專利名稱：均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料適應(yīng)性的制作方法
均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料適應(yīng)性
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四沖程內(nèi)燃機(jī)的操作。背景技術(shù)：
汽車工業(yè)不斷地研發(fā)改善內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的新方法，以努力提高燃料的 經(jīng)濟(jì)性，滿足或超越散熱調(diào)整目標(biāo)，并滿足或超越消費(fèi)者對散熱、燃料經(jīng)濟(jì) 性以及產(chǎn)品差異性的期望。
大多數(shù)現(xiàn)代常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)都嘗試著圍繞化學(xué)計(jì)量條件運(yùn)作，即提供一理
想的氣體/燃料比例基本為14.6/1，從而使燃料基本上充分燃燒，同時(shí)氧氣傳 遞到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。這種操作使廢氣通過三種催化方式清潔任何沒有充分燃燒的 燃料(HC)和燃燒副產(chǎn)品如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)后排出。 大多數(shù)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)是具有節(jié)氣門體噴射(Throttle Body Injection, TBI)或多 點(diǎn)燃油噴射(Multi-port Fuel Injection, MPFI)的燃料噴射，其中多個(gè)噴嘴中 的每一個(gè)直接位于靠近一多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)的每一個(gè)汽缸的進(jìn)口處。較好的氣/ 燃料比例控制是由一 MPFI裝置完成的，然而，如濕壁和進(jìn)氣流道動(dòng)力等條 件，限制了其通過該控制達(dá)到的精確度。燃料輸送精確度能夠通過缸內(nèi)直接 噴射(Direct in-cylinder Injection, DI)得到提高。所謂線性氧傳感器提供了 一個(gè)較高程度的控制能力，當(dāng)它與DI耦合時(shí)，可提供一個(gè)具有吸引力的系 統(tǒng)，該系統(tǒng)具有改善的氣缸到氣缸的氣/燃料比例控制能力。然而，缸內(nèi)燃 燒動(dòng)力將變得更重要，燃燒質(zhì)量在控制排量中起到一個(gè)日益重要的作用。因 此，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商一直關(guān)注于噴嘴噴流型式、進(jìn)氣渦流以及活塞幾何結(jié)構(gòu)， 以實(shí)現(xiàn)改善的缸內(nèi)空氣/燃料混合和均勻性。
雖然化學(xué)計(jì)量的汽油四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和三種方式的催化系統(tǒng)具有滿足超低排放量目標(biāo)的潛力，該系統(tǒng)的效率仍落后于所謂稀薄燃燒系統(tǒng)。通過燃燒
控制，包括廢氣高度稀釋和NOx分離后處理技術(shù)，稀薄燃燒系統(tǒng)在滿足NOx
排量目標(biāo)方面讓人們看到希望。然而，稀薄燃燒系統(tǒng)仍然面臨其他的障礙， 例如，燃燒質(zhì)量和燃燒穩(wěn)定性，尤其是在部分負(fù)載工作點(diǎn)和高度廢氣稀釋。
稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)(Lean-burn Engine),在最基本的水平上，包括所有利用超過 提供燃料燃燒所需的空氣來推動(dòng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。加油和點(diǎn)火方法的差異使得 稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)布局不同?；鸹c(diǎn)火系統(tǒng)(Spark Ignited Systems, SI)通過在燃 燒室中提供電火花而引發(fā)燃燒。壓燃系統(tǒng)(Compression Ignition Systems, CI) 通過調(diào)整燃燒室條件包括融合空氣/燃料比例、溫度及其中的壓力等引發(fā)燃 燒。加油方法可包括TBI、 MPFI和DI。均質(zhì)充量系統(tǒng)特性是由空氣/燃料混 合物內(nèi)較為一致且蒸發(fā)充分的燃料分布來表征的，這可在吸入循環(huán)中初期可 由MPFI或直接噴射達(dá)到。分層進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣/燃料混合物中蒸發(fā)和分布不 夠充分的燃料表征，在后面的壓縮循環(huán)中，典型的與燃料直接噴射相關(guān)聯(lián)。
已知的汽油DI發(fā)動(dòng)機(jī)可選擇在均勻火花點(diǎn)火或分層火花點(diǎn)火模式條件 下運(yùn)作。均勻火花點(diǎn)火模式通常在高負(fù)載情況下被選用，而分層火花點(diǎn)火模 式在較低負(fù)載情況下采用。
