专利名称：均质充量压燃式发动机及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种均质充量压燃式发动机和操作该均质充量压燃式发动机的方法。更具体地说，本发明涉及一种优化用作专用发电机等的固定式发动机的均质充量压燃式发动机。
背景技术：
传统的发动机可分成两类火花点火(SI)发动机和柴油机。可通过使空-燃混合气变稀薄来提高SI发动机的热效率。然而，火花可以扩散的浓度比受到一定的限制。因此，SI发动机需要节气门来调整空气的量。结果，SI发动机的热效率劣于柴油机的热效率。相反，柴油机具有令人满意的热效率。然而，柴油机不能将燃料和空气充分混合。结果，因燃料在高温下的局部燃烧而容易产生NOx，而且，因局部富化而容易产生积炭。
与这些发动机相比，均质充量压燃式发动机可预混合空气和燃料。这样，局部高温燃烧或富化加浓出现的机率比较小，NOx和积炭的产生量也较微弱。另外，在均质充量压燃式发动机中，化学变化会触发点火。这样，对浓度比的依赖性较SI发动机低。结果，均质充量压燃式发动机能够使空-燃混合气变得非常稀薄，同时实现与柴油机相同水平的热效率。由于具有这种优点，均质充量压燃式发动机引起了广泛关注。然而，在均质充量压燃式发动机中，过热会导致突燃，而加热不足会导致不着火。因此与其它发动机相比，不着火、爆震和早燃倾向于更容易发生。这就容易缩小均质充量压燃式发动机的操作范围。
已经提出了一种利用了均质充量压燃的低NOx排放的四冲程发动机，该发动机降低了与废气一起排放的碳氢化合物(HC)的量(例如参考日本公开特许公报No.2000-64863)。该出版物中描述的发动机包括可以根据发动机负荷的高或低来改变进气门和排气门的气门正时的可调气门促动机构。当发动机负荷较高时，将气门正时设置成在活塞接近上止点时排气门关闭。当发动机负荷较低时，随着负荷降低，将气门正时设置成在排气冲程期间，在活塞到达上止点之前排气门在较早的时间关闭。另外，当发动机处于高负荷状态时，设置于燃烧室中的点火器在活塞接近压缩上止点时点燃燃料并使之燃烧。当发动机负荷较低时，发动机进行均质充量压燃，而不是用点火器来点燃燃料。也就是说，在均质充量压燃过程中，可调气门促动机构调整排气门关闭的时间，从而执行内部废气再循环(EGR)。
还已经提出了一种使一些废气再循环并将再循环废气充入预混合气中以使点火容易发生的均质充量压燃式发动机(例如参考日本公开特许公报No.2000-240513)。该出版物提出使用可加热可燃气体、进气或空-燃混合气的热交换器。热交换器加热预混合气，从而使点火在发动机中容易发生。该出版物给出了以水加热器产生的热水或发动机废气作为热交换器热源的实例。
还提出了一种均质充量压燃式发动机，其包括向燃烧室供应增压空气(进气)的增压器、用冷却液来冷却增压器所供应和加热的空气的冷却机构，以及用于检测增压器的增压状态的增压检测机构(例如参考日本公开特许公报No.2001-221075)。均质充量压燃式发动机的废气驱动该增压器。冷却塔用空气来冷却冷却液。该均质充量压燃式发动机还包括用于设定燃料供应量以设定预混合气的浓度比设定机构，以及用于设定供应到燃烧室内的空气的温度的空气温度设定机构。该发动机存储了相对于浓度比和在增压状态下所供应的空气温度的发动机输出。该发动机还包括输出设定机构，其通过根据上述存储关系操作上述两个设定机构来设定发动机输出，以便调整浓度比和供应空气的温度。
在日本公开特许公报No.2000-64863中所描述的发动机执行内部EGR以提高预混合气的温度并促进点火。然而，当发动机处于怠速时，在只使用内部EGR的情况下，用于加热预混合气的热能不足。在此状况下，均质充量压燃就变得不稳定。
在日本公开特许公报No.2000-240513中描述了一种使一些废气再循环到进气通道中并将废气充入预混合气中以加热预混合气的方法，即利用内部EGR来提高预混合气的温度的方法，该方法具有较低的热效应。这是因为高效率的均质充量压燃式发动机会产生较低的废气温度。这样，利用废气再循环(外部EGR)稍微提高了进气的温度。然而。空-燃混合气的比热也提高了。这会降低活塞压缩端(上止点)处的温度，进而影响点火。
在日本公开特许公报No.2000-240513中描述的另一种方法采用以废气或热水作为热源的热交换器来加热预混合气。在该方法中，由于较低的废气温度和延伸穿过热交换器的通道的长度的关系，要将预混合气加热到足够的温度是比较困难的。该出版物描述了一种用于加热以获得热水的热水器。考虑到该热水器的燃料消耗，尽管均质充量压燃可以确保较高的燃烧效率，然而要提高整台设备的能量效率仍是比较困难的。另外，为了只使用进气来将空-燃混合气加热到可以稳定均质充量压燃的温度，那么进气温度必须升高到120摄氏度或更高。因此，当使用热水时，必须要采取例如给热水施加压力的措施，以便使热水不会沸腾。
如日本公开特许公报No.2001-221075中所述，均质充量压燃式发动机包括采用可供应增压空气(进气)的增压器来加热空-燃混合气的机构。这样便可在发动机高速运转时获得必要的热量。然而，当发动机低速运转时，预混合气的加热就不足了。如果使用另一个驱动源如电动机来驱动增压器，那么该增压器将能够使空气增压。然而，这会消耗能量。另外，使用增压器会导致用于进气的复杂的温度调整机构。例如，必须使用冷却机构。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种均质充量压燃式发动机，该发动机可用简单的结构使得均质充量压燃能在较宽的范围内进行。本发明的另一个目的是提供一种操作这种发动机的方法。
