專利名稱：均質充量壓燃發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及內燃發(fā)動機控制系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于控制均質充量壓燃發(fā)動機操作的方法和裝置。

背景技術：
本部分內的說明僅提供與本公開相關的背景技術信息，并且可能并不構成現有技術。
內燃發(fā)動機，特別是機動車內燃發(fā)動機，基本上都會落入兩類即火花點火式發(fā)動機和壓縮點火式發(fā)動機中的一類。傳統(tǒng)的火花點火式發(fā)動機，例如汽油發(fā)動機，通常通過將空氣/燃料混合物引入燃燒氣缸，然后將其在壓縮沖程中壓縮并用火花塞點火來進行工作。傳統(tǒng)的壓縮點火式發(fā)動機，例如柴油發(fā)動機，通常通過在壓縮沖程的上止點(TDC)附近將加壓燃料引入或噴入燃燒氣缸，在噴射時將其點燃來進行工作。對于傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機來說燃燒都包括由流體力學控制的預混火焰或擴散火焰。每種類型的發(fā)動機都有優(yōu)點和缺點。通常，汽油發(fā)動機產生的排放較少但是效率較低，而柴油發(fā)動機通常效率較高但是產生的排放較多。
最近，已經提出了用于內燃發(fā)動機的其他類型的燃燒方法。一種這樣的發(fā)動機系統(tǒng)包括設計用于在特定的發(fā)動機操作條件下以受控的自動點火模式操作的內燃發(fā)動機以實現發(fā)動機燃效的改進，也被稱為均質充量壓燃(HCCI)燃燒模式?；鸹c火系統(tǒng)在特定的操作條件期間被用于輔助自動點火燃燒過程。
典型的HCCI發(fā)動機是在受控的自動點火燃燒模式下還是在火花點火模式下操作要取決于發(fā)動機的轉速和負荷。HCCI燃燒模式包括由氧化反應而不是流體力學控制的分布式，無火焰，自動點火燃燒過程。氣缸進氣的點燃是通過在特定的發(fā)動機操作條件下壓縮氣缸進氣而導致的。在典型的HCCI燃燒模式下的發(fā)動機操作中，氣缸進氣在成分，溫度，和在進氣氣門關閉正時處的殘留量等方面幾乎是均質的。HCCI燃燒模式下典型的發(fā)動機操作可以進一步使用分層進氣的燃料噴射操作以控制和修正燃燒過程，包括使用分層進氣燃燒來觸發(fā)HCCI燃燒。因為自動點火是一種分布式動態(tài)控制的燃燒過程，發(fā)動機在很稀的空氣/燃料混合下(也就是貧空氣/燃料化學計量點)操作并具有相對低的最大燃燒溫度，因此形成了非常低的NOx排放。用于自動點火的空氣/燃料混合物與柴油發(fā)動機中使用的分層空氣/燃料燃燒混合物相比是相對均質的，并因此基本消除了柴油發(fā)動機中形成煙塵和顆粒排放物的富油區(qū)。因為這種很稀的空氣/燃料混合物，所以在自動點火燃燒模式下操作的發(fā)動機能夠非節(jié)流地操作以實現類似于柴油的燃料經濟性。而且，HCCI發(fā)動機能夠在具有大量EGR的化學計量空燃比下操作以實現有效燃燒。在中等發(fā)動機轉速和負荷下，已經發(fā)現發(fā)動機氣門特性和正時的結合(例如排氣再壓縮和排氣再呼吸)以及供油策略可以有效地給氣缸進氣提供足夠的熱能以使壓縮沖程期間的自動點火帶來低噪音的穩(wěn)定燃燒。在自動點火燃燒模式下有效操作發(fā)動機的主要問題之一就是要準確地控制燃燒過程以使得產生低排放，最優(yōu)放熱速率，和低噪音結果的魯棒和穩(wěn)定的燃燒在操作條件的一定范圍內是可實現的。
因為氣缸進氣的化學動力學決定了燃燒的啟動和過程，所以對于在自動點火模式下操作的發(fā)動機沒有啟動燃燒的直接控制手段。在高于某些限制的發(fā)動機操作條件下，HCCI發(fā)動機轉換為在化學計量空燃比下的火花點火燃燒，以實現穩(wěn)定燃燒，管理排放，和滿足操作人員的轉矩請求。典型的HCCI發(fā)動機根據預先校準和預定的操作條件在HCCI燃燒模式和火花點火(SI)燃燒模式之間進行轉換。通常，SI模式包括在化學計量空燃比下的非節(jié)流操作。
當在海平面高度操作時，具有兩步升程，雙可變凸輪相位器氣門致動系統(tǒng)的HCCI發(fā)動機對非節(jié)流的低負荷和中等負荷HCCI操作使用低升程氣門開度，而在高負荷時使用高升程氣門開度進行操作，類似于傳統(tǒng)的火花點火式發(fā)動機。對HCCI模式下的發(fā)動機的燃燒正時控制通常包括使用負氣門重疊(NVO)，在每個發(fā)動機循環(huán)期間都包括一個用曲軸轉角表示的時段，其中排氣氣門在進氣氣門打開之前關閉，以重整部分燃料而促進自動點火燃燒。
