使用汽油类燃料的控温燃烧发动机的操作方法

专利名称：使用汽油类燃料的控温燃烧发动机的操作方法
技术领域：
本发明涉及在使用汽油类燃料的多缸控温燃烧发动机，特别是在均质充量压燃(HCCI)型发动机，也称作预混合充量压燃(PCCI)发动机中控制燃烧的方法。
背景技术：
许多现有技术文献认识到几个参数影响HCCI发动机中燃烧的引发。举例来说参阅授予Flynn等的美国专利第6,286,482号和Aceves，HCCI CombustionAnalysis and Experiments，SAE2001-01-2077。这种认识到的参数包括燃料类型、压缩比、进口充气温度、充气中的氧气浓度、当量比(equivalence rate)、充气密度和增压(boost)压力。但是，现有技术中缺乏在发动机转速(engine’sspeed)和负荷运行的全程内控制HCCI发动机中燃烧引发为最优时间(例如由曲柄角位置确定)的实际方法。另外，现有技术还缺乏成功地从一个速度/负荷工作点转变到另一个速度/负荷工作点快速转变(即控制瞬态发动机操作)的实际方法。另外，现有技术还缺乏在发动机瞬变期间在多缸发动机中调节(平衡)汽缸到汽缸的燃烧(需要非常快的调节，例如在一次发动机循环内或者在高发动机转速下小于1/30秒)的实际方法。本发明提供了消除了现有技术的这些和其它特点的具备HCCI燃烧的发动机的操作方法。

发明内容
本发明提供了一种HCCI发动机，其具有在发动机从一个速度/负荷工作点转变到另一个速度/负荷工作点期间维持稳定、高效、低排放HCCI燃烧的控制系统。本发明还在优选的多缸发动机实施方案中提供单独汽缸的燃烧控制。
如关于本发明的控温燃烧发动机主申请中所述，对于各种发动机转速和负荷工作点燃烧事件中影响曲柄角位置的关键参数(本文中通常称作“发动机工作参数”)包括充气进口温度(T1)、进气压力(增压)、充气氧气浓度、发动机冷却和发动机压缩比。在本发明中，根据燃料量的调节而调节这些“发动机工作参数”，使HCCI发动机在本文中将要说明的速度和负荷条件之间转变。对于本申请，“发动机工作参数”不同于发动机“燃烧参数”(即定时、持续时间或燃烧率的特征)或者发动机“控制参数”(即控制发动机操作的优势或主要决定因素)。如本发明的目的所定义，在下面的表1中总结了样品的各种参数。
在本发明优选的实施方案中，HCCI发动机如下操作(1)通过对每个汽缸的每次循环确定现有的“燃烧参数”值，例如压力上升的最大速率(MRPR)来确定快速燃烧的开始，并且对于每个速度/负荷发动机工作点，对每个汽缸调节发动机“控制参数”(例如命令的燃料量)以维持目标燃烧参数值(例如MRPR)。
(2)比较每个单独汽缸与其它汽缸的命令燃料量(即发动机控制参数)并且调节单独“异常”(“outlier”)(偏离)汽缸的发动机工作参数(例如冷却/加热)，或者使用其它装置来实现汽缸到汽缸可接受的均匀的燃烧和命令的燃料量。通过调节汽缸中(到单独汽缸)的冷却剂流可以实现单独汽缸的温度调节。优选的调节通过单独汽缸的热EGR流速控制而调节进口充气温度(发动机工作参数)来实现。
(3)通过首先调节发动机的至少一个工作参数(例如进气温度、进气压力、进气氧气浓度或许是压缩比)代替现有技术中“首先”增加或降低燃料量来实现速度/负荷命令的改变。然后，燃料量“跟随”或响应调节的发动机工作条件的影响，以维持目标燃烧参数值(例如MRPR)。因此，与现有技术的HCCI方法不同，本发明响应源于发动机工作参数变化的改变的燃烧事件特征来控制并调节燃料量。相比而言，现有技术的HCCI方法改变发动机速或燃料量(即负荷)，然后调节/控制发动机工作条件。
