專利名稱：高效內(nèi)燃機和運行使用低排放的全時低溫部分預(yù)混合壓縮點火的方法
高效內(nèi)燃機和運行使用低排放的全時低溫部分預(yù)混合壓縮點火的方法相關(guān)申請的交互參照本申請要求對2010年10月26日提交的美國臨時專利申請N0.61/406，689的優(yōu)先權(quán)益，本文以參見方式引入其全部內(nèi)容。有關(guān)聯(lián)邦政府贊助的研究或開發(fā)的i兌明本發(fā)明是在政府支持下進行的，按照由能源部簽署的合同N0.DE-EE0003258執(zhí)行。政府對于本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
背景技術(shù)：
近期對于CAFE、CO2 排放的規(guī)定(Tier2Bin5/Bin2and Euro6),以及包括 NOx、CO、HC和顆粒物質(zhì)(PM)的限制的排放，正在要求先進內(nèi)燃(IC)機要大大地改善其燃燒過程。盡管柴油機已經(jīng)非常有效，但在美國柴油機仍受到挑戰(zhàn)，要求其以合理的成本滿足未來排放標準。在美國，汽油機為消費者首選，但汽油機的效率相當?shù)拖?。均質(zhì)充量壓縮點火(HCCI)式汽油機是雙模式發(fā)動機，其在非常有限的低負載運行范圍下利用HCCI模式。HCCI包括早期注入和燃料的混合，使得其后混合物的壓縮，造成在接近上死點處或在上死點之后自動點火。HCCI在實際車輛應(yīng)用中非常難于控制，并且其存在失火和高燃燒噪聲之缺點。這要求包括有缸壓監(jiān)測的先進燃燒反饋控制。盡管在HCCI模式時效率較高和排放較低，但驅(qū)動循環(huán)時的純效率只比用可變閥致動的配量SI發(fā)動機高幾個百分比。目前HCCI的研發(fā)包括⑶i (gasoline direct injection汽油直噴)、廢氣再循環(huán)以及潤輪增壓達到擴展加載范圍；然而，因為HCCI發(fā)動機需要雙模式運行，所以它們受與傳統(tǒng)汽油機相關(guān)的低壓縮比的限制。HCCI發(fā)動機將有可能繼續(xù)遇到技術(shù)上的挑戰(zhàn)。需要有新技術(shù)來大大地提高汽油機的效率，同時保持低排放和低成本。

發(fā)明內(nèi)容
汽油直接注入壓縮點火(汽油缸內(nèi)直噴壓縮燃燒)(⑶Cl)是克服了其它汽油機的許多功能性限制的新的壓縮系統(tǒng)。GDCI提供了使用無鉛普通汽油的傳統(tǒng)柴油機的高效率。與柴油燃料相比，汽油具有高得多的揮發(fā)性和較長的點火延遲，它們都是部分預(yù)混合壓縮點火燃燒過程的關(guān)鍵實現(xiàn)因素。重要的結(jié)果是，汽油可在壓縮行程上以像GDi那樣的燃料壓力(100至500巴)延遲注入，以達到足夠的預(yù)混合加載。⑶Cl發(fā)動機概念的特征在于，中央安裝的噴射器、高壓縮比(CR)以及超高效率的貧混合氣。燃料在壓縮行程上以高的缸壓和溫度延遲噴射到中央安裝的活塞碗內(nèi)。在進氣行程期間，沒有注入燃料。燃料和空氣快速地混合，并在受控的熱釋放過程中進行壓縮點火。與HCCI發(fā)動機相反，混合氣故意進行分層。因為燃料延遲注入到中央安裝的活塞碗內(nèi)，所以，沒有燃料進入活塞的第一道環(huán)槽脊，使得非常高的燃燒效率成為可能。又因為延遲注入的緣故，所以缸內(nèi)不存在殘余廢氣，這就使得傳統(tǒng)的燃燒爆音不可能出現(xiàn)。傳統(tǒng)的SI預(yù)點火也是不可能的。⑶Cl利用低溫燃燒(LTC)來同時降低Nox和PM的排放。冷卻的廢氣再循環(huán)(EGR)稀釋了混合氣，增加了點火延遲時間，并對低燃燒噪音減緩熱釋放率。由于加載溫度低，所以可減小循環(huán)期間的傳熱，以達到高的循環(huán)效率。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了用于控制汽油噴式內(nèi)燃機的發(fā)動機控制系統(tǒng)。該發(fā)動機包括至少一個燃油直接注入的氣缸。發(fā)動機還包括活塞，活塞可在氣缸內(nèi)往復(fù)地移動并連接到曲柄上。氣缸的孔壁表面、活塞的頂表面和發(fā)動機氣缸蓋的底表面，形成了容積可變的燃燒腔室。氣缸蓋包括進氣閥和排氣閥，進氣閥控制與空氣進口的連通，而排氣閥控制與排氣出口的連通。該發(fā)動機控制系統(tǒng)包括用于控制可變閥致動系統(tǒng)的裝置，以便根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥和排氣閥，從而控制進氣閥關(guān)閉時間和排氣再吸入。發(fā)動機控制系統(tǒng)還包括以下裝置:用于控制廢氣再循環(huán)(EGR)裝置的裝置，以將廢氣再次引入到燃燒室內(nèi)；控制進氣壓力增壓裝置的裝置，以及使用燃料噴射的裝置，其能夠在每個燃燒循環(huán)中多次噴射以控制加載的分層。該方法還包括控制廢氣再吸入、EGR、每次燃燒循環(huán)的燃料注入次數(shù)、燃料噴射定時，以及根據(jù)發(fā)動機速度和負載進行增壓，增壓方式足以在基本上發(fā)動機的全部速度和加載運行范圍上，能使燃燒室內(nèi)的空氣-燃料混合氣自動地點火。如本文中所采用的，術(shù)語“自動點火”是指空氣-燃料混合氣的燃燒是自發(fā)地起動的，無需外部的激發(fā)(例如，火花塞的活化)來起動燃燒。在本發(fā)明的另一實施例中，提供了用于控制汽油直噴式內(nèi)燃機的發(fā)動機控制器。