专利名称：四冲程发动机的自动点火燃烧的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种至少在低速度和包括空转的荷载条件下，用于操作四冲程汽油直接喷射控制的自动点火燃烧发动机。
背景技术：
为了提高汽油内燃机的热效率，利用空气或者再循环排气的稀释燃烧已知可用来产生增加的热效率和低的NOx排放。然而，发动机采用稀释的混合物运行会存在限制，因为由缓慢燃烧会导致失火和燃烧不稳定。延长稀释限制的已知方法包括1)通过提高点火和燃料准备来改善混合物的可燃性，2)通过引入进气运动和涡流来增加火焰速度，和3)在可控的自动点火燃烧的情况下运行发动机。
该可控的自动点火过程有时称为均质的进气压燃(HCCI)过程。在此过程中，已燃烧的气体，空气和燃料的混合物产生，并且在压缩期间，自动点火会通常在混合物之中的许多点火位置同时开始，导致非常稳定的功率输出和高的热效率。燃烧在整个充气中得到高度稀释并且均匀分布，从而使得燃烧后气体的温度以及由此产生的NOx排放大体上低于基于传播火焰的点燃式发动机和基于附加扩散火焰的柴油机中的温度和NOx排放。在火花塞点火发动机和柴油机两者中，在混合物中燃烧后的气体温度非常不均匀，其中具有非常高的局部温度，从而产生高的NOx排放。
在可控自动点火燃烧情况下运行的发动机已经成功地在采用传统压缩比的两冲程汽油机中示出。相信在二冲程发动机燃烧室内从先前循环中剩余了大部分的燃烧后气体，也就是，该剩余量会造成高的混合气温度，而高的混合气温度是在高度稀释的混合物中促进自动点火所必需的。
在具有传统的阀装置的四冲程发动机中，剩余量较低并且在部分负荷时可控的自动点火难以实现。在低的或者部分负荷时引起可控的自动点火方法包括1)进气加热，2)可变压缩比，和3)混合汽油与点火促进剂以产生比汽油更容易点燃的混合物。在所有的上述方法中，能够实现可控的自动点火燃烧的发动机转速和负荷的范围相对较窄。
在可控的自动点火燃烧情况下运行的发动机已经在采用具有非常规阀装置的可变阀促动的四冲程汽油机中示出。下面的两个说明包括阀策略，其中从先前燃烧循环中留下了大部分的剩余燃烧产物，从而在高稀释混合物中提供用于自动点火的所需的条件。采用传统的压缩比并且能够实现可控的自动点火燃烧的发动机转速和负荷的范围很大程度地扩大。
在一种情况下，描述一种四冲程内燃机以通过控制燃烧室的进气和排气阀的运动来提供自动点火，从而确保燃料/气体充气与燃烧后的气体混合来产生适于自动点火的条件。所述的发动机具有机械凸轮致动的排气阀，其在排气冲程中比正常的四冲程发动机关闭更早，以捕获用于随后与燃料和空气混合物进气混合的燃烧后的气体。
描述了运行四冲程内燃机的另一个方法，其中燃烧至少部分通过自动点火过程来实现。燃料/空气充气和燃烧后的气体的流量通过液压控制阀进行调整，以便在燃烧室中产生适合于自动点火操作的情况。
使用的阀装置包括控制入口通道进入到燃烧室中的燃料/空气混合物流量和控制从燃烧室到排气通道排出的燃烧后气体的排气阀。排气阀在膨胀冲程中的下止点之前的大约10至15度处开口(EVO)，并且在上止点前的90度到45度范围内的排气冲程期间关闭(EVC)。
进气阀在四冲程循环中的打开时刻(IVO)比在进气冲程期间，上止点之后45至90度范围内常规四冲程发动机的常规打开时刻更迟。
提前的排气阀关闭和迟的进气阀打开提供了负压阀重叠时间(EVC-IVO)，其中排气和进气阀两者都关闭用于捕获燃烧后的气体，该燃烧后的气体随后在进气冲程期间与引入的燃料/充气混合，并且因此促进自动点火过程。然后进气阀在压缩冲程中的下止点之后大致30度被关闭(IVC)。这通常被称为排气再压缩阀策略。
在另一操作直接喷射汽油四冲程内燃机的所述方法中，燃烧至少部分通过自动点火方法实现。空气和燃烧气体的流量通过液压控制阀构件进行调节。燃料通过汽油喷射器直接递送入燃烧室中。在单发动机循环中，所述汽油喷射器或者在进气冲程或者在随后的压缩冲程期间喷射燃料。
