專利名稱：自動點(diǎn)火燃燒中載操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及擴(kuò)大汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)中載操作的方法。
背景技術(shù)：
為了改良汽油內(nèi)燃機(jī)的熱效率使用空氣或者再循環(huán)廢氣稀釋燃燒，熟知可以獲得升高的熱效率和低NOx排放量。然而，由于緩慢燃燒會導(dǎo)致滅火和燃燒不穩(wěn)定，因此存在發(fā)動機(jī)可以用稀釋混合物操作的限度。已知擴(kuò)大稀釋極限的方法包括1)通過強(qiáng)化點(diǎn)火和燃料制品改良混合物的可燃性；2)通過引入電荷運(yùn)動和紊流加強(qiáng)火焰速度；和3)通過控制自動點(diǎn)火燃燒對發(fā)動機(jī)進(jìn)行操作。
控制自動點(diǎn)火方法有時(shí)也成為均相充填壓縮點(diǎn)火(HCCI)方法。在此方法中，形成燃燒氣體、空氣和燃料的混合物并且在壓縮期間，在上述混合物中的多個(gè)點(diǎn)火位置同時(shí)啟動自動點(diǎn)火，從而產(chǎn)生非常穩(wěn)定的功率輸出和高熱效率。在整個(gè)充填過程中，燃燒得到了高度稀釋和均勻分布。因此，燃燒氣體溫度和由此產(chǎn)生的NOx排放量都顯著低于基于蔓延焰鋒的常規(guī)火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)和基于固定擴(kuò)散焰的柴油發(fā)動機(jī)。在電火花點(diǎn)火和柴油發(fā)動機(jī)中，在混合物中燃燒氣體溫度高度不均勻，非常高局部溫度產(chǎn)生了高NOx排放量。
在應(yīng)用常規(guī)壓縮比的雙沖程汽油發(fā)動機(jī)中，通過控制自動點(diǎn)火燃燒操作的發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)行成功演示。可以確信，從先前周期中剩余的高比例燃燒氣體，即二沖程發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的剩余量用于提供促進(jìn)高稀釋混合物自動點(diǎn)火所必需的高混合溫度。在具有常規(guī)閥門構(gòu)件的四沖程發(fā)動機(jī)中，剩余量較低，部分負(fù)載時(shí)控制自動點(diǎn)火難于實(shí)現(xiàn)。在低負(fù)載和部分負(fù)載時(shí)誘導(dǎo)控制自動點(diǎn)火的已知方法包括1)進(jìn)氣加熱；2)可變壓縮比；和3)混合汽油與點(diǎn)火促進(jìn)劑，從而形成比汽油更易燃的混合物。在所有上述方法中，可以獲得的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和控制自動點(diǎn)火燃燒的負(fù)載范圍相對較窄。
通過控制自動點(diǎn)火燃燒操作的發(fā)動機(jī)已經(jīng)在具有非常規(guī)閥門構(gòu)件的使用可調(diào)節(jié)閥驅(qū)動的四沖程汽油發(fā)動機(jī)中得到了證明。以下部分為兩種上述閥門策略的說明，具體而言，為排氣再壓縮閥門策略和排氣再充氣閥門策略。使用任何一種上述閥門策略，從先前燃燒周期中獲得的高比例剩余燃燒產(chǎn)物都可以得到保持，從而可以提供在高稀釋混合物中自動點(diǎn)火的必要條件。通過應(yīng)用常規(guī)壓縮比，控制自動點(diǎn)火燃燒可以得到實(shí)現(xiàn)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載范圍可以得到大大擴(kuò)大。
一種所述閥門策略為排氣再壓縮閥門策略。在此公開了四沖程內(nèi)燃機(jī)，其通過控制燃燒室的進(jìn)氣及排氣閥運(yùn)動卻不燃料/空氣裝料與燃燒氣體混合以形成適于自動點(diǎn)火的條件，從而提供自動點(diǎn)火。特別是，該發(fā)動機(jī)利用機(jī)械凸輪驅(qū)動動的排氣閥進(jìn)行操作，所述排氣閥在排氣沖程中先于正常的四沖程發(fā)動機(jī)關(guān)閉，從而隔斷燃燒氣體以與引入的燃料和空氣混合物混合。
此外，本發(fā)明公開了操作四沖程內(nèi)燃機(jī)的類似方法，其中燃燒至少部分通過自動點(diǎn)火方法實(shí)現(xiàn)。為了在燃燒室中形成適于自動點(diǎn)火操作的條件，通過液壓控制閥對燃料/空氣進(jìn)料和燃燒氣體的流量進(jìn)行控制。
