專利名稱：在利用燃料后直接氣缸噴射的發(fā)動機中實現(xiàn)低排放的受控溫度燃燒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在利用燃料后直接氣缸噴射的發(fā)動機例如柴油發(fā)動機中控制燃燒過程以減少其中產(chǎn)生的有害的排放物的方法。為了容易說明，本申請可能時常只簡單地提及柴油發(fā)動機，不過，本發(fā)明的范圍同樣適用于利用燃料后直接氣缸噴射的其它的發(fā)動機。
背景技術(shù)：
利用燃料后直接氣缸噴射的內(nèi)燃機例如常規(guī)的柴油發(fā)動機發(fā)出大大超過可接受的環(huán)境水平的有害的污染物，例如氮的氧化物(NOx)和微粒物質(zhì)(PM)。然而，因為它們具有高的燃燒效率，對于許多車輛應(yīng)用柴油發(fā)動機優(yōu)于汽油機。
盡管一致地致力于減少柴油發(fā)動機中NOx和PM的排放，但是在研制能夠在整個瞬變期間同時保持NOx和PM的發(fā)動機外的排放量在環(huán)境可接受的程度內(nèi)的強健的柴油燃燒系統(tǒng)(即，提供一種市場可接受的響應(yīng)性和功率)方面，現(xiàn)有技術(shù)一直未能獲得成功。而眾所周知的是，柴油發(fā)動機的操作條件的瞬時變化，尤其是關(guān)于燃料饋給的調(diào)節(jié)、廢氣再循環(huán)(EGR)和車輛加速時的渦輪增壓水平，可引起大量的NOx和PM排放。在瞬變期間的這種排放可致使車輛不滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，即使在穩(wěn)態(tài)條件下這種車輛可能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。
因此本發(fā)明的目的在于提供一種改進的方法，其使得包括在操作條件的瞬變期間，利用燃料后直接氣缸噴射的發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)低的排放量、受控的溫度燃燒。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知NOx的形成速率隨溫度指數(shù)地增加。確實，如在共同擁有的申請?zhí)枮?0/241229的未決的美國專利申請中所述，如果局部的發(fā)動機燃燒溫度可被維持在大約2000度K以下，則產(chǎn)生的NOx最少。不過，對于利用燃料后直接氣缸噴射的發(fā)動機，在這種操作條件的整個瞬變期間，保持燃燒溫度在這個水平以下，而又要在實際的發(fā)動機速度和負載下獲得好的燃燒的目標(biāo)對于汽車工業(yè)一直是被回避的。
在迄今為止的專利申請中，披露了關(guān)于主要通過操縱和控制增壓壓力和入口進氣的氧氣濃度以限制燃燒中局部溫度的增加，從而控制燃燒溫度，以減少NOx的形成所作的改進。然而，出現(xiàn)了一種挑戰(zhàn)。對于任何給定的發(fā)動機操作條件，為了進行清潔的燃燒，入口進氣的氧氣濃度水平必須被保持在一個受限的范圍內(nèi)，使得既足以實現(xiàn)充分燃燒(借以避免PM排放的增加)，又不足以致使不希望地增加NOx的形成。入口進氣的氧氣濃度的合適的控制在高的發(fā)動機速度和負載轉(zhuǎn)換期間尤其是一個挑戰(zhàn)。
在柴油發(fā)動機的入口進氣中的氧氣濃度的有效控制在現(xiàn)有技術(shù)中通常是不實際的。這是因為，雖然在現(xiàn)有技術(shù)中已知可以增加廢氣再循環(huán)(EGR)流量來降低燃燒溫度并減少NOx的形成，但是EGR在減少NOx形成中的作用被廣泛地誤解為主要在于熱容量效果，而不是通過局部可利用的氧氣來減少氧氣濃度以限制局部的NOx形成速率。例如見Hideyuki Tsunemoto等的“The Role of Oxygen in Intake andExhaust on NO Emission，Smoke and BMEP of a Diesel Engine withEGR System，SAE Technical Paper 800030”，不過，還可以參見Nishida的美國專利4727849，該專利是基于氧氣濃度控制的EGR系統(tǒng)的一個例子。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中極少披露用于控制柴油發(fā)動機中的入口進氣的氧氣濃度的方法。
