專利名稱：均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機和操作該均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種優(yōu)化用作專用發(fā)電機等的固定式發(fā)動機的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的發(fā)動機可分成兩類火花點火(SI)發(fā)動機和柴油機。可通過使空-燃混合氣變稀薄來提高SI發(fā)動機的熱效率。然而，火花可以擴散的濃度比受到一定的限制。因此，SI發(fā)動機需要節(jié)氣門來調(diào)整空氣的量。結(jié)果，SI發(fā)動機的熱效率劣于柴油機的熱效率。相反，柴油機具有令人滿意的熱效率。然而，柴油機不能將燃料和空氣充分混合。結(jié)果，因燃料在高溫下的局部燃燒而容易產(chǎn)生NOx，而且，因局部富化而容易產(chǎn)生積炭。
與這些發(fā)動機相比，均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機可預(yù)混合空氣和燃料。這樣，局部高溫燃燒或富化加濃出現(xiàn)的機率比較小，NOx和積炭的產(chǎn)生量也較微弱。另外，在均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機中，化學(xué)變化會觸發(fā)點火。這樣，對濃度比的依賴性較SI發(fā)動機低。結(jié)果，均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機能夠使空-燃混合氣變得非常稀薄，同時實現(xiàn)與柴油機相同水平的熱效率。由于具有這種優(yōu)點，均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機引起了廣泛關(guān)注。然而，在均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機中，過熱會導(dǎo)致突燃，而加熱不足會導(dǎo)致不著火。因此與其它發(fā)動機相比，不著火、爆震和早燃傾向于更容易發(fā)生。這就容易縮小均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的操作范圍。
已經(jīng)提出了一種利用了均質(zhì)充量壓燃的低NOx排放的四沖程發(fā)動機，該發(fā)動機降低了與廢氣一起排放的碳氫化合物(HC)的量(例如參考日本公開特許公報No.2000-64863)。該出版物中描述的發(fā)動機包括可以根據(jù)發(fā)動機負荷的高或低來改變進氣門和排氣門的氣門正時的可調(diào)氣門促動機構(gòu)。當(dāng)發(fā)動機負荷較高時，將氣門正時設(shè)置成在活塞接近上止點時排氣門關(guān)閉。當(dāng)發(fā)動機負荷較低時，隨著負荷降低，將氣門正時設(shè)置成在排氣沖程期間，在活塞到達上止點之前排氣門在較早的時間關(guān)閉。另外，當(dāng)發(fā)動機處于高負荷狀態(tài)時，設(shè)置于燃燒室中的點火器在活塞接近壓縮上止點時點燃燃料并使之燃燒。當(dāng)發(fā)動機負荷較低時，發(fā)動機進行均質(zhì)充量壓燃，而不是用點火器來點燃燃料。也就是說，在均質(zhì)充量壓燃過程中，可調(diào)氣門促動機構(gòu)調(diào)整排氣門關(guān)閉的時間，從而執(zhí)行內(nèi)部廢氣再循環(huán)(EGR)。
還已經(jīng)提出了一種使一些廢氣再循環(huán)并將再循環(huán)廢氣充入預(yù)混合氣中以使點火容易發(fā)生的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機(例如參考日本公開特許公報No.2000-240513)。該出版物提出使用可加熱可燃氣體、進氣或空-燃混合氣的熱交換器。熱交換器加熱預(yù)混合氣，從而使點火在發(fā)動機中容易發(fā)生。該出版物給出了以水加熱器產(chǎn)生的熱水或發(fā)動機廢氣作為熱交換器熱源的實例。
還提出了一種均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機，其包括向燃燒室供應(yīng)增壓空氣(進氣)的增壓器、用冷卻液來冷卻增壓器所供應(yīng)和加熱的空氣的冷卻機構(gòu)，以及用于檢測增壓器的增壓狀態(tài)的增壓檢測機構(gòu)(例如參考日本公開特許公報No.2001-221075)。均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的廢氣驅(qū)動該增壓器。冷卻塔用空氣來冷卻冷卻液。該均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機還包括用于設(shè)定燃料供應(yīng)量以設(shè)定預(yù)混合氣的濃度比設(shè)定機構(gòu)，以及用于設(shè)定供應(yīng)到燃燒室內(nèi)的空氣的溫度的空氣溫度設(shè)定機構(gòu)。該發(fā)動機存儲了相對于濃度比和在增壓狀態(tài)下所供應(yīng)的空氣溫度的發(fā)動機輸出。該發(fā)動機還包括輸出設(shè)定機構(gòu)，其通過根據(jù)上述存儲關(guān)系操作上述兩個設(shè)定機構(gòu)來設(shè)定發(fā)動機輸出，以便調(diào)整濃度比和供應(yīng)空氣的溫度。
在日本公開特許公報No.2000-64863中所描述的發(fā)動機執(zhí)行內(nèi)部EGR以提高預(yù)混合氣的溫度并促進點火。然而，當(dāng)發(fā)動機處于怠速時，在只使用內(nèi)部EGR的情況下，用于加熱預(yù)混合氣的熱能不足。在此狀況下，均質(zhì)充量壓燃就變得不穩(wěn)定。
在日本公開特許公報No.2000-240513中描述了一種使一些廢氣再循環(huán)到進氣通道中并將廢氣充入預(yù)混合氣中以加熱預(yù)混合氣的方法，即利用內(nèi)部EGR來提高預(yù)混合氣的溫度的方法，該方法具有較低的熱效應(yīng)。這是因為高效率的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機會產(chǎn)生較低的廢氣溫度。這樣，利用廢氣再循環(huán)(外部EGR)稍微提高了進氣的溫度。然而。空-燃混合氣的比熱也提高了。這會降低活塞壓縮端(上止點)處的溫度，進而影響點火。
在日本公開特許公報No.2000-240513中描述的另一種方法采用以廢氣或熱水作為熱源的熱交換器來加熱預(yù)混合氣。在該方法中，由于較低的廢氣溫度和延伸穿過熱交換器的通道的長度的關(guān)系，要將預(yù)混合氣加熱到足夠的溫度是比較困難的。該出版物描述了一種用于加熱以獲得熱水的熱水器?？紤]到該熱水器的燃料消耗，盡管均質(zhì)充量壓燃可以確保較高的燃燒效率，然而要提高整臺設(shè)備的能量效率仍是比較困難的。另外，為了只使用進氣來將空-燃混合氣加熱到可以穩(wěn)定均質(zhì)充量壓燃的溫度，那么進氣溫度必須升高到120攝氏度或更高。因此，當(dāng)使用熱水時，必須要采取例如給熱水施加壓力的措施，以便使熱水不會沸騰。
如日本公開特許公報No.2001-221075中所述，均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機包括采用可供應(yīng)增壓空氣(進氣)的增壓器來加熱空-燃混合氣的機構(gòu)。這樣便可在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時獲得必要的熱量。然而，當(dāng)發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，預(yù)混合氣的加熱就不足了。如果使用另一個驅(qū)動源如電動機來驅(qū)動增壓器，那么該增壓器將能夠使空氣增壓。然而，這會消耗能量。另外，使用增壓器會導(dǎo)致用于進氣的復(fù)雜的溫度調(diào)整機構(gòu)。例如，必須使用冷卻機構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機，該發(fā)動機可用簡單的結(jié)構(gòu)使得均質(zhì)充量壓燃能在較寬的范圍內(nèi)進行。本發(fā)明的另一個目的是提供一種操作這種發(fā)動機的方法。