总之，本发明的HCCI发动机通过调节某些发动机工作参数(例如进气温度、进气氧气浓度、进气增压、发动机冷却等)来控制负荷(并且对速度变化作出反应)。燃料调节遵循发动机的改变的工作条件以在给定的速度下提供所需的发动机负荷，并且在汽缸到汽缸的基础上通过控制器调节燃料以实现并维持从存储的发动机地图获得的目标发动机燃烧参数(例如峰值汽缸压力的位置、汽缸压力上升的最大速率等)，从而实现燃烧事件的最优位置(和特性)。在优选的实施方案中，在闭环燃料控制下维持每个单独汽缸以实现并维持目标发动机燃烧参数。因此，在优选的实施方案中，燃料控制是主要的发动机燃烧控制参数。
表1在本发明说明书中使用的“参数”发动机工作参数-影响燃烧事件特性(例如曲柄角位置)和在本发明方法中首先改变以引起发动机负荷改变(并且对速度变化作出反应)的参数。发动机工作参数包括-进口充气温度-进口充气氧气浓度-进口充气压力(增压水平)-发动机冷却-发动机压缩比发动机燃烧参数-表征燃烧事件定时、速率或持续时间的参数。发动机燃烧参数包括-燃烧压力上升的最大速率(MRPR)-燃烧事件的曲柄角位置-峰值燃烧压力的位置-快速燃烧的开始发动机控制参数-当一个或多个发动机工作参数改变时控制来维持目标燃烧参数值的参数，其作为优选的参数包括-燃料消耗率(fuel rate)


图1是本发明HCCI内燃机系统的优选实施方案的示意图。
图2是本发明方法优选步骤的流程图。
图3是表示根据本发明在给定的速度/负荷条件下对于稳定的HCCI燃烧样品发动机工作参数值的图。
图4表示在结合本发明优选控制策略使用的发动机控制参数和燃烧参数之间的控制响应。
图5是表示在根据本发明操作的HCCI发动机下样品逐个周期(cycle-by-cycle)燃烧参数变化的图。
图6表示了当结合本发明可选的优选控制策略考虑并使用时，发动机控制参数和燃烧参数之间的控制响应。
图7a表示了反映HCCI发动机中爆震的压力记录图。
图7b表示了反映HCCI发动机中接近失火的压力记录图。
具体实施例方式
图1表示了根据本发明用于多缸发动机22的HCCI燃烧系统的优选实施方案。进气在端口11处进入进气系统并且流过可选的阀12。排气可能在端口13处与进气混合(形成充气混合物)，排气管线15中的EGR控制阀12’产生排气背压(exhaust back pressure)，迫使排气通过端口16流过可选的冷却器17(具有可选的冷凝水回流管线18)并且流过可选的开关控制阀14到达端口13。(可以代替使用可选的“高压”EGR系统，其将连接在涡轮机/马达27前的排气线与压缩机19后的进气线)。然后可以由涡轮机/马达27和/或可选的马达28驱动，充气流过可选的压缩机19。压缩机19和马达27及28可以是单个单元或者是串联或并联的多个单元，这将在本领域中是公知的。
继续看图1，一部分或者所有充气可以流过排气-充气热交换器20’以加热充气，并且一部分或者所有充气可以绕过热交换器20’，这种流动受旁通阀61’控制。热交换器20’可以位于排气系统的任何地方，但是优选在涡轮机/马达27后面，或者在发动机“冷却剂”系统内。然后，一部分或者所有充气可以优选地流过热交换器20(以冷却充气)，或者流过旁路，这由旁通阀61控制。然后，充气进入进气歧管21和发动机22。单独端口燃料喷射器53位于进气歧管21的单独汽缸进气流道中以允许单独汽缸的燃料控制。可选地，或者另外，可以使用直接汽缸燃料喷射器23来向每个汽缸供应燃料。可以使用单独端口热EGR阀62控制热的排气从端口62’处排气流到每个汽缸的进气流道以允许单独汽缸的热EGR流动。通过传统的进气阀(未显示)充气和燃料进入发动机燃烧室(未显示)。发生燃烧并且排气通过传统的排气阀(未显示)流出燃烧室进入排气歧管24。
