專利名稱：用于操作受控自動點火四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的閥和燃料供給方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的操作。
背景技術(shù)：
汽車工業(yè)正在不斷研究新的方法來改善內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒過程，以提高燃料經(jīng)濟性，使其達到或超過排放控制指標(biāo)，以及滿足或超越消費者與排氣排放、燃料經(jīng)濟性、產(chǎn)品差異化有關(guān)的期望。
大多數(shù)現(xiàn)代的普通內(nèi)燃發(fā)動機試圖工作在大約這樣的化學(xué)計量(stoichiometric)的條件下。也就是說，所提供的最佳空氣/燃料比基本上是14.6比1，這樣可使輸送到發(fā)動機中的燃料和氧氣基本上全部消耗掉。這樣的工作情況使得能夠用三效催化劑進行排氣后處理，以凈化任何未消耗的燃料和燃燒副產(chǎn)物如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。大多數(shù)現(xiàn)代發(fā)動機是燃料噴射的，包括節(jié)氣閥體噴射(TBI)或多點燃料噴射(MPFI)，在多點燃料噴射中，若干噴射器的每一個靠近多缸發(fā)動機中每個氣缸的進氣口而布置。通過多點燃料噴射布置方式，可以實現(xiàn)較好的空氣/燃料比控制；然而，象缸壁潮濕和進氣通路動態(tài)特性這樣的條件限制了這種控制的實現(xiàn)精度。燃料輸送精度可以通過直接噴射(DI)得到改善。所謂的線性含氧傳感器提供了較高程度的控制能力，而且當(dāng)與直接噴射結(jié)合在一起時能夠形成具有改進的缸至缸空氣/燃料比控制能力的系統(tǒng)。然而，這樣的話，缸內(nèi)燃燒動力學(xué)變得更加重要，而且燃燒質(zhì)量在排放控制中起到越來越重要的作用。于是，發(fā)動機制造商已經(jīng)專心于這樣的事情，例如噴射器噴射型式、進氣渦流、活塞幾何形狀等，以實現(xiàn)改進的缸內(nèi)空氣/燃料配合比和均勻性。
雖然化學(xué)計量的汽油四沖程發(fā)動機和三效催化劑系統(tǒng)有可能達到超低的排放指標(biāo)，但是，這類系統(tǒng)的效率落后于所謂的貧燃系統(tǒng)。貧燃系統(tǒng)通過燃燒控制還有希望達到氮氧化物的排放指標(biāo)，燃燒控制包括高排氣稀釋以及新出現(xiàn)的氮氧化物后處理技術(shù)。然而，貧燃系統(tǒng)仍然面對著其它的障礙，比如燃燒質(zhì)量和燃燒穩(wěn)定性，尤其是在低負荷工作點和高排氣稀釋時。
從根本上講，貧燃發(fā)動機包括所有工作時空氣超過所供應(yīng)燃料燃燒所需空氣量的內(nèi)燃發(fā)動機。有各種燃料供給和點火方法來區(qū)分貧燃技術(shù)。火花點火系統(tǒng)(SI)通過在燃燒室中提供放電作用來起動燃燒。壓縮點火系統(tǒng)(CI)通過燃燒室狀態(tài)，包括空氣/燃料比、溫度和壓力等的組合，來起動燃燒。供給燃料的方法可以包括節(jié)氣閥體噴射(TBI)、多點燃料噴射(MPFI)和直接噴射(DI)。均勻燃燒系統(tǒng)的特征是十分穩(wěn)定，而且空氣/燃料混合物中燃料的氣化和分布十分充分，它可以通過進氣循環(huán)初期的多點燃料噴射或直接噴射來實現(xiàn)。分層燃燒系統(tǒng)的特征是，空氣/燃料混合物中燃料的氣化和分布不太充分，而且一般來說對應(yīng)于壓縮循環(huán)末期的燃料直接噴射。
已知的汽油直接噴射發(fā)動機可以選擇性地工作在均勻火花點火(homogeneous spark ignition)或分層火花點火(stratified spark ignition)模式下。均勻火花點火模式通常被選擇用于較高負荷狀態(tài)，而分層火花點火模式通常被選擇用于較低負荷狀態(tài)。
某些直接噴射式的壓縮點火發(fā)動機采用基本上均勻的預(yù)熱空氣燃料混合物，并在發(fā)動機壓縮循環(huán)中形成可引起點火的壓力和溫度條件，而不需要額外的火花能量。這一過程有時被稱作受控自動點火。受控自動點火是一種可預(yù)見的過程，因此與火花點火式發(fā)動機有時所發(fā)生的不希望有的預(yù)點火情況不同。受控自動點火還不同于柴油發(fā)動機中所熟悉的壓縮點火，在壓縮點火中，燃料基本上在剛噴射到高預(yù)壓縮的高溫充氣空氣中時就產(chǎn)生點火，而在受控自動點火過程中，預(yù)熱的空氣和燃料在燃燒前的進氣過程混合到一起，而且其壓縮型式大體上與普通的火花點火四沖程發(fā)動機系統(tǒng)相一致。