在不需要額外點(diǎn)火能量就能點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮循環(huán)中，特定的DI壓燃 式發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱空氣和燃料充分均勻混合，并建立壓力和溫度條件。這個(gè)過 程有時(shí)稱為可控自燃或均質(zhì)充量壓燃(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)。可控自燃和HCCI可交替使用。可控自燃是一個(gè)可預(yù)測過 程，因此不同于不希望發(fā)生的有時(shí)伴隨于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃事件?？煽?自燃也不同于人們熟知的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓燃，其中遇到射入預(yù)高壓、高溫 充填的空氣時(shí)，燃料點(diǎn)燃立即充分燃燒；然而在可控自燃過程中，燃料吸入 時(shí)，熱空氣和燃料在燃燒前被混合在一起，且壓縮過程通常與常規(guī)火花點(diǎn)火 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一致。四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)已被提議，通過控制與燃燒室關(guān)聯(lián)的吸入和廢氣排放 閥門的動(dòng)作提供自動(dòng)點(diǎn)火，以保證空氣/燃料裝料與消耗氣體混合，從而在 無需額外預(yù)熱吸入空氣及氣缸充填或高壓過程的情況下產(chǎn)生適于自動(dòng)點(diǎn)火 的條件。在這方面，特定發(fā)動(dòng)機(jī)被提議具有凸輪驅(qū)動(dòng)排氣閥門，該閥門在四 沖程循環(huán)中被關(guān)閉得比火花點(diǎn)火四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的常規(guī)閥門遲得多，以允許 開放排氣閥門與開放進(jìn)氣口閥門的充分交迭，由此前述的排出燃燒氣體在吸 入循環(huán)初期被吸回燃燒室。其他特定發(fā)動(dòng)機(jī)被提議帶有在排氣循環(huán)中足夠早 關(guān)閉的排氣閥門，由此在吸入循環(huán)中滯留用于隨后與燃料和空氣混合的燃燒 氣體。在這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)中，排氣和進(jìn)氣口閥門在一個(gè)四沖程循環(huán)中僅打開一 次。其他特定發(fā)動(dòng)機(jī)已被提議，在每個(gè)四沖程循環(huán)中，排氣閥門打開兩次—— 其中一次是在排氣循環(huán)中將燃燒氣體從燃燒室排至排氣通道， 一次是在吸入 循環(huán)末期將燃燒氣體從排氣通道吸回燃燒室。這些發(fā)動(dòng)機(jī)不同方式地利用節(jié) 流閥體、端口或直接燃燒室燃料噴射。
然而，如稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的優(yōu)點(diǎn)，在燃燒質(zhì)量和燃燒穩(wěn)定性 方面的必然缺點(diǎn)，尤其是在部分負(fù)載工作點(diǎn)和高度廢氣稀釋部件，都會(huì)繼續(xù) 存在。這些不足之處導(dǎo)致了不希望的損害，包括在部件負(fù)載工作點(diǎn)時(shí)能夠有 效減少多少燃料充填量，同時(shí)仍保持可接受的燃燒質(zhì)量和穩(wěn)定性特點(diǎn)的局 限。對于一個(gè)更復(fù)雜的因素，在燃燒穩(wěn)定性方面，尤其是在低負(fù)載運(yùn)行區(qū)， 商用燃料中的變化也會(huì)有明顯的效果。

發(fā)明內(nèi)容
一種稀燃、四沖程的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)總體上是值得期望的。更進(jìn)一步說，這
種在部分負(fù)載工作點(diǎn)上表現(xiàn)出高燃燒穩(wěn)定性的發(fā)動(dòng)機(jī)是讓人期望的。而且這 種能夠?qū)⑾”」r延伸至迄今未達(dá)到的部分負(fù)載工作點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)是值得期 待的。
本發(fā)明涉及一種使用含有廣泛的辛烷分子量范圍的商用完全混合汽油燃料的充分均質(zhì)充量壓燃控制的方法。利用可變閥門驅(qū)動(dòng)與燃料噴射的結(jié) 合，在本發(fā)明已檢驗(yàn)過的所有發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下，可控自燃燃燒都是很穩(wěn)健 的。
對于所述和其他的期望方面，本發(fā)明提供了一種用于操作在低發(fā)動(dòng)負(fù)載 時(shí)增加容量的四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，同時(shí)保持或提高了燃燒質(zhì)量、燃燒 穩(wěn)定性和發(fā)動(dòng)機(jī)向外排氣，尤其是考慮到商用燃料的可變性。


通過舉例，本發(fā)明現(xiàn)將對應(yīng)參照附圖進(jìn)行描述，其中
圖l是一個(gè)單氣缸、直接噴射、四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖2示出了作為OI函數(shù)的實(shí)例百分?jǐn)?shù)，其中K=2.0，對于北美包括夏 季和冬季時(shí)的常規(guī)、中等和優(yōu)質(zhì)的汽油燃料；
圖3所示為在NVO ( Negative Valve overlap,負(fù)閥重疊)掃描中對于試 驗(yàn)燃料8mg/cycle時(shí)50%燃燒的曲柄角位置(CA50)與所需NVO的關(guān)系；