使用燃料噴射正時包括在NVO時段期間和在進氣和壓縮沖程期間燃料噴射的數量和正時來控制燃燒正時。NVO時段的持續(xù)時間也可以被用于控制燃燒正時?；鸹ㄖ伎梢赃M一步控制燃燒正時。兩種HCCI操作范圍被使用在低負荷下的貧空燃比非節(jié)流操作，其中NOx排放在1.0g/kg燃料以下；和在高負荷下具有外部廢氣再循環(huán)(EGR)以允許用三元化學計量催化轉化器來降低NOx并控制發(fā)動機燃燒噪音的非節(jié)流化學計量空燃比操作。
在貧空燃比HCCI操作模式下，燃燒分別通過延長或縮短NVO而被提前或延遲。如果在由NVO提供的燃燒提前之外還需要進一步的燃燒提前，那么就增加在負氣門重疊時段期間的燃料噴射量，并調節(jié)該燃料噴射正時和在壓縮沖程期間的燃料噴射。燃燒噪音通常在這種操作形式下不是問題，因此外部EGR通常不需要控制噪音。
在非節(jié)流化學計量空燃比HCCI操作模式下，必須同時實現滿意的點火正時和可以接受的發(fā)動機噪音。在提高燃料注入速率時，必須向每一個氣缸內引入足夠量的空氣用于化學計量空燃比。另外，稀釋量也必須足夠以將發(fā)動機噪音保持在可接受的水平。由于低升程氣門開度的傳輸限制，因此存在最大燃料注入速率，高于該速率則無法保證將用于提供化學計量空燃比的足夠空氣和/或用于保持可接受的發(fā)動機噪音的足夠的外部EGR引入發(fā)動機氣缸內。這就確定了用于發(fā)動機HCCI操作的負荷上限。
環(huán)境溫度上升時，進氣和排氣壓力下降，導致燃燒正時提前。因為在HCCI燃燒模式下操作的發(fā)動機并不依賴火花點火或燃料噴射正時來直接控制燃燒過程或點火正時，所以通常HCCI發(fā)動機需要獨特的控制策略。特別地，對于使用受控的自動點火過程，能夠適應因高度或其他氣壓條件的變化導致的環(huán)境壓力變化的內燃發(fā)動機來說具有控制系統(tǒng)是有利的。本文中就介紹了這樣的一種控制系統(tǒng)。


發(fā)明內容
根據本發(fā)明，提供了一種使適于在受控的自動點火模式下操作的多氣缸、火花點火、直接噴射、四沖程內燃發(fā)動機選擇性地在化學計量空燃比和貧化學計量空燃比下操作的方法。該方法包括調節(jié)發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)以控制發(fā)動機氣門打開和關閉，并監(jiān)測發(fā)動機操作條件和外界大氣壓力。發(fā)動機被非節(jié)流操作且發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)被控制為在發(fā)動機操作條件處于預定范圍內時實現負氣門重疊時段。在負氣門重疊時段期間噴射大量燃料。負氣門重疊時段的時長隨環(huán)境壓力的降低而縮短且負氣門重疊時段的時長隨環(huán)境壓力的升高而延長。



本發(fā)明可以采用將要在下文中詳細介紹和在相關附圖中示出的優(yōu)選實施例中的某些部件和部件設置的實體形式，附圖包括 圖1是根據本發(fā)明的內燃發(fā)動機的示意圖； 圖2是根據本發(fā)明的發(fā)動機控制子系統(tǒng)的示意方塊圖； 圖3A和圖3B是根據本發(fā)明的數據圖。

具體實施例方式 現參照附圖，其中附圖僅僅是為了圖解本發(fā)明的目的而不是為了限制本發(fā)明的目的，圖1示出了內燃發(fā)動機10和根據本發(fā)明的實施例構造的附加控制模塊5的示意圖。
示范性的發(fā)動機10包括多氣缸直接噴射式四沖程內燃發(fā)動機，具有可在氣缸內滑動移動的界定出可變容積燃燒室16的往復活塞14。每個活塞都被連接至旋轉曲軸12(’CS’)，通過曲軸將它們的往復動作轉化為旋轉動作。有一個進氣系統(tǒng)將進氣提供給進氣歧管，進氣歧管將空氣引導和分配到進氣管29內以送至每個燃燒室16。進氣系統(tǒng)包括氣流管道以及用于監(jiān)測和控制氣流的裝置。該裝置優(yōu)選地包括用于監(jiān)測空氣流量(’MAF’)和進氣溫度(’TIN’)的空氣流量傳感器32。設有節(jié)氣門34，優(yōu)選地是響應來自控制模塊的控制信號(’ETC’)來控制發(fā)動機進氣量的電控裝置。在歧管內設有適用于監(jiān)測歧管絕對壓力(’MAP’)和大氣壓力(，BARO’)的壓力傳感器36。設有用于將廢氣從發(fā)動機排氣側再循環(huán)至進氣歧管的外部氣流管路，具有流量控制閥，被稱作廢氣再循環(huán)(’EGR’)閥38?？刂颇K5用于通過控制EGR閥的開度來控制送到發(fā)動機進氣側的廢氣流量。如本文中所用，術語“氣缸結構”指的是構成每個燃燒室也就是構成氣缸壁，活塞，氣缸蓋，包括進氣和排氣氣門的發(fā)動機部件和元件。
