对后接于火花点火、直接喷射式内燃机的催化剂的加热方法 【技术领域】
本发明涉及的是一种对后接于火花点火、直接喷射式内燃机的至少一种催化剂的加热方法，特别是在内燃机发动机起动之后，该方法具有独立权利要求前序部分的特征。
背景技术
催化剂被用在内燃机的废气载体中，为的是使内燃机废气中的有害物质转化成对环境无害的成分。为了使其保持操作准备状态，催化剂至少要被加热到催化剂特有的起动或点火温度。这里所说的起动温度是指此时催化剂的转化率可达到50％。因为在内燃机的发动机起动之后的一段时间内催化剂一般还达不到它的起动温度，废气中的有害物质在此期间会未加转化地被排放到大气中。加速催化剂地加热有多种不同的方法。
众所周知，点火角即是在气缸中点燃空气燃油混合气的那一刻，即便是最高效的点火角在加热期间也是可以作延迟调节的。经过点火角的延迟调节，燃烧效率虽有所降低，但却提高了燃烧温度及废气温度。因废气变热，催化剂的升温会加快。但在点火角中使用这种延迟点火的方法有局限性，此时内燃机的运行不平稳性会加重，点火的可靠性将不再有保证。
另一种已公开的提高废气温度的方法是所谓的多级喷射法。将该方法用于直接喷射、火花点火的内燃机最近已有介绍，该方法是借助喷嘴将燃料直接喷射到气缸的燃烧室中(WO 00/08328，EP 0 982 489 A2，WO00/57045)。这样在气缸工作循环期间输入的燃料总量就会分成两份，分别以两个喷射过程输送到气缸的燃烧室。第一次的前级喷射(均化喷射)是在气缸的进汽冲程中完成的，所喷入的燃料在随后的点火时刻会均匀地分布在燃烧室里。第二次后级喷射(分层喷射)则相反，它是在接下来的压缩冲程期间，特别是压缩冲程的后半程进行的。它会导致所谓的分层充气，此时，喷射的燃料雾主要集中在气缸火花塞的周边区域。由此可见，在内燃机的多级喷射操作中存在分层充气和均化充气的混合操作。同单纯的均化操作相比，废气温度会因多级喷射操作的独特燃烧过程而提高。此外，多级喷射的另一优点在于，它减少了氮氧化合物NOx和不燃的碳氢化合物HC的排放物(Rohemission)，从而减少有害物质在加热阶段中造成的破坏。
多级喷射法的开创及衰退，换言之从单级喷射操作向多级喷射操作来回过渡期间出现的问题，特别是后级的分层喷射表明：由于发动机起动后内燃机还是凉的，致使部分燃料会喷落到活塞头上、气缸边缘和火花塞处。这些在发动机温度较低时未被雾化的燃料不能参与后来的燃烧过程。因此会出现灭火和燃烧过程不平稳等情况。另一个问题就是在切换到多级喷射的时刻会出现前级点火角，它尤其出现在点火上止点ZOT之前。因为后级喷射的喷射末端位于这个区域内或其周边，从而无法作最佳的混合处理，这是因为没有足够的时间将分层气雾由喷射器传送到火花塞。结果增多了HC的排放物。
【发明内容】
本发明的目的是改进一种催化剂加热的方法，其中采用发动机的加热措施，特别是向多级喷射操作切换和反切的过程中使产生的有害物排放物尽可能少，发生的力矩跃变最小。
该目的可由具有独立权利要求1、3、4特征的方法完成。
根据本发明，那些为加热所采取的发动机措施或具有最强加热效果的措施组合最早应在发动机起动终点后，迟滞了内燃机的至少两个工作循环后，特别是至少三个、优选是五个工作循环后实施。这里可以把发动机起动终点理解为这样的时刻，即，在起动过程中转速超速的发动机转数初次处在95-105％的额定空转速范围内。从原理上讲，如果在起动过程中没出现明显的转速超速，就可以把发动机起动终点理解为发动机转速初次在95-105％的额定空转速范围内持续了至少0.5秒的那一时刻。此外，可以把工作循环理解为气缸中的全部内燃机工作冲程都运行了一遍。这在沃尔塔特发动机中(Vertaktmotor)为两次曲轴旋转。