本發(fā)明的一個方面是一種采用燃料與含氧氣體的混合氣來操作的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機。該發(fā)動機包括用于供應(yīng)燃料與含氧氣體的混合氣的燃燒室。往復(fù)運動的活塞壓縮并點燃燃燒室中的混合氣?；钊耐鶑?fù)運動促使輸出軸轉(zhuǎn)動。進氣門和排氣門可打開和關(guān)閉燃燒室?？烧{(diào)氣門促動機構(gòu)可打開和關(guān)閉進氣門或排氣門，以便進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)。在將含氧氣體或混合氣供應(yīng)到燃燒室中之前，由加熱器來加熱含氧氣體或混合氣。存儲裝置存儲了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的進行均質(zhì)充量壓燃所必需的內(nèi)部廢氣再循環(huán)的量和由加熱器加熱的含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)的對應(yīng)信息?？刂破骺刂瓶烧{(diào)氣門促動機構(gòu)和加熱器，以實現(xiàn)與發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)。
本發(fā)明的另一方面是一種操作均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的方法。該方法包括向具有活塞的燃燒室供應(yīng)燃料與含氧氣體的混合氣，使活塞在燃燒室中往復(fù)運動以壓縮并點燃混合氣，通過活塞的往復(fù)運動促使輸出軸轉(zhuǎn)動，通過進氣門和排氣門來打開和關(guān)閉燃燒室，驅(qū)動可調(diào)氣門促動機構(gòu)來打開和關(guān)閉進氣門或排氣門以便進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)，存儲表示了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的進行均質(zhì)充量壓燃所必需的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)的對應(yīng)信息，根據(jù)該對應(yīng)信息來確定發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速是否處于能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)，以及在所需負荷和所需轉(zhuǎn)速處于能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)時，基于該對應(yīng)信息來控制可調(diào)氣門促動機構(gòu)，以實現(xiàn)與發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)，同時，在向燃燒室供應(yīng)含氧氣體或混合氣之前加熱含氧氣體或混合氣。
本發(fā)明的另一方面是一種操作均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的方法。該方法包括向具有活塞的燃燒室供應(yīng)燃料與含氧氣體的混合氣，使活塞在燃燒室中往復(fù)運動以壓縮并點燃混合氣，通過活塞的往復(fù)運動促使輸出軸轉(zhuǎn)動，通過進氣門和排氣門來打開和關(guān)閉燃燒室，驅(qū)動可調(diào)氣門促動機構(gòu)來打開和關(guān)閉進氣門或排氣門以便進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)，存儲表示了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的進行均質(zhì)充量壓燃所必需的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)的特性圖(map)，基于該特性圖來控制可調(diào)氣門促動機構(gòu)，以實現(xiàn)與發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)，同時在向燃燒室供應(yīng)含氧氣體或混合氣之前加熱含氧氣體或混合氣，以及在通過進行均質(zhì)充量壓燃操作不能實現(xiàn)發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速時進行火花點火操作。
從下述描述中并結(jié)合通過示例顯示了本發(fā)明原理的附圖，可以清楚本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點。


通過參考下面的對現(xiàn)有優(yōu)選實施例的描述并結(jié)合附圖，可以最佳地理解本發(fā)明及其目的和優(yōu)點，其中圖1是顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的示意圖；圖2(a)是特性圖，其顯示了相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的在進行均質(zhì)充量壓燃時圖1所示發(fā)動機的操作范圍；圖2(b)是詳細顯示了圖2(a)中被虛線所包圍部分的示意圖；圖3(a)和3(b)是顯示了圖1所示發(fā)動機中的進氣門和排氣門的打開和關(guān)閉正時的示意圖；圖4是顯示了圖1所示均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的操作控制的流程圖；圖5(a)和5(b)是顯示了圖1所示發(fā)動機所進行的內(nèi)部EGR的不同階段的示意圖；圖6是顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的示意圖；圖7是顯示了圖6所示均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的操作控制的流程圖；圖8(a)是特性圖，其顯示了相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的在進行均質(zhì)充量壓燃時根據(jù)本發(fā)明第三實施例的發(fā)動機的操作范圍；圖8(b)、8(c)和8(d)是詳細顯示了圖8(a)中的部分的示意圖；和圖9是特性圖，其顯示了相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的在進行均質(zhì)充量壓燃時根據(jù)本發(fā)明另一實施例的發(fā)動機的操作范圍。
具體實施例方式
下面將參照圖1到5來描述本發(fā)明的第一實施例。均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10(下文簡稱為發(fā)動機)包括發(fā)動機體11和可電子式控制發(fā)動機10的控制器12。
該發(fā)動機體11包括容納了多個氣缸13a(圖1中只示出一個)的氣缸體13和氣缸蓋14?；钊?5在各氣缸13a中往復(fù)運動。在各氣缸13a中的活塞15和氣缸蓋14之間形成有燃燒室16。在進氣和壓縮沖程之后，燃燒室16中的空-燃混合氣的燃燒所產(chǎn)生的力驅(qū)動活塞15在氣缸13a中往復(fù)運動?；钊?5的往復(fù)運動通過連桿17轉(zhuǎn)化為用作輸出軸的曲柄軸18的旋轉(zhuǎn)運動，從而產(chǎn)生發(fā)動機體11的輸出。發(fā)動機體11是一個四沖程內(nèi)燃機。
對各氣缸13a而言，在氣缸蓋14內(nèi)設(shè)置有用于打開和關(guān)閉進氣口19的進氣門20以及用于打開和關(guān)閉排氣口21的排氣門22?？烧{(diào)氣門促動機構(gòu)23和24可分別改變進氣門20和排氣門22的打開和關(guān)閉正時。可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24可獨立地打開和關(guān)閉進氣門20和排氣門22。可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24例如由電磁驅(qū)動器或液壓促動器形成。
