用于受控自动点火四冲程内燃发动机的氮氧化物排放控制的制作方法

专利名称：用于受控自动点火四冲程内燃发动机的氮氧化物排放控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及四冲程内燃发动机的操作。
背景技术：
汽车工业正在不断研究新的方法来改善内燃发动机的燃烧过 程，以提高燃料经济性，使其达到或超过排放控制指标，以及满足 或超越消费者与排气排放、燃料经济性、产品差异化有关的期望。
大多数现代的普通汽油内燃发动机试图工作在大约这样的化学
计量(stoichiometric)的条件下。也就是说，所提供的最佳空气/燃料比 基本上是14.6比1 ，这样可使输送到发动机中的燃料和氧气基本上全 部消耗掉。这样的工作情况使得能够用三效催化剂进行排气后处理， 以净化任何未消耗的燃料(碳氢化合物HC)和燃烧副产物如氮氧化 物(NOx)和一氧化^灰(CO)。大多数现代发动机是燃料喷射的， 包括节气阀体喷射(TBI)或多点燃料喷射(MPFI),在多点燃料喷 射中，若千喷射器的每一个靠近多缸发动机中每个气缸的进气口而 布置。通过多点燃料喷射布置方式，可以实现较好的空气/燃料比控 制；然而，象缸壁潮湿和进气通路动态特性这样的条件限制了这种 控制的实现精度。燃料输送精度可以通过直接喷射(DI)得到改善。 所谓的线性含氧传感器提供了较高程度的控制能力，而且当与直接 喷射结合在一起时能够形成具有改进的缸至缸空气/燃料比控制能力 的系统。然而，这样的话，缸内燃烧动力学变得更加重要，而且燃 烧质量在排放控制中起到越来越重要的作用。于是，发动机制造商 已经专心于这样的事情，例如喷射器喷射型式、进气涡流、活塞几 何形状等，以实现改进了的缸内空气/燃料配合比和均匀性。
虽然化学计量的汽油四沖程发动机和三效催化剂系统有可能达
到超低的排放指标，但是，这类系统的效率落后于所谓的贫燃(lean-burn)系统。贫燃系统通过燃烧控制还有希望达到氮氧化物的排放指 标，燃烧控制包括高排气稀释以及新出现的氮氧化物后处理技术。 然而，贫燃系统仍然面对着其它的障碍，比如燃烧质量和燃烧稳定 性，尤其是在部分负荷工作点和高的排放排气稀释时。另外，新兴 的氮氧化物后处理技术可要求定期的还原剂输送(例如燃料)，以 便使后处理装置再生，从而有损于贫燃发动机操作期间所提供的净 燃料消耗的好处。
从根本上讲，贫燃发动机包括所有工作时空气超过所供应燃料 燃烧所需空气量的内燃发动机。有各种燃料供给和点火方法来区分 贫燃技术。火花点火系统(SI)通过在燃烧室中提供放电作用来起动 燃烧。压缩点火系统(CI)通过燃烧室状态，包括空气/燃料比、温 度和压力等的组合，来起动燃烧。供给燃料的方法可以包括节气阀 体喷射(TBI)、多点燃料喷射(MPFI)和直接喷射(DI)。均匀 燃烧系统的特征是十分稳定，而且空气/燃料混合物中燃料的气化和 分布十分充分，它可以通过进气循环初期的多点燃一+喷射或直4秦喷 射来实现。分层燃烧系统的特征是，空气/燃料混合物中燃料的气化 和分布不太充分，而且一般来说对应于压缩循环末期的燃料直接喷 射。
已知的汽油直接喷射发动机可以选择性地工作在均匀火花点火 (homogeneous spark ignition)或分层火花点火(stratified spark ignition)
模式下。均匀火花点火模式通常被选择用于较高负荷状态，而分层 火花点火模式通常被选择用于较低负荷状态。
某些直接喷射式的压缩点火发动机采用基本上均匀的预热空气 燃料混合物，并在发动机压缩冲程中形成可引起点火的压力和温度 条件，而不需要额外的火花能量。这一过程有时被称作受控自动点 火。受控自动点火是一种可预见的过程，因此与火花点火式发动机
有时所发生的不希望有的预点火情况不同。受控自动点火还不同于 柴油发动机中所熟悉的压缩点火，在压缩点火中，燃料基本上在刚 喷射到高预压缩的高温充气空气中时就产生点火，而在受控自动点 火过程中，预热的空气和燃料在燃烧前的进气过程混合到一起，而 且其压缩型式大体上与普通的火花点火四沖程发动机系统相一致。
已经提出能够自动点火的四冲程内燃发动机，其通过控制与燃 烧室相连的进气阀和排气阀的运动，来确保空气/燃料充填物与燃烧 后的气体混合，以产生适合于自动点火的状态，而不需要对吸入的 空气或气缸充填物进行外部预热，也不需要有高压缩型式。关于这 一点，已经提出了某些发动机，其中的凸轮驱动排气阀在四冲程循 环中要比火花点火四冲程发动机的普通排气阀迟关闭很多时间，从 而使开启的排气阀与开启的进气阀大大重叠，于是，先前排出的燃 烧后气体在进气循环的初期被4由回到燃烧室中。已经提出了某些别 的发动机，其中的排气阀在排气循环中很早就被关闭，从而截留燃 烧后的气体以用于在后续进气循环中与燃料及空气混合。在这两类 发动机中，排气阀和进气阀在每个四冲程循环中只被打开一次。已 经提出了某些别的发动机，其中液压控制的排气阀在每个四沖程循 环中被打开两次， 一 次是要在排气循环中将燃烧后的气体从燃烧室 排出到排气通道中，另 一 次是要在进气循环的后期将燃烧后的气体 从排气通道抽回到燃烧室中。这些发动机不同地可采用节气阀体燃 料喷射、进气点燃料喷射或燃烧室直接燃料喷射。
尽管这类贫燃发动机系统看起来似乎十分优越，但就燃烧质量、 燃烧稳定性和氮氧化物排放而言，仍然存在某些不足之处，尤其是 在部分负荷工作点和高排气稀释时。这样的不足之处会导致一些不 希望有的折衷，包括在部分负荷工作点时实际上可以减少多少燃料 供给，同时仍然能够保持可以接受的燃烧质量和稳定特性以及对净 燃料消耗的限制。
发明概述
本发明是一种在受控自动点火模式下工作的四沖程内燃发动机 的控制方法。该发动机包括由活塞在气缸内在上止点和下止点之间 往复运动所限定的体积可变的燃烧室、进气通道和排气通道、燃料 传输系统，以及在所述活塞的重复的顺序的排气、进气、压缩和膨 胀沖程中受到控制的进气阀和排气阀。可变阀系统和燃料传输系统 相互协作式地工作，以便利用具有化学计量的或贫的空气/燃料比的 缸内燃料填充，来执行受控的自动点火。提供了发动机氮氧化物排 放的测量值，并且当该测量值超越了预定的阈值时，缸内燃料填充 就从化学计量的或贫的空气/燃料比中的正在实施的 一个空气/燃料比 转换至化学计量的或贫的空气/燃料比中的未实施的那一个空气/燃料 比。
更具体而言，可通过将燃料供给率与氮氧化物排放测量结果相 关联起来的查阅表，通过氮氧化物传感器，或者通过将发动机爆震 与氮氧化物排放测量结果关联起来的查阅表，来提供氮氧化物排放 的测量。
用于实现受控自动点火缸内状态的可变阀系统控制例如可包 括，在进气沖程的至少一部分期间，在燃烧室内建立低于大气压的 压力状态。这种阀控制还优选与排气重新循环进入燃烧室内相关联， 例如通过内部或者外部机构，包括通过排气阀提前关闭而将排气截
留(trapping)在燃烧室内，通过排气阀或者进气阀将排气再吸入(re-breathing),或者通过或者通过外部排气再循环机构。作为备选，用 于实现受控自动点火缸内状态的可变阀系统控制例如还可包括，在 燃烧室内截留并且重新压缩燃烧后气体的一部分。
燃料转换控制可通过本文所述的可选的氮氧化物排放测量和阀
控制方案的各种组合来实施。
附图简介
现在将参考附图并借助于实例来描述本发明，在这些附图中


图1是根据本发明的单缸、直喷式的四冲程内燃发动机的示意
图2示出了传统的火花点火内燃发动机中对应于相关排气阀和进 气阀相位的阀升程与曲柄角之间的关系曲线；
相位和升程与曲柄角的关系曲线，以及为实现所要求的缸内状态而 与图1中带有全柔性阀促动的单缸发动机的发动机负荷对应的优选趋 势;
