矩很大程度上通过燃料量调节。借助分层工作方式内燃机1可以特别是在怠速和部分负荷状态下运行。
催化器12涉及一个三元催化器和一个储存催化器的组合。借助该三元催化器能够不依赖于运行方式连续地再处理或者说转化废气中的有害成分。但该三元催化器没有能力对分层工作方式中产生的废气NOx成分进行处理。为此设置了该储存催化器。
在内燃机1稀薄混合气运行时，即在氧气过剩情况下、例如特别是在分层工作方式期间，该储存催化器将废气中的NOx成分吸附。如果内燃机1随后以燃料过剩、即加浓混合气运行，该储存催化器又将所吸附的NOx成分释放，使得该部分NOx能够被三元催化器还原并从而被再处理。
该储存催化器的储存能力不是无限的。由于这一原因例如借助于一个模型由控制器18推算出该储存催化器还剩有的储存能力。一旦由于储存催化器较长时间吸附而储存能力耗尽，则内燃机1由控制器18转换成加浓混合气运行方式，由此储存催化器重新脱附并且由此储存能力重新增大。一旦储存催化器已脱附，则可以由控制器18重新转换并且由此储存催化器又重新吸附。
在催化器12前面安置了一个λ传感器21，该传感器与控制器18联接，并且它是为控制和/或调节储存催化器的前面的吸附和脱附而设置的。
在催化器12后面安置了另外一个λ传感器22，其同样与控制器联接。
在附图2中，在时间上方绘出λ传感器21和22的输出信号。为了简化起见，各个输出信号在下面采用同λ传感器21，22一样的参考标号。
安置在催化器12前面的λ传感器21的输出信号21或者处于一个如大约λ＝1.3的稀薄值，或者处于一个如大约λ＝0.8的加浓值。输出信号21在这两个值之间往返跳跃。当内燃机1例如以分层工作方式运行时，输出信号21处于稀薄值。输出信号21处于稀薄值时的时间段在附图2中用tmager表示。
安置在催化器12后面的λ传感器22的输出信号22或者处于一个如大约λ＝1.3的稀薄值，或者处于一个如大约λ＝1的化学计量值。在输出信号22的化学计量值区域内可能存在一个中断或断裂部，它将输出信号22短时间改变为一个例如约0.8的加浓值。但输出信号22基本上在该稀薄值和化学计量值之间往返跳跃。
假设内燃机1处于稀薄混合气运行方式、例如分层工作方式中，并且由此储存催化器吸附废气中的NOx成分或氮氧化物。进一步假设，储存催化器在时刻T1处达到其最大储存能力，即已满载吸附。
然后，在附图2的时刻T1处，内燃机1从稀薄混合气运行方式转换成一种加浓混合气运行方式、例如均匀工作方式，在这种运行状态下内燃机1例如被加速。由此，在时刻T1点输出信号21和22由稀薄值过渡到加浓值或过渡到化学计量值。
输出信号21和22之间的差别由此产生，即，在转换成例如均匀工作方式之后储存催化器释放氮氧化物。在储存催化器这样脱附期间，在催化器12的出口上、也就是在λ传感器22处产生输出信号22的化学计量值。
当储存催化器已完全脱附时，则加浓混合气运行方式直到催化器12出口上的λ传感器22折断，这导致输出信号22向加浓值中断或折断。这之后在时刻T2由控制器18又转回到稀薄混合气运行方式，例如分层工作方式。
通过这一转换，输出信号21又跳跃到稀薄值。但输出信号22一直到时刻T3还保持在化学计量值上。从时刻T2到时刻T3的这一时间段在图2中用tx标注。
在时间段tx期间，储存催化器除了吸附废气中的NOx成分外还可以吸纳和存储氧气。但一旦储存催化器不能再进一步存储氧气，就导致λ传感器22上氧气过剩，从而发出一个稀薄值输出信号22。
这样，直到时刻T3输出信号22才同样跳跃到稀薄值上。输出信号21和22的稀薄值一直保持不变，直到储存催化器又满载吸附废气中的NOx成分，也就是氮氧化物。然后在时刻T4又转换成加浓混合气运行方式，以开始储存催化器的脱附。在这里，时刻T4相当于时刻T1。
在从时刻T3到时刻T4的这一时间段中，输出信号22大致处于混合气稀薄的值上，该时间段在图2中用ty标注。
这样，时间段tmager由时间段tx和ty如下构成：tmager＝tx+ty。
时间段tx和ty由控制器18测定。
然后由控制器18如下式求出一个值W：
W＝(tx+ty)/tx。
该值W是储存催化器的一个运行状态参数。通过例如储存催化器制造者的测量可以给出一个最大值Wmax，该值标志储存催化器的一种在运行中不允许被超过的运行状态。
控制器18把求出的值W与预先规定的值Wmax进行比较。在这里可能的是，首先由多个先后算出的值W得出一个平均值，然后将该平均值与值Wmax比较。
如果该值W小于值Wmax，则意味着储存催化器处于一种允许的运行状态中。但如果值W大于值Wmax，则意味着两种情况。