該發(fā)動機包括至少一個燃油直接注入的氣缸。發(fā)動機還包括活塞，活塞可在氣缸內(nèi)往復(fù)地移動并連接到曲柄上。氣缸的孔壁表面、活塞的頂表面和發(fā)動機氣缸蓋的底表面，形成了容積可變的燃燒腔室。氣缸蓋包括進氣閥和排氣閥，進氣閥控制與空氣進口的連通，而排氣閥控制與排氣出口的連通。該發(fā)動機控制器包括輸入部、輸出部和處理器。輸入部構(gòu)造成接收表示發(fā)動機特征的信號。輸出部構(gòu)造成輸出對運行發(fā)動機控制裝置有效的發(fā)動機控制信號，并控制發(fā)動機控制參數(shù)。處理器構(gòu)造成基于輸入信號來確定發(fā)動機控制所需的狀態(tài)。處理器構(gòu)造成選擇合適水平的以下動作:廢氣再吸入、EGR、每次燃燒循環(huán)的燃料注入次數(shù)、燃料噴射定時，以及增壓，處理器并構(gòu)造成變化發(fā)動機控制信號，變化方式足以在基本上發(fā)動機的全部速度和加載運行范圍上，能使燃燒室內(nèi)的空氣-燃料混合氣保持自動點火。在本發(fā)明的還有另一實施例中，提供了用于操作汽油直噴式內(nèi)燃機的方法。該發(fā)動機包括至少一個燃油直接注入的氣缸。發(fā)動機還包括活塞，活塞可在氣缸內(nèi)往復(fù)地移動并連接到曲柄上。氣缸的孔壁表面、活塞的頂表面和發(fā)動機氣缸蓋的底表面，形成了容積可變的燃燒腔室。氣缸蓋包括進氣閥和排氣閥，進氣閥控制與空氣進口的連通，而排氣閥控制與排氣出口的連通。該方法包括使用可變閥致動系統(tǒng)，以便根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥和排氣閥，從而控制進氣閥關(guān)閉時間和排氣再吸入。該方法還包括:采用廢氣再循環(huán)(EGR)裝置，以將廢氣再次引入到燃燒室內(nèi)；采用帶有進氣壓力增壓控制裝置的進氣壓力增壓裝置；以及采用燃料噴射的裝置，使其能夠在每個燃燒循環(huán)中多次噴射以控制加載的分層。該方法還包括控制廢氣再吸入、EGR、每次燃燒循環(huán)的燃料注入次數(shù)、燃料噴射定時，以及根據(jù)發(fā)動機速度和負載進行增壓，增壓方式足以在基本上發(fā)動機的全部速度和加載運行范圍上，能使燃燒室內(nèi)的空氣-燃料混合氣保持自動點火。


圖1是根據(jù)一個實施例的發(fā)動機控制系統(tǒng)的單元框圖2是顯示與燃料噴射相關(guān)的參數(shù)的圖表；圖3A、3B和3C是不同曲柄角度處由于燃料噴射在燃燒室內(nèi)造成的當量比的模擬結(jié)果圖；圖4是顯示與燃料噴射和燃燒之間的時間關(guān)系有關(guān)的參數(shù)圖表；圖5是顯示與實施例有關(guān)的閥提升曲線的圖表；以及圖6是對用速度、負載和/或溫度來描述的發(fā)動機運行區(qū)域的描述。
具體實施例方式根據(jù)發(fā)動機控制系統(tǒng)的一個實施例，圖1示出了發(fā)動機控制系統(tǒng)10，該系統(tǒng)用來控制在發(fā)動機運行條件下運行的內(nèi)燃機12。內(nèi)燃機12顯示為具有含有活塞66的單氣缸64，其中，活塞66以上的區(qū)域形成了燃燒室28 ;然而，應(yīng)該認識到該系統(tǒng)10可適用于具有多個氣缸和燃燒室的發(fā)動機。發(fā)動機控制系統(tǒng)10可通過個別地控制多個燃燒室中的每個燃燒室來控制具有多個燃燒室的發(fā)動機，或者，可根據(jù)來自傳感器的代表著每個燃燒室內(nèi)典型或平均狀態(tài)的信號來控制如此的發(fā)動機。系統(tǒng)10可包括有齒的曲柄輪14和靠近曲柄輪14定位的曲柄傳感器16，這樣，曲柄傳感器16可探測到曲柄輪齒的轉(zhuǎn)動，并輸出表示曲柄角度和曲柄速度的曲柄信號。發(fā)動機控制系統(tǒng)10還可包括諸如發(fā)動機控制模塊(ECM)那樣的控制器20，其構(gòu)造成根據(jù)曲柄信號18來確定曲柄角度和曲柄速度?？刂破?0可包括處理器22或為本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員明白的其它控制電路?？刂破?0或處理器22可包括存儲器，包括用于儲存一個或多個程序、閾值和捕捉到的數(shù)據(jù)的非易失性存儲器，比如可電子地擦去的可編程的只讀存儲器(EEPR0M)。一個或多個程序可由處理器22執(zhí)行，以實施確定先前發(fā)動機控制參數(shù)和編制未來發(fā)動機控制信號的各種步驟，使得未來發(fā)動機控制參數(shù)對應(yīng)于所要求的發(fā)動機控制參數(shù)。圖1示出作為控制器20 —部分的處理器22以及其它功能性單元框。然而，應(yīng)該認識到，并不要求將處理器22以及其它功能性單元組裝在單個外殼之內(nèi)，它們可以分布在發(fā)動機12各處。繼續(xù)參照圖1，發(fā)動機控制系統(tǒng)10可包括燃燒相探測裝置24，該裝置構(gòu)造成輸出燃燒相信號26，燃燒相信號表明發(fā)生在燃燒室28內(nèi)燃燒事件的燃燒相特征。監(jiān)視燃燒事件進程的一種方法是，確定該燃燒事件的放熱率或積聚的熱釋放量，這將在下面參照圖4進行討論。然而，因為測量的次數(shù)和復(fù)雜性的緣故，發(fā)動機在野外使用過程中，比如當發(fā)動機在行駛在像公共車道那樣不能控制環(huán)境中的車輛中運行時，確定熱量的釋放可能就不適合控制發(fā)動機。