專利名稱：發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在火花點(diǎn)火操作和均質(zhì)充氣壓縮點(diǎn)火操縱期間以可變壓縮比控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE)中，期望的是限制燃燒室中的溫度以便盡量將一氧化氮 (NOx)和/或顆粒物質(zhì)(PM)的形成減到最小。一種實(shí)現(xiàn)減少ICE的排放物的目標(biāo)的方法是使用均質(zhì)和/或貧(lean，低含量)空氣/燃料混合物，即燃料的量相對于空氣和其他成分的量相對較少。使用例如火花塞在單一位置處引發(fā)點(diǎn)火可能導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性降低，具有周期到周期的變化以及缸到缸的變化。貧均質(zhì)空氣/燃料混合物將需要一種更有力的點(diǎn)燃可燃混合物的方法。一種這樣的方法為均質(zhì)充氣壓縮點(diǎn)火(HCCI)。HCCI涉及將燃料、空氣和其他成分的混合物壓縮至燃料的氧化過程在期望時(shí)間加速的點(diǎn)，所述點(diǎn)優(yōu)選為鄰近壓縮沖程之后的上止點(diǎn)(TDC)或在所述上止點(diǎn)之后。在ICE中的壓縮沖程之后，HCCI取決于可燃混合物的熱條件，并且對點(diǎn)火過程具有重大影響的參數(shù)需要控制。這些參數(shù)可以影響導(dǎo)致氧化并引起燃料分解的化學(xué)反應(yīng)。這樣的參數(shù)的實(shí)例為空氣、燃料和其他成分的氣態(tài)混合物的局部壓力、局部溫度以及量和組成。所述其他成分主要為殘留廢氣。廢氣可以由于以下原因而保留在燃燒室中通過在排氣沖程和/或進(jìn)氣沖程期間使用負(fù)閥重疊(negative valve overlap，負(fù)壓閥重疊)或者通過使用廢氣再循環(huán)(EGR)返回來自排氣歧管的廢氣。上述參數(shù)隨之取決于燃燒室內(nèi)部和外部的許多額外的參數(shù)和條件。在燃燒室內(nèi)部，在壓縮沖程期間或其之后，局部條件受氣流過程(湍流、氣體混合)、熱傳導(dǎo)過程(氣體對氣體、氣體對壁)和可能的蒸發(fā)過程(從壁蒸發(fā)的燃料等)的影響。定時(shí)(timing，正時(shí)) 也是一個(gè)因素；直接地，對點(diǎn)火和燃燒所需的時(shí)間有影響，以及間接地，對在壓縮期間的熱過程(例如，向燃燒室的壁的熱傳導(dǎo))有影響。時(shí)間取決于發(fā)動(dòng)機(jī)速度。通常對外部參數(shù)更感興趣，因?yàn)檫@些外部參數(shù)經(jīng)常是可以用于控制點(diǎn)火和燃燒過程的可控參數(shù)。例如，外部參數(shù)為燃料的組成、發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比(幾何比和有效比)、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和可燃混合物的相對組成?？扇蓟旌衔锱c燃料的量、空氣的量以及燃燒室中的殘留氣體相關(guān)。殘留氣體為已經(jīng)從前一次燃燒而留下的廢氣或者為已經(jīng)利用EGR返回的 (或可能被冷卻的)廢氣。在進(jìn)氣沖程期間，可燃混合物也受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道中的燃?xì)庹舭l(fā)的影響。除了以上所述之外，使用貧混合物也是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)效率的一種手段。從效率的角度來看，在某一稀釋程度下具有最佳狀態(tài)，其決定HCCI是否優(yōu)于受迫火花點(diǎn)火(Si)。在大部分奧托發(fā)動(dòng)機(jī)中，具有從低發(fā)動(dòng)機(jī)載荷到中發(fā)動(dòng)機(jī)載荷的操作區(qū)域，在此情況下HCCI更有效。在該操作區(qū)域之下，燃燒過程的穩(wěn)定性降低。在該操作區(qū)域之上，燃燒太快且會(huì)造成噪音(發(fā)動(dòng)機(jī)爆震)并增加熱損耗?？刂评肏CCI操作的發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)已知解決方案的描述如下。一組解決方案涉及通過控制氣體交換來控制殘留氣體的量(在前一次燃燒之后保留在汽缸中的廢氣)。可變閥定時(shí)(通常)和可變閥升程(有時(shí))用于該目的。通過在排氣沖程期間及早關(guān)閉排氣閥，有可能捕獲來自之前的燃燒循環(huán)的熱廢氣。同時(shí)，因?yàn)闊釓U氣會(huì)在沒有額外的功(除了熱損耗之外)的情況下經(jīng)受壓縮和膨脹，所以可通過延遲打開進(jìn)氣閥來實(shí)現(xiàn)可接受的效率。通過這種方式，熱廢氣可用于增加汽缸內(nèi)的溫度，以使得能夠在隨后的燃燒中進(jìn)行 HCCI。燃料噴射定時(shí)可用作另一個(gè)控制參數(shù)。如上所述的解決方案那樣，快速熱管理為熱效應(yīng)。在該解決方案中，熱交換器用于將廢氣中的熱量傳遞到進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管道中的空氣的分流。通過快速啟動(dòng)節(jié)流閥，熱空氣和冷空氣的可控混合物可供應(yīng)給進(jìn)氣口，以便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的HCCI操作。