現(xiàn)有技術(shù)披露的控制柴油發(fā)動機中入口進氣的氧氣濃度的方法的一個例子可以在Kimura的專利申請公開No.2002/0011240中找到。例如，Kimura專利申請公開的圖12表明使用EGR流量校正來減少氧氣濃度到16％或更低的值，以用于低溫預(yù)混和燃燒。不過，Kimura的公開沒有披露在瞬變期間圍繞目標(biāo)范圍雙向調(diào)整氧氣濃度水平的方法(即，根據(jù)離開目標(biāo)氧氣濃度的正、負改變，交替地進行調(diào)整以升高或降低氧氣濃度，從而維持氧氣濃度接近目標(biāo)水平)。Kimura的專利申請公開也未披露為了獲得瞬變期間改善的排放性能，燃料饋給的流量中的改變等待或跟隨EGR和增壓調(diào)節(jié)的順序。
其它的用于入口進氣氧氣控制的現(xiàn)有技術(shù)的EGR控制機構(gòu)集中在確定和控制入口進氣中的氧氣的量(例如質(zhì)量)，而不是氧氣的濃度。例如，Romzek的美國專利6508237披露了EGR流量的控制，并使用入口氧氣的量計算來指導(dǎo)EGR流量與/或增壓水平的調(diào)節(jié)，以把燃燒中的空氣/燃料比校正為所需的水平。然而，Romzek的專利不以任何特定的氧氣濃度水平為目標(biāo)。Romzek的專利也未披露為了等待或跟隨EGR和增壓調(diào)節(jié)，燃料饋給的流量的改變被約束的順序。然而，Romzek的專利披露了在確定所需的進氣成分和進行EGR與增壓調(diào)節(jié)以滿足目標(biāo)空氣成分之前，根據(jù)由駕駛員加速度位置傳感器確定的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩命令來確定燃料的傳遞。
Moncelle的美國專利5523529同樣地披露了使用EGR(或者，當(dāng)其使能夠時，使用膜片隔離的富氮的低氧的進氣組合物)作為一種用于減少形成NOx的可利用的氧氣的總量(不是濃度)的方法，其聲稱減慢了燃燒過程，因而降低了峰值燃燒溫度和NOx的形成。Moncelle的‘529專利還披露了通過渦輪增壓器對進氣增壓，借以增加可用于燃燒的氧氣的量。不過，該專利沒有披露用于控制氧氣濃度為所需水平的方法。也未披露執(zhí)行EGR調(diào)節(jié)、增壓調(diào)節(jié)以及燃料饋給調(diào)節(jié)的順序。
Beck的美國專利6273076還披露了一種為了優(yōu)化燃料/空氣比和燃燒溫度以降低NOx的形成，對EGR的流量、增壓水平以及其它發(fā)動機操作條件進行連續(xù)地調(diào)節(jié)的方法。不過，Beck的076專利既沒有控制氧氣的濃度水平，也沒有討論EGR調(diào)節(jié)和增壓調(diào)節(jié)之間的任何聯(lián)系，以便順序地或相互協(xié)作地共同增加或減少，也沒有討論或考慮對EGR流量和進氣的質(zhì)量以及空氣/燃料質(zhì)量比進行調(diào)節(jié)的關(guān)系。而是，Beck的專利的目標(biāo)僅僅是，對于特定的轉(zhuǎn)矩需求所需的給定的燃料量，調(diào)節(jié)空氣的水平以獲得目標(biāo)空氣/燃料比。Beck的專利還提出了(例如其中的圖11)，在調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)之前，首先調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)(到特定的工作點所需的量)，而不是反之亦然。
因此，需要一種新的智能系統(tǒng)，用于和進氣密度控制一道按照順序用這樣的方式對氣缸內(nèi)氧氣濃度水平進行精密控制和調(diào)節(jié)，即，使得在瞬變期間有害的排放物最小化，以便成功地實現(xiàn)低排放的受控溫度燃燒的發(fā)動機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種有效的方法，用于以這種方式和增壓調(diào)節(jié)一道精密地控制和調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)的氧氣濃度水平，即，使得在利用燃料后直接氣缸噴射的發(fā)動機中于瞬變期間有害的排放物最小化。在本發(fā)明的一個方面中，在瞬變期間，以閉環(huán)的以及與增壓壓力的改變一起的鏈接的方式，通過EGR控制閥調(diào)節(jié)EGR流量，使得在所有時間有益地把入口進氣氧氣濃度和增壓水平維持在一個臨界范圍內(nèi)，以實現(xiàn)受控的溫度、低的排放量。
此外，作為本發(fā)明的另一個方面，為了使在操作狀態(tài)下在快速瞬變期間(例如車輛的加速期間)有害的排放最小化，對氣缸的燃料饋給的相應(yīng)的增加被強制以等待或跟隨增壓調(diào)節(jié)。用這種方式，在加速期間，增壓壓力和進氣密度的增加使得能夠響應(yīng)駕駛員對更大的轉(zhuǎn)矩需求量而增加燃料饋給。與此相比，現(xiàn)有技術(shù)的柴油發(fā)動機，具有在增壓調(diào)節(jié)之前(即超前)進行的燃料饋給調(diào)節(jié)。然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果燃料饋給增加超前增壓的增加，則更難于避免超過所需的燃料/氧氣比的暫時的燃料水平，以及由為了實現(xiàn)好的、完全的燃燒所需的氧氣不足而導(dǎo)致的增加的PM水平。而通過對特定的燃燒周期，使燃料饋給調(diào)節(jié)等待或跟隨增壓改變而不是響應(yīng)正被吸入氣缸中的增壓的進氣的瞬時壓力來確定并噴射一定的燃料量，這個問題可以很容易地避免。