延伸到進氣口19中的進氣通道25和從排氣口21中延伸出來的排氣通道26連接到氣缸蓋14上。在進氣通道25內(nèi)設(shè)置有燃料噴嘴27。該燃料噴嘴27通過管子28連接到燃油箱(未示出)中。在管子28內(nèi)設(shè)置有用于控制燃料供應(yīng)量的電磁控制閥29。在該實施例中采用天然氣作為燃料。另外，在進氣通道25中的燃料噴嘴27的上游設(shè)置有空氣濾清器30和節(jié)氣門31。節(jié)氣門31由節(jié)氣門電機32(電動機)電氣式地操作。節(jié)氣門31的開度的調(diào)整可以調(diào)節(jié)進入燃燒室16的進氣的流率。
在進氣通道25內(nèi)設(shè)有用于加熱進氣的加熱器33。在該實施例中，加熱器33由可在廢氣和進氣之間交換熱量的熱交換器形成。排氣通道26分出兩條通道。一個分支通道26a與加熱器33相連。流過分支通道26a的廢氣與進氣交換熱量，然后釋放入大氣。流過另一分支通道26b的廢氣直接釋放入大氣。電磁三通閥34設(shè)置在排氣通道26的分叉部分處，以便在0到100％范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流過分支通道26a的廢氣的百分比。也就是說，三通閥34在其中來自排氣通道26的所有廢氣流向分支通道26b而不流過分支通道26a和加熱器33的狀態(tài)與其中所有廢氣都流向分支通道26b而排放到大氣中去的狀態(tài)之間調(diào)節(jié)廢氣的量。該三通閥34可以是滑閥。
在進氣通道25內(nèi)的加熱器33的下游和燃料噴嘴27的上游設(shè)置了可檢測進氣通道25內(nèi)的溫度的溫度傳感器35和可檢測進氣的流率的空氣流量計36。
可控制發(fā)動機10操作的控制器12控制可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24、電磁控制閥29、節(jié)氣門電機32和三通閥34，以便滿足由輸出設(shè)定機構(gòu)37所設(shè)定的發(fā)動機10的負荷和轉(zhuǎn)速。
控制器12包含有微型計算機38。微型計算機38包括起存儲裝置作用的存儲器39(ROM和RAM)。溫度傳感器35、空氣流量計36、用于檢測發(fā)動機體11內(nèi)的冷卻液溫度的冷卻液溫度傳感器40以及用于檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速或者曲軸18的轉(zhuǎn)速的速度傳感器41均電連接到控制器12的輸入部分(輸入界面)。可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24、電磁控制閥29、節(jié)氣門電機32和三通閥34均電連接到控制器12的輸出部分(輸出界面)。
基于傳感器輸出的檢測信號，控制器12確定發(fā)動機10的操作狀態(tài)，并控制可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24、電磁控制閥29、節(jié)氣門電機32和三通閥34，從而將發(fā)動機10調(diào)整到預(yù)定的操作狀態(tài)。
存儲器39存儲用來確定指令值(控制值)以根據(jù)發(fā)動機10的操作狀態(tài)來控制發(fā)動機10的特性圖、公式等等，該操作狀態(tài)是由來自溫度傳感器35、空氣流量計36、冷卻液溫度傳感器40和速度傳感器41的檢測信號確定的。該特性圖和公式包括用來確定例如燃料噴射量和節(jié)氣門開度的特性圖和公式。
存儲器39存儲有均質(zhì)充量壓燃的操作特性圖，該特性圖顯示了相對于曲軸18的轉(zhuǎn)速和負荷的能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的內(nèi)部EGR量和由加熱器33所加熱的進氣的加熱狀態(tài)。參照圖2(a)，用作對應(yīng)信息的均質(zhì)充量壓燃操作特性圖M顯示了相對于曲軸18(即發(fā)動機10)的負荷和轉(zhuǎn)速的可以實現(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的范圍。如圖2(a)所示，均質(zhì)充量壓燃的可能范圍包括通過只使用內(nèi)部EGR來加熱空-燃混合氣以使燃燒穩(wěn)定進行的第一區(qū)域A1，以及通過內(nèi)部EGR來加熱空-燃混合氣和通過加熱器33來加熱進氣這兩者都進行的第二區(qū)域A2。與只用內(nèi)部EGR來進行加熱時相比，通過同時進行用內(nèi)部EGR來加熱空-燃混合氣和用加熱器33來加熱進氣這兩者，就擴大了在發(fā)動機10的負荷和轉(zhuǎn)速較低時的均質(zhì)充量壓燃的范圍以及在發(fā)動機10的負荷和轉(zhuǎn)速較高時的均質(zhì)充量壓燃的范圍。
基于特性圖M，控制器12控制可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24以及加熱器33，從而實現(xiàn)與發(fā)動機10的所需負荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部EGR量和進氣的加熱狀態(tài)。汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機都可進行內(nèi)部EGR。然而，在這種情況下，內(nèi)部EGR的比率為幾個百分比到幾十個百分比。在本發(fā)明中，內(nèi)部EGR進行為使得內(nèi)部EGR的比率高于幾個百分比到幾十個百分比。在本實施例中，內(nèi)部EGR進行為使得內(nèi)部EGR的比率為30到80％。內(nèi)部EGR的比率指燃燒室16中的已燃氣體相對于燃燒室16中的氣體總量的比例。
下面將描述發(fā)動機10的運行。
控制器12從冷卻液溫度傳感器40、速度傳感器41等的檢測信號中來確定發(fā)動機體11的運行狀態(tài)。另外，控制器12計算發(fā)動機10的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負荷，在滿足或接近滿足由輸出設(shè)定機構(gòu)37所設(shè)定的發(fā)動機所需轉(zhuǎn)速和負荷的狀態(tài)下來進行均質(zhì)充量壓燃操作。另外，控制器12控制電磁控制閥29、節(jié)氣門電機32、可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24和三通閥34，以獲得適合于實現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負荷的燃燒狀態(tài)，也就是說，獲得合適的空-燃比、內(nèi)部EGR量和進氣的加熱狀態(tài)。
根據(jù)圖4的流程圖來執(zhí)行均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的操作。首先，在步驟S1中，發(fā)動機10進行預(yù)熱操作?？刂破?2向電磁控制閥29和節(jié)氣門電機32輸出指令信號，以實現(xiàn)可滿足存儲于存儲器39中的預(yù)熱操作條件的空-燃比。另外，控制器12向可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24輸出指令信號，以實現(xiàn)能滿足預(yù)熱操作條件的內(nèi)部EGR量。
然后，在步驟S2中，控制器12基于冷卻液溫度傳感器40的檢測信號來確定發(fā)動機10是否已預(yù)熱。也就是說，控制器12確定冷卻液溫度傳感器40的檢測溫度是否大于或等于表明發(fā)動機10已經(jīng)預(yù)熱的值。如果預(yù)熱已經(jīng)完成，控制器12則前進到步驟S3，如果預(yù)熱未完成，控制器12則回到步驟S1。表明發(fā)動機10已預(yù)熱的冷卻液溫度事先經(jīng)實驗得到，并存儲于存儲器39中。