在此使用的閥門構(gòu)件包括控制從進(jìn)氣道進(jìn)入燃燒室的燃料/空氣混合物流量的進(jìn)氣閥和控制從燃燒室到排氣道的排放燃燒氣體流量的排氣閥。在膨脹沖程中，所述排氣閥在下止點(diǎn)前(EVO)大約10～15度開放，和在排氣沖程期間在上止點(diǎn)前(EVC)90～45度閉合。在進(jìn)氣沖程期間，在常規(guī)四沖程發(fā)動機(jī)四沖程循環(huán)中，進(jìn)氣閥開放(IVO)比通常要延遲上止點(diǎn)后45～90度。
排氣閥的提前關(guān)閉和進(jìn)氣閥的延遲開放形成了負(fù)的閥重疊時(shí)間(EVC-IVO)，其中排氣閥和進(jìn)氣閥都被關(guān)閉以封閉燃燒氣體，該氣體隨后在進(jìn)氣沖程與導(dǎo)入的燃料/空氣進(jìn)料混合并且由此發(fā)起自動點(diǎn)火工藝。然后，在壓縮沖程中，將進(jìn)氣閥閉合(IVC)大約下止點(diǎn)后30度角。
這就是通常所說的排氣再壓縮閥門策略。
此外，本發(fā)明公開了操作直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)的類似方法，其中燃燒至少部分通過自動點(diǎn)火方法實(shí)現(xiàn)?？諝夂腿紵龤怏w的流量通過如上所詳述的液壓控制閥構(gòu)件進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過汽油噴射器將燃料直接遞送入燃燒室中。在單發(fā)動機(jī)循環(huán)中，所述汽油噴射器或者在進(jìn)氣沖程或者在隨后的壓縮沖程期間噴射燃料。
此外，本發(fā)明公開了操作四沖程內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)和方法，其中部分負(fù)載操作通過自動點(diǎn)火方法實(shí)現(xiàn)。與如上所述類似，其中空氣和燃燒氣體的流量通過機(jī)械閥門(單向凸輪相移或者兩個(gè)不同凸輪之間移動)或者電磁閥構(gòu)件進(jìn)行調(diào)節(jié)。取決于預(yù)定操作參數(shù)的數(shù)值，自動點(diǎn)火工藝的控制分為三種模式。所述操作參數(shù)或者表現(xiàn)發(fā)動機(jī)負(fù)載或者表現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。上述三種自動點(diǎn)火燃燒模式為汽油重整自動點(diǎn)火燃燒模式、自動點(diǎn)火分層進(jìn)料燃燒模式和自動點(diǎn)火勻質(zhì)進(jìn)料燃燒模式。
在較低部分負(fù)載操作期間，在可以選擇的汽油重整自動點(diǎn)火模式中，在負(fù)的閥重疊期間的第一燃料噴射產(chǎn)生了引起燃料/空氣混合物自動點(diǎn)火的充分量化學(xué)反應(yīng)，所述燃料/空氣混合物在隨后的壓縮沖程期間通過第二燃料噴射形成。據(jù)稱，第一噴射的燃料量或者可以為常數(shù)或者可以與發(fā)動機(jī)載荷成反比。然而，其相應(yīng)的噴油正時(shí)，在發(fā)動機(jī)載荷增加時(shí)或者可以以連續(xù)的方式延遲或者保持恒定不變。在中等部分負(fù)載操作期間，在可以選擇的自動點(diǎn)火分層進(jìn)料燃燒模式中，壓縮沖程期間的燃料噴射支持自動點(diǎn)火。當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷提高時(shí)，噴射正時(shí)也會提高。在高部分負(fù)載操作期間，在可以選擇的自動點(diǎn)火勻質(zhì)進(jìn)料燃燒模式中，進(jìn)氣沖程期間的燃料噴射支持自動點(diǎn)火。在此公開的噴射正時(shí)相對于發(fā)動機(jī)載荷的變化保持不變。
我們已經(jīng)論證在低載荷至中等載荷中，利用增強(qiáng)的控制自動點(diǎn)火燃燒操作直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)的策略。其中空氣和燃燒氣體的流量或者通過與如上所述類似的電力-液壓控制閥構(gòu)件(完全彈性的閥動)或者通過與如上所述類似的機(jī)械控制閥構(gòu)件(單向凸輪相移或者兩個(gè)不同凸輪之間的移動)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在單個(gè)發(fā)動機(jī)循環(huán)期間，所述閥門構(gòu)件結(jié)合具有多重噴射能力的汽油直接噴射器一起使用。燃料噴射的噴射正時(shí)和燃料分流的比例，如果期望，可以進(jìn)行電子控制。在不同的發(fā)動機(jī)載荷下，為了對燃燒階段進(jìn)行最優(yōu)控制并且由此最優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能，需要不同的負(fù)的閥重疊期間和不同的噴射策略。
