用于汽油直喷式压燃发动机的冷起动策略和系统

摘要

一种起动压缩点火发动机的方法，所述发动机具有至少一个气缸，气缸内带有往复的活塞，进气阀构造成控制空气进气到气缸的进气端口，以及排气阀构造成控制气体从气缸的排气端口排出。该方法包括如下步骤：起动发动机；调整气缸吸入端口处的进气空气以提高缸内空气的温度；控制进气阀和/或排气阀的阀定时，以允许活塞压缩气缸内的空气，由此提高气缸内空气的温度；以及当气缸内空气已经被加热到足以支持气缸内汽油和空气混合物的压缩点火的温度时，将燃料喷射到气缸内。

说明书

有关联邦赞助的研究或开发的陈述

本发明是在由能源部授予的合同No.DE-EE0003258下借助于政府支持而作出的。政府具有本发明中一定的权利。

背景技术

汽油直喷式压缩点火(GDCI)是发动机的一种运行模式，其显示改进发动机排放特性和效率有成功的希望。GDCI提供高效率下低温燃烧、低的NOx以及在全部发动机运行范围上低的颗粒排放。采用多点延迟喷射(MLI)、进气增压和中度EGR可使汽油达到低温燃烧。在美国专利申请出版物2013/0213349A1中详细地描述了GDCI发动机操作，本文以参见方式引入其全部内容。

为达到压缩点火，相比于柴油燃料，汽油燃料的自点火特性需要更高的缸内压力和温度。尤其在冷起动发动机时这是一个问题。

由于汽油燃料的自点火特性，需要提高冷起动GDCI发动机的能力。

发明内容

在本发明的第一方面，提供起动GDCI发动机的方法。该方法包括起动发动机、调整发动机气缸吸入端口处提供的进气空气以提高缸内空气的温度和/或压力，以及控制阀定时以允许压缩缸内空气来附加地增高缸内温度和/或压力。当缸内条件足以支持汽油的压缩点火和缸内空气的混合时，该气缸的燃烧便开始。

在本发明的第二方面，提供起动GDCI发动机的系统。该系统包括用于起动发动机的装置、用来增大发动机气缸吸入端口处提供的进气空气的温度和/或压力的装置、用来控制发动机进气和排气阀打开和关闭定时的装置，以及用来将燃料喷射气缸内的装置。该系统还包括控制器，控制器构造成能使发动机控制硬件根据本发明的第一方面来执行该方法的诸步骤。

附图说明

图1是适于控制GDCI发动机的发动机控制系统的一个实施例的示意图。

图2是发动机系统的气体(空气和/或排气)路径的一个实施例的方框图。

图3是发动机系统的冷却剂路径的一个实施例的方框图。

具体实施方式

如文中所使用的，术语“冷起动”是指这样的时间起动发动机，此时发动机部件和发动机内燃料的温度低于当发动机已经运行足够长时间达到高于环境温度的温度处的热平衡时的相应温度。“冷起动事件”是指执行发动机冷起动的动作，包括如下的时刻：预计到发动机起动但在发动机起动实际启动之前、发动机被起动以及过渡到运行状态，此时起动装置脱开啮合而发动机转速保持高于最小阈值。

图1示出发动机控制系统10的非限制性实施例，其适于控制GDCI内燃机12的冷起动。内燃机12图示为具有包含活塞66的单一气缸孔64，其中，活塞66上方的区域形成燃烧室28；然而，将会认识到该系统10可适用于具有多个气缸和燃烧室的发动机。发动机控制系统10可通过个别地控制多个燃烧室中的每一个来控制具有多个燃烧室的发动机，或可基于来自传感器的信号来控制如此的发动机，该传感器的信号代表着每个燃烧室内典型的或平均的状态。发动机控制系统10可包括有齿的曲柄轮14和曲柄传感器16，曲柄传感器16靠近曲柄轮14定位，使得曲柄传感器16能够感测曲柄轮齿的转动运动，并输出表示曲柄角和曲柄速度的信号18。