圖4所示為在NVO掃描中對于試驗(yàn)燃料8 mg/cycle時(shí)10%燃燒(CA10 ) 的曲柄角位置與50。/o燃燒的曲柄角位置(CA50)的曲線圖5所示為在NVO掃描中對于試-驗(yàn)燃料8 mg/cycle時(shí)，IMEP的COV 與50。/o燃燒的曲柄角位置(CA50)的關(guān)系；
圖6所示為在NVO掃描中對于試驗(yàn)燃料在8mg/cycle時(shí)，凈平均有效 壓力(NMEP)與50。/o燃燒的曲柄角位置(CA50)的關(guān)系；
圖7所示為所有在8 mg/cycle時(shí)對于試^^燃料所需NVO,所以在上止 點(diǎn)點(diǎn)(aTDC)燃燒之后，CA50保持在4度；
圖8所示為在NVO掃描中對于測試燃料14 mg/cycle時(shí)50%燃燒的曲 柄角位置(CA50)與所需NVO的關(guān)系；
圖9所示為8和14 mg/cycle時(shí)測試的所有燃料的最優(yōu)CA50所需的NVO;
圖10所示為在熱空轉(zhuǎn)5.5mg/cycle時(shí)，對燃料A和燃料E， 二次壓縮已 燃的燃料是二次壓縮噴射量的函數(shù)；
圖11所示為對所有試驗(yàn)燃料在8.0mg/cycle時(shí)，NVO170度時(shí)的CA50 (CA50@NVO=170deg.)為辛烷指數(shù)(01)的函數(shù)，其中K = 2.1;
圖12所示為對所有試驗(yàn)燃料在14.0 mg/cycle時(shí)，NVO=l30度時(shí)的CA50 (CA50 @NVO= 170deg.)為OI的函數(shù)，其中K=1.9;
圖13所示為控制示框圖，在該框圖控制下，魯棒控制(Robust Controll) 可控自燃燃燒在不同的燃料辛烷品質(zhì)條件下保持；且
圖14所示為 一 個(gè)利用閥門控制和燃料時(shí)間/數(shù)量控制在與本發(fā)明 一 致的 燃料可變性方面達(dá)到所需燃燒相位控制方案的優(yōu)選實(shí)例。
具體實(shí)施方式
首先參照圖1,圖中示意性說明了一個(gè)適用于本發(fā)明實(shí)施的單氣缸四沖 程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例系統(tǒng)10。值得一提的是，本發(fā)明同樣適用于一個(gè)多氣缸 四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。上述實(shí)例發(fā)動(dòng)機(jī)10示出被設(shè)定為通過油噴41的直接燃 燒室燃料噴射(直接燃料噴射)。包括進(jìn)氣燃料噴射或單點(diǎn)汽油噴射的其他 加油方法也可用于某些控制自點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，然而，最佳方式是直接燃料噴 射。類似地，當(dāng)有各種可用級別汽油及其輕乙醇混合物是首選燃料時(shí)，可選 液體和汽油燃料也可以用于這些發(fā)動(dòng)機(jī)中，如高級醇混合物(如E80, E85 )、
純乙醇(E99)、純曱醇(M100)、天然氣、氫氣、沼氣、各種重組油、合 成氣等等。
關(guān)于基本發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸13中的活塞11是可動(dòng)的，并界定了其中變?nèi)萑?燒室15?；钊?1通過連接桿33連接到機(jī)軸35上，且相互驅(qū)動(dòng)或由機(jī)軸35 相互驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括由單吸入閥21和單排氣閥23示例說明的氣閥結(jié)構(gòu)16,而多種的進(jìn)氣口和排氣閥變化都能同樣適用本發(fā)明應(yīng)用。氣閥結(jié)
構(gòu)16也包括閥門驅(qū)動(dòng)設(shè)備25，該設(shè)備可采用任意一種變化形式，包括電控 液壓或機(jī)電驅(qū)動(dòng)(全可變閥門驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)FVA)。能適用于本發(fā)明實(shí)施的可替 代閥驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括多輪廓凸輪(又稱多圓凸、多階)和選擇機(jī)構(gòu)、凸輪移相 器以及其他機(jī)械可變閥驅(qū)動(dòng)技術(shù)單獨(dú)或組合實(shí)施。這里公開的一個(gè)適用于控 制閥調(diào)節(jié)器的兩步雙凸輪移相氣閥結(jié)構(gòu)包括控制規(guī)定開啟角度和閥揚(yáng)程曲 線的第一排氣和進(jìn)氣口凸輪、控制進(jìn)一步限制開啟角度和閥揚(yáng)程曲線的第二 排氣和進(jìn)氣口凸輪及兩個(gè)獨(dú)立的凸輪移相器。吸入通道17向燃燒室15內(nèi)提 供空氣。在吸入過程中進(jìn)入燃燒室15內(nèi)的空氣流由吸入閥21進(jìn)行控制。在 排氣過程中燃燒氣體從燃燒室15排出通過排氣通道19,排氣閥23控制氣 流。火花塞29用于增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)在某些條件下(如，冷發(fā)動(dòng)過程中以及在低 負(fù)載操作限制)的點(diǎn)火時(shí)間控制。也有證明，在可控自燃燃燒和利用節(jié)流或 非節(jié)流SI操作的高速/負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，在高速部件負(fù)荷操作限制附近， 最好依賴于火花點(diǎn)火。