從低負(fù)載到中等負(fù)載，自動點(diǎn)火方法的控制被分為三個(gè)階段。試驗(yàn)已經(jīng)確定，為了在整個(gè)上述載荷范圍內(nèi)保持最佳自動點(diǎn)火燃燒階段，負(fù)的閥重疊期間需要隨著發(fā)動機(jī)載荷的降低而升高。此外，在較低部分負(fù)載操作期間(階段1)，在負(fù)的閥重疊期間固定量燃料的第一噴射產(chǎn)生了充分的熱量和比促進(jìn)燃料/空氣混合物自動點(diǎn)火的燃料更為活性的化學(xué)物質(zhì)，其中所述燃料/空氣混合物在隨后的壓縮沖程期間通過第二燃料噴射形成。當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷增加時(shí)，第一噴射的噴射正時(shí)延遲和第二噴射的噴射正時(shí)提前都以連續(xù)的方式進(jìn)行。在用中等部分載荷操作期間(步驟2)，在負(fù)的閥重疊期間進(jìn)行第一燃料噴射，隨后立即在隨后的進(jìn)氣沖程期間進(jìn)行第二燃料噴射，從而支持自動點(diǎn)火。上述兩種噴射的最佳間隔為約30～60度曲軸角。當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷增加時(shí)，上述兩個(gè)噴射的噴射正時(shí)都以連續(xù)的方式進(jìn)行延遲。在高部分載荷操作期間(步驟3)，進(jìn)氣沖程期間的單燃料噴射支持自動點(diǎn)火。當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷升高時(shí)，噴射正時(shí)也會延遲。已經(jīng)表明，本發(fā)明可以有效擴(kuò)大使用常規(guī)壓縮比的直接噴射汽油四沖程自動點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的載荷范圍。
第二種閥門策略為排氣再充氣閥門策略。本發(fā)明公開了操作四沖程內(nèi)燃機(jī)的方法，其中燃燒至少部分通過自動點(diǎn)火方法實(shí)現(xiàn)。為了在燃燒室中形成適于自動點(diǎn)火操作的條件，通過液壓控制閥對燃料/空氣進(jìn)料和燃燒氣體的流量進(jìn)行控制。在此使用的閥門構(gòu)件包括控制從進(jìn)氣道進(jìn)入燃燒室的燃料/空氣混合物流量的進(jìn)氣閥和控制從燃燒室到排氣道的排放燃燒氣體流量的排氣閥。在同一四沖程循環(huán)中，排氣閥開放兩個(gè)獨(dú)立的階段。所述排氣閥開放第一時(shí)段，使得燃燒氣體被排除出燃燒室。排氣閥開放第二時(shí)段，使得預(yù)先從燃燒室排出的燃燒氣體重新退回到燃燒室中。在各個(gè)四沖程循環(huán)期間，排氣閥的兩次開放形成了在燃燒室中進(jìn)行自動點(diǎn)火所需的條件。這就是通常所說的排氣再充氣閥門策略。
我們已經(jīng)論證了在低發(fā)動機(jī)載荷下，以擴(kuò)大控制自動點(diǎn)火燃燒方法的能力操作直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)的方法。在此方法中，使用排氣閥兩次開放和進(jìn)氣閥單次開放的閥門策略與單個(gè)發(fā)動機(jī)循環(huán)期間具有多重噴射能力的汽油直接噴射器結(jié)合使用。對所述進(jìn)氣閥和排氣閥構(gòu)件都進(jìn)行液壓控制。通過適當(dāng)選擇第一開放事件中排氣閥的閉合正時(shí)和第二開放過程中進(jìn)氣閥與排氣閥的開放正時(shí)，可以產(chǎn)生不同的氣缸內(nèi)真空水平。較高的氣缸內(nèi)真空導(dǎo)致進(jìn)氣閥閉合時(shí)進(jìn)料溫度升高和導(dǎo)致控制自動點(diǎn)火發(fā)動機(jī)具有改良的燃燒穩(wěn)定性。
通過特征為每發(fā)動機(jī)循環(huán)兩次噴射的靈活分開噴射策略，發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性可以得到進(jìn)一步改良。在進(jìn)氣沖程的早期階段期間，在每周期中所述第一噴射過程將總噴射燃料的10～30％遞送到燃燒室中，在壓縮沖程的后期階段，第二噴射過程遞送剩余的燃料。對各自噴射過程的噴射正時(shí)和燃料分流的比例進(jìn)行電子控制。在不同發(fā)動機(jī)載荷下，為了對燃燒階段進(jìn)行最優(yōu)控制和使發(fā)動機(jī)性能最優(yōu)化，需要不同水平的氣缸內(nèi)真空和不同的分開噴射策略。已經(jīng)表明，上述兩種例證說明都可以有效擴(kuò)大直接噴射汽油四沖程自動點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的低載荷限度。