由于热效率提高，即提高废气温度势必要加大发动机功率，并因此增加了力矩损失。本发明提出的方法是：加热措施可根据它的加热电势顺序逐步地相互切换和/或增强，这样会保持很小的力矩跃变(Momentenspruenge)。即使是在迟滞阶段消逝之后，在一个唯一的阶段施行所规定的加热措施及措施组合，但这种超前对内燃机会产生一定的预热和稳定作用，从而可以重复随后的力矩跃变，且易于调整，保证了点火与燃烧的可靠性。
尤其这样设定，即，单级喷射操作是在加热的第一阶段中在发动机起动终点后进行的，在此期间至少是暂时作了点火角延迟调节，并在随后的第二阶段切换到了多级喷射操作。在这样的情况下，把点火角延迟调节理解为每个点火时刻，即，它出现在最佳发动机效率的点火时刻之后，特别是它会致使发动机效率至少降低5％左右。如前所述，气缸因其在第一阶段要做点火角延迟调节已经加热，以致于所谓的壁膜问题会因多级喷射操作的后续喷射造成的燃料凝结而减弱。
根据本发明的另一方法变型，在第一阶段的发动机起动终点后，操作用了所喷射燃料量的30-100％，它们在点火时刻基本呈均匀的混合气处理状态，而随后第二阶段的多级喷射操作在点火时刻至少有35％的喷射燃料用作分层充气，至少有20％的燃料量是均匀分布。优选第一阶段是单纯的均化操作，这样所喷射的全部燃料在点火时刻就主要呈均匀的混合气处理状态。因此在本发明的范围内将均化操作理解成在点火时刻在燃烧室内要有一个燃料密度分布，其中燃烧室内某一点上的最高燃料密度与燃烧室另一点上的最低燃料密度偏差要小于30％。要获得这样的均匀率，通常的方式只有在气缸的进气冲程期间，特别是在进气冲程的上半程内喷射才行。
多级喷射优选包括两次喷射，第一次的前级喷射基本是在气缸的进气冲程期间，优选是在进气冲程的上半程完成的，而第二次的后级喷射是在随后的压缩冲程期间，优选是在压缩冲程的后半程完成的。按此方式，前级喷射时所送入的燃料在点火时刻基本上都会得到均匀分布，而后级喷射时所送入的燃料的分层充气则基本集中在气缸的火花塞周边范围内。因此，也可相应地把均化喷射的概念用于表示前级喷射，分级喷射的概念用于表示后级喷射。如开篇所述，这种混合的燃料处理可同时提高燃气及废气的温度，并减少未燃的碳氢化合物和氮氧化合物的排放物。此时优选这样来选择两种喷射法的燃料份额，即，由于均化喷射只会形成稀薄的、没有点火能力的空气燃油混合气，所以它只能借助第二次喷射的分层充气来燃烧。为了保证均匀充气的燃烧充分，在均化喷射时输入的燃料量不能超过总加油量的20％。优选在加热期间，轻度稀薄乃至要进行化学计算的空气燃油混合气要用1至1.2之间的微升值来调整。这时多级喷射阶段的微升值向稀薄态的推进要比加热的第一阶段强。由此可以利用稀薄废气气氛中的催化剂起动温度要比其在化学计算的气氛低这一特点。
根据本方法的优选方案，第一阶段先由前级点火角开始，特别是由点火上止点ZOT之前的点火角开始，优选为发动机起动期间选择的点火角。这个前级点火角随后要渐进地朝后续的时刻调节，特别是在ZOT之后。渐进的点火角延迟调节可以连续地和/或分级进行。优选在向多级喷射操作切换时考虑到切换点中的力矩平衡问题要将第一阶段最后的点火角转接过来，并继续循序渐进地作延迟调节。特别要优先考虑在还有可能进行单纯的均化操作的点火角时进行切换，特别是在极限点火角之前的6°进行，特别是4°，优选是2°，为的是保证有一个空间，以修正点火角衔接的方式来补偿在多级操作时进行切换产生的力矩变化。多级喷射操作中的切换宜在ZOT之后的0-20°，特别是在ZOT之后的10°的点火角时进行，但要考虑力矩的备用量。在多级喷射操作中进行切换之后，点火时刻应朝着与发动机结构最有关且最晚的点火角渐进推移，此时不应超过ZOT之后的20-45°，特别是ZOT之后的35°左右的最大点火角。
根据本方法的进一步改进，在多级喷射操作中进行切换之后也可以循序渐进地延迟调节喷射角，确切地说就是后级喷射的喷射时刻，尤其要基本上保持与同时进行的累进的点火角延迟调节同步。
