專利名稱：用于操作直噴火花輔助的壓燃式發(fā)動機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及直噴壓燃式內(nèi)燃機(jī)。
背景技術(shù)：
在該部分中的聲明僅提供與本發(fā)明相關(guān)的背景信息，并且不一定構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。內(nèi)燃機(jī)可包括火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)和壓燃式發(fā)動機(jī)。已知的火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)通過 將空氣和燃料的混合物引入發(fā)動機(jī)的燃燒室來操作?；钊麎嚎s該混合物，并在預(yù)定的曲軸 角處，火花塞點(diǎn)燃燃料和空氣的混合物，以產(chǎn)生傳播通過燃燒室的火焰前鋒。來自燃燒燃料 的熱的快速增長觸發(fā)向下推動活塞的壓力的增長?；鸹ㄈ氖褂迷试S精確定時(shí)的燃燒事 件。保持發(fā)動機(jī)的壓縮比相對低，以避免火花爆震。當(dāng)燃料和空氣的混合物在火花點(diǎn)火之 前自燃時(shí)發(fā)生火花爆震，并且火花爆震可造成發(fā)動機(jī)損壞。因此，火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)成具 有在8 :1與11 1之間的幾何壓縮比。壓燃式發(fā)動機(jī)以在15 1與22 1的范圍內(nèi)的相對高的幾何壓縮比操作、在特定的 實(shí)施例中以更高的幾何壓縮比操作。更高的壓縮比提高壓燃式發(fā)動機(jī)的熱效率。壓燃式發(fā) 動機(jī)通過將不節(jié)流的空氣引入燃燒室來操作，從而通過降低泵送損失來提高效率。在壓燃 式發(fā)動機(jī)中，當(dāng)燃燒室內(nèi)的俘獲空氣處于或高于燃料的自燃溫度時(shí)，點(diǎn)火定時(shí)由壓縮沖程 即將結(jié)束時(shí)噴入燃燒室中的燃料噴射而控制。燃燒過程的放熱造成缸內(nèi)壓力提高，以與火 花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)相同的方式向下推動活塞。壓燃式發(fā)動機(jī)產(chǎn)生包括顆粒物質(zhì)和氮氧化物(NOx)的排放。顆粒物質(zhì)由燃燒室內(nèi) 局部濃的空氣/燃料混合物的燃燒形成。這些濃區(qū)域的出現(xiàn)是由于在點(diǎn)火時(shí)燃料與空氣不 完全的預(yù)混合所引起的燃料/空氣充量的不均勻性。已知的用于減少顆粒物質(zhì)的后處理裝 置包括顆粒過濾器。顆粒過濾器俘獲顆粒物質(zhì)，并在高溫再生事件期間周期地被凈化。氮氧化物的形成與燃燒化學(xué)密切相關(guān)。在空氣/燃料混合物在相對高的溫度的燃 燒之后，壓燃式發(fā)動機(jī)在排氣流中產(chǎn)生相對高的NOx排放。已知的用于NOx還原的后處理 系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)、諸如用于以稀空氣/燃料比操作的發(fā)動機(jī)的選擇性催化還原(SCR) 裝置。SCR裝置包括促進(jìn)NOx與諸如氨或尿素的還原劑反應(yīng)的催化劑，以產(chǎn)生氮和水。還原 劑可注入SCR裝置上游的廢氣供入流，需要噴射系統(tǒng)、還原劑源和控制模式。另外，發(fā)動機(jī) 運(yùn)行可使用三效催化劑(TWC)，以產(chǎn)生用作還原劑的氨。較低的壓縮比可降低燃燒溫度，從 而降低NOx排放，但較低的壓縮比可能降低燃燒效率，并在相對冷的溫度時(shí)增大發(fā)動機(jī)起 動難度。壓燃式發(fā)動機(jī)的一個(gè)實(shí)施例可包括以預(yù)混合充量壓燃(PCCI)燃燒模式操作發(fā)動 機(jī)。PCCI燃燒模式將壓燃燃燒系統(tǒng)與高流速的冷卻的廢氣再循環(huán)(EGR)和早的噴射開始 (SOI)正時(shí)結(jié)合。將高EGR率和早的SOI結(jié)合導(dǎo)致燃燒開始(SOC)之前長的點(diǎn)火延遲周期。 點(diǎn)火延遲周期在PCCI燃燒期間超過燃料噴射持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致SOC時(shí)的預(yù)混合燃燒事件。與 高EGR率一起，燃料與空氣充分的預(yù)混合減少有助于顆粒物質(zhì)的形成的局部濃的區(qū)域的形 成。高EGR率用作充量稀釋劑，該充量稀釋劑將燃燒溫度抑制到低于形成相當(dāng)大的NOx量的溫度。