本发明的一个方面是一种采用燃料与含氧气体的混合气来操作的均质充量压燃式发动机。该发动机包括用于供应燃料与含氧气体的混合气的燃烧室。往复运动的活塞压缩并点燃燃烧室中的混合气。活塞的往复运动促使输出轴转动。进气门和排气门可打开和关闭燃烧室。可调气门促动机构可打开和关闭进气门或排气门，以便进行内部废气再循环。在将含氧气体或混合气供应到燃烧室中之前，由加热器来加热含氧气体或混合气。存储装置存储了相对于发动机负荷和输出轴转速的进行均质充量压燃所必需的内部废气再循环的量和由加热器加热的含氧气体或混合气的加热状态的对应信息。控制器控制可调气门促动机构和加热器，以实现与发动机所需负荷和输出轴所需转速相对应的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态。
本发明的另一方面是一种操作均质充量压燃式发动机的方法。该方法包括向具有活塞的燃烧室供应燃料与含氧气体的混合气，使活塞在燃烧室中往复运动以压缩并点燃混合气，通过活塞的往复运动促使输出轴转动，通过进气门和排气门来打开和关闭燃烧室，驱动可调气门促动机构来打开和关闭进气门或排气门以便进行内部废气再循环，存储表示了相对于发动机负荷和输出轴转速的进行均质充量压燃所必需的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态的对应信息，根据该对应信息来确定发动机所需负荷和输出轴所需转速是否处于能够实现均质充量压燃的范围内，以及在所需负荷和所需转速处于能够实现均质充量压燃的范围内时，基于该对应信息来控制可调气门促动机构，以实现与发动机所需负荷和输出轴所需转速相对应的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态，同时，在向燃烧室供应含氧气体或混合气之前加热含氧气体或混合气。
本发明的另一方面是一种操作均质充量压燃式发动机的方法。该方法包括向具有活塞的燃烧室供应燃料与含氧气体的混合气，使活塞在燃烧室中往复运动以压缩并点燃混合气，通过活塞的往复运动促使输出轴转动，通过进气门和排气门来打开和关闭燃烧室，驱动可调气门促动机构来打开和关闭进气门或排气门以便进行内部废气再循环，存储表示了相对于发动机负荷和输出轴转速的进行均质充量压燃所必需的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态的特性图(map)，基于该特性图来控制可调气门促动机构，以实现与发动机所需负荷和输出轴所需转速相对应的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态，同时在向燃烧室供应含氧气体或混合气之前加热含氧气体或混合气，以及在通过进行均质充量压燃操作不能实现发动机所需负荷和输出轴所需转速时进行火花点火操作。
从下述描述中并结合通过示例显示了本发明原理的附图，可以清楚本发明的其它方面和优点。
通过参考下面的对现有优选实施例的描述并结合附图，可以最佳地理解本发明及其目的和优点，其中图1是显示了根据本发明第一实施例的均质充量压燃式发动机的示意图；图2(a)是特性图，其显示了相对于发动机转速和负荷的在进行均质充量压燃时图1所示发动机的操作范围；图2(b)是详细显示了图2(a)中被虚线所包围部分的示意图；图3(a)和3(b)是显示了图1所示发动机中的进气门和排气门的打开和关闭正时的示意图；图4是显示了图1所示均质充量压燃式发动机的操作控制的流程图；图5(a)和5(b)是显示了图1所示发动机所进行的内部EGR的不同阶段的示意图；图6是显示了根据本发明第二实施例的均质充量压燃式发动机的示意图；图7是显示了图6所示均质充量压燃式发动机的操作控制的流程图；图8(a)是特性图，其显示了相对于发动机转速和负荷的在进行均质充量压燃时根据本发明第三实施例的发动机的操作范围；图8(b)、8(c)和8(d)是详细显示了图8(a)中的部分的示意图；和图9是特性图，其显示了相对于发动机转速和负荷的在进行均质充量压燃时根据本发明另一实施例的发动机的操作范围。
具体实施例方式
下面将参照图1到5来描述本发明的第一实施例。均质充量压燃式发动机10(下文简称为发动机)包括发动机体11和可电子式控制发动机10的控制器12。
该发动机体11包括容纳了多个气缸13a(图1中只示出一个)的气缸体13和气缸盖14。活塞15在各气缸13a中往复运动。在各气缸13a中的活塞15和气缸盖14之间形成有燃烧室16。在进气和压缩冲程之后，燃烧室16中的空-燃混合气的燃烧所产生的力驱动活塞15在气缸13a中往复运动。活塞15的往复运动通过连杆17转化为用作输出轴的曲柄轴18的旋转运动，从而产生发动机体11的输出。发动机体11是一个四冲程内燃机。
对各气缸13a而言，在气缸盖14内设置有用于打开和关闭进气口19的进气门20以及用于打开和关闭排气口21的排气门22。可调气门促动机构23和24可分别改变进气门20和排气门22的打开和关闭正时。可调气门促动机构23和24可独立地打开和关闭进气门20和排气门22。可调气门促动机构23和24例如由电磁驱动器或液压促动器形成。