適用于現(xiàn)場使用的燃燒相探測裝置可提供表示燃燒相特征的信號，燃燒相特征可與諸如放熱那樣的實驗室類型的測量相關(guān)聯(lián)。示范的燃燒相探測裝置24包括但不限于:離子傳感器，該種傳感器構(gòu)造成探測燃燒室28內(nèi)燃燒產(chǎn)物的離子化水平；或壓力傳感器，該種傳感器構(gòu)造成探測燃燒室28內(nèi)的壓力。其它可用來指明燃燒過程某些方面的裝置是燃燒爆震傳感器。燃燒相探測裝置24可以是示范傳感器中的任何一種，或是兩個或更多個傳感器的組合，它們排列起來提供表明燃燒相特征的信號。燃燒相探測裝置24可以結(jié)合到其它裝置內(nèi)，比如，將離子傳感器或壓力傳感器納入到火花塞或電熱塞內(nèi)。發(fā)動機控制系統(tǒng)10包括一個或多個發(fā)動機控制裝置，它們響應(yīng)于發(fā)動機控制信號進行操作以控制發(fā)動機控制參數(shù)，其中，當自動點火發(fā)生時，發(fā)動機控制參數(shù)受到影響。發(fā)動機控制裝置的一個實例便是燃油噴射器30，其適于響應(yīng)于由處理器22輸出的噴射信號36，根據(jù)由噴射驅(qū)動器34輸出的噴射器控制信號32來分配燃料。燃料噴射曲線可包括多個噴射事件。燃料噴射曲線的可控方面可包括:燃料噴射器30多快或多慢地打開和/或關(guān)閉；當燃料噴射器30打開時由燃料噴射器30分配的燃料68的分配率；或者達到燃燒事件所要的分配的燃料噴射器個數(shù)。改變?nèi)剂蠂娚淝€的這些方面中的一個或多個方面便可有效地控制自動點火。示范的發(fā)動機控制系統(tǒng)10包括廢氣再循環(huán)(EGR)閥42。盡管未明確地示出，但熟悉發(fā)動機控制技術(shù)的技術(shù)人員會理解到，EGR閥會調(diào)節(jié)與供應(yīng)給發(fā)動機的新鮮空氣相混合的發(fā)動機廢氣比率或廢氣量，以稀釋被接納到燃燒室28內(nèi)的空氣混合氣中氧和/或氮的百分比含量?？刂破?0可包括EGR驅(qū)動器44，其輸出EGR控制信號46以控制EGR閥42的位置。EGR驅(qū)動器例如可以脈寬方式調(diào)制電壓，產(chǎn)生對控制EGR閥有效的EGR控制信號46，以調(diào)節(jié)發(fā)動機12接受的廢氣流量。再參照圖1，發(fā)動機控制系統(tǒng)10可包括其它發(fā)動機控制裝置。例如，發(fā)動機控制系統(tǒng)10可包括進氣增壓裝置50，比如渦輪增壓器或機械增壓器。進氣增壓裝置50從增壓控制單元54接受增壓器控制信號52，增壓控制單元54可通過控制廢氣壓力減壓閥或旁通閥的位置來控制增壓壓力，或通過控制可變幾何形的渦輪增壓器中葉輪的位置來控制增壓壓力。發(fā)動機控制系統(tǒng)10還可包括中間冷卻器流動控制閥56，該控制閥調(diào)節(jié)通過中間冷卻器的發(fā)動機冷卻劑的流動，以在環(huán)境空氣溫度較低時加熱發(fā)動機吸入的空氣，由此控制發(fā)動機12所吸入的空氣溫度。發(fā)動機控制系統(tǒng)10還可包括閥控制單元58，其可直接控制發(fā)動機進氣閥62A和排氣閥62B的致動，或可控制致動進氣閥62A和/或排氣閥62B的凸輪(未示出)的狀態(tài)。為了基本上在發(fā)動機整個的負載-速度范圍上實現(xiàn)空氣-燃料混合氣的自動點火，同時達到可接受的燃料燃燒、噪音和排放結(jié)果，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，使用延遲噴射、分層混合、低溫燃燒工藝都是有利的措施。燃料噴射的方法對于該工藝的成功是非常重要的。燃料噴射器30在壓縮沖程上，使用多個截然不同的噴射事件，以100至500巴范圍內(nèi)的壓力延遲噴射燃料68，以在燃燒室28內(nèi)產(chǎn)生某種狀態(tài)的有控制的空氣-燃料混合氣分層。燃燒室28內(nèi)分層的狀態(tài)控制著自動點火發(fā)生的時間和其進行的速率。根據(jù)發(fā)動機速度和負載，可采用單次噴射、雙次噴射、三次噴射、四次噴射或五次噴射策略。每次噴射量和時間是重要的，必須進行優(yōu)化以求最佳結(jié)果。燃料在壓縮沖程上延遲噴射，并一般地在以下范圍之內(nèi):上死點之前的100度曲柄角至上死點之后的10度曲柄角。如果燃料噴射得太早，那么，會出現(xiàn)缸壁64和/或活塞66潮濕的現(xiàn)象，可造成高排放后果。再次參照圖1，燃燒室28部分地由活塞66的頂表面74形成?；钊?6構(gòu)造成形成碗形物72，其對稱地位于中心安裝的燃料噴射器30的下方。噴射器構(gòu)造成在噴濺角度70上噴射燃料68。發(fā)動機12還可裝備有定位在外圍的點火源(比如火花塞76)，以幫助發(fā)動機初次的啟動。圖2示出典型的噴射事件的圖表，該圖對使用五次噴射作為燃燒事件的條件，定義了噴射量和噴射時間。在圖2中，表示為事件1、2、3、4和5的噴射事件對應(yīng)于噴射器驅(qū)動信號36。噴射事件I具有相對于活塞上死點時曲柄位置的噴射起始時間S0I1，上死點在X軸上表示為TDC。噴射事件I具有指令的脈寬PWl，其確定為可提供燃料量Ql。同樣地，噴射事件2可描述為噴射起始時間S0I2、脈寬PW2、燃料量Q2 ;噴射事件3可描述為噴射起始時間S0I3、脈寬PW3、燃料量Q3 ;噴射事件4可描述為噴射起始時間S0I4、脈寬PW4、燃料量Q4 ;噴射事件5可描述為噴射起始時間S0I5、脈寬PW5、燃料量Q5。