专利名称：预混合压缩着火内燃机以及预混合压缩着火内燃机的吸气控制方法
技术领域：
本发明涉及一种预混合压缩着火内燃机以及预混合压缩着火内燃机 的吸气控制方法。
背景技术：
近年，高效率且低NOx排放的预混合压缩自着火(HCCI)内燃机受到 关注。预混合压缩自着火(HCCI)燃烧与火花点火(SI)相比，能够在稀 薄的混合气的情况下运转，所以有利于热效率的提高和最高燃烧温度的抑 制。另一方面，难以控制着火时间，提出有利用内部EGR的着火时间控制 等，但能够进行稳定的燃烧的运转区域还是有限的。因此，提出根据运转 区域而切换HCCI燃烧和SI燃烧而运转的内燃机。专利文献1中记载有这 样的内燃机的一例。在HCCI燃烧和SI燃烧中，燃烧室中需要的混合气的 量、EGR气体量等的诸多条件并不相同。例如，在进行从SI燃烧向HCCI 燃烧的切换时，对于由混合气以及EGR气体构成的燃烧室内气体(以下， 称为缸内气体)而言，需要使缸内气体量增加。另一方面，能够稳定地进 行HCCI燃烧的运转区域，位于从中旋转中负荷到低旋转低负荷侧。因此， 在进行燃烧切换的时机下，吸气通路中的节气阀位于关闭侧，从节气阀下 游直到燃烧室近前的吸气口为负压。因此，在燃烧切换时，即便进行节气 阀的全开控制，也不向燃烧室供给充分的混合气，转矩以掉落的方式发生 转矩阶梯差。
为了解决该问题，在专利文献l中提出一种具备增压机的预混合压缩 着火内燃机，在从SI燃烧向HCCI燃烧的切换时，借助增压机使燃烧室内 的压力以及温度上升，达到进行HCCI燃烧的条件之后，切换至HCCI燃烧。
专利文献l:特开2004-176688号公报
但是，在专利文献l中的预混合压缩着火内燃机中，增压机成为必需 的必要条件，因此存在不适用于没有增压机的预混合压缩着火内燃机、不 能够解决在SI燃烧和HCCI燃烧之间切换时产生的吸气混合气量的过量或 者不足的问题。
发明内容
本发明为了解决这样的问题而提出，目的在于提供一种预混合压缩着 火内燃机以及其吸气控制方法，与增压机的有无无关，能够消除在火花点 火燃烧和预混合压缩着火燃烧之间切换时产生的吸入混合气量的过量或 者不足。
一种能够切换火花点火燃烧和预混合压缩着火燃烧的预混合压缩着
火内燃机，其特征为，具有第1分支吸气通路以及第2分支吸气通路， 一端分别与燃烧室连通； 一个公共吸气通路，与第l分支吸气通路以及第 2分支吸气通路的各自的另一端连通；燃料供给装置，设置在公共吸气通 路上，混合空气和燃料而生成混合气；切换机构，以使公共吸气通路与第 1分支吸气通路或者与第2分支吸气通路中的至少一方连通的方式动作； 流量调节机构，设置在第1分支吸气通路上，控制在第1分支吸气通路中 流通的混合气的流量；控制装置，在切换火花点火燃烧和预混合压缩着火 燃烧时使切换机构动作。
一种能够切换火花点火燃烧和预混合压缩着火燃烧的预混合压缩着 火内燃机的吸气控制方法，该预混合压缩着火内燃机具有与燃烧室连通 的第1分支吸气通路以及第2分支吸气通路；以混合气向第1分支吸气通 路或者第2分支吸气通路中的至少一方流通的方式动作的切换阀；设置在 第1分支吸气通路上的节气阀，其特征为，在从火花点火燃烧向预混合压 缩着火燃烧的切换后，切换阀动作以使混合气只在第2分支吸气通路中流 通。