延伸到进气口19中的进气通道25和从排气口21中延伸出来的排气通道26连接到气缸盖14上。在进气通道25内设置有燃料喷嘴27。该燃料喷嘴27通过管子28连接到燃油箱(未示出)中。在管子28内设置有用于控制燃料供应量的电磁控制阀29。在该实施例中采用天然气作为燃料。另外，在进气通道25中的燃料喷嘴27的上游设置有空气滤清器30和节气门31。节气门31由节气门电机32(电动机)电气式地操作。节气门31的开度的调整可以调节进入燃烧室16的进气的流率。
在进气通道25内设有用于加热进气的加热器33。在该实施例中，加热器33由可在废气和进气之间交换热量的热交换器形成。排气通道26分出两条通道。一个分支通道26a与加热器33相连。流过分支通道26a的废气与进气交换热量，然后释放入大气。流过另一分支通道26b的废气直接释放入大气。电磁三通阀34设置在排气通道26的分叉部分处，以便在0到100％范围内调节流过分支通道26a的废气的百分比。也就是说，三通阀34在其中来自排气通道26的所有废气流向分支通道26b而不流过分支通道26a和加热器33的状态与其中所有废气都流向分支通道26b而排放到大气中去的状态之间调节废气的量。该三通阀34可以是滑阀。
在进气通道25内的加热器33的下游和燃料喷嘴27的上游设置了可检测进气通道25内的温度的温度传感器35和可检测进气的流率的空气流量计36。
可控制发动机10操作的控制器12控制可调气门促动机构23和24、电磁控制阀29、节气门电机32和三通阀34，以便满足由输出设定机构37所设定的发动机10的负荷和转速。
控制器12包含有微型计算机38。微型计算机38包括起存储装置作用的存储器39(ROM和RAM)。温度传感器35、空气流量计36、用于检测发动机体11内的冷却液温度的冷却液温度传感器40以及用于检测发动机转速或者曲轴18的转速的速度传感器41均电连接到控制器12的输入部分(输入界面)。可调气门促动机构23和24、电磁控制阀29、节气门电机32和三通阀34均电连接到控制器12的输出部分(输出界面)。
基于传感器输出的检测信号，控制器12确定发动机10的操作状态，并控制可调气门促动机构23和24、电磁控制阀29、节气门电机32和三通阀34，从而将发动机10调整到预定的操作状态。
存储器39存储用来确定指令值(控制值)以根据发动机10的操作状态来控制发动机10的特性图、公式等等，该操作状态是由来自温度传感器35、空气流量计36、冷却液温度传感器40和速度传感器41的检测信号确定的。该特性图和公式包括用来确定例如燃料喷射量和节气门开度的特性图和公式。
存储器39存储有均质充量压燃的操作特性图，该特性图显示了相对于曲轴18的转速和负荷的能够实现均质充量压燃的内部EGR量和由加热器33所加热的进气的加热状态。参照图2(a)，用作对应信息的均质充量压燃操作特性图M显示了相对于曲轴18(即发动机10)的负荷和转速的可以实现均质充量压燃的范围。如图2(a)所示，均质充量压燃的可能范围包括通过只使用内部EGR来加热空-燃混合气以使燃烧稳定进行的第一区域A1，以及通过内部EGR来加热空-燃混合气和通过加热器33来加热进气这两者都进行的第二区域A2。与只用内部EGR来进行加热时相比，通过同时进行用内部EGR来加热空-燃混合气和用加热器33来加热进气这两者，就扩大了在发动机10的负荷和转速较低时的均质充量压燃的范围以及在发动机10的负荷和转速较高时的均质充量压燃的范围。
基于特性图M，控制器12控制可调气门促动机构23和24以及加热器33，从而实现与发动机10的所需负荷和转速相对应的内部EGR量和进气的加热状态。汽油发动机和柴油发动机都可进行内部EGR。然而，在这种情况下，内部EGR的比率为几个百分比到几十个百分比。在本发明中，内部EGR进行为使得内部EGR的比率高于几个百分比到几十个百分比。在本实施例中，内部EGR进行为使得内部EGR的比率为30到80％。内部EGR的比率指燃烧室16中的已燃气体相对于燃烧室16中的气体总量的比例。
下面将描述发动机10的运行。
控制器12从冷却液温度传感器40、速度传感器41等的检测信号中来确定发动机体11的运行状态。另外，控制器12计算发动机10的目标转速和负荷，在满足或接近满足由输出设定机构37所设定的发动机所需转速和负荷的状态下来进行均质充量压燃操作。另外，控制器12控制电磁控制阀29、节气门电机32、可调气门促动机构23和24和三通阀34，以获得适合于实现目标转速和负荷的燃烧状态，也就是说，获得合适的空-燃比、内部EGR量和进气的加热状态。
根据图4的流程图来执行均质充量压燃式发动机10的操作。首先，在步骤S1中，发动机10进行预热操作。控制器12向电磁控制阀29和节气门电机32输出指令信号，以实现可满足存储于存储器39中的预热操作条件的空-燃比。另外，控制器12向可调气门促动机构23和24输出指令信号，以实现能满足预热操作条件的内部EGR量。
然后，在步骤S2中，控制器12基于冷却液温度传感器40的检测信号来确定发动机10是否已预热。也就是说，控制器12确定冷却液温度传感器40的检测温度是否大于或等于表明发动机10已经预热的值。如果预热已经完成，控制器12则前进到步骤S3，如果预热未完成，控制器12则回到步骤S1。表明发动机10已预热的冷却液温度事先经实验得到，并存储于存储器39中。
在步骤S3中，控制器12确定当前的冷却液温度是否大于与发动机10的所需转速和负荷相对应的值(调节值)。如果冷却液温度大于调节值，控制器12则前进到步骤S4，如果冷却液温度小于或等于调节值，控制器12则前进到步骤S5。调节值是通过调整用内部EGR和加热器33进行加热的条件来实现与所需转速和负荷相对应的稳定均质充量压燃(HCCI)的发动机体11的温度。另外，调节值可事先经实验得到，并存储于存储器39中。
