專利名稱：均勻充氣壓縮點火發(fā)動機和控制均勻充氣壓縮點火發(fā)動機的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機，更具體地，涉及一種可防止爆震和點火失敗并可穩(wěn)定地執(zhí)行HCCI操作的均勻充氣壓縮點火(HCCI)發(fā)動機，以及一種控制該HCCI發(fā)動機的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的發(fā)動機可劃分為兩類，火花點火(SI)發(fā)動機和柴油機。通過使空燃混合物變稀可以提高SI發(fā)動機的熱效率。但是，這對于濃度比有一限制，即在該濃度比下火花可以擴散。因此，SI發(fā)動機需要通過節(jié)流對空氣的量進行調(diào)整。因此，SI發(fā)動機的熱效率比柴油機的低。相反地，柴油機具有令人滿意的熱效率。但是，柴油機不能充分地混合燃料和空氣。結(jié)果，由于高溫下燃料的局部燃燒而導(dǎo)致趨向產(chǎn)生NOx，并且由于局部富油也趨向于產(chǎn)生煙灰。
與這些發(fā)動機相比，HCCI發(fā)動機預(yù)先混合空氣和燃料。這樣，局部高溫燃燒或富油的可能性很低，并且產(chǎn)生的NOx和煙灰的量也很少。還有，在均勻充氣壓縮發(fā)動機中，化學(xué)變化引起點火。因而，對于點火濃度比的要求低于SI發(fā)動機。結(jié)果，HCCI發(fā)動機可以使空燃混合物有效地變稀，進而使熱效率達(dá)到與柴油機相同的水平。由于這些優(yōu)點，均勻充氣壓縮發(fā)動機極受重視。但是，在均勻充氣壓縮發(fā)動機中，多余的熱量可能會導(dǎo)致意外燃燒，而且熱量不足又會導(dǎo)致不點火。因此，相對于其他發(fā)動機，不點火、爆震、和提前點火更容易產(chǎn)生。這就需要限定HCCI發(fā)動機的可操作范圍。
在HCCI發(fā)動機中，用于輸出功率調(diào)整的混合物濃度比的急劇增加可能會破壞均勻充氣壓縮點火的穩(wěn)定性。例如，濃度比的過分提高會過度地增加燃燒室的有效壓力并導(dǎo)致爆震。相反地，濃度比的過分降低會過度地減少燃燒室的有效壓力并導(dǎo)致混合物的不充分引燃。這樣會降低熱效率。因此，在控制傳統(tǒng)的HCCI發(fā)動機時，很難在保持高效率的同時調(diào)整輸出功率。為了解決這個問題，例如，公開號為2002-188488的日本專利提出了一種用于控制HCCI發(fā)動機的方法，該方法可提高發(fā)動機的輸出功率。當(dāng)增加混合物的濃度比并將該濃度比保持恒定之時，一旦探測到發(fā)動機內(nèi)爆震的發(fā)生，就通過將新鮮空氣的溫度降低一預(yù)定量以提高發(fā)動機的輸出功率。
公開號為2001-221075的日本專利公開了一種HCCI發(fā)動機，該HCCI發(fā)動機具有濃度比調(diào)整裝置，可調(diào)整由燃料供應(yīng)裝置供給的燃料量以及調(diào)整預(yù)混合物的濃度比；一吸入氣體溫度調(diào)整裝置，用于調(diào)整供給至燃燒室的吸入氣體的溫度；和一爆震探測裝置。該HCCI發(fā)動機還包括一輸出功率調(diào)整裝置，該裝置可根據(jù)爆震探測裝置的探測結(jié)果，通過利用濃度比調(diào)整裝置和吸入氣體溫度調(diào)整裝置調(diào)整濃度比和吸入氣體溫度，從而調(diào)整輸出功率。
上述兩種現(xiàn)有技術(shù)給出了調(diào)整輸出功率時探測爆震以及調(diào)整新鮮空氣或吸入氣體溫度以防止爆震持續(xù)發(fā)生的實例。換句話說，這兩種現(xiàn)有技術(shù)沒有在爆震發(fā)生之前就實施控制。這樣會以一種不希望的方式影響發(fā)動機的使用壽命。
還有，如果HCCI操作是在啟動了與必要負(fù)荷相一致的穩(wěn)定的HCCI的條件下執(zhí)行的，該負(fù)荷或空燃比可能會因為這個或那個的原因而產(chǎn)生變化。在這樣的狀態(tài)下持續(xù)進行HCCI操作，會導(dǎo)致爆震或不點火。但是，這兩種現(xiàn)有技術(shù)并沒有考慮這種狀態(tài)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于控制HCCI發(fā)動機的方法，該方法可以在預(yù)定條件下的控制過程中，當(dāng)發(fā)動機輸出功率發(fā)生變化并且當(dāng)由于這個或那個原因而產(chǎn)生的負(fù)荷或空燃比變化時，預(yù)防爆震和不點火現(xiàn)象的發(fā)生。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種可執(zhí)行上述方法的HCCI發(fā)動機。
本發(fā)明的一個方面是一種用于控制均勻充氣壓縮點火發(fā)動機的方法。該發(fā)動機包括保持一活塞的燃燒室，上述活塞壓縮由燃料和含氧氣體構(gòu)成的混合物以引燃該壓縮混合物。該活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動。一吸入氣體溫度調(diào)整器加熱該被吸入的含氧氣體和/或混合物。該方法包括探測空燃比或發(fā)動機負(fù)荷；判斷空燃比或發(fā)動機負(fù)荷是否以這樣的方式發(fā)生變化，即，根據(jù)第一圖或第一關(guān)系公式判斷是否存在爆震發(fā)生的可能性，其中，該第一圖或第一關(guān)系公式根據(jù)空燃比或發(fā)動機負(fù)荷和吸入氣體溫度確定了第一范圍，并且在該第一范圍內(nèi)可啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火控制；當(dāng)具有發(fā)生爆震的可能性時，根據(jù)第一圖或第一關(guān)系公式控制吸入氣體調(diào)整器以降低吸入氣體溫度；判斷空燃比或發(fā)動機負(fù)荷是否通過這樣一種方式變化，即，根據(jù)上述第一圖或第一關(guān)系公式是否存在產(chǎn)生不點火的可能性；和當(dāng)具有產(chǎn)生不點火的可能性時，根據(jù)該第一圖或第一關(guān)系公式控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)器，以提高吸入氣體溫度。