基于控制器27的電腦提供了發(fā)動(dòng)機(jī)控制，這可以采取常規(guī)硬件結(jié)構(gòu)和 組合，包括集成或分布式結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和數(shù)字信號處 理器。 一般，控制器27至少包括一個(gè)微處理器、ROM、 RAM和各種包括 A/D和D/A轉(zhuǎn)換的功率驅(qū)動(dòng)電路的1/0設(shè)備?？刂破?7特殊情況下還包括 對閥驅(qū)動(dòng)設(shè)備25、燃料噴射器41和火花塞29的控制器?？刂破?7包括與 多數(shù)轉(zhuǎn)換源輸入端相關(guān)的多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測儀，包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度、外界 空氣溫度、進(jìn)氣溫度、算子轉(zhuǎn)矩、環(huán)境壓力、節(jié)流應(yīng)用中的多種壓力、移位 和位置傳感器，比如用于氣閥結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)軸數(shù)量、氣缸壓力、排氣要素， 此外還包括不同激發(fā)器控制指令的產(chǎn)生以及總診斷功能的執(zhí)行。所熟知的氣 缸壓力傳感器可直接感知燃燒壓力，如通過插入或非插入壓力傳感器，或間 接感知燃燒壓力，如通過離子傳感或機(jī)軸轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，與閥驅(qū)動(dòng)裝置25、 燃料噴射器41及火花塞29關(guān)聯(lián)的控制和電力電子器可與控制器27集成，這樣也可以組成分布巧妙的激發(fā)配置的部件，其中，與各自子系統(tǒng)相關(guān)的某 些監(jiān)控儀和控制功能通過與這些相應(yīng)閥、燃料噴射控制及火花子系統(tǒng)相關(guān)的 可編程分布控制器執(zhí)行。
利用排氣二次壓縮閥方案，在5.5、 8.0和14 mg/cycle等三種不同的負(fù) 載條件下，對共7種不同的燃料(命名為燃料A到G)進(jìn)行試驗(yàn)。三種加 油/負(fù)載涵蓋了所有三種HCCI燃燒模式如常規(guī)美國專利第6,971,365 Bl 號中公開的分流噴射式稀薄燃燒、如常規(guī)美國專利第10/899,457 (2006/0016423)號中公開的獨(dú)立噴射式稀薄燃燒，以及如常規(guī)美國專利第 6,994,072 B2號中公開的分流噴射式化學(xué)計(jì)量燃燒。
眾所周知且已被接受，僅僅研究法辛烷量和馬達(dá)法辛烷量(RON和 MON)不能精確說明傳統(tǒng)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中的商業(yè)燃料爆震(自動(dòng)點(diǎn)火) 狀態(tài)。然而，他們的結(jié)合，(RON+MON)/2，稱為辛烷量，在實(shí)踐中用于標(biāo) 定實(shí)際燃料抗暴品質(zhì)。
2001年，為更好的描述燃料爆震狀態(tài)，Shell研究中心的Kalghatgi根據(jù) 下面的關(guān)系式提出一個(gè)辛烷指數(shù)(OI)。
OI = RON —K*S其中 S(靈敏度)RON-MON (1)
或
<formula>formula see original document page 11</formula>
Kalghatgi指出，在單氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，震爆限制火花進(jìn)展和01之間及在 裝有滑輪的在震爆傳感器中，加速時(shí)間和OI之間都存在很好的線性關(guān)系。
2003年，Kalghatgi將他的K因子分析延伸至HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)果表明， 在如下發(fā)動(dòng)機(jī)條件下，CA50和OI之間存在較好的相關(guān)性。
CR= 16.7和13.6,PIVC = 1 & 2 bar, 若干TIVC, 若干X, 4種速率，
11種不同的燃料，和 K值在1.90至0.41的范圍內(nèi)
2003年，Kalghatgi將他的K因子分析進(jìn)一步延伸至包括在較高吸入溫 度并包括更多汽油類燃料下運(yùn)轉(zhuǎn)的Shell的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)。下面是對應(yīng)于他 的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)條件
單氣缸，
PFI,
固定凸輪 無EGR, CR= 14.0, PIVC = 1 bar, 3 TIVC, 若干X,
3種速率，并且
12種不同的燃料(4-PRF，s、 3-曱苯/己烷混合物、4-提煉混合成分、一 種完全混合汽油)。
綜上所述，根據(jù)Kalghatgi的K因子分析，實(shí)際燃料的自動(dòng)點(diǎn)火品質(zhì)可 使用辛烷指數(shù)相連，OI = RON - K*(RON-MON),其中RON和MON事研究法辛烷量和馬達(dá)法辛烷量。K是一個(gè)僅僅依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓力和溫度變 化的常數(shù)，并隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同而變化，如壓縮比。K值隨著發(fā)動(dòng)
機(jī)內(nèi)給定壓力下未燃燒氣體的壓縮溫度的降低而降低，如果該溫度比RON 測試溫度低，K值就可以忽略。