圖1是本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的示意圖；圖2是本發(fā)明的優(yōu)選的方法的流程圖；以及圖3是本發(fā)明的另一種方法的流程圖。
具體實施例方式
增壓控制對于受控溫度燃燒的重要性如有關(guān)的專利申請(美國專利申請No.10/214229)中所述，對于要燃燒的給定量的燃料，假定是絕熱燃燒，最終燃燒溫度T3呈T3＝T2+Hc/Cv的形式(其中T2是最終的壓縮溫度，Hc是由燃料的燃燒釋放的熱量，Cv是進氣燃料混合物的總熱容量，即混合物的質(zhì)量乘以比熱)。使NOx形成最小化的目的是降低并控制T3(例如到2000度K)。因為對于燃燒的給定量的燃料，Hc是固定的，唯一的用于控制T3的變量是Cv，如果Cv大，則T3變小。
在上述的條件下，一種用于降低和控制峰值燃燒溫度的已知的策略是調(diào)節(jié)進氣燃料混合物的熱容量。不過，按照上面的公式，對于要被控制為一個穩(wěn)定水平的T3，Hc/Cv必須被維持和控制為一個穩(wěn)定水平。對于給定的燃燒系統(tǒng)，Hc一般和燃燒的燃料量成正比。因此，為了維持和控制Hc/Cv為常數(shù)(或者在一個可接受的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的)，Cv必須隨燃燒的燃料量的增加而成比例地增加。因為Cv具有Cv＝cvM的形式(其中cv是進氣燃料混合物的比熱，M是進氣燃料混合物的質(zhì)量)，通過控制M可以使Cv增加或減少。而通過控制進氣系統(tǒng)中進氣的增壓壓力借以控制進氣的密度，可以使M增加或減少。
因此，利用上述的關(guān)系鏈的性質(zhì)(并如在此的專利申請中詳細說明的)，為實現(xiàn)要被控制的燃燒溫度所必需的條件是控制進氣系統(tǒng)中的進氣的增壓壓力。這個發(fā)現(xiàn)提供了在內(nèi)燃機中通過控制增壓壓力顯著減少NOx形成的可能性。
為獲得低排放的受控溫度燃燒而控制入口進氣氧氣濃度的重要性盡管如上所述，只調(diào)節(jié)增壓壓力以在利用后直接氣缸燃料噴射的發(fā)動機中不能成功地在受控溫度燃燒下獲得足夠低的排放。而是如在下面討論的，為了在這種發(fā)動機中實現(xiàn)低排放的受控溫度燃燒，入口進氣氧氣濃度也必須被控制和維持在一個目標(biāo)范圍內(nèi)，以便分散和抑制燃燒中的局部熱量釋放和溫度升高，這些否則將引起顯著的局部NOx形成。
對于在利用燃料后直接氣缸燃料噴射的發(fā)動機中的低排放的受控溫度燃燒，維持入口進氣的氧氣濃度在一個可接受的范圍內(nèi)是至關(guān)重要的。的確，對于任何給定的發(fā)動機操作條件，存在一個入口充氣氧氣濃度的相應(yīng)的范圍，其足以使得能夠?qū)崿F(xiàn)快速的和基本上完全的燃燒，但是又不是太多而導(dǎo)致顯著增加NOx形成。例如，如果對于一定數(shù)量的燃料氧氣濃度過低，則將發(fā)生不完全的燃燒和煙霧/PM的不希望的增加。在另一方面，如果對于一定量的燃料氧氣濃度過高，則將產(chǎn)生顯著的局部NOx形成。這是因為局部可利用的氧氣限制了直接決定NOx形成速率的局部溫度升高。因而，為了限制局部溫度，必須控制局部氧氣濃度。
入口進氣氧氣濃度的合適的“范圍”取決于燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化程度和當(dāng)時發(fā)動機的給定操作條件。例如，合適的范圍可以從低至大約10％的入口進氣氧氣濃度水平改變?yōu)楦咧链蠹s18％。不過，在一個優(yōu)選實施例中，為了基本上消除NOx的形成，入口進氣氧氣濃度在多數(shù)發(fā)動機速度和負載條件下被保持在一個低的較窄的范圍內(nèi)，優(yōu)選地保持入口進氣氧氣濃度水平在12％到13％或14％的范圍內(nèi)。在低的發(fā)動機負載下，可以使用比這較高的入口進氣氧氣濃度而對排放無不利影響。在所使用的燃燒系統(tǒng)中，不論入口進氣氧氣濃度的最終所需的范圍是多少，在所有正常的操作條件下，維持入口進氣氧氣濃度在這個所需的范圍內(nèi)對于在這些操作條件下保持低的NOx和PM/煙霧排放水平是必要的。