在步骤S4中，控制器12从图2(a)的特性图M中确定所需的转速和负荷是否包含在均质充量压燃的操作范围内。如果所需的转速和负荷包含在均质充量压燃的操作范围内，控制器12则前进到步骤S6，如果所需的转速和负荷处于均质充量压燃的操作范围之外，控制器12则前进到步骤S5。在步骤S5中，控制器12向可调气门促动机构23和24以及三通阀34发出指令信号，从而达到能够在当前冷却液温度下实现接近所需转速和负荷的均质充量压燃的操作条件。也就是说，在当前冷却液温度下，控制器12向可调气门促动机构23和24发出指令信号，以获得与接近于所需转速和负荷的值相对应的内部EGR量。控制器12还向三通阀34发出指令信号，以将进气加热到与所需转速和负荷接近的值相对应的状态。
在步骤S6中，控制器12确定进气是否必须要由加热器33加热。如果必须要进行加热，该控制器则前进到步骤S7，如果不必进行加热，该控制器则前进到步骤S8。在步骤S7中，控制器12向三通阀34发出指令信号，以便向加热器33供应与所需的转速和负荷相对应的加热进气所必须的废气量。然后，控制器12前进到步骤S9。在步骤S8中，控制器12向三通阀34发出指令信号，以使加热器33不加热进气。换句话说，控制器12向三通阀34发出指令信号，以便不向加热器33供应废气。然后，控制器12前进到步骤S9。
在步骤S9中，控制器12向可调气门促动机构24发出指令信号，以实现发动机10的所需转速和负荷。换句话说，控制器12向可调气门促动机构24发出指令信号，以实现与目标转速和负荷一致的排气门22的关闭正时，或者排气门关闭(EVC)正时。控制器12向电磁控制阀29和节气门电机32发出指令信号，以实现与目标转速和负荷相对应的空-燃比(A/E)。结果，发动机10可以在所需的转速和负荷下稳定运转。
更具体地说，该特性图M形成为使得表示了相对于发动机转速和负荷的内部EGR量的带状区域(A1)与表示了相对于发动机转速和负荷的内部EGR量和加热状态的带状区域(A2)部分地相互重叠。参考图2(b)，该特性图形成为使得第一区域A1的带状部分和第二区域A2的带状部分在第一区域A1和第二区域A2的边界处重叠。因此，当发动机10的操作条件从未使用加热器33的第一区域A1转变到使用加热器33的第二区域A2时，加热器33被控制成在发动机10与第一区域A1的边界部分A1相对应的状态下开始加热。这对于将空-燃混合气平稳地加热到所需温度来说是优选的。
在本发明中，当进行均质充量压燃时，通过内部EGR来加热空-燃混合气以促进点火。当只使用内部EGR来加热是不充分时，例如在低负荷运转的期间，则使用加热器33。这就扩大了可在低负荷高转速范围内进行均质充量压燃的操作范围。也就是说，当只进行内部EGR时，图2(a)所示的第一区域A1与可在相应的发动机转速和负荷下稳定地进行均质充量压燃的范围相对应。当与内部EGR一起使用加热器33时，可以稳定地进行均质充量压燃的范围被扩大到第二区域A2。
当周围温度在25摄氏度左右时，即使不用加热器33加热进气，进气在到达发动机体11入口处时其温度也会变成约40摄氏度。优选用加热器33来加热进气，以便使发动机体11入口处的进气温度为80到90摄氏度。
图3(a)和3(b)是显示了可调气门促动机构23和24的气门正时的一个实例的示意图。如图3(a)和3(b)中所示，当活塞15经过上止点(TDC)并向下止点(BDC)运动时，进气门20打开(IVO)。当活塞15经过下止点(BDC)并向上止点(TDC)运动时，进气门20关闭(IVC)。另外，当活塞15接近下止点(BDC)时，排气门22打开(EVO)，而当活塞15经过下止点(BDC)并向上止点(TDC)运动时，排气门22关闭(EVC)。也就是说，如图3(b)中所示，当活塞15从排气冲程向进气冲程转变时，排气门22处于打开状态和进气门20处于打开状态没有重叠的期间。
在本实施例中，如图5(a)中所示的状态，在排气冲程期间，排气门22关闭，从而将一些燃烧废气封入在燃烧室16中。从图5(a)中的状态开始，活塞15将被进一步提升以压缩和加热燃烧废气。如图5(b)中所示的状态，当活塞15经过上止点并向下止点运动时，进气门打开，用于下一循环的新鲜空-燃混合气(刚向燃烧室16提供的混合气)与加热过的燃烧废气混合。调整排气门22的关闭正时(EVC)，以使内部EGR的比率处于30到80％的范围内。与排气门22的关闭正时EVC相对应的曲柄角例如为68度到92度。
本实施例具有下述优点。
(1)均质充量压燃式发动机10包括存储了均质充量压燃操作特性图M的存储器39，该特性图M显示了可实现均质充量压燃的内部EGR量和由加热器33加热的进气的状态之间的关系。基于该特性图M，控制器12便可控制可调气门促动机构23和24以及加热器33，从而实现与所需的负荷和转速相对应的内部EGR量和进气的加热状态。因此，发动机10用简单的结构扩大了均质充量压燃的操作范围。另外，基本上用内部EGR所产生的热量来加热混合气。这就降低了加热器33所需的热能。因此，在均质充量压燃期间通过使用废热便可确保足够的可操控性(可在较宽范围的所需发动机转速和负荷内适用)。
(2)可控制排气门22的打开和关闭正时(EVC)，以使内部EGR的比率处于30到80％范围内。因此，可以有效地进行用内部EGR来加热混合气。这样就可稳定均质充量压燃。