本發(fā)明的另一個方面是一種均勻充氣壓縮點火發(fā)動機。該發(fā)動機包括保持一活塞的燃燒室，上述活塞壓縮由燃料和含氧氣體構(gòu)成的混合物以引燃該壓縮混合物。一確認(rèn)單元測定空燃比或發(fā)動機負(fù)荷。一吸入氣體溫度調(diào)整器加熱提高被吸入的含氧氣體和/或混合物的溫度。一存儲裝置存儲第一表格或第一關(guān)系公式，其中，該第一表格或第一關(guān)系公式根據(jù)空燃比或發(fā)動機負(fù)荷和吸入氣體溫度定義了一第一范圍，并且在該第一范圍內(nèi)啟動了穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火控制。一控制單元連接到確認(rèn)裝置、吸入氣體溫度調(diào)整器和存儲裝置，當(dāng)與由確認(rèn)裝置測定出的空燃比或發(fā)動機負(fù)荷相對應(yīng)的吸入氣體溫度高于第一范圍的上限值時，控制吸入氣體溫度調(diào)整器以降低吸入氣體的溫度，并且，當(dāng)吸入氣體溫度低于第一范圍的下限值時，控制吸入氣體溫度調(diào)整器以提高吸入氣體的溫度。
通過下文的說明，并結(jié)合附圖，以及根據(jù)本發(fā)明原理的實施例描述，將會更容易理解本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點。
本發(fā)明及其目的和優(yōu)點，通過參照當(dāng)前優(yōu)選實施例的說明并結(jié)合附圖，可得以最佳的理解。其中，圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的HCCI發(fā)動機的示意圖；圖2是根據(jù)HCCI發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷確定的HCCI可操作范圍圖的示意圖；圖3是根據(jù)吸入氣體溫度和空燃比(A/F)確定的HCCI可操作范圍圖的示意圖；圖4是在HCCI操作過程中當(dāng)吸入氣體溫度分別為140℃，160℃，和180℃時，根據(jù)HCCI發(fā)動機的冷卻劑溫度和空燃比確定的HCCI可操作范圍圖的示意圖；以及圖5是控制圖1中的HCCI發(fā)動機的流程圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的靜態(tài)HCCI發(fā)動機10的優(yōu)選實施例將結(jié)合圖1至圖5加以說明。圖1是HCCI發(fā)動機10的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是根據(jù)該HCCI發(fā)動機10的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷確定的HCCI可操作范圍圖的示意圖。圖3是根據(jù)吸入氣體溫度和空燃比(A/F)確定的HCCI可操作范圍圖的示意圖。圖4是HCCI操作過程中當(dāng)吸入氣體溫度分別為140℃，160℃，和1 80℃時根據(jù)冷卻劑溫度和空燃比確定的HCCI可操作范圍圖的示意圖。圖5是HCCI發(fā)動機10的操控流程圖。
如圖1所示，HCCI發(fā)動機10包括發(fā)動機體11和電子控制該發(fā)動機10的控制器12。
發(fā)動機體11包括氣缸體13，其內(nèi)部具有多個氣缸13a(圖1中只標(biāo)示出了其中一個)，和氣缸蓋14?；钊?5往復(fù)運動于各氣缸13a中。各氣缸13a的燃燒室16由活塞15和氣缸蓋14之間部分確定。在進氣和壓縮沖程之后，由燃燒室16中的空燃混合物燃燒產(chǎn)生的動力推動活塞15往復(fù)運動于氣缸13a中?；钊?5的往復(fù)運動經(jīng)連桿17轉(zhuǎn)化為作為輸出軸的曲軸18的旋轉(zhuǎn)運動，以形成發(fā)動機體11的輸出。發(fā)動機體11是四沖程內(nèi)燃機。
對于每個氣缸13a，都具有安裝于氣缸蓋14上的用于開閉進氣口19的進氣閥20，和用于開閉排氣口21的排氣閥22?？勺冮y驅(qū)動裝置23和24分別改變進氣閥20和排氣閥22的打開和閉合正時。進氣閥20和排氣閥22通過可變閥驅(qū)動裝置23和24獨自打開和閉合。該可變閥驅(qū)動裝置23和24由，例如，電磁驅(qū)動器或液壓致動器構(gòu)成。此外，作為點火裝置的火花塞42布置在每個氣缸13a的氣缸蓋14上?；鸹ㄈ?2具有暴露于相應(yīng)燃燒室16的點火部分。
延伸至進氣口19的進氣通道25和從排氣口21延伸的排氣通道26連接到氣缸蓋14上。燃料噴嘴27布置在進氣通道25內(nèi)。該燃料噴嘴27通過管道28連接至燃料箱(未示出)。用于控制燃料供給量的電磁控制閥29布置在管道28上。在本實施例中，使用天然氣作為燃料。此外，空氣凈化器30和節(jié)流閥31布置在燃料噴嘴27上游的進氣通道25中。節(jié)流閥31由節(jié)流電機32(電動機)電子控制。節(jié)流閥31的開度調(diào)節(jié)可調(diào)整被吸入燃燒室16的吸入氣體的流量。
作為加熱裝置加熱吸入氣體的熱交換器33布置于進氣通道25內(nèi)。在本實施例中，熱交換器33在排出氣體和吸入氣體之間交換熱量。排氣通道26分支為兩條通道。其中一分支通道26a連接于熱交換器33。流經(jīng)分支通道26a的排出氣體與吸入氣體交換熱量，并隨后通過管道(未示出)排入大氣。通過另一分支通道26b的排出氣體被直接排入大氣。一電磁三向閥34布置于排氣通道26的分叉部分，可使流經(jīng)分支通道26a的排出氣體百分比在0至100％范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。也就是說，該三向閥34可將排出氣體的量調(diào)節(jié)至第一狀態(tài)，即排氣通道26的氣體全部由分支通道26b排出，而不經(jīng)過分支通道26a和熱交換器33。該三向閥34也可將排出氣體的量調(diào)節(jié)至第二狀態(tài)，即所有排出氣體流經(jīng)分支通道26a被排放入大氣。此外，該三向閥34可將流經(jīng)分支通道26a的排出氣體調(diào)節(jié)為第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間的任意量。該三向閥34可以是柱形閥。熱交換器33和三向閥34構(gòu)成吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置，可用于調(diào)節(jié)吸入氣體的溫度。