共同控制入口進氣氧氣濃度和密度在本發(fā)明中，EGR流量和增壓壓力改變一道被合適地調(diào)節(jié)到各自的值，這些值實現(xiàn)目標(biāo)氧氣濃度水平和有助于在受控溫度下獲得好的低排放燃燒的進氣增壓壓力水平，以確保低的NOx和低的PM/煙霧燃燒。然后，響應(yīng)于正被吸入氣缸以供燃燒(考慮進氣的溫度)的增壓的進氣的瞬時壓力水平噴射燃料。下面參照

用于實施本發(fā)明的優(yōu)選的配置。
參看圖1，其中示出了內(nèi)燃發(fā)動機22，最好是利用燃料后直接氣缸噴射的發(fā)動機，其使用具有相對低的自動點火溫度的燃料例如常規(guī)的柴油燃料。燃料通過直接氣缸燃料噴射器23，23’，23”等供給發(fā)動機22。環(huán)境空氣在端口11進入，其流量可由可選的閥門12控制。廢氣在端口13與吸入的環(huán)境空氣混和，借以形成入口進氣混合物。廢氣在端口16從廢氣管通過廢氣冷卻器17被輸送到端口13，冷卻器17具有可選的冷凝物返回至廢氣管線18(由可選的廢氣流量控制閥14調(diào)節(jié))。一次廢氣再循環(huán)(EGR)控制閥12’剛好位于廢氣管內(nèi)端口16的下游。借助于限制通過EGR調(diào)節(jié)控制閥12’的流量，控制通過端口16和13的EGR流量。
EGR調(diào)節(jié)控制閥的操作優(yōu)選地通過先進的閉環(huán)反饋控制方法進行，從而使得能夠進行閥門12’的精密控制，借以和增壓的調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)地控制EGR的流量。通過利用在再循環(huán)廢氣中的氧氣濃度比環(huán)境空氣中低這個事實，使得能夠進行在端口13之后的進氣混合物的氧氣濃度控制，因而通過調(diào)節(jié)在環(huán)境空氣和EGR之間的比例，可以在一個范圍內(nèi)有效地控制任何進氣混合物的總的氧氣濃度水平。例如，限制廢氣排出閥12’可增加回到發(fā)動機的EGR流量。通過這種或者任何其它的EGR控制閥機構(gòu)，因為EGR中的氧氣濃度低于環(huán)境空氣，EGR返回流量的增加將引起入口進氣氧氣濃度的減少。最終的入口進氣氧氣濃度可由可選的直接氧氣傳感器25’確定，或者利用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法由其它的檢測參數(shù)計算。
在端口13的下游優(yōu)選地使用低壓EGR環(huán)，EGR/環(huán)境空氣(進氣)混合物流過，并由壓縮機19壓縮。或者，如果需要，可以使用高壓的EGR環(huán)，如本領(lǐng)域所理解的那樣。壓縮機19可以是單級壓縮機例如Variable Geometry Turbocharger(VGT)，或者是串聯(lián)或并聯(lián)的兩個或更多個壓縮機，并且主要由廢氣膨脹器馬達27驅(qū)動，以對入口歧管21提供受控的增壓壓力水平。
進氣混合物的被壓縮的程度(即所需的增壓)優(yōu)選地響應(yīng)于駕駛員的功率要求被控制。例如，在駕駛員的功率要求改變的情況下，由加速器踏板傳感器33把踏板位置的改變傳送給控制器26。這種踏板位置的改變對應(yīng)于由控制器26確定的發(fā)動機負載的所需改變。確定的所需發(fā)動機負載還對應(yīng)于在控制器26的存儲器內(nèi)存儲的表中包含的所需的增壓水平。因此，控制器26可以傳送合適的信號以控制增壓，例如通過向膨脹器馬達27傳送信號(例如在使用VGR的情況下為了調(diào)節(jié)葉片的位置)。也可以使用可選的電氣或液壓馬達28并由控制器26控制，以提供快速的增壓水平改變，以便幫助提供快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在這種實施例中，因此控制器26在瞬變期間以及在只使用膨脹器馬達27不能提供足夠的增壓壓力的任何操作條件期間，向馬達28發(fā)送合適的信號來控制增壓水平。
由壓縮機19獲得的最終即時增壓水平可以由增壓進氣壓力傳感器31確定，然后響應(yīng)于操作條件的瞬時改變并與燃料和EGR調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)地調(diào)節(jié)對增壓水平的調(diào)整，這將在后面進行討論。
在壓縮機19的下游，壓縮的進氣通過冷卻器20流入進氣歧管21。冷卻器20可選地包括旁路管線和旁路控制閥61，利用控制器26調(diào)節(jié)控制閥61以控制進氣溫度。進氣溫度由可選的溫度傳感器30確定，以輸入控制器26。如果需要，冷卻器20把進氣冷卻到優(yōu)選的進氣溫度水平。