(3)加热器33是可在废气和进气之间交换热量的热交换器。发动机10运转所产生的热量被有效地用于均质充量压燃。因此，即使如果发动机10处于怠速，也可以令人满意的效率来进行均质充量压燃，不需要从外部设备中提供热能。与使用其它加热器相比，这样降低了能量消耗。另外，即使对高负荷操作来说降低了内部EGR量，废热也补偿了热能的不足。这样就可以稀薄的空-燃混合气来进行高效率且稳定的均质充量压燃。这使得可以扩大发动机10的运行范围，不需要从外部设备中提供热能。
(4)通过在排气冲程期间关闭排气门22并将一些燃烧废气封入到燃烧室16中来进行内部EGR。与在进气冲程期间暂时性地打开和关闭排气门22，并将排气口21中的废气经排气门22抽回到燃烧室16中以使废气与新鲜空-燃混合气相混合时相比，这样方便了排气门22的打开和正时控制。
(5)基于均质充量压燃的操作特性图M，控制器12确定所需的负荷和转速是否包括在均质充量压燃的范围内。如果所需的负荷和转速处于均质充量压燃的范围内，控制器12就基于特性图M来控制可调气门促动机构23和24以及加热器33，从而实现与所需的负荷和转速相对应的内部EGR量和进气或空-燃混合气的加热状态。因此就可以在稳定的状态中进行均质充量压燃操作。
(6)可调气门促动机构23和24由电磁驱动器或液压促动器形成。因此，可以自由地改变排气门22的关闭正时。这就促进了对内部EGR比率的控制。另外，当向燃烧室16供应空-燃混合气时，进气门20的打开正时(IVO)的调整促进了对空-燃混合气和内部EGR气体的混合状态的调整。
(7)当所需的负荷和转速未包括在均质充量压燃的范围内时，发动机10在与均质充量压燃范围内的接近所需负荷和转速的一定负荷和转速相对应的EGR量和进气加热状态下操作(步骤S5)。因此，当所需的负荷和转速未处于均质充量压燃范围内时，发动机在接近与所需的负荷和转速相对应的范围的状态下运转。
下面将参照图6和7来描述第二实施例。本实施例的均质充量压燃式发动机10与第一实施例中的有很大的不同，即其可进行均质充量压燃和火花点火(SI)。更具体地说，第二实施例的发动机10与第一实施例的不同在于它包括点火器。为避免重复，与第一实施例中的对应部件相同的那些部件用类似或相同的标号来表示。这样的部件将不进行详细描述。图6显示了第二实施例的均质充量压燃式发动机10的示意图。图7显示了该均质充量压燃式发动机10的操作控制的流程图。
参考图6，在各燃烧室16的气缸盖14上设置有起点火器作用的火花塞42。火花塞42具有暴露在相应燃烧室16内的点火部分。除了图2(a)中的均质充量压燃的操作特性图M之外，存储器39还存储了火花点火的操作特性图(未示出)。当所需的发动机负荷和转速未包括在均质充量压燃的特性图内M时，控制器12进行火花点火操作。控制器12根据图7的流程图来控制均质充量压燃式发动机10的操作。
图7的流程图与第一实施例中的流程图的区别仅在于，其包括代替了步骤S5的步骤S10。在步骤S1中以同在第一实施例中一样的方式进行预热操作。然而，该预热操作由火花点火操作来进行。然后，在所需的负荷和转速处于均质充量压燃的范围内时，控制器12进行均质充量压燃操作，而在所需的负荷和转速未包括在均质充量压燃的范围内时，控制器12前进到步骤S10。在步骤S10中，基于火花点火的操作特性图，控制器12控制电磁控制阀29和节气门电机32，以实现与目标发动机转速和负荷相对应的空-燃比和点火正时。
除了优点(1)到(6)之外，本实施例还具有下述优点。
(8)燃烧室16包括可进行火花点火的火花塞42因此，与第一实施例的发动机10相比，该发动机10可适用于较高的发动机转速和负荷。
(9)除了均质充量压燃的操作特性图M之外，存储器39还存储有火花点火的操作特性图。因此，当通过均质充量压燃操作不能实现所需的负荷和转速时，控制器12可以容易地转换到可实现所需的负荷和转速的火花点火操作。
下面将描述本发明的第三实施例。在该实施例中，均质充量压燃式发动机10与第一实施例和第二实施例有很大的不同，即，甚至在很高的负荷范围内也可以进行均质充量压燃，而仅通过内部EGR无法在该范围内进行均质充量压燃。均质充量压燃式发动机10的硬件结构与图6所示的第二实施例中的一样。存储在存储器39中的程序中的一部分与第二实施例中的不同。为避免重复，与第一实施例和第二实施例中的对应部件相同的那些部件采用类似或相同的标号来表示。这样的部件将不进行详细描述。图8(a)是特性图，其显示了均质充量压燃范围内的发动机10的转速和负荷之间的关系。图8(b)、8(c)和8(d)显示了图8(a)中被虚线所包围的部分。
存储器39存储了图8(a)中所示的特性图M2。该特性图M2是显示了可实现均质充量压燃的EGR量和进气的加热状态之间的关系的均质充量压燃的操作特性图。该均质充量压燃的操作特性图M2显示了相对于发动机10的负荷和转速的均质充量压燃的范围(A1、A2和A3)。
参考图8(a)，均质充量压燃范围包括第一区域A1、第二区域A2和第三区域A3。在第一区域A1内，用内部EGR加热混合气以稳定燃烧。在第二区域A2内，用内部EGR加热混合气，用加热器33加热进气。在第三区域A3内，用内部EGR加热混合气，用加热器33加热进气。换句话说，通过在图2(a)所示的特性图M中添加第三区域A3形成了特性图M2。