在发动机22中，每个汽缸可能包含用于冷起动发动机的火花塞23”(或者其它的点燃装置，这也是本领域中公知的)。每个汽缸还包含燃烧传感器23’，在优选的实施方案中这是压力传感器。可以用来自基础发动机冷却剂热交换器(散热器)81(未显示)的发动机冷却剂单独和局部冷却每个汽缸的燃烧室并且由阀63单独控制。排气流过催化剂64来净化排气。催化剂64可以位于涡轮机27前或后，但是优选在热交换器20’之前。然后，排气流过涡轮机/马达27、热交换器20’、排气15到达大气。
为了管理HCCI燃烧的系统，控制器26接收来自各个传感器的大量输入，其可能包括曲柄角位置传感器34、增压充气压力传感器31、充气温度传感器30、氧气传感器25’、氧气传感器25、充气质量流量传感器29、发动机转速传感器32和扭距命令级别踏板传感器33。然后，如本领域所公知的一样，控制器26向各个阀、传动装置和装置发送大量相应的控制命令，这些命令从存储的地图、计算结果，或者其它的确定装置来确定以通过本发明的方法控制发动机22的操作，这将在下文中更详细地说明。
应该指出在上述系统中，优选使从端口13到燃烧汽缸的进气系统体积最小化以降低进气氧气浓度中命令变化的响应时间(即使传输滞后最小化)。另外，可以使用单独汽缸热EGR系统(包括阀62)调节单独汽缸进气充气气温来平衡汽缸中的燃烧和/或提供进气充气加热器20’的潜在更低成本的替代选择。因为对于最小负荷工作点(参见图3)需要最大的充气加热，并且最小的负荷工作点还产生最高的排气氧气水平，使用直接与充气混合的热排气以增加充气温度对于特别是在最小负荷工作点处增加进气充气气温是个吸引人的选择。
为了与功率水平命令的改变结合，在稳定的HCCI燃烧中维持上面发动机系统的工作，如图2中所提出(步骤1)，优选通过对每个汽缸的每个循环确定现有的“燃烧参数”值，例如压力上升的最大速率(MRPR))来首先进行系统的控制。MRPR的检测只是在快速燃烧期间测量燃烧室内压力增加速率的一个优选的方法，MRPR通常以每度曲柄角巴为单位表示。对于每个汽缸，MRPR值表示在该汽缸中快速燃烧的程度或速率，并且可以通过压力传感器23’来确定，在本领域中这将是公知的。对于本发明，已经选择MRPR作为表征快速燃烧率的优选的发动机燃烧参数。当可以使用潜在地涉及燃烧事件本质的任何发动机燃烧参数来确定各周期间燃烧事件的变化时，在说明本发明中本文将通常使用MRPR。
一旦对于每个发动机汽缸已经确定了现有的燃烧参数值(例如MRPR)，在发动机转速/负荷工作点需要改变以满足当前功率需求(图2，步骤2)的情况中，那么控制器26发送相应的命令信号，调节至少一个发动机的工作参数(例如进气温度、进气压力、进气氧气浓度或者也许是压缩比)，这可能是引起燃烧参数值偏离预定的所需范围所需要的(图2，步骤3和3’)。可以对所有汽缸或者只对偏离(异常)的汽缸进行这种操作，这将在下面讨论。
对于HCCI燃烧，可以按照各种方式调节发动机工作参数以影响受控的特定的燃烧参数值(例如MRPR)。举例来说，只在固定的氧气浓度下提高的增压(充气压力)增加了充气的氧气密度，这提前了燃烧事件的位置，包括峰值燃烧压力和快速燃烧开始的位置及快速燃烧的速率。因此，MRPR随着进气充气压力的增加而增加。另一方面，排气再循环(EGR)速率的增加降低了充气的氧气密度(对于给定的压力)和进气氧气浓度，这就延迟了燃烧事件的位置并且降低了MRPR。另外，增加进气充气温度提前了燃烧的位置并且在给定的负荷/燃料消耗率水平下增加了MRPR。同样，燃烧室壁增加的冷却相似地延迟了燃烧事件的位置并且降低了MRPR。增加的发动机压缩比增加了压缩后的温度，因此提前了燃烧事件的位置并且增加了MRPR。在上述工作参数的相反方向调节同样对MRPR产生相反的作用。