設(shè)有可變壓縮比(VCR)的發(fā)動(dòng)機(jī)是用于控制HCCI的另一個(gè)解決方案，前提是對于每個(gè)單獨(dú)的汽缸而言，所述壓縮比可控制。壓縮比可用于控制汽缸中的壓力和溫度，但是問題是如何針對每個(gè)單獨(dú)的汽缸控制壓縮比?？砂l(fā)現(xiàn)使用HCCI的實(shí)際應(yīng)用的數(shù)量非常有限，且到目前為止，所生產(chǎn)的那些僅可在非常有限的操作條件(關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩)下操作。在適合于HCCI操作的操作條件之外，使用常規(guī)火花點(diǎn)火操作。由于上述問題以及與控制HCCI操作與SI操作之間的切換相關(guān)的其他問題，大部分HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)仍然處于研究或原型階段。因此，需要可以解決上述問題的改進(jìn)的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
通過根據(jù)所附權(quán)利要求的控制發(fā)動(dòng)機(jī)的方法來解決上述問題。根據(jù)本發(fā)明的方法可應(yīng)用于US5188066中描述類型的可變壓縮內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該專利由此通過引證方式結(jié)合于此。該文件描述了具有多個(gè)工作汽缸和相應(yīng)數(shù)量的輔助汽缸的類型的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中每個(gè)輔助汽缸與關(guān)聯(lián)的工作汽缸相關(guān)聯(lián)。活塞設(shè)置在每個(gè)工作汽缸中以在該工作汽缸中執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該活塞經(jīng)由連桿操作性地連接至第一曲柄軸。輔助活塞設(shè)置在每個(gè)輔助汽缸中，以在該輔助汽缸中執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該活塞操作性地連接至第二曲柄軸。在第一曲柄軸和第二曲柄軸之間作用的裝置確保輔助活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以與工作活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率相關(guān)的頻率發(fā)生。該裝置設(shè)置為在所述曲柄軸之間提供角位移，以便在相應(yīng)的工作汽缸和輔助汽缸中實(shí)現(xiàn)預(yù)定的壓縮比，該壓縮比取決于在任何給定時(shí)間時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)上的載荷。US5188066示出位于汽缸蓋中的輔助汽缸，但是也可能將所述汽缸設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)組中，與主要的工作汽缸平行。除了可變壓縮比之外，該發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)特性在于殘留氣體的量是可變的。通過單一的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)可在同一個(gè)方向上控制壓縮比和殘留氣體體積。因此，高壓縮比與高殘留氣體量相關(guān)聯(lián)，反之亦然。該特性有利于HCCI操作，特別是當(dāng)需要在HCCI操作和SI操作之間進(jìn)行切換的時(shí)候。當(dāng)從SI操作切換到HCCI操作的時(shí)候，壓縮比與殘留氣體量一起增力口。類似地，當(dāng)從HCCI操作切換至SI操作的時(shí)候，壓縮比和殘留氣體量降低。從SI操作到HCCI操作的切換會(huì)對空氣/燃料混合物產(chǎn)生熱影響，該混合物可被迫以三種方式自燃；通過增加壓力、由增加壓縮而引起的溫度增高和/或通過增加的殘留氣體的量。當(dāng)節(jié)流量減少的時(shí)候，該條件也可能會(huì)受到進(jìn)氣口中增加的壓力水平的影響。 在轉(zhuǎn)變至HCCI操作的期間，需要通過增加更多空氣或再循環(huán)的廢氣來稀釋空氣/燃料混合物，這可引起進(jìn)氣壓力增加。在壓縮沖程之后，進(jìn)氣壓力的增加會(huì)造成壓力水平的增加，這將有助于空氣/燃料混合物的自動(dòng)點(diǎn)火。如上所述的可變壓縮內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)適合在操作條件下處理大的變化或干擾，諸如在 SI和HCCI之間切換所有的汽缸。為了在操作條件下處理局部的變化或干擾，諸如缸對缸的變化或干擾，所述可變壓縮內(nèi)燃發(fā)動(dòng)可與可變氣門驅(qū)動(dòng)(VVA)結(jié)合。VVA設(shè)置可涉及可變閥定時(shí)和/或可變閥升程。通常，大的變化的實(shí)例可為燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、熱條件或模式轉(zhuǎn)變 (例如SI到HCCI)類型的變化或干擾。大的變化或干擾可通過單獨(dú)或組合地控制壓縮比、 凸輪定時(shí)、EGR、熱管理或節(jié)流(空氣/燃料比)來處理。小的變化或干擾可劃分為缸到缸的變化或干擾(例如，體積效率、進(jìn)氣和排氣壓力脈沖或注射燃料變化)和循環(huán)到循環(huán)的變化(例如進(jìn)氣口或汽缸中的湍流效應(yīng)或燃料制備中的變化)。