专利名称：均质充气压燃发动机的低负荷操作扩展的制作方法
技术领域：
—种正被开发用于受控自动点火燃烧操作的发动机系统 包括设计成在奥托循环(Otto cycle)下操作的内燃机。这种装备有缸 内燃料直喷的发动机在特定发动机操作条件下以受控自动点火燃烧模 式操作，从而获得改善的发动机燃料效率。在特定操作条件期间，采 用火花点火系统来补充(supplement)自动点火燃烧过程。这种发动机 被称作为均质充气压燃(以下用"HCCI"表示)发动机。 HCCI已经在二冲程汽油发动机中使用常规的压缩比来 展示。应当认为，在二冲程发动机燃烧室内从先前周期剩余的高燃烧 气体比例(即，残余含量)是提供高的混合物温度的原因，该高的混 合物温度对于促使高度稀释的混合物的自动点火是必要的。 在带有传统气门装置的四冲程发动机中，残余含量是低 的并且在部分负荷时难以获得HCCI。在低和部分负荷时引起HCCI的 已知方法包括l)进气空气加热；2)可变压缩比；和3)将汽油与点 火促进剂混合以产生比汽油更容易点火的混合物。在所有上述方法中， HCCI能够获得的发动机速度和负荷的范围相对窄。已经在四冲程汽油 发动机中使用带有某种气门控制策略的可变气门致动来展示扩展范围 的HCCI,所述气门控制策略实现来自先前燃烧周期的高残余燃烧产物 比例，这种高残余燃烧产物比例对于高度稀释混合物的HCCI来说是必要的。利用这种气门策略，使用常规的压缩比显著地扩展HCCI能够实
现的发动机速度和负荷范围。 一种这样的气门策略包括在排气沖程期 间借助于提前关闭排气气门而捕获并且再压缩废气。这样的气门控制
可以使用可变凸轮移相器来实施；然而，凸轮移相器权限(authority) 的确具有调节限制。 —种用于扩展四沖程均质充气压燃内燃机的低负荷操作 的方法包括应用气门致动装置控制进气气门和排气气门以产生负气 门重叠，从而捕获并再压缩燃烧室内的燃烧气体。应用对于更接近发 动机的中负荷操作的操作来说更短的负气门重叠和在发动机负荷降低 时愈加长的负气门重叠。燃料的 一部分喷射到再压缩的燃烧气体内， 该燃料部分是在燃烧周期喷射进燃烧室中的燃料总量的一部分。在负 气门重叠期间利用热源将燃料的至少 一部分点火。
图3A是根据本发明的包括负气门重叠、加注燃料和点火 的已知方法的示范性图示；和 图3B是根据本发明的负气门重叠、加注燃料和点火的示 范性图示。
具体实施例方式
示范性发动机10包括金属铸造的发动机缸体和发动机 汽缸盖27,发动机缸体带有在其中形成的多个汽缸，示出了多个汽缸 中的一个。每一汽缸包括端部封闭的汽缸，具有在其中插入的可活动 的、往复活塞ll。可变容积的燃烧室20在每一汽缸中形成，并且由汽 缸壁、可活动活塞11和汽缸盖27限定。发动才几缸体优选包括发动枳^ 冷却剂流体经过的冷却剂通道29。可操作以监测冷却剂流体温度的冷 却剂温度传感器37位于适当位置处，并且提供输入到控制系统25的 可用于控制发动机的参数信号。发动机优选包括已知系统，这些已知 系统包括外部废气再循环(EGR)阀和进气空气节气门阀(未示出)。 发动机汽缸盖27包含具有一个或多个进气端口 17以及 一个或多个排气端口 19的金属铸造装置，进气端口 17和排气端口 19 流向燃烧室20。进气端口 17供应空气到燃烧室20。燃烧后的(燃烧) 气体从燃烧室20流经排气端口 19。通过每一进气端口的空气流借助于 对一个或多个进气气门21的致动而控制。燃烧气体的流动通过每一排 气端口由对一个或多个排气气门23的致动而控制。 空气通过进气歧管流道(ru皿er ) 50进入到进气端口 17, 进气歧管流道50接收经过已知的空气计量装置和节气门装置的过滤空 气(未示出)。废气从排气端口 19流向包括废气传感器40的排气歧 管42，废气传感器40可操作以监测废气流的成分并且确定与其相关的 参数。废气传感器40可包含几种已知感测装置的任一种，所述感测装 置可操作以提供废气流的参数值，包括空燃比或废气成分(例如，NOx, CO, HC和其他成分)的测量值。系统可包括用于监测燃烧压力的缸 内传感器16或非侵入式压力传感器或推断确定的压力测定(例如，通 过曲轴加速度)。前述传感器和计量装置中的每一个都将信号作为参 数输入提供给控制系统25。这些参数输入可以由控制系统使用从而确 定燃烧性能测量值。 控制系统25优选地包含总体控制体系结构的子组，所述 总体控制体系结构可操作提供对发动机10和其他系统的协调系统控 制。