图4示出了根据本发明的不同气缸压力与曲柄角的关系曲线以及 为实现所要求的缸内状态而与发动机负荷对应的优选趋势；
图5示出了根据本发明的排气再吸入方面的部分负荷工作区域以 及与之对应的示例性燃料喷射正时时间表；
图6示出了根据本发明的通过相位受控阀促动、燃料喷射方式以 及燃烧模式所实现的示例性阀正时与发动机工作的部分负荷区域之 间的关系；
图7示出了根据本发明的排气截留/再吸入方面的不同排气阀和 进气阀相位和升程与曲柄角的关系曲线，以及为实现所要求的缸内 状态而与图1中带有相位受控阀促动的单缸发动机的发动机负荷对应 的优选趋势；
图8示例性地示出了根据本发明的排气截留/再吸入方面的部分 负荷区域以及与之对应的示例性燃料喷射正时时间表；
图9示出了根据本发明的通过相位受控阀促动、燃料喷射方式以 及燃烧模式所实现的阀正时与发动机工作的部分负荷区域的关系；
图10进行比较地示出了针对根据本发明的排气再吸入、重新压 缩和燃料供给控制的不同组合的，空气/燃料比与气缸净平均有效压 力之间的示例性关系曲线；
图11进行比较地示出了针对根据本发明的图10所示排气再吸
入、重新压缩和燃料供给控制的各种示例性组合的，所得到的氮氧
化物排放与气缸净平均有效压力之间的关系曲线；
图12进行比较地示出了针对根据本发明的图10所示排气再吸 入、重新压缩和燃料供给控制的各种示例性组合的，所得到的发动 机爆震与气缸净平均有效压力之间的关系曲线；
图13是框图，示意性地显示了根据本发明一个实施例的空气/燃 料比转换的确定；
图14是框图，示意性地显示了根据本发明一个备选实施例的空 气/燃料比转换的确定；和
图15是框图，示意性地显示了根据本发明另一备选实施例的空 ^/燃料比转换的确定。
优选实施例的描述
首先参考图1，图中示意性地示出了适合于实施本发明的示例性 单缸四冲程内燃发动机系统(发动机)10。应当认识到，本发明同 样适用于多缸四冲程内燃发动才几。所示示例性发动机10#1设计成可 通过燃料喷射器41进行燃料向燃烧室直接喷射(直接喷射)。包括 进气点燃料喷射或节气阀体燃料喷射的可选的燃料供给方案，也可 以用于本发明的某些方面；然而，优选的方法是直接喷射。类似地，
市售各种等级的汽油及其轻乙醇混合物是优选的燃料，其它可供选 择的液体和气体燃料如高乙醇混合物(比如E80、 E85)、純净乙醇 (E99)、纯净曱醇(M100)、天然气、氢气、沼气、各种重整油、 合成气等，也可以用来实施本发明。
就这种基本发动机而言，活塞11可在气缸13内移动，而在其中 形成体积可变的燃烧室15。活塞11通过连杆33连接在曲轴35上， 并且往复地驱动曲轴35或由曲轴35往复地驱动。发动机10还包含 用单个进气阀21和单个排气阀23表示的阀组件16，不过具有多个 进气阀和排气阀的变型同样适用于本发明。阀组件16还包括可采取
任何一种形式的阀促动机构25，包括电控液压或电子机械促动(亦 称全柔性阀促动，FFVA)形式的阀促动机构，以及多轮廓凸轮(亦 称多叶凸轮、多步凸轮)和选择机构、凸轮相位器以及其它机械可 变阀促动技术，它们可单独实施或以组合方式实施。进气通道17将 空气输送到燃烧室15中。进气过程中空气到燃烧室15内的流动是由 进气阀21控制的。燃烧后的气体通过排气通道19从燃烧室15排出， 其在排气过程中的流动由排气阀23控制。
发动机控制是由基于计算机的控制器27提供的，它可以具有传 统的硬件配置形式和其它组合方式，包括具有集成或分布式体系结 构的动力传动系控制器、发动机控制器以及数字信号处理器。 一般 来说，控制器27包括至少一个微处理器、只读存储器、随机存取存 储器、包含才莫/数和^/模转换器以及动力驱动电路的各种输入/输出装 置。控制器27还专门包括用于阀促动机构25和燃料喷射器41的控 制器。控制器27包括，从若干个传感源来监测若千个与发动机有关 的输入信号，包括发动机冷却液温度、外部空气温度、歧管空气温 度、驾驶员扭矩请求、环境压力、节气应用中的歧管压力、比如用 于阀组件和发动机曲轴的位移量和位置传感器，而且还包括，产生 用于各种促动器的控制命令以及进行一般的诊断功能。虽然所示出 和介绍的控制器27是整体式的，但是，与阀促动机构25和燃料喷射 器41相连的控制和动力电子装置也可以作为分布式智能促动配置的 一部分，其中与相应子系统有关的某些监测和控制功能是由与这些 相应阀和燃料控制子系统相连的可编程分布式控制器来实施的。
在已经介绍了适合于实施本发明的状态和某些应用硬件之后， 现在将参考图2-15。在图2中，绘出了现有或传统的火花点火内燃 发动机完整的四冲程燃烧循环以及进气阀和排气阀的阀升程。在这 一附图和后面的附图中，排气阀进程(EV)用细线示出，而进气阀 进程(IV)用粗线示出。水平轴上绘出了曲轴旋转两圈，即整720 度，从对应于上止点(TDC)燃烧的0度(即膨胀冲程开始(压缩冲
程结束)时的活塞位置)开始，并终止于压缩沖程结束(膨胀沖程
开始)时对应于同一上止点位置的720度。按照惯例以及如下所述， 从0至720度的曲轴的角位置指的是在上止点后(ATDC)燃烧的曲 轴旋转度数。在附图顶部的双端箭头内用"膨胀、排气、进气和压 缩"标出了依次重复的循环。这些循环中的每一个对应于在相应上 止点和下止点之间的活塞运动，并覆盖曲轴旋转的整180度或完整四 冲程循环的四分之一。
在本发明的示例性说明书中，使用了四冲程、单缸、0.55公升、 受控自动点火、汽油直接喷射燃料的内燃发动机来实施阀和燃料控 制，并从中获得各种数据。所属领域的普通技术人员应当认识到， 除非专门说明，否则，所有这些实施例和获得的数据都被认为是在 标准条件下进行的。
根据本发明的某些阀控制方面，当发动机部分负荷工作时，在 燃烧室内建立起低压结果，这优选是通过FFVA或者相位受控阀促 动控制进气阀和排气阀的其中一个或多个地开启和关闭来实现的。 在这里所使用的"部分负荷工作"对应于这样的发动机负荷，其低 于大约450千帕净平均有效压力的中间负荷。在这里所使用的"低部 分负荷"对应于这样的发动机负荷，其低于大约125千帕净平均有效 压力。在这里所使用的"中等部分负荷"对应于从大约125至大约200 千帕的净平均有效压力的发动机负荷。而且，在这里所使用的"高
动机负荷。
图3和6示出了本发明的一种相位阀促动拓朴实施例，以实现其 燃烧后气体再吸入的方面。其中，大家所熟知的液压控制阀提升机 构连同凸轮相位器机构，提供了进气阀相位移和排气阀再吸入现象 提升，以实现根据本发明所要求的燃烧室状态。图中所示示例性进 气阀进程的进气持续期间基本上为165度，根据其不同的相移位置， 从较为提前的相位到较为延迟的相位分别标以71、 73、 75和77。
相对于排气过程结束时的排气阀关闭，通过进气阀的相位移来
控制进气阀的打开，从而在燃烧室内形成低压。在图3所示实例中， 假定从180至360度的排气沖程中，至少有一部分时间排气阀是打开 的，以便产生排气过程。在排气过程中排气阀的实际开启和关闭角 度将随着这样一些因素如发动机转速或负荷、排气通路的几何形状 以及其它所要求的发动机调整特性而变化。在本实例中，排气阀关 闭被认为基本上对应于上止点燃烧后380度或排气冲程上止点TDC 后20度。优选的是，排气阀的关闭在排气冲程上止点前大约20度至 排气冲程上止点后20度内发生。 一般认为，排气从燃烧室的最大排 放将有助于使残留气缸压力减到最小，而这种状态一般来说适合于 实现较深和较长持续时间的低压现象。根据某些状态下的气体动力 学，如果排气阀在排气冲程上止点后的某个角度保持开启，将产生 最大排放。更为优选的是，排气阀关闭接着大致在排气沖程上止点 至排气冲程上止点后20度内发生，尤其是在发动机负荷最低时，此 时，根据本发明，较低的缸内压力状态是比较理想的。