系統(tǒng)的當量比Φ定義為燃料-空氣比對計量的燃料-空氣比兩者之比。值Φ >I表明富空氣-燃料混合氣(燃料過多)，而值Φ < I表明貧空氣-燃料混合氣(空氣過多)。圖3A、3B和3C示出在不同曲柄角處不同的燃料噴射造成的燃燒室28內(nèi)Φ的模擬分布結(jié)果。在各種情形中，燃燒室28部分地由缸壁64和活塞頂表面74形成，碗形物72就形成在該頂表面內(nèi)。因為燃燒室和燃料噴射噴濺型式呈對稱性，所以只要模型出一部分的燃燒室就足夠了，各個圖3A、3B和3C的左側(cè)處的線78表示氣缸/活塞/燃料噴射器結(jié)構(gòu)的對稱軸。從圖3A所示的狀態(tài)到圖3B所示的狀態(tài)，燃燒室的尺寸減小，這表明圖3A代表著壓縮沖程中的曲柄角早于圖3B所示的曲柄角。同樣地，圖3C表示壓縮沖程中的狀態(tài)遲于圖3B所示的狀態(tài)。圖3A、3B和3C另外還包括等值線302、304、306和308。每個等值線302、304、306和308表明常量當量比Φ的高度，等值線302對應(yīng)于Φ=2.0 ;等值線304對應(yīng)于Φ=1.5 ；等值線306對應(yīng)于Φ=1.0 ;以及等值線308對應(yīng)于Φ=0.5。為清晰起見，從圖3C中略去表示Φ=1.5的等值線304，但應(yīng)該認識到Φ=1.5的高度存在于圖3C中所示的等值線302(Φ=2.0)和等值線306 (Φ=1.0)之間。應(yīng)該認識到，燃料68在燃燒室28內(nèi)的分布將至少受以下因素影響:噴射壓力、噴射時燃燒室28內(nèi)的壓力和溫度(其是噴射時曲柄角的函數(shù))，以及燃料的噴射量。通過對每個噴射事件控制噴射的起始時間(SOI)和燃料噴射量(Q)，便可控制燃燒室28內(nèi)燃料68的故意的分層。通過控制燃燒室28內(nèi)燃料68的分層，可消除可燃的空氣-燃料混合氣超越受控燃燒火焰前緣的邊界，由此，防止產(chǎn)生燃燒爆震。這與HCCI形成對照，在HCCI中燃燒室內(nèi)空氣-燃料混合氣的均勻特性允許存在燃燒爆震的可能性。圖4示出示范燃燒事件期間圍繞發(fā)動機控制系統(tǒng)10發(fā)生的數(shù)據(jù)圖表。內(nèi)燃事件的噴射器控制信號32可由噴射器電流來表明。如圖4所示，根據(jù)噴射器控制信號32的方面，可對主脈沖定義燃料噴射的起始(SOI)和/或燃料噴射的結(jié)束(Ε0Ι)。圖4還示出示范的正則化積聚放熱38曲線，表示燃燒事件的燃燒相特征。一般地說，在燃燒開始之前，比如在如圖4中所示的實例中，在上死點之后的大約8度前，積聚的放熱值約為零(0)，這因為沒有在燃燒的加載的空氣/燃料。在所有加載的空氣/燃料已燃燒之后，例如，在如圖4中所示的實例中，在上死點之后的12度之后，燃燒事件一般地已經(jīng)完成，于是，正則化積聚放熱38具有大約為1.0的值。業(yè)已觀察到，諸如燃燒室離子傳感器或燃燒室壓力傳感器之類的某些裝置提供了燃燒相信號26，該信號表示或?qū)?yīng)于狀態(tài)或相。這樣，控制器20或處理器22可構(gòu)造成接收燃燒相信號26?？刂破?0或處理器22可分析燃燒相信號26，以確定時間或曲柄角，其對應(yīng)于某些燃燒相特征何時出現(xiàn)。燃燒相特征的非限制性實例便是表明燃燒起始(SOC)之時。例如，SOC可以是這樣的時間:根據(jù)放熱數(shù)據(jù)的燃燒過程已經(jīng)消耗掉燃燒室內(nèi)加載的空氣/燃料的百分之十(10%)的時間。該SOC—般地對應(yīng)于約為0.1的正則化積聚放熱。如果燃燒相探測裝置24是離子傳感器的話，那么，燃燒相信號26可與閾值相比較以指明何時發(fā)生S0C。在一個實施例中，可使用離子流所表示的離子化水平超過閾值的時間或曲柄角來表示SOC已經(jīng)發(fā)生。替代地，如果燃燒相探測裝置24是壓力傳感器的話，那么，燃燒相信號26可與閾值相比較，可使用壓力超過閾值的時間或曲柄角來表示SOC已經(jīng)發(fā)生。如果使用來自于一個以上裝置的信號，那么，控制器20或處理器22可組合或比較個別的信號，來確定何時SOC或其它的燃燒相信特征已經(jīng)出現(xiàn)。不管怎樣，已經(jīng)看到燃燒相信號26可與燃燒相特征相關(guān)聯(lián)，諸如是積聚放熱38，這樣，通過監(jiān)視燃燒相信號26便可跟蹤燃燒事件的相。噴射結(jié)束和燃燒開始之間的時間或曲柄角可如圖4所示那樣定義為點火閉合角。對于給定的燃料，該點火閉合角取決于壓力-溫度-時程、局部的空氣-燃料比以及局部的燃燒過的氣體的稀釋(EGR加上殘余)。當燃料在壓縮沖程上提早噴射(例如，在上死點之前大約120至90度曲柄角)時，氣體溫度相對較低，燃料有時間與空氣混合成為貧狀態(tài)。因為該早噴射的燃料既貧又低溫，所以它具有相當長的點火延遲。替代地，當燃料在壓縮沖程上延遲噴射(例如，在上死點之前大約10至30度曲柄角)時，氣體溫度和壓力都會很高。這產(chǎn)生了短得多的點火延遲和較少的混合時間。如此延遲噴射的燃料促使自動點火有較大的分層和具有較高空氣-燃料比的局部區(qū)域。根據(jù)噴射時間與噴射量，不管是早噴射燃料還是延遲噴射燃料都可首先自動點火。如果來自一次噴射的燃料與來自較早噴射的燃料混合，那么，這些多次的噴射將會彼此作用。根據(jù)噴射時間與噴射量，早、中或晚噴射的燃料可在循環(huán)之內(nèi)不同時間自動點火，導(dǎo)致分布的放熱曲線。