对于给定的条件变化，要改变来维持HCCI燃烧的特定发动机工作参数可以与所需的特定发动机响应有关。举例来说，为了增加发动机负荷，提高增压和降低进气充气氧气浓度(增加EGR)的组合是优选的工作方法。另一方面，为了在低负荷下操作HCCI燃烧，进气充气温度是优选的发动机工作参数。为了对单独汽缸校正MRPR(或者其它所需的燃烧参数)，使其与其它发动机汽缸一起进入可接受的均匀燃烧，优选的工作参数调节是或者通过调节单独汽缸之间的冷却剂流速，或者通过如下所讨论的单独汽缸的热EGR流速控制调节单独进气充气温度来完成单独汽缸的温度调节。
对于在样品发动机转速和压缩比下的稳定的HCCI燃烧，在其它发动机工作参数，例如发动机冷却保持相对正常和恒定的情况下，图3中给出了一些上述发动机工作参数的一般关系和相对值作为发动机负荷(BMEP)的函数。在本领域中应该理解这些值和相对顺序当然可以随着其它发动机工作参数的变化而变化。举例来说，所给出的进气(充气)温度水平最特征地是发动机压缩比为15。对于更低的压缩比，对于给定的低到中等负荷(BMEP)，温度将单向更高，并且压缩比越高，温度将是越低的(例如，在2巴BMEP下对于压缩比为19，进气充气温度将接近100℃)。在给定的负荷下对于更高的压缩比，进气充气氧气浓度(EGR越高产生越低的充气氧气浓度)通常也将是更低的。发动机转速的变化也将有差异(越低的速度提供越多的反应时间并且允许越低的进气温度)。另外，在越大的发动机冷却情况中，将需要越高的进气温度。进气压力(增压水平)定义为足以提供合理的燃烧控制并且维持低于目标NOx阀值的T3(燃烧温度)的量。这些基本关系在关于本发明的标题为“控温燃烧”的主申请中进一步说明。
重要地是，结合上述发动机工作参数调节，在速度和负荷条件改变期间，通过仔细地调节供应给汽缸的燃料量在本发明中维持稳定的HCCI燃烧。在优选的实施方案中，燃料控制是主要的发动机燃烧控制参数。实际上，在发动机工作期间对于每个速度/负荷发动机工作点，对每个汽缸的命令燃料量是维持目标燃烧参数值(例如MRPR)中的支配和主要因素，并且可以按需要快速调节以响应上面所列出的发动机工作参数的变化，保持MRPR在所需的范围内，同时调节发动机工作参数。这种变化的协调允许发动机移向不同的速度/负荷工作点，燃料消耗率的变化匹配(偏移)发动机工作参数变化的效应，而不会在转变期间使发动机中的HCCI燃烧不稳定。
因此，作为一个实例，在需要增加发动机功率输出的情况中，本发明的燃烧系统可以通过改变发动机工作参数以延迟燃烧的位置并降低MRPR(图2，步骤3)作出响应。然后，优选在这种变化之后，控制器26命令燃料消耗率增加(图2，步骤4)以补偿(offset)MRPR的实际变化并且维持燃烧的目标位置(或者MRPR的目标值)，燃料的增加反过来以受控的方式增加发动机负荷。发动机控制器内的控制回路是极快的，因此燃料调节紧跟着发动机工作参数的改变。相似地，改变发动机工作参数以提前燃烧的位置并且增加MRPR(图2，步骤3’)会导致控制器26命令燃料消耗率抵消降低(图2，步骤4’)以维持燃烧的目标位置(或者MRPR的目标值)，这会降低发动机负荷。
按照这种方式，本发明的方法在闭环调节/控制中使用发动机燃烧控制参数，例如优选实施方案中的燃料消耗率(其它实施方案中的进气充气温度或氧气浓度)来响应并且抵消改变发动机工作参数的影响，保持发动机燃烧参数(例如MRPR)在瞬时发动机工作点(速度/负荷)的目标值，同时调节负荷以满足发动机命令的功率输出。本领域中应当理解图2的步骤5至8表示了在该方法下的闭环回路结束，以响应每个回路中的速度变化。
