专利名称：发动机系统及其运转方法
发动机系统及其运转方法
技术领域：
本发明涉及用于控制在内燃发动机中使用不同燃料的方法和系统。背景技术：
已经开发替代燃料以减轻常规燃料的价格上涨以及减少排放。例如，醇和含有醇的混合燃料已经被认为具有吸引力的替代燃料，特别是对于机动车辆应用。利用多种发动机技术和喷射技术，多种发动机系统可使用醇类燃料。此外，多种方法可用于控制这种加醇类燃料的发动机以利用高辛烷值醇类燃料的充斥冷却效应，特别是解决发动机爆震。例如， 发动机控制方法可包括根据醇基燃料和多种其它发动机工况调节增压或火花正时。发动机可配置有排气再循环(EGR)系统以将至少一些排气从发动机排气转移至发动机进气。例如，可驱动EGR阀门以调节被再循环至发动机进气的排气量。在提供所需发动机稀释的同时，这种EGR系统可通过减少发动机爆震、节气门损失、热传递损失以及减少NOx排放来改善发动机性能。然而，本发明人已经认识到在所需EGR量发生突然增加或减少的发动机工况期间会产生EGR瞬变。EGR的瞬变控制是困难的，因为在驱动EGR阀门和汽缸处稀释的相应改变的时间之间存在延迟。例如，响应于突然踩加速踏板从轻负荷至中等负荷，可调节EGR阀门以增加提供的EGR量。然而，发动机效率会劣化直至EGR气体在整个进气歧管内与进气混合并且汽缸处的EGR量达到新的所需量。类似地，响应突然释放加速踏板从中等负荷至轻负荷，可调节EGR阀门以减少提供的EGR量。然而，汽缸内的实际EGR水平将会高于所需并且会劣化发动机燃烧稳定性和效率直至与进气歧管内的空气预混合的EGR量被汽缸消耗掉。
发明内容本发明提供一种运转发动机的方法以至少部分解决上面的问题。本发明通过直接喷射的液体的固有辛烷效应和/或充气冷却效应和/或稀释效应可用于解决汽缸爆震、减少发动机NOx排放和/或提供至少一些发动机稀释。根据本发明一方面，提供一种运转包括连接在发动机进气和发动机排气之间的 EGR通道的发动机的方法。该方法包括基于EGR气流调节发动机负荷，在所述发动机负荷下水被直接喷射进发动机汽缸内。根据本发明另一方面，提供一种运转包括连接在发动机进气内的涡轮增压器压缩器上游和发动机排气内涡轮增压器涡轮下游之间的低压EGR通道的发动机的方法，包括在低压EGR气流从第一量增加至第二、较高量期间，增加水喷射至第一水喷射量，并且随后减少水喷射至低于第一量的第二水喷射量。根据本发明的一个实施例，增加水喷射快于减少水喷射。根据本发明的一个实施例，在踩加速踏板期间增加低压EGR气流。根据本发明的一个实施例，还包括在低压EGR气流从第二量减少至第一量期间， 减少水喷射至第三水喷射量，并且随后增加水喷射至高于第三量的第四水喷射量。
3
根据本发明的一个实施例，在释放加速踏板期间减少低压EGR气流。根据本发明的一个实施例，还包括在增加低压EGR气流期间，基于第一和第二水喷射量调节VCT，并且在减少低压EGR气流期间，基于第三和第四水喷射量调节VCT。根据本发明的一个实施例，调节包括在增加低压EGR气流期间，当第二水喷射量大于第一阈值时提前VCT，并且在减少低压EGR气流期间，当第三水喷射量低于第二阈值时延迟VCT。根据本发明的一个实施例，基于低压EGR气流和发动机扭矩参考发动机负荷调节直接水喷射的正时，调节包括当EGR气流低于阈值并且发动机扭矩为低时在低发动机负荷下增加水喷射。根据本发明又一方面，提供一种发动机系统，包含包括发动机进气和发动机排气的发动机；包括连接在发动机进气和发动机排气之间的压缩器和涡轮的涡轮增压器；连接在发动机进气内压缩器上游和发动机排气内涡轮下游之间的低压EGR通道；连接在发动机进气内压缩器下游和发动机排气内涡轮上游之间的高压通道；用于调节一个或多个凸轮的 VCT装置；用于喷射爆震控制液至发动机汽缸内的直接喷射器，爆震控制液包括水；及控制系统，配置用于，在增加EGR气流期间，基于发动机负荷和发动机稀释及液体成分增加液体直接喷射量；在减少EGR气流期间，基于发动机负荷及EGR气流和液体成分减少液体喷射量；及在增加和减少EGR气流期间，基于液体喷射量和液体成分调节VCT。根据本发明的一个实施例，EGR气流包括通过低压EGR通道的低压EGR气流和/或通过高压EGR通道的高压EGR气流。在一个示例中，发动机可配置有用于提供增压空气充气的涡轮增压器以及用于将至少一些排气从发动机排气转移至发动机进气的EGR通道。在一个示例中，EGR通道可配置用于提供低压EGR，其中排气从涡轮增压器涡轮下游的排气再循环至涡轮增压器压缩器上游的排气。