一個(gè)四沖程、單氣缸、0.55升、可控自燃、汽油直噴式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是在 驅(qū)動(dòng)閥和加油控制以及嵌入其中的各個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果中使用的。除非有其他特定 討論，所有這種執(zhí)行和結(jié)果都祐二沒定為在本領(lǐng)域具有一般技術(shù)的人所理解的 標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行。
因此，描述了適于實(shí)施本發(fā)明的環(huán)境和某些應(yīng)用硬件之后，注意力現(xiàn)在 就放在圖2上。圖2給出了北美包括夏季和冬季的燃料取樣的百分?jǐn)?shù)對應(yīng)于 K=2(選擇2的原因?qū)⒃诤竺娼忉?時(shí)辛烷指數(shù)(01 = RON - K*(RON-MON)) 的曲線。共收集了 1870個(gè)樣品，包括常規(guī)、中等和優(yōu)質(zhì)等級別的汽油。我 們的試驗(yàn)燃料，燃料D、燃料A和燃料E,表明他們涵蓋了燃料樣品的寬 01范圍。
圖3給出，在8 mg/cycle時(shí)，對于所有試驗(yàn)燃料，作為NVO函數(shù)的CA50 的變化。從圖中可以看出，隨著NVO的增加，CA50接近線性前進(jìn)。尤其 是，NVO的20度增長引起CA50的4度前進(jìn)。另外，我們的基本燃料，燃 料A，表現(xiàn)出一個(gè)可以代表所有試驗(yàn)燃料平均水平的CA50-NVO關(guān)系。
進(jìn)一步，對于固定的CA50，可以觀察到所有試驗(yàn)燃料的NVO中有 10 度伸展。換句話說， 10度集中于NVO=160度的NVO權(quán)威性足以在8 mg/cycle時(shí)不依賴于燃料而保持優(yōu)化的燃燒定相。
當(dāng)所有性能和排放數(shù)據(jù)都被畫成與總量50 %燃燒的機(jī)軸角度位置 (CA50)的關(guān)系圖時(shí)，他們就分解為一與試驗(yàn)燃料無關(guān)的獨(dú)立曲線。典型 的例子分別如圖4-6所示的IMEP和NMEP中CA10、 COV。尤其是，CA50 中集中于aTDC4度時(shí)優(yōu)化值的2度變化就會(huì)導(dǎo)致NMEP中低于1 %的減少。
13換句話說，NMEP隨CA50的變化對于優(yōu)化值附近燃燒定相器是最小的。因 此，對于實(shí)際應(yīng)用，一 IO度的NVO伸展(160、 5度)足夠于將NMEP控 制在1 %內(nèi)。
對于所有試驗(yàn)燃料，4度aTDC燃燒時(shí)最佳燃燒定相所需的NVO如圖7 所示，從圖中可以看出燃料E有最迫切的NVO需求。
圖8所示為，對于所有試驗(yàn)燃料在燃料水平為14mg/cycle時(shí)作為NVO 函數(shù)的CA50的變化。 >夂人圖中可以看出l)隨NVO的增加，CA50^妄近線性 前進(jìn)，尤其是在NVO10度的增加會(huì)引起CA506度的前進(jìn)，CA50與NVO 之間在14mg/cycle時(shí)的敏感程度高于8mg/cycle時(shí)。2)對于8度aTDC時(shí)固 定的CA50，可觀察到所有試驗(yàn)燃料中NVO的7度伸展。3) 7度NVO權(quán) 威性需要用于解釋所有試驗(yàn)燃料的須'J試。
對所有試驗(yàn)燃料在8和14mg/cycle試驗(yàn)點(diǎn)上，最優(yōu)CA50所需NVO如 圖9所示。 一般，8mg/cycle時(shí)需要較高NVO的燃料，在14 mg/cycle同樣 也要求具有較高的NVO。而且，在8和14mg/cycle所需NVO之間存在一 致的關(guān)系，以保持最佳燃燒相位，并因此具有最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。只要了解 某一加油水平上的所需變化，則足以知道在所有加油水平上所必須的變化。
在所有在8mg/cycle點(diǎn)上試驗(yàn)的燃料中，燃料E需要最大NVO以在4 度aTDC時(shí)達(dá)到最優(yōu)燃燒相位。大約是175度(圖7 ),非常接近190度的 液壓凸輪移相器操作的最高限制。為減輕對用于燃燒定相控制的NVO的需 求，燃料A和E被用于燃料噴射策略研究，以證明對燃燒定相控制使用燃 料噴射時(shí)間和燃料噴射量的作用效果。為此目的，對獨(dú)立和分流燃料噴射方 法都進(jìn)行了評價(jià)。特別是，圖10顯示再壓縮已燃燃料隨再壓縮已燃料噴射 的增加而增加，這導(dǎo)致了壓縮過程中的高混合氣體溫度，因此導(dǎo)致燃燒相位 的增加。然而，該效果隨著超過2mg的再壓縮已已噴燃料的增加而降低。
使用者們已解決了上述問題，對穩(wěn)態(tài)的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位控制建議使用下述程序說明7和15 mg/cycle (180-450 kPa NMEP)之間燃料的變化。 l.首先依據(jù)負(fù)載水平選擇一個(gè)額定額定的NVO ( Negative Valve Overlap,
負(fù)閥重疊)(圖9)。
2. 然后指定所需CA50。
3. 對于不同燃料在目標(biāo)范圍內(nèi)，根據(jù)保持CA50的要求調(diào)節(jié)NVO +/- 5度。
4. 在NVO界限，才艮據(jù)保持CA50在目標(biāo)窗口內(nèi)的要求調(diào)整重整加油水平。
圖11示出，對于所有試驗(yàn)燃料在8mg/cycle、 NVO= 170時(shí)的試驗(yàn)測試 CA50與使用k=2.1時(shí)的01。證明了 CA50和01之間良好的線性關(guān)系。對 14mg/cycle試驗(yàn)點(diǎn)，存在同樣的關(guān)系。圖12給出，對于所有的試驗(yàn)燃料在 14mg/cycle、 NVO = 170時(shí)的試驗(yàn)測試CA50與使用k=1.9時(shí)的01。比較圖 12和11，從兩圖中很明顯看出，對不同的負(fù)荷，存在不同的關(guān)系。然而， 從兩圖中也很明顯可知，在不同的負(fù)荷下，我們的數(shù)據(jù)由單Kalghatgi K因 子(~2)產(chǎn)生良好的相互關(guān)系。
