CN1873203A - 燃料喷射式内燃机的控制装置 - Google Patents

Abstract

在内燃机起动时，进行如下控制：与内燃机起动后的正常运转时相比，提高供给给燃料喷射器的燃料压力；将燃料喷射器喷射的内燃机1周期的燃料喷射量分多次喷射的分次喷射。在内燃机起动时进行燃料的微细化，最小限度地限制壁面附着燃料量，最适当地形成混合气，从而改善内燃机起动时的燃烧。

Description

燃料喷射式内燃机的控制装置

技术领域

本发明涉及燃料喷射式内燃机的控制装置，尤其涉及进行内燃机起动时(冷机时)的燃烧改善的燃料喷射式内燃机的控制装置。

背景技术

向各气缸由燃料喷射阀进行燃料喷射的燃料喷射式内燃机中，具有将内燃机1周期的燃料喷射量分多次喷射的结构(例如，专利文献1)。

该燃料喷射式内燃机，是在燃烧室(气缸)内直接喷射燃料并由火花进行点火的内燃机，由于在进行预混合燃料喷射的时刻，与进行主燃料喷射时相比，燃烧室的缸内温度、缸内压力无论哪个都处于较低状态，因此需要将燃料微细化从而使其达到容易气化的状态。

因此，采用的方法为，使用带有涡流式喷嘴的燃料喷射阀，并为了良好地混合燃料和空气，增大喷射的燃料的扩散喷射角度。但是，若过于增大燃料的扩散喷射角度，则喷射的燃料冲撞燃烧室的缸内侧壁从而附着的燃料量增大。

对此，内燃机的高负荷时，吸气冲程中从燃料喷射阀喷射的燃料，由接触判定机构判断是否接触气缸内面，在判断为燃料接触气缸内面的情况下，采取的方法为，增减喷射燃料量从而进行补正，并且增减吸气冲程中的燃料的喷射次数。

关于变量的分次喷射，除此之外，还包括，在缸内喷射方式中，通过吸气冲程和压缩冲程2次来进行喷射，从而抑制黑烟发生等(例如，专利文献2、3)。

【专利文献1】特开2004-52660号公报

【专利文献2】特开2003-328816号公报

【专利文献3】特开2004-28031号公报

今后，为了应对日益严格的排气限制，需要改善从起动到刚起动之后的冷机时的燃烧。为此，要求内燃机的燃烧室内最适当地形成燃料与空气的混合气。

发明内容

本发明鉴于上述点而实现，其目的在于，提供可在内燃机起动时进行燃料的微细化，最小限度地限制壁面附着燃料量，最适当地形成混合气，从而进行起动时的燃烧改善的内燃机的控制装置。

本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置，该内燃机的各气缸具有进行燃料喷射的燃料喷射机构，在内燃机起动时(从内燃机起动到刚起动后)，进行如下控制：与内燃机起动后的正常运转时相比，提高供给到所述燃料喷射机构的燃料压力；将所述燃料喷射机构喷射的内燃机1周期的燃料喷射量分多次喷射的分次喷射。

本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置，该内燃机的各气缸配备有进行燃料喷射的燃料喷射机构，在内燃机起动时，进行如下控制：与内燃机起动后的正常运转时相比，提高供给给所述燃料喷射机构的燃料压力；将所述燃料喷射机构喷射的内燃机1周期的燃料喷射量在吸气冲程中分多次喷射的分次喷射。

本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置，优选，对应于内燃机起动后的内燃机的状态，进行如下控制：将燃料喷射时期从吸气冲程时过渡到排气冲程时。

本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置，优选，进行如下控制：将吸气冲程中的喷射时期在内燃机起动时设定在空气流速较快的曲柄转角位置，若内燃机旋转数开始上升，则对应于内燃机旋转数，变更到空气流速较慢的曲柄转角位置。

本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置，优选，在分次喷射控制时，进行如下控制：延迟点火时期。

本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置，优选，在分次喷射控制结束后，进行如下控制：将二次空气供给给内燃机排气通道。