已經(jīng)提出能夠自動點火的四沖程內(nèi)燃發(fā)動機，其通過控制與燃燒室相連的進氣閥和排氣閥的運動，來確?？諝?燃料充填物與燃燒后的氣體混合，以產(chǎn)生適合于自動點火的狀態(tài)，而不需要對吸入的空氣或氣缸充填物進行外部預(yù)熱，也不需要有高壓縮型式。關(guān)于這一點，已經(jīng)提出了某些發(fā)動機，其中的凸輪驅(qū)動排氣閥在四沖程循環(huán)中要比火花點火四沖程發(fā)動機的普通排氣閥遲關(guān)閉很多時間，從而使開啟的排氣閥與開啟的進氣閥大大重疊，于是，先前排出的燃燒后氣體在進氣循環(huán)的初期被抽回到燃燒室中。已經(jīng)提出了某些別的發(fā)動機，其中的排氣閥在排氣循環(huán)中很早就被關(guān)閉，從而截留燃燒后的氣體以用于在后續(xù)進氣循環(huán)中與燃料及空氣混合。在這兩類發(fā)動機中，排氣閥在每個四沖程循環(huán)中只被打開一次。已經(jīng)提出了某些別的發(fā)動機，其中液壓控制的排氣閥在每個四沖程循環(huán)中被打開兩次，一次是要在排氣循環(huán)中將燃燒后的氣體從燃燒室排出到排氣通道中，另一次是要在進氣循環(huán)的后期將燃燒后的氣體從排氣通道抽回到燃燒室中。所有這些提出的發(fā)動機依賴于節(jié)氣閥體燃料噴射或者多點燃料噴射。然而，所提出的另一種發(fā)動機具有液壓控制的進氣閥和排氣閥，其中，排氣閥在每個四沖程循環(huán)中開啟兩次，并且另外利用了燃燒室直接燃料噴射，用于在進氣循環(huán)或者壓縮循環(huán)期間噴射注入燃料。
盡管這類貧燃發(fā)動機系統(tǒng)看起來似乎十分優(yōu)越，但就燃燒質(zhì)量和燃燒穩(wěn)定性而言仍然存在某些不足之處，尤其是在低負荷工作點和高排氣稀釋時。這樣的不足之處會導(dǎo)致一些不希望有的折衷，包括在低負荷工作點時實際上可以貧燃的方式節(jié)省多少燃料供給，卻仍然能夠保持可以接受的燃燒質(zhì)量和穩(wěn)定特性。
發(fā)明概述已經(jīng)認識到，在各種內(nèi)燃發(fā)動機中燃燒室內(nèi)的空氣/燃料充填物一般來說優(yōu)選是均勻的，這些內(nèi)燃發(fā)動機包括采用節(jié)氣閥體噴射TBI、多點燃料噴射MPFI、直接噴射DI、火花點火SI、壓縮點火CI、受控自動點火、化學(xué)計量、貧燃等方案及其組合方式和變型的發(fā)動機。貧燃的四沖程內(nèi)燃發(fā)動機一般來說能夠合乎我們的需要。而且，這種發(fā)動機在低負荷工作點表現(xiàn)出高的燃燒穩(wěn)定性。此外，這種發(fā)動機能夠?qū)⒇毴疾僮餮由斓狡裎催_到的低負荷工作點區(qū)域中。
本發(fā)明的方法提供了這樣一些以及其它的優(yōu)選方面，而使在低發(fā)動機負荷下工作的四沖程內(nèi)燃發(fā)動機具有擴展的能力，同時還能保持或改善燃燒質(zhì)量、燃燒穩(wěn)定性以及氮氧化物排放。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在活塞的進氣沖程期間，在燃燒室內(nèi)建立了低壓過程。低壓過程的深度和持續(xù)時間直接影響燃燒的穩(wěn)定性和發(fā)動機的低負荷極限。進氣閥和排氣閥相位控制、或者開啟和關(guān)閉正時，被用于建立低壓過程的曲線圖。在進氣循環(huán)期間，來自發(fā)動機的排氣被再循環(huán)到燃燒室中。其中進氣閥在排氣循環(huán)期間開啟的再吸入過程通過將燃燒后的氣體排出到進氣通道中而提供了內(nèi)部再循環(huán)，以便對于隨后的再循環(huán)或再吸入過程而言，通過在進氣過程中，相對著進氣閥的開啟而將燃燒后的氣體吸回到燃燒室中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，采用了分段噴射(split-injection)方案，其中，燃料的第一部分在進氣循環(huán)過程早期被噴射，而用于該循環(huán)的總?cè)剂咸畛淞康氖Ｓ嗳剂显趬嚎s循環(huán)后期被噴射。作為發(fā)動機負荷和總?cè)剂系闹苯又笜?biāo)的，保持可接受的燃燒穩(wěn)定性所要求的總凈平均有效壓力(NMEP)，要遠遠小于傳統(tǒng)燃料供給方式的發(fā)動機實現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性所要求的總凈平均有效壓力。


現(xiàn)在將參考附圖并借助于實例來描述本發(fā)明，在這些附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的單缸、直接噴射式的四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的圖1所示單缸發(fā)動機中對應(yīng)于示例性排氣閥和進氣閥相位的不同閥升程與曲柄角的關(guān)系曲線；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的對應(yīng)于圖2所示示例性排氣閥和進氣閥相位的氣缸壓力與曲柄角的關(guān)系曲線；和圖4示出了燃燒穩(wěn)定性與氣缸凈平均有效壓力的示例性關(guān)系曲線，以說明根據(jù)本發(fā)明的相位控制方面以及組合起來的相位控制及燃料供給方面的低負荷極限優(yōu)點。