這對于安靜和清潔低溫燃燒是關(guān)鍵的?？刂坪萌剂蠂娚浜透變?nèi)狀態(tài)，使自動點火不太早發(fā)生。這可防止循環(huán)中在不理想的時間發(fā)生的所謂燃料“預(yù)燃燒”。諸如柴油機中從先導(dǎo)噴射中釋放的熱量那樣的預(yù)燃燒會造成負功和降低效率。為了達到低NOx和PM排放和最小燃耗和低燃燒噪音，在速度-負載-溫度圖上，與發(fā)動機其它運行參數(shù)相協(xié)調(diào)地，可變地控制噴射事件(例如，圖2中的事件1-5)的噴射起始點(SOI)和噴射量(Q)。對于部分加載狀態(tài)，一般地這樣來選擇SOI和Q:起始燃燒發(fā)生在上死點之前的5度曲柄角至上死點之后的5度曲柄角的范圍內(nèi)；以及點火閉合角處于預(yù)定值(在5至35度曲柄角的名義范圍內(nèi))。燃燒起始點和點火閉合角根據(jù)詳細標定和優(yōu)化過程予以確定。為了達到低NOx和PM排放，⑶Cl內(nèi)的燃料-空氣的燃燒必須在限制范圍的溫度-Φ條件范圍內(nèi)在全部的燃燒室內(nèi)發(fā)生。在達到自動點火溫度之前燃料必須充分地混合，以使燃燒過程受燃料反應(yīng)性而不是擴散或混合控制。合適的燃燒溫度-Φ條件能使溫度足夠低以避免NOx形成，并能使Φ足夠貧以避免PM排放，這兩者不能避免擴散控制的燃
Jyti ο理想的混合氣燃燒溫度-Φ的較低的峰值溫度，能使燃燒室表面的熱量損失較低，并使廢氣溫度較低，這將使GDCI中的熱效率較高和燃耗最低。當點火閉合角足夠長時，GDCI中便達到低的燃燒噪音，發(fā)生在燃燒室內(nèi)的自動點火定相成燃料不會同時全點火。合適的燃料自動點火特性和Φ混合氣分層，能在中等的曲柄角期間而不是瞬間地發(fā)生分段的點火，并導(dǎo)致較低的峰值放熱率以及較低的峰值壓力上升速率，這是燃燒噪音的根源。典型的“汽油”包括碳氫化合物的混合物，該混合物在大氣壓下約在25°C至225°C范圍內(nèi)沸騰，其包括主要含量為鏈烷烴、環(huán)烷烴、烯烴的混合物，以及芳香劑和較少量或微量的添加劑。普通無鉛汽油(R0N91)具有相當高的辛烷值。對于壓縮點火系統(tǒng)，這對低負載、低環(huán)境溫度的運行條件或在冷啟動期間和早升溫期間來說，就轉(zhuǎn)化為長的點火閉合角。自動點火可能不發(fā)生，或可能太弱或太晚發(fā)生(即，在膨脹沖程上)。對于這些特殊的狀態(tài)，需要附加的混合熱量。從較高的壓縮比得到的混合物的壓縮加熱是有幫助的。較高的壓縮比在接近上死點時顯著地增加混合物的溫度。在接近下死點時使用進氣閥關(guān)閉(IVC)也有助于使體積效率和有效壓縮比最大化，并提供進一步混合物加熱(“BDC凸輪”)。然而，為確保自動點火強有力，燃燒起始點、點火閉合角以及50%已燃質(zhì)量分數(shù)(CA50)的曲柄角都在合適的范圍之內(nèi)，則會需要更多的混合熱量。壓縮結(jié)束時的混合物溫度需要與燃料噴射過程協(xié)調(diào)地調(diào)節(jié)，以達到目標的起始燃燒、點火暫停和CA50。如果可獲得足夠的熱量，則在冷啟動過程中在第一燃燒事件之后，剛好幾個循環(huán)就可實現(xiàn)很強的壓縮點火，用諸如火花塞76那樣的輔助點火源，可能要來最先啟動冷發(fā)動機。也可采用諸如電熱塞那樣的其它啟動輔助裝置，而不會脫離本發(fā)明的范圍。來自內(nèi)燃機的熱廢氣(殘余物)是很大的混合物加熱源，使用可變的氣閥機構(gòu)可在寬的范圍上非常快地加以控制。相對于其它的加熱方法，殘余氣體是首選的方法，其它加熱方法諸如是吸入空氣加熱器，或高壓環(huán)路(HPL) EGR等，但它們的響應(yīng)相對地低下。一般地說，公知有三種可變閥策略來控制DOHC發(fā)動機中的殘余氣體，其包括:O正氣門重疊(PV0)，其造成進氣端口中熱的殘余氣體回流和再次引入，2)負氣門重疊(NV0)，其通過早的排氣閥關(guān)閉將廢氣駐留在缸內(nèi)，以及3)在進氣沖程期間，通過二次排氣事件使來自排氣端口的熱廢氣再呼吸(RB )。由于較高壓縮比的發(fā)動機其閥與活塞的間隙很有限，所以，PVO不是首選的。NVO可有效地捕捉住熱廢氣，但具有與氣體再壓縮和傳熱相關(guān)的損失。NVO還需要對進氣閥和排氣閥進行可變的控制，連續(xù)可變的系統(tǒng)是既復(fù)雜又費錢的。使來自廢氣端口的熱廢氣再呼吸是首選的策略?？稍谶M氣沖程期間用二次排氣事件來實施?？煽紤]“早”二次閥提升事件和“晚”二次閥提升事件。一般地說，由于在中間沖程時活塞速度高和對閥打開/關(guān)閉時間的靈敏度高，所以，“中間沖程”的二次時間不是首選的?？墒褂眠B續(xù)可變的閥致動，或離散的2步驟或3步驟可變排氣閥致動機構(gòu)，來實現(xiàn)再呼吸。這讓進氣閥機構(gòu)可提供其他可變閥致動功能，諸如是晚進氣閥關(guān)閉。對于2步驟的廢氣再呼吸，可采用兩個排氣閥的獨立控制來控制3種水平的殘余氣體(一種低的排氣提升；一種高的排氣提升，兩個閥都打開)。對于有效的催化劑運行，在冷啟動和加溫期間，為提高和保持廢氣溫度，再呼吸也是很重要的。根據(jù)催化劑的類型，各種廢氣在各種不同的溫度下開始發(fā)生轉(zhuǎn)換(例如，對于SCR催化劑為200°C)。通過使來自排氣端口的熱廢氣再呼吸，便可減少吸入空氣流和提高廢氣溫度。這樣，在加溫過程中可控制再呼吸以促進自動點火，并還可大大地加速催化劑的活性。還可在對催化劑維護加熱的暖車怠速和輕載下控制再呼吸。在此情形中，如果催化劑溫度下落或冷卻到某個閾值之下，那么，可提高再呼吸以使催化劑溫度始終得以保持。在維護加熱模式中期待對噴射特征作某些調(diào)整。