根据本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置，从内燃机起动到刚起动后，通过提高燃料压力而进行燃料的微细化，并进行分次喷射，由此可降低壁面附着燃料量，最适当地形成混合气，从而改善内燃机起动时的燃烧。

附图说明

图1是表示适用本发明的控制装置的燃料喷射式内燃机的一个实施方式的整体构成图。

图2是表示适用本发明的控制装置的燃料喷射式内燃机所使用的带有涡流式喷嘴的燃料喷射器的外观的图。

图3是沿图2的线III-III的剖面图。

图4是取出本实施方式的燃料系而表示的构成图。

图5是取出本实施方式的二次空气供给系而表示的构成图。

图6是表示气泵的概观的图。

图7是表示本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置的一个实施方式的框图。

图8是表示本发明的燃料喷射式内燃机的控制装置的动作的一例的时间图。

图9是表示针对液滴燃料的壁面附着的模拟结果的曲线图。

图10是表示燃压与燃料粒径的关系的曲线图。

图11(a)是表示燃压0.3MPa时的粒径分布的曲线图，(b)是表示燃压0.5MPa时的粒径分布的曲线图。

图12是表示本实施方式的吸气冲程喷射时的燃料的行为的图。

图13是表示本实施方式的排气冲程喷射时的燃料的行为的图。

图14是表示吸气冲程时的空气流速的曲线图。

图15是示意地表示燃压引起的燃料喷雾的变化的图。

图16是示意地表示分次喷射时的喷雾的图。

图17是表示喷射时间较长时的喷雾状态的图。

图18是表示喷射时间较短时的喷雾状态的图。

图19是表示一次全量喷射和分次喷射的燃料喷射器的动作的图。

图20是表示燃料喷射器的喷射时间与喷射量的关系的曲线图。

图21是表示本实施方式的燃料喷射时序的时间图。

图22是表示距离内燃机的排气管、二次空气的供给口、催化剂的位置关系的图。

图23是表示与二次空气供给的有无相关的催化剂出口温度的变化的曲线图。

图24是表示催化剂提前活性化的效果的曲线图。

图25是表示采用本实施方式的从起动到起动后的废气测定结果的曲线图。

图26是表示采用本发明的LA4-CH模式的废气测定结果的曲线图。

图27是表示执行内燃机起动时控制的控制装置的具体例的框图。

图28是表示执行内燃机起动后控制的控制装置的具体例的框图。

图中，1-燃料喷射器；2-空气流量传感器；3-节流阀主体；10-内燃机；11-燃烧室；12-火花塞；13-曲柄转角传感器；14-水温传感器；16-催化净化器；18-吸气管；19-排气管；22-燃料泵；30-吸气管压力传感器；31-燃压传感器；50-抽气机；53-开闭阀。

具体实施方式

参照附图对本发明的内燃机的控制装置的实施方式详细地进行说明。

图1是表示适用本发明的燃料喷射式内燃机的一个实施方式的整体构成图。

在图1中，内燃机(发动机)10，是由多气缸、例如4气缸构成的多阀式的结构，且各气缸9配置有火花塞12，并由吸气阀6、排气阀7、和在气缸9内往复运动的活塞8构成燃烧室11。

在各气缸9上分别连接有由吸气阀6以及排气阀7进行开闭的吸气管18以及排气管19。吸气管18作为具有两个吸气口的分支的吸气管而构成。

在吸气管18上，各个适当位置配置有：空气流量传感器(吸入空气量传感器)2，其作为一个运转状态检测机构，用于测量吸气流量；节流阀传感器4，其用于测量节流阀3的开度；吸气管压力传感器30，其用于检测吸气管压力(集流器18a内的压力)。

还有，在内燃机10上，各个适当位置配置有：水温传感器14，其用于测量内燃机冷却水温；曲柄转角传感器13，其用于测量内燃机旋转数。

从设置于吸气管18的上游部的空气过滤器(air cleaner)20流入的空气，由节流阀3调节流量，与从作为燃料喷射机构的燃料喷射器(燃料喷射阀)1以规定的角度向吸气通道喷射的汽油混合，并供给到各燃料室11。