在步驟S3中，控制器12確定當(dāng)前的冷卻液溫度是否大于與發(fā)動機10的所需轉(zhuǎn)速和負荷相對應(yīng)的值(調(diào)節(jié)值)。如果冷卻液溫度大于調(diào)節(jié)值，控制器12則前進到步驟S4，如果冷卻液溫度小于或等于調(diào)節(jié)值，控制器12則前進到步驟S5。調(diào)節(jié)值是通過調(diào)整用內(nèi)部EGR和加熱器33進行加熱的條件來實現(xiàn)與所需轉(zhuǎn)速和負荷相對應(yīng)的穩(wěn)定均質(zhì)充量壓燃(HCCI)的發(fā)動機體11的溫度。另外，調(diào)節(jié)值可事先經(jīng)實驗得到，并存儲于存儲器39中。
在步驟S4中，控制器12從圖2(a)的特性圖M中確定所需的轉(zhuǎn)速和負荷是否包含在均質(zhì)充量壓燃的操作范圍內(nèi)。如果所需的轉(zhuǎn)速和負荷包含在均質(zhì)充量壓燃的操作范圍內(nèi)，控制器12則前進到步驟S6，如果所需的轉(zhuǎn)速和負荷處于均質(zhì)充量壓燃的操作范圍之外，控制器12則前進到步驟S5。在步驟S5中，控制器12向可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24以及三通閥34發(fā)出指令信號，從而達到能夠在當(dāng)前冷卻液溫度下實現(xiàn)接近所需轉(zhuǎn)速和負荷的均質(zhì)充量壓燃的操作條件。也就是說，在當(dāng)前冷卻液溫度下，控制器12向可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24發(fā)出指令信號，以獲得與接近于所需轉(zhuǎn)速和負荷的值相對應(yīng)的內(nèi)部EGR量。控制器12還向三通閥34發(fā)出指令信號，以將進氣加熱到與所需轉(zhuǎn)速和負荷接近的值相對應(yīng)的狀態(tài)。
在步驟S6中，控制器12確定進氣是否必須要由加熱器33加熱。如果必須要進行加熱，該控制器則前進到步驟S7，如果不必進行加熱，該控制器則前進到步驟S8。在步驟S7中，控制器12向三通閥34發(fā)出指令信號，以便向加熱器33供應(yīng)與所需的轉(zhuǎn)速和負荷相對應(yīng)的加熱進氣所必須的廢氣量。然后，控制器12前進到步驟S9。在步驟S8中，控制器12向三通閥34發(fā)出指令信號，以使加熱器33不加熱進氣。換句話說，控制器12向三通閥34發(fā)出指令信號，以便不向加熱器33供應(yīng)廢氣。然后，控制器12前進到步驟S9。
在步驟S9中，控制器12向可調(diào)氣門促動機構(gòu)24發(fā)出指令信號，以實現(xiàn)發(fā)動機10的所需轉(zhuǎn)速和負荷。換句話說，控制器12向可調(diào)氣門促動機構(gòu)24發(fā)出指令信號，以實現(xiàn)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負荷一致的排氣門22的關(guān)閉正時，或者排氣門關(guān)閉(EVC)正時?？刂破?2向電磁控制閥29和節(jié)氣門電機32發(fā)出指令信號，以實現(xiàn)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負荷相對應(yīng)的空-燃比(A/E)。結(jié)果，發(fā)動機10可以在所需的轉(zhuǎn)速和負荷下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
更具體地說，該特性圖M形成為使得表示了相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的內(nèi)部EGR量的帶狀區(qū)域(A1)與表示了相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的內(nèi)部EGR量和加熱狀態(tài)的帶狀區(qū)域(A2)部分地相互重疊。參考圖2(b)，該特性圖形成為使得第一區(qū)域A1的帶狀部分和第二區(qū)域A2的帶狀部分在第一區(qū)域A1和第二區(qū)域A2的邊界處重疊。因此，當(dāng)發(fā)動機10的操作條件從未使用加熱器33的第一區(qū)域A1轉(zhuǎn)變到使用加熱器33的第二區(qū)域A2時，加熱器33被控制成在發(fā)動機10與第一區(qū)域A1的邊界部分A1相對應(yīng)的狀態(tài)下開始加熱。這對于將空-燃混合氣平穩(wěn)地加熱到所需溫度來說是優(yōu)選的。
在本發(fā)明中，當(dāng)進行均質(zhì)充量壓燃時，通過內(nèi)部EGR來加熱空-燃混合氣以促進點火。當(dāng)只使用內(nèi)部EGR來加熱是不充分時，例如在低負荷運轉(zhuǎn)的期間，則使用加熱器33。這就擴大了可在低負荷高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行均質(zhì)充量壓燃的操作范圍。也就是說，當(dāng)只進行內(nèi)部EGR時，圖2(a)所示的第一區(qū)域A1與可在相應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷下穩(wěn)定地進行均質(zhì)充量壓燃的范圍相對應(yīng)。當(dāng)與內(nèi)部EGR一起使用加熱器33時，可以穩(wěn)定地進行均質(zhì)充量壓燃的范圍被擴大到第二區(qū)域A2。
當(dāng)周圍溫度在25攝氏度左右時，即使不用加熱器33加熱進氣，進氣在到達發(fā)動機體11入口處時其溫度也會變成約40攝氏度。優(yōu)選用加熱器33來加熱進氣，以便使發(fā)動機體11入口處的進氣溫度為80到90攝氏度。
圖3(a)和3(b)是顯示了可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24的氣門正時的一個實例的示意圖。如圖3(a)和3(b)中所示，當(dāng)活塞15經(jīng)過上止點(TDC)并向下止點(BDC)運動時，進氣門20打開(IVO)。當(dāng)活塞15經(jīng)過下止點(BDC)并向上止點(TDC)運動時，進氣門20關(guān)閉(IVC)。另外，當(dāng)活塞15接近下止點(BDC)時，排氣門22打開(EVO)，而當(dāng)活塞15經(jīng)過下止點(BDC)并向上止點(TDC)運動時，排氣門22關(guān)閉(EVC)。也就是說，如圖3(b)中所示，當(dāng)活塞15從排氣沖程向進氣沖程轉(zhuǎn)變時，排氣門22處于打開狀態(tài)和進氣門20處于打開狀態(tài)沒有重疊的期間。
在本實施例中，如圖5(a)中所示的狀態(tài)，在排氣沖程期間，排氣門22關(guān)閉，從而將一些燃燒廢氣封入在燃燒室16中。從圖5(a)中的狀態(tài)開始，活塞15將被進一步提升以壓縮和加熱燃燒廢氣。如圖5(b)中所示的狀態(tài)，當(dāng)活塞15經(jīng)過上止點并向下止點運動時，進氣門打開，用于下一循環(huán)的新鮮空-燃混合氣(剛向燃燒室16提供的混合氣)與加熱過的燃燒廢氣混合。調(diào)整排氣門22的關(guān)閉正時(EVC)，以使內(nèi)部EGR的比率處于30到80％的范圍內(nèi)。與排氣門22的關(guān)閉正時EVC相對應(yīng)的曲柄角例如為68度到92度。
本實施例具有下述優(yōu)點。
(1)均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10包括存儲了均質(zhì)充量壓燃操作特性圖M的存儲器39，該特性圖M顯示了可實現(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的內(nèi)部EGR量和由加熱器33加熱的進氣的狀態(tài)之間的關(guān)系?；谠撎匦詧DM，控制器12便可控制可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24以及加熱器33，從而實現(xiàn)與所需的負荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部EGR量和進氣的加熱狀態(tài)。因此，發(fā)動機10用簡單的結(jié)構(gòu)擴大了均質(zhì)充量壓燃的操作范圍。另外，基本上用內(nèi)部EGR所產(chǎn)生的熱量來加熱混合氣。這就降低了加熱器33所需的熱能。因此，在均質(zhì)充量壓燃期間通過使用廢熱便可確保足夠的可操控性(可在較寬范圍的所需發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷內(nèi)適用)。