通過一個或多個進氣氣門20控制空氣從進氣管29流入每個燃燒室16。通過一個或多個排氣氣門18控制燃燒氣體從每個燃燒室通過排氣管39流入排氣歧管。進氣和排氣氣門的打開和關閉優(yōu)選地用雙凸輪軸控制(如圖所示)，雙凸輪軸的旋轉與曲軸12的旋轉相關并由曲軸12的旋轉表示。發(fā)動機裝有用于控制相位，升程和進氣與排氣氣門開啟持續(xù)時間的裝置，優(yōu)選地使用可變升程控制(’VLC’)和可變凸輪相位(’VCP’)系統(tǒng)。可變氣門升程系統(tǒng)包括用于將氣門升程或開度控制到兩個離散階段中的一個階段的裝置，這兩個離散階段包括低轉速，低負荷操作下對應120-150曲軸轉角的開啟持續(xù)時間的低升程氣門開度(大約3-6mm)和高轉速，高負荷操作下對應220-260曲軸轉角的開啟持續(xù)時間的高升程氣門開度(大約8-10mm)。
VCP系統(tǒng)可用于相對于曲軸和活塞位置也就是相位來切換氣門打開和關閉正時，除此之外它還被參照圖1所示的兩步式VLC升程所影響。設有用于發(fā)動機進氣的VCP/VLC系統(tǒng)22和用于發(fā)動機排氣的VCP/VLC系統(tǒng)24。VCP/VLC系統(tǒng)22，24由控制模塊5控制，并向控制模塊提供由用于進氣凸輪軸和排氣凸輪軸的凸輪軸旋轉位置構成的反饋信號。當發(fā)動機在自動點火模式下用排氣再壓縮氣門策略操作時通常使用低升程操作，而當發(fā)動機在火花點火燃燒模式下操作時通常使用高升程操作。
如本領域普通技術人員所公知的，VCP/VLC系統(tǒng)具有有限的有效范圍，在該范圍內進氣和排氣氣門的打開和關閉才是可控的。典型的VCP系統(tǒng)具有凸輪軸旋轉30°-90°的相位有效范圍，因此允許控制模塊提前或延遲打開和關閉發(fā)動機氣門。相位有效范圍由VCP的硬件和致動VCP的控制系統(tǒng)所確定和限制。VCP/VLC系統(tǒng)使用電子-液壓，液壓，和電子控制作用力中的一種致動，由控制模塊5控制。
發(fā)動機包括燃料噴射系統(tǒng)，包括多個高壓燃料噴射器28，每個都適用于響應來自控制模塊的發(fā)動機控制信號(’INJ_PW’)直接噴射大量燃料到其中一個燃燒室內。從燃料分配系統(tǒng)(未示出)向燃料噴射器28供應加壓燃料。
發(fā)動機包括火花點火系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)響應來自控制模塊的發(fā)動機控制信號(’IGN’)將火花能量提供給火化塞26，用于點燃或幫助點燃在每個燃燒室內的氣缸進氣?；鸹?6在某些操作條件下(例如，在HCCI或SI操作的冷啟動期間，低負荷HCCI操作界限附近，和在正常的SI發(fā)動機燃燒操作期間)增強了氣缸進氣的點火正時控制。
發(fā)動機優(yōu)選地裝有用于監(jiān)測發(fā)動機操作條件的各種測量裝置，包括具有輸出RPM的曲軸轉速傳感器42，適用于監(jiān)測燃燒具有輸出COMBUSTION的傳感器30，和適用于監(jiān)測排氣具有輸出EXH的傳感器40，通常為大量程的空燃比傳感器，和具有輸出COOLANT的冷卻劑傳感器35。在這樣配備的系統(tǒng)中，燃燒傳感器包括用于監(jiān)測燃燒參數的傳感器裝置，如圖所示為適用于監(jiān)測氣缸內燃燒壓力的氣缸壓力傳感器。應該理解其他的用于監(jiān)測氣缸壓力或另一種可轉化為燃燒相位的燃燒參數的檢測系統(tǒng)也被包括在本發(fā)明的范圍之內，例如離子檢測點火系統(tǒng)。應該理解在本發(fā)明的范圍內也可以使用其他的用于確定燃燒參數的方法。
發(fā)動機被設計為在發(fā)動機轉速和負荷的擴展范圍上用自動點火燃燒(’HCCI燃燒’)來非節(jié)流操作汽油或類似燃料混合物。在不利于自動點火燃燒的條件下，發(fā)動機用通過傳統(tǒng)或改進的控制方法進行的受控節(jié)流操作在火花點火燃燒模式下操作并獲得最大發(fā)動機功率以滿足操作人員的轉矩請求(To_req)?？蓮V泛應用的各種等級的汽油及其和少量乙醇的混合物是優(yōu)選燃料，但是，可選的流體和氣體燃料例如更高濃度的乙醇混合物(例如E80，E85)，純乙醇(E99)，純甲醇(M100)，丁醇汽油混合物，純丁醇，天然氣，氫氣，沼氣，各種重整油，合成氣，以及其他可以在本發(fā)明的實施例中使用的燃料。