在替代实施例中，EGR通道可配置用于提供高压EGR，其中排气从涡轮增压器涡轮上游的排气再循环至涡轮增压器压缩器下游的排气。发动机也可配置有用于将爆震控制液直接喷射进发动机汽缸内的直接喷射器。在一个示例中，所喷射的液体可为水。在替代示例中，所喷射的液体可为醇-汽油燃料混合物、醇类燃料(例如乙醇或甲醇)或这些燃料中一个或多个与水的混合物。在这里，直接喷射的液体的固有辛烷效应和/或充气冷却效应和/或稀释效应可用于解决汽缸爆震、减少发动机NOx排放和/或提供至少一些发动机稀释。基于发动机工况，可确定所需的发动机稀释量。例如，所需的稀释可基于发动机转速-负荷状况、爆震可能性、排气温度、排放控制装置温度等。因此，在一些发动机工况期间，所需稀释可大部分由EGR提供。因此，基于所需稀释量，可确定可提供所需发动机稀释的EGR量。响应于所需稀释量的突然增加或减少，可驱动EGR通道内的EGR阀门以增加或减少所提供的EGR量。此外，为了补偿由于驱动EGR阀门和汽缸处的发动机稀释的改变之间的延迟而出现的EGR瞬变，可增加直接喷射进汽缸内的爆震控制液的量(例如，水)以基本上立即提供发动机稀释的所需差。因此，可调节直接喷射水的量以反映在当前发动机工况下解决发动机爆震以及提供稀释以减少EGR瞬变控制问题所需的量。在这里，通过直接喷射水进汽缸内，可实现喷射的水立即蒸发为蒸汽，从而相较于驱动EGR阀门提供了更快的发动机稀释。当EGR开始产生效果并且加强以提供所需稀释时，可减少或减弱水喷射。例如，在水喷射从第一量增加之后，水的喷射量可逐渐地减少至第二量。当加强到所需的EGR量时， 第二量可仅反映解决爆震所需的水量。因此，在一个示例中，水喷射的第二量可低于第一量。为了解决可能在EGR加强期间(例如由于发动机操作者突然踩加速踏板或释放加速踏板)发生的突然瞬变，可响应出现的EGR瞬变将水喷射量减少的速度调节为低于增加的速度。即，当所需的EGR量不可用时，可快速地增加水喷射以立即提供所需稀释。然而，即使在所需EGR量可用之后，可逐渐减少水喷射以使得更好地解决不期望的EGR突然瞬变。为了解决可能在EGR减弱期间(例如由于发动机操作者突然踩加速踏板或释放加速踏板)发生的突然瞬变，在稳态运转期间可限制通过EGR的稀释量。例如，在中等负荷下， 总的所需稀释会高，但是以EGR实现这种稀释是不可行的，因为在突然踩加速踏板或释放加速踏板(其会导致所需稀释的突然减少)的情况下不可能快速地减少汽缸处的实际EGR。 在这些状况下，可通过EGR加上水喷射的组合实现总的所需稀释。如果发生所需稀释的突然减少，其通过在汽缸处快速地取消水喷射来实现。因此，为了解决爆震问题，直接喷射水的量可维持高于下阈值并且低于上阈值。因此，在一个示例中，当EGR介入时，直接喷射的水的量可减少至下阈值。而后，可至少临时地通过一些VCT延迟来解决进一步的EGR瞬变。在另一示例中，当EGR介入时，直接喷射的水的量可增加至上阈值。而后，至少临时地通过一些VCT提前来解决进一步的EGR瞬变。在替代的实施例中，增压量、节气门调节和/或火花点火正时提前量可用于补偿稀释和扭矩瞬变。应了解尽管参考水作为直接喷射的爆震控制液说明了描绘的示例，在替代示例中，例如在喷射的爆震控制液为醇混合物的情况下，可基于喷射的液体的类型调节直接喷射量和正时。具体地，该量可基于所喷射的爆震控制液体的固有辛烷效应、稀释效应和充气冷却效应。例如，在所喷射的液体具有高稀释效应的情况下，可喷射较高量的液体以补偿 EGR瞬变。在另一示例中，在喷射的液体具有低稀释效应但是具有高充气冷却效应和辛烷效应的情况下，可喷射较少量的液体以控制爆震，并且可不喷射以补偿EGR瞬变。在一个示例中，可根据所喷射的液体的摩尔成分或容积成分推断组合的效应。例如，在所喷射液体为包括醇类燃料的混合物的情况下，摩尔成分可基于燃料混合物内的组成液体的容积分数以及它们的分子量和密度。因此，在所喷射液体的醇含量增加时，固有辛烷效应和充气冷却效应增加，因此可减少用于爆震控制的直接喷射量。类似地，当所喷射液体的水含量增加时，稀释效应增加，因此可增加用于稀释的直接喷射量，并且会需要较少的后续VCT量和/或EGR稀释。应理解上面的概述提供用于以简化的形式引入将在详细描述中进一步描述的选择的概念。不意味着确认所保护的本发明主题的关键的或实质的特征，本发明的范围将由本申请的权利要求唯一地界定。此外，所保护的主题不限于克服上文或本公开的任何部分中所述的任何缺点的实施方式。