小的變化或干擾可通過單獨(dú)或組合地使用VVA、雙燃料噴射、直接噴射、受控燃料噴射定時(shí)、對每個(gè)汽缸的受控加燃料、 以及對每個(gè)汽缸進(jìn)行的受控EGR或快速熱管理來控制。燃料成分也可用于控制HCCI。當(dāng)在其他壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)(例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī))中， 燃料的分解取決于其組成部分。因此，HCCI的點(diǎn)火定時(shí)可通過改變每次循環(huán)之間的燃料成分來控制。這可通過在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管道(雙燃料噴射)中混合不同燃料、或通過在噴射之前或噴射期間更改燃料成分來實(shí)現(xiàn)。上述發(fā)動(dòng)機(jī)包括發(fā)動(dòng)機(jī)組、汽缸蓋、主要和輔助曲柄軸和活塞、以及帶有凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和至少一個(gè)關(guān)聯(lián)凸輪軸的進(jìn)氣閥和排氣閥。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)還包括用于調(diào)節(jié)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的第一曲柄軸和第二曲柄軸之間的相位角的裝置。這種類型的相移裝置在 W02001/94766中描述，該專利通過引證方式結(jié)合于此。根據(jù)這個(gè)實(shí)例，第一曲柄軸和第二曲柄軸通過傳動(dòng)裝置彼此連接，所述傳動(dòng)裝置設(shè)有包括用于實(shí)現(xiàn)相位角的控制的曲柄軸延伸部分，該延伸部分被固定以防止轉(zhuǎn)動(dòng)，并可拆卸地連接至曲柄軸中的一個(gè)，并經(jīng)由槽形部分轉(zhuǎn)動(dòng)地連接至曲柄軸中的第二個(gè)。當(dāng)替換曲柄軸延伸部分的時(shí)候，在槽形部分中實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)， 這會(huì)引起曲柄軸之間的對應(yīng)相位角移動(dòng)。在該說明書中，除非另有說明，任何提及的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)都旨在涉及四沖程奧托發(fā)動(dòng)機(jī)。這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)可以具有一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣閥和排氣閥，但是說明書中可以僅提到每種類型一個(gè)閥。如上所述，第二曲柄軸及其一個(gè)或多個(gè)關(guān)聯(lián)輔助汽缸可位于汽缸蓋或發(fā)動(dòng)機(jī)組中。在汽缸蓋中提供輔助汽缸的優(yōu)點(diǎn)在于可在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)組上實(shí)施該解決方案。 另一方面，在發(fā)動(dòng)機(jī)組中提供輔助汽缸將會(huì)降低汽缸蓋的復(fù)雜性，所述汽缸蓋還必須容納進(jìn)氣管道/排氣管道、進(jìn)氣閥/排氣閥和至少一個(gè)凸輪軸。特別地，工作汽缸的現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)可用于輔助汽缸。工作活塞和汽缸的相對尺寸可以大約是輔助活塞和汽缸的尺寸的兩倍，但是本發(fā)明不限于這些特定比例。輔助活塞連接至其共同的第二曲柄軸，所述第二曲柄軸的額定旋轉(zhuǎn)速度等于作為發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸的第一曲柄軸的旋轉(zhuǎn)速度的一半。第一曲柄軸和第二曲柄軸可通過相移裝置同步。如上所述，所要求保護(hù)的發(fā)明涉及一種操作設(shè)有至少一個(gè)工作汽缸的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，其中每個(gè)工作汽缸帶有與關(guān)聯(lián)工作汽缸連通的關(guān)聯(lián)輔助汽缸，所述發(fā)動(dòng)機(jī)能以火花點(diǎn)火模式和壓縮點(diǎn)火模式操作。每個(gè)工作汽缸包括操作性地連接至第一曲柄軸的工作活塞(該工作活塞設(shè)置為在該工作汽缸中執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng))、用于使包含新鮮空氣的氣體進(jìn)入所述汽缸中的至少一個(gè)進(jìn)氣閥、以及用于將已燃燒氣體從所述汽缸中排出的至少一個(gè)排氣閥。每個(gè)輔助汽缸包括操作性地連接至第二曲柄軸的輔助活塞，所述輔助活塞設(shè)置為在輔助汽缸中執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。第一曲柄軸操作性連接至第二曲柄軸，以便以所述第一曲柄軸的旋轉(zhuǎn)速度一半的速度來驅(qū)動(dòng)第二曲柄軸，且其中所述曲柄軸之間的操作性連接設(shè)有用于相移控制的裝置，并且所述裝置設(shè)置為控制第一曲柄軸和第二曲柄軸之間的相位角。該方法涉及當(dāng)從火花點(diǎn)火模式切換至壓縮點(diǎn)火模式時(shí)對所有的工作汽缸和輔助汽缸同時(shí)進(jìn)行的以下步驟-控制相移裝置以便保留殘留廢氣并增加壓縮比，-確定當(dāng)前的燃燒定相(combustionphasing)定時(shí)，以及-通過增加或減小相位角來校正燃燒定相定時(shí)以實(shí)現(xiàn)期望的燃燒定相定時(shí)。

