專利名稱：直噴汽油機中控制hcci與si燃燒之間的轉(zhuǎn)換的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及內(nèi)燃機控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
這一部分的內(nèi)容僅僅是提供與本公開相關(guān)的背景技術(shù)， 并不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。 為受控自燃燃燒操作而研發(fā)的 一種發(fā)動機系統(tǒng)包括設(shè)計 為操作在Otto循環(huán)之下的內(nèi)燃機。配備有缸內(nèi)直噴燃料噴射的發(fā)動機 在特定的發(fā)動機操作條件下操作于受控自燃模式，以獲得提高的發(fā)動 機燃料效率?；鸹c燃系統(tǒng)用于在特定的操作條件期間補充自燃燃燒 過程。這種發(fā)動機稱為均質(zhì)充氣壓燃(下文簡化為"HCCI")發(fā)動機。 操作于HCCI燃燒模式的HCCI發(fā)動機在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生燃 燒氣體、空氣和燃料的充氣混合物，壓縮沖程期間自燃從充氣混合物 中的許多點燃位置同時開始，導致穩(wěn)定的功率輸出、高熱效率和低排 放。其燃燒在整個充氣混合物中高度分散并均勻分布，導致低的燃燒 氣體溫度，并且NOx排放通?；镜陀趥鹘y(tǒng)火花點燃發(fā)動機或傳統(tǒng)柴 油機的NOx排放。
0005典型的HCCI發(fā)動機與傳統(tǒng)火花點燃發(fā)動機的區(qū)別在于 在特定的發(fā)動機操作條件下，充氣混合物的點燃通過充氣混合物的壓 縮引起。典型的HCCI發(fā)動機依據(jù)預定操作條件在HCCI燃燒模式與火 花點燃模式之間轉(zhuǎn)換。 但是，依據(jù)用于HCCI和SI凸輪的升程和持續(xù)時間以及 凸輪相位器管理和回轉(zhuǎn)速度，HCCI和SI/NTLC燃燒模式之間的平順轉(zhuǎn) 換無法超過特定的發(fā)動機速度。特別地，HCCI操作可達的最高負荷與 SI/NTLC操作可達的最低負荷之間存在超過特定發(fā)動機速度的間隙。 例如，圖2示出了分別使用4mm峰值升程及120度持續(xù)時間的進排氣 HCCI氣門提升輪廓和典型的10 mm峰值升程及240-260度持續(xù)的時間 進排氣SI氣門提升輪廓時大致為2000 rpm的發(fā)動機速度極限。HCCI 操作可達的最高負荷由鳴震(鳴震極限=3 MW/m2)來限制，而SI/NTLC 操作可達的最低負荷由燃燒穩(wěn)定性(IMEP的COV = 3% )來限制。HCCI 鳴震極限因無法通過前述低升程凸輪吸入充足的充氣稀釋而產(chǎn)生。SI 燃燒穩(wěn)定性極限由通過前述高升程凸輪的過量的充氣稀釋而產(chǎn)生。申 請人成功地證明，可利用通過中斷燃燒而停用所選氣缸并允許工作氣 缸的穩(wěn)定操作以延伸SI燃燒模式中的發(fā)動機低負荷操作極限?？蛇x地， 相信可成功利用更加復雜的凸輪輪廓轉(zhuǎn)換機構(gòu)(例如，三級凸輪輪廓) 或連續(xù)可變氣門系來延伸高負荷HCCI和低負荷SI操作極限，并縮小 HCCI與SI操作之間的間隙(例如，通過中間升程和持續(xù)時間)。但 是，期望可替代使用的不太復雜的2級凸輪輪廓轉(zhuǎn)換機構(gòu)，且無需另 外的氣缸停用硬件。

發(fā)明內(nèi)容
圖3為用于根據(jù)本公開實施在HCCI與SI模式之間的平 順轉(zhuǎn)換的第一示例操作；
控制系統(tǒng)25優(yōu)選包括可操作以有選擇地停用所有氣缸中 的 一部分的氣缸停用系統(tǒng)。該實施例中的氣缸停用模式包括在停用期 間中斷燃料流向停用的氣缸。氣缸停用模式包括在中斷燃料流向特定 氣缸時禁止打開進氣和/排氣門。在啟用氣缸停用模式期間，控制系統(tǒng) 通過增大工作氣缸的扭矩輸出來滿足發(fā)動機扭矩指令。0028] 控制系統(tǒng)25優(yōu)選包括通用數(shù)字計算機，其通常包括微處 理器或中央處理單元、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、 電可編程只讀存儲器(EPROM )、高速時鐘、模數(shù)(A/D )和數(shù)模(D/A ) 電路、輸入/輸出電路和裝置(I/O)及適當?shù)男盘栒{(diào)節(jié)和緩沖電路。每 個控制器都具有一套控制算法，包括存儲在ROM中被執(zhí)行以提供各計 算機的相應(yīng)功能的常駐程序指令和標定。
