專利名稱：四沖程發(fā)動機(jī)的自動點(diǎn)火燃燒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種至少在低速度和包括空轉(zhuǎn)的荷載條件下，用于操作四沖程汽油直接噴射控制的自動點(diǎn)火燃燒發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
為了提高汽油內(nèi)燃機(jī)的熱效率，利用空氣或者再循環(huán)排氣的稀釋燃燒已知可用來產(chǎn)生增加的熱效率和低的NOx排放。然而，發(fā)動機(jī)采用稀釋的混合物運(yùn)行會存在限制，因?yàn)橛删徛紵龝?dǎo)致失火和燃燒不穩(wěn)定。延長稀釋限制的已知方法包括1)通過提高點(diǎn)火和燃料準(zhǔn)備來改善混合物的可燃性，2)通過引入進(jìn)氣運(yùn)動和渦流來增加火焰速度，和3)在可控的自動點(diǎn)火燃燒的情況下運(yùn)行發(fā)動機(jī)。
該可控的自動點(diǎn)火過程有時(shí)稱為均質(zhì)的進(jìn)氣壓燃(HCCI)過程。在此過程中，已燃燒的氣體，空氣和燃料的混合物產(chǎn)生，并且在壓縮期間，自動點(diǎn)火會通常在混合物之中的許多點(diǎn)火位置同時(shí)開始，導(dǎo)致非常穩(wěn)定的功率輸出和高的熱效率。燃燒在整個(gè)充氣中得到高度稀釋并且均勻分布，從而使得燃燒后氣體的溫度以及由此產(chǎn)生的NOx排放大體上低于基于傳播火焰的點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)和基于附加擴(kuò)散火焰的柴油機(jī)中的溫度和NOx排放。在火花塞點(diǎn)火發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)兩者中，在混合物中燃燒后的氣體溫度非常不均勻，其中具有非常高的局部溫度，從而產(chǎn)生高的NOx排放。
在可控自動點(diǎn)火燃燒情況下運(yùn)行的發(fā)動機(jī)已經(jīng)成功地在采用傳統(tǒng)壓縮比的兩沖程汽油機(jī)中示出。相信在二沖程發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)從先前循環(huán)中剩余了大部分的燃燒后氣體，也就是，該剩余量會造成高的混合氣溫度，而高的混合氣溫度是在高度稀釋的混合物中促進(jìn)自動點(diǎn)火所必需的。
在具有傳統(tǒng)的閥裝置的四沖程發(fā)動機(jī)中，剩余量較低并且在部分負(fù)荷時(shí)可控的自動點(diǎn)火難以實(shí)現(xiàn)。在低的或者部分負(fù)荷時(shí)引起可控的自動點(diǎn)火方法包括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)劑以產(chǎn)生比汽油更容易點(diǎn)燃的混合物。在所有的上述方法中，能夠?qū)崿F(xiàn)可控的自動點(diǎn)火燃燒的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的范圍相對較窄。
在可控的自動點(diǎn)火燃燒情況下運(yùn)行的發(fā)動機(jī)已經(jīng)在采用具有非常規(guī)閥裝置的可變閥促動的四沖程汽油機(jī)中示出。下面的兩個(gè)說明包括閥策略，其中從先前燃燒循環(huán)中留下了大部分的剩余燃燒產(chǎn)物，從而在高稀釋混合物中提供用于自動點(diǎn)火的所需的條件。采用傳統(tǒng)的壓縮比并且能夠?qū)崿F(xiàn)可控的自動點(diǎn)火燃燒的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的范圍很大程度地?cái)U(kuò)大。
在一種情況下，描述一種四沖程內(nèi)燃機(jī)以通過控制燃燒室的進(jìn)氣和排氣閥的運(yùn)動來提供自動點(diǎn)火，從而確保燃料/氣體充氣與燃燒后的氣體混合來產(chǎn)生適于自動點(diǎn)火的條件。所述的發(fā)動機(jī)具有機(jī)械凸輪致動的排氣閥，其在排氣沖程中比正常的四沖程發(fā)動機(jī)關(guān)閉更早，以捕獲用于隨后與燃料和空氣混合物進(jìn)氣混合的燃燒后的氣體。