我們還說明了在低載荷至中等載荷中，利用增強(qiáng)的控制自動點(diǎn)火燃燒操作直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)的策略。其中空氣和燃燒氣體的流量或者通過與如上所述類似的電力-液壓控制閥構(gòu)件(完全彈性的閥動)或者通過與如上所述類似的機(jī)械控制閥構(gòu)件(單向凸輪相移或者兩個(gè)不同凸輪之間的移動)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在單個(gè)發(fā)動機(jī)循環(huán)期間，與如上所述類似，所述閥門構(gòu)件結(jié)合具有多重噴射能力的汽油直接噴射器一起使用。燃料噴射的噴射正時(shí)和燃料分流的比例，如果期望，可以進(jìn)行電子控制。在不同發(fā)動機(jī)載荷下，為了對燃燒階段進(jìn)行最優(yōu)控制并且由此使發(fā)動機(jī)性能最優(yōu)化，需要不同水平的氣缸內(nèi)真空和不同的分開噴射策略。自動點(diǎn)火方法的控制可以分為從低至高部分載荷兩個(gè)階段。
試驗(yàn)已經(jīng)確定，為了在整個(gè)上述載荷范圍內(nèi)保持最佳自動點(diǎn)火燃燒階段，氣缸內(nèi)所需的真空需要隨著發(fā)動機(jī)載荷的增加而降低。此外，在較低部分負(fù)載操作期間，在進(jìn)氣沖程早期階段期間，噴射全部噴射燃料10～30％的第一噴射促進(jìn)了在隨后的壓縮沖程期間通過第二燃料噴射所形成的燃料/空氣混合物的自動點(diǎn)火。當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷增加從而避免過度排煙時(shí)，第一噴射的噴射正時(shí)延遲和第二噴射的噴射正時(shí)提前都以連續(xù)的方式進(jìn)行。在利用中間和高部分載荷操作期間，進(jìn)氣沖程期間的單燃料噴射支持自動點(diǎn)火。當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷升高時(shí)，噴射正時(shí)延遲，從而避免過度排煙。已經(jīng)表明，本發(fā)明可以有效擴(kuò)大使用常規(guī)壓縮比的直接噴射汽油四沖程自動點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的載荷范圍。
以上說明書說明了在寬泛的速度和載荷范圍下，我們操作汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的方法。通常，發(fā)動機(jī)操作受低負(fù)載時(shí)燃燒穩(wěn)定性的限制和高負(fù)載時(shí)液壓壓力升高或者壓力振蕩振幅的限制。壓力升高或者壓力振蕩振幅過大會導(dǎo)致產(chǎn)生稱為碰撞的燃燒生成噪音。已經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)上止點(diǎn)延遲燃燒正時(shí)可以降低燃燒速率并且是防止碰撞的有效方法。比如引火正時(shí)、噴射正時(shí)和內(nèi)部/外部再循環(huán)燃燒氣體的參數(shù)都可以用于控制燃燒速率。通常，負(fù)載越高，就需要最高壓力位置更為延遲。然而，通過延遲燃燒，燃燒開始和燃燒穩(wěn)定性都會受到氣缸內(nèi)條件周期間變化的顯著影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的延遲燃燒，需要點(diǎn)火正時(shí)控制方法與燃燒速率控制方法結(jié)合起來。
在此已經(jīng)公開了增加直接噴射SI發(fā)動機(jī)的滿載轉(zhuǎn)矩輸出的燃料噴射策略。建議使用分流噴射策略。在進(jìn)氣沖程期間，為了提高容積效率，對全部噴射燃料中的一部分進(jìn)行噴數(shù)，和在壓縮沖程期間，為了減少碰撞，對剩余燃料進(jìn)行噴射。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對于滿載時(shí)的單次噴射策略，分流噴射策略使得發(fā)動機(jī)IMEP增加約2％～3％。據(jù)推測，噴射正時(shí)和分流量都與速度和載荷相關(guān)。