优选的是，后级喷射的喷射端以基本恒定的距离移向50-100°的点火角，特别是60-80°的点火角。然而也可以考虑根据发动机转速和/或喷射压力等情况来调整距离。以这种方式总能保证多级喷射用混合气处理和向火花塞喷送燃料雾的最佳时间不变。
特别有利的是，可以依据内燃机的一个实际工作点来结束在至少是第一个催化剂的至少是部分加热后的多级喷射操作。如果内燃机在此时刻是处在负荷要求阶段，比如是起动和/或加速阶段，就可以直接动用花费到加热措施上的力矩储备，并直接结束多级喷射和/或点火角延迟调节，把内燃机切换到均化或充气操作上。相反，如果内燃机加热后处在恒定荷载阶段，比如是在空转状态，那就要依照导言中提出的反向顺序取消加热措施。特别是一旦点火角允许均化操作，就要对多级喷射的喷射角作循序渐进的前级调节，并切换到单级喷射操作。
上述方法的所有时间流程，特别是采取那些发动机的措施或那些具有最强加热效果的措施组合的，向多级喷射操作切换和/或识别已完成的加热和取消措施都可以根据所测定和/或模拟的发动机和/或废气和/或催化剂的温度来进行，和/或参照自发动机起动终点以来所经过的时间、和/或进行的曲轴旋转数、和/或所经过的路程、和/或所蓄积的废气热流来进行。
本发明进一步的优化方案是其余从属权利要求的对象。
【附图说明】
下面将借助附图在实施例中对本发明作详细的说明。其中：
图1显示的是现有技术中的一种方法在加热期间发动机转速、点火角和喷射角的时间曲线；
图2显示的是两种非本发明的方法在加热期间未燃烧的碳氢化合物的排放量的时间曲线；
图3显示的是本发明的第一实施方式中用于催化剂加热的方法中发动机转速、点火角和喷射角的时间曲线；
图4显示的是本发明的第二实施方式中发动机转速、点火角和喷射角的时间曲线；
图5显示的是本发明的第三实施方式中发动机转速、点火角和喷射角的时间曲线；
图6显示的是本发明的第四实施方式中在加热结束期间的发动机转速、点火角和喷射角的时间曲线；
图7显示的是按照本发明的第五实施方式在加热结束期间的发动机转数、点火角和喷射角的时间曲线。
【具体实施方式】
图1显示的是现有技术中对后接于直接喷射式内燃机的催化剂的加热起动过程。在时刻t0之前完成了起动机起动，在此期间起动机起动，并与内燃机连接，先以最小转速驱动机器。在t0与t1之间就是发动机起动阶段，在此阶段内燃机的发动机转速n是高速的，以使其最终在继续恒定的额定空转速范围内趋于均衡。直至发动机起动开始时刻t0内燃机的均化操作才会出现，此时要输送的全部燃料都是在进气冲程期间以唯一的喷油过程输送给气缸的(一次喷射)。这样点火角αz就可以调整到点火上止点ZOT之前的曲轴角KWW，特别是可以调到具有最佳发动机效率及最高起动可靠性的点火角。
从已知的方法来看，为了提高废气温度，使后接的催化剂快速加热，内燃机随着发动机高速操作至时刻t0就已经切换到多级喷射操作了。此时，有部分燃料在进气冲程期间就喷射出去了，以致于这部分燃料在点火时刻就已成了均匀的混合气(均化喷射)。其余的燃料则是在压缩冲程期间，特别是后半程的二次喷射中喷出(分层喷射)。根据所述方法，在加热期间，后级喷射(分层喷射)的喷射角αEE要保持恒定。在启动了多级喷射的同时，通常都倾向于在较晚的时刻来调整点火角αz，比较一般的是在点火上止点ZOT的范围内调整。
在这里所描述的实施方式中所存在的问题是后级分层喷射的喷射时刻与点火时刻之间的时刻距离以及喷油阀与活塞头之间相对于喷射时刻的距离过短。因此，即使到了点火时刻后级喷射的燃料也无法很好地形成雾状，并输送到火花塞周围。这样就会有越来越多的燃料在点火时刻以分层充气的形式大量集中到活塞头的周围。此外，混合气处理也会由于在发动机起动t0时直接启用多级喷射操作的后级喷射而受到损害。这是因为此时发动机还是凉的，特别是活塞头也是凉的，所喷射的燃料都溅落到了活塞头、气缸壁及火花塞上，而且由于温度低无法完全汽化。混合气处理时间过短和燃烧室冰凉的后果是操作的不稳定性增加、HC排放物明显增多、故障着火，且可能出现内燃机熄火的情况。如果催化剂达到了它的起动温度，通常加热措施到了时刻tE就结束了。与启用多级喷射操作同样的是在这个位置上可以清楚地观察到一个力矩跃变。