描述了運(yùn)行四沖程內(nèi)燃機(jī)的另一個(gè)方法，其中燃燒至少部分通過自動點(diǎn)火過程來實(shí)現(xiàn)。燃料/空氣充氣和燃燒后的氣體的流量通過液壓控制閥進(jìn)行調(diào)整，以便在燃燒室中產(chǎn)生適合于自動點(diǎn)火操作的情況。
使用的閥裝置包括控制入口通道進(jìn)入到燃燒室中的燃料/空氣混合物流量和控制從燃燒室到排氣通道排出的燃燒后氣體的排氣閥。排氣閥在膨脹沖程中的下止點(diǎn)之前的大約10至15度處開口(EVO)，并且在上止點(diǎn)前的90度到45度范圍內(nèi)的排氣沖程期間關(guān)閉(EVC)。
進(jìn)氣閥在四沖程循環(huán)中的打開時(shí)刻(IVO)比在進(jìn)氣沖程期間，上止點(diǎn)之后45至90度范圍內(nèi)常規(guī)四沖程發(fā)動機(jī)的常規(guī)打開時(shí)刻更遲。
提前的排氣閥關(guān)閉和遲的進(jìn)氣閥打開提供了負(fù)壓閥重疊時(shí)間(EVC-IVO)，其中排氣和進(jìn)氣閥兩者都關(guān)閉用于捕獲燃燒后的氣體，該燃燒后的氣體隨后在進(jìn)氣沖程期間與引入的燃料/充氣混合，并且因此促進(jìn)自動點(diǎn)火過程。然后進(jìn)氣閥在壓縮沖程中的下止點(diǎn)之后大致30度被關(guān)閉(IVC)。這通常被稱為排氣再壓縮閥策略。
在另一操作直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)的所述方法中，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的流量通過液壓控制閥構(gòu)件進(jìn)行調(diào)節(jié)。燃料通過汽油噴射器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。
在單發(fā)動機(jī)循環(huán)中，結(jié)合具有多重噴射能力的汽油直接噴射器使用排氣再壓縮閥門策略，我們以及其他人已經(jīng)證明，使用常規(guī)的壓縮比，可以實(shí)現(xiàn)控制自動點(diǎn)火燃燒的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷范圍可以得到大大擴(kuò)大。此外，我們還表明，使用結(jié)合分層點(diǎn)火的排氣再壓縮閥門策略，低載荷燃料經(jīng)濟(jì)性和冷啟動發(fā)動機(jī)的能力都是優(yōu)良的。然而，在空轉(zhuǎn)和低載荷期間，發(fā)動機(jī)運(yùn)行可能涉及的轉(zhuǎn)矩波動會升高。這就是本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了以可接受的轉(zhuǎn)矩波動操作低速度和低載荷(包括空轉(zhuǎn))四沖程汽油直接噴射控制自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的方法。所述方法由雙重開放進(jìn)氣閥和排氣閥和以等量燃料流的分流噴射策略組成。還可以包括控制空氣輸送的附加構(gòu)件。
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)明的單缸直接噴射汽油四沖程內(nèi)燃機(jī)的示意圖； 圖2為表示四沖程內(nèi)燃機(jī)排氣閥和進(jìn)氣閥的曲軸角與使用排氣再壓縮閥門策略的發(fā)動機(jī)載荷變化的函數(shù)的閥門升程圖表； 圖3為表示四沖程內(nèi)燃機(jī)排氣閥和進(jìn)氣閥的曲軸角與使用排氣再壓縮閥門策略的發(fā)動機(jī)載荷變化的函數(shù)的測量氣缸壓力圖； 圖4為由與以常規(guī)節(jié)流閥SI、排氣再充氣、再壓縮HCCI和本發(fā)明的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000rpm和平均扭矩輸出為15.2牛頓米(Nm)操作的發(fā)動機(jī)曲軸角相關(guān)的壓力得到的計(jì)算扭矩圖； 圖5為與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的閥門升程分布圖，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排氣再壓縮閥策略； 