根据本发明，具有 一端与燃烧室连通的第l分支吸气通路以及第2 分支吸气通路；分别与第1分支吸气通路以及第2分支吸气通路的各自的 另一端连通的一个公共吸气通路；混合空气和燃料而生成混合气的燃料供 给装置；以使公共吸气通路与第1分支吸气通路或者与第2分支吸气通路 中的至少一方连通的方式动作切换机构；控制在第1分支吸气通路中流通 的混合气的流量的流量调节机构；使切换机构动作的控制装置，从而，在 从火花点火燃烧向预混合压缩着火燃烧的切换时，仅仅使混合气在第2分 支吸气通路中流通，从而不调节混合气流量而向燃烧室供给混合气，所以 能够防止向燃烧室吸入的混合气量的不足。此外，在从预混合压缩着火燃 烧向火花点火燃烧的切换时，令混合气仅向成为能够利用流量调节机构预 先调节为适当的混合气量的状态的第1分支吸气通路流通，从而将调节过流量的混合气供给到燃烧室中，所以能够防止被吸入至燃烧室的混合气量 的过量。因此，与增压机的有无无关，能够消除在火花点火燃烧和预混合 压缩着火燃烧之间切换时产生的吸入混合气量的过量或者不足。
图1是表示本发明的实施方式的预混合压缩着火内燃机的结构的图。
图2是表示预混合压缩着火燃烧区域与火花点火燃烧区域之间的关 系的MAP图(点火控制曲线图)。
图3是说明本实施方式的预混合压缩着火内燃机中从火花点火燃烧 向预混合压缩着火燃烧切换的顺序的流程图。
图4是表示在本实施方式的预混合压缩着火内燃机中从火花点火燃 烧向预混合压缩着火燃烧切换时的切换阀的切换动作、节气阀的开闭动 作、以及内部EGR的实施或者停止的时间经过的图。
图5是说明本实施方式的预混合压缩着火内燃机中从预混合压缩着 火燃烧向火花点火燃烧切换的顺序的流程图。
图6是表示在本实施方式的预混合压缩着火内燃机中从预混合压缩 着火燃烧向火花点火燃烧切换时的切换阀的切换动作、节气阀的开闭动 作、以及内部EGR的实施或者停止的时间经过的图。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的实施方式。
以燃气热力泵(以下称为GHP)用燃气发动机作为本实施方式的预混合 压缩着火内燃机的一例而进行说明。如图l所示，本实施方式的GHP用燃气 发动机具有气缸l;活塞2,能够在气缸l的内部上下地移动；燃烧室3， 在气缸1的内部在活塞2的上方由气缸1以及活塞2以及气缸盖la区划而 成；2个吸气口 4、 14以及一个排气口 5，与在气缸盖la内形成的燃烧室3 连接；吸气阀6、 25以及排气阀7，使燃烧室3分别与吸气口 4、 14以及排 气口5连通或者截断；火花塞21,以从气缸盖la的上部向燃烧室3内贯通 的方式配置。在驱动吸气阀6、 25以及排气阀7的未图示的各凸轮轴上，设 置有公知的可变阀控制机构8、 9，该控制机构8、 9能够控制基于各凸轮的 吸气阀25以及排气岡7的动作期间和升降量。以与燃烧室3连通的方式设 置，吸气通路10上具有第l分支吸气通路16， 一端具有吸气口 4;第2分支吸气通路17， 一端具有吸气口 14; 一个公共吸气通路19，与第1分 支吸气通路16以及第2分支吸气通路17的各自的另一端连通。在公共吸 气通路19上，设置有混合器ll，该混合器11是用于混合在公共吸气通 路19中流通的空气和在燃料通路15中流通的燃料的天然气而生成混合气 的燃料供给装置。此外，在与混合器11连通的燃料通路15上设置有燃料 流量控制阀22，该燃料流量控制阀22控制作为气体燃料的城市燃气的流 量，且与节气阀12—起控制混合气的空燃比。此外，在吸气通路10上设 置有切换阀18，该切换阀18是用于使公共吸气通路19与第1分支吸气 通路16或者第2分支吸气通路17中的至少一方连通的切换机构。第1分 支吸气通路16配置有节气阀12，是用于调节在第1分支吸气通路16 中流通的混合气的流量的流量调节机构；进气歧管含有在节流阀12的下 游上设置的稳压箱13。第2分支吸气通路17具有含有稳压箱2 3的进气 歧管。进而，本实施方式的GHP用燃气发动机，具有作为控制装置的ECU20， 且可变阀控制机构8、 9、节气阀12、切换阀18、火花塞21与ECU20电 气地连接。