在单发动机循环中，结合具有多重喷射能力的汽油直接喷射器使用排气再压缩阀门策略，我们以及其他人已经证明，使用常规的压缩比，可以实现控制自动点火燃烧的发动机转速和载荷范围可以得到大大扩大。此外，我们还表明，使用结合分层点火的排气再压缩阀门策略，低载荷燃料经济性和冷启动发动机的能力都是优良的。然而，在空转和低载荷期间，发动机运行可能涉及的转矩波动会升高。这就是本发明的目的。
发明内容
本发明提供了以可接受的转矩波动操作低速度和低载荷(包括空转)四冲程汽油直接喷射控制自动点火内燃机的方法。所述方法由双重开放进气阀和排气阀和以等量燃料流的分流喷射策略组成。还可以包括控制空气输送的附加构件。
通过以下本发明某些具体实施方案说明结合附图，本发明的这些和其他特征以及本发明优点将会得到更充分地理解。
图1是根据本发明的单缸直接喷射汽油四冲程内燃机的示意图； 图2为表示四冲程内燃机排气阀和进气阀的曲轴角与使用排气再压缩阀门策略的发动机载荷变化的函数的阀门升程图表； 图3为表示四冲程内燃机排气阀和进气阀的曲轴角与使用排气再压缩阀门策略的发动机载荷变化的函数的测量气缸压力图； 图4为由与以常规节流阀SI、排气再充气、再压缩HCCI和本发明的发动机转速为1000rpm和平均扭矩输出为15.2牛顿米(Nm)操作的发动机曲轴角相关的压力得到的计算扭矩图； 图5为与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的阀门升程分布图，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排气再压缩阀策略； 图6为与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的阀门升程分布图，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排气再充气阀策略； 图7为与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的阀门升程分布图，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用入口再充气阀策略； 图8为与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的阀门升程分布图，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用进气阀和排气阀的双重开放； 图9为由与以常规节流阀SI、排气再充气和再压缩HCCI以及本发明在发动机转速为1000rpm和平均扭矩输出为15.2Nm下操作的发动机曲轴角相关的压力得到的峰间转矩波动图； 图10是在燃料速率为6mg/周期和1000rpm下，表示四冲程内燃机曲轴角与不同阀门策略变量函数的平均测量气缸压力图；和 图11是表示四冲程内燃机曲轴角与根据本发明的发动机载荷中的变量之间函数关系的平均测量气缸压力图。
具体实施例方式为了简单起见，以下说明书中将本发明应用至单缸直接喷射汽油四冲程内燃机中，但是应当理解，本发明同样适用于多气缸直接喷射汽油四冲程内燃机。
单缸直接喷射四冲程内燃机10的第一实施方案略图示于图1中。在图1中，活塞12在气缸14中可以移动，并且其与气缸14限定了一个可变容积的燃烧室16。入口通道18向燃烧室16中提供空气。进入燃烧室16中的空气流量通过进气阀20进行控制。燃烧气体可以从燃烧室16中经排气道22流动，并且通过排气道22的燃烧气体的流量通过排气阀24进行控制。
如图1中所示，本发明发动机10具有带有电子控制器26的液压控制阀门串25，所述电子控制器26可程序控制并且液压控制入口20和排气24阀门的开放和闭合。电子控制器26参照通过两个位置传感器28和30确定的进气阀20和排气阀24的位置，控制进气阀20和排气阀24的移动。控制器26还参照发动机的位置，该位置通过连接道内燃机曲轴34上的转动传感器32进行确定，所述曲轴34通过连接杆36连接在可在气缸14内往复运动的活塞12上。