優(yōu)選實施例的描述首先參考圖1，圖中示意性地示出了適合于實施本發(fā)明的示例性單缸四沖程內(nèi)燃發(fā)動機系統(tǒng)(發(fā)動機)10。應(yīng)當(dāng)認識到，本發(fā)明同樣適用于多缸四沖程內(nèi)燃發(fā)動機。所示示例性發(fā)動機10被設(shè)計成可通過燃料噴射器41進行燃料向燃燒室直接噴射(直噴)。包括進氣點燃料噴射或節(jié)氣閥體燃料噴射的可選的燃料供給方案，也可以用于實施本發(fā)明；然而，優(yōu)選的方法是直接噴射。類似地，市售各種等級的汽油及其輕乙醇混合物是優(yōu)選的燃料，其它可供選擇的液體和氣體燃料如高乙醇混合物(比如E80、E85)、純凈乙醇(E99)、純凈甲醇(M100)、天然氣、氫氣、沼氣、各種重整油、合成氣等，也可以用來實施本發(fā)明。
就這種基本發(fā)動機而言，活塞11可在氣缸13內(nèi)移動，而在其中形成體積可變的燃燒室15。活塞11通過連桿33連接在曲軸35上，并且往復(fù)地驅(qū)動曲軸35或由曲軸35往復(fù)地驅(qū)動。發(fā)動機10還包含用單個進氣閥21和單個排氣閥23表示的閥組件16，不過具有多個進氣閥和排氣閥的變型同樣適用于本發(fā)明。閥組件16還包括可采取任何一種形式的閥促動機構(gòu)25，包括優(yōu)選的電控液壓或電子機械促動機構(gòu)。其它可供選擇的適用于本發(fā)明實施例的閥促動機構(gòu)包括多輪廓凸輪、凸輪相位器以及其它機械可變閥促動技術(shù)，它們可單獨實施或以相互組合的方式實施。進氣通道17將空氣輸送到燃燒室15中。進氣過程中空氣到燃燒室15內(nèi)的流動是由進氣閥21控制的。燃燒后的氣體通過排氣通道19從燃燒室15排出，其在排氣過程中的流動由排氣閥23控制。
發(fā)動機控制是由基于計算機的控制器27提供的，它可以具有傳統(tǒng)的硬件配置形式和其它組合方式，包括具有集成或分布式體系結(jié)構(gòu)的動力傳動系控制器、發(fā)動機控制器以及數(shù)字信號處理器。一般來說，控制器27包括至少一個微處理器、只讀存儲器、隨機存取存儲器、包含模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器以及動力驅(qū)動電路的各種輸入/輸出裝置?？刂破?7還專門包括用于閥促動機構(gòu)25和燃料噴射器41的控制器?？刂破?7包括，從若干個傳感源來監(jiān)測若干個與發(fā)動機有關(guān)的輸入信號，包括發(fā)動機冷卻液溫度、外部空氣溫度、歧管空氣溫度、駕駛員扭矩請求、環(huán)境壓力、節(jié)氣應(yīng)用中的歧管壓力、比如用于閥組件和發(fā)動機曲軸的位移量和位置傳感器，而且還包括，產(chǎn)生用于各種促動器的控制命令以及進行一般的診斷功能。雖然所示出和介紹的控制器27是整體式的，但是，與閥促動機構(gòu)25和燃料噴射器41相連的控制和動力電子裝置也可以作為分布式智能促動配置的一部分，其中與相應(yīng)子系統(tǒng)有關(guān)的某些監(jiān)測和控制功能是由與這些相應(yīng)閥和燃料控制子系統(tǒng)相連的可編程分布式控制器來實施的。
在已經(jīng)介紹了適合于實施本發(fā)明方法的狀態(tài)和某些應(yīng)用硬件之后，現(xiàn)在將參考圖2和圖3來描述本發(fā)明的方法本身。在圖2中，繪出了現(xiàn)有或傳統(tǒng)的火花點火內(nèi)燃發(fā)動機完整的四沖程燃燒循環(huán)以及進氣閥和排氣閥的閥升程。水平軸上繪出了曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，即整720度，從膨脹沖程開始(壓縮沖程結(jié)束)時對應(yīng)于活塞上止點(TDC)的0度開始，并終止于壓縮沖程結(jié)束(膨脹沖程開始)時對應(yīng)于同一上止點位置的720度。按照慣例以及如下所述，從0至720度的曲軸的角位置指的是在上止點后(ATDC)燃燒的曲軸旋轉(zhuǎn)度數(shù)。在附圖頂部的雙端箭頭內(nèi)用“膨脹、排氣、進氣和壓縮”標(biāo)出了依次重復(fù)的循環(huán)。這些循環(huán)中的每一個對應(yīng)于在相應(yīng)上止點和下止點之間的活塞運動，并覆蓋曲軸旋轉(zhuǎn)的整180度或完整四沖程循環(huán)的四分之一。在圖3中，對于四沖程燃燒循環(huán)的連續(xù)部分繪出氣缸壓力，以便了解進氣沖程和排氣沖程，如圖頂部所顯示的類似地標(biāo)出雙端箭頭清楚地所示。
在本發(fā)明的示例性說明書中，使用了四沖程、單缸、0.55公升、受控自動點火、汽油燃料供給的內(nèi)燃發(fā)動機來實施各種不同的閥控制，并從中獲得各種數(shù)據(jù)。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認識到，除非專門說明，否則，所有這些實施例和獲得的數(shù)據(jù)都被認為是在標(biāo)準條件下進行的。