如上所述，輔助活塞連接至第二曲柄軸，所述第二曲柄軸以第一曲柄軸的速度一半的速度旋轉(zhuǎn)，但是具有相對于所述第一曲柄軸的可調(diào)節(jié)同步。通過相移裝置實(shí)現(xiàn)可使該可調(diào)節(jié)同步。當(dāng)工作活塞已經(jīng)達(dá)到其TDC，對應(yīng)的輔助活塞已經(jīng)通過了其TDC，且第二曲柄軸已經(jīng)相對其TDC位置旋轉(zhuǎn)了一定角度。該角度稱為相位角(Θ)。相位角可相對所述TDC位置變化+/-180°，前提是在輔助活塞和工作汽缸的活塞或閥門之間沒有干擾。因此，相位角指示第二曲柄軸相對于第一曲柄軸的同步。相位角可用于在氣體交換期間在TDC處控制壓縮比、膨脹比以及工作汽缸和輔助汽缸中包含的體積。殘留氣體的體積與工作汽缸和輔助汽缸中包含的體積成比例，且通過這種方式，相位角可用于控制殘留廢氣量。通過在變換至壓縮點(diǎn)火模式期間控制相移裝置來減小相位角，可增加殘留廢氣量。同時(shí)，增加壓縮比，并在工作汽缸中產(chǎn)生適合HCCI的條件。在確定當(dāng)前燃燒定相之后，通過根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)載荷和速度從矩陣中選擇相位角值，可以來將燃燒定相校正至期望值。相移裝置可被控制，以將相位角從適合于SI操作的約120°的初始值減小至適合于 HCCI操作的低于約45°的值。這些相位角的值僅作為實(shí)例提及。相位角不僅可根據(jù)操作模式變化，而且可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷、燃燒穩(wěn)定性和其他內(nèi)部和/或外部變化或干擾而發(fā)生變化。同時(shí)對所有工作汽缸和輔助汽缸進(jìn)行從火花點(diǎn)火模式至壓縮點(diǎn)火模式的初始切換?？赏ㄟ^控制相位角來處理在這些操作條件下的大的變化，例如將所有工作汽缸在SI和 HCCI之間進(jìn)行切換。一旦已經(jīng)進(jìn)行了該初始切換，在工作汽缸之間的燃燒定相可具有局部變化。由此，在從火花點(diǎn)火模式切換至壓縮點(diǎn)火模式時(shí)可對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸進(jìn)行以下步驟-控制排氣閥和進(jìn)氣閥以進(jìn)行負(fù)閥重疊以便保留殘留廢氣，-確定當(dāng)前的燃燒定相定時(shí)，以及-通過逐步控制與燃燒相關(guān)的參數(shù)而增加所保留的殘留廢氣比例(fraction)來校正所述燃燒定相。這些用于校正單獨(dú)的汽缸中的燃燒定相位的局部變化的步驟可與使用相位角校正所有汽缸中的燃燒定相的大的變化的步驟相結(jié)合并與其同時(shí)進(jìn)行。
7
對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸的燃燒定相控制可涉及控制進(jìn)氣/排氣閥定時(shí)以增加殘留氣體部分。殘留氣體部分的額外控制可涉及增加排氣歧管氣體壓力，這例如通過控制渦輪機(jī)排廢門(wastegate)或通過選擇排氣閥關(guān)閉定時(shí)以使用排氣壓力脈沖來實(shí)現(xiàn)。對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸的額外燃燒定相控制可涉及通過逐步減少進(jìn)氣量來校正燃燒定相。這可通過控制閥定時(shí)以減少進(jìn)氣量和/或通過降低進(jìn)氣歧管空氣壓力(例如， 通過限制進(jìn)氣節(jié)流閥和/或通過控制進(jìn)氣充氣單元)來實(shí)現(xiàn)。對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸的其他燃燒定相控制可涉及通過逐步增加負(fù)閥重疊來校正燃燒室中的溫度。這可通過提前排氣閥關(guān)閉定時(shí)以增加負(fù)閥重疊和/或通過延遲進(jìn)氣閥打開以增加負(fù)閥重疊來實(shí)現(xiàn)。最后，可通過確定當(dāng)前的燃燒定相定時(shí)，并通過控制噴射燃料的量來校正燃燒定相，來進(jìn)行對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸的燃燒定相控制。這可通過減少注射燃料的量來提前燃燒定相、或通過控制注射燃料的成分來校正燃燒定相來實(shí)現(xiàn)。HCCI從本質(zhì)上來說其控制是復(fù)雜的，且期望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作條件，以便提供具有良好操縱性能的穩(wěn)健發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)楹芏鄳?yīng)用(例如汽車)可具有可變操作條件，所以使用 HCCI的應(yīng)用的實(shí)例可為其電力可用于瞬時(shí)載荷的混合動(dòng)力汽車。


將參考附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)理解，附圖僅設(shè)計(jì)為用于說明的目的，且這些附圖不旨在限制本發(fā)明，對本發(fā)明的限定應(yīng)參考所附權(quán)利要求。還應(yīng)理解，附圖沒必要按照比例來繪制，且除非另有說明，否則這些附圖僅旨在示意地示出本文所描述的結(jié)構(gòu)和步