控制模塊5優(yōu)選地是多用途數字計算機，通常包括微處理器或中央處理器，由包括只讀存儲器(ROM)和電可編程只讀存儲器(EPROM)的永久性存儲器和隨機存取存儲器(RAM)構成的存儲介質，高速時鐘，模數轉換(A/D)和數模轉換(D/A)電路，以及輸入/輸出電路和裝置(I/O)與適當的信號調制和緩沖電路?？刂颇K具有一組控制算法，包括存儲在永久性存儲器內并執(zhí)行用于提供每臺計算機各自功能的駐留程序指令和校準表。算法通常在預設的周期循環(huán)內執(zhí)行以使得每個算法在每個周期循環(huán)內都被執(zhí)行至少一次。算法由中央處理器執(zhí)行并可用于監(jiān)測來自前述測量裝置的輸入和執(zhí)行控制與診斷程序以利用預設的校準表來控制致動器的操作。周期循環(huán)通常以固定的間隔執(zhí)行，例如在進行發(fā)動機和機動車操作期間每3.125，6.25，12.5，25和100毫秒執(zhí)行一次?？蛇x地，算法可以響應事件例如特定地曲軸轉角位置的出現而被執(zhí)行。
控制模塊5執(zhí)行存儲在其中的算法代碼以根據預定的查詢表和存儲在存儲器內的公式將前述致動器控制到特定的控制狀態(tài)。這包括以下控制節(jié)氣門位置(ETC)；火花正時和延時(IGN)；燃料噴射量和正時，包括每個循環(huán)中的多次噴射(INJ_PW)；相位；進氣和/或排氣氣門的升程和開啟持續(xù)時間(VCP/VLC進氣，VCP/VLC排氣)；和用于控制廢氣再循環(huán)的EGR閥位(EGR)。相位，進氣和/或排氣氣門的升程和開啟持續(xù)時間包括在排氣再壓縮策略中的NVO，和在排氣再呼吸策略中的排氣閥再打開的升程?？刂颇K適用于監(jiān)測來自操作人員的輸入信號(例如加速踏板位置和剎車踏板位置)以確定操作人員的轉矩請求(To_req)，并適用于監(jiān)測來自傳感器的發(fā)動機操作條件，包括指示發(fā)動機轉速(RPM)，發(fā)動機負荷(使用MAF，MAP或INJ_PW)，燃燒，冷卻劑溫度(COOLANT)，進氣溫度(TIN)和其他環(huán)境條件的那些參數以確定發(fā)動機操作點，主要和發(fā)動機轉速與負荷有關。
控制模塊用于根據預定的查詢表和存儲在存儲器內的公式來確定各種發(fā)動機致動器的控制狀態(tài)，包括發(fā)動機氣門致動相位，升程，持續(xù)時間(VCP/VLC進氣，VCP/VLC排氣)，每個循環(huán)包括多次噴射的燃料噴射正時和脈沖寬度(INJ_PW)，火花正時和延時，EGR閥位(EGR)，和節(jié)氣門位置(ETC)，如下所述?？刂颇K操作用于監(jiān)測轉矩或負荷以及發(fā)動機轉速并由此計算出發(fā)動機功率。
現參照圖2，示出了控制和操作根據本發(fā)明的自動點火燃燒模式下的發(fā)動機的細節(jié)。發(fā)動機控制子系統(tǒng)優(yōu)選地由存儲在發(fā)動機控制模塊5的存儲器裝置內以在其中被執(zhí)行的算法代碼和校準表構成。發(fā)動機控制子系統(tǒng)綜合操作人員的輸入，環(huán)境條件，發(fā)動機操作條件，和燃燒性能的測量值，并執(zhí)行算法以確定各個致動器的優(yōu)選控制狀態(tài)來滿足操作人員的轉矩請求和達到發(fā)動機操作的目標。燃燒性能測量值(，COMBUSTION’)優(yōu)選地可以轉化為點火正時和在受控的自動點火燃燒期間進行的燃燒持續(xù)時間的測量值。受控的自動點火燃燒的點火正時被定義為上止點之后的按度數測量的曲軸轉角位置(’deg a TDC’)，在此燃燒10％或50％質量比率的燃燒室進氣(分別表示為’CA10’和’CA50’)。燃燒的燃燒持續(xù)時間被定義為在燃燒10％質量比率和90％質量比率之間的用曲軸轉角角度(’CAD’)表示的曲軸轉角間隔。
發(fā)動機控制子系統(tǒng)包括前饋控制電路55和優(yōu)選地包括反饋控制電路65。發(fā)動機控制子系統(tǒng)優(yōu)選地被作為正在進行中的發(fā)動機控制的一部分執(zhí)行以實現對操作條件改變的快速和有效的系統(tǒng)響應，通常是響應操作人員輸入和環(huán)境條件的改變。
前饋控制電路55包括兩個主要部件控制模塊60，包括預校準的查詢表和算法，以及多個限幅器?？刂颇K的預校準查詢表和算法包括存儲在存儲器裝置內的機器可查詢數組和機器可執(zhí)行算法，用于根據發(fā)動機操作條件，例如發(fā)動機轉速，負荷，進氣溫度，冷卻劑溫度，排氣，氣缸結構的有效溫度等，針對每個發(fā)動機控制致動器確定控制狀態(tài)。根據發(fā)動機轉速和負荷確定發(fā)動機操作點。
每個致動器的具體控制狀態(tài)是根據發(fā)動機操作條件和發(fā)動機動力歷史數據確定的。每個發(fā)動機控制致動器的控制狀態(tài)包括致動器專用控制信號，用于控制致動器的操作。如圖所示，來自查詢表的輸出經過多個前饋限幅器中的一個限幅器被送出。
