点火可变的汽柴油双燃料动力发动机、系统及其控制方法

摘要

一种点火可变的汽柴油双燃料动力发动机、系统及其控制方法。所述点火可变的汽柴油双燃料动力发动机能够根据发动机的工作范围选择火花点火（SI）或者压缩点火（DI），其可包括：汽缸体和用于控制燃烧模式的电子控制单元。其中，所述汽缸体形成有至少一个汽缸，每个汽缸连接至用于接收空气或汽油混合气的进气歧管和燃烧后用于排放废气的排气歧管；所述电子控制单元设计为根据发动机的速度和载荷判断发动机的发动机工作范围，当范围是在高载荷范围内时，仅燃烧柴油燃料，当范围是在低载荷范围内时，仅燃烧汽油燃料，并且当范围介于低载荷和高载荷范围之间时，混合燃烧柴油燃料和汽油燃料。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月15日在韩国知识产权局提交的韩国专利 申请第10-2011-0135575号的优先权，该申请的全部内容合并于此通过 引用而用作所有目的。

技术领域

本发明涉及一种点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机，及其 控制方法，以及点火类型可变的汽柴油双燃料动力燃烧系统。更具体 而言，本申请涉及点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机，及其控 制方法，以及点火类型可变的汽柴油双燃料动力燃烧系统，其能够根 据发动机的工作范围选择火花点火或压缩点火。

背景技术

在汽油发动机中，如果压缩比高，对燃烧有利，但会产生敲缸问 题。

需要提高压缩比，用以满足不断提高的严格的废气法规和提高燃 油效率的需要，因此需要一种能够抑制上述敲缸问题的技术。

如果尝试采用废气循环（EGR）用于抑制由于增加压缩比而发生 的敲缸问题，可以防止敲缸问题和泵送损失，但是点火性能由于火花 塞而变坏。

作为克服上述问题的手段，汽柴油混合燃料燃烧作为有效手段被 引入。与传统方式将柴油燃料和空气预混合然后在压缩冲程中使用火 花塞点火相比，汽柴油燃料可变燃烧的目的在于通过喷射用作点火控 制并用作点火源的柴油燃料进行点火。

上述的汽柴油混合燃料有利于在高废气循环（EGR）条件下实现 汽油燃料的良好点火性能，与汽油发动机相比，燃油效率由于容积燃 烧提升的燃烧效率而得到提升，与柴油发动机相比，可以防止污染物， 例如NOx和烟，并且由于这些污染物的减少而不需要柴油颗粒过滤器 （DPF），其可以很好的适应低成本喷射系统，因此与柴油发动机相比， 单位成本可显著下降。

然而，上述的汽柴油燃料混合燃烧具有待解决的问题，换句话说， 压缩比在低载荷范围内降低，从而由于严格的废气循环（EGR）条件 实现所设计的点火性能是困难的，因此在高载荷范围内由于高压缩比 而发生敲缸问题。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背 景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已 为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

因此，本发明用于解决传统技术中遇到的问题。本发明的各个方 面致力于提供一种点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机，及其控 制方法，以及点火类型可变的汽柴油双燃料动力燃烧系统，其根据载 荷用于改进燃烧类型，从而在汽柴油双燃料动力发动机中的汽柴油燃 料混合燃烧阶段，提高在冷车和怠速状态时发动机的启动稳定性，同 时根据载荷改进燃烧类型，从而提高全载荷性能。

本方明的各个方面致力于提供一种点火类型可变的汽柴油双燃料 动力发动机，其包括：汽缸体、火花塞、柴油燃料喷射器、以及电子 控制单元（ECU）。其中，所述汽缸体形成有至少一个汽缸，所述每个 汽缸连接至用于接收空气或汽油混合气的进气歧管和燃烧后用于排放 废气的排气歧管；所述火花塞设置在每个汽缸上；所述柴油燃料喷射 器设置在每个汽缸上；所述电子控制单元（ECU）以这样的方式控制 所述点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机：判断该点火类型可变 的汽柴油双燃料动力发动机工作范围，根据判断结果，当工作范围处 于高载荷范围内，将空气提供至汽缸中，并且柴油燃料通过柴油燃料 喷射器喷入并进行压缩点火，当在低载荷范围内，将汽油混合气提供 至汽缸中并通过火花塞点火，从而发生火花点火，以及当工作范围介 于低载荷和高载荷范围之间时，将汽油混合气提供至汽缸中并将柴油 燃料通过柴油燃料喷射器喷入，汽柴油燃料被压缩点火。