PCCI燃燒模式在相對低的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)有效，在相對低的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù) 荷下，燃料的噴射量相對低并且可用于預(yù)混合的時(shí)間相對長。當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大時(shí)，在快速 預(yù)混合燃燒過程中釋放的熱量變大至足以產(chǎn)生過度的燃燒噪音。即使在點(diǎn)火延遲周期期間 存在充分的燃料與空氣的預(yù)混合，上述情形也出現(xiàn)。過度的燃燒噪音令消費(fèi)者不快。因此， 已將PCCI燃燒局限于相對低的發(fā)動機(jī)負(fù)荷。

發(fā)明內(nèi)容
壓燃式內(nèi)燃機(jī)包括以四沖程燃燒循環(huán)操作的多個(gè)燃燒室，并構(gòu)造成以大于10 1 的幾何壓縮比操作。用于操作發(fā)動機(jī)的方法包括通過在壓縮沖程期間將燃料噴射入各燃燒 室來形成燃料/空氣充量，其中在燃燒室內(nèi)的所有燃燒之前完成噴射。該方法還包括操作 發(fā)動機(jī)，以將燃燒室中的燃料/空氣充量的溫度管理至低于燃料/空氣充量的自燃點(diǎn)；和在 噴射燃料之后并在燃料/空氣充量達(dá)到自燃溫度之前在燃燒室中提供火花放電。本發(fā)明提供以下技術(shù)方案
方案1. 一種用于操作壓燃式內(nèi)燃機(jī)的方法，所述壓燃式內(nèi)燃機(jī)包括以四沖程燃燒循 環(huán)操作的多個(gè)燃燒室，并構(gòu)造成以大于10 1的幾何壓縮比操作，所述方法包括
通過在壓縮沖程期間將燃料噴射入各燃燒室來形成燃料/空氣充量，在所述燃燒室內(nèi) 的所有燃燒之前完成所述噴射；
操作所述發(fā)動機(jī)以管理所述燃燒室中的所述燃料/空氣充量的溫度為低于所述燃料/ 空氣充量的自燃點(diǎn)；以及
在噴射燃料之后并在所述燃料/空氣充量達(dá)到自燃溫度之前在所述燃燒室中提供火 花放電。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中操作所述發(fā)動機(jī)以管理所述燃燒室中的所述 燃料/空氣充量的溫度包括控制廢氣再循環(huán)閥，以將來自發(fā)動機(jī)排氣的廢氣再循環(huán)至進(jìn) 氣歧管。方案3.根據(jù)方案1所述的方法，其中操作所述發(fā)動機(jī)以管理所述燃燒室中的所述 燃料/空氣充量的溫度包括控制可變壓縮比活塞。方案4.根據(jù)方案1所述的方法，其中操作所述發(fā)動機(jī)以管理所述燃燒室中的所述 燃料/空氣充量的溫度包括對構(gòu)造成控制進(jìn)氣閥的打開和關(guān)閉的可變凸輪相位系統(tǒng)的定 相進(jìn)行控制。方案5.根據(jù)方案1所述的方法，其中通過在壓縮沖程期間將燃料噴射入各燃燒室 來形成所述燃料/空氣充量包括在壓縮沖程中足夠早地將燃料噴射入各燃燒室，以提供 燃料與進(jìn)氣的預(yù)混合。方案6.根據(jù)方案5所述的方法，其中所述燃料/空氣充量具有小于2的燃料/空 氣當(dāng)量比。方案7.根據(jù)方案6所述的方法，其中所述燃料/空氣當(dāng)量比小于1。方案8.根據(jù)方案1所述的方法，其中通過在壓縮沖程期間將燃料噴射入各燃燒室 來形成所述燃料/空氣充量還包括在進(jìn)氣沖程晚期將燃料噴射入各燃燒室。方案9.根據(jù)方案5所述的方法，其中在噴射燃料脈沖之后的預(yù)定消逝時(shí)段之后在所述燃燒室中提供火花放電。方案10.根據(jù)方案1所述的方法，還包括在進(jìn)氣沖程期間將燃料脈沖噴射入進(jìn)氣歧管。方案11.根據(jù)方案1所述的方法，其中所述燃燒室中的火花放電點(diǎn)燃所述燃料/ 空氣充量的一部分，以將所述燃料/空氣充量溫度提高至足以使所述燃料/空氣充量自燃。方案12.根據(jù)方案11所述的方法，其中在自燃期間燃燒所述燃料/空氣充量的大 部分。方案13.根據(jù)方案1所述的方法，還包括以預(yù)混合充量壓燃燃燒模式操作所述發(fā) 動機(jī)。方案14.根據(jù)方案1所述的方法，還包括在由所述燃料/空氣充量的總體溫度 和燃料/空氣當(dāng)量比確定的發(fā)動機(jī)操作的預(yù)定范圍以外操作所述發(fā)動機(jī)，在所述預(yù)定范圍 中，燃燒產(chǎn)生超過預(yù)定的顆粒物質(zhì)閾值的顆粒物質(zhì)和超過預(yù)定的NOx閾值的NOx排放。方案15. —種用于操作壓燃式內(nèi)燃機(jī)的方法，所述壓燃式內(nèi)燃機(jī)包括以四沖程燃 燒循環(huán)操作的多個(gè)燃燒室，并構(gòu)造成以大于10 1的幾何壓縮比操作，所述方法包括
在壓縮沖程中足夠早地將燃料脈沖噴射入各燃燒室，以提供將燃料脈沖與進(jìn)氣預(yù)混合 從而形成預(yù)混合的燃料/空氣充量；