圖6為與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的閥門升程分布圖，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排氣再充氣閥策略； 圖7為與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的閥門升程分布圖，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用入口再充氣閥策略； 圖8為與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的閥門升程分布圖，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用進(jìn)氣閥和排氣閥的雙重開放； 圖9為由與以常規(guī)節(jié)流閥SI、排氣再充氣和再壓縮HCCI以及本發(fā)明在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000rpm和平均扭矩輸出為15.2Nm下操作的發(fā)動機(jī)曲軸角相關(guān)的壓力得到的峰間轉(zhuǎn)矩波動圖； 圖10是在燃料速率為6mg/周期和1000rpm下，表示四沖程內(nèi)燃機(jī)曲軸角與不同閥門策略變量函數(shù)的平均測量氣缸壓力圖；和 圖11是表示四沖程內(nèi)燃機(jī)曲軸角與根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機(jī)載荷中的變量之間函數(shù)關(guān)系的平均測量氣缸壓力圖。
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的第一實(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。
如圖1中所示，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26參照通過兩個(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還參照發(fā)動機(jī)的位置，該位置通過連接道內(nèi)燃機(jī)曲軸34上的轉(zhuǎn)動傳感器32進(jìn)行確定，所述曲軸34通過連接桿36連接在可在氣缸14內(nèi)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)。同樣通過電子控制器26控制的火花塞用于連接燃料噴射器和燃燒室，設(shè)計(jì)用于低負(fù)載時(shí)增強(qiáng)燃燒相控制和用于發(fā)動機(jī)冷啟動。
圖2圖解說明了通過應(yīng)用排氣再壓縮閥門策略對四沖程控制自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣閥20和排氣閥24的運(yùn)動進(jìn)行控制。其表明了利用排氣在壓縮閥門策略與簡單機(jī)械兩步以及等同凸輪相移器WA系統(tǒng)，在載荷清除期間應(yīng)用的實(shí)際閥門升程分布圖。雖然在本發(fā)明中進(jìn)氣閥20和排氣閥24都可以進(jìn)行電力-液壓驅(qū)動，但是它們也以其它適宜的方式進(jìn)行驅(qū)動，比如機(jī)械驅(qū)動或者使用電磁力電動驅(qū)動。
在該圖中，在發(fā)動機(jī)載荷降低時(shí)可以觀察到排氣閥24運(yùn)行較早，而進(jìn)氣閥20運(yùn)行較晚。排氣閥的提前運(yùn)行和進(jìn)氣閥的延遲運(yùn)行提供了延長的排氣閥和進(jìn)氣閥都被閉合的負(fù)壓閥重疊期間，以將更多的燃燒氣體截留在氣缸中。上述截留的殘余氣體混合物后來與進(jìn)氣沖程期間導(dǎo)入的燃料/空氣進(jìn)料混合，從而有助于更低載荷時(shí)的自動點(diǎn)火步驟。
圖3表示四沖程內(nèi)燃機(jī)曲軸角與使用排氣再壓縮閥門策略的發(fā)動機(jī)載荷變化的函數(shù)的測量氣缸壓力。從該圖中可以看出，在主燃燒(線42，44，46，48)期間峰值壓力隨著發(fā)動機(jī)載荷的降低而降低。然而，對于排氣沖程TDC(360度ATDC燃燒)周圍的峰值壓力，反過來也是成立的。特別是，負(fù)壓閥重疊越大，那么排氣沖程結(jié)束時(shí)的峰值壓力就越大。這表明更多的燃燒氣體被截留在氣缸內(nèi)。在最低載荷48(69 kPa NMEP)時(shí)，在主燃燒(大約5度ATDC燃燒)期間峰值壓力僅僅高于排氣沖程TDC周圍峰值壓力約600kPa。