图2显示的是内燃机按照两种非本发明的方法进行催化剂加热时，未燃烧的碳氢化合物HC排放物的测定曲线。该测定是在20℃时发动机作冷起动后，根据成像后的车速截面图VFZG，按照新的欧洲车辆周期规定NEFZ进行的。时间轴线的零点也就相当于发动机转速在起动期间超转速后第一次处在±5％的额定空转速范围内的那一时刻。空气燃料比在这两种情况下都被调整到1.0-1.1之间的弱微升值。HCsz曲线表示的是在混合气处理均匀的单级喷射操作中，在点火角最迟约为ZOT之后的10°的通常延迟点火情况下内燃机的HC排放物的变化。相反，HCME曲线则表示在所喷射燃料的50％均化、50％分层的情况下多级喷射操作中的HC排放物的变化。在这样的情况下，延迟喷射的控制终点为ZOT之前的40°，最迟的点火角约为ZOT之后的27°。在这两种测定中常用的加热措施，还有延迟点火(HCsz)及多级喷射/延迟点火(HCME)在发动机起动后都直接采用了。这两条曲线在大约3-4秒的时候都很清晰地显示出HC排放物的最大值。显然，通过多级喷射操作所能观察到的有害物排放量要比传统的延迟点火高许多。在采取了加热措施后较早些的点火角还是先维持在ZOT之前的10°左右。在大约1.5-3秒的时间内点火角根据加热措施情况可推移到最迟的点火角。在常规的延迟点火中，在全部点火角窗口内处理均匀的混合气在ZOT之前20°与ZOT之后10°之间表现出了足够的点火可靠性。惟其如此才能达到最大的100g/h HC废气排放量。反之，如果把多级喷射作为一项加热措施，那么在加热措施开始时，即点火角为ZOT之前的10°，就不可能保证着火时作混合气处理。只有在点火角推移到了有可能是最晚的点火角期间，混合气处理的情况才会有改善，HC排放物则因着火可靠性提高而减少。因此，大约190g/h的HC排放最大值显然要高于传统延迟点火的情况，此外时间上也延长了。也可以认为，在现有技术中的点火角在ZOT(比较图1)的范围内时，不可能顺利地进行混合气处理。
图3显示的是按照本发明的第一方案采取的发动机加热措施。在发动机起动终点(t1)后不久，到了时刻t2就可根据所测量或模拟的催化剂温度来识别催化剂的加热要求。紧接着就启动了具有在进气冲程中进行的前级均化喷射和在压缩冲程中进行的后级分层喷射的多级喷射操作，其中分层喷射的控制终点αEE要首先设定到一个很早的时刻，比如ZOT之前的60-80°。分层喷射的控制终点αEE随后又连续向后级方向调整。随着在时刻t2开始多级喷射操作的同时，点火角αz的渐进式后级喷射就开始了，这个喷射角在发动机起动时大概是在ZOT之前的10°。喷射角αEE和点火角αz基本上是同步后级调整，相互之间的恒定距离优选是50-100°，特别是60-80°。这时的距离可以根据发动机转速n和/或喷射压力来变化。用这种方式就可以有足够的时间来可靠地进行混合气处理。在时刻t4时，喷射角αEE和点火角αz就已经达到了它们在加热能力方面的最大给定值。例如，喷射角的控制终点αEE设定为ZOT之前的40°，点火角αz设定为ZOT之后的20-30°。所以在时刻t4之后就要采用具有最强加热效果的加热措施。在时刻t2和t4之间循序渐进地提高加热效率可以获得同现有技术相比更强的最大加热效果。由于在时刻t2时逐渐降低效率，因此就在最大程度上防止了力矩出现大的波动。此外，由于在开始时很早就出现了喷射角αEE会对分离在第二级喷射中喷射到活塞头上的燃料起反作用，这些燃料此时距喷油阀还有很长的距离。