与进气沖程中在燃烧室内建立低压现象的目的 一致，还可以要 求排气过程的排气阀关闭在排气冲程上止点前的绝对相位不大于排 气冲程上止点后的进气阀打开相位，或者说，存在最小的阀重叠。 一般来说，为了在燃烧室内建立起所要求的低压状态，如上所述， 要求在排气阀关闭和进气阀打开之间围绕排气沖程上止点存在一定 程度的不对称性。如果排气过程的排气阀关闭在排气冲程上止点前 发生，那么优选在上止点后允许至少有类似的角度，以便使燃烧室 中的压力能够在进气阀开始打开之前减轻。优选的是，在低部分负 荷工作点时，在排气冲程上止点后大约30至大约90度，排气阀关闭 之后，在进气过程中，进气阀打开。
在此之前介绍的进气阀和排气阀相位调整的这些特征基本上如 图3中所示的示例性曲线所述。排气曲线69代表排气过程中的排气 阀曲线，其中阀的关闭发生在排气冲程上止点后大约20度。为了便
于说明，假定就排气过程的排气阀关闭相位而言排气过程基本上是 静态的，不过就象前面所介绍的那样，应当认识到，排气阀曲线的
相位移属于本发明范围之内，以实现各种结果和目的。进气曲线77 对应于进气阀在排气沖程上止点后大约40度打开并且在进气冲程下 止点后大约25度关闭，以实现一级缸内真空。进气曲线75、 73和71 分别对应于进气阀在排气冲程上止点后大约20度、在排气沖程上止 点以及在排气冲程上止点前30度提前打开。对于曲线75、 73和71 的相应的进气阀关闭分别出现在进气冲程下止点后大约5度、进气冲 程下止点前15度和进气冲程下止点前45度处。与在逐渐变小的发动 机负荷下实现减小的气缸压力相一致的是，相位曲线的趋势顺应于 图中所示的变小负荷的箭头。
如果在附图中绘出这种进气曲线的一个连续统，其中进气阀打 开界限处于较少延迟和更多延迟的相位角，那么，在燃烧室内就可 以得到变化的真空度及其持续时间。当然，除了象所介绍的那样仅 仅通过阀打开的相位移在燃烧室内所能实现的各种低压力分布曲线 之外，还可以通过更加复杂和独立的排气和进气曲线的变化来实现 更多的压力分布曲线，这些变化除了正时之外，还包括阀升程的变 化。关于改变真空水平的其它细节在共同转让并且共同未决的美国 专利申请序列号No.l0/611,845(代理人档案号GP國303270); 10/611,366(代理人档案号GP-303271); 10/899，442,(代理人档案号 GP-303776); 10/899，443(代理人档案号GP誦303692);以及10/899,456(代 理人档案号GP-304128)中的另外的细节中进行了阐述，这些专利申 请的内容通过引用而结合于本文中。
为了在燃烧室内建立低压现象，可进行进气阀和排气阀的相位 受控阀促动，用以在燃烧室内形成压力水平的下降和持续，而这在 已知的传统四冲程工作过程中是不存在的。现在进一步参考图4，图 中示出了对应于上面参考图3所介绍的取决于负荷的进气阀曲线趋势 的压力分布曲线。其中，曲线用数字61概括表示而且只示出了完整 四冲程过程中排气沖程和进气沖程的360度曲轴旋转角，如附图顶部 标有"排气和进气，，的双端箭头所示。气缸压力在沿纵轴的线性刻 度上示出，环境压力被专门标出，并被认为大体上是一个标准大气 压或大约101千帕。区域63概括表示根据本发明建立的低压现象或 次大气压力状态。中等深且持续时间较长的低压基本上可达到环境 压力或大气压力以下60千帕，换句话说，比环境压力或大气压力低 大约60%,或是环境压力或大气压力的大约40%。图4中所示的特 定曲线当然是示例性的，借助于更加复杂和独立的排气曲线和进气 曲线的变化，可以形成其它类似的曲线和分布，这些变化除了正时 之外还包括阀升程的变化。举例来说，相对于图3中所示的特定曲线 77，在进气过程中进气阀打开的进一步延迟将实现更深的低压，而 在进气过程中进气阀打开的进一步提前将实现较'浅的低压。例如， 较浅且持续时间有限的低压基本上可达到环境压力或大气压力以下 42千帕，换句话说，比环境压力或大气压力低大约42%,或是环境 压力或大气压力的大约58%。又比如，较深且持续时间较长的低压 基本上可达到环境压力或大气压力以下75千帕，换句话说，比环境 压力或大气压力低75%大约，或是环境压力或大气压力的大约25%。 如前面参考图3所介绍的，较低的缸内压力优选在较低的发动机负荷 时实现。也就是说，较深的真空度是在较低的发动机负荷时达到的。 图4中的负荷减小箭头示出了随发动机负荷减小而变化的进气压力曲 线所需的受控趋势。
再循环废气优选被引入燃烧室中，用以与空气和燃料混合。目 前，再次参考图3中所示的阀进程，排气再吸入排气阀的促动实现了 再吸入先前通过排气阀排出到排气通道中的燃烧后的气体。阀升程 的变化可以使该排气再吸入实施中的气体组分混合物和温度发生变 化。在图3中用标号79来表示一种示例性的再吸入进程。
现在将介绍以上述方式工作的发动机的优选燃料供给方法。对 于直接喷射而言，可以选择液态和气态喷射。而且，还应当认识到，
可以采用空气辅助和其它类型的输送方法。此外，可采用的点火系 统类型是可以变化的(一般来说依据发动机负荷和爆震方面的考虑 因素)，而且包括这样一些非限制性的实例，如火花点火、压缩点 火和受控自动点火。
根据本发明的燃料供给控制方面，示出了在发动机的部分负荷
工作区域内的两个常见的负荷区域。参见图5,低部分负荷区域标为 L-PL，而中等/高部分负荷区域被标为I/H-PL。这些区域中绘出了完 整的四冲程燃烧循环，其中底部表示上止点燃烧后的曲柄角，而顶 部表示相应的依次重复的燃烧循环区域。 一般来说，在低部分负荷 区域中使全部燃料供给产生分段喷射，而在中等/高部分负荷区域中 使全部燃料供给产生单次喷射。在附图中示出了过渡区域62，它可 以与相邻的 一 个或两个部分负荷区域重叠，从而使部分负荷区域有
效地扩展，以进行相应的燃料控制。
对于分段喷射，循环所需的全部燃料供给量被分成两个喷射过 程。其中一个喷射过程在进气循环的初期进行，而另一个喷射过程 在压缩循环的末期进行。 一般来说，第一次燃料供给过程喷射了大 约百分之10至百分之50的循环所需全部燃料量。 一般来说，通过这 第一部分燃料形成的气缸充填对于燃烧室内的自动点火是不够的。 循环所需燃料量的其余部分是在第二次燃料供给过程中喷射的。此 第二部分燃料在活塞的压缩冲程中使气缸充填增加至足以引起自动 点火。
笫二次燃料喷射的渗透和扩散因较高的缸内充填温度和密度而 受到抑制。于是在燃烧室中形成局部的富混合物区。空气、再吸入 的燃烧后气体以及来自第 一次燃料喷射的燃料所形成的混合物与通 过第二次燃料喷射形成的局部富混合物共同起作用，以实现较低压 缩比下的汽油自动点火，而不需要火花的任何帮助，相比而言柴油 自动点火中所使用的压缩比较高。
在高部分负荷工作区域(H-PL)中，进行单次燃油喷射。对于单次喷射，循环所需的全部燃并牛供给量被合并到在进气循环初期所 进行的一次喷射过程中。
图5还示出了与喷射正时有关的某些优先选择。由标有56和57
的实线所限界的范围分别对应于低部分负荷工作区域中在进气循环 和压缩循环内进行的第 一次燃^"供给过程和第二次燃料供给过程的 优选角度范围。第一部分燃料优选在上止点燃烧后大约360至大约400 度喷射。当发动机负荷增大时第一次喷射的喷射正时也优选以连续 的方式延迟，如附图中所示。而第二部分燃料在上止点燃烧后大约640 至大约700度(在上止点燃烧前20至80度)喷射。这一喷射正时是 为确保无烟工作而选定的，并受喷射器喷射锥角以及所喷射燃料量 的影响。当发动机负荷增大时第二次喷射的喷射正时也优选以连续 的方式提前。可以使用其它的分段喷射角度范围，但却不能得到象 优选范围那样大的好处。