在总体操作中，控制系统25可操作以综合操作员输入、环境条件、 发动机操作参数和燃烧性能测量值，并且执行算法去控制各种致动器 从而获得控制参数(包括这样的参数，如燃料经济性、排放物、性能 和驾驶性能)的目标值。控制系统25可操作地连接到多个装置，通过 这些装置操作员通常控制或引导发动机的操作。在发动机应用在机动 车中时，示范性的操作员输入包括加速器踏板、制动踏板、变速器档 位选择器和机动车速度巡航控制。控制系统可通过局域网(LAN)总 线(未示出)与其他控制器、传感器和致动器通信，局域网(LAN) 总线优选地允许各种控制器之间的控制参数和指令的结构化通信。由控制系统25控制的致动器包括燃料喷射器12; VCP/VLC气门致动装置60、 70;可操作地连接到点火模块用于控制火花保持(spark dwell)和定时的火花塞14;废气再循环(EGR)阀(未 示出)和电子节气门控制模块(未示出)。燃料喷射器12优选地可操 作以将燃料直接喷射进每一燃烧室20中。示范性的直喷燃料喷射器的 特定细节是已知的，在此不再描述。控制系统25应用火花塞14从而 在发动机速度与负荷操作范围的部分上提高对示范性发动机的点火定 时控制。在示范性发动机操作在纯HCCI模式下时，发动机不使用被激 励的火花塞。然而已经证实，希望在某些条件下应用火花点火来补充 HCCI模式，这些条件例如包括，在冷启动期间(以防止堵塞)，以及
已经证实在HCCI模式中在高负荷操作限制时以及在限流或无限流的 火花点火操作下的高速/负荷操作条件时优选地使用火花点火。 控制系统25可操作地连接到发动才几10,并且用以获取来 自传感器的参数数据和经过适当的接口 45来控制发动机10的各种致 动器。控制系统25执行存储在其中的算法代码以控制前述致动器到特 定控制状态从而控制发动机操作，包括节气门位置(ETC);火花定 时和保持(IGN);燃料喷射质量和定时(Inj—pw);进气和/或排气气 门开启的定相、升程和持续时间(VCP/VLC);和控制再循环废气流 量的EGR阀位置(EGR)。进气和/或排气气门开启的定相、升程和持 续时间包括排气气门再次开启的负气门重叠和升程(在排气再换气策 略中)。控制模块适于监测来自操作员的输入信号(例如，加速器踏 板位置和制动踏板位置)从而确定操作员扭矩请求(To一req),且适于 监测来自传感器(包括表示发动机速度(RPM)、发动机负荷(使用 MAF、 MAP或Inj_pw)、冷却剂温度(冷却剂)、进气空气温度(Tin) 和其他环境条件的传感器)的发动机操作状态，从而确定主要与发动 机速度和负荷有关的发动机操作点。 现在参考图2A,示出了带有可变气门致动系统的示范性 双顶置凸轮发动机在各种发动机速度下的燃烧模式与负荷条件的示范 性映射，所述可变气门致动系统具有双凸轮移相器和2级提升器系统。 在HCCI模式下，示范性发动机可操作在发动机速度(RPM)和由燃 料量(mg/周期)表示的负荷的范围上。线IIO描述在HCCI模式下操 作发动机的上限。线IIO之下是各种HCCI操作的子区域，包括当量和 贫HCCI (lean HCCI)模式。根据加注燃料策略，贫HCCI模式被进一 步细分(线120),加注燃料策略大体建立在高部分负荷时的单独喷射 和低于高部分负荷时的分离或双喷射。线130描述了在没有外部点火 源的情况下以纯HCCI;溪式操作发动机的下限。已知的在线130下方区 域操作发动机的策略包括当量标准点火模式和在活塞的压缩与膨胀沖 程之间转换附近使用火花辅助的混合HCCI^t式。然而，应当知道，火 花辅助HCCI模式失去了由纯HCCI操作获得的很多优点。 此外，将热源增加给在负气门重叠期间存在的燃料减少 了4吏用主动气门定相(aggressive valve phasing )的需要。因为热源存 在以保证喷射到燃烧气体的燃料将部分地燃烧，所以，对于给定的发 动机负荷来说在较小的负气门重叠下可获得实现燃烧气体中部分燃烧 所需的条件。 本发明已经描述了某些优选实施例和这些优先实施例的 修改。在阅读并理解详细说明的基础上，本领域技术人员可以想到进一步修改和改变。因此，意图是本发明不被限制为作为实施本发明而 构思的最佳模式所公开的具体实施例，而是本发明包括落入所附权利 要求范围内的全部实施例。
权利要求