第二区域A2覆盖了低负荷范围和高转速范围，在该低负荷范围内，仅用内部EGR加热混合气不能稳定燃烧，而在该高转速范围，仅用内部EGR加热混合气不能稳定燃烧。第三区域A3覆盖了高负荷范围以及高负荷高转速范围，在该高负荷范围内，仅用内部EGR加热混合气不能稳定燃烧，而在该高负荷高转速范围内，仅用内部EGR加热混合气不能稳定燃烧。在特性图M2中，第一区域A1和第三区域A3之间的边界部分(图8(c))以及第二区域A2和第三区域A3之间的边界部分(图8(d))的形成方式与第一区域A1和第二区域A2之间的边界部分(图8(b))的形成方式相同。更具体地说，在图8(c)中，显示出相对于转速和负荷的内部EGR量和加热状态的带状区域(A1)与显示出相对于转速和负荷的内部EGR量和加热状态的带状区域(A3)部分地重叠。在图8(d)中，显示出相对于转速和负荷的内部EGR量和加热状态的两个带状区域(A2和A3)部分地相互重叠。
由于第二区域A2和第三区域A3都需要用内部EGR来加热混合气以及用加热器33来加热进气，因此它们在这一方面是一样的。然而，在第二区域A2中主要通过内部EGR来进行加热，而在第三区域A3中主要通过加热器33来进行加热。这是因为在低负荷范围(A2)内与所需负荷相对应的燃料供应量较小。因此，如果降低进气且提高内部EGR量，不会带来问题。然而，在高负荷范围(A3)内与所需负荷相对应的燃料供应量较大。因此，当提高内部EGR比率时，燃烧会变得不稳定，并且会因进气或者氧气量的缺乏而出现不着火。在本实施例中，第一区域A1和第二区域A2之间的边界处(图8(b))的内部EGR比率是80％，而第一区域A1和第三区域A3之间的边界处(图8(c))的内部EGR比率是30％。
在第三区域A3中，将内部EGR比率设置成30％或更少。也就是说，可调整排气门22的关闭正时(EVC)以使内部EGR比率是30％或更少。气门关闭正时例如与处于上止点之前的68度或更小的曲柄角相对应。在第三区域A3中，根据操作条件，内部EGR量基本上为零。当内部EGR量接近零时，也就是说当大部分加热由加热器33进行时，进气的温度会达到120摄氏度。因此，在第三区域A3中，加热之后的进气温度为80到120摄氏度。
当操作均质充量压燃式发动机10时，控制器12优先进行均质充量压燃操作。然而，当所需的发动机负荷和转速未包括在特性图M2的均质充量压燃范围内时，控制器12进行火花点火操作。控制器12根据与图7所示流程图类似的流程来控制均质充量压燃式发动机10的操作。在第三实施例的流程图中，步骤S6和S7的内容与图7所示的不同。
在步骤S6中，控制器12确定是否有必要用加热器33进行加热。控制器12基于所需的转速和负荷在特性图M2中所处的区域做出这种确定。当所需的转速和负荷位于第二区域A2或第三区域A3中时，控制器12前进到步骤S7。在步骤S7中，为了向加热器提供实现与所需转速和负荷在第二区域A2或第三区域A3中的位置相对应的加热状态所需的废气量，控制器12基于特性图来确定三通阀34的开度，并向三通阀34发出指令信号。当所需的负荷是在其中只进行内部EGR不能够稳定地进行均质充量压燃的高负荷时，控制器12基于特性图M2中的第三区域A3来调整内部EGR量和三通阀34的开度。当所需的负荷是在其中只进行内部EGR不能够稳定地进行均质充量压燃的低负荷时，控制器12基于特性图M2中的第二区域A2来调整内部EGR量和三通阀34的开度。
当操作状态从未使用加热器33的第一区域A1转变到使用了加热器33的第三区域A3时，优选在与第一区域A1的边界部分相对应的状态下开始用加热器33对进气进行加热，从而将进气温度平稳地加热到所希望的温度。当操作状态从第二区域A2转变到第三区域A3时，优选在与第二区域A2的边界部分相对应的状态下提高用加热器33来加热的进气的量。当操作状态从第三区域A3转变到第二区域A2时，优选在与第三区域A3的边界部分相对应的状态下降低用加热器33来加热的进气的量。
除了第一实施例的优点(1)到(6)和第二实施例的优点(8)到(9)之外，本实施例还具有下述优点。
(10)通过将内部EGR比率设置成30％或更少，就可以降低内部EGR量，以提高与高负荷相对应的所供应进气的量。另外，可通过提高由加热器33加热的进气量以及提高进气的温度来补偿由于内部EGR量的降低所导致的进气的加热量缺乏。因此，均质充量压燃的范围可被扩大到高负荷的范围，而在第一和第二实施例中均质充量压燃在该范围内无法进行。
(11)当在高负荷下操作发动机10时，废气温度比在低负荷下操作发动机10时要高。当发动机10在高负荷下操作时所产生的废热可由加热器来利用。这就补偿了在内部EGR降低时会变得不足的热能，还使均质充量压燃能够用稀薄的空-燃混合气高效率地进行。
对于本领域内的技术人员来说很明显，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明可以许多其它的具体形式来体现。具体来说，可以理解，本发明可以体现为下面的形式。
根据均质充量压燃式发动机10的使用环境，存在着能够实现稳定均质充量压燃的范围必须扩大到高负荷范围而不是低负荷范围的情况。在这种情况下，利用第三实施例的结构，使用图9所示的特性图M3来代替图8(a)所示的特性图M2，该特性图M3是作为显示了能够实现均质充量压燃的内部EGR量和由加热器33加热的进气的状态之间的关系的特性图。在特性图M3中，均质充量压燃的范围包括进行只用内部EGR来加热混合气即可稳定燃烧的第一区域A1，以及必须进行用内部EGR来加热混合气和用加热器来加热进气这两者的第三区域A3。