根據(jù)本發(fā)明的閥相位控制方面，在燃燒室內(nèi)建立起低壓結(jié)果，這優(yōu)選是通過對其中一個或多個進氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉進行的相位控制來實現(xiàn)的。在圖2和3所示的實例中，假定從120至270度的排氣沖程中，至少有一部分時間排氣閥是打開的，以便產(chǎn)生排氣過程。在排氣過程中排氣閥的實際開啟和關(guān)閉角度將隨著這樣一些因素如發(fā)動機轉(zhuǎn)速或負荷、排氣通路的幾何形狀以及其它所要求的發(fā)動機調(diào)整特性而變化。在本實例中，排氣閥關(guān)閉被認為大體上對應(yīng)于排氣沖程TDC之后370或10度。優(yōu)選的是，在排氣沖程TDC之前大約20度至排氣沖程之后大約20度，發(fā)生排氣閥的關(guān)閉。一般認為，從燃燒室最大量地排出排氣將有助于降低氣缸的剩余壓力，并且這種狀況一般與實行更深和更長時間的低壓過程相一致。當(dāng)排氣閥在排氣沖程TDC之后在某角度下保持打開時，通過某些狀態(tài)下的某些氣體動力學(xué)，就可以發(fā)生最大量的排出。更優(yōu)選的是，隨后，大約在排氣沖程TDC時至排氣沖程TDC之后大約20度的范圍內(nèi)，發(fā)生排氣閥的關(guān)閉。
與進氣沖程中在燃燒室內(nèi)建立低壓過程的目的一致，還可以要求排氣過程的排氣閥關(guān)閉在排氣沖程上止點前的絕對相位不大于排氣沖程上止點后的進氣閥打開相位，或者說，存在最小的閥重疊。一般來說，為了在燃燒室內(nèi)建立起所要求的低壓狀態(tài)，如上所述，要求在排氣閥關(guān)閉和進氣閥打開之間圍繞排氣沖程上止點存在一定程度的不對稱性。如果排氣過程的排氣閥關(guān)閉在排氣沖程上止點前發(fā)生，那么優(yōu)選在上止點后允許至少有類似的角度，以便使燃燒室中的壓力能夠在進氣閥開始打開之前減輕。優(yōu)選的是，在低負荷工作點時，在排氣沖程上止點后大約30至大約90度，排氣閥關(guān)閉之后，在進氣過程中，進氣閥打開。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，進氣閥在進氣過程的至少一部分期間開啟，以便將燃燒后的氣體排到進氣通道17中，以便通過相對進氣閥而將燃燒后的氣體吸回到燃燒室中而進行后續(xù)的再循環(huán)或者再吸入。優(yōu)選的是，這種再吸入過程中進氣閥的開啟發(fā)生在排氣閥的開啟之后，并且更優(yōu)選發(fā)生在膨脹沖程下止點(BDC)之前大約20度至膨脹沖程下止點(BDC)之后大約40度的范圍內(nèi)。另外，與這種再吸入過程相關(guān)聯(lián)的進氣閥關(guān)閉優(yōu)選與排氣閥的關(guān)閉大致一致，或者發(fā)生在排氣沖程TDC之前大約20度至排氣沖程TDC之后大約20度范圍內(nèi)。更優(yōu)選的是，隨后，大約在排氣沖程TDC時至排氣沖程TDC之后大約20度的范圍內(nèi)，發(fā)生與這種再吸入過程相關(guān)聯(lián)的進氣閥關(guān)閉。
優(yōu)選的是，這種再吸入過程的進氣閥開啟其特征還在于比較低的閥升程。更優(yōu)選的是，這種閥升程不大于最大閥升程的大約50％。
在圖2的示例性曲線中，大致說明了前述一般的且優(yōu)選的排氣閥和進氣閥相位。曲線50代表排氣過程中排氣閥的曲線，其中閥關(guān)閉發(fā)生在排氣沖程TDC之后大約10度。為了便于說明，假定就排氣過程的排氣閥關(guān)閉相位而言排氣過程基本上是靜態(tài)的，不過就象前面所介紹的那樣，應(yīng)當(dāng)認識到，實際上排氣閥關(guān)閉的相位移屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)，以實現(xiàn)各種結(jié)果和目的。進氣曲線51對應(yīng)于示例性的進氣閥在排氣沖程TDC后大約70度打開并且在進氣沖程BDC后大約40度關(guān)閉。再吸入曲線52相關(guān)于排氣閥打開曲線50，并且對應(yīng)于再吸入過程中進氣閥在排氣沖程BDC之前大約20度時開始打開。再吸入曲線52和排氣閥曲線50還顯示了在排氣沖程TDC后大約10度時各自關(guān)閉的大致趨同。
如果在附圖中繪出這種進氣曲線的一個連續(xù)統(tǒng)，其中進氣閥打開界限處于較少延遲和更多延遲的相位角，例如從大約380度至大約450度，那么，在燃燒室內(nèi)就可以得到變化的真空度及其持續(xù)時間。當(dāng)然，除了象所介紹的那樣僅僅通過閥打開的相位移在燃燒室內(nèi)所能實現(xiàn)的各種低壓力分布曲線之外，還可以通過更加復(fù)雜和獨立的排氣和進氣曲線的變化來實現(xiàn)更多的壓力分布曲線，這些變化除了正時之外，還包括閥升程的變化。還應(yīng)當(dāng)注意，也可通過可行的排氣、進氣和再吸入曲線的復(fù)雜變化，來實現(xiàn)氣體成分混合物和溫度的顯著變化。關(guān)于改變真空水平的其它細節(jié)在共同轉(zhuǎn)讓并且共同未決的美國專利申請序列號No.10/611,845(代理人檔案號GP-303270)中的另外的細節(jié)中進行了闡述，這些專利申請的內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文中。