由标有58的实线所限界的范围对应于中等/高部分负荷工作区域 中在进气循环内进行的进气循环燃料供给过程的优选角度范围。这 一燃料优选在上止点燃烧后大约390至大约450度喷射。当发动机负 荷增大时，这种单次喷射的喷射正时也优选以连续的方式延迟，如 附图中所示。可以使用其它的单次喷射角度范围，但却不能得到象 优选范围那样大的好处。
在负荷变化时从一种喷射方式到另一种喷射方式的转换是由发 动机特性和排放来调节的。举例来说，在低部分负荷工作时，包含 进气冲程初期第一次喷射和压缩沖程中第二次喷射的分段喷射是能 够产生稳定的受控自动点火燃烧的唯 一 喷射方式。当发动机负荷增 大时第二次喷射的喷射正时连续提前，以促进燃料在燃烧室内的扩 散，并使局部混合物的空气/燃料比保持在可接受的范围内，以避免 氮氧化物和烟雾排放达到不可"l秦受的程度。然而，即使喷射正时提 前，在中等部分负荷工作时所形成的氮氧化物(NOx)仍然可上升到 不可接受的水平。因此，如图6中所示，在大约90至大约130千帕净平均有效压力(NMEP)时，喷射方式从分段喷射转换到单次喷射。 实验证明，这两种分段喷射方式在中等部分负荷的发动机工作中产 生类似的发动机特性。在进气冲程中进行单次燃料喷射比进行分段 喷射所排放的氮氧化物要少很多。然而，在进气沖程中进行单次燃 料喷射比进行分段喷射所排放的碳氢化合物(HC)更多，因为逃过 燃烧的在缝隙中截留的燃料增加了。因此，转换发生时的确切负荷 将通过对NOx-HC排放的权衡来确定。
图6示例性地示出了根据本发明的利用相位受控阀促动系统工作 的四冲程内燃发动机中排气阀和进气阀随发动机负荷而变的阀打开 和关闭的正时。其中使用了以下标记进气阀打开(IVO);进气阀 关闭(IVC);排气阀打开-排气(EVOe);排气阀关闭-排气(EVCe); 排气阀打开-再吸入(EVOr);和排气阀关闭-再吸入(EVCr)。图6
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而变的各种燃烧才莫式。具体地i兌，当低于大约420千帕净平均有^tS 力时，发动机在具有贫空气/燃料混合物的受控自动点火燃烧模式 (CAI-L)下工作。在这种燃烧对莫式中，氮氧化物排^:指数随着发动 机负荷增大而提高。在大约420千帕净平均有效压力时，氮氧化物排 放指数为大约1克/千克燃料。在大约420和大约500千帕净平均有 效压力之间，发动机在具有化学计量的空气/燃料比的受控自动点火 燃烧模式(CAI-S)下工作，以允许使用传统的三效催化剂后处理进 行氮氧化物控制。在大约500和大约600千帕净平均有效压力之间， 发动机在具有化学计量的空气/燃料混合物的火花点火的非节气燃烧 模式(NT-S)下工作，并利用进气阀的提前关闭来进行负荷控制。 超过大约600千帕净平均有效压力时，发动机在传统的具有化学计量 的空气/燃料混合物的火花点火的节气燃烧模式(T-S)下工作，直至 达到满负荷。
在之前结合于本文中的共同转让和共同未决的美国专利申请序 列号No.l0/899,442(代理人档案号GP-303776)和10/899，456(代理人档案号GP-304128)中，公开了有关用于受控自动点火的燃烧气体截留 和再循环阀控制和燃料控制的更多细节，包括备选的FFVA实施方案。
根据本发明的某些备选的阀控制方面，在发动机的部分负荷工 作期间，在燃烧室内建立了高压事件，这优选通过FFVA或相位受
排气阀关闭的提前就产生了负的阀重叠，在此期间，排气阀和进气 阀均关闭。排气阀的提前关闭还实现了燃烧后气体的内部再循环， 这是通过在燃烧室内保留或截留 一部分燃烧后气体来实现的。所述 被截留的排气然后在排气循环期间在活塞沖程的剩余时段被重新压缩。
图7和9显示了用于实现本发明的燃烧后气体保留和压缩方面的 相位阀控制促动。其中，大家所熟知的液压控制阀提升机构连同凸 轮相位器机构使进气阀和排气阀产生相位移，以实现根据本发明所 要求的燃烧室状态。进气阀进程的示例性持续期间基本上为125度， 如包括进气进程74的每条独立曲线所示，当发动机负荷减小时，其 对应曲线从更加提前的相位变为更加延迟的相位。类似地，排气阀 进程的示例性持续期间基本上为125度，如包括排气进程72的每条 独立曲线所示，当发动机负荷减小时，其对应曲线从更加延迟的相 位变为更加提前的相位。
在图7所示实例中，假定从180至360度的排气冲程中至少有一 部分时间排气阀是打开的，而产生排气过程。在排气过程中排气阀 的实际开启和关闭角度将随着这样一些因素如发动机转速或负荷、 排气通路的几何形状以及其它所要求的发动机调整特性而变化。在 本实例中，可以看到，排气阀的关闭正时随发动机负荷的变化而变 化，如图中央的负荷减小箭头所示。在部分负荷工作时，发动机负 荷越低，排气阀关闭正时提前得越多(而且开启正时也由于相位器 的作用而提前越多)。因此， 一般来说，负荷减小将导致燃烧后气
体的截留增加以及较高的压缩温度和压力。通过阀控制实现的较高 压力和温度，就提供了有助于喷射到其中的燃料进行局部重整的缸 内环境，这种重整以及随后重整产物在燃烧室内的散布，使得能够 实现受控自动点火。发动机工作负荷减小时，截留的燃烧后气体的 增加以及压力和温度的所需的升高趋势，可在发动机工作的整个部 分负荷区域上形成最佳的自动点火燃烧相位。还可以实现大致对称
但相位方向相反的进气阀开启正时，例如包括进气进程74的每条独 立曲线所示。因此，就实现了燃烧室内高压的减轻，并使所储存的 压缩气体能量回到活塞和发动机曲轴。因此，通过对排气阀提升机 构的相位控制，可在发动机工作负荷减小时，实现所要求的截留燃 烧后气体的增加以及压力和温度的升高。还可以实现大致对称但相 位方向相反的进气阀正时，如包括进气进程74的每条独立曲线所示， 从而提供上面所介绍的压力减轻的优点。
为在燃烧室内形成截留的燃烧后气体和压力状态，对进气阀和 排气阀进行相位受控阀促动，以建立随发动机负荷而变的缸内气体 压力和温度趋势，而这在已知的传统四冲程工作过程中是不存在的。
于直接喷射而言，可以选择液态和气态喷射。而且，还应当认识到 可以采用空气辅助和其它类型的输送方法。此外，可采用的点火系 统类型是可以变化的(一般来说依据发动机负荷和爆震方面的考虑 因素)，而且包括这样一些非限制性的实例，例如火花点火SI、压 缩点火CI和受控自动点火。
根据本发明的燃料供给控制方面，示出了在发动机的部分负荷 工作区域内的三个常见的负荷区域。参见图8,低部分负荷区域标为 L-PL,中等部分负荷区^t或标为I-PL，而高部分负荷区域标为H-PL。 这些区域中绘出了完整的四冲程燃烧循环，其中，底部表示上止点 燃烧后的曲柄角，而顶部表示相应的顺序地依次重复的燃烧循环区 域。 一般来说，在低部分负荷区域和中等部分负荷区域中，使全部
燃料供给产生分段喷射(split-injection)，而在高部分负荷区域中使全 部燃料供给产生单次喷射。在附图中示出了过渡区域42和54，它们 可以分别与相邻的 一个或两个部分负荷区域重叠，从而使部分负荷 区域有效地扩展以进行相应的燃料控制。
对于分段喷射，循环所需的全部燃料量被分成两个喷射过程。 在低部分负荷工作区域(L-PL)，其中一次喷射过程是在排气循环 的末期进行的，而另一次喷射过程是在压缩循环的末期进行的。一 般来说，第一次燃料供给过程喷射了大约百分之IO至百分之50的循 环所需全部燃料量。 一般来说，通过这第一部分燃料形成的气缸充 填对于燃烧室内的自动点火是不够的。循环所需燃料量的其余部分 是在第二次燃料供给过程中喷射的。此第二部分燃料在活塞的压缩 沖程中使气缸充填增加，而足以引起在低部分负荷的自动点火。