在第三实施例(图8(a))和图9所示的实施例中，可以将能够在只用内部EGR不能进行均质充量压燃的高负荷范围(A3)内实现均质充量压燃的结构用在图1所示的均质充量压燃式发动机10上，该发动机10不具有点火器(火花塞42)，并且只能进行均质充量压燃。
在特性图M2和特性图M3的第三区域A3内，将空-燃混合气的温度调整到一个使得即使内部EGR比率是0％、也就是说即使不进行内部EGR而只进行用加热器33来加热进气也能够实现均质充量压燃的值。
通过在进气冲程期间打开排气门22以让一些废气从排气口21回流到燃烧室16中，便可进行内部EGR。另外，可以使用与燃烧室16和排气口21相连的废气引导通道，以及可关闭和打开该废气引导通道的气门。换句话说，在进气冲程期间可控制该气门以让一些废气从排气口21回流到燃烧室16中，并使废气与新鲜的空-燃混合气混合起来。
加热器33并不局限于用废气作为热源并与进气交换热量的热交换器。加热器33可以是用发动机体11的冷却液作为热源并与进气交换热量的热交换器。然而，废气的温度比冷却液的温度要高。因此，用废气作为热源的热交换器具有较高的进气加热效率。另外，用废气作为热源以进行热交换的热交换器和用发动机体11的冷却液作为热源以进行热交换的热交换器可同时使用。
与加热进气不同，可用加热器33来加热进气和燃料的混合气。或者，可加热进气和混合气这两者。
作为用废气或用发动机体11的冷却液作为热源以进行热交换的热交换器的替代，加热器33可以是可加热进气或空-燃混合气的电加热器。或者，加热器33可以额外地包括有这样的电加热器。在预热操作期间，废气和冷却液的温度较低。因此，当用废气或冷却液作为热源时，进气或空-燃混合气无法被充分加热。然而，使用电加热器可在短时间内将进气或空-燃混合气加热到必要的温度，并可稳定预热操作。另外，在预热操作之后，当进气或空-燃混合气必须在较短时间内被热时，电加热器是有效的。
在显示了相对于发动机负荷和转速的能够实现均质充量压燃的内部EGR量和由加热器33加热的进气状态的均质充量压燃的操作特性图M中，作为直接显示负荷的替代，可以使用与负荷相对应的其它值，例如平均有效指示压力(IMEP)或用于设定所需负荷的设定机构的操作量。
在特性图M2和M3中，作为直接显示负荷的替代，可以使用与负荷对应的其它值，例如平均有效指示压力(IMEP)或用于设定所需负荷的设定机构的操作量。
均质充量压燃式发动机10的燃料并不局限于天然气，可以是任何类型的燃料，例如汽油、丙烷气、甲醇、二甲醚、氢和柴油燃料。
可以使用仅在预热操作期间容易压缩和点火的燃料。在这种情况下，在预热操作之后将燃料更换为正常操作的燃料。
均质充量压燃式发动机10并不局限于四冲程发动机，也可以是两冲程发动机。
空-燃混合气中的燃料不必是气体，也可是雾化燃料。
燃料不必喷入到进气通道25中并与进气混合以产生进入到燃烧室16中的空-燃混合气。例如，在进气冲程期间可将燃料喷入到燃烧室16中。另外，燃料可在化油器或混合器中与进气混合。
均质充量压燃式发动机10不必具有多个气缸，可以只具有一个气缸。
可调气门促动机构23和24可以是使用凸轮轴并通过凸轮或摇臂来打开和关闭进气门或排气门的已知机构。
作为设置在分支通道26a和26b的分叉部分处以调节从排气通道26流向分支通道26a的废气量的三通阀34的替代，可在各个分支通道26a和26b处设置流量调节阀。在这种情况下，控制器12控制这两个流量调节阀。
均质充量压燃式发动机10不必是固定的，也可以作为汽车的发动机。在这种情况下，发动机10必须可以在均质充量压燃操作和火花点火操作之间切换。
进气不必是空气，也可以是含有燃料燃烧所必需的氧气的气体。例如，可以使用通过将氧气混合入空气中以提高氧气浓度所生成的气体。
现有的例子和实施例应当被视为示例性的而不是限制性的，本发明并不局限于文中所给的细节，而是可在所附权利要求的范围及其等效替换的范围内进行修改。
权利要求
1.一种用于在燃料与含氧气体的混合气下操作的均质充量压燃式发动机，所述发动机包括用于供应燃料与含氧气体的混合气的燃烧室；用于压缩并点燃所述燃烧室中的混合气的往复运动活塞；由所述活塞的往复运动带动旋转的输出轴；用于打开和关闭所述燃烧室的进气门和排气门；和用于打开和关闭所述进气门或排气门以进行内部废气再循环的可调气门促动机构；所述发动机的特征在于加热器，其用于在向所述燃烧室供应含氧气体或混合气之前加热所述含氧气体或混合气；存储装置，其用于存储相对于发动机负荷和输出轴转速的进行均质充量压燃所必需的内部废气再循环的量和由所述加热器加热的含氧气体或混合气的加热状态的对应信息；和控制器，其用于控制所述可调气门促动机构和加热器，以实现与发动机所需负荷和输出轴所需转速相对应的内部废气再循环量和所述含氧气体或混合气的加热状态。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述控制器可控制所述可调气门促动机构，以便在所述活塞处于排气冲程时关闭所述排气门，或者在所述活塞处于进气冲程时打开所述排气门，从而进行内部废气再循环。
3.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述排气门的打开和关闭正时可被控制为使得内部废气再循环的比率处于30到80％范围内。