探測進氣通道25內(nèi)溫度的溫度傳感器35，和探測吸入氣體流量的氣流計36布置在熱交換器33和燃料噴嘴27之間的進氣通道25內(nèi)。
控制HCCI發(fā)動機10工作的控制器12控制可變閥驅(qū)動裝置23和24、電磁控制閥29、節(jié)流電機32、三向閥34和火花塞42，以滿足由輸出設(shè)定裝置37設(shè)定的發(fā)動機10的所需負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。
控制器12中整合一微型計算機38。該微型計算機38包括可用作儲存裝置的存儲器39(ROM和RAM)。溫度傳感器35、氣體流量計36、用于測定發(fā)動機體11中冷卻劑溫度的冷卻劑溫度傳感器40、以及用于測定發(fā)動機轉(zhuǎn)速或曲軸18的轉(zhuǎn)速的速度傳感器41，分別電連接至控制器12的輸入?yún)^(qū)(輸入界面)?？勺冮y驅(qū)動裝置23和24、電磁控制閥29、節(jié)流閥32、以及三向閥34分別電連接至控制器12的輸出區(qū)(輸出界面)。
基于探測器35、40和41以及測量計36輸出的探測信號，控制器12確定HCCI發(fā)動機10的工作狀態(tài)，并控制可變閥驅(qū)動裝置23和24、電磁控制閥29、節(jié)流閥32、三向閥34和火花塞42，以將發(fā)動機10調(diào)節(jié)至預(yù)定工作狀態(tài)?？刂破?2根據(jù)氣流計36的探測信號和電磁控制閥29的開度計算空燃比。氣流計36和控制器12構(gòu)成負(fù)荷對應(yīng)數(shù)值確認(rèn)裝置，用于確認(rèn)空燃比。
存儲器39存儲用于確定指令值(控制值)的圖或公式。該指令值根據(jù)發(fā)動機10的工作狀態(tài)控制HCCI發(fā)動機10。該發(fā)動機工作狀態(tài)是由控制器12根據(jù)溫度傳感器35、氣流計36、冷卻劑溫度傳感器40和速度傳感器41的探測信號確定的。圖和公式包括用于確定，例如燃料噴射量、節(jié)流閥開度和點火正時的各種圖和公式。
存儲器39存儲HCCI工作圖M1、M2和M3(參照圖2至圖4)。參見圖2，圖M1給出了根據(jù)負(fù)荷和曲軸18轉(zhuǎn)速的HCCI可操作范圍。參見圖3，圖M2給出了根據(jù)進氣溫度和空燃比(A/F)的HCCI可操作范圍。參見圖4，圖M3給出了進氣溫度為140℃，160℃，和180℃時根據(jù)冷卻劑溫度和空燃比的HCCI可操作范圍。根據(jù)在預(yù)定溫度下表示冷卻劑溫度與空燃比之間關(guān)系的圖M3可知，當(dāng)冷卻劑溫度低并且空燃比高時，趨向于產(chǎn)生不點火現(xiàn)象，當(dāng)冷卻劑溫度高并且空燃比低時，趨向于產(chǎn)生爆震現(xiàn)象。除HCCI工作圖之外，存儲器39還存儲火花點火工作圖(未示出)。
每個目標(biāo)轉(zhuǎn)速提供一張圖M2。也就是說，不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)著很多的圖M2。圖M2包括范圍A1，它示出了啟動HCCI的吸入氣體溫度和空燃比范圍。范圍A1邊界的設(shè)置中考慮了一安全余量。該啟動HCCI的范圍通過實驗確定，如圖中的虛線所示。該范圍大于圖3中實線所示的范圍A1。但是，后面將會加以說明，使用范圍A1作為控制的根據(jù)，是因為它考慮了一安全余量。在本實施例中，安全余量被設(shè)置為虛線所示范圍中的吸入氣體溫度的寬度W的10％。如果在該范圍中對應(yīng)最大A/F值的進氣溫度值是，例如，120℃至220℃，吸入氣體溫度的寬度W大約為100℃。于是，為上限和下限設(shè)置的安全余量為大約10℃。
根據(jù)圖M1，控制器12判斷HCCI的啟動是否與必要負(fù)荷和旋轉(zhuǎn)速度相一致。根據(jù)圖M2，控制器12判斷空燃比的變化是否會導(dǎo)致爆震，以及空燃比的變化是否會導(dǎo)致不點火?！白兓瘜?dǎo)致爆震”是指空燃比的變化超出了圖3中圖M2的范圍A1的上限(即，空燃比突然降低導(dǎo)致當(dāng)前的吸入氣體溫度變得高于范圍A1的上限)?！白兓瘜?dǎo)致不點火”是指空燃比的變化超出了圖3中圖M2的范圍A1的下限(即，空燃比突然提高導(dǎo)致當(dāng)前吸入氣體溫度變得小于范圍A1的下限)。
為了防止將空燃比設(shè)定為一趨向于產(chǎn)生爆震的值，控制器12確認(rèn)空燃比并根據(jù)圖M2控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置或熱交換器33和三向閥34，以降低吸入氣體溫度。此外，為了防止將空燃比設(shè)定為一趨向于產(chǎn)生不點火的值，控制器12確認(rèn)空燃比并控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置，以根據(jù)圖M2提高吸入氣體溫度。
現(xiàn)在將說明HCCI發(fā)動機10的控制。