如果需要，可以和直接燃料噴射器23聯(lián)合使用可選的端口燃料噴射器53，以便把微粒形成減到最少并快速地調(diào)節(jié)燃料噴射水平。如上所述，可使用可選的氧氣傳感器25’直接確定進氣中的氧氣濃度?；蛘?，入口進氣的氧氣濃度可以部分地根據(jù)廢氣氧氣傳感器25的讀數(shù)被計算，或者利用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法由其它的檢測參數(shù)(沒有必要示出)被計算或確定。也可使用可選的進氣質(zhì)量流量傳感器29提供更快的和更精確的發(fā)動機控制。對于其中使用的每個傳感器，設(shè)置傳感器的位置可根據(jù)所需的響應(yīng)時間和其它因素而改變，這在本領(lǐng)域中是容易理解的。
進氣以常規(guī)的方式通過常規(guī)的閥門(未示出)進入燃燒室，廢氣通過常規(guī)的閥門(未示出)離開燃燒室，并通過廢氣歧管24離開發(fā)動機22。廢氣微粒捕獲氧化劑54除去任何微粒排放，催化劑51氧化剩余的燃料和一氧化碳。通過速度傳感器32把發(fā)動機速度提供給控制器26。
關(guān)于本發(fā)明的操作方法，優(yōu)選的是建立若干映射圖并將其存儲在控制器26中，用于對于發(fā)動機被指定運行時的每個速度和負載規(guī)定最佳的增壓水平、最佳的(或一個所需的范圍)入口進氣氧氣濃度和所需的燃料流量，以維持局部的燃燒溫度在有意義的NOx形成水平以下。協(xié)調(diào)增壓和燃料調(diào)節(jié)以滿足發(fā)動機操作條件的瞬間改變，例如駕駛員要求增加功率(例如加速)。
具體地說，對于開環(huán)操作，控制器26從踏板傳感器33讀出轉(zhuǎn)矩指令，從速度傳感器32讀出實際的發(fā)動機速度。對于增加的轉(zhuǎn)矩指令，控制器26命令EGR把閥12’控制到存儲的映射圖中適合于實現(xiàn)所需的入口進氣和廢氣氧氣濃度的位置。控制器26命令壓縮機馬達27(以及如果需要，壓縮機馬達28)增加增壓壓力水平到存儲的映射圖中的與在測量的發(fā)動機速度下的指令轉(zhuǎn)矩相關(guān)的新的目標(biāo)。控制器26從傳感器31讀出實際的增壓水平，并從傳感器30讀出實際的入口進氣溫度，并根據(jù)存儲的映射圖控制合適的燃料流量。
或者，對于更精確的發(fā)動機控制，可以利用閉環(huán)的控制環(huán)?？梢詮膫鞲衅?5讀出廢氣氧氣濃度和/或從傳感器25’讀出入口進氣氧氣濃度，通過控制器26比較實際的或計算的(即，確定的)進氣氧氣濃度與實際工作點所需的水平(來自存儲的映射圖)，并命令EGR控制閥12’執(zhí)行調(diào)節(jié)以達到目標(biāo)氧氣濃度。來自傳感器31的實際的增壓水平可由控制器26與來自存儲的映射圖的所需的水平進行比較，并合適地調(diào)節(jié)馬達27和28以實現(xiàn)目標(biāo)增壓水平。用類似方式，如果需要，來自傳感器30的實際入口進氣溫度也可由控制器26與來自存儲的映射圖的所需的溫度進行比較，并合適地調(diào)節(jié)冷卻器20旁路控制閥61以實現(xiàn)這一所需的進氣溫度。也可以根據(jù)實際的讀數(shù)調(diào)節(jié)燃料流量(燃料流量傳感器未示出)，以實現(xiàn)目標(biāo)燃料流量。
不論通過開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)，在本發(fā)明中在進行所述調(diào)節(jié)時，各步驟的優(yōu)選順序是首先調(diào)節(jié)EGR控制閥(如果需要，確保最終的進氣氧氣濃度在所需的范圍內(nèi))，然后進行渦輪增壓調(diào)節(jié)，然后與即時確定的增壓壓力(考慮入口進氣溫度)相符合地進行燃料饋給調(diào)節(jié)。不過，如上所述，在這一順序中，最重要的是，燃料饋給流量的任何的增加等待或跟隨增壓壓力的并發(fā)的增加(即被其約束)，而不是如現(xiàn)有技術(shù)的柴油發(fā)動機中那樣比增壓超前。這是為了避免使暫時的燃料水平超過所需的燃料/氧氣比而導(dǎo)致PM水平的增加，如上所述。雖然該系統(tǒng)能夠以燃料超前于增壓的方式可接受地工作，其中利用燃料增加量最小且超前時間較長，以避免在增壓和EGR流量增加的同時在燃料/氧氣水平中任何顯著的暫時燃料過剩，然而通過使燃料饋給改變等待或跟隨增壓改變，這個問題可以最容易地得到解決。
圖2是表示本發(fā)明的優(yōu)選方法的流程圖。因此，參見圖2，在步驟1中，首先確定是否發(fā)生了轉(zhuǎn)矩需求改變，這由控制器26從踏板傳感器33讀出轉(zhuǎn)矩指令(并從速度傳感器32讀出實際的發(fā)動機速度)來執(zhí)行。如果發(fā)生了轉(zhuǎn)矩需求改變，則控制器26命令在EGR控制閥12’中進行合適的調(diào)節(jié)，以分別增加(步驟2)或減少(步驟2’)EGR質(zhì)量流量，以便朝著目標(biāo)水平調(diào)節(jié)入口進氣氧氣濃度。在步驟3或3’，按照從傳感器25’讀出的值，或者利用現(xiàn)有技術(shù)熟知的其它傳感器和計算裝置，入口(或進氣)氧氣濃度被確定。然后，控制器26比較即時確定的入口氧氣濃度和從控制器26中存儲的映射圖提供的實際工作點所需的水平。步驟2和2’與步驟3和3’形成一個環(huán)，用于朝著目標(biāo)水平調(diào)節(jié)和比較入口氧氣濃度，直到入口氧氣濃度達到目標(biāo)氧氣濃度水平。