圖11和圖12中所示CA50-OI關(guān)系可用于預(yù)測多少可用的商用全混合 汽油燃料(根據(jù)已知RON和MON )將會(huì)在我們HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中使用。例如， 利用燃料的RON和MON及其K閥值等于2,根據(jù)下述關(guān)系，就能計(jì)算出 8mg/cycle時(shí)的CA50。
CA50 = 0.44 01-30.9 (3)
由于使用略微有點(diǎn)差異的K值，等式(3)與圖11中所示的關(guān)系略微有 些不同。在8mg/cycle條件下利用下述關(guān)系，就可以計(jì)算出為移回CA50至其最佳位置(4度aTDC)所需的NVO，這是源自基于圖3中所示的燃料A 的數(shù)據(jù)。
NVO= 182 - 4.35 CA50 (4)
因?yàn)檩^高的辛烷指數(shù)(01)等效于延遲的HCCI燃燒相位，所以具有較 高辛烷指數(shù)的燃料將面臨挑戰(zhàn)。而且，因?yàn)镺I = RON-2*敏感度，所以具 有高RON和低敏感度的燃料將面臨最大的挑戰(zhàn)。
圖13示意性地表明，一HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位控制的控制方法，以充 分補(bǔ)償燃料的變化，具體如下
1. 主載控制參數(shù)是NVO;
2. 在完全變暖條件下檢查作為負(fù)荷函數(shù)的NVO表格；
3. 用燃燒相位(例如，LPP或CA50)作為封閉循環(huán)反饋信號。
4. 將每個(gè)氣缸的CA50與來自于檢查表格的目標(biāo)CA50進(jìn)行比較。
5. 如果氣缸圍繞目標(biāo)CA50隨機(jī)分布，那么利用第二個(gè)控制參數(shù)(例 如再壓縮過程中的燃料噴射時(shí)間/燃料噴射量、火花時(shí)間，等)來修整氣缸。
6. 如果所有的氣缸都從目標(biāo)值轉(zhuǎn)移，那么這就表明燃料"辛烷指數(shù)" 的偏移。
7. 無論利用NVO還是第二個(gè)控制參數(shù)(例如再壓縮過程中的燃料噴射 時(shí)間/燃料噴射量、火花時(shí)間，等)來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)平均CA50并基于NVO所
需變化利用關(guān)系式(4)更新表格。
參照圖14，圖示了一個(gè)更為詳細(xì)的控制示例。發(fā)動(dòng)才幾10包括燃料噴射 器41和閥驅(qū)動(dòng)裝置25。包括閥控制基線定值圖101的控制開環(huán)端，優(yōu)選的利用所熟知的動(dòng)力測定技術(shù)進(jìn)行離線校準(zhǔn)。該開環(huán)控制，例如，也可由由發(fā) 動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載數(shù)據(jù)所參照的、存儲于校準(zhǔn)表里的列表的進(jìn)氣口和排氣閥位
置組成。正是這些額定的閥位置用于組建了基線負(fù)閥重疊NV0102。與一實(shí) 施例一致，發(fā)動(dòng)機(jī)10又配置一個(gè)或多個(gè)氣缸壓力傳感器103。構(gòu)建控制系 統(tǒng)包括一個(gè)調(diào)節(jié)名義閥位置的閉環(huán)端，該閉環(huán)端基于源自氣缸傳感器103 的燃燒信息105。 NVO的修正使用燃燒相位反饋信息05 (只提出一些，如 燃燒角度的百分比、熱釋放率、燃燒期、壓力上升最大率)，并將其與一個(gè) 燃燒相位目標(biāo)107比較，比如來自于基線燃燒相位圖109。這種比較將擾亂 來自于閥控制基線定值圖101名義閥位置，以引導(dǎo)燃燒相位錯(cuò)誤106輸入到 閥控制設(shè)置點(diǎn)優(yōu)化器111至0。與包括閥驅(qū)動(dòng)裝置25在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)特定硬 件的限制一致，限制器113限制了閥調(diào)節(jié)的權(quán)利。因此，該控制設(shè)立了與進(jìn) 氣口和排氣閥驅(qū)動(dòng)交迭的負(fù)閥，這影響了由閥驅(qū)動(dòng)裝置限制的預(yù)設(shè)定燃燒相
位中的最小錯(cuò)誤。
閥位置目標(biāo)和燃燒相位目標(biāo)都^皮參照，例如，應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載數(shù) 據(jù)。依照吸入溫度、環(huán)境壓力、燃料類型等，附加的修正也許需要提供。通 過所熟知的動(dòng)力測量技術(shù)，基線燃燒相位圖109優(yōu)選被離線校準(zhǔn)?；€燃燒 相位目標(biāo)代表了所需的與多種特性相關(guān)的燃燒品質(zhì)(如NOx排放、燃燒噪 音、燃料經(jīng)濟(jì)性，以及汽油應(yīng)用分離/爆燃限制的最大MBT)?？刂破鞯拈] 環(huán)端保持了出現(xiàn)變化和干擾時(shí)所需的燃燒品質(zhì)，包括提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的 變化。在一個(gè)實(shí)施中的閥控制設(shè)置點(diǎn)優(yōu)化器111是一個(gè)慢集成器。換言之， 如果所達(dá)到的NVO (燃燒相位反饋)105比所期望的少或多，閥控制設(shè)置 點(diǎn)優(yōu)化器111就會(huì)緩慢地增加或降低閥定值。