(2)可控制排氣門22的打開和關(guān)閉正時(EVC)，以使內(nèi)部EGR的比率處于30到80％范圍內(nèi)。因此，可以有效地進行用內(nèi)部EGR來加熱混合氣。這樣就可穩(wěn)定均質(zhì)充量壓燃。
(3)加熱器33是可在廢氣和進氣之間交換熱量的熱交換器。發(fā)動機10運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量被有效地用于均質(zhì)充量壓燃。因此，即使如果發(fā)動機10處于怠速，也可以令人滿意的效率來進行均質(zhì)充量壓燃，不需要從外部設(shè)備中提供熱能。與使用其它加熱器相比，這樣降低了能量消耗。另外，即使對高負荷操作來說降低了內(nèi)部EGR量，廢熱也補償了熱能的不足。這樣就可以稀薄的空-燃混合氣來進行高效率且穩(wěn)定的均質(zhì)充量壓燃。這使得可以擴大發(fā)動機10的運行范圍，不需要從外部設(shè)備中提供熱能。
(4)通過在排氣沖程期間關(guān)閉排氣門22并將一些燃燒廢氣封入到燃燒室16中來進行內(nèi)部EGR。與在進氣沖程期間暫時性地打開和關(guān)閉排氣門22，并將排氣口21中的廢氣經(jīng)排氣門22抽回到燃燒室16中以使廢氣與新鮮空-燃混合氣相混合時相比，這樣方便了排氣門22的打開和正時控制。
(5)基于均質(zhì)充量壓燃的操作特性圖M，控制器12確定所需的負荷和轉(zhuǎn)速是否包括在均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)。如果所需的負荷和轉(zhuǎn)速處于均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)，控制器12就基于特性圖M來控制可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24以及加熱器33，從而實現(xiàn)與所需的負荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部EGR量和進氣或空-燃混合氣的加熱狀態(tài)。因此就可以在穩(wěn)定的狀態(tài)中進行均質(zhì)充量壓燃操作。
(6)可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24由電磁驅(qū)動器或液壓促動器形成。因此，可以自由地改變排氣門22的關(guān)閉正時。這就促進了對內(nèi)部EGR比率的控制。另外，當(dāng)向燃燒室16供應(yīng)空-燃混合氣時，進氣門20的打開正時(IVO)的調(diào)整促進了對空-燃混合氣和內(nèi)部EGR氣體的混合狀態(tài)的調(diào)整。
(7)當(dāng)所需的負荷和轉(zhuǎn)速未包括在均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)時，發(fā)動機10在與均質(zhì)充量壓燃范圍內(nèi)的接近所需負荷和轉(zhuǎn)速的一定負荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的EGR量和進氣加熱狀態(tài)下操作(步驟S5)。因此，當(dāng)所需的負荷和轉(zhuǎn)速未處于均質(zhì)充量壓燃范圍內(nèi)時，發(fā)動機在接近與所需的負荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的范圍的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。
下面將參照圖6和7來描述第二實施例。本實施例的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10與第一實施例中的有很大的不同，即其可進行均質(zhì)充量壓燃和火花點火(SI)。更具體地說，第二實施例的發(fā)動機10與第一實施例的不同在于它包括點火器。為避免重復(fù)，與第一實施例中的對應(yīng)部件相同的那些部件用類似或相同的標(biāo)號來表示。這樣的部件將不進行詳細描述。圖6顯示了第二實施例的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的示意圖。圖7顯示了該均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的操作控制的流程圖。
參考圖6，在各燃燒室16的氣缸蓋14上設(shè)置有起點火器作用的火花塞42?；鸹ㄈ?2具有暴露在相應(yīng)燃燒室16內(nèi)的點火部分。除了圖2(a)中的均質(zhì)充量壓燃的操作特性圖M之外，存儲器39還存儲了火花點火的操作特性圖(未示出)。當(dāng)所需的發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速未包括在均質(zhì)充量壓燃的特性圖內(nèi)M時，控制器12進行火花點火操作?？刂破?2根據(jù)圖7的流程圖來控制均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的操作。
圖7的流程圖與第一實施例中的流程圖的區(qū)別僅在于，其包括代替了步驟S5的步驟S10。在步驟S1中以同在第一實施例中一樣的方式進行預(yù)熱操作。然而，該預(yù)熱操作由火花點火操作來進行。然后，在所需的負荷和轉(zhuǎn)速處于均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)時，控制器12進行均質(zhì)充量壓燃操作，而在所需的負荷和轉(zhuǎn)速未包括在均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)時，控制器12前進到步驟S10。在步驟S10中，基于火花點火的操作特性圖，控制器12控制電磁控制閥29和節(jié)氣門電機32，以實現(xiàn)與目標(biāo)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷相對應(yīng)的空-燃比和點火正時。
除了優(yōu)點(1)到(6)之外，本實施例還具有下述優(yōu)點。
(8)燃燒室16包括可進行火花點火的火花塞42因此，與第一實施例的發(fā)動機10相比，該發(fā)動機10可適用于較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷。
(9)除了均質(zhì)充量壓燃的操作特性圖M之外，存儲器39還存儲有火花點火的操作特性圖。因此，當(dāng)通過均質(zhì)充量壓燃操作不能實現(xiàn)所需的負荷和轉(zhuǎn)速時，控制器12可以容易地轉(zhuǎn)換到可實現(xiàn)所需的負荷和轉(zhuǎn)速的火花點火操作。
下面將描述本發(fā)明的第三實施例。在該實施例中，均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10與第一實施例和第二實施例有很大的不同，即，甚至在很高的負荷范圍內(nèi)也可以進行均質(zhì)充量壓燃，而僅通過內(nèi)部EGR無法在該范圍內(nèi)進行均質(zhì)充量壓燃。均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的硬件結(jié)構(gòu)與圖6所示的第二實施例中的一樣。存儲在存儲器39中的程序中的一部分與第二實施例中的不同。為避免重復(fù)，與第一實施例和第二實施例中的對應(yīng)部件相同的那些部件采用類似或相同的標(biāo)號來表示。這樣的部件將不進行詳細描述。圖8(a)是特性圖，其顯示了均質(zhì)充量壓燃范圍內(nèi)的發(fā)動機10的轉(zhuǎn)速和負荷之間的關(guān)系。圖8(b)、8(c)和8(d)顯示了圖8(a)中被虛線所包圍的部分。
存儲器39存儲了圖8(a)中所示的特性圖M2。該特性圖M2是顯示了可實現(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的EGR量和進氣的加熱狀態(tài)之間的關(guān)系的均質(zhì)充量壓燃的操作特性圖。該均質(zhì)充量壓燃的操作特性圖M2顯示了相對于發(fā)動機10的負荷和轉(zhuǎn)速的均質(zhì)充量壓燃的范圍(A1、A2和A3)。