从前面可见，与现有技术的HCCI方法不同，本发明控制燃料量响应源于发动机工作参数改变的刺激的、变化的燃烧事件特性。换句话说，它改变至少一个发动机工作条件(参数)以刺激控制系统响应，从而调节燃料量来实现新命令的发动机负荷(或者对速度变化作出反应)。相比而言，现有技术HCCI方法改变燃料量(即负荷)，然后调节/控制发动机工作条件，响应功率要求的变化。现有技术不会具有燃料量“跟随”或者响应发动机工作条件的调节作用，作为维持目标燃烧参数值(例如MRPR)的方法以影响发动机负荷的变化或者对速度变化作出反应。
最后，在本发明的优选实施方案中，控制器26另外可以比较每个单独汽缸与其它汽缸的命令燃料量(即发动机控制参数)并且调节单独“异常”(偏离)汽缸的发动机工作参数(例如冷却或加热)，或者使用其它方法来实现可接受的均匀燃烧和汽缸到汽缸的命令燃料量(图2，步骤8)。另外，优选在汽缸到汽缸的基础上通过控制器调节燃料以实现并维持从存储的发动机地图获得的目标发动机燃烧参数(例如峰值汽缸压力的位置、汽缸压力上升的最大速率等)，从而对每个汽缸实现燃料事件的最优位置(和特性)。因此，在优选的实施方案中，每个单独汽缸处于闭环燃料控制下以实现并维持目标发动机燃烧参数。
可选地，在另一个实施方案中，代替单独汽缸燃料控制，控制器可以对发动机全局提供闭环燃料控制(例如基于所有汽缸燃烧参数值的平均值)，并且依赖对单独汽缸单独调节非燃料发动机工作参数以实现汽缸到汽缸的燃烧平衡(即对于所有汽缸实现相似的燃烧参数值)。在本可选的优选实施方案中，可以通过控制以下部分来维持汽缸到汽缸的燃烧平衡(1)单独汽缸的冷却速率，(2)对单独汽缸的进气温度(尤其是通过单独汽缸热EGR控制的优选方法)，(3)单独汽缸的氧气浓度，(4)单独汽缸的压缩比，(5)单独汽缸的增压水平，和/或(6)本领域技术人员熟知的调节燃烧参数的其它方法。
从关于其用来抵消上面MRPR变化的上述讨论中已经明显可见，但是应当注意尽管燃料消耗率是本发明优选的控制参数，但是因为它也影响燃烧参数，例如MRPR，所以它也可以广泛地是发动机的工作参数并且可以同样使用。举例来说，增加每次燃烧事件的燃料量会增加燃料密度和浓度并且导致更大的放热，这会提前燃烧事件的位置并且增加MRPR。另外，增加发动机负荷并且响应对发动机功率的要求最终需要增加的燃料消耗率应该是明显的。
此外，在优选的实施方案中，通常需要在对于每个发动机工作点(速度/负荷)在可接受的燃烧可变性/稳定性下实现目标NOx水平和最好效率的最低的增压(最低的成本)下操作。另外，对于最高的负荷，发动机优选在最冷的实际进气充气温度、“充足”的增压和进气充气氧气浓度继续降低的情况下操作。对于最高的负荷和速度，增加发动机冷却也是所需的。
为了实现执行如上所述的发动机操作顺序和方法，优选用使HCCI燃烧稳定性最大的控制策略编程控制器26。具体的控制策略可以包括控制逻辑，现在将在下面说明这方面。
作为首先编程的控制策略，对最后的“X”次循环平均各周期间的燃烧参数值(分组平均)，并且适当地各周期间(并且优选逐汽缸地)调节发动机控制参数(例如燃料消耗率)以保持燃烧事件处于优选的位置(例如在TDC和燃烧/膨胀冲程的TDC后20度曲柄角之间)和/或保持燃烧参数(例如MRPR)在对于工作条件的目标范围内。在这种控制策略中，优选将“X”确定为发动机转速和负荷的函数，以及速度和/或负荷变化率的函数。举例来说，对于较稳定的操作，“X”可以是3-5，并且对于发动机瞬态降低至1-3。要平均的循环次数取决于发动机的稳定性(各周期间变化)和工作点。图4表示了将在本控制策略中受控的、在各周期间控制参数(例如燃料量)和燃烧参数(例如MRPR)之间的控制响应的说明，设计该策略来维持燃烧参数值在图表的中央或附近。