在此公開的發(fā)動機(jī)具有能夠進(jìn)行多次噴射的燃料噴射系統(tǒng)，其中在一個(gè)周期過程中，主要噴射過程和次發(fā)噴射過程按照上述順序進(jìn)行。在主噴射期間，燃料廣泛分布在燃燒室中，從而形成用于主要燃燒的主混合物。在次發(fā)噴射期間，燃料局部分散在燃燒室中，從而形成用于自動點(diǎn)火的易燃混合物。易燃混合物的自動點(diǎn)火形成了主混合物進(jìn)行自動點(diǎn)火所需的條件。各次主噴射和次發(fā)噴射的燃料量和噴射正時(shí)相應(yīng)于所要求的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載進(jìn)行變化，從而使得在壓縮沖程的TDC之后，主混合物在目標(biāo)曲軸角下進(jìn)行燃燒。
在此還公開了使用分流噴射和電火花點(diǎn)火的兩級燃燒方法。上述火花用于點(diǎn)火正時(shí)控制，同時(shí)所述分流噴射用于形成分層的空氣/燃料混合物進(jìn)料。所述分層進(jìn)料包括在低濃度空氣/燃料混合物環(huán)境內(nèi)的圍繞火花塞的易燃空氣/燃料混合物部分。第一階段是通過由火花塞產(chǎn)生的火花引起易燃空氣/燃料混合物部分的燃燒，從而使得氣缸壓力得到進(jìn)一步升高。第二階段是通過上述進(jìn)一步升高的氣缸壓力誘發(fā)周圍低濃度空氣/燃料混合物的自燃燃燒。該方案在汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)中，在用空氣稀釋物進(jìn)行的低濃度操作中得到了證實(shí)。由于電火花點(diǎn)火燃燒會需要昂貴的低濃度NOx后處理裝置以進(jìn)行排放控制，因此人們會擔(dān)心氮氧化物(NOx)排放的增加。
上述第13、14和16～20段的主題取自于本發(fā)明受讓人未公開的資料，在此僅僅作為相關(guān)信息存在，不應(yīng)當(dāng)將其視為現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了擴(kuò)大汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)中載操作限度的方法，所述內(nèi)燃機(jī)能夠使用常規(guī)的三元后處理系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)外排放控制裝置。該方法使用具有多重噴射能力的燃料噴射器和火花塞。已經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明，中載操作限度可以增加大于10％。
本發(fā)明描述如下。在操作汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)中使用本發(fā)明方法，在部分載荷至高載荷操作限度內(nèi)，在進(jìn)氣沖程期間使用單燃料噴射的噴射策略都是充分的?？傮w低濃度或者化學(xué)計(jì)量氣缸內(nèi)空氣-燃料混合物通過直接燃料噴射和入口進(jìn)料形成，所述進(jìn)料或者通過空氣進(jìn)行稀釋或者通過燃燒階段和碰撞控制的外部再循環(huán)燃燒氣體進(jìn)行稀釋。當(dāng)發(fā)動機(jī)外NOx排放量指數(shù)超過1g/kg燃料時(shí)，使用化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料混合物，以便可以將常規(guī)的三元后處理系統(tǒng)用于發(fā)動機(jī)外排放控制中。利用此策略，所述高載荷限度或者可以通過壓力升高達(dá)到或者可以通過超過指定閾值的壓力振蕩振幅達(dá)到。
熟知?dú)飧變?nèi)空氣-燃料分布受噴射正時(shí)和利用分流噴射策略從先前柴油機(jī)和直接汽油噴射操作中分流的燃料量的顯著影響。對于本發(fā)明而言，第一燃料噴射發(fā)生于進(jìn)氣沖程早期，從而在接近壓縮沖程結(jié)尾時(shí)形成遍布整個(gè)燃燒室的低濃度空氣-燃料混合物。第二燃料噴射在進(jìn)氣沖程中期或者后期進(jìn)行，從而與接近火花塞的易燃混合物形成分層空氣-燃料混合物。所述火花塞用于點(diǎn)燃易燃混合物并且其正時(shí)強(qiáng)烈影響燃燒階段?；鸹c(diǎn)火燃燒起點(diǎn)火源的作用，從而引發(fā)周圍低濃度混合物的自動點(diǎn)火，以在壓縮沖程TDC之后以一定的目標(biāo)曲軸角進(jìn)行燃燒。按照上述方式，由兩個(gè)分離但是相關(guān)的步驟組成的混合模式燃燒方法可以得到實(shí)現(xiàn)。此外，發(fā)動機(jī)在總體化學(xué)計(jì)量以及外部EGR稀釋下進(jìn)行操作，從而使得常規(guī)后處理裝置足以滿足發(fā)動機(jī)外排放控制的要求。在自動點(diǎn)火燃燒階段，外部EGR稀釋物還起有效燃燒速率控制參數(shù)的作用。根據(jù)本發(fā)明，汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的高載荷限度擴(kuò)張超過10％，同時(shí)具有可接受的壓力升高或者壓力振蕩振幅。