馬聚ο圖1示出具有可用于本發(fā)明的布置的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的分解透視圖；圖2示出用于根據(jù)圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的相移控制裝置的一個(gè)實(shí)施方式；圖3示出表明對于不同相位角的壓縮比和膨脹比的圖；圖4示出表明對于不同相位角的在進(jìn)氣沖程期間置換體積的變化的圖；圖5示出表明對于不同相位角的殘留廢氣比例的圖；圖6示出可在SI模式和HCCI模式中操作的發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷相對于發(fā)動(dòng)機(jī)速度的圖；圖7示出表明發(fā)動(dòng)機(jī)載荷與相位角之間的關(guān)系圖；圖8示意性示出當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷減少的時(shí)候可如何調(diào)節(jié)相位角。
具體實(shí)施例方式圖1示出用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)裝置1的分解透視圖。根據(jù)圖1中的實(shí)施方式的發(fā)動(dòng)機(jī)1展示了發(fā)動(dòng)機(jī)組2的四個(gè)工作汽缸3a、3b、3c、3d，每個(gè)工作汽缸經(jīng)由通道如、4b、k、4d與設(shè)置在汽缸蓋中的對應(yīng)輔助汽缸fe、5b、5c、5d相連通。在工作汽缸3a、3b、3c、3d的每個(gè)中，且同樣在輔助汽缸fe、5b、5c、5d中，工作活塞7a、7b、7c、7d 和輔助活塞10a、10b、10c、10d能夠執(zhí)行往復(fù)軸向運(yùn)動(dòng)。工作活塞設(shè)置為在鄰近進(jìn)氣閥和排氣閥的上部位置或上止點(diǎn)(TDC)與遠(yuǎn)離進(jìn)氣閥和排氣閥的下部位置或下止點(diǎn)(BDC)之間運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作活塞處于其TDC位置處，工作燃燒室的體積的值最小。工作活塞7a、7b、7c、7d經(jīng)由連桿8a、8b、8c、8d操作性地連接至工作曲柄軸9。輔助活塞10a、10b、10c、IOd同樣經(jīng)由連桿lla、llb、llc、lld操作性地連接至輔助曲柄軸12。輔助活塞也設(shè)置為在TDC位置和BDC位置之間運(yùn)動(dòng)，其中輔助活塞的TDC位置被定義為輔助燃燒室的體積的值為最小的位置。曲柄軸9、12通過傳動(dòng)裝置13彼此連接，所述傳動(dòng)裝置包括在第一滑輪15和第二滑輪16上運(yùn)行的帶齒傳動(dòng)帶14，所述傳動(dòng)裝置設(shè)置為使輔助活塞10a、IObUOcUOd的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以與工作活塞7a、7b、7c、7d的往復(fù)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的頻率發(fā)生，并引起曲柄軸9、12之間的角位移，從而在工作汽缸和輔助汽缸中產(chǎn)生壓縮比，所述壓縮比取決于在任何給定時(shí)間時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)上的載荷。在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，輔助活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率是工作活塞的頻率的一半。在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，上述頻率是相同的。現(xiàn)在將參考附圖，對于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用，來更加詳細(xì)地說明本發(fā)動(dòng)機(jī)裝置。上述提到的依賴性是這種情況，壓縮比在高載荷下在其最低值處，在低載荷下在其最高值處，即，工作活塞和輔助活塞在點(diǎn)火時(shí)刻的各自位置在低載荷狀態(tài)下彼此最接近， 而在高載荷狀態(tài)下彼此相隔最遠(yuǎn)。工作汽缸7a的循環(huán)包括進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、動(dòng)力沖程和排氣沖程，在所述沖程期間，工作汽缸7a依次向下移動(dòng)至其BDC、向上移動(dòng)至其TDC、向下移動(dòng)至其BDC并向上移動(dòng)至其TDC。在同一時(shí)期期間，關(guān)聯(lián)的輔助活塞如在進(jìn)氣沖程的一部分期間以及在壓縮沖程和膨脹沖程期間移動(dòng)至其TDC。從下文將理解，這可憑借通過在輔助活塞和第二曲柄軸12之間引入的方式所指類型的操作性連接來實(shí)現(xiàn)，該連接允許輔助活塞如的膨脹運(yùn)動(dòng)，即其在工作活塞的進(jìn)氣沖程期間向上運(yùn)動(dòng)，以在第二曲柄軸12的大于 180°的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)延伸。