參考圖8(a)，均質(zhì)充量壓燃范圍包括第一區(qū)域A1、第二區(qū)域A2和第三區(qū)域A3。在第一區(qū)域A1內(nèi)，用內(nèi)部EGR加熱混合氣以穩(wěn)定燃燒。在第二區(qū)域A2內(nèi)，用內(nèi)部EGR加熱混合氣，用加熱器33加熱進氣。在第三區(qū)域A3內(nèi)，用內(nèi)部EGR加熱混合氣，用加熱器33加熱進氣。換句話說，通過在圖2(a)所示的特性圖M中添加第三區(qū)域A3形成了特性圖M2。
第二區(qū)域A2覆蓋了低負荷范圍和高轉(zhuǎn)速范圍，在該低負荷范圍內(nèi)，僅用內(nèi)部EGR加熱混合氣不能穩(wěn)定燃燒，而在該高轉(zhuǎn)速范圍，僅用內(nèi)部EGR加熱混合氣不能穩(wěn)定燃燒。第三區(qū)域A3覆蓋了高負荷范圍以及高負荷高轉(zhuǎn)速范圍，在該高負荷范圍內(nèi)，僅用內(nèi)部EGR加熱混合氣不能穩(wěn)定燃燒，而在該高負荷高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，僅用內(nèi)部EGR加熱混合氣不能穩(wěn)定燃燒。在特性圖M2中，第一區(qū)域A1和第三區(qū)域A3之間的邊界部分(圖8(c))以及第二區(qū)域A2和第三區(qū)域A3之間的邊界部分(圖8(d))的形成方式與第一區(qū)域A1和第二區(qū)域A2之間的邊界部分(圖8(b))的形成方式相同。更具體地說，在圖8(c)中，顯示出相對于轉(zhuǎn)速和負荷的內(nèi)部EGR量和加熱狀態(tài)的帶狀區(qū)域(A1)與顯示出相對于轉(zhuǎn)速和負荷的內(nèi)部EGR量和加熱狀態(tài)的帶狀區(qū)域(A3)部分地重疊。在圖8(d)中，顯示出相對于轉(zhuǎn)速和負荷的內(nèi)部EGR量和加熱狀態(tài)的兩個帶狀區(qū)域(A2和A3)部分地相互重疊。
由于第二區(qū)域A2和第三區(qū)域A3都需要用內(nèi)部EGR來加熱混合氣以及用加熱器33來加熱進氣，因此它們在這一方面是一樣的。然而，在第二區(qū)域A2中主要通過內(nèi)部EGR來進行加熱，而在第三區(qū)域A3中主要通過加熱器33來進行加熱。這是因為在低負荷范圍(A2)內(nèi)與所需負荷相對應(yīng)的燃料供應(yīng)量較小。因此，如果降低進氣且提高內(nèi)部EGR量，不會帶來問題。然而，在高負荷范圍(A3)內(nèi)與所需負荷相對應(yīng)的燃料供應(yīng)量較大。因此，當(dāng)提高內(nèi)部EGR比率時，燃燒會變得不穩(wěn)定，并且會因進氣或者氧氣量的缺乏而出現(xiàn)不著火。在本實施例中，第一區(qū)域A1和第二區(qū)域A2之間的邊界處(圖8(b))的內(nèi)部EGR比率是80％，而第一區(qū)域A1和第三區(qū)域A3之間的邊界處(圖8(c))的內(nèi)部EGR比率是30％。
在第三區(qū)域A3中，將內(nèi)部EGR比率設(shè)置成30％或更少。也就是說，可調(diào)整排氣門22的關(guān)閉正時(EVC)以使內(nèi)部EGR比率是30％或更少。氣門關(guān)閉正時例如與處于上止點之前的68度或更小的曲柄角相對應(yīng)。在第三區(qū)域A3中，根據(jù)操作條件，內(nèi)部EGR量基本上為零。當(dāng)內(nèi)部EGR量接近零時，也就是說當(dāng)大部分加熱由加熱器33進行時，進氣的溫度會達到120攝氏度。因此，在第三區(qū)域A3中，加熱之后的進氣溫度為80到120攝氏度。
當(dāng)操作均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10時，控制器12優(yōu)先進行均質(zhì)充量壓燃操作。然而，當(dāng)所需的發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速未包括在特性圖M2的均質(zhì)充量壓燃范圍內(nèi)時，控制器12進行火花點火操作?？刂破?2根據(jù)與圖7所示流程圖類似的流程來控制均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的操作。在第三實施例的流程圖中，步驟S6和S7的內(nèi)容與圖7所示的不同。
在步驟S6中，控制器12確定是否有必要用加熱器33進行加熱。控制器12基于所需的轉(zhuǎn)速和負荷在特性圖M2中所處的區(qū)域做出這種確定。當(dāng)所需的轉(zhuǎn)速和負荷位于第二區(qū)域A2或第三區(qū)域A3中時，控制器12前進到步驟S7。在步驟S7中，為了向加熱器提供實現(xiàn)與所需轉(zhuǎn)速和負荷在第二區(qū)域A2或第三區(qū)域A3中的位置相對應(yīng)的加熱狀態(tài)所需的廢氣量，控制器12基于特性圖來確定三通閥34的開度，并向三通閥34發(fā)出指令信號。當(dāng)所需的負荷是在其中只進行內(nèi)部EGR不能夠穩(wěn)定地進行均質(zhì)充量壓燃的高負荷時，控制器12基于特性圖M2中的第三區(qū)域A3來調(diào)整內(nèi)部EGR量和三通閥34的開度。當(dāng)所需的負荷是在其中只進行內(nèi)部EGR不能夠穩(wěn)定地進行均質(zhì)充量壓燃的低負荷時，控制器12基于特性圖M2中的第二區(qū)域A2來調(diào)整內(nèi)部EGR量和三通閥34的開度。
當(dāng)操作狀態(tài)從未使用加熱器33的第一區(qū)域A1轉(zhuǎn)變到使用了加熱器33的第三區(qū)域A3時，優(yōu)選在與第一區(qū)域A1的邊界部分相對應(yīng)的狀態(tài)下開始用加熱器33對進氣進行加熱，從而將進氣溫度平穩(wěn)地加熱到所希望的溫度。當(dāng)操作狀態(tài)從第二區(qū)域A2轉(zhuǎn)變到第三區(qū)域A3時，優(yōu)選在與第二區(qū)域A2的邊界部分相對應(yīng)的狀態(tài)下提高用加熱器33來加熱的進氣的量。當(dāng)操作狀態(tài)從第三區(qū)域A3轉(zhuǎn)變到第二區(qū)域A2時，優(yōu)選在與第三區(qū)域A3的邊界部分相對應(yīng)的狀態(tài)下降低用加熱器33來加熱的進氣的量。
除了第一實施例的優(yōu)點(1)到(6)和第二實施例的優(yōu)點(8)到(9)之外，本實施例還具有下述優(yōu)點。
(10)通過將內(nèi)部EGR比率設(shè)置成30％或更少，就可以降低內(nèi)部EGR量，以提高與高負荷相對應(yīng)的所供應(yīng)進氣的量。另外，可通過提高由加熱器33加熱的進氣量以及提高進氣的溫度來補償由于內(nèi)部EGR量的降低所導(dǎo)致的進氣的加熱量缺乏。因此，均質(zhì)充量壓燃的范圍可被擴大到高負荷的范圍，而在第一和第二實施例中均質(zhì)充量壓燃在該范圍內(nèi)無法進行。
(11)當(dāng)在高負荷下操作發(fā)動機10時，廢氣溫度比在低負荷下操作發(fā)動機10時要高。當(dāng)發(fā)動機10在高負荷下操作時所產(chǎn)生的廢熱可由加熱器來利用。這就補償了在內(nèi)部EGR降低時會變得不足的熱能，還使均質(zhì)充量壓燃能夠用稀薄的空-燃混合氣高效率地進行。
對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說很明顯，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本發(fā)明可以許多其它的具體形式來體現(xiàn)。具體來說，可以理解，本發(fā)明可以體現(xiàn)為下面的形式。