接着，说明本实施方式的预混合压缩着火内燃机的动作。 若本实施方式的GHP用燃气发动机开始动作，则如图1所示，在公共 吸气通路19中流通的空气和在燃料通路15中流通的天然气在混合器11 中混合而成为混合气。在GHP用燃气发动机开始动作时，切换阀18成为 使公共吸气通路19和第1分支吸气通路16连通的状态，混合气被节气阀 12调节流量之后，在第1分支吸气通路16中流通而流入至含有稳压箱13 的进气歧管，在吸气岡6打开时，经由吸气口 4而被吸入至燃烧室3。即， 仅仅在第1分支吸气通路16中流通而被吸入至燃烧室3内。被吸入至燃 烧室3内的混合气，被活塞2压缩，且在适当的时机被火花塞21点火燃 烧。在排气阀7打开时，向排气口 5排出燃烧后的排出气体。
通常，在GHP用燃气发动机开始动作时，进行这样的火花点火(SI) 燃烧。在本实施方式的预混合压缩着火(HCCI)燃烧时，也利用后述的内 部EGR并控制燃烧室3内的气体温度，从而进行着火时机控制。因此，在 暖机结束且发动机温度稳定之前，着火控制受到发动机温度的影响很大， 所以实质上是处于难以HCCI燃烧的运转条件。此外，将如图2所示的表 示SI燃烧区域和预混合压缩着火(HCCI)燃烧之间的关系的MAP图编入 至ECU20中。在GHP用燃气发动机开始动作时，通常，达不到HCCI燃烧区域的条件，即，以发动机转速或发动机转矩表示的运转状态不适于HCCI 燃烧，所以ECU20判断为SI燃烧区域，借助切换阀18使混合气仅仅在第 1分支吸气通路16中流通，并且，在适当的时机使火花塞21动作。之后， ECU20接收燃气发动机转速或目标转矩等的信号，在ECU20判断为HCCI 燃烧区域时，ECU20向HCCI燃烧运转切换。另外，如图2所示的本实施 方式的MAP图，为了进行控制，在HCCI燃烧区域和SI燃烧区域之间设定 迁移区域。迁移区域，以位于能够进行HCCI燃烧的区域(HCCI燃烧可能 区域)的内侧、且包围HCCI燃烧区域的外缘的方式设定。在后述中说明 设定迁移区域的理由。此外，能够进行HCCI燃烧的区域，被设定为即便 进行HCCI燃烧也会不发生过早着火或爆震等的不良情况而能够进行适当 的燃烧以及控制的运转区域。因此，根据燃料的种类、可变阀控制机构的 特性等、作为GHP用燃气发动机的前提的条件而互不相同。图2所示的情 况只是本实施方式中的一例。
接着，参照图3的流程图说明本实施方式的预混合压缩着火内燃机中 从SI燃烧向HCCI燃烧切换的顺序。
在GHP用燃气发动机进行SI燃烧时，定期地基于GHP用燃气发动机 的运转区域和运转条件，进行能否实行HCCI燃烧的判断，在能够进行HCCI 燃烧时，进行向HCCI燃烧的切换。在开始进行该处理时，首先，判断是 否完成GHP用燃气发动机的暖机而达到了能够进行HCCI燃烧的状态(步 骤S1)。具体而言，借助未图示的检测机构，检测GHP用燃气发动机的水 温以及油温，在水温或者油温的任意一项在预先设定的阈值以下时，不适 于HCCI燃烧，使该处理结束。另一方面，在GHP用燃气发动机的水温以 及油温二者都在阈值以上时，成为能够进行HCCI燃烧的状态，进行运转 区域的判断。具体而言，ECU20，基于如图2所示的MAP图而判断运转状 态是否为HCCI燃烧区域(步骤S2)。在判断为不是HCCI燃烧区域时，使 该处理结束。