多级喷射操作的后级喷射分层充气的形成，以及将其输送到火花塞可能都需要活塞头有相应的表面结构，特别是凹腔，以及在燃烧室内产生合适的气流比。这些措施都是能分层充气、直接喷射式的内燃机所公知的技术，这里不再作详细说明。在图3中示出的本方法的实施例对主要是在空气导流时产生分层充气操作的内燃机尤其有利。如果是直接喷射式的发动机，它利用很高的壁导向部件来进行混合气的处理，然而这种方法并不是最优的，由于离活塞还很远，多层喷射的喷油雾不能理想地转向火花塞，也就不会出现理想的燃烧曲线，这是因为雾状混合气过于离散导致HC排放量增加。
图4示出了本方法有利的改进。它在到了可以识别出催化剂加热要求的时刻t2时，先在第一阶段启动点火角αz的渐进式延迟调节，作为第一项加热措施。此时内燃机就可以用在燃烧室中分散均匀的全部燃料进行操作，燃料优选是在进气冲程期内喷入的。多级喷射操作是在点火角为ZOT之后的0°-20°，优选是10°的时刻t3启动的。这个点火角范围同时显现了一个可以稳定地均化操作的极限。尤其有利的是，在有可能是最后的均化点火角之前的几度就转换到了多级喷射操作，目的是为转换到多级喷射操作后可能需要修正点火角衔接作好力矩储备。若考虑点火角衔接，单级喷射操作时的最后点火角αz在多级喷射操作中就已被采用了，也可以在转换之后渐进地延后调节到时刻t3，直到可能是最迟的喷射角αz到达的时刻t4。它最大应在ZOT之后的35°左右。然而此时也应该考虑要有一定的力矩储备(大约±2°)，例如以便在空转操作时也能进行力矩调节。在这种情况下，分层喷射的控制终点aEE从一开始就设定到ZOT之前的理想预定值40°，随后就不再变化了，因为从多级喷射开始终点(t3)，点火角αz和喷射角aEE之间就有足够的距离。因此即使是在多级喷射操作期间也可以始终保证足够的混合气处理和最佳的燃烧曲线。在这个示例中，虽然在时刻t1的发动机起动终点后迟滞了几个工作循环，但还是在时刻t4达到了最大的废气温度。
图5示出了本方法的另一有利的改进。在这样的情况下，点火角αz基本上是类似于前述示例来控制。点火角αz为ZOT之后的大约10°时重新启动多级喷射操作，其中对于分层喷射而言，喷射角αEE的控制终点优选先调节到ZOT之前的50-70°。随后点火角αEE与喷射角αz同步渐进地延迟调节，直至达到时刻t4时喷射角αEE和点火角αz才算达到了它们所期望的区域，此时的加热效果最好。从这一时刻开始两个角都保持恒定。在整个多级喷射操作期间，喷射角αEE和点火角αz都有一个持续恒定的、必要时可依据发动机转速和/或喷射压力来调整的50-100°的距离，优选是60-80°，这样就可实现最佳的混合气处理。图5中示出的示例给出了解决力矩均衡、有害物质排放和操作稳定性问题的优化方案。
只要内燃机一直处在恒定的要求负荷的操作中，比如空转操作，那么优选按反向顺序取消发动机的加热措施。图6显示的是相对应的实施例。在时刻t5例如借助所测定和/或模拟的催化剂温度来识别催化剂，优选是预催化剂的饱和加热状态。或者，这个点也可借助自发动机起动终点t1以来所经过时间、自发动机起动终点以来的转动情况、所走过的路程和/或所产生的热流加以识别。在时刻t5，不仅分层喷射的控制终点αEE，而且点火角αz也都要连续地进行调节，且与前一个时刻相互保持一个基本相同的距离，必要时可依据工作点进行修正。只要达到点火角αz，此时例如可能是均化操作，多级喷射就要结束(时刻t6)。随后还要循序渐进地对点火角αz做前级调节，直至达到内燃机实际工作点所需的点火角为止。
相反，如果到了结束加热的时刻，即此时建立起了有效的负荷要求，例如在开始起动或加速时，则如同图7所示的那样，直接取消在时刻tE所采取的所有加热措施，把现有的充气直接用于负荷要求的转化。特别是结束多级喷射操作，并把点火角αz调节到对实际工作点最佳的范围。
参考符号表
αz 点火角
αEE 分层喷射操控终点(喷射角)
HCME 在采用常规多级喷射进行催化剂加热时的HC排放量
HCsz 在采用常规延迟点火进行催化剂加热时的HC排放量
KWW 曲轴角
n 发动机转速
t 时间
t1 发动机起动终点
VFZG 车速
ZOT 点火上止点