第二次燃料喷射的渗透和扩散因较高的缸内充填温度和密度而 受到抑制。于是在燃烧室中形成局部的富混合物区。空气、截留的 燃烧后气体以及来自第 一次燃料喷射的燃料所形成的混合物与通过 第二次燃料喷射形成的局部富混合物共同起作用，以实现较低压缩 比下的汽油自动点火，而不需要火花的任何帮助，相比而言，柴油 自动点火中所使用的压缩比较高。
在中等部分负荷工作区域(I-PL)中，其中一次喷射过程类似地 也在排气循环的末期进行。然而，另一次喷射过程却在进气循环的 初期进行。 一般来说，第一次燃料供给过程喷射大约百分之10至百 分之50的循环所需全部燃料量。通常，通过这第一部分燃料形成的 气缸充填对于燃烧室内的自动点火是不够的，但却提供了燃料的原 始充填以及对于自动点火来说是关键的重整产物。循环所需燃料量 的其余部分是在第二次燃料供给过程中喷射的。此第二部分燃料在 活塞的进气沖程中使气缸充填增加，而足以引起在中等部分负荷的 自动点火。
第二次燃料喷射的渗透和扩散起初因较高的缸内充填温度、密度以及第一次喷射的燃料而受到抑制。然而，缸内压力的减轻以及 随后在进气循环中新鲜空气的摄入和湍流使得气缸混合物能够充分 扩散而变得均匀。由空气、保留的燃烧后气体以及燃料所形成的这 种均勻混合物共同起作用，以实现较低压缩比下的汽油自动点火， 而不需要火花的任何帮助，相比而言在柴油自动点火中所使用的压
缩比4交高。
在高部分负荷工作区域(H-PL)中，进行单次燃油喷射。对于 单次喷射，循环所需的总燃料供给量被合并到在负的阀重叠时所进 行的一次喷射过程中。
图8还示出了与喷射正时有关的某些优先选择。由标有44和46
的实线所构成的范围分别对应于低部分负荷工作区域中在排气循环 和压缩循环内进行的第 一次燃料供给过程和第二次燃料供给过程的 优选角度范围。第一部分燃料优选在上止点燃烧后大约300至大约350 度进行喷射。当发动机负荷增大时第一次喷射的喷射正时也优选以 连续的方式延迟，如附图中所示。而第二部分燃料在上止点燃烧后 大约640至大约695度(在上止点燃烧前25至80度)进行喷射。这 一喷射正时是为确保无烟工作而选定的，并受喷射器喷射锥角以及 所喷射燃料量的影响。当发动机负荷增大时，第二次喷射的喷射正 时也优选以连续的方式提前。可以使用其它的分段喷射角度范围， 但却不能得到象该优选范围那样大的好处。
由标有47和48的实线所限界的范围分别对应于中等部分负荷工 作区域中在排气循环和进气循环内进行的第一次燃料供给过程和第 二次燃料供给过程的优选角度范围。第一部分燃料优选在上止点燃 烧后大约300至大约360度进行喷射。当发动机负荷增大时，第一次 喷射的喷射正时也优选以连续的方式延迟，如附图中所示。这一喷 射正时是为确保无烟工作(比如避免燃料喷射到上升的活塞上)、 提供足够的燃料量和充分的重整驻留时间而选定的，并受喷射器喷 射锥角以及所喷射燃料量的影响。第二部分燃料在笫一次喷射结束之后大约30至大约60度进行喷射。当发动机负荷增大时，第二次喷 射的喷射正时也优选以连续的方式延迟。这两次喷射都是在排气阀 和进气阀的负重叠区内实现的。可以使用其它的分段喷射角度范围， 但却不能得到象该优选范围那样大的好处。
由标有49的实线所限界的范围对应于高部分负荷工作区域中燃 料输送的优选角度范围。这一燃料优选在上止点燃烧后大约340至大 约490度进行喷射。当发动机负荷增大时，这种单次喷射的喷射正时 也优选以连续的方式延迟，如附图中所示。可以使用其它的单次喷 射角度范围，但却不能得到象该优选范围那样大的好处。
在负荷变化时从一种喷射方式到另一种喷射方式的转换是由发 动机特性和排放来调节的。举例来说，在低部分负荷工作时，包含 负的阀重叠期间的第 一次喷射和压缩冲程中第二次喷射的分段喷射 是能够产生稳定的受控自动点火燃烧的唯一喷射方式。当发动机负 荷增大时，第二次喷射的喷射正时连续提前，以促进燃料在燃烧室 内的扩散，并使局部混合物的空气/燃料比保持在可接受的范围内， 以避免氮氧化物和烟雾排放达到不可接受的程度。然而，即使喷射 正时提前，在中等部分负荷工作时所形成的氮氧化物(NOx)仍然可 以上升到不可接受的水平。因此，喷射方式从具有压缩循环时进行 第二次喷射的分段喷射转换到进气循环时进行第二次喷射的分段喷 射，其如图9所示具有大约130至大约200千帕的NMEP。实验证明， 这两种分段喷射方式在中等部分负荷的发动机工作中，会产生类似 的发动机特性。在进气冲程中进行第二次喷射的分段喷射比在压缩 沖程中进行第二次喷射的分段喷射所排放的氮氧化物可以少很多。 然而，在进气冲程中进行第二次喷射的分段喷射比在压缩冲程中进 行第二次喷射的分段喷射所排放的碳氢化合物(HC)要更多，因为
逃过燃烧的在缝隙中截留的燃料增加。因此，低部分负荷分段喷射 和中等部分负荷分段喷射发生转换时的确切负荷将通过对氮氧化物 -碳氢化合物排放进行权衡来确定。类似的考虑因素可作为用以确 定从中等部分负荷分段喷射方式到高部分负荷单次喷射方式转换的 依据(比如对氮氧化物-碳氢化合物排放的权衡)。
图9示例性地示出了根据本发明利用2步/相位器可变阀促动硬 件来实现排气重新压缩工作的四冲程内燃发动机中排气阀和进气阀 随发动机负荷而变的阀打开和关闭正时。其中使用了以下标记进 气阀打开(IVO);进气阀关闭(IVC);排气阀打开(EVO);排 气阀关闭(EVC)。图9中还示出了取决于负荷的喷射方式以及根据 本发明的随发动机负荷而变的各种燃烧模式。具体地说，当低于大 约320千帕净平均有效压力时，发动机工作在具有贫空气/燃料混合 物的受控自动点火燃烧模式(CAI-L)。在这种燃烧模式中，氮氧化 物排放指数随着发动机负荷增大而提高。在大约320千帕净平均有效 压力时，氮氧化物排放指数为大约1克/千克燃料。在大约320和大 约420千帕净平均有效压力之间，发动机在具有化学计量的空气/燃 料比的受控自动点火燃烧模式(CAI-S)下工作，以允许使用传统的 三效催化剂后处理进行氮氧化物的控制。在大约420和大约620千帕 净平均有效压力之间，发动机在具有化学计量的空气/燃料混合物的 火花点火的非节气燃烧模式(NT-S)下工作，并利用进气阀的提前 关闭来进行负荷控制。超过大约620千帕净平均有效压力时，发动机 在传统的具有化学计量的空气/燃料混合物的火花点火的节气燃烧才莫 式(T-S)下工作，直至达到满负荷。
关于用于受控自动点火的燃烧气体截留和再循环阀控制和燃料 控制(包括备选的FFVA实施方案)的更多细节，在共同转让并且 共同未决的美国专利申请序列号No.l0/899,457(代理人档案号GP-303777)和之前结合于本文中的共同转让并且共同未决的美国专利申 请序列号No.l0/899，456(代理人档案号GP-304128)中进行了阐述，这 些专利申请的内容通过引用而结合于本文中。
上述排气再循环是就基于燃烧后气体的基于排气阀的再吸入和 采用多步升程和凸轮相位器阀促动进行的燃烧后气体的截留/重新压 缩的非限制性实例而言。用于这种再吸入和/或截留/重新压缩的备选