對構(gòu)造成控制進(jìn)氣閥的打開和關(guān)閉的可變凸輪相位系統(tǒng)的定相進(jìn)行控制，以建立在大 約10 :1與6 :1之間的有效壓縮比，由此所述預(yù)混合的燃料/空氣充量的溫度保持低于所述 燃料/空氣充量的自燃點(diǎn)；以及
在噴射燃料脈沖之后在所述燃燒室中提供火花放電，以點(diǎn)燃所述預(yù)混合的燃料/空氣 充量的一部分足以將所述預(yù)混合的燃料/空氣充量溫度提高至所述自燃點(diǎn)。方案16.根據(jù)方案15所述的方法，其中所述預(yù)混合燃料/空氣充量具有小于2的 燃料/空氣當(dāng)量比。方案17.根據(jù)方案16所述的方法，其中所述燃料/空氣當(dāng)量比小于1。


現(xiàn)在將例如參考附圖描述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，其中
圖1示意性地圖示根據(jù)本公開的示例性直噴壓燃式發(fā)動機(jī)的單個(gè)氣缸； 圖2圖表地圖示根據(jù)本公開對于利用直噴壓燃式發(fā)動機(jī)的各種燃燒模式而言的與燃 料/空氣當(dāng)量比相關(guān)的燃料/空氣充量的總體溫度；以及
圖3圖表地圖示根據(jù)本公開在發(fā)動機(jī)燃燒循環(huán)期間的發(fā)動機(jī)操作參數(shù)的狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖，其中顯示僅為了圖示某些示例性實(shí)施例而不是為了限制所述實(shí)施 例，圖1示意性地圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例構(gòu)成的直噴火花輔助的壓燃式發(fā)動機(jī)10的單個(gè) 氣缸和附帶的控制模塊5。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的是，本公開可應(yīng)用于多缸壓燃式發(fā) 動機(jī)。發(fā)動機(jī)10可以多種燃燒模式操作，包括預(yù)混合充量壓燃(PCCI)燃燒模式、和壓縮點(diǎn) 火(即壓燃)燃燒模式。發(fā)動機(jī)10主要以稀空氣/燃料比操作，并構(gòu)造成以大于10 1的幾 何壓縮比操作。本公開可應(yīng)用于各種內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和燃燒循環(huán)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)對所有轉(zhuǎn)速/負(fù)荷的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)以如在此以下描述的火花輔助的壓燃燃燒模式操作。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)10可聯(lián)接至變速器裝置，以將牽引動力傳遞至車輛的傳 動系統(tǒng)。變速器可包括混合動力變速器，該混合動力變速器包括用于操作以將牽引動力傳 遞至傳動系統(tǒng)的扭矩機(jī)械。示例性發(fā)動機(jī)10包括具有往復(fù)運(yùn)動的活塞14的直噴四沖程內(nèi)燃機(jī)，該往復(fù)運(yùn)動 的活塞14可在限定變?nèi)萑紵?6的氣缸15內(nèi)滑動運(yùn)動。在一個(gè)實(shí)施例中，活塞14可包 括可由控制模塊5控制的可變壓縮比活塞，以調(diào)整壓縮比。活塞14連接至旋轉(zhuǎn)曲軸12，直 線往復(fù)運(yùn)動通過該旋轉(zhuǎn)曲軸12轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。進(jìn)氣系統(tǒng)向進(jìn)氣歧管四提供進(jìn)氣，該進(jìn) 氣歧管四將空氣引導(dǎo)并分配到燃燒室16的進(jìn)氣管中。進(jìn)氣系統(tǒng)包括氣流管道系統(tǒng)和用 于監(jiān)測和控制氣流的裝置。節(jié)氣門34優(yōu)選地包括用于響應(yīng)于來自控制模塊5的控制信號 (ETC)控制到發(fā)動機(jī)10的氣流的電子控制裝置。具有稱為廢氣再循環(huán)(EGR)閥38的流量 控制閥的外部流動通道使廢氣從排氣歧管39再循環(huán)至進(jìn)氣歧管四?？刂颇K5構(gòu)造成通 過控制EGR閥38的開度來控制流到進(jìn)氣歧管四的廢氣的質(zhì)量流量。由一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣閥20控制從進(jìn)氣歧管四到燃燒室16中的氣流。由一個(gè)或多 個(gè)排氣閥18控制從燃燒室16流出到排氣歧管39的排氣流。