图1显示了发动机燃烧室的示例实施例。图2显示了描绘燃料经济性损失和扭矩比随着变化的火花延迟而变化。图3显示了通过比较由火花延迟导致的燃料经济性损失与由乙醇燃料喷射导致的燃料经济性损失可用于识别调节阈值点的图。图4显示了用于多种成本函数比较由火花延迟导致的损失和由乙醇燃料喷射导致的损失的图。图5A-B显示了说明可执行用于调节火花延迟量和燃料喷射量以解决发动机爆震的例程的高级流程图。图6显示了用于基于爆震控制液的可用性调节发动机稀释和发动机燃烧速度的高级流程图。图7显示了可用于基于发动机速度负荷状况调节使用火花延迟和高辛烷值燃料喷射的阈值点的图。图8显示了说明可执行用于基于多种发动机工况限制调节使用火花延迟和高辛烷值燃料喷射的阈值点的例程的高级流程图。图9显示了根据本发明说明使用火花延迟和乙醇燃料直接喷射以解决爆震的示例的图。图10-11显示了说明使用火花延迟和基于喷射的燃料量直接喷射爆震控制液的示例调节的图。图12显示了说明响应EGR瞬间直接喷射水的示例变化的图。图13显示了说明响应直接喷射水的正时的示例节气门调节的图。
具体实施方式下面的描述涉及用于改善柔性燃料发动机(如图1内的发动机)内的燃料使用效率的系统和方法。响应于发动机的爆震，火花延迟量和爆震控制液喷射可用于解决爆震。 具体地，可延迟火花直至预定的延迟量(例如预定的正时或阈值点)，直至其使用火花延迟可更有利(例如更具有燃料经济性)，并且超过该延迟量喷射爆震控制液以解决发动机爆震可更有利。如在图2-5中所示，基于驾驶员选择的成本函数，控制器可调节火花延迟的使用以及直接喷射和/或进气道喷射燃料、或爆震控制液的使用以解决爆震。该使用可进一步基于固有的辛烷含量、稀释效应和可用爆震控制液的充气冷却效应，例如从喷射的爆震控制液的成分(摩尔或容积)所推断的。如在图7-8中所示，在所选择的发动机工况(例如转速负荷状况)下，可确定发动机限制(例如扭矩、温度和排放限制)，并且可进一步相应地调节预定的正时。如在图9中所示，响应爆震，控制器可使用火花延迟直至预定正时以解决爆震，在这之后，控制器可使用喷射爆震控制液以解决爆震。如在图10-11中所示，与喷射器的脉冲宽度喷射限制相比，使用火花延迟和爆震控制液喷射之间的调节也可基于喷射的爆震控制液的量。如在图6和12中所示，可基于喷射的爆震控制液的稀释效应执行额外的发动机调节以便更好地协调发动机稀释优点和喷射液体的爆震抑制优点。此外，如图 13所示，可基于直接喷射相对于进气门关闭的正时进行节气门调节以便更好地补偿扭矩瞬变。这样，通过在解决爆震中改善火花延迟的使用和燃料或爆震控制液的喷射，可更明智地使用爆震控制液同时改善了发动机性能。
图1描绘了内燃发动机10的燃烧室或汽缸的示例实施例。发动机10可接收来自包括控制器12的控制系统的控制参数和经由输入装置132接收来自车辆操作者130的输入。在这个例子中，输入装置132包括加速踏板和用于成比例地产生踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的汽缸(在这里也称为燃烧室)14可包括带有定位于其内的活塞138的燃烧室壁136。活塞138可连接至曲轴140以便使活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。曲轴140可经由中间传动系统连接至车辆的至少一个驱动轮。而且，起动马达可经由飞轮连接至曲轴140以开始发动机10的起动运转。汽缸14能够经由多个进气道142、144和146接收进气。进气道146能够与除了汽缸14之外的发动机10的其它汽缸连通。在一些实施例中，进气道中一个或多个可包括增压装置例如涡轮增压器或机械增压器。例如，图1显示了发动机10配置有包括设置在进气道142和144之间的压缩器174和沿排气道148设置的排气涡轮176。压缩器174可为至少部分地经由轴180由排气涡轮176驱动，在这里增压装置配置为涡轮增压器。然而，在其它示例中，例如在发动机10设有涡轮增压器的情况下，可选地省略排气涡轮176，其中压缩器174可由来自马达或发动机的机械输入驱动。可沿发动机的进气道设有包括节流板164 的节气门162用于改变提供至发动机汽缸的进气的流速和/或压力。例如，如图1所示，节气门162可设置在压缩器174的下游，或者可替代地提供在压缩器174上游。排气通道148能够从除汽缸14之外的发动机10的其它汽缸接收排气。