在確認入口氧氣濃度已經(jīng)達到目標(biāo)氧氣濃度之后，進行增壓調(diào)節(jié)。例如，如果在步驟1中確定轉(zhuǎn)矩需求增加，則在步驟4中控制器26命令調(diào)節(jié)壓縮機馬達27和(如果需要)壓縮機馬達28，以朝著從存儲的映射圖提供給控制器26的、并和在測量的發(fā)送機速度下的指令轉(zhuǎn)矩相關(guān)的目標(biāo)來增加增壓壓力水平。類似地，如果在步驟1中確定轉(zhuǎn)矩需求減少，則在步驟4’控制器26命令調(diào)節(jié)壓縮機馬達27和(如果需要)壓縮機馬達28，以朝著從存儲的映射圖提供給控制器26的、并和在測量的發(fā)送機速度下的指令轉(zhuǎn)矩相關(guān)的目標(biāo)減少增壓壓力水平?；蛘?，對于快速轉(zhuǎn)矩減少指令，可以比增壓和EGR流量的減少更快地進行燃料流量的減少，這是因為將具有過量的充氣質(zhì)量(chargemass)，并且NOx的形成甚至將更低。在任何一種情況下，來自傳感器31的實際的增壓水平在步驟6中被檢測，用于由控制器26進行與來自存儲的映射圖的所需的增壓水平比較。
在完成上述的增壓調(diào)節(jié)之后，在步驟7，控制器26確定一個合適的燃料需求以和確定的增壓壓力匹配。然后在步驟8燃料由直接汽缸燃料噴射器23噴射氣缸。此后，在步驟9可根據(jù)燃料流量或增壓水平確定轉(zhuǎn)矩輸出。然后該轉(zhuǎn)矩輸出可以與當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩需求比較(如步驟1那樣)，進行合適的循環(huán)重復(fù)，以匹配當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩需求。
提供了用于替代圖2披露的方法的另一種方法，并示于圖3。
參見圖3，圖3表示的方法遵循圖2所示的優(yōu)選方法中步驟1到步驟9的相同步驟，但是在次序上不同。和圖2的主要區(qū)別在于，在圖3所示的替代方法中，在轉(zhuǎn)矩需求改變時，首先調(diào)節(jié)增壓水平而不是調(diào)節(jié)EGR質(zhì)量流量。不過，應(yīng)當(dāng)注意，該增壓水平和EGR水平在兩個圖中基本上被一同調(diào)節(jié)，這是因為控制器的循環(huán)比增壓系統(tǒng)或EGR系統(tǒng)的響應(yīng)特性快得多。在其它方面，本方法的其余部分和圖2的優(yōu)選方法類似。因而，在圖3所示的方法中，在步驟1檢測到轉(zhuǎn)矩需求的增加或減少時，在步驟4(或4’)立即進行增壓的相應(yīng)增加或減少。在步驟6確定實際的增壓。然后在步驟7和步驟8相應(yīng)于即時的增壓而噴射燃料。對于這些實施例的每一個，燃料饋給和即時增壓水平的匹配都考慮進氣溫度，以便對于相應(yīng)的密度改變進行校正。優(yōu)選地，對于每一負載(即增壓水平)進氣溫度被控制為目標(biāo)溫度。
然后在步驟3中確定入口氧氣濃度，進行EGR流量的調(diào)節(jié)(分別通過在步驟2中增加或在步驟2’中減少)，直到入口進氣氧氣濃度被確定處于在此給定的時刻的目標(biāo)氧氣濃度范圍內(nèi)。然后確定轉(zhuǎn)矩并將其與駕駛員的需求比較，此后執(zhí)行返回循環(huán)，如步驟9所示。
此外，在獲得所需的進氣氧氣濃度時需要隨時考慮到附加的考慮因素。例如，在使用高壓EGR系統(tǒng)的情況下，只利用由壓縮的環(huán)境空氣提供的增壓代替進氣混合物，增壓調(diào)節(jié)將引起最終的進氣氧氣濃度的改變。類似的情況也可能存在于低壓EGR系統(tǒng)中，例如如果允許增壓改變出現(xiàn)在EGR流量改變之前，這也將引起增壓調(diào)節(jié)，從而引起在最終的進氣氧氣濃度中的增加的改變。
這個附加的挑戰(zhàn)可以借助于提供其中駕駛員要求更大的轉(zhuǎn)矩的情況，以更具體的方式被說明。在這種情況下，發(fā)動機負載的增加需要更多的燃燒燃料。如上所述，為了維持燃燒溫度為一個受控的水平，Cv必須隨燃料量的增加而合適地增加，這意味著必須通過增加入口進氣的增壓壓力來合適地增加M。不過，因為進入氣缸的進氣的量保持常數(shù)，如果只通過壓縮環(huán)境空氣來滿足，則進氣密度的相應(yīng)的增加引起進入燃燒氣缸的氧氣的總摩爾以及氧氣濃度的增加。因而增壓壓力的增加可引起要進入氣缸的進氣的氧氣濃度水平漂移到所需的濃度范圍之外。最終的問題是，如何繼續(xù)控制氧氣濃度水平而不破壞入口進氣所需的密度(增壓)的校正，以便控制大多數(shù)的燃燒溫度。