發(fā)動機(jī)10配備有對進(jìn)氣閥20 和排氣閥18的打開和關(guān)閉進(jìn)行控制和調(diào)整的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過控制進(jìn)氣可變 凸輪相位(VCP)裝置22來控制和調(diào)整進(jìn)氣閥20的打開和關(guān)閉。進(jìn)氣VCP裝置22構(gòu)造成 控制進(jìn)氣凸輪軸21的相位。進(jìn)氣凸輪軸21的旋轉(zhuǎn)與曲軸12的旋轉(zhuǎn)相聯(lián)系并表示成曲軸 12的旋轉(zhuǎn)，因此將進(jìn)氣閥20的打開和關(guān)閉與曲軸12和活塞14的位置相聯(lián)系。進(jìn)氣VCP裝置22優(yōu)選地包括響應(yīng)于來自控制模塊5的控制信號(INTAKE)可變地 調(diào)整和控制進(jìn)氣凸輪軸21的相位的機(jī)構(gòu)。進(jìn)氣VCP裝置22優(yōu)選地包括對進(jìn)氣閥20的打開 和關(guān)閉的相位(即相對正時(shí))進(jìn)行控制和調(diào)整的可變凸輪相位(VCP)機(jī)構(gòu)。調(diào)整相位指的 是使進(jìn)氣閥20的打開時(shí)間相對于曲軸12和活塞14的位置改變。進(jìn)氣VCP裝置22的VCP 機(jī)構(gòu)優(yōu)選地具有曲柄旋轉(zhuǎn)的大約60°-90°的定相授權(quán)范圍，因此允許控制模塊5使進(jìn)氣閥 20的打開和關(guān)閉相對于活塞14的位置提前或延遲。定相授權(quán)范圍由進(jìn)氣VCP裝置22確定 和限制。進(jìn)氣VCP裝置22包括凸輪軸位置傳感器，以確定進(jìn)氣凸輪軸21的旋轉(zhuǎn)位置。利 用由控制模塊5控制的電動液壓、液壓、和電動控制力中的一種致動VCP裝置22。發(fā)動機(jī)10包括燃料噴射系統(tǒng)，該燃料噴射系統(tǒng)包括每個(gè)都構(gòu)造成響應(yīng)于來自控 制模塊5的信號(INJ_PW_1)將一定質(zhì)量的燃料直接噴入燃燒室16中的一個(gè)或多個(gè)高壓燃 料噴射器28。燃料噴射器觀供應(yīng)有來自燃料分配系統(tǒng)的加壓燃料。在一個(gè)實(shí)施例中，在進(jìn) 氣歧管四中可包括第二燃料噴射器觀’，并且該第二燃料噴射器28’構(gòu)造成響應(yīng)于來自控 制模塊5的信號(INJ_PWJ)將燃料噴入進(jìn)氣歧管四，從而增強(qiáng)噴入的燃料與進(jìn)氣充量的預(yù) 混合ο發(fā)動機(jī)10包括火花點(diǎn)火系統(tǒng)，能響應(yīng)于來自控制模塊5的信號(IGN)通過該火花 點(diǎn)火系統(tǒng)向火花放電裝置26提供火花能量，以點(diǎn)燃或幫助點(diǎn)燃燃燒室16中的氣缸充量。如 在此所使用地，火花放電裝置沈指的是火花塞、電熱塞、或本領(lǐng)域已知并構(gòu)造成通過添加 入燃燒室中的熱引起燃燒的其他點(diǎn)火器裝置。如在此所使用地，火花放電指的是來自火花 放電裝置26的加熱。發(fā)動機(jī)10配備有用于監(jiān)測發(fā)動機(jī)操作的各種感測裝置，包括具有輸出RPM并操作以監(jiān)測曲軸旋轉(zhuǎn)位置、即曲柄角和轉(zhuǎn)速的曲柄傳感器42、在一個(gè)實(shí)施例中構(gòu)造成監(jiān)測燃燒 的燃燒傳感器、和構(gòu)造成監(jiān)測廢氣的廢氣傳感器40、例如空氣/燃料比傳感器。燃燒傳感 器包括操作以監(jiān)測燃燒參數(shù)的狀態(tài)的傳感器裝置、例如操作以監(jiān)測缸內(nèi)燃燒壓力的氣缸壓 力傳感器。由控制模塊5監(jiān)測燃燒傳感器和曲柄傳感器42的輸出，以對于各燃燒循環(huán)為氣 缸15確定燃燒相位、即燃燒壓力相對于曲軸12的曲柄角的正時(shí)。還可由控制模塊5監(jiān)測 燃燒傳感器，以對于各燃燒循環(huán)為各氣缸15確定平均有效壓力、例如IMEP。優(yōu)選地，使發(fā)動 機(jī)10和控制模塊5機(jī)械化，以在各氣缸點(diǎn)火事件期間為發(fā)動機(jī)氣缸15中的每個(gè)氣缸監(jiān)測 和確定IMEP的狀態(tài)。替代性地，在本公開的范圍內(nèi)可將其他的感測系統(tǒng)用于監(jiān)測其他燃燒 參數(shù)的狀態(tài)、例如離子感測點(diǎn)火系統(tǒng)、和非介入式氣缸壓力傳感器?？刂颇K5可具有任何合適的形式，包括一個(gè)或多個(gè)專用集成電路(ASIC)、電子 電路、執(zhí)行一種或多種軟件或固件程序的中央處理器(優(yōu)選地微處理器)和相關(guān)的存儲器 和儲存器(只讀、可編程只讀、隨機(jī)存取、硬盤驅(qū)動器等)、組合邏輯電路、輸入/輸出電路 和裝置、合適的信號調(diào)理和緩沖電路、以及提供所描述的功能性的其它合適的部件的各種 組合?？