控制器12通過冷卻劑溫度傳感器40和速度傳感器41以及其他傳感器的探測信號判斷發(fā)動機體11的工作狀態(tài)。此外，在由輸出設(shè)定裝置37設(shè)定的必要旋轉(zhuǎn)速度和負(fù)荷都滿足條件的情況下，控制器12判斷是否可啟動HCCI操作。然后，控制器12計算目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和負(fù)荷以根據(jù)預(yù)定結(jié)果執(zhí)行HCCI操作或火花點火操作。當(dāng)執(zhí)行HCCI操作時，控制器12控制電磁控制閥29、節(jié)流電機32和三向閥34以獲得一種適合于實現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的燃燒狀態(tài)(即，空燃比和吸入氣體的加熱狀態(tài))。此外，當(dāng)執(zhí)行火花點火操作時，控制器12控制電磁控制閥29、節(jié)流電機32、三向閥34和火花塞42以獲得一種適合于實現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的燃燒狀態(tài)(即，空燃比和吸入氣體的加熱狀態(tài))。當(dāng)控制HCCI發(fā)動機10時，控制器12優(yōu)先考慮HCCI操作。但是，當(dāng)必要負(fù)荷和發(fā)動機轉(zhuǎn)速并不在HCCI操作范圍中時，控制器12執(zhí)行火花點火操作。還有，直到HCCI發(fā)動機10變熱之后，控制器12才執(zhí)行火花點火操作。
根據(jù)圖5中的流程圖執(zhí)行對HCCI發(fā)動機10的控制。首先，在S1步驟中，發(fā)動機10要經(jīng)歷一預(yù)熱操作。控制器12向磁控制閥29和節(jié)流電機32發(fā)出指令信號，以基于儲存在存儲器39中的火花點火操作圖(SI基本圖)實現(xiàn)滿足預(yù)熱操作條件的空燃比。此外，控制器12向可變閥驅(qū)動裝置23和24以及火花塞42發(fā)出指令信號，以便合理地設(shè)定用于執(zhí)行火花點火的閥正時和點火正時，以滿足預(yù)熱條件。此外，控制器12向三向閥34發(fā)出指令信號以實現(xiàn)吸入氣體的加熱狀態(tài)從而滿足預(yù)熱操作條件。
接下來，在步驟S2中，控制器12根據(jù)冷卻劑溫度傳感器40的探測信號判斷發(fā)動機10是否已經(jīng)預(yù)熱。也就是說，控制器12判斷冷卻劑溫度傳感器40探測出的溫度是否高于或等于一指示發(fā)動機10已經(jīng)預(yù)熱的值。若預(yù)熱已經(jīng)完成，控制器12進入步驟S3，若預(yù)熱尚未完成，則返回步驟S1。指示HCCI發(fā)動機10已經(jīng)預(yù)熱的冷卻劑溫度，是通過實驗預(yù)先獲得并存儲在存儲器39中的。
在步驟S3中，控制器12根據(jù)圖M3判斷是否當(dāng)前冷卻劑溫度高于一對應(yīng)必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的調(diào)節(jié)值。如果冷卻劑溫度高于該調(diào)節(jié)值，則控制器12進入步驟S4，或者，如果冷卻劑溫度低于或等于該調(diào)節(jié)值，則進入步驟S5。該調(diào)節(jié)值儲存在存儲器39中。此外，當(dāng)調(diào)整使用熱交換器33進行加熱的條件時，該調(diào)節(jié)值是發(fā)動機體11的溫度，在該溫度下，可根據(jù)必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷啟動穩(wěn)定HCCI操作。該調(diào)節(jié)值預(yù)先通過實驗獲得。
在步驟S4中，控制器12根據(jù)圖2的圖M1判斷必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是否包含在HCCI可操作范圍內(nèi)。如果必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷包含在HCCI可操作范圍內(nèi)，則控制器12進入步驟S6，或者，如果必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷落在HCCI可操作范圍之外，則進入步驟S5。在步驟S5中，控制器12向電磁控制閥29和節(jié)流電機32發(fā)出指令信號，以便根據(jù)必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷合理地設(shè)定用于火花點火操作的空燃比?？刂破?2同樣也向三向閥34發(fā)出指令信號以獲得合適的吸入氣體加熱狀態(tài)。接著，控制器12進入步驟S3。結(jié)果，HCCI發(fā)動機10執(zhí)行火花點火操作以滿足必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。
在步驟S6中?？刂破?2根據(jù)一張圖確定目標(biāo)吸入氣體溫度和空燃比。該目標(biāo)吸入氣體溫度和空燃比用于根據(jù)必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷來設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。接著，控制器12向三向閥34、電磁控制閥29和節(jié)流電機32發(fā)出指令信號，以設(shè)定已確定的目標(biāo)吸入氣體溫度和空燃比。結(jié)果，HCCI發(fā)動機執(zhí)行HCCI操作以滿足必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。
在執(zhí)行步驟S6之后，控制器12進入步驟S7。在步驟S7中，控制器12確認(rèn)空燃比和吸入氣體溫度。此外，控制器12還要根據(jù)吸入氣體溫度和空燃比的圖M2判斷在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下持續(xù)執(zhí)行當(dāng)前操作時是否存在發(fā)生爆震的可能性。更具體地，控制器12檢查其所確認(rèn)的空燃比和吸入氣體溫度在可穩(wěn)定執(zhí)行HCCI操作的范圍A1中所處的位置。此外，控制器12判斷當(dāng)前位置與預(yù)先確定的位置之間是否發(fā)生了改變，以及判斷該變化是否會帶來產(chǎn)生爆震的可能性。若在步驟S7中判定具有產(chǎn)生爆震的可能性，則控制器12進入步驟S8，反之則進入步驟S9。