為了在燃燒室內(nèi)建立低壓過程，可進行閥相位控制，用以在燃燒室內(nèi)形成壓力水平的下降和持續(xù)，而這在已知的傳統(tǒng)四沖程工作過程中是不存在的?，F(xiàn)在參考圖3，圖中示出了對應(yīng)于上面參考圖2所介紹的示例性的閥曲線所導(dǎo)致的壓力分布曲線。其中，曲線用數(shù)字61概括表示，而且示出了360度曲軸旋轉(zhuǎn)角，以便顯示完整四沖程過程中排氣沖程和進氣沖程，其僅僅如附圖頂部標(biāo)有“排氣和進氣”的雙端箭頭所示。氣缸壓力在沿縱軸的相對線性刻度上示出，環(huán)境壓力被專門標(biāo)出，并被認為大體上是一個標(biāo)準大氣壓或大約101千帕。區(qū)域63概括表示根據(jù)本發(fā)明建立的低壓過程或次大氣壓力狀態(tài)。中等深且持續(xù)時間較長的低壓在基本上剛好在390度之后至基本上剛好在500度之前是低于大氣壓的，并且基本上可達到環(huán)境壓力或大氣壓力以下60千帕，換句話說，比環(huán)境壓力或大氣壓力低大約60％，或是環(huán)境壓力或大氣壓力的大約40％。圖3中所示的特定曲線當(dāng)然是示例性的，借助于更加復(fù)雜和獨立的排氣、進氣和再吸入曲線的變化，可以形成其它類似的曲線和分布，這些變化除了正時之外還包括閥升程的變化。舉例來說，相對于圖3中所示的特定曲線，在進氣過程中進氣閥打開的進一步延遲將實現(xiàn)更深的低壓，而在進氣過程中進氣閥打開的進一步提前將實現(xiàn)較淺的低壓。例如，較淺且持續(xù)時間有限的低壓基本上剛好在經(jīng)過排氣沖程TDC后435度或75度之后是低于大氣壓的，并且基本上可達到低于環(huán)境壓力42千帕或為低于大氣壓的壓力，換句話說，比環(huán)境壓力或大氣壓力低大約42％，或是環(huán)境壓力或大氣壓力的大約58％。又比如，較深且持續(xù)時間較長的低壓基本上剛好在經(jīng)過了排氣沖程TDC 480度或120度之前是低于大氣壓的，并且基本上可達到環(huán)境壓力或大氣壓力以下75千帕，換句話說，比環(huán)境壓力或大氣壓力低75％大約，或是環(huán)境壓力或大氣壓力的大約25％。
以所述方式工作的發(fā)動機的燃料供給方法可以選自各種方法中的任一種。對于直接噴射而言，可以選擇液態(tài)和氣態(tài)噴射。而且，還應(yīng)當(dāng)認識到，可以采用空氣輔助和其它類型的輸送方法。此外，可采用的點火系統(tǒng)類型是可以變化的，而且包括這樣一些非限制性的實例，如火花點火、壓縮點火和受控自動點火。
本發(fā)明的閥相位控制方面對示例性受控自動點火式發(fā)動機工作的影響如圖4所示。在未采用本發(fā)明的閥相位控制時，示例性的(也是最典型的)四沖程直接噴射式自動點火式汽油發(fā)動機的低負荷極限為大約240千帕凈平均有效壓力(NMEP)，其具有作為指示標(biāo)志的一般可接受的為5％的平均有效壓力的變化系數(shù)(IMEP之COV)。利用本發(fā)明，對于節(jié)氣閥體噴射或多點燃料噴射，可以將燃料供給降低至大致165千帕凈平均有效壓力。圖4顯示了這些優(yōu)點。在圖4中，點83表示根據(jù)作為指示標(biāo)志的為5％的平均有效壓力變化系數(shù)的，大約240千帕的凈平均有效壓力(NMEP)。該圖中左邊的點(即較低NMEP)對應(yīng)于利用本發(fā)明的閥相位控制實現(xiàn)的較低負荷。線81清楚地顯示了在可接受的為5％或更低的平均有效壓力的變化系數(shù)(IMEP之COV)之前達到了顯著變低的NMEP，從而有效地使低負荷極限點移動到大約165千帕凈平均有效壓力。
根據(jù)本發(fā)明的燃料供給控制方面，導(dǎo)致發(fā)生了全部燃料填充量的分段噴射。也就是說，循環(huán)所需的全部燃料供給量被分成兩個噴射過程。其中一個噴射過程在進氣循環(huán)的初期進行，而另一個噴射過程在壓縮循環(huán)的末期進行。一般來說，進氣循環(huán)燃料供給過程噴射了大約百分之10至百分之50的循環(huán)所需全部燃料量。一般來說，通過這第一部分燃料形成的氣缸充填對于燃燒室內(nèi)的自動點火是不夠的。循環(huán)所需燃料量的其余部分是在壓縮循環(huán)燃料供給過程中噴射的。此第二部分燃料在活塞的壓縮沖程中使氣缸充填增加至足以引起自動點火?？偟娜剂闲枨罅?即第一部分燃料和第二部分燃料之和)遠遠少于類似的傳統(tǒng)工作內(nèi)燃機的燃料需求量，這是利用判定燃燒穩(wěn)定性時所采用的共同度量標(biāo)準來判定的，并且將在后文中參見圖4所述。根據(jù)用于類似基本發(fā)動機的相當(dāng)?shù)娜剂辖^對質(zhì)量，或者根據(jù)相對度量標(biāo)準如NMEP，都會得到這樣的結(jié)果。
圖2示出了與噴射正時有關(guān)的示例性的分段燃料噴射。由標(biāo)有55和57的實條所限界的范圍分別對應(yīng)于進氣循環(huán)和壓縮循環(huán)內(nèi)進行用于進氣循環(huán)燃料供給過程和壓縮燃料供給過程傳輸?shù)膬?yōu)選角度范圍。第一部分燃料優(yōu)選在排氣沖程上止點后大約0至大約90度噴射，而第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20至大約60度噴射?？梢允褂糜糜趪娚涞钠渌秶?，但卻可能無法得到象優(yōu)選范圍那樣大的好處。
再次參見圖4，線85也清楚地顯示，當(dāng)本發(fā)明的分段噴射方法與在燃燒室內(nèi)建立低壓狀態(tài)相結(jié)合時，保持5％或更低的平均有效壓力變化系數(shù)(IMEP之COV)所要求的低得多的NMEP，從而使低負荷極限有效地移動至大約25千帕凈平均有效壓力。