刂颇K具有一組控制算法，包括存儲在存儲器中并執(zhí)行以提供想要的功能的常駐 軟件程序指令和校準(zhǔn)。優(yōu)選地在預(yù)置循環(huán)期間執(zhí)行算法。算法諸如由中央處理器執(zhí)行，并 可操作以監(jiān)測來自感測裝置和其他聯(lián)網(wǎng)控制模塊的輸入、并執(zhí)行控制和診斷例程，以控制 致動器的操作。在持續(xù)的發(fā)動機(jī)和車輛的操作期間，可以例如每隔3. 125,6. 25,12. 5、25和 100毫秒的有規(guī)律的間隔執(zhí)行循環(huán)。替代性地，可響應(yīng)于事件的發(fā)生執(zhí)行算法。在操作中，控制模塊5監(jiān)測來自前述傳感器的輸入，以確定發(fā)動機(jī)參數(shù)的狀態(tài)?？?制模塊5構(gòu)造成接收來自操作者(例如經(jīng)由油門踏板和制動踏板)的輸入信號，以確定操 作者的扭矩請求。控制模塊5監(jiān)測指示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、冷卻劑溫度及其他環(huán)境條件 的傳感器?？刂颇K5執(zhí)行存儲在其中的算法代碼以控制前述致動器，以形成氣缸充量，在 如此配備的發(fā)動機(jī)上包括控制節(jié)氣門位置、火花放電正時(shí)、燃料噴射質(zhì)量和正時(shí)、EGR閥位 置以控制再循環(huán)廢氣的流動、以及進(jìn)氣和/或排氣閥正時(shí)和相位。氣門正時(shí)和相位在一個(gè) 實(shí)施例中可包括負(fù)氣門重疊(NVO)和排氣閥再打開的升程(在排氣再呼吸策略中)?？刂?模塊5可操作以在持續(xù)的車輛操作期間開啟和關(guān)閉發(fā)動機(jī)10，并且該控制模塊5在多缸發(fā) 動機(jī)中可操作以通過燃料和火花以及氣門停用的控制有選擇地停用一部分燃燒室16或一 部分進(jìn)氣閥20和排氣閥18?？刂颇K5可基于來自廢氣傳感器40的反饋控制空氣/燃料 比。圖2圖表地圖示對于包括火花輔助的壓燃燃燒模式(SACI)的各種燃燒模式而言 的與燃料/空氣當(dāng)量比相關(guān)的燃料/空氣充量的總體溫度。利用示例性直噴壓燃式發(fā)動機(jī) 試驗(yàn)地確定總體溫度結(jié)果。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所認(rèn)識到的，燃料/空氣當(dāng)量比與空氣/燃 料比逆相關(guān)。圖2描繪了燃燒產(chǎn)生增加的顆粒物質(zhì)(PM)量的發(fā)動機(jī)操作區(qū)域和燃燒產(chǎn)生 增加的NOx排放(NOx)量的發(fā)動機(jī)操作區(qū)域。各種NOx閾值描繪成在相對高的燃料/空氣 充量的總體溫度(> 2100K)朝相對稀的發(fā)動機(jī)操作(例如燃料/空氣當(dāng)量比< 2)的恒定 的NOx產(chǎn)生線。在燃燒期間初始地產(chǎn)生顆粒物質(zhì)處描繪近似的碳煙閾值(近似碳煙閾值)， 并且其他各種顆粒物質(zhì)/碳煙閾值描繪成恒定的顆粒物質(zhì)產(chǎn)生線。在中等至高的燃料/空 氣充量的總體溫度(例如1400-2600K)，在較高的燃料/空氣當(dāng)量比(例如> 1.8)處產(chǎn)生相對高的顆粒物質(zhì)，引起恒定的顆粒物質(zhì)產(chǎn)生的U形特性線。因此，發(fā)動機(jī)10優(yōu)選地以低 的燃料/空氣充量總體溫度和相對低的燃料/空氣當(dāng)量比、即稀空氣/燃料比操作，以獲得 低的顆粒物質(zhì)排放和低的NOx排放。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可根據(jù)各種考慮，例如 包括區(qū)域排放標(biāo)準(zhǔn)，確定或設(shè)定可接受的顆粒物質(zhì)和NOx排放的閾值和操作區(qū)域。如本領(lǐng) 域的技術(shù)人員所認(rèn)識到的，還可通過減少燃燒室16中氧的存在來獲得NOx減少。已知的柴油發(fā)動機(jī)應(yīng)用以相對高的燃燒溫度操作。在燃燒期間，壓燃燃燒模式 (柴油機(jī))期間較高溫度的操作由以燃料/空氣充量中較高的氧濃度、例如21%執(zhí)行的燃燒 而產(chǎn)生。如圖2中所描繪地，較高溫度的操作導(dǎo)致增加的顆粒物質(zhì)和NOx的排放。在燃燒 期間，以預(yù)混合充量壓燃燃燒模式(PCCI)操作的壓燃式發(fā)動機(jī)在燃料/空氣充量中具有較 低的氧濃度、例如13%。降低燃料/空氣充量的溫度減少了顆粒物質(zhì)的形成和NOx排放的產(chǎn) 生。