在步驟S9中，控制器12確認(rèn)空燃比和吸入氣體溫度，并根據(jù)吸入氣體溫度和空燃比的圖M2判斷在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下持續(xù)執(zhí)行當(dāng)前操作時是否存在發(fā)生不點火的可能性。更具體地，控制器12檢查其所確認(rèn)的空燃比和吸入氣體溫度在可穩(wěn)定執(zhí)行HCCI操作的范圍A1中所處的位置。此外，控制器12判斷當(dāng)前位置與預(yù)先確定的位置之間是否發(fā)生了改變，以及判斷該變化是否會帶來產(chǎn)生不點火的可能性。若在步驟S9中判定具有產(chǎn)生不點火的可能性，則控制器12進入步驟S8，反之則進入步驟S3。
在步驟S8中，控制器12根據(jù)吸入氣體溫度和空燃比的圖M2為目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)吸入氣體溫度，以使可能導(dǎo)致爆震或不點火的改變不再持續(xù)。例如，當(dāng)由步驟S7進入步驟S8時，控制器12在步驟S8中向三向閥34發(fā)出指令信號，以使可能導(dǎo)致爆震的改變不再持續(xù)，也就是，降低吸入氣體溫度。此外，當(dāng)由步驟S9進入步驟S8時，控制器12在步驟S8中向三向閥34發(fā)出指令信號，以使可能導(dǎo)致不點火的變化不再持續(xù)，也就是，提高吸入氣體溫度。接著，在執(zhí)行完步驟S8之后，控制器12進入步驟S3。
控制器12確認(rèn)空燃比，啟動穩(wěn)定的HCCI操作，并且根據(jù)反應(yīng)空燃比和吸入氣體溫度之間關(guān)系的圖M2判斷是否空燃比的變化會帶來爆震產(chǎn)生的可能性。當(dāng)空燃比的變化會帶來產(chǎn)生爆震的可能性時，為了防止在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下空燃比落在穩(wěn)定操作范圍之外，控制器12根據(jù)圖M2控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置以使吸入氣體溫度降低。此外，當(dāng)空燃比的變化會帶來產(chǎn)生不點火的可能性時，為了防止在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下空燃比落在穩(wěn)定操作范圍之外，控制器12根據(jù)圖M2控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置以使吸入氣體溫度提高。
因此，當(dāng)必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷未改變并且HCCI操作也穩(wěn)定的時候，控制器12重復(fù)步驟S3，S4，S6，S7，和S9。這樣，在與必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷相一致的預(yù)定吸入氣體溫度和空燃比條件下，HCCI操作持續(xù)執(zhí)行。
與汽車發(fā)動機不同，在HCCI發(fā)動機10中必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷并不頻繁變化。但是，必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷可能會發(fā)生重大變化。例如，在圖3的圖M2中的P1點反應(yīng)了當(dāng)前運行狀態(tài)下吸入氣體溫度和空燃比之間的關(guān)系。當(dāng)必要轉(zhuǎn)速和負(fù)荷發(fā)生變化，并且相應(yīng)的吸入氣體溫度和空燃比之間的關(guān)系如P2點所示時，控制器12在改變目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的同時持續(xù)進行控制，以使當(dāng)前目標(biāo)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷逐漸向P2點所示的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷靠近。還有P1點和P2點都位于范圍A1邊界附近的情況。在這種情況下，即使當(dāng)同步改變吸入氣體溫度和空燃比以使吸入氣體溫度與空燃比之間的關(guān)系沿由P1點連接至P2點的直線移動，控制器12也會根據(jù)需要執(zhí)行步驟S3至S9，繼續(xù)執(zhí)行穩(wěn)定的HCCI操作，并將對應(yīng)P1點的操作條件變?yōu)閷?yīng)P2點的操作條件。
當(dāng)改變操作條件時，若以步進方式改變吸入氣體溫度和空燃比之間的關(guān)系，則吸入氣體溫度和空燃比之一可能會改變至位于范圍A1邊界外的位置，而另一個則可能改變?yōu)槲挥诜秶鶤1之內(nèi)的位置。
優(yōu)選實施例中的HCCI發(fā)動機10具有如下所述的優(yōu)點。
(1)HCCI發(fā)動機10包括用于確認(rèn)空燃比的負(fù)荷對應(yīng)數(shù)值確認(rèn)裝置，吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置，和儲存圖的存儲器39。其中，該圖指示了在可進行穩(wěn)定HCCI操作情況下的空燃比與吸入氣體溫度之間的關(guān)系。負(fù)荷對應(yīng)數(shù)值確認(rèn)裝置確認(rèn)空燃比。為了防止將空燃比設(shè)定為一可導(dǎo)致爆震的值，控制器12根據(jù)圖M2控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置以降低吸入氣體溫度。此外，為了防止將空燃比設(shè)定為一可導(dǎo)致不點火的值，控制器12根據(jù)圖M2控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)裝置以提高吸入氣體溫度。因此，在改變空燃比以改變輸出時，防止了爆震和不點火的產(chǎn)生。此外，即使在預(yù)定條件下的工作過程中由于某個原因?qū)е仑?fù)荷或空燃比波動，也可防止產(chǎn)生爆震和不點火。