根據(jù)均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的使用環(huán)境，存在著能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定均質(zhì)充量壓燃的范圍必須擴大到高負荷范圍而不是低負荷范圍的情況。在這種情況下，利用第三實施例的結(jié)構(gòu)，使用圖9所示的特性圖M3來代替圖8(a)所示的特性圖M2，該特性圖M3是作為顯示了能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的內(nèi)部EGR量和由加熱器33加熱的進氣的狀態(tài)之間的關(guān)系的特性圖。在特性圖M3中，均質(zhì)充量壓燃的范圍包括進行只用內(nèi)部EGR來加熱混合氣即可穩(wěn)定燃燒的第一區(qū)域A1，以及必須進行用內(nèi)部EGR來加熱混合氣和用加熱器來加熱進氣這兩者的第三區(qū)域A3。
在第三實施例(圖8(a))和圖9所示的實施例中，可以將能夠在只用內(nèi)部EGR不能進行均質(zhì)充量壓燃的高負荷范圍(A3)內(nèi)實現(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的結(jié)構(gòu)用在圖1所示的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10上，該發(fā)動機10不具有點火器(火花塞42)，并且只能進行均質(zhì)充量壓燃。
在特性圖M2和特性圖M3的第三區(qū)域A3內(nèi)，將空-燃混合氣的溫度調(diào)整到一個使得即使內(nèi)部EGR比率是0％、也就是說即使不進行內(nèi)部EGR而只進行用加熱器33來加熱進氣也能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的值。
通過在進氣沖程期間打開排氣門22以讓一些廢氣從排氣口21回流到燃燒室16中，便可進行內(nèi)部EGR。另外，可以使用與燃燒室16和排氣口21相連的廢氣引導(dǎo)通道，以及可關(guān)閉和打開該廢氣引導(dǎo)通道的氣門。換句話說，在進氣沖程期間可控制該氣門以讓一些廢氣從排氣口21回流到燃燒室16中，并使廢氣與新鮮的空-燃混合氣混合起來。
加熱器33并不局限于用廢氣作為熱源并與進氣交換熱量的熱交換器。加熱器33可以是用發(fā)動機體11的冷卻液作為熱源并與進氣交換熱量的熱交換器。然而，廢氣的溫度比冷卻液的溫度要高。因此，用廢氣作為熱源的熱交換器具有較高的進氣加熱效率。另外，用廢氣作為熱源以進行熱交換的熱交換器和用發(fā)動機體11的冷卻液作為熱源以進行熱交換的熱交換器可同時使用。
與加熱進氣不同，可用加熱器33來加熱進氣和燃料的混合氣。或者，可加熱進氣和混合氣這兩者。
作為用廢氣或用發(fā)動機體11的冷卻液作為熱源以進行熱交換的熱交換器的替代，加熱器33可以是可加熱進氣或空-燃混合氣的電加熱器?；蛘?，加熱器33可以額外地包括有這樣的電加熱器。在預(yù)熱操作期間，廢氣和冷卻液的溫度較低。因此，當(dāng)用廢氣或冷卻液作為熱源時，進氣或空-燃混合氣無法被充分加熱。然而，使用電加熱器可在短時間內(nèi)將進氣或空-燃混合氣加熱到必要的溫度，并可穩(wěn)定預(yù)熱操作。另外，在預(yù)熱操作之后，當(dāng)進氣或空-燃混合氣必須在較短時間內(nèi)被熱時，電加熱器是有效的。
在顯示了相對于發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速的能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的內(nèi)部EGR量和由加熱器33加熱的進氣狀態(tài)的均質(zhì)充量壓燃的操作特性圖M中，作為直接顯示負荷的替代，可以使用與負荷相對應(yīng)的其它值，例如平均有效指示壓力(IMEP)或用于設(shè)定所需負荷的設(shè)定機構(gòu)的操作量。
在特性圖M2和M3中，作為直接顯示負荷的替代，可以使用與負荷對應(yīng)的其它值，例如平均有效指示壓力(IMEP)或用于設(shè)定所需負荷的設(shè)定機構(gòu)的操作量。
均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10的燃料并不局限于天然氣，可以是任何類型的燃料，例如汽油、丙烷氣、甲醇、二甲醚、氫和柴油燃料。
可以使用僅在預(yù)熱操作期間容易壓縮和點火的燃料。在這種情況下，在預(yù)熱操作之后將燃料更換為正常操作的燃料。
均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10并不局限于四沖程發(fā)動機，也可以是兩沖程發(fā)動機。
空-燃混合氣中的燃料不必是氣體，也可是霧化燃料。
燃料不必噴入到進氣通道25中并與進氣混合以產(chǎn)生進入到燃燒室16中的空-燃混合氣。例如，在進氣沖程期間可將燃料噴入到燃燒室16中。另外，燃料可在化油器或混合器中與進氣混合。
均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10不必具有多個氣缸，可以只具有一個氣缸。
可調(diào)氣門促動機構(gòu)23和24可以是使用凸輪軸并通過凸輪或搖臂來打開和關(guān)閉進氣門或排氣門的已知機構(gòu)。
作為設(shè)置在分支通道26a和26b的分叉部分處以調(diào)節(jié)從排氣通道26流向分支通道26a的廢氣量的三通閥34的替代，可在各個分支通道26a和26b處設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。在這種情況下，控制器12控制這兩個流量調(diào)節(jié)閥。
均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機10不必是固定的，也可以作為汽車的發(fā)動機。在這種情況下，發(fā)動機10必須可以在均質(zhì)充量壓燃操作和火花點火操作之間切換。
進氣不必是空氣，也可以是含有燃料燃燒所必需的氧氣的氣體。例如，可以使用通過將氧氣混合入空氣中以提高氧氣濃度所生成的氣體。
現(xiàn)有的例子和實施例應(yīng)當(dāng)被視為示例性的而不是限制性的，本發(fā)明并不局限于文中所給的細節(jié)，而是可在所附權(quán)利要求的范圍及其等效替換的范圍內(nèi)進行修改。
權(quán)利要求
1.一種用于在燃料與含氧氣體的混合氣下操作的均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機，所述發(fā)動機包括用于供應(yīng)燃料與含氧氣體的混合氣的燃燒室；用于壓縮并點燃所述燃燒室中的混合氣的往復(fù)運動活塞；由所述活塞的往復(fù)運動帶動旋轉(zhuǎn)的輸出軸；用于打開和關(guān)閉所述燃燒室的進氣門和排氣門；和用于打開和關(guān)閉所述進氣門或排氣門以進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)的可調(diào)氣門促動機構(gòu)；所述發(fā)動機的特征在于加熱器，其用于在向所述燃燒室供應(yīng)含氧氣體或混合氣之前加熱所述含氧氣體或混合氣；存儲裝置，其用于存儲相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的進行均質(zhì)充量壓燃所必需的內(nèi)部廢氣再循環(huán)的量和由所述加熱器加熱的含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)的對應(yīng)信息；和控制器，其用于控制所述可調(diào)氣門促動機構(gòu)和加熱器，以實現(xiàn)與發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和所述含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所述控制器可控制所述可調(diào)氣門促動機構(gòu)，以便在所述活塞處于排氣沖程時關(guān)閉所述排氣門，或者在所述活塞處于進氣沖程時打開所述排氣門，從而進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所述排氣門的打開和關(guān)閉正時可被控制為使得內(nèi)部廢氣再循環(huán)的比率處于30到80％范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機，其特征在于，所述內(nèi)部廢氣再循環(huán)的比率指所述燃燒室中的燃燒廢氣相對于所述燃燒室中的氣體總量的比例。