阀促动实施方案，例如FFVA，在前面所引用的共同转让和共同未决 的美国专利申请序列号10/899,457(代理人档案号GP國303777); 10/611,845(代理人档案号GP-303270); 10/611，366(代理人档案号GP誦 303271); 10/899,442(代理人档案号GP-303776); 10/899,443(代理人 档案号GP-303692);和10/899，456(代理人档案号GP-304128)中被公 开,这些备选的阀促动实施方案同样适用于实现所需的燃烧室状态。 根据用于排气再循环的一种备选的再吸入实施方式，进气阀在排气 过程的至少一部分中是打开的，以排出燃烧后的气体到进气通道17 中，以便在随后的再循环或再吸入过程中，通过进气阀将它们吸回 到燃烧室中。再吸入进气阀促动类似地可以通过FFVA、多步提升和 凸轮相位器实施例来实现。在前面所引用的共同转让和共同未决的 美国专利申请序列号10/899，443(代理人档案号GP-303692)中，公开 了这种基于进气阀的排气再吸入以及建立燃烧室低压的更多细节。 而且，可以釆用排气外部再循环设备。举例来说,传统的排气再循 环阀可提供足够的燃烧后气体给发动机进气通道，在进气通道中存 在足够的进气真空以进行强制吸入。或者，如果进气通道中没有足 够的真空(比如对于受控自动点火系统中非常典型的非节气工作方 式而言)，排气再循环泵可以提供正压力，用于将燃烧后气体输送 至进气通道。
参见图10，示出了根据本发明的用于排气再吸入、重新压缩方 案、分段喷射和单次喷射方案，贫的和化学计量的空气/燃料比方案 的不同组合的，示例性的空气-燃料进程。关于再吸入的方案大致对 应于图3-6中的以上相关描述。关于重新压缩的方案大致对应于图7-9中的以上相关描述。图10的空气-燃料进程大致对应于采用如上所 述的示例性单缸发动机在至少大约75千帕净平均有效压力以下，在 采用再吸入或者重新压缩的方案中，用于执行稳定的部分负荷工作 时，利用实验确定的数据。稳定的部分负荷通过一般可接受的度量
标准来测得，例如作为指示标志的所示平均有效压力的变化系数
(IMEP之COV) 5%或更小。更低的稳定的部分负荷工作可通过本 文出于说明目的而具体描述的备选阀控制来实现，低负荷极限对于 本发明的实施或理解并不是特别关键的。从图10来看，可以看到， 对于再吸入的阀控制方案，贫的空气/燃料比在大约425千帕净平均 有效压力的最低部分负荷时执ft，之后执行大致化学计量的空气/燃 料比。类似地，可以观察到，对于重新吸入的阀控制方案，贫的空 气/燃料比在大约320千帕净平均有效压力的最低部分负荷时执行， 之后执行大致化学计量的空气/燃料比。选择用于转换的发动机负荷 大致对应于氮氧化物的排放目标，参见图11如下更全面地所述。在 根据本发明的 一 个空气/燃料比转换的实施例中，将不同发动机工作 参数如燃料供给率或节气要求与对应于氮氧化物排放目标的发动机 负荷相关联起来并且加以利用，参见图13如下更详细地所述。尽管 这种实施例比较直接，但是，这并不要求大范围的发动机测试绘图 以便校准，而这种测试会随着发动机工作寿命的增加而变得不太准 确。因此，这种发动机阐述校准数据表实施例可另外地受益于在整 个发动机寿命期间对校准数据的自适应调整。
如上所述，在一些低部分负荷极限以上，易于保持燃烧稳定性。 贫的/化学计量的空气/燃料比转换远远在这种低负荷极限以上，并且 不会受到燃烧稳定性考虑的有效影响。然而，优选的空气/燃料比转 换基本上相关于排放目标的考虑，尤其是在发动机的高部分负荷工 作时氮氧化物排放的增加。因此，另外参考图11，其中，以克/千克 燃料(g/kg)为单位测得的标准化的氮氧化物排放(氮氧化物排放指数) 相对于所测量的以千帕为单位的净平均有效压力的发动机负荷而绘 出图。对于备选的控制实施方案，贫的/化学计量的空气/燃料比之间 的转换直接相关联于氮氧化物排放指数。可以随意选择任何氮氧化 物排放指数值，以用于转换；然而，大约1克/千克燃料的氮氧化物 排放指数值是优选的值，在该值以下，氮氧化物排放目前被视为是
可接受的，高于该值，氮氧化物排放目前被视为是不可接受的。因 此，对氮氧化物排放的直接测量提供了更精确和可重复的转换控制， 它可自适应于发动机工作寿命期间可能出现的排放变化。因此，对 氮氧化物排放的直接测量可在本发明的另 一 空气/燃料比转换实施方
案中进行和采用，如下参考图14进一步详细描述。尽管直接的氮氧 化物检测技术一般是可得到的(例如厚膜氧化锆基传感器)，但是， 这种排气成分检测目前具有有限的生产突破和商业实践。
另 一备选的空气/燃料比转换控制实施方案釆用了在更广泛和更 常用的检测技术与氮氧化物排放之间实现关联。例如，常用的以电 压(V)为单位测得的爆震传感器输出(振鸣强度)相对于所测量的 以千帕为单位的净平均有效压力的发动机负荷而绘出图。通过实验 确定，在爆震强度和氮氧化物排放之间存在关联性。因此，可以在 根据本发明的另 一 空气/燃料比转换实施方案中，实现并且利用爆震 强度和氮氧化物排放之间的关联，如下参考图15进一步详细描述。 这种实施方案是有益的，因为爆震检测一般是所熟知的，并且具有 较好的生产突破和商业实践。另外，这种关联不要求大范围的发动 机测试绘图，并且其精确度在发动机工作寿命期间也不要求自适应 的措施。因此，查阅表可提供与氮氧化物排放之间足够关联的数据 测绘爆震强度，以便用于空^/燃料比转换的另一实施方案。
在图13-15的示意图中，显示了如上所述的空气/燃料比转换的 各种备选实施例。图13显示了基于查阅表的方法，其中，燃料供给 率用于从中确定氮氧化物排放指数。燃料供给率可从例如燃料脉冲 宽度信号等控制参数中测得，或者从所要求的节气或其它负荷指示 措施中确定。通过将另外的参数111例如发动机转速与氮氧化物排放 数据相关联起来，在更大校准数据组下，就可以提高精度。在确定 所使用的燃料供给模式(即，是贫的空气/燃料比还是化学计量的空 气/燃料比)时，模式确定逻辑块依赖于查阅表中提供的氮氧化物排 放指数值。模式确定逻辑还受到其它参数113如发动机转速的进一步影响，并且也通过其来确定。优选的是，模式确定逻辑和所使用的
燃料供给^莫式转换采用了例行程序滞后(routine hysteresis )，以便 实现模式转换的稳定性。
图14显示了基于直接氮氧化物检测的方案，其中，通过设置在 排气气流中的排气成分传感器，来测定氮氧化物排放指数。在确定 所使用的燃料供给模式(即，是贫的空气/燃料比还是化学计量的空 气/燃料比)时，模式确定逻辑块依赖于该传感器中提供的氮氧化物 排放指数值。才莫式确定逻辑还受到其它参数113如发动^L转速的进一 步影响，并且也通过其来确定。优选的是，模式确定逻辑和所使用 的燃料供给模式转换采用了例行程序滞后，以便实现模式转换的稳 定性。
图15显示了基于间接氮氧化物检测的方案，其中，通过基于查 阅表来测定氮氧化物排放指数，该查阅表将爆震传感器输出与氮氧 化物排放指数相关联起来。通过将另外的参数111例如发动机转速与 氮氧化物排放数据相关联起来，在更大校准数据组下，就可以提高 精度。在确定所使用的燃料供给^^莫式(即，是贫的空气/燃料比还是 化学计量的空气/燃料比)时，模式确定逻辑块依赖于该查阅表中提 供的氮氧化物排放指数值。模式确定逻辑还受到其它参数113如发动 机转速的进一步影响，并且也通过其来确定。优选的是，模式确定 逻辑和所使用的燃料供给模式转换采用了例行程序滞后，以便实现
模式转换的稳定性。
在这里，已经参考某些优选实施例和变型对本发明作了介绍。 在不脱离本发明范围的情况下，可以实施其它可供选择的实施例、 变型和实施方案，本发明的范围只由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种控制在受控自动点火模式下工作的四冲程内燃发动机的方法，所述发动机包含由活塞在气缸内在上止点和下止点之间往复运动所限定的体积可变的燃烧室、进气通道和排气通道、燃料传输系统，以及在所述活塞的重复的顺序的排气、进气、压缩和膨胀冲程中受到控制的进气阀和排气阀，所述方法包括操作可变阀系统，以便控制所述进气阀和排气阀来实现有助于受控自动点火的缸内状态；操作所述燃料传输系统，以便在有助于受控自动点火的化学计量的空气/燃料比和贫的空气/燃料比的其中之一下，进行缸内燃料填充；提供发动机氮氧化物排放的测量；并且当发动机氮氧化物排放超越了预定的阈值时，将缸内燃料填充从所述化学计量的空气/燃料比和贫的空气/燃料比中正在实施的其中一个空气/燃料比转换至所述化学计量的空气/燃料比和贫的空气/燃料比中未实施的那一个空气/燃料比。