发动机控制系统10还可包括控制器20，诸如是发动机控制模块(ECM)，其构造成依据曲柄信号18来确定曲柄角和曲柄速度。控制器20可包括处理器22或如本技术领域内技术人员所知悉的其他控制电路。控制器20或处理器22可包括存储器，其包括非易失性存储器，诸如是用来储存一个或多个程序、阈值和捕获数据的电可擦去的可编程的只读存储器(EEPROM)。一个或多个程序可由处理器22执行，以履行用来确定先前发动机控制参数和计划未来发动机控制信号的诸多步骤，以使未来发动机控制参数对应于理想的发动机控制参数。图1示出处理器22和作为控制器20一部分的其他功能块。然而，将会认识到，并不要求处理器22和其他功能块被组装在单个外壳之内，且它们可围绕发动机12分布。

继续参照图1，发动机控制系统10可包括燃烧感测装置24，其构造成输出表示发生在燃烧室28内的燃烧事件的燃烧特征的燃烧信号26。监控燃烧事件进程的一种方式是确定该燃烧事件的热释放率或累积热释放。然而，因为测量的次数和复杂程度的缘故，在诸如行驶在像公共道路那样无法控制环境中的车辆中所运行的发动机的现场使用过程中，确定热释放可能不适合于控制发动机。适用于现场使用的燃烧探测装置可提供燃烧特征的指示，其可相关于诸如热释放那样的实验室类型的测量值。示范的燃烧探测装置24包括但不限于离子传感器或压力传感器，离子传感器构造成感测燃烧室28内燃烧产物的离子化水平，而压力传感器构造成感测燃烧室28内的压力。可用于表示燃烧过程某些方面的其他装置是燃烧爆震传感器。燃烧感测装置24可以是示范传感器中的任何一种，或是布置成提供表示燃烧特征的两个或更多个传感器的组合。

发动机控制系统10包括一个或多个发动机控制设备，其可响应于发动机控制信号进行操作来控制发动机控制参数，其中，在自动点火发生时发动机控制参数会受影响。发动机控制设备的一个实例是燃料喷射器30，其适于根据响应于由处理器22输出的喷射信号36由喷射器驱动器34输出的喷射器控制信号32来分配燃料68。燃料喷射曲线可包括多个喷射事件。燃料喷射曲线的可控方面可包括：燃料喷射器30如何快速或缓慢地打开和/或关闭、在燃料喷射器30打开时由燃料喷射器30分配的燃料68的燃料分配率，或为达到燃烧事件所分配的燃料喷射的次数。改变燃料喷射曲线一个或多个方面可以有效地控制自动点火。

示范的发动机控制系统10包括废气再循环(EGR)阀42。尽管未明确地显示出来，但熟悉发动机控制行业的人员应该理解到，EGR阀调节与供应到发动机的新鲜空气混合的发动机废气速率或废气量，以稀释接纳到燃烧室28内的空气混合物中氧和/或氮的百分比。控制器20可包括EGR驱动器44，其输出EGR控制信号46来控制EGR阀42的位置。EGR驱动器例如可以脉宽调制电压来产生EGR控制信号46，以便有效地控制EGR阀来调节被发动机12接受的废气流量。

再参照图1，发动机控制系统10可包括其他发动机管理装置。例如，发动机控制系统10可包括涡轮增压器118。涡轮增压器118从涡轮增压器控制块中接受涡轮增压器控制信号，涡轮增压器控制块可通过控制废气门或旁路阀的位置或控制可变几何形涡轮增压器内的叶轮位置来控制增压。发动机控制系统10还可包括由发动机驱动的增压器，发动机通过增压器的离合器140来驱动增压器，该增压器的离合器140由控制器20内的增压器控制块进行控制。发动机控制系统10还可包括阀控制块58，该阀控制块58可直接控制发动机进气阀62A和排气阀62B的起动，或可控制起动进气阀62A和/或排气阀62B的凸轮(未示出)的相位。

仍然参照图1，发动机控制系统10可包括一个或多个进气空气加热器80，其构造成加热每个气缸的进气集管或进气端口处的空气。每个进气空气加热器80由从进气空气加热器控制块中接收到的控制信号进行控制，控制方式将在下面作详细讨论。

尽管未在图1中特别地指出，但发动机控制系统10可包括附加的传感器，其用来测量空气进气系统和/或发动机排气系统内诸部位处的温度和/或压力。

图2是可用于图1中发动机12的GDCI系统的气体路径190的非限制性实施例的方框图。该方框图示出系统内气体(例如，空气和废气)的路径和调节。参照图2，空气通过空气过滤器112和质量空气流传感器114而流入空气导管116内。空气导管116引导空气流入涡轮增压器118的压缩机120的空气进口122内。空气然后从压缩机120的空气出口124引导到第一增压空气冷却器126的空气入口128。第一增压空气冷却器126的空气出口130连接到增压器134的空气入口136。第一增压空气冷却器旁路阀132连接在第一增压空气冷却器126的空气入口128和空气出口130之间，以便有控制地围绕第一增压空气冷却器126偏转空气。