燃料喷射器1，采用在4气缸的内燃机10的各气缸9的上游侧各配设一个，且多点喷射(MPI)***化的燃料喷射方式。

燃料喷射器1，是带有涡流式喷嘴的燃料喷射器，如图2、图3中所示，具有涡流式喷嘴(swirler nozzle)25。涡流式喷嘴25，配置于燃料喷射器1的阀座部的上游侧，并具有相对于燃料通道27向切线方向开口的燃料喷出通道26。燃料(液体燃料)从燃料喷出通道26进入燃料通道27内，并以带有旋转的状态向吸气管18内喷射。

来自燃料容器21的燃料，由燃料泵22吸引、加压后，流过燃料配管15、燃料水平通道15a导入燃料喷射器1的燃料入口。

燃料泵22，是驱动电路一体型的电动泵，可通过电流控制(控制负载比)调节排出压、换而言之燃料压力(燃压)。在燃料水平通道15a上，设置有检测供给燃料喷射器1的燃料的压力的燃压传感器31。

另外，从燃料容器21蒸发的燃料，被吸收罐36收集，从而抑制向大气中排放。

由燃烧室11燃烧的排气，经过排气管19导入到催化净化器16，从而净化后排出。

在排气管19上，在适当位置配置有与排气中的氧浓度成比例，且在大范围内输出线性空燃比信号的空燃比传感器17。

在内燃机10上安装有二次空气供给***。二次空气供给装置具有抽气机50。抽气机50由入口51吸入空气，且该空气作为二次空气压送到配管52，并经由开闭阀53、止回阀55从供给管56向排气管19供给。

内燃机10的燃料喷射控制、燃料压力控制、点火时期控制、二次空气供给控制等内燃机控制，全部通过电子控制式的控制单元100进行。

图4是从以上说明的构成中取出燃料系的结构。控制单元100，具有对应于运转状态(发动机转矩和旋转数)设定了燃压的控制目标燃压映射数据101。该燃压由与吸气管压力的差压设定。控制单元100，控制对燃料泵22的通电并以反馈补偿式进行燃料压力控制，使由配置于燃料水平通道15a的燃压传感器31检测出的燃压、与由配置于集流器18a的吸气管压力传感器30检测出的吸气管压力的差压变为由运转状态确定的控制目标燃压。

在本实施方式中，内燃机起动时，控制目标燃压设定为比内燃机起动后的正常运转时高。由此，内燃机起动时，供给给燃料喷射器1的燃料压力变为比内燃机起动后的正常运转时高。

图5是从以上说明的构成中取出二次空气供给***的结构。二次空气供给***，由控制单元100预先设定对应于运转状态的动作。若抽气机50根据来自控制单元100的指令信号动作，开闭阀53打开，则二次空气经由止回阀55、供给管56向排气管18供给。另外，图6表示抽气机50的概略外观。

控制单元100，是微型计算机式的结构，如图7所示，其包括：多处理器单元(MPU)151可重写的非易失性存储器(EP-ROM)152；随机存取存储器(RAM)153；LSI电路部件、即I/OLSI154等，是输入输出电路，输入表示由各种传感器检测出的发动机运转状态的信号，并输出驱动各种执行器的控制信号。

具体为，I/OLSI154，根据需要利用I/OLSI内置的A-D变换器，或利用外部的A-D变换器输入来自吸气管压力传感器30、空气流量传感器2、曲柄转角传感器13、燃压传感器31、起动器开关157、空燃比传感器17、水温传感器29、电池电压传感器160以及节流阀传感器26的输出信号。MPU151进行规定的运算，并分别控制作为内燃机控制用执行器的燃料喷射器1、火花塞12、燃料泵22、抽气机50、开闭阀53的动作。

作为削减有害废气的基本的观点，是出于降低从内燃机起动到刚起动后的排气的目的，包括如何改善燃烧从而不从内燃机10排出有害废气，继而，如何使催化剂16提前活性化，从而由催化剂16净化排出的有害废气。