在這里，已經(jīng)參考某些優(yōu)選實施例和變型對本發(fā)明作了介紹。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以實施其它可供選擇的實施例、變型和實施方案，本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，所述發(fā)動機包含由活塞在氣缸內(nèi)在上止點和下止點之間往復(fù)運動所限定的體積可變的燃燒室、以及在所述活塞的重復(fù)的順序的排氣、進氣、壓縮和膨脹沖程中受到控制的進氣閥和排氣閥，所述方法包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所述排氣閥打開，用于將燃燒后的氣體從所述燃燒室內(nèi)排出；提供再吸入過程，在該再吸入過程中，所述進氣閥在所述膨脹沖程和排氣沖程中的至少一個沖程的至少一部分期間打開，用于將一部分燃燒后的氣體從所述燃燒室內(nèi)排到進氣通道；在所述排氣過程之后，在用于在所述燃燒室內(nèi)建立低于大氣壓的壓力狀態(tài)所執(zhí)行的所述活塞的進氣沖程的至少一部分期間，提供所述排氣閥和進氣閥的同時關(guān)閉時期；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥打開而用于將新鮮空氣和燃燒后的氣體從所述進氣通道吸入到所述燃燒室中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述燃燒室內(nèi)的所述低于大氣壓的壓力狀態(tài)達到低于大氣壓至少大約42千帕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述燃燒室內(nèi)的所述低于大氣壓的壓力狀態(tài)在經(jīng)過排氣沖程上止點不早于大約75度時終止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述燃燒室內(nèi)的所述低于大氣壓的壓力狀態(tài)低于大氣壓至少大約42千帕，并且在經(jīng)過排氣沖程上止點不早于約75度時終止。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程在起動所述排氣過程之后起動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程與所述排氣過程的終止大致同時地終止。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程其特征在于所述進氣閥的升程不大于最大閥升程的大約50％。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程在經(jīng)過膨脹沖程下止點之前大約20度至經(jīng)過膨脹沖程下止點之后大約40度的期間起動。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣過程在膨脹沖程下止點之前大約40度至大約50度期間起動。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程在起動所述排氣過程之后大約20度至大約90度期間起動。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述進氣過程與所述排氣過程的終止大致同時地終止。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述進氣過程與所述排氣過程的終止大致同時地終止。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述進氣過程與所述排氣過程的終止大致同時地終止。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣過程在膨脹沖程下止點之前大約40度至大約50度期間起動，并且所述再吸入過程在所述膨脹沖程下止點之前大約20度至所述膨脹沖程下止點之后大約40度起動。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣過程在膨脹沖程下止點之前大約40度至大約50度期間起動，并且所述再吸入過程在所述排氣過程起動之后大約20度至大約90度期間起動。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程與所述排氣過程的終止大致同時地終止。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程與所述排氣過程的終止大致同時地終止。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，還包括在所述進氣沖程期間，將全部燃燒循環(huán)燃料需求量的第一部分燃料提供給所述燃燒室；和在所述壓縮沖程期間，將第二部分燃料提供給所述燃燒室，所述第二部分燃料大約為全部燃燒循環(huán)燃料需求量與所述第一部分燃料之差。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料包括全部燃燒循環(huán)燃料需求量的大約10％至大約50％。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料在排氣沖程上止點之后大約0度至大約90度期間進行噴射。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料包括全部燃燒循環(huán)燃料需求量的大約10％至大約50％，并且，所述第一部分燃料在排氣沖程上止點之后大約0度至大約90度期間進行噴射。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