另一方面，在判断为是HCCI燃烧区域时，ECU20使切换阀 18动作而连通公共吸气通路19和第2分支吸气通路17,从而使混合气仅 仅在第2分支吸气通路17中流通(步骤S3)。与此同时，ECM0控制可变 阀控制机构8、 9，停止吸气阀6的开闭，并且切换为开闭吸气阀25的控 制，使排气阀7的关闭时间比上止点早且使吸气阀25的打开时间比上止 点晚，从而，进行所谓的负的开阀时间重叠的控制(步骤S4)。即，在排 气工序的中途关闭排气阀7，从而使排出气体的一部分残留在燃烧室3中(内部EGR)。此外，ECU20以减小燃料流量控制阀22的开度的方式控制， 使混合气的空燃比向贫乏侧变更(步骤S5 )。由于HCCI燃烧获得比SI燃 烧热效率好，所以这是为了从而不产生转矩阶梯差。切换的顺序到此结束。 另外，在从SI燃烧向HCCI燃烧的切换中，混合气不在第1分支吸气通路 16中流通，因此没有必要调节节气阀12的开度。切换阀18的工作动作、 节气阀12的开闭动作、以及内部EGR的实施或停止的时间经过，如图4 所示。
借助内部EGR，被吸入至燃烧室3内的混合气与在燃烧室3内残留的 高温的排出气体混合，所以，燃烧室3内的气温上升。因此，在压缩上止 点附近的燃烧室3内的温度也提高，因此使压缩自着火稳定地发生。
此外，以往，在向HCCI燃烧切换之后，被吸入至燃烧室3的混合气 有可能不足。为了内部EGR而进行负的开岡时间重叠，在吸气行程中，能 够将混合气吸入至燃烧室的期间发生变化，实质上通过可变阀控制机构控 制进入至燃烧室内的混合气量。但是，HCCI燃烧与SI燃烧相比较，必须 增大缸内气量，因此完全打开节气阀12，从而弥补混合气的过度不足。 但是，HCCI燃烧区域为从低旋转低负荷到中旋转中负荷的区域，在切换 燃烧之前，节气阀12的开度较小，因此，节气阀12的下游侧为大气压以 下(负压)。进而，在从SI燃烧向HCCI燃烧切换时，在令混合气在第1 分支吸气通路16中流通的状态下，由于促动器的特性，节气阀12的开闭 动作延迟，从而一时之间不能充分地消除吸气口 4的大气压以下(负压) 的状态，被吸入至燃烧室3的混合气量有可能不足。但是，通过借助切换 阀18使混合气仅仅在笫2分支吸气通路17中流通，不被节气阀12调节 流量的混合气在吸气口 14内流通，所以能够迅速地消除吸气口 14内的负 压，能够防止被吸入至燃烧室3的混合气量的不足。因此，能够防止转矩 的降低。
通过这样的顺序从SI燃烧切换至HCCI燃烧之后，在运转条件为HCCI 燃烧区域时继续HCCI燃烧。在HCCI燃烧区域内，在运转状态发生变动时， 通过控制可变阀控制机构8、 9而变更内部EGR量，或调节燃料流量控制 阀的开度，能够稳定地继续HCCI燃烧。在运转条件变为不是HCCI燃烧区 域时，ECU20切换至SI燃烧，该SI燃烧在压缩上止点或者其前后的适当 的时机中使火花塞21动作。更具体而言，在运转状态在HCCI燃烧可能区 域内，且从迁移区域的内侧向迁移区域移动时，进行向SI燃烧的切换。如果在运转状态向HCCI燃烧可能区域的外侧移动之后进行切换，可能使 控制延误，发生发动机停止等不良情况。为了避免这样的不良情况，在 HCCI燃烧可能区域的内侧到HCCI燃烧区域的外侧的区域，设定迁移区域。 因此，以下述方式设定迁移区域的宽度，即在GHP用燃气发动机的运转状 态从HCCI燃烧区域向SI燃烧区域移动时，不会在没有检测到位于迁移区 域中的情况下进行移动。
接着，参照图5的流程图说明本实施方式的预混合压缩着火内燃机中 的从HCCI燃烧向SI燃烧切换的顺序。