因为甚至是对于“稳定的”HCCI工作点(即发动机工作参数和控制参数命令的燃料消耗率是恒定的地方)，燃料参数MRPR典型的各周期间变化，此处优选在控制策略中平均燃烧参数值。举例来说，图5表示了在1200RPM和52牛米(Nm)扭矩下对于稳定的HCCI发动机工作条件的MRPR各周期间变化。命令的燃料消耗率作为对燃料喷射器的脉冲宽度(PW)信号来表达。当降低这种可变性当然是必须之时，除非由于发动机工作参数改变在燃烧中发生“实际”(即半一致)移动，稳定的HCCI燃烧中保留的可变性优选不应该刺激燃烧控制参数改变。
为了进一步解释甚至在稳定HCCI燃烧中这种燃烧参数的可变性，可以使用第二种编程的控制策略。在该可选的策略中，对于每个发动机转速/负荷工作点可以指定各周期间燃烧参数值的较宽范围为“不工作区”以解释由于发动机硬件引起的燃烧参数值的随意可变性，其中将不会触发来自控制参数(例如燃料消耗率)的响应。图6显示了在本可选的控制策略将受控的、在各周期间控制参数(例如燃料消耗率)和燃烧参数(例如MRPR)之间的控制响应，再次设计该策略来维持燃烧参数值在图片的中央(不工作区)目标处或附近。按照这种方式，一旦燃烧参数值偏出“不工作”区，将只触发响应功能，这有助于保证仅对已经在燃烧特性中引起重要改变的发动机工作参数的实际改变(适当地)发生控制参数响应。
在上面任一种控制策略下，在快速瞬变(例如命令负荷快速上升)期间，可以使用另外的控制逻辑电路来(a)降低平均燃烧参数值的周期数(即对于所需的快速变化更加敏感)，(b)加宽“无响应”(即不工作区)燃烧参数值的窗口，从而在这种操作模式期间反映更大的系统可变性，以及(c)调节燃烧参数“目标”至在短期快速变化(例如MRPR从10巴/曲柄角度变化到6巴/曲柄角度)期间可能更稳定(但是效率或排放不是最优的)的值。
在任何情况下，如同本发明所提供的一样，燃烧事件的控制方法必须总是能够控制燃烧位置在爆震燃烧(参见图7a的汽缸压力图)和“接近失火”的燃烧(参见图7b的汽缸压力图)之间发生。在图7a和7b中，x轴相应于时间或者曲柄角度数，大约7500的值表示压缩冲程的TDC。
最后，如前面所述，降低逐周期各周期间的燃烧可变性也是所需的，这由发动机燃烧参数(例如MRPR)中的变化来确定。这种燃烧可变性通常随着发动机负荷和速度而逐渐增加。为了降低这种可变性(并且提高燃烧稳定性)，重要的是使发动机工作参数或发动机控制参数中非命令和非目的的变化或改变最小。另外，申请人还发现最小化这种可变性的两种方法包括提高增压和控制燃烧室冷却，这将在下面解释。
提高增压，甚至超过实现低NOx目标(根据本发明的主申请)所需，对于给定的负荷(和速度)增加了充气质量，并且这种增加的充气质量是增加的热缓和剂(亦称为“散热器”)。因此，如果充气质量增加，减小了从燃烧室壁移向充气(直接改变充气温度并因此改变燃烧的开始和燃烧事件的特性)的热量各周期间可变性的影响。结果，申请人已经发现如果举例来说充气质量增加50％，由于发动机可变性的影响各周期间充气温度变化的影响也降低50％的量级。
还可以使用控制燃烧室冷却来降低发动机燃烧可变性的各周期间影响。燃烧室冷却减小了通过燃烧室壁进入充气中的热流的变化，否则该热流变化引起充气温度的变化增加，因此导致如前面所述的燃烧事件的可变性。可以通过本领域技术人员熟知的大量方法来实现控制燃烧室冷却，但是本发明优选的方法包括(1)如同在进气阀下的活塞中，在最容易控制冷却的地方，例如体积不直接暴露于排气阀下，定位燃烧“凹腔”(“bowl”)(即包含TDC处和附近的充气的体积)，(2)使可变(控制)流速的冷却剂导向口将进入(冷却的)冷却剂导向上面的发动机汽缸顶部区域和/或围绕着燃烧凹腔，和/或(3)使用可变的且可控的冷却活塞(尤其是围绕着燃烧的体积)的装置，例如具有多个导向燃烧凹腔附近区域中活塞底部的油喷(或者多流喷射)。