4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述内部废气再循环的比率指所述燃烧室中的燃烧废气相对于所述燃烧室中的气体总量的比例。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的发动机，其特征在于，来自内部废气再循环的燃烧废气加热所述含氧气体或混合气，当通过只用内部废气再循环来加热所述含氧气体或混合气所述发动机不能稳定地进行均质充量压燃时，所述控制器启动所述加热器。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，当所述发动机的负荷较低时，所述控制器启动所述加热器。
7.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，来自内部废气再循环的燃烧废气加热所述含氧气体或混合气，如果所述发动机负荷较高且通过只用内部废气再循环来加热所述含氧气体或混合气所述发动机不能稳定地进行均质充量压燃，所述控制器便启动所述加热器。
8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述控制器控制所述排气门的打开和关闭正时，以使内部废气再循环的比率为30％或更少。
9.根据权利要求1到4中任一项所述的发动机，其特征在于，所述加热器包括可在废气或发动机冷却液和所述含氧气体或混合气之间交换热量的热交换器。
10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述加热器还包括用于加热所述含氧气体或混合气的电加热器，至少当预热所述发动机时，所述控制器通过使用所述电加热器来加热所述含氧气体或混合气。
11.根据权利要求1到4中任一项所述的发动机，其特征在于，所述燃烧室包括点火器，如果在所述发动机进行均质充量压燃时不能实现发动机的所需负荷和输出轴的所需转速，那么所述控制器控制所述点火器，以使所述发动机进行火花点火。
12.根据权利要求1到4中任一项所述的发动机，其特征在于，所述对应信息包括特性图，其包括显示了相对于发动机负荷和输出轴转速的内部废气再循环量的区域；和显示了相对于发动机负荷和输出轴转速的内部废气再循环量和由所述加热器加热的所述含氧气体或混合气的加热状态的区域，其中，所述两个区域部分地相互重叠。
13.一种操作均质充量压燃式发动机的方法，所述方法包括向具有活塞的燃烧室供应燃料与含氧气体的混合气；使所述活塞在所述燃烧室中往复运动，以便压缩并点燃所述混合气；通过所述活塞的往复运动来促使输出轴转动；通过进气门和排气门来打开和关闭所述燃烧室；和驱动可调气门促动机构来打开和关闭所述进气门或排气门，以便进行内部废气再循环，所述方法的特征在于存储表示了相对于发动机负荷和输出轴转速的进行均质充量压燃所必需的内部废气再循环量和所述含氧气体或混合气的加热状态的对应信息；根据所述对应信息来确定发动机所需负荷和输出轴所需转速是否处于能够实现均质充量压燃的范围内；和当所需负荷和所需转速处于能够实现均质充量压燃的范围内时，基于所述对应信息来控制所述可调气门促动机构，以实现与发动机所需负荷和输出轴所需转速相对应的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态，同时在向所述燃烧室供应含氧气体或混合气之前加热所述含氧气体或混合气。
14.一种操作均质充量压燃式发动机的方法，所述方法包括向具有活塞的燃烧室供应燃料与含氧气体的混合气；使所述活塞在所述燃烧室中往复运动，以便压缩并点燃所述混合气；通过所述活塞的往复运动来促使输出轴转动；通过进气门和排气门来打开和关闭所述燃烧室；和驱动可调气门促动机构来打开和关闭所述进气门或排气门，以进行内部废气再循环，和所述方法的特征在于存储表示了相对于发动机负荷和输出轴转速的进行均质充量压燃所必需的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态的特性图；基于所述特性图来控制所述可调气门促动机构，以实现与发动机所需负荷和输出轴所需转速相对应的内部废气再循环量和含氧气体或混合气的加热状态，同时，在向所述燃烧室供应所述含氧气体或混合气之前加热含氧气体或混合气；和当通过进行均质充量压燃操作不能实现发动机所需负荷和输出轴所需转速时，进行火花点火操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于对所述发动机进行火花点火，直到所述发动机被预热为止；和在所述火花点火操作之后，当发动机所需负荷和输出轴所需转速处于能够实现均质充量压燃的范围内时，对所述发动机进行均质充量压燃操作。
全文摘要
一种均质充量压燃式发动机，包括燃烧室和用于压缩并点燃燃烧室中的空－燃混合气的活塞。可调气门促动机构可打开和关闭排气门，以便进行内部废气再循环。加热器在混合气向燃烧室供应之前加热混合气。存储装置存储了相对于发动机负荷和输出轴转速的进行均质充量压燃所必需的内部废气再循环量和由加热器加热的混合气的加热状态的对应信息。控制器控制可调气门促动机构和加热器，以实现与发动机所需负荷和转速相对应的内部废气再循环量和混合气的加热状态。
文档编号F02B1/12GK1680695SQ200510065720
公开日2005年10月12日 申请日期2005年4月8日 优先权日2004年4月8日
发明者葛山裕史 申请人:株式会社丰田自动织机