所述ECU可设计为基于速度和载荷判断所述点火类型可变的汽 柴油双燃料动力发动机的工作范围。

本发明的各个方面致力于提供一种用于控制点火类型可变的汽柴 油双燃料动力发动机的方法，其中在汽缸中设有火花塞和柴油燃料喷 射器，并且通过进气歧管将空气或汽油混合气引入，并在汽缸中进行 火花点火或压缩点火。该方法包括：冷车运行判断步骤、发动机工作 范围判断步骤、以及燃烧模式应用步骤。其中冷车运行判断步骤通过 测量冷却水温度用于判断所述点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动 机是否预热；所述发动机工作范围判断步骤基于所述点火类型可变的 汽柴油双燃料动力发动机的速度和载荷，当冷车运行判断步骤的判断 结果为判断出该发动机已预热时，对该发动机工作范围进行判断；所 述燃烧模式应用步骤根据发动机工作范围判断步骤确定的该发动机工 作范围，用于在预设的发动机燃烧范围内运行。

当在发动机工作范围判断步骤中判断出处于高载荷范围内时，可 执行柴油燃料燃烧步骤，其中柴油燃料喷入汽缸中，并进行压缩点火。

此外，当在发动机工作范围判断步骤中判断出处于低载荷范围内 时，可执行汽油燃料燃烧步骤，其中仅将汽油混合气提供至汽缸中， 并进行火花点火。

当在冷车运行判断步骤中判断出发动机没有预热，可执行汽油燃 料燃烧步骤。

此外，当在发动机工作范围判断步骤中判断出介于低载荷范围和 高载荷范围之间时，可执行混合燃料燃烧，其中，汽柴油燃料被混合 并使用已被点火的柴油燃料油滴燃烧，所述柴油燃料油滴通过提供汽 油预混合气和喷射柴油燃料被压缩点火。

此外，在燃烧模式应用步骤之后，执行发动机停止判断步骤，用 于判断发动机是否停止，当在发动机停止判断步骤中判断出所述发动 机没有停止，可执行冷车运行判断步骤。

本发明的各个方面致力于提供一种点火类型可变的汽柴油双燃料 动力燃烧系统，其形成有至少一个汽缸，每个汽缸装配有火花塞和柴 油燃料喷射器，空气或汽油混合气被引入到每个汽缸中，电子控制单 元（ECU）设置用于根据发动机工作范围控制汽油燃料燃烧、柴油燃 料燃烧或者汽柴油燃料燃烧，其包括ECU控制，该ECU用于通过判 断发动机工作范围并根据发动机工作范围控制发动机从柴油燃料燃 烧、汽柴油燃料燃烧和汽油燃料燃烧中选择一种运行。

所述ECU控制发动机以这种方式运行：当发动机工作范围处于高 载荷范围内，可将空气提供至汽缸中并将柴油燃料通过柴油燃料喷射 器喷入，然后进行压缩点火。

所述ECU控制发动机以这种方式运行：当发动机工作范围处于低 载荷范围内，可将汽油混合气提供至汽缸中，并通过火花塞进行火花 点火。

所述ECU控制发动机以这种方式运行：当发动机工作范围介于低 载荷范围和高载荷范围之间时，可将汽油混合气提供至汽缸中并将柴 油燃料通过柴油喷射器喷入，对汽柴油燃料进行压缩点火。

在根据本发明所述点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机，及 其控制方法，以及点火类型可变的汽柴油双燃料动力燃烧系统中，冷 车启动通过在低载荷范围时使用火花塞进行发动机点火这种方式能够 得到改善。