本發(fā)明同樣應(yīng)用如上所述兩種閥門策略。在下文中，為了表明其有效性，顯示了排氣再壓縮閥門策略的試驗(yàn)結(jié)果。
通過以下本發(fā)明某些具體實(shí)施方案說明結(jié)合附圖，本發(fā)明的這些和其他特征以及本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)將會得到更充分地理解。


圖1是根據(jù)本發(fā)明地單缸直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)的示意圖；圖2為作為四沖程內(nèi)燃機(jī)(1000rpm/470kPa NMEP)排氣閥和進(jìn)氣閥的曲軸角功能的閥門移動示意圖，所述四沖程內(nèi)燃機(jī)經(jīng)FFVA系統(tǒng)使用排氣再壓縮閥門策略；圖3為與使用單次和分流噴射策略的發(fā)動機(jī)載荷相關(guān)的最高壓力的位置圖；圖4為與使用單次和分流噴射策略的發(fā)動機(jī)載荷相關(guān)的所需負(fù)的閥覆蓋圖；圖5為與使用單次和分流噴射策略的發(fā)動機(jī)載荷相關(guān)的噴射燃料質(zhì)量圖；圖6為與使用單次和分流噴射策略的發(fā)動機(jī)載荷相關(guān)的引火正時(shí)圖；圖7為與使用單次和分流噴射策略的發(fā)動機(jī)載荷相關(guān)的噴射正時(shí)末期圖；圖8為與使用單次和分流噴射策略的發(fā)動機(jī)載荷相關(guān)的最大壓力升高(kPa/deg)圖；圖9為在1000rpm/470kPa NMEP下，與使用單次和分流噴射策略的曲軸角相關(guān)的氣缸壓力變化圖；和圖10為在1000rpm/470kPa NMEP下，標(biāo)準(zhǔn)化燃料燃燒速率相對于使用單次和分流噴射策略的質(zhì)量燃燒餾分變化的變化圖。
具體實(shí)施例方式
為了簡單起見，以下說明書中將本發(fā)明應(yīng)用至單缸直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)中，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明同樣適用于多氣缸直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)。
單缸直接噴射四沖程內(nèi)燃機(jī)10的實(shí)施方案略圖示于圖1中。在圖1中，活塞12在氣缸14中可以移動，并且其與氣缸14限定了一個(gè)可變?nèi)莘e的燃燒室16。入口通道18向燃燒室16中提供空氣。進(jìn)入燃燒室16中的空氣流量通過進(jìn)氣閥20進(jìn)行控制。燃燒氣體可以從燃燒室16中經(jīng)排氣道22流動，并且通過排氣道22的燃燒氣體的流量通過排氣閥24進(jìn)行控制。
本發(fā)明發(fā)動機(jī)10具有帶有電子控制器26的液壓控制閥門串25，所述電子控制器26可程序控制并且液壓控制入口20和排氣24閥門的開放和閉合。電子控制器26考慮通過兩個(gè)位置傳感器28和30確定的進(jìn)氣閥20和排氣閥24的位置，控制進(jìn)氣閥20和排氣閥24的移動。控制器26還考慮發(fā)動機(jī)的位置，該位置通過連接道內(nèi)燃機(jī)機(jī)軸34上的轉(zhuǎn)動傳感器32進(jìn)行確定。機(jī)軸34通過連接桿36連接到在氣缸14內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的活塞12上。
通過電子控制器26進(jìn)行控制的汽油直接噴射器38用于將燃料直接噴射入燃燒室16內(nèi)。也通過電子控制器26進(jìn)行控制的火花塞40用于增強(qiáng)根據(jù)本發(fā)明發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)控制。