在燃燒期間，以火花輔助的壓燃燃燒模式(SACI)操作的壓燃式發(fā)動機(jī)在燃料/空氣充 量中具有較低的氧濃度、例如11%。在圖2中包括的是在火花輔助的壓燃燃燒模式的第一實(shí)施例和火花輔助的壓燃 燃燒模式的第二實(shí)施例中操作示例性發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，在該第一實(shí)施例中，將燃料/空 氣充量預(yù)混合至大于1:1的燃料/空氣當(dāng)量比，而在該第二實(shí)施例中，將燃料/空氣充量預(yù) 混合至小于1:1的燃料/空氣當(dāng)量比。與降低的燃料/空氣充量溫度相關(guān)的發(fā)動機(jī)操作與 降低的NOx排放和減少的顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生對應(yīng)?；鸹ㄝo助的自燃燃燒模式的特征在于燃料噴射事件和隨后的燃燒室16中的火花 放電以幫助燃料/空氣充量的自燃。該方法包括優(yōu)選地在壓縮沖程期間，通過將燃料脈沖 噴入燃燒室16來形成燃料/空氣充量；操作發(fā)動機(jī)10以將燃燒室16中的燃料/空氣充量 的溫度管理為低于自燃點(diǎn)；和控制火花放電裝置26，以在噴射燃料脈沖之后并在燃料/空 氣充量獲得自燃溫度之前在燃燒室16中火花放電。在火花輔助的壓燃燃燒模式的發(fā)動機(jī)操作期間，節(jié)氣門34優(yōu)選地基本上全開?；?本上全開的節(jié)氣門可包括完全不節(jié)流地、或稍微節(jié)流地操作，以在進(jìn)氣歧管四中形成足以 實(shí)現(xiàn)期望的EGR流的真空。在一個(gè)實(shí)施例中，將缸內(nèi)EGR質(zhì)量控制為高的稀釋率、例如大于 40%的氣缸空氣充量。在燃燒循環(huán)期間可執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)燃料噴射事件，以在壓縮沖程期間 形成包括至少一次噴射的燃料/空氣充量，如下所述。圖3圖表地圖示對于火花輔助的自燃燃燒模式而言在示例性燃燒循環(huán)期間的發(fā) 動機(jī)操作參數(shù)的狀態(tài)。在發(fā)動機(jī)操作期間，發(fā)動機(jī)10重復(fù)地執(zhí)行包括進(jìn)氣、壓縮、膨脹、和 排氣沖程的四沖程燃燒循環(huán)?；钊?4的進(jìn)氣沖程的特征在于進(jìn)氣閥20在上止點(diǎn)(TDC)與下止點(diǎn)(BDC)之間的 打開，以引起空氣充量進(jìn)入燃燒室16中的運(yùn)動。在活塞14的進(jìn)氣沖程期間，控制進(jìn)氣閥20 至打開位置，以允許來自進(jìn)氣歧管四的氣流和來自EGR閥38的再循環(huán)廢氣進(jìn)入燃燒室16。 利用進(jìn)氣VCP裝置22可以調(diào)整進(jìn)氣閥20的打開和關(guān)閉相位。在一個(gè)實(shí)施例中，可計(jì)量燃 料并在進(jìn)氣沖程期間將該燃料噴入燃燒室16，從而增加在燃燒之前用于燃料與空氣混合的 時(shí)間。替代性地，在配備有第二燃料噴射器觀’的發(fā)動機(jī)中，可在進(jìn)氣沖程期間將燃料噴入 進(jìn)氣歧管四，從而增強(qiáng)噴射燃料與進(jìn)氣充量的混合?；钊?4的壓縮沖程的特征在于燃燒之前在燃燒室16中的燃料/空氣充量的壓 縮，并且該壓縮發(fā)生在BDC與TDC之間。在燃料/空氣充量的壓縮期間關(guān)閉進(jìn)氣閥20和排氣閥18。為了提高發(fā)動機(jī)效率，在壓縮沖程期間可在BDC之后立即關(guān)閉進(jìn)氣閥20。由于控 制有效的壓縮比，可以延遲進(jìn)氣閥20的關(guān)閉以將燃料/空氣充量的溫度管理至低于自燃 點(diǎn)。有效壓縮比定義為進(jìn)氣閥20關(guān)閉時(shí)燃燒室16的體積排量與燃燒室16的最小體積排 量(例如當(dāng)活塞14處于TDC時(shí))的比率。幾何壓縮比定義為不考慮進(jìn)氣閥20的關(guān)閉時(shí)間， 在BDC出現(xiàn)的燃燒室16的最大體積排量與在TDC出現(xiàn)的燃燒室16的最小體積排量的比率。 進(jìn)氣閥20的延遲關(guān)閉在燃燒室16中俘獲較少的空氣，從而在燃燒期間降低了壓力并因此 降低了燃燒室16中的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)量燃料并在壓縮沖程期間將該燃料噴入燃 燒室16。優(yōu)選地，執(zhí)行一次燃料噴射事件以噴入燃料；然而，可執(zhí)行多次燃料噴射事件。在 一個(gè)實(shí)施例中，在壓縮沖程中足夠早地噴射燃料，以允許燃燒室16中燃料/空氣充量充分 的預(yù)混合。