2. 根据权利要求1所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特征 在于，操作所述可变阀系统以便控制所述进气阀和排气阀来实现有 助于受控自动点火的缸内状态，这包括提供排气过程，在该排气过程中，所迷排气阀打开而用于将燃 烧后的气体从所述燃烧室中排出；在所述排气过程之后，在用于在所述燃烧室内建立低于大气压 的压力状态所执行的所述活塞的所述进气冲程的至少 一部分期间， 提供所述排气阀和进气阀的同时关闭时期；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀打开而用于将 新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
3. 根据权利要求2所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征 在于，所述方法还包括，在进气冲程期间在所述燃烧室内建立再循 环的排气。
4. 根据权利要求3所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征 在于，建立再循环的排气包括内部排气再循环。
5. 根据权利要求4所述的操作四沖程内燃发动机的方法，其特征 在于，内部排气再循环包括，通过排气阀的提前关闭，将排气截留 在所述燃烧室内。
6. 根据权利要求4所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征 在于，内部排气再循环包括，在所述进气冲程期间，通过打开的所 述排气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气是在所述排气沖 程期间通过打开的所述排气阀排到所述排气通道中的。
7. 根据权利要求4所述的4喿作四冲程内燃发动机的方法，其特征 在于，内部排气再循环包括，在所述进气冲程期间，通过打开的所 述进气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气在所述排气沖程 期间通过打开的所述进气阀排到所述进气通道中的。
8. 根据权利要求3所述的:^乘作四冲程内燃发动机的方法，其特征 在于，建立再循环的排气包括外部排气再循环。
9. 根据权利要求1所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特征 在于，操作所述可变阀系统，以便控制所述进气阀和排气阀来实现 有助于受控自动点火的缸内状态包括提供排气过程，在该排气过程中，所迷排气阀在所迷排气沖程 的至少一部分期间打开，用于将燃烧后的气体从所述燃烧室内排出；在发动机的部分负荷工作期间，在所述排气过程之后，在包括 于所迷燃烧室内将一部分燃烧后的气体截留并压缩的所述排气沖程 末期在内的期间，提供所述排气阀和进气阀的同时关闭；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀在所述进气冲 程的至少 一部分期间打开，用于将新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
10. 根据权利要求1所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，对氮氧化物排放的测量通过将燃料供给率与氮氧化物排放 的测量相关联起来的查阅表来提供。
11. 根据权利要求1所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，对氮氧化物排放的测量通过氮氧化物传感器来^是供。
12. 根据权利要求1所述的操作四冲程内燃发动机的方法,其特 征在于，对氮氧化物排放的测量通过将发动机爆震与氮氧化物排放 的测量相关联起来的查阅表来提供。
13. 根据权利要求10所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，操作所述可变阀系统以便控制所述进气阀和排气阀来实现 有助于受控自动点火的缸内状态，这包括提供排气过程，在该排气过程中，所述排气阀打开而用于将燃 烧后的气体从所述燃烧室中排出；在所述排气过程之后，在用于在所述燃烧室内建立低于大气压 的压力状态所执行的所迷活塞的所述进气冲程的至少一部分期间， 提供所述排气阀和进气阀的同时关闭时期；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀打开而用于将 新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
14. 根据权利要求13所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，还包括在进气冲程期间在所述燃烧室内建立再循环的排气。
15. 根据权利要求14所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，建立再循环的排气包括内部排气再循环。
16. 根据权利要求15所述的操作四沖程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，通过排气阀的提前关闭，将排气截 留在所述燃烧室内。
17. 根据权利要求15所述的操作四沖程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，在所述进气冲程期间，通过打开的 所述排气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气是在所述排气 冲程期间通过打开的所迷排气阀排到所述排气通道中的。
18. 根据权利要求15所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，在所述进气沖程期间，通过打开的 所述进气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气在所述排气冲 程期间通过打开的所述进气阀排到所述进气通道中的。
19. 根据权利要求14所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，建立再循环的排气包括外部排气再循环。
20. 根据权利要求10所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，操作所述可变阀系统以便控制所述进气阀和排气阀来实现 有助于受控自动点火的缸内状态，这包括提供排气过程，在该排气过程中，所述排气阀在所述排气冲程 的至少一部分期间打开，用于将燃烧后的气体从所述燃烧室内排出；在发动机的部分负荷工作期间，在所述排气过程之后，在包括 于所述燃烧室内将一部分燃烧后的气体截留并压缩的所述排气沖程 末期在内的期间，提供所述排气阀和进气阀的同时关闭；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀在所述进气冲 程的至少 一部分期间打开，用于将新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