根據(jù)排氣再壓縮閥門策略的進(jìn)氣閥20和排氣閥24的運(yùn)動控制圖解在圖2中，其中圖解了在1000rpm和470kPa凈平均有效壓力(NMEP)下進(jìn)行操作和使用充分彈性閥門驅(qū)動(FFVA)系統(tǒng)的控制自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)。這就是發(fā)動機(jī)在1000rpm下的中載操作限度。圖2中，可以觀察到，在膨脹沖程中，排氣閥24在下止點(diǎn)之前大約30度時(shí)打開，并且在排氣沖程期間，在上止點(diǎn)前大約40度時(shí)閉合。在發(fā)動機(jī)循環(huán)中，進(jìn)氣閥20的開放比進(jìn)氣沖程期間正常的火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中的開放要遲上止點(diǎn)后大約40度。排氣閥的提前關(guān)閉和進(jìn)氣閥的延遲開放形成了負(fù)的閥重疊時(shí)間，其中排氣閥24和進(jìn)氣閥20都被關(guān)閉以封閉燃燒氣體，該氣體隨后在進(jìn)氣沖程與導(dǎo)入的燃料/空氣進(jìn)料混合并且由此發(fā)起自動點(diǎn)火工藝。然后，在壓縮沖程中，進(jìn)氣閥20大致閉合在下止點(diǎn)后10度左右。
圖3顯示了以1000rpm的速度和化學(xué)計(jì)量空氣-燃料比率進(jìn)行的發(fā)動機(jī)操作中，與發(fā)動機(jī)載荷與單次噴射(以菱形線表示)和分流噴射(以方形線表示)策略相關(guān)的最高壓力位置(LPP)。特別是，圖3表明了通過合理選擇如圖4中所圖解說明的負(fù)的閥重疊時(shí)間，可以在不同載荷下保持恒定LPP。通常，對于上述兩種噴射策略而言，負(fù)的閥重疊時(shí)間隨著發(fā)動機(jī)載荷的增加而降低。
此外，利用如圖5所示的單次噴射策略，載荷隨著燃料噴射的增加而提高，同時(shí)引火(參見圖6)和噴射(參見圖7)正時(shí)可以保持相同。發(fā)動機(jī)可以在最大載荷約470kPa NMEP或者16mg燃油噴射下操作，其值基于500kPa/度的最高壓力升高限進(jìn)行確定(參見圖8)。利用分流噴射策略，應(yīng)用分流(如圖5所示，分流一半)和相應(yīng)的噴射正時(shí)(參見圖7)，可以將最大壓力升高降低至約330kPa/度(參見圖8)，同時(shí)保持負(fù)的閥重疊時(shí)間(參見圖4)和引火正時(shí)(參見圖6)與單次噴射策略的情形相同。
圖9和10分別表明了在利用單次噴射(線路42)和分流噴射(線路44)策略下，作為曲軸角和標(biāo)準(zhǔn)化燃料燃燒速率相對于質(zhì)量燃燒餾分函數(shù)的氣缸壓力變化。
其結(jié)果清晰表明，應(yīng)用分流噴射雖然其燃燒啟動較早，但是在自動點(diǎn)火燃燒(參見圖9)期間的壓力升高和相應(yīng)的峰值燃燒速度(參見圖10)都隨分流噴射而降低。通過適當(dāng)選擇負(fù)的閥重疊時(shí)間(參見圖4)、燃料分流量(參見圖5)、引火(參見圖6)和噴射(參見圖7)正時(shí)，在壓力升高超出500kPa/度的限值之前，我們可以以高達(dá)540kPa NMEP的載荷操作發(fā)動機(jī)。這相當(dāng)于增加約15％的中載操作限值。
本發(fā)明還可以以其它發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)用，不過為了使得發(fā)動機(jī)性能、噴射和燃燒穩(wěn)定性之間得到最佳平衡，燃料分流量和相應(yīng)的噴射正時(shí)可以變化。
雖然在上述實(shí)施方案中進(jìn)氣閥20和排氣閥24都是電力-液壓驅(qū)動，但是它們也可以機(jī)械驅(qū)動或者使用電磁力電動驅(qū)動。
雖然本發(fā)明已經(jīng)通過參考某些優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了說明，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以在本發(fā)明所述構(gòu)思精神和范圍內(nèi)進(jìn)行多種改變。