基于该情况，在本实施方式中，控制单元100，如图8的时间图所示，进行如以下的控制。

(1)从内燃机起动到经过几十秒的时点T1，作为内燃机起动时控制A，进行如下控制：提高供给给燃料喷射器1的燃料压力，使之高于内燃机起动后的正常运转时；将燃料喷射器1喷射的内燃机1周期的燃料喷射量分多次喷射的分次喷射。提高供给给燃料喷射器1的燃料压力的控制，通过由燃料泵22的通电控制，提高燃料泵22的燃料输出压来进行。

该内燃机起动时控制A的分次喷射在吸气冲程中进行，并对应于内燃机起动后的内燃机100的状态，进行如下控制：将燃料喷射时期从吸气冲程时过渡到排气冲程时。

此外，进行如下控制：将燃料喷射时期在内燃机起动时设定在空气流速较快的曲柄转角位置，若内燃机旋转数上升，则对应于内燃机旋转数变更到空气流速较慢的曲柄转角位置。

还有，伴随上述的控制，进行如下控制：延迟点火时期。

图27表示执行内燃机起动时控制A的控制装置的具体例。在该控制装置中，发动机的温度检测机构61、起动检测机构62、燃烧次数(喷射次数、点火次数等)检测机构60输出信号，分别传送到起动时控制机构63中。

起动时控制机构63，进行来自发动机的温度检测机构61、起动检测机构62、燃烧次数检测机构60的信号的处理，并分别向目标燃压设定机构65、和喷射时序设定机构68、燃料分次设定机构71、点火时期延迟设定机构72传送规定的信号。

目标燃压设定机构65，将指令信号发送到燃压控制机构66，使来自运算由燃压传感器31检测出的燃压与由吸气管压力传感器30检测出的吸气管压力的差压的燃压检测机构64的信号成为目标燃压，并经由驱动机构67控制燃料泵22。

表示燃料喷射量的信号从燃料喷射量算出机构75被发送到燃料分次设定机构71，且来自起动控制机构63的信号被发送到喷射时序设定机构68。喷射时序控制机构69，基于来自喷射时序设定机构68和燃料分次机构71的信号，进行以规定的曲柄转角进行分次喷射的运算，并利用驱动机构70驱动燃料喷射器1。

点火时期延迟设定机构72，根据点火时期算出机构76和起动时控制机构63的信号，确定对应于运转状态的延迟量，且该信号被送到点火时期控制机构73中，并利用驱动机构74驱动火花塞12。

(2)时点T1以后，使供给到燃料喷射器1的燃料压力恢复到内燃机起动后的正常运转时的正常值，从而进行正常的1次全量喷射的燃料喷射控制。此时的燃料喷射时期设定在排气冲程时。

还有，从时点T1到经过1分钟左右的时点T2期间，作为内燃机起动后控制B，在继续进行点火时期的延迟的状态下，进行二次空气的供给。

在此，若细化内燃机用液体燃料的粒径，则对于有何种效果进行模拟。

图28表示执行内燃机起动后控制B的控制装置的具体例。在该控制装置中，二次空气控制机构80根据来自起动时控制机构63的信号算出起动时序，并根据二次空气控制机构80输出的起动指令信号，利用驱动机构82、83驱动开闭阀53、抽气机50。另外，对于燃料系、点火系，由于进行与由图27说明的动作同等的动作，因此省略说明。

图9表示针对液滴燃料的壁面附着的模拟结果。附着在吸气管内壁面或吸气阀的液滴燃料的附着率，当若燃料的粒径细化到小于30μm的情况下，急剧减小。

这是由于，若细化燃料粒径，则微细化的液体燃料容易随着空气流动，因此对吸气管内壁面的附着减少。

在吸气管内壁面暖和的状态下，即使多少附着于壁面也被气化，但燃料的微细化，在从起动到刚起动后的冷机状态下，非常有效。

提高由燃料喷射器1喷射的燃料的压力(与供给到燃料喷射器1的燃料压力基本相同)对液体燃料的微细化很有效。根据该情况，对于燃压与粒径的关系进行了确认。图10以横轴代表燃压、纵轴代表粒径表示燃压与从燃料喷射器1喷射的燃料的粒径的关系。