總體上，本發(fā)明包括用于操作自動點火燃燒模式下的發(fā)動機在化學計量空燃比或貧化學計量空燃比下工作的方法。它包括監(jiān)測發(fā)動機操作條件，特別是轉速和負荷，以及環(huán)境壓力，通常使用來自傳感器36的BARO輸出。當發(fā)動機操作條件處于預定范圍內時，發(fā)動機在負氣門重疊時段被非節(jié)流操作。在負氣門重疊時段期間噴入大量燃料。負氣門重疊時段的時長隨環(huán)境壓力的降低而縮短，和隨環(huán)境壓力的升高而延長。當發(fā)動機操作條件包括高負荷和發(fā)動機位于由上限負荷范圍限定的高海拔時，發(fā)動機優(yōu)選地在受控的自動點火模式下以化學計量空燃比操作。
用于在海平面高度操作具有兩步式氣門升程，雙凸輪相位器氣門致動系統(tǒng)的示范性HCCI發(fā)動機的方法包括在自動點火操作模式下使用低升程氣門開度，而在操作處于火花點火模式的發(fā)動機時的高發(fā)動機負荷下使用高升程氣門開度。對自動點火模式下的發(fā)動機的燃燒正時控制包括控制NVO時段。燃燒正時通過控制NVO和燃料噴射被控制，包括控制在每個NVO時段期間和在每個進氣與每個壓縮沖程期間的燃料噴射量和噴射正時。選擇性地使用火花輔助點火以控制燃燒正時。
優(yōu)選地使用兩種自動點火燃燒操作模式，包括貧空燃比操作模式(貧空燃比HCCI)和化學計量空燃比操作模式(化學計量空燃比HCCI)。貧空燃比HCCI操作模式包括非節(jié)流地和在貧化學計量空燃比下操作發(fā)動機，通常是在較低的發(fā)動機負荷時，并且優(yōu)選地其中NOx排放在1.0g/kg燃料以下?；瘜W計量空燃比HCCI操作模式非節(jié)流地和在化學計量空燃比下操作發(fā)動機，通常是在較高的發(fā)動機負荷下。外部廢氣再循環(huán)(EGR)控制被用于該模式以在三元化學計量催化轉化器內實現Nox的降低，和控制發(fā)動機燃燒噪音。
在貧空燃比HCCI操作模式中，燃燒分別通過延長或縮短NVO的時長而被提前或延遲。在由NVO提供的燃燒提前之外還需要進一步的燃燒提前的操作條件下，增加在負氣門重疊時段期間的燃料噴射量，并調節(jié)燃料噴射正時和在壓縮沖程期間的燃料噴射。燃燒噪音通常在這種操作形式下不是問題，因此外部EGR通常不需要控制噪音。
在化學計量空燃比HCCI操作模式下的操作根據滿意的點火正時和可以接受的發(fā)動機噪音而受到限制。在操作中，為了增加發(fā)動機負荷而提高燃料注入速率。在燃料注入速率提高時，必須向發(fā)動機氣缸內引入對應量的空氣以保持化學計量空燃比。另外，排氣稀釋量也必須足夠以將發(fā)動機噪音保持在可接受的水平。對于HCCI操作也就是在化學計量空燃比HCCI操作模式中的上限，是由低升程氣門升程的流動限制確定的。在需要的燃料流量大于被化學計量空燃比劃分的進氣氣門的最大流通能力時，就沒有足夠的氣流來保持用于可接受的發(fā)動機噪音水平的化學計量空燃比和足夠的EGR。在此情況下，HCCI操作是不連續(xù)的并且發(fā)動機在火花點火模式下操作，用火花正時和延時控制氣缸進氣的點火?，F已介紹了用于在高海拔或低氣壓下運行示范性HCCI發(fā)動機的方法。燃燒正時隨著海拔高度的增加和進氣與排氣壓力的降低而提前。
現參照圖3A和圖3B，示出了用于在特定條件下操作示范性發(fā)動機的發(fā)動機氣門和燃料噴射的時序圖。坐標軸表示曲軸轉角并標有上止點(，TDC’)壓縮，下止點(’BDC’)和TDC-排氣的具體位置。示作“排氣”的區(qū)域表示排氣氣門18打開期間的持續(xù)時段，而示作“進氣”的區(qū)域包括進氣氣門20打開期間的持續(xù)時段。之間的示作’NVO’的區(qū)域表示負氣門重疊的持續(xù)時段?，F參照圖3A，時序圖示出了用NVO操作位于海平面高度，貧空燃比HCCI操作模式下并處于輕負荷的特定條件下的示范性發(fā)動機。在NVO時段期間來自燃料噴射器28的燃料注入被表示為EOI_1，示作Y毫克(mg)的質量流量。在進氣和壓縮時段來自燃料噴射器28的燃料注入被表示為EOI_2，示作Z毫克(mg)的質量流量。因海拔增加或氣壓降低而導致的燃燒正時提前在貧空燃比HCCI操作模式中通過縮短NVO時段和/或減少在NVO時段期間的燃料噴射量(EOI_1)來補償，這影響了重整燃料的質量。在大氣壓力降低時縮短NVO時段將燃燒正時保持在最優(yōu)水平。因氣壓升高導致的燃燒正時延遲優(yōu)選地在貧空燃比HCCI操作模式中通過延長NVO時段和/或在NVO時段期間噴射更多燃料來補償以將燃燒正時保持在其最優(yōu)水平。