在GHP用燃气发动机进行HCCI燃烧时，ECU20定期地基于运转区域 和运转条件进行是否应该向SI燃烧移动的判断，在运转区域移动到迁移 区域、向SI燃烧移动的可能性较高时，进行向SI燃烧的切换。若开始该 处理，则基于图2所示的MAP图判断运转条件是否为迁移区域(步骤Sll )。 在判断为不是迁移区域时，继续HCCI燃烧，该处理结束。另一方面，在 判断为是迁移区域时，ECU20，将节气阀12的开度调节为与SI燃烧时的 混合气量相称的开度。即，借助节气阀12，使预混合气调节到适当的流 量(步骤S12)。此外，以增加燃料流量控制阀22的开度的方式进行控制， 以适于SI燃烧的方式使空燃比向浓侧变更(步骤S13)。在节气阀12的 开度的调节动作以及空燃比的变更结束时，ECU20使切换阀18动作，连 通公共吸气通路19和第1分支吸气通路16，从而使混合气仅仅在第1分 支吸气通路6中流通(步骤S14)。在切换阀18的动作的同时，ECMO控 制可变阀控制机构8、 9，停止吸气阀25的开闭，并且切换为开闭吸气阀 6的控制，从而解除负的开阀时间重叠。即，停止内部EGR (步骤S15)。 切换的顺序到此结束。之后，在SI燃烧中，若GHP用燃气发动机的输出 上升，则需要增加混合气量，此时，ECU20根据需要使切换阀18动作， 使公共吸气通路19和第1分支吸气通路16以及第2分支吸气通路17 二 者都连通。切换阀18的工作动作、节气阀12的开闭动作、以及内部EGR 的实施或停止的时间经过，如图6所示。
若在混合气在第2分支吸气通路17中流通的状态下切换至SI燃烧， 则由于内部EGR的停止而使吸气口 14内和燃烧室3内的差压增大，因此 一时之间就能够将SI燃烧所需要的混合气量以上的混合气吸入至燃烧室 3内，有可能在增加侧发生转矩高低差。但是，通过在将节气阀12的开 度调节为与SI燃烧时的混合气量相称的开度之后使切换阀l8动作，在借助节气阀12将预混合气调节为适当流量的状态后停止内部EGR,使混合 气向第1分支吸气通路16流通，因此，能够防止向燃烧室3内吸入的混 合气量的暂时过量，能够防止异常燃烧，即防止转矩的上升。
这样，设置有第1分支吸气通路16以及第2分支吸气通路17, — 端与燃烧室3连通； 一个公共吸气通路19，与第l分支吸气通路16以及 笫2分支吸气通路17的各自的另一端连通；混合器ll，混合空气和燃料 而生成混合气；切换阀18，用于使公共吸气通路19与第1分支吸气通路 16或者第2分支吸气通路17中的至少一方连通；节气阀12，用于调节在 第1分支吸气通路16中流通的混合气的流量；ECU20，使切换岡18动作， 在从火花点火燃烧向预混合压缩着火燃烧的切换时，ECUM使切换阀l8 动作而使混合气仅仅在第2分支吸气通路17中流通，从而，不调节混合 气的流量而向燃烧室3供给混合气，因此，能够防止被吸入至燃烧室3的 混合气量的不足。此外，在从预混合压缩着火燃烧向火花点火燃烧切换时， ECU20将节气阀12的开度调节为与SI燃烧时的混合气量相称的开度后， ECU20使切换阀18动作而使混合气仅仅在第1分支吸气通路16中流通， 从而，调节了流量的混合气被供给至燃烧室3,所以，能够防止被吸入至 燃烧室3的混合气量的过量。因此，能够消除在火花点火燃烧和预混合压 缩着火燃烧之间切换时产生的吸入混合气量的过量或者不足。