現(xiàn)在參考圖2，示出了具有可變氣門致動系統(tǒng)的典型雙頂氣門致動系統(tǒng)具有雙凸輪相位器和2級提升系統(tǒng)。示例的發(fā)動機在一 定的發(fā)動機速度(單位為轉(zhuǎn)數(shù)每分("rpm"))和負荷(單位為千帕的 凈平均有效壓力("NMEP (kPa)")范圍內(nèi)操作于HCCI模式。線A 表示發(fā)動機操作于稀薄HCCI模式的下限，在該下限之下一個或多個氣 缸不給供給燃料，為低速/低負荷操作情形。在這種示例的構(gòu)造中，進 行有關(guān)發(fā)動機的負荷和/或各氣缸的負荷及發(fā)動機速度的確定，并且算 法切斷燃料供給和執(zhí)行特定的氣門策略，以最優(yōu)地停用所選的氣缸。 通過只使用一部分氣缸，增大了剩余操作的氣缸的操作負荷，使得HCCI能夠操作在更低的總體發(fā)動機負荷上。在這種結(jié)構(gòu)下，發(fā)動機負荷繼續(xù)被監(jiān)測，根據(jù)發(fā)動機負荷和速度在恰當時重新啟用氣缸。線B 表示將發(fā)動機操作于所有氣缸都供燃料的稀薄HCCI模式的上限。線C 表示將發(fā)動機操作于所有氣缸都供燃料的化學計量比HCCI模式的上 限。線D表示將發(fā)動機操作于所有氣缸都供燃料的非節(jié)流化學計量比 火花點燃模式("SI")的下限。線D通?；谕ㄟ^平均有效壓力 ("COV-IMEP")的變量系數(shù)測量的發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性來確定。將發(fā)動 機操作于SI-NTLC模式可具有上限，超過該上限，發(fā)動機優(yōu)選操作于 節(jié)流化學計量比SI模式(未示出)。字母F所標注的陰影區(qū)域包括發(fā) 動機無法可接受地操作于HCCI模式的區(qū)域和無法在所有氣缸都可接 受地操作于SI ("火花點燃")模式的區(qū)域。SI模式包括通過控制凸輪 相位器來調(diào)節(jié)氣門打開/關(guān)閉正時的操作，使得無需在進氣系統(tǒng)中節(jié)流 就控制吸入空氣量。這點結(jié)合缸內(nèi)直接燃料噴射給出了類似于使用在 柴油機中的負荷控制機構(gòu)。0031] 依據(jù)用于示例HCCI發(fā)動機的進排氣凸輪軸的特定氣門 升程和持續(xù)時間，當發(fā)動機操作于3000 rpm的發(fā)動機速度附近或通過 該速度時，尤其是在圖2中字母F所標注的區(qū)域內(nèi)，HCCI模塊與SI 模式之間需要平順的轉(zhuǎn)換201。特別地，如果使用2級氣門提升系統(tǒng)， 那么HCCI模式可達的最高負荷和SI操作可達的最低負荷之間存在超 過約2000 rpm的發(fā)動機速度的間隙(例如，見圖2) 。 HCCI模式中可 獲得的最高負荷由鳴震(燃燒產(chǎn)生的噪聲)來限制。SI操作可獲得的 最低負荷由燃燒穩(wěn)定性(COV-IMEP = 3%)來限制。HCCI鳴震極限是 由于無法通過規(guī)定的低升程吸入充足的充氣稀釋而產(chǎn)生。SI極限是由 于因規(guī)定的高升程凸輪吸入過量的充氣稀釋而產(chǎn)生。0032] 因此，為了使用2級CPS機構(gòu)度過規(guī)定的低升程凸輪的 HCCI操作與規(guī)定的高升程凸輪的SI操作之間的間隙，現(xiàn)在進一步參 考圖3-5,根據(jù)操作于3000 rpm的示例發(fā)動機速度的一個實施例，在 稀薄或化學計量比HCCI操作(低EV (fe低IV升程)311、 313至非節(jié) 流化學計量比SI操作M&EV&低IV升程)315和再至非節(jié)流化學計 量比SI搡作(高EV&高IV升程)317之間控制轉(zhuǎn)變。圖4和5分別 示出了進排氣門在不同發(fā)動機負荷狀況的峰值升程位置。綜合起來， 它們示出了每個氣缸中具有多個進氣口的發(fā)動機中的一個實施例，至少 一 個進氣口具有相關(guān)聯(lián)的進氣口節(jié)流閥，該節(jié)流閥在非節(jié)流化學計量比SI操作(低EV&低IV升程)315期間-故致動。
當從化學計量比HCCI操作(低EV &低IV升程)313轉(zhuǎn) 換到非節(jié)流化學計量比SI操作(低EV&低IV升程)315時，排氣門 的峰值升程位置被改變超過40 CAD以降低內(nèi)部殘留水平至足以促進 火焰?zhèn)鞑?。對于從非?jié)流化學計量比SI操作(低EV &低IV升程)315到非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV &高IV升程)317的轉(zhuǎn)換，除了 增大峰值氣門升程之外，峰值排氣門升程位置還改變約70CAD。
0035] 如果由兩個進氣門替代一個是有效的(即，沒有進氣口 節(jié)流)或者使用不同的峰值氣門升程或打開持續(xù)時間，那么進排氣門 的峰值升程位置的所示曲線會遷移，但是表現(xiàn)的趨勢將保持相同。 根據(jù)另一實施例，為了使用2級CPS機構(gòu)度過具有規(guī)定 的低升程凸輪的HCCI操作與具有規(guī)定的高升程凸輪的SI操作之間的 間隙，現(xiàn)在進一步參考圖6-8,本示例實施例操作于3000 rpm的示例 發(fā)動機速度，控制在稀薄或化學計量比HCCI操作(低EV &低IV升 程)6]1、 613至非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV&低IV升程)615 并再至非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV&高IV升程)617之間的變 換。圖7和8分別示出了進排氣門在不同發(fā)動機負荷狀況的峰值升程 位置。