1.一种用于扩展四冲程均质充气压燃内燃机的低负荷操作的方法，所述四冲程均质充气压燃内燃机包括由在上止点和下止点之间在汽缸内往复运动的活塞所限定的可变容积燃烧室，进气和排气通道，以及在所述活塞的重复和按顺序的排气、进气、压缩和膨胀冲程期间被控制的进气和排气气门，所述方法包括应用气门致动装置来控制所述进气气门和所述排气气门以产生负气门重叠，从而捕获并再压缩所述燃烧室内的燃烧气体，对于更接近所述发动机的中负荷操作的操作来说所述应用实现更短的负气门重叠，并且在发动机负荷降低时所述应用实现愈加长的负气门重叠；在所述负气门重叠期间将燃料的部分喷射进所述再压缩的燃烧气体，所述燃料的部分是在燃烧周期喷射进所述燃烧室中的燃料的总量的一部分；以及在所述负气门重叠期间，利用热源将燃料的所述部分中的至少一部分点火。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，所述应用包括调节所述排气气 门的相位。
3. 如权利要求l所述的方法，其中，所述应用包括调节所述进气气 门的相位。
4. 如权利要求l所述的方法，其中，所述应用包括调节所述排气气 门和所述进气气门的相位。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，所述调节所述排气气门和所述 进气气门的相位作为协调变化而执行，其中， 一个气门相位的任何变 化由另 一个气门相位的大体相同且相反的变化所匹配。
6. 如权利要求l所述的方法，其中，所述喷射和点火形成分层、喷 雾引导的燃烧。
7. 如权利要求l所述的方法，其中，所述点火利用火花塞实现。
8. 如权利要求l所述的方法，其中，所述点火利用预热塞实现。
9. 如权利要求l所述的方法，其中，所述点火利用所述燃烧室内的 热点实现。
10. —种用于在低负荷均质充气压燃操作下操作内燃机的设备，包 括由在上止点和下止点之间在汽缸内往复运动的活塞所限定的可变容积燃烧室；进气气门和排气气门；用于改变所述进气和排气气门的定相的气门致动装置，其中，所 述进气气门和排气气门在所述活塞的重复和按顺序的排气、进气、压 缩和膨胀沖程期间受到所述气门致动装置的控制，所述排气气门在所 述进气气门开启之前关闭以产生负气门重叠，对于较高的低负荷操作 所述负气门重叠更短，对于较低的低负荷操作所述负气门重叠更长；在所述负气门重叠期间将燃料喷射进所述燃烧室中的燃料喷射 器；和定位为在所述负气门重叠期间点火的热源。
11. 如权利要求10所述的设备，其中，所述热源是火花塞。
12. 如权利要求10所述的设备，其中，所述热源是预热塞。
13. 如权利要求10所述的设备，其中，所述热源是所述燃烧室内的热 点。
14. 如权利要求13所述的设备，其中，所述热点是通过试验识别的在 低负荷操作期间 一 直呈现高温的所述燃烧室的 一 部分。
15. 如权利要求13所述的设备，其中，所述热点是形成为远离所述燃 烧室内的冷却特征的所述燃烧室的 一部分，使得所述部分在低负荷操 作期间呈现高温。
16. 如权利要求10所述的设备，其中，为了调节所述负气门重叠，所 述气门致动装置调节所述进气气门和所述排气气门中的至少一个的相 位通过多个相位。
17. 如权利要求10所述的设备，其中，为了调节所述负气门重叠，所 述气门致动装置调节所述进气气门和所述排气气门中的至少一个的相 位通过连续的相^f立范围。
18. 如权利要求10所述的设备，其中，所述气门致动装置使用机械致 动来调节所述进气气门和所述排气气门中的至少一个的相位。
19. 如权利要求10所述的设备，其中，所述气门致动装置使用电气致 动来调节所述进气气门和所述排气气门中的至少一个的相位控制。
20. 如权利要求10所述的设备，其中，所述气门致动装置使用电动液 压致动来调节所述进气气门和所述排气气门中的至少一个的相位控 制。
全文摘要
一种扩展均质充气压燃发动机的低负荷操作的方法，所述方法包括应用气门致动装置产生负气门重叠，从而捕获并再压缩燃烧室内的燃烧气体，在发动机负荷降低时所述装置实现愈加长的负气门重叠；在所述负气门重叠期间将燃料的一部分喷射进再压缩的燃烧气体；并且在所述负气门重叠期间，利用热源将燃料点火。
文档编号F02B17/00GK101558220SQ200780042721
公开日2009年10月14日 申请日期2007年11月6日 优先权日2006年11月16日
发明者B·L·布朗, D·R·萨瑟兰, T·-W·郭 申请人:通用汽车环球科技运作公司