继续参照图2，第一增压空气冷却器126的空气出口130处的空气被引导到增压器134的空气入口136，发动机12通过可控制的离合器140来驱动增压器134。来自增压器134的空气出口138的空气被引导到第二增压空气冷却器旁路阀144的第一端口146。图2中的第二增压空气冷却器旁路阀144允许将进入第一端口146的空气有控制地被引导到第二端口148、第三端口150或被同时混合到第二端口148和第三端口150。引导通过第二增压空气冷却器旁路阀144的第二端口148的空气进入第二增压空气冷却器152的空气入口端口154，空气通过该第二增压空气冷却器154借助于第二增压空气冷却器152的空气出口端口156流入发动机12的增压空气进气端口158。引导通过第二增压空气冷却器旁路阀144的第三端口150的空气直接通到发动机12的增压空气进气端口158，而不通过第二增压空气冷却器152。空气进气加热器80被构造成加热发动机12气缸的进气端口处的空气。

仍然参照图2，发动机废气离开发动机12的排气端口160并被引导到涡轮增压器118的涡轮机162。离开涡轮机162的废气通过催化转换器170。一旦离催化转换器170，废气便可循着两个路径中的一个路径流动。一部分废气可通过EGR冷却器164和EGR阀42而重新引入到空气导管116处的进气空气流中。未被再循环通过EGR系统的剩余废气通过背压阀168和消音器172而被排出尾管外。

从图2的前面描述中将会明白到，图2的重点在于气体成分的输送和调节，即，流入发动机12内的空气和流出发动机12外的废气。图2中的某些部件影响流过部件的气体温度和/或压力。例如，涡轮增压器的压缩机120和增压器134各提升流过其中的空气的温度和压力。第一增压空气冷却器126、第二增压空气冷却器152和EGR冷却器164是影响流过其中气体(空气或废气)温度的各个热交换器，其通过将热量从气体传热到另一介质来进行热交换。在图2和3的实施例中，其他的传热介质是液体冷却剂，这将参照图3作详细讨论。在替代的实施例中，可使用气体冷却剂来替代液体冷却剂。

图3示出用来调节流入发动机12内进气空气的系统100的冷却剂路径180。图3包括若干个部件，诸如前面参照图2所示的系统100的气体路径190中它们的功能所讨论过的发动机12、第一增压空气冷却器126、第二增压空气冷却器152以及EGR冷却器164。冷却剂系统180还可包括油冷却器270、用来对涡轮增压器122和加热器内芯274提供冷却的热交换器272、温度感测设备、压力感测设备，和/或图2中未示出的其他部件。

参照图3，用来调节进气空气的系统100的冷却剂路径180包括第一冷却剂回路202。该第一冷却剂回路202包括第一冷却剂泵210，其构造成推动液体冷却剂通过发动机12内冷却剂通路和通过第一散热器214。第一冷却剂泵210可以方便地是由发动机12的转动所驱动的机械泵。第一散热器214可以方便地是传统的带有可控制的第一空气供应装置218的自动散热器，第一空气供应装置218构造成推动空气在第一散热器214上流动。较佳地，第一空气供应装置218包括速度可变的风扇，但借助于非限制性实例来说，第一空气供应装置218可替代地包括单一速度的风扇、双速的风扇、结合一个或多个可控百叶窗的任何类型的风扇等，这不脱离本发明的概念。

继续参照图3，系统100的冷却剂路径180包括自动调温器交叉组件242，其中形成了第一腔室244、第二腔室246和第三腔室248。当第一自动调温器250处的冷却剂温度在第一预定范围之内时，第一自动调温器250允许第一腔室244和第二腔室246之间流体连通。当第二自动调温器252处的冷却剂温度在第二预定范围之内时，第二自动调温器252允许第三腔室248和第二腔室246之间流体连通。将会认识到的是，尽管第一腔室244、第二腔室246、第三腔室248、第一自动调温器250和第二自动调温器252显示为容纳在共同的封闭壳内，但这些部件也可以其它方式分布在系统180内，这不脱离本发明的概念。