21. 根据权利要求11所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，操作所述可变阀系统以便控制所述进气阀和排气阀来实现 有助于受控自动点火的缸内状态，这包括提供排气过程，在该排气过程中，所述排气阀打开而用于将燃 烧后的气体从所述燃烧室中排出；在所述排气过程之后，在用于在所述燃烧室内建立低于大气压 的压力状态所执行的所述活塞的所述进气冲程的至少一部分期间， 才是供所述排气阀和进气阀的同时关闭时期；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀打开而用于将 新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
22. 根据权利要求21所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，还包括，在进气冲程期间在析述燃烧室内建立再循环的排
23. 根据权利要求22所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，建立再循环的排气包括内部排气再循环。
24. 根椐权利要求23所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，通过排气阀的提前关闭，将排气截 留在所述燃烧室内。
25. 根据权利要求23所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，在所述进气沖程期间，通过打开的 所述排气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气是在所述排气 沖程期间通过打开的所述排气阀排到所述排气通道中的。
26. 根据权利要求23所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，在所述进气冲程期间，通过打开的 所述进气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气在所述排气冲 程期间通过打开的所述进气阀排到所述进气通道中的。
27. 根据权利要求22所述的操作四沖程内燃发动机的方法，其特 征在于，建立再循环的排气包括外部排气再循环。
28. 根据权利要求11所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，操作所述可变阀系统以便控制所述进气阀和排气阀来实现 有助于受控自动点火的缸内状态，这包括提供排气过程，在该排气过程中，所述排气阀在所述排气沖程 的至少一部分期间打开，用于将燃烧后的气体从所述燃烧室内排出；在发动机的部分负荷工作期间，在所述排气过程之后，在包括 于所述燃烧室内将一部分燃烧后的气体截留并压缩的所述排气沖程 末期在内的期间，提供所述排气阀和进气阀的同时关闭；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀在所述进气冲 程的至少一部分期间打开，用于将新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
29. 根据权利要求12所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，操作所述可变阀系统以便控制所述进气阀和排气阀来实现有助于受控自动点火的缸内状态，这包括提供排气过程，在该排气过程中，所述排气阀打开而用于将燃 烧后的气体从所述燃烧室中排出；在所述排气过程之后，在用于在所述燃烧室内建立低于大气压 的压力状态所执行的所述活塞的所述进气冲程的至少一部分期间，提供所述排气阀和进气阀的同时关闭时期；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀打开而用于将 新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
30. 根据权利要求29所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，还包括，在进气冲程期间在所述燃烧室内建立再循环的排 气。
31. 根据权利要求30所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，建立再循环的排气包括内部排气再循环。
32. 根据权利要求31所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，通过排气阀的提前关闭，将排气截 留在所述燃烧室内。
33. 根据权利要求31所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，在所述进气冲程期间，通过打开的 所述排气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气是在所述排气 冲程期间通过打开的所述排气阀排到所述排气通道中的。
34. 根据权利要求31所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，内部排气再循环包括，在所述进气沖程期间，通过打开的 所述进气阀将排气再吸入到所述燃烧室中，所述排气在所述排气冲 程期间通过打开的所述进气阀排到所述进气通道中的。
35. 根据权利要求30所述的操作四沖程内燃发动机的方法，其特 征在于，建立再循环的排气包括外部排气再循环。
36. 根据权利要求12所述的控制四冲程内燃发动机的方法，其特 征在于，操作所述可变阀系统以便控制所述进气阀和排气阀来实现 有助于受控自动点火的缸内状态，这包括提供排气过程，在该排气过程中，所述排气阀在所述排气冲程 的至少 一部分期间打开，用于将燃烧后的气体从所述燃烧室内排出；在发动机的部分负荷工作期间，在所述排气过程之后，在包括 于所述燃烧室内将一部分燃烧后的气体截留并压缩的所述排气冲程 末期在内的期间，提供所述排气阀和进气阀的同时关闭；和提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀在所述进气冲 程的至少一部分期间打开，用于将新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
全文摘要
一种通过有助于受控自动点火以及有助于在化学计量的空气/燃料比或者贫的空气/燃料比下实现缸内燃料填充的任何阀控制方案，而在受控自动点火模式下工作的四冲程内燃发动机。提供了发动机氮氧化物排放的测量，当发动机氮氧化物排放超越了预定的阈值时，缸内燃料填充就从化学计量的或贫的空气/燃料比中的正在实施的一个空气/燃料比，转换至所述化学计量的或贫的空气/燃料比中的未实施的那一个空气/燃料比。
文档编号F01L1/34GK101198771SQ200580031683
公开日2008年6月11日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年7月26日
发明者B·L·布朗, J·A·恩, P·M·纳特, 姜俊模, 张振芳, 郭棠炜 申请人:通用汽车公司