排气传感器1 显示为连接至排放控制装置178上游的排气道148。传感器1 可为用于提供排气空燃比指示的多种适合的传感器，例如线性氧传感器或UEGO (通用或宽域排气氧传感器)、 双态氧传感器或EGO (排气氧传感器)、HEG0(加热型EGO)、氮氧化物、碳氢化合物或一氧化碳传感器。排放控制装置178可为三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、多种其他排放控制装置或其组合。可通过位于排气通道148内的一个或多个温度传感器(未显示)测量排气温度。 可替代地，可基于发动机工况(例如转速、负荷、空燃比(AFR)、火花延迟等)推断排气温度。 此外，可通过一个或多个排气传感器1 计算排气温度。应了解排气温度可替代地通过这里列出的任何温度估算的组合来估算。发动机10的每个汽缸可包括一个或多个进气门和一个或多个排气门。例如，汽缸14显示为包括位于汽缸14的上部区域的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸(包括汽缸14)可包括位于该汽缸的上部区域的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。进气门150通过经由驱动系统151的凸轮驱动通过控制器12控制。类似地，排气门156可经由凸轮驱动系统153通过控制器12控制。凸轮驱动系统151和153可均包括一个或多个凸轮并且可利用由控制器12运转以改变气门运转的轮廓线变换(CPQ、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中一个或多个。进气门 150和排气门156的运转可分别通过气门位置传感器(未显示)和/或凸轮轴传感器155 和157确定。在可替代实施例中，可通过电动气门驱动控制进气门和/或排气门。例如，汽缸14可替代地包括经由电动气门驱动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT的凸轮驱动控制的排气门。在其它实施例中，进气门和排气门可由共用气门驱动或驱动系统，或可变气门正时驱动器或驱动系统控制。如参考图6和12所详述，可(通过提前或延迟VCT系统)调节凸轮正时以及协同EGR流量和/或爆震控制液的直接喷射来调节发动机稀释，从而减少EGR瞬变并且改善发动机性能。汽缸14能够具有压缩比，其为在活塞138位于下止点和上止点的体积比。常规地， 压缩比在9 1至10 1的范围内。然而，在使用不同燃料的一些示例中，可增加压缩比。 例如这会在使用高辛烷值燃料或具有高汽化比潜热的燃料时会发生。如果使用直接喷射由于其对发动机爆震的效果也可增加压缩比。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可包括用于发动燃烧的火花塞192。点火系统190能够响应在选定运转模式下来自的控制器12的火花提前信号SA经由火花塞192 向燃烧室14提供点火火花。然而，在一些实施例下，可省略火花塞192，例如在这样的情况下发动机10可由自动点火或在一些柴油发动机的情况下通过燃料喷射发动燃烧。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可配置有提供燃料至其上的一个或多个用燃料喷射器。在一些实施例中，爆震控制液可为燃料，其中喷射器也称为燃料喷射器。如一个非限制性示例，汽缸14显示为包括一个燃料喷射器166。燃料喷射器166显示为直接地连接至汽缸14用于将燃料与经由电子驱动器168从控制器12接收的FPW信号的脉冲宽度成比例地喷射进其内。这样，燃料喷射器166将燃料以称为燃料直接喷射的方式提供至燃烧汽缸14内。尽管图1显示了喷射器166为侧面喷射器，其也可位于活塞的顶部，例如靠近火花塞192的位置处。当以醇基的燃料运转发动机时由于一些醇类燃料的低挥发性，这种位置可改善混合和燃烧。可替代地，喷射器可位于顶部或靠近进气门处以改善混合。可将燃料从包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨的高压燃料系统8输送至燃料喷射器166。可替代地，可通过单级燃料泵在低压下输送燃料，在这种情况下，在压缩冲程期间可比如果在使用高压燃料系统时更多地限制直接燃料喷射正时。此外，尽管未显示，在可替代实施例中，喷射器166可为将燃料提供至汽缸14上游的进气道内的进气道喷射器。