據(jù)此，本發(fā)明并不意圖限制于上述公開的實(shí)施方案，而是應(yīng)當(dāng)具有以下權(quán)利要求的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)大四沖程汽油直接噴射控制自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的中載操作極限的方法，其中所述內(nèi)燃機(jī)具有至少一個(gè)進(jìn)行直接燃料噴射的氣缸、含有與曲軸相互連接的活塞、和限定了包括控制與進(jìn)氣口連通的進(jìn)氣閥和控制與排氣口連通的排氣閥的可變?nèi)莘e燃燒室，所述方法包括在曲軸兩次旋轉(zhuǎn)期間以兩對順序膨脹沖程和收縮沖程操作發(fā)動機(jī)，其中所述曲軸的兩次旋轉(zhuǎn)限定了燃燒周期；使用可變閥門驅(qū)動系統(tǒng)以可變的驅(qū)動進(jìn)氣及排氣閥，所述閥門驅(qū)動系統(tǒng)能夠以排氣再壓縮閥門策略或者排氣再充氣閥門策略操作進(jìn)氣閥和排氣閥；提供伸入到所述燃燒室中的火花塞，所述火花塞具有火花隙；使用燃料噴射器與所述燃燒室連接，其中所述燃料噴射器具有在每個(gè)燃燒周期噴射多于一次燃料的多重噴射能力；將第一燃料進(jìn)料噴射入燃燒室中，從而形成遍布整個(gè)燃燒室的低濃度空氣燃料混合物；在所述第一燃料進(jìn)料之后，將第二燃料進(jìn)料噴射入燃燒室中與火花塞相鄰的位置達(dá)一段時(shí)間，從而形成具有定位接近所述火花塞的易燃混合物的分層空氣燃料混合物；和在火花隙處點(diǎn)燃易燃混合物，從而引起火花點(diǎn)火燃燒，所述火花點(diǎn)火燃燒起引發(fā)所述低濃度空氣燃料混合物自動點(diǎn)火的點(diǎn)火源的作用，由此導(dǎo)致在燃燒室中壓力升高超出指定閾值之前獲得更高的發(fā)動機(jī)載荷。
2.權(quán)利要求1的方法，包括以下步驟根據(jù)燃燒周期選擇上止點(diǎn)前25至30度之間的引火正時(shí)以引發(fā)所述火花塞，所述火花塞引發(fā)易燃混合物的燃燒并且導(dǎo)致隨后低濃度混合物的自動點(diǎn)火。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述噴射第一燃料進(jìn)料的步驟包括在進(jìn)氣膨脹沖程初期將第一燃料進(jìn)料噴射；和其中所述噴射第二燃料進(jìn)料的步驟包括在進(jìn)氣膨脹沖程中，在晚于所述第一燃料進(jìn)料的時(shí)間點(diǎn)將第二燃料進(jìn)料噴射。
4.權(quán)利要求1的方法，包括以下步驟選擇在數(shù)量上大約相等的第一燃料進(jìn)料和第二燃料進(jìn)料；其中所述第一燃料進(jìn)料足以形成在當(dāng)時(shí)氣缸存在條件下不會點(diǎn)燃的低濃度空氣燃料混合物，和所述第二燃料進(jìn)料足以形成與火花塞相鄰的易燃空氣燃料混合物，該易燃空氣燃料混合物啟動燃燒和隨后引起低濃度混合物的自動點(diǎn)火。
5.權(quán)利要求1的方法，包括以下步驟選擇在數(shù)量上不相等的第一燃料進(jìn)料和第二燃料進(jìn)料；其中所述第一燃料進(jìn)料足以形成在當(dāng)時(shí)氣缸存在條件下不會點(diǎn)燃的低濃度空氣燃料混合物，和所述第二燃料進(jìn)料足以形成與火花塞相鄰的易燃空氣燃料混合物，該易燃空氣燃料混合物啟動燃燒和隨后引起低濃度混合物的自動點(diǎn)火。
6.權(quán)利要求1的方法，其中燃燒室中壓力升高的指定閾值為約500kPa/曲軸轉(zhuǎn)動角度。
7.權(quán)利要求1的方法，包括以下步驟以總體化學(xué)計(jì)量空氣/燃料比操作發(fā)動機(jī)。
8.權(quán)利要求1的方法，其中閥門驅(qū)動為電動液壓驅(qū)動。
9.權(quán)利要求1的方法，其中閥門驅(qū)動為機(jī)械驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了擴(kuò)大汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)中載操作限值的方法。為了可變的驅(qū)動進(jìn)氣及排氣閥和以排氣再壓縮或者排氣再充入閥門策略操作閥門，應(yīng)用了該系統(tǒng)。其中提供了火花塞。其中使用了具有多重噴射能力的燃料噴射器。將第一燃料進(jìn)料噴射入燃燒室中從而形成低濃度空氣燃料混合物。將第二燃料進(jìn)料噴射入燃燒室中，從而形成位置接近火花塞的具有易燃混合物的分層空氣燃料混合物。易燃混合物在火花隙處被點(diǎn)燃，從而引起火花點(diǎn)火燃燒，所述火花點(diǎn)火燃燒起引發(fā)所述低濃度空氣燃料混合物自動點(diǎn)火的點(diǎn)火源的作用，由此導(dǎo)致在燃燒室中壓力升高超出指定閾值之前獲得更高的發(fā)動機(jī)載荷。
文檔編號D01H7/64GK1985034SQ200580023645
公開日2007年6月20日 申請日期2005年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月12日
發(fā)明者郭棠煒, B·L·布朗, J·A·恩, P·M·納特 申請人:通用汽車公司