从该曲线图可知，随着提高燃压而粒径不断细化。从该情况可知，从起动时到刚起动后，为了细化燃料的粒径，提高燃压较为有效。

但是，提高整个运转区域的燃压的行为，导致构成现在的燃料系的部件的规格的重新认识和质量确认等的工件发生、燃料泵的消耗电力增大、成本增加等情况之患。因此，希望燃压的提高，仅在需要燃料的微细化的运转区域进行。

顺便提及，正常时的燃压为0.3MPa，但根据构成燃料系的燃料泵22、配管15等部件的规格可知，在现在的燃料系中，可将上述的内燃机起动时控制A的燃压提高到从0.5到0.6MPa左右。

图11(a)表示0.3MPa时的粒径的分布，图11(b)表示0.5MPa时的燃料粒径的分布。在两幅图中，横轴均表示粒径(μ)，纵轴均表示累积体积(％)。通过提高燃压可知，燃料粒径的分别向细化的方向移动。

图12表示进行燃料的微细化，并模拟吸气冲程喷射的状态的结果。从燃料被微细化可知，雾状的液体燃料随着空气流流动，顺利地流入燃烧室11内。还有，在燃烧室11中，由于随着空气的流动而流动，因此可降低燃料附着在气缸侧壁面的附着量，且避免燃烧的恶化，从而改善燃烧。

图13表示模拟接下来的排气冲程喷射的状态的结果。在排气冲程喷射中，吸气阀6由于其附近变热，因此尽管存在燃料附着，也被气化，从而燃料顺利地供给到燃烧室11内。在燃烧室11内，由于燃料被气化，从而载置于空气流且随着空气的流动而流动，因此可降低燃料附着在气缸侧壁面的附着量，且避免燃烧的恶化，从而改善燃烧。

图14表示吸气冲程中的空气的流速。即使吸气冲程喷射，如转动曲轴时一样旋转数较低的情况下，也以空气流速最快的1)附近的曲柄转角位置的时序进行燃料喷射。

若旋转数变高，则由于空气流速变快，因此以2)或3)的空气流速较慢的曲柄转角位置的时序进行燃料喷射。由于吸气系的形状、吸气阀6的位置以及活塞罩面的形状，导致最佳喷射时序2)侧或3)侧不同，因此分别需要最佳的适应。

下面，对提高燃压时的分次喷射的有效性进行说明。

图15示意地表示正常的燃压时的喷雾1a和比其高的燃压时的喷雾1b。若提高燃压，则粒径变细，但喷雾的角度变大，附着于吸气管18的内壁面的燃料增加，从而燃料难以顺利地进入燃烧室11内。因此，在燃烧室11中，不形成最佳的混合气，从而损害燃烧。在该状态下可知，不能获得提高燃压的效果。

因此进行了喷雾的观察。图17、18表示以实机确认喷雾的状况的结果。图17是喷射时间较长时、图18是喷射时间较短时的情况。还有，图16示意地表示该情况。在图16中，表示有喷射时间较长时的喷雾1a和喷射时间较短时的喷雾1b。若缩短喷射时间，则可知，喷雾不能到达吸气管18的内壁面，从而燃料没有附着于内壁面。

但是，一吸气所需要的燃料恒定。因此，考虑将1次的吸气所需要的燃料量分多次喷射。

图19表示分次喷射的详细情况。燃料的喷射，以往，以一次较长时间来喷射内燃机1周期的燃料喷射量，换而言之，就是一次全量喷射，但分次喷射，是将内燃机1周期的燃料喷射量以较短时间分多次来喷射。

燃料喷射，以一定时间间隔或曲柄转角的任一个均可实现。需要考虑的问题是燃料喷射器1的最少喷射量。图20表示燃料喷射器1的喷射时间与喷射量的关系。燃料喷射器1的最少喷射量，即，喷射时间与喷射量的关系从直线偏离的最小喷射时间Tmin恒定。若喷射时间比该最小喷射时间Tmin短，则不能以正确的燃料量喷射燃料。因此，分开的1次的喷射时间需要设定为比最小喷射时间Tmin长。还有，从分次喷射到正常时的一次全量喷射的过渡，需要在分次喷射变为不可能之前进行。