發(fā)動(dòng)機(jī)布置的特征在于，在曲柄軸之間作用的前述裝置能夠?qū)碓从诟鱾€(gè)輔助活塞10a、10b、10c、10d上的燃燒效應(yīng)的能量從曲柄軸12傳輸至曲柄軸9。該能量傳輸特別在發(fā)動(dòng)機(jī)的低載荷范圍內(nèi)有效，并有助于相對于前面所公開的發(fā)動(dòng)機(jī)提高效率度。將來自輔助活塞上的燃燒效應(yīng)的能量傳輸至曲柄軸9以特別有效方式促進(jìn)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率度的原因是輔助活塞以相對較低的速度移動(dòng)，這本身會(huì)導(dǎo)致低摩擦損耗。與工作活塞相比較，輔助活塞在與工作活塞的情況相比的更大比例的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間， 從燃燒過程中獲取能量。減少的進(jìn)氣和壓縮功以及較低的最大燃燒溫度也有助于在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中降低損耗。因此，在如上所述的四沖程試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，并在特定載荷下，能夠測量出輔助曲柄軸12上產(chǎn)生的效應(yīng)是工作曲柄軸9上產(chǎn)生的效應(yīng)的約1/5，然而，與此結(jié)合，經(jīng)由輔助曲柄軸12的摩擦損耗僅為經(jīng)由工作曲柄軸9的摩擦損耗的1/15。在附圖中所示的實(shí)施方式中，上述裝置由繞設(shè)置在曲柄軸9和12上的帶齒皮帶輪 15、16運(yùn)行的帶齒帶14組成。在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，帶齒皮帶輪16的直徑是帶齒皮帶輪15的直徑的兩倍，以便輔助活塞10a、10b、10c、IOd以上述的方式執(zhí)行其往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即以工作活塞7a、7b、7c、7d的頻率一半的頻率操作。在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，帶齒皮帶輪 15、16的直徑相同，從而工作活塞和輔助活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率相同。在將驅(qū)動(dòng)輪15、16的尺寸選擇為使得第二曲柄軸12以第一曲柄軸9的旋轉(zhuǎn)速度一半的速度旋轉(zhuǎn)。第二驅(qū)動(dòng)輪16部分地包圍用于相移控制的裝置17的殼體18，該裝置設(shè)置在汽缸蓋6上。參見圖2，現(xiàn)在將描述所述用于相移控制的裝置17的一個(gè)實(shí)施方式。在所示的實(shí)施方式中，第二驅(qū)動(dòng)輪16通過滾珠軸承19安裝在殼體18中，優(yōu)選為具有雙排(doublerow)的角接觸層。此外，驅(qū)動(dòng)輪16還配備有槽形部分20，該槽形部分與曲柄軸延伸部分21 上的對應(yīng)槽形部分22相互作用。所述槽形部分20、22配備有具有十二個(gè)進(jìn)口的梯形槽類型的凹槽，所述十二個(gè)進(jìn)口在曲柄軸延伸部分21的20mm軸向位移時(shí)提供120°的角度變化。 此外，曲柄軸延伸部分21還展示了配備有花鍵23的部分，該部分與在第二曲柄軸12上的配備有花鍵的對應(yīng)部分M相配合，對于所述連接所述對應(yīng)部分是可更換的并被固定以防旋轉(zhuǎn)。因此曲柄軸延伸部分21的旋轉(zhuǎn)軸線與第二曲柄軸12的旋轉(zhuǎn)軸線重合。曲柄軸延伸部分21由鋼制成，且在槽形部分22和部分23處配備有花鍵，所述花鍵覆蓋有包括由化學(xué)沉積鎳構(gòu)成的層，所述層已經(jīng)被浸漬且表面涂覆有氟塑料(fluoral plastic)并被熱固化。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了低摩擦，這意味著所述相移控制所需的力減少。這種類型的涂層可以從品牌名稱NedoxO購得，且另外，之前已經(jīng)用作了齒輪嵌齒上的表面涂層以及具有小牽引角(trailing angle)的用于塑料產(chǎn)品的模制工具上的表面涂層。裝置17此外還包括實(shí)現(xiàn)曲柄軸延伸部分21的位移的裝置25。為此，曲柄軸延伸部分21因此在所述槽形部分22與花鍵部分23之間設(shè)有法蘭沈，將液壓活塞27設(shè)置在該法蘭上以進(jìn)行工作，所述液壓活塞可更換地設(shè)置在殼體18中。在法蘭沈與液壓活塞27之間設(shè)置有滾針軸承類型的軸承觀、29，所述軸承設(shè)置為吸收將由于在所述槽形部分20、22 上傳遞的轉(zhuǎn)矩而引起的軸向力。由于液壓活塞27設(shè)置為圍繞曲柄軸延伸部分21，所以布置 17將在軸向方向上變得緊湊且變短，這對于機(jī)動(dòng)車輛非常有利。此外，液壓活塞27在其包圍表面具有鄰接部30，所述鄰接部將一室劃分為第一子室31和第二子室32，其中每個(gè)子室分別和第一油管33和第二油管34連通。油管33、34 連接至未示出的液壓控制閥，該液壓控制閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)1的控制系統(tǒng)控制供應(yīng)至一個(gè)或另一個(gè)子室31、32的油，且這樣做會(huì)引起所述第一曲柄軸9與第二曲柄軸12之間的相位角變化。通過使用通過伺服控制水泵(通常用于發(fā)動(dòng)機(jī)1上)加壓的油的一部分，無需額外的油泵。