雖然這些峰值壓力差異是為了誘發(fā)控制自動點(diǎn)火燃燒而使用的排氣再壓縮閥門策略所特有的，但是基于驅(qū)動者的角度可以覺察出這是轉(zhuǎn)矩波動源。這種峰間轉(zhuǎn)矩波動的增加清晰地圖解說明在圖4中，其中計(jì)算的轉(zhuǎn)矩為由于以常規(guī)節(jié)流閥SI 50、排氣再充氣HCCI 52、排氣再壓縮HCCI 54和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000rpm和平均扭矩輸出為15.2牛頓米(Nm)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行操作(對于四缸發(fā)動機(jī)構(gòu)造)而存在的壓力而產(chǎn)生的曲軸角的函數(shù)。
為了使以排氣再壓縮HCCI進(jìn)行操作的四沖程發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動最小，根據(jù)本發(fā)明使用了應(yīng)用進(jìn)氣閥和排氣閥雙重開放的閥門策略。這是我們先前雙重開放排氣閥或者進(jìn)氣閥以用于有效擴(kuò)大控制自動點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的低載荷發(fā)動機(jī)操作限值的發(fā)明的延續(xù)。圖5-8顯示了閥門升程分布圖和用于各個(gè)測驗(yàn)閥門策略的相應(yīng)噴射策略。
圖5表示排氣24和入口20閥門升程分布圖，其是與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的函數(shù)，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排氣再壓縮閥策略。
圖6表示閥門24，20升程分布圖，其是與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的函數(shù)，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排氣再充氣閥策略。
圖7表示閥門24，20升程分布圖，其是與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的函數(shù)，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用入口再充氣閥策略。
圖8表示排氣24和入口20閥門升程分布圖，其是與曲軸角以及相應(yīng)的噴射正時(shí)結(jié)束以及四沖程內(nèi)燃機(jī)燃料分流相關(guān)的函數(shù)，其中四沖程內(nèi)燃機(jī)在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用進(jìn)氣閥和排氣閥雙重開放。
通常，在壓縮沖程期間將1mg燃料噴射在TDC入口周圍和將5mg燃料噴射的分流噴射策略用于圖5～7中所示的閥門策略中。然而，在圖8中根據(jù)本發(fā)明使用等量燃料分流。在圖8中所示的閥門正時(shí)和持續(xù)時(shí)間都沒有相對于性能和排放進(jìn)行最優(yōu)化。所示條件為本發(fā)明具體實(shí)施方案的一種示范選擇。
本發(fā)明對峰間轉(zhuǎn)矩波動降低的有效性示于圖4和9中。特別是，應(yīng)用本發(fā)明56的峰間轉(zhuǎn)矩波動相對于再壓縮HCCI 54降低了大約40％，降低至了與再充氣HCCI 52相當(dāng)?shù)乃绞悄枪?，不過這還是稍微高于節(jié)流閥SI操作50的轉(zhuǎn)矩波動。
圖10表示作為入口再充氣58、排放再充氣60、排放再壓縮62和本發(fā)明64的曲軸角的函數(shù)的測量氣缸壓力，其中描述于圖5～8中的四種閥門策略為固定的加燃料速率6mg/周期。從圖中可以清晰看出，根據(jù)本發(fā)明，比如雙沖程氣缸壓力變化曲線64得到了實(shí)現(xiàn)。最后，本發(fā)明對于如圖11所示的6～8mg/周期(3～4mg/噴射)的燃料加料速率范圍都運(yùn)行良好。然而，本發(fā)明還可以擴(kuò)展到其它燃料加料范圍的操作中，并不限于這里所報(bào)道的試驗(yàn)結(jié)果。