图3中所示实施例进一步包括EGR冷却器164，它的一个冷却剂端口连接到四通冷却剂阀216。EGR冷却器164的另一冷却剂端口通过孔口254流体地联接到第一腔室244。

继续参照图3，系统100的冷却剂路径180进一步包括第二冷却剂回路204。该第二冷却剂回路204包括第二冷却剂泵220，其构造成推动液体冷却剂通过第二散热器222、第二增压空气冷却器152、三通的冷却剂阀224以及第一增压空气冷却器126。第二散热器222可以方便地是传统的带有可控制的第二空气供应装置226的自动散热器，第二空气供应装置226构造成推动空气在第二散热器222上流动。较佳地，第二空气供应装置226包括速度可变的风扇，但借助于非限制性实例来说，第二空气供应装置226可替代地包括单一速度的风扇、双速的风扇、结合一个或多个可控百叶窗的任何类型的风扇等，这不脱离本发明的概念。替代地，第二散热器222可定位成与第一散热器214对齐，使得第一空气供应装置218推动空气在第二散热器222和第一散热器214上流动，在该情形中，可不需要第二空气供应装置226。

三通冷却剂阀224和导管240能使第一冷却剂回路202和第二冷却剂回路之间实现冷却剂连通。对四通冷却剂阀216和三通冷却剂阀224的控制，可用来使进气空气达到理想的温度调节。类似系统的操作披露在2012年5月11日提交的美国专利申请13/469404中，该专利申请题为“用来调节进入内燃机的进气空气的系统和方法”，本文以参见方式引入该专利的全部内容。

GDCI燃烧过程已经显示出非常高的热效率和非常低的NOx和颗粒物质的排放。GDCI燃烧过程包括以合适的喷射定时将汽油燃料喷射到气缸内，以形成具有对于自动点火可变习性的分层混合物。来自压缩过程的热量和压力在气缸内产生空气/燃料混合物的自动点火，其燃烧时间足够长来保持低的燃烧噪声，但对于所燃烧的所有燃料来说，燃烧足够快速来达到高的膨胀比。

对GDCI燃烧过程的特别挑战便是冷起动发动机。汽油燃料具有抗自动点火的特性。其结果，为了达到压缩点火，汽油的缸内压力和温度需要比柴油燃料相对较高。为了在尚未暖起来的GDCI发动机中实现强烈的燃烧，需要冷起动策略和相关的硬件。

起动GDCI发动机的方法包括起动(曲柄起动)发动机12。发动机起动可通过传统的装置来实现，诸如起动马达或皮带-交流发电机-起动器(BAS)系统。

起动GDCI发动机12的方法进一步包括调节气缸进气端口处提供的进气空气，以提高缸内空气的温度。调节进气空气可通过提供补充热量来实现，例如，使用设置在发动机进气集管内的电加热器80。有利的是，当控制器20确定冷起动可马上发生时，电加热器80可在起动发动机12之前通电来预加热该加热器80。例如，表示车辆门未锁上、门打开或关闭的信号，或者表示车辆中有乘坐者坐在驾驶员座位上的信号，这些信号可触发对电加热器80的预热。

有利的是，在多缸发动机中，每个气缸64可设置有个别的加热器80，令每个加热器80可个别地受控以将合适的热量提供到其对应气缸64的进气空气。借助于非限制性的实例来说，四缸发动机可装备有四个单独的加热器80，使加热器80构造成这样：每个加热器80加热进入四个发动机气缸64中一个气缸的进气空气。用于加热器80的安装装置最好设置在增压空气冷却器152的下游和气缸64的进气端口上游。可在每个个别的气缸64内监控燃烧质量，例如，通过燃烧探测装置24来进行监控。每个个别的加热器80可根据其对应的气缸64内的燃烧质量进行控制。例如，通过使用固态中继器(未示出)来控制通过每个加热器80的电流，便可实现对每个加热器80的控制。例如，通过脉宽调制通过加热器80的电流，可控制由每个加热器80提供的热量。

根据冷起动事件中不同的时间和/或事件，可有利地控制将电力施加到每个加热器80上。例如，可控制施加到加热器80的电力同时预热该加热器80，以便提供受控制的升温以达到快速加热，同时避免热冲击。可在对应于起动装置的最大电流获取的时间间隔中，停止将电力施加到加热器80，以便允许更快地增大发动机转速。可控制施加到加热器80的电力，以使加热器80达到预定的温度，或替代地对气缸64达到预定的进气空气温度。