应了解尽管在一个实施例中，可通过单个直接喷射器喷射可变燃料或爆震控制液混合物运转发动机，在可替代实施例中，可使用两个喷射器(直接喷射器166和进气道喷射器)并且改变来自每个喷射器的喷射量来运转发动机。在汽缸的单个循环期间可通过喷射器将燃料输送至汽缸。此外，从喷射器输送的燃料或爆震控制液的分配和/或相对量可随着工况(例如空气充气温度)变化，如下面所述。而且，对于单个燃烧事件，每个循环可执行输送的燃料的多次喷射。多次喷射可在压缩冲程、进气冲程或它们的任何合适的组合期间执行。如上所述，图1仅显示了多缸发动机的一个汽缸。同样，每个汽缸可类似地包括其自有组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。燃烧系统8内的燃料箱可保存不同性质(例如不同成分)的燃料或爆震控制液。 这些差别可包括不同的醇含量、不同的水含量、不同的辛烷值、不同的汽化热、不同的燃料混合和/或它们的组合等。在一个示例中，带有不同醇含量的爆震控制液可包括一种燃料为汽油而另一种为乙醇或甲醇。在其它示例中，发动机可使用汽油作为第一物质并且含有燃料混合物例如E85(其大约为85%的乙醇和15%的汽油)或M85(其大约为85%的甲醇和15%的汽油)的醇类为第二物质。其它含有醇的燃料可为醇类和水的混合物、醇类的混合物、水和汽油等。在又一示例中，两种燃料全部为醇混合物，其中第一燃料为醇类比例比醇类比例较高第二燃料的汽油醇类混合物低的汽油醇类混合物，例如ElO(其为大约10%的乙醇)作为第一燃料并且E85(其大约为85%的乙醇)作为为第二燃料。另外，第一燃料和第二燃料也可在其它燃料性质(例如温度、粘度、辛烷值、汽化比潜热等)上不同。此外，存储在燃料箱内的燃料或爆震控制液的燃料特性可经常变化。在一个示例中，驾驶员可在燃料箱内一天加E85、下一天加ElO并且再下一天E50。燃料箱加注的每天变化因此能够导致经常变化的燃料成分，从而影响由喷射器166输送的燃料成分。尽管未显示，应了解发动机可进一步包括一个或多个排气再循环通道用于从发动机排气输送至少一部分排气至发动机进气。同样，通过再循环一些排气，可影响发动机稀释，其可通过减少发动机爆震、峰值汽缸燃料温度和压力、节流损失和NOx排放来改善发动机性能。一个或多个EGR通道可包括连接在涡轮增压器压缩器上游的发动机进气和涡轮下游的发动机排气之间并且配置用于提供低压(LP)EGR的LP-EGR通道。一个或多个EGR通道可包括连接在压缩器下游的发动机进气和涡轮上游的发动机排气之间并且配置用于提供高压(HP)EGR的HP-EGR通道。在一个示例中，可在例如缺少由涡轮增压器提供的增压的状况下提供HP-EGR流量，并且在例如出现涡轮增压器增压和/或当排气温度高于阈值时的状况期间提供LP-EGR。可经由LP-EGR阀门调节通过LP-EGR通道的LP-EGR流量且可经由 HP-EGR阀门(未显示)调节通过HP-EGR通道的HP-EGR流量。图1中控制器(或控制系统)12显示为微型计算机，包括微处理器单元106、输入 /输出端口 108、用于可执行的程序和检定值的电子存储介质(在本具体例子中显示为只读存储器芯片110)、随机存取存储器112、保活存储器114和数据总线。控制器12可从连接至发动机10的传感器接收多种信号，除了之前论述的那些信号，还包括来自质量空气流量传感器122的引入质量空气流量(MAF)测量值、来自连接至冷却套筒118的温度传感器 116的发动机冷却剂温度(ECT)、来自连接至曲轴140霍尔效应传感器120(或其他类型) 的脉冲点火感测信号(PIP)、来自节气门位置传感器的节气门位置TP和来自传感器IM的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM可由控制器12从脉冲点火感测PIP信号生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供进气歧管内的真空或压力指示。存储介质只读存储器110能够编程有代表由处理器106可执行指令的计算机可读数据用于执行下面所述的方法以及预见但未具体列出的变形。在所选择的发动机工况期间，例如在低发动机转速和在高负荷状况下，会发生发动机爆震。在一个示例中，可通过延迟点火火花正时(这里也称为火花延迟)来解决发动机爆震。通过从MBT延迟点火火花正时，可减小汽缸峰值压力和温度，从而减少爆震的发生。 然而，从MBT延迟火花也减小了发动机热效率和扭矩输出。因此，为了在延迟火花时满足驾驶员要求的扭矩，可增加空气和燃料流量以补偿扭矩损失。因此，额外的空气和燃料消耗导致下降的燃料经济性。相应的燃料经济性惩罚SPARKfe MSS可如下计算SPARK^mss= — - 1(1)