現參照圖3B，時序圖示出了用NVO操作位于海平面高度，化學計量空燃比HCCI操作模式下并處于高負荷的特定條件下的示范性發(fā)動機。在NVO時段期間來自燃料噴射器28的燃料注入被表示為EOI_1，示作Y毫克(mg)的質量流量。在進氣和壓縮時段來自燃料噴射器28的燃料注入被表示為EOI_2，示作Z毫克(mg)的質量流量。
因海拔增加或氣壓降低而導致的燃燒正時提前在化學計量空燃比HCCI操作模式中通過縮短NVO時段和/或調節(jié)在NVO時段期間的燃料噴射量(EOI_1)來補償，這影響了重整燃料的質量。但是，在大氣壓力降低時有必要繼續(xù)同時允許足夠的空氣量和足夠的進氣稀釋量，包括外部和內部EGR，進入每一個發(fā)動機氣缸。氣流和EGR的需求可能會迫使NVO縮短，從而導致將點火正時延遲到比因氣壓降低而恢復最優(yōu)燃燒正時所需延遲更大的程度?？刂葡到y(tǒng)通過調節(jié)重整燃料量和/或火花輔助燃燒的操作來恢復最優(yōu)點火正時。在NVO時段期間的燃料噴射量隨海拔或氣壓的變化進行調節(jié)。噴射的重整燃料量和NVO時段改變的具體數值取決于特定應用并且優(yōu)選地在發(fā)動機試生產研發(fā)工作期間確定。
化學計量空燃比HCCI操作模式的負荷上限隨著海拔的增加或氣壓的降低而降低。在此情況下，為了保持化學計量空燃比并且同時保持足夠的進氣稀釋以達到可接受的發(fā)動機噪音，噴入發(fā)動機氣缸的最大燃料量必需減少。
現在詳細介紹對于操作條件通常是發(fā)動機負荷的最大發(fā)動機操作范圍的策略，在該范圍內發(fā)動機在化學計量空燃比HCCI操作模式下，和在通常的低發(fā)動機負荷下被有效地操作。在化學計量HCCI操作中的最大發(fā)動機操作負荷附近，發(fā)動機被非節(jié)流運行，也就是節(jié)氣門全開。在此情況下，需要同時滿足滿意的點火正時和可接受的發(fā)動機噪音。在提高燃料注入速率時，必須向發(fā)動機氣缸內引入足夠量的空氣以保持化學計量空燃比。另外，稀釋量也必須足夠以將發(fā)動機噪音保持在可接受的水平。由于進氣系統(tǒng)的傳輸限制，因此存在最大燃料注入速率，高于該速率則無法保證將用于保持化學計量空燃比的足夠空氣量和/或用于保持可接受的發(fā)動機噪音的足夠的外部EGR量引入發(fā)動機氣缸內。這就確定了用于發(fā)動機HCCI操作的負荷上限。在海平面高度，該負荷上限對應最大燃料注入速率。
當海拔高度增加且進氣和排氣壓力相應降低時，燃燒正時提前。但是，在海拔高度增加時有必要繼續(xù)同時允許足夠的空氣量和足夠的進氣稀釋量，包括外部和內部EGR，進入每一個發(fā)動機氣缸。空氣和EGR的需求迫使NVO縮短，可能會將點火正時延遲到比因海拔增加而恢復最優(yōu)燃燒正時所需延遲更大的程度。為了恢復最優(yōu)點火正時，需要足夠的重整燃料量和/或火花輔助燃燒。海拔高度降低時，采取相反的措施。
操作策略考慮到了在相同的燃料注入速率下隨著海拔高度的增加噪音和Nox也會增加。為了保持和在海平面高度時相同的噪音水平，用于HCCI操作的最大燃料注入速率隨著海拔高度的增加而降低。
在低負荷時，燃燒也會隨著氣壓的降低而提前。提前的燃燒正時通過縮短NVO和/或降低在負氣門重疊時段期間的燃料噴射量(重整燃料)來補償。這可以在發(fā)動機操作的海拔高度增加時將燃燒正時恢復為最優(yōu)水平。在海拔高度降低時，燃燒傾向于延遲，因此更長的NVO和/或在負氣門重疊時段期間更多的燃料噴射會將燃燒正時恢復到其最優(yōu)水平。
為了理解本發(fā)明的概念，利用公知的發(fā)動機數學模型，對各種操作條件進行了一系列發(fā)動機模型計算以示范在海平面高度和在高海拔高度對上述示范性發(fā)動機的操作要求?，F參照表1和表2，根據本發(fā)明的介紹，給出了在海平面高度和在高海拔高度的低負荷條件下操作發(fā)動機的結果。表1示出了在低海拔和高海拔的相同燃料注入條件下的操作結果，而表2示出了在低海拔和高海拔高度，在主要的二次噴射期間減少燃料注入的操作結果。這證明了在低負荷的貧空燃比HCCI操作中，燃料進氣的可燃性隨著海拔的增加而改善。而且，需要縮短NVO的時長和降低重整燃料量以保持最優(yōu)的燃燒正時。
表1
表2