一方面可能的是，从时刻T1到时刻T2的这一时间段、也就是储存催化器已被脱附的这一时间段太短。这引起的后果是，在储存催化器中残留一部分剩余氮氧化物，并且由此降低了储存催化器的存储能力，这本身带来的结果是，值W升高。如果超出值Wmax，则这代表该储存催化器的最小存储能力。
随后，作为相应的反应，控制器18延长从时刻T1到时刻T2的这一时间段、即内燃机1加浓混合气运行的时间段。因此，储存催化器更大程度地脱附，由此，储存催化器的存储能力又提高。
在此，延长内燃机1的加浓混合气运行方式可以适应性地在将储存催化器的吸附和脱附模型化的框架内由控制器18来进行。
另一方面可能的是，在储存催化器中进行所谓的深储存。这意味着，氮氧化物和/或氧气不只沉积在储存催化器表面上，而且这些氮氧化物和氧气侵入到储存催化器的材料中。例如当储存催化器被吸附的那个时间段过长时，可以进行这类深储存。
在储存催化器被重新吸附之前，作为相应的反应，控制器18可以立即再次将内燃机1转换成加浓混合气运行方式。该新的加浓混合气运行方式导致，氮氧化物和/或氧气在储存催化器中的深储存被解除，并且，储存催化器完全脱附。
作为进一步的反应，控制器18能够减短储存催化器的吸附时间段。这可以适应性地在将储存催化器的吸附和脱附模型化的框架内由控制器18来进行。

Claims (6)

1.用于运行内燃机(1)、特别是汽车内燃机的方法，其中燃料以一种加浓混合气运行方式或以一种稀薄混合气运行方式喷入一个燃烧室(4)中，其中通过一个控制器(18)的控制在该加浓混合气运行方式和该稀薄混合气运行方式之间转换，并且其中氮氧化物被储存在一个催化器(12)中，在催化器(12)的后面测量废气的λ，在内燃机(1)转换(T2)成稀薄混合气运行方式后通过该控制器测量一个第一时间段(tx)，该时间段一直延续到被测量的λ变得稀薄，其特征在于，当第一时间段(tx)超过一个预先规定的值(Wmax)时，通过该控制器将内燃机(1)加浓混合气运行的时间段延长或通过该控制器将内燃机(1)稀薄混合气运行的时间段缩短。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机(1)转换(T2)成稀薄混合气运行方式后测量一个第二时间段(tmager)，在该时间段中内燃机(1)稀薄混合气运行。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，由所述第一时间段(tx)与所述第二时间段(tmager)的差得到一个第三时间段(ty)。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，求出一个描述该第一时间段(tx)与该第三时间段(ty)的比的值(W)。
5.内燃机(1)、特别是汽车内燃机，具有一个燃烧室(4)，燃料可以以加浓混合气运行方式或以稀薄混合气运行方式喷入该燃烧室(4)中；具有一个催化器(12)，其内可储存氮氧化物；具有一个用于在加浓混合气运行方式和稀薄混合气运行方式之间进行转换的控制器(18)，具有一个安置在催化器(12)后面λ传感器(22)，借助它可测量废气的λ，其中，通过控制器(18)，在内燃机(1)转换(T2)成稀薄混合气运行方式后可测量一个第一时间段(tx)，该时间段(tx)一直延续到被测量的λ变得稀薄，其特征在于，当第一时间段(tx)超过一个预先规定的值(Wmax)时，通过该控制器(18)将内燃机(1)加浓混合气运行的时间段延长或通过该控制器(18)将内燃机(1)稀薄混合气运行的时间段缩短。
6.控制器(18)，用于内燃机(1)、特别是汽车内燃机，其中该内燃机(1)设置有一个燃烧室(4)，燃料可以以加浓混合气运行方式或以稀薄混合气运行方式喷入该燃烧室(4)中，以及具有一个催化器(12)，其内可储存氮氧化物，其中该控制器(18)被设置用于在加浓混合气运行方式和稀薄混合气运行方式之间进行转换，具有一个安置在催化器(12)后面的λ传感器(22)，借助它可测量废气的λ，其中，通过控制器(18)，在内燃机(1)转换(T2)成稀薄混合气运行方式后可测量一个第一时间段(tx)，该时间段(tx)一直延续到被测量的λ变得稀薄，其特征在于，当第一时间段(tx)超过一个预先规定的值(Wmax)时，通过该控制器(18)将内燃机(1)加浓混合气运行的时间段延长或通过该控制器(18)将内燃机(1)稀薄混合气运行的时间段缩短。
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