LJ JJ其中TR为扭矩比。在图2的图200中通过曲线202说明了燃料经济损失的变化。 如曲线204所示，当火花处于MBT时扭矩比为最高，但是随着火花延迟而减小。替代延迟火花，可通过喷射爆震控制液进汽缸内解决发动机爆震。爆震控制液可为有效辛烷含量较高的燃料，例如乙醇燃料。因此，有效辛烷含量的喷射燃料可由代表燃料的多种爆震减轻特性的多种成分组成，例如固有辛烷值的液体、液体的稀释效应和液体的蒸发效应的组合。因此，例如，乙醇燃料混合物(例如E80可直接喷射进汽缸内以利用燃料固有的高辛烷值(固有的燃料辛烷成分)和乙醇燃料的充气冷却效应(蒸发性辛烷成分)。然而，由于乙醇燃料相较于汽缸具有较小的燃料热(低热值，LHV)，必须燃料大量的燃料以实现相同的能量输出。因此，尽管从更接近于MBT火花正时运转上获得改善的热效率， 容积燃料经济性上(每加仑英里数)存在减小。相应的燃料经济性惩罚ETHFfe ^bs可如下计算EWfm mss =(2)其中E为直接喷射的燃料内的乙醇含量的质量百分比，D为减轻爆震所需的直接喷射的燃料的质量百分比，LHVeth和LHVms为低热值的燃料，并且P ETH和P GAS为燃料的密度。在爆震状况下，控制器可确定是否延迟火花所需的量并且接受与火花延迟量相关的热效率和燃料经济性损失，或是否保持火花在MBT以及直接喷射所需量的爆震控制液 (例如喷射乙醇燃料)和接受与乙醇喷射相关的容积燃料经济性损失。例如，发动机控制器可配置用于如下比较来自乙醇燃料(例如E85)的直接喷射的燃料经济性惩罚与来自火花延迟的燃料经济性惩罚SPARKfeloss-ETHfeloss (3)在一个示例中，可采用映射图(例如图3的映射图300)来比较来自延迟火花的燃料经济性损失(曲线302)与来自乙醇喷射的燃料经济性损失(曲线304)。基于比较，可确定正时或阈值点306。因此，阈值点306(这里也称为收支平衡点或切换点)可表示预定的延迟量或预定的正时(例如曲轴角度或火花延迟角度)，在解决发动机爆震时，在该阈值点之后增加喷射乙醇燃料可相对于延迟火花提供燃料经济性优点，并且在其之前延迟火花可相对于增加喷射乙醇燃料提供燃料经济性优点。因此，响应于发动机爆震，发动机控制器可首先延迟点火火花正时直至预定的延迟量。在点火火花正时达到预定的正时之后，控制器可增加喷射进汽缸内的爆震控制液(或燃料)的量以抑制发动机爆震，同时维持火花正时在预定的延迟量(即在预定的正时)。也就是，可在这一点切换对火花延迟和增加直接喷射爆震控制液的使用。因此，预定的正时可基于发动机工况(例如发动机转速和负载状况)并且进一步基于驾驶员所选择的成本函数。如上面所详述，这些所选择的成本函数可包括燃料经济性、 CO2排放和价格有效性。可进一步基于所喷射的燃料的有效辛烷含量调节预定的正时。因此，所喷射的爆震控制液可包括汽油、乙醇、甲醇、挡风玻璃清洗液、其它醇、水和它们的组合中一个或多个。在一个示例中，在直接喷射的燃料为乙醇燃料混合物的情况下，所喷射的液体的有效辛烷含量可基于燃料的醇含量，并且从而阈值点可基于液体的醇含量变化。例如，预定的正时可随着喷射的燃料的醇含量增加从MBT延迟。因此，与带有大量乙醇的乙醇燃料混合物(例如E85，其具有大约85%乙醇)相比，带有少量乙醇(例如E10，其具有大约10%的乙醇) 的乙醇燃料混合物可具有较低阈值点(即相对较低的延迟量)。在一个示例中，在乙醇燃料为E85且所选择的成本函数为容积燃料经济性(每加仑英里数)的情况下，预定的正时(306)可为11度火花延迟角。其中，在爆震状况期间，当解决爆震所需的辛烷增加时，可采用延迟火花直至11度火花延迟，因为在这一点上与火花延迟相关的热效率损失低于与E85相关的容积燃料经济性损失。然而，在火花已经延迟至 11度火花延迟之后，增加喷射E85可提供比火花延迟更低的燃料经济性损失。因此，为了进一步解决爆震，火花点火正时可保持在从MBT延迟的11度角处同时增加喷射的E85的量以完成爆震解决要求。尽管上面的示例使用容积燃料经济性作为成本函数确定用于解决发动机爆震的预定延迟量，应了解在替代示例中，可使用其它成本函数。