(2)圖M2的設(shè)定為范圍A1的邊界考慮了一安全余量，其中，范圍A1反映了在可執(zhí)行HCCI操作情況下吸入氣體溫度與空燃比之間的關(guān)系。因此，當(dāng)操作條件變化時，即使操作條件沿邊界連續(xù)變化，也可穩(wěn)定地執(zhí)行HCCI操作。
(3)根據(jù)圖M2中的吸入氣體比率，該安全余量被設(shè)定為吸氣溫度范圍的10％。這樣可防止操作條件落入HCCI可操作范圍之外。
(4)熱交換器33在排出氣體和吸入氣體之間交換熱量。因此，有效地利用了由HCCI發(fā)動機10工作產(chǎn)生的熱量。這與使用其他加熱裝置相比減少了能量消耗。
(5)熱交換器33不加熱空燃混合物。在空氣(含氧氣體)與燃料混合之前，熱交換器33加熱該空氣?？諝獾膶?dǎo)熱性能高于空燃混合物。因此，與使用熱交換器執(zhí)行換熱以加熱混合物相比，采用加熱空氣的方式可以使加熱更有效率。
(6)每個燃燒室16具有執(zhí)行火花點火操作的火花塞。因此，預(yù)熱操作的執(zhí)行更加平緩。此外，相對不能采用火花點火的HCCI發(fā)動機來說，采用火花塞點火的HCCI發(fā)動機10可以滿足更高的轉(zhuǎn)速和更高的負(fù)荷需求。
(7)除HCCI操作圖之外，存儲器39內(nèi)還具有火花點火圖。因此，當(dāng)必要負(fù)荷和轉(zhuǎn)速無法通過HCCI操作得以滿足時，HCCI發(fā)動機10可以輕松地切換至火花點火操作以滿足必要負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。
(8)可變閥驅(qū)動裝置23和24由電磁驅(qū)動器或液壓致動器構(gòu)成。因此，排氣閥22的打開正時可以自由改變。這為HCCI和火花點火提供了平穩(wěn)和簡化的控制。
在不背離本發(fā)明原理和范圍的前提下，將本發(fā)明實施為很多具體形式，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。特別是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明可以被實施為下列形式。
HCCI發(fā)動機10可以只執(zhí)行HCCI，點火裝置不是必需的。
在不具有點火裝置的HCCI發(fā)動機10中，壓縮后點火容易的燃料可以在預(yù)熱操作過程中使用。在這樣的情況下，預(yù)熱操作之后，可將燃料切換至一種用于常規(guī)操作的燃料。
在具有點火裝置(火花塞42)的HCCI發(fā)動機10中，可以只在預(yù)熱操作過程中執(zhí)行火花點火，待預(yù)熱操作完成之后再執(zhí)行HCCI操作。在這種情況下，若必要負(fù)荷和轉(zhuǎn)速不在HCCI可操作范圍內(nèi)，最好使HCCI發(fā)動機10運行在這樣一種狀態(tài)下，即，在該狀態(tài)下可獲得與接近必要負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的一組負(fù)荷和轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的一空燃比和吸入氣體的加熱后狀態(tài)。
熱交換器33可使用發(fā)動機體11的冷卻劑作為一熱源進行熱交換，而不是使用排出氣體作為熱源進行熱交換。但是，排出氣體的溫度比冷卻劑的溫度更高。因此，熱交換器33使用排出氣體作為熱源可以獲得更高的加熱效率。此外，采用排出氣體作為熱源執(zhí)行熱交換的熱交換器與采用發(fā)動機體11的冷卻劑作為熱源進行熱交換的熱交換器可以在HCCI發(fā)動機10中結(jié)合使用。熱交換器也可以采用發(fā)動機潤滑油作為熱源。
除在混合前加熱吸入氣體之外，熱交換器33也可以加熱空氣和燃料的混合物。可選擇地，吸入氣體和混合物兩者都可被加熱。
除采用排出氣體或發(fā)動機體11的冷卻劑作為熱源的熱交換器33之外，熱交換器33也可以是一加熱吸入氣體的電加熱器?？蛇x地，熱交換器33還可以額外包括一個這樣的電加熱器。當(dāng)HCCI發(fā)動機10不具有點火裝置，并且在預(yù)熱過程中排出氣體和冷卻劑的溫度很低時，該電加熱器可以在短時間內(nèi)將吸入氣體加熱至必要溫度，并穩(wěn)定預(yù)熱操作。此外，在預(yù)熱操作結(jié)束后，電加熱器可以在短時間內(nèi)有效地加熱吸入氣體。
除熱交換器33以外，HCCI發(fā)動機10還可配備一冷卻裝置。該冷卻裝置可以是，例如，一個在吸入氣體和冷卻劑之間換熱的熱交換器，它與空冷之后的發(fā)動機冷卻劑或?qū)⒅車諝馑腿胛鼩馔ǖ赖娘L(fēng)扇不同。在調(diào)節(jié)吸入氣體時，通過暫停使用熱交換器33加熱的方式使吸入氣體溫度降低。但是，冷卻裝置的使用可以在短時間內(nèi)冷卻吸入氣體。
在圖M2中，用于設(shè)定可執(zhí)行HCCI操作的反映吸入氣體溫度和空燃比之間關(guān)系的范圍A1的邊界的安全余量，可不限定為范圍A1中吸入氣體溫度的寬度W的10％，例如，可以是5％或大于10％。
控制器12可以使用一空燃比探測器(A/F傳感器)測定空燃比，而不是采用氣流計36和電磁閥29開度的探測信號來計算空燃比。該A/F傳感器通過，例如，排出氣體中的氧氣濃度和預(yù)燃燒氣體濃度來測定空燃比。
在圖M1中，除直接顯示負(fù)荷以外，其它與負(fù)荷相應(yīng)的值，例如，指示的平均有效壓力(IMEP)，或用于設(shè)定必要負(fù)荷的設(shè)定裝置操作量，都是可以采用的。