這個挑戰(zhàn)可以通過先占或偏移由增壓壓力的增加或減小引起的對氧氣濃度的改變的影響來解決，其中借助于通過改變再循環(huán)到發(fā)動機的廢氣的質(zhì)量流量來附加地抵消對氧氣濃度的調(diào)節(jié)。換句話說，除去和增壓的改變成比例地調(diào)節(jié)EGR之外，可以通過附加的增量來調(diào)節(jié)EGR控制閥12’，以補償由于增壓調(diào)節(jié)而預(yù)期發(fā)生的氧氣濃度改變。這允許增壓壓力和入口空氣流量的相應(yīng)的和抵消的增加，以便使進氣氧氣濃度增加回到所需的水平，使得響應(yīng)駕駛員的更多的轉(zhuǎn)矩需求，增壓壓力和進氣密度的增加允許增加燃料饋給，而不提高燃燒溫度。
由上述描述可以理解，雖然這里說明了本發(fā)明的幾個特定實施例，但在不脫離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思的情況下可以作出各種改變。因而這里提出的實施例應(yīng)當(dāng)認為是說明性的而不是限制性的，本發(fā)明的范圍只由所附的權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1.一種用于在燃料燃燒發(fā)動機中燃燒的方法，所述發(fā)動機利用進入燃燒室中的燃料后直接噴射，所述方法包括將用于燃燒的進氣混合物中的氧氣濃度保持在所需的氧氣濃度范圍內(nèi)；壓縮進氣混合物；確定被壓縮的進氣混合物的最終增壓壓力；把壓縮的進氣混合物送入燃燒室內(nèi)；響應(yīng)于壓縮的進氣混合物的確定的增壓壓力向燃燒室中直接噴射一定量的燃料；以及在燃燒室內(nèi)燃燒所述燃料和進氣混合物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所需的氧氣濃度范圍是位于10％和18％之間某處的范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所需的氧氣濃度范圍是在12％和14％之間的范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述進氣混合物通過低壓EGR循環(huán)來形成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定壓縮的進氣混合物的溫度；使噴射到燃燒室的燃料量與進氣混合物的密度相匹配，所述進氣混合物的密度是由增壓壓力和壓縮的進氣混合物的溫度確定的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括把壓縮的進氣混合物的溫度調(diào)節(jié)到所需的溫度范圍。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定要由發(fā)動機產(chǎn)生的功率需求；把進氣混合物壓縮到對應(yīng)于所述確定的功率需求的所需的進氣增壓壓力；以及按對應(yīng)于該所需的進氣增壓壓力的量將一定量的燃料直接噴射到發(fā)動機氣缸中。
8.一種用于操作機動車輛中的內(nèi)燃機的方法，所述內(nèi)燃機利用進入燃燒室中的燃料的直接噴射，所述方法包括組合再循環(huán)的廢氣和環(huán)境空氣以形成進氣混合物；在需要時調(diào)節(jié)進氣混合物的氧氣濃度，以使其落入所需的氧氣濃度范圍內(nèi)；確定要由內(nèi)燃發(fā)動機產(chǎn)生的功率需求；確定對應(yīng)于所述功率需求的所需的進氣增壓壓力；把進氣混合物壓縮到或較接近于所需的進氣增壓壓力；確定壓縮的進氣混合物的增壓壓力；將壓縮的進氣混合物送入發(fā)動機的氣缸內(nèi)用于燃燒；確定對應(yīng)于壓縮的進氣混合物的確定的進氣增壓壓力的用于燃燒的所需量的燃料；把所需量的燃料直接噴射到發(fā)動機氣缸中；以及在發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒所述燃料和進氣混合物。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所需的氧氣濃度范圍是位于10％和18％之間某處的范圍。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所需的氧氣濃度范圍是在12％和14％之間的范圍。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述進氣混合物通過低壓EGR循環(huán)來形成。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括確定壓縮的進氣混合物的溫度；使噴射到燃燒室的燃料的所需量和進氣混合物的密度相匹配，所述進氣混合物的密度由增壓壓力和壓縮的進氣混合物的溫度確定。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括把壓縮的進氣混合物的溫度調(diào)節(jié)到所需的溫度范圍。