可效仿信息105可與50%燃燒燃料充分對應(yīng)，如50%燃燒燃料的機(jī)軸 (CA50)。信息105可對應(yīng)于，例如， 一個(gè)所有氣缸的平均數(shù)、 一單氣缸或 與已有發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力傳感硬件配置和價(jià)值考慮一致的氣缸帶。而且，關(guān)于 限制于各自氣缸-氣缸調(diào)節(jié)能力(如凸輪移相器)的閥驅(qū)動(dòng)硬件，有必要針對每個(gè)獨(dú)立氣缸一貫地設(shè)置NVO。所以，通常，正是由于對所有氣缸設(shè)置
適用的單獨(dú)NVO，所有氣缸的平均燃燒相位形成了一個(gè)從所需相位的最小 限度平均偏差。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)閥(如完全韌性閥驅(qū)動(dòng))可以允許與各氣缸壓力傳 感一致的各氣缸-到-氣缸的NVO調(diào)節(jié)。盡管如此，所有氣缸的平均燃燒 相位偏差所需燃燒相位仍是最小的。如較早提及的，所有這種調(diào)節(jié)都是在閥 驅(qū)動(dòng)裝置適用范圍內(nèi)完成的。
在閥驅(qū)動(dòng)裝置適用范圍的限制上，更加適用于各氣缸-到-氣缸變化的 第二燃燒相位控制是更適宜實(shí)現(xiàn)。例如， 一直接燃料噴射裝置的燃料噴射時(shí) 間可通過在一個(gè)氣缸到氣缸底座控制。圖14中，包括燃料噴射控制基線定 值圖115的控制的另一個(gè)開環(huán)端，優(yōu)選的采用所熟知的動(dòng)力測量技術(shù)進(jìn)行離 線校準(zhǔn)。這種開環(huán)端控制可以包含，例如，發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載數(shù)據(jù)所參照的、 存儲于校準(zhǔn)表中的燃料噴射定時(shí)表。正是這些額定的燃料噴射定時(shí)構(gòu)成了 燃料噴射定時(shí)基準(zhǔn)117。與第二燃燒定相控制一致，優(yōu)選的與閥位置控制的 閥驅(qū)動(dòng)作用限制一致，如圖所示(或者可選的與滿足閥控制的最小燃燒相位
一致)，基于源于氣缸壓力傳感器103的燃燒信息105,閉環(huán)控制端調(diào)節(jié)其 定時(shí)或重組燃料的量。燃料噴射定時(shí)修正利用燃燒相位反饋信息105，并將 其與燃燒相位目標(biāo)107進(jìn)行比較。這種比較擾亂了來自于燃料噴射控制基線 定值圖15的名義燃料噴射定時(shí)，從而引導(dǎo)錯(cuò)誤輸入到燃料噴射控制定值優(yōu) 化器119至0。因此，第二燃燒相位控制構(gòu)成了燃料噴射定時(shí)進(jìn)一步修正燃 燒相位錯(cuò)誤106。另一種第二燃燒相位控制也許以熟悉的方式完成，利用火 花定時(shí)至少在操作區(qū)域進(jìn)行控制，其中利用了火花助燃器，且常規(guī)火花有效 范圍能影響所需燃燒相位的偏移。可以調(diào)節(jié)所有氣缸的燃燒相位，例如，通 過對所有噴射定時(shí)的移位，或者調(diào)整每一個(gè)單個(gè)汽缸的燃燒相位，比如通過 氣缸-氣缸燃料噴射優(yōu)化器。后者的完成也許得益于各個(gè)或每個(gè)氣缸燃燒傳
感器的使用。
對從7 mg/cycle到15 mg/cycle的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位控制，NVO已表現(xiàn)出一種有效的參數(shù)來說明燃料的變化。低于7mg/cycle時(shí)，NVO更 適宜變成燃燒穩(wěn)定性和排放的考慮，且燃燒相位是主要被再壓縮燃料噴射量 和定時(shí)所控制。辛烷指數(shù)(01)關(guān)系(圖11和圖12)能被用于預(yù)測怎樣更 具經(jīng)濟(jì)性，完全混合汽油燃料將在寬負(fù)載范圍以內(nèi)、HCCI的操作下運(yùn)作。 尤其是對于已知的RON和MON，利用K-2能計(jì)算01。然后，利用本發(fā) 明中上述關(guān)系(3)，能夠計(jì)算CA50。 NVO的要求，即將CA50移回至它 最佳位置(大致約4度aTDC),可采用此處上述關(guān)系(4)計(jì)算。
本發(fā)明已描述了有關(guān)某些最佳實(shí)施例及變量。在不偏離本發(fā)明的、由下 述權(quán)利要求所限制的發(fā)明范圍的情況下，其他可選的實(shí)施例、變量及其實(shí)施 都可以完成和實(shí)踐。
權(quán)利要求
1.一種直噴四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，其中發(fā)動(dòng)機(jī)包括由氣缸內(nèi)的活塞在頂端中心和底端中心點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)而界定的可變?nèi)萘咳紵液涂勺凃?qū)動(dòng)進(jìn)氣口和排氣閥，該方法包括控制進(jìn)氣口和排氣閥至一額定的負(fù)閥重疊，并且基于燃燒相位與所需燃燒相位的偏差，從額定負(fù)閥重疊對進(jìn)氣口和排氣閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)達(dá)到預(yù)定閥調(diào)節(jié)界限時(shí)，基 于燃燒相位與所需燃燒相位的偏差，調(diào)節(jié)再壓縮燃料噴射定時(shí)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)進(jìn)一步閥門調(diào)節(jié)不能減少燃 燒相位偏差時(shí)，基于燃燒相位與所需燃燒相位的偏差，調(diào)節(jié)再壓縮燃料噴 射定時(shí)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)達(dá)到預(yù)定閥的調(diào)節(jié)界限，基 于燃燒相位與所需燃燒相位的偏差，調(diào)節(jié)再壓縮燃料噴射量。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)進(jìn)一步調(diào)節(jié)閥不能減小燃燒 相位偏差時(shí)，基于燃燒相位與所需燃燒相位的偏差，調(diào)節(jié)再壓縮燃料噴射 量。