在圖M2中，IMEP可作為反映發(fā)動機負(fù)荷的值取代空燃比，這樣，穩(wěn)定的HCCI范圍就根據(jù)吸入氣體溫度與IMEP表示出來。
HCCI發(fā)動機10的燃料并不只限定為天然氣，它可以是任意類型的燃料，例如汽油，丙烷氣，甲醇，二甲基乙醚，氫氣，和柴油燃料。
均勻充氣壓縮點火發(fā)動機10并不僅限于四沖程發(fā)動機，也可以是二沖程發(fā)動機。
空燃混合物并不一定要是氣態(tài)，也可以是霧化燃料。
與燃料混合的含氧氣體并不限于空氣，可以是任何含有供燃料燃燒的氧的氣體。例如，一種將氧氣與空氣混合以提高氧含量的氣體也是可以使用的。
燃料并不一定要噴射入進氣通道25并與吸入氣體相混合以產(chǎn)生被吸入燃燒室16的空燃混合物。例如，在進氣沖程內(nèi)，燃料可以被噴射入燃燒室16。此外，燃料可以在汽化器或混合器中與吸入氣體相混合。
HCCI發(fā)動機10并不一定要具有多個氣缸，它可以只具有一個氣缸。
每個可變閥驅(qū)動裝置23和24可以是已知的通過凸輪或搖臂利用凸輪軸開關(guān)進氣閥和排氣閥的可變閥正時裝置?？纱龠MHCCI和火花點火平穩(wěn)操作的HCCI發(fā)動機，并不必須具有可變閥驅(qū)動裝置23和24。
可以在分支通道26a和26b上分別布置一由控制器12控制的流量調(diào)節(jié)閥，以取代三向閥34。
HCCI發(fā)動機10并不必須是固定的，它可以是汽車發(fā)動機。在這種情況下，發(fā)動機10必須可以在HCCI操作和火花點火操作之間切換。
可以使用一反映在HCCI可操作范圍內(nèi)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負(fù)荷之間關(guān)系的關(guān)系公式取代圖M1?？梢允褂靡环从吃贖CCI可操作范圍內(nèi)的吸入氣體溫度與空燃比之間關(guān)系的關(guān)系公式取代圖M2?？梢允褂靡环从吃贖CCI可操作范圍內(nèi)的根據(jù)冷卻劑溫度的吸入氣體溫度與空燃比之間關(guān)系的關(guān)系公式取代圖M3。每個關(guān)系公式都儲存在存儲器39中。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這些例子和實施例是說明性質(zhì)的，而非限制性的，并且本發(fā)明也不僅限于此處所給出的各個細(xì)節(jié)，而是可以根據(jù)所附的權(quán)利要求在其范圍內(nèi)進行變化或做等效變化。
權(quán)利要求
1.一種用于控制均勻充氣壓縮點火發(fā)動機(10)的方法，其中，該發(fā)動機包括保持一活塞(15)的燃燒室(16)，該活塞壓縮由燃料和含氧氣體構(gòu)成的混合物以引燃該壓縮混合物，在燃燒室中，活塞的往復(fù)運動被轉(zhuǎn)化為輸出軸(18)的旋轉(zhuǎn)運動，吸入氣體溫度調(diào)整器(33，34)加熱被吸入的含氧氣體和/或混合物，該方法的特征在于確定空燃比或發(fā)動機負(fù)荷；判斷空燃比或發(fā)動機負(fù)荷是否以這樣的方式發(fā)生變化，即，根據(jù)第一圖(M2)或第一關(guān)系公式判斷是否存在發(fā)生爆震的可能性，其中，該第一圖(M2)或第一關(guān)系公式根據(jù)空燃比或發(fā)動機負(fù)荷和吸入氣體溫度確定了第一范圍，在第一范圍內(nèi)可啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作；當(dāng)具有發(fā)生爆震的可能性時，根據(jù)第一圖(M2)或第一關(guān)系公式控制吸入氣體溫度調(diào)整器以降低吸入氣體溫度；判斷空燃比或發(fā)動機負(fù)荷是否通過這樣一種方式變化，即，根據(jù)上述第一圖或第一關(guān)系公式判斷是否存在發(fā)生不點火的可能性；以及當(dāng)具有發(fā)生不點火的可能性時，根據(jù)第一圖(M2)或第一關(guān)系公式控制吸入氣體溫度調(diào)節(jié)器，以提高吸入氣體溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于根據(jù)確定第二范圍的第二圖(M3)或第二關(guān)系公式判斷發(fā)動機的冷卻劑溫度是否高于第二范圍內(nèi)的一標(biāo)準(zhǔn)值，以及是否可啟動均勻充氣壓縮點火操作，其中，在第二范圍內(nèi)可根據(jù)特定吸入氣體溫度下的冷卻劑溫度和空燃比啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括根據(jù)確定第三范圍的第三圖(M1)或第三關(guān)系公式判斷必要發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷是否位于第三范圍內(nèi)并可啟動均勻充氣壓縮點火操作，其中，在第三范圍內(nèi)可根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中均勻充氣壓縮點火發(fā)動機具有一布置在燃燒室內(nèi)的點火裝置(42)，該方法的特征還在于當(dāng)冷卻劑溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值，無法啟動均勻充氣壓縮點火操作時，使用點火裝置(42)執(zhí)行火花點火操作。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中均勻充氣壓縮點火發(fā)動機具有一布置在燃燒室內(nèi)的點火裝置(42)，該方法的特征還在于在發(fā)動機預(yù)熱之前，使用點火裝置執(zhí)行火花點火操作；和使用確定第二范圍的第二圖(M1)或第二關(guān)系公式判斷必要的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷是否位于第二范圍之內(nèi)以使啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作成為可能，其中，在第二范圍之內(nèi)可根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作。