通过电子控制器26进行控制的汽油直接喷射器38用于将燃料直接喷射入燃烧室16内。同样通过电子控制器26控制的火花塞用于连接燃料喷射器和燃烧室，设计用于低负载时增强燃烧相控制和用于发动机冷启动。
图2图解说明了通过应用排气再压缩阀门策略对四冲程控制自动点火内燃机的进气阀20和排气阀24的运动进行控制。其表明了利用排气在压缩阀门策略与简单机械两步以及等同凸轮相移器WA系统，在载荷清除期间应用的实际阀门升程分布图。虽然在本发明中进气阀20和排气阀24都可以进行电力-液压驱动，但是它们也以其它适宜的方式进行驱动，比如机械驱动或者使用电磁力电动驱动。
在该图中，在发动机载荷降低时可以观察到排气阀24运行较早，而进气阀20运行较晚。排气阀的提前运行和进气阀的延迟运行提供了延长的排气阀和进气阀都被闭合的负压阀重叠期间，以将更多的燃烧气体截留在气缸中。上述截留的残余气体混合物后来与进气冲程期间导入的燃料/空气进料混合，从而有助于更低载荷时的自动点火步骤。
图3表示四冲程内燃机曲轴角与使用排气再压缩阀门策略的发动机载荷变化的函数的测量气缸压力。从该图中可以看出，在主燃烧(线42，44，46，48)期间峰值压力随着发动机载荷的降低而降低。然而，对于排气冲程TDC(360度ATDC燃烧)周围的峰值压力，反过来也是成立的。特别是，负压阀重叠越大，那么排气冲程结束时的峰值压力就越大。这表明更多的燃烧气体被截留在气缸内。在最低载荷48(69 kPa NMEP)时，在主燃烧(大约5度ATDC燃烧)期间峰值压力仅仅高于排气冲程TDC周围峰值压力约600kPa。
虽然这些峰值压力差异是为了诱发控制自动点火燃烧而使用的排气再压缩阀门策略所特有的，但是基于驱动者的角度可以觉察出这是转矩波动源。这种峰间转矩波动的增加清晰地图解说明在图4中，其中计算的转矩为由于以常规节流阀SI 50、排气再充气HCCI 52、排气再压缩HCCI 54和发动机转速为1000rpm和平均扭矩输出为15.2牛顿米(Nm)对发动机进行操作(对于四缸发动机构造)而存在的压力而产生的曲轴角的函数。
为了使以排气再压缩HCCI进行操作的四冲程发动机的转矩波动最小，根据本发明使用了应用进气阀和排气阀双重开放的阀门策略。这是我们先前双重开放排气阀或者进气阀以用于有效扩大控制自动点火发动机的低载荷发动机操作限值的发明的延续。图5-8显示了阀门升程分布图和用于各个测验阀门策略的相应喷射策略。
图5表示排气24和入口20阀门升程分布图，其是与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的函数，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排气再压缩阀策略。
图6表示阀门24，20升程分布图，其是与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的函数，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用排气再充气阀策略。
图7表示阀门24，20升程分布图，其是与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的函数，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用入口再充气阀策略。
图8表示排气24和入口20阀门升程分布图，其是与曲轴角以及相应的喷射正时结束以及四冲程内燃机燃料分流相关的函数，其中四冲程内燃机在6mg/周期的燃料速率和1000rpm下使用进气阀和排气阀双重开放。
通常，在压缩冲程期间将1mg燃料喷射在TDC入口周围和将5mg燃料喷射的分流喷射策略用于图5～7中所示的阀门策略中。然而，在图8中根据本发明使用等量燃料分流。在图8中所示的阀门正时和持续时间都没有相对于性能和排放进行最优化。所示条件为本发明具体实施方案的一种示范选择。