對于減速的情況，在此期間，燃料截斷，由發(fā)動機空氣來冷卻催化劑需要盡可能減小?？稍诟咚缴鲜褂迷俸粑?，以減小通過發(fā)動機和催化劑的空氣流量。催化劑冷卻可以顯著地減小。可能需要某些油門調(diào)節(jié)。對于高負載的情況，為低的NOx排放，要求熱的殘余物量較低。這可以使用高的幾何壓縮比來實現(xiàn)，對此，氣缸間隙量很小。當再呼吸量為零時，對于16.2的幾何壓縮比，測得殘余氣體質(zhì)量約為2%。圖示以上所述閥策略的閥提升曲線顯示在圖5中，實線表示排氣閥曲線，虛線表示進氣閥曲線。圖5中的水平軸線代表曲柄位置(用曲柄角度表示)。在圖5中，從O度至180度的曲柄角代表作功沖程，O度代表上死點活塞位置，而180度代表下死點活塞位置。從180度至360度的曲柄角代表排氣沖程，360度代表上死點活塞位置。從360度至540度的曲柄角代表進氣沖程，活塞下死點在540度的曲柄角。從540度至720度的曲柄角代表壓縮沖程，活塞上死點在720度的曲柄角。圖5的曲線400表示排氣凸輪的提升曲線。提升曲線400a代表排氣閥曲線，其在進氣沖程期間沒有再呼吸提升。圖中示出在進氣沖程的后面部分期間，實現(xiàn)殘余氣體再呼吸的多個“延遲”二次排氣曲線400b、400c和400d。排氣閥曲線400b將提供相當?shù)偷膹U氣再呼吸量，而曲線400c提供比曲線400b多的再呼吸量，曲線400d提供比曲線400c多的再呼吸量?！疤嵩纭倍闻艢馇€同樣可行，但未予示出。圖5中的跡線410示出包括負氣門重疊(NVO)的排氣閥曲線。如跡線410所示，通過排氣閥早關(guān)閉，即，活塞在排氣沖程上到達上死點之前，負氣門重疊將廢氣駐留在缸內(nèi)。圖5中的跡線412示出正氣門重疊進氣閥曲線，包括排氣閥打開時的二次進氣事件。該閥狀態(tài)可導(dǎo)致廢氣回流到進氣端口內(nèi)，并將燃燒過的殘余氣體再次引入到燃燒內(nèi)。對于中間-至-高負載的運行，氣缸壓力和溫度增加。這趨于促使提早自動點火，并可導(dǎo)致較高的NOx排放和較高的燃燒噪音。在壓縮過程中降低氣缸壓力和溫度的有效策略是減小發(fā)動機的有效壓縮比(ECR)。有效壓縮比定義為:進氣閥和排氣閥關(guān)閉時燃燒室體積除以活塞上死點位置時的燃燒室間隙體積之比。通過使用“延遲進氣閥關(guān)閉”(LIVC)，可減小有效壓縮比。圖5中的曲線402、404和406代表針對LIVC的進氣閥曲線。在圖5中，曲線402代表LIVC度數(shù)小的進氣閥曲線，曲線404代表LIVC度數(shù)中等的進氣閥曲線，以及曲線406代表LIVC度數(shù)高的進氣閥曲線?！癇DC進氣凸輪”在靠近下死點時提供有效的進氣關(guān)閉，該凸輪在發(fā)動機低速時為GDCI燃燒提供最大的體積效率和最大的駐留空氣。這在輕載時提供最高的壓縮壓力和溫度。BDC進氣凸輪曲線在圖5中顯示為曲線408。當發(fā)動機速度和負載增加時，IVC的時間通常延遲。在高負載時，IVC可顯著地延遲。當與冷卻的EGR相組合時，可實現(xiàn)低的NOx排放水平。圖6示出⑶Cl發(fā)動機冷和熱運行的近似運行區(qū)域。圖6中所示的運行區(qū)域聯(lián)合地代表發(fā)動機全部的負載-速度運行范圍。運行區(qū)域502代表冷啟動和發(fā)動機加溫期間所用的區(qū)域。在區(qū)域502中，大量的殘余物被再呼吸，從而大大提高的混合物溫度。例如，通過使用具有圖5中曲線400d所代表的提升曲線的排氣閥，便可實現(xiàn)該水平的再呼吸。對于最大有效壓縮比來說，EGR很低或為零，進氣閥關(guān)閉有效地處于下死點處。諸如曲線408所示的進氣閥提升曲線可適合于運行區(qū)域502。圖6中的運行區(qū)域504代表低負載區(qū)域。在區(qū)域504，中等排氣再呼吸連同中等EGR是首選的。例如，通過使用具有圖5中曲線400c所代表的提升曲線的排氣閥，便可實現(xiàn)該水平的再呼吸。諸如圖5中曲線408 (BDC凸輪)和402 (小的LIVC)所示的進氣閥提升曲線可適合于運行區(qū)域504。雙噴射策略連同低的進氣壓力增加時首選的。再呼吸可用于催化劑維護加熱中。圖6中的運行區(qū)域506代表中等負載區(qū)域。在運行區(qū)域506，廢氣再呼吸為最小。例如，通過使用具有圖5中曲線400a所代表的提升曲線的排氣閥，便可實現(xiàn)該水平的再呼吸。EGR可以增加，或當量比可以減小，進氣閥關(guān)閉中等地延遲。諸如圖5中曲線402所示的進氣閥提升曲線可適合于在運行區(qū)域506中提供閥關(guān)閉的某些延遲。具有低至中等進氣壓力增壓的三次噴射或四次噴射策略可以是首選的。圖6中的運行區(qū)域508代表高負載區(qū)域。在區(qū)域508，廢氣再呼吸為最小。例如，通過使用具有圖5中曲線400a所代表的提升曲線的排氣閥，便可實現(xiàn)該水平的再呼吸。EGR很高，具有高的進氣增壓和最大的進氣閥關(guān)閉延遲。諸如圖5中曲線406所示的進氣閥提升曲線可適合于在運行區(qū)域508中提供閥關(guān)閉的高水平延遲。三次噴射、四次噴射或五次噴射策略是首選的。圖6中所示運行區(qū)域502、504、506和508并不必要代表其間不同邊界的不同區(qū)域，在運行區(qū)域之間的邊界的各側(cè)上對應(yīng)于發(fā)動機控制變量的不同水平。