14.一種直接噴射內(nèi)燃機，包括多個氣缸，每個氣缸提供燃燒室；廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，用于組合由所述燃燒室產(chǎn)生的廢氣的一部分和環(huán)境空氣，以形成進氣混合物，并將所述進氣混合物返回到所述氣缸用于燃燒；增壓系統(tǒng)，用于在把所述進氣混合物送進所述氣缸用于燃燒之前壓縮所述環(huán)境空氣或進氣混合物；燃料噴射系統(tǒng)，用于把燃料噴射到每個所述氣缸中進行燃燒；控制器，用于調(diào)節(jié)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和燃料噴射系統(tǒng)的操作，其被編程用于(1)調(diào)節(jié)所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)以把進氣混合物的氧氣濃度控制在目標(biāo)范圍內(nèi)；(2)響應(yīng)于來自發(fā)動機的功率需求調(diào)節(jié)所述增壓系統(tǒng)，以控制進氣混合物的增壓壓力；以及(3)響應(yīng)于進氣混合物的增壓壓力調(diào)節(jié)噴射到每個氣缸中的燃料的量。
15.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機，其中調(diào)節(jié)噴射到每個氣缸中的燃料的量，以便在考慮進氣的溫度的情況下直接響應(yīng)在由增壓系統(tǒng)壓縮之后的壓縮進氣混合物的即時檢測的增壓壓力。
16.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機，其中目標(biāo)氧氣濃度范圍是位于10％和18％之間某處的范圍。
17.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機，其中目標(biāo)氧氣濃度范圍是在12％和14％之間的范圍。
18.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機，其中廢氣再循環(huán)系統(tǒng)通過廢氣排出控制閥和低壓EGR循環(huán)形成進氣混合物。
19.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機，其中所述燃料噴射系統(tǒng)在壓縮沖程的后期向氣缸內(nèi)直接噴射燃料，使得產(chǎn)生分層的、非預(yù)混和的燃燒。
20.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機，其中所述控制器還被編程用于確定壓縮的進氣混合物的溫度，并把噴射到每個氣缸中的燃料量調(diào)整到進氣混合物的密度，該密度由壓縮的進氣混合物的增壓壓力和溫度確定。
21.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃機，其中所述控制器還被編程用于把壓縮的進氣混合物的溫度調(diào)整到所需的溫度范圍。
全文摘要
用于和增壓調(diào)節(jié)一道以這種方式精密控制和調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)的氧氣濃度水平的方法，即，使得在利用燃料后直接氣缸噴射的發(fā)動機中在瞬變期間的有害排放物最少。在瞬變期間以和增壓壓力改變一道的鏈接方式按閉環(huán)利用EGR控制閥調(diào)節(jié)EGR流量，以維持入口進氣氧氣濃度和增壓水平在用于受控溫度、低排放燃燒的臨界范圍內(nèi)。此外，為了在操作狀態(tài)下于快速瞬變期間有害的排放最少，進入氣缸的燃料饋給的改變等待或跟隨用于燃燒的進氣的增壓水平的改變。這解決了如下問題在柴油機中在加速期間，瞬變期間具有超過所需的燃料/氧氣比的暫時燃料水平，導(dǎo)致由于用于快速完全燃燒的氧氣不足而增加PM量。通過響應(yīng)送入氣缸進行燃燒的進氣的增壓水平控制燃料饋給，在瞬變期間暫時燃料水平不會超過所需的燃料/氧氣比。
文檔編號G01M99/00GK1871415SQ200480030715
公開日2006年11月29日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者小查爾斯·L.·戈雷 申請人:美國環(huán)境保護署