在本实施方式中，在SI燃烧或者HCCI燃烧时，采用借助可变阀控制 机构8仅仅驱动吸气阀6、 25的单侧的构造，但是，不一定必须这样。在 本发明中，因为是在第l分支吸气通路"和第2分支吸气通路n之间切 换的构造，所以在总是驱动吸气阀6、 25双方的构造下也能够实施本发明。 但是，使不供给混合气一侧的吸气阀停止情况，在降低摩擦等的观点下有 利。此外，在HCCI燃烧时不使用节气阀l2，借助内部EGR量的变更而控 制运转，因此，可变阀控制机构8必须有变更吸气阀25的开闭时间的机 能。
此外，本实施方式中，使用城市燃气作为燃料但不限定于此。只要是 天然气等的气体燃料，可以使用任意的燃料。
此外，本实施方式中，作为预混合压缩着火内燃机以GHP用燃气发动 机为例进行说明，但是不限定于此。也可以是将柴油作为燃料的柴油发动 机，或者是汽油发动机。此外，不限定于具有一个气缸的发动机，也可以 是直列4气缸发动机或V型8气缸发动机等所有形态的发动机。
权利要求
1. 一种预混合压缩着火内燃机，能够在火花点火燃烧和预混合压缩着火燃烧之间切换，其特征为，具有一端与燃烧室连通的第1分支吸气通路以及第2分支吸气通路，；与上述第1分支吸气通路以及上述第2分支吸气通路的各自的另一端连通的一个公共吸气通路；设置在上述公共吸气通路上并混合空气与燃料而生成混合气的燃料供给装置；以使上述公共吸气通路与上述第1分支吸气通路或者与上述第2分支吸气通路中的至少一方连通的方式动作的切换机构；设置在上述第1分支吸气通路上而控制在上述第1分支吸气通路中流通的混合气的流量的流量调节机构；在切换火花点火燃烧和预混合压缩着火燃烧时使上述切换机构动作的控制装置。
2. 如权利要求1所述的预混合压缩着火内燃机，其特征在于，在预混 合压缩着火燃烧时，借助上述切换机构使上述公共吸气通路仅与上述第2 分支吸气通路连通。
3. 如权利要求1所述的预混合压缩着火内燃机，其特征在于，在火花 点火燃烧时，借助上述切换机构使上述公共吸气通路仅仅与上述第1分支 吸气通路连通。
4. 一种预混合压缩着火内燃机的吸气控制方法，该预混合压缩着火内 燃机能够在火花点火燃烧和预混合压缩着火燃烧之间切换且具有与燃烧 室连通的第1分支吸气通路以及第2分支吸气通路；以混合气向上述第1 分支吸气通路或者上述第2分支吸气通路中的至少一方流通的方式动作 的切换阀；设置在上述第l分支吸气通路上的节气岡，其特征为，在从火花点火燃烧向预混合压缩着火燃烧切换后，上述切换阀以使上 述混合气只在上述第2分支吸气通路中流通的方式动作。
5. 如权利要求4所述的预混合压缩着火内燃机的吸气控制方法，其特 征为，在从预混合压缩着火燃烧向火花点火燃烧切换时，将上述节气阀的 开度调节为与火花点火燃烧时的混合气量相称的开度，在上述节气岡的开 度的调节动作结束后，上述切换阀动作以使上述混合气仅仅在上述第1分 支吸气通路中流通。
全文摘要
与燃烧室(3)连通的吸气通路(10)，具有第1分支吸气通路(16)，在一端上具有吸气口(4)且具有含有稳压箱(13)的进气歧管；第2分支吸气通路(17)，在一端上具有吸气口(14)且具有含有稳压箱(23)的进气歧管；公共吸气通路(19)，分别与第1分支吸气通路(16)以及第2分支吸气通路(17)的各自的端部连通。在公共吸气通路(19)上，设置有用于生成混合气的混合器(11)。在吸气通路(10)上设置有切换阀(18)，使公共吸气通路(19)与第1分支吸气通路(16)或者第2分支吸气通路(17)中的至少一方连通。
文档编号F02D41/02GK101432508SQ20078001526
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月4日 优先权日2006年4月27日
发明者町田匡浩, 葛山裕史 申请人:株式会社丰田自动织机