6.一種均勻充氣壓縮點火發(fā)動機(10)，包括保持一活塞(15)的燃燒室(16)，其中該活塞壓縮由燃料和含氧氣體構(gòu)成的混合物以引燃該壓縮混合物，一用于測定空燃比或發(fā)動機負(fù)荷的確認(rèn)單元(12，36)，一用于加熱吸入的含氧氣體和/或混合物的吸入氣體溫度調(diào)整器(33，34)，該發(fā)動機的特征在于一用于儲存確定第一范圍的第一圖(M2)或第一關(guān)系公式的存儲器(39)，在第一范圍內(nèi)可根據(jù)空燃比或發(fā)動機負(fù)荷和吸入氣體溫度啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作；和一控制單元(12)，分別連接至確認(rèn)單元(12，36)、吸入氣體溫度調(diào)整器(33，34)、和存儲裝置(39)，當(dāng)吸入氣體溫度高于第一范圍上限值時，該控制單元控制吸入氣體溫度調(diào)整裝置以降低吸入氣體溫度，當(dāng)吸入氣體溫度低于第一范圍下限值時，該控制單元控制吸入氣體溫度調(diào)整裝置以提高吸入氣體溫度，其中，吸入氣體溫度是與由確認(rèn)單元測定的空燃比或發(fā)動機負(fù)荷相對應(yīng)的。
7.如權(quán)利要求6所述的均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，其特征在于第一圖的第一范圍的邊界在設(shè)定時考慮了一安全余量。
8.如權(quán)利要求7所述的均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，其特征在于安全余量被設(shè)定為與空燃比或發(fā)動機負(fù)荷相對應(yīng)的吸入氣體溫度范圍的10％。
9.如權(quán)利要求6所述的均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，其特征在于存儲裝置(39)存儲確定了第二范圍的第二圖(M3)或第二關(guān)系公式，其中在第二范圍內(nèi)，根據(jù)特定吸入氣體溫度下的冷卻劑溫度和空燃比，可啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作；以及控制單元(12)根據(jù)第二范圍判斷冷卻劑溫度是否高于一標(biāo)準(zhǔn)值，和是否可啟動均勻充氣壓縮點火操作。
10.如權(quán)利要求9所述的均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，其特征在于存儲裝置(39)存儲確定了第三范圍的第三圖(M1)或第三關(guān)系公式，其中在第三范圍內(nèi)，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷，可啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作；以及控制單元(12)判斷必要的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷是否位于第三范圍之內(nèi)，和是否可啟動均勻充氣壓縮點火操作。
11.如權(quán)利要求9或10所述的均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，其特征還在于一布置在燃燒室內(nèi)的點火裝置(42)，其中，當(dāng)冷卻劑溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值且無法啟動均勻充氣壓縮點火操作時，控制單元(12)使用點火裝置執(zhí)行火花點火操作。
12.如權(quán)利要求6所述的均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，其特征在于存儲裝置(39)儲存確定第二范圍的第二圖(M1)或第二關(guān)系公式，其中，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷，在該第二范圍中可啟動穩(wěn)定的均勻充氣壓縮點火操作，該發(fā)動機還包括一布置在燃燒室之內(nèi)的點火裝置(42)，其中，控制單元在發(fā)動機預(yù)熱之前使用該點火裝置執(zhí)行火花點火操作，并判斷必要發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷是否位于第二范圍之內(nèi)，以及是否在發(fā)動機預(yù)熱之后啟動均勻充氣壓縮點火操作。
13.如權(quán)利要求6所述的均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，其特征在于該發(fā)動機(10)包括發(fā)動機冷卻劑和發(fā)動機油，并且通過壓縮點火產(chǎn)生排出氣體，吸入氣體溫度調(diào)整器(33，34)包括一熱交換器，其中，該熱交換器在吸入氣體與排出氣體、發(fā)動機冷卻劑和發(fā)動機油三者中的至少一種之間交換熱量。
全文摘要
一種均勻充氣壓縮點火發(fā)動機，當(dāng)其在預(yù)定條件下工作時，當(dāng)由于某種原因造成輸出功率變化，以及負(fù)載或空燃比變化時，可以防止爆震和不點火。一控制器根據(jù)一確定了一個范圍的圖判斷空燃比的變化是否會帶來產(chǎn)生爆震或不點火的可能性，其中，在該范圍內(nèi)，根據(jù)空燃比和吸入氣體溫度可啟動均勻充氣壓縮點火操作。當(dāng)空燃比指示可能會產(chǎn)生爆震或不點火時，控制器控制吸入氣體溫度調(diào)整器以根據(jù)上述的圖調(diào)整吸入氣體溫度。
文檔編號F02M31/08GK1690392SQ20051007833
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者葛山裕史, 青木茂 申請人:株式會社豐田自動織機