例如，GDCI系統(tǒng)的運行不局限于圖5中所示獨特的閥提升曲線。當發(fā)動機負載從區(qū)域504所示的低負載增加到區(qū)域506所示的中等負載時，通過使用曲線402和曲線404之間的一個或多個中間進氣閥提升曲線，便可將進氣閥提升從圖5中曲線402所示的曲線修改為圖5中曲線404所示的曲線。盡管借助于本發(fā)明優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但并不意圖局限于此，相反，只是要將本發(fā)明限制到以下權(quán)利要求書所闡述的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)(10)包括汽油直噴式內(nèi)燃機(12)，該內(nèi)燃機(12)具有至少一個帶有燃料直接注入的氣缸(64)并還包含活塞(66),所述活塞(66)在氣缸(64)內(nèi)往復(fù)地移動并連接到曲柄上；氣缸(64)的孔壁表面、活塞(66)的頂表面(74)和發(fā)動機氣缸蓋的底表面形成了容積可變的燃燒室(28);所述氣缸蓋包括進氣閥(62A)和排氣閥(62B)，進氣閥控制與空氣進口的連通，而排氣閥控制與排氣出口的連通； 用于控制發(fā)動機(12)的有效壓縮比的裝置； 用于控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的裝置； 可變閥致動系統(tǒng)(58)，所述可變閥致動系統(tǒng)(58)根據(jù)曲柄角度位置可變地致動進氣閥和排氣閥(62A、62B)，所述致動系統(tǒng)(58)能夠操作進氣閥和排氣閥(62A、62B)，以控制進氣閥的關(guān)閉時間和廢氣的再吸入； 帶有廢氣再循環(huán)控制裝置(44)的廢氣再循環(huán)裝置(42)，用以將廢氣再引入到燃燒室(28)內(nèi)； 帶有進氣壓力增壓控制裝置(54)的進氣壓力增壓裝置(50)； 燃料噴射裝置(30)，所述燃料噴射裝置能夠在每個燃燒循環(huán)中多次注入，并能夠在燃燒室內(nèi)三維地分布燃料，以按照發(fā)動機速度和負載達到所要求的加載分層；以及 控制裝置(20、22)， 所述控制裝置根據(jù)發(fā)動機速度和負載控制有效的壓縮比、燃燒室內(nèi)殘余的燃燒過的氣體量、廢氣再循環(huán)、每個燃燒循環(huán)的燃料噴射次數(shù)、燃料噴射的定時和增壓壓力，該控制方式足以能使空氣和燃料混合氣實現(xiàn)汽油直接噴射壓縮點火(GDCI)燃燒，在發(fā)動機(12)的基本上全部的速度和負載運行范圍(502、504、506、508)上，空氣燃料混合氣的(RON+MON) /2的值介于約75和約100之間。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，發(fā)動機(12)具有大于12的幾何壓縮比。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，控制發(fā)動機(12)有效壓縮比的裝置包括可變閥致動系統(tǒng)(58)，所述可變閥致動系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥(62A)，以控制進氣閥的關(guān)閉時間。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的裝置包括可變閥致動系統(tǒng)(58)，所述可變閥致動系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動排氣閥(62B)，以控制廢氣的再呼吸。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的裝置包括可變閥致動系統(tǒng)(58)，所述可變閥致動系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥(62A)和排氣閥(62B)，以控制負氣門重疊。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的裝置包括可變閥致動系統(tǒng)(58)，所述可變閥致動系統(tǒng)構(gòu)造成根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥(62A)和排氣閥(62B)，以控制具有二次進氣事件的廢氣回流。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，活塞(66)的頂表面(74)形成碗形物(72);燃料噴射裝置(30)對稱地位于該碗形物(72)上方；并且燃料噴射裝置(30)構(gòu)造成以介于60和140度之間的燃料噴濺角度(70)分配燃料(68)。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，燃料噴射裝置(30)構(gòu)造成以介于100和500巴之間的噴射壓力噴射燃料。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，發(fā)動機(12)還包括啟動輔助裝置(24)，以在冷發(fā)動機時起動燃燒。