对于极其冷的环境条件来说，可由发动机/车辆系统外部的能源来对加热器80供电，例如，由电力公司提供的电力。只要能够提供外部电力，将电力施加到加热器80可以恒定不变的速率进行，在以预定的工作循环中确定时间，或受控制来使加热器80达到预定的温度，或在气缸64的进气端口处达到预定的空气温度。

已经知道，多缸内燃机的所有气缸不会恰好在相同的条件下运行。变化的根源可包括压缩比中的变化，例如，由于几何的差异、泄漏，或燃烧室28内的沉淀物引起变化。其他的变化根源可包括燃料递送的差异性，这是由于与燃料喷射器30相关的公差、气缸-对-气缸温度的差异等造成的。对于使用多个进气空气加热器80来调节进入燃烧室28的进气空气的GDCI冷起动来说，个别加热器80之间的部分-对-部分的可变性可促进缸-对-缸进一步的可变性。在本发明的一个实施例中，如上所述，与产生理想燃烧特性的每个个别加热器80相关的控制参数，可被保存在非易失存储器内，例如，保持在控制器20内。这些“获得的”数值然后可用作确定加热器控制参数的初始值，在其后的冷起动事件过程中，其可用来控制个别的加热器80。

添加地或替代地，发动机增压器134可被接合用来压缩提供到气缸64的空气，使得压缩过程有利于对空气加热。进行模拟来评估使用增压器134预热空气以在压缩之后和燃烧启动之前缸内达到800°K的温度的有效性。在从-25℃至+25℃的环境温度的范围上，模拟结果表明使用增压器134来提高进气空气流的温度和压力，这在任何环境温度下可使每个发动机气缸64在需要由电加热器80提供的电力减少大约70瓦。

在本发明方法的实施例中，可在发动机12起动的全部时间过程中接合增压器离合器140。在替代的实施例中，增压器离合器的接合可以延迟，例如，在起动之后或直到发动机起动已经达到预定的发动机速度，可延迟预定的时间。

起动GDCI发动机12的方法进一步包括：当气缸内空气已经被加热到足以支持气缸64内汽油和空气混合物压缩点火的温度时，将燃料喷射到气缸内。可基于时间长度来确定空气何时已经足以被加热，其中，该时间长度是依据环境温度和/或发动机12处测得的温度。发动机12处测得的温度的非限制性实例是冷却剂温度的测量。

在本发明的实施例中，如果发动机装备有第二增压空气冷却器旁路阀144，则该第二增压空气冷却器旁路阀144受控而使离开增压器134的空气绕过第二增压空气冷却器152，以在发动机冷起动过程中防止增压器流动的冷却。

在本发明的实施例中，控制第一冷却剂泵210而在发动机冷起动过程中不使冷却剂循环来冷却气缸64。

在本发明的实施例中，控制第二冷却剂泵220和/或三通阀224而在发动机冷起动过程中不使冷却剂循环来冷却第二增压空气冷却器152。

在本发明的实施例中，测量对喷射器30进行馈送的燃料供应管线内的燃料压力，在燃料首先喷射到气缸内之前，需要使燃料压力达到预定的阈值。该阈值可依赖于环境温度和/或发动机12处测得的温度。

在本发明的实施例中，控制进气阀62A和/或排气阀62B的定时，以在发动机起动最初开始时有效地消除对气缸64内空气的压缩，从而减小起动器上的负荷并允许在起动过程中更加快速地增大发动机速度。然后，可控制进气阀62A和排气阀62B的阀定时，以对发动机12达到最大有效的压缩比，从而在启动燃料喷射之前提供最高的压缩加热。

在本发明的实施例中，使用背压控制阀168和/或可变几何的涡轮增压器118，以在气缸64内最初达到燃烧之后增大排气背压。然后，可控制排气阀62B的定时，以增大废气再呼吸到气缸64内，从而增大气缸64内空气/燃料增压的温度并为其后的发动机循环促进强烈的自点火。

在本发明的另一方面，提供用于起动GDCI发动机的系统。该系统包括执行如上所述方法的诸步骤的装置。该系统还包括控制器，控制器构造成控制发动机的控制硬件以执行如上所述方法的诸步骤。

尽管已经依据本发明的优选实施例描述了本发明，但并不意图受此限制，相反，只是将其限制到附后权利要求书所阐述的范围。