殼體18另外還設(shè)有0形環(huán)35、36，這些0形環(huán)設(shè)置為與活塞27接觸，所述鄰接部 30的每一側(cè)上各一個(gè)0形環(huán)，所述0形環(huán)用作子室31、32的油封。在鄰接部30的外周，設(shè)置了用作所述第一子室31和第二子室之間的油封的對應(yīng)0形環(huán)。由于曲柄軸延伸部分21 經(jīng)由軸承觀、四連接至活塞27，原則上，當(dāng)曲柄軸延伸部分21旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，不會(huì)有轉(zhuǎn)矩傳輸至活塞27。因此，由于活塞27和0形環(huán)35、36、37之間的摩擦，在曲柄軸延伸部分21旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，所述活塞不會(huì)隨著所述曲柄軸延伸部分旋轉(zhuǎn)，這簡化了所述油封。根據(jù)以上所述，裝置17的功能如下。通過管道33供應(yīng)至子室31的油會(huì)導(dǎo)致壓力在子室31中積累，其中該子室的體積被設(shè)置在活塞27上的鄰接部30限制。這隨之會(huì)使活塞27在汽缸蓋6的方向上被推壓。由于曲柄軸延伸部分21經(jīng)由軸承觀、四連接至活塞27，因此在曲柄軸延伸部分21與曲柄軸12之間的花鍵聯(lián)軸器23、24中會(huì)有相對軸向位移。同時(shí)，在曲柄軸延伸部分21與第二驅(qū)動(dòng)輪16之間具有對應(yīng)的相對軸向位移，同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪16會(huì)在梯形槽20、22中旋轉(zhuǎn)，該位移會(huì)引起第一曲柄軸9與第二曲柄軸12之間的相位角變化。通過相應(yīng)的方式，當(dāng)通過管道34向子室32供應(yīng)油時(shí)，會(huì)在相反方向上獲得相位角的變化。用于相移控制的裝置不限于以上描述，其他實(shí)施方式也是可能的。例如，可設(shè)置電動(dòng)馬達(dá)來影響曲柄軸延伸部分的法蘭，而不是所述液壓活塞。曲柄軸延伸部分的位移也可對著線圈(例如螺旋線圈)發(fā)生，其中僅設(shè)置所述液壓活塞或電動(dòng)馬達(dá)以引起在一個(gè)方向上的位移。然后也可通過所述線圈提供返回運(yùn)動(dòng)。根據(jù)替代的實(shí)施方式，曲柄軸延伸部分沿相反方向設(shè)置，以使所述花鍵聯(lián)軸器可設(shè)置在第二驅(qū)動(dòng)輪處，且所述梯形槽設(shè)置在曲柄軸延伸部分與第二曲柄軸之間。在另一個(gè)替代的實(shí)施方式中，與上述實(shí)施方式相對地，控制相位角的裝置可設(shè)置在第一曲柄軸上。最后，是曲柄軸延伸部分(而不是花鍵)可配備有另一橫截面，例如正方形橫截面，該正方形橫截面與曲柄軸上的相應(yīng)正方形孔相互作用，以獲得被固定以防旋轉(zhuǎn)的所述可更換連接。當(dāng)工作活塞已經(jīng)達(dá)到其TDC時(shí)，相應(yīng)的輔助活塞已經(jīng)經(jīng)過其TDC，且第二曲柄軸已經(jīng)相對其TDC位置旋轉(zhuǎn)了一定角度。該角度稱為相位角(Θ)。該相位角可相對所述TDC位置變化+/-180°，前提是在輔助活塞與工作汽缸的活塞或閥之間沒有干擾。因此，相位角指示的第二曲柄軸相對于第一曲柄軸的同步。相位角可用于在氣體交換期間且在TDC處控制壓縮比、膨脹比以及工作汽缸和輔助汽缸中所包含的氣體的體積。殘留氣體的體積與工作汽缸和輔助汽缸中所包含的氣體的體積成比例，且通過這種方式，相位角可用于控制殘留廢氣的量?？刂葡辔唤且部蓪_程體積有影響。以下方程式可用于根據(jù)分別對于工作汽缸和輔助汽缸的汽缸直徑D1和&以及活塞位置&和\、以及在燃燒室中會(huì)出現(xiàn)的最小容積Vmin，來描述燃燒室和汽缸中的總的瞬時(shí)容積vt。t?；钊恢萌Q于分別對于第一曲柄軸和第二曲柄軸的曲柄軸角度Cpi和Cp2以及相位角Θ?；钊恢眠€可由多個(gè)幾何參數(shù)決定，例如，曲柄半徑ri、r2、連桿長度I1U2以及分別對于工作汽缸和輔助汽缸的活塞銷偏移\、δ2。
權(quán)利要求
1.一種用于操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有至少一個(gè)工作汽缸，每個(gè)工作汽缸具有與該關(guān)聯(lián)工作汽缸相連通的關(guān)聯(lián)輔助汽缸，所述發(fā)動(dòng)機(jī)能以火花點(diǎn)火模式和壓縮點(diǎn)火模式操作，每個(gè)工作汽缸包括-工作活塞，操作性地連接至第一曲柄軸，所述工作活塞設(shè)置為在所述工作汽缸內(nèi)執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；-至少一個(gè)進(jìn)氣閥，用于使包含新鮮空氣的氣體進(jìn)入到所述汽缸內(nèi)； -至少一個(gè)排氣閥，用于將已燃燒氣體從所述汽缸中排出； 每個(gè)輔助汽缸包括-輔助活塞，操作性地連接至第二曲柄軸，所述輔助活塞設(shè)置為在所述輔助汽缸內(nèi)執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；其中，所述第一曲柄軸操作性地連接至所述第二曲柄軸，以便以所述第一曲柄軸的旋轉(zhuǎn)速度一半的速度來驅(qū)動(dòng)所述第二曲柄軸，并且其中，所述曲柄軸之間的操作性連接設(shè)有用于相移控制的裝置，所述用于相移控制的設(shè)置為控制所述第一曲柄軸與所述第二曲柄軸之間的相位角；其特征在于，當(dāng)從火花點(diǎn)火模式切換至壓縮點(diǎn)火模式時(shí)對所有的工作汽缸進(jìn)行以下步驟-控制所述相移裝置以便保留殘留廢氣并增加壓縮比， -確定當(dāng)前燃燒定相定時(shí)，以及-通過增加或減小所述相位角來校正所述燃燒定相定時(shí)，以實(shí)現(xiàn)期望的燃燒定相定時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在變換至壓縮點(diǎn)火模式的期間，控制所述相移裝置以減小所述相位角并增加所述殘留廢氣比例。