如上所述，本发明包括一种实用HCCI发动机，其具有能够维持稳定的、高效的HCCI燃烧的独特控制系统，并且在发动机操作的所有速度和负荷点下以及从一个速度/负荷点到另一个速度/负荷点的发动机转变期间具有低排放。本发明还在优选的实施方案中重要地提供了在多缸发动机中的单独汽缸燃烧控制。
应当理解本文提出的本发明的具体实施方案没有构成所有本发明的潜在实施方案，因此本发明的范围仅受下面的权利要求限制，而不受上面详述的具体单个实施方案的限制。
权利要求
1.一种可按均质充量压燃模式操作的内燃机，其包括具有多个在其中形成的燃烧汽缸的发动机体；在每个燃烧汽缸中形成的用于燃料和充气混合物燃烧的燃烧室；用来确定所述燃烧的一个或多个燃烧参数的燃烧参数确定装置；用来调节一个或多个发动机工作参数，从而对于随后的燃烧事件改变一个或多个燃烧参数值的发动机工作控制装置；及燃烧控制参数控制装置，被编程为响应所述燃烧参数值的变化，或者响应所述发动机工作参数的调节而调节燃烧控制参数值，并且，在通过发动机工作控制装置调节一个或多个发动机工作参数的同时限制或抵消所述燃烧参数值的变化。
2.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数是燃料量。
3.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数是进口充气温度。
4.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数是进口充气氧气浓度。
5.根据权利要求1的内燃机，其中所述进口充气氧气浓度是由发动机工作控制装置调节的发动机工作参数之一。
6.根据权利要求1的内燃机，另外包括用来再循环热的高压排气以增加用于燃烧的充气的进气温度的装置。
7.根据权利要求1的内燃机，其中所述发动机工作控制装置对于每个燃烧汽缸单独调节一个或多个发动机工作参数。
8.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节充气的进气温度。
9.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节充气的进气压力。
10.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节充气的氧气浓度。
11.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节室壁的温度。
12.根据权利要求11的内燃机，另外包括用于每个燃烧汽缸的单独汽缸冷却的装置。
13.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数控制装置被另外编程以响应所述确定的燃烧参数的平均值控制燃烧控制参数，从而降低发动机燃烧可变性的影响。
14.根据权利要求13的内燃机，其中被平均以给出所确定的燃烧参数的所述平均值的事件数量是发动机转速、负荷或瞬间条件的函数。
15.根据权利要求13的内燃机，其中如果所述平均值落在规定的不工作区范围内，所述燃烧控制参数控制装置被另外编程，使得燃烧控制参数响应所述确定的燃烧参数的平均值变化而不改变。