綜合起來，它們示出了在非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV6低 IV升程)615期間沒有進氣口節(jié)流的發(fā)動機。 當從化學計量比HCCI操作(低EV&低IV升程)613變 換為非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV (fe低IV升程)615時，打開的 進氣門的峰值升程位置需要改變超過約100 CAD,以充分地減少通過 進氣門的氣流，從而使得能夠進行非節(jié)流化學計量比操作。如果在瞬 時發(fā)動機操作中使用該策略，那么快速的凸輪相位/氣門正時機構(gòu)是必 要的。對于從非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV (fe低IV升程)615到 非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV&高IV升程)617的轉(zhuǎn)換，除了增 大峰值氣門升程之外，峰值進氣門升程位置需要改變超過IOOCAD。
0038] 含有進氣口節(jié)流閥將允許不管氣門的致動而有效限制通 過相應(yīng)進氣門的氣流，并允許進氣凸輪更小的相位變化以實現(xiàn)等效效 果。因此，當結(jié)合進氣口節(jié)流時能夠使用減小的管理范圍的凸輪相位 硬件，并可有利地使用更小的動態(tài)范圍和凸輪相位硬件的回轉(zhuǎn)速率以 實現(xiàn)等效進氣控制。換句話說并如圖7中所示，盡管沒有進氣口節(jié)流 的雙進氣補充需要大致100度的凸輪相位變化以實現(xiàn)從化學計量比 HCCI操作(低EV (&低IV升程)613到非節(jié)流化學計量比SI操作(低 EV&低IV升程)615的轉(zhuǎn)換，然而具有進氣口節(jié)流閥的這種雙進氣門 布置將需要較小的相位改變來實現(xiàn)到非節(jié)流化學計量比SI操作(低EV &低IV升程)615的可接受轉(zhuǎn)換及在其中的操作。并且，倘若至少在各自的轉(zhuǎn)換(621, 623 )上，非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV &高 IV升程)617在EV與IV峰值升程之間展現(xiàn)了比化學計量比HCCI操 作(低EV&低IV升程)613更大的曲軸角間隔，那么有利于使從非節(jié) 流化學計量比SI操作(低EV &低IV升程)615到非節(jié)流化學計量比 SI操作(高EV &高IV升程)617的轉(zhuǎn)換具有更小的凸輪相位變化則 更加至關(guān)重要，而具有更小凸輪相位變化的轉(zhuǎn)換能夠通過每個氣缸的 多個進氣口中的至少一個具有相關(guān)聯(lián)的進氣口節(jié)流閥來實現(xiàn)，該進氣 口節(jié)流閥在非節(jié)流化學計量比SI操作(低EV (&低IV升程)615期間 被致動。 當從化學計量比HCCI操作(低EV &低IV升程)613轉(zhuǎn) 換到非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV cfe低IV升程)615時，排氣門 的峰值升程位置被改變約40 CAD以降低內(nèi)部殘留水平至足以促進火 焰?zhèn)鞑?。另外，該相位變化通過將排氣門升程從低變?yōu)楦叨@得。對 于從非節(jié)流化學計量比SI操作(高EV (fe低IV升程)615到非節(jié)流化 學計量比SI操作(高EV &高IV升程)617的轉(zhuǎn)換，峰值排氣門升程 位置改變約50CAD。 如果高低升程凸輪都使用不同的峰值氣門升程和/或打開 持續(xù)時間，那么圖4、 5、 7和8中所示的進排氣門的峰值升程位置會 變化，但是其趨勢和使用的轉(zhuǎn)換策略保持相同。
[0042本公開描述了特定的優(yōu)選實施例及對其的修改。通過閱 讀和理解說明書可出現(xiàn)其它修改和變形。因此，本公開不限于作為實
施該公開的最佳模式所公開的特定實施例，而是本公開包括落入所附 權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施方式。
權(quán)利要求
1.用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，所述方法包括提供在低升程進排氣門均質(zhì)充氣壓燃模式和高升程進排氣門非節(jié)流火花點燃模式中間的低升程進氣門、非節(jié)流化學計量比火花點燃操作。
2. 如權(quán)利要求l所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述中間的低升程進氣門、非節(jié)流化學計量比火花點燃操作還包括低升程排氣門、非節(jié)流化學計量比火花點燃操作。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述發(fā)動機每個氣缸包括一個進氣口 。
4. 如權(quán)利要求2所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述發(fā)動機每個氣缸包括多個進氣口 。