在獲得圖11中所示結(jié)果的試驗(yàn)期間，將控制的進(jìn)料空氣供應(yīng)提供給發(fā)動機(jī)。在操作發(fā)動機(jī)中，如果需要，上述控制可以通過任何適宜的構(gòu)件提供，包括，例如提供控制入口管或者具有泵裝置的排放壓力、在進(jìn)氣閥或者排氣閥中加入流量控制閥和/或調(diào)節(jié)進(jìn)氣及排氣閥正時(shí)以促進(jìn)期望的燃燒氣體通流。
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
1.一種操作四沖程汽油直接噴射控制自動點(diǎn)火燃燒發(fā)動機(jī)的方法，其中所述燃燒發(fā)動機(jī)具有至少一個(gè)具有直接燃料噴射器的氣缸、含有與曲軸往復(fù)運(yùn)動地相互連接的活塞、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，按照兩對膨脹沖程和壓縮沖程順序操作發(fā)動機(jī)；在膨脹沖程末期和壓縮沖程初期開放進(jìn)氣閥和排氣閥；和將燃料直接噴射入燃燒室中以與滯留氣體混合和在接近壓縮沖程結(jié)束時(shí)點(diǎn)燃燃料；由此當(dāng)閥門閉合時(shí)，在膨脹沖程的主要部分期間，燃燒氣體受到膨脹從而形成動力，當(dāng)閥門開放時(shí)將燃燒氣體吹入排氣口和進(jìn)氣口中并且在膨脹沖程末期將部分燃燒氣體與新鮮空氣截留在氣缸內(nèi)，從而使得空氣和排放氣體進(jìn)料通過熱排放氣體受到加熱；和在壓縮沖程初期將部分進(jìn)料排出排氣口和進(jìn)氣口，在閥門關(guān)閉之后，在壓縮沖程主要部分期間對剩余的部分進(jìn)料和噴射燃料進(jìn)行壓縮，以點(diǎn)火所得的稀釋燃料/空氣和排放氣體混合物的壓縮進(jìn)料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括在連續(xù)成對的膨脹沖程和壓縮沖程期間噴射相等的燃料進(jìn)料，從而對連續(xù)的曲軸旋轉(zhuǎn)提供相等的動力輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)氣閥和排氣閥升高曲線在正時(shí)和輪廓上等同。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，包括在各次曲軸旋轉(zhuǎn)期間，將特定量的新鮮燃燒空氣遞送到燃燒室中。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，包括改變進(jìn)氣閥和排氣閥的開放正時(shí)，從而由活塞運(yùn)動提供新鮮的燃燒空氣流動。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，包括設(shè)置輔助進(jìn)料設(shè)備以提供新鮮燃燒空氣流動。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，包括設(shè)置流量控制閥以促使新鮮燃燒空氣流向燃燒室。
全文摘要
一種操作四沖程汽油直接噴射控制自動點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的方法，包括在膨脹沖程末期和壓縮沖程初期開放進(jìn)氣閥和排氣閥，將燃料直接噴射入燃燒室中以與滯留氣體混合和在接近壓縮沖程結(jié)束時(shí)點(diǎn)燃燃料。在該方法中，在膨脹沖程的主要部分期間，燃料氣體受到膨脹從而形成驅(qū)動源，在膨脹沖程末期將燃燒氣體吹入排氣口和進(jìn)氣口中并且將部分燃燒氣體與新鮮空氣截留在氣缸內(nèi)，從而使得空氣進(jìn)料通過熱排放氣體受到加熱。對部分在排放進(jìn)料和殘留部分進(jìn)料以及噴射燃料進(jìn)行壓縮，以點(diǎn)火稀釋的燃料/空氣和排放氣體混合物。根據(jù)該方法，NOx排放量得到了顯著降低。
文檔編號F02B75/02GK1985081SQ200580023621
公開日2007年6月20日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月12日
發(fā)明者T·-W·霩, J·A·恩, P·M·納特, B·L·布朗 申請人:通用汽車公司