6. —種對直噴式四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的控制裝置，其中發(fā)動(dòng)機(jī)包括由氣缸內(nèi) 活塞在頂端中心和底端中心點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)而界定的可變?nèi)萘咳紵遥?可變驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣口和排氣閥，該控制裝置包括第一開環(huán)控制器，提供額定的負(fù)閥重疊設(shè)置；以及第一閉環(huán)控制器，基于燃燒相位與所需燃燒相位的偏差，提供所述額定的 負(fù)閥重疊設(shè)置的調(diào)節(jié)。
7. 如權(quán)利要求6所述的控制裝置，進(jìn)一步包括 第二開環(huán)控制器，提供額定的再壓縮燃料噴射設(shè)置；以及第二閉環(huán)控制器，當(dāng)達(dá)到預(yù)定閥的調(diào)節(jié)界限時(shí)，基于燃燒相位與所需燃燒 相位的偏差，提供所述額定的再壓縮燃料噴射設(shè)置的調(diào)節(jié)。
8. 如權(quán)利要求7所述的控制裝置，其中所述再壓縮燃料噴射設(shè)置包括至少定時(shí)和質(zhì)量之一。
9. 如權(quán)利要求7所述的控制裝置，其中，當(dāng)達(dá)到預(yù)定閥調(diào)節(jié)界限時(shí)，所述 第二閉環(huán)控制是起作用的。
10. 如權(quán)利要求7所述的控制裝置，其中，當(dāng)進(jìn)一步閥門調(diào)整不能減少燃燒 相位與所需燃燒相位的偏差時(shí)，所述第二閉環(huán)控制是起作用的。
11. 一種操作設(shè)有可變閥驅(qū)動(dòng)裝置和燃料傳輸裝置的多氣缸內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方 法7 包括r依據(jù)預(yù)設(shè)定值和基于燃燒相位信息的反饋，閉環(huán)控制所述可變閥驅(qū)動(dòng)裝 置，以及依擰預(yù)設(shè)再壓縮燃燒噴射定值和基于燃燒相位信息的反饋，閉環(huán)控制所述 燃料傳輸裝置。
12. 如權(quán)利要求11所述方法，其中所述再壓縮燃料噴射定值包含至少定時(shí) 和質(zhì)量之一。
13. 如權(quán)利要求11所述方法，其中，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)閥調(diào)節(jié)界限時(shí)，閉環(huán)控制 所述燃料輸送裝置是起作用的。
14. 如權(quán)利要求11所述方法，其中，當(dāng)進(jìn)一步調(diào)節(jié)閥不能減少燃燒相位與 所需燃燒相位偏差時(shí)，閉環(huán)控制所述燃料輸送裝置是起作用的。
15. —種具有進(jìn)氣口和排氣閥的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的控制裝置，包括 可變閥驅(qū)動(dòng)裝置；提供燃燒室壓力信息的壓力傳感器裝置；以及用于控制所述可變閥驅(qū)動(dòng)裝置的控制模塊，用以實(shí)現(xiàn)排氣閥和進(jìn)氣口之間的負(fù)閥重疊的預(yù)設(shè)第一定值，并基于源自所述壓力傳感器裝置的燃燒相位 信息與其所得的預(yù)設(shè)第二定值的比較，調(diào)整該預(yù)設(shè)第一定值。
16.如權(quán)利要求15所述用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的控制裝置，進(jìn)一步包括 燃料噴射裝置；進(jìn)一步用于控制所述燃料噴射裝置的所述控制模塊，用以實(shí)現(xiàn)至少包括燃 料噴射定時(shí)和質(zhì)量之一的預(yù)設(shè)第三定值，并基于燃燒相位信息的比較，調(diào) 整該預(yù)設(shè)第三定值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，適應(yīng)于燃料的變化。一個(gè)可變閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被用于提供有益于均質(zhì)充量壓燃運(yùn)行的條件。選擇額定閥定時(shí)，其中的調(diào)節(jié)是基于燃燒相位與所需燃燒相位的偏差而做出。一旦達(dá)到閥定時(shí)限制范圍從而達(dá)到燃燒相位的進(jìn)一步提高，即調(diào)整燃料輸送時(shí)間和持量。
文檔編號F02B3/12GK101321939SQ200680044949
公開日2008年12月10日 申請日期2006年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月6日
發(fā)明者J·A·恩格, P·M·納特, W·R·萊帕, 郭棠煒 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司