图21表示分次喷射时的燃料喷射时序。在图21中，○部表示吸气冲程，斜线部表示燃料喷射区间。在燃料的喷射时序中，在提高燃压的过程中时以吸气冲程喷射，若返回到正常时的燃压则向排气冲程的喷射移动，吸气冲程喷射中分次喷射变为不可能时向排气冲程喷射移动，或对应于内燃机10的状态从吸气冲程喷射向排气冲程喷射移动。

可由水温传感器14等直接检测内燃机10的状态，并对应于该信号移动燃料喷射时序，或通过推测，例如喷射次数、点火次数、从起动开始算起的内燃机的旋转数的积分值等使其移动。

根据以上，混合气的质量变优，且由于可形成最佳混合气，从而可改善燃烧。

根据该情况，可延迟点火时期，并通过点火时期的延迟可提高废气的温度。点火时期的延迟量，根据水温、内燃机旋转数、废气的温度或催化剂16的温度确定。

下面，对二次空气进给的作用进行说明。图22表示距离内燃机10的排气管19、二次空气的供给口56a、催化剂16的位置关系。

二次空气，尽量优选向废气温度较高的部位，换而言之内燃机10的废气的出口、即排气阀7的附近供给。

通过向排气管19内供给二次空气，可燃烧未燃气体，降低HC并且提高废气的温度，对处于下游的催化剂16加温。因此，通过供给二次空气，可使催化剂16提前活性化。

图23表示实机上的测试结果。实线和虚线分别表示供给二次空气时的催化剂16的出口温度的上升和不进行二次空气供给时的催化剂16的出口温度的上升。供给二次空气时，催化剂16的出口温度的上升比不进行二次空气供给时要早，从而催化剂16提前活性化，且可降低从图24的虚线到实线的面积的废气。

图25表示从起动到刚起动后的催化剂出口的HC和废气温度的测定结果。HC，如图示，可确认到能够降低峰值，还可加快减少。还有，由废气的温度，可确认到如催化剂入口废气温度所表示一样比以往高。

图26表示美国的排气测定的LA4-CH模式的HC测定结果，可将HC降低52％。

若总结本实施方式的效果，则通过提高燃压进行液体燃料的微细化并进行分次喷射，由此可形成优质的最佳混合气，且可改善燃烧，并可降低从内燃机10排出的废气中的有害成分量。还有，对于从内燃机10排出的废气，通过二次空气供给和点火时期的延迟，可使催化剂16提前活性化，并可净化废气中的有害成分，从而可提高排气性能。

Claims (6)

1、一种燃料喷射式内燃机的控制装置，该内燃机的各气缸配备有进行燃料喷射的燃料喷射机构，其特征在于，

在内燃机起动时，进行如下控制：与内燃机起动后的正常运转时相比，提高供给给所述燃料喷射机构的燃料压力；将所述燃料喷射机构喷射的内燃机1周期的燃料喷射量分多次喷射的分次喷射。

2、一种燃料喷射式内燃机的控制装置，该内燃机的各气缸配备有进行燃料喷射的燃料喷射机构，其特征在于，

在内燃机起动时，进行如下控制：与内燃机起动后的正常运转时相比，提高供给给所述燃料喷射机构的燃料压力；将所述燃料喷射机构喷射的内燃机1周期的燃料喷射量在吸气冲程中分多次喷射的分次喷射。

3、根据权利要求2所述的燃料喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，

对应于内燃机起动后的内燃机的状态，进行如下控制：将燃料喷射时期从吸气冲程时过渡到排气冲程时。

4、根据权利要求2或3所述的燃料喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，

进行如下控制：将吸气冲程中的喷射时期在内燃机起动时设定在空气流速较快的曲柄转角位置，若内燃机旋转数开始上升，则对应于内燃机旋转数，变更到空气流速较慢的曲柄转角位置。

5、根据权利要求1或2所述的燃料喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，

在分次喷射控制时，进行如下控制：延迟点火时期。

6、根据权利要求1或2所述的燃料喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，

在分次喷射控制结束后，进行如下控制：将二次空气供给给内燃机排气通道。

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