現參照表3和表4，根據本發(fā)明，給出了在海平面高度和在高海拔高度的高負荷條件下操作發(fā)動機的模型計算結果，通常在海平面大約為4.5bar NMEP。操作條件用于在化學計量空燃比模式操作，也就是大約1.0的當量比，以及在上止點前(’deg bTDC’)440度終止噴射的第一重整噴射，和包括在330deg bTDC終止的第二噴射以及在270deg bTDC終止的第三噴射的分流燃料噴射。表3示出了在低海拔和高海拔的相同燃料注入條件下的操作結果，而表4示出了在低海拔和高海拔高度，在主要的二次噴射(13mg燃料)期間減少燃料注入的操作結果。這證明了在高負荷的化學計量空燃比HCCI操作中，需要減少燃料注入以保持最優(yōu)操作。
表3
表4
現參照表5，給出了在更高海拔高度沒有重整燃料時操作發(fā)動機的模型計算結果。這些結果，與表5中的結果相結合，證明了強調噪音約束和實現可燃性的操作條件的必要性。操作條件包括縮短NVO，增加重整燃料或火花輔助點火以允許足夠的稀釋和燃燒進氣的可燃性。
表5
在一個可選實施例中，另一種氣門致動系統(tǒng)被用于該發(fā)動機以擴展HCCI操作的負荷上限?？蛇x的氣門致動系統(tǒng)包括用于提供三步升程能力的可變升程控制裝置和雙凸輪相位器系統(tǒng)。該三步式氣門致動系統(tǒng)在所有海拔高度和大氣壓力下都有效。第一低升程(3-5mm)階段和短持續(xù)時間NVO結合使用，并優(yōu)選地在貧空燃比，非節(jié)流操作期間使用。第二中升程(6-8mm)優(yōu)選地在發(fā)動機負荷增加時使用以提供更高的排氣和進氣氣門升程和持續(xù)時間，并允許更大量的空氣和外部EGR進入發(fā)動機。第三高升程在以傳統(tǒng)的火花點火模式操作發(fā)動機時使用。在海平面高度，因為和兩步式系統(tǒng)的升程的較低步驟相比有更多的空氣和稀釋氣體進入燃燒室，所以HCCI模式下第二氣門升程允許更高的最大燃料注入速率。隨著海拔高度的增加或大氣壓力的降低，最大燃料注入速率也由于和上述兩步式系統(tǒng)相同的原因而被降低，但是在給定高度的最大燃料注入速率要高于兩步式系統(tǒng)。
已經具體參照示范性實施例及其修改對本發(fā)明進行了介紹。在閱讀和理解說明書后其他人也可以進行進一步的修改和變形。本發(fā)明應該包括所有這樣的修改和變形，只要它們落入本發(fā)明的范圍之內即可。
權利要求
1、一種使適于在受控的自動點火模式下操作的多氣缸、火花點火、直接噴射、四沖程內燃發(fā)動機選擇性地在化學計量空燃比和貧化學計量空燃比下操作的方法，所述方法包括
調節(jié)發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)以控制發(fā)動機氣門打開和關閉；
監(jiān)測發(fā)動機操作條件；
監(jiān)測外界大氣壓力；
非節(jié)流操作所述發(fā)動機和控制所述發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)以在所述發(fā)動機操作條件處于預定范圍內時實現負氣門重疊時段；
在所述負氣門重疊時段期間噴射大量燃料；且隨環(huán)境壓力的降低而選擇性地縮短所述負氣門重疊時段的時長和隨環(huán)境壓力的升高而選擇性地延長所述負氣門重疊時段的時長。
2、如權利要求1所述的方法，包括當所述發(fā)動機操作條件包含高負荷和所述發(fā)動機在降低的外界大氣壓力下操作時，在受控的自動點火模式下以化學計量空燃比操作所述發(fā)動機。
3、如權利要求2所述的方法，進一步包括隨著外界大氣壓力的降低而減小用于非節(jié)流操作所述發(fā)動機的發(fā)動機操作條件的預定范圍和在所述負氣門重疊時段內控制所述可變氣門致動系統(tǒng)。
4、如權利要求3所述的方法，其中所述發(fā)動機操作條件包括發(fā)動機負荷。
5、如權利要求3所述的方法，進一步包括隨著外界大氣壓力的降低而保持廢氣再循環(huán)流量。
6、如權利要求5所述的方法，其中所述發(fā)動機操作條件的預定范圍的確定是基于在受控的自動點火模式下以化學計量空燃比操作所述發(fā)動機和在跨越一定范圍的外界大氣壓力的高發(fā)動機負荷操作條件下保持廢氣再循環(huán)流量。
7、如權利要求1所述的方法，其中調節(jié)所述發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)以控制發(fā)動機氣門打開和關閉包括調節(jié)所述發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)以選擇性地控制進氣和排氣氣門的升程，開啟正時，和開啟持續(xù)時間。
8、如權利要求1所述的方法，包括在所述發(fā)動機操作條件包括低負荷時，在受控的自動點火模式下以貧化學計量空燃比操作所述發(fā)動機。