替代的成本函数可包括例如排气排放(例如CO2排放)和价格有效性(例如每一美元英里数的运转成本)。在一个示例中， 在成本函数为价格有效性的情况下，可考虑到所喷射燃料的燃料价格。因此，乙醇燃料喷射导致的成本损失ETH-—MSS可如下计算腳■細Z麵-E, D, (l — SMM^LS^A(4) 其中$eAS和$ETH为单位容积的燃料价格，LHVeth和LHVms为燃料的低热值，并且P ETH 和P GAS为燃料的密度。在其它示例中，其中成本函数为CO2排放，(X)2损失由乙醇燃料喷射导致，ΕΤΗω2 MSS 可如下计算ETHcoi LWS - (l - jf^l(5)其中CeAS和Ceth为由燃料释放的每GJ能量产生的kgO)2的单位的由每个燃料产生的(X)2量。这个(X)2成本函数可以多种方式计算，例如尾气管总(X)2排放、尾气管原油(X)2排放(fossil-derived CO2 emission)或整个生命周期(油井到车轮)CO2排放。因此，基于驾驶员选择的成本函数，响应于发动机爆震，发动机控制器可在比较与火花延迟与乙醇直接喷射相关的成本函数损失之后确定使用火花延迟还是爆震控制液喷射(例如乙醇燃料)。也就是，当成本函数为价格有效性时，阈值点可如下计算SPARKDOLLAELOSS-ETHDOLLAELOSS (6)类似地，当成本函数为CO2排放时，阈值点可如下计算SPARKco2loss-ETHco2loss(7)总而言之，成本函数损失比较可如下确定SPARKcos tfn_los s THcos tfn_los s (8)图4显示了根据表达式(3)、(6)、(7)产生的曲线的映射图。具体地，映射图400 在X轴上描绘了从MBT的火花延迟，并在y轴上描绘了成本函数损失比较(即，对于所选择的成本函数，由火花延迟导致的损失和由乙醇燃料喷射导致的损失之间的百分比差值)。曲线406(虚线)描绘了在成本函数为容积燃料经济性时的损失比较，曲线404(点划线)描绘了在成本函数为(X)2排放时的损失比较，并且曲线402 (实线)描绘了在成本函数为价格有效性时的损失比较。在每个情况下，在曲线经过零时，可确定相应的预定的延迟量和预定的正时(或阈值点)。因此，在曲线404的情况下，阈值点发生在408处，而曲线406的阈值点发生在 410处，其中低于阈值点时延迟火花为更有利，而高于阈值点时则保持火花延迟并且增加喷射乙醇燃料为更有利。在曲线总是在零之上的情况下，例如参考曲线402所示，直接喷射乙醇燃料替代延迟火花总是更有利的。尽管参考直接喷射乙醇燃料E85描绘了图3-4的示例，应了解这不意味着限制， 并且在替代示例中，可使用其它爆震控制液。这些可包括例如与混合有更高或更低醇含量的多种醇类燃料或与混合有不同固有辛烷值、稀释或蒸发特性的液体或燃料、压缩天然气 (CNG)、水、甲醇、清洗器液(其为大约60%的水和40%的甲醇的混合物)等。因此，除了预定的延迟量，也可基于所喷射的液体(燃料)的有效辛烷含量调节喷射进汽缸内以解决爆震的爆震控制液的量。例如，调节可包括当液体的有效辛烷含量的增加时减少直接喷射的爆震控制液的量。如前所提及，给定液体的有效辛烷含量可为该液体的固有辛烷含量(或辛烷值)、液体的稀释效应(基于液体的惰性成分，例如水)和液体的蒸发效应(基于液体的汽化热)的组合。在一个示例中，在喷射液体为CNG的情况下，燃料的有效辛烷含量可基于CNG燃料的辛烷值，仅因为CNG基本上不具有充气冷却效应(即，没有蒸发性辛烷成分)或稀释效应(即，没有惰性成分)。在另一示例中，在所喷射的燃料为乙醇燃料混合物的情况下，由于乙醇的充气冷却效应，并且这里可能不存在稀释效应辛烷成分，燃料的有效辛烷含量可基于燃料的固有辛烷成分以及蒸发性辛烷成分。在又一个示例中，在喷射液体为水的情况下，液体的有效辛烷含量可仅基于水的稀释效应和充气冷却效应。在一个示例中，所喷射液体的辛烷含量可基于液体的摩尔成分。因此，可基于所喷射燃料的摩尔成分调节所直接喷射的燃料的预定正时和量。然而，在可替代示例中，喷射的液体的辛烷含量可基于液体的容积成分。可根据研究法辛烷值(RON，research octane number)和/或马达法辛烷值(Μ0Ν， motor octane number)评级燃料的固有辛烷成分。在燃料混合物的情况下，小分子量的醇类(例如乙醇和甲醇，其具有高RON和MON值)被添加至汽油以改善汽油燃料的RON 值。