16.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧室部分由位于燃烧室冷却控制区中的燃烧凹腔限制。
17.一种操作多缸均质充量压燃(HCCI)内燃机的方法，其包括向内燃机中多个燃烧室中的每个中引入一定量的燃料和一定量的充气；确定充气的温度；确定充气的压力；确定充气的氧气浓度；燃烧所述燃料和所述充气的混合物；确定所述燃料和充气混合物燃烧的一个或多个燃烧参数；对于随后的燃烧事件，调节引入所述燃烧室中的充气的温度、压力或氧气浓度中的一个或多个，使得对于给定的发动机转速和负荷，所确定的燃烧参数落在目标范围内；以及响应一个或多个所述确定的燃烧参数，控制燃烧中使用的燃料量，以抵消或限制在所述充气的温度、压力或氧气浓度的调节期间燃烧参数的变化。
18.根据权利要求17的方法，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节充气的进气温度。
19.根据权利要求18的方法，其中通过再循环热的高压排气，对于每个燃烧室调节充气的进气温度。
20.根据权利要求17的方法，其中对于每个燃烧室单独确定并调节充气的进气压力。
21.根据权利要求17的方法，其中对于每个燃烧室单独确定并调节充气的氧气浓度。
22.根据权利要求17的方法，其中对于每个燃烧室单独确定并调节室壁的温度。
23.根据权利要求22的方法，其中通过单独汽缸冷却调节每个燃烧室的室壁温度。
24.根据权利要求17的方法，另外包括响应所述确定的燃烧参数的平均值，控制燃烧中使用的燃料量以降低发动机燃烧可变性的影响。
25.根据权利要求24的方法，其中对于所确定的燃烧参数平均的事件数量是发动机转速、负荷或瞬间条件的函数。
26.根据权利要求24的方法，其中如果平均值落在规定的不工作区范围内，则燃料量响应所述确定的燃烧参数的平均值变化而不改变。
27.根据权利要求17的方法，另外包括通过提高充气的进气压力使发动机燃烧变化最小化。
28.根据权利要求17的方法，另外包括通过冷却所述燃烧室使发动机燃烧变化最小化。
29.根据权利要求28的方法，其另外包括通过在所述燃烧室中的燃烧凹腔周围控制冷却使发动机燃烧变化最小化。
全文摘要
本发明提供了具有控制系统的多缸均质充量压燃(HCCI)型发动机，也称作预混合充量压燃(PCCI)发动机，设计所述控制系统在发动机从一个速度/负荷工作点转变到另一个速度/负荷工作点期间维持稳定、高效、低排放的HCCI燃烧。通过下面优选的方法，调节燃烧事件中影响曲柄角位置的规定的“发动机工作参数”(即，充气进口温度、进气压力(增压)、充气氧气浓度、发动机冷却和发动机压缩比)，配合燃料量的调节来获得本发明的HCCI燃烧控制(1)对于每个汽缸的每个周期，确定现有的“燃烧参数”值，如压力上升的最大速率(MRPR)；(2)调节发动机的发动机工作参数以实现所述燃烧参数值的变化；(3)此后，响应调节后的发动机操作条件的效果，对每个汽缸调节发动机“控制参数”(例如命令的燃料量)以维持燃烧参数值的所需目标；及(4)对每个“异常”(偏离)汽缸单独调节冷却、加热和/或燃料命令，以实现均匀的燃烧。还提出了使HCCI燃烧稳定性最大化的优选的控制策略，如平均检测到的燃烧参数值和/或忽略在规定不工作区内的燃烧参数值，从而忽略在稳定的HCCI工作点处燃烧参数值的各周期间的随机变化。使这种发动机燃烧可变性最小的其它方法包括增加进气压力(增压)并控制燃烧室冷却，并且另外进行说明。
文档编号F02B5/00GK1926538SQ200480041060
公开日2007年3月7日 申请日期2004年12月7日 优先权日2003年12月11日
发明者小查尔斯·L·格雷 申请人:美国环境保护署