26.一種操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，所述發(fā)動機包含由活塞在氣缸內(nèi)在上止點和下止點之間往復(fù)運動所限定的體積可變的燃燒室、以及在所述活塞的重復(fù)的順序的排氣、進氣、壓縮和膨脹沖程中受到控制的進氣閥和排氣閥，所述方法包括在所述活塞的進氣沖程期間，在所述燃燒室內(nèi)建立低壓過程；和通過控制再吸入過程進氣閥的開啟和關(guān)閉，在所述活塞的排氣沖程期間，在燃燒室內(nèi)建立再吸入過程。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，通過控制排氣過程排氣閥關(guān)閉和進氣過程進氣閥開啟的相位，來建立所述低壓過程。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，相對于排氣沖程上止點的所述排氣閥關(guān)閉絕對相位不大于在排氣沖程上止點之后的進氣過程進氣閥開啟相位。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣閥關(guān)閉發(fā)生在排氣沖程上止點之前。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣閥關(guān)閉發(fā)生在排氣沖程上止點之后。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述進氣過程的進氣閥開啟發(fā)生在所述排氣閥關(guān)閉之后大約0度至大約90度期間。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣閥關(guān)閉發(fā)生在大約排氣沖程上止點時至排氣沖程上止點之后大約20度的期間。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程的進氣閥開啟發(fā)生在所述排氣閥開啟之后大約20度至大約90度期間。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述進氣過程的進氣閥開啟發(fā)生在所述排氣沖程上止點之后大約30度至大約90度期間。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣閥關(guān)閉發(fā)生在大約排氣沖程上止點時至排氣沖程上止點之后大約20度的期間，并且所述進氣過程的進氣閥開啟發(fā)生在所述排氣沖程上止點之后大約30度至大約90度期間。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述再吸入過程的進氣閥開啟發(fā)生在膨脹沖程下止點之前大約20度至膨脹沖程下止點之后大約20度的期間。
37.根據(jù)權(quán)利要求27所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣過程在膨脹沖程下止點之前大約40度至大約50度期間起動，并且在大約排氣沖程上止點時至排氣沖程上止點之后大約20度的期間終止，而且，所述再吸入過程在所述膨脹沖程下止點之前大約20度至所述膨脹沖程下止點之后大約40度的期間起動。
38.根據(jù)權(quán)利要求27所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣過程在膨脹沖程下止點之前大約40度至大約50度期間起動并且在大約排氣沖程上止點時至排氣沖程上止點之后大約20度的期間終止，而且，所述再吸入過程在所述排氣閥開啟之后大約20度至大約90度期間起動。
39.根據(jù)權(quán)利要求26所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述進氣沖程期間，將全部燃燒循環(huán)燃料需求量的第一部分燃料提供給所述燃燒室；和在所述壓縮沖程期間，將第二部分燃料提供給所述燃燒室，所述第二部分燃料大約為全部燃燒循環(huán)燃料需求量與所述第一部分燃料之差。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料包括全部燃燒循環(huán)燃料需求量的大約10％至大約50％。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料在排氣沖程上止點之后大約0度至大約90度期間進行噴射。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料包括全部燃燒循環(huán)燃料需求量的大約10％至大約50％，并且，所述第一部分燃料在排氣沖程上止點之后大約0度至大約90度期間進行噴射。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