在中间载荷范围内，汽柴油燃料混合燃烧的优点能够借助汽柴油 燃料混合燃烧获得。

在高载荷范围内，与具有相同汽缸行程容积的汽油燃料发动机相 比，通过仅喷射柴油燃料能够获得高输出功率。

根据发动机的发动机工作范围，在最优燃烧条件下进行燃烧，从 而提高了发动机启动稳定性，改善了全载荷特性，并能够减少污染物。

在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明某些原理 的具体实施方式中，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将 变得清楚或得以更为具体地阐明。

附图说明

图1是根据本发明控制点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机 的控制方法的流程图。

图2是根据本发明点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机的控 制方法的燃烧范围所选定的燃烧模式曲线图。

图3是根据本发明点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机的控 制方法的燃烧范围绘制的燃烧映射表。

图4A和图4B是在根据本发明点火类型可变的汽柴油双燃料动力 发动机的控制方法中，当燃烧模式在火花点火和混合燃烧之间变换时， 火花点火信号的变化曲线图。

图5A和图5B是在根据本发明点火类型可变的汽柴油双燃料动力 发动机的控制方法中，当燃烧模式在压缩点火燃烧和混合燃烧之间变 换时，空气量的变化曲线图。

图6是示出了根据本发明点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动 机的原理图。

具体实施方式

现在将具体参考本发明的各个实施例，这些实施例的实例被显示 在附图中并描述如下。尽管本发明与示例性实施例相结合进行描述， 但是应当理解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施例。 而是相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施例，而且覆盖可以被 包括在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围之内的各种选择形 式、修改形式、等同形式及其它实施方案中。

如图6所示，根据本发明所述的点火类型可变的汽柴油双燃料动 力发动机包括：汽缸体10、火花塞12、柴油燃料喷射器13、以及电子 控制单元（ECU）30。其中，所述汽缸体10形成有至少一个汽缸11， 每个汽缸11连接至用于接收空气或汽油混合气的进气歧管21和燃烧 后用于排放废气的排气歧管；所述火花塞12设置在每个汽缸11上； 所述柴油燃料喷射器13设置在每个汽缸11上；所述电子控制单元 （ECU）30用于控制燃烧。该ECU30设计为用于判断发动机工作范围， 并以这样的方式运行：在高载荷范围内，将空气提供至汽缸11内，并 且通过柴油燃料喷射器13喷入柴油燃料进行压缩点火；在低载荷范围 内，将汽油混合气提供至汽缸11内并通过火花塞点火；以及当工作范 围介于低载荷和高载荷之间时，将汽油混合气提供至汽缸11内，并将 柴油燃料通过柴油燃料喷射器13喷入，汽柴油燃料被压缩点火。

所述汽缸体10包括至少一个汽缸11。每个汽缸11连接至用于从 外面接收空气或汽油混合气的进气歧管21和用于燃烧后排放废气的排 气歧管22。根据本发明所述的点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动 机设计为使用柴油和汽油两种燃料。在仅柴油燃料燃烧的情况下，仅 空气通过进气歧管21的方式提供，在汽油燃料燃烧的情况下，将汽油 混合气提供至进气歧管21内。

所述汽缸体10的每个汽缸11装配有火花塞12和柴油燃料喷射器 13。火花塞12用作目的是仅燃烧汽油燃料的点火源。柴油燃料喷射器 13设置用于当柴油燃料和汽油燃料混合燃烧或者仅为柴油燃料燃烧 时，喷射柴油燃料并且对其点火。该柴油燃料喷射器13连接有柴油燃 料输送管路23，从而可以将柴油燃料喷射至每个汽缸11。

所述排气歧管22和进气歧管21连接至废气循环（EGR）管路24， 该EGR管路24以EGR阀24a的方式在排气歧管22处被分开，从而 可以使部分废气再循环到汽缸11中。