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過從由當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)載荷和速度確定的一矩陣中選擇相位角值來校正所述燃燒定相。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過針對所有工作汽缸控制所述相位角并通過在壓縮點(diǎn)火模式期間針對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸控制至少一個(gè)其他的與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的參數(shù)來校正所述燃燒定相。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在從火花點(diǎn)火模式切換至壓縮點(diǎn)火模式期間或之后，針對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸進(jìn)行以下步驟-控制所述排氣閥和所述進(jìn)氣閥以進(jìn)行負(fù)閥重疊，以便保留殘留廢氣， -確定當(dāng)前燃燒定相定時(shí)，以及-通過逐步控制燃燒相關(guān)參數(shù)而增加所保留的殘留廢氣比例來校正所述燃燒定相。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，控制閥定時(shí)以增加所述殘留氣體比例。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，增加排氣歧管氣壓(控制渦輪機(jī)/廢氣閥或選擇排廢門關(guān)閉定時(shí)以使用排氣壓力脈沖)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過逐步減少進(jìn)氣量來校正所述燃燒定相。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，控制所述閥定時(shí)以減少所述進(jìn)氣量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，降低進(jìn)氣歧管氣壓(限制節(jié)流閥/ 充氣單元)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過逐步增加負(fù)閥重疊來校正所述溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，提前關(guān)閉排氣閥以增加所述負(fù)閥重疊。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，延遲打開進(jìn)氣閥以增加所述負(fù)閥重疊。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，當(dāng)從火花點(diǎn)火模式切換至壓縮點(diǎn)火模式時(shí)，對每個(gè)單獨(dú)的工作汽缸進(jìn)行以下步驟-確定當(dāng)前燃燒定相定時(shí)，以及 -通過控制注射燃料的量來校正燃燒定相。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，通過降低所述注射燃料的量來提前所述燃燒定相。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，通過控制所述注射燃料的成分來校正所述燃燒定相。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)的方法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有至少一個(gè)工作汽缸(3a-3d)，每個(gè)工作汽缸具有關(guān)聯(lián)的輔助汽缸(5a-5d)，該發(fā)動(dòng)機(jī)(1)可以火花點(diǎn)火模式和壓縮點(diǎn)火模式操作。每個(gè)工作汽缸(3a-3d)包括連接至第一曲柄軸(9)的工作活塞(7a-7d)，且每個(gè)輔助汽缸(5a-5d)包括連接至第二曲柄軸(12)的輔助活塞(10a-10d)。第一曲柄軸(9)連接至第二曲柄軸(12)以便以第一曲柄軸(9)的旋轉(zhuǎn)速度一半的速度驅(qū)動(dòng)第二曲柄軸(12)。用于控制相位角的裝置設(shè)置在第一曲柄軸和第二曲柄軸之間。該方法涉及控制相移裝置以便保留殘留廢氣并增加壓縮比。確定當(dāng)前燃燒定相定時(shí)，并通過增加或減小相位角來校正燃燒定相定時(shí)以實(shí)現(xiàn)期望的燃燒定相定時(shí)。
文檔編號F02D15/04GK102459845SQ200980159833
公開日2012年5月16日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者奧洛夫·埃蘭德森 申請人:阿爾瓦發(fā)動(dòng)機(jī)公司