47.一種操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，所述發(fā)動機包含由活塞在氣缸內(nèi)在上止點和下止點之間往復(fù)運動所限定的體積可變的燃燒室、以及在所述活塞的重復(fù)的順序的排氣、進氣、壓縮和膨脹沖程中受到控制的至少一個進氣閥和至少一個排氣閥，所述方法包括在所述活塞的膨脹沖程期間，提供關(guān)閉的排氣閥和關(guān)閉的進氣閥；在所述活塞的排氣沖程期間，提供開啟的排氣閥和開啟的進氣閥，以便將燃燒后的氣體分別排到排氣通道和進氣通道中；在所述活塞的進氣沖程期間，提供關(guān)閉的排氣閥和關(guān)閉的進氣閥，以便在所述燃燒室內(nèi)建立低壓狀態(tài)；在所述活塞的所述進氣沖程期間，提供開啟的進氣閥，以便將燃燒后的氣體和新鮮空氣吸入到所述燃燒室中；和在所述活塞的壓縮沖程期間，提供關(guān)閉的排氣閥和關(guān)閉的進氣閥。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣閥的關(guān)閉發(fā)生在相對于排氣沖程上止點的絕對相位角度處，該絕對相位角度大致不大于排氣沖程上止點之后的相位角度，在所述活塞的進氣沖程期間，在所述排氣沖程上止點之后的相位角度處發(fā)生所述進氣閥的開啟。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述排氣閥的關(guān)閉發(fā)生在大約排氣沖程上止點處至排氣沖程上止點之后大約20度的期間。
50.根據(jù)權(quán)利要求47所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，在所述活塞的進氣沖程期間，所述進氣閥的開啟發(fā)生在排氣沖程上止點之后大約30度至排氣沖程上止點之后大約90度的期間。
51.根據(jù)權(quán)利要求47所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，在所述活塞的所述排氣沖程期間，所述進氣閥的開啟發(fā)生在所述排氣閥開啟之后大約20度至大約90度的期間。
52.根據(jù)權(quán)利要求47所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，還包括在所述進氣沖程期間，將全部燃燒循環(huán)燃料需求量的第一部分燃料提供給所述燃燒室；和在所述壓縮沖程期間，將第二部分燃料提供給所述燃燒室，所述第二部分燃料大約為全部燃燒循環(huán)燃料需求量與所述第一部分燃料之差。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的操作四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料包括全部燃燒循環(huán)燃料需求量的大約10％至大約50％。
54.根據(jù)權(quán)利要求52所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料在排氣沖程上止點之后大約0度至大約90度期間進行噴射。
55.根據(jù)權(quán)利要求52所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一部分燃料包括全部燃燒循環(huán)燃料需求量的大約10％至大約50％，并且，所述第一部分燃料在排氣沖程上止點之后大約0度至大約90度期間進行噴射。
56.根據(jù)權(quán)利要求52所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
57.根據(jù)權(quán)利要求53所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
58.根據(jù)權(quán)利要求54所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
59.根據(jù)權(quán)利要求55所述的操作直接噴射式四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第二部分燃料在壓縮沖程上止點之前大約20度至大約60度期間進行噴射。
全文摘要
在不犧牲燃燒穩(wěn)定性的情況下，通過閥控制而用于在其中可引入燃料和排氣的燃燒室內(nèi)建立低于大氣壓的壓力狀態(tài)，這樣來降低受控自動點火四沖程內(nèi)燃發(fā)動機的低負荷工作點。實施分段噴射燃料控制，用于在進氣沖程期間，與閥控制相組合，而將第一部分燃料引入燃燒室中，在壓縮過程中將第二部分燃料引入燃燒室中，從而提供了低負荷工作點的進一步降低，同時不會有損于燃燒穩(wěn)定性。
文檔編號F01L1/34GK101023249SQ200580031684
公開日2007年8月22日 申請日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月26日
發(fā)明者郭棠煒, B·L·布朗 申請人:通用汽車公司