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，來自內(nèi)部廢氣再循環(huán)的燃燒廢氣加熱所述含氧氣體或混合氣，當(dāng)通過只用內(nèi)部廢氣再循環(huán)來加熱所述含氧氣體或混合氣所述發(fā)動機不能穩(wěn)定地進行均質(zhì)充量壓燃時，所述控制器啟動所述加熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機，其特征在于，當(dāng)所述發(fā)動機的負荷較低時，所述控制器啟動所述加熱器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，來自內(nèi)部廢氣再循環(huán)的燃燒廢氣加熱所述含氧氣體或混合氣，如果所述發(fā)動機負荷較高且通過只用內(nèi)部廢氣再循環(huán)來加熱所述含氧氣體或混合氣所述發(fā)動機不能穩(wěn)定地進行均質(zhì)充量壓燃，所述控制器便啟動所述加熱器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)動機，其特征在于，所述控制器控制所述排氣門的打開和關(guān)閉正時，以使內(nèi)部廢氣再循環(huán)的比率為30％或更少。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，所述加熱器包括可在廢氣或發(fā)動機冷卻液和所述含氧氣體或混合氣之間交換熱量的熱交換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其特征在于，所述加熱器還包括用于加熱所述含氧氣體或混合氣的電加熱器，至少當(dāng)預(yù)熱所述發(fā)動機時，所述控制器通過使用所述電加熱器來加熱所述含氧氣體或混合氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，所述燃燒室包括點火器，如果在所述發(fā)動機進行均質(zhì)充量壓燃時不能實現(xiàn)發(fā)動機的所需負荷和輸出軸的所需轉(zhuǎn)速，那么所述控制器控制所述點火器，以使所述發(fā)動機進行火花點火。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的發(fā)動機，其特征在于，所述對應(yīng)信息包括特性圖，其包括顯示了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量的區(qū)域；和顯示了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和由所述加熱器加熱的所述含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)的區(qū)域，其中，所述兩個區(qū)域部分地相互重疊。
13.一種操作均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的方法，所述方法包括向具有活塞的燃燒室供應(yīng)燃料與含氧氣體的混合氣；使所述活塞在所述燃燒室中往復(fù)運動，以便壓縮并點燃所述混合氣；通過所述活塞的往復(fù)運動來促使輸出軸轉(zhuǎn)動；通過進氣門和排氣門來打開和關(guān)閉所述燃燒室；和驅(qū)動可調(diào)氣門促動機構(gòu)來打開和關(guān)閉所述進氣門或排氣門，以便進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)，所述方法的特征在于存儲表示了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的進行均質(zhì)充量壓燃所必需的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和所述含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)的對應(yīng)信息；根據(jù)所述對應(yīng)信息來確定發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速是否處于能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)；和當(dāng)所需負荷和所需轉(zhuǎn)速處于能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)時，基于所述對應(yīng)信息來控制所述可調(diào)氣門促動機構(gòu)，以實現(xiàn)與發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)，同時在向所述燃燒室供應(yīng)含氧氣體或混合氣之前加熱所述含氧氣體或混合氣。
14.一種操作均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機的方法，所述方法包括向具有活塞的燃燒室供應(yīng)燃料與含氧氣體的混合氣；使所述活塞在所述燃燒室中往復(fù)運動，以便壓縮并點燃所述混合氣；通過所述活塞的往復(fù)運動來促使輸出軸轉(zhuǎn)動；通過進氣門和排氣門來打開和關(guān)閉所述燃燒室；和驅(qū)動可調(diào)氣門促動機構(gòu)來打開和關(guān)閉所述進氣門或排氣門，以進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)，和所述方法的特征在于存儲表示了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的進行均質(zhì)充量壓燃所必需的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)的特性圖；基于所述特性圖來控制所述可調(diào)氣門促動機構(gòu)，以實現(xiàn)與發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和含氧氣體或混合氣的加熱狀態(tài)，同時，在向所述燃燒室供應(yīng)所述含氧氣體或混合氣之前加熱含氧氣體或混合氣；和當(dāng)通過進行均質(zhì)充量壓燃操作不能實現(xiàn)發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速時，進行火花點火操作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于對所述發(fā)動機進行火花點火，直到所述發(fā)動機被預(yù)熱為止；和在所述火花點火操作之后，當(dāng)發(fā)動機所需負荷和輸出軸所需轉(zhuǎn)速處于能夠?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)充量壓燃的范圍內(nèi)時，對所述發(fā)動機進行均質(zhì)充量壓燃操作。
全文摘要
一種均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機，包括燃燒室和用于壓縮并點燃燃燒室中的空－燃混合氣的活塞?？烧{(diào)氣門促動機構(gòu)可打開和關(guān)閉排氣門，以便進行內(nèi)部廢氣再循環(huán)。加熱器在混合氣向燃燒室供應(yīng)之前加熱混合氣。存儲裝置存儲了相對于發(fā)動機負荷和輸出軸轉(zhuǎn)速的進行均質(zhì)充量壓燃所必需的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和由加熱器加熱的混合氣的加熱狀態(tài)的對應(yīng)信息?？刂破骺刂瓶烧{(diào)氣門促動機構(gòu)和加熱器，以實現(xiàn)與發(fā)動機所需負荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的內(nèi)部廢氣再循環(huán)量和混合氣的加熱狀態(tài)。
文檔編號F02B1/12GK1680695SQ200510065720
公開日2005年10月12日 申請日期2005年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月8日
發(fā)明者葛山裕史 申請人:株式會社豐田自動織機