在該實(shí)施例中，噴射的結(jié)束優(yōu)選地應(yīng)不遲于TDC后(ATDC) 10度、更優(yōu)選地不遲 于TDC并在火花塞點(diǎn)燃燃料之前發(fā)生。如果執(zhí)行多次燃料噴射事件，則最后一次噴射的結(jié) 束優(yōu)選地應(yīng)不遲于TDC后10度、更優(yōu)選地不遲于TDC并在火花塞點(diǎn)燃燃料之前發(fā)生。預(yù)混 合被理解成指的是燃料/空氣充量大致的均勻性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的是，例如在 較高的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)可能希望使壓縮沖程中的噴射正時(shí)提前，以允許充分的預(yù)混合發(fā)生。 實(shí)際上，如上所述，可計(jì)量燃料并在進(jìn)氣沖程期間將該燃料噴入燃燒室16，從而增加用于燃 料與空氣混合的時(shí)間。優(yōu)選地，預(yù)混合的燃料/空氣充量當(dāng)量比低于2:1。更優(yōu)選地，預(yù)混 合的燃料/空氣充量當(dāng)量比低于1 :1?；钊?4的膨脹沖程的特征在于燃燒事件，由此燃料/空氣充量在進(jìn)氣閥20和排 氣閥18處于關(guān)閉位置的情況下自燃并向下推動活塞14。優(yōu)選地，基于發(fā)動機(jī)10的缸內(nèi)熱 性質(zhì)和物理耐久性確定燃燒的有效膨脹率，以使發(fā)動機(jī)燃料效率最大。活塞14的排氣沖程的特征在于由燃燒事件形成的廢氣排放到廢氣供入流中。排 氣發(fā)生在BDC與TDC之間。由活塞14從燃燒室16推動燃燒的產(chǎn)物、或廢氣，通過打開的排 氣閥18并進(jìn)入排氣歧管39。從該排氣歧管39，廢氣可進(jìn)入EGR通道或流向后處理系統(tǒng)70。如圖3所示，在壓縮沖程期間由燃料噴射器觀將燃料噴入燃燒室16。缸內(nèi)溫度低 于自燃溫度閾值。當(dāng)壓縮燃燒室16中的燃料/空氣充量時(shí)，燃燒室16中的溫度提高至稍 低于自燃溫度閾值。在噴射燃料脈沖之后并在燃料/空氣充量達(dá)到自燃溫度之前，控制火 花放電裝置26，以在燃燒室16中放電火花。控制模塊5向火花放電裝置沈發(fā)信號，以將火花放入燃燒室16。優(yōu)選地，在燃料 噴射之后的預(yù)定消逝時(shí)段之后放出火花，以允許噴入的燃料與燃燒室16內(nèi)的進(jìn)氣混合。放 出的火花點(diǎn)燃燃料/空氣充量的一部分，以將燃料/空氣充量的溫度提高至超過自燃溫度 閾值，從而使燃料/空氣充量的剩余的未點(diǎn)燃部分自燃。在自燃之后，總體溫度返回至低于 自燃溫度閾值?？衫枚喾N技術(shù)中的一種或多種技術(shù)將燃燒室16中的燃料/空氣充氣的溫度管 理至低于自燃點(diǎn)。第一種技術(shù)包括通過控制相位改變進(jìn)氣閥20的關(guān)閉正時(shí)。延遲進(jìn)氣閥 20的關(guān)閉減少了俘獲在燃燒室16中的空氣充量，并降低有效壓縮比，從而降低燃料/空氣 充量的總體溫度。可基于包括溫度的缸內(nèi)條件確定進(jìn)氣閥20的關(guān)閉正時(shí)。優(yōu)選地，有效壓 縮比在大約6 1與大約10 1之間。用于將燃料/空氣充量的溫度管理至低于自燃點(diǎn)的第 二種技術(shù)在如此配備的發(fā)動機(jī)上包括通過調(diào)整可變壓縮比活塞而改變有效壓縮比。降低有 效壓縮比降低了壓縮沖程期間的壓力，并因此降低了燃燒室16中的氣體的總體溫度。用于將燃料/空氣充量的溫度管理至低于自燃點(diǎn)的第三種技術(shù)包括控制EGR閥38，以控制流到 進(jìn)氣歧管四并進(jìn)入燃燒室16的廢氣的質(zhì)量流。增大再循環(huán)廢氣量提高了在關(guān)閉進(jìn)氣閥20 時(shí)的燃燒室16中的氣體的溫度，但降低總的整體溫度。在以預(yù)混合充量壓燃燃燒模式操作的同時(shí)可使用上述方法。在預(yù)混合充量壓燃燃 燒模式中，控制相對高速率的優(yōu)選為積極冷卻的EGR氣體流到進(jìn)氣歧管四。EGR氣體在進(jìn) 氣沖程期間流入燃燒室16，并在壓縮沖程期間被壓縮。在壓縮沖程期間噴射燃料并在所有 燃燒之前完成，以允許在燃燒開始之前燃料與進(jìn)氣和EGR氣體的預(yù)混合。燃燒的預(yù)混合性 質(zhì)與高EGR率一起，防止了形成顆粒排放物的高溫的局部濃的區(qū)域的形成。相對高的EGR 率降低缸內(nèi)溫度，并因此在燃燒室16中的燃燒期間減少NOx的形成。本公開已描述了某些優(yōu)選的實(shí)施例及所述實(shí)施例的變型。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱 讀并理解說明書后可想到另外的變型和改變。