即使是添加少量醇(例如，10%的容积)也能够导致混合燃料的RON值较大的且非线性增加，使得确定由于醇的添加汽油燃料的RON值上的变化复杂化。在一些情况下，“混合 RON(bRON) ”值可用于描述在混合燃料内增加少量醇对汽油的影响。可基于混合物中的醇和汽油的容积成分如下计算bRON值RONblend = (1-XV, alc) · RONbase+ (Xv, alc) · bR0Nv, alc (9)其中，Xv,al。为燃料混合物内的醇的容积分数，RONblmd为醇-汽油燃料混合物的 RON, RONbase为基汽油的R0N，并且bR0Nv, alc为基汽油内的醇基于容积含量的混合RON。然而，由于bRON值取决于添加至基汽油的醇的浓度、基汽油的RON和基汽油的碳氢化合物成分，对于特定醇不存在单个bRON值，从而限制了利用bRON方法。在另一方法中，可基于燃料的摩尔成分计算混合燃料的固有辛烷成分。与容积成分方法(其基于燃料混合物中处于液态(即，在其准备并且通常测量时)的醇和汽油的容积)相比较，摩尔成分反应了混合物内的醇和汽油的分子量。因此，摩尔成分可更相关地描述在发动机汽缸内发生与蒸汽燃料的气相化学反应。此外，在气态下，容积成分可大约等于摩尔成分。可类似于容积成分(如等式9中所描述)计算燃料混合物的摩尔成分，除了在摩尔基础(如下文在等式10中所述)上使用醇的密度和分子量(即，醇的已知物理特性) 和汽油的密度和平均分子量(如所测量或估计)计算醇含量。对于商业汽油，由于汽油的密度和分子量不具有大的变化，对于这种计算估算的值已经足够精确。因此，可基于混合物中的醇和汽油的摩尔成分如下计算燃料混合物的bRON值
1权利要求
1.一种运转包括连接在发动机进气和发动机排气之间的EGR通道的发动机的方法，包含基于EGR气流调节发动机负荷，在所述发动机负荷下水被直接喷射进发动机汽缸内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节包括当所述EGR气流低于阈值时在低发动机负荷下喷射水。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直接喷射水包括水的喷射量和直接喷射的速度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述直接喷射量基于所述EGR气流中的EGR量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节进一步包括当所述EGR气流超过所述阈值时减少所述直接喷射水。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，水喷射降低速度低于所述直接喷射的速度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述EGR气流为低压EGR气流，并且所述EGR 通道为连接在涡轮增压器压缩器上游的发动机进气和涡轮增压器涡轮下游的发动机排气之间的低压EGR通道。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述发动机进一步包括连接在所述涡轮增压器压缩器下游的发动机进气和涡轮增压器涡轮上游的发动机排气之间的高压EGR通道， 并且其中所述调节进一步基于出现所述高压EGR气流。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述调节包括增加发动机负荷，在出现高压 EGR气流的情况下在所述发动机负荷下喷射所述水。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，基于所述EGR气流和所述直接喷射水调节VCT。
全文摘要
本发明提供一种通过基于发动机工况和喷射的液体的成分调节使用火花延迟和直接喷射液体来改善燃料使用同时解决爆震的发动机系统及其运转方法。一个或多个发动机参数，例如EGR、VCT、增压、节气门位置，与直接喷射协调以减少扭矩和EGR瞬变。本发明的优点在于可解决汽缸爆震、减少发动机NOx排放和/或提供至少一些发动机稀释。
文档编号F02M25/07GK102345536SQ201110220028
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年7月29日
发明者G·苏尼拉, T·G·利昂 申请人:福特环球技术公司