10.一種用于操作汽油直噴式內(nèi)燃機(12)的方法，該發(fā)動機具有至少一個燃料直接注入的氣缸(64)，發(fā)動機還包含活塞(66)，活塞在氣缸(64)內(nèi)往復(fù)地移動并連接到曲柄上；氣缸(64)的孔壁表面、活塞(66)的頂表面(74)和發(fā)動機氣缸蓋的底表面,形成了容積可變的燃燒室；所述氣缸蓋包括進氣閥(62A)和排氣閥(62B)，進氣閥(62A)控制與空氣入口的連通，而排氣閥(62B)控制與排氣出口的連通，該方法包括: 控制發(fā)動機(12)的有效壓縮比； 控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量； 使用帶有廢氣再循環(huán)控制裝置(44)的廢氣再循環(huán)裝置(42)，以將廢氣再次引入燃燒室(28)內(nèi)； 使用帶有進氣壓力增壓控制裝置(54)的進氣壓力增壓裝置(50)； 使用燃料噴射裝置(30)，該燃料噴射裝置能夠在每個燃燒循環(huán)中多次噴射； 在燃燒室內(nèi)三維地分布燃料； 根據(jù)發(fā)動機的速度和負載控制加載的分層；以及 根據(jù)發(fā)動機速度和加載控制廢氣的再呼吸、廢氣再循環(huán)、每個燃燒循環(huán)的燃料噴射次數(shù)、燃料噴射的定時以及增壓壓力，控制方式足以能使空氣和燃料混合氣實現(xiàn)汽油直接噴射壓縮點火(⑶Cl)燃燒，在發(fā)動機(12)的基本上全部的速度和負載運行范圍(502、504、506、508)上，空氣燃料混合氣的(`RON+MON) /2的值介于約75和約100之間。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，控制發(fā)動機(12)有效壓縮比的步驟包括根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥(62A)，以控制進氣閥的關(guān)閉時間。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的步驟包括根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動排氣閥(62B)，以控制廢氣的再呼吸。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的步驟包括根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥(62A)和排氣閥(62B)，以控制負氣門重疊。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的步驟包括根據(jù)曲柄的角度位置可變地致動進氣閥(62A)和排氣閥(62B)，以控制具有二次進氣事件的廢氣回流。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃燒室(28)內(nèi)殘余燃燒過的氣體量的步驟包括在發(fā)動機負載增加時減少燃燒室內(nèi)殘余燃燒過的氣體量。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，當發(fā)動機負載增加時，廢氣再循環(huán)也增加。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，當發(fā)動機負載增加時，增加每個燃燒循環(huán)中的燃料噴射次數(shù)。
18.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，控制發(fā)動機(12)有效壓縮比的步驟包括隨著發(fā)動機負載增加而減小有效壓縮比。
19.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，當發(fā)動機負載增加時，增加進氣增壓。
20.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，當發(fā)動機在低溫和低負載下運行時，將燃燒室內(nèi)殘余的燃燒過的氣體控制在高的水平，不提供廢氣再循環(huán)，基本上在活塞到達進氣沖程的下死點時關(guān)閉進氣閥，并且不提供進氣增壓。
21.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在上死點之前，燃料的噴射不早于90度曲柄角，而在上死點之后，燃料的噴射不晚于10度曲柄角。
22.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在每個燃燒事件中，燃料以多個噴射事件進行噴射，其中，控制每次噴射的時間和燃料量，以使燃燒起始介于上死點之前的10度曲柄角和上死點之后的15度曲柄角之間`。
全文摘要
本文披露了控制內(nèi)燃機中燃燒過程的發(fā)動機系統(tǒng)和方法。燃燒過程基于使用諸如汽油那樣的高辛烷燃料使分層的空氣-燃料混合氣壓縮點火。可在給定的燃燒循環(huán)中使用多次燃燒噴射。控制燃料噴射定時、EGR、廢氣再呼吸、進氣閥后關(guān)閉以及進氣增壓，以便基本上在發(fā)動機的全部速度和負載運行范圍上能夠自動點火，同時，提供減少的排放、低噪音和低燃耗。
文檔編號F02M25/07GK103201478SQ201180051380
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者M·C·塞爾諾, K·S·霍耶, J·F·辛納蒙 申請人:德爾福技術(shù)有限公司