所述ECU30设计成可以判断车辆的运行状况，决定发动机为何种 工作模式，并根据确定的运行模式控制每个组件。换句话说，该ECU30 判断发动机的工作范围。在高载荷范围情况下，发动机仅燃烧柴油燃 料用于产生最大输出功率的目的，在低载荷情况下，发动机仅燃烧汽 油燃料同时有效应对废气法规。在范围既不是高载荷也不是低载荷的 情况下，换句话说，在中间载荷情况下，柴油燃料和汽油燃料混合燃 烧。

所述用于控制点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机的方法将 被描述。

根据本发明的用于控制点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机 的方法包括：冷车运行判断步骤（S110）、发动机工作范围判断步骤 （S120），以及燃烧模式应用步骤（S130）。其中冷车运行判断步骤通 过测量冷却水温度用于判断发动机是否预热；所述发动机工作范围判 断步骤基于发动机的速度和载荷，当判断出冷车运行判断步骤（S110） 的判断结果为发动机已预热时，对发动机工作范围进行判断；所述燃 烧模式应用步骤基于预设的发动机燃烧模式驱动发动机，该预设的发 动机燃烧模式决定于发动机工作范围判断步骤（S120）确定的发动机 工作范围。

所述冷车运行判断步骤（S110）通过使用冷却水温度用于判断发 动机预热状态。发动机预热状态通过测量冷却水温度并和预设预热温 度比较进行判断。对发动机预热状态的判断目的是，在汽柴油双燃料 动力发动机的冷车模式中驱动使用具有良好发动性能的汽油燃料的发 动机。

所述发动机工作范围判断步骤（S120）通过测量发动机的速度（转 /分钟）和载荷用于判断所述发动机的工作范围。例如，如图2所示， 发动机的工作范围可运用映射图判断，该映射图中载荷范围通过发动 机速度和载荷映射。换句话说，将发动机速度和载荷低时的范围设定 为低载荷范围，将发动机不考虑速度时载荷为高时的范围设定为高载 荷范围。

所述燃烧模式应用步骤（S130）通过在发动机工作范围判断步骤 （S120）中确定的发动机工作范围，用于控制所述汽柴油双燃料动力 发动机的燃烧。

所述发动机工作范围判断步骤（S120）用于通过根据发动机工作 范围判断步骤（S120）确定的发动机工作范围中的预设方式混合汽柴 油燃料，或者通过仅使用柴油燃料或汽油燃料来燃烧。

例如，在车辆发动机工作范围处于高载荷范围的情况下，由于需 要最大输出功率，执行柴油燃料燃烧步骤（S131）燃烧柴油燃料，与 汽油燃料相比，柴油燃料具有良好的驱动力性能。在柴油燃料燃烧步 骤（S131）中，不将汽油混合气提供至汽缸11内，而仅将空气提供至 进气歧管21内并压缩，喷射柴油并执行压缩点火，从而发动机能够输 出最大输出功率。

在车辆发动机工作范围处于低载荷范围的情况下，执行汽油燃料 燃烧步骤（S133）用于减少污染物而不考虑驱动力性能。在汽油燃料 燃烧步骤（S133）中，将汽油混合气提供至汽缸11内并在被压缩后使 用火花塞12进行火花点火，因此能够减少例如烟等污染物。低载荷范 围也涉及不需要大量驱动力的发动机启动，因此燃烧汽油，其与柴油 燃料相比具有良好的发动机冷车启动性能，从而发动机启动性能即使 是冷车启动时也能得到加强。

在通过发动机速度和载荷判断出发动机的工作范围介于低载荷和 高载荷范围之间的情况下，换句话说，介于中间范围内，柴油燃料和 汽油燃料混合燃烧，因此执行汽柴油燃料混合燃烧步骤（S132），同时 确保了能够获得柴油燃料燃烧和汽油燃料燃烧两者的优点。汽柴油燃 料混合燃烧步骤（S132）特征在于：将汽油混合气提供至汽缸11内并 被压缩，将柴油通过柴油燃料喷射器13喷入，对喷入到汽缸11内的 柴油燃料油滴点火并将其用作点火源，从而通过汽柴油燃料燃烧产生 驱动力。在汽柴油燃料混合燃烧步骤（S132）中，由于柴油燃料油滴 用作点火源，容积燃烧成为可能，并且与仅汽油燃料燃烧相比，燃料 效率能够得到提升。