9、如權利要求8所述的方法，進一步包括隨著外界大氣壓力的降低而減小用于非節(jié)流操作所述發(fā)動機的發(fā)動機操作條件的預定范圍和在所述負氣門重疊時段內控制所述可變氣門致動系統(tǒng)。
10、如權利要求1所述的方法，進一步包括隨著外界大氣壓力的降低而在負氣門重疊時段期間減少燃料噴射量。
11、如權利要求1所述的方法，進一步包括
用受控的火花點火輔助燃燒；和
通過調節(jié)火花點火正時來調節(jié)燃燒正時。
12、如權利要求11所述的方法，進一步包括在所述發(fā)動機操作條件在預定范圍之外時，非節(jié)流操作所述發(fā)動機和在化學計量空燃比下操作所述發(fā)動機。
13、如權利要求1所述的方法，其中監(jiān)測外界大氣壓力包括用車載傳感器監(jiān)測大氣壓力。
14、一種使多氣缸、火花點火、直接噴射、四沖程內燃發(fā)動機選擇性地在受控的自動點火模式和火花點火模式中的一種模式下操作的方法，包括
監(jiān)測發(fā)動機操作條件和發(fā)動機負荷；
監(jiān)測外界大氣壓力；
當所述發(fā)動機操作條件和發(fā)動機負荷在預定范圍內時，在受控的自動點火模式下操作所述發(fā)動機；
隨外界大氣壓力的降低而減小用于在受控的自動點火模式下操作所述發(fā)動機的所述預定范圍；和
隨外界大氣壓力的升高而增大用于在受控的自動點火模式下操作所述發(fā)動機的所述預定范圍。
15、如權利要求14所述的方法，其中在受控的自動點火模式下操作所述發(fā)動機包括
為所述發(fā)動機配備在負氣門重疊條件下選擇性可控的可變氣門致動系統(tǒng)；
在所述負氣門重疊條件下控制所述可變氣門致動系統(tǒng)；
用受控的火花點火輔助燃燒；
在所述負氣門重疊條件期間噴射燃料；和
在非節(jié)流狀態(tài)下操作所述發(fā)動機。
16、如權利要求15所述的方法，進一步包括隨著外界大氣壓力的降低而在負氣門重疊時段期間以貧化學計量空燃比操作所述發(fā)動機和選擇性地減少燃料噴射量。
17、如權利要求16所述的方法，包括隨著外界大氣壓力的降低而在負氣門重疊時段期間減小用于所述發(fā)動機操作條件的預定范圍和用于非節(jié)流操作所述發(fā)動機的發(fā)動機負荷并控制所述可變氣門致動系統(tǒng)。
18、如權利要求17所述的方法，進一步包括隨著外界大氣壓力的降低而在負氣門重疊時段期間以化學計量空燃比操作所述發(fā)動機和保持廢氣再循環(huán)量。
19、一種用于在受控的自動點火燃燒模式下操作內燃發(fā)動機的方法，所述內燃發(fā)動機包括火花點火、直接噴射、四沖程內燃發(fā)動機，配備有用于控制氣門升程，氣門開啟正時，和氣門開啟持續(xù)時間和選擇性地用于實現負氣門重疊的氣門致動系統(tǒng)，所述方法包括
隨著大氣壓力的降低而選擇性地縮短負氣門重疊的時長；
在貧空燃比的自動點火燃燒操作模式下隨著所述大氣壓力的降低而選擇性地在所述負氣門重疊期間減少燃料噴射量；和
在化學計量空燃比的自動點火燃燒操作模式下隨著所述大氣壓力的降低而選擇性地在所述負氣門重疊期間調節(jié)燃料噴射量。
20、如權利要求19所述的方法，包括
建立用于對預定的大氣壓力在受控的自動點火燃燒模式下操作發(fā)動機的發(fā)動機操作條件的預定范圍；和
根據所述大氣壓力的改變來調節(jié)用于在受控的自動點火燃燒模式下操作所述發(fā)動機的預定范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使適于在受控的自動點火模式下操作的多氣缸、火花點火、直接噴射、四沖程內燃發(fā)動機選擇性地在化學計量空燃比和貧化學計量空燃比下操作的方法。該方法包括調節(jié)發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)以控制發(fā)動機氣門打開和關閉，并監(jiān)測發(fā)動機操作條件和外界大氣壓力。發(fā)動機被非節(jié)流操作且發(fā)動機氣門致動系統(tǒng)被控制為在發(fā)動機操作條件處于預定范圍內時實現負氣門重疊時段。在負氣門重疊時段期間噴射大量燃料。負氣門重疊時段的時長隨環(huán)境壓力的降低而縮短且隨環(huán)境壓力的升高而延長。
文檔編號F02B1/10GK101454551SQ200780019190
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權日2006年5月25日
發(fā)明者T·M·斯洛亞恩, T·-W·擴, J·康, P·M·納特 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司