5. 如權(quán)利要求4所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所迷內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中至少一個進氣口包括進氣口節(jié)流閥。
6. 如權(quán)利要求l所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所迷內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述中間的低升程進氣門非節(jié)流化學計量比火花點燃操作還包括高升程排氣門非節(jié)流化學計量比火花點燃操作。
7. 如權(quán)利要求6所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所迷內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述發(fā)動機每個氣缸包括一個進氣口 。
8. 如權(quán)利要求l所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所迷內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述發(fā)動機每個氣缸包括多個進口氣。
9. 如權(quán)利要求8所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所迷內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中至少一個進氣口包括進氣口節(jié)流閥。
10. 如權(quán)利要求l所迷的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所迷內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述發(fā)動機包括快速凸輪相位/氣門正時機構(gòu)，以便于在瞬時發(fā)動機操作中的所述中間操作。
11. 用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中在所述均質(zhì)充氣壓燃模式可達的最高負荷與所述火花點燃模式可達的最低負荷之間存在超過閾值發(fā)動機速度的間隙，所述方法包括當所述發(fā)動機操作在所述閾值發(fā)動機速度之上時，提供在低升程進排氣門均質(zhì)充氣壓燃模式和高升程進排氣門非節(jié)流火花點燃模式中間的低升程進氣門、低升程排氣門、非節(jié)流化學計量比火花點燃操作。
12. 如權(quán)利要求ll所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所述發(fā)動機每個氣缸包括多個進氣口 。
13. 如權(quán)利要求12所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中至少一個進氣口包括進氣口節(jié)流閥。
14. 用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中在所述均質(zhì)充氣壓燃模式可達的最高負荷與所述火花點燃模式可達的最低負荷之間存在超過閾值發(fā)動機速度的間隙，所述方法包括當所述發(fā)動機操作在所述閾值發(fā)動機速度之上時，提供在低升程進排氣門均質(zhì)充氣壓燃模式和高升程進排氣門非節(jié)流火花點燃模式中間的低升程進氣門、高升程排氣門、非節(jié)流化學計量比火花點燃操作。
15. 如權(quán)利要求14所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中所迷發(fā)動機每個氣缸包括多個進氣口 。
16. 如權(quán)利要求15所述的用于在均質(zhì)充氣壓燃模式與火花點燃模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃、直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，其中至少一個進氣口包括進氣口節(jié)流閥。
全文摘要
一種用于在均質(zhì)充氣壓燃(HCCI)模式與火花點燃(SI)模式之間轉(zhuǎn)換火花點燃直噴式內(nèi)燃機的操作的方法，所述內(nèi)燃機具有兩級可變相位氣門系，所述方法包括提供在低升程進排氣門均質(zhì)充氣壓燃模式和高升程進排氣門非節(jié)流火花點燃模式中間的低升程進氣門非節(jié)流化學計量比火花點燃操作。
文檔編號F02D43/00GK101675231SQ200880014482
公開日2010年3月17日 申請日期2008年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月1日
發(fā)明者N·維爾穆思, P·M·納特, T·-W·郭 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司