本发明对峰间转矩波动降低的有效性示于图4和9中。特别是，应用本发明56的峰间转矩波动相对于再压缩HCCI 54降低了大约40％，降低至了与再充气HCCI 52相当的水平是那股，不过这还是稍微高于节流阀SI操作50的转矩波动。
图10表示作为入口再充气58、排放再充气60、排放再压缩62和本发明64的曲轴角的函数的测量气缸压力，其中描述于图5～8中的四种阀门策略为固定的加燃料速率6mg/周期。从图中可以清晰看出，根据本发明，比如双冲程气缸压力变化曲线64得到了实现。最后，本发明对于如图11所示的6～8mg/周期(3～4mg/喷射)的燃料加料速率范围都运行良好。然而，本发明还可以扩展到其它燃料加料范围的操作中，并不限于这里所报道的试验结果。
在获得图11中所示结果的试验期间，将控制的进料空气供应提供给发动机。在操作发动机中，如果需要，上述控制可以通过任何适宜的构件提供，包括，例如提供控制入口管或者具有泵装置的排放压力、在进气阀或者排气阀中加入流量控制阀和/或调节进气及排气阀正时以促进期望的燃烧气体通流。
虽然本发明已经通过参考某些优选实施方案进行了说明，但是应当理解，可以在本发明所述构思精神和范围内进行多种改变。据此，本发明并不意图限制于上述公开的实施方案，而是应当具有以下权利要求的全部范围。
权利要求
1.一种操作四冲程汽油直接喷射控制自动点火燃烧发动机的方法，其中所述燃烧发动机具有至少一个具有直接燃料喷射器的气缸、含有与曲轴往复运动地相互连接的活塞、和限定了包括控制与进气口连通的进气阀和控制与排气口连通的排气阀的可变容积燃烧室，所述方法包括在曲轴两次旋转期间，按照两对膨胀冲程和压缩冲程顺序操作发动机；在膨胀冲程末期和压缩冲程初期开放进气阀和排气阀；和将燃料直接喷射入燃烧室中以与滞留气体混合和在接近压缩冲程结束时点燃燃料；由此当阀门闭合时，在膨胀冲程的主要部分期间，燃烧气体受到膨胀从而形成动力，当阀门开放时将燃烧气体吹入排气口和进气口中并且在膨胀冲程末期将部分燃烧气体与新鲜空气截留在气缸内，从而使得空气和排放气体进料通过热排放气体受到加热；和在压缩冲程初期将部分进料排出排气口和进气口，在阀门关闭之后，在压缩冲程主要部分期间对剩余的部分进料和喷射燃料进行压缩，以点火所得的稀释燃料/空气和排放气体混合物的压缩进料。
2.如权利要求1所述的方法，包括在连续成对的膨胀冲程和压缩冲程期间喷射相等的燃料进料，从而对连续的曲轴旋转提供相等的动力输出。
3.如权利要求1所述的方法，其中进气阀和排气阀升高曲线在正时和轮廓上等同。
4.如权利要求1所述的方法，包括在各次曲轴旋转期间，将特定量的新鲜燃烧空气递送到燃烧室中。
5.如权利要求1所述的方法，包括改变进气阀和排气阀的开放正时，从而由活塞运动提供新鲜的燃烧空气流动。
6.如权利要求1所述的方法，包括设置辅助进料设备以提供新鲜燃烧空气流动。
7.如权利要求1所述的方法，包括设置流量控制阀以促使新鲜燃烧空气流向燃烧室。
全文摘要
一种操作四冲程汽油直接喷射控制自动点火内燃机的方法，包括在膨胀冲程末期和压缩冲程初期开放进气阀和排气阀，将燃料直接喷射入燃烧室中以与滞留气体混合和在接近压缩冲程结束时点燃燃料。在该方法中，在膨胀冲程的主要部分期间，燃料气体受到膨胀从而形成驱动源，在膨胀冲程末期将燃烧气体吹入排气口和进气口中并且将部分燃烧气体与新鲜空气截留在气缸内，从而使得空气进料通过热排放气体受到加热。对部分在排放进料和残留部分进料以及喷射燃料进行压缩，以点火稀释的燃料/空气和排放气体混合物。根据该方法，NOx排放量得到了显著降低。
文档编号F02B75/02GK1985081SQ200580023621
公开日2007年6月20日 申请日期2005年7月1日 优先权日2004年7月12日
发明者T·-W·霩, J·A·恩, P·M·纳特, B·L·布朗 申请人:通用汽车公司