在柴油燃料燃烧步骤（S131）、汽柴油燃料混合燃烧步骤（S132） 或者汽油燃料燃烧步骤（S133）之后，对发动机是否停止进行判断。 如果发动机没有停止，执行发动机工作范围判断步骤（S120），判断发 动机的工作范围是否变化。如果发动机的工作范围发生变化，控制燃 烧模式与发生变化的发动机的工作范围相匹配。

根据本发明的用于控制点火类型可变的汽柴油双燃料动力发动机 的方法，由于发动机根据载荷增减，按照汽油燃料燃烧——混合燃料 燃烧——柴油燃料燃烧的顺序进行燃烧，从而燃烧模式变化的确定范 围介于汽油燃料燃烧——混合燃料燃烧和混合燃料燃烧——柴油燃料 燃烧之间形成。

例如，图4A和图4B示出了在汽油燃料燃烧和混合燃料燃烧之间 模式发生变化的时段的火花点火信号，以及柴油和汽油燃料的量。在 低载荷范围变换到中间载荷的情况下，如图4A所示，柴油燃料的量从 变化开始的时候开始增加，并且汽油燃料的量减少。当模式进入到混 合燃料燃烧模式时，柴油燃料和汽油燃料以适当比率喷射，并且火花 点火信号停止。在发动机的工作范围从中间载荷变换到低载荷范围的 情况下，如图4B所示，当燃烧模式开始变化时，汽油燃料的量增加， 而柴油燃料的量减少。火花点火信号在变化开始的时候产生。

图5示出了介于混合燃料燃烧和柴油燃料燃烧之间变换模式的时 候，柴油和汽油燃料的量以及空气吸入量的变化。当燃烧模式从柴油 燃料燃烧模式的高载荷范围变换到中间载荷范围时，柴油燃料喷射的 量开始减少，汽油燃料的喷射量增加，并且空气吸入量保持最大化直 到例行变化到混合燃料燃烧步骤（S132），当燃烧模式的变化完成时， 所需用于柴油燃料点火目的的混入空气的量按照设定比率减少。当模 式从混合燃料燃烧模式变换到柴油燃料燃烧模式，燃烧模式转换开始 时，汽油燃料的量减少，并且柴油燃料的量增加。当转换完成时，提 供至每个汽缸11内的空气的量变成最大。

根据本发明所述的点火类型可变的汽柴油混合燃烧系统包括至少 一个汽缸。每个汽缸包括火花塞和柴油喷射器。在点火类型可变的汽 柴油双燃料动力燃烧系统中，其特征在于，空气或者汽油混合气被引 入到每个汽缸中，所述ECU根据发动机的工作范围控制汽油燃料、柴 油燃料或者汽柴油燃料的燃烧，该ECU30对发动机的工作范围进行判 断。在高载荷的情况下，柴油燃料燃烧；在低载荷范围内，汽油燃料 燃烧；介于低载荷范围和高载荷范围之间的范围内，进行汽柴油燃料 混合燃烧。

换句话说，所述ECU30控制测量发动机的速度和载荷，判断发动 机在什么范围工作，并根据每个发动机工作范围选择适当的燃烧模式。

例如，由于在高载荷范围需要最大功率输出，控制为仅有空气被 提供至汽缸11的内部，从而仅燃烧比汽油燃料具有更高输出功率的柴 油燃料，柴油燃料通过柴油燃料喷射器13喷射并被压缩，从而仅燃烧 柴油燃料。

在低载荷范围，由于首要处理的事情是减少污染物，提供汽油混 合气用于仅燃烧汽油燃料，并进行火花点火，从而仅燃烧汽油燃料。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描 述的目的。前面的描述并非意欲穷尽，或者将本发明严格限制为所公 开的具体形式，显然，根据上述教导可能进行很多改变和变化。选择 示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应 用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示 例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所 附权利要求书及其等同形式所限定。