因此，本公開不局限于作為設(shè)想成用于實(shí)施 本公開的最佳模式而公開的特定實(shí)施例，而是本公開將包括落入所附權(quán)利要求的范圍的所 有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于操作壓燃式內(nèi)燃機(jī)的方法，所述壓燃式內(nèi)燃機(jī)包括以四沖程燃燒循環(huán)操 作的多個(gè)燃燒室，并構(gòu)造成以大于10 1的幾何壓縮比操作，所述方法包括通過在壓縮沖程期間將燃料噴射入各燃燒室來形成燃料/空氣充量，在所述燃燒室內(nèi) 的所有燃燒之前完成所述噴射；操作所述發(fā)動機(jī)以管理所述燃燒室中的所述燃料/空氣充量的溫度為低于所述燃料/ 空氣充量的自燃點(diǎn)；以及在噴射燃料之后并在所述燃料/空氣充量達(dá)到自燃溫度之前在所述燃燒室中提供火 花放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中操作所述發(fā)動機(jī)以管理所述燃燒室中的所述燃 料/空氣充量的溫度包括控制廢氣再循環(huán)閥，以將來自發(fā)動機(jī)排氣的廢氣再循環(huán)至進(jìn)氣歧管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中操作所述發(fā)動機(jī)以管理所述燃燒室中的所述燃 料/空氣充量的溫度包括對構(gòu)造成控制進(jìn)氣閥的打開和關(guān)閉的可變凸輪相位系統(tǒng)的定相進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過在壓縮沖程期間將燃料噴射入各燃燒室來 形成所述燃料/空氣充量包括在壓縮沖程中足夠早地將燃料噴射入各燃燒室，以提供燃料與進(jìn)氣的預(yù)混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過在壓縮沖程期間將燃料噴射入各燃燒室來 形成所述燃料/空氣充量還包括在進(jìn)氣沖程晚期將燃料噴射入各燃燒室。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃燒室中的火花放電點(diǎn)燃所述燃料/空氣充 量的一部分，以將所述燃料/空氣充量溫度提高至足以使所述燃料/空氣充量自燃。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中在自燃期間燃燒所述燃料/空氣充量的大部分。
8.一種用于操作壓燃式內(nèi)燃機(jī)的方法，所述壓燃式內(nèi)燃機(jī)包括以四沖程燃燒循環(huán)操 作的多個(gè)燃燒室，并構(gòu)造成以大于10 1的幾何壓縮比操作，所述方法包括在壓縮沖程中足夠早地將燃料脈沖噴射入各燃燒室，以提供將燃料脈沖與進(jìn)氣預(yù)混合 從而形成預(yù)混合的燃料/空氣充量；對構(gòu)造成控制進(jìn)氣閥的打開和關(guān)閉的可變凸輪相位系統(tǒng)的定相進(jìn)行控制，以建立在大 約10 :1與6 :1之間的有效壓縮比，由此所述預(yù)混合的燃料/空氣充量的溫度保持低于所述 燃料/空氣充量的自燃點(diǎn)；以及在噴射燃料脈沖之后在所述燃燒室中提供火花放電，以點(diǎn)燃所述預(yù)混合的燃料/空氣 充量的一部分足以將所述預(yù)混合的燃料/空氣充量溫度提高至所述自燃點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述預(yù)混合燃料/空氣充量具有小于2的燃料/ 空氣當(dāng)量比。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述燃料/空氣當(dāng)量比小于1。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于操作直噴火花輔助的壓燃式發(fā)動機(jī)的方法。一種壓燃式內(nèi)燃機(jī)包括以四沖程燃燒循環(huán)操作的多個(gè)燃燒室，并構(gòu)造成以大于101的幾何壓縮比操作。用于操作發(fā)動機(jī)的方法包括在壓縮沖程期間通過將燃料噴射入各燃燒室來形成燃料/空氣充量，其中在燃燒室內(nèi)的所有燃燒之前完成噴射。該方法還包括操作發(fā)動機(jī)以將燃燒室中的燃料/空氣充量的溫度管理為低于燃料/空氣充量的自燃點(diǎn)；和在噴射燃料之后并在燃料/空氣充量達(dá)到自燃溫度之前在燃燒室中提供火花放電。
文檔編號F02D37/02GK102140967SQ201110029639
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者R·P·杜里特 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司